(100.26.179.251) 您好!臺灣時間:2021/04/15 15:00
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:沈丕禹
研究生(外文):Pi-Yu Shen
論文名稱:氧化鋅改質及電漿改質奈米碳紙於梯度光下之太陽能發電
論文名稱(外文):The Study on Solar Power Generation of ZnO Doped and Plasma Treated Buckypaper under Gradient Illumination
指導教授:劉日新劉日新引用關係
指導教授(外文):Jih-Hsin Liu
口試委員:劉日新王可文李立鼎苗新元
口試委員(外文):Jih-Hsin LiuWang Ke WenLi-Ting LiHsin-Yuan Miao
口試日期:2014-06-22
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:奈米碳管紙奈米碳管電漿改質射頻濺鍍氧化鋅快速退火太陽能電池
外文關鍵詞:BuckypaperCNTsPlasma treatedRF SputteringAnnealing
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:147
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:5
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本次研究是利用多壁奈米碳管自製而成的奈米碳管紙(Buckypaper,BP),因奈米碳管其優異的光學特質,從微觀放大到巨觀上,再利用改變光形式與樣品改質,進一步提升Buckypaper的光電特性。
本實驗樣品改質分為兩部分,第一部分為電漿改質,以不同氣體及功率的電漿對樣品作後處理,而形成材料改質,功率分別為5w、10w、20w、30w及50w,通入氬氣20sccm並維持時間1分鐘。將其樣品放入太陽光模擬機內,標準光源(AM 1.5G)為背景,以全照光、gradient照光的方式觀測光電特性變化,發現gradient照光模式與電漿改質之BP有較佳光電效率,推測電漿處理可提升照光後之載子濃度。最後,針對樣品採用區域式強度漸進處理之電漿改質,使樣品本身因改質強度不同而產生載子濃度差,達到光漸層之效果,進一步配合照光方法之光梯度法,造成更大的濃度梯度,產生更大的電流電壓。
第二部分為射頻濺鍍氧化鋅以改質BP,本實驗使用純鋅靶材,通入氬氣及氧氣比例為1比1、1比2及1比3並維持工作氣壓30mTorr進行測試,實驗可得到氬氣比氧氣1比2之樣品有最佳光電特性。接著將濺鍍改質後之樣品進行退火,發現退火後之樣品(退火10分鐘),光電流提升383.3%及光電壓提升81.5%。電阻率比較於未改質之Buckypaper下降了17.27%。
本研究成功製作出可繞性之BP,並利用新穎電漿改質、濺鍍改質及退火改質等方式,成功地提升了光電特性,使BP可利用於太陽能電池及光感測研究上。

This study reports the fabrication and characterization of anovel photo-electrode that exhibits the remarkable wavelength-controlled (photogradient) switching of photocurrent generation. Theelectrode is a hybrid assembly of macroscopic mats, called as buckypaper (BP) that contains high concentrations of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), which must be a potential candidate to form strong and light-weight composite materials.
The test sample is divided into two parts, the first part of the plasma modification of BP, with different plasma poweras 5w, 10w, 20w, 30w and 50w and purged with a different gas atmosphere suchs argon (Ar), nitrogen (N2) and oxygen (O2) maintained at 20 sccm for 1 min. The samples were placed in the solar simulator, with the standard light source (AM 1.5G) for full visible light (VL) illumination and also with gradient illumination to observed changes in the optical properties and found a gradient illumination mode and a plasma modification of BP have a better response, presumably the plasma treated on BP sample will increase the carrier concentration after gradient illumination. Finally, plasma treated samples have a distinct gradual modification on the sample surface and modified with the different intensity arising from concentration gradient, to achieve the effect of two different photo illumination modes.With the method of photogradient illumination resulting the junction layer in the BP sample and create a higher carrier gradient,to improve the output photocurrent (15.69 A) and photovoltage (267.7 V) respectively.
In the second part of the study, we used an RF sputtering technique to deposit zinc oxide (ZnO)on the BP surface using a pure zinc target, with different argon and oxygen (Ar:O2) ratio of 1:1, 1:2 and 1:3, maintained at 30 mTorr working pressure. We found from the observed results that the ratio of 1:2 has the better optical properties. We also carried out the modification of sputter coated BP sample surface by the thermal annealing for 10 min., to compare with the unmodified BP sample.The results showed that the photocurrent (2.38 A) and photovoltage (74.49 V) efficiency gets enhanced to 383.3% and 81.5%,compared with the BP sample before annealing with the value of 0.4924 A and 41.03 V, respectively. Comparison of resistivity of Buckypaper in unmodified fell 17.27%.
