3-1 PEDOT:PSS/Si 介面探討:
3-1-1 基板準備與清洗:
本實驗使用 n 型(100)的矽晶圓，其電阻值為 1-10Ω-cm。並利用 鑽石刀將矽晶圓切成 1*1cm2的破片，以方便之後的製程
由於晶圓表面暴露在大氣以及經由切割，會導致表面產生原生氧 化物、附著微粒子以及汙染物，由於微粒子以及汙染源會造成後續旋 轉塗佈時塗佈不均以及會對元件造成缺陷，因此，必須將破片清洗一 番。清洗基板有五個步驟如下：
1. 先藉由 RCA clean 將表面的原生氧化物去除。
2. 在旋轉塗佈前，將基板放入裝有丙酮(acetone)溶液燒杯中，並利用 超音波震盪器震盪 1 分鐘，將表面的有機物質以及微小粒子去除 乾淨。
3. 將基板放入裝有異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)的燒杯中，並利用超 音波震盪器震盪 1 分鐘，將破片表面殘餘的丙酮洗淨。
4. 利用去離子水(deionized water, DI water)將基板表面的異丙醇沖洗 帶走。
5. 最後，利用氮氣槍將基板表面殘留的水分去除。
藉由以上步驟將基板清洗乾淨。
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3-1-2 PEDOT:PSS 膜的旋轉塗佈以及製備
將潔淨好的矽晶圓經由丙酮、異丙酮，將表面的有機物質去除進 一步潔淨表面。之後，將矽晶圓放入去離子水中，讓其在表面長一層 二氧化矽層，並利用旋轉塗佈將 PEDOT:PSS 旋塗到矽晶圓表面。藥 品所使用的 PEDOT:PSS 是 Clevios PH1000。
在此，將分別使用純 PEDOT:PSS 搭配轉速 3000 r.m.p./30 sec 以 及 PEDOT:PSS:H2O 1:1 搭配轉速 6000 r.m.p./30 sec。旋轉塗佈完之後，
將其放在加熱板(hot plate)上，並在溫度 120 oC 下軟烤十分鐘。並且 分別得到 PEDOT:PSS 膜厚為 232.6 nm(以下簡稱 B 樣品) 以及 12.3 nm(以下簡稱 L 樣品)，如表 3-1 所示
3-1-3 XPS 量測:
樣品 B，將進行一般的 XPS 量測，這裡一般指的是量測時，偵 測器跟樣品角度夾角為 45 度。並且由於樣品 B 的 PEDOT/PSS 膜厚 為 232.6 nm，因此，訊號基本上為單純的 PEDOT:PSS 塊材的訊號為 主。
樣品 L，將對其進行變角度量測實驗，我們的偵測器與樣品角度 分別有 30 度、45 度以及 60 度，如圖(3-1)所示。
由於偵測器與樣品夾角的角度越大，所偵測到的訊號來源會相對 較深；而偵測器與樣品夾角的角度越小，其偵測器所獲的的訊號來源
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會相對較淺。因此，可以藉由不同的角度量測，來分辨界面的化學特 性。
樣品 L 的 PEDOT:PSS 的膜厚只有 12.3 nm，因此當偵測器夾角 為 30 度時，相對的可以得到較多 PEDOT:PSS 膜內的訊號而 PEDOT : PSS 與矽晶圓界面的訊號則相對較少；而偵測器夾角為 60 度時，則 相對得到較多 PEDOT:PSS 與矽晶圓界面的訊號。藉此，我們可以瞭 解 PEDOT:PSS 與矽晶圓界面的化學特性。
而樣品 B 與樣品 L 實驗將分別對其量測 C(1s)、S(2p)、Si(2p)的 XPS。
3-1-4 計算設定:
由於，樣品本身含有的氧元素過於複雜，很難藉由 XPS 幫助了 解 PEDOT 和二氧化矽的氧之間的關係，因此，希望藉由理論計算的 方式幫助我們了解 PEDOT 和二氧化矽的氧之間的影響。
所先，先利用免費的 Avogadro 軟體產生只有兩個(3,4-ethylene dioxythiophene)單體聯接的結構，之後，利用 Gaussian 09 軟體搭配使 用 B3LYP/6-31G(d,p)對這個化合物進行結構的最佳化，結果如圖 3-2。
由於 PEDOT 的單體聚合是藉由 C5 和 C8 連接 EDOT 的單體所 合而成的，所以，將圖二上 H9 和 H10 這兩個氫原子去除，並且，設
