有機太陽能電池（Organic Solar Cell）

有機太陽能電池（Organic Solar Cell）
國立台灣師範大學化學系蕭全佑研究生/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

太陽能電池主要目的是將光能轉換成電能。而有機太陽能電池主要係以具有半導體性質之有機材料製作，其優點：（1）製造成本低（2）化合物結構可設計性（3）材料質輕（4）加工性能好（5）製造大面積的太陽能電池及大量生產（6）高吸光係數（7）具有可撓曲，半透明等特性。但目前亦有多項缺點待克服，如功率轉換效率低，載子遷移率低，高電阻，耐久性差等問題。

依有機材料不同特性，有機太陽能電池又可區分為（1）染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells，DSSC），1991年瑞士聯邦理工學院的M. Graumltzel教授的研究團隊，發明具光敏性質之染料吸附於半導體奈米多孔洞結構之TiO₂電極，搭配具有氧化-還原性質(I^– / I^3-)之電解液，製作出光電轉換效率高達7 %之染料敏化太陽能電池，目前這種電池的光電轉換效率最高已超過 11%，其發展潛力備受矚目。（2）小分子有機太陽能電池（Molecular Solar Cells）。（3）高分子有機太陽能電池（polymer solar cells），1981 年時A. Takahashi研究團隊最早將共軛高分子材料使用於製作太陽能電池。目前高分子有機太陽能電池常用的材料為聚 3-己烷基噻吩（poly (3-hexylthiophene), P3HT） 聚合物半導體（p 型材料）、苯基-C61 丁酸甲酯 (phenyl-C61-butyric acid methylester, PCBM)（n 型材料）所組成。其做法是將這兩種有機半導體材料以溶劑溶解後進行混合，而後再塗佈到元件上。均勻混合後的 pn 介面面積能有效提高，增加激子被拆解的機會而提升電池效率。

首先予體（donor）接收光，光激發生成電子電洞對（electron-hole pair）或可稱為激子（exciton）。當激子擴散至Donor-Acceptor介面，激子將分解成獨立傳導的電子及電洞。由於donor及acceptor兩者的LUMO、HUMO能階差異的關係，電子會往acceptor材料，而電洞則往donor材料傳遞。接著透過電極，經由外電路，生成電流。

不論是小分子或高分子有機材料，他們都具有共同特性：高共軛系統這些pz軌域非定域化電子混成形成一非定域化π及π＊軌域。其中非定域化π軌域為HOMO，而非定域化π＊軌域為LUMO。而兩者的能階差，被認為是有機導電材料的能隙，而通常能隙值約為1~4 eV。一般而言，延長有機分子共軛碳鏈長度，可降低能隙值。

有機太陽能電池仍然有許多發展空間，例如藉由有機分子設計，研究出更適合的感光層材料，使其能更充分利用到太陽光能中各種光波段的能量；發展出使載子移動率更快的材料，使其電子-電洞對分離的效率能提升；改善元件的光吸收率，使其轉換效率大幅提升。

參考文獻
http://www.itrc.org.tw/Publication/Newsletter/no95/p12.php
http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_solar_cell
Chem. Rev. 2009, 109, 5868–5923