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量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE量測技術(shù)③:晶硅/CIGS電池制程改善應(yīng)用

更新時間:2021-11-09      點擊次數(shù):3088

目錄索引

  1. 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

  2. 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

  3. 量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE在電池薄膜太陽能電池(Thin-film Si tandem solar cell)之應(yīng)用

  4. 資源 & 下載

  5. 推薦儀器


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

  • 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??捎蓤D4單晶硅太陽能電池外部量子效率觀察出各層反應(yīng)特性。


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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,作為改進之方向。


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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(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)。


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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。


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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。


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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薄膜厚度變化實驗結(jié)果, 則可再分析相關(guān)的制作過程影響,達(dá)到單次制程實驗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)庫進而作為產(chǎn)在線良率變化時,尋找問題、改善條件之方便工具。


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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]


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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)。


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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(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(fā)、效率改進的時程與成本。


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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,做為制程改進上的有力依據(jù)。[5]


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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)。


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圖15 增加ZnO中間層制程前后的光譜響應(yīng)/量子效率光譜。


總       結(jié)


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加以改善,更有助于效率的提升。


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

  • 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


推  薦  儀  器

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QE-R 量子效率系統(tǒng)




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