PCBM rich region
P3HT rich region
PCBM rich region
圖5-6 P3HT/PCBM奈米棒之結構形態示意圖。黑色顆粒代表PCBM，橘色 部份代表P3HT分子鏈。中間顏色較深的區域為PCBM分佈為主，外 圍顏色較淺的區域為P3HT分佈為主。
圖5-7 (a) P3HT奈米棒之SEM圖，(b) P3HT/PCBM奈米棒之SEM圖。
圖5-8 P3HT/PCBM奈米棒SEM圖 (a)混掺比例為1:1，(b)混掺比例為1:2。
圖5-9 P3HT/PCBM(1:1)側向剖面SEM分析圖 (a)薄膜，(b)奈米棒。
(a) (b)
(a) (b)
(a) (b)
5-3-2 P3HT/PCBM奈米棒奈米棒奈米棒奈米棒XRD結晶性質分析結晶性質分析結晶性質分析結晶性質分析
在有機高分子太陽能電池的領域中，傳遞電洞主要是依靠高分子材 料，因為其導電率較差，所以轉換效率皆不高，因此高分子導電率的快慢，
為整個元件轉換效率好壞的最主要關鍵[97,98]。導電高分子的結晶性質，嚴重 地影響導電率，當高分子鏈排列的越規則，代表結晶性質越好，使導電率 能有效的提升，製備成有機太陽能電池時，更能有效地將電洞傳遞至電極，
提升太陽能電池的光電轉換效率。目前在文獻上的報導[97,98]，P3HT/PCBM 薄膜在適當的熱退火處理下，能增進P3HT分子鏈的排列，使太陽能電池的 光電轉換效率明顯的提升。因此本實驗想探討P3HT在奈米棒結構中的結晶 性質。雖然製備的過程，長時間處在高溫的環境下，但是在進行潤濕行為 時，是否會因此擾亂P3HT分子鏈的排列，而導致其結晶度降低。從圖5-10 的XRD繞射圖譜中，發現在2 ≈
θ
5.4o時，有一個明顯的繞射峰，此結晶峰代 表的結晶常數，d，可利用Bragg’s law計算出:
n = λ 2d sin θ
λ=0.154 nm為入射電子束波長，n=1為interference order，2θ為X-ray入射和 反射波向量間的角度。
經由以上公式可計算出d=1.61±0.20 nm，表示P3HT分子鏈上的烷基鏈，會 與另一個分子上的烷基鏈，彼此叉合所形成的間距。P3HT分子鏈的排列方 向為主鏈平行於基材，而烷基鏈垂直於基材，如圖5-10中的小型圖示所示。
此特徵峰是P3HT高分子主要的結晶峰，由圖5-10可以明顯的看出，當薄膜 經由熱退火處理後，其結晶度更高，因為熱退火的處理，使高分子鏈能有 機會再次的擾動排列，增加其結晶度。經模板製程所製備出的奈米棒結構，
並沒有因為潤濕行為而降低高分子鏈彼此間的排列，反而因為長時間在高 溫的環境下，以及physical wetting的行為，使高分子鏈有更多時間和空間再 次做排列，因此有更高的結晶度。因此，藉由提高高分子的結晶度，進而 提升電洞傳遞效率，以提昇太陽能電池光電轉換效率。
圖5-10 為P3HT/PCBM(1:1)熱退火前後薄膜和奈米棒結構之XRD繞射圖譜。
2θ=5.4°是P3HT的結晶峰，2θ=12°和22°皆為ITO玻璃的結晶峰。
Substrate
5-3-3 P3HT和和和P3HT/PCBM奈米棒和 奈米棒奈米棒奈米棒UV-Visible光學性質分析光學性質分析光學性質分析光學性質分析
本實驗製備不同厚度的P3HT、P3HT/PCBM薄膜，以及不同長度的 P3HT、P3HT/PCBM奈米棒，並探討奈米棒結構對於UV-Visible吸收波長的 影響。圖5-11(a)、(b)顯示不同厚度的薄膜以及不同長度奈米棒的吸收圖譜，
因為P3HT能夠有效的吸收太陽光，當薄膜厚度及奈米棒的長度越長，光譜 的吸收度會隨之增強，除此之外，原本P3HT薄膜的光譜吸收範圍在350~650 nm，製成奈米棒結構後，其吸收波長範圍變寬，尤其是250 nm奈米棒在波 長650 nm之後還有明顯的吸收。圖5-11(c)顯示150 nm、200 nm以及250 nm 奈米棒吸收光譜範圍的比較，當奈米棒的長度越長，光譜的吸收範圍會變 得越廣，主要是因為奈米棒的結構會增進光散射(light scattering)的程度
[99,100]，使光譜吸收範圍變大。圖5-12顯示熱退火前後薄膜，及250 nm奈米
棒之吸收光譜比較。經熱退火(thermal annealing)處理後的薄膜，其高分子會 形成較好的堆疊，產生π-π* stacking現象，因此光譜吸收範圍會比未經熱 退火處理的薄膜吸收，更紅位移(red shift)，此現象的發生可以有助於吸收 到更多長波長範圍的光，能有效的增進光電轉換效率。目前P3HT系列的有 機太陽能電池，其製程都會經過熱退火的處理，希望能達到最佳化的轉換 效率。從圖5-12顯示P3HT奈米棒之光譜吸收範圍，比經熱退火處理過的薄 膜吸收範圍更寬，並利用軟體計算出P3HT奈米棒在光譜350 nm~1000 nm中 所吸收涵蓋的範圍，是熱退火處理薄膜的1.4倍。
P3HT/PCBM奈米棒也有相同的光學性質，圖5-13(a)、(b)顯示奈米棒的 結構確實會影響UV-Visible光譜吸收範圍，當奈米棒的長度越長，受到光散 射的程度也會越嚴重，使吸收光譜範圍增大。利用軟體計算出250 nm P3HT/PCBM奈米棒在光譜350 nm~1000 nm中吸收涵蓋範圍，是250 nm熱退 火處理薄膜的1.3倍，如圖5-14所示。
經由以上的實驗可得知，奈米棒的結構確實會影響VU-Visible光譜吸收 範圍，使其吸收範圍變寬。希望藉由P3HT/PCBM奈米棒結構在光學上優異 的表現，能使太陽能電池元件吸收到更廣波長範圍的能量，進而增進光電 轉換效率。
(a)
(b)
(c)
圖5-11 (a)P3HT不同厚度薄膜，(b)P3HT不同長度奈米棒，(c)normalize後不同 長度P3HT奈米棒之UV-Visible吸收光譜圖。
圖5-12 熱退火前後P3HT薄膜(250 nm)與P3HT奈米棒結構之UV-Visible吸 收光譜圖。
(a)
(b)
圖 5-13 (a)P3HT/PCBM 不 同 厚 度 薄 膜 ， (b)P3HT/PCBM 不 同 長 度 奈 米 棒 之 UV-Visible吸收光譜圖。
圖5-14 熱退火後P3HT/PCBM薄膜(250 nm)與不同長度P3HT/PCBM奈米棒 結構之UV-Visible吸收光譜圖。