[1]、非晶矽[1]、微晶矽四種；再來是化合物半導體，以 GaAs、CdTe、GaInP…
等。此種無機太陽能電池已有相當長的研究歷史，不但效率高且性能穩定，
目前已有量產並被廣泛應用，但其製作複雜、製作成本高…等缺點，使得 科學家又朝向另一個方向發展。
進而發展出有機染料敏化太陽能電池（Dye-Sensitized Solar Cell）、有機 小分子太陽能電池（Organic Solar Cell）、高分子太陽能電池（Polymer Solar Cell），由於有機分子對光具有較高的吸收度，希望藉此減少材料的使用量，
能製造出更輕薄短小且價格低廉的太陽能電池。但目前學者在高分子太陽 能電池上的效率表現仍無法超越第一代矽晶太陽能電池 25 ％，而Ⅲ-Ⅴ族 單晶電池更可達 28.8 ％[2]，所以高分子太陽能電池仍需更多研究與改進。
1-2 高分子太陽能電池元件介紹
1-2-1 太陽能電池元件結構與操作原理[3]
圖 1-1：高分子太陽能電池元件結構
高分子太陽能電池元件結構如上圖 1-1 右邊所示，最上層為一塗 佈 ITO 的玻璃基材，再塗佈電洞傳輸層（PEDOT：PSS）跟主動層（Active layer），最後蒸鍍上金屬電極，其主動層大部份都為 P 型的共軛高分子 與 N 型 C60衍生物所組成。
光主要由共軛高分子吸收，由於共軛高分子材料具高的吸收係 數，其元件的厚度約為 100 nm，為最輕薄的太陽能電池。
其光電轉換詳細作用機制如圖 1-2 所示，利用 P 型與 N 型的材料 混滲，藉由太陽光的照射，產生電子與電洞對（Electron/Hole Pair），
擴散至 P-N 介面後，並在 P-N 介面產生電子與電洞分離，並分別經由 電子與電洞的傳導材料，傳輸至陰陽電極而形成電壓降，以產生電能。
圖 1-2：光電轉換詳細作用機制
由於有機半導體材料與無機材料相比有較高的束縛能（Binding Energy），其束縛能約大上一到兩個 order，故於室溫條件下，有機材料 無法形成自由的電子或電洞，必須藉由 N 型與 P 型材料界面的勢能 差，才能達到電子與電洞分離的效果。
1-2-2 太陽能電池元件材料的選擇[3]
太陽能電池中的每一層，其材料的選擇上有其限制條件與其不同 的功能，其中 ITO 為照光面的透明電極材料，必需具備高導電度（< 20 Ω）及高穿透度功能（於可見區域穿透度 T ％＞ 85 ％）。而 PEDOT：
PSS 主要功能，為修飾 ITO 的 Work Function（減少 Hole Injection Barrier，使電洞傳導效率提昇），並使基板平坦化，另外亦扮演電子阻
擋（Electron Blocking）的角色。ITO/PEDOT:PSS 及 Al 的電極的選擇，
亦是在能階考量下所搭配出，如圖 1-2 所示，ITO/PEDOT:PSS 的 Work Function 必須配合 P3HT 的 HOMO（High Occupied Molecular Orbital）
能階，才能有效將電洞引導出來，而 Al 的選擇也是符合由 PCBM 的 LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）引導出電子需求的緣 故。在蒸鍍 Al 前鍍上 Ca 之原因為藉由這層材料導入，可以增進 electron injection，幫助效率的提昇。
1-2-3 高分子太陽能電池元件設計
電池元件的設計依其結構的不同分成，雙層結構（bilayer devices）
如圖 1-3 所示、塊狀異質介面圖如圖 1-4 所示（bulk heterojunction devices）。
雙層結構（bilayer devices）：
其電池內的主動層分為二層，一層以 P 型材料，一層以 N 型材料，
將二層堆疊後常用於矽薄膜太陽能電池，但運用在有機高分子材料 上，效率表現較塊狀異質介面差[4]，其原因在於高分子材料之激子擴散 長度（exciton diffusion length）不夠所致，高分子在吸光後所產生之激 子在擴散 10-20 nm[5]後釋放出能量回到基態，但主動層之厚度通常需 100 nm 才能有效率地吸收光子，所以當高分子吸光後，其所產生的激 子只有在 P-N 介面 10~20 nm 間的介面處進行電荷分離而產生自由載
子，其他區域所產生之激子皆以輻射或非輻射方式回到基態，故元件 效率較差。但此種設計的優點在於載子的傳導和收集，較另一種塊狀 異質介面結構佳以及製程較簡單和易於控制。
圖 1-3：高分子太陽能電池雙層結構示意圖
塊狀異質介面（bulk heterojunction devices）：
其電池內的主動層只有一層，是將 P 型與 N 型材料做混合後，塗
率，部份元件經回火後會形成相分離，而提升效率，但不適用於所有
開路電壓（open circuit voltage, Voc）：[7]
所謂開路電壓即是太陽能電池在負載無限大的狀況下，也就是外
二者間的能階差來決定 Voc。
