分子光譜於光電材料上的應用

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1

「

光電材料暨檢測研討會

」

分子光譜

於光電材料上的應用

© 2009 Perkin Elmer Tiffany Kang 康瑜容Tiffany.Kang@perkinelmer.com PerkinElmer Taiwan 珀金埃爾默股份有限公司

什麼是分子光譜?

4000 400 cm-1 12,820 50,000 Increasing Wavelength Increasing Energy Radio Micro FIR IR NIR UV X-ray Gamma 25 000 nm 2500 780 380 200 K層電子 外層電子 分子振動 分子轉動 UVS-2

分子光譜的組成

分光光譜儀主要元件:



燈源:

陶瓷燈源、氙燈、鎢鹵燈、氘燈、雷射…..



光學元件:

稜鏡、光柵、干涉儀…..

偵測器

DTGS

MCT P t di d

PMT



偵測器:

DTGS、MCT、Potodiode 、PMT….

使用分光光譜儀目的在於對化合物之定性定量

Beer’s Law A=εbC

分光光譜儀使用上優點:



樣品無需前處理



不破壞樣品

Detector

＋

＋



分析時間快速

UVS-3

Part (I)—

平面顯示器相關材料

© 2009 Perkin Elmer

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光電產業光譜量測的需求

ITO ‐ 穿透率(%T)及反射率(%R)

背光膜 – 反射率(%R)

LCD LCD產業的量測需求產業的量測需求 5

(

)

彩色濾光片 – 穿透率(%T)及CIE參數

Polarize filter – 穿透率(%T)及極化率(Polarization Factor)

最新的UV/Vis & UV/Vis/NIR光譜量測設備介紹

紫外光/可見光分光光譜儀 Lambda 650 

光譜儀主體

光譜儀主體

 Wavelength : 190~900nm  UV/Vis resolution : 0.17nm Lambda 850  Wavelength : 175~900nm  UV/Vis resolution : 0.05nm 紫外光/可見光/近紅外光分光光譜儀 6 紫外光/可見光/近紅外光分光光譜儀 Lambda 950  Wavelength : 175~3300nm  UV/Vis resolution : 0.05nm  NIR resolution : 0.20nm

Inside the Lambda  Series

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5

光譜量測技術介紹

配件部分

© 2009 Perkin Elmer

When the incident light thought a material …

UVS-10

穿透附件

單一入射角 可變入射角(manual type)  0~60 degree  0~360 degree 可變入射角(Auto type)  Defined by user 0~360 degree 0~360 degree rotation stage rotation stage S S Light Light

••

量測樣品種類

量測樣品種類

: color filter, polarize filter, ITO glass

: color filter, polarize filter, ITO glass

••Polarize need or not ???

Polarize need or not ???

UVS-11

Solution 1 – color filter analysis (any filter)

PerkinElmer PerkinElmer Lambda Lambda Transmittance Transmittance holder holder Result text Result text 650/850/950 650/850/950 Color Color software software spectrum spectrum Color Color method method Result graph Result graph UVS-12

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Polarize light ??

量測 Polarize filter 時

量測穿透及反射入射角大於10度時 光源在經偏極化前需為random  light (depolarize light)

light (depolarize light) 0~360 degree 0~360 degree UVS-13

Solution 2 – Polarize filter

Lambda 650/850/950 Lambda 650/850/950 Polarizer Driver Polarizer Driver & & holder holder CBDepolarizer CBDepolarizer

單體

單體

//

偏光片組量測

偏光片組量測

自動尋找直交及平行所對應的角度 測量偏光片在不同入射角度下的穿透率(0~360 degree) color color Software Software Sample holder Sample holder _{偏光片偏光片11 偏光片偏光片22} 14 ( g ) 自動計算極化率 P =

配向膜

配向膜是控制LCD顯示品質的關鍵材 料，用於液晶顯示器上下電極基板 的內側，目的在控制液晶分子排列 方向。 0~360 0~360 degree degree 0~360 0~360 degree degree 15 Lambda 650/850/950 Lambda 650/850/950 Polarizer Driver Polarizer Driver & & Sample holder Sample holder CBDepolarizer CBDepolarizer

