有機太陽能電池原理及量測

第二章 有機太陽能電池原理及量測

太陽能光電轉換是將太陽光的光能轉化為電能。太陽能電池吸收了太陽光譜中可利用的 光譜能量，轉換成光電壓及光電流，由於太陽能電池內部如同一個電路組，因此這輸出的電 壓及電流會因外部負載的大小而改變，與一般電化學電池可以提供固定大小的電壓不同。太 陽能電池的使用材料分兩大類：無機和有機半導體，無機半導體又分為元素半導體(矽)及化 合物半導體(II-VI,III-V 族)。半導體材料由於本身擁有相當多的原子，有的是晶格，有的 是聚合物，這些原子組在內部排列會提供周期性的位能，其電子在材料內部並非與金屬一樣 充滿自由電荷或像絕緣體大多數的電荷都被束縛住，實際上，半導體本身具有一定寬度的禁 止能隙，其電子能帶結構包含了導帶及價帶。且我們可以藉由材料的參雜，改變半導體內部 的電子分布，使其擁有 p-type 和 n-type 的情形，其中 p-type 材料電子濃度較低，而 n-type 材料電子濃度較高。當 p 型材料及 n 型材料接觸時，兩者電子會逐漸趨向平衡，因而形成內 建電場，因此當照光時，所產生的電子電洞即靠此電場作分離，並收集至兩端電極作收集，

產生光電流。

本章節主要自基本太陽能電池的元件結構開始說明，並逐步介紹太陽光光電轉換的運作 原理及有機太陽能電池結構及其工作原理。

圖 2-1. 太陽能電池的基本元件結構。擁有抗反射層來幫助入射光子數增加，以及 PN 材料所 形成的接面，和上下電極。

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2-1 太陽能電池的基本架構

一個完整的太陽能電池的結構設計如圖2-1所示[30,31]，外部有玻璃保護層(Cover glass)、透明接著層(Transparent adhesive)，作用在於固定內部的太陽能電池及保護元件 不受到外在環境的水氣及其他物質的破壞。內部的元件結構則可依其功能分為三種，第一種 是抗反射層(Antireflection coating)，目的在於提高光能的收集，是藉由光學結構的設計 來達到減少光因反射而造成的損失；第二種是p-n接面的光吸收層，由p型半導體(p- type semiconductor)及n型半導體(n-type semiconductor)組成，其中間為p-n接面(p-n junction) 的電場，可將擴散到電場作用範圍的電子電洞對分離。第三種則為上下層的電極，上電極 (front contact)由於為了讓光能通過，會根據不同電池的需要設計成不同間距及金屬遮蔽率 的指狀圖案，下電極(rear contact)為全平面的層狀結構，目的在於將穿透而沒被完全吸收 的光反射回去，以增加光電轉換的效率。當太陽光入射時，半導體接面的產生光電流透過外 加的負載迴路，可以轉換為功率輸出。為了有效提升太陽能的光電轉換效率，不僅要考慮輸 出的負載迴路，電池本身也是主要的考量，關於有效提升太陽能電池的轉換效率，主要有三 個關鍵可以進行改善。

(一) 增加光子收集率(Photon collection)，實行的方法可以在抗反射層結構進行改善，一 個能有效應用在太陽能電池上的抗反射層結構應具有寬頻譜響應(broadband response) 及大收光角度(omnidirectional) 等特性，增加太陽能電池單位面積的收光量。

(二) 增加光電子的內部量子效率(Internal quantum efficiency, IQE)，實行的方法可以在 光電轉換的半導體材料本身進行改善，在製程的過程中減少材料本身的缺陷，使得光電 子在收集的過程中不易被缺陷復合，發展高品質的光電轉換材料結構；或者可藉由磊晶 製程方法，來製作出最適合太陽光電轉換結構的磊晶結構，提高光子在太陽能電池中的 能量轉換比率並具有更寬廣的吸收頻譜。

(三) 增加電子萃取率(Carrier collection)，實行的方法為發展高品質的電極，透過表面電 極圖形的設計找出最佳化的電極遮蔽比率，達到最大收光效益，減少光電流在導出時被 復合的可能性，以及形成歐姆接觸降低因半導體與金屬間的串聯電阻造成的電荷損失。

