第二型態垂直耦合含銻量子點中間能帶太陽能電池
前言yzu
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。
太陽能電池概述
雖目前產業界多聚焦於以矽材料為主之太陽能電池，但由於其能態結構為非直接能隙，所以光電能源轉換效率多半受限且發展已經逐漸趨緩，最高效率僅達25%。探究太陽電池效率低落，主要因素有：熱損失、複合損失、接點電壓損失 (如圖一)。茲分別敘述如下：
(1) 熱損失：
當太陽光能入射能量低於電池接面能隙時，其能量不足以激發產生電子-電洞對。而當入射光能量大於電池接面能隙時，雖有足夠能量產生電子-電洞對，但其過多的能量將使得產生的電子-電洞對被激發到更高的能態。而為回到半導體熱平衡狀態，電子以及電洞便會以熱損耗方式釋放聲子（Phonon），造成太陽光能額外熱損耗，且無法有效的轉換為電能。
(2) 複合損失：
複合損失指原本因照光受到能量而激發產生的電子-電洞對，因為太陽電池內材料的缺陷、材料內部有過多雜質、存在於材料表面或是金屬接點的界面處未鍵結的懸浮鍵（Dangling Bond）造成電子-電洞對的複合，降低轉換效率。
(3) 接點電壓損失：
光激發產生的電子-電洞對在P-N接面處因為受到空乏區內建電場作用而移動，使得接面處兩邊因電子、電洞的移動產生另一個新的電場，影響到原本因擴散產生的內建電位，致使太陽電池的輸出電壓較原本理想上由擴散形成最大電壓低所造成的損失。
因此無論在新結構的研發、化合物半導體材料品質的提昇，又或者是磊晶薄膜成長技術的改良，都成為未來太陽電池發展過程中必須突破的問題。然而磊晶技術的改良幅度，由於近幾年的發展後已逐漸趨緩，因此藉由磊晶技術提昇改善材料品質減少缺陷以提昇轉換效率之效果有限，故學界相繼投入新結構的開發研究，希望讓太陽電池的轉換效率能夠突破性的提昇，降低太陽電池發電成本，使之更易普及使用。
圖一、能量損耗圖
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)如圖二，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(如圖三)，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。
圖二、量子點太陽能電池結構圖
圖三、中間帶太陽能電池能隙結構圖
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，並經圖四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，並於圖五光激光譜量測圖中，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（如圖六）。
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。
圖四、穿透式電子顯微鏡影像
圖五、垂直耦合量子點光激光譜圖
六、各先進實驗室之量子點光激光譜半高寬比較圖
圖七、研討會海報
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。