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外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)分析軟體

外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)分析軟體

太陽能電池外部量子效率之分析
External Quantum Efficiency Analysis of Solar Cell

簡介:
太陽能電池是可再生能源中具有發展性的一種,只要在太陽光充足的區域,就可以將光能轉換為電能,故在石化能源短缺及溫室效應的考量下,具有相當大的未來性。
太陽能電池的種類眾多,從第一代的單、多晶矽、砷化鎵太陽能電池,到第二代的薄膜太陽能,如矽薄膜、銅銦鎵硒、碲化鎘,及第三代的有機與染料敏化太陽能電池等等,各有不同的元件特性,從單一PN接面到多接面的太陽能電池,各具有不同的光譜響應。藉由外部量子效率的分析,將有助於了解元件特性,進一步貢獻到製程上的改善。

太陽能電池的吸收與載子的產生:
半導體材料的光吸收是入射光波長的函數,主要是當入射光子能量大於能隙能量時,才會被吸收,其光強度由表面開始以指數衰減,載子的產生則是表面最多。一般的pn接面半導體在接面會形成內建電場,有助於光電流的收集。其載子的收集效率越遠離接面,會越小。

當p型與n型半導體形成接面時,將產生內建電場,越接近接面電場的載子,載子的取出效率較高,而在無電場的空間電荷區,容易因為載子的再復合,而減少載子的取出效率。

外部量子效率:
太陽能電池的外部量子效率,是由照光所產生而被蒐集到的載子數與照射在太陽能電池上的光子數的比值。

太陽能電池的量子效率為波長的函數,量測時是以單色光入射,截取相對應的光電流。量子效率為光子波長(能量)的函數,如果一個光子被吸收轉換成一個載子,並有效的被蒐集,那在這樣子的光子波長(能量)下,量子效率就等於1。當光子能量小於太陽能電池材料的能隙能量(band gap energy),此光子將不被吸收,那在這樣子的光子波長(能量)下,量子效率就等於0。

理論上,光子能量大於太陽能電池材料的能隙能量(band gap energy)時,應該會完全被吸收並轉換為載子,量子效率應該等於1。但是在短波長的部份是由於載子表面複合所造成較差的量子效率;而在長波長的部份是由於背面的表面複合所造成較差的量子效率。 另外,由於表面反射及較小的載子擴散長度會造成量子效率減少。

實際應用例子:
藉由設計外部量子效率量測,由光譜響應分析可以得到能隙能量、載子收集效率、吸收層厚度、溫度係數及太陽能電池的短路電流(Jsc)。配合光激發光(Photoluminescence)或是電激發光(Electroluminescence)特性量測分析,可進一步計算出缺陷能階及缺陷分布。
1. 薄膜太陽能電池 - 銅銦鎵硒太陽能電池
由外部量子效率的光譜響應可得到: TCO能隙能量、TCO厚度、CdS能隙能量、CdS 厚度、吸收層能隙能量、短路電流。藉由演算法分析,可進一步得到空間電荷區寬度、吸收層吸收係數。

由本公司所開發之軟體及演算法,可由外部量子效率的光譜響應獲得如下之資訊。更深入的分析手法,可搭配不同的量測條件(調變溫度、電壓偏壓、光偏壓等等)與光激發光或電激發光的量測分析,進行更深入的分析(缺陷分析、pn接面特性、溫度係數等等)。

2. 矽晶太陽能電池
若須更詳細的外部量子效率光譜分析技巧、理論與實驗設計,請來信(photonics@litron.com.tw)詢問!

參考文獻:
http://www.pveducation.org/pvcdrom/
•Markus Gloeckler, "DEVICE PHYSICS OF Cu(In,Ga)Se2 THIN-FILM SOLAR CELLS," dissertation, 2005.