This study successfully process modification of the synthesized MWCNT buckypaper (MWCNT-BP) by three different methods such as RF plasma, sputtering ZnO on BP and by thermal annealing to enhance the solar power conversion and photocurrent generation, so that BP can be better candidate as a potential electrode for solar cells and the research on novel photo-electrochemical device applications.

第一章 緒論 1
1.1薄膜太陽能電池原理與發展 1
1.2 薄膜太陽能電池發展趨勢 2
1.3 研究動機與目的 3
2.1奈米碳管簡介 4
2.2 奈米碳管的光電介紹 7
2.3 電漿對奈米碳管之影響 8
2.4 ZnO對奈米碳管之影響 9
2.5 載子濃度梯度介紹 11
2.6 快速升溫退火 11
第三章 實驗架構與量測儀器介紹 13
3.1 實驗架構 13
3.2實驗樣品製備 15
3.2.1 巴克紙製作 15
3.2.2巴克紙之電漿改質法 18
3.2.3巴克紙之濺鍍改質 19
3.2.4 退火處理巴克紙 20
3.2.5 光電流及光電壓量測介紹 22
3.3實驗儀器介紹 27
3.3.1 太陽光模擬機 27
3.3.2 X光繞射儀 29
3.3.3場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM) 30
3.3.4 乾式蝕刻儀 31
3.3.5 射頻濺鍍系統[26~27] 32
3.3.6 四點探針電性量測系統[28~30] 33
3.3.7 霍爾量測系統 34
4.1 X光繞射分析 37
4.2 光電特性分析 39
4.3 巴克紙改質光電特性分析 41
4.3.1 電漿改質光電特性分析 41
4.3.2 濺鍍改質之光電特性分析 51
4.4 照光下之霍爾量測 63
4.5場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM) 70
4.5.1 電漿改質之SEM 70
4.5.2 濺鍍改質之SEM 72
4.5.3 退火改質之SEM 76
4.6能量分散光譜儀分析 79
4.7太陽能轉換效率 86
5.1 結論 87
5.2 未來發展 89


圖 目 錄
圖1-1薄膜太陽能電池工作原理圖 1
圖1-2全球主要能源需求預測[2] 3
圖1-3薄膜太陽能電池產量與市占率預估[3] 3
圖2-1 (a)多層奈米碳管 (b)單層奈米碳管HRTEM圖 5
圖2-2奈米碳管的結構圖 6
圖2-3 Plasma對CNTs的改質流程圖[18] 9
圖2-4六方纖鋅礦結構[19] 11
圖2-5立方閃鋅礦結構[19] 11
圖2-6八面結構體[19] 12
圖2-7擴散電流 13
圖2-8 ZnO敏化染料電池在不同溫度下的電流轉換效率 14
圖2-9 ZnO薄膜在不同溫度下退火 (A)電阻率 (B)載子濃度(C)遷移 15
圖3-1實驗架構流程圖 17
圖3-2奈米碳管懸浮液 18
圖3-3真空過濾法 19
圖3-4巴克紙 19
圖3-5樣品製備 20
圖3-6 漸進式改質:將樣品分成五等份,分別為4分鐘、3分鐘、2分鐘、1分鐘及未改質之巴克紙五等份。 21
圖3-7濺鍍後的樣品及玻璃基板 22
圖3-8退火系統 23
圖3-9由左至右為退火前及退火後樣品 24
圖3-10黑色鐵箱 25
圖3-11探針載台 25
圖3-12精密量測儀Keithley 2410 Source Meter 26
圖3-13 RGB Filter 26
圖3-14太陽光模擬機量測 27
圖3-15 Red Filter量測 27
圖3-16 Green Filter量測 28
圖3-17 Blue Filter量測 28
圖3-18三色光標準值 29
圖3-19太陽光模擬機 30
圖3-20太陽光模擬機放射光譜 31
圖3- 21 X光繞射儀 32
圖3-22 FE-SEM場發射掃描式電子顯微鏡 33
圖3-23乾式蝕刻儀 34
圖3-24射頻濺鍍系統 35
圖3-25四點電阻量測系統 36
圖3-26不同方向所感應出的霍爾電壓 38
