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量子效率/光谱响应/IPCE量测技术 01
创造高效率电池的绝佳工具

內容

什么是量子效率(Quantum Efficiency)?

  在说明什么是量子效率(Quantum Efficiency)之前,我们先了解光谱响应。

  光谱响应 (Spectral Responsivity, SR) 是评价光辐射侦测组件(如光侦测器、亮度计、太阳能电池等等)光电转换能力的指标,也就是入射光子-电子转换的效率(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)。例如,太阳能电池也是将光转换为电能的一种光电组件,所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标。

  光谱响应 SR(λ) 可写为:

spectral response 光譜響應SR

  其中,P(λ) 为各波长入射光能量,以瓦特(Watt)为单位;I(λ) 为太阳能电池收到入射光后转换成的电流,以安培(Amp)为单位。其物里意义为: 太阳能电池接收一瓦特的光能可产生多少安培电流的能力。

  光谱响应 亦可称为量子效率(Quantum Efficiency, QE)或 IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子-电子转换效率)。将波长 的入射光能量转换成光子数目,而电池产生、传递到外部电路的电流换算成电子数,则光谱响应可代表每一入射的光子能够转换成传输到外部电路的电子的能力,称为量子效率(Quantum Efficiency, QE),单位以百分比来表示。这也可称为入射光子-电子转换效率 IPCE。

Solar Cell Quantum Efficiency 太阳能电池 量子效率光谱响应 IPCE原理 QE

图1 太阳能电池量子效率/光谱响应/ IPCE原理示意图。

量子效率如何计算?

  光谱响应 SR(λ) 与量子效率 QE(λ) 的换算可写成下式:

spectral response 光譜響應 量子效率 公式

  其中,q 为电子电量、h  为普朗克常数 、v 为光子频率、λ 为入射光波长(以 nm为单位)。改写上式即可得外部量子效率公式:

External Quantum Efficiency外部量子效率公式 EQE
Quantum Efficiency spectral response 光譜響應與量子效率的轉換

图2 光谱响应与量子效率的转换。

Quantum Efficiency 量子效率定義 EQE IQE

图2-1 外部量子效率EQE (External Quantum Efficiency)与内部量子效率IQE (Internal Quantum Efficiency)的定义与说明。

什么是外部量子效率?

  将光谱响应Amp/Watt单位,将安培Amp换算成单位时间电子数(electron/sec)、瓦特Watt换算成单位时间光子数(Photons/sec),带入上述公式得到的量子效率称为外部量子效率(EQE, External Quantum Efficiency)。

  一般而言量子效率QE指的就是外部量子效率EQE,也称作入射光子-电子转换效率IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficinecy)。

QE=EQE=IPCE

  外部量子效率EQE计算的是总入射光子数所产生的电子数。以图2-1为例,假设总共有10个光子入射太阳能电池,在太阳能电池表面有2个光子被反射,最终有6个电荷产生。那么根据定义,这个太阳能电池的外部量子效率

EQE = 产生电荷数 / 总入射光子数 = 6 / 10 = 60%

什么是内部量子效率?

  内部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)也是计算光子-电子的转换效率。与外部量子效率EQE不同的是,其计算的是真正入射到太阳能电池内部的光子数,以及其所产生的电子数。以图2-1为例,假设总共有10个光子入射太阳能电池,在太阳能电池表面有2个光子被反射。那么真正进到电池材料内部的光子数是(10-2)= 8个光子而产生6个电子。那么此电池的内部量子效率

IQE=产生电荷数 / 入射到材料内部的光子数= 6 / (10-2) = 75%。

内部量子效率IQE与外部量子效率EQE的关系

  内部量子效率仅计算入射到材料内部。而外部量子效率不考虑接口的反射或是穿透,计算总入射光子数。若接口的反射率为R,则两者的关系为:

IQE 內部量子效率
Si 太陽能電池 外部量子效率EQE 內部量子效率IQE 反射率R

图2-2 Si 太阳能电池的外部量子效率EQE、内部量子效率IQE、反射率R的光谱图。

为什么量子效率是创造高效率太阳能电池的最佳工具?

