臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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在全球暖化的效應下，減少石化燃料使用並開發新能源成為全球重要議題，太陽能是來源最為豐沛且穩定的潔淨能源，成為極具潛力的再生能源，利用光伏作用能夠有效率地直接將太陽光轉換成電能。結晶矽太陽能電池由於具有高效率與極長的生命週期而廣泛被運用到太陽能發電系統中，更重要的是矽材料為地球蘊藏最豐富的元素之一，可以滿足大量太陽能電池的需求。然而，生產矽晶片與製造太陽能電池元件是高成本且需要消耗大量能量的製程，造成太陽能電力成本過高。 在本論文中，將從三方面研發新型低成本矽太陽能電池，包括抗反射結構製作與研究、矽奈米線/導電有機混成型太陽能電池元件與單晶矽薄片製造技術。首先，我們探究使用金屬輔助化學蝕刻法製作矽奈米線，使用硝酸銀與氫氟酸組成的蝕刻溶液，透過矽表面處理控制沈積在矽表面的銀形貌，進而改變矽奈米線的密度，我們發現高密度的矽奈米線可以達到很好的反射特性，長度僅0.87μm的矽奈米線結構可使矽晶片表面反射率降低至3.3%，要達到相同的反射率，一般的矽奈米線長度必須超過1.8μm。接著，我們將矽奈米線與導電有機材料結合形成軸-鞘結構的混成型太陽能電池，低成本的有機材料溶液製程具有很大的潛力能降低太陽能電池成本，導電有機材料為聚(3,4-乙烯基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)，經過140℃的低溫退火與n型矽形成異質接面，產生內建電場而能分離照光產生的電子電洞，這種混成型太陽能電池效率達到了9.45%，涵蓋太陽光波長350nm到1100nm。 為了更進一步降低矽太陽能電池成本，我們探究減少矽晶片製造成本的方法，發展出多步驟金屬輔助化學蝕刻技術，蝕刻溶液由過氧化氫與氫氟酸組成，透過控制金屬催化劑銀的氧化與還原，可控制蝕刻方向為非等向性或等向性，可形成矽奈米結構於矽基板上並蝕刻奈米結構的根部，將矽奈米線或矽奈米孔洞脫離矽基板而移植到異質基板上，使原本的矽基板能夠回收利用，大幅降低矽材料成本。除此之外，我們以微影技術圖形化矽表面而限制金屬輔助化學蝕刻的區域，製造出直徑5μm與週期6μm矽微米柱結構，微米柱長度與蝕刻時間成正比，接著以多步驟金屬輔助化學蝕刻能將矽微米柱移植到異質基板上，更重要的是利用此技術能夠生產單晶矽薄片，生產厚度15μm的矽薄片僅消耗相當於厚度6.1μm矽材料，矽材料的損耗遠低於以線鋸法製作矽晶片所產生的損耗量，此作法將使矽晶片的成本降低到原本的十分之一以下，矽薄片的光吸收效率在波長350nm到960nm超過85%，高於一般同厚度的矽晶片。這些技術將提供未來低成本矽太陽能電池的解決方案。
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本博士論文解決了高性能光纖陀螺儀在太空應用中最重要的問題，論文中報告了摻鉺光纖的輻射效應，提出了光退火法用以快速回復摻鉺光纖的輻射損耗，也提出了反射率調整技術用以完全消除輻射造成超螢光光纖光源的平均波長漂移，結合這些方法，本論文提出的抗輻超螢光光纖光源可幫助高性能光纖陀螺儀擁有不受輻射影響的效能。 一般光纖的輻射損耗來自輻射游離的電子或電洞被陷獲在光纖纖核中玻璃結構的點缺陷裡，摻雜元素會使得光纖的輻射敏感度上升，因此摻鉺光纖的輻射敏感度較純石英纖核光纖來得高，摻鉺光纖的輻射損耗主要來自共摻雜元素，例如:鋁與鍺，輻射損耗對輻射劑量關係可用冪次函數擬合得很好，本論文找到輻射敏感度對鋁濃度有線性關係，其斜率為0.24 dB/m/krad/mole%，實驗的鋁濃度範圍為1.1 M%至4.2 M%。 波長532 nm光退火有非常優良的退火效率，摻鉺光纖在波長900 nm到1700 nm的輻射損耗可被完全恢復，從模擬計算的結果中推測在太空中摻鉺光纖的輻射損耗可因此減低至0.002 dB/m。另一方面，反射率調整技術可使得超螢光光纖光源在輻射環境中維持相同的平均波長，而且有著34 nm寬的頻寬，結合上述兩者技術，此抗輻的超螢光光纖光源可以保持穩定的平均波長以及大於40 mW的高輸出功率直到累積輻射劑量為200 krad，此效能超越以往文獻的結果，且優於超螢光二極體。本論文預期使用提出的抗輻超螢光光纖光源，即可實現抗輻的導航級光纖陀螺儀，更近一步地，若光纖的輻射損耗是可用修正的冪次函數來外插估計太空輻射劑量時的輻射損耗，那麼抗輻的高性能光纖陀螺儀應是可以實現的。
