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第七章 化合物半導體 II-VI族太陽能電池 P
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Chapter 7Chapter 7 化合物半導體化合物半導體 II-VIII-VI 族太陽能電池 族太陽能電池 7-1 化合物半導體 II-VI族太陽能電池的發 展及其演進
7-2 化合物半導體 II-VI族太陽能電池的基 本結構及其特性
7-3 化合物半導體 II-VI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 II-VI族太陽能電池的發展及其演進– 化合物半導體 II-VI族太陽能電池的基本結構及其特性
– 化合物半導體 II-VI族太陽能電池的製程技術
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7-17-1 化合物半導體化合物半導體 II-VIII-VI 族太陽能電池的發展族太陽能電池的發展及其演進及其演進• 在薄膜型太陽能電池方面,矽系列或矽基 (Si-Based) 薄膜型太陽能電池之外,碲化鎘系列或碲化鎘基 (CdTe-Based) 太陽能電池,亦是眾多種類薄膜型太陽能電池中的一種,它亦是薄膜型太陽能電池之中,發展歷史最長久的。
• 1956年美國 RCA公司發展出碲化鎘基太陽能電池 ,• 1963年 Cusano博士,使用碲化鎘 (CdTe) 以及碲化銅 (Cu2Te) 製作出異質接面型太陽能電池元件, 1979年法國的 CNRS公司使用氣相傳輸沉積法 (Vapor Transport Deposition, VTD) 在 n 型晶片基板表面 ,沉積 p 型碲化鎘薄膜而製作出轉換效率為 7.0% 左右的太陽能電池。
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7-2 7-2 化合物半導體化合物半導體 II-VIII-VI 族太陽能電池的基本結族太陽能電池的基本結構及構及 其特性其特性 • 以鎘為系列之薄膜型太陽能電池的種類:• 碲化鎘 (CdTe) / 硫化鎘 (CdS)
– 硫化鎘 (CdS) / 硫化亞銅 (Cu2S)– 鋅鎘硫化物 (ZnxCd1xS)
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• 硫化鎘的存在是以兩種不同的礦物質,一為硫鎘礦 (Greenockite),而另一為方硫鎘礦 (Hawleyite)。在硫鎘礦方面,它是一種六方晶體 (Hexagonal) 的纖鋅礦 (Wurzite) 晶體結構;而在方硫鎘礦方面,它則是一種閃鋅礦 (Sphalerite/Zinc Blende) 晶體結構,而硫化鎘的晶格常數為 0.586 nm ,如圖 7-1 所示的。
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硫原子 (S)
鎘原子 (Cd)圖 7-1 硫化鎘的晶體結構示意圖
7-2-17-2-1 硫化鎘 硫化鎘 (CdS) (CdS) 以及碲化鎘 以及碲化鎘 (CdTe) (CdTe) 半導體材料的基本特性半導體材料的基本特性
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• 在室溫狀態之下,碲化鎘的晶體結構是閃鋅礦結構,而其晶格常數為 0.648 nm ,如圖 7-2 所示
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圖 7-2 碲化鎘的晶體結構示意圖 碲原子 (Te)
鎘原子 (Cd)
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7-2-2 7-2-2 硫化鎘 硫化鎘 (CdS) (CdS) 以及碲化鎘 以及碲化鎘 (CdTe) (CdTe) 太陽能電池的基本結構及其特性太陽能電池的基本結構及其特性
• 以鎘為系列之薄膜型太陽能電池的元件結構:• 表板結構型 (Superstrate Structure)
– 基板結構型 (Substrate Structure) 如圖 7-3(a) 以及 (b) 所示
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入射太陽光線 入射太陽光線
玻璃基板
透明導電薄膜層n 型 CdS 薄膜層
p 型 CdTe 薄膜層
緩衝薄膜層金屬薄膜層
金屬基板
玻璃基板
2(SnO :F)透明導電 薄膜層
n 型 CdS 薄膜層
p 型 CdTe 薄膜層
緩衝薄膜層金屬薄膜層
製作流程順序
製作流程順序
(a) 表板結構型的 (b) 基板結構型的
圖 7-3 表板結構型的 (a) 以及基板結構型的 (b) 鎘系列薄膜型太陽能電池
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• 事實上,碲化鎘基薄膜型太陽能電池的種類:– 有 p-n同質接面型的– p-n異質接面型的等兩種太陽能電池,如圖 7-4 所示的
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玻璃基板
