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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:呂冠輹
研究生(外文):Kuan-FuLu
論文名稱:以雷射輔助電漿增強式化學氣相沉積系統製作具漸變矽鍺吸收層太陽能電池之研究
論文名稱(外文):The graded SiGe absorption layer solar cell deposited by Laser-Assisted Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition
指導教授:李清庭
指導教授(外文):Ching-Ting Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:微電子工程研究所碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:56
中文關鍵詞:化學氣相沉積漸變矽鍺太陽能電池
外文關鍵詞:chemical vapor depositiongradedsolar cellsilicon-germanium
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一般來說, p-i-n結構太陽能主要由吸收層(i-type)吸光後產生光生載子電子電洞對,光生載子會經由元件內建電場將其導出至外部電路形成光生電流。但由於電洞傳輸能力遠低於電子,因此在被導出至外部電路前,電洞大部分會與薄膜內部缺陷產生復合而造成光電流大小受限的情形。換句話說,若元件要得到好的光電特性,則須提升自由載子傳輸能力,自由載子傳輸能力主要決定於內部電場好壞,因此改善元件內部電場可有效提升自由載子傳輸能力進而提升太陽能電池之光電流。
在本研究中,太陽能電池吸收層主要採用非晶矽鍺薄膜,矽鍺薄膜可藉由改變鍺的比例將能隙調變範圍由1.1eV至1.8eV,由於可調變的特點使矽鍺薄膜常應用於串疊式太陽能電池結構以增加光吸收大小,並常應用於中間層太陽能電池結構或是最底層式太陽能電池。
漸變矽鍺吸收層太陽能電池和加入微晶結構摻雜層(p-type and n-type)太陽能電池是由雷射輔助電漿增強式化學氣相沉積系統所成長,由實驗結果可證明,在引入漸變吸收層結構後,太陽能電池元件之光電流值可由19.43提升至23.54 mA/cm2,效率可由5.46%提升至6.83%。為了更進一步提升太陽能電池之元件特性,將具漸變吸收層太陽能電池元件之p型薄膜以及n型薄膜應用雷射輔助電將增強式化學氣相沉積系統製作為微晶矽結構,利用微晶矽薄膜之高導電度及低電阻率之特點,更可進一步將光電流值提升至26.30 mA/cm2,元件效率提升至7.51%。

In general, a solar cell structure consists of an absorber layer, in which the photons of an incident radiation are efficiently absorbed resulting in a creation of electron-hole pairs. The photo-generated electrons and holes are driven by the built-in electric field of the junction to form the photo-current. The transmission capacity of electron was much better than the hole. Therefore, before the holes were driven to the contacts, the holes were recombined at defects. As this result, the photo-current is diminished. On other words, to obtain high performance, the transmission capacity of hole should be improved. On the other hand, the transmission capacity is determined by the built-in electric field, in which it should be as high as possible .
In this study, the a-SiGe thin film was applied to the absorber layer of solar cells. The energy band-gap of amorphous silicon–germanium (a-SiGe) alloy can be adjusted continuously between 1.4 eV and 1.8 eV by varying the Ge fraction. This characteristic renders a-SiGe a suitable light absorber material in multi-junction amorphous silicon (a-Si) based thin film solar cells, in which the a-SiGe acts as intrinsic layer in middle or bottom cells to enhance green to red absorption .
The high performance silicon-germanium (a-SiGe) solar cells with graded absorber layer and microcrystalline structure doped thin films (p-Si and n-Si) was fabricated by using laser-assisted plasma-enhanced chemical vapor deposition (LAPECVD) system. These experimental results verified that the solar cells with graded absorber layer was improved from 19.43 mA/cm2 to 23.54 mA/cm2. Consequently, the conversion of the solar cells efficiency was upgraded from 5.46 % to 6.83 %.
Furthermore, the short circuit current density of the solar cells with graded absorber and microcrystalline structure doped thin films (p-Si and n-Si) layer was improved from 19.43 mA/cm2 to 26.3 mA/cm2. Consequently, the conversion of the solar cells efficiency was upgraded from 5.46 % to 7.51 %.