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利用時域擬譜法 (PSTD)，我們開發了一套模擬工具，能夠對光學相位共軛現象 (OPC) 進行模擬。 由於時域擬譜法對於空間微分能精準估計，並節省記憶體。 因此，利用時域擬譜法，我們可以模擬一個大尺度的問題。 然而，利用時域擬譜法所進行的模擬，有一些需克服的問題，包括建構光源及光學相位共軛鏡。 為了避免硬波源 (hard source) 所造成的非自然反射，故我們使用軟波源 (soft source) 來實作光源。 另一方面，吉布斯現象 (Gibbs’ phenomenon) 會使得波源的邊緣不連續處產生高頻場值震盪誤差。我們藉由將光源加寬，降低訊號的空間頻率，以去除此誤差。於是，我們便能利用時域擬譜法來建立一個精確的光學相位共軛模擬。 另外，我們建立的光學相位共軛鏡模擬了實驗中的兩個階段，傳播 (forward) 及回聚 (playback): 在傳播階段，我們利用傅立葉轉換來記錄經過紊亂介質散射的光之相量 (phasor)；而在回聚階段，我們藉由改變記錄光的波印亭向量 (Poynting vector) 的方向並重新入射，此共軛光將會如時光倒流般，循原路往回穿透紊亂介質。 如果我們增大模擬尺度，我們便得以進行將光學相位共軛鏡應用在生物組織上的模擬。由於大尺度的模擬運算量極大，故運用平行化運算來提高此模擬的運算速度是有其必要的。我們將模擬中的運算工作及資料平均分配給不同的CPU及記憶體，因而降低了大尺度光學相位共軛模擬的總運算時間。 在本論文中，我們建立利用時域擬譜法建立了一個精確的數值模型來模擬光學相位共軛現象。利用模擬，我們在光學相位共軛鏡中記錄了紊亂介質散射光的相量，並依此相量入射一相位共軛光至原紊亂介質上，則此共軛光將會穿透此紊亂介質，並聚焦在原光源處。至於未來的應用方面，我們希望經由模擬，能將光導引至紊亂介質(如生物組織)中的任意位置。隨著光學斷層掃描技術的進步，生物組織折射率的分布測量會更加精確。因此，利用光學相位共軛現象來進行非侵入式治療是值得期待的。
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有機發光二極體的許多特性，例如:自發光，反應時間快速，可撓性等，使其可能成為未來顯示器的主流技術之一。然而，有機發光二極體在戶外的對比度是一項需要克服的問題。因此，許多研究團隊致力於相關的研究，例如結合偏振器，以及結合反射式液晶來提升對比度的方法。由於近年環保意識抬頭，眾多方法之中，一項結合能源再利用的設計—結合薄膜太陽能電池，相較於其他方法更有機會能夠成為未來的主流技術。雖然結合太陽能電池的有機發光二極體可以增加對比度，也能將吸收的光能回收成為電能，但是同時也使其發光效率降低百分之五十，必須要克服此問題，這種新型元件才能成為綠能科技主流技術。 本論文的主要研究為設計光學結構，使其產生理想的反射頻譜，目的在於針對有機發光二極體的發光頻段提高反射率，以增強其出光效率。同時讓其他部份頻段的光穿透，維持較低的總反射量，進而維持高對比度。本論文從分析前人的研究開始，建立模型，設定假說，設計出光學濾波器，最後進行整合元件的分析及討論。 光學濾波器的部份，本論文討論了兩種常見的結構。其一為布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector)，其二為導模共振濾波器(Guided Mode Resonance Filter)。設計布拉格反射鏡的部份，利用解析解設計理想的反射強度及頻寬。導模共振濾波器則無解析解，本論文利用參數與對應頻譜的相對關係做參數掃描，利用最簡單的結構，設計出理想的反射頻譜。 最後，比較兩種濾波器的效能以及作為全彩顯示器的可能性，並且討論兩種光學濾波器未來實作的可行性分析。
