在此章節中，針對奈米棒長度、PCBM碳材的混摻比例和奈米棒結構對 於太陽能電池元件轉換效率之影響加以討論。
5-5-1 奈米棒長度對於轉換效率之影響奈米棒長度對於轉換效率之影響奈米棒長度對於轉換效率之影響奈米棒長度對於轉換效率之影響
首先，製備三種不同高度的P3HT/PCBM(1:1)奈米棒，做成元件測量其 效率，分別為150 nm、200 nm以及250 nm。圖5-18之I-V曲線圖顯示隨著長 度的增加，短路電流值(Jsc)明顯地從3.71增加至6.06，使光電轉換效率從 0.51%大幅上升至1.1%。觀察之前的UV-Visible吸收光譜圖可以得知，當奈 米棒的長度越長時，有越多的有機吸光材料能夠吸收到太陽光，使元件之 光吸收強度增強，產生更多的激子(exciton)，並形成更多的電子和電洞，因 此光電流值大幅提升，使光電轉換效率明顯的增進。
雖然薄膜的厚度越厚或是奈米棒的長度越長時，吸收太陽光能量的能 力也越強，但是因為奈米棒的長度越長，容易產生結構倒塌的現象，以及 有機半導體內之載子移動率較低的影響，使的在p-n junction接面所分離之電 子與電洞，有更多的機會會發生再結合(recombination)，並且有多篇文獻報
導[101]此系列的有機太陽能電池，其薄膜厚度以250 nm以下為佳，因此奈米
棒長度的選擇不超過250 nm。
0.0 0.2 0.4 0.6
圖5-18 不同長度P3HT/PCBM奈米棒之I-V曲線圖。
表5-1 不同長度奈米棒之I-V曲線數據表
(PCBM)的混摻比例，從1:0.6、1:0.8、1:1到1:2的混摻比例，做成元件測量 其光電轉換效率。從圖5-19之I-V曲線以及表5-2可以得知，混摻比例的不 同，嚴重地影響短路電流值(Jsc)，使整體光電轉換效率有明顯地差異。當碳 材(PCBM)混摻的比例從1:0.6到1:1時，電流值(Jsc)從2.03明顯地上升至6.06，
因為碳材的導入，除了增進電子傳遞速度外，還增加p-n junction接面的面 積，假若碳材(PCBM)的導入量不夠，使p-n junction接面的面積不足讓激子 (exciton)進行電子、電洞分離，且PCBM的聚集無法形成有效的電子直接傳 遞路徑，此時短路電流值(Jsc)則會明顯偏低；當碳材添加量變多，除了增加 p-n junction接面的面積外，同時也使PCBM的聚集形成有效的電子直接傳遞 路徑，讓電子更有效率的傳遞至相對電極，使短路電流值(Jsc)更為理想，整 體光電轉換效率從0.32%增至1.1%。但是當PCBM的添加比例增至為1:2，此 時的短路電流值(Jsc)不升反降，是因為提升PCBM的摻雜量，會使PCBM開 始自我聚集成數百奈米或數毫米的尺寸[94-96]，更大尺寸的聚集會降低其表 面積，因此降低p-n junction的接面面積，所以有較少的激子(exciton)可以轉 變成電子和電洞，因此所表現出的短路電流值(Jsc)反而低於混摻比例為1:1 的元件，從6.06下降至3.55，整體光電轉換效率從1.1%降低至0.73%。
開路電壓值(Voc)不受到摻雜比例的影響，因為開路電壓值主要取決於 施體P3HT的HOMO能階與受體PCBM的LUMO能階差，因此元件的開路電 壓值(Voc)約為0.4。
圖5-19 不同混摻比例之250 nm P3HT/PCBM奈米棒之I-V曲線圖。
5-5-3 奈米棒結構型態對於轉換效率之影響奈米棒結構型態對於轉換效率之影響奈米棒結構型態對於轉換效率之影響奈米棒結構型態對於轉換效率之影響
由以上的實驗數據可以得知，當奈米棒的長度高達250 nm時，且混摻 比例為1:1時，元件轉換效率最為理想，於是比較在同樣的實驗條件之下，
具有奈米棒結構和平面薄膜結構之太陽能電池，在光電轉換效率上的差別 影響。
分別製備同樣混摻條件的250 nmP3HT/PCBM奈米棒結構薄膜及經熱 退火處理的250 nm平面薄膜，分別做成元件測量其效率。圖5-20及表5-3顯 示元件測量後的I-V曲線數據，其開路電壓(Voc)和填充因子(FF)的數值並沒 有明顯的差異，但是短路電流值卻有明顯的差異。具有奈米棒結構的元件，
其短路電流值(Jsc)為6.06，比平面薄膜結構的短路電流值3.86高出1.57倍，使 具有奈米棒結構的光電轉換效率為1.1%，比平面薄膜元件之轉換效率0.72%
高出1.53倍。因此可以說，是由於短路電流值明顯提升，大幅地增進整體光 電轉換效率。
然而奈米棒的結構之所以能夠有效地增進整體轉換效率，綜合所有結 構與性質的分析，可歸納出以下原因：
1.
由於製備的條件，長時間在高溫環境下，使有機材(P3HT)與碳材 (PCBM)分別受到潤濕(wetting)行為和聚集的影響，產生相分離的現 象，形成中間區域以碳材(PCBM)的分佈為主，而外圍以P3HT分佈 為主，類似core-shell的結構形態。此結構形態，使p-n junction接面所分離的電子、電洞，能夠經由各自直接傳遞的垂直路徑，傳導至 相對的電極，減少電子、電洞再結合的機會，有效地增進光電流值，
如圖5-21所示。
2.
從X-ray的分析，發現在奈米棒的結構中，P3HT高分子的結晶度更 好，此特徵說明奈米棒中P3HT分子鏈有更規則的排列，因此可能有 更高的電洞載子傳遞速率，進而有效地增進光電流值。3.
藉由UV-Visible光學分析可得知，因奈米棒結構的影響，會增進光散 射的程度，導致吸收可見光區的波長範圍增大，有效的增進光電流 值。4.
經SEM和EDS的分析，可以證實具有奈米棒結構的元件，蒸鍍上Al 電極後，Al金屬確實能夠包覆在每根奈米棒的周圍，大量地增加Al 電極接觸面積，增加更多電子的收集以及減少電子在奈米棒中傳遞 的距離，更能有效的收集電子，進而提升光電流值。-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
圖5-20 250 nmP3HT/PCBM奈米棒與250 nm平面薄膜之I-V曲線圖。
表5-3 250 nm奈米棒與平面薄膜元件之I-V曲線數據表
h
+h
+e
-e
-P3HT/PCBM thin film.
(a)
P3HT/PCBM nanorod.
(b)
圖5-21 P3HT/PCBM摻混比例為1:1時，有機反應層中電子、電洞傳遞之示 意圖。(a)P3HT/PCBM平面薄膜，，，，(b)P3HT/PCBM奈米棒結構。