中央大學光電科學研究所學位論文
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近幾年來，各種粗糙化結構對矽基太陽能電池所產生的影響引起廣泛的研究。在本論文中，我們利用二維模擬軟體 Sentaurus TCAD 及 Lumerical FDTD，探討平面非晶矽薄膜太陽能電池吸收層厚度對於電性特性的影響，利用 Lumerical FDTD 視各種不同的微結構條件對於非晶矽薄膜太陽能電池在光性特性上的影響。利用 Sentaurus TCAD 模擬平面電池(Glass/ TCO/ a-Si:H(p)/ a-Si:H(i)/ a-Si:H(n)/TCO/ EVA)不同的本質層厚度 a-Si:H(i)，得知薄的本質層厚度(100 nm)可使電池的短路電流值達 5.55mA/cm2，外部效率達 14%。由電性表現的關係結果，發現本質層厚度越厚，可使較多的光生電子電洞對被收集(I=500nm, Jsc=8.78mA/cm2)，然而事實上其高比例的缺陷態密度也會隨之增加，且光衰退的影響會更趨明顯與嚴重。為使較薄的本質層(I=100nm)模型達到更好的效率，本論文利用 Lumerical FDTD 軟體以建立微結構的方式彌補其與較厚本質層模型在短路電流上的差異。就單層玻璃介面微結構而言，隨著結構高度(H)的增加，特徵峰值大小會逐漸減低，故就抗反射效果而言，選用較小的微結構高度如 0.2μm 或 0.4μm，次波長等級的周期(380nm
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EWOD (electrowetting on dielectric)微流體系統相對於傳統連續流流體系統的優勢在於非連續流流體的架構與虛擬流道的設計。非連續流流體與虛擬流道的架構使流體不再需要傳統的驅動幫浦、控制閥門與固定式微流道等元件，即可進行流體的驅動。本文以EWOD微流體系統為主體架構所組成之實驗室晶片，分別探討此晶片系統操控在少量、多樣性上的應用、整合感測器的能力，與在此流體系統中自合成感測器的可行性。 首先以胺基酸序列合成實驗(生物探針的製作)，成功地證明此實驗室整合型晶片適用於少量、多樣性等領域的彈性應用。由ESCA(electron spectroscopy for chemical analysis)量測數據結果顯示，此實驗室整合型晶片接合三段亮氨酸序列以及亮胺酸-苯丙胺酸序的接合率分別為63.9 %與77.2 %，顯現其高合成效率。 GMR (guided-mode resonance)感測器與EWOD微流體的整合，是本文另一重點，單點與多點兩種模式。具有架構簡單、製作容易、成本低、高通量與具有微小化潛力等特點，使得實驗室整合型晶片的應用將更廣泛。GMR感測器的製作採用軟模壓印的技術進行。其製程簡單、成本低且適合大量、大面積的複製，且可在短時間內完成製作。在程序逐步操控過程，透過LabView所開發的自動控制程式，成功達到驅動與量測的自動化。此外，由於同調光源經過流道後會產生干涉現象而影響穿透光譜中共振波長的判讀。通過空間頻率的低通濾波方法，可消除濾除干涉現象，提高感測器的靈敏度與準確度。藉由不同濃度蔗糖溶液的測試，此整合系統的靈敏度經測試約為17.4 nm/R.I.U.。 以實驗室晶片的設計概念而言，樣品或試劑匯入後的所有實驗步驟皆應該在晶片中完成，其中也包含可適應各種反應需求的感測器製作。EWOD微流體系統為實驗室晶片中最重要的基礎架構，亦必須具有合成感測器的能力。以EWOD微流體系統結合奈米球自組裝的特性與自組裝分子膜(Self-Assembled Monolayer)的技術可成功以500nm粒徑的奈米球排列出週期為為20.7μm，線寬為5.4μm類似GMR感測器的一維週期性結構。其週期與結構可依不同尺寸的奈米球與所需的圖案進行調整，亦可應用於其他類型感測器的製作。在流體系統中，自組裝所需感測器乃是一個全新的概念。此概念對實驗室晶片的設計模式，提供一個新的想法。
