TWI502757B - Coupled with indium gallium arsenide quantum dotted in the well of the solar cell - Google Patents

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Description

耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池
本發明係關於一種耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池。
在論文「垂直耦合砷化銦鎵量子點」(莊貴雅，2012年)中，一部份揭示探討砷化鎵基板的太陽能電池。為了增加遠紅外線範圍的吸收，以堆疊多層的垂直耦合砷化銦鎵量子點於主動層中。由於，有強的垂直耦合在每層量子點之間以提升整體的量子效率。因此，在太陽能電池的應用上，以堆疊多層的垂直耦合量子點方式來實現。對於九層砷化銦鎵垂直耦合量子點元件顯示其短路電流為10.5mA/cm2 。比較參考樣品來說，短路電流增加了42%；其中，當間隔層厚度為10奈米(nm)的樣品，有較好的電流密度表現(約為24mA/cm2 )以及效率可達到約10.6%。因此，比較參考樣品而言，其電流密度增加了55%，而效率增大了112%；但是在量子點各層間的應力以及在維持住開路電壓(Voc)之方面，並未能達到有效的控制。
請再參考論文「波長1.3μm之量子點綴於井結構雷射」(作者：林庭宇；國立中山大學，2011/07/19)，其係揭示以分子束磊晶(MBE)方法在砷化鎵(GaAs)基板上成長12層砷化銦鎵(In0.75 Ga0.25 As)量子點綴於井(In0.1 Ga0.9 As)結構，分析雷射元件光學特性並達到1.3μm光通訊用波段；主動層都為12層的In0.75 Ga0.25 As量子點和In0.75 Ga0.25 As量子點綴於井(In0.1 Ga0.9 As)結構，量子點綴於井結構主動層再摻雜Be；被覆層部分則固定為Al0.2 Ga0.8 As以達最佳的電性和光侷限效果。由於量子點間隔厚度為20nm，沒有達到量子點電子波耦合的效果，因此，無法增加Jsc 。
請參考論文「分子束磊晶成長砷化鎵銦量子點」(作者：賴聰賢、曾德恩，2011/09/08)，其係主要提到以砷化鎵銦量子點為核心技術， 藉由探討量子點成長條件參數及物理機制來最佳化量子點，設計雷射/半導體光放大器、寬波段量子點結構、兆赫波光源耦合共振腔結構，成長材料進而完成元件製作；而其中一段係提出為了研究1.3微米波長光源的應用開發，係以量子點成長最佳化方式來因應各種應用所需光源特性，以應用於光學相干斷層掃描光源、串接式太陽能電池、兆赫波光源等領域。針對串接式太陽能電池部分，則以不同波長之量子點形成光子吸收能量範圍為1電子伏特結構後，以砷化鎵銦量子井來減緩量子點本身應力來舒緩因應力所造成的開路電壓下降，並透過P型摻雜增加內建電場強度來增加光電流，進而達到較高的效率。然而，其設計架構有別於耦合對稱式量子點太陽能電池，此論文是用不同組成比的量子點多波段串接式太陽能電池，其可吸收的長波長波段由量子點決定，一般量子點其吸收是從價電帶到導電帶，而本專利採取同組成比的耦合量子點結構，除了原本量子點可吸收的波長外(價電帶到導電帶)，因耦合而形成中間能帶增加了導電帶-中間帶以及中間帶-價電帶的吸收，減少磊晶步驟以達到應用的成效。
在論文「寬波段量子點太陽電池之研究」(作者：張家豪，2012/07/30)中，其係揭示提升非對稱性量子點(AMQD)太陽能電池轉換效率；樣品來源為利用實驗室分子束磊晶(MBE)儀器於砷化鎵基板上成長非對稱性量子點結構；為了提升樣品的光伏特效應，其係引入量子井以及井內調變摻雜結構來探討應力以及內建電場所造成的影響。因此，其係利用調變摻雜結構的方式對應力與內建電場產生的相對應關係，並未說明利用量子點與量子井對維持開路電壓的關係。
另外，請參考中華民國發明專利第I368998號，其係揭露一種「太陽能電池結構」，於第二量子井吸收區之成長方法，係包括：首先，接著於第二位障層上成長一第二量子井層；接著於第二量子井層上成長一第二覆蓋層；接著於第二覆蓋層上成長一第二位障層；其中第二位障層、第二量子井層、第二覆蓋層及第二位障層，即組合為另一二極體單元；最後將二極體單元進行週期性成長形成一重覆堆疊之磊晶結構，即完成第二量子井吸收區。然而，其並未提及關於將量子點耦合於中間能帶以獲得更多的光電流(Jsc)，並且利用量子點長成在量子井上能減少應力，使得能維持 住開路電壓(Voc)，以獲得好的整體效率表現之功效。
