以高階注入的高能隙金屬氧化物如氧化銦錫(ITO)形成的透明導(dǎo)電膜在光電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用非常成功，舉凡平面顯示器、太陽能電池和觸控面板等都須使用。然而除須兼顧薄膜的透明度和電性外，軟性電子元件所需的透明導(dǎo)電膜還須具備可繞曲特性，若仍選擇容易因為彎曲而產(chǎn)生缺陷的金屬氧化物薄膜時，元件的可繞曲次數(shù)和可彎曲程度便會受到限制，進(jìn)而影響到可應(yīng)用范圍。除此之外，常用銦錫氧化物中的銦屬于稀有金屬，被大量使用之后，容易發(fā)生原料短缺、價格上漲的缺點，因此開發(fā)具備柔韌性的透明導(dǎo)電膜對軟性電子元件技術(shù)發(fā)展很重要。

除了金屬氧化物之外，兼具可見光穿透性和導(dǎo)電特性的材料還有非常薄的金屬膜及導(dǎo)電高分子兩大類，問題是為何現(xiàn)今產(chǎn)品大量使用的是ITO而非上述兩者？

ITO電阻值較其他材料低

在西元1976年時，Haacke提出一個用來篩選適合透明導(dǎo)電用途的材料的參數(shù)ψ(Figure of Merit)，定義為薄膜穿透度的十次方除以其表面電阻值(Sheet Resistance)，ψ值愈大代表該薄膜的光穿透度愈高，表面電阻值愈小。如銀金屬的最大ψ值在薄膜厚度為1奈米(nm)時，其光穿透度可以達(dá)到90%，且表面電阻值只有16.3Ω/sq，同時具有可繞曲性。但要制造1奈米均勻連續(xù)的薄膜很困難，而且在如此薄的狀況下，表面自由載子的散射也會降低有效導(dǎo)電度。反觀ITO在薄膜厚度為1,000奈米時達(dá)到最大ψ值，約為銀的最大ψ值的十倍，其光穿透度和銀薄膜相近，約為90%，而其表面電阻卻只有銀的十分之一，由此觀之則不難理解ITO被成功運用的原因。另一個選擇是具有優(yōu)異可繞曲性的高分子材料，因此利用共軛雙鍵系統(tǒng)中的π電子導(dǎo)電的導(dǎo)電高分子，有可能取代金屬氧化物而成為軟性電子元件的電極材料。

具有導(dǎo)電性的高分子材料種類繁多，如聚乙炔(Polyacetylene)、聚苯胺(Polyaniline)、聚咇咯(Polypyrrole)、聚吩(Polythiophene)等，然而考慮到必須兼顧透明及高導(dǎo)電度的特性下，目前最成功的材料是Polythiophene系列中的Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-PEDOT(產(chǎn)品型態(tài)多為溷和Polystyrenesulfonic acid-PSS的水溶液)(圖1)，材料業(yè)者如Agfa和H.C. Starck已可推出導(dǎo)電率接近1,000S/cm的產(chǎn)品，可用來制作具有光穿透率大于80%、表面電阻約200Ω/sq和高度可繞曲性的導(dǎo)電基板。

PEDOT和PSS間可能存在氧化還原反應(yīng)，處于還原態(tài)的PEDOT具備半導(dǎo)體的特性，在可見光波段有強(qiáng)吸收特性，尤其是在偏紅光的區(qū)域，使其呈現(xiàn)深藍(lán)色，而且導(dǎo)電度低；氧化態(tài)的PEDOT則具有高濃度載子，光吸收波段位移到紅外光區(qū)，在可見光波段光穿透性佳，而且此時其導(dǎo)電度也較高。由于具備這個色彩變化的特性，使PEDOT除作為透明導(dǎo)電層外，又多了一項制作電致色變顯示器的應(yīng)用。

