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倒置高分子太陽能電池之薄膜形態對元件特性的影響

人類在近年來將面對到的最大問題為能源短缺，由於石油藏量與日漸減，價格卻是不停上升，為了填補能源缺口，有多種可行的替代性能源成為各國研究的重點，太陽能幾乎取之不盡的特性，使得太陽能電池被視為能夠填補能源缺口的可行方案之一，而新發展的有機高分太陽能電池有別於以往的無機太陽能電池，能夠以低成本的方式製造，且質輕可撓曲、可大量製造的特性，能使太陽能電池應用的範圍更加廣泛。 然而目前有機太陽能電池的主要問題是效率偏低，而且元件在空氣下的壽命太短，本論文研究倒置結構的有機太陽能電池，由於使用氧化鋅和銀電極取代一般結構中易水解的PEDOT:PSS和易氧化的鋁電極，這種結構具有良好的空氣穩定性，有機太陽能電池的穩定性問題可經此結構解決。 論文中首先應用Plextcore® PV2000材料於空氣穩定的倒置結構，由於PV2000能夠比被廣泛研究的P3HT:PCBM系統提供更高的開路電壓，搭配溴萘添加的慢乾法，能促進高分子的結晶性，薄膜的吸收頻譜提升，能使短路電流由9.6mA/cm2提升到11.3 mA/cm2，效率也因此從3.96%提升到4.63%。實驗中證實適當添加溴萘慢乾法可以有效增加元件效率，並推測過多的添加使薄膜乾燥時間過長反而會產生反效果。 為了使有機層更能有效利用太陽光能，因此將有機材料更換為新型低能隙的PCDTBT材料，預估能夠多利用18%的太陽光。然而在實驗中發現，原先在P3HT:PCBM系統中能夠對元件有幫助的氧化鋅薄膜表面紋路，在搭配低能隙材料時，由於低能隙材料的理想薄厚小於80奈米，然而氧化鋅薄膜表面卻有90奈米高的山丘狀結構，因此氧化鋅表面紋路會穿透有機薄膜，造成元件中有大量的漏電流。若是更換溶劑及加入TiO2中介層可以有效改善這個問題，將開路電壓由0.36V恢復到0.66V，使倒置結構可以匹配低能隙材料。這個成果能夠使將來應用其它新型有機低能隙材料時，可以成功讓薄膜不會受到氧化鋅表面皺紋狀紋路的破壞。 由於氧化鋅表面形貌會影響低能隙材料的薄膜成長，因此在本論文也研究了改變氧化鋅薄膜退火環境對表面形貌的影響，發現在封閉無空氣流動的環境退火可以成長出較平坦的氧化鋅薄膜，這種平坦無皺紋狀紋路的氧化鋅薄膜，水接觸角量測為41.94°，比起具有皺紋狀紋路的接觸角為64.02°，較具有親水性，若經由UV光持續照射後會暫時性的提升親水性。然而已知基板具親水性不利於P3HT:PCBM元件的效率，因此在此建議若要搭配親油性的氧化鋅基板，可保留表面的紋路較佳。

