博碩士論文 983206022 詳細資訊




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姓名 黃高御(Gao-yu Huang)  查詢紙本館藏   畢業系所 環境工程研究所
論文名稱 利用UV/VIS/NIR吸收光譜建立CIGS太陽能薄膜電池之硫化鎘薄膜製程即時自動監測控制系統之研究
(Using UV/VIS/NIR absorption spectra establish CdS thin film process real-time automatic monitoring and control system of CIGS thin-film solar cell)
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摘要(中) CIGS太陽能薄膜電池之光電轉換效率與其硫化鎘(CdS)薄膜之厚薄有關,其薄膜之生成會受到反應物濃度與反應溶液之溫度及pH值之影響,然而其製程為密閉空間無法即時量測製程中各反應物質濃度之變化,是故,本研究利用UV/VIS/NIR吸收光譜原理,透過每五分鐘且連續掃描三小時之光譜資訊,分析各物質之濃度。由於硫脲、氨水及醋酸鎘之吸收波峰彼此會互相重疊造成其波長吸光度之增加,無法直接利用各物質之吸光係數分析得知其濃度,因此,本研究利用規劃求解之方法,透過物質重疊波段之主吸收波長及其主吸收波長前、後三個波長與吸光度,建立規劃求解各物質濃度之推估模式,但在硫化鎘生成反應過程中,氨水因其易揮發之特性,其濃度之變化除了反應生成硫化鎘所消耗之外,也包括氨水揮發所造成,因此須將氨水揮發造成之影響去除,且硫化鎘生成會造成各物質吸收波長之吸光度增加,因此,須將硫化鎘納入規劃求解之變數。然而推估模式所推估之硫化鎘生成量與實際之硫化鎘總生成量雖仍有一定之誤差,但相對於實廠製程使用較巨量之溶液,其推估模式於實廠之應用仍有一定之可行性,於實廠製程中,可將吸附於燒杯杯壁上之硫化鎘量視為實廠製程中吸附於基板上之硫化鎘量,得知吸附於基板上之硫化鎘量,其基板大小又為已知之固定尺寸,即可以得知吸附於基板上之硫化鎘薄膜之厚度,以提高製程產品之良率與效益,而過濾所得之硫化鎘量即為實廠硫化鎘薄膜製程結束後反應槽中殘餘之硫化鎘量,得知其殘餘量之資訊即可判斷製程能否繼續或是藉由添加反應物至反應槽中使硫化鎘生成反應持續進行,以提高製程之使用效率,減少原物料之損耗。
摘要(英) Thickness of the cadmium sulfide (CdS) thin films is relation with the photoelectric conversion efficiency of CIGS thin-film solar cell. The reactant’s concentration, reaction solution’s temperature and the pH value is influence CdS thin films grown, resulting in process stability is not high and product yield is major changes. In this study, according to UV/VIS/NIR absorption spectra of theory , analyze the concentration of each substance use by every five minutes and three hours of continuous scanning spectral information, due to the absorption peak of thiourea , ammonia and cadmium acetate will overlap each other, resulting in the absorption will be increase in absorbance wavelength , concentration of various substances ,who can’t directly to analysis by the coefficient. Therefore, in this study to establish program solver concentration of each substance estimation model through the absorption wavelength, include to the main absorption wavelength, three wavelengths who is in front of the main absorption wavelength and three wavelengths who is after the main absorption wavelength at the substance overlapping bands by using program solver method. But in the process of CdS formation reaction , ammonia have the characteristics of volatile, in the course of the reaction, the concentration of ammonia is changes by the characteristics of volatile and the consumed of reaction, therefore, estimate the ammonia concentration by using program solver have to deducted consumption of volatilization, and cadmium sulfide generation will cause the absorption be increase in each material’s absorbance wavelength, therefore, bring in CdS to program solver variables. However, the total generate cadmium sulfide of the model’s estimation still have the error with the actual amount of cadmium sulfide, but compared to the real plant processes use to the massive of the solution, the estimation model use to the real plant certain feasibility, in the manufacturing process of the real plant, the cadmium sulfide who on the glass wall of the beaker is regard to the amount of cadmium sulfide as real process plant on a substrate, then the fixed board size that can be learned on the thickness of CdS films adsorbed on the substrate and improve efficiency of the process products. Filtering the resulting amount of cadmium sulfide is regard to residual amount after the end of the reaction, it can determine whether to continue the process or be added to the reaction so that the reactants CdS formation reaction continues to improve the efficiency of the use of process reduce the loss of raw materials.

