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姓名	呂學燁(Hsueh-Yeh Lu)  查詢紙本館藏	畢業系所	光電科學與工程學系
論文名稱	利用快速熱退火處理方式改善太陽能電池之金屬與薄膜接面電性 (Use rapid thermal annealing process to improve the contact between the metal electrode and a-Si:H film of solar cell.)
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摘要(中)	氫化非晶矽（a-Si:H）薄膜為一短程有序的結構，具有製程簡單、成本低廉與可大面積製作等特性，因此常被應用於半導體元件和薄膜太陽能電池，然而該材料其晶體結構缺陷較多，故導致非晶矽太陽能電池轉換效率低於結晶矽太陽能電池。針對太陽能電池其結構及材料特性的改善，以有效提升轉換效率為當前重要的研究議題。 本實驗主要利用電漿輔助化學氣相沈積系統（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）製備各層薄膜與太陽能電池（結構為glass/ITO/p-i-n/Ag ）。本實驗主要分為兩個重點討論：一為針對元件內部的多層結構，適度改變本質（i）層厚度以探討太陽光的吸收效應。實驗結果發現厚度在440 nm至620 nm間，以530 nm之 i 層厚度對太陽能電池之吸收（轉換）效率最佳。次為利用快速熱退火（Rapid Thermal Annealing）的製程方式，使金屬電極與非晶矽薄膜間產生歐姆接觸以降低其接面間的電阻，進而改善其電性問題，另外根據文獻指出，非晶矽薄膜經由快速熱退火處理方式可以消除材料表面的懸浮鍵，可將太陽能電池做鈍化處理，以降低載子在表面發生再結合的機率。實驗數據顯示未經過熱退火處理之薄膜與金屬接觸電阻 RC（Contact Resistance）為17.11 kΩ、太陽能電池之串聯電阻 RS（Series Resistance）與並聯電阻 Rsh（Shunt Resistance）分別為170.5 Ω與2232.6 Ω及太陽能電池效率為3.161%；經溫度300oC、時間2分鐘的熱退火製程處理，其接觸電阻 RC與串聯電阻 RS值分別降為6.325 kΩ與114.8 Ω、並聯電阻 Rsh增加為3771.5 Ω，並提升太陽能電池效率至3.784%。
摘要(英)	The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) structure with a short range order; it has simple fabrication process, low cost, and large area. It has been extensively used in semiconductor components and thin film solar cells. However, the conversion efficiency of the a-Si:H solar cell is much lower than the crystalline silicon solar cell due to the much higher defects. Improving the conversion efficiency of a-Si:H solar cells by structures or materials is an important issue. We deposit a-Si:H thin films and corresponding solar cells (with structure of glass/ITO/p-i-n/Ag) by PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）. This thesis is divided into two issues. First is the influence of thickness of a-Si:H i layer while the other parameters are kept identical. Because the thickness of i layer decides the absorption of sunlight and electronics properties in the solar cell, we probe the thickness effect of i layer from 440nm to 620nm. We find that the optimized i layer thickness is 530nm. Second, the contact between the metal electrode and a-Si:H film is improved by thermal anneal process in relatively low temperature. The series resistance of solar cells is lower after the thermal anneal process; we conclude that a ohmic contact forms between metal electrode and a-Si:H film. Additionally, the dangling bond at surface of a-Si:H film can be eliminated through the rapid annealing process; the passivation process lowers the recombination rate of free carriers at interfaces. The contact resistance (RC) between the metal electrode and a-Si:H film reduces to 17.11kΩ from 6.325kΩ and the series resistance (RS) of the solar cells reduces to 114.8Ω from 170.5Ω and the shunt resistance (Rsh) of the solar cells increase to 3771.5Ω from 2232.6Ω with the temperature anneal process at 300°C in 2 minutes; meanwhile the conversion efficiency increases to 3.784% from 3.161%.
