第一章 緒論
1.6 影響有機太陽能電池光電效率的原因及可能改善的方法…
(1) 照射到太陽能電池表面的光線，會有部分光會被反射掉，降低了可吸收的光 源。
(2) 經由光線激發所產生的電子–電洞對，可能會在傳遞時，再度結合而回到基 態，因而降低電流。
(3) 施體與受體的能階不合、主動層的形態(morphology)不佳及電極與有機材料 間的介面效應造成 Voc下降，而使光電轉換效率低。
(4) 主動層的形態(morphology)不佳造成 Isc下降，而使光電轉換效率低。
(5) 材料本身的特性不好、金屬接面或是內部的接合作用力的問題，造成 FF 因 子不夠高，而使光電轉換效率低。
若要更深入了解其轉換效率，就必須再從光電轉換過程中探討內部量子轉換 效率。內部量子效率(internal quantum efficiency，ηIQE)是由四個階段(如圖 1-15 所示)中的效率參數所構成的(式 1-6) [38]。
圖 1-15. 電荷分離效率圖解[38]
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式 1-6
(1) ηA：光吸收效率。為第一階段施體材料吸收光能產生電子-電洞對的效率，
其與α 和有機層的厚度(d)有關。
(2) ηED：所產生的電子–電洞對能夠擴散到施體和受體接面上的效率。其與有機 層的厚度和電子–電洞對的擴散距離有關。
(3) ηCT：電荷轉移效率。電子–電洞對拆解成自由電子與電洞的效率。
(4) ηCC：電荷收集效率。電子和電洞移動到電極表面的效率。
另外，考慮到光在材料中被折射掉的部分，因此引進了外部量子效率(external quantum efficiency，ηEQE)，R 為材料與空氣介面的折射率，而不同結構的元件，
對於各項效率的影響都不同，因此也會影響到光電的轉換效率。
為了要使所有效率提高，將採取一些可以改善效率的方法[2]： (1) 減少陽光的反射量
可在元件外層再加上一層抗反射的塗料，以減少太陽光在元件表面的反射，
或者在元件內部加上一層光學薄膜(optical layer，如 TiO2)[10]，使得入射光的 強度在主動層達到最大量(如圖 1-16 所示)。
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圖 1-16. 太陽能電池結構中加入光學薄膜前後的光強度分佈圖[10]
(2) 改善開路電壓
開路電壓的耗損(~0.3V)主要是來自暗電流與材料電阻的因素所造成的，可 以藉由找出適當的吸光層厚度以及使用高電荷載子傳導率的材料來減少之。
(3) 設計具有更合適能階組合的有機高分子[39]
根據 Scharber 等人對一系列有機共軛高分子與 PCBM 的混摻異質接面型太 陽能電池最佳化元件之實驗數據，可以歸納出有機高分子的氧化電位與個別 元件的開路電壓(Voc)有明顯線性關係(如圖 1-11 所示)，並將其以下列公式(式 1-7)表示：
式 1-7 e 為基本電荷數。利用此公式可以估算出任何共軛高分子與 PCBM 混摻元件 的開路電壓理論值。接者，也進而歸納出施體能隙(Eg，x 軸)和最低空軌域 (LUMO 能階，y 軸)的能階關係，做成一等高線圖，每條等高線分別代表各 種不同元件的理論效率值(如圖 1-17 所示)。
藉由以上的歸納，我們可以知道若要達到具有 10 %效率的元件，其所 使用的施體能隙需小於 1.74 eV，同時其 LUMO 能階也需低於-3.93 eV，因 此我們可以根據此項原則來設計新的有機高分子材料。
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圖 1-17. 施體能隙與施體最低空軌域及相關元件的效率等高線圖[25,39]
(4) 充分利用全光譜的太陽光源
為了更能有效利用太陽光，開始研究設計出一些可以吸收近紅外光區光源的 有機共軛高分子，也就是低能隙的有機共軛高分子，詳細的探討在第 1.7 章 節。
(5) 元件的最佳化