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崑山科技大學九十九學年度第一學期奈米科技期末報告

奈米矽晶之特性與應用任課老師：顏明賢

4970G013 林雅雯

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目錄 :前言 ----------------------P.3

• 研究動機 ---------------------P.4內容 ----------------------P.5製備 ----------------------P.6

• 沉積基理 ----------------------P.7• 奈米矽發光基理 ----------------P.8• 太陽能電池種類 ----------------P.10

應用 -----------------------P.14未來發展願景 ---------------P.15結語 -----------------------P.16心得 -----------------------P.17參考文獻 -------------------P.18

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一 . 前言在 1990 年 Canham 在室溫下發現多孔矽在近紅外區和可見光區激發出發光強度很高 1% 的可見光，可看出奈米矽可以完全製備出適合於光電器件應用的奈米矽。 奈米矽本身就是矽材料，與現有的矽技術相容，可以彌補矽材料不能有效發光的缺點，顯示出用奈米矽製備光電器件進而實現矽光電子集成的美好前景，對於未來整個光電子學領域將有不可估量的影響。

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研究動機在宇宙中含量排名第七的元素，在地殼中含量排名第二的元素”矽”，為了了解矽晶對於材料、太陽能電池、生活中的應用和製備，讓我們了解這個既平凡又特別的元素是怎麼讓人們生活更加精采。 結合現今在夯的奈米材料，將矽尺寸縮減至奈米級，所呈現不同於矽晶的性質，了解對材料會有甚麼影響，更將會為工業或是生活帶來更新鮮的改變。

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二.內容

奈米矽材料及構造 奈米矽構造：棒狀、線圈狀、量子點。

奈米矽晶 – 奈米矽晶大部分分為薄膜狀和片狀，其中薄膜狀主要應用於新一代太陽能電池，而片狀主要用半導體現今主流太陽能電池。

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三 .製備矽薄膜製備 : 二氧化矽薄膜的製備方法可歸納為 3 類：(1) 氣凝膠 (aerogel) / 乾凝膠 (xerogel) 方法(2) 在二氧化矽塗佈液中添加有機物以形成微泡沫(nanofoam) ，再利用鍛燒製程將有機物去除以形成孔洞；(3) 化學氣相沉積法 ;(4) 射頻磁控濺射技術。

矽晶片製備 : 取得矽晶材料後，透過長晶爐，生成像鑄鐵一樣的晶棒 (ingot) ，然後透過精密切割機，切割成一片片的晶圓，矽晶圓製成太陽能電池

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化學氣相沉積法-沉積基理

SiH4 → SiH4( 氣 ) →Si ( 固 )+4/m Hm ( 氣 )

〔 H 〕可將弱的 Si-Si 鍵斷開，而保留下較強的Si-Si 鍵，使 C-Si:H 膜的生成較穩定。

等離子體

主要將載流氣體 (Carrier gas)通過有機金屬反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然後在被加熱的基板上面發生化學反應促成薄膜的成長。

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奈米矽發光基理矽氧烯及其衍生物發光模型

矽 - 氫鍵或多矽烷發光模型

量子限制 / 發光中心模型量子限制效應模型

奈米矽主要發光模型有

化學吸附於奈米矽表面分子發光模型 氫化非晶矽發光模型

接下來我們將說明最常出現的兩大模型的發光基理

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奈米矽發光基理又稱 QC模型，是由 Canham最先提出，多孔矽光來自增寬能隙電子電洞對的直接複合，故能隙與矽粒子與矽粒平均尺寸間應有簡單對應關係。而 QC 效應最直接證明的方法就是隨著奈米矽中奈米顆粒尺度減小，發出的光的光譜出現藍移現象。量子限制 / 發光中心模型 又稱 QCLC模型，是由於量子限制效應多 孔矽奈米矽粒中電子 -空穴隊能量增加， 光激發使表面擴散，通過表面的發光中心 複合而發光，並由於奈米細表面態不同而產生不同發光 (如右圖 ) 。

量子限制效應模型

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太陽能電池種類目前太陽能電池板可分為單晶矽、多晶矽及非晶矽單晶(MONO CRYSTAL)

使用單晶矽為材料製作，單晶矽的生產過程與半導體使用的單晶矽相同。單晶矽的組成原子均按照一定的規則，週期性地排列。用單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上。 多晶矽(POLY CRYSTAL)是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成。多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在切割和再加工的手續上，比單晶和非晶矽更困難，效率方面在2005年前約為13%左右, 而目前2008年開始已經達到15~16%的轉換率，很多人喜歡單晶是因為一開始研發時，他的效能比較好，但是其實目前因為半導體的技術發達，現在多晶反而是歐洲比較多人裝太陽能設備的選擇。目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超越單晶矽的太陽電池

  

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非晶矽 ( 薄膜型太陽能電池 )1.因製程未穩定及改進中，故設備投資變異性極大。2.良率極低〈約12%〉，故改善空間極大〈研發空間極大〉。3.量產之商業用途未明確〈計算機除外〉及開發或商業化中。4.主要研發人才與半導體業者人才重疊，未來此部份人才將 更緊繃。

