第一章 緒論
1-1 前言
諾貝爾化學獎得主 Richard E. Smalley 在 1996 年提出人類十大問 題1，第一名即為能源短缺，指出人類對於解決能源問題的迫切性，
以及能源技術在未來科技發展中的重要地位。
從工業革命以來，人口不斷地持續成長，人類對於能源的需求與 消耗不斷攀升，在我們面前逐漸浮現了兩個問題；一個是石油的含量 與開採，另一個則是溫室效應造成全球暖化與氣候變遷，因此再生能 源的研究與開發已成為全球刻不容緩的方向。「再生能源」包含風力、
水力、地熱能、潮汐發電、生質能及太陽能，其中以太陽能電池尤其 格外受到矚目。據估計，人類若能有效地擷取太陽投射到地球表面光 能的 0.1 %，並利用轉換效率 10 %的太陽能，即可滿足人類現今之需 求。儘管由於地理和氣象條件的差異，各地可以利用的太陽能資源多 少有所不同，但它對邊遠地區或交通不便的鄉村或海島具有很好的優 越性，且不會產生對人體有害的物質，也沒有廢水、廢料、廢渣、廢 氣、噪音等汙染，因此在現階段被公認為是最具有發展潛力和應用價 值的再生能源之一。
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1-2 太陽能電池簡介與分類
光伏特效應(photovoltaic effect)最早在 1839 年，由法國物理學家 A. E. Becquerel 觀察到電解質受到光照射後，產生電壓進而產生電流 而發現 2。此後數十年間，陸續出現相關的發展與報導，但此類太陽 能電池的高成本及低轉換效率並不具有實用價值，直到 1954 年 D. M.
Chapin 等人在貝爾實驗室發展出單晶矽光伏打電池 (monocrystalline silicon photovoltaic solar cell) 才受到重視，其原理是將少量雜質摻入 矽中形成 p-n junction 達到對光的敏感，藉此製作出光電轉換效率達 6
%的太陽能電池 3，也為光伏特電池的發展立下了新的里程碑。此後 的十多年在太陽能電池發展上都有重大突破，並且在不到三十年內
，太陽能發電成本大幅降低。即便如此，現今太陽能的發電成本以民 生用電的角度而言依然是無法普及的昂貴技術。因此，降低發電成本 是太陽能商業化的關鍵，同時也是有機太陽能電池與無機太陽能電池 角逐的關鍵。
目前太陽能電池可分為矽基太陽能電池 (silicon solar cell)、無機 化合物半導體太陽能電池 (inorganic compound semiconductor solar cell)、有機太陽能電池 (organic solar cell) 三類，如圖一所示 4，而表 一為目前各類型的太陽能電池所能達到的效率及各項電性參數數據 表5。
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Solar cells
Sillicon (Si) type
Compound type
Single crystalline (sc-Si) Polycrystalline
(poly-Si)
µc-Si
a-Si/µc-Si (Heterojunction with intrinsic
thin-layer)
(Si, Si alloy, SiGe, SiC, etc)
Single crystalline (GeAs type, etc)
(CuInSe2, CulnGaSe2, CdS, CdTe, etc)
(a) Schottky junction type (organic/metal) (b) Organic heterojunction (two-layer) type (c) Donor/acceptor composite film (one-layer) type (d) Molecular device type
Already commercialized (monocrystalline silicon)、多晶矽 (polycrystalline silicon) 及非晶矽 (amorphous silicon) 三類。其中以單晶矽太陽能電池光電轉換效率最 高，可達25 %，且較穩定、壽命較長，然而這些優點是由於其所使用 的矽半導體基材純度極高，可避免吸光與放電的過程中電子與電洞的 損耗。
多晶矽太陽能電池是由多種不同排列方向的單晶所組成，能量轉
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換效率可達20 %，因製程簡單，所以成本消耗較低，但能量轉換效率 並沒有單晶矽太陽能電池高。
