太陽光取之不盡的特性，使其於再生能源(Renewable Energy)領域占有極重要的地位，加上石油短缺、電價上漲的問題已迫在眉睫，如何解決未來能源問題便成為相當急迫的議題。台灣的能源有95%以上倚賴進口，因此新能源的開發更顯其重要性，而新能源技術的開發，如能掌握現有成熟技術及切入市場之時程，加上同時兼顧技術的環保性與未來發展性，必能在新興能源技術上占得市場先機。而有機太陽電池(Organic Photovoltaics)製程環保，與較成熟之矽質太陽電池比較：在製程上，可減少二氧化碳等溫室氣體排量、能源消耗(Energy Payback)，加上溼式製程，因此硬體投資有機會大幅降低；在應用端，質輕又無破裂之虞的全塑化有機太陽電池，可經由印刷(Roll-to-Roll Printing)的製程達到。在各類型的太陽電池中，其生產的Throughput更具有最大利基，由於在室內或陰天（微弱光源）皆能正常使用的特性（這是矽質太陽電池所無法達到的），使其實用性及市場應用廣度更加提升。
有機太陽電池原理
有機太陽電池之組成主要將共軛高分子（電子施體(Donor)）與碳材（電子受體(Acceptor)）混摻（圖一(a)），使用ITO基板（玻璃或PET 塑膠材質上方Coating ITO(Indium Tin Oxide)薄膜）做為透明電極材料接著塗佈PEDOT: PSS導電高分子。在PEDOT:PSS之上的為Photoactive Layer，簡稱主動層(Active Layer)，為此類太陽電池核心構造。最後蒸鍍金屬電極，即完成有機太陽電池。其光電效益的產生主要由共軛高分子所貢獻，由於共軛高分子是Direct Bandgap材料，加上高的吸收係數，因此有機太陽能的主動層厚度僅需要<200 nm的厚度（Polycrystalline CuInSe; CdTe：數個μm、Crystalline Silcon: 100 μm），為目前最輕薄的太陽電池技術，而薄的主動層也使此類型電池之主動層所需的成本大幅下降。
元件效率與材料設計
有機太陽電池用的共軛高分子，在結構設計上，最常採用電子施體與電子受體共聚的系統（圖二）。使用電子施體可選擇具有高度共平面的分子骨架，搭配高結晶性及高溶解度的側鏈，如設計成具高度共平面或易堆疊的結構，將能使高分子具較良好載子傳輸性的特質。電子受體則使用各種不同電子性質的單體，經由一系列不同拉電子基團(Electron Withdrawing Group)的選擇，可得到不同的P-type材料，包括吸收度、吸收範圍、能隙(Bandgap)及HOMO/LUMO能階等皆可進行調控。通常溶解度是共軛高分子設計上不可或缺的一環，將直接影響薄膜的品質及製程，一般是將各種長碳鏈導入共軛高分子的側鏈上，但因此部分不參與發電的機制，故以最少的比例來達到最佳的溶解度是設計的方向。
至於如何從能階調控元件開路電壓呢？由圖三可了解其基本原則，藉由Donor（共軛高分子）及Acceptor（碳材：PCBM）材料的最高占據分子軌域能階、(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO)最低未占據分子軌域能階(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; LUMO)及能隙設計開發能有效調控元件的開路電壓。因為共軛高分子吸收光的能量後產生激子(Exciton)（電子與電洞對－依庫倫力結合），由於有機分子產生的激子具相當高的束縛能(Binding Energy)，其在室溫下，無法形成自由的電子與電洞。此時必須藉由共軛高分子與碳材-C60間，非常快速的過程(~psec)轉移電子給鄰近的C60分子，利用這種稱為光導致電荷轉移(Photoinduced Charge Transfer)，快速的電子轉移現象，才能使電子電洞有效分離，而得到高濃度的自由電荷。因此，為了有效分離電子與電洞對，Donor和Acceptor之間LUMO能階的能量差ΔELUMO是必須的，最理想的能量差約為0.3 eV。
圖三、Donor與Acceptor的能階圖
除此之外，共軛高分子在有機太陽電池的應用，材料本身必須同時擁有很高的吸收光能力~2 × 105 cm-1、能隙控制在1.5~1.7 eV之間、HOMO值可以<5.2 eV、具備較高的分子量（較佳的成膜特性）、好的溶解度及Mobility>10-3cm2/Vs等特性（圖四）。材料本身能同時具備上述特性，才能有效利用太陽光產生更多的能量。
圖四、共軛高分子於有機太陽電池應用必須符合的特性
共軛高分子技術發展現況
聚(3-己烷基噻吩)(Poly(3-hexythiophene);P3HT)具有高度立體規則性（圖六(a)），是目前最廣泛使用在有機固態太陽電池的高分子材料，P3HT和PCBM混摻後所製成的有機太陽電池之光電轉換效率可達到4%。但P3HT的能隙約為1.9 eV，最長的吸收波長僅達600 nm，與太陽光譜相比，大部分的光都無法有效吸收。因此，大部分研究均朝向低能隙的廣波域吸收材料開發。
目前最高的轉換效率是以Carbazolebased為主體的PCDTBT（圖六(d)），由Konarka與Leclerc所發表，Konarka公司是目前發展固態有機太陽電池中，規模最大及發展最迅速的美國公司，在此領域具有領先的地位。元件效率在National Renewable Energy Labortory(NREL)的認證下達到6.1%，其中開路電壓可達0.88 V，加上充填因子66%，使其具備高效率的特性。
以Thiophene-phenylene-thiophene (TPT)為主體的共軛高分子（圖六(h)）是由工研院材化所提出，TPT結構是一個高度共平面性的單體，其分子的設計是利用分子內環化反應，將具有良好電洞傳輸特性的噻吩環和苯環系統結合，形成噻吩(4H-indeno[1,2-b]thiophene)結構，可避免分子因為立體障礙所產生的結構扭曲，而導致載子傳輸性質下降。此外，在噻吩的側邊引入正己烷苯取代基，可提高高分子的溶解度，同時有助於調控元件的Morphology，進而促進元件效率的提升。工研院利用TPT單體與許多不同缺電子性質的單體進行聚合反應，開發一系列不同能階與能隙的共軛高分子，均具有高電洞傳輸性質，最高可達1 × 10-2 cm2/V-1s-1。以PCBM做為Acceptor材料，短路電流密度為11.4 mA/cm2、開路電壓為0.86 V、充填因子為0.65，光電轉換效率可達到6.4%以上…以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：陳志平/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=9010