有機系太陽電池可分為有機薄膜太陽電池與染料敏化太陽電池兩種。這種在光吸收層 (光電轉換層) 使用有機化合物的太陽電池，挾其製造方式簡單、生產成本低，具有著色性與柔軟性等特色，而漸漸崛起，其雖有轉換效率與使用壽命過低的課題需要解決，但若能確實達到實用境界，將造成應用市場上相當大的衝擊與改變，其發展潛力備受矚目，以致近年來的開發競爭日趨激烈。
有機薄膜太陽電池
有機薄膜太陽電池使用的是組合了導電性高分子或富勒烯等有機薄膜半導體的太陽電池。在技術上，其構造與製法比染料敏化太陽電池更為簡便，由於不使用電解液，在柔軟性與壽命的提升上更具特色。進入21世紀之後，其研發變得相當盛行。課題在轉換效率的提升，目前的紀錄在單接合型約為4～5%，多接合型約為6.5%。未來研發重點還需要在高效率材料的應用上能有所突破。
研發近況
大阪大學與大阪市立研究所於2008年3月舉辦的第55屆應用物理學相關演講會上，發表其所研發之單電池轉換效率達5.3%的有機固態太陽電池。採用高純度的結晶，使該太陽電池的轉換效率媲美於美國Northwestern大學於同年2月所發表的5.2～5.6%數值。該有機固態太陽電池所採用的是ITO、H2Pc、i層、C60、NTCDA、Ag電極依序排列的構造。其中，H2Pc是phthalocyanine、NTCDA是naphthalene-tetracaboxylic-dianhydride，而i層是將p型半導體的H2Pc和n型半導體的C60於同時做蒸鍍時而形成的層。這種構造被稱之為塊材異質(Bulk-hetero)構造，最近常見於有機固態太陽電池。大阪大學等所研發的有機固態太陽電池，最大特色在其的C60純度高達99.99999％以上，而i層的厚度達到960nm，使得其單電池轉換效率可大幅提升達高度水準。
歐洲方面，德國Fraunhofer ISE(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)在2008年2月舉辦的Nano Tech 2008會議中，展出可撓式有機薄膜太陽電池。該有機薄膜太陽電池以有機半導體材料實現了如同LED的構造，應用為太陽電池。單電池的轉換效率為3～5%，在同型太陽電池中屬效率較高者。該有機薄膜太陽電池的最大特徵在透明電極部份，不使用成本較高的ITO，而是以在透明樹脂中形成金屬配線的東西來做為其透明電極。所以其半導體的層形成的順序和傳統的有機薄膜太陽電池正好相反，也就是說，傳統是從採用ITO 的負極那一方來做半導體層的積層，而它則是從正極的那一方來做半導體層的積層。
這次的展出中，德國Fraunhofer ISE還展出一款使用有機材料的染料敏化太陽電池(圖一)，呈現出半透明狀，可作為窗玻璃使用，其模組轉換效率為3.5%，未來兩年內，將以印刷技術製造面積達60cm×100cm的染料敏化太陽電池，該轉換效率將可達到5%。
資料來源：日經BP社
圖一、製作於玻璃基板上的有機薄膜太陽電池，轉換效率為2%
美國方面，Northwestern大學的研究團隊於2008年2月底發表不改變有機薄膜太陽電池的半導體層的構成，僅以電池正極的被覆手法，讓單電池轉換效率提高到5.2～5.6%。該團隊所開發的是從正極到負極採用ITO、P3HT:PCBM、LiF、Al電極依序排列的構造的太陽電池。PCBM是n型的C61衍生物、P3HT是p型有機半導體。利用PLD(pulsed laser deposition)法在正極被覆上厚度達數至數十奈米的NiO，之後再依據旋轉塗佈法做P3HT等半導體層的積層。NiO層負責正孔的輸送，並鎖住電子以防能源逸散，其厚度在5～10nm時最具光電轉換效果。該團隊計畫再進一步改善正孔輸送層的功能，並準備開發以Roll to Roll印刷法的量產技術。
