• 上期回顧丨量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE量測技術(shù)①：如何計(jì)算量子效率？

• 上期回顧丨量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE量測技術(shù)②：創(chuàng)造高效率太陽能電池的最佳工具
  

量子效率/光譜響應(yīng)/ IPCE在晶硅太陽能電池制程改善上之應(yīng)用

　　量子效率/光譜響應(yīng)/ IPCE光譜不同波段反應(yīng)太陽能電池各層的特性。在350 nm ~ 500 nm波段，光譜響應(yīng)曲線是隨著波長的增加而提升，因長波長光子穿透深度較深，接近pn接面，因此轉(zhuǎn)換效率提升。800 ~ 1100 nm波段穿透到最下層的p層，光譜隨波長增加而快速遞減。可由圖4單晶硅太陽能電池外部量子效率觀察出各層反應(yīng)特性。

圖4 晶硅太陽能電池量子效率光譜與各波長反應(yīng)之示意圖。插圖為晶硅太陽能電池組件結(jié)構(gòu)。

　　以前圖3為例，由光譜響應(yīng)換算成量子效率可以得到下圖5。A電池在300 nm ~ 500 nm效率效率較B電池低，欲再提升A電池的效率，應(yīng)該要著重在抗反射層（300 nm~ 350 nm）與n層（350 nm ~ 500 nm）的制程上，作為改進(jìn)之方向。

圖5 兩個(gè)不同制程電池的量子效率光譜。

量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE在銅銦鎵硒（Copper Indium Gallium Senillide；CIGS）太陽能電池之應(yīng)用

　　銅銦鎵硒 CIGS（Copper Indium Gallium Selenium）屬于四元化合物半導(dǎo)體，歸類為單接面太陽能電池，圖6為其常見的組件結(jié)構(gòu)。

圖6 CIGS銅銦鎵硒太陽能電池組件結(jié)構(gòu)。[2]

　　銅銦鎵硒隨著銦鎵含量的不同影響其能隙的大小，使其其光吸收范圍可從1.02 ev至1.68 ev。而量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE可以針對不同的太陽能電池來測試其能隙大小。如圖7所示，當(dāng)銅銦鎵硒的鎵的含量增加，而由量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜量測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其能隙隨之增加，因此可做為制程中鎵成分的檢測工具。

圖7 相同組件結(jié)構(gòu)下，改變不同的鎵成分的量子效率光譜，顯示隨著鎵的成分提高，銅銦鎵硒的能隙亦隨之增加，從1 eV提升到1.67 eV。[2]

　　現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)以降低成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率為研究方向，如圖8繪出對應(yīng)不同波段量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜所反應(yīng)之組件結(jié)構(gòu)各部特性。如在波長 300 nm ~ 400 nm 可觀察出Window層（ZnO）的量子效率，波長 400 nm ~ 540 nm 可觀察出Buffer層（CdS）的量子效率，波長 540 nm ~ 1200 nm 可觀察出Absorber層（CIGS）的量子效率。

圖8 銅銦鎵硒太陽能電池量子效率光譜與不同波長段反應(yīng)電池各層特性示意圖。[3]

　　圖9的量子效率光譜是改變CdS的薄膜厚度，不改變CIS的制程條件，結(jié)果顯示400-500 nm波段隨著CdS的厚度變化（15 nm ~ 80 nm）而效率隨之變化，在波長> 500 nm波段，顯示了CIS的效率并沒有顯著差異，代表其制程條件穩(wěn)定，最終可明確的評斷出CdS最佳的膜厚條件為15 nm。若是相同的CIS制程條件，而> 500 nm波段光譜有所變化，則表示有其他的因素影響不同CdS薄膜厚度變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 則可再分析相關(guān)的制作過程影響，達(dá)到單次制程實(shí)驗(yàn)得到最多有效信息之成效。透過量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE的檢測可觀察出制程改變之細(xì)部影響，并建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)而作為產(chǎn)在線良率變化時(shí)，尋找問題、改善條件之方便工具。

