有机太阳能电池技术发展.PDFVIP

文／黃建榮 （國立高雄大學應用物理系　教授） 太陽能 有機太陽能電池技術發展 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 （poly mer solar cell ）、染料敏化太陽能電池 （dye-sens it ized solar cell ）。本篇主要探討小分子與高分子之有機太陽能電池 ，染料敏化電池則不在討論範圍中。 1. 基本原理與結構發展 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 第一個有機太陽能電池是在1958年由Kearns和 機材料只需要幾個微電子伏特 ，在室溫下就能夠被 Calvin所製造出來[1] ，如圖1所示 。其主要材料為 分離成自由的電子與電洞 ，這也是為什麼有機材料 鎂酞菁 （MgPc ）染料 ，將有機染料層夾在兩個功 之太陽能電池效率低的主要原因之一 。1958年的有 函數不同的電極之間。在此元件中，光被有機材料 機太陽能電池結構是利用不同功函數的電極所產生 MgPc所吸收 ；電子從最高佔據分子軌域 （highest 的內建電場來分離激子 ，然而所產生內建電場的強 occupied molecular orbital ，HOMO ）激發到最低未 度並不足以分離激子 。在此結構上 ，元件的開路電 占據分子軌域 （lowest unoccupied molecular orbital ， 壓只有200mV ，光電轉化效率很低 。此後二十多年 LUMO ），產生激子 （exiton ）。激子是一對束縛 間 ，有機太陽能電池領域內創新不多 ，所有報導元 在一起的電子與電洞 ，必須提供足夠的能量來打斷 件之結構都類似於1958年所提出之結構 ，只不過是 束縛能以形成自由的電子與電洞 。然而與無機材料 在兩個功函數不同的電極之間換用各種有機材料 。 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 圖1　單層有機太陽能電池結構 資料來源 ：高雄大學應用物理系 層有機材料為電子受體 （acceptor ）， 光連雙月刊 年 月‧ 2014 5 No.111 55 太陽能 有機太陽能電池技術發展