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2-2 太陽能電池光電轉換原理

在 p 型半導體內多數載子為電洞，在 n 型半導體內多數載子為電子，當 n 型與 p 型接觸 後，則會形成 p-n 接面(p-n junction)，如圖 2-2 所示。接面會因載子濃度梯度不同而產生 擴散，p 型半導體的電洞擴散到 n 型區時，與 n 型區的電子復合並在 n 型區留下帶正電的施 體離子(N^D+)，而 p 型區接面附近會有受體離子復合後產生帶負電的受體離子(N^A-)，這些無法 移動的電荷在此形成了一個由 n 型區指向 p 型區的電場，並稱這些無法移動的電荷所在位置 為空乏區(depletion region)，又稱為空間電荷區(space charge region)，在空乏區內的電 場可以使得 p 型半導體中的少數載子電子漂移到 n 型端，同時也驅使 n 型半導體內的電洞漂 移到 p 型端。

圖 2-2. 二極體電場示意圖，也是半導體太陽能電池的基本元件結構。當 PN 接觸達到平衡，

便會產生空乏區，而空乏去的電荷便會誘引出電場，這電場便是幫助太陽光照射後載子分離 的重要因素，也是造成漂移電流(drift current)的主要原因。另外，擴散電流(diffusion current)則是來自於元件內部載子濃度梯度所產生的。

如圖 2-3 所示，當一能量高於半導體能隙(energy gap)的光子入射到半導體內，再由光 子將價帶(valence Band)上的電子激發躍遷至導帶(conduction band)上，形成了自由的電子

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-電洞對(electron-hole pair)，電子和電洞則因內建電場作用而分離，電子與電洞往相反的 方向各自傳輸至二端電極來輸出。

光伏特效應中，p-n 接面區空間電荷區的內建電場功用就是使入射光子被吸收產生電子-電洞對在復合（recombination）前被分開，而產生光電流。光電流再經由 p-n 二極體金屬 接觸傳至負載，這便是太陽電池的基本工作原理。如果將照光的 p-n 二極體二端的金屬接觸 用導線連接，就是所謂的短路（short circuit），金屬線的短路電流（short-circuit current）

就是等於光電流。若照光的 p-n 二極體兩端不相連，就是所謂的開路（open circuit），則 光電流會在 p 型區累積額外的電洞， n 型區會累積額外的電子，造成 p 端金屬接觸較 n 端 金屬接觸有一較高的電位勢，也就是開路電壓（open-circuit voltage），這開路電壓也被稱 是光電壓（photovoltage），所以太陽電池又被稱為光伏特電池（photovoltaics）。

圖2-3. p-n接面之光電轉換示意圖。照光後，在價帶的電子電會受到激發，跳到導帶去，留 下電洞於價帶，再藉由內建電場將電子電洞分別掃到n-type及p-type端，再由兩端電極去做 收集。

入射光不只在空間電荷區內才被吸收成為光電流。光子在 p-n 二極體的其他區域也會被 吸收，就是所謂的準電中性（quasi-neutral）區域，也能貢獻光電流。只是準電中性區的光 電流是擴散電流，而不是漂移電流，擴散電流由少數載子所決定的，多數載子不參與。也就 是說，n 型準電中性區域的少數載子-電洞，其在接近空間電荷區的地方往 p 型區的方向濃 度會逐漸降低，因此 n 型準電中性區域的內電洞會形成往 p 型區擴散電流，同理 p 型區的

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圖 2-4 為太陽能電池的等效電路模型，包含兩個寄生電阻：串聯電阻(series resistance) 與並聯電阻(shunt resistance)，串聯電阻通常是金屬接觸及內部傳導有問題所造成的，；

而並聯電阻主要來自於元件的側向漏電路徑，例如當正反兩極因製程造成多餘的傳導路徑。

圖 2-4. 理想的太陽能電池等效電路模型。太陽能電池電路模型主要是電流源，而二極體和 並聯電組會由於電流被瓜分造成電流下降，而串連電組則是阻礙載子收集過成的障礙。

