Enhanced optical absorption of dye-sensitized solar cells
with microcavity-embedded TiO₂ photoanodes

Professor I-Chun Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 陳奕君教授

We report the enhanced performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs) with microcavity-embedded nanoporous TiO₂ photoanodes. For DSSCs with photoanodes composed of a stack TiO₂ sublayers with microcavity concentrations arranged from low to high on the light illumination path, the short-circuit current density and the conversion efficiency were improved. A pronounced increase in optical absorption and incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency in the long-wavelength region indicated that the enhancement of cell performance was due to the multiple scattering of light by the microcavities and the light confinement by the stack of TiO₂ sublayers with a high-to-low effective index of refraction. The internal resistances and the electron transport kinetics in the TiO₂ were studied by electrochemical impedance spectroscopy. The Nyquist plots of the electrochemical impedance spectra of the DSSCs (Figure 1) indicate that the presence of microcavities does not influence the electron lifetime in the TiO₂ film but does affect the charge transport resistances at the TiO₂/dye/electrolyte. The short-circuit current density and conversion efficiency (Figure 2) were improved by 26% and 20% for the DSSC with photoanode in a trilayer structure made using TiO₂ paste mixed with 2 wt.%, 5 wt.% and 10 wt.% PS microspheres diluted in DI water for the first, second and third sublayers, respectively.

Figure 1

Figure 2

©2012 Optical Society of America
D.-W. Liu, I-C. Cheng, J. Z. Chen, H.-W. Chen, K.-C. Ho, and C.-C. Chiang, “Enhanced optical absorption of dye-sensitized solar cells with microcavity-embedded TiO₂ photoanodes,” Optics Express, vol. 20, No. S2, pp. A168-A176, Mar. 2012

 

Direct Side Pumping of Double-Clad Fiber Laser by Laser Diode Array Through the Use of Sub-wavelength Grating Coupler

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃鼎偉教授

An electron-beam fabricated sub-wavelength grating coupler for direct side coupling of light emission from a high-power laser diode array was studied theoretically and implemented experimentally. A gold-embedded silica-based design for grating coupler was employed to minimize the thermal expansion due to the accumulated heat from light absorption by metal part of the grating coupler. In addition, with the consideration of the backward diffraction loss and the groove wall non-verticality due to fabrication distortion, the grating pitch and groove width were optimized for the highest coupling efficiency. According to the experimental results, the grating coupler is capable of coupling light power up to 21 W from a 976-nm continuous-wave operated laser diode array into the inner clad of a 400-μm-diameter double-clad fiber with an overall coupling efficiency of 50%. Furthermore, a laser diode array side-pumped Ytterbium-doped double-clad fiber laser by using the grating coupler was demonstrated. By fine tuning the slow-axis collimation lens array, the laser pumping scheme can easily be switched between bi-directional pumping and uni-directional pumping. Compared with the uni-directionally pumped fiber laser of the same gain fiber length, the laser slope efficiency of the bi-directionally pumped fiber laser was increased by 18% due to a better gain distribution over the fiber length. Finally, the signal output power of 10 W with a slope efficiency of 61% was achieved for the bi-directional side-pumped fiber laser.

Fig. 1. Schematic diagram of side-pumped Yb-doped fiber laser (a) Bi-directionally pumped Yb-doped fiber and (b) Uni-directionally pumped Yb-doped fiber. FAC represents the fast-axis collimation lens, and SAC represents the slow-axis collimation lens.     Fig. 2. Schematic diagrams of the gold-embedded silica grating coupler with (a) normal incident pump light, and (b) an angle of incident pump light.

Fig. 3 (a) The measured laser signal output power against coupled pump power of bi-directional pumping (square points) and uni-directional pumping (triangular points) schemes, respectively. (b) Laser output spectrum for bi-directional pumping at 1 W (black curve) and 10 W (red curve) output power, respectively.

