Optical characteristics of self-assembled gold nanoparticle on GaAs

本研究利用分子束磊晶(MBE)技術於n型砷化鎵(GaAs)基板成長InGaAs耦合量子點作為主動層，製作成高效率中間能帶太陽電池上磊晶InGaAs量子點，再利用自我組成長奈米金粒於太陽能電池上。 首先量測樣品的拉曼光譜並且分析比較相對訊號強度及波數位置(GaAs :To mode and Lo mode、InGaAs QDs)。但由於單層量子點訊號強度過小，所以會嘗試表面增強拉曼光譜散射(Surface-enhanced Raman scattering;SERS)的光學特性放大各樣位置的訊號。使用不同氧化層厚度(Al2O3)作為參數，將樣品用熱蒸鍍機鍍上一層薄薄的Au(約10nm)並且退火使其自我組成金奈米粒子，在各厚度下拍攝SEM比較金球的形成，以及樣品的反射率及以光激螢光量測(Photoluminescenc)比對，找到增強其訊號強度最佳參數，再使用在磊晶好的樣品上，作拉曼訊號的結果比較。結果顯示出InGaAs在不同狀態時量測出來的結果會有很些微的不同，各位置的訊號也有所增強，可能因為金粒的形成，導致光吸收時，在樣品裡的光以不同角度照射在樣品裡面，導致垂直的電場變大，LO mode降低，TO mode升高。 最後應用在太陽能電池上，比較其光吸收的效率是否能提高，在尚未沉積抗反射層時，轉換效率為6% ，在成長抗反射層後，減少元件表面反射率，提升元件短路電流，轉換效率從6%→6.5%，，接下來成長10nm的Au奈米球，發現轉換效率降低一點，短路電流有微小的提升，成效看來沒有比較好的光吸收特性，所以可能成長金屬奈米球在太陽能電池上不是一個良好增加光吸收的方法。Molecular beam epitaxy (MBE) is utilized for growing InGaAs coupled quantum dots on n-type GaAs substrates as the active layer to produce high-efficiency intermediate band solar cells.We also try to produce solar cell by self-assembled gold nanoparticle First, the strength of relative signal and position of wave are analyzed and compared in the Raman spectroscopy. As a single-layer quantum dot shows small signal strength, we try to increase the strength of relative signal by surface-enhanced Raman scattering (SERS). Using a different thickness of the oxide layer (Al2O3) as a parameter, the sample was coated with a thin layer of Au (about 10 nm) by a thermal evaporator and annealed to gold nanoparticles, and observed gold nanoparticles with the SEM.Finding the best parameters of signal strength in the reflectivity of the GaAs and Photoluminescenc be utilized on the samples. The results shows that the signal of each location is enhanced. Because the forming of the gold nanoparticles let the light be scattered in the sample at different angles, causing the vertical electric field to become largert. LO mode decreases, TO mode rises. Finally, to compare to its efficiency of light absorption on the solar cell.Before coating the anti-reflection layer, the conversion efficiency of the sample C519 is 6%. After coating the anti-reflection layer, to reduce the component surface reflectance and enhance the component short-circuit current. The conversion efficiency therefore increases from 6% to 6.5%. And then, growing gold nanoparticles to 10nm, we find that the conversion efficiency decreases and short circuit current has a slight increase. Growing the self-assembled gold nanoparticle on the solar cell is not the nice method to increase the absorption of the light.致謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 ix 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機 2 1.3金屬奈米結構在太陽能電池上的應用 3 1.3.1利用金屬奈米粒子表面電漿進行光散射 6 1.3.2金屬粒子侷限性增強電漿(LSP)增強材料光吸收 7 1.4自我組成原理 9 1.5文獻回顧 10 第二章 理論基礎與文獻回顧 12 2.1金屬表面電漿共振 12 2.1.1金屬表面電漿特性 13 2.1.2金屬粒子上的表面電漿子共振(LSPR) 15 2.2 Raman scattering 機制 18 2.2.1表面放大拉曼散射(SERS) 19 2.2.2自我組成金奈米粒子 20 2.3原子層沉積技術 (Atomic layer dposition, ALD) 22 2.4金屬化製程 (Thermal Evaporator) 24 第三章 研究方法與儀器架構 26 3.1實驗樣品介紹 26 3.2 SERS製程步驟 30 3.3太陽能電池製程步驟 32 3.3.1電極圖形製作 32 3.3.2表面濕蝕刻條件測試 34 3.3.3定義元件主體 35 3.3.4利用原子層沉積技術(ALD)沉積鈍化層(抗反射層) 37 3.4顯微光激螢光量測 (Micro Photoluminescence) 38 3.5拉曼光譜量測 40 3.6反射系統 (Reflectivity System) 43 3.7冷場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM) 43 第四章 實驗結果與分析 45 4.1主動層結構差異性之分析 45 4.1.1光激螢光光譜分析(PL) 45 4.2 SERS分析 47 4.3SERS對拉曼訊號增強分析 51 第五章 結論 66 參考文獻 6