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在本論文中，我們探討了高效率磷光有機發光二極體的兩種新穎雙極性主體材料及光萃取技術。首先我們討論兩種高三重態能量雙極性主體材料，CMesB和mCPCN。 CMesB被設計成同時具有電洞和電子傳輸的能力，其中包含兩個三甲基硼烷及一個咔唑分子。所有基於CMesB的紅/綠/藍/白光磷光有機發光二極體，都在實用亮度範圍內展現出良好的外部量子效率（紅：20.7 %，綠：20.0 %，藍：16.5 %，白：15.7 %）。這樣的結果顯示，具有高三重態能量的雙極性主體材料CMesB，在製造顯示及照明用途的紅/綠/藍/白光磷光有機發光二極體上，有相當高的潛力。 接著，我們介紹另一個具有高三重態能量的不對稱雙極性磷光主體材料mCPCN，是將氰基加到mCP分子所構成。包含mCPCN的單載子元件特性，說明了它擁有相對平衡的電洞�電子注入及傳輸性質。最大外部量子效率達26.4 %，電流效率達58.6 cd A-1，以及功率效率達到 57.6 lm W-1的高效率藍光磷光有機發光二極體已被實現。使用mCPCN的藍光磷光有機發光二極體呈現相當低的高亮度效率衰減，並在每平方公尺一千燭光及八千燭光的亮度下，仍分別保持約25 %及20 %的外部量子效率。此外，mCPCN也成功地應用在白光磷光有機發光二極體上，獲得超過23 %的外部量子效率。 最後，我們針對氧化銦錫陽極厚度對有機發光二極體光萃取效率的影響進行了理論計算及實驗驗證。製作在不同氧化銦錫厚度上的綠光雙發光層磷光有機發光二極體，各項效率特性表現出顯著的差異（外部量子效率：1.21倍，電流效率：1.30倍，功率效率：1.23倍），與理論計算的結果相當一致。
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本論文將介紹以溶膠凝膠方法製備N型氧化鋅透明導電膜製程，並探討摻雜物種類與摻雜濃度對氧化鋅透明導電膜之電學及光學特性的影響。 研究的目的在於藉由調變前驅溶液中的摻雜物濃度，以製備具有最低電阻率的氧化鋅透明導電膜，並利用各種量測方式，深入分析摻雜物在氧化鋅內引起的各種效應，以了解不同摻雜濃度在氧化鋅中造成電學與光學特性上變化的原因。 實驗共分為三大主題：摻鋁氧化鋅(AZO)、摻銦氧化鋅(IZO)以及鋁銦共摻雜氧化鋅(AIZO)。在摻鋁氧化鋅的部分中，氧化鋅經過0.67 at%的鋁摻雜可得到最佳的電性，電阻率、載子濃度和載子遷移率分別為1.78×〖10〗^(-2) Ωcm、2.92×〖10〗^19 〖cm〗^(-3)以及12.0〖cm〗^2/Vs，樣品在可見光區皆有高於80%的穿透度。 在摻銦氧化鋅的部分，則是在3.5 at%的銦摻雜下，氧化鋅可得到最佳電性，其電阻率、載子濃度和載子遷移率分別為1.51×〖10〗^(-2) Ωcm、3.25×〖10〗^19 〖cm〗^(-3)以及12.7〖cm〗^2/Vs，樣品在可見光區的穿透度最高可達85%以上。 鋁銦共摻雜氧化鋅的實驗中，在1.2 at%的銦和0.67 at%的鋁混合摻雜的情形下可得到最低之電阻率，其電阻率、載子濃度和載子遷移率分別為7.95×〖10〗^(-3) Ωcm、4.28×〖10〗^19 〖cm〗^(-3)以及18.3〖cm〗^2/Vs，在可見光區的穿透度皆可達到83%以上。
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癌症，又稱惡性腫瘤，至今仍然是致死率最高的一種疾病。根據台灣衛生署統計，從民國71年起，連續29年位居十大死因之首。99年死於癌症的人數更是多達4萬多人。因此，早期診斷及早期治療是降低癌症致死率的最佳方法。在醫學以及臨床上，診斷癌症有許多方式，但是活體組織切片是診斷癌症最終極且最準確的方法。此種檢查法雖已被普遍應用，但其過程除了會使病人感覺到疼痛外，產生的傷口更可能會導致流血、形成疤組織及造成癌細胞擴散等副作用。