透明導電薄膜層
n型碲化鎘
p型碲化鎘
緩衝薄膜層
金屬薄膜層
(a) 同質接面型的
(n-CdTe) (p-CdTe)
玻璃基板
透明導電薄膜層
n型硫化鎘
p型碲化鎘
緩衝薄膜層
金屬薄膜層
(b) 異質接面型的
(n-CdS) (p-CdTe)
圖 7-4p-n 同質接面型的 (a) 以及 p-n異質接面型的 (b) 碲化鎘基薄膜型太陽能電池
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• 就碲化鎘 (Cadmium Telluride, CdTe) 以及硫化鎘 (Cadmium Sulfide, CdS) 太陽能電池而言,其元件結構的排列,分別地為:– 玻璃基板 (Glass Substrate)– 透明導電膜 (Transparent Conductive Oxide Film)– 前面接觸電極及碲化鎘 (Front Contact Electrode and CdTe)
– 硫化鎘 (CdS)– 背面或裏面接觸電極 (Back Contact Electrode) 等不同厚度的薄膜層其基本的元件結構示意圖,如圖 7-5所示的
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圖 7-5 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的基本元件結構示意圖
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7-3-1 7-3-1 硫化鎘 硫化鎘 (CdS) (CdS) 以及碲化鎘 以及碲化鎘 (CdTe) (CdTe) 太陽能電池的製程技術 太陽能電池的製程技術 ..218
圖 7-6 表板結構型的太陽能電池元件製作的整個流程示意圖
(1) 金屬基板
(2) 金屬薄膜層形成
(3) 雷射蝕刻圖變化
(4) 緩衝薄膜層形成
(5) p 型 CdTe 薄膜型
(6) 氯化處理
(7) 雷射蝕刻圖變化
(8) n 型 CdS 薄膜層
(9) 表面處理
(10) 透明導電薄膜層
用於製作太陽能電池的玻璃基板材料,其標準的厚度是 2.0~4.0 mm左右
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碲化鎘 (CdTe) 薄膜層的主要製程技術種類,如下所述的;以碲化鎘為系列之薄膜型太陽能電池的製程技術,分別地有:1.電鍍沉積法 (Electro-Deposition, ED)2.密閉空間式的昇華法 (Closed-Space Sublimation, CSS)
3.網版印刷法 (Screen Printing, SP)4.噴霧沉積法 (Spray Deposition, SD)5.氣相傳輸沉積法 (Vapor Transport Deposition, VTD)
6.有機金屬化學沉積法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)
7.濺鍍法 (Sputtering)
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圖 7-7 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的代表性製程設備系統簡易的示意圖
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圖 7-7 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的代表性製程設備系統簡易的示意圖
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圖 7-7 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的代表性製程設備系統簡易的示意圖
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7-3-2 7-3-2 硫化鎘 硫化鎘 (CdS) (CdS) 以及碲化鎘 以及碲化鎘 (CdTe) (CdTe) 太陽能電池的模組技術 太陽能電池的模組技術 ..223
在硫化鎘 (CdS) 以及碲化鎘 (CdTe) 太陽能電池方面,其模組的組合方式:– 串接式 (In-Series Connection) – 並接式 (In-Parallel Connection)
其代表性的模組結構示意圖,如圖 7-8所示
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入射太陽光線
溝槽鋁電柱p 型碲化鎘
n 型硫化鎘
透明導電膜
基板
圖 7-8 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的代表性模組結構示意圖
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入射太陽光線
溝槽鋁電柱p 型碲化鎘
n 型硫化鎘
透明導電膜
基板
圖 7-8 碲化鎘 / 硫化鎘太陽能電池的代表性模組結構示意圖