配向膜錨定能量測

配向膜錨定能量測

Solution 3

– 配向膜

Software Software Rotation Rotation Stage Stage 偏光片 偏光片 22 偏光片 偏光片11 樣品樣品 自動定位cross角度及樣品與光軸垂直 轉動偏光片2，找到光通過的最小角度為θ1。 16 轉動樣品 φ角(user defined)。 轉動偏光片2，找到光通過的最小角度為θ2。

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Lambda 650/850/950 Lambda 650/850/950

Rotation Stage & Rotation Stage & Function Generator Function Generator

ASSP

Test Cell &

視角特性量測

Solution 4 – Test Cell

量測不同入射角及不同輸入電壓下的穿透圖譜 Software Software Sample holder Sample holder 波形產生器 波形產生器 _{樣品槽樣品槽} 偏光片＋彩色率光片＋液晶＋TFT 17 計算色度座標值 XYZ, Lab, Yxy

Solution 5 – ITO glass

Lambda Fiber stage ASSP Software 650/850/950 Sphere detector Common Beam Depolarizer

Fiber

Fiber

Stage

Stage

18

ITO

ITO

glass

glass

反射模式量測

© 2009 Perkin Elmer 鏡面反射(specular reflectance) AR (Anti Reflectance) HR (High Reflectance) Specular Reflectance-相對反射附件(1) 單一固定角度: near normal angle 6,45,80 degree

6 degree

6 degree 45

45 degree

degree

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Specular Reflectance-相對反射附件(2) 可變角度: 15 to 70 degree 21 Specular Reflectance-絕對反射附件(1) 單一固定角度 (AR / HR)

 VNtype: near normal angle 8,15,30,45,60 degree

Specular Reflectance-絕對反射附件(2)

單一固定角度 (HR)

 VWtype: near normal angle 7.5

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VW variable angle absolute Accessory (3)

VWaccessory shown

with polarizer installed

Laser alignment makes

setup quick and easy

24 +/

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New URA accessory (4)



 8 to 70 degree8 to 70 degree



Full automatic Full automatic

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散射模式量測

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散射反射(diffuse reflectance)

Integrating Sphere - 積分球

60mm Integrating Sphere

 Spectralon coating inside

 PMT & PbS detector R fl t ( 8 d  Reflectance ( 8 degree incident angle)  Transmittance 0 degree incident angle  Yindex measurement Reference port Reference port (front) (front) 28 穿透樣品座 穿透樣品座 Reference port Reference port (back) (back) 反射樣品座 反射樣品座

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150MM SPHERE – Haze

••150 150 mm Diffuse Reflectance Integrating mm Diffuse Reflectance Integrating Sphere

Sphere

••Center Mount Clip and Jaw StyleCenter Mount Clip and Jaw Style

••Small Spot KitSmall Spot Kit

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Part (II)—

太陽能相關材料

Solar  Energy 的利用

太陽能的應用 Broad categories of solar energy applications



儲能裝置Energy Conservation



建築玻璃Architectural glass

建築玻璃Architectural glass     



產能裝置Energy Production



聚光用途 Solar concentrators



太陽能電池(光伏) Photovoltaics



光熱收集器 Solar Thermal Collectors

UVS-31

Photovoltaics Cell

UVS-32

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Photovoltaic Cell

UVS-33

What a UV/VIS/NIR Spectrometer for ?

Measure …



穿透 Transmission

Total or Diffuse Transmission



反射Reflectance

Specular Reflectance Total or Diffuse Reflectance



吸收Absorbance

UVS-34

為何使用積分球附件?

© 2009 Perkin Elmer

Some Causes of Sampling Error

Poor parallelism

Poor parallelism _{Rough surfaceRough surface}

Poor surface  Poor surface  finish finish Internal  Internal  cloudiness cloudiness Internal distortion Internal distortion Thick samples Thick samples UVS-36

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Integrating Spheres – What Type of Samples?

Glass Coatings Filters Scattering liquids Cosmetics Architectural Glass Powders Paints Plastics Semiconductor  Optics Automotive Glass Inks Paper Thin Film Coated Glass Liquid crystals Crystals Precious stones Sunglasses Ceramics Clothing Contact lenses UVS-37

What type of measurements?