因此發展一個非侵入式的影像工具，並且可提供病理級的資訊，對於癌症的診斷以及選擇治療方式上都是相當關鍵的一環。 相較於活體組織切片，光學虛擬切片術不需要切除組織，不僅可避免或降低活體切片所帶來的疼痛、副作用及診斷上的失誤，更可以減低傳統切片染色法所消耗的時間成本。相較於共軛焦及多光子顯微術，倍頻顯微術已經被證實在活體健康皮膚上具有較深的穿透度、較高的空間解析度和極低的光破壞及光毒性的特性。因此，本論文進一步的利用倍頻顯微術，來探討其臨床應用在口腔癌和皮膚癌的診斷能力。 在口腔研究方面，我們在健康受試者的口腔粘膜得到不同層角質細胞的三倍頻影像以及固有層膠原蛋白的二倍頻影像，並且將這些影像作了相關的分析。由此部份的研究，我們確立了倍頻顯微術應用在活體口腔的影像能力。接著我們更進一步利用手術樣品得到口腔鱗狀細胞癌的倍頻影像，並且使用和病理特徵相同的標準去分辨癌化和正常組織的不同，這些特徵包括麟狀上皮細胞的大小、形狀和其排列，以及分化等等的異常。此外，為了增進三倍頻在口腔粘膜的影像對比度，我們利用醋酸作為三倍頻的對比增強劑塗在受試者的下嘴唇，並且觀察到口腔粘膜的上皮角質細胞之細胞核的確有被增強。 在皮膚研究方面，利用倍頻顯微術我們已經執行了31例活體色素性病變皮膚的臨床試驗研究，包括5例色素性基底細胞癌、1例黑色素細胞癌、17例色素痣及8例脂溢性角化病。依據傳統的病理標準，我們建立了診斷這些疾病的倍頻影像特徵。利用這些影像特徵，我們對手術樣本和臨床實驗總共44個色素性病灶作了敏感性(sensitivity)與特異性(specificity)的統計。在所有條件都列入考慮的狀況下，我們可以得到直接辨別出黑色素細胞癌、基底細胞癌、痣以及脂溢性角化症的總敏感性和特異性分別為92%和97%。若是每種疾病皆呈現兩種具有獨特性的影像特徵的條件下來做評估，得到的總敏感性和特異性為95%和100%。另外，為了增進三倍頻在皮膚的影像功能，我們利用刺青染劑作為活體皮膚的三倍頻對比增強劑。經由細胞、老鼠以及人體皮膚的活體實驗，證實了刺青染劑在的確會增強三倍頻的訊號強度。 由以上口腔和皮膚的研究結果，我們相信此系統在偵測口腔癌和皮膚癌可提供極佳的影像能力，並且具有疾病的監控、早期癌症的檢測與預防的潛力，以降低癌症的死亡率。
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近年來光電元件效率提升愈來愈重要，除了在新材料的研發上努力之外，引進具有奈米結構的薄膜實為另一有效的方向。具有奈米結構的薄膜因在光電特性上具有可調性，近年來已有廣泛的應用。此薄膜因可以隨著製程方法來控制其光電特性及幾何結構形貌，所以可以在光電元件中加入奈米結構薄膜，改善原本元件的結構，用以增加元件效率。 本文首先探討利用有表面紋理結構的氟摻雜氧化錫透明導電基板鍍上白金，作為染料敏化太陽能電池的對電極，而因為表面具有紋理結構的基板有程度不一的表面起伏特性，在鍍上白金後可以藉由表面接觸面積的增加來增加與電解質的反應，有效的提升染料敏化太陽電池的元件效率。 本文接著使用斜角蒸鍍法來製作奈米結構薄膜，斜角蒸鍍法是利用原子在沉積過程中蒸鍍源和基板有傾斜角的情況製作而成。此種薄膜可以依據不同的成長條件，而且有不同的光電特性及幾何結構，而可以彈性的應用在光電元件上。 本文使用斜角蒸鍍技術來製作染料敏化太陽能電池所需的白金對電極。利用在大入射角的條件製作具有較高孔隙率的白金對電極，也是利用表面接觸面積的增加來有效增加元件效率。最後我們利用斜角蒸鍍技術製作氧化銦鍚薄膜；在不同的入射角條件下，氧化銦錫薄膜會有不同的光電特性，如：折射率、穿透率及片電阻。最後本文則對斜角蒸鍍薄膜在不同的退火條件下所擁有的光電特性進行分析，找出退火溫度和時間對薄膜特性的影響。提供了日後光電元件應用之基礎。
