奈米通訊 nano communication 卷 no.2 利用硫化鎘量子點 …換效率從17.71%...
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19奈米通訊NANO COMMUNICATION 19卷 No.2
利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池
利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池High Efficiency of Hybrid GaAs Solar Cell Using CdS Quantum Dots陳信助 1、林建中 2、蔡育霖 1、韓皓惟 1、余沛慈 1、郭浩中 1
1 國立交通大學光電工程研究所、2 國立交通大學光電學院
摘 要
本研究利用硫化鎘量子點(CdS)結合砷化鎵(GaAs)太陽能電池成為一種新的混合型太陽能電池結構。藉由應用硫化
鎘量子點(CdS)於砷化鎵(GaAs)表面,我們在長波段區域獲得更有效的抗反射(Anti-re�ection)機制,以及在短波
長下獲得光子下轉換(Photon Down-conversion)機制。由於硫化鎘量子點(CdS)在短波長下具有很強的吸收並且同
時可以轉換出可見光,這兩項機制可以有效地增加砷化鎵(GaAs)太陽能電池的吸收與轉換效率。相較於傳統沒有量
子點的砷化鎵(GaAs)太陽能電池,短路電流與轉換效率分別增加 21%與 18.9%。此外,我們也發現硫化鎘量子點在
元件表面上,可以增加表面的光電導效應(Photoconductivity)也同時改善硫化鎘量子點(CdS)太陽能電池的填充因
子(Fill Factor)。
關鍵字/Keywords ● 砷化鎵太陽能電池
GaAs Solar Cell
● 光子下轉換
Photon Down-conversion
● 硫化鎘
CdS
● 量子點
Quantum Dots
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主題
文章 4
介 紹
當有限的石化燃料引起能源危機,並導致人類生存
危機之際,為維持社會的永續發展,我們必須找尋石油
和天然氣的替代品。有些研究指出太陽能電池便是其中
一個選項。在大部分的太陽能能量中,只需轉換少許部
分即可供應全世界需求。大部分的太陽能電池由半導體
製成(如:矽、二氧化鈦、硫化鎘與砷化鎵),而一些
成熟的半導體公司正加速其商品化。在這些材料之中,
III-V族合金(砷化鎵與磷化銦) 具有最佳轉換效率,因
此為其先驅。特別是在多層結構(Muti-junction Tandem
Structure)太陽能電池,擁有很高與很穩定的轉換效率
[1]。因此,III-V族合金太陽能電池更為最尖端之科技。然
而,假設我們可以對這些元件和製造做優化之步驟,根
據 Shockley-queisser Limit (SQ limit)[2],倘若只有一個能
帶的太陽能電池也可以高達 44%的轉換效率,並可超越
現今複雜的多層結構太陽能電池。在另一方面,利用量
子點(或奈米結構)改善太陽能電池轉換效率已經有一
段時間。量子點之特點相對於半導體的塊狀材料來說,
具備低成本,可變的能帶、與簡易的製程等等的特性,
特別在光偵測器
[3]與雙接面太陽能電池
[4]的研究中,我
們可以明顯的看到這些效果。但是,大部分的結果只有
甚至低於 10% 的轉換效率,至於如何整合半導體與量
子點成為很重要的課題。其中一個嚴重的限制在於現今
的太陽能電池在短波長部分吸收率不佳,雖然這些高能
量的光子容易被塊狀半導體吸收,但是經光轉換後所得
到的載子,卻容易被表面缺陷所復合。這短波長部分大
概佔太陽光的 7%[5],在外太空,短波長部分所佔的比
例則更高。因此,量子點可以有效利用太陽光中的短波
長部分。其中一個可能方式為利用半導體之量子點,例
如,CdS, CdSe 在太陽能電池中。這些奈米尺寸的物質可
吸收短波長之光線同時有效率地轉成可見光
[6]。如果這
種下轉換之光子能被塊狀材料所收集,短波長光子即可
被運用如同長波長光子。在這個研究當中,我們利用硫
化鎘量子點(CdS)於砷化鎵(GaAs)太陽能電池上,
並且分析電流-電壓(I-V)特性與量子效率(Quantum
E�ciency)。同時,我們分析光電導效應於量子點太陽能
電池表面。這些結果呈現出良好的改變並且我們相信這
個技術對於下一代之太陽能電池之重要性。
實 驗
首先,利用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)機
台製作單接面的砷化鎵太陽能電池磊晶片,之後利用光
子微影術、化學蝕刻、電子槍蒸鍍系統製作出面積大小
為 1cm2 單接面的砷化鎵太陽能電池元件。而在本實驗
中我們用相同的砷化鎵太陽能電池磊晶片製作出三種元
件,第一種元件,沒有抗反射膜與表面清潔過後的砷化
鎵太陽能電池元件,利用旋轉塗布技術將濃度 0.5 mg/
mL 膠體的硫化鎘量子點旋塗在砷化鎵太陽能電池表面
上形成量子點砷化鎵太陽能電池,簡稱為量子點塗層
(QD-coated)。第二種元件,沒有抗反射膜與表面清潔過
後的砷化鎵太陽能電池元件,簡稱為無量子點塗層(no
QD-coated)。第三種元件,有抗反射膜層的砷化鎵太陽
能電池元件,其中抗反射材料為二氧化矽(SiO2)厚度
