head-to-tail (HT)
6. Triton x-100 reduced
DCB
聚乙二醇辛基苯基醚，分子量 646.86，化學式如圖 3-5 所示，為一種非離子型表面活性劑，
能溶解酯質，以增加抗體對細胞膜的通透性，免疫細胞學中 Triton X-100 常用濃度为 1%和 0.3%，
其中 1%的 Triton X-100 常用於清洗組織標本，0.3%的 Triton X-100 則常用於稀釋血清。x-100 應用範圍極廣，主要應用在電子及光學顯微鏡、組織學和清潔劑上；在這篇論文中是將其摻雜 在 PEDOT 中，以降低 PEDOT 在主動層上的接觸角，改善 PEDOT 在主動層的成膜性。
圖 3- 4 triton x-100 的化學結構。
7. DCB(1，2-dichlorobenzene)
為有機太陽能電池主動層材料之溶劑，化學結構如圖，其純度為 99.5％，由 ALDRICH 購得。
圖 3- 5 DCB 化學結構。
8. MoO3 (Molybdenum trioxide 三氧化鉬)
可使得有機材料到金屬電極間形成階梯式的電洞躍遷，幫助電洞傳導更有效率。MoO3 為一 高能隙氧化物，HOMO 為 2.3eV，LUMO 為 5.4 eV。
常見陰極材料，放置於空氣中時，會於表面形成一緻密氧化鋁層，可使避免內部電極與空 氣產生氧化作用，功函數大約為 4.3 eV。
10. Ag(Sliver 銀)
為導電性和導熱性最好的金屬，因其化性較不活潑，一般不與氧氣反應，在空氣中時，表 面會形成極薄的氧化膜。其功函數為 4.7 eV。
11.金奈米粒子(Gold nanoparticles)
奈米粒子的製備方法以發展許久且為數眾多，目前常見的方法包括蒸氣沉積、電化學法、
雷射剝落法(laser ablation)、濕式化學合成法(wet chemical synthesis)、電子束微影製程 技術(electron beam lithography)和奈米球模板技術(nanosphere lithography)等等。因為金 奈米粒子在在空氣中較不容易氧化，且比起銀和銅等金屬材料，金比較容易產生表面電漿共振 的現象也比較容易被觀察，因此我們選擇金奈米粒子作為這篇論文研究的材料；這篇論文中所 以使用的金奈米粒子由清華大學黃暄益教授實驗室所提供；如圖 3-6(a)所示粒子的半徑大約為 30nm，由掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope-SEM)所量測，圖 3-6(b)為金奈米 粒子的吸收光譜，吸收峰值大約為 543nm。
400 500 600 700 800 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Asorbance (a.u.)
Wavelength (nm) (a)
(b)
圖 3-6(a)金奈米粒子的 SEM 影像圖(b)金奈米粒子溶液的吸收光譜。
1.Spin Coater 旋轉塗佈機：
將基板用抽真空的方式固定住後，再將欲塗佈成膜之液體完整塗滿於基板上，旋轉時，利 用離心力甩除多餘液體並沈積形成薄膜。可藉由改變轉速大小、塗佈時間控制薄膜厚度。
2.N2 Glove Box 手套箱:
一般高分子材料在大氣下容易與大氣中的水氣、氧氣反應，使得高分子材料裂化，造成實 驗結果不穩定、無再現性等缺點，所以本實驗大部分都在充滿惰性氣體(N2)之密閉腔體中進行。
3.Thermal Evaporator 熱蒸鍍機:
金屬材料或是一般小分子有機物，因其無法溶解成溶液狀態，無法以旋轉塗佈的方式附著 於基板表面，形成薄膜附著於基版表面上，所以這時改採用熱蒸鍍的方式，係以一高真空腔體 內置入欲蒸鍍材料(如 Al)於鎢舟上，通電使其產生高熱讓金屬蒸發成氣體狀，金屬蒸氣會附著 於基板上冷卻成固體並透過遮罩(shadow mask)完成圖案，並定義出元件面積。為避免高溫加速 氧化作用以及受到腔體其他氣體分子的影響，熱蒸鍍必須在高真空下進行，腔內氣壓約要抽到 6x10-6 torr 以下才可進行蒸鍍。
