博碩士論文 100232002 詳細資訊




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姓名 吳哲賢( Che-Hsien Wu)  查詢紙本館藏   畢業系所 照明與顯示科技研究所
論文名稱 偏壓式磁控濺鍍法製作矽異質接面太陽能電池之研究
(Research of Silicon Heterojunction Solar Cell Fabricated by Bias Magnetron Sputtering)
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摘要(中) 本研究目的為使用PVD中的濺鍍製程製作矽異質接面太陽能電池,因PVD濺鍍法可以取代CVD法,且沒有汙染環境、高成本等…缺點。但是PVD製程法有其困難之處如:(1)硼摻雜不易、(2)薄膜缺陷較多。故本研究方法為:(1)使用調變硼顆粒面積來改善摻雜不易之問題。(2)使用外加直流偏壓的方式,改善濺鍍中 離子對薄膜轟擊效應所產生之缺陷。
  經過P型氫化非晶矽單層膜分析、AMPS-1D軟體模擬、矽異質接面太陽能電池實作。證實增加硼顆粒擺放之面積確實可以改善P層之摻雜量,且外加直流偏壓除了可減少 離子對薄膜轟擊效所產生之微結構,還可以幫助硼原子摻雜進入薄膜。
  本研究結果為矽異質接面太陽能電池之製作於擺放多量硼顆粒面積(110度)並施加外加偏壓 時有最高效能,效率最高達到8.8%。
摘要(英) The aim of this research is the fabrication of silicon heterojunction solar cells by the PVD sputtering process. A bias magnetron sputtering process was used to replace the CVD process to prevent the disadvantages of the environmental pollution and the high fabricated cost. However, there are some problems for the sputtering process, such as: (1) Boron is difficult to be doped into the film; (2) There are microstructures and defects within the film during the deposition. In this study, some research methods were applied, such as: (1) Varied boron-particle area to improve the boron doping problem; (2) A DC bias voltage was applied to reduce defects from effect of ion bombardment in the thin film.
According to the P-type hydrogenated amorphous silicon monolayer analysis, an AMPS-1D simulation was used to calculate the device based on the actual fabrication of the heterojunction solar cell. When the boron-particle area was increased, the effective dopant of the P-layer was also increased. The applied DC bias can reduce the microstructure caused by the ion bombardment, and also increase the effective doped boron into the film.
The results show that a good silicon heterojunction solar cell can be fabricated by using the large amount of boron particle area (110 degrees) and applying a bias voltage . Finally, the efficiency of the solar cell was up to 8.8%.
關鍵字(中) ★ 異質接面太陽能電池
★ 矽薄膜
★ 偏壓式磁控濺鍍
★ 定光電流量測
★ 傅式轉換紅外線光譜儀
★ 一維光電元件結構分析軟體
關鍵字(英) ★ heterojuction solar cell
★ silicon thin film
★ bias magnetron sputtering
★ Constant Photocurrent Method, CPM
★ Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR
★ AMPS-1D
論文目次 目錄

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 1
1-3 研究動機 4
1-4 研究架構 5
第二章 基本理論 6
2-1 太陽能電池原理 6
2-2 異質接面太陽能電池 8
2-3 電漿與濺鍍工作原理 11
第三章 實驗設備與量測分析介紹 14
3-1 實驗設備與參數介紹 14
3-2 傅式轉換紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) 17
3-3 定光電流量測(Constant Photocurrent Method, CPM) 20
3-4 暗導電率與變溫導電率量測 23
第四章 P型氫化非晶矽(a-Si:H)薄膜分析 25
4-1 實驗參數 25
4-2 二次離子質譜儀(TOF-SIMS)分析薄膜硼原子含量 28
4-3 變溫導電率量測法(conductivity of variable temperature)分析薄膜暗導電率與活化能 32
4-4 傅式轉換紅外線光譜儀(FTIR)分析薄膜氫含量 36
4-5 傅式轉換紅外線光譜儀(FTIR)分析薄膜微結構因子 40
4-6 定光電流量測法(CPM)分析薄膜缺陷(摻雜量) 44
4-7 本章結論 50
第五章 矽異質接面太陽能電池元件 52
5-1 元件製作步驟流程與說明 52
5-2 元件特性與分析 55
5-3 本章結論 60
第六章 AMPS-1D模擬矽異質接面太陽能電池(H-J solar cells) 61