關鍵字(中)	★ 非晶矽薄膜 ★ 太陽能電池 ★ 快速熱退火	關鍵字(英)	★ a-Si:H film ★ solar cell ★ rapid thermal annealing
論文目次	目 錄 摘 要I AbstractIII 誌 謝V 目 錄VII 圖目錄X 表目錄XVI 第一章緒論1 1-1導論1 1-2研究目的3 1-3論文架構4 第二章實驗儀器和量測儀器基本原理5 2-1電漿輔助化學氣相沉積原理5 2-2特性量測系統原理9 2-2-1 橢圓儀（Ellipsometer)9 2-2-2 穿透光譜儀（UV/VIS)10 2-2-3 傅氏轉換紅外線光譜儀（FTIR)12 2-2-4 拉曼光譜量測系統（Raman）14 2-2-5 霍爾效應量測系統（Hall Effect）16 2-2-6 太陽光模擬器（Solar Simulator）18 2-2-7 快速熱退火系統(RTA)19 第三章薄膜性質及厚度對太陽能電池特性之影響21 3-1氫化非晶矽薄膜成長機制21 3-2成長氫化非晶矽薄膜流程22 3-3薄膜特性量24 3-3-1 光性量測24 3-3-2材料原子結構量測32 3-3-3薄膜內之矽氫鍵結量測35 3-3-4霍爾效應量測40 3-4太陽能電池原理43 3-5成長太陽能電池流程47 3-6薄膜厚度對太陽能電池特性分析50 第四章熱退火處理對金屬電極接觸比較及對電池特性之影響55 4-1 熱退火處理對非晶矽薄膜特性之影響55 4-2 熱退火處理對非晶矽薄膜與金屬電極銀之接面影響62 4-3 熱退火處理對非晶矽薄膜太陽能電池特性之影響66 第五章結論與未來展望76 5-1結論76 5-2未來展望78 參 考 文 獻79 圖 目 錄 圖2-1 化學氣相沉積系統示意圖8 圖2-2 電漿輔助化學氣相沉積系統圖8 圖2-3 Jobin Yvon UVISEL M200橢圓儀10 圖2-4 橢圓儀裝置量測示意圖10 圖2-5 V-670穿透光譜儀11 圖2-6 干涉儀之示意圖14 圖2-7 拉曼光譜量測系統圖15 圖2-8 霍爾效應量測裝置示意圖17 圖2-9 霍爾效應量測系統圖18 圖2-10 太陽光模擬器系統圖18 圖2-11 快速熱退火系統裝置圖19 圖3-1 電漿輔助化學氣相沈積系統沈積非晶矽薄膜機制22 圖3-2 氫化非晶矽薄膜因與基板應力過大的問題，而產生破碎彎曲的情形24 圖3-3 固定SiH4流量為50 sccm與100 sccm，改變H2流量之i layer薄膜沉積速率比較圖25 圖3-4 固定SiH4流量為50 sccm與H2流量為100 sccm，改變PH3與B2H6流量之n＆p layer薄膜沉積速率比較圖25 圖3-5 固定SiH4流量為50 sccm，改變H2流量之i layer薄膜折射率n比較圖26 圖3-6 固定SiH4流量為100 sccm，改變H2流量之i layer薄膜折射率n比較圖26 圖3-7 改變PH3流量之n layer薄膜折射率n比較圖27 圖3-8 改變B2H6流量之p layer薄膜折射率n比較圖27 圖3-9 非晶材料之電子狀態密度圖28 圖3-10 固定SiH4流量為50 sccm與100 sccm，改變H2流量之i layer薄膜光能隙比較圖30 圖3-11 固定SiH4流量為50 sccm與H2流量為100 sccm，改變PH3與B2H6之n layer與p layer薄膜的光能隙比較圖30 圖3-12 SiH4流量為50 sccm，H2流量為100 sccm之i layer薄膜穿透率T與反射率R的頻譜圖31 圖3-13 利用“Tauc method”做圖、所擬合出光能隙值32 圖3-14 單晶矽拉曼量測光譜圖32 圖3-15 固定SiH4為50 sccm，改變H2流量之i layer薄膜Raman比較圖33 圖3-16 固定SiH4為100 sccm，改變H2流量之i layer薄膜Raman比較圖33 圖3-17 固定SiH4為50 sccm與H2流量為100 sccm，改變PH3流量之n layer薄膜Raman比較圖34 圖3-18 固定SiH4為50 sccm與H2流量為100 sccm，改變B2H6流量之p layer薄膜Raman比較圖34 圖3-19 固定SiH4氣體流量，改變H2流量之i layer薄膜R*值比較圖38 圖3-20 固定H2與SiH4氣體流量，改變PH3與B2H6流量之n & p layer薄膜R*值比較圖39 圖3-21 H2流量為100 sccm、SiH4流量為50 sccm之i layer薄膜R*值擬合圖39 圖3-22 H2流量為600 sccm、SiH4流量為100 sccm之i layer薄膜R*值擬合圖40 圖3-23 固定H2與SiH4流量，改變PH3流量之n layer濃度n與遷移率μ比較圖42 圖3-24 固定H2與SiH4流量，改變B2H6流量之p layer濃度p與遷移率μ比較圖43 圖3-25 外接負載的pn接面二極體裝置示意圖44 圖3-26 有負載電阻RL的n+p接面太陽能電池45 圖3-27 太陽能電池的等價迴路46 圖3-28 太陽輻射照射在pn接面太陽電池的接面能帶圖46 