4.UV/Vis spectrometer 紫外/可見光吸收光譜儀:
由美商 Perkin Elmer 購得，型號為 Perkin Elmer UV_Vis Lambda 650，可量測波段在 190nm~900nm，量測多以 320nm 為使用燈源的分界，紫外波段是用氘(D2)燈提供;可見光波段則 由鎢燈提供。其原理如圖 3-6 所示，入射光源為非偏極光，以單光儀將光源萃取出特定波長，
當特定波長之入射光(強度 I0)入射帶測樣品後，由於樣品會吸收部分光線，所以出射光強度變 為I，這時可以定義吸收度 A=-log(I/ I0)，當儀器已不同波長的入射光去掃描待測樣品後，即 可得到入射波長和吸收度關係之吸收光譜圖。欲求帶測樣品的穿透度，也可利用上述之公式 A=-log(I/ I0)=-log(1/T)，T 即為穿透係數，如此可得到入射波長雨穿透度之間的穿透光譜。
圖 3-7 UV/Visible Spectroscopy 吸收光譜儀工作原理示意圖。
本次實驗所架設之太陽光模擬器主要由 Oriel 66901 氙燈搭配 AM 1.5G AirMass 之濾光鏡，
模擬成符合 AM 1.5G 光譜之太陽光。量測時，照光強度得校準是利用一個附有 KG-5 filter 的 標準 Si photodiode detector（由 Hamamatsu,Inc.購得） 測量而得，校準方法是以 IEC-69094-1 光譜為基準，依照參考文獻[41]中方式校準量測光強度為 100 mW/cm2 ，且固定光源與帶側元件 間距離。
圖 3- 8AM 1.5G（IEC 60904）參考光譜與 Oriel 太陽光模擬器光譜圖[19]。
6.Keithley 2400 source-measure unit:
此次實驗利用 Keithley 2400（Source Meter）量測元件之 J-V 特性曲線，由 J-V 曲線，
並配合軟體，可求得太陽能電池元件的開路電壓 VOC、短路電流密度 JSC、串聯電阻 RS、能量轉換 效率 PCE 等重要參數。
7.Atomic Force Microscope(AFM)原子力顯微鏡：
本實驗所使用的原子力顯微鏡式屬於掃描式探針顯微技術的一種，購於 DIintrument，這 種類型顯微鏡式利用特製的微小探針來偵測探針與樣品表面間的特定交互作用，如穿隧電流、
原子力、磁力、近場電磁波來進行樣品表面的偵測。AFM 的微小探針通常黏附在懸臂式的彈簧 片上，當針尖靠近樣品表面的原子時，因力場而產生作用力，簧片為了抵抗作用力而發生形變 而有一回饋作用，為了讓作用力，探針針尖會調整與樣品間的垂直距離，利用電腦記錄表面上 每一點針尖的微調距離，即可獲得樣品表面整體的面貌。
圖 3- 9 原子力顯微鏡儀器架構圖。
8.X 光光電子能譜儀 (X-ray photoelectron spectroscopy)
XPS 的原理為光電效應的應用，以 X 光打入樣本內，使樣本原子的內核層電子帶獲得能量 以擺脫原子之束縛能和材料功函數，此時電子便會被激發出來並帶有動能 Ek，這種電子被稱為 光電子。藉由測量光電子的能量，在以電子動能為橫軸的光電子強度分布圖來分西樣本材料，
如圖 3-10 所示。XPS 適用於無機化合物、合金、半導體、聚合物和元素等多種材料，主要可用 來分析材料的化學實驗式、元素構成及元素的化學態和電子態。另外也有以低能量的紫外光為 光源的 UPS（ultraviolet photoelectron spectroscopy)，由於能量範圍在 0 ~ 60 eV 間，所 以只能將原子中的價電子（valence electron）激發，主要是分析價帶能階的電子特性。
圖 3-10 XPS 儀器工作示意圖[40]。
3.3 元件製作流程
1.ITO 玻璃基板的圖樣化（pattern）
