400 500 600 700 800 -0.1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Absorption (a.u.)
Wavelength(nm)
CdSe CdSe/ZnSe
圖4-1 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核殼量子點紫外光-可見光吸收光譜圖
4-1-2 光激發光譜分析
測量光激發光譜前，先透過UV-vis的測量得到吸收強度相近的CdSe及 CdSe/ZnSe核殼量子點的溶液，再測量光激發光譜，在測量時使用的激發光 的波長為400 nm。圖4-2即為CdSe量子點及CdSe/ZnSe核殼量子點所測得的 光激發光圖譜。由光激發光譜的量測可知合成出的CdSe量子點激發光的波 長為564.6 nm，而CdSe/ZnSe核殼量子點的激發光波長為568.8 nm，也有發 生紅位移的現象。由圖4-2中也可以看出比起CdSe量子點，CdSe/ZnSe核殼 量子點的光激發光的強度明顯增強許多，因為在CdSe的表面成長ZnSe，因 為此兩種材料的晶格常數不同，使得CdSe的表面缺陷減少，提高量子效率，
再加上CdSe/ZnSe核殼量子點在能階結構上為限制型的Type-1結構[45]，CdSe 的能階被能隙較大的ZnSe的能階所圍住，此形式的能階有助於量子效率的 增加，也表示ZnSe確實有包覆在CdSe 表面形成核殼結構。藉由光激發光譜 所得到的結果，可推測實驗中有成功合成出CdSe/ZnSe核殼結構的量子點。
500 550 600 650 700 0
100 200 300 400 500
Intensity (a.u.)
Wavelength(nm)
CdSe CdSe/ZnSe
圖4-2 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核殼量子點光激發光吸收光譜圖
4-1-3 穿透式電子顯微鏡分析
圖4-3和圖4-4分別為CdSe量子點和CdSe/ZnSe核殼量子點由穿透式電子 顯微鏡所拍攝的影像。從圖中可估計合成出來的CdSe量子點的大小約略為 2.9 nm左右，和使用的公式所計算出來的值2.96 nm相近。而CdSe/ZnSe核殼 量子點的大小則約略為4.4 nm左右，可推測出ZnSe殼層的厚度約為0.75 nm，此厚度略大於CdSe/ZnSe核殼系統中電子和電洞的穿透長度(0.5 nm和 0.55 nm)[55]，即實驗中合成的出CdSe/ZnSe核殼量子點可對電子和電洞有侷 限的作用。
圖4-3 CdSe 量子點 TEM 觀測圖
10nm 10nm
圖4-4 CdSe/ZnSe 核殼量子點 TEM 觀測圖
4-2 CdSe 及 CdSe/ZnSe 加入 P3HT：PCBM 掺混有機太陽能電池元件分析
大幅下降，使元件的光電轉換效率消相對變差，可能是因為量子點過多時， co-solvent 所配製的吸光層溶液使 morphology 改變而造成。
圖 4-8 和圖 4-9 即為手套箱內製作的元件所測量出的電流-電壓曲線
圖，表4-1 和表 4-2 則是元件所量測出的各項電性參數，在手套箱製作的標 準P3HT：PCBM 掺混太陽能電池的光電轉換效率為 2.65 %，而一般文獻報 導常見 P3HT：PCBM 掺混太陽能電池之光電轉換效率約落在 3~4%間，最 高則可達 4~5 %[55]，因在元件製作時的參數、環境以及製作技術上的差異(如 膜厚、溶劑、持溫條件和電極等因素)，所以製作出的 P3HT：PCBM 掺混 太陽能電池會有不同的光電轉換效率。由圖4-8 和表 4-1，將加入 CdSe/ZnSe 核殼量子點和加入CdSe 量子點的元件之電性參數相比，加入 CdSe/ZnSe 核 殼量子點所製作的元件同樣因有較高的短路電流和填充因子，所以有較好 的光電轉換效率；由圖4-9 和表 4-2 可觀察出加入各種量子點濃度時，元件 之短路電流也是都會有增加的情形，其中加入濃度3% CdSe/ZnSe 核殼量子 點有最大的短路電流 8.98 mA/cm2，開路電壓則都很固定，不受量子點濃度 改變所影響，而填充因子則在少量濃度時有增加的情形，但隨加入量子點 濃度的增加會產生下降的趨勢。綜合各項電性參數，最後可得加入濃度3 % CdSe/ZnSe 核殼量子點所製作的元件，可得 3.31 %的光電轉換效率，和未加 入量子點的元件之光電轉換效率2.65 %相比，其效率約提升了 25 %。