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本論文主旨在探討發光二極體(LED)與光學透鏡(Optical Lens)之 二次光學設計，應用在室內照明，以二次光學透鏡之設計來提高室內照 明品質，達到所需之廣角且均勻的照明效果。首先選擇一顆單一封裝的 LED，再配合燈具組裝之結構，決定設計的光學透鏡之尺寸。以此二次 光學透鏡改變LED光源初始的Lambertian分布，加上燈具結構，使照明 效果符合美國Energy Star的規範[1]。本論文一開始會先介紹固態照明 的發展背景，接著敘述光學設計的基本原理，然後講解二次光學的設計 以及建模方式，最後再以光學模擬軟體TracePro確認遠場光形是否達到 原始設計之照明需求。
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本研究中，首先討論不同矽晶片如何影響表面鈍化與太陽電池元件之結果。接著使用對苯醌合對苯二酚(QHY)作為表面鈍化的材料，QHY 表面鈍化的優點為快速、方便、簡單以及效果良好之化學浸泡方法。最後我們將其應用於矽基太陽電池上用以提升開路電壓、填充因子以及轉換效率。 我們對厚度 200 µm 之 30 片矽晶片作 effective lifetime 的量測，分別取好、中、壞三種晶片，以相同的製程方式將其製成太陽電池，而在轉換效率上各為 10.9 %、9.3 %以及 7.4 %。接下來，我們在不同 QHY 濃度與浸泡時間下以 QSSPCD 量測中等矽晶片的 effective lifetime，而在最佳條件為:QHY 濃度 0.01 mol/L，浸泡時間 60 分鐘下有最佳 effective lifetime 值為 788 µs，且表面復合速率為 13 cm/s。再以 XPS 分析其表面鍵結，經由 C1s、O1s、Si 2p 頻譜證實經 QHY 鈍化後矽晶片之表面以及表面底下 2 至 4 nm 存在有Si-O、C-C、C-O 鍵結訊號，表示經處理過的矽晶片其表面缺陷得以改善。 經我們使用 QHY 表面鈍化後的矽薄膜，除改善其表面缺陷也進而提升其 effective lifetime，之後再鍍上 ITO 與電極來製備成矽基太陽電池。最後，在 AM1.5 光源量測下，經 QHY 表面鈍化後之太陽電池其開路電壓從 553.5 mV 增函至 570.7 mV、 FF 從 61.5 %增至 69.62 %，轉換效率則從 11.71 %增至 12.47 %。
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傳統透鏡無法突破繞射極限，但使用超材料製作的超級透鏡卻可以打破繞射極限的障礙，使得”次波長成像”不再是夢想。超級透鏡雖然能藉著重建消逝波的資訊而做到次波長成像，但此種成像只能在近場實現，因此其實用性有限。在突破繞射極限之後，科學家設計出一些新元件，要使消逝波成份轉換成傳導波，以便能於遠場成像，方便其他傳統光學元件做進一步處理。本文所討論的雙曲透鏡，便是以此為目標所設計的結構。 雙曲透鏡(hyperlens)的基本設計，是利用兩種異號介電係數的材質(多為金屬與介電質)，週期層狀排列而成的圓柱形結構，在H-polarization的電磁波下，具有如透鏡放大成像的特性。 本文係用傳遞矩陣法計算點光源經由雙曲透鏡的成像，同時輔以光線追跡方式，討論透鏡厚度改變下成像行為的變化。利用單光源成像集中度標準差，量化雙曲透鏡成像之side-lobes光場帶來的影響，並研究side-lobes對成像集中度以及各情況下雙光源最小可分辨距離的影響 根據數值模擬的結果，我們發現：雙曲透鏡成像相對於厚度變化，具有震盪現象。這一震盪現像顛覆了我們通常對於雙曲透鏡厚度越大越好的印象。此震盪現象對我們在製作雙曲透鏡時所考慮的理想厚度之研究提供了重要資訊。