  量子效率/光谱响应反应了太阳能电池对不同波长的光电转换效率,而太阳能电池转换效率的好坏,受到了电池本身材料、制程、结构等因素影响,使其不同波长有不同的转换效率。利用光谱响应技术来检测、分析电池在不同条件下,所造成转换效率的变化,可以分析制程的优劣,并找出相关提高效率的关键因素。

  图3为两硅晶电池A、B经过两种制程后所测得的光谱响应A与B,由光谱响应结果可以得知A电池的效率较高,主要是因为在700~1100 nm波段的转换效率高于B电池,所贡献短路电流较B电池高0.897 mA/cm^2。但在300~500 nm,A的效率略低于B电池,短路电流密度较B电池低0.675 mA/cm^2。因此,A电池整体短路电流密度仍较B电池高了(0.897-0.675)=0.222 mA/cm^2。

  而不同波段代表电池不同层的结构与制程,将于下节中有较详细的介绍。因此,可针对不同波段反映的结果,去改进A电池在短波长段的制程,以再提升A电池的效率。由光谱响应的结果,可以相当容易的来分析太阳能电池的优劣,作为提升、改善效率的指导方针。

太陽能電池光譜響應與AM1.5G

图3 不同制程条件下太阳能电池光谱响应与AM1.5G的示意图。

量子效率/光谱响应/ IPCE在硅晶太阳能电池制程改善上之应用

  量子效率/光谱响应/ IPCE光谱不同波段反应太阳能电池各层的特性。以硅晶太阳能电池为例,在入射的界面,产生界面的反射,不同波长反射的程度不一,通常UV段与红外波段的反射所造成的损耗较高,而在可见光波段损耗最低。

  在350 nm ~ 500 nm波段,光谱响应曲线是随着波长的增加而提升,因长波长光子穿透深度较深,接近pn接面,因此转换效率提升。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面内部电场可有效率的拆解吸收光子后的电子电洞对,因此,效率最高 500 ~ 800 nm波段,反应的是pn接面层的特性。800 ~ 1100 nm波段穿透到最下层的p层,光谱随波长增加而快速递减。可由图4单晶硅太阳能电池外部量子效率观察出各层反应特性。

矽晶太陽能電池元件結構 量子效率

图4 硅晶太阳能电池量子效率光谱与各波长反应之示意图。插图为硅晶太阳能电池组件结构。

  以前图3为例,由光谱响应换算成量子效率可以得到下图5。A电池在300 nm ~ 500 nm效率效率较B电池低,欲再提升A电池的效率,应该要着重在抗反射层(300 nm~ 350 nm)与n层(350 nm ~ 500 nm)的制程上,作为改进之方向。

Quantum Efficiency Solar Cell太陽能電池 量子效率

图5 两个不同制程电池的量子效率光谱。

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量子效率/光谱响应/IPCE在铜铟镓硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)
太阳能电池之应用

  铜铟镓硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)属于四元化合物半导体,归类为单接面太阳能电池,图6为其常见的组件结构。

CIGS銅銦鎵硒太陽能電池元件

图6 CIGS铜铟镓硒太阳能电池组件结构。[2]

  铜铟镓硒随着铟镓含量的不同影响其能隙的大小,使其其光吸收范围可从1.02 ev至1.68 ev。而量子效率/光谱响应/IPCE可以针对不同的太阳能电池来测试其能隙大小。如图7所示,当铜铟镓硒的镓的含量增加,而由量子效率/光谱响应/IPCE光谱量测的结果发现,其能隙随之增加,因此可做为制程中镓成分的检测工具。

Quantum Efficiency 鎵成分 量子效率光譜

图7 相同组件结构下,改变不同的镓成分的量子效率光谱,显示随着镓的成分提高,铜铟镓硒的能隙亦随之增加,从1 eV提升到1.67 eV。[2]

  现阶段技术发展重点以降低成本和提高光电转换效率为研究方向,如图8绘出对应不同波段量子效率/光谱响应/IPCE光谱所反应之组件结构各部特性。如在波长 300 nm ~ 400 nm 可观察出Window层(ZnO)的量子效率,波长 400 nm ~ 540 nm 可观察出Buffer层(CdS)的量子效率,波长 540 nm ~ 1200 nm 可观察出Absorber层(CIGS)的量子效率。

Solar Cell 銅銦鎵硒太陽能電池量子效率光譜

图8 铜铟镓硒太阳能电池量子效率光谱与不同波长段反应电池各层特性示意图。[3]

  图9的量子效率光谱是改变CdS的薄膜厚度,不改变CIS的制程条件,结果显示400-500 nm波段随着CdS的厚度变化(15 nm ~ 80 nm)而效率随之变化,在波长> 500 nm波段,显示了CIS的效率并没有显著差异,代表其制程条件稳定,最终可明确的评断出CdS最佳的膜厚条件为15 nm。若是相同的CIS制程条件,而> 500 nm波段光谱有所变化,则表示有其他的因素影响不同CdS薄膜厚度变化实验结果, 则可再分析相关的制作过程影响,达到单次制程实验得到最多有效信息之成效。透过量子效率/光谱响应/IPCE的检测可观察出制程改变之细部影响,并建立数据库进而作为产在线良率变化时,寻找问题、改善条件之方便工具。

