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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張悳崴
研究生(外文):Chang, Te-Wei
論文名稱:鈍化射極與背面接觸多晶太陽能電池射極最佳化之研究
論文名稱(外文):Study of polycrystalline silicon PERC solar cell fabricated with optimized emitter
指導教授:吳建宏吳建宏引用關係陳松裕陳松裕引用關係
指導教授(外文):Wu, Chien-HungChen, Sung-Yu
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:多晶矽P型矽晶鈍化發射極背面接觸太陽能電池
外文關鍵詞:polysiliconP-type siliconpassivated emitter rear contact
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摘要

現今地球暖化問題嚴重,太陽能電池的開發極為重要,如何提升太陽能電池轉換效率成為科學家探討的焦點。近幾年來晶片有越來越薄的趨勢,表面缺陷占整體缺陷比例變大,如何用鈍化技術降低表面缺陷密度進而提升太陽能電池轉換效率就成了關鍵。
本實驗電池使用鈍化發射極背面接觸結構(PERC,Passivated Emitter Rear Contact),利用原子層沉積系統(ALD,atomic layer deposition),在p-type多晶基板上使用200℃的溫度成長20 nm的Al2O3 薄膜 搭配上SiNx薄膜形成背面鈍化層,降低載子複合機率,並且提升長波長的光吸收,在經由雷射開孔,讓背面膠料能夠滲入形成良好局部背電場(BSF,Back Surface Field)。
本實驗在調整晶片厚度、正面電極數量、背面開線線寬間距及射極參數來測試取得較佳實驗條件,在製作成電池,並觀察其轉換效率,本次實驗得到的最高轉換效率18.26%、Jsc = 35.64 mA、Voc = 631 mV、FF = 81.19%。

關鍵字:多晶矽、P型矽晶、鈍化發射極背面接觸。


Abstract
Today global warming a serious problem, solar cell development is extremely important, how to improve solar cell conversion efficiency has become the focus of scientists exploring. In recent years, a growing wafer thin trend, the overall defect surface defects larger proportion accounted for, how to use technology to reduce surface passivation defect density and thus enhance the solar cell conversion efficiency has become critical.
In this study, the back of the battery passivated emitter contact structure (PERC , Passivated Emitter Rear Contact), using atomic layer deposition system (ALD , atomic layer deposition), using a temperature of 200℃ grow on p-type polycrystalline substrate of Al2O3 film with 20 nm SiNx film is formed on the back surface passivation layer, reducing carrier recombination probability, and enhance the long wavelength light absorption, via a laser aperture, so the back of the plastic material can penetrate local backing to form a good electric field (BSF , Back Surface Field).
Adjusting the thickness of the wafer in the present experiment, the number of front electrode, the back of the open line width and spacing parameters to test the emitter obtain better experimental conditions, in the production of a battery, and observe the conversion efficiency, the best efficiency is obtained in this experiment 18.26%、Jsc = 35.64 mA、Voc = 631 mV、FF = 81.19%。


Keywords: polysilicon, P-type silicon, passivated emitter rear contact.

目錄
中文摘要 ……………………………………………………………………………… i
英文摘要 ……………………………………………………………………………… ii
致謝 …………………………………………………………………………………… iii
目錄 …………………………………………………………………………………… iv
表目錄 ………………………………………………………………………………… vii
圖目錄 ………………………………………………………………………………… viii

第一章 緒論
1-1 太陽能電池概論 …………………………………………………………… 1
1-2 太陽能輻射與光吸收……………………………………………………… 4
1-3 半導體的PN接面 ………………………………………………………… 7
1-4 半導體中複合過程 ……………………………………………………… 8
1-5 太陽能電池發電原理……………………………………………………… 10
1-6 太陽能電池基本參數介紹………………………………………………… 11
1-7 太陽能電池的效率損失…………………………………………………… 17

