學位論文
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Item 新穎高效率太陽能電池之研究(2015) 姚詠祺; Yung-Chi Yao近年來，由於經濟的快速發展與人類的頻繁活動，人們對自然資源的需求與日俱增，其結果造成了各種天然資源日益短缺。為了解決人類永續使用能源的問題，科學界以及工業界正如火如荼地發展各種替代性能源。在這些替代性能源中，太陽光長期以來一直被視作永恆的能量來源，因此與太陽能相關的技術得以迅速地蓬勃發展，而其中以太陽能電池更是被廣泛地研究和討論。在本論文中，我們主要是根據不同電池材料的組成提出許多新穎的結構來提升太陽能電池的轉換效率。首先，我們已經成功地證明結合二維矽奈米柱(線)陣列和斜向銦錫氧化物薄膜的新穎抗反射膜對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率，因此能有效提升該太陽能電池的轉換效率。第二，我們利用數值模擬方法分析出一不靠外部(雜質)摻雜、僅利用漸變氮化銦鎵的銦含量來製作單一接面滿足全光譜響應的高銦含量三族氮化物n-i-p太陽能電池。最後，我們提出利用硒化鎘量子點調製太陽光譜來提升磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池的轉換效率。本論文依照各個章節不同的研究主題和使用方法將摘要進行分類，其分類如下： 1. 利用矽奈米柱(線)陣列搭配斜向銦錫氧化物膜增加太陽能電池光學吸收之應用 矽奈米柱(線)在太陽能電池方面的應用已被廣泛認為是相當具有吸引力的。在本研究中，我們分別利用感應電耦合式乾蝕刻技術和氧化還原-金屬誘導化學蝕刻方式製作出二維矽奈米柱(線)陣列。為了進一步降低發生在空氣和矽奈米柱(線)界面處的菲涅耳反射，我們提出利用斜角濺鍍沉積技術將奈米尺度等級的斜向銦錫氧化物薄膜作為空氣和矽奈米柱(線)間的中間層。由於矽奈米柱(線)能提供遮蔽效應，入射的銦錫氧化物氣流將被優先地沉積在矽奈米柱(線)的頂部，最終我們製作出的斜向銦錫氧化物薄膜可達到幾乎是無損且連續的表面。斜向銦錫氧化物薄膜除了本身擁有低折射率、高透明度外，在快速熱退火450℃的處理下，其薄膜的電阻率約為1.07x10^-3 Ω-cm，其摻雜濃度和載子遷移率分別為3.7x10^20 cm-3和15.8 cm2/V-s，亦可直接拿來當作電池的接觸電極。根據理論計算，該結構的轉換效率相對於單晶矽裸片的太陽能電池約有42％ 的提升，證明上述的奈米結構組合對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率。然而在實際元件製作上，元件上層與銦錫氧化物接面因極性不匹配以及奈米線的高深寬比導致高的串聯電阻和低的並聯電阻，其結果伴隨著高的逆向飽和電流加劇光生載子在表面復合，進而影響了整體元件的轉換效率。 2. 感應極化摻雜三族氮化物太陽能電池之研究 我們利用理論計算方式來評估並設計出新型感應極化摻雜氮化銦鎵n-i-p太陽能電池。該方法並不使用傳統雜質摻雜，反而是藉由線性增加（0％增至30％）和降低（30％降至0％）氮化銦鎵裡每個單位電池的銦含量所導致的感應極化摻雜來製作太陽能電池的p型和n型區，其中p型和n型區的載子濃度均達到3×10^18 cm-3。在氮化銦鎵n-i-p太陽能電池裡，由於每個單位電池具有大小相同且均勻的極化電荷，將其依銦含量漸變堆疊可預期該元件的電位分佈有平滑的空間變化，這樣一來減緩能帶在異質界面處的不連續性，並有利於光生載子能高效率地流動和收集。最重要的是導電n型和p型區是透過靜電場的離子化而不是熱活化所形成的，該感應極化電場的載子濃度與熱凍結效應無關。因此，感應極化摻雜的三族氮化物n-i-p太陽能電池即使在低溫環境下操作亦可以提供穩定的轉換效率。 3. 使用硒化鎘量子點改善磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池之電流匹配與提升其轉換效率之研究 三五族串聯式太陽能電池是最有效提供極高轉換效率的電池結構。然而該元件裡每個子電池之間的電流不匹配問題是引起該電池轉換效率實驗值偏離理論值一顯著挑戰。