TWI419341B - 量子點薄膜太陽能電池 - Google Patents

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Description

量子點薄膜太陽能電池
本發明是有關於一種薄膜太陽能電池(thin film solar cell)，且特別是有關於一種量子點(quantum dot)薄膜太陽能電池。
太陽能電池是一種非常有希望的乾淨能源，其可直接從陽光產生電。若能將量子點的效應引進太陽能電池，則其能量轉換效益俾能大幅提升。所謂的量子點的效應一般與以下兩種效應有關。
其一是衝擊離子化效應(Impact Ionization)，這在半導體材料中是指當外界提供兩個能隙的能量時，被激發的電子會以熱電子的形式存在。當此熱電子自高能階回到低能階激發態時，所釋放的能量可將另一個電子由價帶激發至導帶，此現象即為衝擊離子化效應。利用此一效應，一個高能光子可以激發兩個或數個熱電子。
另一是相對於衝擊離子化效應之歐傑再結合效應(Auger Recombination)，其意指半導體材料中一個熱電子與電洞因再結合所釋放的能量，可驅使另一個熱電子向更高的能階躍遷，如此一來可延長導帶中熱電子的壽命。
當半導體材料達量子點尺寸時，連續的導帶逐漸分裂成細小能階，使得電子冷卻速度變慢，所以衝擊離子化效應和歐傑再結合效應能有效發揮，根據理論計算衝擊離子化效應可使單一能隙吸光的太陽能電池效率最高可達31%，若同時結合歐傑再結合效應，則最高理論電池效率可達到66%。足見量子點在太陽能電池的潛力。
現行的染料敏化太陽能電池(DSSC)已開始引用添加奈米量子點於太陽能電池中，但是由於奈米晶體與光活性層的介面附著性不佳，導致能量轉換效應無法提升上來，甚至比未添加量子點者還差。
雖然在美國專利公開號20080230120及中華民國專利公開號200810136均有提到改良之量子效率之奈米光伏打裝置，然其奈米晶體層是獨立出來一層，所以在整體結構上不但要增加透明導電膜或穿隧接面，其製造成本也會增加。
本發明提供一種量子點薄膜太陽能電池，具有內含量子點之光活性層。
本發明提出一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：依序沉積在一基板上的一第一電極層、一光活性層與一第二電極層，其中光活性層內形成有數個量子點。
在本發明之一實施例中，上述光活性層的材料包括非晶矽(a-Si)、微晶矽(μc-Si)、銅銦鎵硒(copper indium gallium diselenide，CIGS)、銅銦硒(CIS)、銅鎵硒(CGS)、銅鎵碲(CGT)、銅銦鋁硒(CIAS)、II-VI或III-V半導體。
本發明再提出一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：一基板、位於基板上的一P型金屬電極層、沉積於P型金屬電極層上的一光活性層、沉積於光活性層上的一N型半導體層以及、位於N型半導體層上的一N型金屬電極層，其中光活性層內形成有數個量子點。
在本發明之再一實施例中，上述光活性層的材料是選自由銅銦鎵硒(Copper indium gallium diselenide，CIGS)、銅銦硒(CIS)、銅鎵硒(CGS)、銅鎵碲(CGT)、銅銦鋁硒(CIAS)所組成的物質群中選擇的一種物質。
在本發明之再一實施例中，上述光活性層的材料是銅銦鎵硒(CIGS)時，P型金屬電極層的材料包括鉬(Mo)、N型半導體層的材料包括硫化鎘(CdS)、及N型金屬電極層的材料包括鎳/鋁(Ni/Al)。另外，於N型半導體層與N型金屬電極層之間還可以包括一抑制層，其材料包括氧化鋅(ZnO)；於抑制層與N型金屬電極層之間還可以包括一導電層，其材料包括鋁摻雜氧化鋅(AZO)；於導電層與N型金屬電極層之間還可以包括一抗反射層，其材料包括氟化鎂(MgF2 )。
本發明另提出一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：一基板、位於基板上的一第一電極層、沉積於第一電極層上的一P-i-N矽薄膜層以及位於P-i-N矽薄膜層上的一第二電極層。其中，P-i-N矽薄膜層中的本質層內形成有數個量子點。
在本發明之另一實施例中，上述P-i-N矽薄膜層是由非晶矽(a-Si)、微晶矽(μc-Si)或微晶矽鍺(μc-SiGe)所構成的結構。譬如：上述P-i-N矽薄膜層可包括沉積於第一電極層上的一P型非晶矽氫(a-Si:H)層、沉積於P型非晶矽氫層上的一非晶矽氫(a-Si:H)本質層以及沉積於非晶矽氫本質層上的一N型非晶矽氫(a-Si:H)層。在此情形中的上述第一電極層的材料可為透明導電氧化物(TCO)，且第二電極層的材料可為金屬。
在本發明之另一實施例中，上述P-i-N矽薄膜層也可以包括沉積於第一電極層上的一N型微晶摻氫矽(μc-Si:H)層、沉積於N型微晶摻氫矽層上的一微晶矽氫本質層以及沉積於微晶矽氫本質層上的一P型微晶摻氫矽層。在此情形中的第一電極層的材料可為金屬，且第二電極層的材料可為透明導電氧化物。
