交通大學光電工程系所學位論文
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此研究的目的為發展一套快速且準確的光彈調變式橢圓偏光儀量測系統，藉由波形分析法及基因演算法，可量測異向性材料的光學參數，包括三個主光軸折射率及歐拉角 (Euler angle)，時間解析度可達 20 μs。在分析樣品反射光強度波形的過程中，我們得到折射率的參數方程式，可用來縮減參數於數值計算中的求解範圍，提高收斂效率。此外，我們也歸納出在反射式架構下量測異向性材料時，以雙光量測，即入射角為 65 及 70° 的系統。此系統可同時滿足架構的簡易性又可快速量測出準確的光學參數。對於光軸在任意方向的單光軸材料，此系統在反射式架構下量測折射率的準確度可達 10-3，而在穿透式架構下，結合了傅利葉技術及波形分析技術，量測塊狀材料 (厚度約 2 mm) 折射率的準確度可優於 10-6。論文中除了發展此套量測系統，更將此系統應用於量測三種光折變全像材料，從折射率的動態變化中，我們可以進一步了解材料的反應機制。
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銅銦鎵硒是一種具有潛力的薄漠太陽能電池材料，目前其最高轉換效率達到20.3%。然而在高效率太陽能電池的生產過程中，其緩衝層材料所使用的硫化鎘由於包含了鎘的成分，在電池年限到達之後將會對環境造成汙染。因此本論文提出對環境影響較小，同時不會嚴重降低電池效率的緩衝材料硫化鋅。由於硫化鋅本身是活性較低的材料，不容易在銅銦鎵硒吸收層上形成高覆蓋率與適當鋅硫化學當量比的薄膜，因此本論文針對化學水浴法製備之硫化鋅緩衝層做研究，包含了薄膜覆蓋率、鋅與硫化學當量比、薄膜厚度三者的改善。論文中首先研究了溶液中的溫度、氨水濃度、沉積時間對薄膜品質的影響，經由分析硫化鋅在化學水浴法中的沉膜機制後，提出了兩種增進成膜品質的方法，分別為「後處理製程」與「兩階段製程」。進一步研究「後處理製程」與「兩階段製程」發現兩階段製程可以有效增進硫化鋅的成膜品質，硫化鋅的兩階段製程在銅銦鎵硒吸收層上只需沉積大約100奈米的薄膜厚度即可達到了超過95 %的薄膜覆蓋率、1.78鋅與硫化學當量比。
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在本篇論文中，我們使用矽奈米線波導設計出一新穎之微型極化旋轉器結構並且使用三維有限時域差分法模擬其光學特性。此極化旋轉器之結構為於方正的矽奈米線波導之45方向上放置一正方形氮化矽波導結構，致使獲得兩正交特徵模態為45度線性偏振模態。透過有限元素法計算獲得於波長為1550奈米矽奈米波導之厚度為220奈米時，此氮化矽之結構尺寸為100奈米，其兩最低正交模態之等效折射係數分別為1.558和1.531，而其所對應之半拍長度為28.56微米。鑒於輸入波導與此結構之模態不吻合，我們於結構之前後端皆插入5微米長之錐形波導，透過三維有限時域差分法模擬計算結果顯示此元件之插入損失為0.3dB。此外，在1500奈米到1600奈米波段下的穿透頻譜，其極化消光比超過20dB以上。
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本論文中，我們於室溫下金屬塗層氮化鎵之光柵結構中觀測到雷射訊號的表現，並展現金屬塗層在光柵結構中的重要性。 第一個主題部分，我們先利用有限元法近似解的模擬工具對光柵結構進行設計與優化，之後使用電子束微影技術在未參雜的氮化鎵材料上定義出光柵結構圖形，接著將氮化矽介電質材料與鋁金屬塗佈在此結構表層。在元件製作完成後，我們用掃描式電子顯微鏡去確認光柵結構元件的週期、寬度與深度是否與我們模擬所設計的結構尺寸相同。此後，由微光激發螢光量測系統對樣品進行量測，從實驗結果中我們觀察到了一波長約三百六十八奈米的單一模態能帶邊緣型雷射訊號，並概算出品質因數約為570。隨後，藉由有限元法近似解去模擬有無金屬塗層的氮化鎵光柵結構，我們證明了鋁金屬塗層確實大幅度提升了光柵結構對於光場的侷限能力。由實驗與模擬結果，我們相信此能帶邊緣型雷射模態是由於表面電漿的模態與部分的波導模態和所達成的。 第二個主題部分，我們選擇性改變光柵結構的等效折射率，更進一步設計出具有低閥值優點的缺陷模態雷射。我們改變光柵結構的其中一條狀結構寬度，並從有限元法近似解確認了缺陷模態的存在。從實驗結果中我們也觀察到了一波長約三百六十四奈米的缺陷型模態雷射訊號。和前一章之光柵結構之元件特性相比，缺陷模態光柵結構具有超低閥值能量密度的表現，並承諾了未來低耗能光電元件發展的可行性。
