ITO P3HT PCBM Al
P3HT:PCBM
PEDOT:PPS WF 5.0 eV [32]
Al WF 4.3 eV [32]
一般而言，設計有機太陽能電池需要考慮其元件運作方式，包括了光子吸收、
激子產生、電子電洞對的分離、以及電子電洞分別被各電極所收集。本論文研究 的混合層(blend layer)異質多接面之能階則採用Eg=LUMOP3HT-HOMOPCBM [34]。
太 陽 能 電 池 的 結 構 ( 厚 度 ) 如 下 所 示 : ITO(180nm)/PEDOT(45nm)/
P3HT:PCBM(1:1)(30~250nm)/Al (100 nm)。模擬結果與實驗數據比對如圖4.2所示，
由模擬結果得知與Monestier 等[33]的數據較為吻合，但是趨勢與Li等[23]的數據 亦有合理的吻合度，顯示本研究之模擬軟體可以用來作為有機太陽能電池特性之 探討。
圖4. 2 模擬結果與實驗數據比對圖
Blend thickness (nm) J
SC(m A /c m
2)
50 100 150 200 250
0 2 4 6 8 10 12 14
Simulation Experiment [33]
Experiment [23]
4-2 混合異質結構之光特性 4-2.1 光主動層厚度與光吸收率
本 小 節 太 陽 能 電 池 的 數 值 模 擬 厚 度 為 :ITO(180nm)/PEDOT(45nm)/
P3HT:PCBM(混合比=1:1)(30~250nm)/Al (100 nm)。不同的光主動層厚度對於太陽 光吸收有不同的效果。從模擬結果發現：光主動層較厚通常會有較多的吸收率，
300 400 500 600 700 800
0.0
由於圖 4-3 中並無法明確看出主動層薄膜層厚度對光吸收率的影響，因此，
本論文引入一個參數，整體光吸收率(globe absorptivity)，其定義如下：
globe
(
)d
(4.1)圖4. 4 為整體光吸收率與光主動層厚度曲線圖。由圖中可以發現整體光吸收 率在50~350nm 範圍內，其值隨光主動層薄膜厚度增加而緩慢增加(42.5~53.3%)，
但是在光主動層薄膜厚度為200nm，整體光吸收率較高，其值為 54.2%。
理論上主動層的厚度較大，有助於光子的吸收率，但也需要考慮到激子在不同膜 厚下的傳輸情形，若主動層薄膜太厚，則不利於激子傳輸；反之，若太薄則不利 於可見光的吸收，都會影響到太陽能能量轉換效率。所以適當的主動層薄膜厚度 是重要的，可使元件有足夠的吸光率且激子易於傳輸。
圖4. 4 整體光吸收率與主動層厚度曲線圖
4-2.2 光主動層厚度與量子效應
圖4.5 為 EQE 對不同主動層薄膜對光譜的關係圖。模擬結果發現：光主動層 薄膜的厚度越小(即 50nm) ，EQE 越大，亦即是光子轉換電子的效應就越大，由
Blend thickness(nm)
G lobe abs opt iv ity (%)
0 100 200 300 400
0 10 20 30 40 50 60 70
圖 4.5 可以清楚地看到當厚度增加時，量子的效應也就越小(即 250nm)。這是由
300 400 500 600 700 800
0.0
圖4. 6 整體外部量子效應與主動層厚度曲線圖
4-3 混合異質結構之電特性 4-3.1 光主動層厚度特性
本 小 節 太 陽 能 電 池 的 數 值 模 擬 厚 度 為 :ITO(180nm)/PEDOT(45nm)/
P3HT:PCBM(混合比=1:1)(30~250nm)/Al (100 nm)。圖4.7(a)、(b)、(c)、(d)分別為 短路電流密度(JSC)、開路電壓(VOC)、填充因子(FF)、轉換效率(η)與P3HT-PCBM 薄膜厚度的關係圖。模擬結果顯示：JSC隨著在P3HT/PCBM膜厚增加而先增加，
在膜厚75nm時出現最大值，然後隨主動層厚度增加而降低；VOC隨著厚度增加而 緩慢增加，最後趨近於飽和值(~0.58V)；而F.F.則隨厚度增加而下降，到了150nm 膜厚時則有下降趨緩的現象，而光電轉換效率的現象與短路電流現象相同，由模 擬結果發現：光的轉換效率最高發生在 P3HT/PCBM 厚度75nm時。
有趣的是：當有機太陽能電池主動層太薄或太厚對於元件效益都不佳，發現 藉由改變不同厚度的主動層，對於元件特性影響有規律性。主動層薄膜太薄與太 厚，V 受主動層膜厚影響較小，除非在小於100nm；J 、FF、PCE受主動層膜
Blend thickness (nm)
G lobe EQ E (%)
0 100 200 300 400
0 10 20 30 40 50
厚影響較大；尤其是與JSC 與PCE較大。若是以整體元件有最佳效率而言，其吸 光量和激子傳輸效率之最佳化，就模擬結果而言：P3HT/PCBM 薄膜最佳主動層 吸光為75nm。
(a)
(b)
Blend thickness (nm)
J
SC(m A /c m
2)
Blend thickness (nm)
V
OC(V )
(c)
(d)
圖4. 7(a) JSC;(b) VOC;(c)F.F.;(d)PCE 對不同光主動層厚度的關係圖
Blend thickness (nm)
