侷域性表面電漿效應用於蕭基二極體太陽能電池之研究

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詹勳緯(Hsun-wei Chan) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

侷域性表面電漿效應用於蕭基二極體太陽能電池之研究
(Localized Surface Plasmon on Schottky Solar Cell)

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摘要(中)

此篇論文基板選ITO玻璃為基板，在ITO玻璃上使用快速熱退火(RTA)燒出銀奈米顆粒再沉積非晶矽，以ITO與半導體間的異質接面製作成蕭基二極體太陽能電池(目前製作出單純蕭基接面太陽能電池效率約(0.4～0.7％)並在接面加上銀奈米顆粒元件。
表面電漿共振頻譜會因金屬奈米顆粒尺寸與形貌而有不同響應頻譜，且隨著顆粒大小增加，共振波長會有紅移現象。由角度分析頻譜儀發現圓形顆粒共振吸收，在低角度(20°～45°)會有強吸收情況。奈橢球型或島狀奈米顆粒，對於共振吸收情形，在高角度(40°～70°)有強吸收情形。
表面電漿效應，有遠場奈米顆粒散射和近場侷限性共振模態兩種效應偶合，透過奈米顆粒的表面電漿效應，可以增加光捕捉與光聚集的情況。透過AM1.5太陽模擬器(Solar Simulator)量測奈米顆粒元件(含奈米顆粒的蕭基太陽能電池)對於光電轉換效率的影響。5nm銀薄膜RTA300℃、400℃、500℃奈米顆粒元件對於光電轉換效率(0.5％、0.7％、0.3％)有增加效果(參考片0.28％)， 10nm薄膜厚RTA300℃、400℃、500℃奈米顆粒，在相同參數有正流元件、逆流元件同時存在，透過角度解析頻譜，沒有明顯光吸收變異，確認正、逆流元件產生主因受到銀奈米顆粒造成電性上的影響。

摘要(英)

Indium tin oxide (ITO) glass is applied as the substrate for Schottky solar cell with silver (Ag) nano-particles embedded in the depletion region. The silver nano-particles are easily fabricated through RTA annealing process. The Schottky solar cell consists of a hetero-junction between ITO and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and has conversion efficiency of 0.4~0.7% (without the Ag nano-particles).
Localized surface plasmon resonates at different wavelength according to the size and shape of metallic nano-particles. With the increase of particle size, the resonance wavelength red shifts. We observe high absorption with lower incident angle of light (20°~45°) through measurement of angle-resolved spectrum when the nano-particles have shape of hemi-sphere. When the nano-particles form shape of hemi-ellipsoid or long-island, the high absorption occurs with higher incident angle of light (40°~70°).
Localized surface plasmon resonance shows two effects: scattering effect in far field and localizing energy in near field; two effects can increase the light trapping and absorption in solar cells. Ag nano-particles fabricated by RTA 300°C, 400°C, and 500°C with initial Ag thin film thickness of 5nm improve the conversion efficiency of Schottky solar cells to 0.5%, 0.7%, and 0.3% while the reference cell has conversion efficiency of 0.25%. However, the conversion efficiency is not improved when the initial Ag thin film thickness is 10nm; strangely, parts of the cells with Ag particles show output power with an inverted setup in measuring J-V curve. We proposed that the conversion efficiency is dominated by electronic when the nano-particles become larg.

關鍵字(中)

★ 蕭基太陽能電池
★ 侷域性表面電漿

關鍵字(英)

★ Schottky Solar Cell
★ Localized Surface Plasmon

論文目次

摘要 I
圖目錄 V
表目錄 IX
第一章簡介 1
1.1簡介 1
1.2研究動機 3
第二章基本理論 4
2.1表面電漿 4
2.1.1 Drude模型 4
2.1.2侷限性表面電漿子(Localized Surface Plasmon) 8
2.1.3紅移現象(Red Shift) 9
2.1.4散射與吸收截面 10
2.2蕭基二極體太陽能電池 12
2.2.1功函數和異質接合 12
2.2.2漂移與擴散 16
2.2.3內建電場 16
2.2.4光電流(Photocurrent) 17
2.2.5金屬-半導體歐姆接觸 18
第三章實驗儀器 20
3.1擋片(Hard Mask)與基座(Holder) 20
3. 2快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA) 21
3.4紫外-可見光光譜儀(UV-Visible) 22
3.4掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope) 25
3.5電子束蒸鍍(E-gun Evaporation) 26
3.6電漿輔助化學氣相沈積 28
3.7太陽光模擬器(Solar Simulator) 30
3.8角度解析光譜儀(Angle-Resolved Spectrometer) 30
第四章實驗結果與討論 32
4.1奈米顆粒製作 32
4.2奈米顆粒與基材 33
基材ITO玻璃 33
4.3奈米顆粒尺寸與頻譜響應 37
4.4 蕭基二極體非晶矽沉積條件 40
4.4.1非晶矽薄膜厚度200nm、300nm、400nm 42
4.4.2非晶矽薄膜厚度500nm、600nm 43
4.4.3非晶矽薄膜厚度650nm 45
4.5 銀奈米顆粒元件與蕭基二極體 46
4.5.1光電轉換效率與吸光情形 47
4.5.2角度解析頻譜分析 65
4.5.3逆流元件之角度解析頻譜分析 78
第五章結論 79
參考文獻 80

參考文獻

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指導教授

張正陽(Jenq -yang Chang)

審核日期

2010-7-22

推文