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研究生: 廖怡茜
Liao, Yi-Chiann
論文名稱: 二氧化錫透明導電膜表面粗糙化對光陷化效應的影響
Effect of surface roughness of SnO2 film for light trapping phenomenon
指導教授: 方冠榮
Fung, Kuan-Zong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 70
中文關鍵詞: 光陷化透明導電膜二氧化錫
外文關鍵詞: light trapping, TCO, SnO2
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  • 由於透明導電膜的高導電性及可見光高穿透率特性,使其在太陽能電池的應用中作為透明電極,並且於透明導電膜表面進行粗糙化,可使得入射光於界面造成散射,增加光在吸收層的路徑,形成光陷化效應(light trapping effect),提高光吸收效率,進而提昇太陽能電池的效率。
    本研究使用透明導電氧化物為二氧化錫,其以濺鍍法製備二氧化錫薄膜。主要針對二氧化錫薄膜進行化學蝕刻,以進行表面粗糙化,分別討論熱處理前後對二氧化錫薄膜蝕刻效果的影響,以及不同濺鍍壓力之二氧化錫薄膜其蝕刻效果的影響。另外,也在玻璃基材表面以光微影製程輔助蝕刻進行規則化圖案的製備,再進行二氧化錫的濺鍍,探討規則化圖案對光散射的效果。
    實驗結果顯示,經過熱處理能提昇二氧化錫薄膜的導電率及光穿透率,對熱處理後之二氧化錫薄膜進行蝕刻,結果並不對薄膜表面粗糙度及霧度值造成影響,這是因為熱處理提昇了薄膜的緻密性,增加其抗蝕刻能力;相反的,蝕刻對二氧化錫初鍍膜卻有顯著影響,初鍍膜蝕刻後表面粗糙度提高並且霧度值亦提昇了。此外,不同工作壓力濺鍍之薄膜,其蝕刻效果也有所改變,初鍍膜蝕刻後之表面類似島狀起伏,降低濺鍍壓力可使島狀結構更加顯著,且其光散射效果更明顯,1*10-2torr濺鍍壓力的薄膜經蝕刻後可達最高霧度值約30%~50% (1000nm~350nm)。
    另外,光微影製程輔助蝕刻,於玻璃基材上製備規則化圖案,再進行二氧化錫濺鍍,可以製備出具圖案表面之薄膜並且不影響薄膜本身電性。約10μm大小之規則化圖案可以提高薄膜之霧度值,2-D圖案對霧度的提昇效果較1-D圖案的效果更為顯著,具有10 μm矩形/2 μm間距之金字塔圖案之薄膜霧度約為22%。

    Transparent Conductive Oxide (TCO) thin films, which show high conductivity and high transmittance in the visible wavelength range, have been used as the transparent electrode in solar cell devices. For application in solar cell, increasing surface roughness of transparent conductive oxide thin films is able to enhance light scattering at the rough surface and increase light path. This is so-called light trapping effect. Such an effect can increase the light absorption in solar cell and enhance the efficiency of solar cell.
    TCO material used in this study was RF-magnetron-sputtered tin dioxide thin film. The surface of SnO2 film was treated by chemical etching method. The etching effect on surface morphology of SnO2 film before and after heat-treatment was investigated. The effect of different sputter pressure on the surface morphology and light scattering was also examined. In addition, a patterned structure was established on glass substrates using lithography method and then followed by sputtering SnO2 film. The light scattering of patterned substrates was also discussed.
    The experimental results show the electrical and optical properties of SnO2 film increased after heat treatment, and the etched SnO2 film had different appearance. The etching effect is more pronounced on as-deposited film than the heat-treated film because of the densification on heat-treated film. Also, the structure of SnO2 film was influenced by different sputter pressure. The surface of SnO2 film after etching show island-like structure, and the island-like structure was more noticeable with decreasing sputter pressure, and it also enhance light scattering. SnO2 film at 1*10-2torr have the strongest light scattering with Haze value about 30% to 50% (1000nm~350nm).
    In addition, the regular pattern on glass substrates using lithography method was prepared, and followed by sputtering of SnO2 film. So the SnO2 film with patterned surface can be prepared without sacrificing electrical property of SnO2 film. The results showed that the SnO2 film with micrometer size (about 10μm) pattern can increase the Haze value. The SnO2 film with 2-D pattern show better light trapping effect than that with 1-D pattern. The Haze value of SnO2 film with pyramidal pattern is about 22%.

