第一章 緒論
1.5 有機太陽能電池元件的物理定義
有機太陽能電池需量測黑暗中及光照射下的電流-電壓曲線(current-voltage curve)或稱 I-V 曲線(如圖 1-9、圖 1-10 所示)，圖 1-9 的曲線表示為無光源下的暗 電流，一般來說，在黑暗中幾乎沒有電流的產生，直到正向偏壓大於開路電壓，
電流才開始產生；圖 1-10 的曲線則表示為照光源下的光電流。光電流曲線與 x 軸相交點表示為開路電壓(open-circuit voltage，Voc)，亦即當電流為零時，所測得 的電壓；與 y 軸相交點表示為短路電流(short-circuit current，Isc)，亦即當電壓為 零時所測得的電流；而矩形稱為填充比例區域，與 x 軸相交點表示為填充比例區 域的最大輸出電壓值(maximum power output voltage，Vmax)，與 y 軸相交點表示 為填充比例區域的最大輸出電流值(maximum power output current，Imax)，Vmax與
I
max的乘積為光電流曲線下可獲得的最大面積，亦即最大輸出能量[12]。圖 1-9. 黑暗中的電流-電壓曲線圖[12]
圖 1-10. 光照射下的電流-電壓曲線圖[12]
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將矩形面積除以總面積(光電流與 x、y 軸構成的面積)可得填充係數(fill factor，FF) (式 1-1)，此填充係數可做為衡量太陽能電池是否能夠作最大轉換程 度，最大值為 1，即將光完全轉換成電流。
式 1-1
太陽能電池光轉換成電流的轉換效率為輸出的功率與輸入的功率的比值，可 以下列公式(式 1-2)定義：Pout表示為輸出的功率，Pin表示為輸入的功率，Voc表 示為開路電壓，Isc表示為短路電流，FF 表示為填充比例[13]。
式 1-2
另外還有一個重要的參數為外部量子效率(external quantum efficiency，EQE) 或稱入射光轉換電效率(incident photon to current efficiency，IPCE)，此為針對單 一波長的光對元件進行照射所產生的電子數目與此入射單一波長的光所提供的 光子數目的比值，以下列公式(式 1-3)定義：
式 1-3
λ 表示為入射光波長(單位為 nm)，Isc 表示為元件測得電流大小(單位為 μA/cm2)，Pin表示為使用的入射功率。
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最後，在太陽能電池的元件測試中，會考慮到太陽能輻射和吸收的問題。事 實上當太陽光照射到地球時，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，只 有約70 %的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達地球表面。到達地球表面 的太陽光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層(如圖1-11所 示)。
圖 1-11. 太陽光入射地面時的示意圖
而大氣對地球表面接收太陽光的影響程度被定義為大氣質量(air mass)。大氣 質量為零的狀態(AM0)，是指在地球外太空間接收太陽光的情況，適用於人造衛 星和太空船等應用場合；大氣質量為1的狀態(AM 1)，是指太陽光直接垂直照射 到地球表面的情況，其入射光功率為925 W/m2，相當於晴朗夏日在海平面上所承 受的太陽光。這兩者的區別在於大氣對太陽光的衰減，主要包括臭氧層對紫外線 的吸收、水蒸氣對紅外線的吸收以及大氣中塵埃和懸浮物的散射等。在太陽光入 射角與地面成夾角θ時，大氣質量以下列公式(式1-4)定義：
式1-4
當θ＝48.2°時，大氣質量為AM 1.5，是指典型晴天時太陽光照射到一般地面 的情況，其輻射總量為1 kW/m2，常用於太陽能電池和元件效率測試時的標準[23]。
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1.5.1 開路電壓（Open Circuit Voltage，V
oc）
理論上 Voc被定義為施體 HOMO 能階與受體 LUMO 能階的差值，實際上仍 由接面產生的內部電場所決定(如圖 1-12 所示)。
圖 1-12. Voc的能階示意圖
根據傳統太陽能電池概念，在 MIM 元件(metal-insulator-metal，MIM，即兩 金屬中夾入太陽能電池材料)的開路電壓值是由兩不同金屬電極的功函數差異所 決定。在 p-n 接面的系統中，開路電壓皆分別與受體的 LUMO 能階和施體的 HOMO 能階呈現線性的關係。以受體的 LUMO 來說，Brabec et al. 藉由改變不
同碳六十衍生物的受體製作成太陽能電池並測量 Voc 的值來表示此種線性關係
(如圖 1-13 所示)，隨著受體第一個還原電位的改變，元件測得 Voc值亦有明顯的 不同[24]。
圖 1-13. 不同受體的還原電位與 Voc的關係圖[24,25]
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接者以施體的 HOMO 能階來說，當施體的第一個氧化電位改變時，Mulliaras et al. 測量到 Voc值亦伴隨產生不同的值[26]。Scharber et al. 利用 26 種不同施體材 料製作成太陽能電池，討論施體氧化電位與 Voc的線性關係(如圖 1-14 所示)，斜 線表示線性關係(斜率為 1) [25]。
此外，Voc的值會受到主動層形態(mophology)的影響，利用 non-aromatic 及 aromatic 兩類不同的溶劑製作主動層，所測得元件 Voc有明顯的不同[27]。最後金 屬與有機材料之間存在的介面效應(Interfacial Effect)也會影響 Voc的值，介面效應 可能來自於金屬電極表面氧化物的產生，此效應會影響金屬電極的功函數，而導 致 Voc的改變[28]。
圖 1-14. Voc與不同氧化電位的線性關係[25]
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1.5.2 短路電流（Short Circuit Current，I
sc）
理想的元件，在各接面無任何缺陷情形下，Isc會受到光誘導產生的電荷載子 濃度及電荷載子遷移率的影響。Isc可以下列公式(式 1-5)定義：
式 1-5 n 表示為電荷載子的濃度，e 表示為單位電荷(elementary charge)，μ 表示為 遷移率(mobility)，E 表示為電場強度，假設元件效率能夠達到 100 %，n 即為每 單位體積吸收的光子數。影響 Isc值的因素，除了與材料本身性質有關外，主動 層的形態(morphology)也是關鍵所在[29-33]，主動層的形態是經由製作的過程來控 制，可以影響的因素如溶劑的選擇、揮發時間的控制、元件熱處理溫度的控制及 蒸鍍的方式皆會造成不一樣的主動層形態[34-37]。
1.5.3 填充係數（Fill Factor，FF）
填充係數被定義為電流及電壓同時達到最大值時與實際功率的比例值，在 I-V 圖的表示上為 I-V 曲線與 x、y 軸所構成面積內的最大矩形面積(如圖 1-8 所 示)，填充係數容易受到串聯電阻(series resistance)的影響，串聯電阻主要來自於 材料本身的特性、金屬接面或是內部的接合作用力。