圖3-29 太陽電池在太陽輻射照射下的電流-電壓特性曲線圖47 圖3-30 ITO玻璃基板之穿透率圖49 圖3-31 太陽能電池元件示圖50 圖3-32 太陽能電池之I-V曲圖51 圖3-33 不同i layer厚度之太陽能電池I-V曲線（before)51 圖3-34 不同i layer厚度之太陽能電池I-V曲線圖（after)52 圖3-35 不同n layer厚度之太陽能電池I-V曲線圖53 圖4-1 熱退火處理後對非晶矽薄膜厚度變化比較圖56 圖4-2 熱退火處理後對非晶矽薄膜厚度變化比較圖57 圖4-3 熱退火處理後對非晶矽薄膜之穿透率變化比較圖57 圖4-4 利用XRD量測方式觀察熱退火處理後對非晶矽薄膜之結構性質比較圖58 圖4-5 熱退火處理後對非晶矽薄膜之Raman比較圖59 圖4-6 固定熱退火時間3分鐘，改變熱退火溫度對n layer濃度n與遷移率μ比較圖60 圖4-7 固定熱退火時間5分鐘，改變熱退火溫度對n layer濃度n與遷移率μ比較圖61 圖4-8 不同RTA時間在氮氣環境下，改變RTA溫度對a-Si與Ag之接觸電阻比較65 圖4-9 不同RTA時間在氫氣環境下，改變RTA溫度對a-Si與Ag之接觸電阻比較65 圖4-10 太陽能電池元件示圖68 圖4-11 熱退火處理之太陽能電池I-V曲線 （200oC)69 圖4-12 固定熱退火溫度為200oC，改變不同熱退火時間對太陽能電池串聯電阻比較圖69 圖4-13 熱退火處理之太陽能電池I-V曲線 （250oC)70 圖4-14 固定熱退火溫度為250oC，改變不同熱退火時間對太陽能電池串聯電阻比較圖71 圖4-15 熱退火處理之太陽能電池I-V曲線圖 （300oC）72 圖4-16 固定熱退火溫度為300oC，改變不同熱退火時間對太陽能電池串聯電阻比較圖72 圖4-17 不同溫度下，熱退火處理之太陽能電池I-V曲線圖（2分鐘)73 圖4-18 固定熱退火時間為2分鐘，改變不同熱退火溫度對太陽能電池串聯電阻比較圖74 圖4-19 熱退火時間為1分鐘、溫度為350oC之太陽能電池，薄膜表面呈現裂化狀況75 表 目 錄 表1-1 太陽能電池種類表2 表3-1 矽氫鍵結對照表37 表3-2 固定SiH4流量為50 sccm，改變H2流量之i layer薄膜R*值比較38 表3-3 固定SiH4流量為100 sccm，改變H2流量之i layer薄膜R*值比較38 表3-4 固定Ｈ2與SiH4流量，改變PH3流量之n layer薄膜R*值比較38 表3-5 固定Ｈ2與SiH4流量，改變B2H6流量之p layer薄膜R*值比較38 表3-6 n layer的電性特性表41 表3-7 p layer的電性特性表42 表3-8 不同i layer厚度之太陽能電池特性比較表（before）52 表3-9 不同i layer厚度之太陽能電池特性比較表（after）52 表3-10 不同n layer厚度之太陽能電池特性比較表53 表4-1 熱退火溫度對n layer電性比較表（3分鐘）60 表4-2 熱退火溫度對n layer電性比較表（5分鐘）61 表4-3 金屬銀與矽之間隨著熱退火參數變化之接觸電性比較表64 表4-4 熱退火時間對太陽能電池特性比較表（200oC）68 表4-5 熱退火時間對太陽能電池特性比較表（250oC）70 表4-6 熱退火時間對太陽能電池特性比較表（300oC）71 表4-7 熱退火溫度對太陽能電池特性比較表（2分鐘）73
參考文獻	參考文獻 [1] 楊錦章譯，"基礎濺鍍電漿"，電子發展月刊，第68 期，13（1983） [2] 陳陵援、吳慧眼，"儀器分析"，三民書局，99（2002） [3] J. M. Seo, M. C. Jeong, and J. M. Myoung,"Effects of hydrogen on poly-and nano-crystallization of a-Si: H prepared by RF magnetron sputtering", J. Cryst. Growth（2006） [4] 吳國禎，分子振動光譜學概論（2001） [5] 施敏，半導體元件物理與製作技術第二版，國立交通大學出版社（1980） [6] Schuegraf, Klaus K. ed,"Thin Film Deposition Process and Techniques", Park Ridge, NJ/Noyes Publications（1988） [7] John Robertson, Appl. Phys. Lett 87, 5（1999） [8] R.A. Street, Phys. Rev. B 43, 2454（1991）, R.A. Street, Phys. Rev. B 44, 10610（1991） [9] 趙學禮，非晶矽太陽能電池之材料成長、元件製作及特性分析，國立中央大學物理研究所碩士論文（2007） [10] 林明獻，「太陽能電池技術入門」，全華科技圖書股份有限公司印行（2008） [11] Yongqian Wang, Xianbo