Broadband Quantum Dots Solar Cells under Concentrated sunlight

本研究利用分子束磊晶(MBE)成長InGaAs量子點樣品製作高效率太陽能電池，量子點樣品具有不同能隙之量子點堆疊層，可增加對太陽光紅外區之吸收波段，我們稱這類樣品為非對稱性量子點 (AMQD)，亦稱為寬波段量子點(Broadband quantum dot)。 首先我們探討不同結構主動層的差異性，非對稱性量子點 (AMQD)、非對稱性量子點綴於井(AMQDWell)、P型參雜非對稱性量子點綴於井(AMQDWell+P)、N型參雜非對稱性量子點綴於井(AMQDWell+N)，我們利用光激螢光量測、I-V量測、EQE量測，發現加入量子井及進行P型參雜的整體特性最佳，其VOC=0.74V，JSC=11.44 mA/cm2，FF=0.74，η=6.21%，再來我們探討主動層磊晶溫度不同的差異性，當磊晶溫度上升至600oC時其整體的光電特性均會下降，而最佳的磊晶溫度為570oC，接著比較當主動層參雜濃度不同時的變化，發現當參雜濃度降低時，JSC會明顯變大，可是VOC會大幅下降，最後探討出最佳參雜濃度為2.0E+17，其VOC=0.73V，JSC=19.68mA/cm2，FF=0.78，η=11.24%。 接著我們進行表面優化處理，我們利用原子層沉積技術(ALD)鍍上鈍化層，選用的材料為HfO2，經過表面優化處理後，其JSC均有大幅提高使得我們的轉換效率有所提升，轉換效率可提升2%以上。 最後我們將各種樣品進行高聚光I-V量測，太陽數從10到100個來進行量測，由於太陽數增加會增加光子數，進而光電流也隨之增加，而開路電壓是與太陽數對數成正比，最後可以探討出轉換效率在多倍太陽數下可以有所提升，可提升1~2.5%左右。By stacking InGaAs quantum dot layers of different compositions. We can increase the absorption range near photon energy = 1eV. This unique structure is called asymmetric quantum dots-in-a-well (AMQDWell) or broadband quantum dots. First, we discuss the differences of AMQD、AMQDWell、AMQDWell+P and AMQDWell+N Structure, After Photoluminescence (PL)and Photovoltaic characteristics measurement,we found that the best overall feature is AMQDWell+P.The AMQDWell+P solar cell has obtained an conversion efficiency Voc =0.74V, Jsc =11.44 mA/cm2, FF=0.74 and η=6.21%.We explored the differences of different active layer growth temperature. When the temperature rises to 600oC, Its photovoltaic characteristics will decline. The best temperature is 570oC. Then compare the different concentrations of the active layer doped.When doped concentration reduce, Jsc will be significantly larger. But Voc will drop sharply. Finally, we discuss the best doped concentration is 2.0E + 17. Its photoelectric characteristic parameter is Voc =0.73V, Jsc =19.68 mA/cm2, FF=0.78 and η=11.24%. Then we study surface optimization, We coated passivation layer by atomic layer deposition (ALD), We chose the material is HfO2, After a surface optimization treatment, JSC has greatly improved and conversion efficiency has improved, Conversion efficiency were improved 1 to 2%, Finally, the photovoltaic response is examined by concentrated sunlight from 10 to 100 suns. The number of photons will increase due to the increased sun, Further photocurrent also increases The number of open-circuit voltage is proportional to the logarithm of the sun, Finally, you can explore a conversion efficiency at the number of times the sun can be improved, It can raise about 1 to 2.5%誌謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 x 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機 2 1.3 論文架構 5 第二章 理論基礎與文獻回顧 6 2.1太陽電池原理 6 2.1.1 太陽光光譜 6 2.1.2太陽電池基本工作原理 8 2.1.3太陽電池的電路模型[1] 9 2.1.4 太陽電池重要參數[9] 10 第三章 研究方法與儀器架構 13 3.1實驗樣品介紹 13 3.2太陽電池製程步驟 17 3.2.1電極圖形製作 17 3.2.2表面濕蝕刻條件測試 20 3.2.3定義鈍化層(抗反射層) 21 3.2.4定義元件主體 23 3.3量測元件mesa製程步驟 25 3.3.1定義表面不平坦 25 3.3.2定義元件主體 26 3.3.3定義金屬接點 27 3.4光激螢光量測(PL) 30 第四章 實驗結果與分析 32 4.1主動層結構差異性之分析 32 4.1.1光激螢光光譜分析(PL) 32 4.1.2不同電極圖形分析 35 4.1.3元件I-V量測與分析 38 4.1.4外部量子效率(EQE)量測分析 43 4.2表面鈍化(Surgace passivation)改善太陽電池效益 46 4.2.1 不同結構主動層表面鈍化層優化轉換效率 47 4.2.2 3X3結構不同磊晶溫度表面鈍化層優化轉換效率 58 4.2.3 主動層參雜不同濃度表面鈍化層優化轉換效率 61 4.3高聚光太陽能 66 4.3.1高聚光太陽能公式 66 4.3.2高聚光太陽能分析 67 第五章 結論 72 參考文獻 7