1-1 前言
雖然石油、天然氣及煤等這類傳統的石化能源在地表上的含量豐富，
但隨著人類科技的快速發展，對於能源的需求也越來越大，在大量開採使 用下，使得這些傳統的石化能源即將面臨短缺的危機，其中石油也被預估 僅能支撐約四十年，而石油的短缺也造成石油的價格不斷上漲。不僅如此，
傳統的石化能源也會對環境造成污染，如使用煤來發電會排放出大量的廢 氣及二氧化碳，其中二氧化碳的大量排放也導致地球的溫室效率更加嚴 重。因此，開發新的替代能源已是目前最要的工作，而太陽能即為替代能 源其中一種。太陽能屬於再生性能源中的一種，有著取之不盡、用之不竭 的優點，亦對環境不會造成污染，並且在地球絕大多數地方可以適用。因 此在眾多替代能源中，太陽能一直是眾所矚目的一種。
1-2 太陽能電池
第一個太陽能電池在 1954 年由美國的貝爾實驗室發表，使用矽晶作為 太陽能電池的材料，其光電轉換效率可達6﹪，之後有其他種類的太陽能電 池陸續被發表出來，而這些太陽能電池依使用的材料不同可分為下列幾種 類型，表1-1 為目前各類型的太陽能電池所能達到的效率及各項電性參數列 表：
表1-1 目前各類型的太陽能電池所能達到的效率及各項電性參數列表[1]
1.矽基太陽能電池
矽基太陽能電池可分為晶片型(wafer)和薄膜型(thin film)兩大類，其中 矽晶片型又分可為單晶(single crystal)矽晶片與多晶(poly crystal)矽晶片兩 種，而矽晶薄膜則以非結晶矽(amorphous silicon)為主。因矽基太陽能電池 發展較早，所以對其他種類太陽能電池而言，技術也相對較為成熟。目前 單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，壽命最長，但相對製程也較困難，
成本也最高。多 晶 矽 其 製 程 簡 單 且 成 本 低 廉 為 優 點。而 非 晶 矽 太 陽 能
電 池 則 是 效 率 最 低 ， 但 可 有 效 降 低 材 料 成 本 ， 且 生 產 速 度 也 最 快 。
2.化合物太陽能電池
化合物太陽能電池皆為薄膜型，使 用的材 料包括 III-V 族化合物和 II-VI 族化合物，如 磷化銦(InP)、砷化 鎵 (GaAs)、碲化 鎘 (CdTe)、硫化 鎘(CdS)、銅銦硒(CIS)和 銅銦鎵硒(CIGS)等。此 類化合物因為直接能隙 材 料 ， 比 矽 晶 有 著 更 好 的 吸 光 係 數 ， 所 以 在 太陽能電池中的吸光層僅 需數個微米的厚度， 就 可 以 達 到 良 好 的 吸 收 效 果 。 因 製 程 中 含 一 系 列 的 真 空 濺 鍍 製 程 ， 使 得 製 造 成 本 較 高 ， 只 應 用 於 特 殊 領 域 上 。 而 目 前實驗室製造的銅銦鎵硒太陽能電池光其電轉換效率可達 19.2%，加上材 料 成 本 較 低 ， 使 得 銅銦鎵硒太陽能電池在多種化合物材料中， 為 主 要 研 究 的 焦 點 之 一 。
3.染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池和前述半導體類型太陽能電池的光電轉換原理有 所差異， 基 本 上 是 運 用 光 電 化 學(photoelectrochemical)效 應 ， 利用彩 色染料光敏化劑將吸收的光轉換成電能，其 電 荷 的 傳 導 是 經 由 導 電 電 子 和 負 離 子 ， 而 非 半導體類型太陽能電池中 含 有 電 洞 。 一 般 元 件 組 成 為 透 明 導 電 基 板 、 二 氧 化 鈦(TiO2)奈 米 微 粒 薄 膜 、 染 料 (光敏化劑)、 電
解 質 和 ITO 電極。有著材料成本便宜及製造簡易之優點，目前效率 已 可 達 到 10%。
4.有機高分子太陽能電池