非晶矽太陽能電池是指矽原子的排列非常雜亂、沒有規則可循，
能量轉換效率可達13 %，因利用較便宜玻璃、陶瓷或是金屬等基板取 代昂貴的結晶矽基板，不僅大量節省材料成本，亦使製作大面積太陽 能電池成為可行之事。
表一、目前各類型的太陽能電池效率及各項電性參數數據表 5
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1-2-2 無機化合物半導體太陽能電池
化合物太陽能電池包括Ⅲ-Ⅴ族的 GaAs、InP、InAs 及 InSb，II-VI 族的 CdTe、CdS 及 CdSe，以及三元化合物 CuInSe2(CIS)、四元化合 物 CuInGaSe2(CIGS)。其中 CIGS 為最具潛力的化合物，其吸光光譜 範圍廣、穩定性佳、能量轉換效率可達 20 %，額外利用聚光裝置輔 助，可將能量轉換效率提升至 30 %。
1-2-3 有機太陽能電池
有機太陽能電池因具備更低廉的成本潛力、可透過現有的印刷或 連續捲軸式等技術進行大面積製造製程，並可結合撓曲基板等優點6,
7，圖二為可撓式有機太陽能電池示意圖 8，被視為極具開發潛力的技 術，但穩定性與轉換效率不佳，極需新材料的開發與合成。而有機太 陽 能 電 池 又 可 分 為 兩 類 ， 第 一 類 為 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 (dye-Sensitized solar cells, DSSC)，第二類是有機薄膜太陽能電池 (organic thin film cells, OPV)，目前 DSSC 最佳效率可以高達 11 %以 上9，而有機薄膜太陽能電池則為 8 %以上 8。
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圖二、美國 Konarka 公司展示的可撓式有機太陽能電池 8
1-2-3-1 染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池是利用小分子作為光的染料，其工作機制如 圖三所示10。早期所使用的平面光滑電極因表面積太小而導致兩個嚴 重影響效率的問題：第一為吸收太陽光能有限、第二為吸附在電極上 的染料數目有限，所以當時的太陽能電池效率並不佳。在 1991 年時，
瑞士洛桑聯邦理工學院 Micheal Gratzel 實驗室發展出一種新型染料 敏化太陽能電池，其利用具有高表面積的奈米級二氧化鈦吸附釕金屬 錯 化 合 物 (Ru-complex) 作 為 元 件 的 陽 極 ， 將 導 電 玻 璃 鍍 上 鉑 (platinum) 金 屬 做 為 元 件 的 陰 極 、 以 碘 離 子 與 三 碘 離 子 溶 液 (iodide/triodide，I-/I3
-）作為元件的電解液，此能量轉換效率可達到 7
%11，隨著製作工藝的進步，實驗室效率已突破至 11 %9。此類型太陽 能電池具有成本低及商業化潛力以及製作過程簡易等優勢，被視為可
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降低發電成本的新一代太陽能電池而備受矚目。然而仍有液態電解質 不易封裝、使用壽命短及染料昂貴等問題需要更進一步的修正與改 進。
圖三、敏化型太陽能電池工作機制示意圖 10
1-2-3-2 有機光伏電池
早期關於有機太陽能電池的研究多以小分子為材料，但大多數的 小分子有機光電材料頇以高溫真空蒸鍍法製備成元件，反之高分子材 料可利用旋轉塗佈、網印以及連續捲軸式等低溫製程達到低成本與大 面積製造的訴求。除此之外，高分子具有較好的熱穩定性，對於需長 期暴露於太陽照射的環境下更具優勢。
以共軛高分子為P型材料的異質接面系統中，可依導入的N型材
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料的不同分成有/無機複合系統 (hybrid systems)、全共軛高分子系統 (all polymer systems) 與 共 軛 高 分 子 / 碳 球 衍 生 物 系 統 (polymer/fullerene systems) 等三類。其中以共軛高分子/碳球衍生物系 統為目前光電轉換效率最高者。
1-3 高分子太陽能電池工作原理
有機高分子太陽能電池工作原理如圖四所示 12，可分為下列四個 步驟。
