合式太陽能電池(P3HT/ZnO planar heterojunction solar cell)元件中，將 ZnO 作用 為緩衝層後，將可以提升元件中的能明顯提升元件的開路電壓(open-circuit voltage，Voc )與短路電流(short-circuit current，Jsc ) ，另外指出 Jsc的影響則來自 於 Li 元素摻雜後對 ZnO 晶體 surface roughness 的變化相關[7,8]。
圖 1.1 [9]為包含 ZnO 緩衝層的反轉式 Polymer solar cells (PSCs)元件結構 圖 。 據 研 究 指 出 ， 探 討 高 分 子 太 陽 能 電 池 元 件 時 ， 由 於 緩 衝 層 與 P3HT
(poly(3-hexylthiophene)) : PCBM (phenyl-C61-butyric acid methyl ester)混合的主 動層介面存在顯著的表面能量差，若將 ZnO 的晶體應用於元件的緩衝層，則可 以明顯提升其 PCE，而該研究指出 ZnO 的表面緻密性和均勻度起著關鍵的影響 [9]。過去 ZnO 薄膜已廣泛地運用於有機太陽能電池與混合型太陽能電池
(Hybrid Solar Cells, HSC)，而又因為 ZnO 具有無毒性、良好的穩定性與光電特 性，比起現在普遍應用的矽太陽能電池，在考量成本效益的同時，更具有優勢
[10]。
圖 1. 1 反轉式 PSCs 元件結構圖[9]
從近期研究可以知道摻雜 Li 元素之後，會影響 ZnO 的晶體成長，如果從
LZO 薄膜的原子結構部分來探討，當薄膜作用於 PSCs 元件中的陰極緩衝層時，
其元件的陰極緩衝層與主動層之介面間的平整性，會直接影響接觸電阻；並且 根據該量測結果呈現出其元件的 PCE 與 Root Mean Square (rms)，基本上都有比
較好的表現[11]。從文獻的結果顯示，Li 元素不同濃度摻雜對 ZnO 薄膜的原子 結構具有直接影響，顯示摻雜的濃度改變與 ZnO 晶體的形貌變化相關，並且在 其電性表現的變化結果，發現在 Li 元素摻雜濃度於 5%具有最佳效果；所以我 們想了解，是否再 Li 元素摻雜 ZnO 薄膜之後，使其電子結構發生改變而得到這 些特性。因此，在電子結構的部分則採用同步輻射相關能譜學，來分析在摻雜
Li 元素對 ZnO 薄膜之電子結構的作用機制，並試著討論出 ZnO 的 surface morphology 以及它的 PCE 和電子結構之間的關聯性。
表 1.1 不同 Li 元素摻雜比例之元件電阻率與表面粗糙度比較圖表[11]
表 1.2 不同 Li 元素摻雜比例之元件電電性表現與 PCE 比較圖表[11]
ZnO 為 II-VI 族寬能隙半導體，主要晶體為六方 (Hexagonal) 的纖鋅礦 (Wurtzite) 晶系結構，如圖 1.2 [12]。ZnO 內任一 Zn2+離子會與鄰近的 O2-離子形 成典型的 sp3共價鍵 (Covalent Bonding) 的四面體結構，由於 ZnO 六方對稱結 構上沒有對稱中心，若以中心 c 軸垂直延伸，將 basal plane (0001)和(0001̅)表面 分為 Zn terminated 或者 O terminated [12,13] 。ZnO 的本質缺陷主要包含 O 空缺
(Oxygen Vacancies，VO) 、Zn 間隙 (Zinc Interstitials，Zni)，導致 ZnO 為本質的 n 型半導體。而過去研究指出氧缺陷、化學成分和各類添加物，對 ZnO 的電阻 率或結構上的物理特性具有顯著影響[14]。ZnO 經常被做為透明光電材料，其擁 有很高的電子遷移率和高導熱率，並且具有～3.37 eV 的直接能隙及～60 meV 的高激子束縛能，因此適合應用於廣泛的裝置，其中包含透明薄膜電晶體、光 電檢測器、發光二極體、發光二極管等[10]。
圖 1. 2 ZnO 晶體結構[12]
儘管近年來已運用摻雜 I 族(Li、Na、K)與 V 族(N、P、As)等元素對 ZnO 進 形式，即 Li 取代 Zn 的位置(substitutional sites, LiZn)，為淺能級 acceptor 並增加
ZnO 在價電帶上的電洞，以促使 n 型 ZnO 轉變成 p 型 ZnO；反之 Li 元素置於
探討 Li 元素在不同摻雜含量如何影響 ZnO 的電子結構與原子結構，並且從先前 數交疊程度較大，使態密度分散較明顯，電子趨向混成雜化(molecular orbital
hybridization)，而能量相對較高的內層電子則具有較大的局域性。因此，ZnO 的鍵結主要為 O 2p-Zn3d 和 O 2p-Zn 4sp 的混成所貢獻。藉由了解各個能級電子 態密度的變化與混成軌域的雜化程度，即藉由分析與討論 XAS 和 XPS 能譜，
除可得知上述資訊外，對於作為 host 的 ZnO 材料，在元素摻雜後電子結構的變 化與材料特性間的關係，可得一詳實且對製程極有參考價值之結果。
圖 1. 3 ZnO 能帶結構圖[25]