3-1 實驗藥品
1. 醋酸鎘(Cadmium acetate dihydrate)
分子式：Cd(CH3COO)2．2H2O 分子量：266.53 CAS Number：5743-04-4 製造商：Aldrich 2. 硝酸鎘(Cadmium nitrate tetrahydrate)
分子式：Cd(NO3)2．4H2O 分子量：308.48 CAS Number：10022-68-1 製造商：Acros 3. 過氯酸鎘水合物(Cadmium perchlorate hydrate)
分子式：Cd(ClO4)2．xH2O 分子量：311.31 CAS Number：79490-00-9 製造商：Aldrich 4. 碲(Tellurium, 粉末粒徑 200 mesh)
分子式：Te 分子量：127.6 CAS Number：13494-80-9 製造商：Aldrich 5. 3-巰基丙酸(3-Mercaptopropionic acid，MPA)
分子式：HSCH2CH2CO2H 分子量：106.14 CAS Number：107-96-0 製造商：Lancaster 6. 硼氫化鈉(Sodium borohydride)
分子式：NaBH 分子量：37.83
CAS Number：16940-66-2 製造商：Lancaster 7. 甲醇(Methyl alcohol)
分子式：CH3OH 分子量：32.04 CAS Number：67-56-1 製造商：Tedia 8. 氫氧化鈉(Sodium hydroxide)
分子式：NaOH 分子量：40.00 CAS Number：1310-73-2 製造商：Showa 9. 氫氧化鉀(Potassium hydroxide)
分子式：KOH 分子量：56.11 CAS Number：1310-58-3 製造商：Aldrich
10. [6,6]苯基C61 丁酸甲酯([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl eater，PCBM) 分子式：C72H14O2 分子量：910.88
CAS Number：160848-21-5 製造商：FEM Technology 11. 碲化鋁(Aluminum telluride)
分子式：Al2Te3 分子量：436.76
CAS Number：12043-29-7 製造商：MP biomedicals 12. 硫酸(Sulfuric acid)
分子式：H2SO4 分子量：98.08
13. 漿料
工研院材化所高分子研究組製造，型號為光電塗料 1 號，化學組成為聚 醯胺類
14. 矽晶圓
由台灣茂矽電子股份有限公司提供，為156 mm × 156 mm 多晶矽晶圓
3-2 儀器設備與原理
1. 螢光光譜儀(Photoluminescence Spectrometer，PL)
由美國 Jobin Yvon Instrument S. A. Inc.公司所製造 Spex Fluorolog-3 螢 光光譜儀，配置450 W 氙燈與 Hamamatsu Photonics 所製造 R928 型光電倍 增管為偵測器，掃描波長範圍為200 nm 到 1000 nm。
光致發光(PL)光譜是以大於材料能隙的激發光能量照射在樣品上，對半 導體材料而言，在吸收此激發光能量後，價帶中的電子會被激發至導電帶 中，在價帶上則產生一電洞，形成一電子-電洞對，由於庫侖力的吸引，會 使電子-電洞對以激子的形式存在。在沒有外來光子的情形下，激子具有一 定的生命期，電子會與電洞再結合放出光子。光致發光光譜可以顯示出材 料的優劣性，例如：樣品的不均勻度、雜質分佈以及缺陷(defects)等。一個 較理想的晶體，其光致發光光譜是呈現半高寬較窄、峰值較尖銳的曲線。
2. 紫外-可見光吸收光譜儀(UV-Vis Spectrophotometer)
由日本 Hitachi 所製造，其型號為 U-3010，可掃描波長範圍 190 nm 到 1000 nm，由分析物對光之穿透度，代入 Beer’s law 測分析物之吸收光譜。
原理是利用鎢絲燈及氙燈作為光源，分別可發出可見光與紫外光，經 濾光鏡調整再聚焦通過單光鏡，得到單一且特定波長的光線，光線通過樣 品後射入偵測器，經由光電管將光能轉換為電器訊號，再經傅立葉轉換，
即可得知相對於參考樣品，待測樣品的吸收或穿透光譜，由光譜的吸收峰 比較便可計算出待測物的濃度高低。
