å¤ªé™½èƒ½é›»æ± å ƒä»¶è£½ç¨‹æŠ€è¡“ - 國立聯合大學

太 陽 能 電 池 元 件 製 程 技 術
Solar Cell Devices Process Technology
許 正 興
國 立 聯 合 大 學 電 機 工 程 學 系

‣ Introduction to semiconductor process technology
‣ Introduction to solar cell material, mechanism and
measurement
‣ Amorphous solar cell process technology
‣ Single crystal and polycrystalline solar cell
process technology
‣ III-V group compound semiconductor solar cell
process technology
‣ II-VI group compound semiconductor solar cell
process technology
‣ CuInSe system and organic solar cell technology

化 合 物 半 導 體 III-V 族 太 陽 能 電 池 的 發 展
‣ 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)」。
鋅 (Zn)
硫 (S)
(a)
(b)
(a) 纖 鋅 礦 的 晶 體 結 構 ;(b) 閃 鋅 礦 的 晶 體 結 構

‣ 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 (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 (b) 所 示
電
子
能
量
hv ~ E bg
電 子
電 洞
Ebg
~ hc
E
bg
E bg ( 能 隙 能 量 )
動 量
(a)
動 量
(b)
(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

砷 化 鎵 型 太 陽 能 電 池 (GaAs-Based Solar Cell) 的 結 構 及
其 特 性
正 面 電 極
抗 反 射 層
p - GaAs ( 頂 蓋 層 )
Al0.8 Ga0.2
As ( 開 口 層 )
p - GaAs ( 放 射 層 )
n - GaAs ( 基 層 )
n - GaAs 初 始 薄 膜 層
Ge 基 板
背 面 電 極
代 表 性 砷 化 鎵 型 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構

‣ 砷 化 鎵 太 陽 能 電 池 的 基 本 特 性 , 分 別 地 有 :
1. 高 的 光 電 能 量 轉 換 效 率 。
2. 適 合 於 大 面 積 薄 膜 化 製 程 。
3. 高 的 抗 輻 射 線 性 能 。
4. 可 耐 高 溫 的 操 作 。
5. 低 成 本 而 高 效 率 化 的 生 產 製 程 。
6. 適 用 於 太 空 衛 星 系 統 。
7. 可 設 計 為 特 殊 性 光 波 長 吸 收 的 太 陽 能 電 池 。
8. 極 適 合 於 聚 光 型 或 集 光 型 (Concentrator) 太 陽 能 電 池 應 用 。
9. 具 有 正 負 電 極 導 電 支 架 而 易 於 插 件 安 排 。

抗 反 射 層
n AllnP 2
n GalnP 2
p GalnP 2
p GaAs
n GaAs
金 (Au) 電 極
頂 部 電 池 胞
穿 隧 二 極 體
n AlGaAs
n GaAs
底 部 電 池 胞
p GaAs
p GaAs
基 板
代 表 性 多 接 面 型 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構

‣ 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 。
20
砷 化 鎵 鋁 / 砷 化 鎵 (AlGaAs/GaAs)
轉 換 效 率 (%)
10
矽 (Si)
0
2
照 度 :135 mW / cm
100
50
0 50 100 150 200 250
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

‣ 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 如 圖 所 示 。
手 指 狀 電 極
氧 化 物 陽 極
n - GaAs
p - GaAs
p - GaAs
p - Ge基 板
Au 背 面 電 極
n (GaAs) -p (GaAs) -p (GaAs) -p (Ge) 的 淺 同 質 接 合 型 太 陽 能 電 池 的 基 本 結 構

氮 化 鎵 型 太 陽 能 電 池 (GaN-Based Solar Cell) 的
結 構 及 其 特 性
氮 化 鎵 型 或 氮 化 銦 型 太 陽 能 電
5
1
能 量 (eV)
2
3
4
池
(GaN-Based or InN-Based
4
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 所 示
太 陽 光 通 量
£
3
2
1
0
In, Ga, N, cell
In, Ga, N, cell
In, GaN, cell
InN cell
Sapphire or Si substate
氮 化 鎵 型 或 氮 化 銦 型 太 陽 能 電 池 的 元 件 結 構

‣ 氮 化 鎵 太 陽 能 電 池 的 基 本 特 性 , 分 別 地 有 :
1. 直 接 能 隙 遷 移 型 半 導 體 特 性 。
2. 可 吸 收 太 陽 光 的 全 光 譜 區 域 。
3. 光 電 轉 換 效 率 有 可 能 達 到 50% 左 右 的 超 高 效 率 太 陽 能 電 池 。
4. 適 合 於 大 面 積 薄 膜 化 製 程 。
5. 高 的 抗 輻 射 性 能 。
6. 高 的 化 學 安 定 性 。
7. 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 。
8. 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 。
9. 適 合 於 集 光 型 太 陽 能 電 池 應 用 。

太 陽 光
光 束 分 支 器
電 池 胞 1 電 池 胞 2 電 池 胞 3
電 池 胞 1
電 池 胞 2
電 池 胞 3
橫 向 架 構 型 ( 機 械 分 隔 化 型 ) 縱 向 架 構 型 ( 積 體 化 型 )
一 般 集 光 型 太 陽 能 電 池 的 基 本 結 構