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苯基碳61丁酸甲酯(PCBM)對聚合物太陽能電池之效應

本論文著重於聚合物太陽能電池，其主動層內相分離現象之研究。目前最熱門的主動層材料，是以『聚三己烷塞吩(P3HT)』作為電子施體，而『苯基碳61丁酸甲酯 (PCBM)』則做為電子受體；兩種有機材料均勻混合，再以旋轉塗佈的方式做成主動層薄膜。 配置主動層溶液的過程中，雖然P3HT與PCBM能均勻混合；不過由於兩種材料物理性質與化學性質的差異，會造成塗佈上去的主動層薄膜有相分離的現象；也就是在靠近主動層的表層(空氣界面)，有較多的P3HT聚集，而靠近主動層底層，則有較多的PCBM聚集；就能帶圖來看，這種現象對傳統結構的聚合物太陽能電池，也就是ITO當陽極、金屬當陰極，是不利的；分別聚集在陰極與陽極附近的P3HT與PCBM，對光生的電子與電洞而言就像是能障，如此一來便會造成部分光生載子復合，導致光電流下降，進而影響功率轉換效率。 本論文分兩個研究主題：第一個主題，著重於提升聚合物太陽電池的光電流：蒸鍍金屬電極前，在主動層上面鍍上一層PCBM薄膜，然後再進行後退火使蒸鍍的PCBM分子能滲入主動層中，並與主動層表層的P3HT混合，如此一來靠近陰極處的能障消失了，光電流自然能增加，功率轉換效率也因此而提升。 第二個研究主題，則是利用新製程來製作聚合物太陽電池，看是否能減少相分離效應；由於過去有研究團隊認為相分離的原因，是因為兩種材料間『表面能』的差異所導致；我們想知道相分離是否也跟另一項因素有關：密度；故嘗試新製程來製作太陽電池，以驗證相分離是否也與P3HT與PCBM間的密度差異有關。

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利用親水性質發展之自組式微透鏡與以離子導電高分子金屬複合物製備之低致動電壓可形變面鏡

在本篇論文中，我們的研究涵蓋了兩大主題，分別為微透鏡陣列(microlens array)以及可形變面鏡(deformable mirror)。經由整合此二元件與一般光學元件後，發展光學系統於不同的應用。 自組式微透鏡陣列(self-assemble microlens array)，利用了紫外線臭氧清潔機將SU-8負型光阻表面改質，產生週期性排列的親水性區域，再利用表面張力將稀釋過後的SU-8光阻自行聚集在此親水性區域之中，進而形成球面的液態平凸透鏡，最後經由紫外光的固化後成了固體的微透鏡陣列。SU-8光阻具有良好的化學穩定性及機械強度，其光學吸收率非常低，加上基板使用的是透明玻璃，所以製作出來的微透鏡陣列是穿透式的，不須要再另外經過翻模的方式來製作，大幅簡化了製作的流程及減少製程時間。此方法具有低成本、低溫、省時之特點。另外，SU-8光阻本身是極性材料，藉由外加的電場可以增加表面的曲率，藉此進一步可以產生更短焦距的微透鏡，同時也使表面的粗糙度降低，提高其光學性質。同時，使用這種方法，我們可以精準地將微透鏡製作在發光二極體(LED)上，提高提取效率並增加發散角。另外，藉由實驗室發展的雙層熱回流式長焦長微透鏡陣列，我們發展了更為靈敏、動態範圍更廣的薛克-哈特曼波前感測器(Shack-Hartmann wavefront sensor)，同時針對長焦距及短焦距的影響與商用的感測器做比較。 我們利用了實驗室發展的微機電有機可形變面鏡 (micro electro mechanical systems organic deformable mirror)，配合光學鏡頭元件設計了可變對焦平面的光學模組，搭配Tenengrad影像處理方法及百分率降幅方法(percentage drop method)組成的自動對焦演算方法，成功地完成自動對焦光學模組。由於微機電有機可形變面鏡的驅動電壓較高(約150伏特)，所以我們進而採用了高分子致動器-離子導電高分子金屬複合物(ionic-conductive polymer metal composite, IPMC)，其具有低致動電壓與大位移量的特性。我們藉由發展此材料的灰盒子理論，搭配ANSYS有限元素分析軟體，設計了齒輪狀的離子導電高分子金屬複合物可形變面鏡(gear shaped IPMC DM)，其特點為低致動電壓及較廣的焦距變化。同時由於其可雙向致動的特性，可製作出同時具有聚焦及散焦能力的可形變面鏡。 最後，我們希望此篇論文可以啟發相關的研究，並對後續的發展有些許貢獻。

