本研究以電化學定電壓法沉積聚苯胺(polyaniline；PANI)薄膜，應用於高分子太陽能電池之電洞傳輸層。在過去我們實驗室的研究之中，有利用電化學循環伏安法沉積PANI薄膜的研究並應用於太陽能電池元件上，其元件效率上有不錯的表現，但發現其聚合速度緩慢，考量日後要應用於業界量產的要求，選擇沉積速度較快的定電壓法。
本研究探討在不同電壓沉積下的PANI薄膜，其穿透率、吸收光譜、最高被佔據分子軌域（Highest Occupied Molecular Orbital；HOMO）、表面形態以及粗糙度，進而對元件效率的影響，並以旋轉塗佈法製作PEDOT：PSS為電洞傳輸層，相與比較。實驗上針對PANI薄膜做了一系列材料特性的分析，發現不同電壓下所沉積PANI薄膜，其穿透率均略同。另外，其HOMO值、粗糙度及表面型態均由不同電壓值大小會有所改變。在元件效率的表現探討上，發現元件效率主要受到PANI薄膜的粗糙度及表面型態的影響，相較於其它電壓，以電壓0.8V參數下沉積的PANI薄膜，擁有最佳的粗糙度及表面型態。元件結構為ITO(170 nm) ／ PANI(75 nm) ／ P3HT:PCBM(100 nm) ／Al(200 nm)，元件面積0.16cm2，經由AM 1.5G 100 mW/ cm2的太陽光模擬量測，最高的功率轉換效率可達1.52%。

This research is to synthesize polyaniline (PANI) thin film for polymer solar cells as a hole transport layer by using potentiostatic deposition of electrochemical method. In our previous studies, we have shown that the power conversion efficiencies of the solar cell device were improved for the slow polymerization rate. We choose the potentiostatic deposition method to improve the polymerization rate of PANI for the application in industry.
In this study, we investigated optical transmittance, absorption spectrum, Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), surface roughness, and surface morphology of the PANI thin film by changing voltages and to discuss the factors on device efficiency. Then, we compared the device structures with hole transport layer PEDOT: PSS by spin-coating process. We found PANI thin films synthesized from different voltages, and the transmittance measurement results were similar. In addition, we found HOMO, surface roughness, and surface morphology of PANI thin film that varies with different voltages. The power conversion efficiencies of the device mainly were affected by the surface roughness and morphology of PANI thin film surface. Comparing to other parameters, PANI thin film polymerized at 0.8V owns the most appropriate surface roughness and surface morphology. The power conversion efficiency was up to 1.52% under AM 1.5G illumination based on ITO (150 nm) / PANI (75 nm) / P3HT: PCBM (100 nm) / Al (200 nm), and the device area of 0.16 cm2.

誌謝 I
中文摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 替代性能源 1
1-2 太陽能電池定義 2
1-3 無機與有機太陽能電池介紹 3
1-4 有機太陽能電池結構演進 6
1-4-1 單層結構有機太陽能電池 6
1-4-2 雙層異質界面結構有機太陽能電池 7
1-4-3 混合層異質界面結構有機太陽能電池 8
1-4-4 接合層異質界面結構有機太陽能電池 9
1-5 導電高分子的發展過程 10
1-6 導電高分子-聚苯胺 13
1-6-1 聚苯胺的回顧 13
1-6-2 聚苯胺的簡介 13
1-6-3 聚苯胺的合成機構 15
1-6-4 聚苯胺質子酸摻雜機構 18
1-7 研究動機 20
第二章 理論基礎 22
2-1 能量及電荷轉移機制 22
2-2 光電轉換原理 23
2-2-1 光吸收產生激子，如圖2-2。 24
2-2-2 激子的漂移，如圖2-3。 25
2-2-3 激子的分離，如圖2-4。 25
2-2-4 電荷的傳輸收集，如圖2-5。 26
2-3 太陽能電池等效電路 28
2-4 光電特性參數 29
2-4-1 短路電流 30
2-4-2 開路電壓 31
2-4-3 填充因子 31
2-4-4 功率轉換效率 32
2-5 太陽光模擬 33
第三章 實驗流程 37
3-1 實驗架構 37
3-2 實驗藥品 39
3-3 製程設備 41
3-4 量測分析儀器 43
3-4-1 紫外光-可見光光譜儀 43
3-4-2 光電子光譜分析儀 44
3-4-3 原子力掃瞄探針顯微鏡 45
3-4-4 太陽光譜模擬量測系統 47
3-4-5 表面輪廓儀 49
3-4-6 場發射型掃描式電子顯微鏡 51
3-5 藥品配製 52
3-5-1 PEDOT：PSS材料 52
3-5-2 PANI材料 52
3-5-3 P3HT/PCBM材料 52
3-6 實驗步驟 53
3-6-1 ITO陽極圖化 53
3-6-2 高分子有機太陽能電池基礎元件製程 55
3-6-3 基礎元件以PANI代換PEDOT:PSS為電洞傳輸層 56
第四章 結果與討論 57
4-1 材料分析結果與討論 57
4-1-1 UV-Vis量測吸收及穿透光譜 57
4-1-2 能階測量 60
4-1-3 形貌(morphology)與分佈狀況 63
4-1-4 表面粗糙度 66
4-2 元件製程結果與討論 71
4-2-1 元件量測參數之探討 71
4-2-2 元件暗電流實驗結果 75
第五章 總結 79
參考文獻 81

