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東海大學應用物理學系-最新消息-科普-研究速報:本系簡世森老師針對「銅鋅錫硫硒」太陽能薄膜電池材料,以電模數頻譜技術探討其介面特性,將有助於改善薄膜太陽能電池之設計。

研究速報:本系簡世森老師針對「銅鋅錫硫硒」太陽能薄膜電池材料,以電模數頻譜技術探討其介面特性,將有助於改善薄膜太陽能電池之設計。

  • 單位 : 物理系
  • 分類 : 科普
  • 點閱 : 356
  • 日期 : 2020-05-14
 本系簡世森老師針對「銅鋅錫硫硒」太陽能薄膜電池材料,以電模數頻譜技術探討其介面特性,將有助於改善薄膜太陽能電池之設計。這項工作是與台大凝態科學中心合作,由該中心製作元件及其基本特性分析,簡老師進行電模數頻譜分析,論文,發表於3月份美國化學學會期刊「ACS Applied Electronic Materials」,題目是「利用電模數頻譜技術分析CZTSSE太陽能電池異質介面之光學響應」(optical responses of the heterojunctions in Cu2ZnSn(S,Se)4 soalr cells studied by electric modulus spectroscopy)。

薄膜太陽能電池被歸為第二代太陽能電池,比起第一代矽基太陽能電池,有成本較低之優勢。先前很被看好的薄膜太陽能電池是使用銅銦鎵硒(CuInGaSe, CIGS),它有不錯的效率(10-19%),已經有廠商進行量產。然而C⋯⋯IGS電池有一大隱憂,即是銦元素在地球的存量非常有限,因此造成市場對於CIGS未來的前景不看好。為解決銦元素的問題,研究人員努力尋找其他可能的替代材料,於是就發展出銅鋅錫硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4,CZTSSe)以替代CIGS。

薄膜太陽能電池跟矽太陽能電池有一個明顯的差異:矽電池具有同質介面(homojunction),但是薄膜太陽能電池具有多個異質介面(heterojunction)。通常CZTSSe電池包含(由上而下)ITO/ZnO/CdS/CZTSSe/Mo(S,Se)2等薄膜,都是異質介面,這是為了要讓電池有最好的效率。這些異質介面的特性對於電池工作效率有重要的影響,因此對它們的分析就很重要了。

傳統的工具都只能觀察一個主要介面的特性,其他介面都很難被觀察到,這次簡老師發表的論文就是使用他先前提出之構想:應用電模數頻譜技術分析半導體元件。電模數頻譜是一項老技術,只是以前的科學家沒有好好使用它的用處,有一點像醫學上老藥新用的意思,但確實達到很好的效果。應用電模數頻譜技術可以觀察到CZTSSe太陽能電池次要介面的阻抗特性。簡老師進一步配合不同波長的雷射以激發CZTSSe電池,由電池的電模數頻譜對雷射的反應,進而確定次要介面是ZnO/CdS介面,並解釋因為CdS有藍光摻雜現象(就是照藍光會有電荷濃度改變的情況),所以ZnO/CdS在照射藍光之後其電模量頻譜會有變化。雖然ZnO/CdS只是次要介面,但是依然對於電池的效率有關鍵性的影響。這個研究有助於了解薄膜太陽能電池的介面特性,有助於改善薄膜太陽能電池之設計。

簡世森老師繼先前在2019年2月以電模數頻譜技術獲得一項中華民國專利(多重介面之半導體元件的分析方法),及2019年8月發表一篇關於氮化銦鎵發光二極體(InGaN light emitting diode)論文在IEEE Transactions on Electron Devices,最近又利用電模數頻譜技術研究多元化合物薄膜太陽能電池,於2020年3月發表一篇論文在ACS Applied Electronic Materials (optical responses of the heterojunctions in Cu2ZnSn(S,Se)4 soalr cells studied by electric modulus spectroscopy)。