磷 化 銦 型 太 陽 能 電 池 (InP-Based Solar Cell) 的 結 構
及 其 特 性
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 所 示 的 。
20 3
n - InP (~ 10 cm )
i- InP
20 3
p - InP (~ 10 cm )
p - InP 基 板
接 觸 電 極 薄 膜 層
發 射 極 薄 膜 層
基 極 薄 膜 層
緩 衝 薄 膜 層
基 板
19
In GaAs : Be (~ 10 cm)
18 16 18 3
InP : Be (2 ~ 4 10 cm )
InP : Si (10 ~10 cm )
18 3
InP : Si (~10 cm )
18 3
InP : S (~10 cm )
(a) n - i- p
磷 化 銦 (InP) 太 陽 能 電 池 (b) 磷 化 銦 (InP) 太 陽 能 電 池
磷 化 銦 型 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構

多 量 子 井 型 太 陽 能 電 池 (Multi Quantum Well Solar Cell)
的 結 構 及 其 特 性
p
p 型 砷 化 鎵
(p - GaAs)
砷 化 銦 鎵
(InGaAs)
n 型 砷 化 鎵
(n - GaAs)
n
晶 格 常 數
磷 化 砷 鎵
(GaAsP)
GaAs
(p - type)
GaAsP / InGaAs
MQW
多 階 量 子 井 型 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構
GaAs
(n - type)

化 合 物 型 太 陽 能 電 池 的 薄 膜 製 程 技 術
原 子 層 沉 積 技 術
物 理 式 沉 積 法
(P h y s ic a l V a p o r P h a s e D e p o s itio n , P V D )
化 學 式 沉 積 法
(C h e m ic a l V a p o r P h a s e D e p o s itio n , C V D )
原 子 層 沉 積 技 術 的 種 類 及 其 分 類
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
‣ 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

大 氣 壓 化 學 氣 相 沉 積 技 術
(Atomospheric pressure CVD, APCVD)
化 學 氣 相 沉 積 法 製 程 技 術
加 熱 器
低 氣 壓 化 學 氣 相 沉 積 (10~100 Torr)
(Low - pressure CVD, LPCVD)
3 4
超 高 真 空 化 學 氣 相 沉 積 技 術 (10 -10 Torr)
(Ultra-High Vacuum CVD, UHV -CVD)
導 氣 孔
薄 膜
晶 圓 片
承 載 台
排 氣 孔
化 學 氣 相 沉 積 法 製 程 技 術 的 種 類 及 其 分 類

x
化 學 氣 相 沉 積 法
質 量 傳 輸 限 制 式 的
或 擴 散 限 制 式 的 ( 在 高 溫 區 域 )
沉 積 速 率 (r) D o exp ( E d / kT) C g / X
Do: 擴 散 常 數 Cg: 氣 體 濃 度
E : 擴 散 所 需 能 量 X: 擴 散 距 離
d
表 面 反 應 限 制 式 的 ( 在 較 低 溫 度 區 域 )
沉 積 速 率 (r) D o exp ( E a / kT) Cg
Do: 擴 散 常 數 Cg: 氣 體 濃 度
E : 反 應 活 化 能
a
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

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
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 。

熱 燈 絲 型 (Filament)
蒸 發 法 或 蒸 著 法
(Evaporation)
電 子 束 型 的 (Electron Beam)
物 理 氣 相 沉 積 法
(physical vapor
deposition, PVD)
鋁 錠
電 源
濺 鍍 法
直 流 型 的 (DC)
射 頻 型 的 (RF)
磁 控 型 的 (Magnetron)
Sputtering
靶 材
DC / RF
電 源
晶 圓 片
導 氣 孔
電 源
多 氣 孔
物 理 氣 相 沉 積 法 製 程 技 術 的 種 類 及 其 分 類

通 常 地 , 薄 膜 的 沉 積 以 及 其 特 性 , 分 別 地 有 :
1. 高 的 純 度 及 高 的 密 度 ;
2. 好 的 膜 厚 均 勻 性 ;
3. 好 的 階 梯 覆 蓋 性 ;
4. 低 的 應 力 而 高 的 結 構 完 美 性 ;
5. 高 的 電 性 ;
6. 可 控 制 的 化 學 計 量 比 ;
7. 好 的 與 基 板 及 底 材 薄 膜 的 附 著 性 ;
8. 高 的 深 寬 比 ;
9. 好 的 似 型 性 。
CVD 薄 膜 層
c
a
h
w
b
d
基 板
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

砷 化 鎵 型 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術
‣ 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 。
熔 融 磷 化 砷 鎵
拉 桿
晶 圓 片
真 空 反 應 室
晶 圓 片
真 空 反 應 爐
起 始 原 料
金 屬 坩 堝
加 熱
代 表 性 液 相 磊 晶 成 長 的 生 產 技 術

