第一章 序論 1.1 前言
自古以來人們為了生存不斷地使用地球上的資源，舉凡風力、水力、火 力及電力；但地球上的資源不是無限的，其中電力已經是我們生活中不可或 缺的能源，而 1973 年發生了石油危機之後，讓世界各國都驚覺到能源開發 之重要性。地球上有所謂的再生能源，除了前面提到的風力、水力之外，還 有地熱和太陽能。地球的大氣、海洋和陸地吸收的太陽光所產生的能量每年 約 3,850,000 EJ (1EJ 為 1018 joules)；在 2002 年，一小時內的太陽能比全世 界在一年內使用的能量還要更多。太陽的能量到達這個地球表面的數量是 如此巨大，在一年中的太陽能是自人類取得和開採的所有不可再生資源：煤、
石油、天然氣和鈾總能源的兩倍[1]。由於太陽光是取之不盡、用之不竭的 天然能源；除了沒有能源耗盡的疑慮之外，也可以避免能源被壟斷的問題。
因此各國積極地發展太陽能應用科技，期望由增加太陽能源的利用來減低 對化石能源的依賴性。台灣處於亞熱帶的環境；陽光充裕、日照量大；因此，
如何將這些近乎無限太陽光做最大化的利用，是很值得關注的問題。
1.2 研究動機
隨著永續能源再利用的議題及太陽能與綠色能源的蓬勃發展；如何開 發出能有效利用太陽能的太陽能電池，是目前研究的趨勢。然而，太陽能電 池之光電功率轉換效率的提升通常牽扯到複雜的半導體製程；即複雜的長 晶程序、離子摻雜等等。其中以三五族材料開發的串聯式化合物太陽能電池；
能依照各材料之能隙對應不同吸收波長，其範圍幾乎可以涵蓋全波段的太 陽光譜。但是這種串聯式的太陽能電池會有電流限制的問題，正因其各個電
2 大幅成長[2-11]。其中三五族化合物串聯太陽能電池(III-V compound tandem solar cell)具有可調變能隙的多接面組合與直接能隙(direct energy bangap)材 料對光的高吸收率等優點[12-15]。理論上在太陽光譜為 AM1.5G (用來表示 地面的平均照度，是指陽光透過大氣層後，與地表呈 45°時的光強度，功率 約 844W/m^2，在國際規範(IEC 891、IEC 904-1)將 AM1.5 的功率定義為 1000W/m^2。)、1000 個太陽的情況下，磷化銦鎵/砷化鎵/鍺三接面串聯太 陽能電池的光電功率轉換效率計算值高達 50.1%，已經遠遠超出 Shockley-Queisser’s 計算表中單層太陽能電池的估計值[16-17]。實際上這種多層串
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會對元件造成太多負面影響又可以解決電流匹配這個問題的方法。最近在 半導體奈米粒子中關於量子點特性的相關研究指出，量子點靠一個入射光 子就可以產生多個載子激發，此現象稱為衝擊離子化(impact ionization)如圖 1[21-24]。這些非線性的現象導致太陽能電池的量子效率大於 100%，其主 要原因為離散的載子密度和較強的量子限制效應[25]。此外，就像電子能階 和光譜強度會伴隨著量子點的尺寸有所變化，其能隙也是可以調變的。同上 述原因，量子點也適合當作一個向下轉換(down conversion)的材料，把太陽 光譜中紫外光的能量也收進矽太陽能電池中[26]。透過這個研究我們確認了 量子點的光子轉換功能，並且發想出使用它來調整進入磷化銦鎵/砷化鎵/鍺 串聯電池的太陽光譜以增加整體的光電功率轉換效率。
圖 1衝擊離子化示意圖[24]
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