CdS IQE 量子效率

图9 调整不同CdS层厚度可由量子效率/光谱响应/IPCE光谱看到400~500nm波段对电池效率的影响。[2]

Quantum Efficiency

图10 选用不同Buffer层材料所制作出的电池组件电流电压效率图,新材料 ZnS(O,OH)在短路电流上提升约1 %的变化,开路电压下降了25 mV。[2]

图11 不同Buffer层材料的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。显示ZnS(O,OH)层本身的转换效率优于CdS,惟对CIGS亦产生影响,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS接口问题,ZnS(O,OH)则具备应用之潜力。[2]

  由上述说明可了解量子效率/光谱响应/IPCE光谱,可提供铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)讯息如下:

  1. Window/ Buffer/ Absorber等各层的光电转换效率
  2. Absorber 铜铟镓硒中的镓浓度对材料能隙的鉴定
  3. 各层因制程条件转变所造成效率的变化程度

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量子效率/光谱响应/IPCE在堆栈型硅薄膜太阳能电池(Thin-film Si tandem solar cell)之应用

  硅晶材料价格昂贵,而硅薄膜材料用料少(硅芯片~ 200 um;硅薄膜 < 5 um,材料用料不到硅芯片的 5%)。因此,自2006年起硅薄膜太阳能电池吸引了许多研究与厂家投入。在转换效率上,商用非晶硅薄膜模块的极限约为7%,相较于堆栈型硅薄膜太阳能电池模块能够超过 10%,使得堆栈式硅薄膜太阳能电池已成市场主流。图12是双层堆栈型太阳能电池的组件结构。

堆疊型矽薄膜太陽能電池結構圖 量子效率

图12 堆栈型硅薄膜太阳能电池结构图;在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜,接着制作高掺杂浓度的接口层(intermediate layer)后,制作微晶硅薄膜与电极。

  图13是利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术量测非晶硅-微晶硅堆栈型硅薄膜太阳能电池各层的量子效率/光谱响应/IPCE光谱,此光谱对AM1.5G标准太阳光谱做计算可以得到各层的短路电流密度。若是利用太阳光模拟器与电流-电压曲线仪,仅能得到一个输出电流密度,无法知道各层电池的好坏,更无法订定明确的制程改善方向与目标[4]。以图13的结果为例,利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术测出是由下层微晶硅电池限制了整体电池的输出电流,因此可以将制程改善的方向放在下层微晶硅电池的制程,藉由提高微晶硅电池的转换效率,使得上、下层电流密度匹配,即可提高整体效率,无需再设计更多的实验条件来验证是何层电池限制了整体电池效率,可大幅提升制程开发、效率改进的时程与成本。

非晶矽-微晶矽堆疊型矽薄膜太陽能電池量子效率

图13 非晶硅-微晶硅堆栈型硅薄膜太阳能电池上层电池与下层电池的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。

  例如,为增加上层电池的电流密度,可以在上下层电池间增加一层中间反射层如ZnO,将原本会穿透上层非晶硅电池的光部分反射回上层电池中,形成光线捕捉(Light trapping)的功用,提升上层电池的电流密度。图14即为在标准双层非晶硅-微晶硅堆栈型太阳能电池中有无增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。图15为两种结构的量子效率/光谱响应/IPCE光谱测试的结果。我们可以了解到量子效率/光谱响应/IPCE光谱可以容易的检测出堆栈型硅薄膜电池微结构上的变化,做为制程改进上的有力依据。[5]

標準雙層堆疊型電池結構

图14 标准双层堆栈型电池结构及增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。

ZnO中間層 量子效率

图15 增加ZnO中间层制程前后的光谱响应/量子效率光谱。

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  在现今竞争激烈的太阳能产业中,不断地降低成本,提高光电转换效率,是太阳能厂商脱颖而出的必要条件!太阳能电池转换效率的提升,关键在于制程及材料的改善。测量太阳能电池的量子效率/光谱响应/IPCE,能了解太阳能电池在不同光波长下光电转换效率的情形,使用者可依据光谱响应的结果快速找到制程的问题点加以改善,更有助于效率的提升。

参考文献

[1] www.enli.com.tw

[2] A. Pudov “IMPACT OF SECONDARY BARRIERS ON CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐CELL OPERATION” Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 2005

[3] Markus Gloeckler “DEVICE PHYSICS OF CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐CELL” Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 2005

[4] A.V. Shah et al./Solar Energy Materials & Solar Cells 78 (2003) 469-491

[5] Oerlikon Solar – Constantine, 24 Sep 08

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