3. X 光繞射儀(X-ray Diffractometer)
為德國 Bruker AXS 所製造，型號為 D8Ad 之 X 光繞射儀，靶材為銅靶，
功率為2.2KW。光源產生之原理係利用 40KV 的操作電壓，加速後的電子 撞擊銅靶激發銅原子，經單光晶體分光，使之產生波長為1.5405Å 的 X 射 線。量測時，操作電流為40mA，掃描範圍在 2θ值為 10 至 80 度，掃描模 式為2θ/θ，掃描速率為每分鐘 20 度。
當高速電子撞擊金屬靶材所產生的 X 射線照射在具有晶體結構的分析 物時，X 射線會產生繞射現象，而在特定的角度產生訊號，藉由這些訊號 可以得知晶體結構和晶格常數，得到的圖譜可利用JCPDS 資料庫進行比 對，來確定分析物晶格結構，且依繞射角度的差異判斷結構是否有變化。
4. 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)
電子束，來穿透分析物，對分析物結構進行了解，電子束穿透時受分析物 原子影響，而顯示出原子排列影像，可利用此儀器來判斷奈米粒子之粒徑 大小、材料形貌、晶體晶向。
穿透式電子顯微鏡的解析能力主要與電子的加速電壓和像差有關。加 速電壓愈高，波長愈短，解析度也愈佳，同時因為電子動能增高，電子束 對試片的穿透力也隨之增加，因此可觀察的厚度也相對增加，但是過度的 提升加速電壓，容易對試片造成損傷。
5. 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)
由日本 JEOL 製造，型號為 JSM-7401F 的場發射掃描式電子顯微鏡 (Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM)，主要是利用電子源 所發出的電子束，經加速電壓加速電子束後撞擊試片表面，使表面分子與 電子束作用產生二次電子、背向散射電子等數種訊號，訊號由偵測器收集 再經由放大器放大之後成像，可觀察到清楚的立體圖像，了解樣品結構。
掃描式電子顯微鏡是利用電子束撞擊試片表面來成像，雖然電子束能 量不像穿透式電子顯微鏡來的強，但是為避免電荷累積在表面，試片表面 必須要鍍上一層金或鉑。高的加速電壓對試片的景深有較明顯的顯像，若 過度提高加速電壓容易忽略表面的細微結構，且電荷累積可能性增高；低 加速電壓對試片的凹凸起伏較為明顯。高電子束電流，由於電子束密度高、
產生的二次電子多，顯像的品質較細緻；反之，低電子束電流，電子束密
度低、產生的二次電子少，顯像品質較粗糙。
6. 太陽光譜模擬機
太陽輻射穿過地球大氣層，會受到大氣的吸收、反射與散射影響，使 的光譜照度會與量測的位置及太陽相對於地表的角度有關，一般以大氣質 量(air mass，AM)表示。大氣質量為零的輻射是指在「日地平均距離處」(大 約1.5 億千米)地球大氣層外，垂直於太陽光的平面上，單位面積、單位時 間內所接收到的太陽輻射能；而垂直於海平面的整個大氣層的大氣稱為1 個大氣質量，通常寫為AM1。一般 AM1.5 被用來代表地面上太陽的平均照 度，即在地表上太陽以45 度角入射的情況。
為了有效比較不同太陽電池的輸出功率，太陽光譜模擬機就是以氙燈 為光源，經過適當的光學濾光片校正各波長光線的強度，使用1000 W/m2 的日照強度，使用AM1.5 的太陽輻射光譜大小，在攝氏 25℃下量測。
3-3 實驗步驟與流程
3-3-1 前驅物 H2Te 與 CdTe 量子點之合成(如圖 8 所示)
1. 在手套箱內，秤 0.5 mmol Al2Te3放入三頸瓶中，以血清塞封口取出備用。
2. 取 3 mmol Cd(ClO4)2放入另一個三頸瓶中，加入 50 ml 去離子水，以磁 石攪拌均勻至完全溶解後，再加入0.65 ml MPA，此時溶液由澄清變為白 色渾濁。慢慢加入0.1 M NaOH 調整溶液 pH 值至 9.0，過程中溶液會由 渾濁轉變成澄清，通入N2。
3. 利用針筒取 0.5 M H2SO4，慢慢注入裝有Al2Te3且通入N2的反應瓶中，
以雙頭針將產生的H2Te 氣體導入上述配製好的溶液中，直到看不見氣泡 產生為止。
4. 將上述溶液加熱到 100℃，依反應時間長短分別取出，可製得黃至暗紅 色不等的溶液，在室溫下緩慢降溫，經旋轉濃縮機濃縮後，注入甲醇使 量子點沉降並以離心機離心，最後以甲醇多次清洗沉澱物去除過多的包 覆試劑。
5. 將沉澱物以去離子水回溶並於暗處儲存。
