臺灣博碩士論文加值系統

在本論文中，我們探索改進徑向矽奈米線太陽能電池的製程。我們使用一種二次蝕刻機制，讓奈米線結構更準直和規律，提升抗反射效果。接著以快速熱退火系統在880 oC短時間擴散，並配合擴散深度模擬軟體，模擬擴散持續時間對應的擴散深度後，我們成功製作徑向接面太陽能電池。徑向接面有助於減低少數載子漂移路徑，降低其被復合機率，並增加短波段光線的轉換效率(對比於無徑向接面奈米線電池)，因此可以增加效率的提升；接著我們解決了正電極的接觸問題，成功製作出效率高達10.06 %的徑向接面奈米線太陽能電池。並在使用化學表面鈍化徑向接面太陽能電池後，對效率也有提升的效果。我們相信，透過有效減少製程所需時間與熱成本後，太陽能電池的成本可以更下降，使太陽能電池更普及，進而改善整體地球環境。

In this study, we investigated processes for improving the performances of silicon nanowire solar cells with radial p-n junctions. First, we employed a two-step etching methodology for producing well-aligned nanowires with improved anti-reflectiion. Then, the Si nanowires were short-time diffused by using a rapid thermal annealing system at 880 oC with a homemade spin-on dopant source. Diffusion depths corresponding to various lengths of diffusion time were estimated by simulation software to ensure the successful production of the radial p-n junction silicon nanowire solar cells. Si nanowire solar cells with radial junctions incorporate not only decreased drifting paths of the photo-generated minority carriers with reduced recombination possibility, they also help increasing the conversion efficiency of the UV light, comparing to those Si nanowire solar cells without radial junctions. With the front electrode contact problem resolved, a radial junction nanowire solar cell with the conversion efficiency reaching 10.06 % was demonstrated. Chemical treatments for passivating surfaces of the radial p-n junction nanowire solar cells were also shown to be help increase the efficiencies of the cell .With our efforts, we believe that the cost of solar cells will be eventually reduced, leading to wide spread use of the cells with an improved environment of the earth .

致謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
第二章 基本原理 5
2.1 無電鍍金屬沉積與蝕刻技術之工作原理 5
2.2 太陽能電池原理 7
2.2.1 太陽能電池基本原理 7
2.2.2 長時間擴散奈米線與徑向接面太陽能電池結構 9
2.2.3 擴散製程 11
2.2.4 太陽能電池之等效電路 12
2.2.5 太陽能電池之量測與效率計算 13
2.2.5.1 太陽光模擬器與校正用太陽能電池 13
2.2.5.2 太陽能電池之I-V曲線量測及效率計算 16
2.2.5.3 串聯電阻之量測 18
2.2.5.4 外部量子效率之量測與計算原理 20
第三章 實驗步驟與儀器設備 22
3.1實驗流程與步驟 22
3.1.1矽奈米線製作流程 22
3.1.2 無電鍍蝕刻製備矽奈米線 23
3.1.3.1 配製太陽能電池擴散源 26
3.1.3.2 擴散程序介紹 27
3.1.3 太陽能電池電極 27
3.2實驗儀器設備簡介 28
3.2.1濕蝕刻系統 28
3.2.2掃描式電子顯微鏡(SEM)表面形貌分析 29
