清華大學光電工程研究所學位論文
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近幾年綠色能源深受注目，帶動了太陽能電池產業的蓬勃發展，在有限的照光面積下如何達到最高的轉換效率成為了首要目標；隨著太陽電池效率與製程技術的不斷改善，其中由Stuart Wenham所提出的埋入式電極太陽電池(BCSC,buried contact solar cell)結構，與一般太陽電池不同的是利用雷射技術定義出凹槽填入電極並加上選擇性射極，不僅減少了金屬電極的遮蔽效應還有增加藍光波段吸收與減少載子復合速率的優點，明顯的提升了轉換效率。 起初的埋入式電極搭配選擇性射極結構需經過兩次的磷擴散和黃光製程，不僅耗時又會有高成本的問題；本實驗較以往所提出的BCSC不同的地方是利用濕式蝕刻與抗蝕刻膠定義圖形的方法蝕刻出凹槽，並且只需經過一次磷擴散搭配回蝕(etch back)技術製作出選擇性射極，以往較複雜的製程都被簡化了，有減少製程時間及較低成本的優點。
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本實驗研究分為三部分；第一，分別討論不同燒結溫度與時間，對多晶矽太陽電池的效率參數影響。 本實驗使用正面銀漿網版印刷以及背面鋁漿網版印刷分別以780℃15秒、20秒、25秒、30秒以及750℃、780℃、800℃、820℃25秒用方形高溫爐進行高溫共燒結，在高溫燒結下背鋁電極會形成一背表面電場(BSF)增加電子電洞對的收集率，並降低接觸電阻，探討不同燒結條件下產生的BSF厚度與效率特性參數的關係。而此部分實驗結果顯示780℃25秒為本實驗最佳的燒結條件。 第二，討論PERL結構多晶矽太陽電池背表面沉積的不同氮化矽薄膜厚度以及不同FGA退火溫度對太陽電池的鈍化效果。此部分實驗使用國家奈米實驗中新(NDL)的機台PECVD沉積氮化矽薄膜沉積厚度分別為130 nm、140 nm、150 nm以及國立中央大學微光電實驗室的爐管通入95%氮氣與5%氫氣分別使用350℃、375℃、400℃10分鐘進行鈍化層進一步的鈍化，並使用國家奈米實驗中心(NDL)的紅外線光譜儀(FTIR)量測氮化矽薄膜的矽氫鍵的吸收響應與國立中央大學的QSSPC量測少數載子生命時間(Lifetime)，藉此分析不同氮化矽薄膜厚度的鈍化效果以及不同FGA退火溫度的鈍化效果。實驗顯示140 nm的氮化矽薄膜，375℃10分鐘FGA的退火溫度有最佳鈍化效果。 第三，討論PERL結構片與參考片的各效率參數的差異，並量測QE分析結構片與參考片的EQE差異。結構片的效率為15.38%較參考片提升了2.4%。
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本研究分為兩部分；首先以化學蝕刻法達到一次擴散製作選擇性射極結構，比較選擇性與否對短路電流和效率的差異。在製作選擇性射極結構使用的等向性蝕刻液混和了氫氟酸、硝酸、醋酸，比例為1：40：200的稀釋溶液。溶液中放入磁石旋轉使溶液混合均勻，避免影響部分區域蝕刻速率，由於蝕刻時間較長、蝕刻速率須精準控制，加入了大量的醋酸緩衝。 磷摻雜的濃度、深度與持溫溫度、持溫時間相關，摻雜的磷原子濃度從基板表面向內遞減，在刮除表面磷摻雜層時以四點探針量測阻值變化推斷蝕刻量，再利用蝕刻時間調整最佳選擇性射極所需的照光區磷摻雜濃度，使用二次離子質譜儀驗證蝕刻前後的表面濃度差。利用可見-紫外光光譜儀和掃描式電子顯微鏡作量測，比較實驗中蝕刻時間對金字塔結構及反射率的關係。實驗結果顯示，以本研究的蝕刻溶液比例做重摻雜層刮除，蝕刻四分鐘內反射率與參考片相比無明顯變化；蝕刻一分五十秒可有效將表面高濃度磷摻雜層刮除，形成選擇性射極的結構。 第二，沉積氫化非晶矽薄膜五奈米於單晶矽基板背表面，進行鈍化表面懸浮鍵的作用。利用拉曼光譜儀檢測燒結前後晶體結構的變化，再以傅立葉紅外光光譜儀和QSSPC量測模擬電極燒結前後矽氫鍵含量和少數載子生命期，以此判斷氫化非晶矽薄膜在高溫短時間製程後的鈍化效果。本研究之非晶矽層，於800℃持溫二十秒的高溫模擬後，晶體結構仍為非晶，但是在經過800℃持溫二十秒的模擬燒結後矽氫鍵含量明顯減少，而少數載子存活周期也下降，使得鈍化效果略微降低，在開路電壓方面的提升稍受影響。
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因為solar grade的單晶矽品質較差，矽塊材本身的缺陷會比較多，所以我們在矽晶片表面利用PECVD沉積氫化非晶矽薄膜(a-si:H)，並用真空退火爐做285℃到400℃的退火動作來修補表面斷鍵進行鈍化(passivation)處理。利用FTIR和QSSPC分別量測比較有無氫化非晶矽薄膜的氫含量和少數載子生命周期，且不同的退火溫度對少數載子生命周期的影響。 由於我們的結構是射極鈍化背面局部擴散太陽電池，所以背面會用PECVD沉積一層厚度約100nm的氮化矽做保護跟絕緣用，接著使用網印蝕刻膠的方式做背面電極圖形的開口，此種方法會比黃光微影定義圖形的方式所需的時間及成本來的低，較適合應用在業界量產的模式。 實驗結果顯示局部的背面電場載子收集率會比全面的背面電場高，而經過鈍化處理的電池表面缺陷較少，進而提高短路電流(Jsc)及效率。
