文獻回顧

2008 年 ， Saunders 等 學 者 在 所 發 表 的 文 獻 回 顧 ”Nanoparticle-polymer photovoltaic cell”中⁽²⁵⁾，將以往各式無機奈米 粒子與各式有機共軛高分子掺混的太陽能電池效果列表比較，(如圖 2-1)，並對奈米粒子/高分子光伏電池大致整理出一些有效的規則，如 下：

I. The nanoparticles and polymers should have high electron and hole mobilities, respectively. The interfacial area of the bulk heterojunction should be high.

II. The polymer and nanoparticles should have high extinction coefficients and absorb light from as much of the solar spectrum as possible in a complementary manner.

III. The energy levels for the nanoparticles and polymer should be chosen so that they promote charge separation and transfer (圖 2-2). Optimum values could be determined using the work of Scharber et al. in the case of PCBM nanoparticles.

IV. The nanoparticles should be ligand-free (naked) within the photoactive layer and form interconnected bicontinuous solid dispersions or a vertically aligned structure.

圖2-1 各式奈米粒子/高分子光伏電池性質列表。⁽²⁵⁾

圖2-2 奈米粒子與有機高分子電荷分離能階示意圖。⁽²⁵⁾

2004 年，Locklin 等學者成功利用 ligand exchange 的方法將 oligothiophene 的 dendrimer 披覆在 CdSe 奈米粒子表面上(如圖 2-3)。

此light-harvesting dendrimer 可以增加可見光區的吸收，並使披覆的奈 米粒子擁有的良好的溶解度，良好的光生電荷分離效果，被應用在 BHJ 太陽能電池中，得到 0.29%的光電轉化效率，並預期能夠藉由增 加 dendrimer 的代數或與 polythiophene 結合，能夠得到更好的光電轉

化效率。^(29a)

圖 2-3 Conjugated Oligothiophene-Dendron-Capped CdSe Nanoparticle

示意圖。^(29a)

2007年，Zhiqun Lin 等學者利用Vinyl-Terminated P3HT修飾在 [(4-bromophenyl)methyl] dioctylphosphine Oxide(DOPO-Br)-Functiona -lized CdSe QD，設計理念囊括了增加吸收光範圍及良好的分子間電 荷傳輸。由圖2-5可知，直接鍵結半導体粒子的發光幾乎完全被抑制 (Quench)，並且螢光的 life-time明顯下降，證明了直接鍵結半導体粒 子作電子受體，能有良好的電荷轉移效果。⁽³⁰⁾

圖2-4 利用Vinyl-Terminated P3HT修飾在[(4-Bromophenyl)methyl]

dioctylphosphine Oxide (DOPO-Br)-Functionalized CdSe QD之合成。⁽³⁰⁾

圖2-5 P3HT/CdSe composite與P3HT-CdSe nanocomposite之PL放光光 譜及Life-Time光譜圖。⁽³⁰⁾

2009年，Marczak等學者，以sol-gel的方法製備約5 nm大小的ZnO 奈米粒子，並利用catechol官能基對金屬氧化物的吸附能力，將有機染 料porphyrinatozinc接枝到ZnO奈米粒子的表面(如圖2-6)。離心分離相 分離的奈米粒子後，發現有機染料可大幅提升ZnO可見光區的吸收，

且若是增加有機染料的濃度，可以使ZnO的發光幾乎完全被抑制

(Quench)，且螢光的 life-time明顯下降(如圖2-7)，顯示電子有效轉移，

證明有機染料的披覆，不僅可增加奈米粒子在有機相的相容性、提升 可見光區吸收，也使電子能有效轉移。⁽³¹⁾

圖2-6 有機染料批覆ZnO奈米粒子。⁽³¹⁾

Increasing of μM

圖2-7 ZnO-CAMIZ光激螢光、Life-Time光譜圖。⁽³¹⁾

2009年，Guchhait等學者合成表面具有amine官能基的 CdSe奈米 粒子，大小約為2.5 nm，使與有機染料Rose Bengal (RB)之間形成化學 鍵結，形成無機Core/有機Shell的CdSe-RB奈米複合粒子(如圖2-8)。有

機染料的披覆，再一次證明可以增加奈米粒子在有機相的相容性、提 升可見光區吸收，也使電子能有效轉移；此外，進一步以CdSe-RB奈 米複合粒子做為電子受體，P3HT為電洞傳輸層，進行光伏裝置的應 用。在最佳摻混條件下，有機染料披覆的CdSe，相對於未披覆的CdSe，

皆大幅提升了光伏裝置的短路電流、光電轉化效率和external quantum efficiency(如圖2-9)，證明有機染料披覆造成光生電荷轉移的效率的提 升，對光伏裝置有正面的影響。⁽³²⁾

圖2-8 CdSe-RB/P3HT光伏裝置。⁽³²⁾

圖2-9 I-V 曲線分布(a) ITO/PEDOT:PSS/P3HT:(CdSe:RB)/Al, (b) ITO/PEDOT:PSS/P3HT:CdSe/Al。⁽³²⁾

在 2006 年 Punniamoorthy Ravirajan 和 Jenny Nelson 在 ZnO 及 P3HT 間置入有機染料釕(Ru)的金屬錯合物 Z2907 (如圖 2-10)，以致 於降低電子及電洞再結合(Recombination)，此外更延長其可見光區的 吸收範圍，以增加外部量子的轉換效率，進而增加其光電子數，並且 探討ZnO nanoparticle 及 ZnO nanorod 個別得情形，效率分別達 0.05%

及0.2%。

圖 2-10 Z2907 及元件內部能階圖⁽³³⁾