6-1 AMPS-1D介紹 61
6-2 模擬參數介紹:薄膜硼摻雜濃度、薄膜缺陷態密度、介面層缺陷態密度 6-4 使用AMPS-1D模擬結果分析太陽能電池元件
6-3 模擬結果與討論 69
6-4 使用AMPS-1D模擬結果分析太陽能電池元件 72
6-5 本章結論 75
第七章 結論與未來展望 77
參考文獻 79



圖目錄

圖 1-1 SANYO所發表之HIT電池結構示意圖[11] 3
圖 2-1 太陽能電池等效電路圖 8
圖 2-2 N型與P型半導體尚未形成P-N異質接面時,各自的能帶圖 10
圖 2-3 N型與P型半導體形成P-N異質接面後,於熱平衡下的能帶圖 10
圖 2-4 本論文研究之異質接面太陽能電池結構示意圖 11
圖 3-1 製程腔體內部結構示意圖[21] 14
圖 3-2 定義硼顆粒所放置位置與面積示意圖 15
圖 3-3 傅立葉轉換紅外線光譜儀之光路系統示意圖[23] 17
圖 3-4 穿透式定光電流量測架構示意圖 20
圖 3-5 穿透式定光電流光路示意圖[27] 21
圖 3-6 石英腔體載台示意圖[27] 21
圖 3-7 電導量測與平行電極示意圖[27] 23
圖 4-1 實驗參數:三種不同硼顆粒面積下,分別所施加的直流偏壓示意圖 25
圖 4-2 三種不同硼顆粒面積下,拉曼光譜儀量測之結果 27
圖 4-3 不同硼顆粒面積與偏壓下鍍製之薄膜SIMS量測結果 30
圖 4-4 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,經SIMS量測膜內縱深所含的硼原子濃度 31
圖 4-5 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,其活化能量測結果 33
圖 4-6 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,其暗導電率量測結果 33
圖 4-7 四次配位之矽硼鍵結形成P型半導體 35
圖 4-8 三次配位之硼鍵結,氫與(a)矽鍵結、(b)硼鍵結、(c)橋聯鍵結(bridging bond) 35
圖 4-9 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,其 高斯峰擬合與量測結果 39
圖 4-10 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,膜內的氫含量量測結果 39
圖 4-11 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,其 與 高斯峰擬合與量測結果 43
圖 4-12 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,膜內的微結構因子量測結果 43
圖 4-13 定光電流量測法校正過程示意圖[27] 45
圖 4-14 定光電流量測法量測流程圖[27] 46
圖 4-15 放置少量硼顆粒(80度)於不同偏壓鍍製之薄膜,經CPM量測之吸收係數 48
圖 4-16 放置中量硼顆粒(100度)於不同偏壓鍍製之薄膜,經CPM量測之吸收係數 48
圖 4-17 放置多量硼顆粒(110度)於不同偏壓鍍製之薄膜,經CPM量測之吸收係數 49
圖 4-18 不同硼顆粒面積與偏壓鍍製之薄膜,其深層能態的吸收係數平均值 49
圖 5-1 矽異質接面太陽能電池製作流程圖 52
圖 5-2 矽異質接面太陽能電池成品 54
圖 5-3 放置少量硼顆粒(80度)於不同偏壓鍍製之元件,其效率、填充因子、短路電流、開路電壓的量測結果 57
圖 5-4 放置少量硼顆粒(80度)與各個偏壓鍍製之元件,其效率平均值與誤差線 57
圖 5-5 放置中量硼顆粒(100度)於不同偏壓鍍製之元件,其效率、填充因子、短路電流、開路電壓的量測結果 58
圖 5-6 放置中量硼顆粒(100度)於不同偏壓鍍製之元件,其效率平均值與誤差線 59
圖 5-7 放置多量硼顆粒(110度)於不同偏壓鍍製之元件,其效率、填充因子、短路電流、開路電壓的量測結果 59
圖 5-8 放置多量硼顆粒(110度)於不同偏壓鍍製之元件,其效率平均值與誤差線 60
圖 6-1 AMPS-1D中,帶尾能態函數示意圖[45] 62
圖 6-2 AMPS-1D中,缺陷能態雙高斯函數示意圖[45] 63
圖 6-3 (圖左)矽異質接面太陽能電池實際結構 (圖右)AMPS-1D矽異質接面太陽能電池模擬結構 65
圖 6-4 AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 時,改變P層缺陷態密度 和介面缺陷 變數下, 之結果 67
圖 6-5 AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 時,改變P層缺陷態密度 和介面缺陷 變數下, 之結果 68
圖 6-6 AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 時,改變P層缺陷態密度 和介面缺陷 變數下, 之結果 68
圖 6-7 AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 時,改變P層缺陷態密度 和介面缺陷 變數下, 之結果 69
圖 6-8 (圖左)AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 (圖右)少量硼顆粒面積所鍍製電池的元件效率 74
圖 6-9 (圖左)AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 (圖右)中量硼顆粒面積所鍍製電池的元件效率 74
圖 6-10 (圖左)AMPS-1D模擬P層摻雜濃度 (圖右)多量硼顆粒面積所鍍製電池的元件效率 75



表目錄

表 3-1 不同矽氫振動模式之常數A之數值[25] 19
表 4-1 符合元件品質之非晶性薄膜特性[29] 34
表 6-1 AMPS-1D 模擬p / inter face / n材料參數設定 65
參考文獻 參考文獻
[1]濱川圭弘,光電太陽電池設計與應用(Solar photovoltaic cells),張紅梅、崔曉華譯,五南圖書出版股份有限公司,台北市,民國九十八年。
[2]Photon International, Available: http:/www.photon-magazine.com/
[3]D. E. Carlson and C. R. Wronski, "Amorphous silicon solar cell", Applied Physics Letters, vol. 28, pp. 671 - 673,1976.
