熱性質分析

太陽能電池是藉由吸收太陽光而得到自由電子，然而在長時間照射下，溫度 會逐漸提高而破壞元件的特性，因此材料本身的穩定性相當重要，穩定性可分為 化學性穩定及物理性穩定。化學性穩定是與材料本身的化學結構是否產生化學鍵

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的斷裂有關，當化學性穩定不佳時會影響材料本質，進而造成元件效率降低。物 理性穩定是與材料的製作過程有關，當製作過程中產生了缺陷，會造成局部漏電 流或是電荷的再結合，這些現象皆會導致元件效率的降低。

因此，我們必須對材料進行熱穩定性的探討。對於高分子材料而言，最常見 的熱性質分析是藉由熱重分析儀以及微差掃描卡計。熱重分析儀(簡稱 TGA)是測 得當溫度逐漸升高時，樣品的重量變化情形，而以樣品的剩餘重量為原本的 95%

時的溫度稱為熱裂解溫度(簡稱 T_d)；微差掃描卡計(簡稱 DSC)則是獲得玻璃轉移 溫度(簡稱 T_g)，當操作溫度在 T_g點以下時，高分子鏈呈現凍結狀態，無法進行

擾動而變成硬固體狀態；而當溫度升高至 T_g點以上時，其高分子主鏈即開始蠕

動，此時高分子由玻璃態轉變到橡膠態，如此一來，高分子鏈於高溫的情況之下 更容易產生堆疊。

圖 2-2~圖 2-7 為共聚高分子 PCSTBT、PCSTDPP 系列的 TGA 圖譜，圖 2-8~

圖 2-13 為共聚高分子 PCSTBT、PCSTDPP 系列的 DSC 圖譜，其 Td、Tg的數據 圖表可見表 2-5。由共聚高分子 PCSTBT 系列的三張圖譜中可觀察到二個現象：

(1)熱裂解溫度(Td)為 PCSTBT25 > PCSTBT50 > PCSTBT75；(2)當樣品從快速裂解 到達 500 ℃左右平緩時，共聚高分子 PCSTBT₂₅的剩餘重量約 45 %、共聚高分 子 PCSTBT50的剩餘重量約 65 %、共聚高分子 PCSTBT75的剩餘重量約 80 %。

由以上二點可以猜測 A1 因結構上較 D2 為剛硬，所以是 D2 先行裂解，而又以

PCSTBT25的 D2 比例最高，且單位分子量最大，所以所需的裂解溫度就相對較

高，最後所剩餘的重量也較少，此外當 A1 比例逐漸增加時，熱裂解的困難度也 隨之增加。而共聚高分子 PCSTDPP 系列的圖譜則沒有明顯的差異，猜測原因可 能是 D2、A1 皆有長碳鏈所以結構相似度大以及其單位分子量差異不大的關係。

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200 300 400 500 600 700

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200 300 400 500 600 700

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200 300 400 500 600 700

50

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200 300 400 500 600 700

30

200 300 400 500 600 700

30

200 300 400 500 600 700

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Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

T_g = 66 ^oC

圖 2-8. 共聚高分子 PCSTBT₂₅之 DSC 圖譜

圖 2-9. 共聚高分子 PCSTBT50之 DSC 圖譜

圖 2-10. 共聚高分子 PCSTBT75之 DSC 圖譜

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Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

Heat Flow (W/g)

Temperature (^oC)

T_g = 55 ^oC

圖 2-11. 共聚高分子 PCSTDPP₂₅之 DSC 圖譜

圖 2-12. 共聚高分子 PCSTDPP50之 DSC 圖譜

圖 2-13. 共聚高分子 PCSTDPP75之 DSC 圖譜

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表 2-5. 低能隙共軛高分子的分子量分佈和熱性質

Copolymer

T

T

PCSTBT₂₅ 402 55

PCSTBT₅₀ 398 62

PCSTBT₇₅ 361 66

PCSTDPP25 418 55

PCSTDPP50 391 55

PCSTDPP₇₅ 404 55

由表 2-5 可知，共聚高分子 PCSTBT、PCSTDPP 系列的熱裂解溫度約在 361

~ 418 ℃左右，對於太陽能電池材料的應用來說，已具備相當優良的熱穩定性。

T

原因為三者的單位分子量差異不大且 D2 與 A2 皆有長碳鏈結構，因此 D2 與 A2 之間的比例差異對 T_g無明顯影響。總結共聚高分子 PCSTBT、PCSTDPP 系列 的 T_g值皆位於 55 ~ 66 ℃之間，算符合太陽能電池元件使用上的需求。