5.非晶矽太陽電池會因這Staebler-Wronski (S-W)效應而導致 光致劣化，也就是當非晶矽太陽電池經過數百小時的光曝曬 （light soaking）後，其初始（initial）效率會降低約20~25% 左右至穩定（stabilized）效率

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太陽能電池種類非晶矽 (AMORPHOUS)乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可循。一般非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法，在玻璃等基板上成長厚度約一微米左右的非晶矽薄膜。因為非晶矽對光的吸收性比矽強約 500 倍，所以只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效地吸收，且不需要使用昂貴的結晶矽基板，而用較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積的太陽電池。缺點為壽命僅有短短的 2 年左右。影響非晶矽太陽電池發展的主要因素就是穩定度的問題，由於非晶矽材料在強烈的光線照射下，將會產生缺陷而導致電流下降效應，發生供電不穩定的問題。 單、多晶太陽能電池較非晶太陽能電池能夠轉化多一倍以上的太陽能為電能，但單、多晶的價格比非晶的價格貴兩三倍以上，在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽能。

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太陽能電池發電原理非晶矽薄膜電池

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五 . 應用 太陽電池

全球太陽電池 奈米矽及其他薄膜太陽電池技術 矽奈米構造及新一代薄膜太陽電池

記憶體 長期新的 RAM 技術研究 奈米晶矽記憶體及其他奈米記憶體

薄膜電晶體：顯示器及 RFID 奈米矽薄膜電晶體及傳統的薄膜電晶體 奈米矽及印刷薄膜電晶體

照明 - 多孔矽結構在室溫下會產生強的發冷光效應 絕緣層上矽材料 - 加入奈米粒子的隔熱材 由於呈珠狀（二氧化矽）結合的構造，因而具有極多的空孔，此種隔熱材的優點是隔熱性高且輕，應用對象為防寒用、耐熱用衣服。其製作方法係將二氧化矽加在溶劑中，在高溫高壓下將溶劑蒸發。由於不會引起空氣對流，隔熱性高 ( 比玻璃纖維高 10 倍 )之外，遮音性及衝擊吸收性也佳。 奈米矽片 - 天然黏土中擷取運用口罩、防護衣，從天然黏土中，找到能抑制病毒複製的「奈米矽片」運用在口罩、防護衣等醫療用品上，對抗 SARS 病毒，原料取於自然。黏土含有大量二氧化矽，奈米矽片的吸附特性若應用在水處理中，能吸附污水中的雜質、有機物，甚至農藥及重金屬成分。奈米矽片在將蛋白質、有機分子或病毒牢牢吸附住後，因矽片成片狀，被吸附的蛋白質或基因立體結構將被拆解，無從再作用，自然無從複製，經一定時間後，病毒也將自然死亡。

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六 . 未來發展願景

薄膜太陽能電池製作出來的成品，大多可望擁有薄、輕、可透光等特性，相當適合應用在玻璃帷幕上，甚至可以彎曲，還可裝在圓形屋頂上，不僅達到隔熱更有發電的效用。因為薄膜型太陽能電池還有許多問題尚未解決，日後希望能提高其效能、製程技術並解決成本過高等缺點。

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七 . 結語節能議題熱，乾淨能源夯。不過，在太陽能電池領域，目前市場上的主流，還是以矽晶圓太陽能電池為主，薄膜太陽能電池雖然對供不應求的多晶矽原料需求較低，甚至完全不需要矽材，但由於相關技術不像矽晶圓太陽能電池那樣成熟。然而薄膜太陽能電池現在在量產上的確有轉換效率、製程技術、缺乏標準化等問題。而且，目前投入的製造成本也是矽晶圓太陽能電池的好幾倍。能源是國民經濟的基本動力。在能源危機和生態環境惡化的壓力下，世界各國都把開發利用可持續的清潔能源作為未来的能源發展。在當前迅速發展的绿色能源中，太陽能其資源豐富、没有地域界限、清潔等獨特優勢而占有重要的地位。奈米矽晶還有許多生活中應用的到的功效，包括照明、隔熱、殺菌作用，讓人們生活更佳舒適。雖然有些都還在實驗階段，也許還有許多特性尚未被發現，只能說奈米的時代，能帶給我們許多舒適的時代。

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八 . 心得太陽電池仍然還有許多缺陷還有技術問題，雖然矽在位居宇宙中含量排名第七的元素，在地殼中含量排名第二的元素，資源理當無需擔憂，但純化矽所花費的人力金錢時間技術，卻十分可觀。在石油、煤礦拮据的時代 , 乾淨能源對人的生活品質以及地球環境對於現在顯然是十分重要的。

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八 . 參考文獻功能材料 – 纳米硅薄膜制备及 HIT太阳能电池 2007 第十期材料導報-奈米矽光致發光基理 2006 第五期半導體科技 - 規則性奈米孔洞超低介電常數二氧化矽薄膜之

製備 卓恩宗、蔡增光、潘扶民 / 國科會國家奈米元件實驗室 楊家銘、趙桂蓉 / 國立清華大學化學研究所http://ssttpro.acesuppliers.com/semiconductor/Magazine_Details_Index_Id_651.html