有機太陽能電池

有機太陽能電池因其具有成本低廉、製成簡易、易於大面積化及具

有可繞曲性，因此吸引許多研究員投入，尤其具有可繞曲性的特點，

在未來可將此有機太陽能電池材料以直接塗抹的方式，塗佈於可繞式

基板表面，因此大大減低其成本及製程，然而有機太陽能電池至今尚 未取代一般半導體材料的太陽能電池，主要因為其轉換效率太低及熱 穩定性的問題仍需克服。因此提高轉換效率及熱穩定性，並開發新型 的太陽能電池，能是目前研究的目標。

有機太陽能電池大致上可分為三大類:

(1)有機高分子太陽能電池、(2)染料敏化型太陽能電池、(3)有機/無機

奈米複合材料。

(1)有機高分子太陽能電池⁽⁵⁾

University of California, Santa Barbara Alan Heeger 研究團隊所發 表 第 一 個 具 備 較 高 效 率 的 高 分 子 有 機 太 陽 能 電 池 ， 其 使 用 MEHPPV/C60 Bilayer Hetrojucton 的概念，所製作出第一個高分子碳 材 太 陽 能 電 池 ， 於 1995 年 在 Science 期 刊 發 表 並 以 其 Bulk Hetero-junction (BHJ)概念為主要製程的 MEH-PPV/C60 太陽能電池 後，此類型的太陽能電池才真正受到重視並發展

高分子/ 碳材太陽能電池原型(Prototype)，迄今高分子有機太陽能電 池仍沿襲著此 BHJ 觀念，搭配導電高分子/碳材上的變化來提昇效 率。

高分子太陽能電池發電原理為：光主要由Donor 材料（共軛高分子；

Conjugated Polymer）吸收，由於共軛高分子材料具高的吸收係數，

因此其元件的厚度為 100 nm (Polycrystalline CuInSe，CdTe: 1µm、

Crystalline Silcon:100 µm），為最輕薄的太陽能電池，光電轉換詳細作 用機制已經在1.2 敘述，利用 Donor-type 材料與 Acceptor-type 材料 進行混摻，藉由太陽光的照射，以產生電子與電洞對(Electron/Hole Pair)，最後電子與電洞分離，並分別經由電子與電洞傳導材料，傳輸 至 陰 陽 電 極 而 形 成 電 壓 降 產 生 電 能 ， 由 於 有 機 半 導 體 材 料 激 態 (Exciton)下，有較高的束縛能（Binding Energy：約在 0.2~1.0 eV）與 無機材料（矽的Binding Energy；約 0.015 eV）相比，其束縛能約大 上一兩個等級，故室溫條件下，有機材料無法形成自由的電子或電洞 (Free Carriers)，必須藉由 N 型與 P 型材料界面的勢能差，才能達到 電子與電洞分離的效果，目前最常見之有機混成太陽光電系統，主要 採Heeger A. J. 與 Wudl F.所設計的 BHJ 結構，其元件結構如圖 1-2 有機高分子光電轉換以及元件結構所示。

圖1-4 有機高分子光電轉換以及元件結構⁽⁸⁾

以高分子/碳材混摻系統(Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)為 N-type 而[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)為 P-type 材料）所 組成的主動層材料，配合ITO 基材與 Poly(3,4-ethylenedioxythiophe ne):

poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)組成的陽極及以陰極鋁(Al 所構 成。

(2) 染料敏化型太陽能電池⁽⁹⁾

染料敏化太陽能電池具有低材料成本、製程容易及製程設備簡單

的特色，整體的成本約為傳統矽基太陽能電池的1/5~1/10，因而引起 能源界積極地投入這方面的技術研究開發。電池結構如圖1-5

1991 年以瑞士洛桑聯邦理工學院 Grätzel 教授為首的研究小 組，以奈米多孔TiO2 膜為半導體電極，以過渡金屬Ru 及 Os 等有機 化合物作敏化劑，並選用適當的氧化−還原電位，發展出一種新型的 太陽能電池，稱之染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells;

DSSC)，其在 AM1.5 的模擬日光照射下轉化率可達 7.1%。

1993 年 Grätzel 等再次報導了光電能量轉換率達 10%的 DSSC 電池。

1997 年其轉換效率達到 10~11%。

1998 年他們又研製出全固態 DSSC 電池，更進一步朝實用 化邁進。

圖1-5 染料敏化型太陽能電池結構⁽¹⁰⁾

(3) 有機/無機奈米複合材料太陽能電池

目前有機/無機奈米複合材料太陽能電池的研究，幾乎都是合成 有機高分子，如P3HT、MEH-PPV 、MDMO-PPV…等，並將有機高 分子充當 Donor 混合金屬奈米粒子，或是塗抹、填充於金屬奈米棒 上，其選擇的金屬如ZnO⁽¹¹⁾、CdSe⁽¹²⁾、PbS⁽¹³⁾、PbSe⁽¹⁴⁾、TiO2(15)…等 金屬則作為 Acceptor，且探討其物理性質、電化學性質及元件性質。

其有機/無機奈米複合材料太陽能電池結構(如圖 1-6)。

圖 1-6 有機/無機奈米複合材料太陽能電池結構⁽¹⁶⁾

然而有機混和奈米金屬的複合材料，其表面相分離(phase separation)

及 型 態(morphology) 的 程 度 並 不 佳 ， 易 造 成 電 子 及 電 洞 再 結 合 (recombination)。因此，有機/無機奈米複合材料太陽能電池，其轉換 效率僅有大約2%。有鑑於有機/無機奈米複合材料太陽能電池的效率 或許仍然有發展的空間，因此如何提高有機/無機奈米複合材料太陽 能電池的轉換效率及開發新型的太陽能電池已成一個課題。

圖1-7 太陽能電池之種類分類及效率⁽¹⁷⁾