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懸浮磁性粒子非實體通道系統之設計、製作與特性量測

透過微機電製程製作的微流道系統結合磁性粒子在生物醫學和化學領域被廣泛應用，如蛋白質篩選、細胞分離、分子操控等等，大大地縮減過去傳統實驗室做生化分析所需的成本和時間。現今的微流體晶片仍以「實體」微流道為主，也就是在製程最後步驟會將流道上蓋和密封，使用流道來侷限住流體。本篇論文主旨就是設計並製作出一個無側壁和上蓋的磁性粒子專用之「非實體」通道，可以在靜態溶液中操控磁性粒子，相較於傳統實體微流道有製程簡易、不須使用微幫浦和閥門以及可以彈性地自由改變通道的幾何形狀等優點。 我們使用面型微加工技術在以矽基板為主體的晶片上製作出厚度20 μm鎳金屬條，並以二氧化矽蝕刻液蝕刻過之不同厚度蓋玻片覆蓋在晶片之上，簡易的非實體通道結構於是形成。將稀釋過的磁性粒子溶液滴在我們的元件之上，並透過外加釹鐵硼強力磁鐵操控之。 我們觀察、記錄和分析磁性粒子通過鎳金屬條的情形，並發現當蓋玻片厚度小於60 μm以下時，元件屏障和導引磁性粒子的效果最好。我們還將兩片晶片擺在一起排列形成不同角度的夾角與不同寬度的開口做測試。實驗結果發現鎳金屬條夾角30° ~ 90°導引磁性粒子的效果最好，而開口寬度大於300 μm磁性粒子通過開口時較為順暢。

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磁驅動微夾持裝置的設計與量測

本篇論文主旨在論述我們所設計及製造的磁驅動微夾持裝置，它有元件尺寸小、輸出力量大、驅動距離長、低耗能、低工作溫度甚至可以在導電液體的環境下工作等優點。layout經由軟體L-edit繪製出，透過MetalMUMPs製程，將鐵磁性材料鎳當作元件主結構，製作出磁驅動的微夾持裝置。 我們所設計的微夾持裝置依照結構上分成三種：Nitride相接雙自由度夾頭之夾持器、Nickel相接雙自由度夾頭之夾持器以及三自由度夾頭之夾持器。Nitride相接雙自由度夾頭之夾持器在驅動端的部份鎳棒與鎳棒間採用silicon nitride相接，所以我們預期它的結構較具彈性，位移較大；Nickel相接雙自由度夾頭之夾持器顧名思義在驅動端的部份是鎳棒與鎳棒直接相接，所以我們預期它的輸出力量比較大，但結構可能不易產生位移；至於三自由度夾頭之夾持器我們使用通電流並施加磁場在元件上產生勞倫茲力的方式，讓夾頭產生第三個維度的運動，也就是夾子手臂的前後平移。 針對此三種結構我們都各自設計了多組不同尺寸的微夾持裝置，透過理論及實驗的分析來找出不論在位移或夾持力量上表現最佳的元件。實驗結果在in-plane motion上可用磁驅動以及電熱驅動；在out-of-plane motion上，透過加z方向的外加磁場，可讓夾子手臂向上抬升，基本上外加磁場越大，抬升的角度也越大。我們針對晶片中的十二個元件依尺寸分成五種type，並在外加Z方向磁場與抬升角度上作分析，得知type 1中的元件二抬升效果最好，抬升角度可達34.964度；並發現相同的手臂尺寸，若在nitride中加入polysilicon，抬升的角度會變小。