短路電流（short circuit current, Jsc）：[7]
所謂短路電流即是太陽能電池在無負荷狀態下，也就是外部電路
n 表示電荷載子的濃度，e 表示為單位電荷（elementary charge）， μ 表示移動率（mobility），E 表示電場強度，假設元件的內部量子效率 (Internal Quantum Efficiency)能達到 100％，n 即為每單位體積吸收的光 子數。電流主要受到電荷載子濃度與載子移動速率的影響，而載子移
越大，就表示漏電流越小。如果考慮串聯電阻 Rs 和分流電阻 Rsh，太
填充因子（fill factor, FF）：[7]
在照光下的電流-電壓特性曲線中，任何一個工作點的輸出功率等
轉換效率 η（efficiency）：[7]
最能表現出太陽能電池好壞的指數，將能量轉換效率定義為輸出
η＝ 子間或分子內呈現非定域化（delocalization），使得 π 電子在分子鏈上可做 自由移動，而產生導電的可能性。
從過去的文獻中得知，具有導電性質的高分子在 1960 年代相繼被發 現。1910 年時首次出現無機聚合物，poly(sulphur nitride)[9]，直至 1962 年發 現一個半導體高分子[10]，此一材料隨後即被加以證實在溫度為 0.4 Ｋ時具 有導電的現象[11]。
1-3-1 分子結構的特性[12]
聚乙炔等線性共軛高分子，有二個缺點，是：熱穩定性及抗氧化性 都差，使分子鏈在激態下易裂解，但以芳香環為主鏈之共軛高分子較無 此缺點，如poly(p-phenylene) (X=－(CH=CH)－) [13]、poly(pyrrole)（X=
─(NH)─）[14]、poly(thiophene)（X=－(SH)－）[15]，此類高分子分為兩 種不同能量大小之共振結構，第一種較穩定之結構稱為aromatic form，
其 π 電子之移動受限於芳香環內，因而無法利用共振移動於環與環之 間，因此具較高的分子能隙，若主鏈上之芳香環具較大共振穩定能 ( resonance energy,Er) 時，會偏向於aromatic form。
另一則是相對不穩定之結構稱為quinoid form，其主鏈上芳香環內 的 π 電子不會被受限在芳香環中，π電子可以沿著主鏈呈未定域化
（delocalization），使主鏈上之雙鍵變單鍵，同時，單鍵也會變為雙鍵，
所以能讓π電子沿著主鏈傳導；若要使 π 電子能在主鏈上移動，則必須 破壞其芳香性，故quinoid form較不穩定。
圖1-5：aromatic form 與 quinoid form 1-3-2 分子結構與其能隙之關聯
分子的結構對其能隙(Eg)之影響可用下列式子表示：
能隙主要被五個因素所影響：分別是Eδγ、Eθ、ESub、ERes、EInt。 Eδγ代表當分子在變化時，其單鍵與雙鍵的鍵長差，而此為決定能 隙最主要的因素。
Eθ代表主鏈上芳香環間之共平面程度，共平面性越好，π電子能夠 共振的機會越大，亦即π電子越易未定域化，而π電子就能夠沿主鏈而 移動，Eθ越大則Eg將越大。
ERes代表每個芳香環的共振穩定能，π電子要能在芳香環內移動必 須克服共振穩定能，所以ERes越大，則Eg將越大。
ESub表 示 側 鏈 取 代 基 對 Eg的 影 響 ， 為 調 整 高 分 子 的 HOMO 及 光最大光流量密度約在700 nm附近（約1.77 eV），根據公式E (eV)=1240/吸 收波長 (nm)，若想吸收長波長約700 nm以上的光子，則能隙需在1.77 eV以 下，所以許多科學家都想辦法設計出低能隙之高分子。
1-4-1 低能隙高分子的設計概念
高分子設計分為二個單體片段，一為予體一為受體，藉由共聚一個 推電子基團與一拉電子基團，產生 intramolecular charge transfer 效應，
使得電子易於在二者間共振，能隙降低。
常 見 到 的 推 電 子 基 團 有 thiophene 、 fluorene 、 carbazole 、 cyclepentadithiophene…等如圖 1-6 所示，拉電子基團則為下述介紹的聯 環系統。
S
Cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]-dithiophene Carbazole Thiophene
圖 1-6：聚合常用的推電子材料
亦或設計讓分子結構形成 Quinoid form，擁有較高共振穩定能，也 能得較低之能隙。具有低能隙之特性的高分子，大部份以聯環系統作為 單體如：Isothianaphthene[17]、Thieno[3,4-b] pyrazine[18]、Thieno [3,4-b]
thiophene[19]，如圖 1-7 所示。
S S
N N
S S
Isothianaphthene Thieno [3,4-b] pyrazine Thieno [3,4-b]thiophene
圖 1-7：各種常見的聯環分子