圖 3-11 本實驗元件製作流程示意圖。
第四章 實驗結果與討論
ITO 組（0％）元件的開路電壓（open-circuit voltage-VOC）為 0.55V，短路電流密度（short-circuit current-JSC）為 9.73 mA/cm2，填充因子 （Fillfactor-FF)為 61％，所計算得到的能量轉換效率 為 3.12％。
圖 4-2：在不同濃度奈米粒子下的J-V 特性曲線；0％（■），摻雜 10％的奈米粒子溶液（●）， 摻雜 20％的奈米粒子溶液（▲），摻雜 30％的奈米粒子溶液（▼）。所有條件的元件都在
100𝐦𝐖 𝐜𝐦⁄ 𝟐（AM1.5G）照明且室溫下量測。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -10
-5 0 5
Currentd ensity (mA/cm 2 )
Bias(v)
0%
10%
20%
30%
因為電阻率需要四點探針量測後得到片電阻(Sheet Resistance)，再由片電阻乘上厚度後得 到電阻率，但因為 Cs2CO3層較薄且透明，厚度不易量測，我們無法比較電阻率的改變，因此 我們改比較元件的串聯電阻(series resistance Rs)，我們可以經由量測元件的暗電流，在電壓 1.5v 的斜率計算換得串聯電阻；由表 4-1 可以看到，在摻雜奈米粒子後，隨著奈米粒子的濃度增加，
Au NPs concentration VOC
(V)
-2 -1 0 1 2 10-5
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
log J
Bias(v)
0%
10%
20%
30%
圖 4-3:在不同濃度的奈米粒子下的暗電流曲線圖。
接著我們利用原子力顯微鏡（Atomic force microscopy –AFM）量測元件表面的 morph -ology，我們掃描了摻雜不同濃度的奈米粒子的 Cs2CO3 表面，測試在摻雜奈米粒子後，對元 件的串聯電阻（series resistance-Rs）有沒有什麼影響；AFM 掃描圖如圖 4-4 所示:由圖可以看 到元件表面的方均根地貌粗糙度（roughness-Ra），隨著奈米粒子的濃度上升，地貌粗糙度也隨 著上升；沒有摻雜奈米粒子的 Cs2CO3，Ra 為 2.3 nm，在分別參入 10％、20％和 30％濃度的 奈米粒子後，地貌粗糙度分別增加到 4.3 nm、4.78 nm、5.32 nm，隨著地貌粗糙度增加有可能 導致串聯電阻的上升；另外我們也量測了主動層的 morphology，如圖 4-5 所示，可以看到 Cs2CO3 有沒有摻雜奈米粒子對主動層的地貌粗糙度沒有很劇烈的影響。
(a ) (b)
(c) (d)
圖 4-4 在不同濃度下的金奈米粒子 AFM 圖(a)0%(b)10%(c)20%(d)30%。
(a) (b)
圖 4-5 主動層在 Cs2CO3層加入不同濃度的金奈米粒子的 AFM 影像(a)0%(b)20%。
400 500 600 700
接下來我們量測元件的 IPCE(incident photon-electron conversion 光電轉換效率)曲線，我 們可以從 IPCE 趨勢看出元件的 Jsc 大小；因為再給定能量和照度下，較高的 IPCE 有比較高
400 500 600 700 800
4.4 激子產生率(exciton generation rate)與分離機率(dissociation probabilities)
為了進一步探討表面電漿共振對元件效率提昇的影響機制，我們將比較元件沒有摻雜奈米 粒子和摻雜 20％的奈米粒子（最好條件）下的最大激子產生率(maximum exciton generation rate )Gmax和分離機率(dissociation probabilities)P;為了計算 Gmax和 P，我們必需改變元件電壓量 測的範圍，由原本-1V 到+1V 改為-1V 到 10V。如圖 4-7(a)所示，我們在照度 100mWcm-2下量 測兩組元件光電流密度(photocurrent)Jph和有效電壓(effective voltage)Veff的關係圖；我們分別定 義 Jph和 Veff 密度 Jsat (saturation photocurrent density)，分別為 11.88 Am-2和 10.72 Am-2。我們假設所有的光 致激子(photogenerated excitons )在飽和區內全都分離並且轉換成電流，在這假設下我們可以用
且只有一部分的激子被解離為自由載子，在這狀況下我們可以用下列公式得到 Jph:
Jph=q Gmax P(E,T)L
由上述公式得知；P(E,T)可以由歸一的電流密度(Jph/Jsat)對有效電壓 Veff的關係圖獲得。圖 4-9 展示了在短路(short-circuit condition,Va=0)下的 P(E,T)值，由原本的 86.5%提升至 88.6%，這也 暗示 LSPR 有助於激子分離成自由載子，且隨著 P(E,T)的升高，電子電洞對再結合的比例也會 隨著下降，並提升填充因子，這也和表 4-1 的數據相符合。總結以上幾點看來，LSPS 不僅可 以增加激子產生率，也可以使激子分離的機率有所提升，且經由 LSPS 也可以增強元件中的電 磁場強度，進一步提升填充因子。
10-2 10-1 100 101 10-2
10-1 100
J ph/J Sat
With 20% Au NPs solution Pristine Cs2CO3
With 20% Au NPs solution Pristine Cs
4.5 螢光光譜(fluorescence spectra)
short-circuit condition
由於在主動層中，donor phase(如 P3HT)的吸收貢獻了大量的激子產生，而 P3HT 是一種 會發螢光的材料，我們可以經由量測元件的螢光光譜(fluorescence spectra)，進一步了解 LSPR 對激子產生的機制有甚麼影響；以下準備四種不同奈米粒子濃度在 Cs2CO3 的樣品，然後再
600 650 700 750 800 850
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