請再參考中華民國發明專利公告第201023378號，其係揭露一種「具有奈米鑽石量子井的太陽能電池及其製造方法」，其提供由太陽能產生電力的材料、裝置以及方法。在一方面，本發明包含一太陽能電池，具有一第一導體、與第一導體電性連接的摻雜的一矽層、與摻雜的矽層接觸的一奈米鑽石層、與奈米鑽石層接觸的摻雜的一無晶鑽石層以及與摻雜的無晶鑽石層電性連接的一第二導體；藉此以提高太陽能電池的能源轉換效率。在量子點各層間的應力以及在維持住開路電壓(Voc)之方面，並未能達到有效的控制。
請同時參考第3圖及第4圖，其中，第3圖係表示不同Inx Ga1-x As濃度下之QDs的波長變化曲線圖，第4圖係表示相對應第3圖各QDs內含物的濃度數值比較圖。
透過成長不同組成比的量子點及不同In含量的被覆層(capping layer)，其係可得到各組成成份的量子點發光特性。由左至右量子點的In含量由0.5至1逐漸增加，由上至下被覆層當中的In含量由0至0.15逐漸增加。在圖中係可以觀察到在同一QDs組成情況下，使用In含量較高的被覆層因為應力降低及降低了量子侷限效應(quantum confinement effect)，所以由PL(光激螢光光譜)可以觀察到波長都有紅移的現象，部分樣品至In0.15 Ga0.85 As時，紅移量已不再增加。第一排樣品以GaAs直接做覆蓋，發現波長最長的並非InAs，反而是In0.5 Ga0.5 As量子點組成，這個情況與一般理論推得的量子點In含量越高波長越長的情況不同，而在將被覆層給為In0.1 Ga0.9 As之後，發現量子點In含量越高波長越長，除了InAs之外。
由觀察到的現象係可推斷出，量子點與被覆層當中的In含量相互擴散的程度將決定發光波長，而擴散程度取決於QDs應力大小、及濃度梯度，舉例來說InAs與GaAs被覆層因為濃度梯度最大，因此QDs當中的In含量大幅度的擴散至被覆層，導致在同為GaAs被覆層的條件當中波長最短，而隨著被覆層In含量增加，濃度梯度漸漸降低而獲得改善，也能保有較高濃度的In而產生較長波長，而被覆層In含量由0.1增加至0.15紅移量不再增加代表濃度梯度已在0.1時到達滿足。
本發明之實施例係提供一種耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其係使用堆疊多層耦合In0.75 Ga0.25 As量子點綴於井方式以獲得更多的光電流(Jsc )，並且因為In0.75 Ga0.25 As量子點長在In0.1 Ga0.9 As量子井上能減少應力，使得能維持住開路電壓(Voc )，以獲得好的整體效率表現。
在一實施例中，一種耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，係包括：一n型層組；一吸收層組，係設置在該n型層組上，該吸收層組係至少具有一量子井層及一被覆層(capping layer)，該被覆層係設置在該量子井層上，且在該量子井層上係佈設有若干量子點；以及一p型層組，係設置在該吸收層組上。
其中，各該量子點係可為In0.75 Ga0.25 As。
其中，該n型層組係可由下往上依序堆疊有350μm之一n+ GaAs基板、0.5μm之一GaAs層、1μm之一Al0.5 Ga0.5 As層、以及0.2μm之一GaAs層。
其中，該p型層組係可由下往上依序堆疊有0.4μm之一Al0.5 Ga0.5 As層以及0.05μm之一GaAs層。
其中，該吸收層更可包括0.2μm之一GaAs層以及5nm之一GaAs間隙子層，該GaAs間隙子層係設置在該被覆層之上，該GaAs層係設置在該GaAs間隙子層之上。
其中，該量子井層係可為2nm的一In0.1 Ga0.9 As層。
其中，該被覆層係可為10nm的一In0.1 Ga0.9 As層。
1‧‧‧DWell太陽能電池
2‧‧‧n型層組
21‧‧‧n+ GaAs基板
22‧‧‧GaAs層
23‧‧‧Al0.5 Ga0.5 As層
24‧‧‧GaAs層
3‧‧‧吸收層組
30‧‧‧量子點
31‧‧‧量子井層
32‧‧‧被覆層
33‧‧‧GaAs間隙子層
34‧‧‧GaAs層
4‧‧‧p型層組
