實驗室中文介紹
實驗室中文介紹
(Lab Introduction - Chinese Version)
(Lab Introduction - Chinese Version)
2022-03 實驗室介紹
2021年08月實驗室研究主題最新說明
2021年08月實驗室研究主題最新說明
歡迎來到光電元件物理與光譜學實驗室(ODSOS Lab)，本實驗室自2021年08月開始執行第二件三年期的科技部專題計畫，將投入研究心力於鈣鈦礦薄膜太陽能電池，除了提高太陽能電池的功率轉換效率之外，我們期望能夠透過實驗觀察，更了解鈣鈦礦薄膜太陽能電池高效率的原因，並專注在穩定及高效率鈣鈦礦薄膜太陽能電池之研究。
歡迎來到光電元件物理與光譜學實驗室(ODSOS Lab)，本實驗室自2021年08月開始執行第二件三年期的科技部專題計畫，將投入研究心力於鈣鈦礦薄膜太陽能電池，除了提高太陽能電池的功率轉換效率之外，我們期望能夠透過實驗觀察，更了解鈣鈦礦薄膜太陽能電池高效率的原因，並專注在穩定及高效率鈣鈦礦薄膜太陽能電池之研究。
另一方面，本實驗室亦透過電磁波數值模擬方法研究奈米、次微米及波導結構的近場及遠場的光學性質。透過觀察電磁波於材料中傳播的性質來設計功能性的奈米或次微米結構，用以控制電磁波的穿透、反射、散射及其極化特性。
另一方面，本實驗室亦透過電磁波數值模擬方法研究奈米、次微米及波導結構的近場及遠場的光學性質。透過觀察電磁波於材料中傳播的性質來設計功能性的奈米或次微米結構，用以控制電磁波的穿透、反射、散射及其極化特性。
將新增各項製程與量測分析設備及系統。新增的製程設備：電漿清洗機，將用於ITO/glass基板的表面改質。新增的分析及量測設備：670nm雷射、致冷式光譜量測儀(用於螢光光譜及拉曼光譜)、近紅外光光譜儀(950nm-1700nm)、自建穿透-反射光譜儀、自建液滴接觸影像量測系統。
將新增各項製程與量測分析設備及系統。新增的製程設備：電漿清洗機，將用於ITO/glass基板的表面改質。新增的分析及量測設備：670nm雷射、致冷式光譜量測儀(用於螢光光譜及拉曼光譜)、近紅外光光譜儀(950nm-1700nm)、自建穿透-反射光譜儀、自建液滴接觸影像量測系統。
2018年03月-2021年07月實驗室歷史
2018年03月-2021年07月實驗室歷史
歡迎來到光電元件物理與光譜學實驗室(ODSOS Lab)，本實驗室成立於2018年03月01日，實驗室位於中原大學科學館105室。在理學院、物理學系與科技部經費的補助下，已採購一套軟體(Rsoft FullWAVE)可模擬三維微米與奈米結構的近場光學性質，已在2018年11月完成製作鈣鈦礦薄膜光電元件的製程設備(蒸鍍機、低水氧手套箱、旋轉塗佈機、定溫加熱板)之建置，已在11月底完成元件特性分析設備的建構。因此實驗室將主要著重於兩個研究主題: 鈣鈦礦光電元件之元件物理、奈米電漿子結構之近場能量耦合的調控。
歡迎來到光電元件物理與光譜學實驗室(ODSOS Lab)，本實驗室成立於2018年03月01日，實驗室位於中原大學科學館105室。在理學院、物理學系與科技部經費的補助下，已採購一套軟體(Rsoft FullWAVE)可模擬三維微米與奈米結構的近場光學性質，已在2018年11月完成製作鈣鈦礦薄膜光電元件的製程設備(蒸鍍機、低水氧手套箱、旋轉塗佈機、定溫加熱板)之建置，已在11月底完成元件特性分析設備的建構。因此實驗室將主要著重於兩個研究主題: 鈣鈦礦光電元件之元件物理、奈米電漿子結構之近場能量耦合的調控。
鈣鈦礦薄膜光電元件的每一層薄膜的光電特性與膜層之間的接觸特性都是我們關心的議題，我們相信唯有理解元件的物理機制才有機會突破限制。奈米電漿子結構的近場能量耦合支配了奈米電漿子元件的奇異特性，電磁波數值模擬提供了一個觀察電磁波與材料在時域上交互作用過程的機會，透過觀察能加深對近場能量耦合的理解。
鈣鈦礦薄膜光電元件的每一層薄膜的光電特性與膜層之間的接觸特性都是我們關心的議題，我們相信唯有理解元件的物理機制才有機會突破限制。奈米電漿子結構的近場能量耦合支配了奈米電漿子元件的奇異特性，電磁波數值模擬提供了一個觀察電磁波與材料在時域上交互作用過程的機會，透過觀察能加深對近場能量耦合的理解。