氫 氣 純 化 器
反 應 器
基 板
底 盤 平 台
流 量 控 制 器
P P P P P
排 氣 及
清 除
SiH 4 NH 3
有 機 金 屬 化 合 物
代 表 性 有 機 金 屬 氣 相 磊 晶 技 術

單 層 磊 晶 砷 化 鎵 型 的 太 陽 能 電 池
‣ 1.
‣ 2.
‣ 3.
液 相 磊 晶 成 長 的 砷 化 鎵 型 太 陽 能 電 池
有 機 金 屬 氣 相 磊 晶 成 長 的 砷 化 鎵 型 太 陽 能 電 池
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 。
砷
加 熱 線 圈
噴 嘴
擋 板
晶 片 與 晶 座 ( 附 加 熱 線 圈 )
鎵
控 制 閥
晶 片 承 載 拉 桿
矽
鋅
閘 門
馬 達 轉 軸
幫 浦
分 子 束 磊 晶 成 長 系 統 的 基 本 結 構

‣ 分 子 束 磊 晶 成 長 技 術 的 特 性 , 分 別 地 有 :
1. 超 高 真 空 製 程 技 術 ;
2. 易 於 控 制 的 真 空 蒸 發 技 術 ;
3. 低 成 長 溫 度 的 製 程 ;
4. 低 的 晶 體 成 長 速 率 ;
5. 可 控 制 的 成 長 速 率 ( 動 力 學 的 );
6. 均 勻 的 薄 膜 厚 度 ;
7. 均 質 性 摻 雜 物 分 布 ;
8. 單 原 子 而 尖 銳 性 的 界 面 ;
9. 臨 場 性 (In-Situ) 潔 淨 製 程 ;
10. 臨 場 性 分 析 技 術 。

氮 化 鎵 型 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術
氫 氣
通 氣 孔
物 質 流 量 指 示 表
三 甲 基 鎵
三 甲 基 鋁
砷 化 鎵
加 熱 晶 圓 片
排 氣
摻 雜 物 質
AsH 3
物 質 流 量 指 示 表
排 氣 管
排 氣
出 口
消 除 裝 置
金 屬 化 學 氣 相 沉 積 成 長 系 統 的 基 本 結 構

金 屬 化 學 氣 相 沉 積 成 長 技 術 的 特 性 , 分 別 地 有 :
1. 超 高 真 空 製 程 技 術 。
2. 易 於 控 制 的 真 空 蒸 發 技 術 。
3. 高 成 長 溫 度 的 製 程 。
4. 低 的 晶 體 成 長 速 率 。
5. 可 控 制 的 成 長 速 率 。
6. 均 勻 的 薄 膜 厚 度 。
7. 均 質 性 摻 雜 物 分 布 。
8. 單 原 子 而 尖 銳 性 的 界 面 。

元 素 組 成 成 份 分 析
X 射 線 繞 射 儀 (XRD)
能 量 分 散 光 譜 儀 (EDS/TEM)
歐 傑 電 子 光 譜 儀 (AES)
X 射 線 螢 光 光 譜 分 析 儀 (XRF)
魯 瑟 福 背 面 散 射 光 譜 儀 (RBS)
二 次 電 子 質 量 光 譜 儀 (SIMS)
光 譜 式 橢 圓 儀 (SE)
薄 膜 特 性 分 析 技 術
厚 度 量 測 分 析
X 射 線 繞 射 儀 (XRD)
X 射 線 反 射 率 分 析 儀 (XRR)
穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM)
歐 傑 電 子 光 譜 儀 (AES)
魯 瑟 福 背 面 散 射 光 譜 儀 (RBS)
二 次 電 子 質 量 光 譜 儀 (SIMS)
光 譜 式 橢 圓 儀 (SE)
表 面 / 界 面 顯 微 形 態 分 析
X 射 線 反 射 率 分 析 儀 (XRR)
掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM)
穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM)
場 發 射 式 電 子 顯 微 鏡 (FEM)
原 子 力 顯 微 鏡 (AFM)
掃 瞄 穿 隧 顯 微 鏡 (STM)
缺 陷 密 度 分 布 分 析
紅 外 線 光 激 發 分 析 儀 (IPL)
穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM)
代 表 性 薄 膜 特 性 分 析 技 術 的 種 類 及 其 分 類

化 合 物 半 導 體 II-VI 族 太 陽 能 電 池 的 發 展 及 其 演 進
‣ 在 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 方 面 , 矽 系 列 或 矽 基 (Si-Based) 薄 膜 型 太 陽 能 電
池 之 外 , 碲 化 鎘 系 列 或 碲 化 鎘 基 (CdTe-Based) 太 陽 能 電 池 , 亦 是 眾 多
種 類 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 中 的 一 種 , 它 亦 是 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 之 中 , 發
展 歷 史 最 長 久 的 。
‣ 1956 年 美 國 RCA 公 司 發 展 出 碲 化 鎘 基 太 陽 能 電 池 ,
‣ 1963 年 Cusano 博 士 , 使 用 碲 化 鎘 (CdTe) 以 及 碲 化 銅 (Cu 2 Te) 製 作 出 異
質 接 面 型 太 陽 能 電 池 元 件 ,1979 年 法 國 的 CNRS 公 司 使 用 氣 相 傳 輸 沉
積 法 (Vapor Transport Deposition, VTD) 在 n 型 晶 片 基 板 表 面 , 沉 積 p 型
碲 化 鎘 薄 膜 而 製 作 出 轉 換 效 率 為 7.0% 左 右 的 太 陽 能 電 池 。

