太陽能電池原理簡介：

作為能源，不會有廢水污染、廢氣，熱還有噪音等汙染，對人體跟生態都是無害 的，大大提升了它的價值；而根據天文計算，太陽還可以持續 100 億年，這意味 著我們再也不需要再擔心能源會有竭盡的一天；另外，地球每年接受太陽的能量 約比全世界每年所消耗的總量還多三萬倍，所以欲使太陽能成為能源供應其中一 種方式，如何能有效利用它將會是重要的課題。

雖說地表上的太陽能隨處可取，但是它的強度，也就是單位時間內投射到單 位面積上的太陽能並沒有想像中的強；而太陽能最大的弱點就是並非全天候供 應，晝夜的變化以及陰雨天將使得很多時候無法供應能量，需要儲能的設備來克 服此困難；在地球不同緯度所受到的太陽輻射大不相同，同一個地方在同一天內 日出和日落的太陽輻射強度遠不如正午前後，這些因素都會使太規模的利用太陽 能的困難度增加。

1.4.1 太陽能電池原理簡介：

在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶矽太陽光電池、多晶矽太陽光 電池及非晶矽太陽光電池等三種。

太陽光電池主要功能在將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應( photo voltaic effect )。光伏效應在 19 世紀即被發現，早期用來製造硒光電池，直到電晶 體發明後半導體特性及相關技術才逐漸成熟，使太陽光電池的製造變為可能。太 陽光電池之所以能將光能轉換成電能主要有兩個因素：一是光導效應 ( photo

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conductive effect ) ，二是內部電場，因此在選取太陽能電池的材料時，必須要考 慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。

光照射在物質上時，部份的光會被物質吸收，部份的光則經由反射或穿透等 方式離開物質，選取太陽光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能 使輸出功率增加。選取太陽光電池材料的第二考量是光導效果，欲選取光導效果 佳的材料首先必須瞭解太陽光的成分及其能量分佈狀況，進而找出適當的物質作 為太陽光電池的材料。

當電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，電子處在較高的能階時並不 穩定，很快就會把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就 擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為電洞。自由電子可能 會因為摩擦或碰撞等因素損失能量，最後受到電洞的吸引而結合。例如，矽的最 外層電子要成為自由電子需要吸收 1.1eV 的能量，當矽最外層子吸收到的光能量超 過 1.1eV 時將會產生自由電子及電洞，稱之為光生電子電洞對( light-generated electron-hole pairs )。電子電洞對的數目越多導電的效果也越好，因為光使得導電 效果變好的現象稱之為光導效應 (photo conductive effect ) 。

自由電子與電洞的多寡對電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與電洞可 以使導電性增加，同時也可以使輸出電流增加，因此可以推測陽光越強時生成的 自由電子與電洞越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產生自由電子與

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電洞，將會因為摩擦及碰撞等因素失去能量，最後自由電子會與電洞復合而無法 利用。為更有效的利用由電子與電洞來產生電流，因此必須加入電場使自由電子 與電洞分離進而產生電流。產生電場的方式很多如 PN 接面、金屬半導體接面等，

其中最常用的方式為 PN 接面。

提高自由電子濃度常用的方法是在矽中加入少量的五價原子，五價原子的四 個價電子與矽鍵結後剩下一個價電子，使剩下的價電子游離只需要 0.05eV，比原 來的 1.1eV 小很多，在室溫超過 200 K 時即可使所有雜質產生自由電子，同樣在矽 中加入少量的三價原子可以提高電洞濃度。在矽中加入五價原子後稱之為 N 型半 導體，加入三價原子後稱之為 P 型半導體。N 型半導體及 P 型半導體雖然帶有自 由電子或電洞但本身仍然保持電中性，如果 N 型半導體及 P 型半導體內雜質濃度 均勻分佈則內部沒有電場存在。若將 N 型半導體及 P 型半導體接和在一起，會因 為兩邊自由電子與電洞的濃度不同產生擴散。N 型半導體中自由電子濃度較高，

