立體規則聚(3-烷基噻吩) (regioregular poly(3-alkylthiophenes))為一以頭對尾(head-to-tail)方式進行偶合(coupling)排列之共軛高分子。可輕易地達到一個低能量、低空間障礙的共平面構造，具有高度的共軛性、較佳的導電度及光學性質。本研究發現不同的聚合方式之聚3-己烷噻吩 Poly(3-hexylthiophene)，將造成不同的規則度Regioregular (head-to-tail)與分子量，對材料的光譜性質以及元件的morphology造成程度不一的影響。因此本實驗由文獻上選擇聚合條件較易達成的幾種聚合方式去研究不同的聚合方法FeCl3氧化聚合、 Grignard metathesis methods(Methylmagnesium bromide、Tert-butylmagnesium chloride)。
我們發現不同合成方法在聚合時反應性，以及顏色上就有差異，材料鑑定後發現不僅僅在於規則度與分子量上有差異，連帶分子組態與構形也受影響而不同的聚合過程會殘留下一些無法完全去除的離子，在製成薄膜後的吸收光譜有位移的情況發生顯示其成膜後有不同程度的相分離。由文獻中我們了解發現分子量對元件效率影響甚巨，因為其對morphology很大，進而影響mobility，規則度造成的排列。本研究中的另一個研究方向為其中所含離子所造成的影響。實驗中發現聚合後.未清洗的產物在吸收光譜的表現並未符合太陽電池要求且清洗後確實殘留會無法洗去之少量殘留離子Fe、Mg、Ni占材料約1~3%，實驗最後也了解到不同聚合方式下，由於材料各種特性不依導致元件效率的改變。其中分子量大、規則度好的元件有較高的效率。

Regioregular poly(3-alkylthiophenes) is a kind of conjugated polymers with HT-coupled structures . P3HT(head-to-tail) can be easy to access a low energy and low space obstacle coplanar conformation that leads to highly conjugated polymer , better conductivity and optical properties. In this research, we found out the different way of synthesis led to differences in properties such like regioregular, molecular weight. Above mentioned would influence spectrum of materials and device morphology. We chosen three kind of methods easily to synthesize from papers included FeCl3 Method, Grignard metathesis methods(Methylmagnesium bromide、Tert-butylmagnesium chloride).
We observed the different synthetic methods we used led to different reaction and color. After the analysis, there are not only differences between regioregular and molecular weight but molecular conformation. We also noted there were some residues that could not be completely removed by ion in the polymerization process. Absorption spectrum of film is shifted showed it has different degrees of phase separation. The literature tell us that the molecular weight greatly influences the device efficiency, because it changes the morphology and that affects the mobility and Regioregular.
In this study, another field of research discusses the impact of ion. It was found after polymerization. The product not clean in the absorption spectrum of performance does not meet the solar cell requirements. After washing, it couldn’t wash away the small amount of residue ion Fe, Mg, Ni, and it’s about 1 ~ 3% in the total material. The experiment shows the various characteristics of different materials leads to change in device efficiency. Among them, the devices have the high molecular weight and good regioregular have the higher efficiency.

