1-1 實驗源起
在石油短缺的今天，再生能源的研究已經成為熱門的議題。隨著 二氧化碳造成的溫室效應越來越高而引起的地球暖化現象，未來新能 源必須能夠符合環保的需求，例如風力、水力、太陽能…等。
風力與水力需要在特定地域才能發展，而生質能1則是需要大面 積栽種才可獲得較大能量，故只需照光即可獲取能量的太陽能電池在 便利性上佔有很大的優勢。目前已經有不少研究提及太陽能電池的優 勢，根據科學家的研究，從太陽表面所放射出來的能量是來自於核熔 合反應，每秒鐘約有 6 × 1011 公斤的氫轉變成氦，其中有 4 × 103 公 斤的質量損失，由愛因斯坦的質能互換關係式：E = MC2，這 4 × 103 公斤的質量可轉換成 3.6 × 1020 焦耳的能量，這些能量藉由電磁輻射 的方式發射出來，我們再把它換算成電力的單位，則約有 1.7 × 1014 千瓦，就算太陽光是以放射狀射出並且經過一億五千萬公里的距離，
在進入大氣層時約有30%的能量會因為遇到微塵和雲層而反射回太 空，最後也還會有 1.2 × 1014 千瓦的能量能夠傳達到地球的表面2。 只要太陽在地球的表面照射一小時所得到的能量能有效地轉換成電
力，就足以供應全球一年的電力需求，也可見太陽能在綠色能源上的 矽的晶體結構是屬於鑽石晶體的結構(diamond crystal structure)，每個
矽原子以sp3混成與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，如果我們在純矽
同理，如果我們在純矽之中摻入ⅤA 族的雜質原子，例如磷原子(P)，
此ⅤA 的雜質原子，取代矽原子的位置之後因為磷原子具有五個價電 子，因而會多出一個自由電子，該電子為一帶負電的載子，因為五價 的雜質原子可提供一個自由電子，故稱此五價的雜質原子為施體 (donor)，而摻了施體的半導體稱為 n 型半導體。而第一代太陽能電池
的發電原理就是利用p 型半導體跟 n 型半導體形成的 p-n 接面來造成 電荷的分離。
製備的方法主要是先以參雜少量硼(B)原子的 p 型半導體為基板 (substrate)，再利用高溫擴散的原理將磷(P)滲入 p 型基板內，如此即
可形成一p-n 接面，在 p-n 接面中其正負離子所在的區域內，會存在 一個內建電位(built-in potential)，電位的生成即表示有電壓的產生，
而電壓產生亦表示會有電荷的流動的，故太陽光照射到此一系統上，
光子會激發半導體上的電子因而產生電子-電洞對，電子-電洞對再受 到內建電位的影響開始移動，電荷分離(charge separation)現象也就完 成，在配合外接導線即可形成迴路，此即為第一代太陽能電池4的發 電原理(圖 1-1)。
圖1-1 第一代太陽能電池發電原理4
圖1-2 中顯示的 η 表示為最大效率，此效率乃是 1961 年 Willam Shockley 和 Hans Queisser 根據熱力學建立的 p-n 接面的極限效率 5。
第二代的太陽能電池-薄膜太陽能電池使用為多晶矽或是非晶矽 材料如[砷化鎵(GaAs)]，改用非晶矽的原因主要為非晶矽對光的吸收 性比矽強約500 倍，所以對第二代太陽能電池而言便可不使用第一代 太陽能電池使用的價格昂貴的結晶矽基板，可以改採用價格較便宜的 玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節省大量的材料成本，也 使得製作大面積的太陽電池成為可能6。當非晶矽太陽電池剛被發明 時，由於具有低成本、製作簡易且可大面積製造等優點，但是非晶系
還是有不能解決的缺陷問題即所謂的Staebler-Wronski 效應7(非晶矽 經過強光照射後，會產生缺陷進而造成電流的下降)。
1991 年瑞士科學家 Grätzel 在自然期刊上發表第三代太陽能電池 染料敏化太陽能電池（dye-sensitizedsolar cells，DSSC）8，主要以分
子等級的光敏性染料和作為基板的奈米結構二氧化鈦之太陽能電 池，利用光敏性材料吸收光能造成其電荷分離(charge separation)，激
發的電子傳遞至二氧化鈦的傳導帶上再向外傳遞並藉由電解液來維 持電荷的流動，進而達到電流迴路的生成。
圖1-2 染料敏化太陽能電池循環機制 8
光敏性染料主要以釕(Ru)金屬有機錯合物作為染料，具有最好的