最近，我們也開始研究太陽隔熱材料與太陽加熱材料的基礎性質，以期能更有效的運用太陽能源。另一方面，我們將基於過去執行國家太空中心計畫案的經驗，持續改善光纖光源的抗輻射效果；同時，這部分的研究也將朝向以光纖感測元件的開發: 微震動感測器與微區拉曼光纖感測器等元件。
最近，我們也開始研究太陽隔熱材料與太陽加熱材料的基礎性質，以期能更有效的運用太陽能源。另一方面，我們將基於過去執行國家太空中心計畫案的經驗，持續改善光纖光源的抗輻射效果；同時，這部分的研究也將朝向以光纖感測元件的開發: 微震動感測器與微區拉曼光纖感測器等元件。
下圖為最近五年的研究成果統計。實驗室一年平均發表4-5篇SCI論文，與其他研究團隊的合作每年大約產出4篇SCI論文。本人自2018年03月加入中原大學，共發表32篇SCI論文，其中22篇為通訊與投稿作者。
下圖為最近五年的研究成果統計。實驗室一年平均發表4-5篇SCI論文，與其他研究團隊的合作每年大約產出4篇SCI論文。本人自2018年03月加入中原大學，共發表32篇SCI論文，其中22篇為通訊與投稿作者。
在2020年，我們已經逐漸的提高鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率(power conversion efficiency, PCE)至20%以上，透過理解製作太陽能電池的每一個製作步驟及過程，進而將其PCE提升至世界等級。
2018之後的研究論文發表使用的學術資源來自於中原大學及科技部的計畫經費支持。
綠色：合作文章所發表的期刊。
黃色：通訊作者文章所發表的期刊。
白色：相關領域之期刊，尚未有文章發表於該期刊。
從期刊名稱得知，本實驗室相關的研究議題為：奈米、能源、化學分子、材料、表面科學、光學、物理、光子、太空科技、理論模擬、電漿子、光譜技術
圖(a)為MAI+PbI2溶於DMSO+GBL混合溶劑，利用旋轉塗布法於基板上，加熱100度C五分鐘的鈣鈦礦薄膜之SEM圖，呈現花狀結構。圖(b)為在旋轉塗布的最後2-3秒滴入甲苯作為反溶劑所產生的連續且緻密的鈣鈦礦薄膜之SEM圖。
圖(a)為MAI+PbI2溶於DMSO+GBL混合溶劑，利用旋轉塗布法於基板上，加熱100度C五分鐘的鈣鈦礦薄膜之SEM圖，呈現花狀結構。圖(b)為在旋轉塗布的最後2-3秒滴入甲苯作為反溶劑所產生的連續且緻密的鈣鈦礦薄膜之SEM圖。
鈣鈦礦薄膜發光二極體的元件特性及電激發的發光照片。使用ICBA:MC60奈米混合物做為電子傳遞層。
鈣鈦礦薄膜發光二極體的元件特性及電激發的發光照片。使用ICBA:MC60奈米混合物做為電子傳遞層。
鈣鈦礦光電元件物理
鈣鈦礦光電元件物理
鈣鈦礦晶體結構過去應用在高溫超導領域。大約2000年左右，有機無機鈣鈦礦材料(ABX3)的結構與光電特性開始被討論，鈣鈦礦材料最初應用在發光二極體，當時礙於無法有穩定的元件表現，而沒有受到學術界的重視。2006年，日本的研究學者Professor Miyasaka的研究團隊首次在國際會議中發表第一個鈣鈦礦太陽能電池的元件特性，隨後相關的研究發表在化學領域著名的期刊:JACS。
鈣鈦礦晶體結構過去應用在高溫超導領域。大約2000年左右，有機無機鈣鈦礦材料(ABX3)的結構與光電特性開始被討論，鈣鈦礦材料最初應用在發光二極體，當時礙於無法有穩定的元件表現，而沒有受到學術界的重視。2006年，日本的研究學者Professor Miyasaka的研究團隊首次在國際會議中發表第一個鈣鈦礦太陽能電池的元件特性，隨後相關的研究發表在化學領域著名的期刊:JACS。
本研究團隊則在2013年開始研究鈣鈦礦薄膜材料的光學特性，幾乎是全台首次發表鈣鈦礦薄膜材料光電特性於國際期刊。2021年發表在Solar Energy的研究成果正確的解釋溶液製程的BCP小分子在反式結構鈣鈦礦太陽能電池的角色及功能，搭配使用P3CT-Na電洞傳遞層來修飾ITO表面，進而提升PCE至20%以上；另外，本研究團隊亦利用各式光譜檢測技術探究溶液製程鈣鈦礦薄膜的缺陷特徵，透過添加小分子能夠填補鈣鈦礦薄膜內晶粒邊界的缺陷，進而提升鈣鈦礦太陽能電池的元件操作壽命，缺陷研究及缺陷填補研究分別發表在Solar Energy與Journal of Alloys and Compounds。