將 ITO 玻璃基板以玻璃清潔劑(Detergent)與丙酮清洗，再將清洗過後的玻璃基板置入裝滿 DI water 的燒杯中進行超音波震盪，最後再將 ITO 玻璃表面再用高壓氮氣槍稍微吹乾後再放置 在加熱板上烤乾。將烤乾後的 ITO 玻璃置於室溫下冷卻後，再以 HMDS(hexmethyldisilane)塗佈 基板表面，HDMS 會與水反應產生氨氣，可用來去除基板產生化學鍵而無法去除的水份，此外，
也可作為基板與光阻間的介面活性劑，使光阻再基板上有校良好的附著。接著再利用旋轉塗佈 方式將正型光阻均勻塗佈在基板表面，再置於加熱板上，以 90 ℃烘烤 3 分鐘作為軟烤（soft bake），
讓光阻硬化後附著於基板表面上。接著進行曝光，將所需圖樣之光罩與 ITO 玻璃準確地對位，
利用紫外曝光機進行曝光，曝光完成後之 ITO 玻璃放入顯影液中，將經曝光區域的光阻藉由顯 影液去除不須要的部份，顯影完成，再將基板放置於加熱板，以 120ºC 4 分鐘作為硬烤（Hard bark）。
硬烤可使光阻內殘留的溶劑降低，強化光阻層的鍵結，且有抗酸的效果。硬烤後用 DI water 沖 洗乾淨再用鹽酸(HCl)進行蝕刻，將不需要的 ITO 區域利用 HCl 蝕刻掉，最後再把蝕刻完成定義 圖樣的 ITO 玻璃用丙酮將表面之光阻去除即可，ITO 玻璃圖樣化的步驟如圖 3-11 所示。
圖 3-10 ITO 玻璃基版圖樣化流程，旋塗光阻、光罩對位、曝光、顯影、蝕刻、
去光阻等步驟。
2.ITO 玻璃基板清洗
為了避免 ITO 基板上有灰塵，造成元件電性下降及特性不穩定，所以我們首先進行基板的
清洗，一開始先用氮氣槍將 ITO 基板上肉眼可見的灰塵去除，接著使用玻璃清潔劑(Detergent) 去除玻璃表面殘存的油脂，以 DI water 沖洗乾淨，接著再放入裝滿丙酮的燒杯進行超音波震盪 等 20 分鐘，隨後再以異丙醇及 DI water 進行震盪，分別震盪 20 分鐘，最後再將 ITO 玻璃表面 用氮氣槍吹乾並置入烘箱去除基板表面殘留的水分，以 100ºC 的溫度烘烤超過 12 小時。
3.旋轉塗佈 Cs2CO3 :
先將 Cs2CO3 配製成 0.2wt%(2mg/1ml)，溶解在乙二醇單乙醚（2-ethoxyethanol）中，置於 加熱板上以 40ºC 加熱，並持續攪拌超過 24 小時，拿出烘箱裡的玻璃基板，置於空氣下冷卻後，
將基板置於旋轉塗佈機（Spin Coater）上，以 2000rpm 的速度將 Cs2CO3的溶液在基板上旋轉成 膜，之後再放置於加熱器上，以 140ºC 的溫度烘烤至乾。
4. 旋轉塗佈高分子主動層（ P3HT：PCBM：blending layer）
將 P3HT 及 PCBM 以 1 ： 1 的 重 量 比 置 入 手 套 箱 中 以 濃 度 為 2 wt% 溶 於 DCB(1,2-dichlorobenzene 1,2 鄰二氯苯)中，在置於加熱攪拌器以 40 ℃攪拌 24 小時以上。在有機 主動層材料溶液完全溶解之後，再利用旋轉塗佈(spin-coating)方式，以 600rpm 的速度將主動層 混合材料旋轉塗佈於 Cs2CO3表面，之後立刻置於塑膠培養皿中以降低溶劑揮發速率，此步驟為 溶劑退火處理，完成此步驟後，再將基板置於 hot plate 以上 110 ℃熱退火處理 15 分鐘。
腔體中，利用機械幫補與油氣擴散幫浦將真空度抽至 6×10-6 torr 以下即可開始蒸鍍 MoO3、Ag；
MoO3蒸鍍速率維持在 0.1 Å /sec，厚度 5 nm，Ag 蒸鍍速率維持在 0.5~1.5 Å /sec，元件主動區域 面積定義為 0.1 cm2。蒸鍍完成後，維持真空度在 6×10-6 torr 冷卻 10～15 分鐘，將完成的元件置 於手套箱內以進行元件封裝作業。封裝為利用蓋玻片配合 epoxy（環氧樹酯）來對太陽能電池主 動區域封裝，利用 epoxy 吸收 UV 光會硬化的特性，使得主動區域被蓋玻片密封住以減少金屬 與有機主動層受到水、氧影響，延長元件壽命。元件製作過程，由圖 3-11 所示：