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使用溶液製程開發有機無機三明治結構太陽能電池

隨著能源需求增加，尋找替代性能源越趨重要。光伏科技－可將太陽光能直接轉換為電能，被視為是未來極有可能取代石油成為全球能源來源之一。由共軛高分子與富勒烯衍生物所組成的太陽能電池近年來吸引了各界極大的注意，它實現了可印刷、可攜帶、可撓曲及低成本的優勢，但在此種太陽能電池中，其吸光層的奈米形貌具有不易精準控制的問題，影響了吸光層中載子的傳輸；不僅如此在高分子太陽能電池中有機層與電極介面、有機材料與無機材料介面載子傳輸的控制亦是相當具有挑戰性的工作。此外，電極介面的品質對於高分子太陽能電池的穩定性具關鍵性的影響。 此論文是以發展有機無機三明治結構高分子太陽能電池為主軸，也就是有機吸光層夾於兩層無機半導體層中間，此結構擁有高效率、穩定性與低成本的優勢。首先，製備及分析無污染、生長於水溶液的氧化鋅奈米柱陣列，在其低退火溫度下的氧化鋅奈米柱，垂直排列於基板，並有擁有約50 nm直徑、柱與柱間距約10-50 nm的特性，這些對於溶液製程的低成本有機無機太陽能電池邁進相當重要；在高度排列的氧化鋅奈米陣列存在下，為了達成更加有效的激子分離效率與載子傳輸，在本論文中提出三種方式來改善高分子/氧化鋅奈米柱混成太陽能電池介面問題。這三種方式分別為:額外的富勒烯衍生物聚集層增加了相分離與光吸收；加入二氧化鈦奈米粒子來形成雙異質接面(double heterojunction)結構，提供更有效的激子分離效率與載子傳輸；最後，利用氧化釩奈米粉末的導入來抑制漏電流並同時增加光吸收。隨著富勒烯衍生物聚集層、TiO2奈米粒子與V2O5奈米粉末的加入，使能量轉換效率從2.3%分別增加至3.2%、4%與3.6%。 此外，為了發展有機無機三明治結構，我們分別以氧化鎳、氧化釩、氧化鎢以及氧化銅等四種金屬氧化物來修飾電池陽極，並以氧化鋅做為電洞阻擋層來修飾電池陰極，以探究倒置結構高分子太陽能電池。氧化鎳、氧化釩與氧化銅有利於電洞傳輸，氧化鎳與氧化釩更擁有了高位障可阻擋電子，因此抑制了陽極處的漏電流；另外，高功函數的氧化鎢有利於將電洞從有機層傳導至銀電極。我們研究發現加入任一氧化層，能量轉換效率均可改善至~3.7%。相對於這些個別的氧化物，我們更進一步研究氧化釩-氧化鎢混合型氧化層對陽極的修飾效果，因為它們具有互補的特性。在此類研究中，我們分別使用了P3HT:PCBM 與PV2000兩種系統作為吸光層。兩種吸光系統均會因三明治結構(就是有機吸光層夾於混合型氧化層與氧化鋅層中間)的導入使得漏電流被抑制，光吸收與量子效率也因混合型氧化層獲得改善；此外，混合型氧化層在空氣中相當穩定，因此氧化層可保護有機吸光層避免氧氣或水氣的破壞，提升元件的耐久性；因此能量轉換效率在P3HT:PCBM系統中可提升至4.16%，在PV2000系統可提升至5.13%。 此外，這些介面修飾層與三明治結構全都是由溶液製程方法製作，相對於真空沉積技術，溶液製程方法是簡單的、迅速的並且是有效的，這對於量產各種大面積、低成本印刷式電子與光電產品是十分具有潛力的應用，亦是極大的優點；更值得一提的是，我們開發的方法可提供相當的便利性來製作任何特定比例的混合氧化物層；這並不容易藉由熱蒸鍍法達成，因為不同的氧化物擁有不同的沸點。

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低損耗光纖角錐和電弧融接技術應用於微奈米導光線及微光學元件製作

微奈米導光線具有體積小且漸逝波大的特性，有潛力被廣泛應用在各種光學感測器或是微光學元件中。其中，要將光源從一般通訊用單模光纖導引入微奈米導光線並同時維持低的耦合損耗是一件困難的事。在本文中，我們使用氫氟酸動態蝕刻法將一般單模光纖加工成漸細光纖角錐，用來降低單模光纖到微奈米導光線的耦合損耗。我們可以藉由步進馬達來達成光纖角錐長度的控制，因為越長的光纖角錐具有越低的耦合損耗。我們成功地製造了損耗低於1.4dB的光纖角錐。 此外，我們發展了一套電弧融接系統，先利用凡德瓦力操控導光線，並成功的融接了2微米直徑的導光線。此電弧融接法可以維持低於1.1dB的耦合損耗，相較於一般常用的漸逝場耦合法，電弧融接法的耦合損耗通常更低。因為耦合損耗的降低，我們進而使用2微米的導光線製造1x2耦合器和Mach-Zehnder干涉儀。耦合器的分光比分布可以從47/53到91/9，並實現接近1:1的分光比；而經由頻譜的量測與比對，可確認我們製作的的確是Mach-Zehnder干涉儀。