另外，專事太陽光電發電業務的Konarka Technologies公司於2008年3月發表利用噴墨印刷、以極低成本即可製造的有機太陽電池。該公司著手於可自行發電之軍用帳篷的開發(圖二)。同樣地，美國紐澤西工學院也曾在2007年7月在柔軟塑膠板上以塗佈或印刷的方式來製造成本低廉的有機太陽電池研發成果。
資料來源：Konarka Technologies
圖二、可織入纖維當中，將帳篷或衣服當做太陽電池來使用
染料敏化太陽電池
染料敏化太陽電池使用的是有機染料，最具代表性的就是稱之為Grätzel型的濕式太陽電池，其具有在兩片透明電極之間夾著吸附了微量釕錯合物等染料的二氧化鈦層與電解質層的簡單構造。由於製造簡單、材料便宜，而可望大幅降低成本，預估其最終將能以目前主流之多晶矽太陽電池約一成的成本來製造。染料敏化太陽電池具有輕量、著色特性，目前的課題是效率與壽命的提升，而如何防止電解液的蒸發是其重要的技術課題，這方面需要朝著固態化等技術的方向來開發。
研發近況
Peccell Technologies、藤森工業和昭和電工三家公司共同合作，使用具有光穿透性之塑膠基板，開發出面積達2.1m×0.8m的染料敏化太陽電池模組，並於2008年2月在東京召開的第一屆「PV EXPO2008」中展出若設置於室內可輸出100V以上電壓的試製品(圖四)。由於使用的是塑膠基板而讓該染料敏化太陽電池具有可撓性，且其厚度薄至0.5mm，重量不過是800g/m2。該染料敏化太陽電池的模組轉換效率約在3%。此次展出算是全球最大面積的染料敏化太陽電池，於研發之際，在多孔膜的成膜與透明導電膜的技術上深下了不少的功夫。在多孔膜的成膜的部分，使用了含有粒子尺徑小至60nm之TiO2粒子的漿料，在常溫中印刷、塗佈及乾燥，而得到多孔質膜。在該漿料中，分散有由10～35nm之TiO2所形成的水性膠液，主要功用在使粒子結合，當該水性膠液乾燥之後，使得構成多孔膜的TiO2粒子之間的結合會因此變強，而讓電荷易於流動，也由於TiO2粒子與塑膠之間的密著性提高，而能達到防止多孔膜剝離的目的。該多孔膜的厚度約為15μm。
至於透明導電膜的部分，開發出metal micro-grid構造的透明導電膜，取代傳統使用的ITO膜，可在常溫、大氣壓之下進行印刷塗佈製作。該新的透明導電薄膜具有75%以上的光穿透率，面電阻僅0.3ohm。由於不使用稀有元素銦，在節約成本上深具意義。該染料敏化太陽電池在使用壽命方面，若於塑膠基板表面施以封裝處理之後，可在50～60℃環境下，連續操作5000～6000小時，若非連續操作，則其使用壽命能長達五年之久。
由於該染料敏化太陽電池具有柔軟性，相當適合應用於窗玻璃、壁面與曲面部分。板據Peccell Technologies表示，計劃從2009年會計年度開始量產該染料敏化太陽電池，於2010年時，量產規模達到1MW/年。而今後的計劃目標是模組轉換效率達8%，價格為1萬日圓/m2，發電成本在120日圓/W。
資料來源：日經BP社
圖四、面積為2.1m×0.8m的太陽電池模組試製品
在歐洲，瑞士洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne；EPFL)與東京大學共同於2008年2月底發表，開發出不利用釕金屬錯合物與揮發性電解液的新型染料敏化太陽電池，轉換效率高居世界第一，達到7.2%。這個由Grätzel與內田聰兩位教授所率領的研究團隊，這次用於染料敏化太陽電池上的是稱為「indoline型」構造的有機染料「D205」(圖六)以及離子性流體、TiO2等。捨棄價格昂貴的有機染料釕，並以離子性流體取代電解液，展現不揮發的特性，也算是一種突破性的做法，而值得期待。
資料來源：日經BP社
圖六、indoline型有機染料「D205」的構造
作者：材料世界網編輯室
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