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學生 ： 黃百毅

學生 ： 黃百毅 學 號： 49914100 授課教師： 王聖璋 教授. 目錄. 前言 實驗原理 結果與討論 結論. 前言. 太陽能晶片是一種吸收太陽光之後，進而產生光電流的光電半導體元件。其吸收太陽光之後會產生電壓及電流，此現象稱為太陽能光伏 (Photovoltaic) ，簡稱光伏。. P 型及 N 型半導體. 傳統太陽能電池發電的原理.

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Presentation Transcript

  1. 學生：黃百毅 學號：49914100 授課教師：王聖璋教授

  2. 目錄 前言 實驗原理 結果與討論 結論

  3. 前言 太陽能晶片是一種吸收太陽光之後，進而產生光電流的光電半導體元件。其吸收太陽光之後會產生電壓及電流，此現象稱為太陽能光伏(Photovoltaic)，簡稱光伏。

  4. P型及N型半導體

  5. 傳統太陽能電池發電的原理

  6. 近年來業界對於太陽能晶片在光生伏特效應上的進步已經達到可以透過控制材料的大小、形狀和表面來調整其光學及電子的特性，進而達到降低製作成本的目的。其中一種極具發展性的奈米光伏元件就是有機薄膜太陽能晶片(polymer solar cell)

  7. 有機薄膜太陽能電池內部主要為電子移動率以及電洞移動率高的兩種材料，發電的原理是當太陽光照射在內部吸光材料時產生電子電洞對，當電子電洞對產生在材料介面間，會因為電子與電洞移動率不同而移動到電極兩端，進而產生電流。有機薄膜太陽能電池內部主要為電子移動率以及電洞移動率高的兩種材料，發電的原理是當太陽光照射在內部吸光材料時產生電子電洞對，當電子電洞對產生在材料介面間，會因為電子與電洞移動率不同而移動到電極兩端，進而產生電流。

  8. 比較起傳統的晶矽太陽能晶片，有機薄膜太陽能晶片電荷載子的產生必須在兩種材料介面間，所以對於如何提升有機薄膜太陽能晶片效率，兩種材料介面間原子尺度的電子特性有著根本上的重要性。比較起傳統的晶矽太陽能晶片，有機薄膜太陽能晶片電荷載子的產生必須在兩種材料介面間，所以對於如何提升有機薄膜太陽能晶片效率，兩種材料介面間原子尺度的電子特性有著根本上的重要性。

  9. 在眾太陽能電池材料當中，其中一種產生光電流效率較高的有機薄膜太陽能電池是利用共軛高分子Poly(3-hexylthiophene)以及有機聚合物methanofullerene的混合材料。在眾太陽能電池材料當中，其中一種產生光電流效率較高的有機薄膜太陽能電池是利用共軛高分子Poly(3-hexylthiophene)以及有機聚合物methanofullerene的混合材料。 其中共軛高分子P3HT的吸光範圍、電洞移動率(hole mobility)以及分子鍊排列(chain stacking)的性質都較優於其他材料，而有機聚合物PCBM則因為能帶關係所以搭配共軛高分子P3HT較適合當接收電子的物質，雖然其他種類共軛高分子與有機聚合物其能量轉換可達到~8%，但是共軛高分子P3HT與有機聚合物PCBM形貌及電性控制與元件物理對於提昇有機薄膜太陽能電池效率極其重要。

  10. 實驗原理 STM原理是利用電子穿隧過兩導體間的真空位能障礙。在量子力學中，粒子是可能穿過一能量比本身高的能量障礙。

  11. STM的掃描機制主要由壓電管(piezotube)和一支金屬探針所組成，利用金屬探針極靠近樣品表面(約小於10A)，再外加偏壓於樣品與針尖間，電子因而穿過真空位障(vacuum barrier)形成穿隧電流。

  12. 當外加於探針的偏壓為負時，代表樣品相對於針尖的偏壓為正，此時樣品為非占據態(empty state)，電子會由針尖的填滿能態(occupied state)流往樣品表面的未填滿能態(unoccupied state)；反之，當外加於探針的偏壓為正時代表樣品相對於針尖的偏壓為負，此時樣品為占據態(filled state)，電子會由樣品表面的填滿能態(occupied state)流往針尖的未填滿能態(unoccupied state)。

  13. 掃描穿隧顯微術即利用這種電子穿隧特性而發展出來的。如果上述兩電極中的一極為金屬探針（一般為鎢針），另一極為導電樣品，當它們相距很近，並在其間加上微小電壓，則探針所在的位置便有穿隧電流產生。其取像方式，一般可分為以下三種：定電流取像法(Constant Current Mode)、定高度取像法(Constant Height Mode)、電流密度取像法(Current Imaging Tunneling Spectroscopy)

  14. 該方法乃是以設定的穿隧電流(~1nA)為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。因此，以探針的高度變化來成像，就反映出樣品表面的形貌。該法的好處是可容忍較大的表面高低變化；缺點是由於必須以回饋信號來調制，掃描速度較慢，容易受低頻雜訊的干擾。該方法乃是以設定的穿隧電流(~1nA)為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。因此，以探針的高度變化來成像，就反映出樣品表面的形貌。該法的好處是可容忍較大的表面高低變化；缺點是由於必須以回饋信號來調制，掃描速度較慢，容易受低頻雜訊的干擾。

  15. 該方法乃是直接以穿隧電流值來成像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範圍內的樣品表面起伏不能太大，否則極容易損壞探針。該方法乃是直接以穿隧電流值來成像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範圍內的樣品表面起伏不能太大，否則極容易損壞探針。