中文摘要 I
英文摘要Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 X
圖目錄 XI
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
參考文獻 5
第二章 實驗原理簡介 7
2.1 太陽能電池工作原理 7
2.1.1 光電基本轉換原理 7
2.1.2 短路電流Isc 8
2.1.3 開路電壓Voc 8
2.1.4 內建電場 9
2.1.5 轉換效率與填充因子 10
2.1.6 太陽能光譜 11
2.1.7 漏電流 及串並聯電阻 11
2.2 矽薄膜沉積系統及沉積方式簡介 12
2.2.1 雷射輔助電漿增強式化學氣相沉積系統(LAPECVD) 12
2.3 化學氣相沉積原理 14
2.4 外部量子效率 15
2.4.1 量子效率 15
2.5 能帶斜率與載子傳輸能力的關係 16
參考文獻 18
第三章 量測儀器及元件製程 19
3.1 薄膜光電特性量測 19
3.1.1 UV-VIS-NIR光譜分析儀 19
3.1.2 轉換效率量測系統 19
3.1.3 外部量子效率量測系統 20
3.2 元件製程 20
3.2.1 試片清潔 20
3.2.2 元件結構設計 21
3.2.3 矽基薄膜沉積 21
3.2.4 元件製作 22
3.2.5 背部電極層製作 23
第四章 矽化鍺薄膜分析及太陽能電池量測 24
4.1 光學能隙量測計算 24
4.2 載子遷移率分析 25
4.3 矽鍺薄膜缺陷態位密度 26
4.4 霍爾量測 27
4.5 太陽能電池元件轉換效率量測 28
4.6 太陽能電池元件外部量子效率量測 29
參考文獻 32
第五章 結論 33
表目錄
表4.1 不同鍺烷流量的光學能隙值 35
表4.2 不同i-SiGe薄膜電子遷移率大小 35
表4.3 不同i-SiGe薄膜電子遷移率大小 36
表4.4 不同鍺烷流量薄膜缺陷密度比較 36
表4.5 有無雷射pn層濃度比較 37
表4.5 漸變與非漸變吸收層太陽能電池光電特性參數統整 37
圖目錄
圖2.1 太陽能電池等效電路圖 38
圖2.2 太陽能電池I-V曲線圖 38
圖2.3 空氣質量(Air Mass)的定義 39
圖2.4 太陽能電池等效電路圖 39
圖2.5 三腔體PECVD腔體示意圖 40
圖2.6 自組式多腔體LAPECVD系統光路示意圖 40
圖2.7 LAPECVD腔體內示意圖 41
圖2.8 CVD氣體沉積原理 41
圖2.9 能帶與電場和載子關係圖 42
圖2.10 pin能帶接合前結構圖(漸變i層) 42
圖2.11 pin能帶接合後結構圖(漸變i層) 43
圖3.1 IPCE量測結構圖 43
圖4.1 Tauc plot光學能隙計算方法 44
圖4.2 不同鍺烷流量之吸收係數圖 44
圖4.3 熱平衡時,n-i-n能帶圖結構 45
圖4.4 偏壓下,n-i-n能帶圖結構 45
圖4.5 I-V曲線圖 46
圖4.6 I-V2曲線圖 46
圖4.7 不同鍺烷流量量測電子遷移率I-V2曲線圖統整 47
圖4.8 不同鍺烷流量量測電洞遷移率I-V2曲線圖統整 47
圖4.9 漸變鍺烷流量量測電子遷移率I-V2曲線圖 48
圖4.10 不同鍺烷流量電壓與ln(I/V)圖 48
圖4.11 元件結構圖 49
圖4.12 非漸變吸收層能隙1.5eV,厚度150nm元件效率圖 49
圖4.13 漸變吸收層能隙1.5eV~1.7eV,厚度150nm元件效率圖 50
圖4.14 漸變吸收層能隙1.5eV~1.74eV,厚度150nm元件效率圖 50
圖4.15 漸變吸收層能隙1.5eV~1.78eV,厚度150nm元件效率圖 51
圖4.16 漸變與非漸變吸收層I-V圖統整 51
圖4.17 80W雷射輔助漸變吸收層1.5eV~1.74eV元件效率圖 52
圖4.18 pin結構太陽能電池 52
圖4.19 IPCE未加偏壓統整圖 53
圖4.20 正偏壓下,IPCE統整圖 53
圖4.21 負偏壓下,IPCE統整圖 54
圖4.22 IPCE加入正偏壓後衰減比例圖 54
圖4.23 p-Si和n-Si有無雷射(80w),漸變範圍1.5eV~1.74eV IPCE
量測統整圖 55
圖4.24 p-Si和n-Si有無雷射(80w),漸變範圍1.5eV~1.74eV IPCE外加
正偏壓統整圖 55
圖4.25 有無雷射(80w),漸變範圍1.5eV~1.74eV IPCE加入偏壓後衰
減比例圖 56