化 合 物 半 導 體 II-VI 族 太 陽 能 電 池 的 基 本 結 構 及 其 特 性
‣ 以 鎘 為 系 列 之 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 的 種 類 :
‣ 碲 化 鎘 (CdTe) / 硫 化 鎘 (CdS)
• 硫 化 鎘 (CdS) / 硫 化 亞 銅 (Cu2S)
• 鋅 鎘 硫 化 物 (Zn x Cd 1x S)

硫 化 鎘 (CdS) 以 及 碲 化 鎘 (CdTe) 半 導 體 材 料 的 基 本 特 性
‣ 硫 化 鎘 的 存 在 是 以 兩 種 不 同 的 礦 物 質 , 一 為 硫 鎘 礦 (Greenockite), 而 另
一 為 方 硫 鎘 礦 (Hawleyite) 。 在 硫 鎘 礦 方 面 , 它 是 一 種 六 方 晶 體
(Hexagonal) 的 纖 鋅 礦 (Wurzite) 晶 體 結 構 ; 而 在 方 硫 鎘 礦 方 面 , 它 則 是
一 種 閃 鋅 礦 (Sphalerite/Zinc Blende) 晶 體 結 構 , 而 硫 化 鎘 的 晶 格 常 數 為
0.586 nm, 如 圖 所 示 的 。
硫 原 子 (S)
鎘 原 子 (Cd)
硫 化 鎘 的 晶 體 結 構 示 意 圖

‣ 在 室 溫 狀 態 之 下 , 碲 化 鎘 的 晶 體 結 構 是 閃 鋅 礦 結 構 , 而 其 晶 格 常 數 為
0.648 nm, 如 圖 所 示
碲 原 子 (Te)
鎘 原 子 (Cd)
碲 化 鎘 的 晶 體 結 構 示 意 圖

硫 化 鎘 (CdS) 以 及 碲 化 鎘 (CdTe) 太 陽 能 電 池 的 基 本 結 構
及 其 特 性
‣ 以 鎘 為 系 列 之 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 的 元 件 結 構 :
‣ 表 板 結 構 型 (Superstrate Structure)
• 基 板 結 構 型 (Substrate Structure)
入 射 太 陽 光 線
入 射 太 陽 光 線
製
作
流
程
順
序
玻 璃 基 板
透 明 導 電 薄 膜 層
n 型 CdS 薄 膜 層
p 型 CdTe 薄 膜 層
緩 衝 薄 膜 層
製
作
流
程
順
序
玻 璃 基 板
透 明 導 電 (SnO : F) 薄 膜 層
n 型 CdS 薄 膜 層
p 型 CdTe 薄 膜 層
緩 衝 薄 膜 層
2
金 屬 薄 膜 層
金 屬
基 板
金 屬 薄 膜 層
(a) 表 板 結 構 型 的
(b) 基 板 結 構 型 的

‣ 事 實 上 , 碲 化 鎘 基 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 的 種 類 :
有 p-n 同 質 接 面 型 的
p-n 異 質 接 面 型 的 等 兩 種 太 陽 能 電 池
玻
璃
基
板
透
明
導
電
薄
膜
層
n
型
碲
化
鎘
p
型
碲
化
鎘
緩
衝
薄
膜
層
金
屬
薄
膜
層
玻
璃
基
板
透
明
導
電
薄
膜
層
n
型
硫
化
鎘
p
型
碲
化
鎘
緩
衝
薄
膜
層
金
屬
薄
膜
層
(n-CdTe)
(p-CdTe)
(n-CdS)
(p-CdTe)
(a) 同 質 接 面 型 的
(b) 異 質 接 面 型 的
p-n 同 質 接 面 型 的 (a) 以 及 p-n 異 質 接 面 型 的 (b) 碲 化 鎘 基 薄 膜 型 太 陽 能 電 池

‣ 就 碲 化 鎘 (Cadmium Telluride, CdTe) 以 及 硫 化 鎘 (Cadmium
Sulfide, CdS) 太 陽 能 電 池 而 言 , 其 元 件 結 構 的 排 列 , 分 別 地
為 :
• 玻 璃 基 板 (Glass Substrate)
• 透 明 導 電 膜 (Transparent Conductive Oxide Film)
• 前 面 接 觸 電 極 及 碲 化 鎘 (Front Contact Electrode and CdTe)
• 硫 化 鎘 (CdS)
背 面 電 極
玻 璃 表 板
• 背 面 或 裏 面 接 觸 電 極 (Back Contact Electrode)
p 型 碲 化 鎘
n 型 硫 化 鎘
等 不 同 厚 度 的 薄 膜 層 , 硫 其 基 本 的 元 件 結 構 示 意 圖
玻 璃 基 板
氧 化 錫
( 100 m)
入 射 光
透 明 導 電 層
光 線
電 流 輸 出 端
(a) n 型 CdS / p 型 CdTe
碲 化 鎘
碲 化 鎘 / 硫 化 鎘 太 陽 能 電 池 的 基 本 元 件 結 構 示 意 圖
金 接 觸 電 極
(b) CdS / CdTe