 %T  Diffuse %T  Solar Direct Transmittance  Solar Direct Reflectance  Variable Angle %T  Absorptance  %R  Diffuse %R  Specular %R  Total %R  H  Solar Direct Absorptance  Light Transmittance (Solar)  Light Reflectance (Solar)  UV Transmittance (Solar)  UVA, UVB  Thin Film Thickness  S d l i i  Haze  Opacity  CIE Color  S and P Polarization  UVS-38

穿透的量測

直線穿透



Normal Transmittance

Transmittance Measurements

散射穿透



Diffuse Transmittance

UVS-39

Integrating Sphere – Transmission Measurements

Simplified diagram of an Integrating Sphere Accessory. Note  reference beam path not shown. UVS-40

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Typical Method

Transmittance Measurements Transmission spectra of two different glass bottle “bottoms”, showing  different levels of UVA and UVB light protection. UVS-41

反射量測 Specular and Diffuse Reflectance

Illustration of Specular and Diffuse Reflectance

Specular and Diffuse Reflectance

Both Diffuse and Total Reflectance can be measured directly with an  integrating sphere 

• 散射反射 Diffuse Reflectance散射反射 ff f measurements require that the specularq p light component be excluded

• 全反射 Total Reflectancemeasurements require that the specular light  component be included

• 鏡面反射 Specular Reflectancecan be indirectly determined by  subtracting the diffuse component spectrum from the total component  spectrum spectrum. UVS-43

Diffuse Reflectance

Diffuse reflectance is measured on an integrating sphere by  Diffuse reflectance is measured on an integrating sphere by  placing the sample at the reflectance port (8 placing the sample at the reflectance port (8°°) with the ) with the  specular

specular port in an open positionport in an open position

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Total Reflectance

Total reflectance is measured on an integrating sphere by  Total reflectance is measured on an integrating sphere by  placing the sample at the reflectance port (8 placing the sample at the reflectance port (8°°) with the ) with the  specular port in the closed position specular port in the closed position UVS-45

鏡面反射 Specular Reflectance的計算

Specular Reflectance Measurements Specular %R Curve Specular Reflectance Calculation with the PELA 1000 of a pink colored  ceramic tile. The measured total reflectance spectrum minus the  diffuse spectrum yields the specular reflectance of the sample. 

Total and Diffuse %R Curves Specular %R Curve

吸收的量測 Absorbance Measurements

吸收值 Absorbance: The percentage of energy incident on a specimen that is  not directly transmitted or reflected. Wh li ht i i l lid t f th li ht i fl t d t i When light impinges on a clear solid, part of the light is reflected, part is  transmitted, and part is absorbed by the material. This expression is often  described as… 

T + R + A = 1

%Absorbance = 100% ‐ Direct Transmission ‐ %Reflected

Absorbanceis indirectly measured with an integrating sphere by obtaining the  %R and %T spectra of the specimen.  The absorbance is then calculated from the two spectra.  UVS-47

吸收的計算 Typical Application 

Absorptance Measurements Absorptance Calculation from %R and %T Spectra of PVC Exterior Covering  using the Advanced Spectroscopy Software Package UVS-48

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The application was to  characterize a silicon photocell  wafer The overlaid spectra shows  the hemispherical reflectance and 

Solar Cell ‐ measured with Integrating Sphere

p transmittance of the wafer at 8° incidence (reflectance) and  normal incidence (transmittance)  over the solar range from 200 nm  ‐ 1300 nm.  With a highly scattering sample  such as a silicon wafer, an  i i h i integrating sphere is necessary to  measure the scattered  transmittance. UVS-49 Solar Cell ‐measured with the Center Mount 同時量測 Transmittance及 Reflectance The graphic shows the change in  b ti f l ll t 10° absorption of a solar cell at 10 ,  20°, 30°, 40°, 50°, and 60° incidence angles with  hemispherical collection. Using the  optional clip style center mount for  the 150 mm Integrating Sphere. h h h h The graphic shows the  measurement in absorption (AP =  1‐T‐R). We have now the possibility  to calculate the thickness of any  coating over the silicon. The  coating can be either a protective  film or an anti‐reflecting coating. UVS-50