[1] F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 93, 394 (2009) .
[2] G. Li, V. Shrotriya, J. Huang, Y. Yao, T. Moriarty, K. Emery, and Y. Yang, Nat. Mater. 4, 864 (2005).
[3] W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, and A. J. Heeger, Adv. Funct. Mater. 15, 1617 (2005).
[4] S. H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J. S. Moon, D. Moses, M. Lederc, K. Lee, and A. J. Heeger, Nat. photo. 3, 297 (2009).
[5] H. Y. Chen, J. Hou, S. Zhang, Y. Liang, G. Yang, Y. Yang, L. Yu, Y. Wu, and G. Li, Nat. photo. 3, 649 (2009).
[6] H. Kallmann, and M. Pope, J. Chem, Chem. Phys. 30, 585 (1958).
[7]陳盛煒, “光伏薄膜混摻Alq3的研究” , 中山大學碩士論文 (2005).
[8] H. Hoppe, N. S. Sariciftci, Adv. Polym. Sci. 214, 1(2008).
[9] G. Natta, G. Mazzanti, P. Corradini, Atti. Accad. Naz. Lince
Rend. Cl. Sci. Fis. Mat. Natur. 25, 3 (1958).
[10] H. Shirakawa, and S. Ikeda, Polym. J. 2, 231 (1971).
[11] H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang, and A. J. Heeger, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 16,578 (1977).
[12] B. Wessling, Synth. Met. 4, 119 (1991).
[13] H. Letherby, J. chem. Soc. 15, 161 (1862).
[14] A. G. Green, and A. E. Woodhead, J. chem. Soc. 97, 2388 (1910).
[15] A. G. Green, and A. E. Woodhead, J. chem. Soc. 101, 1117 (1912).
[16] M. Jozefowicz, Thesis, University of Paris, (1963).
[17] M. Jozefowicz, L. T. Yu, J. Perichon, and R. Buvet, J. poly. Sci. C. 22, 1187 (1969).
[18] R. D. Surville, M. Jozefowicz, L. T. Yu, J. Pepichon, and R. Buve,
Electrochim. Acta. 13, 1451 (1968).
[19] A. G. MacDiarmid, J. C. Chiang, M. Halpern, W. S. Huang, S. L. Mu, and N. L. D. Somasir, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 121, 173 (1985).
[20] A. G. MacDiarmid, J. C. Chiang, A. F. Richter, and A. J. Epstein, Synth. Met. 18, 285 (1987).
[21] A. Ray, G. E. Asturias, D. L. Kershner, A. F. Richter, A. G. MacDiarmid, and A. J. Epstein, Synth. Met. 29, 141 (1989).
[22] D. M. Mohilner, R. N. Adams, and W. J. Argersinger, J. Am. Chem. Soc. 84, 3618 (1962).
[23] J. Bacon, and R. N. Adams, J. Am. Chem. Soc. 90, 6596 (1968).
[24] E. M. Genies, and C. Jsintavis, Electroanal. Chem. 195, 109 (1985).
[25] A. G. MacDiarmid, J. H. Chiang, W. Huang, B. D. Humphery, and N. L. D. Somasiri, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 125, 309 (1985).
[26] W. W. Focke, G. E. Wnek and Y. Wei, J. Phys. Chem. 91, 5813 (1987).
[27] M. A. Green, Solar Cells : Operating Principles, Technology, and System Application, (1982).
[28] 莊嘉琛, 太陽能工程-太陽電池篇, 全華(1997).
[29] B. Burnett, The Basic Physics and Design of Ⅲ-Ⅴ Multi-junction Solar Cells, (2002).
[30] M. P. Thekackra, The Solar Cell Constant and Solar Spectrum Measurement from a Research Aircraft, (1970).
[31] 蔡宜展, “OLED新穎紅光摻雜材料特性之研究” , 中山大學碩士論文(2005).
[32] 陳金鑫、黃孝文, 有機電激發光材料與元件, 五南(2005).
[33] 陳一帆, “RF濺鍍式ITO薄膜沉積之後熱處理效應” , 中山大學碩士論文(2005).
[34] Q. Qin, J. Tao, Y. Yang, Synth. Met. 160, 1167(2010)
[35]V. Gupta, N. Miura, Electrochem. Commu. 7, 995(2005)
[36]郭鎮安, “聚苯胺及三氧化嗚互補式電變色元件” , 中央大學碩士論文(2000).
[37] M. C. Scharber, D. Mühlbacher, M. Koppe, P. Denk, C. Waldauf, A. J. Heeger, and C. J. Brabec, Adv. Mater. 18, 789 (2006).
[38] B. P. Rand, J. Genoe, P. Heremans and J. Poortmans, Prog. Photovolt: Res. Appl. 15, 659 (2007).