19奈米通訊NANO COMMUNICATION 19卷 No.2

利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池

利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池High Efficiency of Hybrid GaAs Solar Cell Using CdS Quantum Dots陳信助 1、林建中 2、蔡育霖 1、韓皓惟 1、余沛慈 1、郭浩中 1

1 國立交通大學光電工程研究所、2 國立交通大學光電學院

摘　要

本研究利用硫化鎘量子點（CdS）結合砷化鎵（GaAs）太陽能電池成為一種新的混合型太陽能電池結構。藉由應用硫化

鎘量子點（CdS）於砷化鎵（GaAs）表面，我們在長波段區域獲得更有效的抗反射（Anti-re�ection）機制，以及在短波

長下獲得光子下轉換（Photon Down-conversion）機制。由於硫化鎘量子點（CdS）在短波長下具有很強的吸收並且同

時可以轉換出可見光，這兩項機制可以有效地增加砷化鎵（GaAs）太陽能電池的吸收與轉換效率。相較於傳統沒有量

子點的砷化鎵（GaAs）太陽能電池，短路電流與轉換效率分別增加 21%與 18.9%。此外，我們也發現硫化鎘量子點在

元件表面上，可以增加表面的光電導效應（Photoconductivity）也同時改善硫化鎘量子點（CdS）太陽能電池的填充因

子（Fill Factor）。

關鍵字／Keywords ● 砷化鎵太陽能電池

GaAs Solar Cell

● 光子下轉換

Photon Down-conversion

● 硫化鎘

CdS

● 量子點

Quantum Dots

20

主題

文章 4

介　紹

當有限的石化燃料引起能源危機，並導致人類生存

危機之際，為維持社會的永續發展，我們必須找尋石油

和天然氣的替代品。有些研究指出太陽能電池便是其中

一個選項。在大部分的太陽能能量中，只需轉換少許部

分即可供應全世界需求。大部分的太陽能電池由半導體

製成（如：矽、二氧化鈦、硫化鎘與砷化鎵），而一些

成熟的半導體公司正加速其商品化。在這些材料之中，

III-V族合金（砷化鎵與磷化銦） 具有最佳轉換效率，因

此為其先驅。特別是在多層結構（Muti-junction Tandem

Structure）太陽能電池，擁有很高與很穩定的轉換效率

[1]。因此，III-V族合金太陽能電池更為最尖端之科技。然

而，假設我們可以對這些元件和製造做優化之步驟，根

據 Shockley-queisser Limit （SQ limit）[2]，倘若只有一個能

帶的太陽能電池也可以高達 44%的轉換效率，並可超越

現今複雜的多層結構太陽能電池。在另一方面，利用量

子點（或奈米結構）改善太陽能電池轉換效率已經有一

段時間。量子點之特點相對於半導體的塊狀材料來說，

具備低成本，可變的能帶、與簡易的製程等等的特性，

特別在光偵測器

[3]與雙接面太陽能電池

[4]的研究中，我

們可以明顯的看到這些效果。但是，大部分的結果只有

甚至低於 10% 的轉換效率，至於如何整合半導體與量

子點成為很重要的課題。其中一個嚴重的限制在於現今

的太陽能電池在短波長部分吸收率不佳，雖然這些高能

量的光子容易被塊狀半導體吸收，但是經光轉換後所得

到的載子，卻容易被表面缺陷所復合。這短波長部分大

概佔太陽光的 7%[5]，在外太空，短波長部分所佔的比

例則更高。因此，量子點可以有效利用太陽光中的短波

長部分。其中一個可能方式為利用半導體之量子點，例

如，CdS, CdSe 在太陽能電池中。這些奈米尺寸的物質可

吸收短波長之光線同時有效率地轉成可見光

[6]。如果這

種下轉換之光子能被塊狀材料所收集，短波長光子即可

被運用如同長波長光子。在這個研究當中，我們利用硫

化鎘量子點（CdS）於砷化鎵（GaAs）太陽能電池上，

並且分析電流－電壓（I-V）特性與量子效率（Quantum

E�ciency）。同時，我們分析光電導效應於量子點太陽能

電池表面。這些結果呈現出良好的改變並且我們相信這

個技術對於下一代之太陽能電池之重要性。

實　驗

首先，利用有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）機

台製作單接面的砷化鎵太陽能電池磊晶片，之後利用光

子微影術、化學蝕刻、電子槍蒸鍍系統製作出面積大小

為 1cm2 單接面的砷化鎵太陽能電池元件。而在本實驗

中我們用相同的砷化鎵太陽能電池磊晶片製作出三種元

件，第一種元件，沒有抗反射膜與表面清潔過後的砷化

鎵太陽能電池元件，利用旋轉塗布技術將濃度 0.5 mg/

mL 膠體的硫化鎘量子點旋塗在砷化鎵太陽能電池表面

上形成量子點砷化鎵太陽能電池，簡稱為量子點塗層

（QD-coated）。第二種元件，沒有抗反射膜與表面清潔過

後的砷化鎵太陽能電池元件，簡稱為無量子點塗層（no

QD-coated）。第三種元件，有抗反射膜層的砷化鎵太陽

能電池元件，其中抗反射材料為二氧化矽（SiO2）厚度

為 100 nm以及主要的抗反射波長在 670 nm，簡稱為抗

反射塗層（AR-coated）。圖 1（a），為本實驗最後完成的

單接面硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池示意圖。為了瞭

解硫化鎘量子點的大小，本實驗利用了穿透式電子顯微

鏡（TEM）做檢測，如圖 1（b）顯示，確實有多層量子

點堆疊在元件上，而硫化鎘量子點的大小約為 5 nm左

右。另外，我們也對硫化鎘量子點的元素進行了分析能

譜儀（EDS）因此可以再次佐證硫元素與鎘元素存在，

圖 1　 (a) 單接面硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池完成品是意圖；

(b)硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池表面穿透式電子顯微鏡

（TEM）圖，硫化鎘量子點大小約 5 nm；(c)利用分析能譜儀

（EDS）分析出硫元素與鎘元素。

奈米通訊NANO COMMUNICATION 19卷 No.2

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利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池