Solar Glass

Solar glass 的特性

 Low iron glass (presence of iron makes glass green)   高穿透high sunlight transmission eg. super white solar glass  低反射low reflectivity to the sunlight 

Solar glass are used as the cover glass panel of PV cell and solar‐

powered water heaters

Solar glass的厚度

 將會影響可見光visible range (380‐780 nm)穿透度 同時會影響熱性質 h l d i i d i i i  同時會影響熱性質 thermal conductivity and emissivity of the glass Good transmittance through solar glass of solar module UVS-51 “Patterned” Solar Glass – Trapping of Light Some solar glass are just plain, some have a sandy smooth texture and some even prismatically patterned  to promote adhesion as well as to allow higher transmission at acute incident angles. Besides  transmission, reflection and haze measurement the glass become important as well.  Clear _Hazy External reflection at a glass  surface (n=1.52) showing s‐ and p‐ polarized components UVS-52

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Solar Glass – Light Trapping with Anti‐Reflection Coating

External reflection at a glass surface  (n=1.52) showing s‐ and p‐polarized  components Representation of a single layer anti‐reflection coating Single layer MgF2 anti‐reflection coating

Reproduced from Melles Griot 1998 _UVS-53

Antireflective coating – effects on different wavelengths

6.0 7.00 Anti reflection coating on glass Anti reflection coating on glass 2.0 3.0 4.0 5.0 %R  600.0 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600.0 0.00 1.0 nm UVS-54

Integrating Sphere – Thin Films Measurements

Transmission spectrum of front

Reflection spectrum of surface of surface of alloy coated thin film

solar glass

Reflection spectrum of surface of alloy coated solar glass surface

Reflection spectrum of uncoated glass side of alloy coated solar glass surface Transmission and reflection measurements are  useful for quality control and specification   UVS-55

霧度量測 Haze Measurement 

Procedure based on ASTM 1003‐92 “Standard Method for Haze 

and Luminous Transmittance of Transparent Plastics”

用以了解有多少Diffuse transmittance的比例

Haze

用以了解有多少Diffuse transmittance的比例

Haze = [(T4/T2) ‐ (T3/T1)] x 100% where…

Measurement Position A Position B

T1 No Specimen White Standard T2 Specimen White Standard T3 No Specimen Light Trap T4 Specimen Light Trap Patterned solar glass UVS-56

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Integrating Sphere – Haze Measurements

UVS-57

Haze Calculations 

Integrating Sphere – Optical Transmission Haze Measurements of  Polysilicon Coated Solar Glass 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100.0 %T Sample 1-1

Transmission of smooth front surface of solar glass sample F-1

Transmission of smooth front surface of solar glass sample F-2

Haze = [(T4/T2) ‐ (T3/T1)] x 100% 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100.0 %T T2 T4 F-1 Haze measurement 300.0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 19002000.0 0.0 5 10 15 nm 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100.0 %T T4 T2 F-2 Haze measurement g p

Polysilicon coated solar glass _{Polysilicon coated solar glass}

300.0320340360380400420440460480500520540560580600620640660680700720740760780800.0 -6.8 0 5 10 nm T3 T4 Illuminant：A Sample Haze % F‐1 9.10 F‐2 21.24 300.0320340360380400420440460480500520540560580600620640660680700720740760780800.0 -6.8 0 5 10 nm T3 Haze calculations are especially useful for quality control and specification purposes   UVS-59

Measuring the Solar Transmission and Reflectance  of Materials

太陽光穿透特性

 “Solar” absorbance  “Solar” reflectance  “Solar” transmittance

將太陽光的頻譜加權計算

 The solar transmittance, reflectance, or absorbance is determined by calculating a  weighted average with a standard solar irradiance

波長範圍

 Measurements of spectral near‐normal hemispherical transmittance (or  reflectance) are made over the spectral range from 300 to 2500 nm. UVS-60

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Solar measurements ‐ Architectural Glass

