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以原子層沉積系統製備氧化鋁薄膜應用於射極鈍化背接觸式太陽電池

為了解決smax電壓顯示的問題，作者黃俊瑋 這樣論述：

本研究以非真空空間陣列式原子層沉積(non-vacuum spatial atomic layer deposition, ALD)系統製備氧化鋁(Al2O3)薄膜在射極鈍化背接觸太陽電池之背面作為鈍化層，氧化鋁薄膜具有優異的場效鈍化效果，可以有效減少表面復合速率。本研究將探討退火製程與氧化鋁鈍化層薄膜之間的關係，利用ALD製備厚度20 nm的氧化鋁薄膜於單晶矽晶片，接著送入高溫爐管進行退火製程，調變退火溫度(300-750 °C)；退火氣體(大氣、氧氣、氮氫混合氣、氮氣)進行20分鐘的常壓退火製程。實驗結果顯示，其中以600度的氧氣退火與450度氮氫混合氣效果最為突出，少數載子生命週期分別

為818.37 µs與933.76 µs。為了更進一步提升鈍化效果，將兩種退火製程進行二段退火作為最佳化的退火製程，其量測結果為少數載子生命週期提升至1097.51µs、表面復合速率為21.6 cm/s，由此實驗結果進行太陽電池元件模擬，模擬結果為開路電壓0.663 V、短路電流39.38 mA/cm2、填充因子82.02 及光電轉換效率20.98 %。

以原子層沉積系統製備氧化鋁鈍化薄膜應用於射極鈍化背接觸太陽電池

為了解決smax電壓顯示的問題，作者楊智翔 這樣論述：

射極鈍化背接觸太陽能電池主要特徵為在傳統太陽電池背表面沉積氧化鋁與氮化矽疊層薄膜作為鈍化層，有效減少載子在背表面複合，同時能微量增加長波長光子之吸收，提升開路電壓與短路電流。現今大多數的太陽能廠因為產能需求，皆採用電漿輔助化學氣相沉積系統取代原子層沉積系統來製備氧化鋁薄膜。為了提高氧化鋁薄膜品質並且兼顧沉積速率，本研究利用非真空空間陣列式原子層沉積系統沉積氧化鋁薄膜，調變製程參數與退火溫度來研究薄膜的基礎特性，此外，本篇論文也探討了不同矽基板表面形貌、新型開孔技術及旋轉塗佈法製備氧化矽與氧化鈦疊層抗反射膜對於射極鈍化背接觸太陽電池效能之影響。 本研究改變水流量、製程溫度及退火溫度製備氧化鋁

薄膜得到不同的材料結構特性與電性。氧化鋁薄膜帶電的原因是來自於薄膜內不同配位數的氧鋁結構所致，當四面體的四氧化鋁離子結構與八面體的六氧化鋁結構比值越高時，氧化鋁較傾向帶負電。介面的化學鈍化則跟氧化鋁與矽晶片之間的二氧化矽及反應時所產生的氫原子有關，當氧原子與氫離子能有效填補表面的懸浮鍵時表面缺陷能有效降低介面缺陷密度，研究結果發現當水流量為500 sccm時，固定負電荷為-2.7×1012 cm-2、介面缺陷為7.15 ×1012 eV-1cm-2，此時表面複合速率為40.5 cm/s; 當製程溫度升至170°C時固定負電荷為-4.59×1012 cm-2、介面缺陷為6.98 ×1012 e

V-1cm-2，表面複合速率為41.55 cm/s; 當退火溫度為450°C時固定負電荷為-1.25×1012 cm-2、介面缺陷為6.71 ×1012 eV-1cm-2, 表面複合速率為37.5 cm/s。為了解決在沉積氧化鋁時因氫氣或水氣的流動所產生的氣泡，我們採用感應耦合電漿化學氣相沉積系統沉積一層薄氧化矽作為界層及減薄氧化鋁厚度同時沉積氮化矽薄膜作為氧化鋁的保護層兩種方法，最終優化的太陽電池開路電壓為0.647 V、短路電流為38.2 mA/cm2、填充因子為0.776，而效率為19.18 %。在此章節中，我們歸納出主要影響少數載子生命週期表現的是介面缺陷的多寡，其次才是固定負電荷的強

弱。 本論文也改變蝕刻時間，讓矽晶片的背面產生不同的形貌變化，接著沉積氧化鋁薄膜，研究背表面形貌對於超量少數載子行為的影響。結果發現當氧化鋁沉積在幾乎平坦的背表面會與氧化鋁形成良好的披覆，獲得較高的載子生命週期，長波長頻譜響應也微量增加，最終以平坦背表面所製成的太陽電池可得到開路電壓0.662 V、短路電流為36.69 mA/cm2、填充因子為0.793，轉換效率為19.27 %。 有別於傳統的雷射開孔技術，本研究採用旋轉塗佈方式將球狀高分子聚合物均勻分散在基板背表面，透過後續氧化鋁薄膜的後退火製程將高分子球氣化並留下孔洞，相較於雷射技術，此開孔方法能有效減少因雷射高能量所造成的基板損傷，

微幅提升開路電壓，將不同分佈比例的試片製成電池後比較其電性特性發現當孔洞覆蓋率為2.88 %時可得到最佳效能為開路電壓0.622 V、短路電流為36.9 mA/cm2、填充因子為0.779，轉換效率為17.88 %，略低於雷射開孔製程的17.99 %，主要是因為雷射製程較能均勻地排列孔洞得到較高的填充因子所致。 本研究也利用低成本的旋轉塗佈技術將氧化矽與氧化鈦混合溶液均勻地噴塗在太陽電池前表面，取代原有的氮化矽作為抗反射層，在退火過程中因為薄膜應力分佈不均容易造成膜裂而影響光學特性。為改善薄膜品質，我們在溶液中滴入二甲基甲酰胺，可有效改善混和薄膜膜裂問題，使得其平均反射率下降約9 %。經過5

0次的再現性測試中發現，雖然混合膜應用於太陽電池元件所得到之平均效率約16.3 % 略低於市售電池的16.8 %，但生產成本卻可大幅下降。此結果顯示旋轉塗佈製備抗反射層技術有其潛力應用於現行的太陽能電池產線上。 最終我們將上述優化過後的參數與結構整合並製備成大面積的射極鈍化背接觸太陽能電池，轉換效率約為20.5 %, 其開路電壓為0.66 V、短路電流為39.16 mA/cm2、填充因子為0.793；而目前市售的射極鈍化背接觸太陽電池平均轉換效率約為21.2 %, 開路電壓0.667 V、短路電流為40.32 mA/cm2、填充因子為0.788。兩者相比可發現開路電壓與填充因子差距很小，主要

的差距在於短路電流，業界的電流較高主要原因為電池入光面的粗電極條數較多，易於取出自由載子。