量子點太陽電池（Quantum Dot Solar Cell, QDSC）
量子點材料分析與太陽能電池研究方向
（一）前言
近年來，由於工業革命燃燒石油所造成之能源議題，已引起世界各國的高度重視，各知名研究團隊莫不致力於開發乾淨無污染之綠色能源；而其中太陽光能因其乾淨無污染且含量充沛，儼然已成為全球最為重視之次世代能源，並吸引世界各國積極投入此一能源開發計畫。目前在太陽能電池的發展上，大致可分為： 矽材料(Single-Crystal, Poly-Crystal, Amorphous Si)、 化合物半導體(GaAs, GaN, CdTe, CIGS)、有機薄膜(Organic thin film)、以及染料電池(Dye sensitized photovoltaic cell)等。在能源轉換效率，以及低成本、大面積製造的考量下，各有擅長。
(二)量子點材料分析
1982年，Sakaki教授指出量子點(Quantum Dot；QD)具有三維電子侷限及δ函數形式的能態密度，所以理論上量子點結構為作用區的半導體雷射具有雷射起振電流密度(Threshold Current Density)[2]、較高的特徵溫度(Characteristic Temperature,T0)[3]、高材料增益(Gain)[4]、較窄的譜線寬度、操作條件對溫度不敏感...等優點，對於光電元件的應用上具有很大的貢獻。利用量子點的特性做成的元件有量子點雷射[5-6]、電晶體[7]、光檢測器[8] 、量子點記憶體元件(Quantum Dots Memory Device)等。1994年，Marzin研究團隊利用砷化銦/砷化鎵異質結構層間晶格不匹配所引致的應力而形成自組成的量子點(Self-Assembled QDs；SAQDs)，是利用分子束磊晶成長的「 (Stranski-Krastanov Growth Mode；S-K Growth Mode)」發展自聚集量子點的成長[9]。
如何製作量子點，我們利用材料的晶格常數(Lattice Constant)的不同，讓量子點以自聚性(Self-Assembled)的方式成長，在晶格常數比較小的材料上，成長晶格常數比較大的材料，在成長的過程中，由於兩材料晶格上的不匹配，使得晶格常數大的材料會以壓縮的方式與底下材料聚合成長，這樣使得晶格常數較大的材料受到壓縮的應力(Compressive Strain)形成契合型(聚合型)的結構(Coherent Structure)。
為了改善磊晶上的缺陷以及量子點的均勻性因此加入了銻於覆蓋層上，藉此改善量子點表面均勻性以及減少缺陷的產生(如下圖所示)
因此我們根據上述的結論進行以下實驗結構設計(如圖一)，並且將利用原子力顯微鏡做量子點表面形貌的探討(如圖二)，其研究發現圖中右方(b)圖顯示，量子點大小與形貌較左方(a)圖均勻，並且量子點密度相對提升，因此在水平方面明顯了敢擅量子點均勻性以及提升密度。
圖一、量子點結構設計圖
圖二、AFM下量子點表面影像
（三）第三代超高效率太陽能電池
基於此現實考量，學術界發表了多樣具有超高轉換效率之新穎結構設計，包括了：熱載子太陽電池(Hot Carrier Solar Cell)、多能帶電池(Multiband Solar Cell)、多數電子-電洞對式太陽電池(Multiple Electron-Hole Pair Solar Cell)、量子點中間帶太陽能電池(Quantum Dots Intermediate Band Solar cell)如圖三，熱光伏太陽電池(Thermophotovoltaic Cell)…等設計。
此類第三代太陽電池之主要設計目的為結合目前已開發高效率元件之優點，克服目前太陽能電池所遇到之主要光能損耗加以改善，1997年Luque 及Marti研究團隊發表了在半導體能隙中插入一層中間能帶(Intermediate Band)的觀念(如圖四)，本實驗室藉著垂直式量子點結構內耦合形成之中間能帶，可額外吸收較低能量之太陽光能，增加光吸收效率；同時可使光吸收載子快速傳導至P、N電極以將其汲取所用，增加太陽電池之光轉換效率。
圖三、量子點太陽能電池結構圖
圖四、中間帶太陽能電池能隙結構圖
(四)實驗室既有成果說明
為研製此新穎量子點中間帶太陽能電池，本實驗室已針對垂直耦合量子點結構進行磊晶條件最佳化，並經圖五穿透式電子顯微鏡證明量子點堆疊呈現多層垂直耦合，同時晶格品質良好，無缺陷產生，並於圖六光激光譜量測圖中，得到極低之光譜半高寬(22 meV)，並明顯優於國外知名研究單位之量子點堆疊尺寸均勻性（如圖七）。
圖五、穿透式電子顯微鏡影像
圖六、垂直耦合量子點光激光譜圖
由於目前量子點太陽電池正處於發展初期，各量子點研發先進實驗室均將此研究目標列為重點研發項目，本實驗室亦曾嘗試利用品質良好之單層量子點活性層，研製量子點太陽能電池，並於外部量子效應圖觀察到量子點結構相較於GaAs單接面太陽電池，可有效增加太陽光譜吸收範圍從920nm延伸到1100nm的波段，提昇長波長太陽光譜轉換效率。顯示本實驗室除具有極佳之垂直耦合量子點磊晶品質外，亦具有太陽能電池之製備技術，因此具有卓越的次世代量子點太陽能電池之發展能力。
圖七、各先進實驗室之量子點光激光譜半高寬比較圖
(五)未來展望
分析元件能量損耗機制，由於太陽能電池在吸收高能光子後，其高能光激載子易與聲子產生散射效應，並將能量轉換為熱能因而產生熱損耗。本實驗室為減少太陽電池之熱載子損耗，因此於目前具高光電轉換效率之砷化鎵基板上採用垂直耦合式之砷化銦(鎵)量子點結構，藉其載子波函數耦合所形成之中間帶(Intermediate Band)，使光激熱載子可於此中間帶中快速傳導，並額外增加光吸收波段；根據理論計算，若砷化鎵太陽能電池加入量子點結構，將可額外提高6%之轉換效率，因此中間帶結構之量子點太陽電池，非常具有學術研究價值，預期將可帶來嶄新的研究方向並顯著改善太陽能電池光電轉換效率，歡迎具理想抱負的熱血青年加入我們的研究行列。