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研究生: 梁辛瑋
Shin-wei Liang
論文名稱: 應用雷射刻劃微晶矽薄膜太陽能電池絕緣製程參數最佳化之研究
Optimization of Microcrystalline Silicon Thin Film Solar Cell Isolation Processing Parameters by using Laser Technology
指導教授: 郭中豐
Chung-Feng Kuo
口試委員: 黃昌群
Chang-Chiun Huang
蘇徳利
De-li Su
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 410
中文關鍵詞: 太陽電池矽薄膜透光導電氧化物氧化鋅摻雜鋁光電轉換效率紫外光雷射光纖雷射飛秒雷射田口品質工程層級分析法倒傳遞類神經網路比例共軛梯度演算法
外文關鍵詞: Femtosecond laser, Taguchi Method, Fibre laser, UV laser, incident photon conversion efficiency (IPCE), AZO, transparent conducting oxide (TCO), silicon thin film, solar cells, analytic hierarchy process theory (AHP), back propagation neural networks (BPN), scaled conjugate gradient (SCG)
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  • 在微晶矽薄膜太陽能電池(microcrystalline silicon thin film solar cell, μc-Si)絕緣製程(isolation process)的研究範疇中,本研究探討雷射刻劃(scribing)各層薄膜的絕緣加工。本研究分別以紫外光雷射(Ultraviolet Laser)、光纖雷射(Fibre Laser)、以及飛秒雷射(Femtosecond Laser)三種雷射加工平台,透過田口品質工程以L18直交表(orthogonal array)規劃實驗,進行微晶矽薄膜太陽能電池的絕緣刻劃製程,絕緣刻劃材料有五種:氧化鋅摻雜鋁透光導電膜層(ZnO:Al, AZO)其厚度分為200奈米與500奈米兩種、厚度500奈米的微晶矽薄膜層分結晶度38%與68%兩種、厚度300奈米的鋁金屬背接觸層。
    本研究探討雷射刻劃微晶矽薄膜太陽電池製程,以成功絕緣刻劃為首要目標。絕緣之後,再以最小刻劃線寬、最平整的槽狀底部、最少量的加工邊緣表面突塊為良好的加工品質。透過田口品質工程的主效果分析、變異數分析理論找出單一品質最佳參數,再利用層級分析法(analytic hierarchy process, AHP)的層級結構建立正對比矩陣,經過一致性的檢定與總權重計算,再進行重要性排序後,用以找出兼具多品質的最佳化參數,最後透過田口確認實驗與信心區間計算,驗證實驗結果。
    雷射刻劃結果,依據雷射硬體極限的最小上部刻劃線寬、最大下部刻劃線寬、最少量最小突塊高度、以及最適當刻劃深度的品質特性判斷,以飛秒雷射優於光纖雷射,光纖雷射再優於紫外光雷射。刻劃結果為:AZO(200奈米)最小刻劃線寬可達16.07微米;AZO(500奈米)最小刻劃線寬17.66微米;微晶矽(結晶度38%)最小刻劃線寬24.29微米;微晶矽(結晶度68%)最小刻劃線寬29.91微米;鋁薄膜(300nm)最小線寬達11.57微米。各層的絕緣刻劃線寬愈細窄,疊合後可節省佔用太陽電池的吸收太陽光面積、轉而增加太陽電池的光致發電效益。
    最後應用倒傳遞類神經結合比例共軛梯度演算法建立起預測系統,進行實驗結果的模擬,模擬實驗結果的雷射刻劃品質,品質特性為:最小上部刻劃線寬、最大下部刻劃線寬、最小突塊高度、最適當刻劃深度。經實驗驗證,本研究所建構的系統可以準確地預測微晶矽薄膜太陽能電池絕緣刻劃製程的結果。


    The microcrystalline silicon thin film solar cell consists of several thin films, such as the microcrystalline silicon thin film, the aluminum-doped zinc oxide transparent conductive film, and aluminum back-contact thin films. The purpose of this research is to find the optimization parameters of making the several thin films isolated well by laser scribing. In this study, we used three laser systems, Ultraviolet Laser, Fibre Laser, and Femtosecond Laser, to examine the relation between factors of laser systems and the quality characteristics of laser isolation processing.
    By using Taguchi Method, we could obtain factors and quality characteristics from following the L18 orthogonal array to set up the experiment. We defined the quality characteristics of scribing structure, such as upper width of V-cut line, lower width of V-cut line, V-cut depth, and the burrs above processing surface of microcrystalline silicon thin film. Therefore, the optimal factors combination for isolation processing of the microcrystalline silicon thin film were conducted via Taguchi Method and analytic hierarchy process theory.
    The results of laser scribing microcrystalline solar cell materials are as follows: AZO(200nm) scribed a minimum line width of 16.07 micrometers, AZO(500nm) scribed a minimum line width of 17.66 micrometers, microcrystalline silicon(38% crystallinity) scribed the smallest line 24.29 micrometers wide, microcrystalline silicon(68% crystallinity) scribed a minimum line width of 29.91 micrometers, and aluminum back contact(300nm) scribed the smallest line 11.57 micrometers wide.
    In additions, we can predict the results of laser isolation processing through simulation experiments by using the back propagation neural computing forecasting system. Through experimenting and computing, the error between actual value and predicted value could be converged within 2%. Finally, the results of laser isolation processing experiment were confirmed.