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定 C5 和 C8 的向量為 translation vector 進行週期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions，PBC)運算，運算時同樣使用 Gaussian 09 軟體 搭配 B3LYP/6-31G(d,p)。之後，將得到結構交由交通大學電子所林炯 源老師實驗室利用 VASP 進行後續計算。
圖 3-1 變角度量測示意圖
圖 3-2 兩個 EDOT 單體使用 B3LYP/6-31G(d,p)最佳化的結構
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表 3-1 樣品 B、L 個別 PEDOT:PSS 旋塗參數以及 PEDOT:PSS 膜厚 Sample PEDOT/PSS:DI r.p.m. Thickness
(nm)
B Pure 3000 232.6
L 1:1 6000 12.3
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3-2 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池:
3-2-1 元件材料
本論文中將使用到三種不同的 GaAs 晶圓:
1. 雜參濃度為 1016 cm-3的 n-type GaAs(100)(購至智林企業股份有 限公司)，其製作而成的太陽能電池元件以 Sample A 代稱。
2. 在雜參濃度為 1018 cm-3的 n-type GaAs(100) (購至智林企業股份 有限公司)上利用 MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束磊晶)長一 層厚度為3μm 雜參濃度為 3*1016 cm-3的 n-type GaAs(100)(請電 子所林建宏博士長)，其製作而成的太陽能電池元件以 Sample B 代稱。
3. 在雜參濃度為 1018 cm-3的 n-type GaAs(100)晶圓(購至智林企業 股份有限公司)上利用 MBE 長一層厚度為 3 雜參濃度為 3*1016 cm-3的 n-type GaAs(100)，並在此層上在長一層厚度為 10 nm 雜參 濃度為 1019 cm-3的 p-type GaAs(100)(請電子所林建宏博士長) ， 其製作而成的太陽能電池元件以 Sample C 代稱。
而我們使用的 PEDOT:PSS 的溶液為 PEDO:PSS(Clevios PH1000)添 加 5% Dimethyl sulfoxide( Sigma-Aldrich) 。
3-2-2 基板準備與清洗:
利用鑽石刀將 GaAs 晶圓切成 1*1cm2的破片，以方便之後的製程
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由於晶圓表面暴露在大氣以及經由切割，會導致表面產生原生氧化 物、附著微粒子以及汙染物，由於微粒子以及汙染源會造成後續旋 轉塗佈時塗佈不均以及會對元件造成缺陷，因此，我們必須將破片 清洗一番。清洗基板有五個步驟如下：
1. 先藉由 30%HCl:H2O 1:3 將表面的原生氧化物去除。
2. 在旋轉塗佈前，將基板放入裝有丙酮(acetone)溶液燒杯中，並利 用超音波震盪器震盪 1 分鐘，將表面的有機物質以及微小粒子去 除乾淨。
3. 將基板放入裝有異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)的燒杯中，並利用 超音波震盪器震盪 1 分鐘，將破片表面殘餘的丙酮洗淨。
4. 利用去離子水(deionized water, DI water)將基板表面的異丙醇沖 洗帶走。
5. 最後，利用氮氣槍將基板表面殘留的水分去除。
藉由以上步驟將基板清洗乾淨。
3-2-3 元件製作流程:
1. 將清潔好的 GaAs 利用電子槍蒸鍍上 Ni(300nm)、Ge(500nm)以及 Au(2000nm)當為背電極。
2. 利用 RTA(Rapid Thermal Annealing)方法將背電極退火(420 ℃/35s)，
使電極成為歐姆接觸(ohmic contact)。
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3. 在旋轉塗佈前會再利用上述清洗方式再清洗過。
4. 將 PEDOT:PSS 溶液滴滿整個 GaAs 破片表面並靜置(整個過程為 30s)，而旋轉塗布參數分別有兩段，第一段 500 r.p.m./5s，第二段 為 3000 r.p.m./25s.