圖 4-10 和圖 4-11 分別為 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 組成和 CdSe：P3HT：
PCBM 組成元件的能階結構示意圖[47][56][57][58]。
(a) (b)
(a) (b)
(a) (b)
0.0 0.2 0.4 0.6 Standard -7.20 0.65 56.53 2.65
3% CdSe -8.74 0.65 50.52 2.87
3% CdSe/ZnSe -8.98 0.65 56.75 3.31
0.0 0.2 0.4 0.6 Standard -7.20 0.65 56.53 2.65
1% CdSe/ZnSe -7.54 0.65 60.99 2.98
3% CdSe/ZnSe -8.98 0.65 56.75 3.31
5% CdSe/ZnSe -8.58 0.65 52.34 2.92
Energy Level (eV) 0
2
4
6
16
ITO PEDOT : PSS
ZnSe CdSe ZnSe
TOPO Al
圖4-10 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 組成元件之能階結構示意圖
18 PCBM
TOPO P3HT
PCBM P3HT
Energy Level (eV)
18 16 6 4 2 0
ITO PEDOT : PSS
P3HT TOPO TOPO CdSe Al PCBM
PCBM P3HT
圖 4-11 CdSe：P3HT：PCBM 組成元件之能階結構示意圖
4-2-2 紫外光-可見光吸收光譜分析
圖 4-12 和圖 4-13 分別為在吸光層溶液中加入不同濃度 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核殼量子點，並將其旋轉塗佈成薄膜後所測量的 UV-vis 吸收光 譜。在圖4-12 和圖 4-13 中，在波長 330 nm 附近的吸收是 PCBM 的吸收，
波長520 nm 附近的吸收則 P3HT 的吸收，而 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核 殼量子點的吸收波長位置為546 nm 和 556 nm，因為和 P3HT 吸收波長範圍 重疊，且在吸光層中量子點的濃度也不高，所以看不到 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核殼量子點的吸收峰。由圖 4-12 和圖 4-13 中可觀察出當吸光層 中加入量子點的濃度偏低時，如1 %和 3 %，對 P3HT 吸收範圍的吸收強度 沒有太大的變化，而當吸光層中量子點濃度提高時，如 7 %和 9 %，則在 P3HT 吸收範圍的吸收強度會有較明顯的增強，此吸收的增強可能是因為量 子點的濃度提高，吸收也變強，所有使整體的吸收也跟著增強。然而當製 成元件時，吸光層中的CdSe/ZnSe 核殼量子點濃度只需加入 1%即有增強短 路電流的現象，且隨著吸光層中量子點濃渡的增加，元件的短路電流也沒 有一直提升的情形。因此推測加入量子點後使P3HT 吸收波長範圍的吸收增 加對於元件的短路電流會有影響，但造成元件加入量子點後短路電流增強 的情形，應該是由其他因素所導致的。
300 400 500 600 700 800
圖4-12 CdSe：P3HT：PCBM 掺混薄膜之紫外光-可見光吸收光譜圖
300 400 500 600 700 800
0.0
圖4-13 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 掺混薄膜之紫外光-可見光吸收光譜圖
4-2-3 光激發光譜分析
