近年來，有機太陽能電池(organic solar cells, OSCs)因具備可延展性、低製造成本、半透明性、以及高效率等優勢，使其在穿戴式裝置、溫室、以及建築外牆等應用上具有極大的發展潛力。一般常見製備有機太陽能電池光活性層(photoactive layer)的方法是將電子予體(donor)與電子受體(acceptor)以溶液混合之後再以旋轉塗佈的方式在基板上成膜，形成混合異質結(bulk heterojunction, BHJ)。然而在BHJ中兩種材料的型態(morphology)，例如介面、結晶程度、以及排列結構皆非常難以控制，且不同的D/A型態對於光活性層中的載子(charge carrier)分離效率以及能量耗損具有相當大的影響。因此於本研究中，我們開發出三種D-A比例之新穎的單成分共聚高分子(single-component block copolymer)以免除BHJ型態上之困擾，並探討三種材料對於光轉換效率以及能量損耗之影響。
我們將常見之p-type高分子PBDB-T以及n-type高分子PNDI2T以不同比例聚合三種單成分共聚高分子，並製備成有機太陽能電池，如圖一所示。當我們將三種材料製備成太陽能電池元件後，發現當n-type PNDI2T在單成分高分子中的比例較多時(P1)，相較於另外兩種比例(P2與P3)，可使載子在光活性層中具有較高效率的分離與傳遞，因此P1-based的元件在三者中展現最高的光轉換效率，如圖二(a)所示。透過低掠角廣角度X-ray散射儀(GIWAXS)，我們進一步分析P1-P3的排列型態，如圖二(c)所示。由圖可知P1具有較佳的face-on排列特性，此結果表示含有較多PNDI2T比例的P1具有較良好的π-π作用力，使其具有較好的載子傳輸能力。圖二(b)為P1與P2元件的能量損耗分析，結果顯示載子傳輸能力較優異的P1可有效降低元件能量損耗。本研究成功開發三種單成分共聚高分子應用於有機太陽能電池中，並探討不同D-A比例對於分子排列型態、光轉換效率與能量損耗之影響。（化工系闕居振教授提供）
圖一、單成分有機太陽能電池結構示意圖。
圖二、單成分有機太陽能電池量測之(a)J-V特性圖及(b)能量損耗。(c)三種單成分高分子半導體之排列型態示意圖。