張博彥、鄭如忠 / 台灣大學高分子研究所；陳志平/明志科技大學材料系
三元有機太陽能電池作為高性能元件，近年來引起了廣泛關注，並取得顯著進展，其功率轉換效率甚至已超過19%。然而，有機太陽能電池在實現商業化之前仍需克服許多挑戰。本文主要探討三元有機太陽能電池當前面臨的瓶頸，以及該研究領域的進展與解決方案，如：主動層形貌控制、傳輸層選擇、大面積製程等，希望這些策略能夠推動有機太陽能電池向更成功的方向發展，並實現商業化目標。
【內文精選】
前 言
隨著科技逐漸發展，能源的需求也日益增長，過去依賴的石化能源因環境污染、有限儲量等負面因素而使眾研究學者朝永續、再生能源發展；其中，太陽能因其取之不盡、用之不竭，而受到越來越多的關注與重視。傳統的矽基太陽能電池由於優越的功率轉換效率，使其被有效應用於民生產業中；然而，其高製造成本、對於環境仍有污染以及可撓曲性差等原因，限制了無機太陽能電池的發展。為解決此問題，於1950~1960年間有機太陽能電池問世，並以質輕、可撓曲及可大面積製程(Large-scale Process)等特性而備受青睞，因此如何提升有機太陽能電池性能、增加應用性便是重要課題。
三元有機太陽能電池的優化策略
1. 形貌控制
為提升有機太陽能電池之性能，除了上述提及的主動層調控外，亦有許多方式可以優化。眾所周知，有機半導體材料的吸收範圍因為較窄而難以充分進行吸收，即便調控主動層的施/受體的吸收，仍有部分波段吸光性較弱，因此主動層的吸收一直以來都是熱門的研究方向，目前亦有多種方式可增加主動層的吸收範圍。其中，串聯型有機太陽能電池藉由兩個以上可吸收互補的主動層組成，是一種有效的方式，但其製備方式較為複雜，對於有機太陽能電池的發展也較為困難，因此後續學者們提出於二元有機太陽能電池中添加第三組分材料於主動層中，主動層由兩個施體與一個受體，抑或是一個施體與兩個受體組成，此做法也能拓寬吸光範圍，以利吸收光子。例如M. Y. Ni與其團隊藉由引入會扭轉的PDI衍生物Cor-T-PDI作為客體受體於PM6:Y6中，而Cor-T-PDI於紫外光波段的吸收較強，因此與PM6:Y6的吸收範圍互補，如圖三(a)所示。
圖三、改善三元有機太陽能電池的各種方式
本團隊致力於PM6:Y6系統中導入客體材料，對三元有機太陽能電池的型態進行優化。團隊使用第三元客體受體Ema-OEt與Y6高度混溶，進而在主動層形成合金狀的型態，而Ema-OEt的自聚集性較弱，可以更容易地分散在Y6中，從而更有效地調整能階排列，這將有助減少來自於能階的能量損失ΔECT；而主動層形貌的優化也導致更高的載子遷移率與提高電荷提取能力，並且降低部必要的電荷復合，使ΔEnon-rad得以降低，其結果如圖三(d)所示。團隊也觀察到，藉由引入具有扭曲結構的CY-3客體，施體可以有效地分散於Y6中，促使主動層合金相的產生並最大化OPV的能隙。除此之外，CY-3的出現改變了Y6在三元混合物中的分子排列並優化共混型態，導致非輻射能量復合(Non-radiative Energy Recombination; ΔEnon-rad)的減少與能量損失(Energy Loss; Eloss)，進而產生優異的開路電壓(VOC)，如圖三(e)所示。除了上述的幾種方法外，我們也發現使用鹵素末端官能基可以增強分子間作用力，使相分離更明顯，並可獲得更緻密、更大的結晶，使載子遷移率提升。此結果為三元有機太陽能電池材料設計方面提供了新的想法，如圖三(f)所示。
2. 傳輸層的改善
除了對於SAM材料進行設計，製程工藝也是影響SAM材料吸附於表面的重要因素。2024年時，S. T. Guan與其團隊藉由低濃度的SAM材料進行製程優化，該團隊以0.1/0.2/0.3 mg/mL的SAM溶液塗佈於ITO基板上，且不進行任何後處理，塗佈三元主動層PBDB-TF:L8-BO:BTPeC9，並取得高達20.17%的PCE，此效率也是目前SAM系統研究中最高效率，如圖五(a)所示。此外，Y. D. Sun及其團隊也使用2PACz作為電洞傳輸層應用於PM6:L8-BO:B6Cl系統中，該研究主要針對前面所提及添加第三元成分改變分子堆疊行為，以減少非輻射復合所引起的能量損失，也同樣展示出高達20.2%的PCE，如圖五(b)所示。綜觀上述結果可以得知，以SAM作為電洞傳輸層，是一種新穎且可有效提升三元有機太陽能電池的策略 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、目前使用SAM突破20% PCE之相關研究。(a)降低濃度及減少後加工取得緻密SAM示意圖；(b)添加第三元成分改變分子堆疊行為
★本文節錄自《工業材料雜誌》455期，更多資料請見下方附檔。