由於具備質輕、可撓曲、製程環保、低成本及應用性佳等優點，高分子有機太陽能電池為最具潛力的第三代新興太陽能電池。其發展由早期的雙層(Bilayer Structure)到目前的Bulk of Heterojunction結構，迄今已達>5%光電轉換效率，依其低成本特性加上效率的提昇，將有機會於未來幾年內達到1 USD/W 的目標。本篇報導將著重於效率提昇方向的探討，如：新的低能隙半導體材料(Low Bandgap Conjugated Polymers)、堆疊結構元件(Tandem Cell)及新元件製程的導入等。文中亦將探討元件結構及發電機制，並就商業化因素（效率、生命期、成本）做可行性探討，且就其應用之方向及未來展望做一評估。
高分子有機太陽能電池
太陽光取之不盡、用之不竭、且發電設備不受土地環評限制之特性，使其成為未來再生能源與替代能源之首選。隨著能源費用高漲及溫室效應，太陽能電池的發展更是刻不容緩。在開發此類新能源技術時，除掌握現有成熟技術，以掌握切入市場之時程外，更應同時兼顧技術的環保性與未來發展性，方能在新興能源技術上進佔技術與市場的先機。目前光電能轉換效率最高者，首推III-V 族半導體無機材料系列。 例如：砷化鎵/ 鍺(GaAs/Ge)單一接面型(Single Junction)的量子井(Quantum Well)磊晶結構， 其光電轉換效率可達>18%；而多重接面(Multi-Junction)量子井磊晶結構之太陽電池，例如: 磷化銦鎵/ 砷化鎵/ 鍺(InGaP/GaAs/Ge)，其光電轉換效率可高達>30% 。
儘管III-V 族半導體具有如此高的光電轉換效率，但由於價格過於昂貴，所以目前的發展，僅侷限用在太空衛星上的動力系統，而根本無法普遍推廣到一般民間使用。目前應用最廣以矽(Si)為主：包括非晶矽(Amorphous-Si)，光電轉換效率約9%；多晶矽(Polycrystalline-Si)，光電轉換效率約14 %；單晶矽(Single Crystal-Si)，光電轉換效率約17% 。雖然在價格上VI 族元素Si 要比III-V 族半導體GaAs 便宜，但其製造的價格與高分子有機太陽能電池相比，還是昂貴許多。就成熟矽晶質太陽能電池與高分子太陽能電池相比，有機太陽能電池在製程上，可大幅降低二氧化碳等溫室氣體的排量、能源消耗(Energy Payback)及硬體投資，此外目前多晶太陽電池製造過程中，使用大量酸鹼性蝕刻劑、金屬電極所需之稀有金屬銀、焊接時所用之有毒鉛等，均會對環境造成不良影響；而在應用上，質輕又無破裂之虞的全塑化有機太陽能電池可經由印刷(Roll-to-Roll Printing)的製程達到，除價格降低外，更適合可攜式電子產品的需求，且在室內或陰天均能正常使用（這是矽晶質太陽能電池所無法達到的），使得它的實用性及市場應用廣度更加提昇。
高分子太陽能電池原理
高分子太陽能電池的特點為，光主要由Donor 材料（共軛高分子；Conjugated Polymer）吸收，由於共軛高分子材料具高的吸收係數，因此其元件的厚度為100nm(Polycrystalline CuInSe, CdTe: 1μm、Crystalline Silcon: 100μm ），為最輕薄的太陽能電池。光電轉換詳細作用機制如圖一所示，利用Donor-type 材料與Acceptor-type 材料進行混摻，藉由太陽光的照射，以產生電子與電洞對(Electron/Hole Pair)，最後電子與電洞分離，並分別經由電子與電洞傳導材料，傳輸至陰陽電極而形成電壓降，以產生電能。由於有機半導體材料Exciton 有較高的束縛能（Binding Energy；約在0.2~1.0eV），與無機材料（矽的Binding Energy；約0.015eV）相比，其束縛能約大上一兩個Order ，故於室溫條件下，有機材料無法形成自由的電子或電洞(Free Carriers)，必須藉由N 型與P型材料界面的勢能差，才能達到電子與電洞分離的效果。目前最常見之有機混成太陽光電系統，主要採A. J. Heeger 與F. Wudl所設計的BHJ 結構，元件結構如圖一(b)所示。
圖一、高分子太陽能電池的(a)發電原理；(b)元件結構
圖二為高分子碳材太陽能電池之元件結構的SEM 圖，由圖中可以更清楚的了解到其元件構造。以高分子/ 碳材混摻系統((Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 為P-type 而[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)為N-type 材料）所組成的主動層材料，配合ITO 基材與Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)(PEDOT: PSS)組成的陽極及以陰極（鋁(Al）所構成。其結構看似簡單，然不同層材料的選擇，皆有其限制與功用。當中ITO 為照光面的透明電極材料，必需具備高導電度(<20Ω/ □)及高穿透度功能（於可見區域穿透度T%>85%）。而PEDOT: PSS 主要功能，為修飾ITO 的Work Function（減少Hole Injection Barrier ，使電洞傳導效率提昇），並使基板平坦化，另外亦扮演電子阻檔(Electron Blocking)的角色。ITO/PEDOT 及Al 電極的選擇，亦是在能階考量下所搭配出，如圖一(a)所示，ITO/PEDOT的Work Function必須配合P3HT的HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)能階，才能有效的將電洞引導出來，而Al的選擇也是符合由PCBM 的LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)萃取出電子需求的緣故。另外如圖二所示一般亦會於主動層(Active Layer)上，鍍上LiF 或Ca ，而藉由這層材料的導入，可以增進Electron Injection，並幫助效率的提昇。
