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元件技術
前瞻元件 研究目標

 
(一)矽奈米薄膜光電元件:
 
  我們發明了一個具高成本效益之矽薄膜奈米技術,其技術上是成長矽量子點超晶格材料於奈米孔洞氧化矽模板中,藉由調控其極高表面積之介面化學性,因而建構了一全新介面鍵結調控光電/電子材料。將此高密度矽量子點超晶格材料用於金-氧-半場效電晶體(MOSFET)中,成功地增強近紅外光電響應。藉由電晶體的增益響應機制,在 1.55μm光通訊波長可量測到高達 2.8A/W的光電響應。此含自組裝矽量子點之奈米孔洞氧化矽複合材料藉由調控填入矽量子點大小,使材料展現引人注目的類鐵電特性。我們也成功研發出全世界首顆矽基類鐵電記憶功能之金-氧-半場效電晶體。  
  我們所發展之矽量子點超晶格材料及元件有幾項優點為全世界之最,
(1)其量子點密度及均勻性為全世界之最,其製程方法也最簡單快速,且製程溫度極低;
(2)所發明之矽量子點超晶格結構成分最簡單,本質上係由矽與氧元素所構成,因此可完全相容於矽半導體工業;
(3)首度使用同一奈米矽基光電材料實現寬頻、高光響應、類鐵電記憶功能及高效率光伏特元件雛形,對具有數十億至數百億美金市場規模的高效能薄膜太陽能電池及非揮發性記憶模組產業極有貢獻。
 

 

   
  圖一、 以積體電路相容技術,發展出矽量子點超晶格薄膜材料,且由單一材料,發展出全世界首顆矽基類鐵電記憶功能之金-氧-半場效電晶體,及矽量子點光通訊偵測器。  

 

 
(二)奈米新穎光學及三維光晶 :
 
  在奈米新穎光學及三維光晶研製方面,已完成介間物質之微波及光學的製備與應用研究,建立左手物質的研究基礎。藉此延伸至奈米光學領域,並著手於三維金屬光晶研製,從完成第一層銅金屬之製備開始,至今已完成未對準之 200 nm 尺度四層銅與鈦金屬之金屬光晶製作,並已達準五層結構。  
  在新穎光學方面,我們展現此周期性新擬材料(metamaterials)之左手物質在光學領域上的運用,設計並模擬一種可以同時在低掠角及垂直入射產生共振的負折射係數雙層結構材料。我們已完成200nm以下尺度金金屬的二維左手超穎物質研製,並探討其在各式極化入射光下不同開口的裂隙環圖樣之行為。利用銅電鍍技術之延伸,可在已刻劃的次微米鎳金屬圖樣上轉鍍銅金屬圖樣,發現其所形成的Cu-Ni-Cu-SiO2、Cu-SiO2-Cu和Cu-Cu週期性陣列可在近紅外範圍呈現隨週期變化的現象,並且隨電鍍時間呈現不同程度的親疏水性,可提供銅金屬電鍍之製程服務及濾波和疏水元件應用。  
  未來將朝向100nm以下線寬銅金屬光晶製作。目標為完成實驗室目前最小線寬的多層金屬技術與能力,並作為15nm元件研發的金屬連線整合。同時利用分佈布拉格反射鏡(DBR)及光柵等組合,進行太陽能電池背電極前之抗反射膜研製,提升光子反射並作為光子侷限的設計,以增加太陽光與電池的作用而達到效能提昇的目標。  

 

   
  圖二、以掃描電子顯微鏡觀察三維銅金屬光子晶體的斜面,上視,及剖面等部份的銅桿圖像。三維銅金屬光子晶體的層數變化的掠角入射反射光譜量測圖譜。  

 