根據柯西荷夫電壓定律(Kirchoff's voltage laws)可以得到等效電路中輸出電流密度 J 與輸出電壓 V 的關係式為

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導體理想因子(ideal factor)，當擴散電流主導時，n 會趨向 1，反之當復合電流主導時，n 會趨向 2；k 為波玆曼常數(Boltzmann constant)，J 與 V 則分別為太陽能電池的輸出電流密 度、輸出電壓。為了簡化分析，考量一個理想的太陽電池，其串聯電阻非常小(R^s=0)，幾乎 可以忽略，而並聯電阻則非常大(R^sh→∞)，近乎斷路狀態，因此(2-1)式可以簡化成

) 1

0

( 



 J

_sc

J e

^nkTqV

J

(2-2) 在模擬一個太陽光強度的照光條件下，進行電流-電壓(current-voltage, I-V)特性量測，圖 2-5為一個面積為100cm²的單晶矽太陽能電池量測結果，圖中有幾個相當重要的參數將在以下 詳細介紹，如短路電流密度J^SC (short-circuit current density)、開路電壓V^OC (open- circuit voltage)、填充因子FF(fill factor)、光電轉換效率η（conversion efficiency）、 最 大 功 率 輸 出 電 壓 V^MP(maximum power voltage) 、 最 大 功 率 輸 出 電 流 I^MP(maximum power current )。

圖2-5. 面積為100cm²的單晶矽太陽能電池的電流電壓特性量測結果，右方表格為此電池適用 的模擬參數。

從圖2-5可看出當電壓不大時，基本上電流維持定值，且此定值跟電壓為零時的電流相等，

由式(2-1)知道此電流即為短路電流；當電壓持續增加，代表二極體所承受的順向偏壓升高，

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c. 短路電流密度 J^SC (short-circuit current density)

短路電流(I^SC)是太陽電池在負載為零的狀態下，也就是外部電路短路時的輸出電流。此 時的輸出電壓 V = 0，對於理想的太陽電池，也就是串聯電阻 R^S 趨近於 0，並聯電阻 R^sh趨近 於無限大時，從(2-2)式可以得到

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f. 轉換效率η（Conversion efficiency）

能量轉換效率定義為太陽電池最大輸出功率 P^MP與入射光 Pⁱⁿ的比例，能量轉換效率η可 分為外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)及內部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)，所謂外部量子效率是指在給一特定波長下，元件收集並輸出光電流的最 屬於 sp²混成，擁有非侷限(delocalized)的π電子，因此可以藉由共振的方式達到很好的傳 輸電子的能力。這兩類材料是屬於導電有機材料，結構式如圖 2-6(中)，而他們的電子結構

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為分子軌域，我們可以視那些聚合物單體或者原子團如同無機半導體週期性結構的單位晶格，

因此它們擁有類似的能帶結構，我們類比半導體中的導帶為有機材料分子中的 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbitals)，而價帶為 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbitals)，

因此當兩種材料接觸在一起時，就如同形成 pn 接面，若此刻照光能夠產生激子(exciton)(圖 2-6(左)，再藉由接面處的內建電場使電子電洞對分離至兩端電極進行電荷收集。然而有機材 料的激子結合能(binding energy)特別的大，通常達到數百個 m ev，而無機半導體的激子如 Si 或者 GaAs 才數十個 m ev 而已，這中間的差異主要是由於有機材料的介電常數太低，根

因此當兩種材料接觸在一起時，就如同形成 pn 接面，若此刻照光能夠產生激子(exciton)(圖 2-6(左)，再藉由接面處的內建電場使電子電洞對分離至兩端電極進行電荷收集。然而有機材 料的激子結合能(binding energy)特別的大，通常達到數百個 m ev，而無機半導體的激子如 Si 或者 GaAs 才數十個 m ev 而已，這中間的差異主要是由於有機材料的介電常數太低，根

在文檔中 利用氧化銦錫奈米柱提升有機太陽能電池轉換效率 (頁 21-0)