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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:廖偉男
研究生(外文):Wei-Nan Liao
論文名稱:電漿輔助脈衝雷射沉積法製作氧化鋅薄膜抗反射鍍膜
論文名稱(外文):The study of zinc oxide antireflection coatings using plasma-enhanced pulsed laser deposition
指導教授:蕭桂森
指導教授(外文):Vincent K.S. Hsiao
口試委員:何主亮林佑昇
口試委員(外文):He Ju LiangYo-Sheng Lin
口試日期:2013-01-18
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:光電科技碩士學位學程在職專班
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:45
中文關鍵詞:脈衝雷射沉積電漿化學氣相沉積電漿射頻輔助脈衝雷射沉積氧化鋅太陽能電池
外文關鍵詞:pulsed laser depositionPlasma- enhanced chemical vapor depositionzinc oxideSolar cells
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脈衝雷射沉積法(Pulsed laser deposition,PLD)是目前主要鍍膜方式其中一種,藉由利用高能量的脈衝雷射將靶材瞬間蒸發,使得靶材上的元素組成可完整的保持比例,完全的轉移至基板上。根據文獻,PLD可以在低真空或室溫環境下操作,這對於目前研究趨勢來說是不夠的,所以在本論文裡,嘗試改良舊有的PLD鍍膜方式。
電漿化學氣相沉積法(Plasma- enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在利用化學反應的沉積過程中,使電漿參與了鍍膜過程,利用電漿將氣體分解,生成化學活性之活性種(radical)或是離子。
本論文主要研究利用PLD保持其原有的優點,結合PECVD中的射頻電漿輔助,形成了新的鍍膜系統,稱做電漿射頻輔助脈衝雷射沉積法(Plasma- enhanced pulsed laser deposition,PEPLD)。
本論文PEPLD,提供一創新的鍍膜技術,在室溫以及低真空度環境下,在各種基板上沉積並形成結構完整的奈米結構。在靶材的選擇上面,選用目前熱門材料氧化鋅,氧化鋅為一種寬能隙半導體(3.37ev),其化學性質穩定,且具有很高的熱穩定性、價格便宜等優點,也由於氧化鋅的奈米結構會因為製程參數的改變而有多種變化,形成奈米管、柱、線等多種結構。氧化鋅其諸多良好性質,可以廣泛的應用於各層面上,例如LED、TCO、SAW、太陽能電池及抗反射膜等應用。固計劃首先著重在藉由新式沉積方式所製做出的氧化鋅奈米結構,透過觀察其實驗中實際反射圖譜、厚度與理論反射圖譜、厚度比對,並試圖找出最佳化實驗參數,且應用在太陽能電池中的抗反射層以提升太陽能電池轉換效率,最終實驗條件比較可看出,以相同製作出趨近波長550 nm反射率=0之ZnO理論厚度206.25 nm的前提下,PECVD+PLD相較於單純PEPLD有2大優勢:第1:省時間(100%);第2:省能源(22%)。

Pulsed laser deposition (PLD) is one of the main coating, by taking advantage of the high-energy pulse laser target instant evaporation on the target elements can maintain the proportion of complete, fully transferred to the substrate. According to the literature, PLD in low vacuum at room temperature, for the current research trends, it’s not enough, so in this thesis, try a modified old PLD coating way.
The Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) in the deposition process using a chemical reaction, so that the plasma involved in the coating process, the use of the plasma to the gas decomposition, generate the chemical activity of the active species (Radical)or ions.
In this thesis, maintaining its original advantages of using PLD combination PECVD RF plasma assisted the formation of a new coating system, called Plasma-enhanced pulsed laser deposition (PEPLD).
With the papers PEPLD, provide an innovative coating technology, deposited on a variety of substrates at room temperature and low vacuum environment and the formation of the structural integrity of nanostructures. Select the above, the choice of the target material the popular material zinc oxide, zinc oxide is a wide band gap the semiconductor (3.37ev), the nature of its chemical stability and high thermal stability, cheap, etc..Also due to the zinc oxide nanostructures will to change in the parameters of the process, there are a variety of changes in the formation of the nanotubes, columns, and other structures.
Its many good properties of zinc oxide can be widely applied to various levels, such as LED TCO, SAW, solar cells and anti-reflective film.It plans to first focus system made by new deposition of zinc oxide nanostructures, through observation the actual reflection spectrum of their experiments, the thickness and theoretical reflection map, thickness than the right,and tried to find the optimal experimental parameters,and the application of the antireflective layer in the solar cell in order to enhance the conversion efficiency of solar cells,The ultimate experimental conditions can be seen making the same purpose under a wavelength of 550 nm Reflectance = 0 and the ZnO reasonable regardless of the thickness of 206.25 nm, PECVD + PLD compared to pure PEPLD have two big advantages: First: save time (100%); Second: save energy (22%).

