元件表現

首先我們選定了利用Multi-stacked結構的陰極結構^[32]，來備製我們的 透明電極。由文獻中可以得知，在上發光的有機發光二極體研究中，LiF/Al 此種的結構被拿來大量的應用，LiF只要與薄薄的Al結合，便可以形成一個 很強力鍵結的極化分子(dipole)，不僅具有很好的電子傳輸介質^{[32, 44]}，還 有降低功函數的功能^[45]，而且會因為LiF在PCBM和Al中間會形成一個保護 層，避免Al會和PCBM的氧化羧基產生反應，而影響到PCBM傳遞電子的 能力^[32]；同樣的也因為Al的厚度很薄，也具有很好的透光性。基於上述的 LiF 和 Al 的 優 缺 點 種 種 因 素 ， 此 次 我 們 實 驗 的 元 件 結 構 選 擇 為 Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al/Ag or Au，首先先比較其不 同厚度的陰極之穿透性，來驗證半透明陰極的結構是否擁有很好的光學穿 透 性 ， 我 們 利 用UV/Vis spectrometer來量測其陰極的穿透度，此時將 Glass/ITO/PEDOT:PSS/active layer當做 100 %穿透的基準，其中因為我們 選定了LiF(0.5 nm)/Al(1.5 nm)的結構來當做我們的電子傳遞層，藉由改 變最上層的金屬厚度來最佳化我們的元件，首先我們先使用Ag當作最上層 的金屬，經由圖4-1 可以觀察到，當上層金屬的Ag的厚度為 10 nm的時候，

陰極透光性幾乎可以達到 60 %的穿透度，而且我們可以發現當Ag的厚度 在15 nm的時候，在主動層P3HT:PCBM的吸收光譜範圍內的穿透性幾乎是 和Ag 10 nm的時候相當，而且也有約 50 %的穿透性。而當其Ag的厚度增 加為20 nm的時候，其穿透性便大幅的降低，只剩下 30 %的穿透性而已。

10 nm和 15 nm的時候具有良好

的穿透特性，因此我們試著將上層的電極換成Au再比較，發現雖然Au的穿 透性也可以達到約43 %左右，但是在P3HT:PCBM吸收光譜較大之波長 400 nm～550 nm的範圍內，其穿透性是比用Ag當最上層金屬的要來的差。而 當Ag的厚度增加到 100 nm的時候光幾乎是不透過的。

400 500 600 700 800

0 20nm(▲)、Au 15nm(▼)和 Ag 100nm(◆)及 P3HT:PCBM(★)的吸收光 譜圖 (semitransparent)結構的厚度是在LiF = 0.5 nm，Al = 1.5 nm，而Ag = 15 nm

時會有最好的元件效率，此時的電性參數分別如下，光照入陰極面：Voc =

Cu rrent den s ity [mA/cm

]

Bias [V]

圖4- 2 在 100mW/cm²的光強下，不同入射方向以及改變上層金屬厚度的 透明電極元件J-V圖。陰極結構為LiF：0.5 nm/Al：1.5 nm/Ag或Au，當光 從半透明陰極面入射：Ag 10 nm(□)、Ag 15 nm(○)、Ag 20 nm(△)和 Au 15 nm(▽)；當光從ITO玻璃面入射：Ag 10 nm(■)、Ag 15 nm(●)、

Ag 20 nm(▲)、Au 15 nm(▼)和Ag 100 nm(★)

圖4- 3 本實驗的透明元件圖

表格 1 不同陰極厚度之透明太陽能電池元件的表現 [其電性參數的單 位：Voc (V)、Jsc (mA/cm²)、FF而PCE (%)]