41‧‧‧Al0.5 Ga0.5 As層
42‧‧‧GaAs層
IL ‧‧‧負載電流
Rsh ‧‧‧等效並聯電阻
Rs ‧‧‧等效串聯電阻
第1圖係表示本發明耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池之結構示意圖。
第2圖係表示本發明與習知僅加入量子點而無量子井之結構在AM1.5G光源下的電流密度-電壓圖。
第3圖係表示不同Inx Ga1-x As濃度下之QDs的波長變化曲線圖。
第4圖係表示相對應第3圖各QDs內含物的濃度數值比較圖。
排例布置與實施例係參考以下圖式而有詳細地描述，其中，相同的參考編號係代表相同的元件，圖式說明如下。
第1圖係表示本發明耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池之結構示意圖。
請參考第1圖，本發明的耦合砷化銦鎵量子點綴於井(DWell)之太陽能電池1係包括一n型層組2、一吸收層組3以及一p型層組4，亦即為p-i-n結構。
n型層組2係可由下往上依序堆疊有350μm之一n+ GaAs基板21、0.5μm之一GaAs層22、1μm之一Al0.5 Ga0.5 As層23、以及0.2μm之一GaAs層24。
吸收層組3係可設置在n型層組2上，吸收層組3係至少具有一量子井層31及一被覆層(capping layer)32，該被覆層係為10nm的一Inx Ga1-x As層，其中該Inx Ga1-x As被覆層範圍為0.07<x<0.15，本案實施例中以In0.1 Ga0.9 As為最佳。而該量子井層係為2nm的一In0.1 Ga0.9 As層。
被覆層32係設置在量子井層31上，且在量子井層31上係佈設有若干量子點30；各該量子點係為Inx Ga1-x As，而Inx Ga1-x As量子點範圍為0.51<x<1，最佳實施例可為In0.75 Ga0.25 As。再者，吸收層組3更可包括0.2μm之一GaAs層34以及5nm之一GaAs間隙子層33，GaAs間隙子層33係設置在被覆層32之上，GaAs層34係設置在GaAs間隙子層33之上。
p型層組4係可由下往上依序堆疊有0.4μm之一Al0.5 Ga0.5 As層41以及0.05μm之一GaAs層42。
第2圖係表示本發明與習知僅加入量子點而無量子井之結構在AM1.5G光源下的電流密度-電壓圖。
請同時參考第2圖，本發明之耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池1的等效電路係已繪示在第2圖中，其中，Rsh 表示等效並聯電 阻，Rs 表示等效串聯電阻，IL 表示負載電流。
在光強度1sun的太陽光譜1.5G照射條件下，習知僅加入量子點而無量子井之結構(Quantum Dots，QDs)之太陽能電池的電流密度(JSC )為22.1mA/cm2 ，開路電壓(VOC )為0.64V。其中有效部分的開路電壓係貢獻給在5nm之GaAs間隙子層33的應力。然而，相較於習知QDs之太陽能電池，本發明耦合砷化銦鎵量子點綴於井(Quantum Dots-in-well，DWell)之太陽能電池1的開路電壓(VOC )係由0.64V提升到0.72V，且電流密度(JSC )亦提升至23.5mA/cm2 。
請再參考下表一，係表示本發明DWell與習知QDs之太陽能電池效能上的對照表。很明顯地可以看出，本發明Dwell的太陽能電池1所獲得的效能，係比習知QDs太陽能電池的效能更佳。
其中，太陽能電池(solar cell)之電流-電壓關係式可表示成 I=I0 (eV/nf VT -1)-IL ，短路電流ISC (V=0時)係等於光電流(photocurrent)，開路電壓VOC (I=0時)=VT ln(IL /I0 +1)。nf 係為理想因子(ideal factor)，理想二極體方程式中係假設所有的再結合(recombination)係透過帶間(band-to-band)或界面陷阱(traps)而發生在裝置的大量區域中。IO 為逆向飽和電流；P為輸出功率；功率效率η=Pmax /Pin (最大功率/輸入功率)；Rs 為串聯電阻；Rsh 係為並聯電阻(shunt resistance)；FF係為填充因子(filling factor)，FF=Pmax /Isc Voc =Imax Vmax /Isc Voc ，因此，η=FF．Isc ．Voc /Pin =Pmax /Pin 。
