Chapter 6 iii v
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Chapter 6 化合物半導體 III-V 族太陽能電池  PowerPoint PPT Presentation


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Chapter 6 化合物半導體 III-V 族太陽能電池 . 6-1 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的發展及其演進 6-2 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的基本結構及其特性 6-3 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的製程技術. 內容大綱. 本章節將討論以及探討的內容,主要是: 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的發展及其演進 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的基本結構及其特性 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的製程技術等三大部分. 172. 172. 6-1 化合物半導體 III-V 族太陽能電池的發展.

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Chapter 6 化合物半導體 III-V 族太陽能電池 

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Chapter 6 iii v

Chapter 6化合物半導體III-V族太陽能電池 

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

6-1化合物半導體III-V族太陽能電池的發展及其演進

6-2化合物半導體III-V族太陽能電池的基本結構及其特性

6-3化合物半導體III-V族太陽能電池的製程技術


Chapter 6 iii v

內容大綱

本章節將討論以及探討的內容,主要是:

化合物半導體III-V族太陽能電池的發展及其演進

化合物半導體III-V族太陽能電池的基本結構及其特性

化合物半導體III-V族太陽能電池的製程技術等三大部分

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

172


6 1 iii v

172

6-1 化合物半導體III-V族太陽能電池的發展

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

  • III-V族化合物半導體,是發光二極體元件製作的主要材料;然而,它亦是太陽能電池元件的主要材料之一,其中又以砷化鎵化合物為三五 (III-V) 族化合物半導體的代表性材料。

  • 太陽能電池的基本原理則是「光電效應 (Opto-Electro Effect)」,亦就是照射太陽光的能量而使其產生電能的一種物理現象。

  •   事實上,太陽能電池元件是諸多二極體元件中的一種,它不能發光而能夠發電,故又稱之為「光伏特二極體元件 (Photovoltaic Diode, PVD)」或「光伏特電池 (Photovoltaic Cell, PVC)」。


6 2 iii v

6-2化合物半導體III-V族太陽能電池的基本結構及其特性

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

174

圖6-1(a) 纖鋅礦的晶體結構;(b) 閃鋅礦的晶體結構


Chapter 6 iii v

大部分III-V族化合物半導體,是屬於直接能隙遷移型半導體,其能量與動量的轉移過程僅需要光子 (Photon) 的釋出而已,如圖6-2(a) 所示

在間接能隙遷移型半導體方面,其能量與動量的轉移過程不僅僅是光子的釋出,而且其晶體的晶格熱振動將產生動量的變化,進而衍生出聲子 (Phonon) 的遷移效應,如圖6-2(b) 所示

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

175


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

175

圖6-2(a) 直接能隙遷移型半導;(b) 間接能隙遷移型半導體能量與動量的轉移過程


6 2 1 gaas based solar cell

6-2-1 砷化鎵型太陽能電池(GaAs-Based Solar Cell) 的結構及其特性

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

176

圖6-3代表性砷化鎵型太陽能電池元件的基本結構


Chapter 6 iii v

砷化鎵太陽能電池的基本特性,分別地有:

高的光電能量轉換效率。

適合於大面積薄膜化製程。

高的抗輻射線性能。

可耐高溫的操作。

低成本而高效率化的生產製程。

適用於太空衛星系統。

可設計為特殊性光波長吸收的太陽能電池。

極適合於聚光型或集光型 (Concentrator) 太陽能電池應用。

具有正負電極導電支架而易於插件安排。

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

176


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

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圖6-4 代表性多接面型太陽能電池元件的基本結構


Chapter 6 iii v

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第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

  • 從能隙大小來看,磷化銦 (InP)、砷化鎵 (GaAs)、以及碲化鎘 (CdTe) 等半導體材料,是極適合於製作高效率的太陽能電池。至於,能帶間隙小於1.4~1.5電子伏特的半導體材料,其光波的波長是較大的而分布於紅外光的光譜區域,因而是適合於紅外光的光波吸收。

