疊層式元件

對於有機疊層式太陽能電池為言，除了將兩單一元件順利疊接外，還必須考慮到兩 單一元件的電流匹配及光學匹配的問題。所謂電流匹配為當上下兩單一元件以串聯的方 式疊接後，其電流值會遵循Kirchhoff’s Law-在同一迴路的電流必須相同，故上下兩單一 元件的電流在元件疊接後，其個別的電流需相同於整體疊層式元件的電流，所以在元件 疊接之前，兩單一元件的電流值相同才能得到最好的疊加效果，此外，若當兩單一元件 的電流值不一樣時，則疊層式元件的電流也會由兩單一層元件其中較小的電流決定。另 外，在光學匹配方面，P3HT：PCBM 或 MEH-PPV：PCBM主要吸收較短波長 (約 430~600nm)，而Pentacene/C60能吸收較長波長(600~700 nm)的太陽能光，當光通過下層 高分子層後，在上層的小分子層能吸收其較少吸收的長波長波段，使得疊層式元件能對 於整個太陽能光譜的吸收更寬廣，達到疊層式元件所需的光學匹配。底下將分為P3HT：

PCBM與MEH-PPV：PCBM的疊層式元件兩部份探討：

4.2-1 P3HT：PCBM

我們首先討論疊層式元件光吸收的匹配。由圖 4-3 可以觀察到 P3HT：PCBM、

Pentacene/C60及Tandem cell三種不同元件主動層的吸收光譜，P3HT：PCBM元件主要吸 收光能量的峰值界於430~630 nm波長的光，而Pentacene/C60對於600~700 nm和 400~450 nm波長的光吸收度較佳，因此可以剛好彌補了P3HT：PCBM所吸收不足的地方，滿足 了一般認為的疊層式元件所需的光學匹配，使得疊層式元件能將下層所無法吸收到太陽 光較長波長的部分，藉由疊接後的小分子吸收，將疊層式元件所能吸收的太陽能光譜擴 展的更寬廣，同時也增加了在短波長的光譜吸收，使疊層式元件能更有效率的吸收太陽 能光譜，而得以提升元件的效率。

圖4-3 分別為P3HT：PCBM、Pentacene/C60及Tandem cell元件中主動層的吸收光譜。

在元件特性方面，圖三(a)為三種不同元件(高分子、小分子及疊層式元件)在 100 mW/cm²標準太陽能模擬光(AM 1.5G)照射下的電流-電壓(J-V)特性曲線圖。個別元件之 元件特性參數則列於表 4-3 中。我們可以發現單層高分子元件的開路電壓(open circuit

結構連結後，疊層式元件增加為0.77 V，幾乎為兩單層元件開路電壓的疊加，因此可證 明兩個單層元件已成功地被串接。然而，元件開路電壓並沒有達到開路電壓完全疊加的 原因，推測可能是因為在高分子與小分子的吸收光譜仍有部份重疊，因而造成上層小分 子元件的吸光強度有減弱的情形發生，所以造成tandem cell的開路電壓降低。

圖4-4 高分子、小分子及疊層式元件在標準太陽能模擬光(AM 1.5G)照射下的電流-電壓 (J-V)特性曲線圖

表4-3 分別為高分子(P3HT:PCBM)、小分子和疊層式元件的電性表現

Cell type ^Voc

^Jsc

^{FF PCE}

Polymer cell:

ITO/PEDOT/P3HT:PCBM(80nm)/Cs2CO3/Al 0.59 7.67 56 2.51

Small-molecule cell:

ITO/MoO3/Pentacene(45nm)/C60(30nm)/BCP (10nm)/Al

Tandem cell:

ITO/PEDOT/P3HT:PCBM(100nm)/Cs2CO3(0.5nm) /Ag(1.5nm)/MoO3(3nm)/Pentacene(45nm)/

C60(30nm)/BCP(10nm)/Al(100nm)

0.33 4-5(a)可得知當高分子層的厚度變小(80 nm)，使高分子層的電流變小，因此 tandem cell 的兩單層元件能達成較佳的電流匹配，使得叠層式太陽能電池的開路電壓能達成兩單層 電池的疊加，

