學位論文
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Item 新穎高效率太陽能電池之研究(2015) 姚詠祺; Yung-Chi Yao近年來，由於經濟的快速發展與人類的頻繁活動，人們對自然資源的需求與日俱增，其結果造成了各種天然資源日益短缺。為了解決人類永續使用能源的問題，科學界以及工業界正如火如荼地發展各種替代性能源。在這些替代性能源中，太陽光長期以來一直被視作永恆的能量來源，因此與太陽能相關的技術得以迅速地蓬勃發展，而其中以太陽能電池更是被廣泛地研究和討論。在本論文中，我們主要是根據不同電池材料的組成提出許多新穎的結構來提升太陽能電池的轉換效率。首先，我們已經成功地證明結合二維矽奈米柱(線)陣列和斜向銦錫氧化物薄膜的新穎抗反射膜對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率，因此能有效提升該太陽能電池的轉換效率。第二，我們利用數值模擬方法分析出一不靠外部(雜質)摻雜、僅利用漸變氮化銦鎵的銦含量來製作單一接面滿足全光譜響應的高銦含量三族氮化物n-i-p太陽能電池。最後，我們提出利用硒化鎘量子點調製太陽光譜來提升磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池的轉換效率。本論文依照各個章節不同的研究主題和使用方法將摘要進行分類，其分類如下： 1. 利用矽奈米柱(線)陣列搭配斜向銦錫氧化物膜增加太陽能電池光學吸收之應用 矽奈米柱(線)在太陽能電池方面的應用已被廣泛認為是相當具有吸引力的。在本研究中，我們分別利用感應電耦合式乾蝕刻技術和氧化還原-金屬誘導化學蝕刻方式製作出二維矽奈米柱(線)陣列。為了進一步降低發生在空氣和矽奈米柱(線)界面處的菲涅耳反射，我們提出利用斜角濺鍍沉積技術將奈米尺度等級的斜向銦錫氧化物薄膜作為空氣和矽奈米柱(線)間的中間層。由於矽奈米柱(線)能提供遮蔽效應，入射的銦錫氧化物氣流將被優先地沉積在矽奈米柱(線)的頂部，最終我們製作出的斜向銦錫氧化物薄膜可達到幾乎是無損且連續的表面。斜向銦錫氧化物薄膜除了本身擁有低折射率、高透明度外，在快速熱退火450℃的處理下，其薄膜的電阻率約為1.07x10^-3 Ω-cm，其摻雜濃度和載子遷移率分別為3.7x10^20 cm-3和15.8 cm2/V-s，亦可直接拿來當作電池的接觸電極。根據理論計算，該結構的轉換效率相對於單晶矽裸片的太陽能電池約有42％ 的提升，證明上述的奈米結構組合對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率。然而在實際元件製作上，元件上層與銦錫氧化物接面因極性不匹配以及奈米線的高深寬比導致高的串聯電阻和低的並聯電阻，其結果伴隨著高的逆向飽和電流加劇光生載子在表面復合，進而影響了整體元件的轉換效率。 2. 感應極化摻雜三族氮化物太陽能電池之研究 我們利用理論計算方式來評估並設計出新型感應極化摻雜氮化銦鎵n-i-p太陽能電池。該方法並不使用傳統雜質摻雜，反而是藉由線性增加（0％增至30％）和降低（30％降至0％）氮化銦鎵裡每個單位電池的銦含量所導致的感應極化摻雜來製作太陽能電池的p型和n型區，其中p型和n型區的載子濃度均達到3×10^18 cm-3。在氮化銦鎵n-i-p太陽能電池裡，由於每個單位電池具有大小相同且均勻的極化電荷，將其依銦含量漸變堆疊可預期該元件的電位分佈有平滑的空間變化，這樣一來減緩能帶在異質界面處的不連續性，並有利於光生載子能高效率地流動和收集。最重要的是導電n型和p型區是透過靜電場的離子化而不是熱活化所形成的，該感應極化電場的載子濃度與熱凍結效應無關。因此，感應極化摻雜的三族氮化物n-i-p太陽能電池即使在低溫環境下操作亦可以提供穩定的轉換效率。 3. 使用硒化鎘量子點改善磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池之電流匹配與提升其轉換效率之研究 三五族串聯式太陽能電池是最有效提供極高轉換效率的電池結構。然而該元件裡每個子電池之間的電流不匹配問題是引起該電池轉換效率實驗值偏離理論值一顯著挑戰。在本研究中，我們使用硒化鎘量子點來提升被限制的子電池光電流以匹配其他子電池的電流輸出並予以提升整體磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池的轉換效率。該限制的光電流被提升的主要原因來自於量子點做為光子轉換器的基本機制。不同尺寸的量子點有調製太陽光譜的獨特能力，因此該太陽能電池提升的效率與選擇量子點的尺寸大小有絕對的關係。本研究結果顯示透過適當地選擇量子點，我們發現佈上直徑4.2 nm、濃度7 mg/ml的硒化鎘量子點在磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池上，其轉換效率與沒有佈上任何量子點的電池相比能有效提升10.39％。Item 透明導電膜氧化鋅摻雜鋁之成長與應用於矽薄膜太陽能電池之研究(2013) 鄭僑人; Jheng,Ciao-Ren本論文是利用射頻磁控共濺鍍(Co-Sputtering)系統製備p-type矽薄膜，利用不同功率的鋁靶和非晶矽靶同時濺鍍於玻璃基板上達到摻雜的目的之後進行熱退火，系統地分析及量測p-type矽薄膜之電性，進而探討應用於n-type silicon wafer 太陽能電池元件後的光學特性與電性分析。 並研究AZO(Al 1%)靶材濺鍍於玻璃基板上，在不同的退火溫度其薄膜的電性分析、光學特性，得到一ρ=8.5 x 10-4Ω-cm、μ=24 cm2/V•s、 n=3.1x1020 1/cm3、可見光部分穿透率 84% 的AZO薄膜，最後製備於太陽能電池元件之可行性，最終在Al/p-Si/n-Si wafer 結構上獲得一開路電壓為0.59V，光電流為0.07 mA/cm2 ，轉換效率為0.02% 的太陽能光伏元件。Item 氧化鋅摻鋁與鋁誘發多晶矽薄膜之異質接面太陽能電池研究(2015) 夏晨凱; Hsia, Chen-Kai摘要 本實驗是在不銹鋼基板上利用n型氧化鋅摻鋁薄膜(AZO)與p型多晶矽薄膜結合成異質接面太陽能電池。其中p型多晶矽薄膜是利用鋁誘發多晶矽的方式製成。因此先利用射頻濺鍍系統在玻璃基板濺鍍鋁薄膜與非晶矽薄膜，並改變其退火溫度使鋁誘發非晶矽形成p型再結晶矽薄膜探討其導電性分析，之後與氧化鋅摻鋁薄膜在不銹鋼基板上形成可饒式異質接面太陽能電池。 其中氧化鋅摻鋁薄膜(AZO)先濺鍍於玻璃基板，改變薄膜厚度，探討其電性與光學特性。藉由厚度的改變可得較低的電阻率、高摻雜濃度與移動率，分別為3.49×10-4 Ω-cm、1.12×1020 cm-3、13.87 cm2/V‧S、並且擁有好的光穿透率光率的光電特性，約為80%左右。 利用AZO作為太陽能電池中的上電極以及n型接面與p型再結晶薄膜濺鍍於不銹鋼基板作為可繞式太陽能電池。可獲得一開路電壓為0.31 V，光電流為0.1 mA，光電轉化效率為0.0113 %的太陽能電池。