  • 倘若將不同能隙的半導體材料,進行不同薄膜層的堆疊,可以使其波長感度變得較大的區域分布,因而可以吸收不同波長的光譜,進而提升此一太陽能電池的光電轉換效率。


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第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

180

圖6-5集光型太陽能電池的光電轉換效率及其電池操作溫度的關係圖


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179

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

  • 砷化鎵薄膜成長於p鍺基板所製作的太陽能電池,其元件的基本結構是n (GaAs) -p (GaAs) -p (GaAs) -p (Ge) 的淺同質接合型太陽能電池 (n -p-p Shallow-homojunction Solar Cell),在不同的n薄膜層厚度之下,可以量測到不同的光電轉換效率,此一元件結構的示意圖,如圖6-6所示的。


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第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

180

圖6-6n (GaAs) -p (GaAs) -p (GaAs) -p (Ge) 的淺同質接合型太陽能電池的基本結構


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氮化鎵型或氮化銦型太陽能電池 (GaN-Based or InN-Based Solar Cell) 是一種多層堆積而成的多層式太陽能電池,其代表性的元件結構,如圖6-7所示

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

181

6-2-2 氮化鎵型太陽能電池(GaN-Based Solar Cell) 的結構及其特性

圖6-7氮化鎵型或氮化銦型太陽能電池的元件結構


Chapter 6 iii v

氮化鎵太陽能電池的基本特性,分別地有:

直接能隙遷移型半導體特性。

可吸收太陽光的全光譜區域。

光電轉換效率有可能達到50% 左右的超高效率太陽能電池。

適合於大面積薄膜化製程。

高的抗輻射性能。

高的化學安定性 。

低的成本而高效率化的生產製程。氮、鎵、鋁等元素,是價廉的材料。

無毒性以及無環境污染性。換言之,在製程之中,化學組成成份是沒有磷以及砷等有毒害性元素。

適合於集光型太陽能電池應用。

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

181


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

184

圖6-8一般集光型太陽能電池的基本結構


6 2 3 inp based solar cell

183

6-2-3 磷化銦型太陽能電池(InP-Based Solar Cell) 的結構及其特性

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

在III-V族太陽能之中,除了GaAs型太陽能電池之外,磷化銦型 (InP-Based) 太陽能電池亦是相當地受人關注的。磷化銦化合物半導體亦是一種直接能隙遷移型半導體材料,其最大的光吸收係數是在可見光以及近紅外光的光譜範圍之間的,其代表性元件的基本結構,如圖6-9所示的。


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

184

圖6-9磷化銦型太陽能電池元件的基本結構


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

185

6-2-4多量子井型太陽能電池(Multi Quantum Well Solar Cell) 的結構及其特性

圖6-10多階量子井型太陽能電池元件的基本結構


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

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6-3-1 化合物型太陽能電池的薄膜製程技術

圖6-11原子層沉積技術的種類及其分類


Chapter 6 iii v

一、化學氣相沉積法

(Chemical Vapor Deposition, CVD)」

化學氣相沉積法,亦是一種薄膜沉積形成於基板表面的技術,而且有化學反應產生於基板表面的

化學氣相沉積法製程技術的種類及其分類,如圖6-12.

在化學氣相沉積法方面,質量傳輸限制式的以及表面反應限制式的基本原理,其代表性示意圖,如圖6-13.

