二氧化矽奈米柱結構應用於氮化銦鎵太陽能電池元件之研究

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阮詠禎(Yung-chen Juan) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

二氧化矽奈米柱結構應用於氮化銦鎵太陽能電池元件之研究
(Efficiency Improvement of InGaN-based Solar Cell Device with Embedded SiO2 Nanorods Structures in GaN)

相關論文

★ 紫外光發光二極體製程技術與元件特性研究	★ 網狀電極應用在氮化物紫外光光偵測器之研究
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★ 氮化鎵薄膜成長於奈米級圖樣化氮化鎵基板之研究	★ 氧化鋅鋁透明導電薄膜的熱穩定性於氮化鎵藍色發光二極體之研究
★ 氮化物藍光發光二極體及太陽能電池之光電特性研究	★ 具有倒金字塔側壁之氮化鎵發光二極體的製作
★ 應用氮化鎵奈米柱基板提升氮化鎵發光二極體之電流擴散	★ 圖案化二氧化矽奈米柱結構應用於氮化鎵發光二極體之研究
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摘要(中)

本論文一開始針對嵌入二氧化矽圖樣化於氮化鎵薄膜，藉由側向磊晶(ELOG)方式成長氮化鎵薄膜可提升晶體品質，藉由XRD ω-rocking curve量測與單位面積缺陷數(EPD)量測氮化鎵薄膜分析結果，得到嵌入週期為SiO2/GaN＝2μm/1μm二氧化矽奈米柱條狀化的半高寬為275 arcsecs、單位面積缺陷數為3.1x108 cm-2，相較於傳統氮化鎵薄膜的半高寬為329 arcsecs、單位面積缺陷數為5.1x108 cm-2，從結果可以說明二氧化矽奈米柱條狀化於氮化鎵薄膜中，確實可以提升氮化鎵薄膜晶格品質。
接著探討嵌入二氧化矽圖樣化於氮化銦鎵太陽能電池元件之比較，其中嵌入週期為SiO2/GaN＝2μm/1μm二氧化矽奈米柱條狀化有最佳光電特性，開路電壓1.78 V、短路電流密度0.52 mA/cm2、填充因子47 %、轉換效率0.44 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升29 %，因為嵌入二氧化矽奈米柱條狀化結構於氮化銦鎵太陽能電池元件中，不但可以提升氮化鎵薄膜品質而提升開路電壓，而且嵌入不同介質增加光反射，再次到達吸收層吸收，提升短路電流密度，進而提升氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率。
將二氧化矽奈米柱條狀化於氮化銦鎵太陽能電池元件中，再利用二氧化矽鈍化氮化銦鎵太陽能電池元件側壁，元件開路電壓為1.80 V，相較傳統氮化銦鎵太陽能電池開路電壓提升1.1 %；轉換效率0.45 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升2 %。因為利用二氧化矽包覆元件側壁懸浮鍵增加並聯電阻，減少非輻射復合及元件漏電流產生。
接著探討平台蝕刻深度影響氮化銦鎵太陽能電池元件電性分析，平台蝕刻深度840 nm有最佳光電特性，短路電流密度為0.57 mA/cm2，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池提升提升11.7 %；轉換效率相較於傳統提升15 %。因為改變氮化銦鎵太陽能電池元件經照光產生電子電洞對往負極(n極)移動時所需傳遞的擴散距離，載子在傳輸時，距離越短會減少被材料缺陷捕捉的機率而造成短路電流密度增加，進而提升轉換效率。
最後將二氧化矽奈米柱條狀化結構運用於具二氧化矽側壁鈍化，且平台蝕刻深度為840 nm之氮化銦鎵太陽能電池元件，可得到最理想氮化銦鎵太陽能電池元件光電特性，開路電壓1.90 V、短路電流密度0.57 mA/cm2、填充因子45 %、轉換效率0.48 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升41 %。

摘要(英)

