矽晶太陽能電池製程之應用


光譜響應/量子效率/IPCE在矽晶太陽能電池製程改善上之應用:



(圖A矽晶太陽能電池量子效率光譜與各波長反應之示意圖。插圖為矽晶太陽能電池的元件結構。

光譜響應/量子效率/IPCE光譜不同波段反應太陽能電池各層的特性。以矽晶太陽能電池為例,其普遍的製程是在p型晶片上擴散摻雜製作n層,形成pn接面,表面再作粗化製作抗反射層,降低介面反射,以提高入射的光子效率,其結構如當太陽光照射到太陽能電池時,光通過的順序為抗反射層、n層、pn接面、p層、背電極。在入射的界面,產生界面的反射,不同波長反射的程度不一,通常UV段與紅外波段的反射所造成的損耗較高,而在可見光波段損耗最低。抗反射層因能隙較大,僅會吸收短波長的光,因此短波長段300 nm ~ 350 nm通常反應抗反射層的特性。波長大於350 nm的光陸續穿過n層、pn接面與p層,因各層厚度的不同,所吸收的波段範圍依序為350 nm ~ 500 nm波段(n層),500 nm ~ 800 nm波段(pn接面),800 nm ~1100 nm (p)

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。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面內部電場可有效率的拆解吸收光子後的電子電洞對,因此,效率最高500~800 nm波段,反應的是pn接面層的特性。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的原因有兩個部分第一個是800-1000 nm 波段波長越長,產生的電子電洞對就越遠離pn接面,需藉由擴散機制到達pn接面;距離pn接面越遠,在擴散到pn接面前就被複合的機率較高,所以 800~1000 nm光譜隨波長遞減。第二,大於1000 nm波段快速下降則是因為入射光能量逐漸小於矽的能隙,入射光無法激發電子-電洞對之產生,所以曲線快速下降。可由(A單晶矽太陽能電池外部量子效率觀察出各層反應特性。

以(B為例,由光譜響應換算成量子效率可以得到下(圖C

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)n(350 nm ~ 500 nm)的製程上,作為改進之方向


B不同製程條件下太陽能電池光譜響應與AM1.5G的示意

丙

C兩個不同製程電池的量子效率光譜