CN102237202B - 量子点薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：依序沉积在一基板上的一第一电极层、一光活性层与一第二电极层，其中光活性层内形成有数个量子点。因为通过共沉积形成光活性层与量子点，所以这种量子点薄膜太阳能电池的量子点与光活性层的界面附着性优异。

Description

量子点薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种薄膜太阳能电池(thin film solar cell)，且特别是涉及一种量子点(quantum dot)薄膜太阳能电池。 

背景技术

太阳能电池是一种非常有希望的干净能源，其可直接从阳光产生电。若能将量子点的效应引进太阳能电池，则其能量转换效益能大幅提升。所谓的量子点的效应一般与以下两种效应有关。 

其一是冲击离子化效应(Impact Ionization)，这在半导体材料中是指当外界提供两个能隙的能量时，被激发的电子会以热电子的形式存在。当此热电子自高能阶回到低能阶激发态时，所释放的能量可将另一个电子由价带激发至导带，此现象即为冲击离子化效应。利用此一效应，一个高能光子可以激发两个或数个热电子。 

另一是相对于冲击离子化效应的欧杰再结合效应(Auger Recombination)，其意指半导体材料中一个热电子与空穴因再结合所释放的能量，可驱使另一个热电子向更高的能阶跃迁，如此一来可延长导带中热电子的寿命。 

当半导体材料达量子点尺寸时，连续的导带逐渐分裂成细小能阶，使得电子冷却速度变慢，所以冲击离子化效应和欧杰再结合效应能有效发挥，根据理论计算冲击离子化效应可使单一能隙吸光的太阳能电池效率最高可达31％，若同时结合欧杰再结合效应，则最高理论电池效率可达到66％。足见量子点在太阳能电池的潜力。 

现行的染料敏化太阳能电池(DSSC)已开始引用添加纳米量子点在太阳能电池中，但是由于纳米晶体与光活性层的界面附着性不佳，导致能量转换效应无法提升上来，甚至比未添加量子点者还差。 

虽然在美国专利公开号20080230120及中国台湾专利公开号200810136均有提到改良的量子效率的纳米光伏打装置，然其纳米晶体层是独立出来一 层，所以在整体结构上不但要增加透明导电膜或隧穿接面，其制造成本也会增加。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种量子点薄膜太阳能电池，具有内含量子点的光活性层。 

为达上述目的，本发明提出一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：依序沉积在一基板上的一第一电极层、一光活性层与一第二电极层，其中光活性层(optical active layer)内形成有数个量子点。 

在本发明的一实施例中，上述光活性层的材料包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、铜铟镓硒(copper indium gallium diselenide，CIGS)、铜铟硒(CIS)、铜镓硒(CGS)、铜镓碲(CGT)、铜镓铝硒(CGAS)、II-VI或III-V半导体。 

本发明再提出一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：一基板、位于基板上的一P型金属电极层、沉积于P型金属电极层上的一光活性层、沉积于光活性层上的一N型半导体层以及、位于N型半导体层上的一N型金属电极层，其中光活性层内形成有数个量子点。 

在本发明的再一实施例中，上述光活性层的材料是选自由铜铟镓硒(Copper indium gallium diselenide，CIGS)、铜铟硒(CIS)、铜镓硒(CGS)、铜镓碲(CGT)、铜铟铝硒(CIAS)所组成的物质群中选择的一种物质。 

在本发明的再一实施例中，上述光活性层的材料是铜铟镓硒(CIGS)时，P型金属电极层的材料包括钼(Mo)、N型半导体层的材料包括硫化镉(CdS)、及N型金属电极层的材料包括镍/铝(Ni/Al)。另外，在N型半导体层与N型金属电极层之间还可以包括一抑制层，其材料包括氧化锌(ZnO)；在抑制层与N型金属电极层之间还可以包括一导电层，其材料包括铝掺杂氧化锌(AZO)；在导电层与N型金属电极层之间还可以包括一抗反射层，其材料包括氟化镁(MgF₂)。 

本发明另提出一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：一基板、位于基板上的一第一电极层、沉积于第一电极层上的一P-i-N硅薄膜层以及位于P-i-N硅薄膜层上的一第二电极层。其中，P-i-N硅薄膜层中的本质层内形成有数个量子点。 

