4-1 PEDOT:PSS/Si 介面探討:
4-1-1 XPS 量測結果:
本實驗將樣品 B 以及樣品 L 進行 C(1s)、S(2p)以及 Si(2p)的 XPS 量測。樣品 B 只有量測偵測器與樣品為 45o夾角的訊號，樣品 L 則量 測偵測器與樣品為 30o、45o以及 60o夾角的訊號。另外，由於樣品 B 的 PEDOT:PSS 膜厚為 232.6 nm，因此，接收到的訊號主要為
PEDOT:PSS 本身的訊號，我們將其訊號對照樣品 L 變角度量測的結 果，藉此了解 PEDOT:PSS 和基板介面的化學環境。
S(2p)光電子光譜的分析:
S(2p)光電子光譜的訊號是來自於 PEDOT:PSS 的硫原子訊號，因 此，隨著偵測器和樣品的角度越大時，可以得到較多來自於
PEDOT:PSS 和基板介面的 PEDOT:PSS 訊號。
圖 4-1 為 S(2p)的光電子光譜，黑色峰是樣品 B 的結果，紅、藍、
綠色峰分別是樣品 L 偵測角度為 30o、45o以及 60o夾角。S(2p)的光譜 主要可以分成兩部分來看，較低能量(位於 163.5 eV 和 164.7 eV)的訊 號峰其訊號來源來自於 PEDOT 上的硫原子訊號，它會分裂成兩個峰；
較高能量的訊號峰(位於 167.8 eV)其訊號來源是 PSS 上的硫原子的訊 號[63-66]。圖 4-1 的結果可以發現，樣品 L 變角度量測的結果和樣品
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B 的結果一樣，訊號峰並沒有發生任何的位移，因此，認為位於介面 上的 PEDOT:PSS 硫原子的化學環境並沒有發生改變。另外，樣品 L 結果也顯示出越接近介面處，PEDOT 與 PSS 的比值相對於在塊材 高。
C(1s)光電子光譜分析
C(1s)光電子光譜的訊號是來自於 PEDOT:PSS 的碳原子訊號，因 此，隨著偵測器和樣品的角度越大時，可以得到較多來自於
PEDOT:PSS 和基板介面的 PEDOT:PSS 訊號。
圖4-2為樣品B的C(1s)光電子光譜，藍色峰為PSS上苯環基團的碳 原子(C-H)的訊號，其峰值為283.75 eV;綠色峰和粉紅色峰為PEDOT 尚未飽合碳(C-S、C=C-O)的訊號，其分別代表未飽合碳接硫原子以 及未飽和碳接上氧原子，其訊號分別坐落於284.29 eV以及285.15 eV；
橘色峰訊號來源來自於PEDOT飽和碳(C-C-O)，其峰位置為285.82 eV；
位於290.67 eV的峰訊號來自於π-π* shake-up。[63-66]
圖4-3為樣品L的C(1s)光電子光譜，其偵測角度為30o，其C-H、C-S、
C=C-O、C-C-O訊號分別為283.75 eV、284.29 eV、285.15 eV以及285.82 eV，這和樣品B量測出來的結果是一致的。圖4-4為樣品L的C(1s)光電 子光譜，其偵測角度為45o，C-H、C-S、C=C-O的訊號各別藍移到283.9 eV、284.42 eV以及285.41 eV，然而C-C-O的訊號還是維持在285.82 eV。
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圖4-5為樣品L的C(1s)光電子光譜，其偵測角度為60o，其C-H、C-S、
C=C-O的訊號藍移得更明顯，以位置各別坐落於283.96 eV、284.47 eV 和285.47 eV，同樣的PEDOT的飽和碳訊號位子也沒有改變。
從S(2p)的光電子光譜也可以確認了偵測角度越大時可以得到較 多PEDOT:PSS介面的訊號，另外，從樣品B和樣品L的到的C(1s)的光 電子光譜可以發現，介面PEDOT:PSS的未飽合碳原子訊號藍移，然 而飽和碳原子的訊號則沒有任何改變，因此，在此假設PEDOT上的 未飽合碳原子接上了一個拉電子的基團，導致其訊號藍移。
Si(2p)光電子光譜分析
Si(2p)光電子的光譜訊號是來自於基板的，因此，當量測角度越小 時，其訊號以基板和PEDOT:PSS介面的訊號為主。
圖4-6為樣品B的Si(2p)光電子光譜，只有一根位於101.88 eV的二 氧化矽的矽原子訊號峰。圖4-7為樣品L的C(1s)光電子光譜，其偵測 角度為30o，也只有一根位於101.88 eV的二氧化矽的訊號峰。圖4-8為 樣品L的C(1s)光電子光譜，其偵測角度為45o，其訊號峰位於99.16 eV 的是基板矽原子的訊號；另外，位於102.13 eV的訊號是二氧化矽的 矽原子訊號。圖4-9為樣品L的C(1s)光電子光譜，其偵測角度為60o， 其訊號峰位於99.16 eV的是基板矽原子的訊號；另外，位於102.31 eV 的訊號是二氧化矽的矽原子訊號。[67-69]
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由樣品B以及樣品L的訊號，可以確認，偵測角度越小其訊號較多 來自於介面，因為，當偵測角度變大時，可以看到離介面較遠的基板 的矽原子訊號。另外，越接近表面的二氧化矽的矽原子其訊號會紅移 到101.88 eV，因此，我們認為表面的二氧化矽可能接上了一個推電 子的基團，導致其訊號紅移
4-1-2 DFT 週期性計算結果
利用 Gaussian 09 進行 EDOT 的週期性結構最佳化結果如圖 4-10，
C1-C7、C1-C2、C9-C10 鍵長分別為 1.383 Å、1.416 Å 以及 1.434 Å 和文獻的結果一致[70]。