圖3-27霍爾量測系統 39
圖3-28照光模式霍爾量測 39
圖4-1氧化鋅BP之XRD繞射圖 37
圖4-2氧化鋅BP之XRD繞射圖 37
圖4-3 濺鍍氧化鋅後退火之XRD繞射圖 38
圖4-4奈米碳管軌域鍵結示意圖[32] 39
圖4-5 RBP(random buckypaper)光電流趨勢圖 40
圖4-6 RBP(random buckypaper)光電壓開關比較圖 40
圖4-7不同電漿改質方式: (a)樣品整面改質;entire (b)樣品改質一半;half (c)樣品梯度式改質;gradient 42
圖4-8不同電漿改質方式之光電流比較 42
圖4-9不同電漿改質方式之光電壓比較 43
圖4-10電漿不同氣體改質之電流比較 43
圖4-11不同氣體電漿改質之光電壓比較 44
圖4-12 BP於不同氣體電漿下改質之光電流開關比較圖 44
圖4-13 BP於不同氣體電漿改質下之光電壓開關比較圖 45
圖4-14 BP於不同氣體電漿改質下之梯度光電流開關比較圖 45
圖4-15 BP於不同氣體電漿改質下之梯度光電壓開關比較圖 46
圖4-16 (a)順向梯度光量測示意圖(b)反向梯度光量測示意圖 47
圖4-17以不同功率之電漿改質其光電流比較圖 47
圖4-18以不同功率之電漿改質其光電壓比較圖 48
圖4-19以不同功率之電漿改質BP其光電流開關比較圖 48
圖4-20以不同功率之電漿改質BP其光電壓開關比較圖 49
圖4-21以不同功率之電漿改質BP其梯度光電流開關比較圖 49
圖4-22以不同功率之電漿改質BP其梯度光電壓開關比較圖 50
圖4-23 BP於不同電漿改質時間下之電阻率 50
圖4-24依不同沈積時間下,濺鍍改質BP之光電流分析 52
圖4-25依不同沈積時間下,濺鍍改質BP之光電壓分析 52
圖4-26依不同沈積時間下,濺鍍改質BP之電阻率分析 53
圖4-27不同氣體濺鍍氧化鋅改質之BP其光電流分析 53
圖4-28不同氣體濺鍍氧化鋅改質之BP其光電壓分析 54
圖4-29濺鍍氧化鋅改質之BP其光電流開關比較圖 55
圖4-30濺鍍氧化鋅改質之BP其光電壓開關比較圖 55
圖4-31不同氣體比例濺鍍氧化鋅改質之BP,其梯度照光之光電流開關比較圖 56
圖4-32不同氣體比例濺鍍氧化鋅改質之BP,其梯度照光之光電壓開關比較圖 56
圖4-33濺鍍氧化鋅薄膜時通入不同氧氣量,其樣品載子濃度及電阻率變化[33] 57
圖4-34濺鍍氧化鋅改質之BP,分別於RGB色光下光電流開關比較圖 58
圖4-35濺鍍氧化鋅改質之BP,分別於RGB色光下光電壓開關比較圖 59
圖4-36鋅摻雜CNT之吸收光譜圖 59
圖4-37 BP於濺鍍不同時間下,退火前後光電流比較圖 60
圖4-38 BP於濺鍍不同時間下,退火前後梯度照光之光電流比較圖 61
圖4-39 BP於濺鍍不同時間下,退火前後光電壓比較圖 61
圖4-40於濺鍍不同時間下,退火前後梯度照光之光電壓比較圖 62
圖4-41 濺鍍氧化鋅之BP,其退火前後電阻率比較圖 62
圖4-42 BP漸進式電漿改質示意圖 63
圖4-43不同照度下RBP之載子濃度 64
圖4-44 RBP於梯度光下之擴散係數換算 65
圖4-45 不同電漿處理時間之BP,於全照光下之載子濃度 66
圖4-46電漿漸進改質巴克紙,其全照光之擴散係數換算 66
圖4-47梯度照光量化 67
圖4-48梯度光下樣品不同區段的照度 68
圖4-49不同電漿處理時間之BP,於梯度光下之載子濃度 68
圖4-50 電漿改質巴克紙漸層光之擴散係數換算 69
圖4-51 SEM觀察,於電漿改質20w持續一分鐘下之BP,倍率50000 70
圖4-52 SEM觀察,於電漿改質50w持續一分鐘下之BP,倍率50000 70
圖4-53 SEM觀察,於電漿改質20w持續一分鐘下之BP,倍率30000 71
圖4-54 SEM觀察,於電漿改質50w持續一分鐘下之BP,倍率30000 71
圖4-55 SEM觀察,於電漿改質20w持續一分鐘下之BP,倍率10000 71
圖4-56 SEM觀察,於電漿改質50w持續一分鐘下之BP,倍率10000 72
圖4-57 SEM觀察,於濺鍍改質維持40min下之BP,倍率50000 73
圖4-58 SEM觀察,於濺鍍改質維持20min下之BP,倍率50000 73
圖4-59SEM觀察,於濺鍍改質維持5min下之BP,倍率50000 73
圖4-60 SEM觀察,於濺鍍改質維持40min下之BP,倍率30000 74