在本发明的另一实施例中，上述P-i-N硅薄膜层是由非晶硅(a-Si)、微晶 硅(μc-Si)或微晶硅锗(μc-SiGe)所构成的结构。譬如：上述P-i-N硅薄膜层可包括沉积于第一电极层上的一P型非晶硅氢(a-Si:H)层、沉积于P型非晶硅氢层上的一非晶硅氢(a-Si:H)本质层以及沉积于非晶硅氢本质层上的一N型非晶硅氢(a-Si:H)层。在此情形中的上述第一电极层的材料可为透明导电氧化物(TCO)，且第二电极层的材料可为金属。 

在本发明的另一实施例中，上述P-i-N硅薄膜层也可以包括沉积于第一电极层上的一N型微晶掺氢硅(μc-Si:H)层、沉积于N型微晶掺氢硅层上的一微晶硅氢本质层以及沉积于微晶硅氢本质层上的一P型微晶掺氢硅层。在此情形中的第一电极层的材料可为金属，且第二电极层的材料可为透明导电氧化物。 

本发明又提出一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：一基板、位于基板上的一第一电极层、沉积于第一电极层上的一P型III-V半导体层、沉积于P型III-V半导体层上的一III-V半导体本质层、沉积于III-V半导体本质层上的一N型III-V半导体层以及位于N型III-V半导体层上的一第二电极层。其中，III-V半导体本质层内形成有数个量子点。 

在本发明的又一实施例中，上述P型III-V半导体层的材料包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或磷化镓铟(GaInP)。 

在本发明的又一实施例中，上述III-V半导体本质层的材料包括砷化镓、磷化铟或磷化镓铟。 

在本发明的又一实施例中，上述N型III-V半导体层的材料包括砷化镓、磷化铟或磷化镓铟。 

在本发明的又一实施例中，上述第一电极层的材料为金属，且第二电极层的材料为透明导电氧化物。 

本发明又提出一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：一基板、位于基板上的一N型金属电极层、沉积于N型金属电极层上的一N型半导体层、沉积于N型半导体层上的一II-VI半导体本质层、沉积于II-VI半导体本质层上的一P型半导体层、沉积于P型半导体层上的一P型金属电极层。在II-VI半导体本质层内形成有数个量子点。 

在本发明的又一实施例中，当上述II-VI半导体本质层的材料是碲化镉(CdTe)时，P型金属电极层的材料可为钼(Mo)、N型半导体层的材料可为硫化镉(CdS)、P型半导体层的材料可为碲化锑(Sb₂Te₃)以及N型金属电极层的 材料可为铟锡氧化物(ITO)。 

在本发明的又一实施例中，位于N型半导体层与N型金属电极层之间还可包括一抑制层，其材料包括氧化锌(ZnO)。 

在本发明中，上述量子点的能隙是选自IR(infrared)区间、可见光(visible light)区间与UV(ultraviolet)区间其中的一种或一种以上。当量子点的能隙是在IR区间时，量子点的材料是选自由PbS、GaSb、InSb、InAs及CIS等所组成的物质群中选择的一种或多种物质。当量子点的能隙是在可见光区间时，量子点的材料是选自由InP及CdS等所组成的物质群中选择的一种或多种物质。当量子点的能隙是在UV区间时，量子点的材料是选自由TiO₂、ZnO及SnO₂等所组成的物质群中选择的一种或多种物质。 

基于上述，本发明的结构因为可利用如物理气相蒸镀(physical vapor deposition，PVD)之类的真空镀膜设备制作，所以可改善量子点薄膜太阳能电池中的量子点与光活性层的界面附着性，进而使冲击离子化效应及欧杰再结合效应得以充分发挥。而且本发明的量子点薄膜太阳能电池中的光活性层及其量子点可选择在同一制作工艺中形成，故而光电转换效率必定优于传统的量子点敏化太阳能电池(QDSSC)。 