[4]莊嘉琛, 太陽能工程--太陽電池篇,修訂版,全華科技圖書股份有限公司,台北市,民國九十七年。
[5]J. C. Knights and R. A. Lujan, "Microstructure of plasma?deposited a?Si:H films", Applied Physics Letters, vol. 35, pp. 244 - 246, 1979.
[6]J. Reimer, R. Vaughan, and J. Knights, "Proton magnetic resonance spectra of plasma-deposited amorphous Si: H films", Physical Review Letters, vol. 44, pp. 193-196, 1980.
[7]D. E. Carlson, "Hydrogenated microvoids and light-induced degradation of amorphous-silicon solar cells", Applied Physics A, vol. 41, pp. 305-309, 1986.
[8]M. Brodsky, M. Cardona, and J. Cuomo, "Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering", Physical Review B, vol. 16, pp. 3556-3571, 1977.
[9]T. D. Moustakas, D. A. Anderson, and W. Paul, "Preparation of highly photoconductive amorphous silicon by rf sputtering", Solid State Communications, vol. 23, pp. 155–158, 1977.
[10]T. D. Moustakas, "Amorphous silicon p-i-n solar cells fabricated by reactive sputtering", Applied Physics Letters, vol. 40, p. 515, 1982.
[11]M. Taguchi, K. Kawamoto, S. Tsuge, T. Baba, H. Sakata, M. Morizane, K. Uchihashi, N. Nakamura, S. Kiyama, and O. Oota, "HITTM cells—high-efficiency crystalline Si cells with novel structure", Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 8, pp. 503–513, 2000.
[12]M. Taguchi, A. Yano, S. Tohoda, K. Matsuyama, Y. Nakamura, T. Nishiwaki, K. Fujita, and E. Maruyama, "24.7% Record Efficiency HIT Solar Cell on Thin Silicon Wafer", IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, vol. 4, pp. 96–99, 2014.
[13]M. A. Green, Solar cells: operating principles, technology, and system applications, University of New South Wales, 1986.
[14]D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson, "A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power", Journal of Applied Physics, vol. 25, pp. 676-677, 1954.
[15]J. K. Robertson and C. W. Clapp, "Removal of metallic deposits by high-frequency currents", Nature, vol. 132, pp. 479-480, 1933.
[16]J. I. Lodge and R. W. Stewart, "Studies in high frequency discharges", Canadian Journal of Research, vol. 26a, pp. 205-229, 1948.
[17]G. S. Anderson, W. N. Mayer, and G. K. Wehner, "Sputtering of Dielectrics by High-Frequency Fields", Journal of Applied Physics, vol. 33, pp. 2991-2992, 1962.
[18]P. D. Davidse and L. I. Maissel, "Dielectric thin films through RF sputtering", Journal of Applied Physics, vol. 37, pp. 574 - 579, 1966.
[19]中華民國國家傳播委員會:Frequency allocations of pepublic of china. 民國九十七年,取自http://freqdbo.ncc.gov.tw/upload/FILESAVE/080724081215.pdf
[20]國科會精密儀器發展中心,真空技術與應用,全華科技圖書股份有限公司,台北市,民國九十三年。
[21]王宣文,「以濺鍍法製作矽異質接面太陽能電池之研究:矽薄膜特性對元件效率的影響」,國立中央大學,博士論文,民國一百零一年。
[22]T. D. Moustakas, "Studies of thin-film growth of sputtered hydrogenated amorphous silicon", Solar Energy Materials, vol. 8, pp. 187–204, 1982.
[23]HORIBA 傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)使用手冊。
[24]B. C. Smith, Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition, CRC Press, 1995.
[25]A. A. Langford, M. L. Fleet, B. P. Nelson, W. A. Lanford, and N. Maley, "Infrared absorption strength and hydrogen content of hydrogenated amorphous silicon", Physical Review B, vol. 45, pp. 13367-13377 1992.