因此自由電子由 N 型半體向 P 型半導體擴散，同樣的電洞會由 P 型半導體向 N 型 半導體擴散。擴散的結果使得接面附近的 N 型半導體失去電子得到電洞而帶正 電，P 型半導體失去洞得到電子而帶負電。

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圖1.17 太陽能電池發電原理

因為電荷密度不均因此在接面附近產生電場，如果有自由電子或電洞在電場 內產生，則會因為受到電場的作用而移動，自由電子向 N 型半導體移動，而電洞 向 P 型半導體移動，因此這個區域缺乏自由電子或電洞而稱之為空乏區。當光照 射在空乏區內將矽原子的電子激發產生光生電子與電洞對(圖 1.17)，電子與電洞對

會因為電場作用而使電池內的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即 可利用電池內的電力，這即是所謂的光電效應，也是太陽光電池的轉換原理。

而使用有機材料的太陽能電池分為(1)染料敏化太陽能電池 (Dye-sensitized solar cell,DSSC) 、(2)有機光伏電池 (Organic Photovoltaic solar cell,OPV)。碳六十 在太陽能電池上的應用屬於後者，而產生電流的機制與前面所述相同，接為吸收

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陽光後，得到一能量而使得電子從 HOMO 躍遷至 LUMO 而在 LUMO 產生電洞，

而所選的陰極需要與材料的電子予體 (donor) 能階接近，陽極需與材料的電子受 體 (acceptor) 能量接近，使得電子電洞能夠往電極兩端傳遞進而在外部產生電流 達到光電轉換的效果(圖 1.18)。

圖1.18 有機太陽能電池電子傳遞圖 1.4.2 太陽能電池種類：

a)單層太陽能電池 (single layer solar cell)

僅將材料夾在 aluminium 與 indium tin oxide (ITO) 中間，是為單層結構(圖 1.19)¹⁴。由於單一種類的分子可以涵蓋的吸收光波長範圍有限，其光電轉換效率最 高僅到 0.62%。¹⁵

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圖1.19 單層太陽能電池元件結構 b)雙層異質接面型太陽能電池 (bilayer heterojunction solar cell)

1986 年，由 C. W. Tang 提出以 CuPc 為電子予體及 perylene 衍生物為電子受 體兩層疊在一起(圖 1.20)，組成異質接面的結構，使光電轉換效率提升至 0.95%。

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圖1.20 雙層異質接面型太陽能電池元件結構 c)混摻異質接面型太陽能電池 (bulk-heterojunction solar cell)

圖1.21 則為 Bulk heterojunction 的元件結構，其中材料部分，則是利用熱處理，

使其材料排列良好，而電子受體和電子予體的介面混合的情況，可增加接觸的表 面積，可增加電荷分離的效率，也是目前較常使用的結構之一，目前最高可做到 6%。¹⁷

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圖1.21 混摻異質接面型太陽能電池元件結構 d)混摻異質接面串聯型太陽能電池 (Tandem solar cell)

此結構為A. J. Heeger 團隊於 2007 年發表於科學 (Science) 期刊上，成功使用 多層串連的混摻異質有機太陽能電池(圖 1.22)，在 200 m W/cm²光源照射下，其光 電轉換效率可超越 6%。¹⁸

圖1.22 混摻異質接面串聯型太陽能電池元件結構

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1.4.3 基本參數介紹：

a) 短路電流 ISC ：

當元件不受偏壓時所測量到的逆向光電流值為短路電流 (ISC) 短路電流與光

強度成正比關係如圖 1.23¹⁹，激子被分離後載子能不能成功移至電極是短路電流大 小一個很重要的因素，一般受到材料中載子移動速率 (Carrier mobility) 、載子生 命週期 (Carrier lifetime) 、與載子擴散長度 (Carrier diffution length) 影響。

