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量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01
創造高效率電池的絕佳工具

內容

什麼是量子效率(Quantum Efficiency)?

  在說明什麼是量子效率(Quantum Efficiency)之前,我們先了解光譜響應。 

  光譜響應 (Spectral Responsivity, SR) 是評價光輻射偵測元件(如光偵測器、光度計、太陽能電池等等)光電轉換能力的指標,也就是入射光子-電子轉換的效率(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)。例如,太陽能電池也是將光轉換為電能的一種光電元件,所以光譜響應也是評價其轉換效率的重要指標。

  光譜響應 SR(λ) 可寫為:

spectral response 光譜響應SR

  其中,P(λ) 為各波長入射光能量,以瓦特(Watt)為單位;為太陽能電池收到入射光後轉換成的電流,以安培(Amp)為單位。其物裡意義為: 太陽能電池接收一瓦特的光能可產生多少安培電流的能力。

  光譜響應 亦可稱為量子效率(Quantum Efficiency, QE)或 IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子-電子轉換效率)。將波長 的入射光能量轉換成光子數目,而電池產生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數,則光譜響應可代表每一入射的光子能夠轉換成傳輸到外部電路的電子的能力,稱為量子效率(Quantum Efficiency, QE),單位以百分比來表示。這也可稱為入射光子-電子轉換效率 IPCE。

Solar Cell Quantum Efficiency 太陽能電池 量子效率光譜響應 IPCE原理

圖1 太陽能電池量子效率/光譜響應/ IPCE原理示意圖。

量子效率如何計算?

  光譜響應 SR(λ) 與量子效率 QE(λ) 的換算可寫成下式:

spectral response 光譜響應 量子效率 公式

  其中, q 為電子電量、h 為譜郎克常數 、v 為光子頻率、λ 為入射光波長(以 nm為單位)。改寫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

圖2 光譜響應與量子效率的轉換。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 Quantum Efficiency 量子效率定義 EQE IQE

圖2-1 外部量子效率EQE (External Quantum Efficiency)與內部量子效率IQE (Internal Quantum Efficiency)的定義與說明。

什麼是外部量子效率?

  將光譜響應Amp/Watt單位,將安培Amp換算成單位時間電子數(electron/sec)、瓦特Watt換算成單位時間光子數(Photons/sec),帶入上述公式得到的量子效率稱為外部量子效率(EQE, External Quantum Efficiency)。

  一般而言量子效率QE指的就是外部量子效率EQE,也稱作入射光子-電子轉換效率IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficinecy)。

QE=EQE=IPCE

  外部量子效率EQE計算的是總入射光子數所產生的電子數。以圖2-1為例,假設總共有10個光子入射太陽能電池,在太陽能電池表面有2個光子被反射,最終有6個電荷產生。那麼根據定義,這個太陽能電池的外部量子效率

EQE=產生電荷數 / 總入射光子數 = 6 / 10 = 60%

什麼是內部量子效率?

  內部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)也是計算光子-電子的轉換效率。與外部量子效率EQE不同的是,其計算的是真正入射到太陽能電池內部的光子數,以及其所產生的電子數。以圖2-1為例,假設總共有10個光子入射太陽能電池,在太陽能電池表面有2個光子被反射。那麼真正進到電池材料內部的光子數是(10 – 2)= 8 個光子而產生6個電子。那麼此電池的內部量子效率

IQE=產生電荷數 / 入射到材料內部的光子數= 6 / (10-2)  = 75%。

內部量子效率IQE與外部量子效率EQE的關係

  內部量子效率僅計算入射到材料內部。而外部量子效率不考慮介面的反射或是穿透,計算總入射光子數。若介面的反射率為R,則兩者的關係為:

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

圖2-2 Si 太陽能電池的外部量子效率EQE、內部量子效率IQE、反射率R的光譜圖。

為什麼量子效率是創造高效率太陽能電池的最佳工具?

  量子效率/光譜響應反應了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率,而太陽能電池轉換效率的好壞,受到了電池本身材料、製程、結構等因素影響,使其不同波長有不同的轉換效率。利用光譜響應技術來檢測、分析電池在不同條件下,所造成轉換效率的變化,可以分析製程的優劣,並找出相關提高效率的關鍵因素。

  圖3為兩矽晶電池A、B經過兩種製程後所測得的光譜響應A與B,由光譜響應結果可以得知A電池的效率較高,主要是因為在700~1100 nm波段的轉換效率高於B電池,所貢獻短路電流較B電池高0.897 mA/cm^2。但在300~500 nm,A的效率略低於B電池,短路電流密度較B電池低0.675 mA/cm^2。因此,A電池整體短路電流密度仍較B電池高了(0.897-0.675)=0.222 mA/cm^2。

        而不同波段代表電池不同層的結構與製程,將於下節中有較詳細的介紹。因此,可針對不同波段反映的結果,去改進A電池在短波長段的製程,以再提升A電池的效率。由光譜響應的結果,可以相當容易的來分析太陽能電池的優劣,作為提升、改善效率的指導方針。

太陽能電池光譜響應與AM1.5G

圖3 不同製程條件下太陽能電池光譜響應與AM1.5G的示意圖。

量子效率/光譜響應/IPCE在矽晶太陽能電池製程改善上之應用

  量子效率/光譜響應/ 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,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。

  在 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。可由圖4單晶矽太陽能電池外部量子效率觀察出各層反應特性。

矽晶太陽能電池元件結構 量子效率

圖4 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元件結構。

  以前圖3為例,由光譜響應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,應該要著重在抗反射層(300 nm~ 350 nm)與n層(350 nm ~ 500 nm)的製程上,作為改進之方向。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 太陽能電池 量子效率 QE