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

187


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

187

圖6-12化學氣相沉積法製程技術的種類及其分類


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

188

圖6-13質量傳輸限制式的以及表面反應限制式的化學氣相沉積法


Chapter 6 iii v

二、物理氣相沉積法

(Physical Vapor Deposition, PVD)」

是一種薄膜沉積形成於基板表面的技術,利用加熱或濺鍍方式,將固態物質蒸發,並使其凝結而沉積於基板表面,而且沒有化學反應發生於基板表面的。

物理氣相沉積法 (PVD) 的種類:

蒸發方式 (Evaporation) & 濺鍍方式 (Sputtering)

物理氣相沉積法製程技術的種類及其分類,如圖6-14所示

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

189


Chapter 6 iii v

189

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

在物理氣相沉積法與化學氣相沉積法的比較上,在物理氣相沉積法方面,具有易於沉積合金薄膜、較高的導電性、較高的純度、以及較高的品質特性等優點;但是,它的階梯覆蓋性是較不好的,而填充隙縫能力是較遜的。在化學氣相沉積法方面,具有較好的階梯覆蓋性,而填充隙縫能力是較優的;但是,它的難於沉積合金薄膜、較低的導電性、以及較低的純度等缺點。


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

190

圖6-14物理氣相沉積法製程技術的種類及其分類


Chapter 6 iii v

通常地,薄膜的沉積以及其特性,分別地有:

高的純度及高的密度;

好的膜厚均勻性;

好的階梯覆蓋性;

低的應力而高的結構完美性;

高的電性;

可控制的化學計量比;

好的與基板及底材薄膜的附著性;

高的深寬比;

好的似型性。

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

191


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

192

圖6-15薄膜的階梯覆蓋性、深寬比、似型性、以及耳垂狀突起物的代表性尺度及其關係性


6 3 2

193

6-3-2 砷化鎵型太陽能電池的製程技術

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

  • 砷化鎵型太陽能電池的製程技術,也是將不同能隙的薄膜層,以化學式的以及物理式的沉積製程,將薄膜沉積與堆積成不同厚度的,而形成的一種薄膜型太陽能電池。

  • 砷化鎵型太陽能電池的種類,因其薄膜層的種類,而可以分為單層磊晶砷化鎵型的以及多層磊晶砷化鎵型的等兩種。


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

195

圖6-16代表性液相磊晶成長的生產技術


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

196

圖6-17代表性有機金屬氣相磊晶技術


Chapter 6 iii v

194

單層磊晶砷化鎵型的太陽能電池

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

  • 1.液相磊晶成長的砷化鎵型太陽能電池

  • 2.有機金屬氣相磊晶成長的砷化鎵型太陽能電池

  • 3.分子束磊晶成長的砷化鎵型太陽能電池

    • 又稱之為有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE)。事實上,磊晶形成技術的種類,因其原材料的形態,而可分為液相磊晶法 (Liquid Phase Epitaxy, LPE)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、以及氣相磊晶法 (Vapor Phase Epitaxy, VPE) 等三種,其中以氣相磊晶法為主要的量產型技術。


Chapter 6 iii v

198

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

圖6-18分子束磊晶成長系統的基本結構


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

199

  • 分子束磊晶成長技術的特性,分別地有:

    • 超高真空製程技術;

    • 易於控制的真空蒸發技術;

    • 低成長溫度的製程;

    • 低的晶體成長速率;

    • 可控制的成長速率 ( 動力學的 );

    • 均勻的薄膜厚度;

    • 均質性摻雜物分布;

    • 單原子而尖銳性的界面;

    • 臨場性 (In-Situ) 潔淨製程;

    • 臨場性分析技術。


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

201

6-3-3氮化鎵型太陽能電池的製程技術

圖6-19金屬化學氣相沉積成長系統的基本結構


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

200

  • 金屬化學氣相沉積成長技術的特性,分別地有:

    • 超高真空製程技術。

    • 易於控制的真空蒸發技術。

    • 高成長溫度的製程。

    • 低的晶體成長速率。

    • 可控制的成長速率。

    • 均勻的薄膜厚度。

    • 均質性摻雜物分布。

    • 單原子而尖銳性的界面。


Chapter 6 iii v

第六章 化合物半導體III_V 族太陽能電池

202

圖6-20代表性薄膜特性分析技術的種類及其分類


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