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光偵測器在日常生活中已被廣泛應用。例如:數位照相機，錄影機，夜視鏡乃至於感測器，不僅可偵測距離,影像更進一步的在生醫方面也很多的應用與貢獻。此外，有機光偵測陣列因其能夠製作在3D介面上以及大面積化而深具發展潛力。本研究採用反結構(ITO/TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag)製作塊材異質接面光偵測器陣列。元件中選用以ALD成長的TiO2緻密薄膜作為電洞阻擋層，結果顯示TiO2薄膜能夠在正偏與負偏壓下有效抑制載子注入。由於目前的光偵測陣需要搭配SELECT device來驅動控制，在本研究我們利用此元件的IV特性，成功製作出有機光偵測器陣列，並使用簡單的方法來分別驅動陣列中的各光偵測器，來取代SELECT device的使用。
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如果能夠隨意地產生或量測光波中超快速振盪的電場波形(光波電子學)，即代表著具有控制在埃(10的-18次方)秒時間尺度內電子微觀運動行為的能力，所以發展這種能力變成一個重要的新興科學研究與科技發展的目標。原子尺度下的電子運動行為是許多物理機制的基礎行為，若利用此合成埃秒時間尺度電場波形的能力，來觀測電子微觀動態過程及控制電子動態所造成的物理機制，將會帶來許多好處。光波電場合成器(或光學信號產生器)是一種光波頻域的信號產生器，將會成為一種新的基礎科學儀器，帶給需多領域重要的影響，因此科學上正慎重地發展此能夠合成具有任意埃秒電場形狀的單光週期脈衝的新技術。 在這篇論文中，我們描述我們如何在實驗上成功的合成任意不同形狀的飛秒至次飛秒週期性電場波形。為了產生可以控制載波波包相位的週期性光脈衝，我們利用一道基頻奈秒雷射脈衝產生其倍頻諧波脈衝，接著由分子調製技術，用此兩道脈衝驅動氫氣分子同調性振動，產生多重音階頻寬的光頻梳，此光頻梳合成的脈衝其電場波形的載波波包相位是可以完全控制的。我們利用倍頻與二倍頻干涉儀來量測外差信號，獲得光頻梳內各頻率間的相對相位值，由此證明各頻率間存在鎖相關係以及每發雷射脈衝間載波波包相位的穩定性。我們接著使用此頻率梳中前五個諧波，配合液晶空間光調制器合成電場振盪非弦波形式的光波電場。這些光脈衝中的電場波形的驗證，是利用調制器協助式線性相干法來量測，這是一種利用脈衝調制技術來輔助量測以顯示出電場波形的方法。 我們也發展了一套由非線性光子晶體及聲光調制器構成的光波電場合成器。這套光波電場合成器因為其所有主要的元件都是固態的光學元件，所以可以成為一個更佳方便的小體積光學系統。 因此，我們所發展的兩套光學信號產生器，可提供任意不同形狀的飛秒至次飛秒週期性電場波形，將是未來提供奈米電子、奈米材料、超快電子和化學反應控制等研究領域所需要的一種新科學研究儀器的雛形。
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本論文設計及架設一台利用雙級摻鐿光纖放大器的主振盪器功率放大器結構的皮秒高功率雷射。種子光源為二極體泵浦之被動鎖模Nd:GdVO4固態雷射，前級放大器是以光纖纖核直徑為10微米的摻鐿光纖放大器，主要放大器為光纖纖核直徑為30微米的摻鐿光纖放大器。種子光源(波長=1064 nm)經過兩級光放大器後，平均輸出功率可達60 W，脈衝寬度約為10皮秒 (脈衝重複率~ 250MHz)，並且脈衝光束輪廓佳 (M2 ~ 1.6)。實驗結果，也與理論模擬預測相吻合。
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Abstract In this thesis, a single longitudinal mode OPO output pumped by a 1064 nm nanosecond laser is proposed. The single mode is achieved by grazing incidence OPO with an etalon inserted in the OPO cavity. The bandwidth of OPO output is measured by directing signal into a scanning Fabry-Perot, which is controlled by Labview program. The output single mode’s bandwidth is about 210 MHz and can last 30 minutes without feedback control; with feedback control, it can last an hour. The actual single mode’s power is around 20 mW while the total OPO output power is 