第一章 諸論
2. 多結晶矽太陽能電池
多晶矽太陽能電池，因為材料本身的多晶特性，故在切割和再加 工特性上遠比單晶和非晶矽更困難，效率方面也比單晶矽太陽能電池 的低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色，且較單晶 矽電池便宜20%，所以在部分低功率的電力應用系統上，便採用這類 型的太陽能電池。
3.非結晶矽太陽能電池(6)
非晶矽電池的發展始於 1975 年，當時電池為 1 µm 厚度的矽
度僅5~50 毫米，可以次級矽材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材，除矽 材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由於電子與電洞傳導距離 短，因此矽材料的純度要求較低，材料成本可大幅降低。且由於矽材 料不如其他發展中光電池半導體材料，具有高的吸光效率，且此型光 電池矽層膜，不如矽晶圓型太陽能電池矽層厚度約達 300 微米，因 此為提高光吸收率，設計上需導入光線流滯的概念，此點是與其他薄 膜型光電池不同之處。
(2)碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池(7)
此類材料最早出現是在 1982 年時由 Kodak 公司所做出之轉換 效率 10%的太陽能電池，目前以各研究實驗室最高的效率是 17%，
由美國國家再生能源實驗室實驗室所創立，而大面積之模組目前最高 約 11%，其關鍵點在吸收層主要是由 P 型 CdTe 與 N 型 CdS 形 成且為直接能隙之材料，因此僅需數個微米之厚度，即可將太陽光完 全吸收。
1.3.3 有機太陽能電池
有機太陽能電池因其具有成本低廉、製成簡易、易於大面積化及具
有可繞曲性，因此吸引許多研究員投入，尤其具有可繞曲性的特點，
在未來可將此有機太陽能電池材料以直接塗抹的方式，塗佈於可繞式
基板表面，因此大大減低其成本及製程，然而有機太陽能電池至今尚 未取代一般半導體材料的太陽能電池，主要因為其轉換效率太低及熱 穩定性的問題仍需克服。因此提高轉換效率及熱穩定性，並開發新型 的太陽能電池，能是目前研究的目標。
有機太陽能電池大致上可分為三大類:
(1)有機高分子太陽能電池、(2)染料敏化型太陽能電池、(3)有機/無機
奈米複合材料。
(1)有機高分子太陽能電池(5)
University of California, Santa Barbara Alan Heeger 研究團隊所發 表 第 一 個 具 備 較 高 效 率 的 高 分 子 有 機 太 陽 能 電 池 ， 其 使 用 MEHPPV/C60 Bilayer Hetrojucton 的概念，所製作出第一個高分子碳 材 太 陽 能 電 池 ， 於 1995 年 在 Science 期 刊 發 表 並 以 其 Bulk Hetero-junction (BHJ)概念為主要製程的 MEH-PPV/C60 太陽能電池 後，此類型的太陽能電池才真正受到重視並發展
高分子/ 碳材太陽能電池原型(Prototype)，迄今高分子有機太陽能電 池仍沿襲著此 BHJ 觀念，搭配導電高分子/碳材上的變化來提昇效 率。
高分子太陽能電池發電原理為：光主要由Donor 材料（共軛高分子；
Conjugated Polymer）吸收，由於共軛高分子材料具高的吸收係數，
因此其元件的厚度為 100 nm (Polycrystalline CuInSe，CdTe: 1µm、
Crystalline Silcon:100 µm），為最輕薄的太陽能電池，光電轉換詳細作 用機制已經在1.2 敘述，利用 Donor-type 材料與 Acceptor-type 材料 進行混摻，藉由太陽光的照射，以產生電子與電洞對(Electron/Hole Pair)，最後電子與電洞分離，並分別經由電子與電洞傳導材料，傳輸 至 陰 陽 電 極 而 形 成 電 壓 降 產 生 電 能 ， 由 於 有 機 半 導 體 材 料 激 態 (Exciton)下，有較高的束縛能（Binding Energy：約在 0.2~1.0 eV）與 無機材料（矽的Binding Energy；約 0.015 eV）相比，其束縛能約大 上一兩個等級，故室溫條件下，有機材料無法形成自由的電子或電洞 (Free Carriers)，必須藉由 N 型與 P 型材料界面的勢能差，才能達到 電子與電洞分離的效果，目前最常見之有機混成太陽光電系統，主要 採Heeger A. J. 與 Wudl F.所設計的 BHJ 結構，其元件結構如圖 1-2 有機高分子光電轉換以及元件結構所示。
