TWI818610B - 光電化學裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種光電化學裝置，包含有一基板、一第一氮化鈦層係覆蓋於該基板、以及一第一氮摻雜二氧化鈦層係覆蓋於該第一氮化鈦層。藉此，不僅可有效提昇光電轉換效能，其製程更可有效簡化，以縮短製程時間並降低製造成本。
Description
本發明與半導體光電元件有關，特別是指一種光電化學裝置。
將太陽光能轉化為可儲存、易於運送的化學燃料等永續與再生能源議題，近年隨環保意識抬頭逐漸成為主流。相較於光伏(photovoltaics)之固態接面元件，光電化學裝置具備製程相對簡單、經濟與應用範圍較廣的優勢。光電化學裝置的作用機制，是透過半導體材料製備光電極，光電極在吸收光線後，激發半導體內載子進行價帶(valence band, VB)到導帶(conduction band, CB)的躍遷，進而造成載子流動產生電能，或透過載子對水分子的氧化或還原，生產化學燃料。
然而，目前光電化學裝置之製程較為繁雜耗時，導致成本高昂，且光電轉換效能亦有待提昇，否則無法符合大規模量產的經濟效益。
本發明之一目的在於提供一種光電化學裝置，可提昇光電轉換效能；本發明之另一目的在於提供一種光電化學裝置，其製程可有效簡化，以縮短製程時間並降低製造成本。
為了達成上述目的，本發明之光電化學裝置包含有一基板、一第一氮化鈦層係覆蓋於該基板、以及一第一氮摻雜二氧化鈦層係覆蓋於該第一氮化鈦層。藉此，不僅可有效提昇光電轉換效能，其製程更可有效簡化，以縮短製程時間並降低製造成本。
以下藉由二較佳實施例配合圖式，詳細說明本發明的技術內容及特徵，如圖1所示，係本發明第一較佳實施例所提供之光電化學裝置1，包含有一基板10、一第一氮化鈦層12以及一第一氮摻雜二氧化鈦層14。
該基板10為鈉鈣玻璃(Soda-lime glass)材質，其照光不會產生光電流，然亦可選擇其他可讓薄膜順利鍍著的材質如矽晶片、透明導電玻璃等。
該第一氮化鈦(TiN)層12係藉由直流非平衡磁控濺鍍 (DC unbalanced magnetron sputtering)方式沈積覆蓋於該基板10之頂面，進行濺鍍製程時，以純度99.99%鈦金屬作為濺鍍靶材，背景壓力固定於1.3 ×10
-2Pa，工作壓力維持在2.6 ×10
-1Pa，直流電源濺鍍功率350 W，基板載台施加偏壓-50 V，在400°C下，通入純度99.999%氬氣(Argon, Ar)作為工作氣體，同時通入已除塵之乾燥空氣(air)作為反應氣體，使空氣/氬氣（air/Ar）之流量比約為0.12，即可形成厚度約100 nm之該第一氮化鈦層12，作為傳輸光電流之導電層。惟進一步實驗顯示，air/Ar之流量比介於0.08~0.2之間亦可，然以空氣/氬氣比例介於0.1~0.15之效果較佳。
該第一氮摻雜二氧化鈦(N-TiO
2)層14係在相同濺鍍系統中隨後沈積覆蓋於該第一氮化鈦層12之頂面，一切操作參數相仿，僅將空氣/氬氣之流量比調整為約1.6，即可形成厚度約100 nm之該第一氮摻雜二氧化鈦層14，作光吸收層，能吸收光線能量產生載子。該第一氮摻雜二氧化鈦層14為一均質層且其中的氮原子比例約為3.9 at%，光學能隙則為2.9 eV。惟進一步實驗顯示，air/Ar之流量比介於0.4~3.0之間亦可，然以空氣/氬氣比例介於1.2~2.0之效果較佳。
為測試該光電化學裝置1之效果，取該光電化學裝置1作為工作電極，鉑片作為對電極(counter electrode)，Ag/AgCl作為參考電極，在濃度1 M之KOH電解液中，以100瓦氙弧光源照射，使用電化學分析儀(CHI 6088D)外加偏壓-0.2 V量測光電流密度，實際量測結果為776±6 μA/cm
2，如圖3曲線a所示，相較於習知光電化學裝置，不僅可有效提昇光電轉換效能，且製程可在同一濺鍍系統中完成，於沈積該第一氮化鈦層12與該第一氮摻雜二氧化鈦層14時，僅需調整空氣/氬氣之流量比，無需使用純化的氧氣與氮氣，亦無需分次在不同的系統中進行濺鍍，更不用在高真空度下進行，可有效節省抽真空時間，如此可有效簡化製程，縮短製程時間並降低製造成本，從而達成本發明之目的。
如圖2所示，係本發明第二較佳實施例所提供之光電化學裝置2，包含有一基板10、一第一氮化鈦層12、一第一氮摻雜二氧化鈦層14'、一第二氮化鈦層16、一第二氮摻雜二氧化鈦層18、一第三氮化鈦層20、以及一第三氮摻雜二氧化鈦層22。