姓名：馬躍峰   指導教授：黃鼎偉教授

摘要

在本論文中，一種狹縫波導結構已被成功運用來解決設計絕緣上矽的波導原件中極化相依性的問題。藉由精確控制狹縫波導的極化相依性，設計出一個由狹縫波導構成，極化不相依的雙通道定向耦合器。在垂直/水平狹縫的結構下，原件耦合區域長度可小至23.13 μm / 27.33 μm 並同時達到消光比大於22 dB / 27 dB以及1-dB頻寬大於100 nm / 200 nm的絕佳效能。 更進一步的，此極化不相依耦合器，已被應用於實現一個由絕緣上矽狹縫波導所構成、極化不相依的跑道型微環狀共振器；並可藉由狹縫波導幾何結構的最佳化過程，以於寬頻寬範圍內維持無極化模態色散的運作。TE與TM二極化模態其頻譜響應不僅在操作波長相同，並且於C-band及L-band範圍內的共振波長差，在以垂直/水平狹縫結構下可小於0.1 nm / 0.25 nm。此元件的自由頻譜範圍可以達到大於10 nm，同時元件尺寸可維持小於 30 μm。就目前所知，這是第一個以垂直/水平狹縫波導結構設計的微環狀共振器，可以達到如此無極化模態色散的絕佳效能。   圖一、由垂直狹縫波導構成之跑道型微環狀共振器及其耦合區域截面   圖二、由水平狹縫波導構成之跑道型微環狀共振器及其耦合區域截面

論文題目：使用奈米結構提升發光二極體之性能

姓名：鄭允瑋   指導教授：黃建璋教授

摘要

本論文中，我們使用電流導向結構、側壁奈米柱反射器、以及光子晶體等奈米結構來改善發光二極體之特性。 光子晶體是週期性排列的圖樣，我們將其應用在元件表面及周圍，以提升高階及低階模態的萃取效率。圖一是包含表面粗化以及周圍奈米洞光子晶體的元件新穎結構以及光子晶體的SEM圖。 圖二為各元件的發光場型圖，可以看出側壁奈米洞結構元件有最佳指向性。因其類似光柵的結構，可以將光衍射或導向至垂直元件表面的方向而被收集。 圖一 圖二

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、陳聖灝 —

電漿：損耗與增益

對於一個小型電漿光放大器而言，要提供足夠的增益(gain)，克服損耗(loss)仍是根本的挑戰。而近期的研究成果帶來了謹慎但樂觀的前景。

金屬的光學特性在過去十年間已被大量地研究，儘管成功地在研究中以表面電漿波達到極高的光侷限性，克服存在於金屬之損耗依舊是一根本之挑戰，這不但增強了研究人員的決心並引領了相關領域之突破，例如：表面電漿放大器的研究[1, 2]。2012年Jacob Khurgin和Greg Sun兩人在Applied Physics Letters發表了一篇對表面電漿放大器(surface plasmon amplifiers)實用性之論文[3]，文中指出，在大部分的系統中(通常具有極強的侷限性以及相當高的損耗)只能在極短的光脈衝激發下才有放大的效果；用直觀的方式計算在III–V族半導體中的載子濃度(carrier populations)以及金屬損耗，推論在此類強侷限性之表面電漿放大器使用電注入方式可能並不可行。雖然種種跡象顯示克服金屬損耗為一重大挑戰，然關於金屬系統中的增益現象之研究不斷地增加，且此領域逐漸嶄露頭角，顯示出研究人員對此仍深具信心。

由於具有高吸收之特性，在光學元件的設計上金屬是通常不被列入選擇的項目，然而此類自然損耗卻是金屬最特別的性質，並沒有其它材料可以像金屬能使得光和電子之間擁有如此好的耦合(couple)特性，事實上對於光波在透明物質(非金屬材料)中的行為我們僅能作有限度操控，以致於繞射極限被認為與波長有關，而無法改變其限制。藉由在光學元件中加入金屬結構，我們可使用精準的現代製程技術來研究真正影響繞射的因素。早期在電漿領域大多數之研究幾乎完全省略了這些損耗，導致對大部分可行的構想都望之卻步；如今，研究人員已能普遍接受損耗作為達到某些特殊目的代價，例如超高解析度成像、奈米尺度聚焦以及幾乎毫無自由度限制地對材料設計所需之電磁響應。

