領域介紹－紅外光偵測器與太陽電池

  I.紅外光偵測器 (近紅外光偵測器與中遠紅外光偵測器)

　　光偵測器(photodetector)。顧名思義為偵測光之元件，根據其材料與元件結構上的不同可設計偵測不同波長(wavelength)的光，其偵測波長可由紅外線－可見光波長－紫外線…依使用需求設計偵測範圍。可應用至火災檢測器、臭氧層破洞檢測、放射性環境污染檢測、化學感測、短距離與遠距離光通訊、導彈…等。其原理為吸收光子，若光子能量足夠激發元件使元件產生電子電洞對並產生電流，便可達到光偵測的目的。

(a)近紅外光偵測器:

本實驗室研究智切法製備薄膜矽/鍺近紅外光光偵測器。因為鍺的吸收係數較傳統半導體材料矽來的高，所以適用於光通訊常用的近紅外光波段如:850nm，1.3mm，1.5mm。可是鍺材料在地球上含量較少，利用智切法製備薄膜鍺光偵測器元件，希望在未來達到降低成本的目標。

智切法(Smart cut)－

一種製程方式，可反覆利用wafer，以其節省成本，且製程簡單。製程流程大約如下：

(b)中遠紅外光偵測器:

本實驗室亦研究利用矽/鍺異質接面在價帶形成量子井或量子點之中遠紅外光光偵測器(SiGe/Si Quantum Dot Infrared Photodetector)，價帶之量子井可侷限載子於量子井中，在紅外光的照射下才能被激發形成光電流，可運用在軍事、醫療、天文學…等方面。

II.太陽電池

 近年來，太陽電池在國內外，皆是重點研究課題，如何有效地提升效率，決定了太陽電池的成本，影響其與傳統石化燃煤是否有競爭的優勢，尤其油價起起伏伏，不持續的降低太陽電池成本，難以穩固其產業地位。然而太陽電池自從1950年代發展到現在，尤其是目前市場主流的塊材矽太陽電池，其內部的摻雜、接面組成，研究都已相當成熟，本實驗室具有模擬軟體PC1D與Sentaurus TCAD的軟體與使用經驗，可供有興趣的同學研究，另外也曾利用國研院奈米元件實驗室，下RunCard實際製作電池，供有想法的同學完成電池製作。

     然而要藉由內部組成的調整，來進一步提升效率，其幅度已不可能太大，因此近年來，塊材矽太陽電池效率提升的研究，多半著重在表面結構與鈍化的議題。所謂的鈍化，其針對的對象是半導體的邊界，整齊的半導體週期結構(就算是非晶，通常也有短距離的秩序)就此停止，停止後其外可能即是空氣，而原先在半導體內因為週期結構所造成的能隙，就會在邊界處產生能隙內的能階、缺陷，使得電子與電洞很容易於此處復合(recombine)，從鍵結的觀點來看，就是邊界的斷鍵很容易從別處搶來一個電子，而搶來的電子也很容易逃走(亦即電洞跑來復合)。因此對於光能轉換元件，如太陽電池，因造光所生成的電子電洞對，在分離成光電流前，可能就因為在此復合而無法順利分離。因此鈍化的目的，就是希望利用填補斷鍵，或成長介電層，藉由斷鍵的鍵結，或甚至利用介電層內原具有的電荷，使得半導體內的電子或電洞其中之一的電荷受到同性電相斥的影響，而遠離邊界，進而減少復合的機率。採用斷鍵填補方式的鈍化，最常見的就是氫原子的鍵結，或者是採用alkylation鈍化，但這些斷鍵修補的效果，往往會隨著時間而變差，而另外一種以介電層鈍化的方式，則可有長效的保護。  