本研究團隊則在2013年開始研究鈣鈦礦薄膜材料的光學特性，幾乎是全台首次發表鈣鈦礦薄膜材料光電特性於國際期刊。2021年發表在Solar Energy的研究成果正確的解釋溶液製程的BCP小分子在反式結構鈣鈦礦太陽能電池的角色及功能，搭配使用P3CT-Na電洞傳遞層來修飾ITO表面，進而提升PCE至20%以上；另外，本研究團隊亦利用各式光譜檢測技術探究溶液製程鈣鈦礦薄膜的缺陷特徵，透過添加小分子能夠填補鈣鈦礦薄膜內晶粒邊界的缺陷，進而提升鈣鈦礦太陽能電池的元件操作壽命，缺陷研究及缺陷填補研究分別發表在Solar Energy與Journal of Alloys and Compounds。
2015-2021年期間，本研究團隊專注在高品質鈣鈦礦薄膜材料的製做及鈣鈦礦薄膜/電子(電洞)傳遞薄膜介面之間的接觸特性，研究成果發表在: Nanoscale (2019 IF: 6.895)、Solar Energy Materials & Solar Cells (2019 IF: 6.984)、Solar Energy (2019 IF: 4.608)、Applied Surface Science (2019 IF: 6.182)、Journal of Alloys and Compounds (2019 IF: 4.650)、Nanotechnology (2019 IF: 3.551)與Organic Electronics (2019 IF: 3.310)。
2015-2021年期間，本研究團隊專注在高品質鈣鈦礦薄膜材料的製做及鈣鈦礦薄膜/電子(電洞)傳遞薄膜介面之間的接觸特性，研究成果發表在: Nanoscale (2019 IF: 6.895)、Solar Energy Materials & Solar Cells (2019 IF: 6.984)、Solar Energy (2019 IF: 4.608)、Applied Surface Science (2019 IF: 6.182)、Journal of Alloys and Compounds (2019 IF: 4.650)、Nanotechnology (2019 IF: 3.551)與Organic Electronics (2019 IF: 3.310)。
另外，基於我們對於鈣鈦礦材料特性的理解，提出了如何突破S.-Q. limit (PCE < 33.7%)的方法，此綜觀性之評論發表在Nanomaterials：The Way to Pursue Truly High-Performance Perovskite Solar Cells 。
另外，基於我們對於鈣鈦礦材料特性的理解，提出了如何突破S.-Q. limit (PCE < 33.7%)的方法，此綜觀性之評論發表在Nanomaterials：The Way to Pursue Truly High-Performance Perovskite Solar Cells 。
本研究團隊持續研究高效率與高穩定性鈣鈦礦光電元件的元件物理機制。鈣鈦礦薄膜材料目前已被證實有潛力應用在太陽能電池、光偵測器、發光二極體、X光感測器等光電元件。我們最近在鈣鈦礦發光二極體的研究成果顯示電子傳遞層/鈣鈦礦薄膜介面的接觸特性及電子傳遞層的電子遷移率能影響元件的量子效率與操作頻率，元件的操作頻率可達14 MHz，發表了兩篇研究於Nanotechnology與Nanoscale。
本研究團隊持續研究高效率與高穩定性鈣鈦礦光電元件的元件物理機制。鈣鈦礦薄膜材料目前已被證實有潛力應用在太陽能電池、光偵測器、發光二極體、X光感測器等光電元件。我們最近在鈣鈦礦發光二極體的研究成果顯示電子傳遞層/鈣鈦礦薄膜介面的接觸特性及電子傳遞層的電子遷移率能影響元件的量子效率與操作頻率，元件的操作頻率可達14 MHz，發表了兩篇研究於Nanotechnology與Nanoscale。
奈米電漿子元件模擬
奈米電漿子元件模擬