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。 

附图说明

图1是本发明的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图； 

图2是用以形成本发明的光活性层的一种真空镀膜设备的示意图； 

图3是依照本发明的第一实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图； 

图4是依照本发明的第二实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图； 

图5是依照本发明的第三实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图； 

图6是依照本发明的第四实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图； 

图7是依照本发明的第五实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖 面示意图； 

图8是实验一的非晶硅薄膜太阳能电池所测得的曲线图； 

图9是实验二的铜镓硒薄膜太阳能电池所测得的曲线图。 

主要元件符号说明 

100、302、402、502、602、702：基板 

102、404、504、604：第一电极层 

104：光活性层 

106、408、510、606：第二电极层 

108、312、410、512、514、618、620、622、714：量子点 

200：真空镀膜设备 

202：处理室 

204：靶材 

206：小锭 

208：等离子体 

300、400、500、600、700：量子点薄膜太阳能电池 

304、706：P型金属电极层 

306：光活性层 

308、712：N型半导体层 

310、704：N型金属电极层 

314、716：抑制层 

316：导电层 

318：抗反射层 

406：P-i-N硅薄膜层 

406c、508a：N型非晶硅氢层 

406b、508b：非晶硅氢本质层 

406a、508c：P型非晶硅氢层 

506a：N型微晶掺氢硅 

506b：微晶硅氢本质层 

506c：P型微晶掺氢硅层 

608a：P型Ge层 

608b：Ge本质层 

608c：N型Ge层 

610：第一隧穿接面 

612a：P型GaAs层 

612b：GaAs本质层 

612c：N型GaAs层 

614：第二隧穿接面 

616a：P型GaInP层 

616b：GaInP本质层 

616c：N型GaInP层 

708：II-VI半导体本质层 

710：P型半导体层 

具体实施方式

本发明所附附图是用以详细说明本发明的实施例，然而本发明可以许多不同形式来体现，不限于下列实施例。实际上提供这些实施例是为使本发明的揭露更详尽且完整，以便将本发明的范畴完全传达至所属技术领域中具有通常知识者。在附图中，为明确起见不按实际尺寸描绘各层以及区域的尺寸及相对尺寸。 

应知在本说明书中，当称一元件或一层是“位于另一元件或层上”时，其可直接位于另一元件或层上或可存在中介的元件或层。再者，尽管本说明书中使用「第一」、「第二」等用语来描述各种元件以及/或层，但是应知这样的用语不应限制这些元件以及/或层。这样的用语仅是用以将一元件或层区别于另一区域或层。因此，在不脱离本发明的教示的情况下，下文所述的第一层可称为第二层。 

另外，本说明书中使用诸如「于...上」、「于...下」及其类似的空间相对用语，来便于描述图中所说明的一元件或特征与另一元件或特征的关系。举例而言，若将图中的元件翻转，则被描述为位于其他元件或特征「上」的元件接着将被定向成位于其他元件或特征「下方」。 

图1显示本发明的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。请参照图1，本发明的概念是至少包括依序沉积在一基板100上的一第一电极层 102、一光活性层104与一第二电极层106的一种量子点薄膜太阳能电池，其中光活性层104内形成有数个量子点108。由于本发明的光活性层104可利用物理气相蒸镀(physical vapor deposition，PVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)等制作工艺形成，以便在形成光活性层104的同时在其中形成量子点108，如此可彻底改善传统量子点敏化太阳能电池(QDSSC)量子点与光活性层的界面问题，让冲击离子化效应及欧杰再结合效应得以充分发挥。而且本发明的量子点108与光活性层104是在同一制作工艺中，转换效率必定较好。 

上述形成光活性层104的制作工艺譬如利用图2所示的真空镀膜设备200，进行附着靶材溅镀法(target-attached sputtering)。在图2中显示一个处理室202及其中靶材204，而相对靶材204配置的即为基板100(其中未绘示第一电极层)。在通电后会在靶材204和基板100之间产生等离子体208。靶材204上还设有数个小锭(pellet)206，其中靶材204的材料可以是光活性层的材料，而小锭206的材料可以是量子点的材料，所以在蒸镀过程中靶材204会形成膜(光活性层)的母相(matrix)，而小锭206就会在膜中形成纳米析出物，故可作为薄膜太阳能电池的量子点。再者，可通过小锭206在靶材204上的分布、RF Power或者制作工艺压力来控制量子点的大小与疏密度。 

在图1中，光活性层104只是一个广泛性的技术性用语，可泛指非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、铜铟镓硒(CIGS)、铜铟硒(CIS)、铜镓硒(CGS)、铜镓碲(CGT)、铜镓铝硒(CGAS)、II-VI或III-V半导体。至于量子点108则可为能隙涵盖IR区间、可见光区间与UV区间的量子点108；意即可同时使用多种量子点108材料，以增加光子吸收范围。譬如：当量子点108的能隙是在IR区间时，量子点108的材料是选自由PbS、GaSb、InSb、InAs及CIS等所组成的物质群中选择的一种或多种物质；当量子点108的能隙是在可见光区间时，量子点108的材料是选自由InP及CdS等所组成的物质群中选择的一种或多种物质；而当量子点108的能隙是在UV区间时，量子点108的材料是选自由TiO₂、ZnO及SnO₂等所组成的物质群中选择的一种或多种物质。上述量子点108与光活性层104的材料需顾及导带能阶的传导可行性。 

