第一章 緒 論
1.4 高分子太陽能電池基本特性分析
有機太陽能電池元件優劣的評估可從如圖1-4太陽能電池I-V曲線圖中的 開路電壓(Voc, open circuit voltage)、短路電流(Isc, short circuit current)、填充 因子(F.F, fill factor)、功率轉換效率(
η
e, power conversion efficiency)、入射光 子對電子轉換率(IPCE,incident photon to current efficiency)等參數來加以分析。1.4.1 開路電壓(Voc)
目前學術界被廣泛研究之高分子掺混可溶性Fullerence衍生物製作高分子 異質接面太陽能電池中，由於為掺雜系統，不同於有機發光二極體是由陰極 以及陽極之功函數差來決定開路電壓，研究學者發現單層異質接面太陽能電 池之開路電壓會受到Fullerence衍生物之還原電位、內建電場以及donor材料之 HOMO和acceptor材料之LUMO能階差值所影響[12]。在高分子異質接面太陽 能電池中，若所使用金屬材料與主動層p-型、n型間產生非歐姆接觸(non-ohmic contact)時，開路電壓就符合一般MIM(metal-insulator-metal)模式為兩電極間功 函數差。當金屬電極與主動層形成歐姆接觸(ohmic contact)時，由於陰極金屬
6
的費米能階與n-型材料的LUMO間存在著fermi level pinning效應，使得開路電 壓由donor的HOMO及acceptor的LUMO能階差所決定，但受到內建電場與接面 間能帶扭曲的影響而限制開路電壓[14]。圖1-5為太陽能電池在照光與不照光 的I-V曲線圖[12]。
1.4.2 短路電流(Isc)
短路電流為太陽能電池元件在光照射下且外加偏壓為零時的光電流，主 要受到載子遷移率(carrier mobility)、載子再結合生命期(carrier recombination lifetime)及載子擴散長度(carrier diffusion length)所影響，此外，與入射光強度 有正比之關係。在高分子異質接面太陽能電池中，Isc直接受到材料本身特性、
p-n材料間相分離的程度、膜厚以及膜和電極間表面型態影響。由1.3章節內部 量子轉換效率為：
IQE A ED CT CC
η =η η η η [13]
高分子膜的厚薄會直接影響到η 與A η ，當膜厚增加時，使得ED η 增加，但相A 對地會使得部分激子(exciton)無法擴散至 p-n 界面分離點而降低激子分解為自 由電荷的效率即η ，因此如何控制ED η 與A η 間相互增減的現象，也成為該領ED 域一個重要的研究方向。
圖1-4 有機太陽能電池之I-V圖[13]
7
圖1-5 太陽能電池在照光與不照光的I-V曲線圖[12]
1.4.3 填充因子(F.F)
有機太陽能電池的填充因子(fill factor)定義為：
p p 並聯電阻，Iph是光電流(photocurrent)。有此式可以了解，理想的太陽能電池 元件必須具有低的串聯電阻和趨近無限大的並聯電阻。串聯電阻來源包括了 有機半導體材料本身的電阻和有機半導體與金屬的接面電阻。此外，光伏特 元件的正負電極間，存在任何非經由理想p-n二極體的其他電流通道，都會造
8
成 所 謂 的 漏 電 流 (leakage current) ， 例 如 元 件 中 的 產 生 - 複 合 (generation-recombination)電流，表面複合(surface recombination)電流，和金屬 接觸穿透p-n接面等，而漏電流大小我們通常用並聯電阻 (shunt resistance)來 定義，也就是 sh
leak
R V
= I 。並聯電阻愈大，就表示漏電流愈小且開路電壓愈大。
在非常小的電壓下，二極體D沒有導通，外加電壓所產生的電流大小僅由 Rs+Rsh確定，因為Rsh比Rs大很多，所以Rs可忽略不計。串聯電阻Rs可看作導 電率及特定載子在各自傳輸介質中的遷移率(mobility)。例如電洞在P型半導體 和電子donor材料中的遷移率，遷移率可能受到空間電荷、陷阱或其他電位能 障(energy barrier)的影響。載子在比較厚的傳輸層中長距離傳輸時，Rs將增 加。當電壓為正而且大於開路電壓Voc時，I-V曲線接近線性曲線，可以由其 斜率的導數推算出Rs。這是因為在外加比較高的正電偏壓，二極體D導通，
其電阻遠比Rsh小，因此Rs決定I-V曲線斜率的大小Rs。為I＝0 (open circuit) 時I-V曲線斜率之倒數，Rsh為V＝0 (short circuit)時I-V曲線斜率之倒數如圖 1-7[12]。
圖1-6 有機太陽能電池的等效電路圖[12]
9
圖1-7 有機太陽能電池串聯電阻Rs、並聯電阻Rsh與I-V曲線間關係[12]
1.4.5 光電轉換效率(η )、IPCE e
綜合上述的開路電壓、短路電流及填充因子即可得到太陽能電池之光電 轉換效率：
[%] out oc sc
e
in in
P V J FF
P P
η = = × ×
此外可利用單色分光儀去計算太陽能電池元件對於不同波段入射光子轉換為 電子的效率，即IPCE。 [%] sc
in
h J
IPCE P
ν λ
= ×
× ，其中h為浦朗克常數，ν為入射光頻 率，λ為入射光波長。
10