第三章 實驗架構
3.1 實驗材料與儀器
3.1.1 實驗材料：
(1)ITO (Indium Tin Oxide) glass substrate：利用濺鍍(sputter)方式將 ITO 沉積於玻 璃基版上形成透明導電性的固體薄膜，其功函數(work function)約為 4.7eV。本實 驗ITO 玻璃基版由 GemTech Optoelectronics Corporation 購得，其片電阻約為 10 ohm/□，基版厚度為 1.1mm。
(2)PEDOT ： PSS (polyethylene dioxythiophene doped with polystyrene sulfonic acid)：由H.C.Starck購得，其型號為Baytron® P，化學結構如圖3-1。PEDOT：PSS 導電高分子是利用PEDOT與PSS形成離子型的高分子複合物，再與水混合後形成 高分子微膠體顆粒的分散水溶液，透過水溶液型態而易於進行旋轉塗佈製程。
PEDOT：PSS經烘烤成膜後，經實驗測試後具有高導電、透明、熱穩定及平坦化 ITO表面等優點，其功函數約為5.2eV。
圖3-1 PEDOT：PSS 化學結構與組成方式
(3)P3HT, poly(3-hexylthiophene)：由 Rieke Metals.Inc 購得，其化學結構為圖 3-2。
P3HT 為本實驗所使用 p-型半導體材料，其主幹是五環結構 thiophene，側鏈是己
烷基所組成的共軛高分子，側鏈接在主鏈上因為有兩種不同的空間規則所以分為 頭對尾(HT：head to tail)及頭對頭(HH：head to head)兩種形式，而 HT 比例越高 將導致較高的載子遷移率。其HOMO 能階約為 4.9eV，LUMO 能階約為 3.0eV。
圖3-2 regioregular poly(3-hexylthiophene)化學結構及 HT、HH 示意圖
(4)PCBM,[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester：由 American Dye Source 購 得，其化學結構式為圖 3-3。PCBM 為本實驗所使用 n-型材料，PCBM 是 C60衍 生物，C60 為具有碳簇結構的陰電性化合物，其具有極高吸收電子性能。此外，
PCBM 為 C60 導入一般有機溶劑的側鏈，以提高和共軛高分子相溶性，該材料 HOMO 能階約為 6.1eV，LUMO 能階為 3.7eV。
(5)1,2-dichlorobenzene(DCB)：由 ALDRICH 購得，做為太陽能電池主動層材料之 溶劑，純度99.5％化學結構式如圖 3-4 所示。
(6)trichlorobenzene(TCB)：由 ALDRICH 購得，做為太陽能電池主動層材料之溶 劑，純度99％化學結構式如圖 3-4 所示。
圖3-3 n-型材料 PCBM 化學結構
圖3-4 1,2-dichlorobenzen 與 trichlorobenzen 化學結構式
(7) 3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyltrimethoxysilane：在本實驗利用該含 有NH2的silane 當作自組裝薄膜，並藉由 μ-CP 將 SAM 圖形化於基版上產生表面 能的差異性，化學結構如圖3-5。
(8)正庚烷 heptane：由 JT Baker 購得，作為自組裝薄膜的溶劑。
(9)Ca(Calciume 鈣)：活性金屬，易與水、氧進行氧化反應，在本實驗中做為元件 陰極材料，其功函數約2.8eV。
(10)Al(Aluminum 鋁)：亦為製作陰極常見才材料，置於空氣中時常於表面形成緻 密氧化鋁層，可避免更內部電極與鋁進行氧化作用，其功函數約為4.3eV。
(11) Molybdenum oxide(MoO3)：金屬氧化物修飾層，當作單一載子(hole-only)元件
之陰極材料。
圖3-5 自組裝薄膜 3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]- propyltrimethoxysilane 化學結構
3.1.2 實驗儀器：
(1)UV-Ozone machine 紫外臭氧機：
利用紫外光照射氧氣分子形成臭氧的原理，在紫外臭氧機裡通入大量的乾淨空氣
(3)Thermal Evaporator 熱蒸鍍機：
一般小分子有機材料或金屬材料，因為無法溶解成溶液狀態，若欲形成薄膜附著 於基板表面時，通常採用熱蒸鍍方式，係以一高真空腔體內置入欲蒸鍍材料(例如 金屬材料Al)於加熱載體(本實驗 Al 加熱載體為鎢舟 Wu Boat)，通電使鎢舟產生
(4)N2 Glove Box 手套箱：
為避免高分子在一般大氣環境下進行實驗時會有氧化反應污染並導致實驗結果 不穩定、無再現性等缺點，因此本研究大部分在一充滿惰性氣體(N2)之密閉腔體 中進行。
(5)Atomic Force Microscope(AFM) 原子力顯微鏡：
本實驗原子力顯微鏡(AFM)購於 DI intrument 如圖 3-6，屬於掃瞄探針顯微技術的 一種，此類型顯微技術是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的某 種交互作用，如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波來進行表面的偵測。AFM 微小探針是由針尖附在懸樑臂前端所組成，當針尖與樣品表面原子接近到可以感 應其作用力時，懸臂本身因為抵抗其作用力而產生形變可以反映出作用力大小，
藉著調整探針針尖與樣品重直距離，同時在掃瞄過程中維持固定的原子間作用 力，利用電腦記錄表面上每一點針尖的微調距離，即可得到整體之表面形貌。
圖3-6 Atomic Force Microscope(AFM) 原子力顯微鏡儀器架構圖
(6)UV/Vis spectrometer 紫外/可見光吸收光譜儀：
由美商Perkin Elmer 購得，吸收光譜儀是由氘(D2)燈與鎢(Wu)燈所組成，可量測 波段在190nm～900nm。紫外光波段主要由氘燈提供；可見光波段則由鎢燈提供。
吸收光譜其原理如圖3-7 所示，其入射光源為非偏極化光，當特定波長入射光強 度I0入射待測樣品後，因為樣品會吸收光，因此出射光強度為I ，此時可以定義 吸收度
0
log( )I
A= − I ，當儀器以不同波長的入射光去掃瞄待測樣品後，即可得對到 波長與吸收度間關係之吸收光譜圖。
圖3-7 UV/Visible Spectroscopy 吸收光譜儀工作原理示意圖
(7)X 光繞射儀(XRD)：
機台型號PANalytical X-Pert Pro(MRD)，X-ray 光源波長為 0.154nm，利用 X-ray 進入晶體時，會被原子散射，當存在某種相位關係(相位差)兩個或兩個以上散射 波相互疊加後，就會產生繞射現象。本實驗即利用 XRD 偵測待測樣品繞射圖譜 (Diffraction Pattern)，進而探討樣品結晶結構與排列方式。
(8)Thermal Oriel solar simulator(AM 1.5G) 太陽光模擬器：
本實驗所架設之太陽光模擬器主要由Oriel 66901 氙燈搭配 AM 1.5G Air Mass 之 濾光鏡模擬出符合AM 1.5G 光譜的太陽光。實驗量測時照射光強度的校準是利用 一個附有KG-5 filter 的標準 Si photodiode detector(由 Hamamatsu,Inc.購得)，校準 方法是以IEC-69094-1 光譜為基準，仿照 Ref. [23]文獻中方式校準量測光強度為
圖3-8 AM 1.5G(IEC 60904)參考光譜與 Oriel 太陽光模擬器光譜圖[24]
(8)Keithley 2400 source-measure unit：
本實驗利用Keithley 2400(Source Meter)量測元件之 J-V 特性曲線，由 J-V 曲線可 求得太陽能電池元件各重要參數，如Voc、Jsc、Rs、Rp等參數。