研究方向

SCAPS軟體應用於Sb2Se3太陽電池之結構與材料模擬與AI採礦數據建立 

近年人工智慧(AI)興起，材料工程如何與AI結合成為一個熱門的話題。然而，在AI第二階段之數據挖礦，以實驗為主材料科學無法在短時間內提供上千筆的可用且可靠的資料作為AI訓練，這是材料工程進入AI首先面臨的挑戰。本研究利用SCAPS軟體進行Sb2Se3太陽電池在不同材料和結構的模擬，並與實驗結果相結合，可以產生大量高品質的資料，彌補材料科學實驗資料不足的困難，為AI模型的訓練提供支援。這種模型與實驗相結合的方法，可以加速材料科學與AI的結合，推動太陽電池領域的發展。 

SCAPS 1D tutorial

薄膜太陽電池材料與元件開發

透明導電膜材料與製程

薄膜太陽電池材料與元件開發

· 銻基(Antimony-based)薄膜太陽能電池

近年來由於CIGS和CdTe在大規模發展受到材料稀少性、毒性的限制，而CZTS受到過多二次相的干擾目前效率提升不彰，Perovskite則容易受到環境水氣影響有不穩定性。於是許多研究人員轉為尋找其他新材料，其中Sb2Se3以及Sb2S3為廉價、無毒且地球中含量豐富的材料，具有高吸收係數(>105 cm-1) ，Sb2Se3的能隙約為1.0-1.2 eV，Sb2S3約為1.7 eV，且Sb2Se3和Sb2S3的熔點分別為855和823 K，代表其製程所需的溫度較以往CIGS及CdTe低，可在400 ℃左右的溫度形成結晶。而Sb2(S,Se)3具有Sb2Se3與Sb2S3之間的物理性質特點，還擁有可調整的能隙能改善Sb2Se3因能隙較低造成的元件VOC較低之問題，目前最高的Sb2(S,Se)3的太陽電池轉換效率使用水熱沉積法 (Hydrothermal deposition)製備的10.5 %。銻基薄膜太陽能電池處於再生能源技術的最前沿，為利用太陽能提供了一種創新方法。

簡介

關鍵材料：這些太陽能電池使用銻化合物，主要是硫化銻 (Sb2S3)，作為光吸收的核心材料。

薄膜設計：它們由沉積在基板上的超薄銻基材料層組成，可實現輕質且靈活的應用。

高效率：銻基薄膜太陽能電池具有更高的能量轉換效率的潛力，使其能夠更有效地將陽光轉化為電能。

多功能應用：非常適合戶外活動，在遠足、露營等期間為行動裝置提供便攜式電源。整合到建築結構中，包括窗戶、外牆和屋頂，用於光伏建築整合 (BIPV)。適用於穿戴式裝置、智慧窗等各種科技產品。具有成本效益的生產：與傳統的矽太陽能電池板相比，他們的薄膜技術可以實現更具成本效益的製造。

製造工藝：準備基材（玻璃或柔性材料）。

使用氣相沉積 (PVD or CVD)等技術進行薄膜沉積。形成 pn 接面以實現有效的電荷分離。用於集電的電極沉積。採用保護層封裝，確保耐用性。

未來展望：正在進行的研究和開發工作的重點是提高銻基薄膜太陽能電池的效率和穩定性。未來的創新可能會導致該技術在再生能源領域的新穎應用和更廣泛的採用。

總而言之，銻基薄膜太陽能電池為清潔能源發電提供了多功能且經濟高效的解決方案，在從戶外活動到建築整合的各個領域都有潛在的應用，並有望實現持續的技術進步。

透明導電膜材料與製程

1. 透明導電膜材料

薄膜材料在可見光範圍內（波長380-780 nm）具有80%以上的透光率，電阻值低於1×10-3Ωcm，則可稱為透明導電薄膜[16]。隨著時代的進步，各種電子產品不斷推陳出新，因應製程上的需要，許多半導體材料不斷被開發與應用，尤其在光電產業中，透明導電膜由於兼具透明與導電兩種特性，近年來的應用領域及需求量不斷地擴大。

