利用銦錫氧化物設計太陽能電池之電極對轉換效率之效益

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李俊宏(Jyun-hong Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

論文名稱

利用銦錫氧化物設計太陽能電池之電極對轉換效率之效益

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摘要(中)

聚光型太陽能電池系統(CPV)，通常選用高光電轉換效率的三五族太陽能電池，搭配高聚光倍率的光學元件，使系統能產出更多電力，若能使太陽能電池轉換效率或聚光能力提高，將獲得更高單位能量密度，利於再生能源發展。
一般三五族單接面太陽能電池多採用金屬作為電極，本研究利用銦錫氧化物薄膜取代一般金屬，藉由此材料的高透光且可導電的性質作為電極使用，製作不同電極樣式的太陽能電池比較其轉換效率，區分成僅有銦錫氧化物薄膜以及有加入金屬層輔助銦錫氧化物薄膜導電的兩種類型，透過黃光微影製程製作出傳輸線模型(TLM)，經由不同的熱退火溫度及時間找到接觸電阻值最佳的金屬層結構，為分別堆疊金鍺合金(25nm)/鎳(15nm)/金(60nm)再進行熱退火處理400℃、60秒有最好的結果，再將此結構轉移到太陽能電池上，並製作出上述兩種類型太陽能電池比較轉換效率，結果顯示最佳的轉換效率達8.46%，相較一般市售同類型太陽能電池20%的轉換效率差距約11%，若能修正薄膜問題以及其他製程誤差，相信能更接近市售水準，達到降低製作成本及製程步驟的功效。

摘要(英)

Concentrating photovoltaics systems usually choose III-V compound materials as the solar cells because of the high efficiency. Using the optical component with the high concentration ratio, we can obtain much more power from the system. If we are able to increase the efficiency of solar cell or lower down the manufacturing cost, it will be very helpful for the development of renewable-energy technology.
In this thesis, we have used the indium tin oxide (ITO) film to replace the metal as the electrode of a single-junction solar cell, on account of ITO’s high transmission in visible light spectrum and conductive ability. We have designed different kinds of electrode patterns and classified as two types: (1) electrode with only ITO film, (2) electrode with auxiliary metal pads beneath the ITO film. By means of the standard semiconductor process, we have made samples for the experiment of transmission line model (TLM). The temperature and the time of thermal process were varied to find out the structure of the metal pads with lowest specific contact resistance. The best result was derived by stacking AuGe(25nm)/Ni(15nm)/Au(70nm) with the thermal anneal of 400℃for 60 seconds, and the specific contact resistance was 3.33×〖10〗^(-6) Ω-〖cm〗^2. Then We transferred this structure into a solar cell and compared it to the ITO-only electrode. The best efficiency of solar cell with the ITO-only electrode was measured as 8.46%, which was about 11% lower than that of a commercial cell. If some fabrication issues, such as the discontinuous ITO film, can be solved, the III-V solar cell with the ITO-only electrode proposed herein will not only have the advantages of low cost and simple processing but also have the highly improved efficiency.

關鍵字(中)

★ 太陽能電池
★ 特徵接觸電阻
★ 銦錫氧化物
★ 電極設計

關鍵字(英)

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 論文架構 4
第二章基本原理介紹 5
2-1 異質接觸 5
2-1-1金屬與半導體接觸 5
2-1-2 歐姆接觸 8
2-2 傳輸線模型原理 10
2-3 三五族太陽能電池 12
2-4 銦錫氧化物透明導電薄膜 14
2-5 太陽能電池之等效電路 16
第三章實驗元件製程 18
3-1 特徵接觸電阻的量測 18
3-1-1 試片類型與清洗 18
3-1-2 傳輸線模型(TLM)試片製作 19
3-1-3 歐姆接觸(Ohmic contact)的製作 22
3-1-4傳輸線模型量測系統架構 25
3-2 n型砷化鎵的歐姆接觸金屬選擇 26
3-3 太陽能電池電極的製作 28
3-3-1 太陽能電池電極製程步驟 29
3-3-2 太陽能電池電極設計 31
3-3-3太陽能電池效率量測系統架構 34
第四章實驗元件量測 38
4-1 金鍺/鎳/金與砷化鎵的歐姆接觸 38
4-2 傳輸線模型的量測結果 42
4-3 太陽能電池電極製作與效率量測 48
4-4、量測結果討論 54
第五章結論與未來展望 58
5-1 結論 58
5-2 未來展望 59
參考文獻 60