本發明又提出一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：一基板、位於基板上的一第一電極層、沉積於第一電極層上的一P型III-V半導體層、沉積於P型III-V半導體層上的一III-V半導體本質層、沉積於III-V半導體本質層上的一N型III-V半導體層以及位於N型III-V半導體層上的一第二電極層。其中，III-V半導體本質層內形成有數個量子點。
在本發明之又一實施例中，上述P型III-V半導體層的材料包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)或磷化鎵銦(GaInP)。
在本發明之又一實施例中，上述III-V半導體本質層的材料包括砷化鎵、磷化銦或磷化鎵銦。
在本發明之又一實施例中，上述N型III-V半導體層的材料包括砷化鎵、磷化銦或磷化鎵銦。
在本發明之又一實施例中，上述第一電極層的材料為金屬，且第二電極層的材料為透明導電氧化物。
本發明又提出一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：一基板、位於基板上的一N型金屬電極層、沉積於N型金屬電極層上的一N型半導體層、沉積於N型半導體層上的一II-VI半導體本質層、沉積於II-VI半導體本質層上的一P型半導體層、沉積於P型半導體層上的一P型金屬電極層。在II-VI半導體本質層內形成有數個量子點。
在本發明之又一實施例中，當上述II-VI半導體本質層的材料是碲化鎘(CdTe)時，P型金屬電極層的材料可為鉬(Mo)、N型半導體層的材料可為硫化鎘(CdS)、P型半導體層的材料可為碲化銻(Sb2 Te3 )以及N型金屬電極層的材料可為銦錫氧化物(ITO)。
在本發明之又一實施例中，位於N型半導體層與N型金屬電極層之間還可包括一抑制層，其材料包括氧化鋅(ZnO)。
在本發明之各實施例中，上述量子點的能隙是選自IR區間、可見光區間與UV區間其中的一種或一種以上。當量子點的能隙是在IR區間時，量子點的材料是選自由PbS、GaSb、InSb、InAs及CIS等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質。當量子點的能隙是在可見光區間時，量子點的材料是選自由InP及CdS等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質。當量子點的能隙是在UV區間時，量子點的材料是選自由TiO2 、ZnO及SnO2 等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質。
基於上述，本發明之結構因為可利用如物理氣相蒸鍍(physical vapor deposition，PVD)之類的真空鍍膜設備製作，所以可改善量子點薄膜太陽能電池中的量子點與光活性層的介面附著性，進而使衝擊離子化效應及歐傑再結合效應得以充分發揮。而且本發明之量子點薄膜太陽能電池中的光活性層及其量子點可選擇在同一製程中形成，故而光電轉換效率必定優於傳統的量子點敏化太陽能電池(QDSSC)。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明所附圖式是用以詳細說明本發明之實施例，然而本發明可以許多不同形式來體現，不限於下列實施例。實際上提供這些實施例是為使本發明之揭露更詳盡且完整，以便將本發明之範疇完全傳達至所屬技術領域中具有通常知識者。在圖式中，為明確起見不按實際尺寸描繪各層以及區域的尺寸及相對尺寸。
應知在本說明書中，當稱一元件或一層是“位於另一元件或層上”時，其可直接位於另一元件或層上或可存在中介的元件或層。再者，儘管本說明書中使用「第一」、「第二」等用語來描述各種元件以及/或層，但是應知這樣的用語不應限制這些元件以及/或層。這樣的用語僅是用以將一元件或層區別於另一區域或層。因此，在不脫離本發明之教示的情況下，下文所述之第一層可稱為第二層。
另外，本說明書中使用諸如「於...上」、「於...下」及其類似之空間相對用語，來便於描述圖中所說明之一元件或特徵與另一元件或特徵的關係。舉例而言，若將圖中的元件翻轉，則被描述為位於其他元件或特徵「上」的元件接著將被定向成位於其他元件或特徵「下方」。
圖1顯示本發明之一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。請參照圖1，本發明之概念是至少包括依序沉積在一基板100上的一第一電極層102、一光活性層104與一第二電極層106的一種量子點薄膜太陽能電池，其中光活性層104內形成有數個量子點108。由於本發明之光活性層104可利用物理氣相蒸鍍(physical vapor deposition，PVD)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)等製程形成，以便在形成光活性層104的同時於其中形成量子點108，如此可徹底改善傳統量子點敏化太陽能電池(QDSSC)量子點與光活性層的介面問題，讓衝擊離子化效應及歐傑再結合效應得以充分發揮。而且本發明之量子點108與光活性層104是在同一製程中，轉換效率必定較好。