圖4-61 SEM觀察,於濺鍍改質維持20min下之BP,倍率30000 74
圖4-62 SEM觀察,於濺鍍改質維持5min下之BP,倍率30000 74
圖4-63 SEM觀察,於濺鍍改質維持40min下之BP,倍率10000 75
圖4-64 SEM觀察,於濺鍍改質維持20min下之BP,倍率10000 75
圖4-65 SEM觀察,於濺鍍改質維持5min下之BP,倍率10000 75
圖4-66 SEM觀察,於濺鍍改質40min後退火之BP,倍率50000 76
圖4-67 SEM觀察,於濺鍍改質10min後退火之BP,倍率50000 76
圖4-68 SEM觀察,於濺鍍改質5min後退火之BP,倍率50000 77
圖4-69 SEM觀察,於濺鍍改質40min後退火之BP,倍率30000 77
圖4-70 SEM觀察,於濺鍍改質10min後退火之BP,倍率30000 77
圖4-71 SEM觀察,於濺鍍改質5min後退火之BP,倍率30000 78
圖4-72 SEM觀察,於濺鍍改質40min後退火之BP,倍率10000 78
圖4-73 SEM觀察,於濺鍍改質10min後退火之BP,倍率10000 78
圖4-74 SEM觀察,於濺鍍改質5min後退火之BP,倍率10000 79
圖4-75濺鍍改質維持時間40min之BP EDS分析 80
圖4-76濺鍍改質維持時間20min之BP EDS分析 81
圖4-77濺鍍改質維持時間5min之BP EDS分析 82
圖4-78 濺鍍改質40min後退火之BP EDS分析 83
圖4-79 濺鍍改質10min後退火之BP EDS分析 84
圖4-80 濺鍍改質5min後退火之BP EDS分析 85

表 目 錄
表4-1矽於理想值下的擴散係數及巴克紙擴散係數比較[34]
64

[1] 綠能科技-薄膜太陽能電池工作原理 http://www.getinc.com.tw/tw/tf/tf_principles.html
[2] Yinghao Chu, “Review and Comparison of Different Solar Energy Technologies”,Global Energy Network Institute,2011
[3] 薄膜太陽能電池發展 http://www.moneydj.com/kmdj/report/reportviewer.aspx?a=e56903f8-3f31-4097-9345-b098ba579aad
[4] S. Iijima,. "Helical microtubules of graphitic carbon", Nature, vol. 354,pp. 56-58, 1991.
[5] H. W. Kroto﹐J. R. Heath﹐S﹒C﹒O'Brien﹐R﹒F﹒Curl﹐R﹒E﹒Smalley﹐Nature 1985﹐318﹐162。
[6] T. W. Ebbesen and P. M. Ajayen, “Large-scale synthesis of carbon
nanotubes,” Nature, vol.358, pp.220-222, 1992.
[7] D. S. Bethune, C. H. Klang, M. S. de Vries, G. Gorman, R. Savoy, J.Vazquezand R. Beyers, "Cobalt-catalysed growth ofcarbonnanotubes with single-atomic-layer walls," Nature, vol. 363,pp.605-607, 1993.
[8] C. Jourent; Maser, W.K.; P. Bernier; A. Loiseau; M. L. Chapelle; S. Lefrant; P. Deniard; R. Lee; Fischer, J.E. Nature 388, 756, 1997
[9] M.S. Dresselhaus,; G. Dresselhaus,.; P.C. Eklund, Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic,San Diego, 1996.
[10] A. G. Rinzler, J. Liu, H. Dai, P. Nikolaev, C. B. Huffman, F. J. R. Macias, P. J.