Recent developments in coating  techniques have allowed builders to use  l t i l hi h ti i t glass as a material which participates  actively in heating and cooling control. Efficient window design incorporates  coated glass in a double or triple pane  configuration.  The transmission of  visible light, total solar energy and  longer wave thermal radiation can be longer wave thermal radiation can be  controlled within wide limits to reduce  energy consumption for the regulation  of temperature in a building. UVS-61

UV/VIS/NIR Spectra of Architectural Glass

80 90 100 VISIBLE (LIGHT) NEAR INFRARED  (HEAT) 10 20 30 40 50 60 70 %T  UV The energy distribution within  the solar spectrum is  approximately 2% UV, 47%  visible, and 51% infrared. Over  50% of the total solar energy  that reaches Earth is in the  near infrared portion of the  energy spectrum 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2500 0 10 nm Uncoated glass UV protection coat Low E coat, moderate solar gain Low solar gain coat UVS-62

Ratings for Architectural Glass

National Fenestration Rating Council   (NFRC.org) U‐factor:   Indicates the rate of total heat  transfer through a window and its frame  (without sunlight).  Solar heat gain coefficient (SHGC):   Derived  from a solar weighted spectrum of  UV/VIS/NIR light transmitted through a  window.

Visible transmittance (VT): The amount of Visible transmittance (VT):   The amount of  VIS light transmitted. These items are rated on a scale of 0 to 1. UVS-63 ASTM, EN, and ISO Methodologies for Solar Measurements ASTM E 903‐96 ASTM E 424 71

Standard Test method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials using Integrating Spheres

Standard Test Method for Transmittance and Reflectance

ASTM E 424‐71 ASTM E 490 ‐73 ASTM E 891‐87 ISO 9050 / EN 410

Standard Test Method for Transmittance and Reflectance (Terrestrial) of Sheet Materials

Standard Solar Constant and Air Mass Zero Solar Spectral Irradiance Tables

Standard Tables for Terrestrial Direct Normal Solar Spectral Irradiance for Air Mass 1.5

Glass in building - Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy, transmittance and ultraviolet transmittance, and related glazing factors.

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Solar Spectral Curve

UV VIS NIR UVS-65

Description of Air Mass AMx

The Air Mass number is the distance of  the sunlight through the atmosphere  longer than the vertical distance.  Sunlight passing through the  atmosphere is absorbed by water vapor  and carbon dioxide as well as scattered  by the atmosphere. AM1 is of lower  intensity and has absorption bands  compared to AM0  AM1 AM0 EARTH AM1,5 _ATMOSPHERE UVS-66

Architectural Glass Calculations

 Normal, Double, Triple  Glazing  Light Transmission  UVB Transmission  Color Rendering (Ra)   Light Transmission  Light Reflectance  Light Absorptance  Solar Transmission  Solar Reflectance  Solar Absorptance

 Solar Factor / Glazing Factor

 Solar Output per unit area  (Os)  Solar Response (Rs)  Convolution  Solar Factor / Glazing Factor  UV Transmission  UVA Transmission UVS-67

Architectural Glass Calculations

 Solar  Distributions • Global • Global 2  UV / IR Correction  Thickness Compensation  • Global 2 • Global 3 • P. Moon • Air Mass 1.5 • D65 • Solar • Solar 2 • UV  Result Templates  Automation UV • User definable –Unlimited number UVS-68

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Solar Table for Air Mass 2

Relative spectral distribution of direct solar radiation S according to  P.Moon for air mass 2 multiplied by the spectral bandwidth  UVS-69

Solar Measurements‐ Architectural Glass

Coated Low‐E Glass helps prevent heat from escaping in the winter,  and helps prevent heat from entering in the summer. UVS-70

Solar Measurements‐ Architectural Glass

Reflectance, Transmittance, and Absorptance of solar energy on  double paned, air insulated architectural glass. UVS-71

Architectural Glass

Diagram of a double pane window Low E coating Reflects long wave thermal radiation,  affects the U‐factor.

affects the U factor.

Solar control coating

Reflects or absorbs solar radiation,  allowing visible light to be transmitted.

The coating design and its placement in The coating design and its placement in  the window structure can be adjusted  to achieve the desired effect.

