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太陽能電池製作及量測實驗B95202045陳怡如B95202048賴亦蘋B95202003沈郁芷一、實驗目的：學習基本太陽能電池的原理、製作及量測。了解P-Njunction能階圖的義意、太陽能電池的電壓-電流曲線、影響太陽能電池效率的因素、基本半導體製程。二、實驗原理：太陽能電池能將光能轉換成電能的原理是應用半導體的光伏特效應(photovoltaiceffect)。光伏特效應一般是指當光子射入具有PN接面(junction)的二極體元件後，會在二極體的兩端電極可以產生輸出功率的電壓值，這個過程主要包含的是光子射到半導體內產生電子-電洞對(electron-holepair)、電子與電洞因為PN接面所形成的內建電場(built-inelectricfield)作用下而分離、電子與電洞各自朝著相反方向運動，並且由兩端電極來輸出至負載，在迴路上形成光電流。具有PN接面的半導體元件一般是以摻雜少量硼原子的P型半導體當作基板(substrate)，然後以濃度較高於硼的磷為擴散源，用高溫熱擴散的方法把磷摻入P型基板內，如此即可形成PN接面。在接面處會因電子擴散行成空乏區，空乏區內會形成一個內建電場，內建電場的方向是從N型區指向P型區。當太陽能電池受光時，太陽能電池可以吸收能量大於其能隙(energygap)的光子，使電子由價電帶(valenceband)躍遷至導電帶(conductionband)，進而產生電子-電洞對，其中自由電子會因為內建電場的作用而向N型區漂移(drift)，相反地，電洞則因內建電場的作用向P型區漂移，這種因為內建電場的影響而產生從N型區向P型區的漂移電流，就是所謂的光電流(photocurrent)。光伏特效應中的光電流對PN二極體而言，剛好就是逆向偏壓(reversebias)的電流方向。最後光電流經由PN二極體的金屬接觸(metalcontact)輸出至負載，形成一個迴路，這就是光伏特電池(photovoltaiccell)的基本原理。太陽能電池的等效電路對原本的理想二極體而言，太陽電池照光產生的光電流為負向電流，所以太陽電池的電流-電壓關係就是理想二極體加上一個負向的光電流IL，理想太陽能電池的電流I-電壓V關係可用下式表示：其中I代表電流，電流的方向是定義在元件內從p型流向n型；V代表電壓，電壓的正負值，則是定義為p型端電壓減去n型端電壓；IS為二極體的逆向飽和電流(saturationcurrent)；KB為Boltzmann常數；q為單位電量；T為絕對溫度，在室溫下，qV/KBT=0.026。太陽能電池的電壓-電流特性曲線短路電流：(short-circuitcurrent)短路電流的定義為太陽能電池的負載為零時所輸出的電流，也就是輸出電壓V＝0時所對應的電流。圖中照光下的I-V曲線，其Y軸截距的絕對值即為短路電流ISC的大小。開路電壓：(open-circuitvoltage)當太陽能電池開放時，也就是負載為無限大，此時迴路上的電流I＝0，太陽能電池兩端的輸出電壓即為開路電壓VOC。轉換效率的計算與量測太陽能電池的轉換效率(energyconversionefficiency)是指電池將入射太陽光的功率Pin轉換成最大輸出之電功率Pmax之比例，意即太陽能電池的輸出功率就是電流和電壓的乘積：明顯地，太陽電池輸出的功率並非是個固定值，而是在某個電流-電壓工作點達到最大輸出功率，最大功率的條件可由dP/dV=0來決定。而太陽電池最大輸出功率為：因此轉換效率為：或其中FF稱為填充因子(Fillfactor)，其定義為太陽能電池在最大電功率輸出時，輸出功率Pmax與開路電壓VOC和短路電流ISC乘積之比值，也就是電流-電壓特性曲線中最大功率矩形(灰色面積)對VOCxISC矩形的比例。