目前太陽能光電產業受到國內外的重視，主要起因於能源短缺，導 致近年來國際原油價格屢創新高。依據全球能源相關機構統計，全球石 油蘊藏量只夠再使用 40 年，天然氣也只剩 60 年便消耗殆盡。另外溫室 效應使全球暖化、氣候變遷，2005 年 2 月 16 日通過的《京都議定書》，
規範工業國家降低以二氧化碳為主等六種溫室氣體的排放量。
為了解決能源危機、降低地球暖化速度，太陽能發電技術顯得非常 重要。太陽能發電產生的二氧化碳排放量僅有 5 頓/GWh，只有傳統能源 發電的不到1%，屬於乾淨的能量來源。並且太陽光取之不盡、用之不竭，
在眾多再生、替代能源中，太陽能電池的成長幅度與未來潛力最為可觀。
第一代與第二代太陽能電池主要是利用半導體科技所發展的矽質太 陽能電池，屬於高耗能、昂貴的製程。目前太陽光電技術發展的重點則 是引用奈米概念的第三代奈米太陽能電池。有機混成太陽能電池具有製 程簡便、價格便宜和容易製造成大面積元件等特色，並且可以做成具有 可撓性的產品，所以具有相當大的發展潛力。
1-1 光伏特效應
[1]光伏特效應一般而言是指光子射到半導體p-n 二極體後，p-n 二極體 的兩端電極產生可輸出功率的電壓伏特值。詳細的過程包含光子射到半 導體內產生電子-電洞對(exciton)，電子和電洞因半導體p-n 接面形成的
內建電場作用而分離，電子和電洞往相反的方向各自傳輸至二端電極來 輸出。光伏特效應一般是跟p-n 二極體有關的，有機太陽能電池的工作原 理則是據此所演變出來的。
如果將照光的p-n 二極體兩端的金屬接觸用金屬線直接連接，就是所 謂的短路(short circuit)，金屬線的短路電流(short-circuit current)就是等於 光電流。若照光的p-n 二極體兩端的金屬不相連，就是所謂的開路(open circuit)，則光電流會在p-型區累積額外的電洞，n-型區累積額外的電子，
造成p-端金屬接觸較n-端金屬接觸有一較高的電位勢，也就是開路電壓 (open-circuit voltage)。
1-2 有機太陽能電池工作原理
[2]一般而言，太陽能電池元件所涉及的物理機制和過程是相當複雜，
隨著元件的材料種類和結構的不同而有所差異。以有機太陽能電池來 說，其機制大致為下列四個關鍵步驟(圖1-1)：
(1)入射光被材料吸收(Light absorption)：
當入射光能量大於或等於有機半導體材料的能隙，即可以被吸收。
材料吸收入射光子後，將電子自HOMO激發至LUMO，產生電子-電洞對 (exciton)。
(2)電子-電洞對擴散(Exciton diffusion)：
電子-電洞對形成後在同一介質中擴散移動(Diffusion)。一般來說有效
的擴散長度至少要等於吸光層的厚度(以雙層結構太陽能電池為例)，電子 -電洞對才不會複合(recombine)。對有機半導體材料來講，其擴散長度約 10nm左右。
(3)電子-電洞對的分離 (Charge separation)：
電子-電洞對進行分離，形成獨立的電子與電洞，並且防止再結合發 生。此步驟通常在介質接面處因材質之陰電性的差異而造成，以有機混 摻太陽能電池而言，幾乎90%以上電子電洞分離的現象均發生在介面處。
要達到良好的電荷載子分離效率，電子予體(Donor)要有較低之游離 能IPD，電子受體(Acceptor)必須有較高電子親和力EAA，使得在電子予體 內生成的激發態分子的能量，大於電子在電子受體內和電洞在電子予體 內之能量(Eexciton>IPD-EAA)。當電子-電洞對擴散漂移至兩材料的接面時，
才能夠有效克服電子電洞間之束縛能(binding energy)。
(4)電荷傳遞至電極(Charge transport and collection)：
前步驟所分離的電子與電洞需有效傳遞到對應電極。通常可搭配對 電洞及電子分別有高載子遷移率(mobility)的兩種材料，來提高電荷傳遞 的速率。在當作陽極的銦錫氧化玻璃(ITO)上先旋轉塗佈一層利於電洞傳 遞之PEDOT：PSS，且使用低功函數之材料當作陰極，都可以降低載子 傳遞能障並且增加內建電場，以增進光電轉換效率。
圖1-1: 有機太陽能電池照光發電機制。
1-3 太陽能電池特性分析
(carrier lifetime)和載子擴散長度(carrier diffusion length)影響。以上三者直 接受到材料特性、電子予體-受體材料間相分離程度、高分子膜和電極接形其填充因子越大。串聯、並聯電阻和光電流的關係可由等效電路表示，
在1-4-2 節有詳細說明。
另外，外部量子效率(EQE)其定義為單一波長光源下元件之光電轉換 效率，可由方程式(1-2)表示：
in sc
P I EQE h
×
= × λ
ν
(1-2)其中h為浦朗克常數、
ν
為入射光頻率，λ
為入射光波長。圖1-2 電流-電壓(I-V)特性曲線。
1-4 太陽能電池的等效電路模型
[2]太陽能電池特性為一個p-n 接面的二極體。本章節將針對p-n二極體 電性做深入討論。在1-4-1章節裡將先介紹理想二極體中電流和電壓的關 係，進而推導出最大輸出功率(Pmax)以及光電轉換效率(η)。然後在1-4-2 章節中考慮到現實情況下，元件會有串聯電阻(series resistance)和並聯電 阻(shunt resistance)的存在，將理想二極體之光電轉換效率(η)進行修正。
1-4-1 理想二極體元件
當太陽能電池短路時，也就是V=0，其短路電流(short-circuit current)則為 Isc = -IL。也就是說當太陽能電池短路，短路電流就是入射光產生的光電 流。若太陽能電池開路時，也就是I = 0，其開路電壓(open-circuit voltage)則為
⎟⎟
開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)是太陽電池特性的二個重要參數。太陽能電 描述，這是因為元件本身存在串聯電阻(series resistance) 和並聯電阻 (shunt resistance)，如圖1-3。因為任何半導體材料本身，或是半導體與金 屬的接觸，無可避免的會有或多或少的電阻，如此就會形成元件的串聯 電阻。另一方面，元件的正負電極間，存在非經由理想p-n 二極體的其他
電流通道，都會造成所謂的漏電流(leakage current)。通常，我們使用並聯
就是所謂的填充因子(fill factor)。
其定義為
圖1-3：太陽能電池的等效電路。
1-5 太陽光頻譜照度
[1]入射太陽光的強度(intensity)與頻譜(spectrum)決定了太陽能電池輸 出的電流與電壓。太陽光的強度與頻譜，可以用頻譜照度(spectrum irradiance)來表達，也就是每單位面積每單位波長的光照的功率
(W/m2μm)。而太陽光的強度(W/m2)，則是頻譜照度的所有波長之總和。
太陽光的頻譜照度和量測的位置與太陽相對於地表的角度有關，這 是因為太陽光到達地表前，會經過大氣層的吸收與散射。位置與角度這 二項因素，一般就用所謂的空氣質(air mass AM)來表示。對太陽光照度而 言，AM 0是指在外太空中，太陽正射的情況，其光強度約為1353W/m2。 AM 1是指在地表上，太陽正射的情況，其光強度約為925 W/m2。AM 1.5 是指在地表上，太陽以45度角入射的情況，其光強度約為844 W/m2。一 般我們常使用AM 1.5 來代表地表上太陽光的平均照度。