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大畫面沉浸效果可使觀眾得到視覺臨場感而增進欣賞樂趣，故沉浸式顯示器乃顯示產業發展之趨勢。惟應用於平面顯示器之玻璃基板尺寸愈大，製程難度與運輸成本愈高，恐怕面臨瓶頸，將對於大型顯示器之生產形成阻礙。顯然，小型顯示器之並列顯示亦可產生大畫面，但邊框對於顯示器之並列顯示造成阻礙，故本文研究一種消除顯示器邊框之方法，並設計一種應用於消除邊框之光學元件，使小型顯示器可透過並列顯示提供大畫面沉浸效果。 本文基於虛像成像，試圖透過放大顯示器有效顯示區域遮蔽顯示器邊框。惟一般成像光學均著眼於輸入像素、輸出像素、光學元件三者共軸於該光學元件之旋轉對稱軸之情況，在本文中即正視角之情況，但本元件應用於顯示器，與觀察者之相對位置並非固定，具有視角問題，而有賴於嚴格定義與詳細分析加以解決，故本文乃透過分區設計法，以若干不同曲率之透鏡構成本元件。在二維分析下，該若干透鏡形狀剖面均為圓弧。該若干圓弧經過平滑處理，即可逼近作為本元件形狀剖面之理想曲線。 本文遂基於上述方法設計各二維模型，並透過光學模擬軟體LighttoolsR驗證其均具有遮蔽邊框之效果，更透過計算其所造成之影像扭曲，驗證在設計本元件時，若分區愈細密，則本元件效果愈佳。為化簡模型，本文亦嘗試透過調變輸入影像修正影像扭曲。在理論計算與模擬結果之相輔相成下，本元件所造成之亮度損失與色散問題均被驗證為極輕微。從而，在三維分析下，透過探討邊界條件，本文在影像之連續性與角落邊框之遮蔽間，得到最佳之權衡，而三維模型之效果亦在模擬結果中得到驗證。
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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。而新發展高分子太陽能電池由於其重量輕、可撓性等性質且可大面積低成本製程，引起了廣泛的注意。但在高分子太陽能電池中，施體(Donor)和受體(Acceptor)必須要有好的奈米交錯結構，才能得到較高效率。此奈米交錯結構通常是相當雜亂，不易控制。在此篇論文中，透過許多實驗之探討，發現使用CB和DCB兩種溶劑形成混合溶劑來製作倒置結構高分子太陽能電池，可以使元件特性改善許多，論文中深入討論CB和DCB兩種溶劑對奈米交錯結構的影響。 現今高分子太陽能電池主動層最常使用的主動層材料為P3HT/PCBM，P3HT的最高分子佔有軌道(HOMO)值(-5.0eV)和PCBM的最低未被分子佔有軌道(LUMO)值(-3.91eV)的差值非常的小。此缺點限制了元件的開路電壓(Voc)，因此使得元件的效率提升受到限制。為了提升開路電壓，一種新的n型富勒烯衍生物Indene-C60 bisadduct(ICBA)被提出，此種新的n型材料因為擁有較高的最低未被分子佔有軌道(LUMO)值(-3.74eV)比PCBM高0.17eV，因此可使元件的開路電壓有效的提升，進而提升元件效率。 從另外一方面來看，P3HT因為其能隙只有2eV，限制了太陽光譜的吸收，使短路電流也受到限制，造成元件效率無法再提升，因此最近許多不同種類的低能隙材料來取代P3HT，藉由降低能隙來增加長波段光子的吸收提升短路電流，使元件的效率更進一步的提升。 因此論文內容主要分成兩個主動層系統:其一是ICBA/P3HT，可使元件擁有較高的開路電壓。另一個是PBDTTT-C/PC71BM，可增加長波段光子的吸收因此使元件有較高的短路電流。 在用ICBA/P3HT為主動層的系統下。本論文藉由DCB和CB形成混合溶劑來提高對於ICBA的溶解度，使得主動層溶液中的溶解不完全的大顆溶質顆粒減少使得主動層的成膜較為完整，且加入導電高分子PVK來改善因為不同溶劑所造成的水平相分離，以及利用不同溶劑比例來調整主動層乾燥時間藉此控制主動層厚度，最後在氮氣下對元件進行後退火。藉由以上的改進使得元件的開路電壓從0.66V提升到0.82V且效率由2.60%提升到4.27%。 另外在用PBDTTT-C/PC71BM為主動層的系統下。本論文使用DCB和CB形成混合溶劑作為主動層的溶劑，並在加入DIO作為溶劑添加劑製作倒置結構高分子太陽能電池。混合溶劑的使用讓主動層的形貌獲得改善因此有較好的載子傳輸，之後再對主動層的厚度以及中介層氧化鉬的厚度進行最佳化，藉由以上的改進，使元件的短路電流從3.82 mA/cm2提升到13.50 mA/cm2，填充因子從33%提升到57%，也因此使元件光電轉換效率從0.92%提升到5.35%。