透明電極之相關研究

在2006 年，有機太陽能電池的效率已經達到 5.2 %^[12]，雖然已經跨越 5 %的商用應用門檻，但是這個數據仍被希望能夠更進一步的提升。於是 便有人提出了串疊(tandem)兩個有機太陽能電池^[25]，或是將電池堆疊(stack) 在一起^[26]，利用外部電路連接成串聯或是並聯。串疊結構是在單一個有機 太陽能電池沉積金屬薄膜作為電極後，在其上繼續製作另一個有機太陽能 電池，藉此提升元件的開路電壓，或是增加太陽能電池對太陽能輻射光譜 的吸收，已獲得更高的效率。而堆疊結構則是在單一個有機太陽能電池之 後直接置入另一個已完成的元件，兩個元件使用外部的電路連接達到提昇 開路電壓(串聯)或是短路電流(並聯)的效果。而不論在哪種結構中，中間電 極都扮演了極為重要的角色，中間電極必須擁有足夠的穿透度讓剩餘的光 能夠穿透，而被第二層有機層吸收；然而過薄的金屬反而會導致電極的電 阻值過高，因此這之中的權衡是需要研究的。

圖 1- 11 串疊結構使 Voc提升示意圖^[25]

在透明電極的研究中，UCLA 的 Y. Yang 教授與其實驗室在 2006 年時 發表了一篇利用Ca、LiF 等電子注入層加上 Al、Au 等金屬多層結構之透 明電極^[26]。研究發現，當使用LiF/ Au 作為透明電極時，其穿透度能得到 有效的提升，但是如果在LiF 和 Au 之間加入一層 Al，不但元件的效率有 所提升，而且透明電極的穿透度也上升了約 20%。在此結構中，LiF 可以 降低Al 的功函數，使其與主動層形成歐姆接觸，另外由於 Au 具有比較長 的肌膚深度(skin depth)，在可見光波段約為 20 nm，因此在同樣的薄膜厚 度條件下，Au 具有比較高的穿透度。由金屬表面的 AFM 圖形可看出，在 蒸鍍LiF 後，主動層會形成針狀的表面，而這個崎嶇的表面使得接著覆蓋 上去的 Au 表面更加的粗糙，讓透明電極的穿透度下降。如果在蒸鍍 LiF 後先蒸鍍一層Al，便可讓主動層表面變的比較平緩，接著蒸鍍 Au 在 LiF/Al 上時也能夠獲得一個較為平緩缺少空缺的表面，讓穿透度能夠上升。透明 電極LiF/Al/Au 的厚度分別在 1 nm、2.5 nm、12.5 nm 時，電極的最大穿透 度可以達到80%，同時元件的開路電壓和短路電流密度分別也能達到 0.85 V 和 5 mA/cm²。

作者也利用MEH-PPV: PCBM 和此一透明電極成功發展出堆疊式太陽 能電池，將透明電極製作在第一個元件上，使得未被第一個元件吸收的光 可以穿過透明電極被第二個元件所吸收。若串聯兩個電池可以增加元件的 開路電壓，並聯則可增加短路電流密度。相對於一般元件，堆疊式太陽能 電池的填充因子幾乎維持不變，而功率轉換效率則可以提升將近一倍之 多。

圖 1- 12 (a)不同的透明電極之穿透度和 MEH-PPV:PCBM 的吸收比較 (b)不同透明電極的元件特性^[26]

圖 1- 13 不同表面的 AFM 圖形 (a)有機層表面 (b)有機層表面覆蓋上 1 nm 的 LiF (c)有機層表面覆蓋上 1 nm 的 LiF 和 2.5 nm 的 Al^[26]

2007 年時，G. M. Ng 等人利用 Ca/Ag/ITO 結構製作透明電極^[27]。由模 擬結果發現，在PEDOT: PSS(40 nm)/P3HT:PCBM(75 nm)/Ca(10 nm)/Ag(10 nm)的條件下，當 ITO 厚度在 60~80 nm 時，此時主動層的吸收能夠提升，

而且元件也能擁有比較好的穿透度。比較 Ca/Ag 和 Ca/Ag/ITO 的結構發 現，雖然Ca/Ag/ITO 的厚度比較高，但是卻有比較高的穿透度，推論是由 於在 Ca/Ag 電極上，在金屬/空氣介面會有比較大的內部反射(internal reflection)，導致了電極穿透度的降低。由 Ca/Ag/ITO 作為透明電極製作出 的元件，其開路電壓可以達到 0.54 V，短路電流密度可以達到 6.89 mA/cm²，而功率轉換效率可以達到1.7 %。

圖 1- 14 (左)不同的 ITO 厚度對主動層吸收和元件穿透度的模擬結果 (右)Ca/Ag 和 Ca/Ag/ITO 的穿透光譜^[27]

同樣在2007 年，T. Oyamad 等人有鑒於若有機太陽能電池到實際應用 階段，在太陽能電池背後的Si 邏輯電路是有相當必要性的，雖然在玻璃基 板上的有機太陽能電池已經有相當好的成果，他們仍專注於發展在矽基板 上製作的有機太陽能電池^[28]。

圖 1- 15 在矽基板上製作的上吸收有機太陽能電池的側面示意圖^[28]

在此結構中，他們使用了Ag(1 nm)/MgAg(4 nm)作為透明電極，另一 方面，在矽基板上額外蒸鍍上一層反射金屬電極MgAu 合金，此合金除了 可以有效的接附在矽基板上外，也能使得未被主動層吸收的光反射，讓主 動層能夠在一次的吸收光，效率能夠得到更進一步的提升。在反射金屬電 極上，接著蒸鍍一層電洞注入材料MoO3，MoO3在可見光和近紅外光區域 擁有很高的穿透度，在有機太陽能電池中可以有效的收集電洞，提升元件 的效率。此一太陽能電池在MoO3達到5.5 nm 時，其功率轉換效率可以達 到1.05 %，且此一結構不需要一般玻璃基板需要的 ITO，對於未來取代 ITO 有相當大的發展空間。

圖 1- 16 (左)MoO3 和 Ag/MgAg 的穿透度光譜，MgAu 的反射度光譜 (右)不同 MoO3厚度對元件特性的影響^[28]