上述形成光活性層104之製程譬如利用圖2所示之真空鍍膜設備200，進行附著靶材濺鍍法(target-attached sputtering)。在圖2中顯示一個處理室202及其中靶材204，而相對靶材204配置的即為基板100(其中未繪示第一電極層)。在通電後會於靶材204和基板100之間產生電漿208。靶材204上還設有數個小錠(pellet)206，其中靶材204的材料可以是光活性層的材料，而小錠206的材料可以是量子點的材料，所以在蒸鍍過程中靶材204會形成膜(光活性層)的母相(matrix)，而小錠206就會在膜中形成奈米析出物，故可作為薄膜太陽能電池之量子點。再者，可藉由小錠206在靶材204上的分佈、RF Power或者製程壓力來控制量子點的大小與疏密度。
在圖1中，光活性層104只是一個廣泛性的技術性用語，可泛指非晶矽(a-Si)、微晶矽(μc-Si)、銅銦鎵硒(CIGS)、銅銦硒(CIS)、銅鎵硒(CGS)、銅鎵碲(CGT)、銅銦鋁硒(CIAS)、II-VI或III-V半導體。至於量子點108則可為能隙涵蓋IR區間、可見光區間與UV區間的量子點108；意即可同時使用多種量子點108材料，以增加光子吸收範圍。譬如：當量子點108的能隙是在IR區間時，量子點108的材料是選自由PbS、GaSb、InSb、InAs及CIS等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質；當量子點108的能隙是在可見光區間時，量子點108的材料是選自由InP及CdS等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質；而當量子點108的能隙是在UV區間時，量子點108的材料是選自由TiO2 、ZnO及SnO2 等所組成的物質群中選擇的一種或多種物質。上述量子點108與光活性層104的材料需顧及導帶能階的傳導可行性。
以下列舉幾個將本發明之概念應用於不同類的薄膜太陽能電池的例子，而且量子點與光活性層的材料可從上一段的記載中選擇適合者。
第 一實施例
圖3是依照本發明之第一實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
請參照圖3，第一實施例的量子點薄膜太陽能電池300包括一基板302、一P型金屬電極層304、一光活性層306、一N型半導體層308以及一N型金屬電極層310，其中P型光活性層306內形成有數個量子點312。在本圖中的量子點312雖然呈現均勻分佈的狀態，但本發明並不限於此；換言之，光活性層306內形成的量子點312也可以是呈現無規則的分佈狀態。
請繼續參照圖3，第一實施例中的光活性層306的材料例如是選自由銅銦鎵硒(Copper indium gallium diselenide，CIGS)、銅銦硒(CIS)、銅鎵硒(CGS)、銅鎵碲(CGT)、銅銦鋁硒(CIAS)所組成的物質群中選擇的一種物質。舉例來說，當光活性層306的材料是銅銦鎵硒(CIGS)時，P型金屬電極層304的材料可為鉬(Mo)、N型半導體層308的材料可為硫化鎘(CdS)、N型金屬電極層310的材料可為鎳/鋁(Ni/Al)；另外，於N型半導體層308與N型金屬電極層310之間還可以包括一層抑制層314、一層導電層316與一層抗反射層318。抑制層314之材料例如氧化鋅(ZnO)、導電層316之材料例如鋁摻雜氧化鋅(AZO)、抗反射層318之材料例如氟化鎂(MgF2 )。
由於光活性層306可以藉由如附著靶材濺鍍法之類的方法所製出其中包含均勻密佈的量子點312，若導帶能階控制得當將可增進能量轉換效率。至於量子點的大小與疏密度如上述可由製程參數控制。
第二實施例
圖4是依照本發明之第二實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
請參照圖4，第二實施例的量子點薄膜太陽能電池400至少包括：一基板402、位於基板402下的一第一電極層404、沉積於第一電極層404下的一P-i-N矽薄膜層406以及位於P-i-N矽薄膜層406下的一第二電極層408。其中，P-i-N矽薄膜層406中的本質層406b內形成有數個量子點410。上述P-i-N矽薄膜層406例如是由非晶矽(a-Si)、微晶矽(μc-Si)或微晶矽鍺(μc-SiGe)所構成的結構。譬如：上述P-i-N矽薄膜層406可包括沉積於第一電極層404上的一P型非晶矽氫(a-Si:H)層406a、沉積於P型非晶矽氫層406a上的一非晶矽氫本質層406b以及沉積於非晶矽氫本質層406b上的一N型非晶矽氫層406c。在此情形中的第一電極層404的材料可為透明導電氧化物(TCO)，且第二電極層408的材料可為金屬，如鋁或銀。