圖1-4 有機高分子光電轉換以及元件結構(8)
以高分子/碳材混摻系統(Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)為 N-type 而[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)為 P-type 材料）所 組成的主動層材料，配合ITO 基材與 Poly(3,4-ethylenedioxythiophe ne):
poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)組成的陽極及以陰極鋁(Al 所構 成。
(2) 染料敏化型太陽能電池(9)
染料敏化太陽能電池具有低材料成本、製程容易及製程設備簡單
的特色，整體的成本約為傳統矽基太陽能電池的1/5~1/10，因而引起 能源界積極地投入這方面的技術研究開發。電池結構如圖1-5
1991 年以瑞士洛桑聯邦理工學院 Grätzel 教授為首的研究小 組，以奈米多孔TiO2 膜為半導體電極，以過渡金屬Ru 及 Os 等有機 化合物作敏化劑，並選用適當的氧化−還原電位，發展出一種新型的 太陽能電池，稱之染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells;
DSSC)，其在 AM1.5 的模擬日光照射下轉化率可達 7.1%。
1993 年 Grätzel 等再次報導了光電能量轉換率達 10%的 DSSC 電池。
1997 年其轉換效率達到 10~11%。
1998 年他們又研製出全固態 DSSC 電池，更進一步朝實用 化邁進。
圖1-5 染料敏化型太陽能電池結構(10)
(3) 有機/無機奈米複合材料太陽能電池
目前有機/無機奈米複合材料太陽能電池的研究，幾乎都是合成 有機高分子，如P3HT、MEH-PPV 、MDMO-PPV…等，並將有機高 分子充當 Donor 混合金屬奈米粒子，或是塗抹、填充於金屬奈米棒 上，其選擇的金屬如ZnO(11)、CdSe(12)、PbS(13)、PbSe(14)、TiO2(15)…等 金屬則作為 Acceptor，且探討其物理性質、電化學性質及元件性質。
其有機/無機奈米複合材料太陽能電池結構(如圖 1-6)。
圖 1-6 有機/無機奈米複合材料太陽能電池結構(16)
然而有機混和奈米金屬的複合材料，其表面相分離(phase separation)
及 型 態(morphology) 的 程 度 並 不 佳 ， 易 造 成 電 子 及 電 洞 再 結 合 (recombination)。因此，有機/無機奈米複合材料太陽能電池，其轉換 效率僅有大約2%。有鑑於有機/無機奈米複合材料太陽能電池的效率 或許仍然有發展的空間，因此如何提高有機/無機奈米複合材料太陽 能電池的轉換效率及開發新型的太陽能電池已成一個課題。
圖1-7 太陽能電池之種類分類及效率(17)
1.4 太陽光譜介紹
太陽光譜能讓我們了解如何有效的捕捉到光子，並且對太陽能電 池的效率有相當大的影響。太陽表面溫度接近6000 K，因此其放射光
譜幾乎等同於該溫度下的黑體輻射，並且光譜照射並無方向性，地球 與太陽相距約1億5千萬公里遠，能到達地球表面的光子，幾乎只有正
向入射至地球表面的光譜所貢獻，到達地球大氣圈表面的光譜輻射能 量定義為太陽常數(solar constant)，其數值大約1.353 kW/m2，因此大 氣圈外的太陽光譜定義為AM 0，其中大氣質量(air mass, AM)用來估
量因為大氣層吸收後，所導致影響太陽光譜表現與總體能量值，而這 量有AM 1.5G (Global)與AM 1.5D (Direct)之分，其中AM 1.5G 即是有 包含擴散部分的太陽光能量，而AM 1.5D則沒有。圖1-7表示的即是 大氣圈外(AM 0)與地表上(AM 1.5)太陽光能量光譜。太空用的太陽電 池元件電性量測所使用的標準光譜是採AM 0，而地面上應用的太陽
電池元件電性量測所使用的標準光譜，依其應用性之不同，可採用