關鍵字(中) ★ 硫脲
★ 氨水
★ 醋酸鎘
★ 硫化鎘
★ 吸收光譜
關鍵字(英) ★ thiourea
★ ammonia
★ cadmium acetate
★ CdS
★ absorption spectrum
論文目次 致謝 I
摘要 II
Abstract III
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 前言 1
1.1研究緣起 1
1.2研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 CIGS太陽能薄膜電池之沿革與發展 3
2.1.1 CIGS太陽能薄膜電池之沿革 3
2.1.2 CIGS太陽能薄膜電池之結構 6
2.1.3 CIGS太陽薄膜電池發電原理 9
2.2化學水浴沉積法(Chemical bath deposition,CBD) 10
2.2.1化學水浴沉積法之化學反應機制 11
2.2.2化學水浴沉積法使用之限制與缺點 13
2.3硫脲、氨水及醋酸鎘濃度與硫化鎘薄膜生成之關係 14
2.3.1硫脲濃度對硫化鎘薄膜之影響 14
2.3.2氨水濃度對硫化鎘薄膜之影響 15
2.3.3醋酸鎘濃度對硫化鎘薄膜之影響 15
2.4吸收光譜量測之原理與應用 16
2.4.1吸收光譜原理 16
2.4.2光譜分析定性與定量方法 18
2.4.3UV/VIS吸收光譜應用 19
2.5光譜分析方法 20
2.5.1多元線性回歸(Multiple Leaner Regression, MLR) 20
2.5.2主成分回歸(Principal Components Regression, PCR) 20
2.5.3偏最小二乘法(Partial Least Squares, PLS) 21
2.6線性規劃求解 22
2.6.1標準模式建立之步驟 22
2.6.2 線性規劃之解法 24
第三章 研究方法 27
3.1研究流程 27
3.2實廠硫化鎘薄膜製程機制之整理 29
3.3確認硫化鎘製程之化學反應式 31
3.4確認硫脲、氨水及醋酸鎘之吸光作用與機制 33
3.5確認硫脲、氨水及醋酸鎘之相互作用與影響 34
3.5.1探討硫化鎘生成之影響 37
3.5.2去除氨水揮發之影響 37
3.6 建立硫脲、氨水及醋酸鎘之光譜資訊與吸光係數 38
3.7建立硫脲、氨水及醋酸鎘濃度量測方法 39
3.7.1實驗流程與步驟 39
3.7.2規劃求解數學模式之建立 41
3.7.3利用規劃求解之方式推估各物質之濃度 46
3.8驗證硫脲、氨水及醋酸鎘濃度量測方法 47
第四章 結果與討論 49
4.1硫脲、氨水及醋酸鎘之相互作用與影響結果之探討 49
4.1.1硫脲與氨水之相互作用與影響結果之探討 49
4.1.2醋酸鎘與氨水之相互作用與影響結果之探討 50
4.1.3硫脲與醋酸鎘之相互作用與影響結果之探討 51
4.1.4硫脲、氨水及醋酸鎘混合後之相互作用與影響結果之探討 52
4.1.5氨水揮發影響結果之探討 53
4.1.6硫化鎘生成影響結果之探討 54
4.1.7小結 57
4.2建立硫脲、氨水及醋酸鎘之光譜資訊與吸光係數結果之探討 58
4.2.1硫脲之吸收光譜與其吸光係數 58
4.2.2氨水之吸收光譜與其吸光係數 59
4.2.3醋酸鎘之吸收光譜與其吸光係數 59
4.2.4小結 60
4.3建立硫脲、氨水及醋酸鎘濃度量測方法結果之探討 62
4.3.1利用規劃求解推估各物質濃度結果之探討 62
4.3.2驗證推估結果之探討 72
4.3.3 驗證杯壁吸附影響之推估結果之探討 74
4.3.4小結 75
第五章 結論與建議 77
5.1結論 77
5.2建議 78
參考文獻 79