     最簡單的介電層，就是利用矽自然的氧化物:二氧化矽，既然將矽氧化即可得到二氧化矽，只要成長的溫度夠高，環境適切的話，成長出的二氧化矽其與矽的接面處，多數斷鍵就能與氧鍵結，減少電子或電洞等載子在接面復合的位置。因為需要高溫來獲得良好的二氧化矽/矽的接面，一則高溫設備帶來的成本增加，二來高溫若在後段施作，則會影響前段製程結果(如摻雜分佈)，三則高溫製程若有些許的汙染，都會嚴重的影響半導體的特性，因此會有其餘介電層鈍化引入的需求。氮化矽(SiN_x)就是一種選擇，而且其不只可作為鈍化層，又可以做為抗反射層，所以廣為業界矽基太陽電池所採用。其鈍化的機制，主要是因為氮化矽中，具有正的固定電荷(positive fixed charge)，其較合適於n型矽的表面鈍化，藉由氮化矽裡的固定正電荷，使得n型矽內的少數載子(電洞)被排斥而遠離表面，如此照光時產生的電子電洞對，光電子在缺陷較多的表面能減少遇到電洞的機率，進而減少復合的機率，此即所謂的場效鈍化(field effect passivation) 。而對於p型矽，依此類推，較合適的介電層鈍化，最好是能找到帶有負的固定電荷之材料，近年來，研究發現氧化鋁(Al₂O₃)即帶有固定負電荷，因此可藉由其內的固定負電荷排斥p型半導體內的少數載子(電子)遠離表面，減少復合。然而上述無論是高溫氧化矽、氮化矽或氧化鋁，都是要經過爐管或反應爐的成長，增加了成本的支出，本實驗室嘗試以非高溫化學塗佈氧化石墨烯作為介電層，以降低成本，並加快鈍化流程(圖II-1)。

圖II-1、氧化石墨烯(GO)用於業界pn太陽電池結構示意圖。GO不能太疏，以免鈍化效果不顯著，但也不能太密，以免阻礙電流。

    另外，我們也希望利用氧化石墨烯作為太陽電池抗反射層(除了直接作為抗反射層外，也利用氧化石墨烯作為蝕刻阻擋層，藉由折射率的漸變，來降低反射率)。如圖II-2，一般太陽光從空氣進到太陽電池的主要材料Si，折射率變化大，所以反射率很高。我們發現若在Si上蓋一層氧化石墨烯(GO)，因為GO的折射率約1.8，介於空氣跟Si的折射率間，所以可有效降低反射率，但我們還不滿足，我們利用了GO是堅固的蜂巢結構，來做為蝕刻阻擋層，蝕刻掉未被GO覆蓋的矽，則該層的折射率就介於矽與空氣的折射率間，而GO覆蓋處折射率則介於GO與空氣的折射率間，從右側的折射率剖面示意圖可發現其折射率更漸變，對從空氣要進到矽的入射光而言，就像溫水煮青蛙，多數的光不會被反射，可讓更多的光可以被半導體吸收，提升太陽電池效率。

 圖II-1、氧化石墨烯(GO)用於業界pn太陽電池結構示意圖。GO不能太疏，

以免鈍化效果不顯著，但也不能太密，以免阻礙電流。

III.氧化石墨烯

       氧化石墨烯(GO)是二維石墨烯結構的衍生物，一般常見的是利用改良過的Hummers method(以濃硫酸、過錳酸鉀將石墨進行氧化)，再利用超音波震盪與離心獲得氧化石墨烯的碎片。石墨烯是零能隙的材料，有極佳的導電性質，反觀氧化石墨烯，因為與含氧官能基的鍵結，所以導電度變得非常低，其成為具有能隙之材料，也使得應用範圍非常的廣，例如用於生物感測器、有機太陽電池、電阻式記憶體、場效電晶體、光觸媒產氫等，可說是多到不及備載，是近十年來相當熱門的材料。我們發現其除了前述可應用在太陽電池上，鈍化的效果也能使得光偵測器的響應度提升。甚至有機會應用於光觸媒與發光等領域上。國內外的團隊發現光觸媒材料，若適度的鈍化，如利用氧化鋁，可因為其固定負電荷的存在，而用於二氧化鈦奈米管(TiO₂ Nanotube)的鈍化上，二氧化鈦奈米管內因為照光產生電子電洞對，光生電洞因為氧化鋁的負電荷吸引，而往TiO₂/Al₂O₃接面靠近，而電子則會遠離表面往中心靠近，電子電洞分離，就可減少復合的機會，提升載子的壽命(lifetime)，因此鈍化過的奈米管明顯有較佳的光電轉換效率。既然我們發現氧化石墨烯可以鈍化太陽電池，我們也嘗試利用氧化石墨烯來鈍化一光觸媒半導體:氧化亞銅，目前初步的成果發現GO確實能有效鈍化氧化亞銅，提升產氫速率，將持續優化此方面的結果。另外我們更發現GO鈍化過的氧化亞銅，PL發光強度比未鈍化過的氧化亞銅強，所以將來我們也會研究GO於發光上的應用。