3.2.3光學及特性分析儀器 31
3.2.3.1 電壓-電流曲線(I-V curve)量測儀器介紹 31
3.2.3.2 外部量子效率(EQE)量測儀器介紹 33
3.2.3.3 反射率量測儀器介紹 37
3.2.4熱處理及氧化擴散系統 38
3.2.5四點探針量測系統 39
3.2.6塗佈系統 40
第四章 結果與討論 41
4.1不同奈米線長度對於效率的影響 41
4.1.1蝕刻時間對於奈米線長度的影響 41
4.1.2使用二次蝕刻法蝕刻奈米線 44
4.1.3 一次蝕刻法與二次蝕刻法之反射率比較 45
4.2 擴散接面深度 47
4.3 不同結構之太陽能電池比較 49
4.3.1 非徑向接面矽奈米線太陽能電池在不同時間蝕刻下之IV特性曲線分析 50
4.3.1.1一次蝕刻法下之非徑向接面矽奈米線太陽能電池IV特性曲線 50
4.3.1.2二次蝕刻法下不同蝕刻時間之非徑向接面奈米線太陽能電池IV特性曲線 52
4.3.2 徑向接面奈米線太陽能電池各種不同擴散深度之IV曲線 54
4.3.2.1徑向接面奈米線太陽能電池擴散深度選擇 54
4.3.2.2徑向接面與非徑向接面太陽能電池之IV特性曲線 56
4.3.3 各種不同結構之太陽能電池IV曲線 58
4.3.4各種不同結構之太陽能電池外部量子效率 59
4.4 徑向接面奈米線太陽能電池正電極製程優化 62
4.4.1徑向接面奈米線太陽能電池之正電極間距選擇 62
4.4.2 徑向接面奈米線太陽能電池之電極接觸問題 64
4.4.3 徑向接面奈米線太陽能電池之正電極熱處理參數優化 65
4.4.4 徑向接面與非徑向接面之奈米線太陽能電池其整體製程時間比較 69
4.5 徑向接面奈米線太陽能電池表面化學鈍化處理 71
4.5.1 徑向接面奈米線太陽能電池表面1M鹽酸鈍化 72
4.5.2 徑向接面奈米線太陽能電池表面1%硝酸鈍化 74
4.5.3 徑向接面奈米線太陽能電池表面1%氫溴酸鈍化 76
4.5.4 徑向接面奈米線太陽能電池表面60%硝酸鈍化 78
第五章 結論 82
參考文獻 83

[1] A. Hovinen, Physica Scripta.69, 167-169 (1997).
[2] T. Nunoi, Sharp Technical Journal. 38, 32-36 (1998).
[3] F. L. Zhang, M. Johansson, M. R Andersson, J. C. Hummelen and O. Inganas, Synthetic Metals. 137, 1401-1402 (2003).
[4] A. Hinsch, J. M. Kroon, R. Kern, I. Uhlendorf, J. Holzbock, A. Meyer and J. Ferber, Progress In Photovoltaics. 9, 425-438 (2001).
[5] J. B. Chang, J. Z. LiuZ, P. X. Yan, L. F. Bai, Z. J. Yan, X. M. Yuan and Q. Yang, Materials Letters 60, 2125 (2006).
[6] J. B. Hannon, S. Kodambaka, F. M. Ross, R. M. Tromp, NATURE 440,69 (2006).
[7] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, W. Prog, Photovoltaics 18, (5), 346. (2010).
[8] K. Peng, Y. J. Yan, S. P. Gao, J. Zhu, Adv. Mater. 14, 1164 (2002).
[9] K. Peng, Y. J. Yan, S. P. Gao, J. Zhu, Adv. Funct. Mater. 13, 127 (2003).
[10] K. Peng, J. Zhu, Journal of Electroanalytical Chemistry 558, 35 (2003).
[11] K. Peng, J. Zhu, Electrochimica Acta 49, 2563 (2004).
[12] K. Peng, Z. Huang, J. Zhu, Adv. Mater. 16, 73 (2004).
[13] K. Peng, Y. Wu, H. Fang, X. Zhong, Y. Xu, J. Zhu,Angew. Chem. Int. Ed. 44, 2737 (2005).
[14] B. M. Kayes, H. A. Atwater, N. S. Lewis, J. Appl. Phys. 97, 114302 (2005).
[15] P. D. Maniar, United States Patent. Patent Number: 5186745 (1993).
[16] S. A. Kamil,K. Ibrahim, A. A. Aziz,AIP. Vol. 1017, 124-128 (2008).
