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高效率硫化鎘量子點敏化的砷化鎵太陽能電池

近年來全球暖化效應與能源短缺問題越演越烈,因此追求高效率太陽能電池為主要的課題,而三五(III-V)族太陽能電池對太陽光有很高的吸收係數。目前實驗室所製備的單接面砷化鎵太陽能電池效率為28%,但是根據Shockley與Queisser兩位科學家理論計算效率極值可高達33%,還有5%的效率空間可再提升。

交通大學林建中教授研究團隊成功地使用硫化鎘量子點於單接面砷化鎵太陽能電池表面上來提高光-電轉換效率。造成元件效率提高的機制包含光子的向下轉換(photon down-conversion)、抗反射(antireflection),以及導電性的改善(electrical conduction property),而這些特性都是由於硫化鎘量子點層的作用。

奈米點的能階與一般塊材不同,因為三個維度都被侷限住,故產生能階不連續性,稱為零維結構,像是量子點(quantum dot)。量子點具有獨特的發光特性,其發光波長可藉由改變量子點大小來調控的,其中硫化鎘(CdS)量子點粒徑在2.1~4.6 nm的範圍所對應的波段為可見光區,故利用CdS量子點吸收-發光特性作為研究主題。

該實驗選用硫化鎘量子點作為媒介是因為它能有效吸收紫外光與近紫外光波長,並同時轉換成可見光波長。在製作過程中,使用旋轉塗佈方式將硫化鎘量子點均勻的覆蓋於以磊晶法完成的砷化鎵太陽能電池表面上。如此一來,原先無法被砷化鎵太陽能電池所吸收的紫外光與近紫外光波長,便可藉由作吸光層的硫化鎘量子點,轉換成可見光波長讓砷化鎵太陽能電池吸收,增加砷化鎵太陽能電池的光吸收範圍,此機制稱為光子的向下轉換(photon down-conversion)。硫化鎘量子點的折射率大約在2.1~2.3之間,砷化鎵太陽能電池則約為3.6。當太陽光由空氣入射到硫化鎘量子點再到達砷化鎵太陽能電池上時會達成折射率匹配,使得大部分的太陽光都可以入射到硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池內部,因此較不易造成光反射而導致效率的下降,即為抗反射(antireflection)機制。

另外,砷化鎵太陽能電池表面上存在些許缺陷,這是在磊晶過程中所造成並且會導致表面上的電子電洞對易於複合,造成元件導電性下降。利用硫化鎘量子點於太陽能電池表面上可減少電子-電洞表面複合機率,主要是因為量子點可以吸收表面的紫外光並迅速轉成可見光讓砷化鎵太陽能電池內部所吸收,稱為導電性的改善(electrical conduction property)。結合以上機制,硫化鎘量子點改善了砷化鎵太陽能電池效率,並將其提升至高達18.9%。詳見Optics Express, Vol. 20, Issue S2, pp. A319-A326 (2012)。

研發團隊:交通大學半導體雷射技術實驗室

撰文/譯者:陳信助(交通大學光電工程研究所)
責任編輯:劉家銘

轉載自 奈米科學網

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