製備透明導電膜的材料大致上可歸納為兩類[16,17]，一類是薄金屬膜，另一類是金屬氧化物膜，茲分述如下：

（一） 薄金屬膜

金屬材料本來就可導電，是良好的紅外線反射體，同時也會反射可見光，其自由載子的濃度約為1023/cm3，使得金屬的電漿頻率落在紫外光區，在可見光區是不透明的，但只要金屬膜夠薄也會有某種程度的透光性，即薄金屬膜（如金、銀、銅、鉑等薄膜），如果要增加可見光區的透明度，同時又維持紅外光區的強反射性，必須將金屬製成薄膜，厚度須低於10nm。理論上，薄金屬膜可以成為良好的透明導電膜，但實際上極大部份的金屬在製成厚度低於10nm的薄膜時，都會變成島狀（Island-like）不連續膜。而使薄膜的電阻值升高。而且當島狀結構變大時，會散射入射光而非穿透。若使其它條件都相同，要得到足夠的導電度需增加膜厚，則會造成光吸收。目前已有許多不同的方法可以克服島狀不連續膜的缺點，而得到導電率較高的薄膜[18]，例如：在基材表面加靜電場、以電子或離子撞擊基材表面，或在基材表面與金屬膜間鍍上一層結合層等。雖然如此可製得連續的金屬膜，但薄膜的導電率仍受到表面效應（Surface effect）及雜質影響。而所謂的表面效應是指傳導電子受薄膜表面散射，因此基板表面和薄膜的平整性都將會影響到薄膜的導電率。在理論上，可以預估薄膜的平整性與薄膜厚度對導電性的影響；當薄膜厚度低於電子的平均自由路徑（Mean free path）時，電阻隨薄膜表面平整度的降低而急遽增加[19]。此外，尚還必須克服的問題來自雜質濃度，若金屬膜內含金屬性的雜質，電阻率將升高5至10倍；至於若含有如氧化物等的絕緣體或半導體雜質，則電阻率將會升高好幾個數量級。綜合上述可知：金屬的透明導電膜較不易被製備。

（二） 金屬氧化物半導體膜

透明導電氧化物（Transparent conducting oxide, TCO）首見於1907年Badeker發現金屬鎘（Cd）的薄膜在氧化後具有透明又導電的性質。而為了獲得可見光區的透明性，所選用材料之能隙寬度必須大於可見光的能量，即須大於3.0eV以上。此種純材料在室溫下是絕緣的，為了增加它的導電性，常會藉由摻入一些雜質來改善其電性，而摻雜的方式有下列兩種：（1）摻入比原化合物的陽離子多一價的金屬離子，如在氧化銦中摻錫的ITO（In2O3:SnO2）[7]膜、在氧化錫中摻銻的ATO（Sb2O3:SnO2）膜[20]，或摻入比其陰離子少一價的非金屬離子，如氧化錫中氟氣的FTO(F2:SnO2)膜[21]，（2）製造非化學計量（Nonstoichiometric）的半導體化合物；即半導體內含有陰離子空缺。上述兩種摻雜方式都能有效提高膜的導電度，對此類的透明導電膜而言，它的性質和摻雜離子有密切的關係。意味著，要得到良好的透明導電膜必須要控制薄膜的氧化狀態及雜質離子摻入的質和量。

代表性的TCO材料有氧化銦（In2O3），氧化錫（SnO2），氧化鋅（ZnO），氧化鎘（CdO），氧化銦鎘（CdIn2O4），氧化錫鎘（Cd2SnO4），氧化錫鋅（Zn2SnO4）和氧化銦摻雜（doped）氧化鋅（In2O3-ZnO）等[22]。這些氧化物半導體的能隙都在3.0eV以上，所以可見光（約1.6-3.3eV）的能量不足以將價帶（Valence band）的電子激發到導帶（Conduction band），只有在波長350-400nm（紫外線）以下的光方可。因此，由電子在能帶間遷移而產生的光吸收，在可見光範圍中不會發生；所以透明導電膜在可見光區域為透明。In2O3、SnO2與ZnO是目前三種最為人所注意的透明導電膜材料，其中ITO薄膜常被用於平面顯示器（Flat panel display, FPD）中當透明電極材料，近年來隨著FPD的普及成為非常重要的透明導電膜材料。然而ZnO也是備受矚目的透明導電膜材料，尤其是摻雜鋁的氧化鋅（ZnO:Al, AZO）被認為最具有為取代ITO的潛力[16]

