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研究生:徐智聖
研究生(外文):Chih-Sheng Hsu
論文名稱:脈衝磁控濺射氧化鎢鈦薄膜之製程與特性研究
論文名稱(外文):Synthesis and Characterization of Pulse Magnetron Sputter WTiOx Films
指導教授:翁克偉
指導教授(外文):Ko-Wei Weng
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料暨系統工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:電致色變、氧化鎢、染料敏化太陽能電池
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氧化鎢薄膜是現在被廣泛使用的電致色變薄膜,但其在製程時容易形成不純的氧化鎢薄膜,導致鎢會以低價數鎢離子存在(W+5、W+4),本實驗用加入鈦離子的方式讓氧化鎢鈦薄膜可以得到高價數的鎢離子(W+6),鈦離子會以插入的方式存在氧化鎢薄膜裡與氧結合,鎢就可以高價數存在薄膜裡,使電致色變性質更佳。實驗使用磁控濺射以脈衝為電源,以鎢鈦合金靶和鎢與鈦雙靶為靶材,以比較沉積出來的氧化鎢鈦薄膜光學性質。
藉由XRD分析可以發現氧化鎢鈦薄膜為非晶質結構,當鎢鈦雙靶功率400W和500W開始有結晶結構出現,可以發現薄膜是以氧化鎢為主,二氧化鈦含量少在XRD分析中並不明顯。SEM與AFM進行表面分析,隨著功率增加表面粗糙度增加,鎢鈦雙靶400W以上表面粗糙度降低,因為結晶結構的關係薄膜晶粒尺寸變大使薄膜較緻密。XPS分析鎢、鈦與氧的鍵結,薄膜中鎢主要以W+6價存在,鈦以Ti+4價存在,表示在加入鈦之後能提高薄膜以高價數W+6價存在。在光學分析中鎢鈦合金靶在紅外光波段800nm之穿透率變化為64.22%,光學密度0.846,鎢鈦雙靶在紅外光波段之穿透率變化為70.31%,光學密度1.175。
染料敏化太陽能電池的工作電極目前都以二氧化鈦為主,工作電極的需求為多孔性與傳導電子的功能,所以本實驗使用氧化鎢鈦多孔性薄膜做為工作電極,藉由改變功率薄膜表面粗糙度增加,鎢鈦合金靶最佳的光電轉換率0.0566%,鎢鈦雙靶最佳的光電轉換率0.1567%。
Tungsten oxide films were used popularly for electrochromic films, but it was easy to form tungsten oxide films impure when deposited. Tungsten would be existence at low price(W+4、W+5). This study is in order to get high price tungsten ions (W+6) so dope titanium ions into WTiOx films. Titanium ions will be integrated with oxide in WTiOx films by interstitial. Tungsten can be existed in WTiOx films at the high price, it is better to make the electrochromic properties. In this study uses a pulsed sputtering deposition system, tungsten-titanium alloy target and tungsten and titanium dual targets as the material of target, to compare optical properties of WTiOx films.
X-ray diffraction analysis, WTiOx films are amorphous structures, when 400W and 500W of pulsed power by co-sputtering have crystallization. Can find the films are mainly on tungsten oxide, the contents of titanium oxide are too less not easy to find in X-ray diffraction analysis. From the results of FE-SEM (Field Emission Scattering Electron Microscopy) and AFM (Atomic Force Microscope)images, the roughness of WTiOx films increase as the pulsed power increase. The roughness decrease of 400W and 500W by co-sputtering, because crystallization relation, WTiOx films grain size growth so films become denser. XPS (X-ray photoelectron emission spectroscopy)results shows W+6 and Ti+4 existed in films. The results means that dope titanium ions can get high price tungsten ions in the films. In the optics analysis, the WTiOx films of tungsten-titanium alloy target have transmittance variation (△T) 64.22% and optical density (△OD) 0.846 in infrared light wave, the WTiOx films of tungsten and titanium dual targets have transmittance variation 70.31% and optical density 1.175.
Titanium oxide films are of critical importance for dye-sensitized solar cell (DSSC).
Work electrode needs porous and the function of conducting the electron. In this study uses WTiOx porous films to be the work electrode, increase the surface roughness of films by change pulsed power. The best efficiency of tungsten-titanium alloy target is 0.05666%, the best efficiency of tungsten and titanium dual targets is 0.1567%.