圖5 兩個不同製程電池的量子效率光譜。

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量子效率/光譜響應/IPCE在銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)
太陽能電池之應用

  銅銦鎵硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)屬於四元化合物半導體,歸類為單接面太陽能電池,圖6為其常見的元件結構。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 CIGS銅銦鎵硒太陽能電池元件 QE

圖6 CIGS銅銦鎵硒太陽能電池元件結構。[2]

  銅銦鎵硒隨著銦鎵含量的不同影響其能隙的大小,使其其光吸收範圍可從1.02 ev至1.68 ev。而量子效率/光譜響應/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,當銅銦鎵硒的鎵的含量增加,而由量子效率/光譜響應/IPCE光譜量測的結果發現,其能隙隨之增加,因此可做為製程中鎵成分的檢測工具。

Quantum Efficiency 鎵成分 量子效率光譜

圖7 相同元件結構下,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]

  現階段技術發展重點以降低成本和提高光電轉換效率為研究方向,如圖8繪出對應不同波段量子效率/光譜響應/IPCE光譜所反應之元件結構各部特性。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。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 銅銦鎵硒太陽能電池量子效率光譜 QE

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的製程條件,結果顯示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的效率並沒有顯著差異,代表其製程條件穩定,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製程條件,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果, 則可再分析相關的製作過程影響,達到單次製程實驗得到最多有效資訊之成效。透過量子效率/光譜響應/IPCE的檢測可觀察出製程改變之細部影響,並建立資料庫進而作為產線上良率變化時,尋找問題、改善條件之方便工具。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 CdS IQE 量子效率 QE

圖9 調整不同CdS層厚度可由量子效率/光譜響應/IPCE光譜看到400~500nm波段對電池效率的影響。[2]

Quantum Efficiency 流電壓效率圖 量子效率

圖10 選用不同Buffer層材料所製作出的電池元件電流電壓效率圖,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/IPCE光譜。顯示ZnS(O,OH)層本身的轉換效率優於CdS,惟對CIGS亦產生影響,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS介面問題,ZnS(O,OH)則具備應用之潛力。[2]

  由上述說明可了解量子效率/光譜響應/IPCE光譜,可提供銅銦鎵硒太陽能電池(CIGS)訊息如下:

  1. Window/ Buffer/ Absorber等各層的光電轉換效率
  2. Absorber 銅銦鎵硒中的鎵濃度對材料能隙的鑑定
  3. 各層因製程條件轉變所造成效率的變化程度

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量子效率/光譜響應/IPCE在堆疊型矽薄膜太陽能電池(Thin-film Si tandem solar cell)之應用

  矽晶材料價格昂貴,而矽薄膜材料用料少(矽晶片~ 200 um;矽薄膜 < 5 um,材料用料不到矽晶片的 5%)。因此,自2006年起矽薄膜太陽能電池吸引了許多研究與廠家投入。在轉換效率上,商用非晶矽薄膜模組的極限約為7%,相較於堆疊型矽薄膜太陽能電池模組能夠超過 10%,使得堆疊式矽薄膜太陽能電池已成市場主流。圖12是雙層堆疊型太陽能電池的元件結構。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 堆疊型矽薄膜太陽能電池結構圖 量子效率 QE

圖12 堆疊型矽薄膜太陽能電池結構圖;在TCO玻璃基板上先製作非晶矽薄膜,接著製作高摻雜濃度的介面層(intermediate layer)後,製作微晶矽薄膜與電極。

  圖13是利用量子效率/光譜響應/IPCE光譜技術量測非晶矽-微晶矽堆疊型矽薄膜太陽能電池各層的量子效率/光譜響應/IPCE光譜,此光譜對AM1.5G標準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,更無法訂定明確的製程改善方向與目標[4]。以圖13的結果為例,利用量子效率/光譜響應/IPCE光譜技術測出是由下層微晶矽電池限制了整體電池的輸出電流,因此可以將製程改善的方向放在下層微晶矽電池的製程,藉由提高微晶矽電池的轉換效率,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,可大幅提升製程開發、效率改進的時程與成本。

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 堆疊型矽薄膜太陽能電池量子效率 QE

圖13 非晶矽-微晶矽堆疊型矽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/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矽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,提昇上層電池的電流密度。圖14即為在標準雙層非晶矽-微晶矽堆疊型太陽能電池中有無增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構。圖15為兩種結構的量子效率/光譜響應/IPCE光譜測試的結果。我們可以了解到量子效率/光譜響應/IPCE光譜可以容易的檢測出堆疊型矽薄膜電池微結構上的變化,做為製程改進上的有力依據。[5]

量子效率/光譜響應/IPCE量測技術 01 創造高效率電池的絕佳工具 雙層堆疊型電池 量子效率 QE

圖14 標準雙層堆疊型電池結構及增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構。

Quantum Efficiency ZnO中間層 光譜響應/量子效率光譜

圖15 增加ZnO中間層製程前後的光譜響應/量子效率光譜。

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  在現今競爭激烈的太陽能產業中,不斷地降低成本,提高光電轉換效率,是太陽能廠商脫穎而出的必要條件!太陽能電池轉換效率的提升,關鍵在於製程及材料的改善。測量太陽能電池的量子效率/光譜響應/IPCE,能了解太陽能電池在不同光波長下光電轉換效率的情形,使用者可依據光譜響應的結果快速找到製程的問題點加以改善,更有助於效率的提升。

參考文獻

[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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