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新世代再生能源介紹: 有機光伏電池

分子科學與工程系 (蘇昱瑋 助理教授)

目前光伏電池(又名為太陽能電池)的發展趨勢中，依照所使用的材料類型可分為傳統的無機光伏電池，包含Si晶、CdTe薄膜和Cu(In_x Ga_1-x)Se₂薄膜光伏電池; 以及有機光伏電池，包含染料敏化和導電高分子光伏電池。使用無機材料的光伏電池，因其需要高結晶度的無機材料且通常需要在高溫的製備過程下進行，並且較無法單獨改質材料本身來達到調控元件的特性。有機光伏電池(Organic Photovoltaics: OPVs)的特色是其具有低製造成本與可用於輕量化製程的軟性基板元件，近年來透過界面層和電極厚度的改變更可應用在開發半透明光伏元件，特別是營農型太陽光電 (Agrivoltaics)。

有機材料中尤其是共軛高分子其本身的介電常數約3~4，所產生的激子(exciton)其具有的束縛能在0.5~1eV，遠高於室溫熱能0.025eV。因此，有機材料中共軛高分子作為電子供體則需混摻另一電子受體材料以利於在界面形成一個內建電場來分離激子所產生出的自由電子或電洞。有機光伏電池^[1]的研究在經過近二十年來的努力，也有著快速的進展與突破。主要是歸功於四個方面: (一)較優異之光子-電子轉換機制；(二)新型非富勒烯小分子具有吸收進紅外光之特性，以及可利用分子設計概念達到能階調控目的。(三)於主動層中能夠與 Donor-Acceptor式共軛高分子形成最佳微結構；以及(四)伴隨著新穎介面層的出現所開發出的新元件結構。在OPVs研究領域上，主要以在異質界面結構(Bulk-heterojunction)元件為主，其光電轉換效率已達到19%以上。如圖1所示，為了追求更高效率，我們利用新式的逐層旋鍍法構建具有p-i-n結構的主動層^[2]。逐層旋鍍法可調控供體/受體的界面立於垂直面方向上，可促進激子解離和載子透過中間p-i-n結構層進行傳輸。我們也利用低掠角入射之廣角/小角X射線散射(GIWAXS/GISAXS) ^[3]來解析主動層內的共軛高分子的層狀結晶狀排列方向，以及高分子/小分子的混合聚集團聚尺寸分佈。此外，我們也導入以泛密度函數理論 (Density functional theory)計算來研究側鏈取代基(-H, -F, -OCH₃ ) 對共軛高分子在HOMO與LUMO態的電子傳遞現象(圖2)，此研究方法有利於未來設計共軛分子結構前用來做快速篩選適當的分子結構之工具^[4]。

[1] Y.-W. Su, S.-C. Lan, K.-H. Wei, Mater. Today 2012, 15 (12), 554-562.

[2] Y.-W. Su, C.-E. Tsai, T.-C Liao, K.-H. Wei, Solar RRL 2024, 8 (5), 2300927.

[3] Y.-W. Su, Y.-C. Lin, K.-H. Wei, J. Mater. Chem. A 2017, 5 (46), 24051-24075.

[4] P.-T. Chen, Y.-W. Su, Chem. Phys. Lett. 2024, 850, 141447.