2. 透明導電膜摻雜

2.1 不同元素摻雜對於透明導電膜之光電效應的影響

目前研究利用不同元素摻雜方法來增進ITO-based波長800 nm以上穿透率及ZnO-based電性兩大方向來增進窗口層光電性質[14]。

2.2 AZO、ITO於V參雜及退火條件下對其光電性質影響

在Saeed [20]等人研究顯示在In2O3摻雜V後，其中In2O3晶格中銦原子的摻雜會迫使釩原子取代銦原子的位置，使其晶粒尺寸隨著釩濃度的增加而增加。從圖2-4中顯示在釩摻雜氧化銦的能隙中觀察到紅移現象(red shift)，於低濃度摻雜會較高濃度摻雜的红移量高。

在Moustafa[15]及Yalan[21]等人研究顯示在製備ITO薄膜後，以適當的溫度進行熱處理，能夠使ITO的穿透率及其導電性有良好的影響，從圖2-5中可以看出以溫度100 ℃做熱處理會使得ITO有最好的穿透率，但超過100 ℃熱處理後，穿透率會有明顯下降，這是因為能隙( Eg )隨溫度的升高而增加。ITO的電性也會因為其熱處理溫度有所影響，從圖2-6中可以看出當溫度越高時其電阻會愈低，直到250 ℃才有所趨緩，這可能歸因於高溫熱處理會產生較好的晶體結構和較大的晶粒尺寸，導致電子的增加並減少電子在晶界間移動時的碰撞，以降低電阻率。

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AgNWs (奈米銀線) 

AgNWs發展

奈米銀線透明導電材料已發展許久，技術逐漸成熟，由於其高延展性、高穿透率與低電阻特質，使得他成為取代ITO的熱門人選之一。目前奈米銀線主要的合成方式為多元醇法(Polyol Process)。而目前工研院所開發的奈米銀線透明導電薄膜，穿透度為96%以上而片電阻小於80 Ω/平方，可以看到它具有相當大的潛力來取代ITO，而目前許多公司與學術單位開始將奈米銀線運用於面板以及太陽能電池窗口層的研究。

AgNWs應用

(1)面板

由於奈米銀線是散亂分布，不會產生圖樣干擾視覺或是莫列波紋，使我們在觀看時不會產生反光，影響觀看。目前最大的奈米銀線面板公司為美國坎畢歐科技公司，利用奈米銀線的高延展性，打造可撓曲面板，目前穿透度達到90~91%，電阻為150Ω/平方~250Ω/平方，霧度在0.9%~1.3%但由於電阻還太高，所以目前還沒有廣泛的使用，不過成為替代ITO面板的機會相當高。

(2)太陽能電池的窗口層

目前有許多研究關於奈米銀線在太陽能電池的窗口層的應用，不過大多是三明治結構或者夾層結構，主要是因為奈米銀線分布高低不一，容易導致漏電流的產生，進而導致FF值偏低，而夾層結構的空隙有助於電荷的收集，並且可以降低漏電流的發生，因此，相當有機會取代ITO，成為其他的選擇。

透明導電氧化物薄膜性能指標

透明導電氧化物(Transparent conductor oxide,TCO)薄膜被廣泛的使用，G.Haacke(1976)定義出了透明導電氧化層的性能指標，公式為:

φTC =T10/Rs (T是穿透度、Rs是片電阻)

品質因數φTC 作為透明導電氧化層的指標，做為田口法的品質特性。