Chapter 1

[1] H. F. Sterling, and R. C. G. Swann, “Chemical vapor deposition promoted by r.f. discharge, Solid-State Electron., vol. 8, pp. 653-654, 1965.
[2] W. E. Spear, and P. G. L. Comber, “Substitutional doping of amorphous silicon, Solid State Commun., vol. 17, pp.1193-1196, 1975.
[3] W. E. Spear, and P. G. L. Comber, “Electronic properties of substitutionally doped amorphous Si and Ge, Phil. Mag., vol. 33, pp. 935-949, 1976.
[4] 戴寶通、 鄭晃忠(2008), 太陽能電池技術手冊, 新竹市: 台灣電子材料與元件協會, 頁 169-170。
[5] J. Kim, A. K. Ahmed, A. J. Hong, M. M. Saad, D. K. Sadana, and T. C. Chen, Efficiency enhancement of a-Si:H single junction solar cells by a-Ge:H incorporation at the p+ a-SiC:H/transparent conducting oxide interface, Appl. Phys. Lett., vol. 99, pp. 062102-062105, 2011.
[6] T. Matsui1, C. W. Chang, T. Takada1, M. Isomura, H. Fujiwara, and M. Kondo, “Microcrystalline Si1-xGex Solar Cells Exhibiting Enhanced Infrared Response with Reduced Absorber Thickness, Appl. Phys. Express., vol. 1, pp. 031501-1-031501.3, 2008.
[7] S.M. Sze(2002), Semiconductor Devices(2nd ed.), New Jersey: John Wiley & Sons.

Chapter 2

[1] 翁敏航、楊茹媛、管鴻、晁成虎(2012), 太陽能電池原理、元件、材料、製成與檢測技術, 台北市: 東華書局, 頁 397-398。
[2] 施敏(2008), 半導體元件與製作技術第二版, 新竹市:國立交通大學出版社, 頁 51-52。
[3] W. T. Tsang, “Light Communication Technology, Academic Press.

Chapter 4

[1] 戴寶通、 鄭晃忠(2008), 太陽能電池技術手冊, 新竹市: 台灣電子材料與元件協會, 頁 178-179。
[2] W. Paul, “Structural, optical and photoelectronic properties of improved PECVD a-Ge:H, Non-Cryst. Solids, vol. 137-138, pp. 803-808, 1991.
[3] D. P. Stieler, “Measurement of mobility in nanocrystalline semiconductor materials using space charge limited current, Iowa State University, 2005.
[4] A. Eray, and G. Nobile, “Evaluation of the gapstate distribution in a-Si:H by SCLC measurements, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 76, pp. 521-528, 2003.


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