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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐靖雯
研究生(外文):HSU, CHING-WEN
論文名稱:鈣鈦礦薄膜特性研究
論文名稱(外文):Characterization of perovskite thin films
指導教授:吳亞芬吳亞芬引用關係
指導教授(外文):WU, YA-FEN
口試委員:吳亞芬許宏彬王逸平
口試委員(外文):WU, YA-FENHSU, HUNG-PINWANG, YI-PING
口試日期:2021-05-24
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:電子工程系碩士班
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:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:有機無機混和鈣鈦礦薄膜光致發光載子熱膨脹效應聲子散射效應
外文關鍵詞:Perovskites thin filmsPhotoluminescenceThermal expansionPhonon scattering
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本論文製備MAPbI3薄膜,再利用光致發光系統進行變溫及變功率量測,其目的在於取得樣品從低溫至室溫的發光峰值變化,能量強度變化,以及半高寬變化數值,並加以分析。我們發現變溫下的發光光譜峰值有藍移-紅移-藍移之變化,這歸因於轉態時的結構變化、載子重新分佈、缺陷發光等機制。透過變溫及變功率鈣鈦礦薄膜光激發光光譜研究結果,我們發現溫度對於聲子耦合及激子效應有重要的影響,進而影響發光峰值能量。透過此研究,可以更了解鈣鈦礦薄膜之光學特性,並應用於鈣鈦礦太陽能電池之研發。
In this study, we prepared MAPbI3 thin films and then carried out the temperature-dependent photoluminescence (PL) measurements under different incident-powers to examine the optical properties of our samples. The obtained PL peak energies, intensities and full width at half maximum are analyzed. It is found that the PL emission peaks exhibited a blueshift- redshift-blueshift tendency with temperature, resulting from mechanisms of crystal structure transition, carrier recombination, and defect luminescence. Moreover, the phonon coupling and excitonic effects, mainly resulting from temperature, play important roles in the emission mechanisms of our samples. This investigation of PL spectra is useful for the potential applications to improve the perovskite-based optoelectronic devices.
目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
致謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 x
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 太陽能電池發電原理 5
1.3 太陽能電池結構 6
1.4 研究動機 7
第2章 理論與實驗 9
2.1 鈣鈦礦介紹(Perovskites) 9
2.2 鈦礦主動層製作方式 12
2.3 實驗設備 13
2.3.1 電子天平 13
2.3.2 溶劑溶解設備 14
2.3.1 定量分注器(Pipette) 15
2.3.2 超音波振盪器 16
2.3.3 電漿機 17
2.3.4 旋轉塗佈機 18
2.3.5 手套箱 19
2.3.6 紫外線固化系統(UV Curing) 20
2.3.7 光激發光量測系統(Photoluminescence, PL) 21
2.4 實驗材料 30
2.5 實驗步驟流程 31
2.5.1 MAPbI3藥劑調配 31
2.5.2 ITO基板裁切及清洗 31
2.5.3 製備MAPbI3薄膜 31
2.5.4 MAPbI3薄膜簡易封裝 32
2.5.5 使用光激發光系統進行變溫下光譜量測 32
第3章 實驗結果與討論 33
3.1 MAPbI3鈣鈦礦薄膜變溫光激發光光譜 33
3.2 不同入射激發能量下MAPbI3之光激發光光譜分析 38
3.3 高斯擬合分析光譜 41
3.3.1 發光強度變化曲線圖討論 41
3.3.2 發射峰波長變化曲線圖討論 45
3.3.3 半高寬變化曲線圖討論 48
第4章 結論 50
參考文獻 51

