第二章 結果與討論
2.6 元件光電性質之量測
2.6.4 碳六十衍生物之元件表現及討論
於太陽能電池元件：ITO/TiOx/crosslinked fullerene derivatives/P3HT:PCBM/
MoO3/Ag 中，PCBOD 其元件最佳表現之 Voc值為 0.60 V，Jsc值為 12.23 mA/ cm2， P3HT/C-PCBOD 及 PCBM/C-PCBOD。從圖 2-15 元件 B 可以看到，C-PCBOD 提 供一個額外的 P3HT/C-PCBOD 接面，比起在元件 A 中(無 C-PCBOD 中間層)的 中，n 型的 C-PCBOD 便扮演一個電洞阻擋緩衝層(hole-blocking buffer layer)的角 色，其抑制了電子從 TiOx回傳至 C-PCBOD 中間層及主動層中的 P3HT。雖然在
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C-PCBOD 與主動層的 PCBM 形成歐姆接觸(ohmic contact)，即串連電阻可以忽 略不計。另外，在元件 A 中 TiOx扮演一個無機的電子選擇層，在元件 B 中的 C-PCBOD 則為有機的電子選擇層。由上述可知，元件 B 比起元件 A 有著 PCBM/C-PCBOD 之歐姆接觸及有機-有機介面的優點，其可以減低元件的串聯電 阻及增加電性耦合度，進而促進電子在介面處的傳遞。換言之，C-PCBOD 扮演 一個電子萃取層，可以有效率地將主動層 PCBM 區塊的電子擷取出來，而不容 易因無方向性的電荷傳遞增加電荷再結合的機率。
元件 C (含有 C-POFOD 中間層)各個參數的提升我們也以 C-POFOD 與主動 層 P3HT 及 PCBM 產生額外異質接面，增加激子拆解能力，並扮演電洞阻擋層 及電子萃取層增加電子擷取能力，進而降低電荷再結合之可能性來解釋。
圖 2-15. 元件 A 及元件 B 之結構圖及其各層之能階關係
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PAFOD 因其有較低的 LUMO 能階，作為中間層材料可以提供一個漸進式的
電子傳遞路徑而備受期待。然而，從元件的表現上卻非如此，其 Jsc與對照元件
相比，從 11.64 mA/cm2大幅下降至 3.75 mA/cm2，FF 從 53 %下降至 44 %。猜測 pyrazoline 的結構扮演一個電子陷阱(electron trap)的角色為整體元件效率降低的 主要原因[46]。(圖 2-16)
圖 2-16. PAFOD 之 pyrazoline 的結構扮演一個電子陷阱的角色[46]
三個碳六十衍生物中，以 C-PCBOD 為中間層的元件 B 表現最為突出，PCE 高達 4.52 %。因此，我們將此材料進一步地運用到以 PCPDTBT : PC71BM 為主 動層材料的元件。由表 2-5 可知，元件 F (加入 C-PCBOD 中間層)在各個參數的 表現比起元件 E (不含 C-PCBOD 中間層)有著明顯的提升，其 PCE 從原本的 2.61
%大幅提升至 3.95 %，Jsc更高達 16.36 mA/cm2。此數據再次凸顯中間層在元件 上扮演的角色。
表 2-4. 在 AM 1.5G illumination spectra(100 mW/cm2)下元件 A-D 的參數表現
Compound Device Voc Jsc PCE FF(%) Standard A 0.58 11.64 3.55 52.59
PCBOD B 0.60 12.23 4.52 61.55
POFOD C 0.60 12.25 4.50 61.26
PAFOD D 0.56 3.75 0.93 44.30
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Current density (mA cm-2 )
Voltage (V)
Current density (mA cm-2 )
Voltage (V)
device A, ITO/TiOx/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag
device B, ITO/TiOx/C-PCBOD/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag device C, ITO/TiOx/C-POFOD/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag device D, ITO/TiOx/C-PAFOD/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag
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Current density (mA cm-2 )
Voltage (V)
device A, ITO/TiOx/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag
device B, ITO/TiOx/C-PCBOD/P3HT:PCBM (1:1, w/w)/MoO3/Ag device E, ITO/TiOx/PCPDTBT:PC71BM (1:2, w/w)/MoO3/Ag
device F, ITO/TiOx/C-PCBOD/PCPDTBT:PC71BM (1:2, w/w)/MoO3/Ag
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Current density (mA cm-2 )
Voltage (V)
。太陽能電池元件(ITO/TiOx/Crosslinked C60/P3HT:PCBM/MoO3/Ag)，藉由導入 C-PCBOD 及 C-POFOD 中間層明顯提升光電轉換效率，有別於對照元件(不含碳 六十衍生物之中間層)，元件效率從 3.5 %提升至 4.5 %。然而，在 PAFOD 的案 例裡卻非如此，其 Jsc與對照元件相比，從 11.64 mA/cm2大幅下降至 3.75 mA/cm2， FF 從 53 %下降至 44 %。我們推測 pyrazoline 的結構扮演一個電子陷阱的角色為 整體元件效率降低的主要原因。
我們進一步地將 PCBOD 運用在以 PCPDTBT : PC71BM 為主動層材料之元件 (ITO/TiOx/C-PCBOD/PCPDTBT:PC71BM/MoO3/Ag)，其 PCE 與對照元件(不含