實際上，填充因子深受串聯電阻RS與並聯電阻Rsh的影響，因此我們可以只用填充因子來同時概括串聯電阻與並聯電阻二個效應，因為任何的串聯電阻的增加或是並聯電阻的減少，都會減少填充因子，進而造成轉換效率的降低。太陽能電池的效率可以由三個重要參數：開路電壓VOC、短路電流ISC和填充係數FF來表達。明顯地，要提高太陽電池的效率，則要同時增加其開路電壓、短路電流(即光電流)，和填充因子(即減少串聯電阻與漏電流)。理論上，在AM1.5的條件下，理想的太陽能電池轉換效率為29%。串、並聯電阻的影響任何半導體材料本身，或是半導體與金屬之間的接觸，無可避免地都會有或多或少的電阻，如此就會產生太陽能電池的串聯電阻，串聯電阻通常與接面深度、p型和n型區的雜質濃度、正面歐姆接觸等有關。另一方面，太陽能電池的正負電極間，存在任何非經由理想PN接面的其他電流通道，都會造成所謂的漏電流(leakagecurrent)，例如因為電子-電洞對的再度結合，在空乏區內所產生的複合(recombination)電流或是在表面的複合(surfacerecombination)電流、元件的邊緣隔離(edgeisolation)不完全、和金屬接觸穿透PN接面造成漏電流等，都是形成並聯電阻的原因。一般我們可以使用並聯電阻用來定義太陽能電池的漏電流大小，意即。並聯電阻越大，就表示漏電流越小。串聯電阻的存在會使得短路電流變小，並聯電阻不夠大會降低開路電壓，這兩個因素是使太陽能電池轉換效率下降的原因。除此之外，更重要的是串、並聯電阻也會使填充因子FF大幅度的降低。當串聯電阻增加時，電流-電壓曲線在順方向的直線斜率會變小，而當並聯電阻不夠大時，逆方向的直線斜率會變大，這樣一來，填充因子(灰色面積與VOCxISC的比值)便會快速地減少，進而造成轉換效率的下降。表面結構的抗反射原理為了減少太陽光的反射，除了在矽基板上鍍上一層抗反射層(Antireflectivecoating，ARC)外，將基板表面的結構化(textured)來降低反射率也是常見的作法：(1)金字塔結構的抗反射原理：表面金字塔結構可利用使用方向性蝕刻(anisotropicetching)來完成。使用KOH加異丙醇(isopropylalcohol，IPA)的混和溶液，就會對矽晶圓(100)表面產生方向性蝕刻，暴露出矽晶111的晶面，因而會在表面形成如同大大小小的金字塔結構，這樣的結構可以讓入射光至少要經過晶片表面的二次反射，因此就大大的減低入射光經過第一次反射就折回的機率，延長了入射光的行進距離與吸收，如圖所示。(2)次波長結構的抗反射原理：當基板表面上所形成的奈米結構，如奈米尖錐、奈米柱等，其尺度小於入射光波長時，即為次波長結構。表面結構的光學特性可由等效介質理論(Effectivemediumtheory，EMT)來解釋，此種結構可以使得折射率從空氣介質漸變至基板，當光波從一介質進入另一介質時，部分的光會反射回原介質，若兩介質的折射率差異越大，則反射率會越大，反之，兩介質的折射率差異越小，則反射率亦會越小，因此利用漸變折射率的方式可以得到在一段非常寬廣的波段中得到低折射率。三、實驗設備:超音波震洗機、快速加熱退火爐(RapidThermoAnnealingFurnace)、旋轉塗佈機(SpinCoater)、研磨機、真空熱蒸鍍機(ThermoEvaporator)、打線機(WireBounder)、雙極性電源電表(KEITHLEY236)、個人電腦、GPIB介面卡、Labview圖控軟體、氙燈四、實驗步驟：(1)基板的清潔處理A.本實驗使用電阻率ρ＝0.1~0.3Ω-cm、晶面方向為(100)的單面拋光p型矽晶圓(p-typesilicon)為基板，並以拋光面製作本實驗所需要的矽奈米結構。B.將矽晶圓切割成1.5×1.5cm2的正方形作為基板C.(GP是清潔劑、DI是去離子水)(2)高溫爐擴散製作PN接面A.將P509均勻塗佈於基板B.光阻塗佈機：為step1：1500rmp，5秒、step2：2500rmp，25秒，其中step1可以使P509佈滿整個基板，而step2決定P509的厚度。