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本篇論文是利用平面波展開法以及有限元素法 (COMSOL Multiphysics 3.5a軟體) 模擬與分析各種填入液晶材料的光子晶體結構的光學特性，並設計有用的光電元件。含液晶的光子晶體是利用外加電場影響液晶主軸角度以達到光子晶體能帶調變的效果，並從光子晶體能帶色散關係曲線圖中找出極大而且有用的光子晶體能隙，即可設計出可調變的光電元件。如此方便的調變特性使得含液晶的光子晶體在積體光學的應用上有相當大的發揮空間。 本論文中我們設計並模擬分析一種在交叉點處有一個填入液晶的共振腔的Y型分支波導的特性。此種結構中的共振腔可篩選特定之共振頻率，並利用外加電場來調變控制TE mode在共振腔中的模態方向以決定導波的傳播走向。與此類似的結構在未來或許可以推廣應用在篩選頻率的分光器上面，或是做為積體光路中的開關元件。
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傳統上，要將平行光聚焦於一個小光點，需要使用一個凸透鏡。近年來關於光子晶體的研究提供了另一種途徑：選擇光子晶體的負折射頻帶為工作頻帶，則以此光子晶體做成的凹透鏡就可以將光聚焦。已有大量的論文研究過光子晶體的負折射特性，此外也已經有幾篇關於光子晶體凹透鏡的研究被發表。這類透鏡做為一類奈米光學元件，具有短焦距以及能進行次波長成像的優點。然而這類透鏡的設計與實作還是顯得複雜，因此本論文提出空氣透鏡的概念以取代並簡化相關設計，並探討其成像特性。 本論文首先探討二維光子晶體奈米平凹透鏡的負折射行為與成像特性，接著將二維光子晶體以一維光子晶體取代，最後提出空氣透鏡的概念，以期不必使用光子晶體的複雜結構，亦能達到於奈米尺度之環境中有效將入射光聚焦的目標。 我們在介電質背景中置入一空氣平凹透鏡，其中之凹面為圓柱面，並選取背景介電係數與透鏡介電係數相差甚大的參數進行模擬。當光從背景介質傳播進入凹透鏡形狀的凹洞中(由光密介質進入光疏介質)再回到背景介質中，光線會產生與玻璃凸透鏡一樣的匯聚行為，達到聚焦的效果。為了找出較好的聚焦特性，我們對空氣平凹透鏡做非球面的處理，將凹面以幾種圓錐曲面取代，並比較在各種圓錐曲面下，以時域有限差分法（以 Maxwell 方程組為基礎的波動光學）與光線追跡法（幾何光學）進行聚焦位置的預測及成像點大小的分析比較。 在我們的分析中，以橫橢圓2的成像品質最佳(幾何光學預測與波動光學現象吻合度最高)。作為一個應用的例子，我們將空氣透鏡與光子晶體波導組合在一起，形成光學耦合器，並展示其有效將光強集中導入波導的結果。我們相信，適當設計的奈米級空氣透鏡元件將能在未來的奈米光子學中獲得普遍應用。
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本研究主要的內容是藉由數值模擬來分析光在奈微米光學元件中傳播的特性。在本論文中，我們利用光子晶體結構，將介電質材料以週期性的方式排列，來產生所謂的光侷限效應。然而光在波導中傳播時，會存在光耗損，因此本論文的第一個部分是研究如何以三維光子晶體結構降低二維光子晶體波導之傳播光耗損。我們使用有限時域差分法，將奈米小球所排列的三維光子晶體放置於二維光子晶體波導上，來達到有效減少垂直方向上的能量損耗。結果顯示TM模態光波穿透率可有效提升2.25倍。本論文的第二部份，我們利用光子晶體建構透鏡，結合角錐狀波導，將光由寬波導耦合進入窄波導之中，其耦合效率達到87%。 本論文的第三部分研究週期性排列的甜甜圈波導，此一新型的光子晶體波導能夠有效地將光的能量侷限在其中空結構當中，而且波導的中心為空氣，更是降低了因介質的因素所造成的能量損耗。