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近年來，具優越物理與化學特性之量子點材料發展迅速。其受到量子侷限效應影響，藉由調控量子點粒徑大小可得到不同發光波長。於過去研究中，相當多量子點材料應用於光電元件上，例如：發光二極體、背光顯示器、光偵測器與生醫光電等。於本研究中，我們成功設計一個新穎與高效率之混合型敏化太陽能電池，主要利用量子點獨特之吸光-發光特性，應用於單晶矽與砷化鎵太陽能電池表面上，可降低元件表面反射率、增加元件紫外光線收集機率與改善元件表面上載子傳輸特性。 於第一部份研究中，我們成功利用量子點改善單晶矽奈米柱陣列太陽能電池轉換效率，透過膠體微影術與離子反應蝕刻技術製作單晶矽奈米柱陣列，再結合量子點形成太陽能電池，於標準模擬太陽光條件照射下，結果顯示較高之功率轉換效率，相較於無量子點太陽能電池提升約為33％。由實驗分析結果顯示，其元件效率提升主要的機制為光子向下轉換機制、抗反射機制與表面載子傳輸之改善，此些特性皆為量子點層之作用。 於第二部份研究中，為驗證量子點材料是否可應用於其它型態之太陽能電池上，故我們量子點應用於傳統的砷化鎵太陽能電池表面上，使元件成為新穎混合型敏化的太陽能電池結構。藉由應用量子點於砷化鎵太陽能電池表面，於長波段區域可獲得有效抗反射機制，以及於短波長下獲得光子下轉換機制，原因可歸納為量子點於短波長下具較強之吸收並且同時轉換出可見光波段給太陽能電池所吸收，故相較於傳統無量子點之砷化鎵太陽能電池，光電轉換效率可提升18.9%。 於第三部份研究中，(由於過多量子點於使用下會造成自聚集現象，進而影響光子下轉換機制)我們有效減少過多量子點於使用下所造成自聚集現象，進而提升光子的下轉換機制。故我們使用可饒式矽氧樹脂薄膜製作出雙層量子點層並且成功應用於砷化鎵太陽能電池上。其中，將透過旋轉塗佈方式製作出之矽氧樹脂薄膜，之後引入量子點內形成層堆疊之雙層量子點層。而雙層量子點砷化鎵太陽能電池相較於傳統無量子點之砷化鎵太陽能電池可提高轉換效率高達22%。最後，由於量子點材料具可提升任何型態之太陽能電池轉換效率，未來極具潛力成為下一世紀新穎混合型敏化太陽能電池元件。
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石墨烯是一種單層原子厚度，以sp2鍵結成六角晶格結構的碳材料，具有許多優異的特性，如高電子遷移率、高透光性、導熱性好、機械強度強、可撓性佳，是極有潛力的前瞻性材料。在各界的熱烈研究之下，石墨烯已經有許多的製備方式，如微機械剝離法、碳化矽磊晶法、化學氣相沉積法等等，其中以化學氣相沉積法最有潛力。一般化學氣相沉積法使用銅箔作為基板，通入氫氣、甲烷(作為碳源)生長石墨烯，可以生長出均勻的單層石墨烯(佔總面積的95%)，有少部分區域為兩層或三層石墨烯(佔5%)，但無法控制層數、也無法長出均勻之多層石墨烯。因此，為了研究少數層石墨烯(兩層以上)的有趣特性，研發出控制不同層數的石墨烯成長方式，是需要突破的課題。 本研究發現了新式的化學氣相沉積法，以迴旋油墊幫浦的油氣回流作為碳源，不通氫氣與烷類氣體，在真空度3mTorr的情況下在銅箔基板生長出不同層數的石墨烯。我們以清洗過全新的石英管、通高純度氮氣以及更換油墊幫浦為乾式幫浦等三種方式，證明碳的來源就是幫浦油氣的回流。經過拉曼光譜分析樣品，得知當成長的溫度為1050°C，時間為30分鐘，基板是使用0.01mm厚度的銅箔時，可以穩定成長大面積的單層石墨烯，但使用0.1mm厚度的銅箔時會生長出不同層數石墨烯及石墨。 生長後的石墨烯可利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轉移至任意的目標基板。在霍爾量測中，石墨烯之電子遷移率可達440cm2/Vs，與普通化學氣相沉積方式生長的石墨烯電子遷移率526 cm2/Vs相距不遠。我們將石墨烯轉移到二氧化矽基板上製作成石墨烯電晶體，在石墨烯電晶體的場效電性量測中，可知石墨烯為高的p型摻雜，主要由於大氣中的水氣、氧氣吸附與殘留的光阻。 雖然品質仍需改善，但以油氣為碳源提供了一種新式簡便的方式成長不同層數之大面積石墨烯，不需通氫氣也使得製程更安全。不僅如此，此新方法可在銅箔基板上長出多層石墨烯，突破了已往在銅箔上只能成長單層石墨烯的情形，若是能穩定的控制石墨烯的層數，將會是石墨烯成長的一大進展。