總目錄
中文摘要……………………………………………………………………………… I
英文摘要……………………………………………………………………………… II
總目錄………………………………………………………………………………… III
圖目錄………………………………………………………………………………… VI
表目錄……………………………………………………………………………… IX
第一章 序論………………………………………………………………………… 1
1.1 前言…………………………………………………………………………… 1
1.2 研究動機……………………………………………………………………… 5
第二章 文獻回顧…………………………………………………………………… 6
2.1電致色變簡介………………………………………………………………… 6
2.1.1 電致色變材料種類……………………………………………………… 6
2.1.2 電致色變機制…………………………………………………………… 9
2.1.2.1 非晶質結構氧化鎢鈦薄膜電致色變機制………………………… 9
2.1.2.2 結晶結構氧化鎢鈦薄膜電致色變機制…………………………… 11
2.1.3 電致色變元件…………………………………………………………… 12
2.2 WTiOx………………………………………………………………………… 13
2.3 太陽能電池簡介……………………………………………………………… 14
2.4染料敏化太陽能電池………………………………………………………… 15
2.4.1染料敏化太陽能電池簡介……………………………………………… 15
2.4.2 染料敏化太陽能電池基本構造………………………………………… 16
2.4.3 染料敏化太陽能電池工作原理………………………………………… 16
2.4.4 工作電極………………………………………………………………… 18
2.4.5 染料(dye)-光敏化劑………………………………………………… 18
2.4.6 電解液(質)…………………………………………………………… 19
2.4.7 對電極…………………………………………………………………… 19
2.4.8 太陽能電池電流-電壓輸出特性………………………………………… 20
第三章 實驗方法與設備…………………………………………………………… 21
3.1實驗方法……………………………………………………………………… 21
3.1.1試片準備………………………………………………………………… 21
3.1.2 WTiOx試片製備方法…………………………………………………… 21
3.1.3染料製備………………………………………………………………… 22
3.1.4電解質製備……………………………………………………………… 22
3.1.5對電極…………………………………………………………………… 22
3.1.6電池元件組裝…………………………………………………………… 23
3.2 電致色變元件封裝…………………………………………………………… 25
3.3實驗流程圖…………………………………………………………………… 27
3.4實驗設備……………………………………………………………………… 28
3.4.1製程設備………………………………………………………………… 28
3.4.2 X-ray繞射分析儀(XRD)……………………………………………… 28
3.4.3熱場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)……………………………… 29
3.4.4原子力顯微鏡(AFM)………………………………………………… 30
3.4.5電化學反應……………………………………………………………… 30
3.4.6紫外-可見光光譜分析儀(Uv-Vis)……………………………………… 32
3.4.7 X光光電子能譜儀(XPS)……………………………………………… 32
3.4.8太陽電池元件光電測試(I-V Measurement)…………………………… 33
第四章 結果與討論………………………………………………………………… 35
4.1使用鎢鈦合金靶製備WTiOx薄膜…………………………………………… 35
4.1.1 WTiOx薄膜微觀結構分析……………………………………………… 35
4.1.2 WTiOx薄膜化學結構分析……………………………………………… 43
4.1.3 WTiOx電化學與光學性質……………………………………………… 50
4.1.4 DSSC整體效能表現……………………………………………………… 57
4.2使用鎢鈦雙靶製備WTiOx薄膜……………………………………………… 60
4.2.1 WTiOx薄膜微觀結構分析……………………………………………… 60
4.2.2 WTiOx薄膜化學結構分析……………………………………………… 68
4.2.3 WTiOx電化學與光學性質……………………………………………… 74
4.2.4 DSSC整體效能表現……………………………………………………… 81
4.3 電致色變元件………………………………………………………………… 84
第五章 結論…………………………………………………………………………
參考文獻……………………………………………………………………………… 85
87
















圖目錄
圖1-1電致色變作為智慧窗示意圖…………………………………………………… 2
圖1-2四種不同電致色變裝置示意圖,箭頭為入射、反射與穿透後的強度………… 3
圖1-3 智慧型窗戶的應用………………………………………………………………
圖1-4可改變反射率的鏡子……………………………………………………………
圖1-5非發光的顯示器應用在隱形飛機……………………………………………… 4
4
4
圖2-1 具有電致色變性質的氧化物之過渡金屬元素………………………………… 8
圖2-2 WTiOx能帶著色示意圖………………………………………………………… 10
圖2-3 典型的電致色變元件示意圖…………………………………………………… 13
圖2-4 WTiOx單位晶格結構圖………………………………………………………… 14
圖2-5太陽能電池結構圖………………………………………………………………
圖2-6 DSSC基本構造……………………………………………………………………
圖2-7 DSSC發電原理圖…………………………………………………………………
圖2-8 Ru-bipyridine的錯合物……………………………………………………….....15
16
17
19
圖3-1 N3染料結構式…………………………………………………………………… 22
圖3-2 DSSC封裝圖……………………………………………………………………… 24
圖3-3 DSSC封裝流程圖………………………………………………………………… 24
圖3-4 電致色變元件封裝圖…………………………………………………………… 26
圖3-5 電致色變元件封裝流程圖……………………………………………………… 26
圖3-6 磁控濺射(Magnetron Sputtering,MS)設備示意圖…………………………… 28
圖3-7 X-ray繞射分析儀………………………………………………………………… 29
圖3-8 熱場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)……………………………………… 30
圖3-9 恆電位儀…………………………………………………………………………
圖3-10 電致色變裝置圖………………………………………………………………… 31
31
圖3-11 紫外-可見光譜分析儀(Uv-Visible)………………………………………… 32
圖3-12 X光光電子能譜儀(XPS)…………………………………………………… 33
圖3-13 太陽能模擬器………………………………………………………………… 34
圖4-1 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之XRD繞射圖譜…………… 37
圖4-2 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之SEM表面型貌…………… 38
圖4-3 相同時間在不同功率下WTiOx薄膜沉積率變化…………………………… 39