Liao, Zhixun Ma, Guozhen Yue, Hongwei Diao, Jie He, Guanglin Kong, Yuwen Zhao, Zhongming Li, Feng Yun, "Solid-phase crystallization and dopant activation of amorphous silicon films by pulsed rapid thermal annealing", Applied Surface Science（1998） [12] 莊嘉琛，「太陽能工程-太陽電池篇」， 全華科技圖書股份有限公司印行（2007） [13] D. Staebler and C. Wronski, "Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si", Appl. Phys. Lett. 31, 292 （1977） [14] A.J. Lewis, G. A.N Conneil, W. Paul and J.R. Pawlik, Proc.Int. Conf. Tetrally Bouded Amorphous Semiconductor, American Institute of Physics, New York 27（1974） [15] Thin Film Solar Cell, Edited by J.Poortmans and V. Arkhipov, IMEC, Leuven, Belgium, CH5 [16] R.A. Street, Hydrogenated Amorphous Silicon, Cambridge University Press, New York（1991） [17] Y.S. Tsuo, W. Juft, Appl. Phys. Commun. 10（1990） 71 [18] Donald A. Neamen, "Semiconductor Physics and Devices", 3rd edition, McGraw-Hill, New Delhi（ 2003） [19] S.O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ（2001） [20] D. Beeman, Tsu, and M.F. Tporpe, Phys. Rev. B 32,874（1985） [21] A. Szekeres, M. Gartner, F. Vasiliu, M. Marinov, G. Beshkov, "Crystallization of a-Si:H films by rapid thermal annealing", Journal of Non-Crystalline Solids, 227–230（1998）954–957 [22] L.M. Portera, A. Teicher, D.L. Meier, "Phosphorus-doped, silver-based pastes for self-doping ohmic contacts for crystalline silicon solar cells", Solar Energy Materials & Solar Cells 73（2002） 209–219 [23] S. Acco D. L. Williamson P. A. Stolk PHYSICAL REVIEW B 15 VOLUME 53, NUMBER 8 FEBRUARY 1996-II（1996） [24] Yoon J.-H Solid State Communications, Volume 124, Number 8, , pp. 289-292(4) November （2002） [25] Minsung Jeon*, Shuhei Yoshiba, Koichi Kamisako, "Hydrogenated amorphous silicon film as intrinsic passivation layer deposited at various temperatures using RF remote-PECVD technique", Department of Electronic and Information Engineering, Tokyo University of Agriculture and Technology, Tokyo 184-8588, Japan [26] 林大惟，矽量子點氮化矽薄膜應用於矽基太陽能電池抗反射層之研究，國立中央大學光電科學研究所碩士論文（2008） [27] 張簡敬軒，白金量子點光電化學太陽能電池之特性研究，國立中央大學材料科學與工程研究所研究所碩士論文（2008）
指導教授	張正陽(JHENG-YANG CHANG)	審核日期	2010-11-11
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