如圖 1（c）。之後，這三種砷化鎵太陽能電池元件效率

（Power Conversion Efficiency）會經由標準的太陽光模

擬燈源做為測試以及外部量子效率（External Quantum

Efficiency）的量測。進一步地， 本實驗利用了導電性

原子力顯微鏡（Conductive Atomic Force Microscope）

測試量子點砷化鎵太陽能電池表面上的光電導效應

（Photoconductivity），為了驗證量子點在太陽能電池表面

上會因為光的效應改善元件的導電性，進而提升太陽能

電池轉換效率。

結果與討論

圖 2，顯示硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池表面

理想工作示意圖。量子點在元件表面上可以有效地吸收

高能的光子（通常是在 UV與近 UV光範圍內），同時放

射可見光（本實驗使用 460 nm）進入砷化鎵太陽能電池

內部。經由可見光所產生的光生載子（Photogenerated

Carriers）機率遠大於 UV光所產生的機率，故我們預期

量子點於元件表面上有效增加太陽能 UV波段的吸收，

這機制稱為光子的向下轉換（Photon Down-conversion）

機制。為了更深入了解硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池

與其他元件電流－電壓（I-V）特性，我們使用標準太陽

光模擬燈源（AM1.5G）與室溫下量測元件電流－電壓特

性，這三種不同結構砷化鎵太陽能電池元量測結果顯示

於圖 3。有量子點塗層（QD-coated）砷化鎵太陽能電

池的短路電流密度（Jsc）高達 26.99 mA/cm2以及光電轉

換效率從 17.71% 提升至 21.06%，總整體效率提升高達

18.9%比較於無量子點塗層（no QD-coated）砷化鎵太陽

能電池，當我們比較於有抗反射塗層（AR-coated）砷化

鎵太陽能電池，短路電流密度提升至 4.1%以及總光電轉

換效率有 2.7%增加量。這三種不同結構的砷化鎵太陽能

電池比較，是在開路電壓（Voc）與填充因子（FF）幾乎

是一樣下的比較。

為了深入探討三種不同結構的砷化鎵太陽能電池

在不同波長下的光－電特性，我們進行了不同波長下

的外部量子效率量測，在這量測中我們使氙燈（Xenon

Light）當作實驗的入射光源。圖 4（a）顯示不同波長下

的外部量子效率量測結果。從圖 4（a）可以發現有量子

點塗層砷化鎵太陽能電池的外部量子效率是全波段的提

升，比較於無量子點塗層砷化鎵太陽能電池元件，同時

我們發現在波長 600 nm之後的地方，有抗反射塗層砷化

鎵太陽能電池元件的外部量子效率比較高，這是因為最

佳抗反射層的結構是設計在 600 nm附近。圖 4（b）為不

同波長下外部量子效率增加因子，其中計算方式是以量

子點塗層元件外部量子效率除以無量子點塗層元件外部

量子效率（EQEQD coated/EQEno QD coated），從圖 4（b）中可以

得知，當波長小於 350 nm時外部量子效率增加因子高

達 1.75倍的增加量，這項結果可以證實光子的向下轉換

機制，當量子點在元件表面上吸收了 UV光同時轉成可見

光，這個機制大大增加 UV照射下所產生的載子機率。當

波長大於 350 nm時，硫化鎘量子點層提供抗反射膜的效

果，這是由於折射率的漸變的效果介於空氣與砷化鎵太

陽能電池之間。經由量子點在元件表面上提供光子的向

CdSQDs

GaAs solar�cell

Sun

Blue Photons

UV Photons

CdSQDs

GaAs solar cell

Sun

Blue Photons

UV Photons

圖 2　 有量子點塗層（QD-coated）砷化鎵太陽能電池的光子的向下

轉換（Photon Down-conversion）機制。

圖 3　 有量子點塗層（Q D - c o a t e d）、無量子點塗層（n o Q D -

coated）、有抗反射塗層（AR-coated）砷化鎵太陽能電池元件

的電流－電壓（I-V）特性。

22

主題

文章 4

下轉換與抗反射膜兩種機制，成功的提升元件總整體效

率。

圖 4（a） 有量子點塗層（QD-coated）、無量子點塗

層（no QD-coated）、有抗反射塗層（AR-coated）砷化

鎵太陽能電池元件的不同波長下的外部量子效率；（b）

有量子點塗層（QD-coated）、無量子點塗層（no QD-