  16. 電流密度取像法(Current Imaging Tunneling Spectroscopy)： 該方法乃結合了上述兩種方法，並在其中引進偏壓調變為取像變數，作法是以定電流模式為架構，讓探針在回饋系統的控制下，在掃描過程中保持一定的探針/樣品間距。然後在每一點，瞬時切斷回饋作用，並利用這段期間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。一般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合起來，即構成一幅二維電流密度分布圖。另一要點，將量測的電流對應電壓能譜(I-V curnes)微分，所獲得的電流對電壓曲線(dI/dV curves)可得知某一能級的表面電子能態密度分布 (local density of state, LDOS)，是實驗重要的參考數據，包括了解樣品表面電子態的變化以及其間的能隙，對於電性的研究有很大的幫助。

  17. 結果與討論 (a) 圖為有機薄膜內部共軛高分子P3HT及有機聚合物PCBM形貌示意圖。(b)圖為電場輔助退火法製程的P3HT:PCBM有機薄膜剖面示意圖，而圖(c)分別為剖面穿隧式掃描顯微鏡在掃圖偏壓為-2V時沿著基板往有機薄膜方向所量測的基板、介面、有機薄膜剖面形貌圖。

  18. 標示白色虛線將有機薄膜與矽基板約略的分成兩個部分討論，靠近有機薄膜底部的部分有顆粒狀的結構，有可能為PCBM分布較豐富的區塊。為了更確定是PCBM所形成的區塊，我們進一步的從電性表現來確認。標示白色虛線將有機薄膜與矽基板約略的分成兩個部分討論，靠近有機薄膜底部的部分有顆粒狀的結構，有可能為PCBM分布較豐富的區塊。為了更確定是PCBM所形成的區塊，我們進一步的從電性表現來確認。

  19. (a)矽基板與有機薄膜介面形貌圖。(b)矽基板歸一化電流對電壓微分的曲線(Normalized dI/dV curves) (藍線),PCBM(橘線)和P3HT(紅線)。

  20. (a)矽基板與有機薄膜介面形貌圖。P3HT:PCBM有機薄膜與矽基板介面(b)在占據態(filled states)偏壓為-0.9V (c)在非占據態(empty states)偏壓為+1.15V以及(d)在非占據態(empty states)偏壓為+1.45V的電流穿隧能譜圖(Current image tunneling spectroscopy)(e)矽基板歸一化電流對電壓微分曲線(Normalized dI/dV curves)平均(藍線),PCBM(橘線)和P3HT(紅線)。

  21. (a)矽基板與有機薄膜介面以及穿隧電流在樣品占據態(-0.9V)時的能譜圖。(b)電流對電壓微分數值對平行介面單一條線的對照圖。(a)矽基板與有機薄膜介面以及穿隧電流在樣品占據態(-0.9V)時的能譜圖。(b)電流對電壓微分數值對平行介面單一條線的對照圖。

  22. 結論 在這篇論文中，我們成功利用剖面式穿隧掃描顯微鏡，對於太陽能電池材料P3HT:PCBM，在垂直薄膜表面方向之有機薄膜的幾何結構分佈直接量測及量化。並且利用穿隧掃描顯微鏡可直接量測區域性之電子特性之能力，描繪出P3HT:PCBM兩種材質之間的介面處之電性能帶圖。 實驗發現，有機聚合物PCBM較多分布在較接近基板處，而P3HT則分布較多在遠離基板處。並佐以材料的電性結構再次確認及判斷，量化P3HT及PCBM兩者不同材料在有機薄膜內的垂直分布情形。 從P3HT及PCBM之間的介面電子能帶關係圖，發現費米能階的位置對於PCBM是較接近導帶最低能階，也就是類似N型半導體的電子能帶結構；對於P3HT則是較接近價帶最高能階，類似P型半導體的電子能帶結構。兩個電子能帶介面處的能帶彎曲現象也利用穿隧式掃描顯微鏡技術直接量測出來。

  23. 參考文獻 施敏權 國立中山大學物理學系研究所碩士論文 利用穿隧式掃描顯微鏡量測太陽能電池材料P3HT與PCBM之間的介面特性 (July 2011) 部分圖片來源：Google [1] Mark Dante, Jeffrey Peet, and Thuc-Quyen Nguyen, J. Phys. Chem. C 112, 7241 (2008) [2]Germa Garcia-Belmonte, AntoniMunar, Eva M. Barea, Juan Bisquert, IratiUgarte, Roberto Pacios, Organic Electronics 9, 847 (2008) [3]Xiaoniu Yang, Joachim Loos, Sjoerd C. Veenstra, Wiljan J. H. Verhees, Martijn M. Wienk, Jan M. Kroon, Matthias A. J. Michels, and Rene A. J. Janssen, NanoLett. 5, 579 (2005) [4]Gang Li, Yan Yao, Hoichang Yang, Vishal Shrotriya, Guanwen Yang, and Yang Yang, Adv. Funct. Mater. 17, 1636 (2007) [5] Germa Garcia-Belmonte, Pablo P. Boix, Juan Bisquert, Michele Sessolo, Henk J. Bolink, Solar Energy Materials & Solar Cells 94, 366 (2010) [6] Jorge Garcia-Canadas, Francisco Fabregat-Santiago, Henk J. Bolink, Emilio Palomares, Germa Garcia-Belmonte, Juan Bisquert, Synthetic Metals 156, 944 (2006) [7]Yan Yao, Chenjun Shi, Gang Li, Vishal Shrotriya, Qibing Pei, and Yang Yang, Appl. Phys. Lett. 89, 153507/1 (2006) [8]Gang Li, Vishal Shrotriya, Jinsong Huang, Yan Yao, Tom Moriarty, Keith Emery and Yang Yang, Nat. Mater. 4, 864 (2005)

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