Boul1, A. H. Lu1, D. Heymann1, D. T. Colbert, R. S. Lee, J. E. Fischer, A. M.
Rao, P. C. Eklund and R. E. Smalley, "Large-scale purification of single-wall
carbon nanotubes: process, product, and characterization", Applied Physics A:
Materials Science & Processing, vol. 67, pp. 29-37, 1998
[11] M. Endo1, H. Muramatsu1, T. Hayashi1, Y. A. Kim1, M. Terrones & M. S. Dresselhaus “Nanotechnology: 'Buckypaper' from coaxial nanotubes” Nature 433, 476 (3 February 2005)
[12] Akihiko Fujiwara “Photoconductivity in Semiconducting Single-WalledCarbon Nanotubes” , Applied Physics, vol. 40, L. 1299, 2001.
[13] Dengyuan Song, Armin G. Aberle, James Xia, “Optimisation of ZnO:Al films by change of sputter gas pressure for solar cell application” ,Applied Surface Sceince, vol. 195, pp. 291-296, 2002.
[14] M. E. Itkis, S. Niyogi, M. E. Meng, M. A. Hamon, H. Hu and R. Haddon C.”Spectroscopic Study of the Fermi Level Electronic Structure of Single-Walled Carbon Nanotubes”, Nano Lett, Vol. 2, No. 2, pp. 155-159, 2002.
[15] Dacheng Wei, Yunqi Liu,* Lingchao Cao, Hongliang Zhang, Liping Huang, and Gui Yu“Synthesis and Photoelectric Properties of Coaxial Schottky Junctions of ZnS and Carbon Nanotubes” , Chem. Mater, vol. 22. No. 2, pp. 288-293, 2009
[16] G. Ok Jong, H. Tawfick, K. Anne Juggernauth, Kai Sun,Yongyi Zhang, and A. John Hart“Electrically Addressable Hybrid Architectures of Zinc”,Advanced functional materials, vol. 20, pp. 2470-2480, 2010.
[17] UweVohrer,Nicolas Peer Zschoerper, Yvonne Koehne, Stefanie Langowski,ChristianOehr, “Plasma Modification of Carbon Nanotubesand Bucky Papers”, Plasma Process.Polym., vol. 4, S871–S877, 2007.
[18] Tao Xu, Jinghui Yang, Jiwei Liu, Qiang Fu, “Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma”, Applied Surface Science 253 pp.8945–8951, 2007.
[19] 氧化鋅簡介 http://tc.wangchao.net.cn/baike/detail_421360.html
[20] 擴散電流 http://ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/condmatt/handouts/chap8semicon/semiconII.pdf
[21] Lanlan Lu, Renjie Li, Ke Fan , Tianyou Peng “Effects of annealing conditions on the photoelectrochemical properties of dye-sensitized solar cells made with ZnO nanoparticles” Solar Energy, vol. 84, pp. 844-853, 2010.
[22] D. Podobinski, S.Zanin, A.Pruna, D.Pullini“Effect of annealing and room temperature sputtering power on optoelectronic properties of pureand Al-doped ZnO thin films” Ceramics International, vol. 39, pp. 1021-1027, 2013.
[23] The Study of Organic Solar Cell Doped with Metallic Nanoparticle,吳奉修,國立中山大學。
[24] Charles Kittle,Introduction to Solid State Physics,Chapter 2,31,(1988)
[25] http://140.116.176.21/www/technique/SOP/SOP%20Sputter.pdf,國科會南區微系統研究中心
[26] 離子輔助反應射頻磁控濺鍍紫外光薄膜之研究,戴國良,國立中央大學
[27] K. Wasa, S. Hayakawa, in: Hand Book of Sputter Deposition Technology,chap3-4, Noyes Publications(1992).
[28] http://www.mast-tech.com.tw/Resistivity%20Measurement.pdf
[29] K. Dieter Schroder, "Semiconductor material and device characterization", Wiley, pp. 1-17, 1998.
[30] J. W. Mayer and S. S. Lau, "Electronic materials science", Macmillian, pp. 34-35, 1990.
[31] van der Pauw, L.J. "A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape". Philips Research Reports 13: 1–9, 1958.
[32] 化學鍵結與分子結構軌域混成與分子軌域,吳瑞泰
[33] Characterizations of phosphorus doped ZnO multi-layer thin films to control carrier concentration
[34] http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/electric.html

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
無相關期刊
 
系統版面圖檔 系統版面圖檔