C.完成塗佈的基板放入烤箱中烘烤(bake)15分鐘，120℃，烘烤的目的主要是為了使P509中的有機溶劑能夠加以揮發，並使P509固定於基板上(3).高溫擴散的處理氣體流量分別為450與150sccm以氧化鋁舟為載台，放置於石英管中，但不要直接進入加熱區(加熱區溫度設定1150℃)，先在加熱區外等待5分鐘的淨化(purge)，之後將基板推入加熱區，加熱2~5分鐘，加熱過程中溫度約在1分鐘左右達熱平衡，此時溫度大約降至1050℃。等加熱完成後再將基板推出，以風扇加速其降溫利用RTP的熱擴散方式可以節省太陽能電池的製程時間，而且降低磷原子的擴散深度，淺接面(shallowjunction)結構可以增加太陽能電池對短波長的吸收。(4).邊緣隔離(邊緣漏電流是造成漏電流最主要的原因)P509塗佈的過程中，不只是堆積在基板的拋光面上，在基板的四個側邊，甚至背面上都會堆積P509，所以經過高溫擴散後，除了拋光面，基板的側邊和背面部分區域也會變成n型矽。我們利用研磨的方式完成邊緣隔離(5).快速熱氧化基板經過RTO的程序處理後，更多原先堆積在表面上的磷原子可以進入基板內部，使磷原子濃度較為均勻，更重要的是經過RTO後，電子濃度與磷原子濃度趨於一致，原先不活躍的部分磷原子在RTO的作用下，轉變成活躍的磷原子可以提供電子。此外，經過RTO處理基板表面上會形成一層SiO2，可以修補基板經過蝕刻後所造成的表面缺陷(defects)，意即鈍化(passivation)處理，鈍化處理可以降低表面上電子與電洞再復合的速率。以氧化鋁舟為載台，放置於石英管中，不要直接進入加熱區(1050℃)，先在加熱區外等待5分鐘的淨化(purge)，石英管中通流量為150sccm的氧氣，之後將基板推入加熱區，加熱90秒，加熱完成後再將基板推出，並以風扇加速其降溫。完成RTO處理後，我們再將基板浸泡於BOE於五分鐘，以去除SiO2，最後再以氮氣將基板吹乾(6).電極的製作我們利用蒸鍍法(evaporation)來製作太陽能電池的正面(n型矽)與背面(p型矽)電極，蒸鍍的靶材為鋁，蒸鍍厚度為1μm。蒸鍍完成的電極與其接觸的基板表面並沒有形成歐姆接觸(ohmi-contact)，所以還需要經過熱退火(thermalannealing)處理，使電極與其接觸的基板表面間形成歐姆接觸，由於正面電極的n型矽區屬於淺接面結構，故加熱溫度不能太高，時間也不能太久，避免鋁原子滲過PN接面，造成短路現象。(7).太陽能電池元件的製作將銅箔板裁成2.5×2.5cm的正方形，砂紙將其表面的氧化層磨除，避免造成串聯電阻的增加而影響效率。用銅箔板切割成兩個互不導電的區域，將基板的背面電極處塗上銀膠後，黏貼於銅箔版上較大的區域，正面電極處以銀膠沾黏金線後，將金線連接至銅箔板上另一較小區域處(8).轉換效率的測量上：光源下：測量I-VCURVE的儀器測量暗電流打光：量I-VCURVE六、實驗結果兩種方式：KOH蝕刻與利用晶圓霧面晶圓霧面太陽能電池I-V圖綠色：未打光紅色：平行光黑色：聚焦的光KOH蝕刻太陽能電池紅色：照光黑色：沒照光五、實驗討論理論上太陽能電池的電壓-電流特性曲線應該是上面這個樣子，而我們做出來的晶圓霧面太陽能電池I-V圖長得是這個樣子，(1)V0時的曲線不是水平的，這應該代表著，在理想的狀態下我們假設二極體只讓某方向的電流(正向偏壓)通過，即V0時I=0，事實上，逆向偏壓時，二極體也會通過逆向電流，並不是完美的二極體，且此電流與電壓大小成正比，故在我們實際測量的作圖，在V0的區域電流會隨著電壓變化。(2)黑線與紅線代表了：黑線的數據是光聚焦在SAMPLE上的，紅線則是平行光，其實就代表了不同的入射光INTENSITY，轉換效率(energyconversionefficiency)是指電池將入射太陽光的功率Pin轉換成最大輸出之電功率Pmax之比例。就算我們沒有以方程式FIT曲線並求得最大值Pmax，但其實由圖上可看出來黑線的Pmax必大於紅線。轉換效率，若