另外，圖二為 PEDOT 週期性計算出來的分子軌域結果，可以看 到 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital，最高填滿軌域)和 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，最低未填滿軌域)其能階 分別為-3.52 eV、-1.68 eV，其最低電子躍遷能量為 1.84 eV。而從 HOMO 跟 LUMO 的結果顯示，當 PEDOT 要進行化學反應時，最有 可能發生反應的地方會是在 PEDOT 的未飽合碳原子上，這結果跟 XPS 的實驗結果一致。
4-1-3 VASP 計算結果
我們請交大電子所林烱源老師實驗室進行後續的計算，他們建立
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了一個 Si 的(100)晶格的結構，而表面的 Si 則接上了氫原子，並將部 分的氫原子替換成了氧原子，用這種方式進行模擬，去了解 PEDOT 和二氧化矽的氧原子的關係。
圖 4-12 為計算結果的俯視圖，圖 4-13、圖 4-14 分別為計算結果 的側視圖，從結果顯示我們可以發現 PEDOT 的未飽合碳會和氧原子 進行反應。
4-1-4 小結:
由樣品B和樣品L的S(2p)和Si(2p)光譜，可以用來確認變角度量測 時，其訊號是否來自於介面。然而，從S(2p)光譜我們可以發現，相 對於PEDOT:PSS塊材，越接近介面PEDOT:PSS的比值明顯變多。
C(1s)的光電子光譜，我們會發現介面上的PEDOT未飽合碳原子 其化學環境發生改變，訊號發生藍移，再藉由Si(2p)的光電子光譜分 析，會發現介面上的二氧化矽的矽原子發生紅移。在此我們可以推斷 出PEDOT的未飽合碳可能接上了二氧化矽的矽原子。另外，理論計 算結果顯示PEDOT發生化學反應時反應位子會在PEDOT的未飽合碳 原子上，這和XPS的結果一致。
而藉由XPS和計算結果我們可以知道PEDOT的未飽合碳原子可 能會和二氧化矽的矽原子或氧原子進行反應。
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圖 4-1 樣品 B 和樣品 L 的 S(2p)光電子光譜
圖4-2 樣品B的C(1s)光電子光
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圖4-3 樣品L偵測角度為30o的C(1s)光電子光譜
圖4-4 樣品L偵測角度為45o的C(1s)光電子光譜
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圖4-5 樣品L偵測角度為60o的C(1s)光電子光譜
圖4-6 樣品B的Si(2p)光電子光譜
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圖4-7 樣品L偵測角度為30o的Si(2p)光電子光譜
圖4-8 樣品L偵測角度為45o的Si(2p)光電子光譜
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圖4-9 樣品L偵測角度為60o的Si(2p)光電子光譜
圖 4-10 PEDOT 最佳化後的結構
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圖 4-11 PEDOT 的 HOMO 跟 LUMO
圖 4-12 PEDOT 俯視圖
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圖 4-13 PEDOT 側視圖-1
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圖 4-14 PEDOT 側視圖-2
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4-2 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池:
在此，本論文將針對三種樣品進行討論:
Sample A:將購買來 n-type 雜參濃度 1016 cm-3的 GaAs 製作成元件
Sample B:利用 BSF 的方法在 n-type 雜參濃度為 1016 cm-3層後面 有一層 n-type 重雜參的 n-GaAs 製成元件
Sample C:利用 FSF 以及 BSF 的方法在 1016 cm-3層前面有一層 p-type 重雜參以及在後面有一層 n-type 重雜參的 GaAs 製成元件 元件示意圖如圖 3-3、圖 3-4 以及圖 3-5:
4-2-1 二次離子質譜儀結果:
為了確定 MBE 長出來的濃度是實驗所需要的，可以利用二次離 子質譜儀對 sample C 的基板進行 Si 縱深濃度偵測，結果如圖 4-15 顯 示，矽元素濃度介於 5.5*1015 cm-3和 6*1016 cm-3之間，這濃度跟實驗 所想要的雜參濃度為 3*1016 cm-3相近。
4-2-2 能量圖計算
在此利用 Simwindows 計算出能帶圖的理論值[58,70]；部分文獻 提到可以將 PEDOT:PSS 和 Si 接面視為是 Schottky junction[10,31-35]，