    總目錄 中文摘要 I 英文摘要 III 總目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 VIII 第一章前言與動機   1 1-1 前言   1   1-2 研究動機與目的   3 第二章理論基礎與文獻回顧   5 2-1 氧化錫的基本性質  5 2-2 氧化物透明導電薄膜的電性  5 2-3氧化物透明導電薄膜的光學原理  6 2-4 濺鍍及鍍層微結構的Thornton模型  8 2-5 透明導電膜於太陽能電池上的應用  11 2-6 太陽能電池的光陷化  12 2-7規則化圖案表面的太陽能電池   14 第三章實驗步驟 15 3-1 實驗流程 15 3-2 濺鍍系統 15 3-3 鍍膜參數及步驟 17 3-4 分析及測試 18 3-4-1 薄膜電阻率量測 18 3-4-2 X-ray繞射分析 19 3-4-3 表面型態分析 20 3-4-4 光學性質分析 20 第四章結果與討論 22 4-1 熱處理對二氧化錫薄膜的影響 22 4-1-1 熱處理條件對二氧化錫薄膜導電性質之影響 22 4-1-2 熱處理條件對二氧化錫薄膜表面形態之影響 25 4-1-3 熱處理條件對二氧化錫薄膜光性之影響 27 4-2 化學蝕刻對二氧化錫薄膜的表面結構及光學性質之影響 29 4-2-1蝕刻對已熱處理二氧化錫薄膜表面形態之影響 29 4-2-2蝕刻對已熱處理二氧化錫薄膜光性之影響 31 4-2-3蝕刻對二氧化錫初鍍膜表面形態之影響 33 4-2-4蝕刻對二氧化錫初鍍膜霧度值之提昇 37 4-2-5熱處理與否對二氧化錫薄膜蝕刻效應之影響 41 4-3 不同濺鍍參數對蝕刻二氧化錫薄膜的影響 44 4-3-1 濺鍍壓力對蝕刻後二氧化錫薄膜表面形態之影響 44 4-3-2濺鍍壓力對蝕刻後二氧化錫之光性的影響 49 4-3-3 不同濺鍍壓力所形成的二氧化錫薄膜表面形態與霧度 54 4-4光微影輔助蝕刻玻璃基材對二氧化錫薄膜光學性質之影響57 4-4-1溼式蝕刻對圖案表面形態之影響 58 4-4-2改變圖案對二氧化錫薄膜光性之影響 63 第五章結論 65 參考文獻 68 表目錄 表4-1 氣氛熱處理之二氧化錫薄膜電阻率 25 圖目錄 圖1-1 太陽能電池元件中粗糙化透明導電膜層形成之光陷化效果示意圖 2 圖2-1 二氧化錫晶體結構 5 圖2-2 透明導電膜的光穿透、反射與吸收光譜的代表圖 7 圖2-3 Burstein-Moss (BM) shift 的示意圖 7 圖2-4 薄膜之成核與形成 8 圖2-5 Thornton的鍍膜結構模型 10 圖2-6 氧化鋅鍍層結構模型 11 圖2-7圖2-7微晶矽太陽能電池元件之光陷化效應對電池效率的波段關係圖 12 圖3-1 實驗流程 15 圖3-2 射頻磁控濺鍍系統說明圖 17 圖3-3 四點探針示意圖 19 圖3-4光譜儀量測示意圖(左)量測全穿透率(右)量測擴散穿透率 21 圖3-5 入射光經過薄膜介面產生光散射之示意圖 21 圖4-1 於工作壓力1.5*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜的X光繞射圖 (a)初鍍膜 (b)經600℃5h大氣環境熱處理 (c)經600℃24h大氣熱處理 (d)經500℃5h大氣熱處理 (e)經500℃5h還原(10%氫90%氬)熱處理 24 圖4-2 二氧化錫薄膜之SEM表面型態(a)初鍍膜 (b)經600℃熱處理5小時 26 圖4-3二氧化錫薄膜之AFM表面型態(a)初鍍膜(粗糙度Rms=4.967nm) (b)經600℃熱處理5小時(粗糙度Rms=4.130nm) 26 圖4-4 二氧化錫薄膜600℃熱處理前後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度 28 圖4-5 經600℃熱處理5小時之二氧化錫薄膜以氫碘酸溶液蝕刻前後之表面形態SEM圖 : (a)未蝕刻 (b)蝕刻1分鐘 (c)蝕刻5分鐘 31 圖4-6 經600℃熱處理5小時之二氧化錫薄膜以氫碘酸溶液蝕刻前後之表面形態AFM圖 : (a)未蝕刻 (b)蝕刻1分鐘 (c)蝕刻5分鐘 32 圖4-7 大氣環境下600℃熱處理5小時之二氧化錫薄膜,經氫碘酸溶液蝕刻前後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度值。(黑線:未蝕刻,藍線:蝕刻1分鐘,紅線:蝕刻5分鐘) 33 圖4-8 二氧化錫初鍍膜(1.5*10-2torr ,50sccm Ar, 120W)經氫碘酸溶液蝕後後薄膜表面之不同倍率SEM圖,(a)和(d)為蝕刻1分鐘之薄膜,(b)和(e)為蝕刻5分鐘之薄膜,(c)和(f)為蝕刻10分鐘之薄膜。 