有機與無機混合式太陽電池發展現況

降低材料部分的成本除了減少用量、朝薄膜化發展外，使用缺陷密度較高、載子擴 散長度(carrier diffusion length)較短的材料亦為可行途徑，不過採用前者技術需要同時顧 慮到保持足夠光吸收以及提升光捕捉(light trapping)能力，後者則須考慮改善載子傳導和 收集的問題。

有別於傳統上以矽或砷化鎵等無機半導體為主動層材料，純有機材料成為另起之新 秀。有機材料尤以低成本、質輕、全溶液製程、適用於大面積與可撓式基板等優勢著稱。

除了傳統層層堆疊的材料沉積方法，有機材料因為載子擴散長度與生命週期皆較短，故 有以塊材方式混合的 P-N 異質接面(bulk heterojunction)，如圖 1- 15 所示。特點為接面面 積大且激子(exciton)藉由接面電場掃開後到被電極收集平均所需行走的路徑較短，可大 幅減少復合的機會。

圖 1- 15. 共軛高分子有機材料 P3HT 與 PC60BM 以及混合形成塊材異質接面之示意圖

先前提到的第三代太陽電池概念為低成本與高效率，因此若能結合無機材料之優異 電性與有機材料之低成本特性，勢必能為此世代太陽電池開拓出一條寬廣大道。

近年來許多有機/無機混合式太陽電池的概念與元件被發表，由於 P 型的有機半導 體較容易合成與製造，因此混合式元件大都以 N 型矽基板為主，搭配導電共軛高分子 P 型有機材料，如 PEDOT:PSS、P3HT 等；抗反射結構亦被廣泛地應用於元件上，以求增 加光吸收和更佳的有機薄膜包覆性(coverage)。

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Rusli 團隊在平的(100)和(111)兩種晶向矽基板上製作混合式太陽電池[8]，藉由調控 不同原生氧化層厚度使元件效率在(111)晶向基板、1.5nm 氧化層時達到 10.6%之高效率。

其概念是利用薄的氧化矽(SiOx)層使有機/無機層界面電場彎曲，阻擋少數載子(此情況 下為電子)擴散至有機層與電洞復合。圖 1- 16 為元件結構圖與兩種晶向矽基板成長氧化 層厚度對靜置空氣中時間變化圖；表 1- 3 則為不同晶向和氧化層厚度之元件電性表現。

圖 1- 16. (a)元件結構圖 (b)氧化層厚度隨靜置空氣時間變化圖

表 1- 3. 不同晶向和氧化層厚度之元件電性表現

此外，亦有使用界面活性劑改善有機材料於無機基板上之貼覆性(adhesion)，進而提 升效率之例[9]，元件結構如圖 1- 17。此含氟之界面活性劑 Zonyl 可以減少有機薄膜的 粗糙度(roughness)並且抑制逆向飽和電流密度(reverse saturation current density)，如圖 1- 18，因此元件效率從沒有添加界面活性劑的 10.23%提高到加入 0.1%時的 11.34%，並聯 電阻提高約一倍，且各項電性均有改善。

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圖 1- 17. 元件結構圖(使用界面活性劑與否)

圖 1- 18. 有無 Zonyl 界面活性劑的暗電流比較圖

除了以上這些平面元件可以達到高於 10%的效率，具有奈米結構的混合式元件亦有 不錯表現，其中包含本實驗室在 2012 年使用微米金字塔結構搭配有機高分子材料 PEDOT:PSS，做出效率 9.84%的元件[10]，並探討了旋塗有機物的轉速對於薄膜在基板 上之包覆性影響(圖 1- 19)，提高轉速對於元件的填充因子以及開路電壓有較明顯增益。

圖 1- 19. 不同轉速對於有機薄膜在金字塔結構上的包覆性比較圖

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同時，對於不同電子親和力(electron affinity)與能隙之有機物搭配單晶矽基板的效率 進行模擬預測，發現 PEDOT:PSS 與矽的能帶匹配良好，極限效率可達 20%以上，如圖 1- 20。

圖 1- 20. 不同有機物材料搭配單晶矽基板之效率預測圖

Yi Cui 團隊在 2012 年發表了利用乾蝕刻奈米椎狀結構與 PEDOT:PSS 之混合式元件 [11]。製程流程與對應之 SEM 圖如圖 1- 21，使用金作為柵狀上電極效率達到 9.62%，

若再經過 950℃的高溫背部磷擴散製程形成高摻雜背表面電場，效率可提升至 11.1%，

但這和混合式元件追求低成本之精神相違背。

圖 1- 21. 奈米椎狀結構混合式元件製程流程與各階段 SEM 圖

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同樣 Rusli 團隊利用金屬輔助化學蝕刻(Metal Assisted Chemical Etching, MACE)矽基 板形成的矽奈米線(SiNWs)，效率可達到 9.0%[12]。其製程示意如圖 1- 22，主要探討的 是奈米線長度對於元件效率影響，如表 1- 4，結果顯示長度為 0.9μm 時的短路電流與填 充因子最高。

圖 1- 22. 矽奈米線與 PEDOT:PSS PH500 混合式元件製程流程圖

表 1- 4. 不同長度矽奈米線之元件電性比較表

以上金字塔、奈米椎、奈米線三種不同的表面結構亦可在 10%上下，而更高效率 (>11%)之奈米結構混合式元件也在研討會中揭露。當矽基有機/無機混合式太陽電池蓬 勃發展的同時，另一無機材料大宗砷化鎵作為基板的混合式元件其發展情況將於章節 3.1 中討論，至於為何選擇更換為砷化鎵基板來製作混合式太陽電池的原因將於章節 1.4 中說明。

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