圖目錄
圖 1 太陽能電池材料種類 2
圖 2 矽晶格中的原子排列 3
圖 3 太陽能電池架構圖 5
圖 4 鈣鈦礦太陽能電池 6
圖 5 鈣鈦礦ABX3晶體結構圖 9
圖 6 MAPbI3鈣鈦礦立方相、四方相、正交相晶格 11
圖 7 電子天平 13
圖 8 電磁加熱攪拌器 14
圖 9 定量分注器(a)(b) 15
圖 10 超音波振盪器 16
圖 11 電漿機 17
圖 12 旋轉塗佈機 18
圖 13 手套箱 19
圖 14 紫外線固化系統 20
圖 15光激發光系統量測示意圖 21
圖 16 光激發光原理示意圖 22
圖 17 Nd:YAG Laser光源 23
圖 18 衰減片 24
圖 19 衰減片 25
圖 20 高通濾光片 26
圖 21 光譜儀 27
圖 22 真空幫浦 28
圖 23 冷卻水系統 28
圖 24 極低溫密閉式冷卻系統 29
圖 25 溫度控制器 29
圖 26 MAPbI3鈣鈦礦薄膜25 K、220 K光激發光光譜 34
圖 27 MAPbI3鈣鈦礦薄膜變溫光激發光光譜 35
圖 28 (a)為25 K至70 K光譜曲線圖 (b)為90 K至280 K光譜曲線圖 36
圖 29 電子-聲子相互作用(EP)及熱膨脹(TE)曲線關係圖[16] 37
圖 30 25 K不同激發能量下光譜曲線圖 38
圖 31 60 K不同激發能量下光譜曲線圖 39
圖 32 載子轉移和重組示意圖[18] 40
圖 33 MAPbI3於25 K之光激發光光譜 41
圖 34 入射光功率為(a)7.15 mW(b)4.43 mW(c)3.28 mW(d)1.84 mW O-Phase、T-Phase變溫光激發光強度 44
圖 35 O-Phase在不同功率下之變溫波長變化曲線圖 45
圖 36 T-Phase在不同功率下之變溫波長變化曲線圖 46
圖 37 T-Phase在不同功率下之變溫波長變化曲線圖 47
圖 38 入射光功率為(a)7.15mW(b)4.43mW(c)3.28mW O-Phase、T-Phase變溫光激發光半高寬 49


表目錄
表格 1本實驗使用化學用品 30


[1]A. M. A. Leguy et al., "Experimental and theoretical optical properties of methylammonium lead halide perovskites," Nanoscale, 10.1039/C5NR05435D vol. 8, no. 12, pp. 6317-6327, 2016.
[2]Q. F. Dong, Y.; Shao, Y.; Mulligan, P.; Qiu, J.; Cao, L.; and J. Huang, "Electron-hole diffusion lengths >175 mm in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals," Science 2015, 347, 967−970.
[3]R. Mertens, "Perovskite Solar Panel efficiency, current market status," 2020.
[4]吳鎮國、林鴻、盧以昕、許仲成、陳欣卉、吳育任, "淺談太陽能電池的原理與應用," 2014.
[5]張勝雄、吳家任, "光能轉換成電能:材料的光、熱、電特性之影響," 物理雙月刊, 2020.
[6]P. Gao, M. Grätzel, and M. K. Nazeeruddin, "Organohalide lead perovskites for photovoltaic applications," Energy & Environmental Science, 10.1039/C4EE00942H vol. 7, no. 8, pp. 2448-2463, 2014.
[7]交大光電-盧廷昌老師個人實驗室, "鈣鈦礦雷射," 2021.
[8]林中冠、賴敏良、李君婷, "新世代鈣鈦礦材料:合成、光電特性及應用," 2018.
[9]J. Wang et al., "Highly efficient all-inorganic perovskite solar cells with suppressed non-radiative recombination by a Lewis base," Nat Commun, vol. 11, no. 1, p. 177, Jan 10 2020.
[10]S. S. Lim et al., "Hot carrier extraction in CH3NH3PbI3 unveiled by pump-push-probe spectroscopy," vol. 5, no. 11, p. eaax3620, 2019.
[11]S. Thomson, Observing Phase Transitions in a Halide Perovskite Using Temperature Dependent Photoluminescence Spectroscopy. 2018.
[12]高宗聖、陳方中、盧廷昌, "淺談鈣鈦礦材料雷射發光特性之操控," 2017.
[13]陳. 林. 、吳宛玉, "溶劑對CH3NH3PbI3鈣鈦礦之影響," 2016.
[14]王凱弘, "甲基銨溴化鉛單晶鈣鈦礦材料的光物理探討," 2017.
[15]國立臺灣師範大學物理系李聖尉碩士生、蔡志申教授, "歐傑電子能譜儀," 2011.
[16]A. Francisco-López et al., "Equal Footing of Thermal Expansion and Electron–Phonon Interaction in the Temperature Dependence of Lead Halide Perovskite Band Gaps," The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 10, no. 11, pp. 2971-2977, 2019/06/06 2019.
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[18]K.-H. Wang, "Structural and Photo-physical properties of CH3NH3PbBr3 Perovskite single crystals," 2017.
[19]K. Schötz, A. M. Askar, A. Köhler, K. Shankar, and F. Panzer, "Investigating the Tetragonal‐to‐Orthorhombic Phase Transition of Methylammonium Lead Iodide Single Crystals by Detailed Photoluminescence Analysis," Advanced Optical Materials, vol. 8, no. 17, 2020.
[20]W. Kong et al., "Characterization of an abnormal photoluminescence behavior upon crystal-phase transition of perovskite CH3NH3PbI3," Phys Chem Chem Phys, vol. 17, no. 25, pp. 16405-11, Jul 7 2015.


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