第三實施例
圖5是依照本發明之第三實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
請參照圖5，第三實施例的量子點薄膜太陽能電池500屬於一種串接式(tandem)太陽能電池，至少包括一基板502、位於基板502上的一第一電極層504、由沉積於第一電極層504上的一N型微晶摻氫矽(μc-Si:H)層506a、一微晶矽氫本質層506b及一P型微晶摻氫矽層506c構成之P-i-N微晶矽氫薄膜、由沉積於P型微晶摻氫矽層506c上的一N型非晶矽氫層508a、一非晶矽氫本質層508b及一P型非晶矽氫層508c構成之P-i-N非晶矽氫薄膜、以及位於P型非晶矽氫層508c上的一第二電極層510。在本實施例中，微晶矽氫本質層506b與非晶矽氫本質層508b內都可形成有量子點512和514，且量子點512和514的材料選擇基本上可選擇能隙分別較微晶矽氫本質層506b與非晶矽氫本質層508b小者。在此情形中的第一電極層504的材料可為金屬，且第二電極層510的材料可為透明導電氧化物。
第四實施例
圖6是依照本發明之第四實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
請參照圖6，第四實施例的量子點薄膜太陽能電池600屬於一種串接式太陽能電池，至少包括一基板602以及位於基板602上的一第一電極層604和一第二電極層606，而在第一和一第二電極層604和606之間可以只沉積有一層P型III-V半導體層、一層III-V半導體本質層與一層N型III-V半導體層，其中，P型III-V半導體層的材料例如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)或磷化鎵銦(GaInP)；III-V半導體本質層的材料例如砷化鎵、磷化銦或磷化鎵銦；N型III-V半導體層的材料例如砷化鎵、磷化銦或磷化鎵銦。
不過，第四實施例是屬於將多層不同材料疊層之多接面太陽能電池，例如在第一電極層604上依序沉積一層P型Ge層608a、一層Ge本質層608b、一層N型Ge層608c、一層第一穿隧接面610、一層P型GaAs層612a、一層GaAs本質層612b、一層N型GaAs層612c、一層第二穿隧接面614、一層P型GaInP層616a、一層GaInP本質層616b、一層N型GaInP層616c，而構成Ge、GaAs和GaInP三接面電池，因其可吸收光譜範圍極廣，故轉換效率高。尤其是在Ge本質層608b、GaAs本質層612b和GaInP本質層616b內都可形成有量子點618、620和622，以改善量子點與其存在的該層之間的介面問題，讓衝擊離子化效應及歐傑再結合效應得以充分發揮。在第四實施例中，上述第一電極層604的材料例如金屬，且第二電極層606的材料例如透明導電氧化物。
第五實施例
圖7是依照本發明之第五實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
請參照圖7，第五實施例的量子點薄膜太陽能電池700包括一基板702、一N型金屬電極層704、一P型金屬電極層706、一II-VI半導體本質層708、一P型半導體層710以及一N型半導體層712。在II-VI半導體本質層708內形成有數個量子點714。在本圖中的量子點714雖然呈現均勻分佈的狀態，但本發明並不限於此。
請繼續參照圖7，在本舉例中，當光活性層708的材料是碲化鎘(CdTe)時，則P型半導體層710的材料可為碲化銻(Sb2 Te3 )、N型半導體層712的材料可為硫化鎘(CdS)、P型金屬電極層706的材料可為鉬(Mo)、N型金屬電極層704的材料可為銦錫氧化物(ITO)；另外，於N型半導體層712與N型金屬電極層704之間還可以包括一層抑制層716，其材料例如氧化鋅(ZnO)。
以下列舉幾個實驗來證實本發明之功效。
實驗一
製作一個如圖4的非晶矽(a-Si)薄膜太陽電池，其中具有PbS量子點。另外製作一個無添加PbS量子點的非晶矽薄膜太陽電池作為對照組。
然後，測量這兩個非晶矽薄膜太陽電池的光學吸收係數，得到圖8。
從圖8可知，非晶矽(a-Si)薄膜太陽電池添加PbS量子點後，光學吸收係數在可見光及紅外光部分有明顯增加的現象。特別是在紅外光的部分，光學吸收增加將近十三倍(2.6E3→3.4E4)。
實驗二
製作一個如圖4的銅鎵硒(CGS)薄膜太陽電池，其中具有銅銦硒(CIS)量子點。另外製作一個無添加CIS量子點的銅鎵硒薄膜太陽電池作為對照組。
然後，測量這兩個銅鎵硒薄膜太陽電池的光學吸收係數，得到圖9。
