8.1 前言 8.6 非晶矽薄膜之光劣化現象 8.2 非晶矽之原子結構與特性 8.3 非晶矽之沉積技術 8.4 非晶矽太陽電池之結構 8.5

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1 8.1 前言 8.6 非晶矽薄膜之光劣化現象 8.2 非晶矽之原子結構與特性 8.3 非晶矽之沉積技術 8.4 非晶矽太陽電池之結構 8.5 非晶矽太陽電池模組

2 8.1 前言 目前市場上絕大多數的薄膜太陽電池都是用非晶矽作為主要材料(佔所有薄膜太陽電池的75%左右)。
8.1 前言 目前市場上絕大多數的薄膜太陽電池都是用非晶矽作為主要材料(佔所有薄膜太陽電池的75%左右)。 非晶矽薄膜太陽電池的主要缺點是轉換效率偏低(約5～7%)，以及會產生嚴重的光劣化現象(亦即在受到UV照射後，部份未飽和矽原子發生結構變化，而使得轉換效率大幅降低)。 非晶矽薄膜太陽電池，按基板可分為硬基板和柔性基板兩大類。

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4 一般非晶矽是藉由濺鍍或是化學氣相沉積方式，在玻璃、陶瓷、塑膠或不鏽鋼基板上所生成的一種薄膜。非晶矽的優點在於其對於見光譜的吸光能力很強(比結晶矽強500倍)，所以只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效地吸收。而非晶矽太陽電池的結構，通常為p-i-n(或n-i-p)型式，p層跟n層主要做為建立內部電場之目的，i層則由非晶矽構成。

5 8.2 非晶矽之原子結構與特性 非晶矽對太陽光的吸光效率，比單晶矽好上40倍以上。所以只要一微米(m)厚的非晶矽薄膜，就可吸收照射在它上面90%的太陽光。 如果非晶矽在沉積的過程中，可以崁入5-10%的氫原子的話，氫原子就可與矽原子鍵結，而去除部份的懸浮鍵，如圖8.2所示。我們稱這種含氫的非晶矽為hyrogenerated amorphous silicon (a-Si:H)。

6 在傳統的a-Si太陽電池裡，一般會用到p-i-n的結構，p層結構是藉由攙雜硼原子(Boron)所形成的，i層則為不攙雜的純矽，n層則是藉由攙雜磷原子(Phosphorus)所形成的。

7 標準的a-Si:H的能階隙(energy gap)約在1. 6～1
標準的a-Si:H的能階隙(energy gap)約在1.6～1.8eV之間，這與沉積的生長條件及含氫量有關。這麼高的能階隙，代表著波長比7000Å的太陽光將無法被吸引利用，因此非晶矽太陽電池的轉換效率之理論值只能達到14～15%左右。如果想要更進一步突破的話，就必須在非晶薄膜內加入Ge、C、O、N等元素以形成合金膜。

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9 8.3 非晶矽之沉積技術 8.3.1 PECVD PECVD是目前用來生產非晶矽薄膜最主要的方法。用來產生電漿的電力方式有直流電(DC)、AM週波、高週波(VHF)、微波(MW)、射頻(RF)等。其中，以射頻PECVD最為普及，所使用的頻率為13.56MHz。由於沉積出來的非晶矽薄膜內，會含有氫原子，所以通常以a-Si:H來表示，或簡稱為a-Si。

10 8.3.1.1 RF PECVD 利用PECVD法生產非晶矽薄膜時，比較重要的製程參數包括： 1. 操作壓力：
1. 操作壓力： 較低的壓力有助於沉積出均勻的薄膜，而高壓則有助於結晶矽薄膜的生長。因此，如果要長非晶矽薄膜的話，最佳的壓力約在0.5～1torr之間。 2. RF的功率： 一般RF的功率約在10mW/cm2至100mW/cm2之間，越高的RF的功率，薄膜的沉積速率越快。

11 3. 反應溫度： 通常理想的沉積溫度，應在150至350℃之間。當沉積溫度越低時，被吸附進入薄膜內的氫原子會越高，而這也會促使非晶矽薄膜之能階隙(bandgap)之增加。 4. 電極距離： 越短的距離，越能長出均勻的薄膜，而使用較寬的距離，則比較容易維持電漿狀態。

12 5. 氣體流量： 氣體流量的大小，與沉積速率及基板面積有關。氫氣(H2)與矽甲皖(SiH4)的混合比率，對沉積出來的薄膜品質有很大的影響。當H2的比例提高時，沉積速率會下降，但薄膜的品質會變穩定。