圖 1.23 光強度與短路電流成正比。一開始呈線性關係，當強度大到一定值時則呈 指數關係。

b) 開路電壓 VOC ：

太陽能電池元件受光後會產生逆向光電流，若元件受正向偏壓情況下，偏壓 會逐漸把光電流抵銷，而當偏壓大到一定的值時，整體元件淨電流為零，可視為 開路 (open circuit) ，而此時偏壓值即為開路電壓 (VOC) 而言內建電場的大小、電 子予體(donor)材料的最高填電子軌域(HOMO)與電子受體(acceptor)材料的最低為 填電子軌域(LUMO)會影響開路電壓值。

22 immunodeficiency virus HIV-1 的蛋白酵素 (protease) 的活化位 (active site) 會有

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凡得瓦 (van der Waals) 交互作用，佔用疏水表面積約 298 Ǻ²，並且看到 ligand 與蛋白質 (protein) 有結合 (association) 的現象，如圖 1.24。²⁰

X = HOC(O)(CH₂)₂C(O)NH(CH₂)₂

圖 1.24 The C₆₀ is colored magenta, and the van der Waals surface of the active site and ligand are shown.

1.5.2 Antiviral Activity

碳六十衍生物 (如圖 1.25) 在 1993 年被 Schinazi et al²¹用來對已感染急性或慢 性 HIV-1 的細胞作抗病毒活性的測試(EC₅₀ 7.3 ±3.8 M)，對於慢性感染的 H9 細胞 也有不錯的抗病毒活性(EC₅₀ 10.8 ±8.2 M)，雖然抗愛滋藥物(AZT)有更高的活性

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(EC₅₀ 0.003-0.004 M)，但是其對於感染的 H9 細胞沒有活性反應。若能提高碳六 十衍生物的抗病毒活性，在未來的實用性就更高了。

圖1.25

1.5.3 DNA 光裂解

同 樣 在 1993 年 ， Tokuyama 等 人 合 成 出 可 作 為 光 誘 導 酵 素 抑 制 劑 (photo-induced enzyme inhibitor) 的碳六十衍生物(圖 1.26)，測出其在光的誘導下具 有抑制某些酵素的作用。

R = CO(CH2)2CO2H; R = H; R = CO(CH2)2CO2H․NEt3

圖1.26

1.5.4 Diagnostic Applications

碳六十內包有金屬的衍生物稱為 Endohedral metallofullerenes，其在醫療上也

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有所用途。例如，水溶性的 M@C82(OH)30可用在核磁共振中當顯影劑，²²或用來作 為放射藥物；²³還可將放射性金屬置於碳六十內部，並在體內追蹤其至特定位置來 殺死癌細胞。

1.5.5 Antimicrobial Activity

碳六十衍生物也被認為有殺死微生物的用途。其可藉由附著進入磷脂雙層來 造 成 細 菌 等 內 部 的 黏 膜 被 破 壞 造 成 死 亡 。 此 外 ， 具 有 羧 基 的 碳 六 十 衍 生 物 (carboxyfullerene) 可以抑制由大腸桿菌誘導造成的腦膜炎。²⁴

1.5.6 Free Radical Scavenger

當人體內存在自由基時會競爭迫害健康細胞的成對電子，產生電子轉移的反 應現象，會使組織細胞失去正常功能，甚至破壞遺 DNA，造成突變引起癌症。又 研究指出，一個碳六十分子最多可以加成 34 個甲基自由基在上面，⁸並且穩定存 在，現象顯示，碳六十衍生物可以幫助消去體內自由基，減少因其所造成的疾病。

上述這麼多碳六十衍生物在人體醫療上的用途，可知，若能有效增加其水溶 性，則能更廣泛為藥物所使用，對於醫學上有很大的幫助。

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首先，膦(Phosphine) 為一個鹼性的親核試劑 (Nucleophile) ，當它碰到親電子 (electrophilic)的部位時，就會以膦上面的的孤對電子 (lone pair electrons) 去攻擊缺

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電子的區域，在 Scheme2.1 裡，我們看到孤對電子攻打炔的碳而形成一個正負電荷

電子的區域，在 Scheme2.1 裡，我們看到孤對電子攻打炔的碳而形成一個正負電荷