在了解Khurgin和Sun提出的問題前，必須先考慮在金屬奈米結構中產生光的兩個機制：首先是藉由在靠近金屬表面的準自由電子的協同振盪儲存部分光能。對於表面波而言，和此類電子耦合可以增加光子的動量(減少等效波長)，因此可使其場侷域現象更為顯著，在表面電漿頻率操作下，此現象可達到最強之效果，此時光能平均的分布在金屬與介電材料上[4]，對於損耗在所有金屬中被視為最低的貴金屬，其電漿頻率(藍~紫外光)完全根據金屬以及周圍介電材料之介電係數(permittivities)決定。而第二個機制則是利用在金屬與介電材料之界面上，介電材料的電荷對可自由地和鄰近之金屬表面上的電荷產生交互作用，在具有較小曲率半徑或是相鄰距離較小之金屬奈米結構上被發現：在長波長操作下可更顯著地產生較強的場侷限性，其損耗被認為小於在電漿頻率下之操作。上述的兩種機制在相互作用下會使得電漿頻率產生大幅紅移現象，例如：半徑約為10 nm之奈米銀小球可在綠光下產生共振現象。

Khurgin和Sun強調金屬損耗的大小是目前對於研究電漿放大器所面臨之最大挑戰，特別是在於光波頻率下損耗以及侷限性都相當地強，注意到表面電漿的生命週期(life time)大概約為電子的碰撞週期(collision time~10^-14 sec [5])。雖然此類激發週期非常地短，Ma等人發表了室溫下操作於此範圍內之表面電漿半導體雷射[6]，他們利用短的光波脈衝激發此元件；但若使用電激發(electrical pumping)之方式可能需要10⁶A cm^-2的閥值電流密度(threshold current density)才有辦法達成需求。第一個在室溫操作的同質介面二極體雷射因為較差的載子侷限性約需大於10⁵ A cm^-2的閥值電流密度，且為了避免損壞而選用了脈衝式注入之方式操作；而目前的雙異質介面二極體雷射則約需10³ A cm^-2的閥值電流密度。上述例子說明了Khurgin和Sun所提出的觀點：由於高注入電流密度所造成之損害將會對表面電漿放大器產生極嚴重的限制條件，同時也指出如此一來便限制了電注入式的表面電漿放大器在三個維度達到奈米等級的光侷限性(也就是操作在電漿頻率下)之可能性。現有的應用實例為使用染料分子作為增益材料的金奈米顆粒雷射元件[7]，其閥值電流密度(調整至前述所需之閥值電流密度)接近10⁷ A cm^-2。

操作在非電漿頻率之範圍下，依舊可藉由表面電荷在金屬奈米結構上的行為，在兩個維度上控制其損耗而達成較佳之光侷限性。Hill和其工作團隊即成功展示了可以電注入方式操作並於通訊波段範圍(波長約1550 nm)下使用的表面電漿雷射[8] (如圖一)。研究中Hill等人使用金屬平板夾住90 nm寬的半導體材料形成一個三明治結構以提供較強的場侷限性，但不幸地，此元件無法操作在室溫下，且在10 K的低溫操作下閥值電流密度仍需2×10⁴ A cm⁻²(前文中提到Ma等人的研究在室溫下操作期閥值電流密度約在10³-10⁷ A cm⁻²)，雖然和Khurgin和Sun得出的結果一致，但仍無法明確解釋為何金屬損耗在此波長操作下應比在可見光操作下較低，然而閥值電流依舊居高不下之原因。Khurgin和Sun將其中之差異歸因於光的侷限現象加速了在半導體內自發性載子複合(spontaneous carrier recombination)行為。

