有机太阳能电池有机太阳能电池具有低成本.pdf

有機太陽能電池 有機太陽能電池具有低成本、輕量化、可彎曲、製程簡易 等優勢，為未來太陽能電池研究發展 方向之一。有機太陽 能電池主要分為：小分子太陽能電池（small molecule solar cell ）、 高分子太陽能電池（polymer solar cell ）、染料敏化 太陽能電池（dye-sensitized solar cell ）。 小分子與高分子之有機太陽能電池 1. 基本原理與結構發展 第一個有機太陽能電池是在1958 年由Kearns 和 Calvin 所製造出來 。其主要材料為鎂酞菁 （MgPc ）染料，將有機染料層夾在兩個功 函數不同的電極 之間。在此元件中，光被有機材料 MgPc 所吸收；電子從 最高佔據分子軌域（highest occupied molecular orbital ， HOMO ）激發到最低未 占據分子軌域（lowest unoccupied molecular orbital ，LUMO ），產生激子（exiton ）。激子是一 對束縛 在一起的電子與電洞，必須提供足夠的能量來打斷 束縛能以形成自由的電子與電洞。然而與無機材料 不同的 是，有機材料所產生電子與電洞的束縳能是 較大的，通常 介於0.1 電子伏特至1 電子伏特，而無 機材料只需要幾個 微電子伏特，在室溫下就能夠被 分離成自由的電子與電 洞，這也是為什麼有機材料 之太陽能電池效率低的主要原 因之一。1958 年的有 機太陽能電池結構是利用不同功函數 的電極所產生 的內建電場來分離激子，然而所產生內建電 場的強 度並不足以分離激子。在此結構上，元件的開路電 壓只有200mV ，光電轉化效率很低。此後二十多年間，有 機太陽能電池領域內創新不多，所有報導元 件之結構都類 似於1958 年所提出之結構，只不過是 在兩個功函數不同 的電極之間換用各種有機材料。 有機太陽能電池技術發展 直到1986 年出現了一個里程碑式的突 破，由柯達公司的 鄧青雲博士創造出 新的結構，所採用的有機材料主要還 是具有高可見光吸收效率的有機染 料。鄧博士的元件之結 構是由四羧基 苝的一種衍生物（又稱作PV ）和銅酞菁 （CuPc ）組成的雙層膜。這種太陽 能電池又稱為雙層異質 接面有機太陽 能電池。雙層異質接面中，第一層有 機材 料為電子施體（donor ），而另一 層有機材料為電子受體 （acceptor ），此雙層結構有效解決了有機材料激子分離 困 難的問題；其原理是利用不同有機材料之間 HOMO 與 LUMO 的能階差來分離激子。當有機材 料donor 層或者 acceptor 層受到光的激發生成激子， 激子擴散到異質接面 處，藉由彼此之間的能階差 來克服激子之束縛能，產生了 自由電子與電洞， 再經由不同功函數所產生之內建電場收 集載子， 電洞往高功函數之電極移動，而電子往低功函數 之電極移動。1986 年所創造之雙層異質結構大幅 提升了有 機太陽能電池之效率[2] 。到了1992 年， Sariciftci 團隊發現 激發態的電子能極快地從有機分 子注入到C60 分子中，而 反向的過程卻要慢得多 [3] 。也就是說，在有機材料與C60 的介面上，激子 能夠以很高的速率實現電荷分離，而且分 離之後 的電荷不容易在介面上複合。這是由於C60 的表面 是一個很大的共軛結構，電子在由60 個碳原子軌雙層有機 太陽能電池結構 資料來源：高雄大學應用物理系 混合異 質接面有機太陽能電池結構 資料來源：高雄大學應用物理 系 道組成的分子軌道上離域，可以穩定外來 電子，證明 C60 是良好的電子受體材料。 此後，以C60 作為電子受體 的雙層異質結 構型有機太陽能電池研究如雨後春筍般冒 出。到了1995 年，A. J. Heeger 團隊研究人 員在此類太陽 能電池的基礎上提出了另一 個新的結構，即「混合異質接 面」或稱 「塊材異質接面（Bulk Heterojunction ）」 之結 構 。混合異質接面結構之提出主要是要針對雙層異質接面 之缺點進行改善， 大部分有機材料的激子擴散距離並不 長， 只有幾十奈米甚至更短，導致部分載子尚 未到異質 接面進行分離就再度復合，造成 光電流損失。混合異質接 面結構 ，就是將donor 材料和acceptor 材料混合 起來，形 成一層混合層。 小分子有機材料藉由共蒸鍍之方法來得到 混合層，而高分子有機材料是利用有機溶劑將兩種 有機材 料溶解混合，再經由旋塗的方法形成混合 層薄膜。異質接 面存在混合層的任何地方，因此 激子在任何位置都可以通 過很短的路徑到接面而 成為分離