在第一章中，我們已說明結合有機與無機半導體的優勢所在，本章直接進入製程部分；
圖 5-1-1 矽奈米柱陣列製程
我們首先在矽基板上旋塗聚苯乙烯次微米球，將濃度 10 wt%的聚苯乙烯次微米球與水的懸 浮液以 1:1 的比例跟酒精混合，在震盪均勻之後以微量滴管吸取適量混合溶液滴到以氧電 漿處理過的親水性氮化矽薄膜上，先利用 spin coater 施以 5 秒 500 rpm 以及 20 秒 2000 rpm 兩段式的轉速，再將次微米球薄膜轉移至樣品，以感應式耦合電漿系統對聚苯乙烯次微米 球進行反應式離子蝕刻，反應氣體為 CHF3及 O2，藉由調整氣體流量(sccm)、RF 功率、腔體 壓力以及蝕刻反應時間控制次微米球球徑大小。接著利用乾蝕刻，以縮小過的聚苯乙烯次 微米球當作遮罩，控制蝕刻時間以蝕刻出想要的結構。最後移除聚苯乙烯次微米球，矽奈 米柱陣列便完成了。此種蝕刻方式的優點在於能夠精準控制矽奈米柱陣列的尺度，藉此調 變結構參數。圖 5-1-2 為以乾蝕刻方式製作的矽奈米線陣列 SEM 圖。
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圖 5-1-2 利用乾蝕刻法所製作的矽奈米線陣列結構 (a)45 度角俯視結構圖(b)90 度角側視圖
接著我們進行混合有機太陽電池之製程：流程圖如圖 5-1-3 所示，首先我們使用高導電度 的水溶液 PEDOT:PSS 作為我們的有機材料，型號為(Clevios PH1000)，加入重量百分比濃 度 5%的 DMSO(dimethyl sulfoxide)提升其導電性，並且為了確保溶液可均勻塗布在矽基板 表面，我們加入重量百分比濃度 0.2%的乙二醇月桂酸酯(hexaethylene glycol
monod-odecyl ether (C12E5)) 作為介面活性劑。接著，我們將均勻混合的溶液滴在製作 好結構的矽奈米柱陣列上，等待一分鐘之後以 8000 轉/秒旋塗；接著在加熱板上以攝氏 115 度進行退火 10 分鐘，再以熱蒸鍍方式鍍上鋁背電極以及銀網柵作為正電極，混合有機太陽 電池製程便完成了。
(a) (b)
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由表 5-1，帄面矽基板搭配 PEDOT:PSS 溶液製作而成的太陽電池轉換效率可達 5.22%，
而旋塗之後的厚度由圖 5-2-1 的 SEM 圖可以看出約為 36nm；而三種深度分別為 400，500，
600nm 的矽奈米柱陣列的效率分別為 5.17%，4.24%、3.75%；隨著深度越深，矽奈米柱陣列 形成的抗反射效果越好，因此短路電流有所提升；然而在深度加深的結構中，乾蝕刻過程 中造成的表面缺陷也隨之增加，因此表面復合造成開路電壓以及填充因子的下降，導致效 率的低落。因此，我們將實驗組增加一組，在乾蝕刻結束移除奈米小球之後，將矽奈米線 陣列利用濕蝕刻的方式移除表面缺陷；之後再將此組樣品進行旋塗上 PEDOT:PSS 的動作。
藉由移除表面缺陷，我們可將元件的開路電壓提升至 0.38V，填充因子提升至效率提升至 55.25%。這兩個 IV 特性的提升，使得元件整體效率可達到 6.13%，相較於帄面結構的元件 有 17%的提升。除此之外，我們針對深度 600nm 的矽奈米柱陣列以及帄面的元件，進行外 部量子效率的量測，結果如圖 5-2-4；在短波長的部分，有經過表面處理的元件在短波長 部分的 EQE 較高，證明其表面復合速率被有效的降低了，也因此元件的效率可獲得有效的 提升。
我們使用乾蝕刻這種可精密調控矽奈米柱尺度的方式製作出矽奈米柱陣列，並且成功 的將它應用在有機混合太陽電池製程中；相較於帄面無結構的有機混合太陽電池，經過表 面缺陷處理的元件將可提升 17%的轉換效率，若將結構進一步搭配模擬的最佳化結果，定 可再進一步提升元件效率。
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圖 5-2-1 帄面結構之混合太陽電池之 SEM 圖
圖 5-2-2 矽奈米柱陣列結構深度為 400nm 之混合太陽電池之 SEM 圖
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圖 5-2-3 矽奈米柱陣列結構深度為 600nm 之混合太陽電池之 SEM 圖
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0
20 40 60 80
EQE(%)
Wavelength(nm)
600nm Planar 600nm/DRE
圖 5-2-4 矽奈米柱陣列有機混合太陽電池與帄面結構之外部量子效率(EQE)
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