第二章 結果與討論
2.5 元件表現及討論
本研究所合成出的共聚高分子 PCSTBT 及 PCSTDPP 系列共六個高分子，
其溶解度極佳，對於一般的有機溶劑(如氯苯、鄰二氯苯、四氫呋喃、甲苯等)皆 可溶，因此可進一步在元件效率的表現上做討論。而所使用之元件結構，由下到 上分別為玻璃(glass)做為基材，氧化銦錫(ITO)作為陽極，PEDOT/PSS 作為電洞 傳輸層，共聚高分子 PCSTBT 或 PCSTDPP 系列材料作為電子施體，PC61BM 作 為 電 子 受 體 ， 以 及 鈣 、 鋁 金 屬 作 為 陰 極 ， 簡 寫 為 Glass/ITO/PEDOT:PSS/Copolymer:PCBM/Ca/Al (如圖 2-33 所示)。最後，共聚高 分子 PCSTBT 及 PCSTDPP 系列個別的元件製作條件及結果數據如表 2-9 ~ 2-14 所示，其個別最佳條件的 I-V 曲線圖如圖 2-34 ~ 2-39 所示。共聚高分子 PCSTBT 及 PCSTDPP 系列最佳條件的綜合比較表為表 2-15 所示，其最佳條件的綜合 I-V 曲線圖如圖 2-40、2-41 所示。
圖 2-33. 有機太陽能電池之元件結構
58
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-9. 共聚高分子PCSTBT25的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTBT25:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
59
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-10. 共聚高分子PCSTBT50的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTBT50:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
60
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-11. 共聚高分子PCSTBT75的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTBT75:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
61
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-12. 共聚高分子PCSTDPP25的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTDPP25:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
62
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-13. 共聚高分子PCSTDPP50的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTDPP50:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
63
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
表2-14. 共聚物PCSTDPP75的元件製作條件及結果一覽表
Device number
PCSTDPP75:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
64
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-6 -4 -2 0 2
P2-1 P2-2 P2-3
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias Voltage (V)
-0.3 0.0 0.3 0.6 0.9
-3 -2 -1 0 1 2
P1-1 P1-2 P1-3
C u rr e n t d e n s it y ( m A c m
-2)
Bias voltage (V)
圖2-40. 共聚高分子PCSTBT系列之I-V曲線圖
圖2-41. 共聚高分子PCSTDPP系列之I-V曲線圖
65
表2-15. 共聚高分子PCSTBT及PCSTDPP系列最佳的元件製作條件及結果一覽 表
Copolymer Polymer:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
表2-16. 共聚高分子PCSTBT及PCSTDPP系列相同混摻條件及轉速的元件結果 一覽表
Copolymer Polymer:PC61BM
Spin coating rate (rpm)
66
由表2-15可知，共聚高分子與PCBM最佳的混摻比是1：2，當PCBM太多會 使相分離的情況更嚴重[85]，太少電子傳遞效率又會下降[42]。而旋轉塗佈的轉速 則偏向高轉速較佳，原因在於當低轉速時會使主動層太厚，電子與電洞很難從主 動層順利擴散(diffusion)出來，使光電流較小；而當高轉速使主動層變薄後，電 子與電洞則可有效的擴散，使光電流增強。
由表2-16可知，共聚高分子PCSTBT及PCSTDPP系列所偵測出來的Voc值都 遠比從能階計算上的值(施體的HOMO能階與受體的LUMO能階差)小很多，其可 能原因是高分子與電極的交接面上會有漏電流的現象[86]，此外，Voc值沒有規則 性存在，影響因素可能為所聚合的分子量大小以及型態(morphology)。而Isc值則 有 明 顯 的 趨 勢 在 (PCSTBT25 ＜ PCSTBT50 ＜ PCSTBT75 ； PCSTDPP25 ＜ PCSTDPP50＜PCSTDPP75)，可以看到隨者A1、A2比例的增加，其Isc值會變大，
原因在於吸光強度會隨者A1、A2比例的增加而變大，而吸收的光子數較大時，
I
sc值則較大。共聚高分子PCSTBT及PCSTDPP系列的光電轉換效率不佳的原因，一來在 於材料本身性質不夠好，PCSTBT及PCSTDPP系列的HOMO能階都高於-5.27
V，材料有受到氧化破壞的可能；二來在於元件製作上沒有達到最佳化，因此Isc
與FF值都表現不理想。不過從趨勢上來看，還是符合預計的結果，以PCSTBT 系列來說，能隙最小的PCSTBT75確實可吸收較多的光子數，是三者之中光電轉 換效率最高的；PCSTDPP系列的能隙因為都比PCSTBT系列來的低，吸收波長 都在近紅外光區，因此光電轉換效率皆大於PCSTBT系列，此外六個高分子中能 隙最低的PCSTDPP75確實也是六個共聚高分子中擁有最高的光電轉換效率者，
可達0.62 eV。
由於共聚高分子 PCSTBT 及 PCSTDPP 系列從吸收光譜及能階上來看都不 算太差，因此還是可以再進一步的優化使光電轉換效率提升。而可以進行的改善
67
方法有下列幾點：
(1) 量測載子遷移率(mobility)，了解是否是因遷移率太低導致電子電荷容易再結 合，而降低光電流，若是因遷移率太低，則須調整材料的化學結構。
(2) 藉由原子力顯微鏡(AFM)及掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察主動層的表面型態 (morphology)，再進一步去調整溶劑的選擇，提高材料混合後的相容性[22]。 (3) 可選用其他的電子受體(例如 C71PCBM)[87]。
(4) 可採用退火處理(thermal annealing)的方式，增加材料的結晶性，使電荷傳導 性提升，串連電阻降低[40]。
(5) 可在元件外層再加上一層抗反射的塗料，以減少太陽光在元件表面的反射，
或者在元件內部加上一層光學薄膜(optical layer，如TiO2)[10]，使得入射光的 強度在主動層達到最大量(如圖1-16所示)。
(6) 可在混摻時加入添加物(例如1,8-diiodooctane)，可改善表面型態[41]。 (7) 在元件上多加一層電子注入層(例如 TiO2)，可使電子傳遞效率提升[42]。