從圖9可知，銅鎵硒薄膜太陽電池添加銅銦硒量子點後，光學吸收係數在可見光及紅外光部分有明顯增加的現象。光學吸收增加將近七倍(5.3E3→3.6E4)。
綜上所述，本發明之結構是在沉積薄膜太陽能電池中的光活性層時，使量子點同時被形成於其中，因此可改善量子點薄膜太陽能電池中的量子點與光活性層的介面附著性，而使衝擊離子化效應及歐傑再結合效應得以充分發揮。再者，由於本發明之量子點薄膜太陽能電池中的光活性層及其量子點在同一製程中形成，其光電轉換效率必定優於傳統的量子點敏化太陽能電池。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、302、402、502、602、702．．．基板
102、404、504、604．．．第一電極層
104．．．光活性層
106、408、510、606．．．第二電極層
108、312、410、512、514、618、620、622、714．．．量子點
200．．．真空鍍膜設備
202．．．處理室
204．．．靶材
206．．．小錠
208．．．電漿
300、400、500、600、700．．．量子點薄膜太陽能電池
304、706．．．P型金屬電極層
306．．．光活性層
308、712．．．N型半導體層
310、704．．．N型金屬電極層
314、716．．．抑制層
316．．．導電層
318．．．抗反射層
406．．．P-i-N矽薄膜層
406c、508a．．．N型非晶矽氫層
406b、508b．．．非晶矽氫本質層
406a、508c．．．P型非晶矽氫層
506a．．．N型微晶摻氫矽
506b．．．微晶矽氫本質層
506c．．．P型微晶摻氫矽層
608a．．．P型Ge層
608b．．．Ge本質層
608c．．．N型Ge層
610．．．第一穿隧接面
612a．．．P型GaAs層
612b．．．GaAs本質層
612c．．．N型GaAs層
614．．．第二穿隧接面
616a．．．P型GaInP層
616b．．．GaInP本質層
616c．．．N型GaInP層
708．．．II-VI半導體本質層
710．．．P型半導體層
圖1是本發明之一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖2是用以形成本發明之光活性層的一種真空鍍膜設備的示意圖。
圖3是依照本發明之第一實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖4是依照本發明之第二實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖5是依照本發明之第三實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖6是依照本發明之第四實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖7是依照本發明之第五實施例的一種量子點薄膜太陽能電池之結構剖面示意圖。
圖8是實驗一之非晶矽薄膜太陽電池所測得的曲線圖。
圖9是實驗二之銅鎵硒薄膜太陽電池所測得的曲線圖。
100．．．基板
102．．．第一電極層
104．．．光活性層
106．．．第二電極層
108．．．量子點

Claims (4)

  1. 一種量子點薄膜太陽能電池，至少包括：一基板；一P型金屬電極層，位於該基板上；一光活性層，沉積於該P型金屬電極層上，其中該光活性層內形成有多數個銅銦硒(CIS)量子點，且該光活性層的材料是選自由銅銦鎵硒(CIGS)、銅鎵硒(CGS)、銅鎵碲(CGT)及銅銦鋁硒(CIAS)所組成的物質群中選擇的一種物質；一N型半導體層，沉積於該光活性層上；以及一N型金屬電極層，位於該N型半導體層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量子點薄膜太陽能電池，其中該光活性層的材料是銅銦鎵硒(Copper indium gallium diselenide，CIGS)時，該P型金屬電極層的材料包括鉬(Mo)、該N型半導體層的材料包括硫化鎘(CdS)、及該N型金屬電極層的材料包括鎳/鋁(Ni/Al)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之量子點薄膜太陽能電池，更包括：一抑制層，位於該N型半導體層與該N型金屬電極層之間；一導電層，位於該抑制層與該N型金屬電極層之間；以及一抗反射層，位於該導電層與該N型金屬電極層之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之量子點薄膜太陽能 電池，其中該抑制層的材料包括氧化鋅(ZnO)、該導電層的材料包括鋁摻雜氧化鋅(AZO)、及該抗反射層的材料包括氟化鎂(MgF2 )。
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