    摘要III AbstractV 圖目錄XIV 表目錄XIX 第1章緒論1 1.1.前言1 1.2.研究動機與目的2 1.3.文獻回顧3 1.4.論文大綱與研究流程9 第2章太陽光電產業現況與雷射技術應用11 2.1.太陽光電產業11 2.2.太陽能電池11 2.3.薄膜太陽能電池12 2.3.1.矽薄膜類13 2.3.2.化合物半導體類19 2.3.3.染料敏化類19 2.4.雷射加工技術19 2.4.1.雷射原理20 2.4.2.雷射光特性21 2.4.3.雷射器輸出特性23 2.4.4.雷射加工機制27 2.4.5.雷射系統種類29 2.4.6.材料移除率31 2.4.7.雷射加工平台的優缺點31 第3章製程參數最佳化分析理論與類神經網路33 3.1.田口品質工程33 3.1.1.田口方法概述34 3.1.2.直交表37 3.1.3.訊號雜訊比38 3.1.4.因子反應分析41 3.1.5.變異數分析41 3.1.6.確認實驗44 3.1.7.交互作用45 3.1.8.田口方法不足之處46 3.2.層級分析法46 3.2.1.目的與假設46 3.2.2.層級要素47 3.2.3.評估尺度49 3.2.4.層級分析法的進行步驟50 3.3.灰色系統理論53 3.3.1.建立序列之可比性53 3.3.2.灰關聯生成54 3.3.3.灰關聯係數55 3.4.倒傳遞類神經網路56 3.4.1.倒傳遞類神經網路原理57 3.4.2.倒傳遞類神經網路的演算法59 3.4.3.倒傳遞類神經網路的演算流程62 第4章實驗規劃與實驗方法63 4.1.實驗規劃63 4.1.1.實驗材料64 4.1.2.實驗設備67 4.2.實驗方法76 4.2.1.初步實驗76 4.2.2.田口直交表實驗77 4.2.3.實驗流程圖79 4.3.紫外光雷射(Ultraviolet Laser)80 4.3.1.AZO(200nm)/glass80 4.3.2.AZO(500nm)/glass82 4.3.3.μc-Si(38%)/glass84 4.3.4.μc-Si(68%)/glass86 4.3.5.Al(300nm)/glass88 4.4.光纖雷射(Fibre Laser)90 4.4.1.AZO(200nm)/glass90 4.4.2.AZO(500nm)/glass92 4.4.3.μc-Si(38%)/glass94 4.4.4.μc-Si(68%)/glass96 4.4.5.Al(300nm)/glass98 4.5.飛秒雷射(Femtosecond Laser)100 4.5.1.AZO(200nm)/glass100 4.5.2.AZO(500nm)/glass102 4.5.3.μc-Si(38%)/glass104 4.5.4.μc-Si(68%)/glass106 4.5.5.Al(300nm)/glass108 第5章實驗結果與討論110 5.1.紫外光雷射(Ultraviolet Laser)110 5.1.1.AZO(200nm)/glass UV雷射刻劃結果111 5.1.2.AZO(500nm)/glass UV雷射刻劃結果131 5.1.3.μc-Si(38%)/glass UV雷射刻劃結果148 5.1.4.μc-Si(68%)/glass UV雷射刻劃結果167 5.1.5.Al(300nm)/glass UV雷射刻劃結果184 5.2.光纖雷射(Fibre Laser)203 5.2.1.AZO(200nm)/glass光纖雷射刻劃結果203 5.2.2.AZO(500nm)/glass光纖雷射刻劃結果216 5.2.3.μc-Si(38%)/glass光纖雷射刻劃結果230 5.2.4.μc-Si(68%)/glass光纖雷射刻劃結果245 5.2.5.Al(300nm)/glass光纖雷射刻劃結果260 5.3.飛秒雷射(Femtosecond Laser)275 5.3.1.AZO(200nm)/glass飛秒雷射刻劃結果275 5.3.2.AZO(500nm)/glass飛秒雷射刻劃結果291 5.3.3.μc-Si(38%)/glass飛秒雷射刻劃結果306 5.3.4.μc-Si(68%)/glass飛秒雷射刻劃結果321 5.3.5.Al(300nm)/glass飛秒雷射刻劃結果335 第6章倒傳遞類神經網路預測系統351 6.1.數值正規化351 6.2.建立預測系統356 6.3.檢驗預測效果358 6.3.1.紫外光雷射絕緣刻劃AZO(200nm)/glass358 6.3.2.紫外光雷射絕緣刻劃AZO(500nm)/glass360 6.3.3.紫外光雷射絕緣刻劃μc-Si(38%)/glass361 6.3.4.紫外光雷射絕緣刻劃μc-Si(68%)/glass362 6.3.5.紫外光雷射絕緣刻劃Al(300nm)/glass364 第7章結論與未來展望366 7.1.結論366 7.2.未來展望369 參考文獻371

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