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Solar Measurements‐ Architectural Glass

Example ‐ Performance Data for Architectural Glass UVS-73

Architectural Glass Calculation Window

UVS-74

Solar Reflectance  ‐ Vinyl Siding Materials

1 T UVS-75

Solar Reflectance  ‐ Vinyl Siding Materials

UVS-76

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Solar Reflectance  ‐ Vinyl Siding Materials

ASTM Test Method E903 (1996)

Method Name : AM150g.mgx       Analyst :  Method Info.:

Date: 02‐Mar‐04    Time    : 03:53 PM     Type: AM 1.5 W    

Wavelength Range:     305.00 nm  to   2494.00 nm

% Reflectance

Specimen Code UV Vis NIR Solar

_______________________________________________________________________ 2_573527.SP        7.66 25.76 51.14 37.32 2_573528.SP        6.67 19.77 51.09 34.26 2_573557.SP        10.62 47.23 69.36 56.79 2_573560.SP        10.45 47.97 72.51 58.64 2_573556.SP        10.18 56.12 71.23 62.12 2_573559.SP        10.57 58.46 75.99 65.56 UVS-77  New developments in glass products which combine light management  and power generation. The technology allows glass windows to produce  electricity via solar energy while allowing light to pass through.   PV cells can also be integrated into walls and tiles as part of the buildings 

or applied as films on s rfaces

New Solar Products   ‐ Light Management and Power Generation

or applied as films on surfaces solar panel with a unique  semitransparent finish used as a skylight integrated roof photovoltaic system designed to form a complete roof  UVS-78

太陽能電池

PV Cell Properties

Measurement

© 2009 Perkin Elmer

Band Gap and the Photovoltaic Effect

Conductor Semiconductor Insulator

C d i Band  Gap eV Conduction   Band Valence  Band eV Band The band gap refers to the energy needed to move an electron  from its ground state in the valence band to the conduction band.

PerkinElmer Taiwan 珀金埃爾默(股)公司

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Band gap and the photovoltaic effect

Two or more very thin layers of  semiconductor or conductor  material can be stacked to

+ n p _ material can be stacked to  produce a PV cell. Light absorbed near the p‐n junction creates voltage potential The incident photons must have energy equal to or slightly  greater than the band gap energy for the absorbing material.

Transmission spectrum of Silicon

Thin crystalline Silicon 0 55 60.0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 %T Free carrier absorption 1.1 eV 190.0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600.0 0.0 5 nm

Energy Conservation & Renewable Energy Research

 Developing technologies

• Solar technologies are of major interest 

• Billions of dollars are being spent on research, worldwide

– Silicon no longer the only sourceSilicon no longer the only source

– Thin films are being developed to reduce cost – New manufacturing techniques to lower cost – Improvements in efficiencies is a major current driver – Weathering of the materials is an important consideration

Transmission spectrum of CdTe

Thin film of CdTe on glass 1.5 eV

PerkinElmer Taiwan 珀金埃爾默(股)公司

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Triple Junction Solar Cell Design

Material        Symb Band gap (eV) Silicon Si 1.11 Germanium Ge 0.67 Aluminum phosphide AlP 2.45 Gallium(III)  phosphide GaP 2.26 Gallium(III) arsenide GaAs 1.43 Gallium(III) nitride GaN 3.4 Gallium antimonide GaSb 0.7 Indium(III) phosphide InP 1.35 Indium(III) arsenide InAs 0.36 1.9 eV 1.4 eV 1.1 eV Substrate Three different materials  allow absorption over a  broad  wavelength range. 

Multi – layer thin films

Multiple layers of thin films can produce very complex Multiple layers of thin films can produce very complex interference patterns.  interference patterns.  Multilayer thin films Multilayer thin films Substrate Substrate

Aluminium reflective coatings….

Construction of reflective  Construction of reflective  material

material

Visible spectra of component layers FilmStar Film 

Thickness 

C l l Visible spectra of component layers 

…. have a multilayer composition

Softwares such as 

Softwares such as FilmStarFilmStarcan help to do design and analysis of optical thin films of can help to do design and analysis of optical thin films of  these multilayers. 

these multilayers. Visit www.ftgsoftware.com  Calculator

Q and A