第二章 PERC太陽能電池文獻回顧與研究動機
2-1 文獻回顧 …………………………………………………………………… 18
2-1.1 清洗流程比較 ……………………………………………………… 18
2-1.2 背面鈍化層 ……………………………………………………… 23
2-1.3 雷射損傷蝕刻去除 ……………………………………………… 25
2-1.4 背面拋光 ………………………………………………………… 28
2-2 研究目的動機 ………………………………………………………… 30


第三章 太陽能電池製作流程
3-1 標準實驗流程 ……………………………………………………………… 31
3-2 鈍化射極背面接觸實驗流程 ……………………………………………… 36
3-3 實驗設備介紹 ……………………………………………………………… 46
3-3.1 化學槽 ……………………………………………………………… 46
3-3.2 矽晶太陽能電池擴散與成膜爐管 ………………………………… 46
3-3.3 矽晶太陽能電池精密對位網印機 ………………………………… 47
3-3.4 紅外線高溫燒結爐 ………………………………………………… 48
3-3.5自動化雷射刻槽機 ………………………………………………… 49
3-3.6 高溫爐管 …………………………………………………………… 50
3-3.7 原子層沉積系統 …………………………………………………… 51
3-4 量測設備介紹 ……………………………………………………………… 52
3-4.1 紫外線光譜儀 ……………………………………………………… 52
3-4.2 活存期測試儀 ……………………………………………………… 52
3-4.3 太陽能電池光源模擬器系統 ……………………………………… 53
3-4.4 光譜響應量測系統 ………………………………………………… 54
3-4.5 電性量測系統 ……………………………………………………… 55
3-4.6 四點探針量測系統 ………………………………………………… 55
3-4.7 少數載子生命週期與Sun Voc量測 ……………………………… 56
3-4.8 橢圓偏光儀 ………………………………………………………… 56
3-4.9 展阻量測系統 ……………………………………………………… 57
3-4.10 高解析度場發射掃描電子顯微鏡暨能量散佈分析儀 …………… 58
3-4.11 二次離子質譜儀 …………………………………………………… 59


第四章 結果與討論
4-1 元件量測與分析結果 ……………………………………………………… 61
4-2 不同基板厚度比較 ……………………………………………………… 61
4-3 調整正面電極數量 ……………………………………………………… 65
4-4 調整背面開線間距與線寬 ………………………………………………… 67
4-5調整射極參數 ……………………………………………………………… 71

第五章 結論與未來展望
5-1 結論 ………………………………………………………………………… 78
5-2 未來研究方向 ……………………………………………………………… 78

參考文獻 ………………………………………………………………………… 79













表目錄
第二章 太陽能電池基本原理
表2-1 標準電池與PERC電池的電性量測 ……………………………………… 24

第四章 太陽能電池量測分析與討論
表4-1 不同基板厚度參數的電性量測 ………………………………………… 62
表4-2 不同電極數量參數的電性量測 ………………………………………… 65
表4-3 不同間距線寬參數的電性量測 ………………………………………… 68
表4-4 不同射極參數的電性量測 ……………………………………………… 73












圖目錄
第一章 緒論
圖1-1 貝爾實驗室第一顆矽太陽能電池………………………………………… 2
圖1-2 太陽能電池的總類圖 ……………………………………………………… 2
圖1-3 太陽能電池各種類發展之效率圖 ………………………………………… 3
圖1-4 陽光入射到地球表面示意圖 ……………………………………………… 4
圖1-5 太陽光入射角度對應大氣質量示意圖 …………………………………… 5
圖1-6 典型的太陽輻射光譜分析圖 ……………………………………………… 5
圖1-7 太陽光光譜與各種太陽電池能量分佈圖 ………………………………… 6
圖1-8 太陽能電池材料和太陽輻射光譜對應圖 ………………………………… 6
圖1-9 P/N接面之能帶圖 ………………………………………………………… 7
圖1-10 太陽發電原理示意圖 ……………………………………………………… 10
圖1-11 太陽能電池p-n接面能帶示意圖………………………………………… 11
圖1-12 理想太陽電池之暗電流及光電流特性曲線圖…………………………… 12
圖1-13 太陽能電池照光之理想電流、電壓特性曲線圖 ………………………… 13
圖1-14 太陽能電池之簡化等效電路模型圖 ……………………………………… 14
圖1-15 太陽能電池電流電壓存在串並聯電阻特性曲線圖 ……………………… 14
圖1-16 (a)太陽能電池受到串聯電阻所影響 …………………………………… 15
圖1-16 (b)太陽能電池受到並聯電阻所影響 …………………………………… 15
圖1-17太陽能電池之量子效率特性曲線圖 ……………………………………… 16