coated）的不同波長下的外部量子效率增加因子。

為了瞭解更多硫化鎘量子點於砷化鎵太陽能電池在

UV波段的響應，我們使用 UV燈源當作光源，量測有量

子點塗層與無量子點塗層砷化鎵太陽能電池電流－電壓

（I-V）特性。在量測之前，我們在 UV燈源前會加上濾光

片只限制 380 nm ± 10 nm的光可以通過，目的是為了驗

證量子點的光電效應，避免低能量的光子激發砷化鎵太

陽能電池所產生的額外電流值，以確保實驗的正確性。

在圖 5中發現有量子點塗層與無量子點塗層砷化鎵太陽

能電池相比較，有量子點塗層元件電流密度明顯的提升

以及總光電轉換效率上有 1.22倍的增加量。另外因為光

導效應（Photoconductivity）的關係，我們也發現量子點

在元件表面上很直接改善了元件的阻抗，使得填充因子

（FF）改善了 30% （從 57%至 74%）。為了更進一步了解

量子點在元件表面上所帶來的導電性改善，我們進行了

導電性原子力顯微鏡（CAFM）量測，利用固定電壓 5 V

以及有與無 UV燈源照射於有量子點塗層砷鎵太陽能電池

表面，測得元件表面的電流特性。經由 UV燈的開與關可

以測量到有量子點塗層元件表面電流分布的轉變，如圖

6。當我們將各組所量測到的電流值做統計，在平均電流

值的地方，有照射 UV光的有量子點塗層砷化鎵太陽能電

池表面電流有 76%增加量，比較無量子點塗層的元件，

經由導電性原子力顯微鏡的量測可以很清楚發現有量子

點塗層的元件，有照射 UV光與無照射 UV光時表面載子

變化的行為。從以上的量測結果可以發現當量子點於太

陽能電池表面上可以帶來三個優點：1.光子的向下轉換

機制；2.抗反射膜機制；3.在 UV光的照射下表面載子的

圖 4　 (a) 有量子點塗層（QD-coated）、無量子點塗層（no QD-

coated）、有抗反射塗層（AR-coated）砷化鎵太陽能電池元

件的不同波長下的外部量子效率；(b) 有量子點塗層（QD-

coated）、無量子點塗層（no QD-coated）的不同波長下的外部

量子效率增加因子。

圖 5　 有量子點塗層（Q D - co ate d）與無量子點塗層（n o Q D -

coated）砷化鎵太陽能電池元件在 UV光照射下的電流—電壓

（I-V）特性。插入圖片為有量子點塗層元件在不同 UV強度照

射下的效率（藍色線），與在不同 UV光強度照射下的效率增

加量（有量子點塗層元件效率除以無量子點塗層元件效率）

（綠色線）。

圖 6　 有與無 UV燈照射下硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池的表面

電流分布圖，粉紅色與藍色虛線代表量測後各組的平均電流

值。插圖為有照 UV光下的硫化鎘量子點砷化鎵太陽能電池表

面的導電性原子力顯微鏡圖。

奈米通訊NANO COMMUNICATION 19卷 No.2

23

利用硫化鎘量子點製作高效率敏化的砷化鎵太陽能電池

增加。

結　論

在結論部分，我們成功地運用硫化鎘量子點

（CdS）於砷化鎵（GaAs）太陽能電池上。藉由量子點的

光子下轉換與抗反射效應有效改善元件的表現。而相較

於傳統無硫化鎘量子點（CdS）太陽能電池以及有做表

面的抗反射塗層之太陽能電池相比，整體之轉換效率分

別提升 18.9%與 2.7%。透過短波長的吸收，整體能量轉

換增加了 1.22倍，而且由導電性原子力顯微鏡證實量子

點增加元件表面電荷導致填充因子（Fill Factor）增加約

30%。我們相信這個技術對於提高太陽能電池的整體能

量轉換提供了一個新的方法。

致　謝

This work is founded by National Science Council in

Taiwan under grant number NSC 99-2120-M- 006-002 and

NSC-99-2120-M-009-007. C. C. Lin would like to thank the

financial support of National Science Council in Taiwan

through the grant number: NSC101-3113-E-110-006-. The

authors would also like to thank Prof. Shing-Chung Wang of

NCTU for his help and support.

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