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兩種改良型鋸齒狀長週期光纖光柵元件

此論文結合壓印微影製程與濕蝕刻技術的新方法，可以比過去方法還更容易製作出鋸齒狀長週期光纖光柵(C-LPFGs)。此方法主用是利用壓壓印微影製程技術將聚碳酸酯(PC)製作成光纖的濕蝕刻擋罩。不僅如此，在鋸齒狀長週期光纖光柵被重新壓入另一個聚碳酸酯中後，聚碳酸酯還可以當作鋸齒狀長週期光纖光柵的包覆材料。因為此種方式可以讓聚碳酸酯提供給鋸齒狀長週期光纖光柵一些內部的應力，使光纖內部的折射率產生變化而製造出埋入式鋸齒狀長週期光纖光柵(EC-LPFGs)，此種埋入式鋸齒狀長週期光纖光柵不像鋸齒狀長週期光纖光柵，它不需要預先給予拉力即可作為拉伸應變、彎曲與溫度的感測器。 除此之外，我們利用蝕刻鋸齒狀長週期光纖光柵至直徑約數十微米可以成功製作出鋸齒狀長週期微光纖光柵(C-LPMFGs)。此種光纖光柵主要是因為鋸齒狀的結構造成有效折射率週期的變化，而且也不需要像鋸齒狀長週期光纖光柵要預先給予一拉伸應力。在蝕刻鋸齒狀長週期微光纖光柵時，共振波長在即時監控下被觀察到會隨著蝕刻進行迅速地飄移。此鋸齒狀長週期微光纖光柵作為溫度感測器時有每攝氏上升一度飄移負一百四十六皮米的靈敏度(-146 pm/°C)，且其對折射率的靈敏度也成功提升至約周遭折射率每上升一單位時飄移兩千一百奈米(2100 nm/RIU)。

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奈米結構對氮化鎵奈米柱發光二極體內部量子效率之探討

隨著化合物半導體的快速發展，氮化鎵由於其良好的材料特性，在固態照明相關領域受到了極大的關注。身為其應用之一的氮化鎵奈米柱發光二極體，更被認為具有近一步提升發光特性的潛力。然而由於諸多條件的限制，造成了氮化鎵奈米柱發光二極體元件特性不佳及發展上的困難，例如：逆偏壓下漏電流過大；發光效率低落；以及缺乏有效率的奈米結構製程技術等等，使其難以產業化。 在本篇論文中，我們發展一種嶄新且具實用價值之奈米小球微影術用以製作具有p-i-n結構之奈米柱陣列，並以電漿輔助化學氣相沉積法成長二氧化矽做為奈米柱側壁保護層，接著利用化學機械研磨方式去除包覆於奈米柱頂端之二氧化矽以利後續金屬接觸層之製作。藉由本文提出之方法，可有效解決以往奈米柱發光二極體漏電流過大及製程成本高之問題。在電性上，我們的奈米柱元件在-5V偏壓下僅有4.77nA之漏電流，其理想因子(ideality factor)約為7.35；於注入電流密度約32A/cm2時，有高達6807mW/cm2之發光強度。此結果顯示我們可利用奈米小球微影術及化學機械研磨法兩種低成本且簡易之方式製作出高效能之氮化鎵奈米柱發光二極體陣列。 接著我們針對藍光奈米柱發光二極體在不同溫度及電流下之電激發光頻譜特性做分析，並與平面傳統結構之元件做比較。我們發現於室溫下隨著電流增加，奈米柱元件之光子能量近乎維持常數，而平面結構元件卻有藍移之趨勢，顯示出此奈米柱結構能藉由應力釋放，有效抑制應力所造成之量子侷限史塔克效應(quantum confined Stark effect)，同時提升發光二極體之內部量子效率。 另一方面，從低溫量測之結果可觀察到奈米柱結構中應力釋放效應以及側壁蝕刻生成缺陷(etching-induced defect)兩者之共存，因此我們設計兩種不同深度之奈米柱元件並進一步探討這兩效應間之相互關係。由於結合機制會隨著不同電流大小切換，兩元件總外部量子效率之變化得以清楚區分：低電流下由缺陷中之非輻射載子結合主導；高電流時則受到量子侷限史塔克效應之影響較深。對於較長之奈米柱而言，其應力釋放之效應較強但同時也具有較多之缺陷分佈，造成了總效率之緩慢增加以及相對輕微之效率下降效應；而較短的奈米柱則呈現了快速增加的總效率以及較為劇烈的下降效應。另外我們也藉由低溫環境來排除部分缺陷之非輻射結合因素。在低溫下，其量子效率之變化更可進一步說明兩效應之相互影響。由實驗結果可知，即使缺陷的多寡仍然為影響整體發光效率的關鍵因素，但無可置疑的，較長的奈米柱可確實地藉由應力釋放達到較高的內部量子效率，此意味著若能改善奈米柱蝕刻機制以減少缺陷分佈，即可實現高效能奈米柱發光二極體。

