共軛性導電高分子材料簡介
如圖一所示，塑膠材料係由許多重複單元結構鍵結，形成具有類似珍珠項鍊形態的高分子材料。高分子材料絕大部分為碳氫化合物（例如聚乙烯(Polyethylene)），具有可撓曲、質輕、不易脆裂，以及低成本的優點，特別在電性方面，由於沒有如金屬般的自由電子可以傳導，其導電度約為10-14~10-18 S/cm，相對於導電度104~106 S/cm的金屬，高分子材料為一絕佳的的電絕緣體。一般來說，為了使高分子材料具導電性，通常會添加金屬或導電碳黑形成複合型導電高分子(Extrinsic Conductive Polymer)材料，藉由導電顆粒聚集形成導電網絡來提高高分子材料的導電性。
有別於一般摻入金屬粉或導電級碳黑的高分子複合體，共軛性導電高分子（例如聚乙炔(Polyacetylene)）係為具有本質導電性之本質型導電高分子(Intrinsic Conductive Polymer; ICP)，其高分子主鏈結構係由交替的單鍵−雙鍵共軛鍵結而成，該分子結構可經由化學或電化學的方式加以摻雜，形成電洞或電子傳導載子，因而產生介於半導體及金屬導體之間的高導電度。
導電高分子電子結構及導電機制
高分子材料絕大部分為碳氫化合物，以典型的聚乙烯高分子材料為例，其高分子主鏈之電子結構係以sp3分子軌域所構成（圖二(a)），由於飽和單鍵(σ-bond)之電子相當定域化(Localized)，電子無法沿著主鏈進行傳導，因此具有相當好的電絕緣性。然而，本質型導電高分子屬於「共軛高分子」，其高分子主鏈結構係由交替的單鍵−雙鍵共軛鍵結而成。以最簡單的共軛高分子－聚乙炔為例，其主鏈上的電子結構係以sp2分子軌域所構成（圖二(b)），由於sp2鍵結的特性，使得每一個碳原子有一個價電子未配對（pz 軌域），且在垂直於sp2面上形成一未配對鍵(π-bond)，由於相鄰原子未配對鍵的電子雲會互相接觸，使未配對電子很容易沿著長鏈移動。
由於σ電子無法沿著主鏈移動，因此一般σ鍵結高分子材料為電絕緣性，而共軛高分子之π電子雖然較容易移動，但也相當定域化，電子必須跨越能隙方能導電。依分子結構不同，對於一般有限鏈長的共軛高分子而言，其能隙約在1.0~3.5 eV之間，為了使共軛高分子導電，必須要做摻雜(Doping)，這與傳統半導體需經過摻雜後才可以經由帶電荷載子提高導電度的情況類似。當共軛高分子之共軛雙鍵被施以摻雜後，由於共軛雙鍵形成的π電子更容易沿著高分子鏈移動，稱為非定域化(Delocalization)，因而成為導電物質。其摻雜機制係在HOMO及LUMO能隙之間形成新的能階（圖四），當摻雜電子接受體(Electron Acceptor)時，共價帶上的電子流入電子接受體，相當於在共價帶上出現帶正電荷的電洞載子而形成電流，稱為p-型摻雜；當摻雜電子施予體(Electron Donor)時，電子施予體提供帶負電荷的電子載子給傳導帶而導通，稱為n-型摻雜。
圖二、(a)聚乙烯高分子；(b)聚乙炔共軛高分子之分子結構及分子軌域
圖四、共軛性導電高分子之摻雜機制
導電高分子物性及其應用
1. 導電性應用技術
在導電性材料應用方面，複合型導電高分子的市場已逐漸飽和，除了導電膠部分還有成長的機會外，不論是靜電消散(Electrostatic Discharge; ESD)或電磁波遮蔽(EMI Shielding)市場都已成熟，本質型導電高分子是導電高分子領域未來的發展重點，也是國內廠商值得投入開發的領域。國內本質型材料之供應多數仰賴進口，Polypyrrole之供應來源為Merck、Fluka、Acros及Aldrich等，Polythiophene 之供應來源為H. C. Starck及AGFA，本土廠商展宇科技材料從2005年起也開始販售Polyaniline。目前國內導電塑膠成品大多屬於複合型材質，本質型產品的應用發展大，但仍在開發階段，與複合型材料相比實微乎其微，為掌握國內自主材料技術、大幅降低國內業者生產成本，國內業者有必要以本質型共軛導電高分子材料為重點，開發透明性抗靜電/導電薄膜產品。
3. 半導體應用技術
在有機半導體光電元件應用方面，首先遭遇的問題是共軛高分子之低載子遷移率的問題。為了改善共軛性高分子溶解性，常常需要在高分子主鏈接上可溶性側鏈基團來克服成膜問題，然而，該側鏈烷基會造成共平面性及π-共軛長度降低，其載子遷移率通常很低，例如聚（3-己烷基噻吩）之場效遷移率僅約10-4~10-5cm2/Vs。所幸，1993年McCullough等人開發出具有99%高度結構規則性之頭−對−尾聚（3-己烷基噻吩）（一般稱為Regioregular P3HT，本文將以rr-P3HT表示），該側鏈烷基可同時扮演溶解性基團及自組排列(Self-assembly)機制（圖十七），因此，Bell實驗室Bao等人得以使用此高度結構規則性rr-P3HT，於1996年以溶液製程製作出場效遷移率高達0.01~0.045 cm2/Vs之共軛性高分子OTFT。
目前最常見之固態高分子太陽電池係由A. J. Heeger及F. Wudl所設計具有異質接面(Bulk-heterojunction; BHJ)結構的有機混成太陽光電系統（圖十九），該元件構造的主動層材料係由共軛高分子/碳材混摻材料所組成，其中共軛高分子（例如rrP3HT）做為Electron Donor，而[6,6]-phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester (PCBM)做為ElectronAcceptor，其中陽極材料係由ITO基材所構成，而陰極是由鋁(Al)所構成，此外，為了增進電洞傳遞，通常需在ITO及主動層之間加上一層PEDOT:PSS。近年來，一系列新型共軛高分子材料陸續被開發，光電轉換效率也因而屢創新高。目前最高的固態高分子太陽電池轉換效率紀錄為Solarmer能源公司於2010年所發表，其生產的塑膠太陽能面板可達到7.4%的效率，並經過美國能源部國家再生能源實驗室的驗證，最近甚至宣稱已可達到7.9%的效率。工研院材化所以Thiophene-phenylene-thiophene (TPT)為主體（圖廿），提出一系列不同能階與能隙的共軛高分子，搭配PCBM 材料做為主動層，其光電轉換效率可達到約7% …以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：黃桂武/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌288期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9007