50~60 mW, others come from the oscillation between etalon and the scanning mirror in the cavity. To extract the single mode’s power, we either reduce the background power to as low as possible but never to zero, or an external etalon might have to be added. The pump power is 2.3 W and the single mode output is 20 mW. The power conversion efficiency is 0.87%.
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The vacuum ultraviolet (VUV) light source has been used for soft ionization in many applications. A simple method to get VUV light is by tripling the third harmonic of a Neodymium doped laser (1064 nm) in xenon gas. In order to get more fluence, higher repetition rate and conversion efficiency to enable more applications, we have investigated using a picosecond laser with a 50 kHz repetition rate as our 1064 nm light source. By using two lithium triborate (LBO) crystals, we obtained 354.7 nm UV light with >50% conversion efficiency from the fundamental. Taking this UV light and tripling it in a cell filled with a mixture of xenon and argon gases, the overall VUV power is expected to reach ~100 μW before optical loss. We tried to improve this conversion efficiency of VUV generation with a hollow waveguide. We used a quartz hollow waveguide that has a 100 μm inner diameter, 1200 μm outer diameter and is 10.5 cm long. Under the same focusing condition (32 μm beam-waist) and input average power (1 W) as in the gas mixing case, VUV output is enhanced by 1.4~2 times compared to free focusing with gas mixing. This conversion efficiency is not as high as we had expected. We attribute this low enhancement to scattering and propagation losses in the waveguide and to two-photon ionization. This means that if one wants to have a better conversion efficiency, one shall need to use a waveguide that has a larger inner diameter to reduce waveguide loss and two-photon ionization loss. We suggest that the hollow waveguide (capillary) shall be used when the laser peak power is large enough (for example 20 MW). On the other hand, if the laser peak power is small, we suggest to employ tight-focusing to generate VUV photons at an intensity just below the level where Kerr effect is induced.