理論極限與實驗探究以「熱電子」為基礎之可見光頻段光電能源轉換

時至今日以半導體為基礎之太陽能電池已發展多年並已廣泛佈建。隨著眾多新一代太陽能電池之發展，以激發金屬產生「熱電子」(hot electrons)為基礎之光電轉換元件，因極低之光吸收與極貧乏之熱電子注入，使得距此類元件之實用化仍遙不可及。本跨領域之研究計畫旨在持續開拓以金屬與介電質為基礎，試圖結合金屬內部光輻射與非輻射之電漿能量衰減，發展用於可見光頻率範圍之新穎光電轉換元件。於量子效率之計算上將首次考慮非常數動量矩陣元素(momentum matrix elements)及與波向量相依(k-dependent)之載子傳播特性，以更精確評估此類元件之效率極限。於元件研發方面，我們將藉由控制金屬結構致發(structure-enabled)、具波長相依之強電場空間分佈，形成有利於光激發熱電子以最小非彈性損耗進行非彈道(non-ballistic)傳播之最佳結構，預期將有機會大幅增加具足夠額外能量(excess energy)之熱電子通量。此外於計畫之後期，亦將進一步釐清「光-電-熱」間之交互作用於熱電子之產生與傳播之影響，以試圖釐清此類元件之效率極限因子。本研究計畫希冀藉由結合對「金屬結構內電磁輻射能之分布」與「熱電子之激發與傳播」之電磁與量子之論述與處理，最終將製作出之光電轉換元件之量子效率提升至十位數百分比等級。計畫所提之嚴格理論計算、連結金屬內熱電子於能量軸與空間位置之分佈所發展之可見光頻率光電轉換元件、乃至實驗驗證皆為具創新性之前瞻研究。