透明導電氧化物(TCO)薄膜製程實驗

課程教學大綱 1. 溶膠凝膠法製備氧化物薄膜 2 氧化物半導薄膜之低溫結晶化製程 3 奈米電池之電極層製備 2 氧化物半導薄膜之低溫結晶化製程 3 奈米電池之電極層製備 4. 奈米光電池的封裝與特性量測。

第一單元 :溶膠凝膠法製備氧化物薄膜 一.實驗目的： 介紹溶膠凝膠法之原理及其在氧化物薄膜(ZnO)製備方面的應用。同學可藉由氧化物溶液的合成、氧化物溶膠的旋塗與熱處理，學習應用化學濕式製程製備氧化物薄膜。

授課內容 溶膠凝膠法原理 氧化物溶膠的合成與熱分析 非晶態氧化物薄膜的塗佈與結晶化

二.實驗原理與機制： 溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是以無機聚合反應為基礎，以金屬醇氧化物或無機金屬化合物為前驅物來源，以水為水解劑、醇為溶劑來製備無機高分子化合物。在溶液前驅物進行水解、聚縮反應，形成微小粒子，而變成溶膠(凝膠是指內部網狀結構的固體包含著液態成分，使得固體、液體都能同時存在高分散的狀態) ，微小粒子繼續反應連結在一起，溶膠就凝固化成凝膠。水解和縮合與溫度、前驅物、氣氛、溶劑和添加劑有相當的關係，最後網狀氧化物的結構、型態取決於水解、聚縮反應的結果。

溶膠凝膠製程及產物 均勻顆粒 凝膠化 溶膠 凝膠 氣凝膠 乾凝膠 陶瓷體 加熱 乾凝膠膜 緻密薄膜 薄膜功能 導電性 感測性 催化性 介電性 導電性 感測性 催化性 介電性 保護性 抗反射 溶劑揮發 溶膠凝膠製程及產物 奈米粉體 成型 揮發

旋轉塗佈法 旋轉塗佈法是將試片置於機台圓盤中心處，利用幫浦抽氣將試片固定於圓盤上，將適量之溶膠滴附於試片中心，藉由機台旋轉產生的加速離心力，使溶膠往試片外擴散而達到均勻塗佈，並可藉由旋轉的轉速及時間改變達到預定之膜厚。 旋轉塗佈法示意圖

三.實驗流程圖： ZnO thin films Solvent (2-methoxyethanol) Monoethanolamine (MEA) Zn(CH3COO)2·2H2O Stirring at 60 ℃ for 2 hr Clear and homogeneous solution Spin coating (30 sec) Preheating 300 ℃ Annealing in air (500 ℃) ZnO thin films

實驗流程 溶液配製(ZnO Sol-gel solution ) 本實驗所需要之藥品分別為醋酸鋅，乙醇胺、乙二醇甲醚。 先將醋酸鋅(Zinc acetate)及乙醇胺(monoethanolamine)分別以電子天平秤重，其mole ratio為1:1。 將配重好的醋酸鋅及乙醇胺分別加入到乙二醇甲醚中 將混合之溶液以加熱攪拌器(hot plate)進行 60℃, 2hr 磁石加熱攪拌 將攪拌均勻之透明清澈 ZnO 溶膠溶液裝入血清瓶中，靜置兩天以上，以待溶液反應完全。 將ZnO溶膠溶液滴至玻璃基板上，以旋鍍機進行不同條件之薄膜製備 將旋鍍好之試片以管型爐進行高溫熱處理 完成氧化物薄膜試片製作

第二單元 :氧化物半導薄膜之低溫結晶化製程 一.實驗目的： 簡介準分子雷射的產生原理及其在薄膜沉積、退火與平面顯示器方面的應用，藉由實際的操作使同學學習氧化物半導體(ZnO:Mg)薄膜之低溫結晶化製程。

授課內容 雷射退火的熱傳導與晶粒成長機制 製程參數對薄膜結晶化特性之影響 氧化物半導體材料 LASER Mirror 2” 機台座 LASER Mirror 2” Lens 1” * 2”

二.實驗原理與機制：  雷射定義 - Light Amplified Stimulated Emission of Radiation. (經由光放大的激發放射之電磁輻射) - 會產生或放大光線的設備或元件 - 正式的雷射物理名稱: quantum electronics 量子電子學  雷射光束的性質 - 單色性: 具有單一波長. - 方向性: 具有低發散角. - 強度: 具有高功率密度. - 同調性: 具有相同的相位關係.

雷射之基本組成 激發能量 雷射介質 光學回饋元件 反射鏡 R=100% R<100%  雷射介質  激發程序  光學回饋元件 雷射介質能提供激發、介穩量子能階， 以允許激發放射之光束產生。  激發程序 給予雷射介質適當形式的能量，藉以產 生量子能接之分佈反轉狀況。  光學回饋元件 光學回饋元件主要是集中光線，以激發 並放大發射之雷射光束。

ELC具有可快速達到高結晶性且具有低缺陷密度的特性，由於ELC具有快速加熱、冷卻表面層，且不會對整個試片造成加熱，配合適當的製程參數，可有效控制結晶程度、結晶位置及結晶深度，甚至可於軟性基板上進行退火處理，實現以無機物為主動層的可撓曲式顯示器。 橫切面 縱切面

第三單元 :奈米電池之電極層製備 第四單元 :奈米光電池的封裝與特性量測。 一.實驗目的： 介孔性薄膜具有高比表面的特性，可應用在微感測器與奈米光電池之電極層。本單元將介紹新型的奈米光電池之構造、載子傳導機制與介孔性二氧化鈦薄膜在光電池中的重要性。同學可學習薄膜的圖案化製程技術。 因應不同的需求太陽電池以不同的型態呈現，特性的檢測與轉換效率的評估卻是雷同的。同學可藉由光電池的組裝與特性量測，學習光電池元件的製作與性能分析。

第三單元 :奈米電池之電極層製備 授課內容 奈米光電池結構與傳導機制 介孔性氧化物薄膜 薄膜之圖案化技術與網印法 第四單元 :奈米光電池的封裝與特性量測。 授課內容 太陽電池發電原理 奈米光電池的封裝 模組特性量測與分析

二.實驗原理與機制： ＊染料敏化太陽能電池發電原理圖

太陽能電池示意圖 ITO glass Dye Pt TiO2 Electrolyte ITO glass

I-V 特性分析儀示意圖 I-V conditions：Use Potention dynamic pattern Jiehan RE1 RE2 CE WE I-V conditions：Use Potention dynamic pattern Use a parameter： Reference voltage rage： -3(V)~1.5(V) Scan Rate (mV /second) ： 5 (mV/second)

光電轉換效率公式 其太陽能電池之光電轉換效率公式為： 光電轉換效率( η) 開路電壓(Voc) 短路電流(Isc) 提取因素(FF) 入射光功率(PL)(12.6mW/cm2) 最大電壓(Vmax) 最大電流(Imax)

染料敏化太陽能電池具有的特色： 電極浸電解液及形成接合 即使多晶材料也可有高效率 與固體太陽能電池比較，其安定性較差 使用電解液故需封裝技術

Thank you for your attention