[17] S. Noel, H. Lautenschlager, J. C. Muller, Semicond. Sci. Technol. 15, (4), 322.(2000).
[18] S. Peters, C. Ballif, D. Borchert, R. Schindler, W. Warta, G. Willeke, Semicond. Sci.Technol.17,(7),677 (2002).
[19] A. Rohatgi, A. Ebong, V. Yelundur, A. Ristow, Prog. Photovoltaics , 8, (5), 515 (2000).
[20] J. Y. Jung, Z. Guo, S. W. Jee, H. D. Um, K. T. Park, M. S. Hyun, J. M. Yang and J. H. Lee,Nanotechnology.21,445303 (2010).
[21] J. S. Hwang, M. C. Kao, J. M. Shiu, C. N. Fan, S. C. Ye, W. S. Yu, H. M. Lin, T. Y. Lin, S. Chattopadhyay, L. C. Chen, and K. H. Chen, J. Phys. Chem. C 115, 21981 (2011).
[22] B. M. Kayes, H. A. Atwater, N. S. Lewis, J. Appl. Phys. 97, 114302. (2005)
[23] J , Nelson ; The Physics of solar cell, September 5, 2003.
[24] 莊嘉琛 , “太陽能工程-太陽電池篇，全華出版社”，(1997)
[25] ASTM E927-5 “Standard Specification for Solar Simulation for Photovoltaic Testing”.
[26] T. Qiu, X. L. Wu, X. Yang, G. S. Huang, Z. Y. Zhang, Appl. Phys. Lett. 84,3867 (2004).
[27] T. Qiu, X. L. Wu, Y. F. Mei, G. J. Wan, P. K. Chu, G. G. Siu, Journal of crystal growth 277, 143 (2005).
[28] W.E. Beadle, r.d. Plummer and j.c. Tsai: Quick Reference Manual for
Silicon Integrated Circuit Technology (John Wiley & Sons, New York).
(1985).
[29] M. A. Green, Solar cells : operating principles, technology and system applications, (2008).
[30] D.A.Neamen,”SEMICONDUCTOR PHYSIC AND DEVICES”,McGRAW-HILL,New York. (2003).
[31] K. Q. Peng, Y. Xu, Y. Wu, Y. Yan, J, S. T. Lee, J. Zhu, Small 1, 1062, (2005).
[32] H. D. Um, J. Y. Jung, H. S. Seo, K. T. Park, S. W. Jee, S. A. Moiz, J. H Lee, Jpn. J. Appl. Phys. 49, 04DN02 (2010).
[33] S. J. Eisele, T. C. Roder, J. R. Kohler, J. H. Werner, Appl. Phys. Lett. 95.133501 (2009).
[34] T. Fatima, M. Howard, M. R. Branz, M. J. Kim and C. Y. Hao, Appl. Phys. Lett. 99.103501 (2011).
[35] C. Chen, J. Rui, L. Haofeng, M. Yanlong et al, Appl. Phys. Lett. 98.143108 (2011).
[36] L.Li and H. Bender,“Surface passivation and microroughness of (100) silicon etched in aqueous hydrogen halide(HF,HCl,HBr,HI) solution”Journal of Applied Physics ,vol.77,issue3,p1323-1325, (1995).
[37] E. G. Nicholas and R. M. Keith, “Passivation of a (100) Silicon Surface by Silicon Dioxide Grown in Nitric Acid”,IEEE Electron Device Letter,Vol.30,NO.9, (2009).
[38] K. A. Hikru, M. Osamu,“Nitric acid oxidation of Si to form ultrathin silicon dioxide layers with a low leakage current density”,Journal of Applied Physics,vol.94, (2003).
[39] 葉獻超，”溶膠凝膠法製備無毒性硼擴散源應用於無電鍍蝕刻矽奈米線N型太陽能電池之研究”，海大光電碩論，100年