為 100 nm以及主要的抗反射波長在 670 nm,簡稱為抗
反射塗層(AR-coated)。圖 1(a),為本實驗最後完成的
單接面硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池示意圖。為了瞭
解硫化鎘量子點的大小,本實驗利用了穿透式電子顯微
鏡(TEM)做檢測,如圖 1(b)顯示,確實有多層量子
點堆疊在元件上,而硫化鎘量子點的大小約為 5 nm左
右。另外,我們也對硫化鎘量子點的元素進行了分析能
譜儀(EDS)因此可以再次佐證硫元素與鎘元素存在,
圖 1 (a) 單接面硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池完成品是意圖;
(b)硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池表面穿透式電子顯微鏡
(TEM)圖,硫化鎘量子點大小約 5 nm;(c)利用分析能譜儀
(EDS)分析出硫元素與鎘元素。
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利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池
如圖 1(c)。之後,這三種砷化鎵太陽能電池元件效率
(Power Conversion Efficiency)會經由標準的太陽光模
擬燈源做為測試以及外部量子效率(External Quantum
Efficiency)的量測。進一步地, 本實驗利用了導電性
原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscope)
測試量子點砷化鎵太陽能電池表面上的光電導效應
(Photoconductivity),為了驗證量子點在太陽能電池表面
上會因為光的效應改善元件的導電性,進而提升太陽能
電池轉換效率。
結果與討論
圖 2,顯示硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池表面
理想工作示意圖。量子點在元件表面上可以有效地吸收
高能的光子(通常是在 UV與近 UV光範圍內),同時放
射可見光(本實驗使用 460 nm)進入砷化鎵太陽能電池
內部。經由可見光所產生的光生載子(Photogenerated
Carriers)機率遠大於 UV光所產生的機率,故我們預期
量子點於元件表面上有效增加太陽能 UV波段的吸收,
這機制稱為光子的向下轉換(Photon Down-conversion)
機制。為了更深入了解硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池
與其他元件電流-電壓(I-V)特性,我們使用標準太陽
光模擬燈源(AM1.5G)與室溫下量測元件電流-電壓特
性,這三種不同結構砷化鎵太陽能電池元量測結果顯示
於圖 3。有量子點塗層(QD-coated)砷化鎵太陽能電
池的短路電流密度(Jsc)高達 26.99 mA/cm2以及光電轉
換效率從 17.71% 提升至 21.06%,總整體效率提升高達
18.9%比較於無量子點塗層(no QD-coated)砷化鎵太陽
能電池,當我們比較於有抗反射塗層(AR-coated)砷化
鎵太陽能電池,短路電流密度提升至 4.1%以及總光電轉
換效率有 2.7%增加量。這三種不同結構的砷化鎵太陽能
電池比較,是在開路電壓(Voc)與填充因子(FF)幾乎
是一樣下的比較。
為了深入探討三種不同結構的砷化鎵太陽能電池
在不同波長下的光-電特性,我們進行了不同波長下
的外部量子效率量測,在這量測中我們使氙燈(Xenon
Light)當作實驗的入射光源。圖 4(a)顯示不同波長下
的外部量子效率量測結果。從圖 4(a)可以發現有量子
點塗層砷化鎵太陽能電池的外部量子效率是全波段的提
升,比較於無量子點塗層砷化鎵太陽能電池元件,同時
我們發現在波長 600 nm之後的地方,有抗反射塗層砷化
鎵太陽能電池元件的外部量子效率比較高,這是因為最
佳抗反射層的結構是設計在 600 nm附近。圖 4(b)為不
同波長下外部量子效率增加因子,其中計算方式是以量
子點塗層元件外部量子效率除以無量子點塗層元件外部
量子效率(EQEQD coated/EQEno QD coated),從圖 4(b)中可以
得知,當波長小於 350 nm時外部量子效率增加因子高
達 1.75倍的增加量,這項結果可以證實光子的向下轉換
機制,當量子點在元件表面上吸收了 UV光同時轉成可見
光,這個機制大大增加 UV照射下所產生的載子機率。當
波長大於 350 nm時,硫化鎘量子點層提供抗反射膜的效
果,這是由於折射率的漸變的效果介於空氣與砷化鎵太
陽能電池之間。經由量子點在元件表面上提供光子的向
CdSQDs
GaAs solar�cell
Sun
Blue Photons
UV Photons
CdSQDs
GaAs solar cell
Sun
Blue Photons
UV Photons
圖 2 有量子點塗層(QD-coated)砷化鎵太陽能電池的光子的向下
轉換(Photon Down-conversion)機制。
圖 3 有量子點塗層(Q D - c o a t e d)、無量子點塗層(n o Q D -
coated)、有抗反射塗層(AR-coated)砷化鎵太陽能電池元件