In this study, the GaN thin films with embedded SiO2 nanorods stripes by epitaxial lateral overgrown (ELOG) technology. According to full-width at half-maximum (FWHM) of X-ray ω-rocking curve of GaN (102) and AFM measurements, the dislocation density of GaN epilayers grown on the SiO2 pattern/GaN template was lower than those of the GaN/sapphire. Thus the etching pits density of the GaN films with embedded SiO2 nanorods stripes can be estimated to be approximately of 3.1 x108 cm-2, which is less than that of the conventional GaN films (5.1x108 cm-2). And the FWHM (275 arcsecs) of the GaN films with embedded SiO2 nanorods stripes was narrower than that (329 arcsecs) of the conventional GaN films. As a result, epitaxial lateral overgrown (ELOG) technology was developed to reduce threading dislocations.
InGaN-based Solar cell devices with embedded SiO2 rods stripes in GaN. The device shows significant improvement in current density from 0.44 to 0.52 mA/cm2 and an increment in conversion efficiency from 0.34% to 0.44%. Compared with conventional solar cell device, the conversion efficiency of solar cell device was enhanced 29%. To further enhance light absorption of the InGaN-based solar cell, a highly reflective SiO2 rods stripes structure was embedded in GaN. The origin for the photocurrent enhancement in the solar cell is related to reflection of light by SiO2 nanorods stripes structure.
The solar cell device with sidewall passivaiton, that with VOC = 1.80 V, conversion efficiency = 0.45 %. Compared with conventional solar cell device, that conversion efficiency was enhanced 2%. The SiO2 was used to passivite dangling bonds on the GaN sidewall with SiO2, that nonradiative recombination and leakage current of solar cell device was reduced.
The mesa height of solar cell device was 840nm, that with JSC = 0.57 mA/cm2, conversion efficiency = 0.48 %. Compared with conventional solar cell device, that JSC was enhanced 11.7%, and conversion efficiency was enhanced 15%. When carrier diffusion length was decreased, JSC increased due to the enhancement of conversion efficiency resulting from the decreasing distance between the p-side and n-side electrodes.
The InGaN-based solar cell device with embedded SiO2 nanorods stripes, that mesa height of solar cell device was 840nm, and then with sidewall passivation. The optimal electrical and optical properties of solar cell with JSC = 0.57 mA/cm2, VOC = 1.90 V, FF = 0.45 and conversion efficiency = 0.48 %. Compared with conventional solar cell device, that conversion efficiency was enhanced 41%.

關鍵字(中)

★ 太陽能電池
★ 氮化鎵
★ 二氧化矽
★ 奈米柱

關鍵字(英)

★ solar cell
★ GaN
★ SiO2
★ nanorod

論文目次

摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 XIV
第一章序論 1
1.1 太陽能電池研究目的與動機 1
第二章太陽能電池原理與量測系統 4
2.1 太陽能電池工作原理 4
2.1.1 p-n接面太陽能電池 5
2.1.2 太陽光譜 5
2.1.3 太陽能電池之等效電路 7
2.1.4 太陽能電池之電性量測 9
2.2 量測系統 11
2.2.1掃描電子顯微鏡 11
2.2.2 X-ray繞射儀 12
2.2.3 原子力顯微鏡 12
2.2.4 光激發螢光光譜量測 13
2.2.5 太陽能電池元件量測系統 13
第三章氮化銦鎵太陽能電池實驗製程方法與步驟 15
3.1 二氧化矽奈米柱結構於氮化鎵薄膜之製程步驟 15
摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 XIV
第一章序論 1
1.1 太陽能電池研究目的與動機 1
第二章太陽能電池原理與量測系統 4
2.1 太陽能電池工作原理 4
2.1.1 p-n接面太陽能電池 5
2.1.2 太陽光譜 5
2.1.3 太陽能電池之等效電路 7
2.1.4 太陽能電池之電性量測 9
2.2 量測系統 11
2.2.1掃描電子顯微鏡 11
2.2.2 X-ray繞射儀 12
2.2.3 原子力顯微鏡 12
2.2.4 光激發螢光光譜量測 13
2.2.5 太陽能電池元件量測系統 13
第三章氮化銦鎵太陽能電池實驗製程方法與步驟 15
3.1 二氧化矽奈米柱結構於氮化鎵薄膜之製程步驟 15
3.1.1 二氧化矽奈米柱結構製程步驟 15
3.1.2 再成長氮化鎵薄膜於具二氧化矽奈米柱結構之氮化鎵基板 19
3.2 氮化銦鎵太陽能電池元件之製程步驟 19
第四章再成長氮化鎵薄膜之材料分析 26
4.1 再成長氮化鎵薄膜之掃描電子顯微鏡量測分析 26
4.2 再成長氮化鎵薄膜之單位面積缺陷數量測分析 27
4.3 再成長氮化鎵薄膜之X-ray繞射儀量測分析 29
第五章氮化銦鎵太陽能電池元件結構與光電特性分析 31
5.1 氮化銦鎵太陽能電池之吸收層結構與特性分析 32
5.1.1 X-ray繞射儀量測之分析 32
5.1.2 光激發螢光光譜量測之分析 33
5.2 二氧化矽奈米柱結構於氮化銦鎵太陽能電池元件之電性分析 33
5.2.1 比較微米級和奈米級二氧化矽結構於太陽能電池元件之電性分析 34
5.2.2不同密度之二氧化矽奈米柱於太陽能電池元件之電性分析 38
5.3具側壁鈍化氮化銦鎵太陽能電池元件之電性分析 40
5.4 平台蝕刻深度影響氮化銦鎵太陽能電池元件電性分析 42
第六章結論與未來展望 44
參考文獻 47

參考文獻

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指導教授

郭政煌(Cheng-huang Kuo)

審核日期

2011-7-20

推文