35 圖4-9二氧化錫初鍍膜(1.5*10-2torr ,50sccm Ar, 120W)經氫碘酸溶液蝕刻後薄膜表面之AFM圖,(a)為蝕刻1分鐘之薄膜,(b)為蝕刻5分鐘之薄膜,(c)為蝕刻10分鐘之薄膜。 36 圖4-10 二氧化錫初鍍膜(1.5*10-2torr ,50sccm Ar, 120W)經氫碘酸溶液蝕刻後再經500℃熱處理,薄膜表面之不同倍率SEM圖,(a)和(d)為蝕刻1分鐘之薄膜,(b)和(e)為蝕刻5分鐘之薄膜,(c)和(f)為蝕刻10分鐘之薄膜。 37 圖4-11二氧化錫初鍍膜(1.5*10-2torr ,50sccm Ar, 120W)經氫碘酸溶液蝕刻前後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度值。(黑線:未蝕刻,藍線:蝕刻1分鐘,紅線:蝕刻5分鐘,綠線:蝕刻10分鐘) 38 圖4-12二氧化錫初鍍膜(1.5*10-2torr ,50sccm Ar, 120W)經氫碘酸溶液蝕刻,再經大氣環境500℃熱處理後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度值。(黑線:未蝕刻,藍線:蝕刻1分鐘,紅線:蝕刻5分鐘,綠線:蝕刻10分鐘) 40 圖4-13工作壓力1*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,以氫碘酸溶液蝕刻前後之薄膜表面SEM圖 (a)(b)未蝕刻, (c)(d)蝕刻5分鐘, (e)(f)蝕刻10分鐘。(左列(a)(b)(c)圖為低倍率,右(d)(e)(f)為高倍率) 45 圖4-14工作壓力1*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,經過氫碘酸溶液蝕刻之薄膜表面AFM圖 (a)蝕刻5分鐘,Rms=25.88nm (b)蝕刻10分鐘,Rms=45.39nm。 46 圖4-15工作壓力3*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,以氫碘酸溶液蝕刻前後之薄膜表面SEM圖 (a)(d)未蝕刻, (b)(e)蝕刻5分鐘, (c)(f)蝕刻10分鐘。(左:(a)(b)(c)圖為低倍率,右:(d)(e)(f)為高倍率) 48 圖4-16工作壓力3*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,經過氫碘酸溶液蝕刻之薄膜表面AFM圖(a) 蝕刻5分鐘,Rms=12.08nm,(b) 蝕刻10分鐘,Rms=44.35nm 49 圖4-17工作壓力1*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,經氫碘酸溶液蝕刻前後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度值。(黑線:未蝕刻,藍線:蝕刻5分鐘,紅線:蝕刻10分鐘) 51 圖4-18工作壓力3*10-2torr下濺鍍之二氧化錫薄膜,經氫碘酸溶液蝕刻前後之光學性質 (a)全穿透率 (b)擴散穿透率 (c)霧度值。(黑線:未蝕刻,藍線:蝕刻5分鐘,紅線:蝕刻10分鐘) 53 圖4-19 式(4-3)之霧度與波長關係圖 56 圖4-20 光微影製程輔助蝕刻流程 58 圖4-21 光微影製程中使用之光罩之顯微鏡圖像(A) 10μm線寬/10 μm線距直線圖案(B) 8μm直徑/10 μm間距圓點狀圖案(C) 2μm線寬/10 μm線距直線圖案 59 圖4-22 使用一維光罩(具2μm線寬/10 μm線距直線圖案)進行二次曝光得到2維方形圖案之光阻的曝光方式示意圖 59 圖4-23 光微影輔助蝕刻SEM圖,(a)10μm線寬/10 μm線距直線之光阻,(b) 10μm線寬/10 μm線距直線圖案之玻璃,(c) 8 μm點狀/10 μm間距之圓點狀圖案光阻,(d) 8 μm點狀/10 μm間距之圓點狀圖案之玻璃,(e) 10 μm矩形/2 μm間距之矩形圖案之光阻,(f) 10 μm矩形/2 μm間距之矩形圖案之玻璃。 61 圖4-24 光微影輔助蝕刻SEM圖,(a)(b)於具有10μm線寬/10 μm線距直線圖案之玻璃濺鍍之二氧化錫薄膜,(c)(d)於具有8 μm點狀/10 μm間距之圓點狀圖案之玻璃濺鍍之二氧化錫薄膜,(e)(f)於具有10 μm矩形/2 μm間距之矩形金字塔圖案之之玻璃濺鍍之二氧化錫薄膜。62 圖4-25 規則化圖案表面之二氧化錫薄膜之光學性質(a)全穿透率(b)擴散穿透率(c)霧度值。 64

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    下載圖示 校內:2019-06-26公開
    校外:2019-06-26公開
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