第四章 實驗結果與討論
4.2 透明電極
4.2.1 Ag 和 Au 透明電極
在使用半透明金屬電極的太陽能電池元件中，我們常遇到的一個問題 是，金屬電極本身的穿透度相當的低，為了提升其穿透度，就必須讓金屬 薄膜變的很薄，如此一來電極的電阻就會變的很高，反而使得元件的 FF 下降。為了改善這個問題，我們嘗試用Al/Ag 來取代 Al/Au 透明電極，Ag 的導電度在所有金屬中是最好的，但也導致Ag 在穿透度上會比 Au 要差，
這是因為金屬的集膚深度(skin-depth)的平方和導電度呈反比關係。
μσ δ π
f
= 1
集膚深度δ 表示當電磁波入射該材料，電磁波的強度衰減至 e-1時的深 度。其中f 是入射電磁波的頻率，μ 是該金屬的磁導率(permeability)，σ 是 該金屬的導電度。
在比較Al/Au 和 Al/Ag 透明電極之前，我們先測試以 Ag 為透明電極 的元件中，在有機層和金屬之間插入一層 Al 是否會有和 Al/Au 透明電極 元件相同的效果。由圖4-8，單純只用 Ag 作為透明電極的元件其特性已經 比Au 要來的好，加入 Al 之後，其電性只有小幅度的提升，但是在上吸光 時，Al/Ag 元件的 Jsc明顯的比Ag 元件高，這也證實了 Al 在提升 Ag 的穿 透度上也一樣有效。
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -9
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
Current Density [mA/cm 2 ]
Voltage [V]
Light into ITO Anode Ag(15 nm) Al(1 nm)/Ag(14 nm)
圖 4- 8 Ag 和 Al/Ag 透明電極，光分別由 ITO 面和金屬面入射之元件 J-V 曲線圖。ITO 面：Au 15 nm(■)、Al 1 nm/Ag 14 nm(●)；透明電 極面：Ag 15 nm(□)、Al 1 nm/Ag 14 nm(○)
表 3 Ag 和 Al/Ag 電極之太陽能電池元件的電性表現(其電性參數的單位：
Voc [V]、Jsc [mA/cm2]、PCE [%])
光入射方向 ITO 面入射 透明電極面入射
透明電極結構 Voc Jsc FF PCE Voc Jsc FF PCE Ag 15 nm 0.49 7.88 0.424 1.64 0.47 3.72 0.414 0.724 Al 1 nm/Ag 14 nm 0.51 7.75 0.443 1.75 0.49 4.41 0.472 1.02
-2 -1 0 1 2 10-4
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
Current Density [mA/cm 2 ]
Voltage [V]
Ag(15 nm)
Al(1 nm)/Ag(14 nm)
圖 4- 9 Ag 和 Al/Ag 透明電極在暗環境下的 J-V 曲線圖：Ag 15 nm(■)、
Al 1 nm/Ag 14 nm(●)
表 4 Ag 和 Al/Ag 透明電極之 Rs和Rp整理
透明電極結構 Rs [Ω-cm2] Rp [Ω-cm2]
Ag 15nm 4.540 6.98k
Al 1nm/Ag 14nm 4.729 8.64k
圖 4-10 是 A l/Au 和 Al/Ag 透明電極元件分別由不同方向照光所得的 電流-電壓曲線圖。我們可以由圖中看出，不管是光由 ITO 面入射還是由 透明電極面入射，效率上都是Al/Au 元件比較好，一般而言，因為穿透度 的關係，下吸光效率比較好的元件，因為透明電極穿透度較差，在上吸光 時的效率會比較差。表5 是 Al/Au 和 Al/Ag 元件的電性表現整理一覽，我 們可以分別由幾個地方來討論：(1)光由 ITO 面入射時，Au 和 Ag 在 Jsc的 表現上其實差異不大，Au 比 Ag 更加優秀的地方是在於 Voc和 FF 上，由 圖4-11 的 Al/Au 和 Al/Ag 元件的暗電流-電壓曲線圖，我們可以求出兩種 不同結構元件的Rs和Rp。由實驗結果得知，Al/Au 元件的 Rs稍微比Al/Ag 元件小一點點，這便是Al/Au 元件在 FF 上表現比較好的原因。 (2)當光由 透明電極面入射時，Al/Au 元件的 Jsc明顯的比 Al/Ag 元件高，這是因為 Au 本身透明度就比 Ag 高，有較多的光能夠穿透而被主動層吸收而提高 Jsc。