因此，PEDOT:PSS 和 GaAs 接面也可看作是 Schottky junction。
進行 Simwindows 計算前，必須先算出金屬-GaAs 的蕭特基位障
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(Schottky Barrier，q∅Bn0)，再將它帶入進行計算；而如何計算金屬 -GaAs 的蕭特基位障，可由文獻圖 4-16[58,71]不同金屬-GaAs 的q∅Bn0， 可以得出:
q∅Bn0(GaAs) ≅ 0.07∅m + 0.51 eV 4-1
∅m為金屬的功函數，因此，將 PEDOT:PSS 的功函數為5 eV[71]帶入 4-1 計算出 PEDOT:PSS/GaAs 界面的 Schottky Barrier 值為 0.86 eV。
圖 4-17 為 Sample A 的能階計算圖其 Schottky Barrier 值為 0.86 eV， 離PEDTO:PSS 3μm 處有少數載子的位障 0.11 eV，而 Schottky Barrier 從 0.86 eV 提升到 1.34 eV，這是因為有一層 10 nm 的 p-type 1019 GaAs 造成 FSF 的結果，由於 Schottky barrier 上升 Voc也會跟著上升；而 Vbi會提升到 1.28 eV，如此一來在表面的電場增加，而使得短波長的 光在表面被吸收產生的載子，會被快速分離，可以減少載子的複合機 率，因此，光電流會增加；因此，在 Voc和 Jsc提升之下，可以預期
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Sample C 的整體效率會相對於 Sample B 會提高。
4-2-3 I-V 量測結果
Sample A、Sample B 以及 Sample C 的 I-V 量測結果如圖 4-20，
而各項量測結果如表 4-1。
從 Sample B 的結果可以看到，短路電流會由 Sample A 的 17.6 mA 提升到 18.76 mA，這歸功於 BSF 的結果，減少了漏電流的產生，這 也會將開路電壓從 0.69 V 提升到 0.71 V，而 FF 也從 0.7 提升到 0.74，
因此，整體效率會從 8.99 % 提升到 9.87 %。
而 Sample C 相對 Sample B 多了 FSF，這會增加表面的電場，對 表面可以進行鈍化，因此，會減少表面的載子的複合機率，這使得開 路電壓會提升到 0.77 V，而電流也會提升到 19.31 mA 以及 FF 提升 0.8，最終效率可以提高到 11.86 %。
4-2-4 內部、外部量子效應以及吸收率結果
圖 4-21 為 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池 EQE 以及反射光譜，從 反射的結果看來 Sample B 和 Sample A 與 Sample C 不同，這是因 為 PEDOT:PSS 旋轉塗佈造成膜厚不同所導致的，Sample B 的膜厚為 62nm，而 Sample A 和 Sample C 的膜厚則分別為 50 nm 以及 55 nm。
Sample A 的 EQE 在 470 nm 處有最高的轉換效率，將近 70%，大
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於 470 nm 之後的轉換效率下降至 900 nm (900 nm 沒有轉換效率是因 為 GaAs 的能隙導致)。而 Sample B 與 Sample C 在長波長(600 nm – 900 nm)的 EQE 結果相對於 Sample A 高出很多，這是長波長的光會 在較深的地方被吸收，而元件在深處有一層 n/n+接面產生的位障，對 於少數載子來說是一個阻礙，所以當光在這 n/n+接面附近被吸收產生 載子或載子擴散到這接面附近會被快速的分離，因而，提高了 EQE 在長波長的結果。因此，在此可以證明 BSF 產生的能障會對少數載 子進行反射而增加載子的收集。
而 Sample B 相對於 Sample A 在短波長(<400 nm)的 EQE 稍微高 了一點；然而，因為短波長的光主要是在表面被吸收，所以，BSF 並 不會對短波長的 EQE 有貢獻，而真正影響的原因是因為反射率的不 同所導致的，因為，Sample B 在 400nm 以下的反射率相對 Sample A 低很多。而 Sample C 相對於 Sample A 以及 Sample B 在 UV(<380nm) 處的 EQE 結果也稍微低了一些，這也是因為 Sample C 在短波長的反 射率相對較高所導致的。
因此，利用 IQE 光譜(IQE=EQE/(1-R))，IQE 光譜可以除去膜厚不 同所造成的影響，圖 4-22 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池 IQE。從 EQE 的結果可以知道 400 nm~900 nm 的轉換效率會因為 BFS 可提高，而
因此，利用 IQE 光譜(IQE=EQE/(1-R))，IQE 光譜可以除去膜厚不 同所造成的影響，圖 4-22 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池 IQE。從 EQE 的結果可以知道 400 nm~900 nm 的轉換效率會因為 BFS 可提高，而