圖4-4 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之SEM斷面型貌…………… 40
圖4-5 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之AFM表面型貌…………… 41
圖4-6 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之表面粗糙度………………… 42
圖4-7 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之XPS全電子能譜掃描………
圖4-8 WTiOx單位晶格結構圖…………………………………………………………
圖4-9 WTiOx結晶結構圖……………………………………………………………… 45
46
46
圖4-10 WO3與鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之W4f細部束縛能譜圖 47
圖4-11 XPS在W4f細部束縛能分峰分析圖…………………………………………… 47
圖4-12 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之Ti2p細部束縛能譜圖…… 48
圖4-13 XPS在Ti2p細部束縛分峰分析圖……………………………………………… 48
圖4-14 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之O1s細部束縛能譜圖……… 49
圖4-15 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在初濺鍍、著色和褪色實體照片(a)初濺鍍、(b)著色、(c)褪色……………………………………………………………
53
圖4-16 WO3與鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在初濺鍍、著色和褪色狀態之穿透光譜圖………………………………………………………………………
54
圖4-17 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在不同波段穿透率變化圖…… 55
圖4-18 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在著褪色能隙比較……………
圖4-19 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之I-V電性分析………………
圖4-20 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之DSSC各種光電特性數據圖(a)短路電流(b)開路電壓(c)充填因子(d)光電轉換效率………………………………
圖4-21 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之XRD繞射圖譜………………
圖4-22 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之SEM表面型貌………………
圖4-23 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之沉積率比較圖…………………
圖4-24 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之SEM斷面型貌………………
圖4-25 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之AFM表面型貌………………
圖4-26 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之表面粗糙度……………………
圖4-27 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之XPS全電子能譜掃描…………
圖4-28 WO3與鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之W4f細部束縛能譜圖…
圖4-29 XPS在W4f細部束縛分峰分析圖………………………………………………
圖4-30 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之Ti2p細部束縛能譜圖………
圖4-31 XPS在Ti2p細部束縛分峰分析圖………………………………………………
圖4-32 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之O1s細部束縛能譜圖…………
圖4-33 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在(a)初濺鍍、(b)著色、(c)褪色的實體照片…………………………………………………………………………
圖4-34 WO3與鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之初濺鍍、著色和褪色狀態之穿透光譜圖…………………………………………………………………………
圖4-35 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在不同波段穿透率變化圖………
圖4-36 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在著褪色能隙比較………………
圖4-37 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之I-V電性分析圖………………
圖4-38 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之DSSC各種光電特性數據圖(a)短路電流(b)開路電壓(c)充填因子(d)光電轉換效率……………………………………
圖4-39 電致色變元件著色與褪色比較………………………………………………… 56
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63
64
65
66
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71
71
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72
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83
84



表目錄
表2.1 電致色變材料分類……………………………………………………………
表2.2 不同著色狀態之電致色變材料………………………………………………
表3.1 製成參數………………………………………………………………………
表4-1 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜對鎢、鈦與氧之含量分析……
表4-2 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在紅外光波段之電致色變性質比較…………………………………………………………………………………
表4-3 鎢鈦合金靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之DSSC發電參數……………
表4-4鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜對鎢、鈦與氧之含量分析………
表4-5 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜在紅外光波段之電致色變性質比較……………………………………………………………………………………
表4-6 鎢鈦雙靶在不同功率下製備氧化鎢鈦薄膜之DSSC發電參數……………… 7
8
23
45

55
59
70

79
83
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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