原子層沉積技術於奈米級粗紋化黑色矽晶圓太陽能電池之應用

Abstract

太陽能電池近年來已成為重要的議題。隨著材料的發展，太陽能電池的種類也逐漸多樣化。 在矽晶太陽能電池中，重要的關鍵技術在於表面粗糙化(surface texturing)、表面鈍化層(surface passivaiton layer)以及抗反射層(anti-reflection)的應用。在本論文中將從太陽能電池的擴散製程開始，探討利用原子層沉積(atomic layer deposition， ALD)技術成長氧化層當作表面鈍化層以及抗反射層於太陽能電池之應用。 矽晶片上的奈米柱結構(silicon nanowires)被認為是相當有潛力的太陽能基板。隨著化學溶液濃度的調整可以得到不同高度的奈米柱結構。因為這些奈米柱的存在，晶片的反射率將會降低到0.1%， 形成奈米級粗紋化黑色矽晶圓。但是這種晶片的表面卻相當的粗糙，有相當多的缺陷存在。缺陷的存在將會降低太陽能電池的少數載子生命週期。而氧化鋁以及氧化鈦絕緣性質良好，且耐磨耗抗腐蝕，被認為是相當好的保護層材料。本文中研究利用原子層沉積技術成長氧化鋁及氧化鈦於矽晶奈米柱結構上面，發現可以有效增加少數載子生命週期以及增強Photoluminescence 發光頻譜之強度。之後再將此具保護層之奈米級粗紋化黑色矽晶圓作為太陽能電池的基板使用。 另外，由於氧化鋅參雜鋁(ZnO:Al)之薄膜為一相當具有潛力之透明導電膜。 可應用於太陽能電池中作為取代ITO透明電極之材料。因此本論文中將使用ALD技術成長ZnO:Al薄膜同時作為抗反射層與透明導電膜。最後，結合奈米級粗紋化黑色矽晶圓與原子層沉積技術所製做出之太陽能電池，其最好的轉換效率為8.35%。 關鍵字: 原子層沉積技術,太陽能電池,表面鈍化層,透明導電膜,抗反射層,氧化鋅

Recently, nano-textured black silicon substrate with silicon nanowires on the surface has attracted considerable attention due to its ultra low reflectivity. However, the defects on the surface of nano-textured black silicon substrate result in significant carrier recombination. In this study, atomic layer deposition (ALD) technique was applied to deposit the Al2O3 and TiO2 surface passivation layers with good step coverage on the nano-textured black silicon substrate. The minority carrier lifetime was improved and the photoluminescence intensity was also significantly enhanced by the surface passivation layers. The ALD technique was also used to deposit ZnO:Al thin films as transparent conductive oxide (TCO) and anti-reflection coating (ARC) layer on the nano-textured black silicon substrate. Since the refractive index of ZnO:Al (2%) layer was 2.01, ZnO:Al (2%) can be designed as the ARC layer for the silicon substrate. Using the nano-textured black silicon together with the ZnO:Al (2%) layer, the solar cell with low reflectivity of 0.1%~0.04% in visible light region and the conversion efficiency of 8.35% was achieved. Key words: Atomic layer deposition, solar cell, surface passivation layer, transparent conductive oxide (TCO), anti-reflection coating (ARC), zinc oxide (ZnO)