圖目錄

圖1-1、一般單接面太陽能電池結構 2
圖1-2、n型砷化鎵上的金屬經過熱退火後的TEM照片[2] 3
圖2-1、金屬(左)與n型半導體(右)的能帶示意圖 6
圖2-2、不同金屬功函數對n型半導體的接觸[6] 7
圖2-3、各摻雜濃度的電子傳導機制(a)熱離子發射(TE) 、(b)熱離子場發射(TFE)、 (c)場發射(FE)[7] 9
圖2-4、TLM試片內部半導體到金屬的電流路徑 11
圖2-5、RTLM量測模型及元件等效電路圖 11
圖2-6、電阻對TLM間距作圖 11
圖2-7、太陽光頻譜分佈[13] 12
圖2-8、太陽能電池吸收頻譜 [14] 13
圖2-9、簡易有機太陽能電池結構 14
圖2-10、利用ITO作為太陽能電池的電極 15
圖2-11 太陽能電池等效電路示意圖，包括一pn接面二極體、一個電流源IPH、串聯電阻RS以及並聯電阻RSH，RL為太陽能電池負載。 16
圖2-12、太陽能電池之I-V曲線圖 17
圖3-1、傳輸線模型(TLM)製作流程-1 21
圖3-2、傳輸線模型(TLM)製作流程-2 21
圖3-3、本實驗所使用的熱退火機台 24
圖3-4、傳輸線模型試片量測架構圖 25
圖3-5、TLM分佈類型1 27
圖3-6、TLM分佈類型2 27
圖3-7、ITO厚度75nm之(a)穿透光譜、(b)反射光譜[24] 28
圖3-8、砷化鎵穿透光譜 30
圖3-9、太陽能電池電極製作流程 30
圖3-10、(a)市售太陽能電池電極分佈、(b)本實驗所用太陽能電池電極 31
圖3-11、點狀結構電極示意圖 33
圖3-12、市售電池與本實驗設計電池之陰影損失比較 33
圖3-13、太陽能電池模塊 34
圖3-14、太陽能電池分析儀-PROVA 200A 35
圖3-15、太陽光模擬器(NEWPORT-94021A) 36
圖4-1、金鍺合金與n型砷化鎵熱退火400℃、60秒後照片 39
圖4-2、金鍺/鎳/金與n型砷化鎵熱退火400℃、60秒後照片 39
圖4-3、金鍺/鎳/金(25nm/15nm/60nm)與n型砷化鎵退火450℃、60秒 40
圖4-4、金鍺/鎳/金(15nm/15nm/70nm)與n型砷化鎵退火450℃、60秒 40
圖4-5、金鍺/鎳/金試片退火350℃、60秒的量測結果 42
圖4-6、金鍺/鎳/金退火350℃、60秒的OM圖 42
圖4-7、金鍺/鎳/金試片退火400℃、30秒的量測結果 43
圖4-8、金鍺/鎳/金試片退火400℃、30秒的OM圖 43
圖4-9、金鍺/鎳/金試片退火400℃、60秒的量測結果 44
圖4-10、金鍺/鎳/金試片退火400℃、60秒的OM圖 44
圖4-11、金鍺/鎳/金試片退火400℃、120秒的量測結果 45
圖4-12、金鍺/鎳/金試片退火400℃、120秒的OM圖 45
圖4-13、金鍺/鎳/金試片退火420℃、60秒的量測結果 46
圖4-14、金鍺/鎳/金試片退火420℃、60秒的OM圖 47
圖4-15、乾蝕刻後利用表面輪廓儀掃描深度 49
圖4-16、太陽能電池量測架構 49
圖4-17、僅有ITO薄膜電極(不含金屬層)的太陽能電池量測I-V量測結果 50
圖4-18、加入金屬輔助ITO薄膜電極太陽能電池I-V量測結果 52
圖4-19、(a) ITO面測試短路成功 (b) ITO面測試短路失敗 54
圖4-20、試片尺寸較小，僅有ITO薄膜電極(不含金屬層)的太陽能電池量測I-V量測結果 55
圖4-21、太陽能電池試片的ITO薄膜電極OM圖 56
圖4-22、太陽能電池試片測試反射率 57

表目錄

表1-1、幾種能夠與n型砷化鎵產生歐姆接觸效果的金屬 3
表3-1、金屬與半導體接面性質類型 22
表3-2、常見的金屬功函數表 24
表3-3、國際標準組織所規範太陽光模擬器分級表 36
表3-4、太陽光模擬器各點輻照度量測(單位： ) 37
表4-1、乾蝕刻數據(ICP功率100W、RF功率25W) 48
表4-2、陰影遮蔽與轉換效率的比較表格 51
表4-3、各組太陽能電池量測效率 53
表5-1、本研究與其他來源電池之效率與成本差異比較 59

參考文獻

參考文獻
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指導教授

韋安琪

審核日期

2015-12-4

推文