第一章 序論
1.5 高分子太陽能電池發展
1.5.4 透明電極的相關應用
在2006 年，有機太陽能的效率已經經由F. C. Chen等人証實可以達到 5.2 %的效率[12]，雖然已經達到了5 %的商業應用門檻，但是對於太陽能電 池的需求量，這個數據仍然被期待能達到更高的數值。於是便有人提出了 串聯(tandem)兩個有機太陽能電池的構想(見圖 1-10)[22]，以及將兩個有機 太陽能電池堆疊(stack)在一起利用外部電路來進行串聯或是並聯的應用 (見圖1-11)[22]。串聯的結構顧名思義便是以其中單一個的有機太陽能電池 利用金屬薄膜或是導電材料之薄膜當作陰極之後，在其上繼續沈積新的薄 膜來製作另一個單一的有機太陽能電池，藉著此種方式來提高開路電壓 (見圖1-12)[23]或是來涵蓋更多的太陽能輻射光譜(見圖1-13)[24]，以致於能 夠利用最大限度的吸收光譜，以獲得更高的效率提升；而堆疊的結構則也 同樣的是用單一個的有機太陽能電池，在其元件後面再置入一個單一的有
光，此種方式則是利用前面的元件以及後面的元件不同的吸收光譜來達到 最好的光譜吸收效率，或是利用外部電路的串聯、並聯來達到我們所需要 驅動的電路是需要高電壓，或是高電流的需求。
圖1- 10 串聯(tandem)結構的示意圖[22]
(a) Stack 的串聯結構
(b) Stack 的並聯結構
圖1- 11 堆疊(stack)結構的示意圖[22]
圖1- 12 Voc大幅提升以及結構圖[23]
圖1- 13 涵蓋更大的吸收光譜[24]
不論是哪種方式，都取決於中間電極或透明電極的優劣。在一開始較 多的透明電極研究是應用在OLED[25, 26]以及PLED[27, 28]上，利用透明電極來 達到上發光的特性，以為了將來可以將元件製作應用在軟性可撓基板上。
而針對有機太陽能電池的部份，其實在1990 年時，M. Yokoyama等人便提 出了tandem的結構(見圖 1-14)[29]，利用金(Gold)＜3 nm來當作中間電極應 用，藉著連結兩個有機太陽能電池，以及保持讓光能夠穿透到下層的有機 層吸收來達到提高效率的想法。而後也有研究團隊利用超薄的銀來當作透 明電極的應用(見圖1-15)[23]。目前的最好的有機太陽能電池效率表現是以 高分子Bulk hetero-junction結構的太陽能電池，其利用在Tandem的製程 上，並不是如想像中的這麼好製作，此種結構會因為如果材料本身薄膜製 程是利用溶劑成膜的話，會因為在中間透明電極的部分有可能太薄，在中 間電極金屬上成膜的時候，而導致上層的有機材料之溶劑會穿過此薄膜金 屬而溶解到下層的有機材料，所以勢必要增加中間金屬電極的厚度來保護 下層的有機材料避免被溶劑溶解，但是如此就失去了中間電極能夠透光的 意義，因為金屬是具有不透光的特性，當其厚度如果增加的太高的話，的 確是可以有保護下層有機材料的效果，但如果是需要光穿透過此透明電極 之後，來讓上層有機材料也可以有吸光的能力的話，便會因為這個太厚的 金屬薄膜，而大打折扣。
圖1- 14 中間透明電極為金的結構圖[29]
圖1- 15 中間透明電極為銀的結構圖[23]
因此有人也提出了在中間電極的部份，利用已經經由實驗證實具有相 當 好 的 導 電 度 ， 以 及 具 有 相 當 好 的 透 明 度 的 氧 化 金 屬 材 料ITO(見圖 1-16[22])。雖然ITO具有相當好的透光性，但是由於沉積在有機材料上之ITO 其導電性會因為有機材料表面上的不平整，而導致ITO薄膜的不平整，此 種不平整之因素便導致了ITO的導電性大福下降，進而影響此電極的傳導 能力。而又因為在濺鍍ITO薄膜的時候需要相當強的能量，以及濺鍍過程 中腔體會有相當高溫度，此兩個現象便會導致在濺鍍上ITO薄膜的時候會 破壞原本已經成膜的有機材料，進而降低原本在下層有機材料的電性，而 影響到整體元件的效率[30]。
圖1- 16 Tandem的結構使用ITO來當作中間透明電極應用[22]
由於此種串聯結構的元件不容易製作性，和原本有機太陽能電池的原 意相違背之下，在之後便有人提出了單一的透明電極有機太陽能電池，利 用薄薄的銀，然後在其上濺鍍ITO來當做透明電極[31](如圖 1-17)，當作上 吸收光的太陽能元件，以致於能夠利用此種結構來製作在軟性基板上，來 達到攜帶方便的特性，或是將來應用在stack堆疊的結構上，進而提升整體 的元件效率。在2001 年，C. W. Tang等人提出了一種利用Multi-stacked(多 層堆疊)結構來製作透明電極應用在上發光的OLED[32]，利用了LiF這種鹽 類的材質，只需要相當薄的鋁金屬便可以與之反應，此種電極具有相當好 的電子傳輸特性，也有不錯的覆蓋特性，具有良好的保護有機材料的優 點。而且又因為其金屬薄膜厚度相當的薄，其光學的透光性也相當的良 好。在這個多層結構提出以後，便有許多的研究團隊也利用此種多層結構 提出了利用LiF/Ag/ITO透明電極的發光二極體[33]，以及利用Ca/Ag/ITO 多層結構之透明電極的有機太陽能電池[34]。利用此種多層結構的透明太陽 能電池，未來的應用上可以製作在軟性的基板上，由於有機太陽能電池的 重量輕的特性，利於方便攜帶以及收藏。甚至是利用其透明電極良好的透 光性，再加上選擇適當透光性的有機材料，便可以製作應用在大樓的窗戶 上，進而達到很好的發電效用。
圖1- 17 玻璃上蒸鍍一層薄薄的銀，在其上再濺鍍一層ITO薄膜[31]