第一章 諸論
1.2 太陽能電池
1.2.1 簡介
為了因應能源的匱乏，太陽能電池已經吸引世界各地的研究單位 注意，自1839 年 Becquerel 首次報導在電解質中發現光生伏打效應以 後，隨著科技的發展及人類的需求，目前已經進入量產的階段，太陽 能電池(solar cell)是一種將光能轉換成電能的元件(結構見圖 1-2 太陽 能電池構造)，其工作原理是運用光伏效應(photovoltaic effect) (3)，光 伏效應(photovoltaic effect)為在 p-n 接面附近，因電子及電洞的結合形 成的一個載子空乏區(depletion area)，而 P 型及 N 型半導體分別帶有 正電及負電荷，因此形成一個內建電場。而太陽能電池發電原理是經 由太陽光照射元件，使內部的半導體活化層(active layer)，瞬間將光 能轉化成電能，使N 型半導體的電子由價帶提升至傳導帶，並再與 P 型半導體接觸時，受到內建電場的影響，湧入 P 型半導體的電洞，相 對著電洞湧入 N 型半導體的方向，造成電子及電洞的分離，並由電 極形成一個迴路，產生電流及電壓，不過此種簡單接合的電池結構，
由於 p-n 接面的面積不大，效率通常不高。
圖1-2 太陽能電池構造
因此，光能轉化成電能的過程，主要可以分為三個步驟：(1)光生 載流子 (2)光生載流子被半導體中的靜電場分離 (3)光生載流子被電 池兩極收集，產生電流；或是在有機/高分子太陽能電池中：(1)exciton generation，(2)charge separation，(3)carrier transport。因此若想提升光 電轉換的效率，就可以從改善成有利於這三個步驟的環境或材料著 手。近來本體異質接合 (bulk heterojunction, BHJ) 之電池結構研究引 起相當廣泛的注意，此型電池大大提高了主動層中 pn 接合介面的面 積(4a)。
1.2.2 受體-給體系統(Donor-Acceptor System)
能隙(band gap energy：Eg)是一種介於最高填滿的分子軌域 (Highest Occupied Molecular Orbital：HOMO)和最低未填滿的分子軌 域(Lowest Unoccupied Molecular Orbital：LUMO)之間的能量間隔，其 決定共軛分子的導電性。若降低分子的能隙將會增進傳導帶的熱量總 數(Thermal Population)並且增加本質的載子數目，形成真正的"有機型 金屬"(Orangic metals)。另一方面，窄能隙有較低的氧化電位時，將會 導致參雜狀態穩定，因此藉由化學修飾高分子來控制 HOMO-LUMO 之間的間隙，對於太陽能電池來說是極其重要的。
共軛高分子的電性和光學性質是來自位於 HOMO 和 LUMO 周圍 的能階所影響的。根據能帶理論來說，最高填滿帶來自於每個單體的 HOMO，也就是所謂的價帶；而最低未填滿帶則是來自於每個單體的 的 LUMO，作為傳導帶。在吸收光譜裡若要得到共軛高分子的 Eg，
則是將吸收峰進行外插法而得，因此要得到窄能隙的共軛高分子，其 吸收邊緣(Absorption edge)應在近紅外光區(Near infrared region)，也就 是吸收長波長。
近年來的分子軌域計算呈現 Donor 和 Acceptor 之間的能階經過 混成後，形成的系統具有較低的HOMO 和 LUMO 間隔。如果 Donor
的 HOMO 和 Acceptor 部分的 LUMO 靠的很近的話，就會使的電子 易被激發至LUMO。(如圖 1-3)
圖1-3 施體(D)與受體(A)的分子軌域交互作用 1.2.3 奈米氧化鋅之應用性
奈米氧化鋅高激子結合能之特性使氧化鋅於室溫具有高激子放 射效率，因此目前氧化鋅被認為是非常具潛力的紫外-藍光光電材
料。另外，氧化鋅可吸收較本身能隙波長短之紫外線，若在氧化鋅中
摻入鋁或鎵等 IIIA 族元素，可降低電阻率以利製作透明導電膜，用 作透明電極的應用，另可用在場發射 （field-emission） 顯示器上。
氧化鋅通電後電壓與電流間有相當高的非線性關係，可用來製作可變 電阻。於工業上可作為橡膠加速劑、顏料及陶瓷添加劑，其他還有化 妝品、紫外線吸收劑、奈米光觸媒、鋰電池、太陽能電池、和氣體感
測器等光電之運用等多方面用途。奈米氧化鋅具有半導體催化劑的電 子結構，在光照射下，當具有一定能量的光子或者具有超過這個能隙 的光子射入半導體時，一個電子從價帶 （valence band） 激發到傳 導帶 （conduction band），而留下了一個空穴。激發態的傳導帶電子 和價帶空穴能夠重新結合消除輸入的能量和熱，電子在材料的表面態 被捕捉，價態電子躍遷到傳導帶，價帶的孔穴把周圍環境中的羥基電 子搶奪過來使羥基變成自由基，作為強氧化劑而完全對有機物 (或含 氯) 的降解，殺死病菌和病毒。2006 年 B. Q. Sun 在薄膜電晶體 （thin film transistor, TFT）上，利用氧化鋅奈米棒可製作出高 ON/OFF ratio、高移動率 （mobility）、低臨界電壓 （threshold voltage） 之高 效率薄膜電晶體元件(4b)。在有機太陽能電池 （organic solar cell） 方 面，氧化鋅可用於取代 C61-butyric acid methyl ester （PCBM） 做為 電子受體物質 （electron accepting material），具有非毒性、價格較低 廉等好處(25)。