誌 謝 I
摘要 III
Abstract V
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2導電高分子的導電機制 3
1.2.1能帶結構 3
1.2.2偏極子共振導電理論 8
1.3有機導電高分子在光電元件上應用 12
1.3.1有機電激發光二極體 12
1.3.2有機太陽能電池（本文主要研究元件） 14
第二章 聚(3-烷基噻吩)導電性高分子 18
2.1聚(3-烷基噻吩)簡介 18
2.2規則排列的Poly(3-alkylthiophene) (P3AT) 20
2.3薄膜太陽能電池工作原理及功率轉換效率 25
2.4研究動機 30
第三章 實驗部分 32
3.1藥品 32
3.2使用儀器、樣品製備 33
紫外與可見光光譜儀（UV-Vis spectroeter） 33
掃描式電子顯微鏡 35
核磁共振光譜儀 36
X-ray 繞射儀（powder X-ray diffractmeter, XRD） 38
GPC/SEC 40
元素分析儀 42
光電子光譜分析儀 44
陽光譜模擬量測系統（solar simulator system） 45
3.3合成實驗步驟 47
3.3.1 3-Hexylthiophene 單體的合成 47
3.3.2 2,5-Dibromo-3-hexylthiophene合成 48
3.3.3 化學聚合Poly(3-Hexylthiophene) FeCl3氧化法聚合 --------(P3HT-F) 49
3.3.4 化學聚合Poly(3-Hexylthiophene) CH3MgBr(GRIM)-------(P3HT-M) 50
3.3.5 化學聚合Poly(3-Hexylthiophene) (CH3)3CMgCl (GRIM) -------(P3HT-T) 50
第四章 結果與討論 57
4.1 NMR圖譜分析 57
4.1.1 P3HT 單體之1H- NMR 圖譜分析 57
4.1.2 P3HT 聚合物之1H- NMR 圖譜分析 57
4.2 材料元素分析 58
4.3 分子量與構形 61
4.4 材料光譜分析 64
4.5 能階測量 69
4.6 材料排列分析 71
4.7 元件 76
第五章 結論 78
第六章 參考資料 81
圖目錄
圖1.1固態半導體物質的能階示意圖 4
圖1.2 能帶與導電性質關係示意圖 5
圖1.3 聚乙炔之(a)分子結構 (b)能階結構示意圖 7
圖1.4 偏極子和雙極子的能階圖 9
圖1.5 反式聚乙炔之共振結構 10
圖1.6 反式聚乙炔的孤立子之能階圖 10
圖1.7：聚3-烷基噻吩形成偏極子的結構 11
圖1.8：在聚3-烷基噻吩中，偏極子無法發生上述的共振結構式 11
圖1.9：聚3-烷基噻吩形成雙偏極子的結構 11
圖1.11 單層異質接面結構太陽能電池 16
圖1.12 MDMO-PPV 及 C60結構 17
圖1.13 P3HT 及 PCBM結構 17
圖2.1 Possible regiochemical coupling in poly(3-alkylthiophene) ……………………………………………20
圖2.2 Different between the (a) regioregular and (b) regiorandom form of the poly(3-alkylthiophene)………………21
圖2.3 太陽能光電轉換原理 …………………………………………24
圖2.4 激子產生 26
圖2.5 激子漂移 27
圖2.6 激子解離 28
圖2.7 電子電洞傳導至陰陽極 29
圖2.8 有機太陽能電池之 I-V 曲線圖………………………………30
圖3.1紫外與可見光光譜儀外部 33
圖3.2 紫外光-可見光儀器裝置簡圖 33
圖3.3掃描式電子顯微鏡 35
圖3.4核磁共振光譜儀 36
圖3.5 X光繞射儀外部 38
圖3.7 Viscotek 270系列 黏度計 40
圖3.6 X光繞射儀內部 40
圖3.10 GPC Pump 41
圖3.9 3210 UV/VIS Detector 41
圖3.11 SEC三合一公式原理 42
圖3-12 (a)PESA原理示意圖 (b)量測結果與判定 44
圖3.13 太陽光譜模擬量測系統 45
圖3.14 太陽光模擬儀 46
圖3.15 3-hexylthiophene H-NMR 圖譜 52
圖3.18 CH3MgBr(GRIM)聚合之Poly(3-Hexylthiophene) H-NMR 圖譜 55
圖3.19 (CH3)3CMgCl(GRIM)聚合之Poly(3-Hexylthiophene) H-NMR 圖譜 56
圖4.1 FeCl3氧化聚合之P3HT 61
圖4.2 (CH3)3CMgCl (GRIM)聚合之P3HT 62
圖4.3 CH3MgBr(GRIM)聚合之P3HT 62
圖4.4商業化P3HT 63
圖4.5 P3HT吸收光譜圖 65
圖4.6不同聚合之P3HT製成薄膜加熱前(a)、加熱後(b)後之光圖 66
圖4.7 P3HT混PCBM1不同比例下 1:0.1、1:0.5、1:1、1:1.5、1:2製成薄膜加熱前(a)、加熱後(b)後之光譜圖 67
圖4.8(a)為P3HT-F的work function(b) 為P3HT-M的work function(c) 為P3HT-T的work function 69
圖4.9 三種聚合方式的能階圖 70
圖4.10 P3HT-F 和 P3HT-F 在 150oC加熱時 XRD圖 71
圖4.11 P3HT-M 和P3HT-M 150oC加熱時 XRD圖 71
圖4.11 P3HT-M 和P3HT-M 150OC加熱時 XRD圖 72
圖4.12 P3HT二維結構示意圖 72
圖4.13 P3HT旋轉塗佈在玻璃基板上的SEM圖 74
圖4.14 P3HT:PCBM=1:1旋轉塗佈在玻璃基板上的SEM圖 75
圖4.15 元件結構剖面圖 76

表目錄
表1.1 各種導電高分子 2
表4.1 為元素分析結果 59
表4.2 P3HT-T 清洗後，EDS所得元素含量分析 59
表4.3 P3HT-M 清洗後，ED所得元素含量分析 59
表4.4 P3HT-T 清洗後，EDS所得元素含量分析 59
表4.5不同方式聚合之P3HT分子量 63
表4.6 三種聚合方式的能階與能隙 70
表4.7 P3HT的元件效率 76

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