圖9 調(diào)整不同CdS層厚度可由量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜看到400~500nm波段對電池效率的影響。[2]

圖10 選用不同Buffer層材料所制作出的電池組件電流電壓效率圖，新材料 ZnS（O,OH）在短路電流上提升約1 %的變化，開路電壓下降了25 mV。[2]

圖11 不同Buffer層材料的量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜。顯示ZnS（O,OH）層本身的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于CdS，惟對CIGS亦產(chǎn)生影響，若能克服ZnS（O,OH）/CIGS接口問題，ZnS（O,OH）則具備應(yīng)用之潛力。[2]

　　由上述說明可了解量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜，可提供銅銦鎵硒太陽能電池（CIGS）訊息如下：

1. Window/ Buffer/ Absorber等各層的光電轉(zhuǎn)換效率

2. Absorber 銅銦鎵硒中的鎵濃度對材料能隙的鑒定

3. 各層因制程條件轉(zhuǎn)變所造成效率的變化程度

量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE在疊層薄膜太陽能電池（Thin-film Si tandem solar cell）之應(yīng)用

　　自2006年起硅薄膜太陽能電池吸引了許多研究與廠家投入，圖12是雙層堆棧型太陽能電池的組件結(jié)構(gòu)。

圖12 疊層薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)圖；在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜，接著制作高摻雜濃度的接口層（intermediate layer）后，制作微晶硅薄膜與電極。

        圖13是利用量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜技術(shù)量測非晶硅-微晶硅疊層薄膜太陽能電池各層的量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜，此光譜對AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜做計(jì)算可以得到各層的短路電流密度。若是利用太陽光模擬器與電流-電壓曲線儀，僅能得到一個(gè)輸出電流密度，無法知道各層電池的好壞，更無法訂定明確的制程改善方向與目標(biāo)[4]。

        以圖13的結(jié)果為例，利用量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜技術(shù)測出是由下層微晶硅電池限制了整體電池的輸出電流，因此可以將制程改善的方向放在下層微晶硅電池的制程，藉由提高微晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，使得上、下層電流密度匹配，即可提高整體效率，無需再設(shè)計(jì)更多的實(shí)驗(yàn)條件來驗(yàn)證是何層電池限制了整體電池效率，可大幅提升制程開發(fā)、效率改進(jìn)的時(shí)程與成本。

圖13 非晶硅-微晶硅疊層薄膜太陽能電池上層電池與下層電池的量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜。

　　例如，為增加上層電池的電流密度，可以在上下層電池間增加一層中間反射層如ZnO，將原本會(huì)穿透上層非晶硅電池的光部分反射回上層電池中，形成光線捕捉（Light trapping）的功用，提升上層電池的電流密度。圖14即為在標(biāo)準(zhǔn)雙層非晶硅-微晶硅疊層太陽能電池中有無增加中間層ZnO做為光線捕捉的結(jié)構(gòu)。圖15為兩種結(jié)構(gòu)的量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜測試的結(jié)果。我們可以了解到量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE光譜可以容易的檢測出疊層薄膜電池微結(jié)構(gòu)上的變化，做為制程改進(jìn)上的有力依據(jù)。[5]

圖14 標(biāo)準(zhǔn)雙層疊層電池結(jié)構(gòu)及增加中間層ZnO做為光線捕捉的結(jié)構(gòu)。

圖15 增加ZnO中間層制程前后的光譜響應(yīng)/量子效率光譜。

在現(xiàn)今競爭激烈的太陽能產(chǎn)業(yè)中，不斷地降低成本、提高光電轉(zhuǎn)換效率，是太陽能廠商脫穎而出的必要條件。而太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提升，關(guān)鍵在于制程及材料的改善。

測量太陽能電池的量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE，能了解太陽能電池在不同光波長下光電轉(zhuǎn)換效率的情形，使用者可依據(jù)光譜響應(yīng)的結(jié)果快速找到制程的問題點(diǎn)加以改善，更有助于效率的提升。