效能，其光電轉換效率可到11% 9。此光敏性染料電池主要特點是利 用了二氧化鈦膠體溶液，二氧化鈦本身是一個半導體，其能帶(band gap)大約是 3.2 電子伏特(eV)，換算為波長大約為 380 奈米處。太陽 輻射的波長範圍，大約在0.3 微米的紫外光到數微米的紅外光之間，
換算為光子能量，則大概在0.3 到 4 電子伏特之間，下圖即為太陽光 譜圖
圖 1-3 太陽光光譜圖10
從上述的太陽光的波長範圍內，可分為三個主要區域，即波長較 短的紫外光區、波長較長的紅外光區和介於二者之間的可見光區。太 陽輻射的能量主要分佈在可見光區和紅外區，前者佔太陽輻射總量的 50％，後者佔 43％。紫外區只佔能量的 7％。故二氧化鈦對太陽光本
身即有吸收的能力(380nm，紫外光區)，雖然紫外光在太陽光輻射總
1998 年 Nozik 發表利用磷化銦(InP)半導體量子點取代染料敏化 太陽能電池中的銠(Ru)錯合 11，量子點(quantum dot)是準零維
(quasi-zero-dimensional)的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地 說，量子點三個維度的尺寸都在其相對應的波爾半徑(A0)以下，外觀 恰似一極小的點狀物，造成其能量的不連續性(量子化)，亦即量子限 量效應(quantum confinement effect)，基於量子限量效應，我們可以控
制半導體的能帶藉由調控量子點的尺寸12。量子點增益光電效率的原 理乃是基於一反歐傑電子效應(Inverse Auger Effect)造成的多激子生 成(Multiple Exciton Generation)12，如圖1-4、1-5。
相較於昂貴的染料，半導體就是一個很好的替代品，經光子激發 後電子的確可由量子點注入二氧化鈦上，現今已經有許多不同種半導 體時實驗組提出證據，例如:硫化鎘13、硫化鉛14、硒化鎘15、磷化銦
11、砷化銦16、碲化鉛17，而現今最佳效率為砷化銦的 0.3%
16(100mw/cm2)。
圖1-4 反歐傑電子效應圖示 12
圖 1-5 量子點敏化太陽能電池循環機制12
雖然在現今的研究中，量子點敏化的太陽能電池效率一直不能達 到染料敏化電池(11%)16或是第二代太陽能電池(GaAs 35%)所能達到 的效率，但是在造價方面卻是該電池的十分之一不到3，並且有較高 的穩定度和可調控吸光波長的特性，不管在學術應用或是在商業化上 的潛力是遠比前兩者更有優勢。本論文題目是根據行政院核能研究所 的計畫之一，由林明璋院士主導的再生能源計畫，發展氮化銦(InN) 量子點敏化電池(InN/QD/TiO2)18，在本文中採用的量子點為碲化銦 (InTe)其能帶(energy gap)大約為 1.17 電子伏特(eV)，屬於能帶較小的 半導體，更能符合於量子點的多激子生成(Multiple Exciton Generation) 的特性(能帶越小，在激發過後能夠產生更多的電子電洞對)，奈米化 的碲化銦(InTe)其能帶在文獻中沒有相關研究，故引起我們研發及應 用於太陽能方面的興趣，期望能夠合成出碲化銦的量子點並且藉由控 制大小來調控其吸收波長，進而應用於量子點敏化太陽能電池上。
1-3 二氧化鈦奈米晶體結構簡介
二氧化鈦晶體主要有三種結構 (1)anatase 結構19、(2)rutile 結構
20、(3)brookite 結構21。其中以anatase 和 rutile 結構的二氧化鈦均為 可吸收可見光之半導體，anatase 相的能帶為 3.2 電子伏特、rutile 相 則是3.0 電子伏特，但在粉末態時 rutile 具有較高的介電常數，使其 在傳遞電子能力上不及anatase 結構，故在染料敏化以及量子點敏化 的太陽能電池中均是以anatase 相的二氧化鈦為基板。
(a) Anatase (b)Rurile
a=3.7867 a=4.6021(4) b=3.7867 b=4.6021(4) c=9.5149 c=2.9563(2)
space group=I41 space group= P42
/mnm
(C)Brookite
a=9.174(2), b=5.449(2), c=5.138(2) space group= Pbca
圖1-6 二氧化鈦晶體結構圖 (a)anatse (b)rutile (c)brookite