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對於不同的環寬、金奈米環的高可調性表面電漿效應已經被研究。由於金奈米環的內側和外側的表面電漿偶合，使得整體的電場增強度大大的提升；這樣的特性可以用在生醫感測、光學捕捉和電場增強光譜。 在這篇研究中,我們提出了橢圓金奈米環來研究長短軸比效應在複合式結構裡的影響。在模擬和實驗上,我們用共振波長,模態分佈和電荷分佈圖在不同的偏振態方向來理解長短軸比效應在橢圓金奈米環的光學行為。我們發現到共振波長的可調性和電場增強度可以藉由控制長短軸比獲得提升。此外，我們同時研究橢圓金奈米環和橢圓金奈米盤的折射率感測特性做比較。我們觀察到長短軸比效應於表面電漿折射率感測特性的影響，並且在電場於短軸偏振下發現到橢圓金奈米環獨特的光學和感測率特性，也對此做了完整的討論與研究。
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本研究利用四駢環類的材料為有機主動層材料、聚乙烯醇肉桂酸酯為有機介電層材料，以金為電極製做出頂電極結構之有機薄膜電晶體，我們發現經由成長後退火處理可以提高元件之載子遷移率表現，進而去研究載子遷移率上升的原因，我們發現成長後退火會改變主動層的結晶型態、表面形態以及降低了利用轉換線法所萃取之接觸電阻。本實驗最佳化條件其電流關關比可至3.8x103，載子遷移率可達0.092 cm2/Vs。
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此研究矽基薄膜太陽能電池由27.12 MHz電漿輔助化學氣相沉積系統所製作。氫化非晶矽雙接面電池相較於微晶矽雙接面電池有成本較低的優勢，同時相對於相同吸收層厚度的單接面非晶矽電池也有較高的穩定度。本論文研究穿隧複合接面來提升在氫化非晶矽雙接面電池，利用不同的材料和結構做為穿隧複合接面幫助載子傳輸與複合進而提高電池的效率。首先，有摻雜的微晶矽當作穿隧複合接面可提供缺陷能階提高載子複合，利用二氧化碳電漿形成很薄一層晶種層提升微晶矽薄膜的結晶率以達更好複合效果，同時也藉由提高氫流量比率使該層更易結晶進而減少厚度。此實驗穿隧複合接面的優化厚度為23奈米，結晶率為53%，應用此接面電池的開路電壓、短路電流密度、填充系數、轉換效率分別提升至1.78 V、7.6 mA/cm2、72.8%及9.86%。 另一方面，氫化非晶矽鍺之雙接面太陽能電池具有能吸收長波長光譜的優勢，本研究也著力於應用穿隧接面於非晶矽鍺之雙接面電池的研究。我們應用一層氫化微晶氧化矽當成中間反射層，以增加反射到頂部的光而達到較好的電流匹配使短路電流提升。此實驗再兼顧導電率下提高氫化微晶氧化矽的氧含量，使其達到較小的折射率以增加反射量。此外，高氧含量的氫化微晶氧化矽也可當成種晶層去增加穿隧複合接面的結晶率。最後應用穿隧接面及中介反射層之矽鍺雙接面電池，其開路電壓、短路電流密度、填充系數、轉換效率分別提升為1.61 V、8.23 mA/cm2、68.2%及9.03%。
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本研究利用射頻電漿輔助化學氣相沉積系統來沉積非晶矽氧電池，並應用於多接面薄膜太陽能電池。為了改善非晶矽氧電池之效率，吸收層與摻雜層的薄膜特性皆需要改善與優化。首先，我們研究不同製程參數對p型非晶矽氧薄膜特性的影響，並找出適合運用於非晶矽氧電池的較佳參數，此較佳參數所沉積的p型非晶矽氧薄膜特性為能隙2.01 eV，電導為2.5×10-8 S/cm。接著，比較p型非晶矽氧薄膜或p型非晶碳化矽薄膜為窗口層對非晶矽氧電池效能的影響。利用p型非晶矽氧薄膜可得到較高開路電壓使整體電池轉換效率提升。之後，研究不同n型參雜層對非晶矽氧電池特性的影響。使用n型微晶矽氧薄膜可得到較佳的短路電流；使用n型微晶矽薄膜可得到較佳的轉換效率。改善過後的非晶矽氧電池的效率可達5.38%，其中開路電壓為880 mV，短路電流為 9.63 mA/cm2，填充因子為70.8%。最後，將改善過後的非晶矽氧電池搭配非晶矽鍺電池及微晶矽電池，做成非晶矽氧/非晶矽鍺雙接面電池與非晶矽氧/非晶矽鍺/微晶矽三接面電池。本研究中，三接面太陽能電池的效率為9.05%，其中開路電壓為2.02 V，短路電流為6.13 mA/cm2，填充因子為73.2%。