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1、Structure FilesCommand FilesDev. Edit Structure & meshATHENA Process SimulationATLASTonyPolt Visualization ToolATLAS Device SimulationSolution fileLog fileRuntime output圖 1 以 TCAD 模擬太陽電池流程圖新型矽基材料薄膜太陽電池新型矽基材料薄膜太陽電池設計設計與數值分析與數值分析*連水養1, 2王勝進1王朝俊1沈炤德1陳家富11明道大學材料科學與工程學系2明道大學太陽光電研究中心(P0960027)在本論中，我們以 TCA
2、D 軟體建立新型矽基薄膜太陽電池模擬模組，並討論各種高效率的 關鍵參數對於元件效率的影響。我們也建立一個實際沉積矽膜製程特性與模擬模組互相驗證平 台，完成矽膜參數資料及新型矽基薄膜太陽電池結構之建置，提供日後 PECVD 製程實驗時之參 考依據。在薄膜太陽電池模擬研究中，我們成功建立 pin 結構薄膜太陽電池模擬模組，最佳化結 構模擬結果，薄膜太陽電池效率可達 15.5 %。新建寬能隙材料 SiC 薄膜特性之模擬參數，以寬 能隙材料 SiC 薄膜取代 p-i-n 薄膜太陽電池中 P 層，探討 SiC/i/n 結構薄膜太陽電池特性之變化。 這種新型 SiC/i/n 結構太陽電池轉換效率可提升至
3、17.6 % 。 最後以窄能隙材料 SiGe 薄膜取代 p-i-n 薄膜太陽電池中 n 層，探討 p-SiC/i/n-SiGe 結構薄膜太陽電池特性，此種結構太陽電池轉換效率 可進一步提升至 18.3 %。 關鍵字：TCAD 模擬、非晶矽、太陽電池1. 簡介簡介近年來由於石油價格居高不下及節能減碳意識抬頭，太陽能產業受到高度的矚目，對於太陽電池材料、製程及元件模擬優化設計是提升太陽電池效率及降低成本最有效方法之。目前受學術界及工業界所重視的太陽電池模擬軟體有：Pc1D1、AMPS 2、SCAPS 3, 4及 ASA5、Atlas TCAD6及 ISETCAD7等。TCAD (Technolog
4、y CAD)是一種元件與製程方面的電腦輔助設計與模擬軟體，具有大量減少製程成本與時間的優點，是半導體研發過程中不可或缺的工具。TCAD 的應用領域包括所有和物理現象有關而且是我們必須瞭解的事物，如半導體製程、元件物理、電路缺陷等，凡是像電磁、機械方面的物理現象，都是 TCAD 的應用領域，因此，TCAD 可以稱為物理基礎上的模擬。本研究項目之目的為透過太陽電池材料及元件之優化模擬，建立可靠準確之薄膜太陽電池模組，縮短研發摸索時間，節省研發成本，將模擬優化結果回饋給薄膜太陽電池製程作為製作高效率薄膜太陽電池參數之依據，藉由矽薄膜特性的探討，可以了解 PECVD 沉積機制、沉積參數對薄膜特性的影響
5、、太陽電池的設計理論。協助開發 PECVD 沈積寬能隙及窄能隙矽薄膜製程技術 ， 建立 TCAD模擬軟體的 p-SiC (寬能隙材料)/i/n-SiGe(窄能隙材料)薄膜太陽電池模擬模組。2. 實驗設計實驗設計2.1 模擬模組建立圖 1 顯示以 TCAD 軟體模擬太陽電池製程與元件之流程圖，首先我們要針對製程所有條件及參數做定義，這些需要有準確的量測數據當基礎，建立 pin 薄膜太陽電池模擬模組須分別定義三層 a-Si 材料特性參數，再定義上下電極位置及特性。在定義 pin 非晶矽薄膜參數中，我們需建立包括:矽膜能隙、折射率、消光係數、吸收係數、電子電洞移動率等，我們也須針對矽膜的缺陷組態進行