該基板10與該第一氮化鈦層12之結構與第一實施例相同，不再贅述，該第一氮摻雜二氧化鈦層14'之沈積時間較第一實施例短，故厚度僅約33 nm，該第二氮化鈦層16係覆蓋於該第一氮摻雜二氧化鈦層14'之頂面，其製程與該第一氮化鈦層12相同，惟沈積時間較短，故厚度僅約4 nm，作為光線可穿透之導電層，讓下方之該第一氮摻雜二氧化鈦層14'仍可接受光照；該第二氮摻雜二氧化鈦層18係覆蓋於該第二氮化鈦層16之頂面，其製程與該第一氮摻雜二氧化鈦層14'相同，惟沈積時間較短，故厚度僅約33 nm，此種多層結構可再依序堆疊上去，如圖2所示，該第二氮摻雜二氧化鈦層18上還依序沈積該第三氮化鈦層20以及該第三氮摻雜二氧化鈦層22。
本實施例中，該第一至第三氮摻雜二氧化鈦層14', 18, 22之總厚度為99 nm，與第一實施例中該第一氮摻雜二氧化鈦層14之厚度100 nm相當，其差異在於本實施例夾入該第二氮化鈦層16與該第三氮化鈦層20，由於該第二氮化鈦層16與該第三氮化鈦層20之厚度極薄，仍可容許絕大部分的光線穿透，不致影響下方該第一、第二氮摻雜二氧化鈦層14', 18吸收光線能量產生載子，且該第一至第三氮摻雜二氧化鈦層14', 18, 22照光產生之載子，僅需移動較短路徑即可經由該第一至第三氮化鈦層12, 16, 20傳導輸出，故其輸出的光電流密度可較第一實施例提高，如圖3曲線b所示，該光電化學裝置2之光電流密度可達865±7 μA/cm
2，較第一實施例提昇約11.5%之光電轉換效能。
基於本發明之設計精神，該光電化學裝置之結構可有其他變化，例如：該第二氮摻雜二氧化鈦層18、該第三氮化鈦層20、該第三氮摻雜二氧化鈦層22可依需要加以省略部分或全部；該第一至第三氮摻雜二氧化鈦層14', 18, 22之氮原子比例可相同或不同，氮原子比例以2.8~4.2 at%為佳，又以3.6~4.2 at%較佳，該第一至第三氮摻雜二氧化鈦層14', 18, 22之光學能隙可相同或不同，以2.8~3.0 eV為較佳；該第二氮化鈦層16與該第三氮化鈦層20之厚度在10nm以下亦可，只要能讓光線穿透即可。濺鍍製程方面，則在300°C~500°C下進行均可。舉凡此等可輕易思及的變化，均應為本發明申請專利範圍所涵蓋。
1, 2:光電化學裝置
10:基板
12:第一氮化鈦層14, 14':第一氮摻雜二氧化鈦層
16:第二氮化鈦層18:第二氮摻雜二氧化鈦層
20:第三氮化鈦層22:第三氮摻雜二氧化鈦層
圖1為本發明第一較佳實施例之光電化學裝置之剖視圖；
圖2為本發明第二較佳實施例之光電化學裝置之剖視圖；
圖3為本發明第一、第二較佳實施例之光電化學裝置之光電流密度測試結果。
2:光電化學裝置
10:基板
12:第一氮化鈦層
14':第一氮摻雜二氧化鈦層
16:第二氮化鈦層
18:第二氮摻雜二氧化鈦層
20:第三氮化鈦層
22:第三氮摻雜二氧化鈦層
Claims (12)
- 一種光電化學裝置，包含有：一基板；一第一氮化鈦層，係覆蓋於該基板；以及一第一氮摻雜二氧化鈦層，係覆蓋於該第一氮化鈦層；以及一第二氮化鈦層，係覆蓋於該第一氮摻雜二氧化鈦層。
- 如請求項1所述之光電化學裝置，其中該第一氮摻雜二氧化鈦層為一均質層且其中的氮原子比例為2.8~4.2at%。
- 如請求項2所述之光電化學裝置，其中該第一氮摻雜二氧化鈦層中的氮原子比例為3.6~4.2at%。
- 如請求項1所述之光電化學裝置，其中該第一氮摻雜二氧化鈦層之光學能隙為2.8~3.0eV。
- 如請求項1所述之光電化學裝置，其中該第二氮化鈦層的厚度小於10nm。
- 如請求項1所述之光電化學裝置，更包含有一第二氮摻雜二氧化鈦層，係覆蓋於該第二氮化鈦層。
- 如請求項6所述之光電化學裝置，其中該第二氮摻雜二氧化鈦層為一均質層且其中的氮原子比例為2.8~4.2at%。
- 如請求項1至7中任一項所述之光電化學裝置，其中該第一氮化鈦層與該第一氮摻雜二氧化鈦層均係以濺鍍方式形成。
- 如請求項8所述之光電化學裝置，其中該第一氮化鈦層之濺鍍製程中，使用含鈦的靶材，在300℃~500℃下將空氣與氬氣通入真空腔中，且空氣/氬氣比例為0.08~0.2。
- 如請求項9所述之光電化學裝置，其中空氣/氬氣比例為0.1~0.15。
- 如請求項8所述之光電化學裝置，其中該第一氮摻雜二氧化鈦層之濺鍍製程中，使用含鈦的靶材，在300℃~500℃下將空氣與氬氣通入真空腔中，且空氣/氬氣比例為0.4~3.0。
- 如請求項11所述之光電化學裝置，其中空氣/氬氣比例為1.2~2.0。
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