(a)

(b)

圖4-5 (a) P3HT：PCBM 元件不同主動層厚度的高分子元件在標準太陽能模擬光(AM 1.5G)照射下的電流-電壓(J-V)特性曲線圖(b) P3HT：PCBM元件不同主動層厚度的疊層 式元件J-V特性曲線圖

4.2-2 MEH-PPV：PCBM：

在前一部分，我們已成功地曡接兩單一高分子及小分子元件，但由於小分子層的電 流較小於高分子層的電流，使得疊層式元件並不能達到較佳的電流匹配，而影響曡層式 元件的整體效能。因此，我們使用MEH-PPV:PCBM 當作曡層式元件的高分子層來取代 P3HT：PCBM，由圖 4-6(a)可觀察到 MEH-PPV：PCBM 元件的短路電流較 P3HT：PCBM 小，在曡接小分子層時能達到較佳的電流匹配，並且具有較大的開路電壓，能增加曡層 式元件的總體開路電壓，進而達到增加整體的元件效率，同時由圖 4-6(b)也發現 MEH-PPV：PCBM 高分子薄膜的穿透度與 P3HT：PCBM 高分子薄膜的穿透度，在 450nm~650nm 的波長範圍時，MEH-PPV：PCBM 薄膜的穿透度比 P3HT：PCBM 薄膜 高上許多，能幫助更多的光透過高分子層讓小分子層吸收。

(a)

圖4-6 (a)兩種不同高分子元件與小分子元件的 J-V 特性曲線圖

(b)

圖4-6 (b)兩種不同高分子層的穿透度與小分子層的吸收光譜

在元件特性上面，圖 4-7(a)為三種不同元件(高分子、小分子及疊層式元件)在 100 mW/cm²標準太陽能模擬光(AM 1.5G)照射下的電流-電壓(J-V)特性曲線圖。個別元件之 元件特性參數則列於表4-4 中。我們可以發現單層高分子元件(MEH-PPV：PCBM)的開 路電壓為0.85 V，而單層小分子元件的開路電壓則為 0.33 V，兩者以Cs2CO3/Ag/MoO3的 結構連結後，疊層式元件增加為1.21 V，為兩單層元件開路電壓的疊加，並且較兩單層 元件疊加的開路電壓多了0.03 V，可能是因為直接疊接兩單層元件而降低了整體的內建 電壓(built-in voltage)。另外，由圖 4-7(b)可以觀察到MEH-PPV：PCBM、Pentacene/C60及 Tandem cell三種不同元件主動層的吸收光譜。發現MEH-PPV：PCBM高分子層與P3HT：

PCBM相似，主要是吸收短波段波長的光(400~550 nm)，而Pentacene/C60剛好可以補足 太陽光較長波長的吸收，藉由曡接高分子與小分子元件來增加元件對太陽能光譜的吸 收，使得疊層式元件所能吸收的太陽能光譜擴展的更寬廣，藉以提升元件的效率。

(a)

(b)

圖 4-7 (a)高分子、小分子及疊層式元件在標準太陽能模擬光(AM 1.5G)照射下的電流-電壓(J-V)特性曲線圖 (b)分別為MEH-PPV：PCBM、Pentacene/C60及Tandem cell元件 中主動層的吸收光譜。

表4-4 分別為高分子(MEH-PPV：PCBM)、小分子和疊層式元件的電性表現

Cell type ^Voc

^Jsc

^{FF PCE}

Polymer cell:

ITO/PEDOT/MEH-PPV:PCBM/Cs2CO3/Al 0.85 3.62 41 1.27

Small-molecule cell:

ITO/MoO3/Pentacene(45nm)/C60(30nm)/BCP (10nm)/Al

Tandem cell:

ITO/PEDOT/MEH-PPV:PCBM(100nm)/Cs2CO3

(0.5nm)/Ag(1.5nm)/MoO3(3nm)/Pentacene(45nm)/

C60(30nm)/BCP(10nm)/Al(100nm)

0.33