5. 將塗佈好的 GaAs 破片放置 hot plane 上並在 125 ℃下烤 10 分鐘。
6. 以熱蒸鍍機在 10-6 torr 環境下蒸鍍上 Au(60nm)即製作完成。
元件示意圖如下:
圖 3-3 Sample A 元件示意圖 圖 3-4 Sample B 元件示意圖
圖 3-5 Sample C 元件示意圖
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3-3 量測儀器:
XPS 儀器:
將樣品利用 X 光光子電子能譜儀來了解樣品表面元素、價態、
元素摻雜和鍵結。X 光光子電子能譜儀使用 X 光源為掃瞄式單光器 (Scanning monochromated)A1 anode，使用 Mg 靶的 Kα 光束，而儀器 操作功率為 250W。操作時試片溫度可同控在-120℃～+250℃內，真 空度可低於 5×10-10 Torr，實體照片如 3-6 圖。
圖 3-6 X 光光電子能譜儀
光學光譜儀
本實驗使用交通大學奈米科技中心的 U4100 Spectrophotometer 光 譜儀，其光源為 W1 lamp(鹵素鎢燈)與 D2 lamp(氘燈)，光電倍增管 (UV/Vis)、恆溫冷卻式 Pbs(NIR)，60 mm 直徑積分球硫酸鋇鍍膜，可 量測波長範圍 240 nm～2600 nm。
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圖 3-7 U4100 光學光譜儀
在此我們藉由 U4100 光學光譜儀量測樣品的反射率反推成吸收 率，因為，當我們鍍上背電極之後不會有穿透光。
太陽能電池外部量子入射效率分析機台
本實驗使用交通大學奈米科技中心的 QE－3000，光源為氙燈，
偵測器為 Si（300~1100 nm）、InGaAs（850-1700 nm）、2 吋積分球，
其可量測波長範圍 300 nm～2000 nm。
本實驗使用 QE－3000 來量測太陽能電池之外部量子效率，外部 量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)是指在給定波長下，入射 光子數目與電池元件輸出電子的數目之比值，主要受元件本身的特性
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影響，如元件材料的吸收能帶、缺陷、雜質、元件的晶體組成及結構 等相關。
圖 3-8 QE－3000 太陽能電池外部量子入射效率分析機台
原子力顯微鏡
本實驗使用交通大學奈米科技中心的 Dimension 3100，用來觀測 PEDOT/PSS 的膜厚。
圖 3-9 Dimension 3100 原子力顯微鏡
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AFM 主要組成部分是一個頭上帶有一個用來掃描表面的尖細探 針的微觀懸臂(Cantilever)。這種懸臂一般是由矽或氮化矽組成，懸臂 大小通常介於數十至數百微米百微米不等，懸臂上會有探針，最種稻 的是探針之尖端的曲率半徑必須在奈米量級。當探針接觸到樣品表面 時，懸臂上的探針頭會受到樣品表面的力進行彎曲產生偏移量，此彎 曲會遵守虎克定律。而偏移量我們可以藉由照射懸臂上的雷射光束反 射至光敏二極體陣列進而得到。
太陽能電池伏安曲線
本實驗使用交通大學陳登名老師實驗室的太陽光模擬元件量測 系統，來量測太陽能電池之伏安曲線。日光模擬燈源為 1000 W 氙燈，
波長範圍 350 nm～1100 nm，波長分佈符合 class A 分佈，電元電表採 用 Keithley2440 及 USB GPIB 介面卡。
圖 3-10 太陽能模擬燈源與電性量測系統
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蒸鍍系統
本實驗所使用的蒸鍍系統為奈米科技中心的熱阻式蒸鍍機以及 單電子槍蒸鍍機，用來蒸鍍太陽能電池的電極。熱蒸鍍技術是利用高 溫融化金屬靶材，靶材直接昇華到氣態。氣態原子或分子，因加溫會 加速通過真空腔體，並因為接觸基板進而凝結沉積成薄膜。
圖 3-11 單電子槍蒸鍍機
圖 3-12 熱阻絲蒸鍍機
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