6、定義及測試，最後是建立結構參數設定。經過軟體的模擬與最佳化，緊接著輸入元件之各結構參數，軟體針對元件之設計及內部動作模擬，最後再對元件特性做規範及量測模擬，針對這些結果再修正製程參數即可得到最佳化之元件製程及特性。本計畫所執行的元件均以 TCAD 軟體模擬搭配 PECVD 實際製作，模擬與實驗兩者互相比較驗證，以其得到最佳化薄膜太陽電池。2.2 矽基薄膜建立我們過去已經建立了完整製程參數及矽膜光學，結構及電性之所有資料，我們可以準確的下定義及提供完整資料供模擬動作，我們也有足夠的能力改變製程參數來配合模擬的結果，相信可以將模擬與製程實驗做更正確的結合及應用，建立薄膜參數模組如表一所示。表一 新
7、建矽基薄膜模擬參數表ValueParameterpp-SiCinn-SiGeEnergy gap (eV)1.82.21.61.81.2Dielectric constant11.910.511.911.913.5SHR (h)106106106106106SHR (e)107107107107107Ecdensity10201020102010201020Evdensity10201020102010201020Electron mobility (cm2/Vs)11112Hole mobility (cm2/Vs)0.50.50.50.51Refractive indices3.42.43
8、.43.43.6Extinction value0.350.20.30.30.52.3 模擬數值分析薄膜太陽電池特性觀察中，最重要的是電流-電壓(I-V)曲線及外部量子效應(EQE)。其他如網格點設置分佈，摻雜濃度分佈，光的吸收分佈，太陽電池元件電場分佈及電子產生率分佈等都是影響薄膜太陽電池元件效率重要因素及觀察重點。3. 結果與討論結果與討論圖 2 為 p/i/n 薄膜太陽電池模擬模組，由入光面我們分別設定 p 層、i 層及 n 層矽膜，圖中顯示 pin 薄膜太陽電池每一層厚度及摻雜濃度設定及分佈，pin 層不同的厚度及濃度組成許多不同的參數組合，圖上標示的厚度及濃度是經過我們模擬測試後的優
9、化參數。圖 3 顯示薄膜太陽電池各種特性模擬分析圖案分別為(a)網格點設置、(b)光吸收、(c)電子電洞複合及(d)電場分佈圖。網格線定義了整個元件的架構，網格點設定多寡及密度會影響數據模擬之準確度。為了準確量測電性，我們將網格點在 p 層的位置定義高密度，這是因為提高電壓-電流取出時的密度，減少取出資料誤差。圖 3(b)顯示光吸收分佈由入光 p 層吸收最強並隨著厚度增加而遞減，這是因為 p 層(B doped)具有非常高的吸收係數，造成入射光之吸收損失而影響效率。圖 3(c)顯示電子電洞複合發生於 i 層偏 n 層的位置最嚴重，減少復合損失是提高太陽電池的重要技術，可以減少 i 層厚度來改善
10、復合損失。本計畫另有個重要工作就是建立太陽電池實際製程與模擬的驗證平台，我們將以改變 PECVD 機台的 RFPower 及 Pressure 參數所製備的非晶矽膜參數所有光學、電學、微結構等特性建入模擬軟體裡，依據製程結果取代模擬 i 層特性參數。不同 Power 所沉積的非晶矽膜特性會不一樣，我們研究發現: 在小於 30 W 沉積矽膜時，矽薄膜的吸收係數及氫含量隨功率增加而遞減，顯示薄膜結晶率提高，但功率提高到 40 W 時因轟擊效應增大使得薄膜往非晶相發展，而吸收係數及氫含量也跟著提高。由模擬結果顯示，太陽電池 i 層沉積在 Power 小於 30 W 時，轉換效率隨功率增加而減小，但在
11、 40 W 時轉換效率又提升，這是因為在我們設計的薄膜太陽電池模組中，主要吸光層為 i 層，如果吸收係數提高，有助於元件對於入射光的利用。PECVD 機台以不同的製程壓力(Pressure)沉積 i層矽膜，矽薄膜特性會隨著不同的製程壓力而改變，由矽膜特性分析我們發現矽膜之結晶性會隨著製程壓力加大而提升，也就是說矽薄膜的吸收係數及氫含量會隨製程壓力增大而下降。我們發現薄膜太陽電池轉換效率隨著製程壓力增大而減小，在這組模擬研究中，最佳模擬結果在製程功率及壓力分別為 10W 及 20 Pa 時，薄膜太陽電池轉換效率可達到 15.6 %。依據基本 p/i/n 結構，接下來模擬實驗我們計畫以矽基材料如