以下列举几个将本发明的概念应用于不同类的薄膜太阳能电池的例子，而且量子点与光活性层的材料可从上一段的记载中选择适合者。 

第一实施例 

图3是依照本发明的第一实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。 

请参照图3，第一实施例的量子点薄膜太阳能电池300包括一基板302、一P型金属电极层304、一光活性层306、一N型半导体层308以及一N型金属电极层310，其中P型光活性层306内形成有数个量子点312。在本图中的量子点312虽然呈现均匀分布的状态，但本发明并不限于此；换言之，光活性层306内形成的量子点312也可以是呈现无规则的分布状态。 

请继续参照图3，第一实施例中的光活性层306的材料例如是选自由铜铟镓硒(Copper indium gallium diselenide，CIGS)、铜铟硒(CIS)、铜镓硒(CGS)、铜镓碲(CGT)、铜铟铝硒(CIAS)所组成的物质群中选择的一种物质。举例来说，当光活性层306的材料是铜铟镓硒(CIGS)时，P型金属电极层304的材料可为钼(Mo)、N型半导体层308的材料可为硫化镉(CdS)、N型金属电极层310的材料可为镍/铝(Ni/Al)；另外，在N型半导体层308与N型金属电极层310之间还可以包括一层抑制层314、一层导电层316与一层抗反射层318。抑制层314的材料例如氧化锌(ZnO)、导电层316的材料例如铝掺杂氧化锌(AZO)、抗反射层318的材料例如氟化镁(MgF₂)。 

由于光活性层306可以通过如附着靶材溅镀法之类的方法所制出其中包含均匀密布的量子点312，若导带能阶控制得当将可增进能量转换效率。至于量子点的大小与疏密度如上述可由制作工艺参数控制。 

第二实施例 

图4是依照本发明的第二实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。 

请参照图4，第二实施例的量子点薄膜太阳能电池400至少包括：一基板402、位于基板402下的一第一电极层404、沉积于第一电极层404下的一P-i-N硅薄膜层406以及位于P-i-N硅薄膜层406下的一第二电极层408。其中，P-i-N硅薄膜层406中的本质层406b内形成有数个量子点410。上述P-i-N硅薄膜层406例如是由非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)或微晶硅锗(μc-SiGe)所构成的结构。譬如：上述P-i-N硅薄膜层406可包括沉积于第一电极层404上的一P型非晶硅氢(a-Si:H)层406a、沉积于P型非晶硅氢层406a上的一非晶硅氢本质层406b以及沉积于非晶硅氢本质层406b上的一N型非晶硅氢层406c。在此情形中的第一电极层404的材料可为透明导电氧化物(TCO)，且 第二电极层408的材料可为金属，如铝或银。 

第三实施例 

图5是依照本发明的第三实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。 

请参照图5，第三实施例的量子点薄膜太阳能电池500属于一种串接式(tandem)太阳能电池，至少包括一基板502、位于基板502上的一第一电极层504、由沉积于第一电极层504上的一N型微晶掺氢硅(μc-Si:H)层506a、一微晶硅氢本质层506b及一P型微晶掺氢硅层506c构成的P-i-N微晶硅氢薄膜、由沉积于P型微晶掺氢硅层506c上的一N型非晶硅氢层508a、一非晶硅氢本质层508b及一P型非晶硅氢层508c构成的P-i-N非晶硅氢薄膜、以及位于P型非晶硅氢层508c上的一第二电极层510。在本实施例中，微晶硅氢本质层506b与非晶硅氢本质层508b内都可形成有量子点512和514，且量子点512和514的材料选择基本上可选择能隙分别较微晶硅氢本质层506b与非晶硅氢本质层508b小者。在此情形中的第一电极层504的材料可为金属，且第二电极层510的材料可为透明导电氧化物。 

第四实施例 

图6是依照本发明的第四实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。 

请参照图6，第四实施例的量子点薄膜太阳能电池600属于一种串接式太阳能电池，至少包括一基板602以及位于基板602上的一第一电极层604和一第二电极层606，而在第一和一第二电极层604和606之间可以只沉积有一层P型III-V半导体层、一层III-V半导体本质层与一层N型III-V半导体层，其中，P型III-V半导体层的材料例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或磷化镓铟(GaInP)；III-V半导体本质层的材料例如砷化镓、磷化铟或磷化镓铟；N型III-V半导体层的材料例如砷化镓、磷化铟或磷化镓铟。 