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有機光電元件內的微共振腔效應及表面電漿子之研究

在本論文中，首先是對非等向性及等向性發光材料所組成的有機發光元件結構建構光學模型並模擬其發光特性。並製作了分別具有非等向性及等向性光學特性的發光元件，量測發光頻譜，並與理論計算的結果相比較，發現相當吻合，因而確定該模型的有效性。 接下來我們分析了堆疊串接式白光有機發光元件(紅光+綠光+藍光堆疊串接式、雙色光+單色光堆疊串接式以及白光+白光堆疊串接式)的發光特性，結果發現雙色光+單色光堆疊串接式結構有著較好的色彩穩定度。 此外，我們針對不同氧化銦錫厚度的弱微共振腔有機發光元件結構進行理論計算及實驗研究，發現改變氧化銦錫厚度會使得元件效率有顯著的變化(1.34倍量子效率、1.44倍電流效率以及1.51倍功率效率之變化)。 另外，我們在厚度減薄的金屬電極上製作適當的吸光/再放光層，能夠將部分侷限在有機發光元件內的表面電漿子，藉由能量轉移機制而再放光。這種方法可用於實現具有光色可調性的雙面異色有機發光元件。 緊接著，我們對於金屬奈米顆粒的光學特性，以及它們和表面電漿子與強微共振腔結構之間的交互作用進行了研究。發現其反射頻譜在其共振頻率處會有明顯的峰值，而其頻率可藉由改變共振腔長度來調變。最後，我們針對強微共振腔結構與強吸光材料之間的交互作用進行討論，發現了類似上述的選擇性反射現象，未來有可能應用在反射式顯示器上。

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氮化銦鎵量子井結構發光二極體之光學特性分析以及奈米碳管之拉曼光譜研究

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以超快量測技術探討在量子點與量子井結構中載子鬆弛過程

在本論文中，我們利用超快量測系統來探討量子點中的 載子動態行為。 我們使用up-conversion量測系統，透過改變激發強度，可以發現對載子捕捉機制的影響。溫度從78K至235K的變溫量測，顯示了不同捕捉機制對溫度有不同的相依性。 在載子填滿率探討方面，我們加上一CW綠光雷射光源的方式達成調控樣品中載子填滿率的目的，再同時以脈衝雷射進行動態實驗的量測。從光激螢光的頻譜中，在高強度光激發時，可發現能帶填滿效應的產生，可對應到不同填滿率時基態載子捕捉時間的上升。 我們對量子井與量子點複合結構做時間解析，以砷化銦量子點應力子，來改變銻砷化鎵量子井能帶結構，形成類似量子點的能帶分布，使得量子井中載子動態特性發生改變。另外，在量子點與量子井結構間砷化鎵間隔層厚度不同的樣品中，有載子由量子點捕捉後穿隧至量子井的現象發生。

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奈米金與近紅外雷射選擇性表面電漿共振之理論與實驗

近年來，光熱療法已被用於治療癌腫瘤，奈米粒子之醫學上應用包括生物成像，生物感測、藥物輸送、癌細胞診斷和治療。透過改變奈米粒子的形狀由球形至奈米棒，其吸收和散射峰值的變化從可見光到近紅外的區域，並提供較大的吸收/散射截面的優勢和較深的組織穿透深度，而奈米金治療癌腫瘤的優勢在於低毒性與高選擇性。 本論文將熱傳方程式與奈米金的理論做結合，並以Wolfram Mathematica 7.0完成奈米金吸收峰值以及溫度曲線的模擬程式。實驗部分使用National Instrument LabVIEW 8.2完成了電腦溫度控制與時間控制雷射開關，將理論與實驗數據做比較，得到相似度極高的結果，驗證我們實驗的準確性與可行性。我們將奈米金溶液視作一簡單的癌細胞結構，在實驗與理論中，我們發現吸收係數小與雷射能量密度大，有助於提升內部溫度，調整適當的奈米金溶液吸收係數與雷射光能量密度的乘積值來提升奈米金溶液的內部溫度，即可殺死內部的癌細胞，再搭配雷射開關機制來控制表面溫度，便可達到內部升溫並且保護表面不過熱的目的，此特性為本論文重要新發現之一，為先前所忽略的。 除了以上描述奈米金光熱實驗與理論，本論文也發展出一套對於奈米金棒、奈米殼和感測光纖的非線性理論。

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以時域有限差分法分析軟性電子顯示器的對比度

軟性薄膜顯示器(flexible thin film display)中的電泳式顯示器(Electro-phoretic Display)，是改變浸泡在光吸收性液體之中高折射率的微小粒子的位置，而形成了軟性顯示器的亮暗灰階；因此微小粒子的各種性質會影響到軟性顯示器的光學表現。 此論文中，我們模擬軟性顯示器的基本元件的二維結構，並採取時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method)，分析不同數量均勻分布的微小粒子、不同大小的隨機分佈微小粒子、不同角度入射光角度下，對軟性薄膜顯示器照成的光強度對比影響，並就其不同的上述情形，探討其影像的成像品質。我們的目標是了解在軟性顯示器中得到最佳對比度的條件。