太陽能電池的革命性發現
112年08月09日
【本篇報導由物理學系 藍彥文特聘教授研究團隊提供】 為了追求更乾淨的能源，太陽能電池被期望可以廣泛應用於各個層面；然而，現行的太陽能電池礙於光對電轉換率的低落而限制其發展。為了提高材料對光的吸收率，研究團隊改變光的特性，使用渦旋光。渦旋光的光子具有軌道角動量，額外的軌道角動量被預期可以激發載子於材料中更多的躍遷機制，進而增加材料對光的吸收率，以具備應用於太陽能電池的潛力。本實驗的研究亮點在於使用渦旋光來增進新穎二維材料二硫化鉬對光的吸收率，隨著光軌道角動量的逐步增加，光致載子濃度也隨之上升，因此，太陽能電池中更大的光伏效應亦隨之提高。基於本實驗成果，渦旋光可預期成為一個全新的方式來增進太陽能電池的效率。 隨著人們對於綠能的渴望，太陽能電池被寄予厚望；然而，轉換效率的低落，導致太陽能電池的應用面臨瓶頸。因此，提高太陽能電池的轉換效率就成了非常重要的研究議題。國立臺灣師範大學物理系藍彥文教授與陸亭樺教授攜手合作，指導學生Kristan Bryan Simbulan博士，進行相關研究。研究結果發現具軌道角動量的光可增進以二硫化鉬為材料的太陽能電池的發電效率。在未來的太陽能電池產業中，有無限的可能。 本研究的太陽能電池元件，為厚度僅原子等級的過渡金屬硫屬化物-二硫化鉬（MoS2），二硫化鉬是一種二維材料，其穩定性、可撓性和獨特的光學反應，以及與其它二維材料完美堆疊的可能性，有機會成為半導體材料的潛力新星。元件的製程是透過化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)的方式將二硫化鉬沉積在矽基板上，再透過金屬遮罩定義材料的位置去做後續的蝕刻與鍍金屬以完成元件。簡易的製程流程，和透過化學氣相沉積的大量生產，奠基了未來業界量產的可能性。 雷射光的部分，與傳統雷射光相比，渦旋光的波前並非平面而是螺旋狀，透過儀器調整光波前的空間分佈，可讓光具有任意的軌道角動量。額外的軌道角動量，已被證實可與材料有交互作用，且可當作新的自由度去增進材料對光的吸收，進而提高光致載子濃度的產生。實驗數據顯示，隨著照射的雷射光軌道角動量的提高，更高的短路電流(Short Circuit Current, ISC)和開路電壓(Open Circuit Voltage, VOC)已被量測，證明出可以透過渦旋光提高光伏效應。 藍彥文教授以自身在二維材料，奈米電子、元件製程的專業，與陸亭樺教授在雷射物理，以及光學角動量的技術合作，在臺師大以及科技部(國科會)的支持下，歷時2年多，從元件的製備，光源的架設，到最後量測數據並完成該項研究。利用渦旋光提高太陽能電池效率為一個全新且重大的發現，並且在2021年8月，一舉登上國際頂尖期刊(ACS NANO)。為未來的太陽能產業開闢新的道路。 藍彥文教授舉例，現階段的太陽能電池產業大都著重在材料的開發，試著去吸收更寬廣的波長，若是未來能夠結合該項技術，勢必會有革命性的發現。未來研究團隊將會堆疊不同的二維材料，並在這類異質結構上利用光的自由度，探討光與物質的交互作用，有機會為半導體業與光電等產業，帶來突破性的發展。 原文出處： Simbulan, K. B., Feng, Y. J., Chang, W. H., Lu, C. I., Lu, T. H., & Lan, Y. W. (2021). Twisted Light-Enhanced Photovoltaic Effect. ACS Nano, 15(9), 14822-14829. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04902