雖然本發明以相關的較佳實施例進行解釋，但是這並不構成對本發明的限制。應說明的是，本領域的技術人員根據本發明的思想能夠構造出很多其他類似實施例，這些均在本發明的保護範圍之中。
1‧‧‧DWell太陽能電池
2‧‧‧n型層組
21‧‧‧n+ GaAs基板
22‧‧‧GaAs層
23‧‧‧Al0.5 Ga0.5 As層
24‧‧‧GaAs層
3‧‧‧吸收層組
30‧‧‧量子點
31‧‧‧量子井層
32‧‧‧被覆層
34‧‧‧GaAs層
33‧‧‧GaAs間隙子層
4‧‧‧p型層組
41‧‧‧Al0.5 Ga0.5 As層
42‧‧‧GaAs層

Claims (9)

  1. 一種耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，係包括：一n型層組，該n型層組係由下往上依序堆疊有n+ GaAs基板、一GaAs層、一Al0.5 Ga0.5 As層、以及一GaAs層；一吸收層組，係設置在該n型層組上，該吸收層組係至少具有一量子井層、一被覆層(capping layer)、一GaAs層以及一GaAs間隙子層，其中該GaAs間隙子層係設置在該被覆層之上，該GaAs層係設置在該GaAs間隙子層之上，該被覆層係設置在該量子井層上，該被覆層可為一Inx Ga1-x As層，而該量子井層可為In0.1 Ga0.9 As層，且在該量子井層上係佈設有若干量子點，該量子點為Inx Ga1-x As；以及一p型層組，係設置在該吸收層組上，該p型層組係由下往上依序堆疊有一Al0.5 Ga0.5 As層以及一GaAs層。
  2. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，各該量子點Inx Ga1-x As範圍為0.51<x<1。
  3. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，各該量子點係為In0.75 Ga0.25 As。
  4. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，該n型層組之n+ GaAs基板可為350μm、該GaAs層可為0.5μm、該Al0.5 Ga0.5 As層可為1μm、以及該GaAs層可為0.2μm。
  5. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，該p型層組之Al0.5 Ga0.5 As層可為0.4μm以及該GaAs層可為0.05μm。
  6. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，該吸收層組中之GaAs層可為0.2μm以及該GaAs間隙子層可為5nm。
  7. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，該量子井層可為2nm的In0.1 Ga0.9 As層。
  8. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中，該被覆層Inx Ga1-x As範圍為0.07<x<0.15。
  9. 依據申請專利範圍第1項的耦合砷化銦鎵量子點綴於井之太陽能電池，其中該被覆層係為10nm的In0.1 Ga0.9 As層。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100369281C (zh) * 2005-08-31 2008-02-13 中国科学院半导体研究所 一种亚分子单层量子点激光器材料的外延生长方法
TWI368369B (en) * 2004-07-06 2012-07-11 Avago Tech Fiber Ip Sg Pte Ltd Method for increasing maximum modulation speed of a light emitting device, and light emitting device with increased maximum modulation speed and quantum well structure thereof

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