第二章 PERC太陽能電池文獻回顧與研究動機
圖2-1 PERC電池的兩種製作流程及完成結構圖 ……………………………… 19
圖2-2 覆蓋上鈍化層之前不同清洗流程下的載子生命週期 …………………… 19
圖2-3 蓋上鈍化層之前不同清洗流程下製作成PERC電池後量測參數 ……… 20
圖2-4 內部量子效率比較圖 ……………………………………………………… 21
圖2-5 針對不同的拋光厚度進行的量測 ………………………………………… 21
圖2-6 經過濕式拋光後製程的PERC電池量測 ………………………………… 22
圖2-7 太陽能量子效率QE及正面反射率RF …………………………………… 23
圖2-8 背面反射率Rb …………………………………………………………… 24
圖2-9 光學顯微鏡下的雷射局部接觸 …………………………………………… 25
圖2-10 ECV觀察雷射的損傷深度 ………………………………………………… 26
圖2-11不同的KOH濃度造成的蝕刻深度 ………………………………………… 26
圖2-12不同的KOH濃度造成的Voc的變化 ……………………………………… 27
圖2-13不同的蝕刻時間造成的Rsh的變化 ……………………………………… 27
圖2-14 SEM (a)正面未拋光,(b)背面拋光 ……………………………………… 28
圖2-15 不同阻值下拋光後清洗的電性量測 ……………………………………… 28
圖 2-16 在EL下電池的發光結果 ………………………………………………… 29
圖 2-17 不同條件下的內部量子效率及反射率 ………………………………… 29