圖二、高分子太陽能電池結構示意圖及其CrosssectionSEM 圖
Low Bandgap 材料與Tandem Cell
Low Bandgap 導電高分子材料開發，一直是高分子太陽能電池所致力的目標，如圖五所示，目前最好的高分子材料為P3HT及MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene])，其能隙分別在1.9eV 及2.0eV ，與AM 1.5G太陽光譜相比，大部份的光皆無法被吸收，若能將主動層材料的Bandgap 縮小，將可幫助吸收更多太陽能光譜，繼而產生高的光電轉換效能。然並非所有Low Bandgap 材料皆有較好的光電轉換效率，這些材料必須兼顧優良物性， 如高的吸光係數(Film>105cm-1 at λmax)及高的Hole Mobility (>10-4cm2V-1s-1(Field Effect Transitor))，加上能階（HOMO 與LUMO 須符合碳材與電極的Work Function 系統）及元件製程配合下，即新型導電高分子和碳材混摻Morphology控制，才能擁有優良的元件效率。在上述因素缺一不可情形下，絕大部份發展的Low Bandgap 導電高分子，在元件效率表現皆不盡理想(<<1%)。
圖五、P3HT、MDMO-PPV、PCBM與AM 1.5 G太陽光譜比較圖
新材料的開發必須兼具整體光電流與電壓之間的Off-set 考量，不因電流的提昇而過度犧牲Voc；且Donor-acceptor 的BandStructure (HOMO-LUMO)乃至所對應的金屬電極的功函數(Work Function)，都需要仔細調整才能提昇元件的開路電壓。以工研院材化所(MCL/ITRI)發表的Poly-TPT 為例（圖七）， Poly-TPT 材料Bandgap 約為1.7eV ，利用循環伏安法，可從氧化還原電位，推算出其對應HOMO與LUMO值，並與PCBM(HOMO/LUMO)相比，可判定Poly-TPT/PCBM在高分子太陽能電池的適用性。如圖七(a)所示Poly-TPT 其HOMO 與LUMO 分別為-5.4與-3.7eV，其LUMO與PCBM的LUMO相比約有0.6 eV 的能階差，能有效的達成Exciton 解離。
圖七、(a) Poly-TPT、P3HT 及PCBM能階比較圖；(b)Poly-TPT:PC71BM混摻主動層TEM 圖；
(c)Poly-TPT: PC71BM 混摻元件之光電轉換效率
商業化因素分析
對於傳統的矽晶太陽能電池而言，製造成本著實為一昂貴投資，由於這種需高成本結構的科技產業投資，使全球的能源製造產業成長受到明顯的壓抑，雖然近期油價高漲及溫室效應問題，才再次帶動太陽能電池的高度發展，對於如何降低成本達到1 USD/W 以下，仍是產業持續努力的目標。雖然大家對有機太陽能電池的特性（可攜帶、多次使用、環保）表示高度興趣，但成本及實用性才是決定生產投資之關鍵因素。由於有機電池在製造成本上佔有相當優勢，首先採用塑膠基板能使用一般標準的網印(Screen Printing)及塗佈(Spin Coating)技術製程，再以塑膠薄膜封裝，其低廉設備成本，成為此技術吸引人的利基點。綜觀有機太陽能電池著實有許多引人注目的特點：
1.質輕、可撓及透光性佳；
2.可使用連續列印(Printing)製程大量製造；
3..可使用大面積(Coating)技術製造；
4.易整合在不同產品（電子產品）做應用；
5.相較於傳統矽晶電池，其成本明顯降低許多；
6.兼具環保及經濟二大優勢，然其真正商業化必須同時有效率、生命期、成本等三大因素配合。
高分子有機太陽能電池目前可達>5%光電轉換效率，且適用於液相製程，可達
大面積環保製程要求，其質輕、可撓、低成本的優點，使其成為備受矚目的第三代新型太陽能電池系統。目前發展重點為效率之提昇以及製程放大技術，相關產品應用則鎖定在消費性電子產品；如電腦、錶、感應器及其它的創新應用；如手機充電器、玩具。另外將電池元件整合到衣著、野外活動用品、建築材料以及軍事用品也是可撓式元件的特色。目前生產高分子有機太陽能電池的美國Konarka 公司已經有這類原型產品，相信在一兩年後，其應用產品將很快會在市場銷售。
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作者：陳志平 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌262期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7248