量子效率/光譜響應/IPCE量測技術③：晶硅/CIGS電池制程改善應用

• 上期回顧丨量子效率/光譜響應/IPCE量測技術①：如何計算量子效率？

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

量子效率/光譜響應/ IPCE在晶硅太陽能電池制程改善上之應用

　　量子效率/光譜響應/ IPCE光譜不同波段反應太陽能電池各層的特性。在350 nm ~ 500 nm波段，光譜響應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特性。

圖4 晶硅太陽能電池量子效率光譜與各波長反應之示意圖。插圖為晶硅太陽能電池組件結構。

　　以前圖3為例，由光譜響應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，作為改進之方向。

圖5 兩個不同制程電池的量子效率光譜。

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

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

圖6 CIGS銅銦鎵硒太陽能電池組件結構。[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/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，當銅銦鎵硒的鎵的含量增加，而由量子效率/光譜響應/IPCE光譜量測的結果發現，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 相同組件結構下，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]

　　現階段技術發展重點以降低成本和提高光電轉換效率為研究方向，如圖8繪出對應不同波段量子效率/光譜響應/IPCE光譜所反應之組件結構各部特性。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薄膜厚度變化實驗結果， 則可再分析相關的制作過程影響，達到單次制程實驗得到最多有效信息之成效。透過量子效率/光譜響應/IPCE的檢測可觀察出制程改變之細部影響，并建立數據庫進而作為產在線良率變化時，尋找問題、改善條件之方便工具。

圖9 調整不同CdS層厚度可由量子效率/光譜響應/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/IPCE光譜。顯示ZnS（O,OH）層本身的轉換效率優于CdS，惟對CIGS亦產生影響，若能克服ZnS（O,OH）/CIGS接口問題，ZnS（O,OH）則具備應用之潛力。[2]

　　由上述說明可了解量子效率/光譜響應/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. 各層因制程條件轉變所造成效率的變化程度

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

　　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構。

圖12 疊層薄膜太陽能電池結構圖；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/IPCE光譜技術量測非晶硅-微晶硅疊層薄膜太陽能電池各層的量子效率/光譜響應/IPCE光譜，此光譜對AM1.5G標準太陽光譜做計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[4]。

        以圖13的結果為例，利用量子效率/光譜響應/IPCE光譜技術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，無需再設計更多的實驗條件來驗證是何層電池限制了整體電池效率，可大幅提升制程開發、效率改進的時程與成本。

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/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即為在標準雙層非晶硅-微晶硅疊層太陽能電池中有無增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構。圖15為兩種結構的量子效率/光譜響應/IPCE光譜測試的結果。我們可以了解到量子效率/光譜響應/IPCE光譜可以容易的檢測出疊層薄膜電池微結構上的變化，做為制程改進上的有力依據。[5]

圖14 標準雙層疊層電池結構及增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構。

圖15 增加ZnO中間層制程前后的光譜響應/量子效率光譜。

在現今競爭激烈的太陽能產業中，不斷地降低成本、提高光電轉換效率，是太陽能廠商脫穎而出的必要條件。而太陽能電池轉換效率的提升，關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/IPCE，能了解太陽能電池在不同光波長下光電轉換效率的情形，使用者可依據光譜響應的結果快速找到制程的問題點加以改善，更有助于效率的提升。