硫 化 鎘 (CdS) 以 及 碲 化 鎘 (CdTe) 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術
用 於 製 作 太 陽 能 電 池 的 玻 璃 基 板 材 料 , 其 標 準 的 厚 度 是 2.0~4.0 mm 左 右
(1) 金 屬 基 板
(6) 氯 化 處 理
(2) 金 屬 薄 膜 層 形 成
(7) 雷 射 蝕 刻 圖 變 化
(3) 雷 射 蝕 刻 圖 變 化
(8) n 型 CdS 薄 膜 層
(4) 緩 衝 薄 膜 層 形 成
(9) 表 面 處 理
(5) p 型 CdTe 薄 膜 型
(10) 透 明 導 電 薄 膜 層
表 板 結 構 型 的 太 陽 能 電 池 元 件 製 作 的 整 個 流 程 示 意 圖

碲 化 鎘 (CdTe) 薄 膜 層 的 主 要 製 程 技 術 種 類 , 如 下 所 述 的 ; 以 碲 化 鎘 為 系
列 之 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術 , 分 別 地 有 :
1. 電 鍍 沉 積 法 (Electro-Deposition, ED)
2. 密 閉 空 間 式 的 昇 華 法 (Closed-Space Sublimation, CSS)
3. 網 版 印 刷 法 (Screen Printing, SP)
4. 噴 霧 沉 積 法 (Spray Deposition, SD)
5. 氣 相 傳 輸 沉 積 法 (Vapor Transport Deposition, VTD)
6. 有 機 金 屬 化 學 沉 積 法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition,
MOCVD)
7. 濺 鍍 法 (Sputtering)
噴 嘴 口
加 熱 器
碲 化 鎘 薄 膜
霧 狀 碲 化 鎘
(a) 密 封 空 間 昇 華 技 術
蒸 氣 態 碲 化 鎘
固 態 碲 化 鎘
加 熱 器
碲 化 鎘 薄 膜
基 板
加 熱 平 台
(b) 噴 霧 熱 裂 解 技 術
碲 化 鎘 / 硫 化 鎘 太 陽 能 電 池 的 代 表 性 製 程 設 備 系 統 簡 易 的 示 意 圖

真 空 反 應 室
加 熱 器
承 載 氣 體
電 源
電 源
抽 真 空
基 板
碲 化 鎘 薄 膜
蒸 氣 態 碲 化 鎘
液 態 ( 固 態 )
碲 化 鎘
排 氣
基 板
移 動 方 向
碲 化 鎘
蒸 氣
碲 化 鎘
碲 化 鎘
薄 膜
(c) 真 空 蒸 發 蒸 著 技 術
(d) 氣 相 傳 輸 沉 積 技 術
碲 化 鎘 / 硫 化 鎘 太 陽 能 電 池 的 代 表 性 製 程 設 備 系 統 簡 易 的 示 意 圖
電
源
碲 化 鎘
碲 化 鎘
電 漿
硫 化 鎘 薄 膜
基 板
加 熱 器
電 源
(e) 濺 鍍 沉 積 技 術
碲 化 鎘 / 硫 化 鎘 太 陽 能 電 池 的 代 表
性 製 程 設 備 系 統 簡 易 的 示 意 圖

硫 化 鎘 (CdS) 以 及 碲 化 鎘 (CdTe) 太 陽 能 電 池 的 模 組 技 術 .
在 硫 化 鎘 (CdS) 以 及 碲 化 鎘 (CdTe) 太 陽 能 電 池 方 面 , 其 模 組 的 組
合 方 式 :
• 串 接 式 (In-Series Connection)
• 並 接 式 (In-Parallel Connection)
透
明
導
電
膜
基
板
入 射 太 陽 光 線
n
型
硫
化
鎘
鋁 電 柱
p 型 碲 化 鎘
溝 槽
碲 化 鎘 / 硫 化 鎘 太 陽 能 電 池 的 代 表 性 模 組 結 構 示 意 圖

銅 銦 硒 或 銅 銦 鎵 硒 系 列 太 陽 能 電 池 的 發 展 及 其 演 進
‣ 黃 銅 礦 基 (Chalcoprite-Based) 太 陽 能 電 池 的 研 究 , 開 始 於 1970 年 初 期 .
‣ Wagner 博 士 首 先 地 使 用 CIS 單 晶 材 料 , 並 於 其 表 面 沉 積 n 型 硫 化 鎘 (n-CdS), 而
製 作 出 單 晶 型 銅 銦 硒 化 合 物 的 太 陽 能 電 池 (CIS-Based Solar Cell), 其 光 電 轉 換
效 率 是 12.0% ; 爾 後 , Kazmerski 博 士 使 用 蒸 鍍 法 , 製 作 出 薄 膜 型 銅 銦 硒
(CuInSe 2
,CIS) 太 陽 能 電 池 , 而 光 電 轉 換 效 率 大 約 是 9.4%。
Chalcopyrite CuFeS 2
(a) 黃 銅 礦 的 代 表 性 結 晶 構 造
一 般 代 表 性 黃 銅 礦 以 及 閃 鋅 礦 的 基 本 結 晶 結 構