(1) 吸收光能產生激子
當入射光進入主動層時，主要是被共軛高分子材料所吸收，因為 共軛高分子材料有較高的吸光係數，當入射光能量大於或等於材料的 能隙 (band gap) 即可被吸收。此時材料中的電子由最高占有分子軌 域能階 (highest occupied molecular orbital, HOMO) 激發至最低未占 有分子軌域能階 (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)。因存 在著庫倫作用力，被激發的電子會與電洞形成激發子 (exciton)，所以 此步驟也稱為激發子的生成 (exciton generation)。
(2) 激子擴散
激子形成後會擴散移動，其有效擴散長度約在數奈米至數十奈米 之間，若在有效擴散長度內無法到達 P/N 接面，電子-電洞對就會以 輻射光或動能的形式散失掉。因此材料的異質接面分佈與提高材料的
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載子移動率有助於激子到達 P/N 接面。
(3) 電荷分離
激子到達 P/N 接面後，為了克服電子-電洞對的庫倫作用力，P 型 材 料 之 游 離 能 IPP (HOMO) 和 N 型 材 料 之 電 子 親 和 力 EAN
(LUMO) 必頇符合特定條件。P 型材料必頇有較低之游離能以利激子 產生，而 N 型材料必頇有較高電子親和力，使得在 P 型材料內生成 之激子能量大於電子在 N 型材料內與電洞在 P 型材料內之能量
(Eexciton >IPP-EAN)，當激子擴散至 P/N 材料接面時，才能夠有效克服
電子電洞間的庫倫作用力。共軛高分子/碳球衍生物系統能在極短的 時間內 (～45 fs) 就將自由電子轉移到碳球衍生物上，其速度遠比電 子-電洞再結合的時間 (～1 ns) 快數個數量級13。
(4) 電荷收集
當激子順利分離形成自由載子，會受到陰極與陽極因功函數差異 形成的內建電場而分別經由 P 型與 N 型材料傳遞至陽極以及陰極。
為了有效降低電子與電洞傳遞至兩極的能障，通常會在陽極銦錫氧化 玻璃上塗佈一層電洞傳遞層 polyethylene dioxialthiophene doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT：PSS)，以及蒸鍍陰極前先鍍一層 LiF 或 Ca 降低能障以提升收集效率。
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圖四、有機太陽能電池工作示意圖12
1-4 太陽放射光譜圖
太陽光譜可分為紫外線光譜區(波長小於 400 nm，約占 8.3 %）、 可見光譜區(波長為 400~700nm，占 40.3 %）、紅外線光譜區(波長 700~2000 nm，占 51.4 %），其主要部分是由 250~2500 nm 的波長所 組成，如圖五所示14。雖然太陽光譜的波長範圍很寬，但是輻射能的 大小按波長的分配卻是不均勻的。在圖中我們可以得知太陽光放射能 量最強的區域集中在可見光區和近紅外光區，所以當我們在設計染料 分子時，首要考量會希望能夠有效吸收這兩個區域的光能，也就是利 用太陽能量最大的區域，才能提升光電轉換效率。
當太陽光以不同的角度照射進來時，其太陽放射光譜的強度就會 有所不同，所以在地表上所接受到的光強度就會有所不同，且當太陽 光射入地球時會先通過大氣層，此時會受到大氣層中的空氣分子、水 氣及灰塵所散射，也會受到大氣中的氧氣、臭氧、水和二氧化碳的吸 收，所以經過大氣而達到地面的太陽光能量產生衰退。因此訂定一個
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參數為AM X (Air Mass)，如圖六所示15，其公式如下：
X = 1/cosθ
其中θ為太陽光與垂直入射的夾角，所以當入射光為垂直入射進地球 時，因此時太陽輻射定義為 AM 1 (1＝1/cosθ，θ＝90o)；同理當入射 光與垂直入射的夾角θ為48o 時，則定義為AM 1.5 (1.5＝1/cosθ，θ＝
48o)，當AM值為零時，則表示光線不進入大氣層僅在真空的狀態下 進行光照，所以不同的AM數值就代表不同的光源種類。當測詴元件
48o)，當AM值為零時，則表示光線不進入大氣層僅在真空的狀態下 進行光照，所以不同的AM數值就代表不同的光源種類。當測詴元件