[26]M. Sasaki, S. Okamoto, Y. Hishikawa, S. Tsuda, and S. Nakano, "Characterization of the defect density and band tail of an a-Si:H i-layer for solar cells by improved CPM measurements", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 34, pp. 541–547, 1994.
[27]張庭維,「以定光電流量測之吸收係數分析矽薄膜缺陷密度之研究」,國立中央大學,碩士論文,民國九十九年。
[28]D. Ritter and K. Weiser, "Suppression of interference fringes in absorption measurements on thin films", Optics Communications, vol. 57, pp. 336–338, 1986.
[29]R. E. I. Schropp and M. Zeman, Amorphous and Microcrystalline Silicon Solar Cells: Modeling, Materials and Device Technology, Kluwer Academic Publishers, 1998.
[30]H. Richter, Z. P. Wang, and L. Ley, "The one phonon raman spectrum in microcrystalline silicon", Solid State Communications, vol. 39, pp. 625-629, 1981.
[31]V. A. Volodina and D. I. Koshelev, "Quantitative analysis of hydrogen in amorphous silicon using Raman scattering spectroscopy", J. Raman Spectroscopy, vol. 44, pp. 1760-1764, 2013.
[32]Z. Iqbal and S. Vepiek, "Raman scattering from hydrogenated microcrystalline and amorphous silicon", J. Phys. C: Solid State Phys, vol. 15, pp. 377-392, 1982.
[33]E. Anastassakis and E. Liarokapis, "Polycrystalline Si under strain: Elastic and lattice?dynamical considerations", J. Appl. Phys., vol. 62, pp. 3346-3352, 1987.
[34]彭文博、劉石勇、肖海波、張長沙、石明吉、曾湘波、徐艷月、孔光臨、余育德,「微晶硅薄膜帶隙態及微結構的研究」,物理學報,第58卷,5716-5720頁,2009。
[35]J. I. Pankove, P. J. Zanzucchi, C. W. Magee, and G. Lucovsky, "Hydrogen localization near boron in silicon", Applied Physics Letters, vol. 46, pp. 421-423, 1984.
[36]L. Wang, W. Wang, J. Huang, Y. Zeng, R. Tan, W. Song,and J. Chen, "Argon ion beam assisted magnetron sputtering deposition of boron-doped a-Si:H thin films with improved conductivity", Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 378, pp. 177-180, 2013.
[37]S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice-Hall publications, 2001.
[38]W. Kern, Handbook of semiconductor wafer cleaning technology : science, technology, and applications, Noyes Publications, 1993.
[39]E. Yablonovitch, D. L. Allara, C. C. Chang, T. Gmitter, and T. B. Bright, "Unusually Low Surface-Recombination Velocity on Silicon and Germanium Surfaces", Physical Review Letters, vol. 57, pp. 249-252, 1986.
[40]周世欽,「透明導電膜功函數對矽異質接面太陽能電池之影響」,國立中央大學,碩士論文,民國一百零二年。
[41]AMPS-1D. Available:http://www.ampsmodeling.org/default.htm
[42]J. Arch, J. Cuiffi, J. Hou, W. Howland, Peter, McElheny, A. Moquin, M. Rogosky, T. Tran, H. Zhu, and F. Rubinelli, A manual for AMPS-1D, Available: http://www.ampsmodeling.org/pdfs/AMPS-1D%20Manual.pdf.
[43]D. A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, Fourth Edition, McGraw-Hill Higher Education, 1996.
[44]T. Tiedje, J. M. Cebulka, D. L. Morel, and B. Abeles, "Evidence for Exponential Band Tails in Amorphous Silicon Hydride", Physical Review Letters, vol. 46, pp. 1425-1428, 1981.
[45]N. E. Cusack, The Physics of Structurally Disordered Matter: An Introduction, Taylor & Francis, 1987.
[46]R. A. Street, Hydrogenated Amorphous Silicon, Cambridge University Pres, 2005.
[47]N. Hernandez-Como and A. Morales-Acevedo, "Simulation of hetero-junction silicon solar cells with AMPS-1D", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 94, pp. 62-67, 2010.
[48]N. Hernandez-Como and A. Morales-Acevedo, "Hetero-junction (HIT) silicon solar cell model for AMPS-1D simulation", 2008 5th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control(CCE 2008), pp. 449-454, Mexico City, Mexico, 2008.
[49]L. Zhao, C. L. Zhou, H. L. Li, H. W. Diao, and W. J. Wang, "Design optimization of bifacial HIT solar cells on p-type silicon substrates by simulation", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 92, pp. 673-681, 2008.
指導教授 陳昇暉(Sheng-Hui Chen) 審核日期 2014-1-28
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