如何利用表面的自組裝薄膜來控制相分離

由上述可知以總體異質接面方式製作的元件，p-n 兩種材料相對的排列方 式，將影響接面接觸面積及電子、電洞的傳遞路徑，因此主動層的表面型態對最 後製成的元件有很大的影響。在2002 年，A. C. Arias 等人利用控制基版表面特性 與溶劑蒸發速率達成p-n 高分子材料重直方向的相分離[20]。圖 1-12(a)為 p-型高 分子 poly(9,9-dioctylfluorene-co-bias-N,N-pheny1-1,4-phenylenediamine)(PFB)與

n-能(surface energy)，因此相較於 F8BT，PFB 與 ITO/PEDOT:PSS 基版表面較為親 和。在較高蒸發速率的溶劑下，高分子無足夠時間與能量去達成熱平衡之型態，

如圖(b)將兩種 F8BT 與 PFB 以 xylene 為溶劑混合後沉積於 ITO/PEDOT:PSS 基 版，而兩種材料形成水平方向的相分離。若使用低蒸發速率之溶劑(isodurene)，

高分子混合物有足夠時間擴散，即會形成重直分向的相分離如圖(c)。由圖(c)可看 出仍有少部分的孔洞，為了穩定水平方向的相分離，該團隊在 PEDOT:PSS 表面 上修飾一層7-octyltrichlorosilane 自組裝單層膜(self-assembled monolayer, SAMs) 以控制表面特性，圖1-13 為不同條件下薄膜的表面 AFM 圖，圖 1-13 (a)有修飾 後的相分離產生之孔穴相較於無修飾的薄膜(圖 1-12 b)為小，而在充滿 xylene 的 蒸氣環境下可觀察到到更連續的 P8BT 相(圖 1-13 (b))，當使用低蒸發速率的 isodurene 為溶劑與自組裝薄膜修飾後，即可得到穩定的水平相分離(圖 1-13 (c))。

由元件效率的比較可看出以 isodurene 為溶劑製作出的重直相分離元件有最高的 外部量子效率，由此證明了利用自組裝薄膜來改變基版表面特性以控制高分子型 態將有助於光伏特元件效率提升。

圖1-12 (a)F8BT 與 PFB 的化學結構；(b)xylene 為溶劑所製作薄膜之 AFM 圖，

水平方向的相分離；(c)isodurene 為溶劑所製作薄膜之 AFM 圖，可觀察到垂直方 向的相分離，但仍然有部分孔洞產生。[20]

圖1-13 F8BT 與 PFB 混合薄膜在 SAMs 修飾的 ITO/PEDOT:PSS 表面上之 AFM 圖。(a)以 xylene 為溶劑；(b)以 xylene 為溶劑，並且在充滿 xylene 的蒸氣環境下；

(c)以 isodurene 為溶劑；(d)以三種不同條件下所製程太陽能電池之外部量子效率 (external quantum efficiency,EQE)。[20]

(a)

(b)

(c)

由A. C. Arias 等人的例子我們已知可利用 SAMs 的方式改變基版表面特性，

因此若能將基版表面特性(表面能)圖型化，即可控制 p-n 材料相分離的分向。在 1998 年 M. Boltau 等人在 Au 基版上利用微接觸列印技術(microcontact printing)方 式，將疏水性的 SAMs(octacedyl mercaptan)圖型化於基版上以達到表面能的差 異，再將polystyrene/polyvinylpyridine (PS/PVP)高分子混合物沉積於該表面[21]。

由圖1-14(a)所示，圖中左上的部分為有 SAMs 圖型化區域，可清楚看出 PS/PVP 依基版SAMs 的圖形而產生相分離，PS 傾向於低極性的自組裝薄膜表面，而 PVP 傾 向 於 高 極 性 的 Au 基 版 表 面 ， PS 與 PVP 兩 者 間 呈 現 自 主 性 整 齊 排 列 (self-organized)現象。相反的，若無 SAMs 圖形化的部分即圖中右下部分，PS/PVP 則呈現不規則的相分離。

圖1-14 (a)PS/PVP 混合物薄膜表面之 AFM 圖；(b)PVP 部分經過 ethanol 溶解後 的表面，圖顯示基版上僅剩 PS；(c)圖 b 之剖面圖(cross-section)，其高度約為 65nm。[21]