III-V族化合物太陽電池及可撓式有機發光二極體之研發

Study on III-V Compound Solar Cells and Flexible Organic Light Emitting Diodes

曾明俊(Ming-Chun Tseng)

指導教授 ： 游信和

共同指導教授 ： 洪瑞華(Ray-Hua Horng)

國立虎尾科技大學/電機資訊學院/光電與材料科技研究所/博士(2010年)

摘要

本論文共分為四個部份，第一部份為利用有機化學氣相沉積法，將砷化銦鎵磊晶膜(銦含量為0~20%)成長於(100)往<011>傾斜2度切角及15度切角的砷化鎵基板。第二部份為將基板型的單接面砷化鎵太陽電池轉移至銅基板上，以形成薄膜型太陽電池，其具銅基板的薄膜型太陽電池的製作方法及特性將進行不同的特性比較及討論。第三部份為，將利用十字型的圖型陣列式磊晶膜分離法得到無裂紋的磊晶膜。第四部份為，熱處理條件對於環烯烴共聚物可撓式基板的影響及可撓式有機發光二極體的應用。
第一部份主要針對砷化銦鎵磊晶膜成長於具基板切角的砷化鎵基板及探討不同基板切角的砷化鎵基板對於砷化銦鎵太陽電池的影響。砷化銦鎵磊晶膜的磊晶膜品質取決在不同基板切角角度的砷化鎵基板。而將p-n結構的砷化銦鎵太陽電池成長於2度切角的砷化鎵基板的太陽電池元件特性是優於成長於15度切角的砷化鎵基板的砷化銦鎵太陽電池，主要是歸因於15度切角的砷化鎵基板易引起較大的鬆弛程度，進而會引起較高的缺陷密度於磊晶膜中，因此會降低少數載子的生命週期，因此造成元件效率的衰減。由於成長於15度切角的砷化鎵的砷銦化鎵太陽電池表現出較差的元件特性，可以藉由p-i-n結構進行改善其元件效率，將其提升至與成長於2度切角的砷化鎵基板的砷化銦鎵太陽電池接近或是更好。
第二個部份主要針對具銅基板砷化鎵薄膜太陽電池的製備與特性分析及熱效應對於具銅基板砷化鎵薄膜太陽電池的特性分析。具有砷化鎵基板的太陽電池利用磊晶轉移法轉移至具有鏡面結構的銅基板上，形成薄膜型太陽電池。由於薄膜型太陽電池透過鏡面反射效應，不僅提高了太陽電池的光電流輸出，更提高了波長範圍700~900nm的外部量子效率響應。當薄膜太陽電池轉移至不同厚度的銅基板厚度時(50~200?m)後，提升開路電壓，短路電流，填充因子及轉換效率在高環境溫度的穩定性。主要可以歸因於二大因素，第一點是藉由鏡面反射特性提升了在薄吸光層時的吸收效率，第二點為利用銅基板取代傳統半導體基材，改善半導體基材會因為高溫所造成太陽電池性能的不穩定性。
第三個部份是利用十字型的圖型陣列式磊晶膜分離法得到無裂紋的磊晶膜，十字型的圖形陣列是用來定義元件面積大小，並提供蝕刻溶液的蝕刻路徑。用於磊晶膜分離法的犧牲層為砷化鋁，蝕刻溶液則使用氫氟酸。本技術的特色為可以整片晶片同時進行蝕刻，且不受到晶片大小所限制，可以通用於各種尺寸的晶片大小。另外，本磊晶膜分離法不需要將磊晶膜先轉移至暫時基板，而是直接將金屬鎳基板利用電鍍法沉積於磊晶膜的背面，因此便不需要使用任何膠材。由於鎳基板為磁性材料，因此便可以被外加磁力所吸引，藉此減少磊晶膜的分離時間。一片2寸的完整晶片搭配不同的元件面積(1mm2 ~ 25mm2)，其蝕刻時間約為2~5小時。而將磊晶膜轉移至電鍍鎳基板後，所剩下的砷化鎵基板，便可以利用化學濕式清洗的方式，得到乾淨的砷化鎵基板，可以應用於砷化鎵基板的回收/再生的應用。
第四部份是利用環烯烴共聚物作為可撓式基板，並將其應用於可撓式有機發光二極體元件應用中。環烯烴共聚物所製成的可撓式基板的表面粗糙度及光學穿透率深受熱處理的時間及溫度所影響，熱處理時間則隨時熱處理溫度的上升而減少，因此可撓式基板的表面粗糙度則由131.08nm降低至1.31nm，光學穿透率則由40%提升到90%。熱處理條件，因此會影響後續銦錫氧化物鍍膜的品質，亦會強烈影響可撓式有機發光二極體元件的發光強度及驅動電壓。

關鍵字

III-V太陽電池 ； 有機發光二極體, III-V族薄膜型太陽電池

並列摘要

This dissertation consists of four parts: (I) the InxGa1-xAs epilayer (indium composition, 0 by metalorganic vapor phase epitaxy; (II) The single junction GaAs solar cell with GaAs substrate will be transfer onto copper substrate, forming a thin film solar cell. The fabrication and characterization of thin film solar cells with copper substrate will be compared and discussed; (III) Crack-free single crystal epilayer is released from GaAs substrate by cross-shaped patterns epitaxial lift-off (CPELO) technology and (IV) Thermo effects on flexible panel substrate and flexible organic light emitting devices(FOLED) applications.
The 1st part of dissertation is focused on the quality of InxGa1-xAs (0

並列關鍵字

III-V solar cell ； Organic light emitting devices ； III-V thin films solar cell

參考文獻

Chapter 1

[1] Y. Yu, X. Qin, B. Huang, J. Wei, H. Zhou, J. Pan, W. Chen, Y. Qi, X. Zhang, and Z. Ren, “MOCVD growth of strain-compensated multi-quantum wells light emitting diode,” Vacuum, vol. 69, no. 4, pp. 489-493, Jan. 2003.

[2] G. Jolley, L. Fu, H. H. Tan, and C. Jagadish, “Influence of quantum well and barrier composition on the spectral behavior of InGaAs quantum dots-in-a-well infrared photodetectors,” Appl. Phys. Lett., vol. 91, no. 17, p. 173508, Oct, 2007.

[3] R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, C. M. Fetzer, G. S. Kinsey, H. Yoon, R. A. Sherif, and N. H. Karam, “40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells,” Appl. Phys. Lett., vol. 90, no. 18, p. 183516, May. 2007.

[4] T. P. Chen, C. J. Lee, W. S. Lou, D. F. Guo, J. H. Tsai, and W. C. Liu, “On the breakdown behaviors of InP/InGaAs based heterojunction bipolar transistors (HBTs),” Solid-State Electronics, vol. 53, no. 2, pp. 190-194, Feb. 2009.