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LED 路燈之光學系統設計

根據實際的道路規格，設計光學元件，讓LED的光經過該光學元件後能夠在道路上形成均勻照明，並且能夠符合道路規範。一般LED的光強分布為Lambertian，由於道路為長方形，若是單純設計對稱型的光學元件只能讓目標面圓形區域內達到均勻照明，將使部分光照在道路外圍造成不必要的浪費，甚至會造成環境光害、眩光產生交通事故等等的問題。所以本文設計非對稱透鏡並配合反射板，使路燈發出的光在平行於行車方向與垂直於行車方向為不同的配光分布，因而達到長方型區域內均勻照明。最後進行實際道路照明的模擬，確認其照明結果能夠符合道路照明規範。

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聚光型太陽能電池之光學系統設計

德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所在2009年發表電池轉換效率高達41.4%的高效率太陽能電池，相較於矽晶太陽能電池的理論轉換效率為25%左右，這種電池結構不僅效率很高，隨著今後的持續調整，效率仍有增加的空間，然而這種電池價格非常昂貴，將它直接攤在陽光下不符成本，一般而言晶片會切成小片搭配聚光鏡來使用，也就是聚光型太陽能電池 (CPV)，在本論文中分別設計三種不同類型的聚光模組，第三章運用背光模組的概念設計出輕薄的聚光系統，第四章在透鏡下加入一個漸縮式導光管，使得在陽光入射角度偏移時仍有高的光學效率，可降低陽光追蹤器的精度進而減少成本，在第五章先利用厘米等級的小透鏡陣列聚光後，搭配微結構改變光線角度，使得光傳播至導光管側邊的太陽能電池，搭配線性平行移動的裝置，在這個系統可以同時達到輕薄的尺寸以及較高的太陽光接收角。

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可形變鏡子的設計與製作

在這篇論文裡，我們介紹了可形變的鏡子用在小型的光學系統上。這種鏡子是透過兩個平行板電容相吸的原理來達成形變而造成曲律半徑的不同，而使焦距也因此改變，便能達到自動對焦與變焦的目的。首先我們介紹了可形變鏡子的製程改進，主要是在上下電極間加了一個光阻高度以確保最後兩電極之間的距離是我們能夠確切掌握的，這對於模擬的精準度會有一定程度的提升；並且修改了製程的流程，使得在透過感應耦合電漿離子蝕刻系統蝕刻矽的時候並不會有金屬層存在。接著我們介紹自動對焦的光學系統，在這個系統裡需要可形變的鏡子在切線方向和法線方向有不同的焦距，因此我們需要在鏡子上設計一個橢圓的開孔去達到該需求。經過計算之後我們算出橢圓的長軸和短軸，接著模擬並在實驗中驗證模擬結果。基於光學系統影像品質的需求，必須在鏡子加電壓之後會成為自由曲面。我們根據光學系統的形狀模擬鏡子在加電壓之後的形狀與中央形變量。 在變焦系統裡，所需要的形變量大於目前我們所能夠製作的限制。所以我們選了一個楊氏模數和波森比較低的材料來做為彈性形變層，並用ANSYS模擬。從模擬結果，我們發現新材料能夠在同樣的電壓下達到更大的形變量。此外，我們將下電極透過ITO來導電以達到透明的效果，如此一來我們能將曲率由本來正的變成負的，滿足變焦系統裡的需要。