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

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Chapter 6Chapter 6 　　化合物半導體化合物半導體 III-VIII-V 族太陽能電池　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


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內容大綱內容大綱• 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

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6-1 6-1 化合物半導體化合物半導體 III-VIII-V 族太陽能電池的族太陽能電池的發展發展

• 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)」。

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6-26-2 化合物半導體化合物半導體 III-VIII-V 族太陽能電池的基本結構及其族太陽能電池的基本結構及其特性特性

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鋅 (Zn)

硫 (S)

(a) (b)

圖 6-1 (a) 纖鋅礦的晶體結構； (b) 閃鋅礦的晶體結構


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• 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

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bghv ~ E

bgE bg

hc~E

電子能量

動量

電子

電洞

bgE ( )能隙能量

動量

(a) (b)

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


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

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圖 6-3 代表性砷化鎵型太陽能電池元件的基本結構

正面電極

抗反射層

背面電極

Ge 基板

p - GaAs ( )頂蓋層

0.8 0.2Al Ga As ( )開口層

p - GaAs ( )放射層n - GaAs ( )基層

n - GaAs初始薄膜層


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• 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。

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2n AllnP

2n GalnP

2p GalnP

p GaAsn GaAs

n AlGaAs

n GaAs

p GaAs

p GaAs

抗反射層

金 (Au) 電極

頂部電池胞

穿隧二極體

底部電池胞

基板

圖 6-4 　代表性多接面型太陽能電池元件的基本結構


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• 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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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100 50 0 50 100 150 200 250

0

10

20砷化鎵鋁 / 砷化鎵 (AlGaAs/GaAs)

矽 (Si)

2135 mW / cm照度：

轉換效率

(%)


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• 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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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

手指狀電極

氧化物陽極

Au 背面電極

n - GaAs

p - GaAs

p - GaAs

p - Ge 基板


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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

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圖 6-7 氮化鎵型或氮化銦型太陽能電池的元件結構

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

0

1

2

3

54321

Sapphire or Si substate

InN cell

In, GaN, cell

In, Ga, N, cell

In, Ga, N, cell

能量 (eV)

£

4

太陽光通量


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• 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。

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圖 6-8 一般集光型太陽能電池的基本結構

橫向架構型 ( 機械分隔化型 ) 縱向架構型 ( 積體化型 )

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


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

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 6-9

所示的。

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20 3n - InP (~10 cm )

i- InP

20 3p - InP (~10 cm )p - InP基板

19In GaAs :Be (~ 10 cm) 18 3InP :Be (2 ~ 4 10 cm )

16 18 3InP :Si (10 ~10 cm )18 3InP : Si (~10 cm )18 3InP :S (~10 cm )

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

(a) n - i- p (InP)磷化銦太陽能電池 (b) 磷化銦 (InP) 太陽能電池

圖 6-9 磷化銦型太陽能電池元件的基本結構


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1856-2-46-2-4 多量子井型太陽能電池多量子井型太陽能電池(Multi Quantum Well Solar Cell) (Multi Quantum Well Solar Cell) 的結構的結構及其特性及其特性

圖 6-10 多階量子井型太陽能電池元件的基本結構

p

n

砷化銦鎵(InGaAs)

n 型砷化鎵(n - GaAs)

p 型砷化鎵(p - GaAs)

磷化砷鎵(GaAsP)

晶格常數

GaAs(p - type)

GaAsP / InGaAsMQW

GaAs(n - type)


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6-3-1 6-3-1 化合物型太陽能電池的薄膜製程技術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

原子層沉積技術

物理式沉積法(Physical Vapor Phase Deposition, PVD)

化學式沉積法(Chemical Vapor Phase Deposition, CVD)


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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.

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化學氣相沉積法製程技術

大氣壓化學氣相沉積技術(Atomospheric pressure CVD, APCVD)

低氣壓化學氣相沉積 (10~100 Torr)(Low - pressure CVD, LPCVD)

3 4(10 -10 Torr)(Ultra-High Vacuum CVD,UHV -CVD)超高真空化學氣相沉積技術

加熱器

導氣孔

承載台

薄膜

晶圓片

排氣孔

圖 6-12 化學氣相沉積法製程技術的種類及其分類


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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

x

化學氣相沉積法 o d g

o g

d

( )(r) D exp ( E / kT) C / X

D CE X

質量傳輸限制式的或擴散限制式的在高溫區域沉積速率：擴散常數：氣體濃度：擴散所需能量：擴散距離

o a g

o g

a

( )(r) D exp ( E / kT) C

D CE

表面反應限制式的在較低溫度區域沉積速率：擴散常數：氣體濃度：反應活化能


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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

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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。

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物理氣相沉積法(physical vapor deposition, PVD)

蒸發法或蒸著法(Evaporation)

熱燈絲型 (Filament)

電子束型的 (Electron Beam)

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

晶圓片

多氣孔導氣孔電源

DC / RF電源圖 6-14 物理氣相沉積法製程技術的種類及其分類


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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。

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CVD 薄膜層

基板d

bw

c

a

h

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


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6-3-2 6-3-2 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• 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。

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熔融磷化砷鎵

晶圓片拉桿

晶圓片

真空反應爐

金屬坩堝

加熱

起始原料

真空反應室

圖 6-16 代表性液相磊晶成長的生產技術


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圖 6-17 代表性有機金屬氣相磊晶技術

氫氣純化器

流量控制器

有機金屬化合物

排氣及清除

底盤平台

基板反應器

P P P P P

4SiH 3NH


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單層磊晶砷化鎵型的太陽能電池單層磊晶砷化鎵型的太陽能電池 • 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。

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砷

鎵

矽

鋅閘門

馬達轉軸

幫浦

晶片承載拉桿

控制閥

晶片與晶座 ( 附加熱線圈 )

擋板

噴嘴加熱線圈

圖 6-18 分子束磊晶成長系統的基本結構

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• 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。


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6-3-36-3-3 氮化鎵型太陽能電池的製程技術氮化鎵型太陽能電池的製程技術氫氣

物質流量指示表

摻雜物質

物質流量指示表

通氣孔

三甲基鎵

三甲基鋁

排氣管

砷化鎵

加熱晶圓片

排氣

消除裝置

出口排氣

3AsH

圖 6-19 金屬化學氣相沉積成長系統的基本結構


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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。


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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)

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)

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)

紅外線光激發分析儀 (IPL) 穿透式電子顯微鏡 (TEM)

薄膜特性分析技術

元素組成成份分析

厚度量測分析

表面 / 界面顯微形態分析

缺陷密度分布分析

圖 6-20 代表性薄膜特性分析技術的種類及其分類

Chapter 6 化合物半導體 III-V 族太陽能電池

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