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Chapter 6 化合物半導體 III-V 族太陽能電池　

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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  1. 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

  2. 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

  3. 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)」。

  4. 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6-2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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 第六章　化合物半導體III_V 族太陽能電池 179 圖6-4　代表性多接面型太陽能電池元件的基本結構

  10. 178 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。

  11. 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

  12. 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。

  13. 第六章　化合物半導體III_V 族太陽能電池 180 圖6-6 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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。

  18. 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

  19. 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

  20. 第六章　化合物半導體III_V 族太陽能電池 187 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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。

  26. 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

  27. 通常地，薄膜的沉積以及其特性，分別地有： 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

  28. 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

  29. 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。

  30. 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

  31. 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

  32. 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。

  33. 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

  34. 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。

  35. 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

  36. 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。

  37. 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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