有機高分子太陽能電池之重要參數介紹

有機太陽能電池需量測光照射下及黑暗中的電流-電壓曲線 (current- voltage curve) 或稱 I-V 曲線 (Figure 4)，虛線表示為無光源下的暗電流，實線則表示為 照光下的光電流，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。Voc為開路電壓 (open circuit voltage)，Isc為短路電 流 (short circuit current)。在實線上，當其電流值與電壓值的乘積為最大值時，此 時的元件輸出功率最大，同時，其電壓值為 VMPP，電流值為 IMPP，MPP 表示為 maximum power point。

Figure 4. I-V curve of solar cell device.^[18]

太陽能電池光轉換成電流的轉換效率可以 Figure 5 的公式定義(a)：Voc表示 為開路電壓，Isc表示為短路電流，FF 表示為填充比例 (fillfactor)，Pin表示為入 射光功率密度 (incident light power density)。測量用的標準光源為模擬太陽光在 地球表面且其入射夾角為 48.2°的太陽光譜，其強度標準值為 1000 W/m²，稱作

AM 1.5 光譜。

(a) (b)

Figure 5. The equation of (a) efficiency (b) fill factor.

1.4.1 開路電壓 （Open Circuit Voltage，Voc）

在 p-n 接面的系統中，開路電壓值是以 p 型與 n 型材料之間的準費米能階 (quasi Fermi levels) 的概念來決定。對於有機太陽能電池來說，開路電壓是與施 體的HOMO 及受體的 LUMO 呈現線性的關係。Brabec 等人發現，改變不同碳六 十的衍生物受體，其Voc值與受體第一個還原電位會有線性相關，如Figure 6 所 示。

Figure 6. Voc of different bulk heterojunction solar cells plotted versus the reduction potential/LUMO position of the acceptor fullerene derivative used in each individual device.^[18]

Gadisa 等人發現，當施體的第一個氧化電位改變時，Voc值也會不同。Scharber 等人製作 26 種 BHJ 太陽能電池，他們發現施體氧化電位與 Voc 會有線性關係 (Figure 7)。此外，開路電壓的值受到活化層形態的影響，利用 non-aromatic 及 aromatic 兩類不同的溶劑製作活化層，所測得元件 Voc有明顯的不同。金屬與有 機半導體之間存在的介面效應 （interfacial effect），如氧化物的生成，此效應會 影響金屬電極的功函數，改變Voc的大小。

Figure 7. Voc of different bulk heterojunction solar cells plotted versus the oxidation potential/HOMO position of the donor polymer used in each individual device.^[18]

1.4.2 短路電流 （Short Circuit Current，Isc）

在一個理想元件的考量下，Isc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可以下列公式定義：

Isc = neμE

其中n 為電荷載子的密度，e 為單位電荷（elementary charge），μ 為電荷遷移率

(mobility)，E 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。事實上，Isc 的值並非是一個材料參數，而是元件參數，也就是說 Isc 的值與元件的製作有關，其中又以活化層的 morphology 影響最大^[22-26]，而 mophology 又與製作方法有關，其因素可能為溶劑種類、溶劑的揮發(結晶)時間、

熱處理的溫度及蒸鍍的方式皆會影響活化層的morphology。

EQE (external quantum efficiency) 或稱 IPCE (incident photon to current efficiency) 為在短路下所收集到的電子數除以入射光子數，以下列公式定義：

多多少少都會有電阻的產生。而填充係數也會與分流電阻 (shunt resistance) 有 關，分流電阻其主要來自於漏電流，而漏電流主要來自於兩電極間，電荷傳遞的 發現在共軛高分子-富勒烯複合物 (conjugated polymer-fullerene composites) 中光