圖8 以碲化氫氣前驅物製備 CdTe 量子點流程圖
以NaOH 調整pH值至9.0 Cd(ClO4)2 + MPA / H2O
溶液澄清帶有白色沉澱物
Cd(ClO4)2 + MPA / H2O pH = 9.0 溶液澄清
Al2Te3粉末 加入H2SO4
H2Te gas
氣體不再產生
混合溶液澄清加熱至100℃
CdTe 量子點形成
依不同反應時間 分段取出
離心並以甲醇多次清洗 加入甲醇逼沉降
以去離子水回溶 (避光保存)
3-3-2 前驅物 NaHTe 溶液與 CdTe 量子點之合成(如圖 9 所示) (A) NaHTe 溶液之製備
4 NaBH4 + 2 Te + 7 H2O Æ 2 NaHTe + Na2B4O7 + 14 H2
1. 取 0.08 g NaBH4放入小圓底瓶中，加入5 ml 去離子水後，再加入 0.127 g Te 粉末，於空氣中室溫下以磁石均勻攪拌 48 小時，務必將反應過程中 產生的氫氣排出，最後過濾溶液可得澄清NaHTe 溶液，以去離子水稀釋 至20 ml 備用。
(B) CdTe 量子點之合成
1. 取 3 mmol 的 Cd(ClO4)2放入三頸瓶中，加入50 ml 去離子水，以磁石攪 拌至完全溶解後，加入0.65 ml MPA，此時溶液由澄清轉變為白色渾濁。
2. 取 30 ml 上述 NaHTe 溶液加入反應瓶中，溶液由白色渾濁變為淡黃色溶 液帶有白色沉澱物。慢慢加入0.1 M NaOH 並將溶液 pH 值調整至 9.0，
過程中溶液會由渾濁轉變成黃色澄清溶液，通入N2。
3. 將溶液加熱到 100℃，升溫過程中溶液會由淡黃色變為澄清。再依反應 時間長短分段取出，可得黃至暗紅色不等的溶液，緩慢降至室溫，經旋 轉濃縮機濃縮後，注入甲醇使量子點沉降並以離心機離心，最後以甲醇 多次清洗沉澱物去除過多的包覆試劑。
4. 將沉澱物以去離子水回溶並於暗處儲存。
NaHTe 溶液之製備
CdTe 量子點之合成
Te powder + NaBH4 / H2O
持續攪拌48 h，過濾稀釋 得澄清NaHTe 溶液
排出氫氣
Cd(ClO4)2 + MPA / H2O 溶液澄清帶有白色沉澱物
以NaOH 調整pH值至9.0 Cd(ClO4)2 + MPA / H2O
pH = 9.0 黃色澄清溶液
CdTe 量子點形成 加入NaHTe溶液
混合溶液加熱至 100℃
依不同反應時間 分段取出
加入甲醇逼沉降
離心並以甲醇多次清洗 以去離子水回溶(避光保存)
3-3-3 以不同含鎘前驅物合成 CdTe 量子點之製程(如圖 10 所示)
1. 取 3 mmol Cd(ClO4)2、Cd(Ac)2與 Cd(NO3)2於三個三頸瓶中，分別加入 50 ml 去離子水，以磁石攪拌至完全溶解後，各自加入 0.65 ml MPA，此 時溶液由澄清轉變為白色渾濁。
2. 取 30 ml 0.05 M NaHTe 加入反應瓶中，溶液由白色渾濁變為淡黃色溶液 帶有白色沉澱物。慢慢加入0.1 M NaOH 調整溶液 pH 值至 9.0 並通入 N2，過程中溶液會由渾濁轉變成黃色澄清。
3. 分別將溶液加熱到 100℃，升溫過程中溶液會由淡黃色變為澄清。再依 反應時間長短分別取出，可得黃至暗紅色不等的溶液，緩慢降至室溫，
經旋轉濃縮機濃縮後，注入甲醇使量子點沉降並以離心機離心，最後以 甲醇多次清洗沉澱物去除過多的包覆試劑。
4. 將沉澱物以去離子水回溶並於暗處儲存。
CdTe 量子點形成 混合溶液加熱至100℃
依不同反應時間 分段取出
離心並以甲醇多次清洗 Cd(ClO4)2 or Cd(Ac)2 or Cd(NO3)2 + MPA / H2O
以NaOH 調整pH值至9.0 混合溶液為淡黃色溶液
帶有白色沉澱 加入NaHTe溶液
混合溶液pH = 9.0 為黃色澄清溶液
加入甲醇逼沉降
以去離子水回溶 (避光保存)
3-3-4 量產不同粒徑大小的 CdTe 量子點應用在太陽能電池(如圖 11 所示)
1. 以 Cd(NO3)2、MPA 與 NaHTe 將溶液 pH 值調整至 8.5，於 100℃，依反 應時間長短，合成四種不同粒徑，分別為綠、黃、橘和紅光放射的 CdTe 量子點，經旋轉濃縮機濃縮後，注入甲醇使量子點沉降並以離心機離心，
以甲醇清洗過多的包覆試劑至少五次，將粉末以真空烘乾備用。
2. 以 P-型矽晶作為基板，利用高溫熱擴散處理在上面做 N-型半導體，形成
2. 以 P-型矽晶作為基板，利用高溫熱擴散處理在上面做 N-型半導體，形成