圖一、半透明有機太陽能電池元件p-i-n主動層截面分子結構示意圖(藍色圓盤與紫色線條分.jpg

 

圖二、半透明有機太陽能電池元件具塊狀異質(BHJ)與連續塗佈(SD)之p-i-n主動層之光電轉換效.jpg

 

陽明交大韋光華教授團隊研究所製備之半透明有機太陽能電池是在該領域目前光電能量轉.jpg

 

陽明交大韋光華研究團隊突破半透明有機太陽能電池效率

發表於國際知名期刊《Advanced Energy Materials》同時選為封面內文章

有助提升智能溫室效益

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再生能源技術的發展已成為一個極為重要的研究領域，其中有機太陽能電池技術產生之元件具可撓之特性，並具有以印刷法製備大面積和使用低排碳生產技術及低材料成本之優點，近年來其光電能量轉換效率可達18%，已具發展為商業化技術的潛力。

國立陽明交通大學材料科學與工程學系韋光華教授所領導的研究團隊，長期投入半透明有機太陽能電池之研究，近期採用連續塗佈（SD）新穎策略所製備半透明有機太陽能電池具有p-i-n主動層結構，所具有優點在於當增加元件之可見光穿透度時，可以同時保持元件之高光電轉換效率。其研究結果顯示所製備之半透明有機太陽能電池是在該領域目前光電能量轉換效率最高之元件，成果已發表於國際知名之科學期刊《Advanced Energy Materials》（journal impactfactor: 29），並被選為期刊封面文章。該團隊目前也正積極著手研究利用此技術，應用於智能溫室。

韋光華教授表示，在太陽光譜能量之分佈中，可見光與紅外光分別佔百分之四十七與五十一之能量，因此半透明有機太陽能電池元件模組應用於半透光之智能溫室之屋頂時，不但可利用透過之可見光以供溫室內植物進行光合作用來生長，也同時可利用被吸收之紅外光進行光電轉換產生電能。允許架設在溫室屋頂之半透光有機太陽能板同時以陽光能量產生電能及容許農作物的生長，以達到農業與電能共生目標。此外半透明有機太陽能板亦可用於各類建築物之玻璃窗上產生能源，也可望幫助解決逐漸惡化的氣候變遷問題。

過去的半透明有機太陽能電池主動層中均沿用傳統之塊體異質（BHJ）主動層結構(註一)。在BHJ主動層的結構中，由於溶液經旋轉塗佈後形成主動層之過程本質上為自發性(spontaneous)相分離行為，會造成無法精確調控吸收不同波長的光；以及因為無法達成有效及平衡的電子和電洞傳輸行為，而導致無法有效提升透光度及元件之光電能量轉換效率。因此對於具有傳統BHJ主動層結構的半透明有機太陽能電池而言，光電轉換效率（PCE）和可見光穿透度（VLT）這兩者間會有嚴重牴觸，使的製造同時具有高效率和高可見光穿透度的半透明有機太陽能電池時，遇到了巨大的挑戰。

韋光華教授的團隊，採用了連續塗佈（SD）新穎策略，所形成p-i-n主動層結構(註二)有以下兩個優點，團隊透過精確控制高分子和小分子層之厚度，以增加元件可見光穿透度，而增加元件之光電轉換效率。此外團隊在塗佈時以動力學(kinetics)來控制p-型高分子和n-型小分子在界面相互擴散，可產生兩種分子之均勻混合層（i-型），獲得類p–i–n 三層主動層結構。這類三層主動層結構，可以避免兩者再結合之可能性。因而可以保持元件之高光電轉換效率而同時增加可見光穿透度。

此次發表於《Advanced Energy Materials》之文章中所製成之以p–i–n主動層半透明有機太陽能電池之性能，是目前已發表文獻中最高效率的元件，元件可見光透光度（Visible Light Transmission, VLT）達22.2%時，元件光電轉換效率可達12.2%，而以BHJ主動層結構之元件在VLT值為22%時，元件光電轉換效率僅達10%。這種p-i-n主動層結構，可以同時實現高效率和高可見光穿透度半透明有機太陽能電池。

研究成果不僅展現了國内半透明有機太陽能技術達世界一流及自行研發的實力，同時目前也正積極著手研究利用此技術，幫助智能農業達到更高的經濟效應。本研究所有構想元件製作及分析等工作均在國內完成。核心研究人員包括國立陽明交通大學材料科學與工程學系王皓正博士，林瑜哲博士，鄭皓文博士，博士生陳重豪，張斌，碩士生林衡等。研究成果已於2021年4月刊登上國際知名之科學期刊《AdvancedEnergy Materials》。