F. F.
0 50 100 150 200 250 300
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Blend thickness (nm)
0 50 100 150 200 250 300
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
4-3.2 電動傳輸層厚度特性
本 小 節 太 陽 能 電 池 的 數 值 模 擬 厚 度 為:ITO(180nm)/PEDOT(20~100nm)/
P3HT:PCBM(混合比=1:1)(75nm)/Al (100 nm)。PEDOT：PSS 為電洞傳輸層其功能 有二，其一為導電性高，可增加電洞的收集效率；其二在 ITO 上塗佈 PEDOT：
PSS 層，可使 ITO 表面較為平滑，有助於光主動層材料成膜的平整性，使元件中 的電場分布較為均勻。圖 4.8(a)、(b)、(c)、(d)分別為短路電流密度(JSC) 、開路 電壓(VOC)、填充因子(F.F.)、轉換效率(PCE)與 PEDOT:PSS 薄膜厚度的關係圖。
模擬結果顯示：發現在此 20~100nm 範圍內 PEDOT：PSS 厚度對 VOC、JSC、F.F 與PCE 影響並不大。PEDOT:PSS 厚度在 10~100nm 之間，其 JSC在10.0~10.5mA/cm2 之間；VOC約為0.55 V；F.F.為 0.5；其轉換效率(η)界於 2.6~3.0%間。若要嚴格得 出一最佳化值，就模擬結果而言：電洞傳輸層(PEDOT:PSS)的最佳厚度為 60nm。
(a)
PEDOT:PSS thickness (nm)
J
SC(mA /cm
2)
0 20 40 60 80 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
(b)
(c)
PEDOT:PSS thickness (nm)
V
OC(V )
0 20 40 60 80 100
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
PEDOT:PSS thickness (nm)
F. F.
0 20 40 60 80 100
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
(d)
圖4. 8(a) JSC;(b) VOC;(c)F.F.;(d)PCE 對不同電洞傳輸層薄膜厚度關係圖
4-4 最佳化參數探討
本研究利用數值模擬所建立的最佳化P3HT:PCBM為75 nm，PEDOT:PSS為 60nm。圖4.9為Al(100nm)/P3HT-PCBM(75nm)/PEDOT:PSS(60nm)/ITO(180nm)各 層薄膜對不同波長的光吸收率。由圖4.9中發現：ITO層的光吸收只侷限在小於 380nm(<380nm)，大於380nm的光大多穿透ITO層；而對於Al與PEDOT:PSS層則 在300~650nm其吸收率也非常低，亦即小於0.1，但當波長在650~800nm中，其光 吸收率有上昇到0.3與0.2的趨勢；而對於光主動層(P3HT-PCBM)則其主峰出在 350nm與450~550nm之間，其光吸收率可以達到0.85~0.9，而整體光吸收率為47.2%。
圖4.10為EQE對不同波長光之曲線圖，由圖中發現：其主鋒值分別為360nm與 550nm，其EQE分別為0.6與0.85，而整體EQE比率為37.1%。
圖4.11為電流-電能-電壓曲線圖。由此圖中可以計算其短路電流密度(JSC)、開 路電壓(VOC)、填充因子(FF)、與轉轉效率(PCE)分別為 10.6 (mA/cm2)、0.55(V)、
PEDOT:PSS thickness (nm)
0 20 40 60 80 100
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0.51、與2.96%。其輸出最大電壓(Vm)與最大電流(Jm)分別為0.4(V)與7.4(mA/cm2)，
而最大輸出功率為2.96(mW/cm2)。由圖中亦可以計算其串聯電阻(RS)與並聯電阻 (RSH)分別為15.03與401.95(Ωcm2)。其各項特性參數請參考表4.2。
圖4. 9 Al/P3HT-PCBM/PEDOT:PSS/ITO 各層薄膜對光波長的吸收率分佈圖
圖4. 10 EQE 對不同波長光之曲線圖
w avelength (nm )
A bs or ptiv ity
300 400 500 600 700 800
0
300 400 500 600 700 800
0
圖4. 11 電流密度-功率-電壓曲線圖 Currnet density 8 Power