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
-2 -1 0 1 2 10-5
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
Current Density[mA/cm 2 ]
Voltage[V]
Al(1nm)/Au(14nm) Al(1nm)/Ag(14nm)
圖 4- 11 Al/Au 和 Al/Ag 透 明 電 極 在 暗 環 境 下 的 J-V 曲 線 圖 ： Al 1 nm/Au 14 nm(■)、Al 1 nm/Ag 14 nm(●)
表 6 Al/Au 和 Al/Ag 透明電極之 Rs和Rp整理
透明電極結構 Rs [Ω-cm2] Rp [Ω-cm2]
Al 1nm/Au 14nm 9.337 51k
Al 1nm/Ag 14nm 11.32 51k
圖 4- 12 不 同 陽 極 結 構 的 表 面 形 貌 (a)MoO3 5 nm/Au 15 nm (b)MoO3 5 nm/Al 1 nm/Au 14nm(c)MoO3 5 nm/Ag 15 nm (d)MoO3 5 nm/Al 1 nm/Ag 14 nm
表 7 不同陽極結構的表面粗糙度
透明電極結構 方均根粗糙度 [nm]
MoO3 5 nm/Au 15 nm 43.125 MoO3 5 nm/Al 1 nm/Au 14 nm 17.058 MoO3 5 nm/Ag 15 nm 44.334 MoO3 5 nm/Al 1 nm/Ag 14 nm 23.888
理論上，Ag 有著比 Au 更好的導電度，但實驗結果卻發現 Al/Au 透明 電極元件的Rs比較低，我們推測有可能是因為Au、Ag 兩種金屬表面形貌 不同的影響。圖4-12 是不同陽極結構的 AFM 表面形貌圖，(b)和(d)分別是 MoO3上先蒸鍍1 nm Al 後，再蒸鍍上 14 nm Au 和 Ag 的圖型，和(a)(b)比 起來，不論是 Au 或是 Ag，在 MoO3和金屬之間插入一層 Al 都能有效降 低表面的粗糙度。從 AFM 圖也可以發現，(a)圖上有一顆顆的島狀結構，
而在(b)中卻無此現象，從圖 4-5 的 MoO3表面形貌，我們可以確定島狀的 部份是 MoO3，這也說明 Au 沉積在 MoO3上時是比較分散而平坦的。Ag 的表面看不到島狀的MoO3，而是長條狀的突起，我們推測這有可能是Ag 自我聚集而產生的。在金屬和 MoO3之間加入一層 Al 之後，Al 能夠填補 MoO3島群之間的空隙，但是沒辦法降低Ag 聚集而產生的條狀高地，這讓 MoO3/Al/Au 的粗糙度比 MoO3/Al/Ag 要低上大約 6 nm 左右，我們認為這 是為何Al/Ag 元件的特性比不上 Al/Au 元件的原因。
圖4-13 是 Al/Au 和 Al/Ag 透明電極元件內部光場分佈的模擬結果。和 前述結果相似，由於Ag 的反射較 Au 高，因此在下吸光時，在主動層內部 的光場會比較大，而在上吸光時恰好相反。雖然模擬結果在下吸光時Al/Ag 元件在主動層中能有比較大的光場強度，但由前面表面形貌的討論，我們 知道 Ag 的成膜特性比 Au 要差，而這也是轉換矩陣法沒有考慮進去的因 素，由此再度證明Al/Ag 元件的缺點並非在於導電度或是穿透度上，而是 表面形貌。
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