目次/Contents

誌謝 I
摘要 II
Abstract IV
目次 VI
圖目錄 IX
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機與目的 2
第二章 基本原理 4
2-1 太陽能電池 4
2-1-1 太陽能電池介紹 4
2-1-2 太陽光譜 5
2-2 氧化鋅介紹 (ZnO) 7
2-2-1 製作氧化鋅 (ZnO)方式 7
2-3 脈衝雷射沉積Pulsed Laser Deposition (PLD) 9
2-4 電漿輔助化學氣相反應(PECVD)原理 13
2-5 抗反射層的原理 14
2-5-1 簡介 14
2-5-2 薄膜的穿透與反射原理 15
第三章 實驗方法與步驟 18
3-1 實驗流程與步驟 18
3-2 實驗設備 20
3-2-1 脈衝式雷射(Pulsed laser) 20
3-2-2 真空系統 21
3-3 薄膜分析 23
3-3-1 X光繞射儀(X-Ray Diffraction, XRD) 23
3-3-2 微細表面形場測定儀(α-step) 24
3-3-3 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM) 25
3-3-4 反射光譜系統架設 26
第四章 實驗結果與討論 27
4-1 PEPLD 製程參數最佳化 27
4-1-1 製備ZnO薄膜製程比較(PLD&PEPLD) 28
4-1-2 通入氧氣改善半高寬角度偏移 30
4-1-3 通氧量 32
4-1-3-1 厚度比較 33
4-1-3-2 反射率光譜圖比較 34
4-1-4 脈衝雷射能量差異 35
4-1-4-1 厚度比較 35
4-1-4-2 反射率光譜圖比較 36
4-2 PECVD 製程參數最佳化 38
4-2-1 PECVD氧化鋅單體量的比較 39
4-2-2 PECVD+PLD製程時間比較 40
4-2-3 PECVD+PLD氧化鋅單體量的比較 41
第五章 結論 43
參考文獻 44

圖目錄

圖1-1脈衝雷射羽狀電漿示意圖 3
圖2-1太陽光譜圖,包括AM 0、AM 1、AM 2 等太陽光譜,以及6000K 之黑體輻射光譜 6
圖2-2氧化鋅晶體結構 8
圖2-3 PLD沉積機制示意圖 12
圖2-4 脈衝雷射示意圖 12
圖2-5 CVD反應中的能量關係 14
圖2-6 電漿輔助CVD沉積薄膜原理 14
圖2-7 TE 平面波在薄膜介面的反射與透射 17
圖3-1實驗流程圖 20
圖3-2 LOTIS Nd:YAG 脈衝式雷射 21
圖3-3 PEPLD儀器架設 22
圖3-4實驗儀器架設示意圖 22
圖3-5 X-ray 繞射儀(1. X 光管;2. 第一光學模組;3. Sample Cradle;4. 第二光學模組;5. 偵測器) 23
圖3-6α-step 微細表面工作示意圖 24
圖3-7微細表面形場測定儀(Kosaka Laboratory Ltd. ET-3000) 24
圖3-8熱場發射掃描式電子顯微鏡(JOEL JSM 6500-F) 25
圖3-9熱反射光譜示意圖與實品圖 26
圖4-1 PEPLD(右)與PLD(左)沉積之ZnO薄膜 28
圖4-2 PEPLD 和PLD 沉積ZnO 於矽晶圓之XRD 圖 29
圖4-3 PLD 鍍膜時間分別為30、60、90 分鐘之反射率圖譜 29
圖4-4 PEPLD 鍍膜時間分別為30、60、90 分鐘之反射率圖譜 30
圖4-5 PEPLD 有無通入氧氣之XRD 圖比較 31
圖4-6 PEPLD通氧氣(右)與PEPLD無通氧(左)沉積之ZnO薄膜 32
圖4-7反射光譜與厚度理論值與實際值驗證流程 33
圖4-8不同通氧量沉積ZnO 薄膜之理論與實測反射率光譜比較圖 34
圖4-9 PEPLD不同通氧量沉積之ZnO薄膜 35
圖4-10不同Pulse laser energy 沉積ZnO 薄膜之理論與實測反射率光譜比較圖 36
圖4-11 Pulse laser energy 45 mJ/pulse 沉積ZnO 薄膜之SEM 圖 37
圖4-12 PEPLD 裝置示意圖 38
圖4-13 PECVD 裝置示意圖 39
圖4-14 PECVD 通入不同氧化鋅單體量之理論與實驗反射率光譜圖比較 40
圖4-15 PECVD+PLD裝置示意圖 40
圖4-16 PECVD+PLD不同鍍膜時間反射率圖譜理論值與實驗值比較 41
圖4-17 PECVD+PLD 通入不同氧化鋅單體量之理論與實驗反射率光譜圖比較 42

表目錄

表2-1 不同空氣質量定義之太陽光輻射,其單位面積之入射功率 6
表2-2 氧化鋅物理性質 9
表2-3 薄膜成長技術比較表 13
表3-1 LOTIS Nd:YAG 脈衝式雷射參數表 21
表4-1 使用α-step 分別量測PEPLD 和PLD 於30、60、90 分鐘之厚度 30
表4-2 PEPLD 有無通入氧氣之peak 與半高寬數據 31
表4-3 不同通氧量沉積ZnO 薄膜之理論與實測厚度比較表 34
表4-4 不同Pulse laser energy 沉積ZnO 薄膜之理論與實測厚度比較表 35
表4-5 Pulse laser energy 45 mJ/pulse 沉積ZnO 薄膜之理論與實測厚度比較表 36
表4-6 PECVD 通入不同氧化鋅單體量之α-step 實測厚度比較表 39
表4-7 PEPLD與PECVD+PLD相同鍍膜時間厚度比較 41
表4-8 PECVD+PLD 通入不同氧化鋅單體量之α-step 實測厚度比較表 42
表5-1 PECVD+PLD與PEPLD最終實驗條件比較 43


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