光入射進入 semitransparent 半透明陰極面 ITO 玻璃面

不同厚度 VOC JSC FF PCE VOC JSC FF PCE

Ag 10 nm 0.53 4.22 0.2 0.45 0.55 2.56 0.19 0.27

Ag 15 nm 0.55 3.56 0.6 1.17 0.59 6.97 0.59 2.44

Ag 20 nm 0.55 3.99 0.54 1.18 0.59 6.77 0.55 2.21

Au 15 nm 0.55 3.41 0.51 0.97 0.59 6.67 0.49 1.19

Ag 100 nm 0.54 9.67 0.51 2.63

經由圖 4-2 我們可以觀察到當Ag的厚度是在 10 nm時的效率相當的 差，比起Ag在 15 nm、20 nm或是Au為 15 nm都差距非常大，此時我們可 以經由不照光量測的暗電流-電壓(Dark current-Voltage)曲線圖來分析為 什麼會有這樣的差距。根據圖4-4 暗電流曲線圖，我們可以看到當Ag的厚 度是在10 nm的時候，因為其Ag的厚度是較薄的，其導電性也相對的來說 較差，Rs值偏高(見下面表格 2)，導致FF變相當差，而Jsc也很低，而導致 用Ag = 10 nm的元件其電性表現都不好，而當增加Ag的厚度到 15 nm或是

20 nm時，使得整體元件的導電性不僅變好，Rs大幅降低，而且元件的FF 也提高，Jsc也增加許多，雖然增加了Ag的厚度而增加導電性，而也因為導 電性增加導致Rp降低，進而影響整體的漏電性稍微增加，但是其暗電流曲 線圖的整流比也相對的比起來要提高些，所以不至於影響到整體元件的效 率。然而仔細比較發現雖然在暗電流曲線上Ag 15 nm還有 Ag 20 nm的曲 線是差不多的，但是其電性比較上仍然有一些差距，經由我們仔細觀察發 現，其暗電流在負電壓的時候，Ag 20 nm的漏電性是比起Ag 15 nm的要稍 微高一點，所以有可能導致FF稍微下降，而造成電性比起Ag 15 nm的稍微 差一點。而其上層金屬換成Au的時候，雖然其Jsc比較起來和Ag的差不多，

但 是 由 於Au本身的導電性比起Ag要低些(經由我們四電探針量測其 Resistivity：Ag = 7.6 Ω-cm、Au = 36.6 Ω-cm)，不僅其Rs增加許多，而且暗 電流整流比也降低許多，再加上蒸鍍Au的過程中，其所需要電流以及腔體 溫度，都比起蒸鍍Ag的時候要來得高的許多，LiF和Al的厚度是屬於較薄 的薄膜，有可能過高的高溫，導致蒸鍍時的Au的粒子會因此而擴散進去，

進而破壞到裡面的有機主動層，使得整體的元件效率沒有像使用Ag的這麼 好。然而再比較Ag的厚度增加到 100 nm的元件，我們可以發現雖然Ag的 厚度增加的確有讓整體的導電性Rs降低，Jsc也提高了許多，但是也由於Ag 的高導電性，導致整體元件的Rp也相對的降低，進而影響到整體漏電性的 提高，FF下降，以致於元件的效率表現其實只比起使用Ag 15 nm的元件高 些許。因此我們可以證明，我們使用的多層結構的半透明陰極厚度在LiF = 0.5 nm、Al = 1.5 nm和Ag = 15 nm的時候有最佳的效果。由文獻我們可以得 知，其Ag的集膚深度(skin depth)約為 15 nm^[46]，所以半透明陰極的這個厚 度不僅穿透度有相當於50 %的高穿透率表現，而在元件效率上也跟使用一 般厚度的陰極元件差不多。

表格 2 不同厚度的陰極之Rs和Rp整理表格

Current density [mA/cm2 ]

Bias [V]

Ag 10nm Ag 15nm Ag 20nm Au 15nm

Current density [mA/cm

]

Bias [V]

Ag 10nm Ag 15nm Ag 20nm Au 15nm

Standard Ag100nm

圖 4- 4 不同陰極厚度暗電流-電壓曲線圖。當上層不同金屬厚度為：Ag 10 nm(■)、Ag 15 nm(●)、Ag 20 nm(▲)、Au 15 nm(▼)和 Ag 100 nm(◆)