｜飛秒脈衝雷射低溫成長CIGS:Na薄膜於軟性基板之應用

摘要：利用飛秒脈衝雷射沉積（Femtosecond pulsed laser deposition, fs-PLD）可以在低溫（≤ 300°C），一次性的成長出具有良好結晶性的銅銦鎵硒（CuInGaSe2,CIGS）薄膜，此製程溫度適合把CIGS沉積在高分子的polyimide （PI）軟性基板。目前，許多研究觀察到以鈉（Na）玻璃（soda lime glass）當作基板時，在高溫製程中會發生微量的Na元素擴散至CIGS吸收層，可提升太陽能元件的效率；然而，將CIGS成長在高分子基板是沒有辦法提供Na元素，所以本研究利用自行製作添加Na元素（5 at%）的CIGS靶材來解決此問題，使用單一個靶材成長摻雜Na元素的CIGS薄膜（CIGS:Na），從霍爾（Hall）電性量測觀察到可以增加載子濃度及導電率，這將有利於提升太陽能電池效率。。

Abstract: Femtosecond pulsed laser deposition (fs-PLD) was investigated to grow Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) films at low temperature (≤300 °C), which allowed the use of flexible polymer substrates such as polyimide (PI). X-ray diffraction showed that the films grown on the PI substrates had a pure chalcopyrite phase with a preferred (112) orientation. Because the CIGS films grown on the soda–lime glass substrates were known to have the improved photoelectrical properties owing to the Na diffusion from the substrates, in view of the absence of Na in the polymer substrates, we tried to dope the CIGS films intentionally by adding Na into the fs-PLD targets. The CIGS:Na targets were successfully synthesized from the Cu, In, Ga, Se and NaF powders by the solid state reaction. The results showed that the addition of 5 at% Na in the target did not change the fs-PLD growth parameters notably and well crystallized CIGS:Na films could be grown on the PI substrates, which showed an increased carrier concentration and conductivity

關鍵詞：雷射濺鍍、飛秒雷射、銅銦鎵硒

Keywords：Pulsed laser deposition, Femtosecond laser, CIGS

前言
軟性基板具有重量輕、價格便宜、易攜帶等優點，使得可撓式軟性電子的開發與應用逐漸趨於成熟。其中，軟性太陽能電池的研究更是關注的重點之一；目前的發展主要聚焦在薄膜型太陽能電池，近來以CIGS為主吸收層材料的太陽能電池，其具有相當高的光吸收係數（~105 cm-1）、熱穩定性佳，在長時間使用下依然能維持良好的元件特性及光電轉換效率等優點，是最具有發展潛力的太陽能材料。

1.1 軟性太陽能電池發展現況
常見用來當作CIGS太陽能電池的軟性基板種類，依材質可區分為：高分子軟性基板（如PI基板）[1-3]及金屬箔片基板[4,5]，兩款基板目前可獲得最佳的太陽能轉換效率分別是17.1 % [6]及17.5 % [7]。通常高分子基板的重量較金屬箔片基板輕，熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）較金屬箔片基板大，但所製作出的CIGS太陽能電池之功率密度（power density）相對較金屬箔片基板大於2倍以上，如表1所示。

其中，金屬箔片基板會造成本身的金屬離子擴散進入CIGS內，使得載子復合速率上升造成開路電壓（Voc）降低[8]，降低光電轉換效率；因此需要於基板上製作一層阻隔層（insulating layer，如SiOx, Al2O3, etc.），如圖1所示，以防止上述現象發生[9]。因此，為了提高太陽能電池的輕量化、使用便利性及降低成本的目的，目前已有許多研究將太陽能電池成長在可撓式的高分子基板，表2為國際研究可撓式CIGS太陽能電池的發展現況，可看出其具有發展的潛力[10]。

高分子基板本身的耐熱性將決定其元件製程的操作溫度上限，最常使用的PI基板是具有最高耐熱度的高分子基板，其轉變溫度在400 ℃[11]，但是常見的CIGS薄膜真空製程溫度至少要500 ℃以上[12]，所以開發合適的低溫薄膜製程為首要重點。

此外，成長在Na玻璃基板與可撓式基板CIGS太陽能電池效率上的差異，一般認為除了可撓式基板物性的限制外，玻璃基板中的Na元素亦對電池效率有所影響，由於在高溫製程500 ℃會使得Na元素從基板擴散至CIGS薄膜層，增加元件的開路電壓（Voc）以及填充因子（fill factor）[13]，提升太陽能電池的效率。然而高分子的PI基板無法提供Na元素，目前國際上研究Na對CIGS影響，是在成長CIGS薄膜之前，額外蒸鍍上一層氟化鈉（NaF）薄膜，當作Na元素的擴散來源[14,15]；若能直接將Na均勻摻雜至CIGS中，可使Na對CIGS之影響更為均勻，提升可撓式CIGS太陽能效率。