 
(三)第三代薄膜太陽能電池技術
 
  太陽能技術在科學上必須有革命性之突破才能於2030年達到累積光伏特產品4TW,模組單價低於0.3$/Wp之目標。為了發展低成本高效率之矽基奈米光伏特技術來實現至少15%之光伏特電池的轉換效率,其主要研發核心項目包括:  
  (1)能有效吸收寬頻太陽光能與提供光激載子分離之SixGe1-x-Si-SiyC1-y多能隙介面光伏特薄膜。  
  (2)可增進元件紫外光至近紅外光波段的光敏反應之矽量子點。  
  (3)超高表面積比的矽奈米線(SiNWs)材料,以提供優質的抗反射效果,更寬廣的光吸收區域和能隙可調變的能力,可為先進的太陽能應用。  
  使用能隙漸變薄膜系統SixGe1-x-Si-SiyC1-y可有效的增強光伏元件吸收寬頻太陽光能的利用率。以高密度電漿技術所製作的單接面非晶矽太陽能電池的轉換效率已達7.4%。這樣低的熱預算和高沉積速率薄膜技術開啟了高效率多接面SiGeC太陽能電池的可行性。人為製造的新光電子材料,自組裝複合材料nc-Si/MS可藉由電荷在奈米薄膜及有著似蕭特基整流的奈米顆粒與金屬介面間共振傳輸來增強光伏特效應。  
  此外矽奈米線材料展示大的潛力具超高比表面積、低反射率、寬頻光吸收及可調能隙之矽奈米線。理論的矽奈米線效率可高達 16%,此外目前文獻上實際的矽奈米線光電轉換效率仍然相當低,因此新穎的矽奈米線薄膜發展將成為提升效率太陽能電池的主力。試製完成之矽奈米線太陽能電池,其表面具絕佳之抗反射特性,低於0.08%之超低反射率,波長範圍在 200-1100nm之間。那些奈米科技開啟新的第三代矽基高效率(20%)太陽能電池的可行性。表單的頂端我們開發矽奈米線薄膜太陽能電池與超級抗反射能力和高效率混鍊矽奈米粒子有機薄膜太陽能。同時也使用旋塗方法在玻璃與軟性塑膠基板發展出大面積(100cm2)有機太陽能模組。  
   
  圖三、 自組裝 nc-Si/MS 複合材料可增進商業化結晶矽太陽能電池的轉換效率,以高密度電漿方法製作的單接面非晶矽太陽能電池的轉換效率可達 7.4% 。  

 

   
  圖四、本研究為研發一新穎p-i-n接面之矽奈米線薄膜太陽能電池,藉由空乏區增加,以改善電池的功率轉換效率(PCE)。矽奈米線薄膜太陽能電池具有優越的抗反射能力,於光波長200-1100nm範圍之最高的反射係數僅 0.08 %。本薄膜電池於 100mW/cm2、AM 1.5 光源照射條件下,可獲得 Voc ~0.42V、Jsc ~ 1.85mA/cm2、F.F. ~67.98 %、η ~0.53 %。  
   
  圖五、研究中有機薄膜太陽能光電轉換特性達3.17%其元件堆疊結構如圖所示,在10×10cm2軟板中串聯126 顆單電池,製成大面積軟性太陽能電池。  

 

 
(四)未來規劃:
 
  為了避免經濟成長所帶來的災難性氣候變化,主要能源應該是由無碳的技術提供。不幸的是,目前的太陽光電技術成本仍然昂貴得無法與礦物燃料競爭。但由於對能源危機的預期,一項有著高轉換效率、可用性和低成本等優勢的革命性太陽光電技術必須被盡快的建立起來。目前,本組在太陽能電池的研發將專注於五大方向,包括矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、有機太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池及 III-V 太陽能電池所使用的高品質鍺基板(在矽基板上成長高品質的鍺厚膜),藉此增進太陽能電池的技術發展。  
  本組在太陽能電池的研發將專注於五大方向,包括矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、有機太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池及III-V太陽能電池所使用的高品質鍺基板(在矽基板上成長高品質的鍺厚膜 )。  
   
  圖六、 太陽能電池發展規劃圖。本組在太陽能電池的研發將專注於四大方向,包括矽薄膜太陽能電池、有機太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池及 III-V 太陽能電池所使用的高品質鍺基板(在矽基板上成長高品質的鍺厚膜)。  

 

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