圖 4-14 和圖 4-15 分別為在吸光層溶液中加入不同濃度 CdSe 量子點和 CdSe/ZnSe 核殼量子點，並將其旋轉塗佈成薄膜後以 500 nm 波長的光激發 所測量的光激發光譜。由圖4-14 和圖 4-15 可觀察出當加入 CdSe 量子點或 CdSe/ZnSe 核殼量子點時，所得到的光激發光都會有增強的情形，而沒有發 生減弱的情形。而雖然光激發光都會有增強，但其增強的程度卻和加入量 子點的濃度沒有一定的趨勢，並非加入濃度越高，所得到的光激發光強度 會越強。推測可能和添加 CdSe 量子點或 CdSe/ZnSe 核殼量子點後會影響 P3HT 分子鏈堆疊的規則度有關。因 P3HT 的螢光光譜對其分子鏈堆疊的規 則度相當敏感，當P3HT 分子鏈排列規則性被破壞時，其螢光光譜強度會上 升[59]。此外，因實驗中合成出的量子點其表面仍會有TOPO 包覆著，而 TOPO 對電荷的傳導能力較差，所以當量子點位於 P3HT 和 PCBM 之間時，成為 P3HT 和 PCBM 之間電荷傳遞的障礙，使 P3HT 上的電荷不能有效的傳遞至 PCBM，也會造成 P3HT 光激發光的增強。所以當 CdSe 量子點或 CdSe/ZnSe 核殼量子點加入時除了可能會造成高分子、量子點間的能量轉移使光激發 光下降，也會破壞原本 P3HT 的推疊規則度及阻礙 P3HT 和 PCBM 間電荷 傳遞使光激發光上升，而經由這些因素，影響著整體光激發光的強度。
500 600 700 800 900
圖4-14 CdSe：P3HT：PCBM 掺混薄模之光激發光譜圖
500 600 700 800 900
0
圖4-15 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 掺混薄膜之光激發光譜圖
4-2-4 原子力顯微鏡分析
圖 4-16 到圖 4-19 為使用原子力顯微鏡掃 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 掺 混吸光層的表面起伏影像，其加入CdSe/ZnSe 核殼量子點的濃度分別為 0、
1 %、 3 % 和 5 %，而對應不同量子點濃度其測得表面粗糙度之值分別為 0.851 nm、0.863 nm、0.965 nm 和 0.995 nm。由掃瞄表面得到的粗糙度分析，
可觀察出當 CdSe/ZnSe 核殼量子點加入的量越多時，其吸光層表面的粗糙 度也會上升，可能因為吸光層中會又少量的量子點聚集造成表面粗糙度的 上升，而表面粗糙度的上升會增加吸光層的吸光能力，對元件短路電流的 增加有所幫助[60]。
250nm
圖4-16 P3HT：PCBM 薄膜 AFM 掃圖 RMS=0.851nm
250nm
圖4-17 1% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 AFM 掃圖 RMS=0.863 nm
圖4-18 3% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 AFM 掃圖 RMS=0.965 nm 250nm
250nm
圖4-19 5% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 AFM 掃圖 RMS=0.995 nm
4-2-5 穿透式電子顯微鏡分析
圖 4-20 到圖 4-22 為 CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 掺混的吸光層經由穿透 式電子顯微鏡所拍攝的影像，其加入CdSe/ZnSe 核殼量子點的濃度分別為 1
%、 3 % 和 5 %。由於樣品於穿透式電子顯微鏡的成像會與樣品的質量、
材料密度及電子密度有關，通常材料密度高會造成電子的散射比較強，因 此該材料的投影會較黑，而PCBM 的密度(1.5 g/cm3)比 P3HT(1.1 g/cm3)高
[61]，因此可確認圖中較偏黑色的區域為 PCBM 含量較高的區域，偏白色的
區 域 為 P3HT 含 量 較 高 的 區 域 ， 而 黑 色 一 粒 一 粒 的 黑 點 則 是 加 入 的 CdSe/ZnSe 核殼量子點。隨著吸光層中 CdSe/ZnSe 核殼量子點濃度的增加，
圖中可看到的CdSe/ZnSe 核殼量子點也有變多的的趨勢。且在圖 4-21 和圖 4-22 中，CdSe/ZnSe 核殼量子點在吸光層中有良好的分佈，沒有產生嚴重聚 集的情形。顯示當吸光層中CdSe/ZnSe 核殼量子點的濃度在 5%之內時，其 在吸光層中不會有明顯聚集的現象。
圖4-20 1% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 TEM 觀測圖
圖4-21 3% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 TEM 觀測圖
圖4-22 5% CdSe/ZnSe：P3HT：PCBM 薄膜 TEM 觀測圖