‣ 黃 銅 礦 的 晶 體 結 構 是 一 種 類 似 於 閃 鋅 礦 (Sphalerite) 結 構 的 礦 物 , 其 代 表
性 的 結 晶 構 造 , 如 圖 (b) 所 示
Sphalerite
ZnS
(b) 閃 鋅 礦 的 代 表 性 結 晶 構 造
一 般 代 表 性 黃 銅 礦 以 及 閃 鋅 礦 的 基 本 結 晶 結 構

三 元 系 的 銅 銦 硒 基 太 陽 能 電 池 (CIS-Based Solar Cell)
太 陽 光 線
n 型 開 口 層 (ITO , ZnO)
高 電 阻 緩 衝 層 (HgZnO,Zn(O,S ,OH)x)
CIS 基 光 吸 收 層 (CIS)
金 屬 電 極 層 (Mo)
基 板
緩 衝 層 (CdS)
開 口 層 (AZO)
玻 璃 基 板
光 吸 收 層 (CIS)
背 面 電 極 (Mo)
代 表 性 銅 銦 硒 系 化 合 物 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構

‣ 在 諸 多 的 三 元 系 銅 銦 硒 系 列 化 合 物 之 中 , 僅 有 鑽 石 結 構 的 化 合 物 是 具 有 良 好 的 光
電 特 性 , 並 相 似 於 元 素 半 導 體 材 料 , 同 樣 地 具 有 晶 體 結 構 、 化 學 組 成 、 電 子 結
構 、 以 及 化 學 鍵 特 性 等 。 這 些 材 料 是 能 夠 結 晶 成 正 方 晶 體 的 黃 銅 礦 (Tetragonal
Chalcopyrite) 結 構 , 其 a 軸 與 c 軸 的 大 小 分 別 地 是 5.78 A 以 及 11.62 A, 而 且 形 成 四 面
體 結 構 (Tetrahedral) 的 共 價 性 化 合 物 , 此 乃 歸 因 於 其 sp3 混 成 軌 域 的 形 成 , 亦 就 是 s
軌 域 與 p 軌 域 相 互 重 疊 而 形 成 一 種 混 成 狀 態 的 軌 域 。
‣ 在 三 元 系 銅 銦 硒 系 列 化 合 物 之 中 , 因 缺 陷 存 在 的 有 無 而 區 分 , 缺 陷 型 三 元 系 化 合 物 以 及 無
缺 陷 型 三 元 系 化 合 物 等 兩 種 。 所 謂 的 缺 陷 , 即 是 其 晶 體 結 構 之 中 , 出 現 失 序 的 原 子 排 列 狀
態 ; 而 所 存 在 的 缺 陷 種 類 , 分 別 地 有 刃 狀 差 排 、 螺 旋 差 排 (Screw Dislocation)、 雙 晶
(Twins)、 空 孔 、 以 及 疊 差 (Stacking Fault) 等 。
‣ 在 缺 陷 型 (Defect Type) 三 元 系 化 合 物 方 面 , 有 CdIn 2 Te 4 、Ga 3 PSe 3 、Ag 2 HgI 4 、ZnGeSe 3 、 以
及 Zn 2 GeSe 4 等 。 在 無 缺 陷 型 (Non-Defect Type) 三 元 系 化 合 物 方 面 , 有 CuInSe 2 、CuGe 2 P 3 、
ZnSiP 2 、Cu 2 GeSe 3 、 以 及 CuAsSe 4 等 。 事 實 上 , 此 類 型 的 化 合 物 種 類 , 已 有 九 十 多 種 的 化 合
物 , 而 且 仍 有 新 穎 的 材 料 不 斷 地 被 合 成 出 來 的 。

四 元 系 的 銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 (CIGS-Based Solar Cell)
四 元 系 的 銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 , 是 由 四 元 系 的 銅 銦 鎵 硒 化 合 物 半 導 體
所 形 成 的 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 。
Ni / Al grid
Ni / Al grid
抗 反 射 層 (AR) (MgF
2)
氧 化 鋅 (ZnO)
n 型 硫 化 鎘 (n-CdS)
p 型 CIGS 光 吸 收 層
(p-CIGS)
Mo 電 極
基 板
CIGS solar cell structure
Ni / Al 電 極
ZnO : Al ZnO : i
i - ZnO / ZnO (Al)
n 型 CdS
p 型 CulnGaSe 2
鉬 (Mo)
玻 璃 基 板
代 表 性 銅 銦 鎵 硒 系 化 合 物 太 陽 能 電 池 元 件 的 基 本 結 構