我們以圓柱座標的有限時域差分法來探討甜甜圈波導的結構，計算出結構所產生的光子能隙，找到能夠將能量完全侷限在波導的條件。另一個特性則是，甜甜圈波導的在部分光子能隙(partial band gap) 的條件下，能夠找到讓光場在出光時不易繞射(diffractionless)的效果。利用Bessel節點的方式位置甜甜圈的條件之下，其出光的繞射角可由?????縮減至????? 。利用此結構在雷射上，能夠提升光束集中的效果。 本論文的第四部分是共振波導元件。傳統上要製作窄頻的光濾波器需要靠多層的光學薄膜，而共振波導元件則是以次波長光柵加上平面波導的結構亦能達到相同的效果。我們以嚴格耦合波理論來進行計算，在製作方面，以化學沉積法在共振波導薄膜元件上成長SiO2薄膜，共振波長的頻寬會隨著薄膜厚度的增加而呈現震盪的效果，當薄膜厚度超過一臨界值時頻寬便不再震盪。本論文的第五部分，我們利用單層排列的奈米小球與乾蝕刻技術，製作二維的共振波導元件。此一製程過程簡化了製作次波長光柵所需的電子束微影法之曝光顯影製程，此元件可應用於提升太陽電池之光萃取效應。
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週期性結構之製程技術，近年來以Lloyd’ s mirror干涉系統最為常見。比較單一光束與兩道光路曝光系統，其光路架設精簡、穩定性高、週期調整便利，以及試片載台位置固定，可以降低作業成本的負擔。不過，Lloyd’ s mirror干涉系統，製作次波長結構，旋轉角度須調整至30度以上，會導致表面餘弦的能量損失，使試片的均勻性欠佳，因此製作有其困難。 在本研究中，利用Lloyd’s mirror 干涉微影系統與高於空氣的介質環境作結合，而建立了新穎的菱鏡浸潤式干涉微影的技術。藉由Light tool軟體模擬光線在菱鏡中其軌跡與干涉角度的變化情形。使用波長442nm氦鎘雷射，經由光學系統產生均勻的平行光束，再利用菱鏡波前分光與疊加形成干涉條紋，透過旋轉載台角度可以在光阻上曝出所需的週期性結構。 本研究以菱鏡取代Lloyd’s mirror，可降低空氣擾動，並利用菱鏡內部的全反射，可達到兩光強一致，使條紋對比度增加，由於環境折射率提高，週期可以做得更小。其中，在菱鏡與試片之間浸潤一層水，使菱鏡與試片的震動同步以維持高明晰度，由於水造成的折射率漸變，可使反射率降低，且提高數值孔徑增加干涉條紋解析度，並改善了光線在光阻內多重反射所造成曝光的不均勻。充分地改善並彌補原系統的不足。實驗中已經可以製作出面積1.5cm×1.5cm、週期300nm~500nm的光柵結構。利用此光學干涉系統，對於製作次波長週期性結構，可達到方便快速、穩定均勻的目標。
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近年來，高功率固態照明光源技術不斷地演進，加上封裝製程與螢光粉材料等技術也持續地發展並日趨成熟，發光二極體(Light-emitting Diode, LED)的發光效率逐漸提升，由2006年的50 lm/W提升至2009年約250 lm/W。在未來的應用及發展應是屬於照明市場，LED正漸漸取代傳統光源。 由於發光二極體有許多的優點，像是節能減碳、低成本、發光效率高、體積小、壽命長和較純的光譜等優點，進而衍生出各種應用的照明光源產品，例如交通號誌燈、電式、手機被光源、路燈等等。然而，發光二極體的發光特性會隨著接面溫度而改變，例如發光強度的衰減、發光顏色的飄移和閃爍不定等，其原因歸因於驅動電流的調整、以及發光二極體內部接面溫度的變化。 本論文將探討發光二極體的輻射光譜、驅動電流和接面溫度三項物理特性，建立出光電熱色整合的輻射光譜模型。輻射光譜代表發光二極體的光、色特性，完全地相依於驅動電流、與接面溫度的變化，此輻射光譜模型將適用於任何封裝形式的發光二極體。