2-4-1. 操作原理
Fig. 2-10 (a)是目前常見的高分子太陽能電池結構，底層是透光的基板，
如玻璃、塑膠等。接著是ITO(Indium Tin Oxide)，為一具導電性的透明玻璃，
當作電池的陽極。再上去是一層PEDOT：PSS 的薄膜，厚約 30―40 奈米，
主要用來當作電洞傳導層(Hole Transport Layer)，同時也可以修飾 ITO 表面 使其更平整。再上面一層是電池的主動層(Active Layer) ，通常是用 P 型的 高分子，與N 型的 C60衍生物所組成。最上層則是鋁，為電池的陰極。
*
*
S O O
* *
SO3H
PSS PEDOT
(a) (b)
Fig. 2-10：(a) 一般高分子太陽能電池元件結構 (b) PEDOT：PSS 分
子結構[40]
高分子太陽能電池的光電轉換包含數個步驟。首先是高分子受光激發後 形成激子(exciton)，激子為一種高能的電子電洞對。然後激子擴散到 P-N 介 面產生電荷分離，形成自由的電子與電洞。最後藉由內建之電場驅使電子 與電洞往兩端電極移動，經外導線形成一個迴路。見Fig. 2-11。
Fig. 2-11：高分子太陽能電池操作原理示意圖。(1)吸光形成激子(2) 激子在P-N 介面間分離(3)載子往兩極移動
2-4-2. 高分子太陽能電池元件設計
高分子太陽能電子的元件依主動層不同可分成兩類，第一種是雙層結構 (bilayer devices)，第二種是塊狀異質介面(bulk heterojunction devices)。
雙層結構(bilayer devices)：係指元件的主動層由一層 P 型材料與一層 N 型材料所組合而成，見Fig. 2-12，此結構常見於矽的太陽能電池，但卻不 適用於有機系統。主要是由於有機材料的激子擴散長度(excition diffusion- length)太短，一般有機物其激子擴散長度大約只有 10—20 奈米[41]，也就是 當有機物被激發後，激子在移動10—20 奈米之後就會降解回到基態，但有 機薄膜至少要有100—200 奈米的厚度才能將光做有效率的吸收。換而言之 對於雙層結構，整個元件只有在P-N 介面間 40 奈米的區間，激子才有能力
移動到P-N 介面進行電荷分離而產生自由載子，其餘絕大部份的激子都以
光或熱的形式降解回到基態，而元件效率也受到了大幅的限制，所以此結 構只常見於早期的有機太陽能電池文獻。但雙層結構仍有其獨特的優點，
雙層結構在載子的傳導和收集上較另一種塊狀異質介面結構佳，同時其製 程也較簡單和容易控制。
Fig. 2-12：高分子太陽能電池之雙層結構示意圖[40]
塊狀異質介面(bulk heterojunction devices)︰係指元件的主動層是由 P 型與N 型材料混合後製成的薄膜，見 Fig. 2-13。此類結構為目前高分子太
陽能電池的主流，其優點是當兩種材料混合後可形成無數個P-N 介面，激
子在形成後旋即在介面分離產生自由載子。但由於此兩種材料相互混合，
使得主動層缺乏一個完整的內建電場梯度，自由載子生成後只能依著區間 的電場變化移動，造成載子在傳遞上缺乏有效路徑，同時也增加電子與電 洞再結合的機率，故塊狀異質介面結構的載子收集率較低，但整體而言效 率還是高於雙層結構。
因載子只能依著區間電場移動，主動層的微結構成了影響元件效率的重 要因素。有序結構與適當的相分離有助於元件的效率提升，如P3HT/PCBM 的系統，當元件經過退火後會因P3HT 結晶而與 PCBM 產生相分離，可將 效率從3%提升到 5%[42]。
Fig. 2-13：高分子太陽能電池之塊狀異質介面元件結構示圖[40]
2-4-3. I-V 曲線與元件效率
太陽能電池可當成一個二極體，當我們對電池施一外加偏壓並測量電流 即可得到一條I-V 曲線圖，Fig. 2-14 為太陽能電池在不照光和照光兩種情形
下的I-V 曲線圖。可發現當電池未照光時，其 I-V 曲線與普通的二極體無異，
但當電池照光後因自身產生電流，導致在未加偏壓時即測得一個數值為負 的電流，短路電流(short circuit current，Isc)，係為曲線與 y 軸的交點。隨著 偏壓的增加，電流逐漸減少，直至電流歸零時稱此時的偏壓大小為電池的 開路電壓(open circuit voltage，Voc)，係為曲線與 x 軸的交點。在第四象限的
mpp mpp 流，FF 則稱為填充因子(fill factor)。
Fig. 2-14：太陽能電池 I-V 曲線圖。虛線為未照光 的情況。實線為照光的情況[40]
開路電壓(Voc)：在太陽能電池中，所能獲得的最大電壓，是由 P 與 N 兩種半導體的準費米能階差(quasi Fermi level)所決定。對於有機系統的太陽 能電池，P 型的準費米能階係指推電子材料的 HOMO，而 N 型的準費米能 階則是拉電子材料的LUMO。
C. Brabec 等人很清楚的指出[43]，開路電壓與N 型材料的 LUMO 能階呈 線性關係，見Fig. 2-15(a)。Scharber 等人也報導了 26 種異質介面的太陽能 電池，發現其Voc與推電子材料的HOMO 呈線性關係[44]，見Fig. 2-13(b)。
(a)
(b)
短路電流(Jsc)：在理想狀態下，短路電流係由光生成的電荷載子密度 (photoinduced charge carrier density)與載子移動速率(carrier mobility)所決 定，可表示成下列公式：
I
SC= ne E μ
n 是電荷載子的密度，e 是載子電荷量，μ 是載子移洞速率，E 是內建電場
大小。內建電場則是由P-N 介面的能階差質所決定。至於載子的移動速率，
它不僅是材料本身的性質，同時也是元件的變數。在有機太陽能電池中，
載子的傳導速率會因為有機薄膜的奈米形貌(nanomorphology)而有所改變
[45]―[47]。而有機薄膜的奈米形貌通常決定於薄膜的製備方法，其變因大概有
幾種，如溶劑的種類、溶劑揮發的速率還有基板的溫度及蒸鍍的方法等。
2-4-4. 低能隙高分子應用於有機太陽能電池
Fig. 2-16[48] 為地球表面所接收到的太陽光光譜(AM 1.5)，可發現太陽光 的能量主要集中在可見光區與近紅外光區，以矽晶圓的能隙1.1 eV 來估算 可吸收地表太陽光的77%。大部份的有機半導材料能隙約在 2.0 eV (620 nm) 附近，至多只能吸收地表太陽光30%[41]，為了要增加吸光的範圍，我們需 要低能隙的有機半導體材料應用於電池的主動層。
Fig. 2-16：太陽光光譜圖[48]
現今低能隙高分子應用在有機太陽能電池，主要以施體―受體此種共聚 高分子較為常見，由於此種高分子在能階的位置與能隙的大小上具有較佳 的調控性，不像單以芳香族聯環分子聚合之高分子，容易有能隙過低或是 在大氣下易氧化等問題。但施體―受體的高分子仍然有著電洞傳導速率過 低的問題，導致即使已降低能隙增加吸光範圍，但電洞仍無法有效從電池 中傳導出來，因此效率並無顯著的增加。