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14 圖8.4顯示一貫作業在玻璃基板上生產p-i-n結構的非晶矽薄膜之示意圖。首先將鍍有TCO(Transparent Conductive Oxide)的玻璃基板，先傳送到第一個爐室內長p-型非晶矽薄膜，而第一個爐室內所使用的氣體為SiH4及B2H6。接著傳輸到第二個爐室內長i-型非晶矽薄膜(亦即不含攙雜物)，所以其所使用的氣體只有SiH4。最後再傳輸到第三個爐室內長n-型非晶矽薄膜，此時所使用的氣體為SiH4及PH3。大部份的商業化非晶矽太陽電池模組都是採用這種連續性PECVD的生產方式。

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16 8.3.1.2 VHF PECVD 採用高週波(VHF)的PECVD法可以用來產生更高沉積速率的非晶矽薄膜。它必須克服以下兩個技術上的挑戰：
(1) 在大面積的基板上，所沉積出的薄膜厚度不均勻。 (2) 在大面積的電極板上，VHF較難形成電漿的耦合。

17 　MW PECVD

18 8.3.2　HWCVD (Hot-Wire CVD) 熱絲化學氣相沉積法(HWCVD)，它是一種用來製程低成本非晶矽或微晶矽薄膜的方法。先讓SiH4及H2受熱分解在一加熱到 ℃的觸媒熱絲上，然後這些藉由觸媒熱絲表面所產生的原子或分子，會擴散到被加熱到150～450℃的基板上。雖然HWCVD的沉積速率相當高(150～300Å/sec)，但非晶矽薄膜的均勻性卻比較差。整體而言，利用HWCVD所製造的非晶矽太陽電池之效率尚比不上PECVD所製造的非晶矽太陽電池。

19 8.3.3 合金膜的形成 利用在SiH4氣體中攙入GeH4、CH4、O2、NO2、NH3等氣體，可以形成a-SiGex、a-SiCx、a-SiOx、a-SiNx等合金膜而成的。其中，以a-SiGe最常被用當成降低能階隙(Eg)的作用，當Ge的比率越高時，能階隙會越低。

20 8.4 非晶矽太陽電池之結構 8.4.1 基本的p-i-n結構
8.4 非晶矽太陽電池之結構 8.4.1 基本的p-i-n結構 最基本的非晶矽太陽電池，係採用p-i-n或n-i-p的三層接合結構。一般p層厚度約在50～200Å左右，i層的厚度比較厚(約4000～6000Å左右)，而n層的厚度也只有100～300Å左右。

21 當太陽光子照射到a-Si太陽電池時，很容易就完全穿透p層薄膜，所以大部份的光子吸收必須發生在較厚的i層薄膜裡頭。當光子被i層薄膜吸收時，它會產生一對電子與電洞的光電載子，然後在n層與p層之間的導入電場之牽引之下，這些電子與電洞會分別流向n層與p層，於是產生了光電流，這就是a-Si太陽電池最基本的發電原理。

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23 依據基板是擺在受光面或背光面，可分成以下兩個太陽電池之結構：
1. 上覆蓋層設計(Superstrate design)： 太陽光是從透明的基板上進入薄膜層，這個基板通常是使用透明玻璃或塑膠。 這種太陽電池結構，比較適合用在使用玻璃為建材的建築物上。

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25 2. 基板層設計(Substrate design)：
這種結構基板本身是位於背面，首先在基板上方鍍上一層背面反射層，接著依序長上n、i、p層薄膜，然後是抗反射層及金屬電極。這種結構，最適合應用在以不透鋼當基板的可撓式非晶矽太陽電池上。

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28 8.4.2 多接面太陽電池結構(Multijunction Cell)
多接面太陽電池之原理，在於調節各接面之能階隙，以對不同波長的太陽光分別進行吸收，並減少短波與能階隙的差異所造成的能量損失、及長波穿透所造成的損失。多接面太陽電池結構的另一優點是，每個接面的光電流較低，因此光劣化程度也較小一些(僅為10～20%)

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30 8.5 非晶矽太陽電池模組

31 8.6 非晶矽薄膜之光劣化現象 非晶矽太陽電池的一個重大缺點是，它會發生光劣化現象(degradation)，這種現象就是所謂的Staebler-Wronski效應(簡稱SWE)。 在被太陽光照射數百個小時之後，非晶矽太陽電池的轉換效率便會出現明顯下降的現象。光劣化現象係起因於，太陽光能會打斷一些鍵結較弱的矽原子共價鍵，因而使得懸浮鍵(dangling bond)的數目隨著光照時間而增多。光劣化現象是屬於一種可逆式反應，當將已發生光劣化的a-Si在160℃左右的溫度，進行數分鐘的退火處理，即可回到原先狀態。

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