太陽能電池

研究介紹

近50年來由於全球大量使用化石燃料，因而排放出大量二氧化碳，造成溫室效應及全球氣候變遷日趨嚴重，極端氣候所導致的人命及財產損失也日益增加。尋求新的替代能源如再生能源成為人類目前最急迫的課題。其中最有希望的再生替代能源候選者之一是太陽能電池，它可以同時解決能源和環境問題，因為使用太陽能的光子來產生能量是免費的，是一個乾淨的過程，並且可以無限制地在世界各地使用。

本實驗室有關太陽電池的研究包含：非晶矽氫太陽能電池、(微晶矽/非晶矽氫)薄膜太陽能堆疊電池、異質接面太陽能電池和聚合物太陽能電池。高效率與低成本是太陽能電池關鍵的因素。對於高效率的太陽電池而言，提升光捕捉效應與增加載子收集是非常重要的。傳統的光捕捉是利用表面粗化太陽能電池的正面或背面，使光可以在太陽能的吸收層中來回的散射，達到光吸收的增加。但由於這類型的表面粗化為微米尺度，所以會使接面處的表面複合增加，造成元件特性不佳。基於此，近年來奈米尺度的結構便被廣泛地應用在太陽能電池上。它不僅可使吸收層中的光程增加，且不會影響元件的特性。


本實驗室製作各種奈米結構的基板、太陽能電池和製程，來達到高效率和低成本的目標。目前的主題包含下述:

非晶矽氫太陽能電池

微晶矽與非晶矽氫薄膜太陽能堆疊電池

異質接面太陽能電池

奈米結構太陽能電池

可撓式太陽能電池

聚合物太陽能電池

研究成果

  1. 為了達到光學上的厚與電性上的薄，本實驗室藉由水熱法製備出氧化鋅奈米柱，成功製作出三維結構的非晶矽氫太陽能電池【1】。我們系統性的研究太陽能電池中之吸收層厚度與奈米柱長度的關係，並量測其奈米結構、光電特性。這個結構的優勢在於可以減少材料的使用與達到高效率的太陽能電池。
  1. 本實驗室成功製作出單(雙)層電漿子奈米金粒子結構的非晶矽氫太陽能電池【2】，研究多層奈米粒子與光散射之間的關係。證實光電流的增加，是由於金粒子的侷限性表面電漿子共振所引起的光散射效應，並證實使用金粒子可以提升界面處的功函數，使元件填充因子提升。
  1. 本實驗室藉由轉印技術，成功地將粗化微結構轉印於塑膠基板，並製作出可撓式結構的非晶矽氫太陽能電池【3】，並且量測其奈米結構、光電特性。這個方法的優勢在於可以轉印任何的微結構基板。
  1. 本實驗室利用可自主排列的氧化矽奈米球作為蝕刻遮罩，成功製作出六方最密堆積奈米銀圓柱結構的非晶矽氫太陽能電池【4】，並且證實光捕捉效應與侷限性表面電漿子效應，可以提升元件的能量轉換效率。這個方法的優勢在於可以不使用微影技術，就可以製作出奈米結構的背電極。
  1. 本實驗室已成功製作出六方最密堆積奈米銀圓柱結合雙壁奈米碳管結構的非晶矽氫太陽能電池【5】，並且量測其奈米結構、光電特性。藉由改變雙壁奈米碳管的濃度，可以有效的使電漿子的共振波長從563奈米紅移到586奈米。這個方法的優勢在於可以提高橘光與紅光間的光散射。

6. 本實驗室已成功製作出六方最密堆積奈米銀圓柱結合雙壁奈米碳管結構的非晶矽氫太陽能電池【5】，並且量測其奈米結構、光電特性。藉由改變雙壁奈米碳管的濃度，可以有效的使電漿子的共振波長從563奈米紅移到586奈米。這個方法的優勢在於可以提高橘光與紅光間的光散射。

  1. 本實驗室利用熱燈絲輔助化學氣相沉積法，成功製作出微晶矽與非晶矽氫薄膜太陽能堆疊電池，其中微晶矽吸收近紅外光波段，非晶矽氫吸收紅光波段。
  1. 本實驗室已成功利用嚴謹耦合波(RCWA)模擬方法來設計奈米結構，增加聚合物太陽能電池效率，並且利用干涉曝光、奈米壓印和電子束曝光等方法來製作奈米結構，藉由設計出的奈米光柵結構來增加太陽能電池在TE波入射或是TM波入射時的吸收，並且藉由量測出來的實驗結果跟模擬結果相互驗證【6】。

參考文獻

【1】C. I. Ho, W. C. Liang, D. J. Yeh, V. C. Su, P. C. Yang, S. Y. Chen, T. T. Yang, J. H. Lee, C. H. Kuan, I. C. Chen, and S. C. Lee, “Influence of the absorber layer thickness and rod length on the performance of three-dimensional nanorods thin film hydrogenated amorphous silicon solar cells,” Journal of Applied Physics, 113(16), 163106, 2013

【2】C. I. Ho, D. J. Yeh, V. C. Su, C. H. Yang, P. C. Yang, M. Y. Pu, C. H. Kuan, I. C. Chen, and S. C. Lee, “Plasmonic multilayer nanoparticles enhanced photocurrent in thin film hydrogenated amorphous silicon solar cells,” Journal of Applied Physics, 112(2), 023113-023113, 2012

【3】C. H. Yang, C. Y. Hsueh, D. J. Yeh, C. I Ho, C. M. Leu, Y. H. Yeh, and S. C. Lee, “Hydrogenated Amorphous Silicon Solar Cells on Textured Flexible Substrate Copied from a Textured Glass Substrate Template,” IEEE Electron Device Lett., Vol. 32, No. 9,1254-1256, 2011

【4】W. C. Tu, Y. T. Chang, C. H. Yang, D. J. Yeh , C. I. Ho, C. Y. Hsueh, and S. C. Lee, “Hydrogenated Amorphous Silicon Solar Cell on Glass Substrate Patterned by Hexagonal Nano-Cylinder Array,” Appl. Phys. Lett., 97, 193109, 2010

【5】W. C. Tu, Y. T. Chang, H. P. Wang, C. H. Yang, C. T. Huang, J. H. He, and S. C. Lee, “Improved light scattering and surface plasmon tuning in amorphous silicon solar cells by double-walled carbon nanotubes,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 101, 200-203, 2012

【6】M. Y. Lin, Y. L. Kang, Y. C. Chen, T. H. Tsai, S. C. Lin, Y. H. Huang, Y. J. Chen, C. Y. Lu, H.  Y. Lin, L. A. Wang, C. C. Wu, and S. C. Lee, 2014 “Plasmonic ITO-free polymer solar cell”, Opt. Express 22(S2), A438–A445 (2014).