在 銅 銦 硒 基 薄 膜 太 陽 能 電 池 方 面 , 除 了 摻 雜 鎵 而 提 升 其 能 量 轉 換 效 率 之 外 , 背 面 反 射 層
(Back Reflector) 的 導 入 、 氧 化 鋅 薄 膜 層 的 導 入 、 化 學 浴 沉 積 法 的 導 入 、 遞 變 性 能 隙
(Graded Energy Gap) 的 導 入 、 新 材 料 功 能 的 導 入 、 薄 膜 層 的 膜 厚 與 晶 粒 形 態 的 控 制 、 薄
膜 的 Cu/(In Ga) 比 值 、 以 及 其 薄 膜 層 間 界 面 特 性 的 理 解 等 , 均 促 使 CIGS 基 薄 膜 太 陽 能
電 池 的 能 量 轉 換 效 率 , 可 以 達 到 12.0~18.0% 之 間 ; 銅 銦 硒 基 薄 膜 太 陽 能 電 池 能 量 轉 換
效 率 改 善 而 提 升 的 方 法 種 類 。
摻 雜 鎵 元 素
背 面 反 射 層 或 反 射 導 入
氧 化 鋅 薄 膜 層 導 入
化 學 浴 沉 積 製 程
能 量 轉 換 效 率
改 善 即 提 升
遞 變 性 能 隙 層 導 入
新 材 料 及 新 功 能 薄 膜 層
薄 膜 層 晶 粒 型 態 及 顯 微
結 構
銅 銦 硒 基 薄 膜 太 陽 能 電 池 能 量 轉 換
效 率 改 善 而 提 升 的 方 法 種 類
C u / (In Ga ) 比 率 調 節
薄 膜 層 介 面 特 性

玻 璃 基 板
鉬 薄 膜 層
銅 銦 薄 膜 層
鎵 硒 薄 膜 層
沉 積 反 應 槽 清 水 清 洗 槽 沉 積 反 應 槽 酸 鹼 性 清 洗 槽
去 離 子 水 清 洗 、 乙 醇 、 丙 酮 超 音 波 清 洗
圖 8- 5
化 學 浴 沉 積 法 的 簡 單 示 意 圖

‣ 銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 , 具 有 較 高 的 而 良 好 的 吸 收 係 數 (Absorption Coefficient),
其 單 位 是 (cm 1 ), 而 吸 收 係 數 的 倒 數 則 是 吸 收 長 度 (Absorption Length), 其 單 位
是 (cm)。 在 吸 收 係 數 與 光 子 能 量 的 關 係 圖 之 中 , 顯 示 銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 的 光
電 特 性 是 同 等 於 其 它 種 類 的 太 陽 能 電 池 , 而 且 它 亦 是 極 適 合 於 製 作 薄 膜 型 太 陽 能
電 池 的 一 種 材 料 ; 吸 收 係 數 與 光 子 能 量 的 關 係 圖 。
6
10
5
10
CulnSe 2
a - SiGe : H
a - Si : H
4
10
結 晶 Si
CdTe
3
10
2
10
1
10
1.0 1.5 2.0 2.5
光 子 能 量 (h ,(eV))
銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 之 吸 收 係
數 與 光 子 能 量 的 關 係 圖

銅 銦 硒 系 列 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術
‣ 銅 銦 硒 化 物 型 太 陽 能 電 池 (CIS) 的 製 作 流 程 , 將 依 據 前 述 功 能 性 薄 膜 層
的 排 列 , 依 序 地 進 行 各 種 相 關 的 製 程 技 術 而 堆 疊 成 的 。 其 主 要 的 製 程 技
術 , 是 先 於 基 板 上 濺 鍍 鉬 金 屬 薄 膜 ; 其 次 地 , 使 用 濕 式 製 程 來 成 長 銅 以
及 銦 等 薄 膜 層 ; 再 其 次 地 , 進 行 硒 化 以 及 硫 化 處 理 ; 然 後 , 使 用 濕 式 製
程 來 成 長 硫 化 鎘 (CdS) 薄 膜 層 ; 最 後 的 過 程 , 是 鍍 上 透 明 導 電 膜 以 及 表
面 電 極 薄 膜 層 , 其 整 個 的 製 作 流 程
‣ 在 銅 銦 硒 基 太 陽 能 電 池 方 面 , 其 製 作 的 方 法 :
• 真 空 蒸 著 法 (Vacuum Evaporation)
• 真 空 共 蒸 著 法 (Coevaporation)
• 電 鍍 蒸 著 法
• 微 顆 粒 沉 積 法
• 網 版 印 刷 法
• 噴 霧 沉 積 法
• 化 學 浴 沉 積 法 (Chemical Bath Deposition, CBD)
• 金 屬 有 機 化 學 沉 積 法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition,
MOCVD)
• 分 子 束 磊 晶 法 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