第三章 太陽能電池製作之流程
圖3-1 實驗流程圖 ……………………………………………………… 31
圖3-2 清洗金屬離子 …………………………………………………… 32
圖3-3 做POCl3形成n+位能障 …………………………………………………… 33
圖3-4 去除磷玻璃 ………………………………………………………………… 33
圖3-5 沉積氮化矽(SiNx)做抗反射層 …………………………………………… 34
圖3-6 網印正負電極 ……………………………………………………………… 34
圖3-7 燒結後 ……………………………………………………………………… 35
圖3-8 完成的太陽能電池(正面) ………………………………………………… 35
圖3-9 完成的太陽能電池(背面) ………………………………………………… 36
圖3-10 實驗流程圖 ………………………………………………………………… 36
圖3-11 清洗金屬離子 ……………………………………………………………… 37
圖3-12 磷擴散(POCl3) ……………………………………………………………… 38
圖3-13 移除磷玻璃(PSG) ………………………………………………………… 38
圖3-14 氧退火 …………………………………………………………………… 39
圖3-15 沉積氮化矽(SiNx)做抗反射層 …………………………………………… 39
圖3-16 移除氧化層(SiO2) ………………………………………………………… 40
圖3-17 拋光將n+背面蝕刻掉 ……………………………………………………… 40
圖3-18 原子層沉積氮化鋁(Al2O3) ………………………………………………… 41
圖3-19 沉積氮化矽(SiNx)做鈍化層 …………………………………………… 42
圖3-20 雷射刻槽 …………………………………………………………………… 42
圖3-21 網印正負電極 ……………………………………………………………… 43
圖3-22 燒結後 ……………………………………………………………………… 44
圖3-23 完成的太陽能電池(正面) ………………………………………………… 44
圖3-24 完成的太陽能電池(背面) ………………………………………………… 45
圖3-25 濕式酸鹼蝕刻之化學槽 …………………………………………………… 46
圖3-26 矽晶太陽能電池擴散與成膜爐管 ………………………………………… 47
圖3-27 矽晶太陽能電池精密對位網印機 ………………………………………… 48
圖3-28 紅外線高溫燒結爐 ………………………………………………………… 48
圖3-29 自動化雷射刻槽機 ………………………………………………………… 49
圖3-30 高溫爐管 …………………………………………………………………… 50
圖3-31 原子層沉積系統 …………………………………………………………… 51
圖3-32 紫外線光譜儀 ……………………………………………………………… 52
圖3-33 量測載子生命週期之機台 ………………………………………………… 53
圖3-34 太陽能電池光源模擬器系統 ……………………………………………… 54
圖3-35 量子效率量測系統 ………………………………………………………… 54
圖3-36 電性量測系統 ……………………………………………………………… 55
圖3-37 四點探針量測系統 ………………………………………………………… 56
圖3-38 少數載子生命週期與Sun Voc量測 ……………………………………… 56
圖3-39 橢圓偏光儀 ………………………………………………………………… 57
圖3-40 展阻量測系統 ……………………………………………………………… 58
圖3-41 高解析度場發射掃描電子顯微鏡暨能量散佈分析儀 …………………… 59
圖3-42 二次離子質譜儀 …………………………………………………………… 60

第四章 結果與討論
圖4-1 標準結構 …………………………………………………………………… 61
圖4-2 研究結構 ………………………………………………………………… 61
圖4-3 不同基板厚度與標準的IV曲線 ………………………………………… 63
圖4-4 不同基板厚度之Isc及Voc比較 ………………………………………… 63
圖4-5 不同基板厚度之F.F.及Eff比較 ………………………………………… 64
圖4-6 不同基板厚度之量子效率比較 …………………………………………… 64
圖4-7 不同電極數量與標準的IV曲線 ………………………………………… 66
圖4-8 不同電極數量的Isc與Voc比較 ………………………………………… 66
圖4-9 不同電極數量的F.F.與Eff比較 ………………………………………… 67
圖4-10 不同間距線寬參數與標準的IV曲線 …………………………………… 68
圖4-11 不同間距線寬的Isc與Voc比較 ………………………………………… 69
圖4-12 不同間距線寬的F.F.與Eff比較 ………………………………………… 69
圖4-13 不同線寬之OM圖 ………………………………………………………… 70
圖4-14 標準背全鋁之SEM圖 ……………………………………………………… 70
圖4-15 開線後局部電場之SEM圖 ………………………………………………… 71
圖4-16 不同射極參數對磷之SIMS ………………………………………………… 72
圖4-17 不同射極參數對氧之SIMS ……………………………………………… 72
圖4-18 不同射極參數的IV曲線 ………………………………………………… 73
圖4-19 不同射極參數的Isc與Voc比較 ………………………………………… 74
圖4-20 不同射極參數的F.F.與Eff比較 ………………………………………… 74
圖4-21 不同射極參數的量子效率比較 ………………………………………… 75
圖4-22 標準結構電極接觸電阻量測 …………………………………………… 75
圖4-23 標準結構光電轉換分佈量測 …………………………………………… 76
圖4-24 鈍化射極背面接觸結構電極接觸電阻量測 ……………………………… 76
圖4-25 鈍化射極背面接觸結構光電轉換分佈量測 ……………………………… 77

參考文獻
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[21] J. Nekarda, S. Stumpp, L. Gautero, M. Hörteis, A. Grohe, D. Biro and R. Preu, “LFC on screen printed aluminium rear side metallization,” in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2009.
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