12、SiC 及 SiGe 來取代 p 型及 n 型矽膜材料。藉由寬能隙矽基材料 SiC 薄膜及窄能隙矽基材料 SiGe 薄膜改變太陽電池入射光之吸收行為，增加光的利用率，進而增加光電流而提高矽基薄膜太陽電池之轉換效率。表二列出本研究三種不同薄膜太陽電池的基本結構(a) 設置網格分佈(b) 光吸收分佈(c) 電子電洞複合(d) 電場分佈圖 3 薄膜太陽電池之(a)網格點設置、(b)光吸收、(c)電子電洞複合及(d)電場分佈 m m00.10.20.30.4 0.50.6 0.7 0.80.9100.040.080.120.160.2p (p-SiC) : 10 nm, 1019cm-3i : 200
13、 nm, 1016cm-3n (n-SiGe) : 20 nm, 1019cm-3圖 2 薄膜太陽電池模擬結構Light source: 100 mW/cm2(AM1.5)參數，在本實驗，我們以寬能隙材料 SiC 薄膜取代 p-i-n 薄膜太陽電池中 P 層，探討 SiC/i/n 結構薄膜太陽電池特性之變化。我們在實際製程中藉由改變 CH4的流量來控制 SiC 薄膜特性，由實驗結果得知: SiC 薄膜能隙會隨 CH4流量增加而變大，這是因為 SiC 薄膜內 C 的比例增加所致，相反的，SiC 薄膜之吸收係數會因 CH4流量增加而變快速減小 ， 我們將 SiC 薄膜特性輸入模擬結構後 ， 我們發
14、現 p-SiC/i/n 結構薄膜太陽電池轉換效率隨著 CH4流量增加而增加。我們以窄能隙材料 SiGe 薄膜取代 p-i-n 薄膜太陽電池中 n 層，探討 p-SiC/i/n-SiGe 結構薄膜太陽電池特性，由於我們到目前為止，我們沒有實際製程沉積的SiGe 薄膜特性參數，在本實驗中 SiGe 薄膜特性我們以參考論文及書本所刊載的特性輸入模擬軟體模組。表二 各種模擬結構參數表ParameterValueStructure (a-Si)p / i / nThickness (nm)10 / 200 / 20Doping (cm-3)1019/ 1016/ 1019Energy gap (eV)1
15、.8 / 1.6 / 1.8Structure (a-Si)p-SiC / i / nThickness (nm)10 / 200 / 20Doping (cm-3)1019/ 1016/ 1019Energy gap (eV)2.2 / 1.6 / 1.8Structure (a-Si)p-SiC / i / n-SiGeThickness (nm)10 / 200 / 20Doping (cm-3)1019/ 1016/ 1019Energy gap (eV)2.2 / 1.6 / 1.2圖 4 顯示不同矽基材料組成之薄膜太陽電池電子濃度分佈圖，由圖 4(a)顏色分佈可以看出在入光層 p
16、型非晶矽有較高的電子濃度，這說明因 p 型非晶矽有很高的吸收係數，所以入射光會在這層被吸收造成損失 ， 降低了在本質層(i 層)之電子濃度，降低光電流影響效率。在圖 4(b)中顯示由於我們使用寬能隙材料 p 型 SiC 薄膜取代 p 型非晶矽層，由於 p 型 SiC 薄膜有較高能隙及較低的吸收係數，所以入射光穿過這層薄膜時會減少吸收損失，因此提高了在本質層之電子濃度，提高光電流產生。在圖 4(c)中，因為以窄能隙 n 型 SiGe 薄膜取代薄膜太陽電池底層之 n 型非晶矽薄膜，由於窄能隙材料能利用長波長之入射光，所以由圖 4(c)中可以看出底層電子濃度比前兩者高，所以可以供充分利用入射光，提升光電流及元件效率。圖5為不同材料組成結構之矽基薄膜太陽電池特性曲線，由圖中很明顯可以觀察出改變不同的矽基材料組成的薄膜太陽電池效率轉換特性中，開路電壓(Voc)幾乎維持定值，但短路電流密度(Jsc)有明顯得提升。所以我們可以確定因為改變能隙及吸收係數之矽基薄膜可以增加入射光的吸收，提升光電流產生，由外部量子效率觀察中也可以發現當以寬能隙矽基材料當入射層 p 型材料時，