不 同 化 學 式 的 以 及 物 理 式 的 製 程 技 術 , 其 中 真 空 蒸 著 法 又 稱 之 為 硒 化 法
(Selenization)
氫 化 硒 蒸 氣 - 硒 蒸 氣
銦 鎵 被 覆 層
銅 銦 鎵 硒 化 物
銅 被 覆 層
玻 璃 基 板
鉬 薄 膜 層
硒 化 處 理
(a) 氣 相 擴 散 法
擴 散 處 理
加 熱
玻 璃 基 板
硒 薄 膜 層
銦 鎵 被 覆 層
銅 被 覆 層
鉬 薄 膜 層
銅 銦 鎵 硒 化 物
硒 化 處 理
(b) 固 相 堆 疊 擴 散 法
擴 散 處 理
硒 化 法 的 簡 單 示 意 圖

銅 銦 鎵 硒 系 列 太 陽 能 電 池 的 製 程 技 術
基 板 洗 淨
鉬 電 極 層
蝕 刻 圖 案 ( 一 )
銅 銦 硒 被 覆 層
回 火 處 理
氧 化 鋅 鎂 濺 鍍
銅 銦 鎵 硒 化 物 型 (CIGS) 太 陽 能 電 池 的 製 作 流 程

蝕 刻 圖 案 ( 二 )
氧 化 鋅 濺 鍍
蝕 刻 圖 案 ( 三 )
緣 邊 去 除 及 導 線 連 接
積 層 化 處 理
(a) 整 體 流 程
銅 銦 鎵 硒 化 物 型 (CIGS) 太 陽 能 電 池 的 製 作 流 程 ( 續 )

Gu Se
In Ga Se
Gu / III 0.8 ~ 0.9
In Ga Se
(In Ga) Se
Cu- rich CIGS III- rich CIGS
2 3
Mo Mo Mo Mo
銦 、 鎵 、 硒 蒸 鍍 銦 、 銅 、 硒 蒸 鍍
(b) 蒸 鍍 法
ln
Cu-Ga
硒 化
CIGS
硫 化
CIGS
Mo Mo Mo
玻 璃 基 板 玻 璃 基 板 玻 璃 基 板
(c) 硒 化 法
銅 銦 鎵 硒 化 物 型 (CIGS) 太 陽 能 電 池 的 製 作 流 程 ( 續 )

‣ 在 銅 銦 鎵 硒 基 太 陽 能 電 池 方 面 , 其 製 作 的 方 法 :
• 真 空 蒸 著 法 (Vacuum Evaporation)
• 真 空 共 蒸 著 法 (Coevaporation)
• 電 鍍 蒸 著 法
• 微 顆 粒 沉 積 法
• 化 學 浴 沉 積 法 (Chemical Bath Deposition, CBD)
• 網 版 印 刷 法
• 噴 霧 沉 積 法
• 金 屬 有 機 化 學 沉 積 法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition,
MOCVD)
• 分 子 束 磊 晶 法 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

‣ 不 同 化 學 式 的 以 及 物 理 式 的 製 程 技 術 , 其 中 真 空 蒸 著 法 又 稱 之 為 硒 化
法 (Selenization)
‣ 硒 化 法 以 及 真 空 共 蒸 著 法 , 是 最 常 見 而 使 用 製 作 銅 銦 鎵 硒 基 (CIGS) 太
陽 能 電 池 , 而 且 它 們 各 自 地 有 各 自 的 優 缺 點

‣ 在 薄 膜 沉 積 以 及 形 成 的 過 程 , 為 了 瞭 解 、 分 析 、 以 及 掌 控 薄 膜 的 即 時 狀 況
(Real-Time Condition), 主 要 的 分 析 設 備 以 及 其 相 關 的 量 測 儀 器 , 有 電 子 衝
擊 發 射 光 譜 儀 (Electron Impact Emission Spectroscopy, EEIS)、 原 子 吸 收 光 譜
儀 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)、 四 極 質 量 光 譜 儀 (Quadrupole
Mass Spectrometer, QMA)、 歐 傑 電 子 光 譜 儀 (Auger Electron Spectroscopy,
AES)、X 射 線 光 電 子 光 譜 儀 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)、 原 子
力 顯 微 鏡 (Atomic Force Microscopy, AFM)、 掃 瞄 穿 隧 顯 微 鏡 (Scanning
Tunneling Microscopy, STM)。
一 階 段 式 的
兩 層 式 的
真 空 蒸 著 法
兩 階 段 式 的
逆 向 式 的
三 階 段 式 的
II-VI 族 化 合 物 薄 膜 太 陽 能 電 池 的 製 作 方 法 種 類

‣ 就 CIGS/CdS 系 列 之 薄 膜 型 太 陽 能 電 池 而 言 , 其 未 來 的 研 究 發 展 要 項 ,
有 新 的 活 性 層 材 料 、 活 性 層 材 料 特 性 、 接 觸 電 極 材 料 及 其 特 性 、 薄 膜
材 料 形 成 機 制 、 界 面 或 表 面 特 性 、 低 成 本 高 效 率 生 產 技 術 。 在 新 的 活
性 層 材 料 方 面 , 主 要 是 以 能 隙 大 小 大 於 1.7 電 子 伏 特 的 寬 能 隙 材 料 , 可
以 再 進 一 步 地 提 升 其 能 量 轉 換 效 率 。