表目錄
表4-1硫化鎘在各物質重疊波段之主吸收波長之吸光係數 63
表4-2利用規劃求解各物質初始濃度所需之資訊 65
表4-3規劃求解各物質初始濃度之推估模式 66
表4-4各組混合水樣各物質之初始濃度 66
表4-5各物質初始濃度推估之結果 67
表4-6推估濃度與實際濃度之誤差百分比 67
表4-7利用規劃求解各物質殘餘濃度所需之資訊 68
表4-8規劃求解各物質殘餘濃度之推估模式 69
表4-9各物質殘餘濃度推估之結果 69
表4-10各物質濃度之消耗量及其推估硫化鎘生成量之結果 70
表4-11去除氨水揮發影響後所推估硫化鎘生成量之結果 72
表4-12推估之硫化鎘生成量與實際生成量之誤差百分比 72
表4-13各物質濃度之消耗量及其推估硫化鎘生成量之結果 74
表4-14去除氨水揮發影響後所推估硫化鎘生成量之結果 74
表4-15推估值與實際值比較 75



圖目錄
圖2-1 In2Se3-Cu2Se擬二元相圖(JohnWiley,Sons,2003) 4
圖2-2 The unit cell of the chalcopyrite lattice structure(JohnWiley,Sons,2003) 4
圖2-3 CIS及CIGS 太陽能電池結構之演進(張仁銓,2012) 6
圖2-4三階段共蒸鍍法製備之Cu(In, Ga)Se2 (R.Noufi, A.M.Gabor, 1995) 6
圖2-5 CIGS太陽能薄膜電池結構圖(曾百亨,2009) 7
圖2-6氧原子衝擊CIGS吸收層(謝氏,2010) 9
圖2-7簡易p-n型太陽能電池發電原理示意圖(太陽能資訊網,2007) 10
圖2-8波動波長示意圖(Thomas at el. 2007) 16
圖2-9電磁輻射區域劃分圖(O.Thomas at el. 2007) 17
圖2-10電子躍遷圖(Thomas at el. 2007) 17
圖2-11吸收光譜定性分析圖(Thomas at el., 2007) 18
圖2-12 Beer Lambert’s定理示意圖 19
圖2-13 單形法幾何示意圖 25
圖3-1研究流程圖 28
圖3-2 化學水浴法生成硫化鎘薄膜之流程圖 30
圖3-3 硫化鎘薄膜生成之化學反應示意圖 31
圖3-4硫脲之吸收光譜圖 33
圖3-5氨水之吸收光譜圖 33
圖3-6醋酸鎘之吸收光譜圖 34
圖3-7硫脲、氨水及醋酸鎘彼此之吸收光譜影響範圍 35
圖3-8硫脲吸收波長之吸光度與硫化鎘生成反應時間之關係 35
圖3-9醋酸鎘吸收波長之吸光度與硫化鎘生成反應時間之關係 36
圖3-10氨水吸收波長之吸光度與硫化鎘生成反應時間之關係 36
圖4-1硫脲、氨水及其相互混合之吸收光譜圖 50
圖4-2醋酸鎘、氨水及其相互混合之吸收光譜圖(全波段) 51
圖4-3醋酸鎘、氨水及其相互混合之吸收光譜圖(紫外光波段) 51
圖4-4硫脲、醋酸鎘及其相互混合之吸收光譜圖 52
圖4-5硫脲、氨水及醋酸鎘與其相互混合之吸收光譜圖 53
圖4-6氨水濃度隨時間變化之吸收光譜圖 54
圖4-7硫脲、氨水及醋酸鎘與硫化鎘生成反應時間之光譜圖(1) 55
圖4-8硫脲、氨水及醋酸鎘與硫化鎘生成反應時間之光譜圖(2) 55
圖4-9硫脲、氨水及醋酸鎘與硫化鎘生成反應時間之光譜圖(3) 56
圖4-10硫化鎘生成反應3小時之吸收光譜圖 56
圖4-11不同稀釋倍數硫脲水樣之吸收光譜圖 58
圖4-12不同稀釋倍數氨水水樣之吸收光譜圖 59
圖4-13不同稀釋倍數醋酸鎘水樣之吸收光譜圖 60
圖4-14氨水之吸光度隨時間變化之光譜圖(1) 71
圖4-15氨水之吸光度隨時間變化之光譜圖(2) 71

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指導教授 廖述良(Shu-liang Liaw) 審核日期 2014-7-28
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