使用有機導電高分子來作為感光和發電的材料， 其 研 究 目 前 仍 處 於 起 步 階 段。因 為 一 般 有 機 材料對光有高吸收率，所 以 在 太陽能電池中只 需約0.1μm 的厚度即可有效的吸收高於其能帶隙的光。 雖然目 前相對 於 其 他 類 型 的 太 陽 能 電 池 而 言，其 光 電 轉 換 效 率 較 低，且 穩 定 性 較 差 ， 壽 命 亦 不 長 ， 但 因 有 著 容 易 製 造 、 成 本 低 廉 、 質 輕 、 可 製 作 大 面 積 和 可 撓性等優點，使 得 在 有機高分子太陽能電池方面的相關研究仍是源源 不絕。
1-3 奈米材料
奈米材料泛指至少一個維度座標位於奈米數量級範圍內，即介於 1～
100 nm 之間。而根據限制的維度不同，奈米材料在結構上可分為下列三種 形式：顆粒狀(為零維材料，0D)、柱狀或線狀(為一維材料，1D)與層狀(為 二維材料，2D)。當材料縮小至奈米尺度時，許多作用力的相對強度改變，
產生其他新的特性，如表面效應、量子侷限效應、尺寸效應、量子干涉效 應和量子穿隧效應等，使得傳統的古典理論已不適用來解釋其現象，需使
用量子的觀點來理解。這些新的特性也使奈米材料在光電、生物、醫藥、
1.量子侷限效應(Quantum confinement effect)
當量子點的半徑小於激子波耳半徑(exciton Bohr radius)時，電子與電洞 將會被侷限三度空間中，電子的運動受到限制，平均自由路徑(average free path)也變得很短，引起量子侷限效應，而導致類似原子般的不連續能階結 構。隨著粒徑的減小，量子侷限效應增強，能隙(band gap)越來越大，而往 高能量方向移動，產生藍位移(blue shift)現象。就軌域能階而言，量子點的 能隙與粒徑平方成反比：
ΔE ∝ 1/a2 a：diameter 換言之，若從分子軌域及能帶的角度來看，對塊狀材料而言，由於內含的 原子數量相當多，電子數量趨近於無窮，所以能階間隔非常小，能階密度 (density of states，DOS)則很大，故可視為連續性的能帶。但是材料的粒徑 在奈米等級時，由於原子數目的減少，導致能階密度減小，能階間隔增大，
此時便不再是連續性的能帶，而呈現非連續式能階。圖1-1說明不同粒徑之 粒子所對應的軌域能階圖。可發現隨著粒徑的減小，能帶間隙增大，而改 變其電性及光學性質。
圖1- 1 不同粒徑之粒子所對應的分子軌域能階圖[6]
2.表面效應(Surface effect)
隨著量子點粒徑的減小，位於表層的原子數也大幅增加，如表1-3，因 此量子點的表面積/體積比會比塊材大相當多，因而具有很高表面能。也因 為表層原子數的增多，導致表層原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵(dangling bond)增多，讓表層原子變得不穩定，具有高活性，容易與其他原子產生反 應。表面效應所造成的影響包括吸附性質、催化與化學性質、熔點與燒結 溫度、成品機械性質的改變。而表面缺陷(surface defect)扮演了很重要的角 色，在載子釋放(carrier relaxation)與再結合位置(recombination sites)方面，
會直接影響量子點的發光性質，引起非線性光學效應。原因是電子的釋放
是被表面抑制所控制，但電洞的釋放則不受表面所影響[7]。因此提升表面品 質，可有效改善量子點的量子效率。
表 1-3 奈米晶粒表面原子佔總原子數之比例與粒徑大小之間的關係[7]
金（Au） 鈀（Pd）
粒子大小
(nm) 原子數 表面原子比例% 原子數 表面原子比例%
1 30 99 70 97
2 250 64 600 48
5 4,000 25 10,00 19
10 30,000 13 70,000 10
20 250,000 6 600,000 5
3.尺寸效應(Size quantization effect)
透過控制量子點的形狀、大小和結構，就可以輕易地控制能隙寬度、電子 的束縛能大小及能量藍位移等現象。隨著量子點粒徑減小，其紫外光可見 光(UV-visible)光譜中所對應之吸收峰將往短波長之方向移動，而呈現藍位 移現象。而尺寸越小，藍位移現象也會越顯著，這就是量子點的尺寸效應。