現今自發性放射與光子能態的關係被認為與電子能態相同，Purcell首先提出可藉由利用腔體作侷限或回授(feedback)以調整光子能態[9]。例如前文提到的Ma等人便可達到18倍的Purcell增強係數(Purcell enhancement factor) [6]，Khurgin和Sun計算在侷限下的表面電漿可達到100倍的Purcell增強係數，其結果與實驗一致[10]。儘管在放大器中會提高為了提供足夠的增益以及維持居量反轉(population inversion)所需的電流密度，但因為可使得某些自發過程產生的發光亮度提升，像是螢光或拉曼散射，故Purcell效應帶來的增強往往有著高度的需求。一般而論，Purcell效應所產生的損耗並不對雷射造成問題，往往雷射必須當閥值激發超過損耗時才會產生(而其速率大約是自發性複合的10的次方倍)，同時Purcell效應也帶來了許多益處，例如可將自發性放射引入所需的雷射模態並可降低閥值條件，這也是為何電漿雷射可以成功被使用的原因[11]。

綜觀上面所提及的論點，有哪部份是我們可以抱持著信心的呢？在發展微型化雷射的過程中很容易忽略掉某些重要的優勢，從電漿雷射的研究中我們可以得到一些新的點子來解決過去存在的問題。舉例而言，波長尺度的雷射在室溫環境下進行連續電子注入下變得可行，即便這些元件並不完全比繞射極限小[12]，但金屬在此條件下扮演了三個重要角色：作為電極、散熱器以及共振器。當臨界電流密度接近10⁵ A cm⁻²時，仍有許多事情有待克服，但通往微型化的路已被開啟。我們也必須注意到電漿放大器如今可允許光在奈米尺度下被產生且被維持住，這就是當初發展電漿(plasmonics)相關研究最原始的動機，也就是光在電漿放大器中所具有的獨有特性是我們想要去尋求作為利用的[1]—而這部分的疑問至今尚未被廣泛地研究。

金屬損耗的大小以及Purcell效應的作用在電漿放大器以及電漿雷射這兩個逐漸嶄露的研究領域為主要的探討重點，儘管如此，或許當我們能夠回答「到底電漿放大器對什麼是有用的？」的時候，我們便可以找到解決方式解決Khurgin和Sun所提出的問題，而這依舊尚待解決。考慮以微型化雷射作為積體光路元件，直接以電子注入是最為重要的，且前文中提的難處依舊限制著我們突破繞射的障礙。然而當我們尋求如何利用光在奈米結構中的獨有性質時，對於多數的應用而言，光激發可能是一個可行的方式，在此同時，不論是否是在通訊光電路中可以得到更緊密的光源排列(藉由微型化的雷射光源)，或開闢了全新通往奈米感測研究的途徑，亦或是給了我們更進一步地瞭解光和物質的交互作用，這些新展露且振奮人心的領域可望為量子電學與光子學帶來新的可行性與新的知識。

參考文章：
[1] Oulton, R. F. Mater. Today 15, 592–600 (January/February 2012).
[2] Berini, P. & De Leon, I. Nature Photon. 6, 16–24 (2012).
[3] Khurgin, J. B. & Sun, G. Appl. Phys. Lett. 100, 011105 (2012).
[4] Wang, F. & Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 97, 206806 (2006).
[5] Johnson, P. B. & Christy, R. Phys. Rev. B 6, 4370–4379 (1972).
[6] Ma, R.-M. et al. Nature Mater. 10, 110–113 (2010).
[7] Noginov, M. A. et al. Nature 460, 1110–1112 (2009).
[8] Hill, M. T. et al. Opt. Express 17, 11107–11112 (2009).
[9] Genov, D. A. et al. Phys. Rev. B 83, 245312 (2011).
[10] Gontijo, I. et al. Phys. Rev. B 60, 11564–11567 (1999).
[11] Ma, R.-M. et al. Laser Photon. Rev. http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201100040 (2012).
[12] Ding, K. et al. Phys. Rev. B 85, 041301 (2012)