表面電漿極化子(surface plasmon polariton, SPP)是一個存在介電質/金屬介面的一種光學模態。SPP的模場分布集中在介電質/金屬的介面，其電場與磁場分布以指數的形式向外衰減。SPP能應用在奈米光學元件，縮小光學元件的尺寸至100 nm的尺度，另外，場分布集中的特性能提升光子與材料的交互作用強度，例如表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering)。
表面電漿極化子(surface plasmon polariton, SPP)是一個存在介電質/金屬介面的一種光學模態。SPP的模場分布集中在介電質/金屬的介面，其電場與磁場分布以指數的形式向外衰減。SPP能應用在奈米光學元件，縮小光學元件的尺寸至100 nm的尺度，另外，場分布集中的特性能提升光子與材料的交互作用強度，例如表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering)。
奈米電漿子材料則是另一個重要的應用，將奈米金屬顆粒(sphere、rod、cube等結構)混合在介電質材料，調控金屬顆粒的材料特性、尺寸、形貌以及金屬結構之間的能量偶合強度，能夠創造出特定光學材料：filter、polarizer、optical cloak，此議題的延伸則是超常材料(metamaterials)。
奈米電漿子材料則是另一個重要的應用，將奈米金屬顆粒(sphere、rod、cube等結構)混合在介電質材料，調控金屬顆粒的材料特性、尺寸、形貌以及金屬結構之間的能量偶合強度，能夠創造出特定光學材料：filter、polarizer、optical cloak，此議題的延伸則是超常材料(metamaterials)。
本研究團隊過去曾提出:
本研究團隊過去曾提出:
左圖為二維六角週期結構之奈米銅橢球的電場(E)與磁場(H)的xy截面的空間分布，當週期越小時，奈米銅顆粒的間距(gap)越小，則對應越強場侷限效應。
左圖為二維六角週期結構之奈米銅橢球的電場(E)與磁場(H)的xy截面的空間分布，當週期越小時，奈米銅顆粒的間距(gap)越小，則對應越強場侷限效應。
本實驗室有一套Rsoft FullWAVE模擬軟體(32 GB記憶體)，能準確模擬三維的奈米金屬結構的近場光學性質，我們著重在奈米尺度的能量偶合之研究。研究的議題與太陽能電池、發光二極體、光觸媒(photocatalysis)、超常材料相關。
本實驗室有一套Rsoft FullWAVE模擬軟體(32 GB記憶體)，能準確模擬三維的奈米金屬結構的近場光學性質，我們著重在奈米尺度的能量偶合之研究。研究的議題與太陽能電池、發光二極體、光觸媒(photocatalysis)、超常材料相關。
導電高分子(PEDOT:PSS)
導電高分子(PEDOT:PSS)
PEDOT:PSS是一種常用的導電高分子材料，是非常成熟的材料，常見的有PEDOT:PSS(1:6 wt%，型號: AI4083)、PEDOT:PSS(1:2.5 wt%，型號:PH1000)。商用的PEDOT:PSS是懸浮分散在水溶液中，PSS是能溶於水中的高分子，PEDOT與PSS則以靜電引力互相吸引。PSS是絕緣材料，PEDOT則能被PSS摻雜為p-type的導電高分子，當PEDOT:PSS製做為薄膜時(小於100 nm)，會以PEDOT rich奈米顆粒與非晶相PSS混合形成緻密的薄膜，導致PEDOT:PSS薄膜在垂直方向上有良好的導電特性，水平於薄膜面方向上則因PEDOT rich顆粒的不連續而不具備高導電的特性。PEDOT:PSS薄膜已應用在太陽能電池、發光二極體、光偵測器等光電元件。(Link)
PEDOT:PSS是一種常用的導電高分子材料，是非常成熟的材料，常見的有PEDOT:PSS(1:6 wt%，型號: AI4083)、PEDOT:PSS(1:2.5 wt%，型號:PH1000)。商用的PEDOT:PSS是懸浮分散在水溶液中，PSS是能溶於水中的高分子，PEDOT與PSS則以靜電引力互相吸引。PSS是絕緣材料，PEDOT則能被PSS摻雜為p-type的導電高分子，當PEDOT:PSS製做為薄膜時(小於100 nm)，會以PEDOT rich奈米顆粒與非晶相PSS混合形成緻密的薄膜，導致PEDOT:PSS薄膜在垂直方向上有良好的導電特性，水平於薄膜面方向上則因PEDOT rich顆粒的不連續而不具備高導電的特性。PEDOT:PSS薄膜已應用在太陽能電池、發光二極體、光偵測器等光電元件。(Link)