在本研究中，我們使用硒化鎘量子點來提升被限制的子電池光電流以匹配其他子電池的電流輸出並予以提升整體磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池的轉換效率。該限制的光電流被提升的主要原因來自於量子點做為光子轉換器的基本機制。不同尺寸的量子點有調製太陽光譜的獨特能力，因此該太陽能電池提升的效率與選擇量子點的尺寸大小有絕對的關係。本研究結果顯示透過適當地選擇量子點，我們發現佈上直徑4.2 nm、濃度7 mg/ml的硒化鎘量子點在磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池上，其轉換效率與沒有佈上任何量子點的電池相比能有效提升10.39％。Item 基板傾斜砷化銦/砷化鎵量子點之光譜研究(2006) 林承彥; Cheng Yen Lin本論文主要探討基板傾斜上經由Stranski-Krastanow成長模式所生成的量子點的成長特性與光學性質。我們分別對基板傾斜2°、6°、10°以及15°樣品進行光調制反射實驗與光致螢光實驗。 在光調制反射實驗中，譜圖內有來自濕層與砷化鎵基板的訊號，但是未觀察到明顯的量子點訊號。光致螢光實驗內，我們分別對四組樣品採用改變激發功率與調高溫度的方式，由譜形所產生的變化來探討載子在量子點內的束縛能級間的光學躍遷和載子在不同尺寸的量子點群之間的轉換。我們透過光譜與理論模型所計算出隨量子點尺寸變化的光學躍遷能量值之間的比較，得到對應螢光譜峰的量子點基底長度。 由四組基板傾斜樣品個別低溫螢光譜形的高斯擬合結果中，可歸納出當基板傾斜角度增加時，螢光譜峰呈現藍移，顯示出載子在量子點內受到的束縛能量變大，因此樣品上的量子點尺寸隨傾斜基板角度變大而變小。此外，基板傾斜角度變大時，樣品的螢光譜峰強度也相對增強，意味著樣品上的量子點密度也跟傾斜角度增加而變密。Item 硒化鎘量子點改善磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池之電流匹配與效率提升之研究(2014) 劉安帆; Liu anfan三五族多接面串聯式太陽能電池(III-V-base tandem solarcell)是由不同材料逐層堆疊所組成的化合物半導體結構，每一接面材料對應不同的能隙(energy band-gap)分佈，可分別吸收太陽光譜中不同波段以提高元件之光電功率轉換效率。在設計一高功率轉換效率之多接面串聯式太陽能電池時，有一項重要的物理因素值得探討，即在各個接面電池間，其光致電流(photon-generated current)是否有達到電流匹配(current matching)之議題。根據基本電學原理，一串聯電路中其導通電流須為一致。因此，對一多接面串聯式太陽能電池而言，其各個接面電池在照光後產生不同光致電流時，將以最小電流作為整個元件之輸出電流。換言之，整體太陽能電池最終輸出光電流會被產生最小電流的該層接面電池所限制。本論文主要研究使用硒化鎘(cadmium selenide, CdSe)量子點(quantum dots, QDs)來增強磷化銦鎵/砷化鎵/鍺 (InGaP/GaAs/Ge)三接面串聯式太陽能電池之光電功率轉換效率。量子點具有獨特的量子侷限效應(quantum confinement effect)，可以用來調變太陽光譜，以利於多接面串聯式太陽能電池整體轉換效率的提升。我們發現，其所增加之光電功率轉換效率與元件本身的結構，以及量子點的尺寸有很大的關連。我們進一步建立一套物理模型來設計與優化量子點尺寸，以達到最佳之元件功率轉換效率輸出。最後，本論文在磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯太陽能電池上旋轉塗佈(spin coating)濃度7 mg/mL、直徑為4.2nm的硒化鎘量子點，相較於未塗佈量子點的裸片太陽能電池，光電功率轉換效率大幅且穩定地增加了10.39%。由於合成與旋轉塗布CdSe量子點是低成本且成熟的製程技術，並可直接融於現行太陽能元件的製造流程；因此我們相信，本論文所提出之新穎結構將可廣泛應用於下世代高效率之相關能源光電元件。