第二章 結果與討論
3.1 聚噻吩的簡介
4.3.2 溶液及薄膜態的 UV-vis 光譜
以光交聯程度測詴得到的最佳聚合條件是加熱 100 ℃，UV 曝光 40 秒。以 此條件作交聯前後吸收光譜的比較分析。
由圖 4-6 可知，P3HOT 系列高分子溶液態皆在 445 nm 左右有最大吸收，而 薄膜態在 555 nm 左右有最大吸收。薄膜態所測得的吸收位置較溶液有紅位移的 現象產生，主要是因為分子在薄膜狀態時，其分子鏈與分子鏈之間的距離較溶液 態來的靠近，並有較強的交互作用，因此薄膜時的最大吸收峰位置會產生紅位移 的現象。從溶液態到薄膜態的最大吸收紅位移約 110 nm，與 rr-P3HT 的紅位移 相差不遠，沒有較低的現象。在先前的熔點分析推論 oxetane 官能基的導入影響
高分子鏈在固態時的堆疊，但從本節紅位移的狀況來看，- 共軛的情況並沒有
明顯地改變，研判 oxetane 雖然造成結構上的彎曲，但影響堆疊的程度並不大。
至於交聯後的吸收位置與交聯前差異不大，沒有明顯藍位移的現象，推測交聯的 結構並沒有破壞主鏈而造成共軛長度變短。
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400 500 600 700 800 900
0.0
400 500 600 700 800 900
0.0
Solution Film Cross-linked film
P3HOT-20 446 558 558
P3HOT-10 444 558 556
P3HOT-5 446 555 554
60
300 400 500 600 700 800 900
0.0
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(a) from the edge of UV spectrum in thin film state (b) from the onset of oxidation potential
(c) from the equation HOMO = -4.4 - Eox,onset
(d) from the equation LUMO = Eg + HOMO
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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -0.04
-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06
Current (mA)
Voltage vs Fc/Fc+ (V) (c)
圖 4-7. P3HOT 之 CV 圖 (a) P3HOT-20 (b) P3HOT-10 (c) P3HOT-5
4.5 元件光電性質之量測
4.5.1 有機太陽能電池材料
本研究所合成出的三個 P3HOT 系列高分子溶解度皆佳，可溶於元件製程上 常用的有機溶劑(如氯苯、鄰二氯苯等)，但三個高分子無論在熱性質、光學及電 化學性質的表現上都相當接近，所以我們選擇其中的 P3HOT-10 在元件效率的表 現上加以探討。
4.5.2 有機太陽能電池元件製作
本研究所使用之元件結構參下圖 4-8，由下而上分別為玻璃（Glass）做為基 材，銦錫氧化物（ITO）作為陽極，PEDOT:PSS 作為電洞傳輸層，Crosslinked P3HOT-10 (C-P3HOT-10)為中間層，P3HT 作為電子予體，PCBM 作為電子受體，
以及鈣、鋁金屬作為陰極。
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圖 4-8. 有機太陽能電池之元件結構
Glass/ITO/PEDOT:PSS/C-P3HOT-10/P3HT:PCBM/Ca/Al
詳細過程如下：
9. ITO 玻璃基板清洗：依序浸泡於中性清潔劑、去離子水、丙酮和異丙醇超音 波震盪十分鐘。
10. 旋轉塗佈電洞傳輸層：旋轉塗佈 PEDOT：PSS (Baytron PVP AI-4083) 40 nm 於圖樣化之 ITO 玻璃，大氣下以攝氏 150 度軟烤 1 小時後退火(annealing)，
厚度約 30 nm。
11. 旋轉塗佈光交聯緩衝層：配製 P3HOT-10，1 wt% 溶於鄰二氯苯，加入光起 始劑(6 wt%相對於 P3HOT-10)。以 3000 rpm 旋轉塗佈 40 秒於 PEDOT 上，
置於攝氏 100 度之加熱板加熱 15 分鐘，隨後置入紫外線曝光機照光 40 秒。
12. 旋轉塗佈主動層：P3HT：PCBM (1：1)，2 wt % 溶於鄰二氯苯，加熱攪拌過 夜，以 1000 rpm 旋轉塗佈 70 秒於 PEDOT 上，並除去主動層以外之區域。
13. 溶劑迴火和高溫迴火：以培養皿覆蓋約 1 小時等溶劑慢慢揮發，待溶劑全揮 發乾後置於攝氏 140 度之加熱板加熱 15 分鐘。
14. 真空蒸鍍陰極：通常選擇低功函數的金屬，有利於電子注入，可以增加元件 之效率。通常的方式為主動層上先蒸鍍一層功函數低的鈣金屬(Ca)，厚度約 10 nm，但因鈣金屬活性高，我們再蒸鍍一層鋁金屬(Al)作為保護，厚度約 100
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nm。
15. 封裝：蒸鍍完畢後，手套箱內以塗上 UV 交聯膠之玻璃封裝，曝罩於 UV 光 源下一分鐘確保塗膠交聯，以達到隔絕水、氧的效果。
4.5.3 有機太陽能電池元件量測
量測設備：4. 日光模擬光源 (solar simulator)：採用 1000 W Xenon light source，波長範圍 350~1100 nm，波長分布符合 class A 分佈。
5. 電源電表：採用 Keithley 2440 及 USB GPIB 介面卡。
6. IPCE (太陽能電池量子轉換效率量測系統)：300 W 研究及氙燈作為系統主光 源，單光儀可光範圍涵蓋 200~1600 nm，以鎖相放大器(lock-in amplifier)將高 頻部份雜訊濾除。先量測參考太陽能電池(reference cell)之頻譜響應(Spectral Response)，接著量側樣品之頻譜響應。經由與參考太陽能電池量子轉換效率 比較，求得各樣品電池於特定波長下的量子轉換效率。