本研究團隊在PEDOT:PSS薄膜的研究如下:
本研究團隊在PEDOT:PSS薄膜的研究如下:
PEDOT:PSS導電高分子薄膜也能用於透明隔熱的應用，如左圖所示，將PEDOT:PSS溶液塗料噴塗在玻璃基板上，能有效的阻隔戶外的太陽光照射產生的熱效應，溫度從39.3度C降至35.3度C。此研究成果已發表在Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science，我們也持續在透明隔熱薄膜的研究投入心力，最新的研究結果已經被Chinese Journal of Physics接受，題目為：Highly efficient solar-heat shield based on the bipolaron-assisted PEDOT:PSS thin film 。
PEDOT:PSS導電高分子薄膜也能用於透明隔熱的應用，如左圖所示，將PEDOT:PSS溶液塗料噴塗在玻璃基板上，能有效的阻隔戶外的太陽光照射產生的熱效應，溫度從39.3度C降至35.3度C。此研究成果已發表在Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science，我們也持續在透明隔熱薄膜的研究投入心力，最新的研究結果已經被Chinese Journal of Physics接受，題目為：Highly efficient solar-heat shield based on the bipolaron-assisted PEDOT:PSS thin film 。
抗高能輻射之光纖光源
抗高能輻射之光纖光源
摻鉺(Er)玻璃光纖已經被廣泛應用在長程通訊(long-haul communications)。摻鉺光纖可發出~1550 nm, ~1330 mn, ~1000 nm, ~820 nm, ~660 nm, ~540 nm波段的光波，由於載子在準穩態的生命週期大於10 ms，因此能產出高功率的螢光光源或雷射光源。
摻鉺(Er)玻璃光纖已經被廣泛應用在長程通訊(long-haul communications)。摻鉺光纖可發出~1550 nm, ~1330 mn, ~1000 nm, ~820 nm, ~660 nm, ~540 nm波段的光波，由於載子在準穩態的生命週期大於10 ms，因此能產出高功率的螢光光源或雷射光源。
摻鉺光纖光源亦應用在光纖陀螺儀，是陀螺儀工作時不可或缺的光源，然而在當陀螺儀被使用在人造衛星時，外太空的高能輻射(gamma ray)會損壞摻鉺光纖的發光效率。2011-2012年期間，本研究團隊與國家太空中心合作，開發出能完全修復被高能輻射照射損壞的摻鉺光纖光源之方法(如左圖所示)，此研究成果已經發表了兩篇科學論文，並在2015年09月申請美國的發明專利(Recovering a rare-earth-doped optical fiber under irradiation)，於2019年01月取得專利權。
摻鉺光纖光源亦應用在光纖陀螺儀，是陀螺儀工作時不可或缺的光源，然而在當陀螺儀被使用在人造衛星時，外太空的高能輻射(gamma ray)會損壞摻鉺光纖的發光效率。2011-2012年期間，本研究團隊與國家太空中心合作，開發出能完全修復被高能輻射照射損壞的摻鉺光纖光源之方法(如左圖所示)，此研究成果已經發表了兩篇科學論文，並在2015年09月申請美國的發明專利(Recovering a rare-earth-doped optical fiber under irradiation)，於2019年01月取得專利權。
進一步了解以上反轉(up-conversion)光致熱修復摻鉺光纖光源的機制，將是我們持續要進行的工作。
進一步了解以上反轉(up-conversion)光致熱修復摻鉺光纖光源的機制，將是我們持續要進行的工作。