AM 1.5G 或是AM 1.5D，其中AM 1.5G光譜的總照度為963.75W/m2， 而AM 1.5D光譜的總照度為768.31W/m2，在量測計算應用上方便，常 會將此二值做normalize至1000 W/m2(18)。
太陽輻射的光譜主要是以可見光為中心，波長從 0.3 μm 的紫外 光到數微米的紅外光是主要的分布範圍。對於太陽光的模擬，本研究 採用汞燈（Hg lamp）做為光源作為模擬太陽光之光源。
圖1-8 太陽光能量光譜圖
1.5 參數說明
藉由可調變電源負載提供，來量測元件在照光清況下的電流值與 電壓值，圖 1-9 所示則為常見的太陽能電池元件的電性量測結果。從
所測得I-V 曲線圖裡，可分別萃取出元件的開路電壓、短路電流、填 充因子、轉換效率等物理參數。其個別定義如下所述(19)：
1.開路電壓(Voc)：當太陽能電池元件電流等於零時，所得之電壓值。
2.短路電流(Jsc)：當太陽能電池元件電壓等於零時，所得之電流值。
3.轉換效率(Efficiency)：η%＝（元件的最大功率輸出值/（入射光譜
能量* 元件面積））*100
Efficiency η = VOC * ISC * FF / Pinput
其中Pinput 為入射光強度。
4.填充因子(Fill Factor)：FF ＝（元件的最大功率輸出值/(Voc*Jsc)）
*100
FF = (I * V)max/( Jsc* VOC)
5.入射光子-電流轉換效率(IPCE)：其值是代表在單色光照射下入射光 子轉換成電子的效能，其公式定義為：
IPCE=1.24*103*光電流密度(μA/cm2) / λ(nm)*I(W/m2)
式中λ 為單色光的激發波長，I 為入射光子通量。
圖1-9 太陽能電池於照光下的電流-電壓(I-V)特性曲線
第二章 文獻回顧及研究動機
2.1 有機太陽能電池的探討
目前光敏化劑即有機染料釕(Ru)的金屬錯合物其最高光電轉換 效率已達到11%(19)，而純有機染料(Metal-free)其最高光電轉換效率可 達 9%(20)。此外，典型有機高分子太陽能電池(Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 為 N-type 混 合 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)為 P-type 材料）所組成的主動層材料，其光電轉換效率可達 約5%(21)。然而有機/無機奈米複合材料太陽能電池，其轉換效率僅有
料，給體與受體間的界面面積大，接觸處形成異質結，整體可視為一 個大異質結，這種類型的太陽能電池，被稱為本體異質結太陽能電池 (bulk heterojunction solar cell)(BHJSC)。(23)
BHJSC，近來最多的研究當然就是添加 C60或C70的衍生物PCBM 作為電子受體材料(24)，這種添加半導體奈米粒子的型式，也已屬於奈 米粒子/高分子光伏電池(nanoparticle/polymer photovoltaic cell)的範 疇，但因為PCBM 價格昂貴，以其他半導體奈米粒子取而代之的類似
官能基通常為絕緣，為了減少這些絕緣 ligand 的影響，儘可能控制 ligand 分子鏈的長度，並想辦法增加奈米粒子與共軛高分子間的作用 力，是主要研究的課題。同時並有研究指出，微相分離的複合材料通 常具有較好的光電轉化效率，原因是奈米粒子之間聚集形成連續通 道，比較於奈米粒子能夠在高分子中達到均勻分散，增加給體與受體 的接觸界面的原理互相矛盾，在兩者優缺點相互競爭下，通常必須嚐 試有機ligand 的種類及濃度，或是控制奈米粒子與共軛高分子掺混的 比例，才能得到適合材料本身理想的條件。(27)
此外當無機半導體奈米粒子的粒徑大小，小於內部電子的費米波 長(Fermi wavelength)時，即可稱作量子點(Quantum dot)，量子點奈米 顆粒會表現出新的光、電、聲、磁等體積效應，隨著粒徑減小，比表 面積變大、能隙變寬、能帶彎曲減小、光譜藍位移，以及光生載流子 從體內擴散到表面所需的時間縮短，光生電荷分離的效果就越高，電
此外當無機半導體奈米粒子的粒徑大小，小於內部電子的費米波 長(Fermi wavelength)時，即可稱作量子點(Quantum dot)，量子點奈米 顆粒會表現出新的光、電、聲、磁等體積效應，隨著粒徑減小，比表 面積變大、能隙變寬、能帶彎曲減小、光譜藍位移，以及光生載流子 從體內擴散到表面所需的時間縮短，光生電荷分離的效果就越高，電