的電流-電壓(I-V)特性。
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主題
文章 4
下轉換與抗反射膜兩種機制,成功的提升元件總整體效
率。
圖 4(a) 有量子點塗層(QD-coated)、無量子點塗
層(no QD-coated)、有抗反射塗層(AR-coated)砷化
鎵太陽能電池元件的不同波長下的外部量子效率;(b)
有量子點塗層(QD-coated)、無量子點塗層(no QD-
coated)的不同波長下的外部量子效率增加因子。
為了瞭解更多硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池在
UV波段的響應,我們使用 UV燈源當作光源,量測有量
子點塗層與無量子點塗層砷化鎵太陽能電池電流-電壓
(I-V)特性。在量測之前,我們在 UV燈源前會加上濾光
片只限制 380 nm ± 10 nm的光可以通過,目的是為了驗
證量子點的光電效應,避免低能量的光子激發砷化鎵太
陽能電池所產生的額外電流值,以確保實驗的正確性。
在圖 5中發現有量子點塗層與無量子點塗層砷化鎵太陽
能電池相比較,有量子點塗層元件電流密度明顯的提升
以及總光電轉換效率上有 1.22倍的增加量。另外因為光
導效應(Photoconductivity)的關係,我們也發現量子點
在元件表面上很直接改善了元件的阻抗,使得填充因子
(FF)改善了 30% (從 57%至 74%)。為了更進一步了解
量子點在元件表面上所帶來的導電性改善,我們進行了
導電性原子力顯微鏡(CAFM)量測,利用固定電壓 5 V
以及有與無 UV燈源照射於有量子點塗層砷鎵太陽能電池
表面,測得元件表面的電流特性。經由 UV燈的開與關可
以測量到有量子點塗層元件表面電流分布的轉變,如圖
6。當我們將各組所量測到的電流值做統計,在平均電流
值的地方,有照射 UV光的有量子點塗層砷化鎵太陽能電
池表面電流有 76%增加量,比較無量子點塗層的元件,
經由導電性原子力顯微鏡的量測可以很清楚發現有量子
點塗層的元件,有照射 UV光與無照射 UV光時表面載子
變化的行為。從以上的量測結果可以發現當量子點於太
陽能電池表面上可以帶來三個優點:1.光子的向下轉換
機制;2.抗反射膜機制;3.在 UV光的照射下表面載子的
圖 4 (a) 有量子點塗層(QD-coated)、無量子點塗層(no QD-
coated)、有抗反射塗層(AR-coated)砷化鎵太陽能電池元
件的不同波長下的外部量子效率;(b) 有量子點塗層(QD-
coated)、無量子點塗層(no QD-coated)的不同波長下的外部
量子效率增加因子。
圖 5 有量子點塗層(Q D - co ate d)與無量子點塗層(n o Q D -
coated)砷化鎵太陽能電池元件在 UV光照射下的電流—電壓
(I-V)特性。插入圖片為有量子點塗層元件在不同 UV強度照
射下的效率(藍色線),與在不同 UV光強度照射下的效率增
加量(有量子點塗層元件效率除以無量子點塗層元件效率)
(綠色線)。
圖 6 有與無 UV燈照射下硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池的表面
電流分布圖,粉紅色與藍色虛線代表量測後各組的平均電流
值。插圖為有照 UV光下的硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池表
面的導電性原子力顯微鏡圖。
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利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池
增加。
結 論
在結論部分,我們成功地運用硫化鎘量子點
(CdS)於砷化鎵(GaAs)太陽能電池上。藉由量子點的
光子下轉換與抗反射效應有效改善元件的表現。而相較
於傳統無硫化鎘量子點(CdS)太陽能電池以及有做表
面的抗反射塗層之太陽能電池相比,整體之轉換效率分
別提升 18.9%與 2.7%。透過短波長的吸收,整體能量轉
換增加了 1.22倍,而且由導電性原子力顯微鏡證實量子
點增加元件表面電荷導致填充因子(Fill Factor)增加約
30%。我們相信這個技術對於提高太陽能電池的整體能
量轉換提供了一個新的方法。
致 謝
This work is founded by National Science Council in
Taiwan under grant number NSC 99-2120-M- 006-002 and
NSC-99-2120-M-009-007. C. C. Lin would like to thank the
financial support of National Science Council in Taiwan
through the grant number: NSC101-3113-E-110-006-. The
authors would also like to thank Prof. Shing-Chung Wang of
NCTU for his help and support.
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