应用於太阳能电池之氧化锌二氧化钛(核壳)结构-建国科技大学.docVIP

應用於太陽能電池之氧化鋅/二氧化鈦(核/殼)結構之製程與特性研究 白世南 建國科技大學電子工程系暨研究所 彰化市介壽北路一號本研究成功的將二氧化鈦薄膜沉積於氧化鋅奈米線陣列表面以形成氧化鋅/二氧化鈦(核/殼)結構。氧化鋅奈米線陣列二氧化鈦薄膜奈米線陣列奈米線陣列二氧化鈦二氧化鈦  1.前言 氧化鋅(ZnO)為寬能隙(3.37eV)材料，並具有相當高之自由激子束縛能(60meV)，屬於纖鋅礦結構(Wurtzite structure)之半導體材料 [1] ，對C軸有優選性方向成長，使得氧化鋅一維奈米線(ZnO nanowire)容易製備，熱穩定性優良，常壓下熔點可達1975℃。並可用化學方式合成，降低物理沉積法所需真空設備之成本。廣泛應用於光學薄膜、透明導電薄膜、壓電薄膜、短波長光電元件、染料敏化太陽能電池薄膜等[2-4]。其製備方法包括化學氣相沉積法、射頻磁控濺鍍法、溶膠-凝膠法、以及水熱法等 [5-8]。 二氧化鈦(TiO2)在自然界中具有銳鈦礦(Anatase)、金紅石(Rutile)、板鈦礦(Brookite)等三種結晶態，其化學及熱穩定之特性良好，主要以銳鈦礦與金紅石兩種結晶態最具有光催化特性。瑞士M.Gr?tzel 教授於1991年發表新型太陽能電池 [9] ，利用TiO2 薄膜作為光電極材料，同時以過渡金屬Ru 高分子有機化合物作為染料(dye)，製備出染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell ,DSSC)。二氧化鈦薄膜之製備有許多方式，如原子層沉積法[10]、電子束蒸鍍法[11] 、射頻磁控式共濺鍍 [12] 、反應式濺鍍法 [13] 、水熱法 [14] 、以及溶膠-凝膠法 [15] 。其中溶膠-凝膠法具有低成本，製備容易，可大面積化等優點。 奈米核殼複合材料是利用不同材料於奈米尺寸下做結合，透過異質材料在不同結構下的堆砌、結合，改變或增強其材料特性。成長核殼結構之目的包括：板模功能、複合結構、表面改質、特性調整，透過這些方式可以改變原本的材料特性與結構。 2.實驗方法HMT以莫耳比1:1 混合，並調製成0.075M濃度的溶液，將ITO玻璃基板置於調配之水溶液中，以95℃反應2小時後，試片取出以去離子水洗淨乾燥備用。 二氧化鈦殼層溶膠以Ti[OC4H9]4、無水乙醇、乙醇胺、冰醋酸、去離子水等依適當比例調製而成。於室溫下依序加入上述藥品攪拌1小時，完成溶膠溶液。之後，溶膠溶液與冰醋酸分別以體積比1：0、1：2、1：4、1：6、1：8、1：10之比例混合解膠10分鐘，然後進行旋轉塗佈製程。塗佈後之薄膜加熱2分鐘成單層乾膜，並退火500℃持溫1小時，即完成核殼試片之製被，隨後進行特性分析。 3.結果與討論XRD繞射分析儀(X-ray Diffraction ,XRD)分析核殼奈米線之結晶特性，從XRD分析晶格結構資料中發現，主要訊號為氧化鋅訊號(JCPDS#79-2205)。此外，除了ITO基板背景訊號，並無發現二氧化鈦訊號，其原因可能為二氧化鈦之晶體結構為非晶型之故。 圖三為氧化鋅/二氧化鈦核殼結構之光致發光(Photoluminescence)量測結果。量測試片為氧化鋅奈米線以混和體積比1：10製備之核殼奈米線。圖中可發現主要訊號位於近紫外光波長的區域，且氧化鋅奈米線發光強度相較於核殼結構奈米線之強度減少將近一倍。因此，可推論氧化鋅奈米線之晶格結構相當完整，於照光後生成之電子-電洞對，經幅射複合而產生近紫外光訊號。披覆非晶質二氧化鈦殼層後，氧化鋅奈米線表面因受到非晶質二氧化鈦包覆而隔絕，受光激發之電子，不易因表面複合而消失，因此增加電子-電洞對複合的機會，使得受光激發之光特性強度增強，提高氧化鋅奈米線之受光激發光之強度。 圖四為氧化鋅/二氧化鈦核殼結構之TEM量測結果，其中亦進行微小區域之EDS成分分析，實驗所採用試片為混和體積比1：2之核殼奈米線。圖四(a)為高解析度TEM圖片，圖中可發現深色區域之外圍披覆著一層較薄之淺色外殼，因此可證實奈米線上具有核殼奈米結構。其中深色區域為氧化鋅核區，其晶格排列完整，並具有單晶結構之晶格條紋；而深色之氧化鋅核區外披覆著一層二氧化鈦淺色殼區，其晶格排列混亂，呈現非晶結構。由此可說明於XRD量測中，氧化鋅奈米線為完整單晶結構，會產生建設性干涉訊號，使得氧化鋅核層之訊號明顯；而二氧化鈦殼層，由於屬於非晶形結構，無法產生建設性干涉，導致無法於XRD量測訊號中發現二氧化鈦晶格訊號。 圖四(b)EDS成分量測中，採用由外至內取三點之量測方式，量測結果如圖五所示。圖中可發現其外圍區域(DOT-1)為淺色外殼部分，元素訊號中含有較豐富之鈦元素訊號，而淺色殼區(DOT-2)與深色核區交界處，其鈦元素訊號較微弱，到了深色核區(DOT-3)，