不过，第四实施例是属于将多层不同材料叠层的多接面太阳能电池，例如在第一电极层604上依序沉积一层P型Ge层608a、一层Ge本质层608b、一层N型Ge层608c、一层第一隧穿接面610、一层P型GaAs层612a、一层GaAs本质层612b、一层N型GaAs层612c、一层第二隧穿接面614、一层P型GaInP层616a、一层GaInP本质层616b、一层N型GaInP层616c，而构成Ge、GaAs和GaInP三接面电池，因其可吸收光谱范围极广，故转换 效率高。尤其是在Ge本质层608b、GaAs本质层612b和GaInP本质层616b内都可形成有量子点618、620和622，以改善量子点与其存在的该层之间的界面问题，让冲击离子化效应及欧杰再结合效应得以充分发挥。在第四实施例中，上述第一电极层604的材料例如金属，且第二电极层606的材料例如透明导电氧化物。 

第五实施例 

图7是依照本发明的第五实施例的一种量子点薄膜太阳能电池的结构剖面示意图。 

请参照图7，第五实施例的量子点薄膜太阳能电池700包括一基板702、一N型金属电极层704、一P型金属电极层706、一II-VI半导体本质层708、一P型半导体层710以及一N型半导体层712。在II-VI半导体本质层708内形成有数个量子点714。在本图中的量子点714虽然呈现均匀分布的状态，但本发明并不限于此。 

请继续参照图7，在本举例中，当光活性层708的材料是碲化镉(CdTe)时，则P型半导体层710的材料可为碲化锑(Sb₂Te₃)、N型半导体层712的材料可为硫化镉(CdS)、P型金属电极层706的材料可为钼(Mo)、N型金属电极层704的材料可为铟锡氧化物(ITO)；另外，在N型半导体层712与N型金属电极层704之间还可以包括一层抑制层716，其材料例如氧化锌(ZnO)。 

以下列举几个实验来证实本发明的功效。 

实验一 

制作一个如图4的非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池，其中具有PbS量子点。另外制作一个无添加PbS量子点的非晶硅薄膜太阳能电池作为对照组。 

然后，测量这两个非晶硅薄膜太阳能电池的光学吸收系数，得到图8。 

从图8可知，非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池添加PbS量子点后，光学吸收系数在可见光及红外光部分有明显增加的现象。特别是在红外光的部分，光学吸收增加将近十三倍(2.6E3→3.4E4)。 

实验二 

制作一个如图3的铜镓硒(CGS)薄膜太阳能电池，其中具有铜铟硒(CIS)量子点。另外制作一个无添加CIS量子点的铜镓硒薄膜太阳能电池作为对照组。 

然后，测量这两个铜镓硒薄膜太阳能电池的光学吸收系数，得到图9。 

从图9可知，铜镓硒薄膜太阳能电池添加铜铟硒量子点后，光学吸收系数在可见光及红外光部分有明显增加的现象。光学吸收增加将近七倍(5.3E3→3.6E4)。 

综上所述，本发明的结构是在沉积薄膜太阳能电池中的光活性层时，使量子点同时被形成在其中，因此可改善量子点薄膜太阳能电池中的量子点与光活性层的界面附着性，而使冲击离子化效应及欧杰再结合效应得以充分发挥。再者，由于本发明的量子点薄膜太阳能电池中的光活性层及其量子点在同一制作工艺中形成，其光电转换效率必定优于传统的量子点敏化太阳能电池。 

虽然已结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。 

Claims (4)

1.一种量子点薄膜太阳能电池，至少包括：

基板；

P型金属电极层，位于该基板上；

光活性层，沉积于该P型金属电极层上，其中该光活性层内形成有多数个铜铟硒量子点，该光活性层的材料是选自由铜铟镓硒、铜镓硒、铜镓碲及铜铟铝硒所组成的物质群中选择的一种物质；

N型半导体层，沉积于该光活性层上；以及

N型金属电极层，位于该N型半导体层上。

2.如权利要求1所述的量子点薄膜太阳能电池，其中该光活性层的材料是铜铟镓硒时，该P型金属电极层的材料包括钼、该N型半导体层的材料包括硫化镉、及该N型金属电极层的材料包括镍和铝。

3.如权利要求2所述的量子点薄膜太阳能电池，还包括：

抑制层，位于该N型半导体层与该N型金属电极层之间；

导电层，位于该抑制层与该N型金属电极层之间；以及

抗反射层，位于该导电层与该N型金属电极层之间；

4.如权利要求3所述的量子点薄膜太阳能电池，其中该抑制层的材料包括氧化锌、该导电层的材料包括铝掺杂氧化锌、及该抗反射层的材料包括氟化镁。

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