PEDOT:PSS也常常被運用在有機(jī)太陽能元件及有機(jī)發(fā)光二極體的緩沖層，被制作在ITO電極和半導(dǎo)體材料之間。其可修飾ITO能階，可提高ITO和有機(jī)半導(dǎo)體間電洞的傳輸或注入效率，也可以改善ITO的表面粗糙度以及修飾其表面，能使ITO和有機(jī)半導(dǎo)體層的接觸更好。另外，以膠體懸浮液的形態(tài)將PEDOT:PSS配制成水溶液后，可應(yīng)用涂布或印刷等溶液式制程制作元件，為發(fā)展非真空制程的重要材料。

除此之外，PEDOT:PSS的穩(wěn)定性和電催化活性(Electronically Catalytic Activity)使其有機(jī)會取代昂貴的鉑(Pt)，并被使用在染料敏化太陽能電池中作為正極材料。截至目前，使用PEDOT:PSS作為緩沖層的有機(jī)太陽能電池，或用作電極的染料敏化太陽能電池的效率都約在6%。

ITO多層膜透具較佳導(dǎo)電/可繞性

近年來，研究者開始注意到ITO-金屬-ITO多層膜系統(tǒng)，其優(yōu)點在于透光、導(dǎo)電和可繞曲等特性的增進(jìn)，其中導(dǎo)電性和可繞曲性的增進(jìn)原因較直觀，皆來自于金屬薄膜本身優(yōu)異的特性。透光性的增加則來自這類介電-金屬-介電多層膜構(gòu)造對可見光反射的抑制效果，同時透過光學(xué)設(shè)計可改變穿透光的頻譜，造成選擇性透明的功能。

圖2所示為ITO-銀(Ag)-ITO構(gòu)造中銀薄膜厚度對穿透光譜的模擬結(jié)果及所制作的樣品，其中兩層ITO薄膜的厚度皆為40奈米。此結(jié)果顯示多層膜的光穿透頻譜中，最大穿透波長的位置隨著銀薄膜厚度的增加而發(fā)生藍(lán)位移的現(xiàn)象，且最大光穿透率隨著銀薄膜厚度的增加而降低。本文實驗樣品中光波長的變化趨勢不如預(yù)期，然而可以證明的是光最大穿透度的確會隨著銀薄膜的厚度而獲得最佳化的結(jié)果。

光穿透頻譜可調(diào)整的特性可用在吸收頻譜相對于其他太陽能技術(shù)較狹窄的應(yīng)用，如有機(jī)太陽能元件經(jīng)過特殊光學(xué)設(shè)計的多層透明導(dǎo)電膜，可以讓半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層所須吸收的光穿透率最大化，同時增進(jìn)電極的導(dǎo)電度與可繞性。圖3所示為使用ITO及ITO-Ag-ITO電極構(gòu)造制作的有機(jī)塊材異質(zhì)接面太陽能元件(Bulk Heterojunction Polymer Solar Cell)電流密度對電壓特性圖。結(jié)果指出，優(yōu)化的多層透明電極構(gòu)造確實提高太陽能元件的光電流輸出，以及元件的填充係數(shù)(Fill Factor)。然而須注意的是，當(dāng)銀薄膜的厚度太薄時，所蒸鍍出來的可能是不連續(xù)的島狀圖桉，容易導(dǎo)致導(dǎo)電度及光穿透度的降低，這個鍍膜從不連續(xù)到連續(xù)的過度區(qū)間很可能在10～20奈米間。

網(wǎng)格構(gòu)造導(dǎo)電膜　亦具備透明/可導(dǎo)電特色

不一定非要整面連續(xù)的透明導(dǎo)電材料才能制作透明導(dǎo)電膜，用不透明的高導(dǎo)電材料制作成網(wǎng)格構(gòu)造后，也可達(dá)到看起來既透明又可導(dǎo)電的效果，如Dai Nippon Printing利用黃光微影技術(shù)制造的銀網(wǎng)格透明導(dǎo)電膜。該公司的目標(biāo)是取代ITO在觸控面板、有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)等應(yīng)用。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也不一定非要形成整齊的格狀結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮透明導(dǎo)電的效果，任意形成的交錯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也可以發(fā)揮相同的效果。如Cima NanoTech Israel所發(fā)明的銀墨水，是將銀奈米粒子、有機(jī)溶劑、介面活性劑與水性溶劑等原料溷和并乳化，當(dāng)這種墨水被涂布在透明基板表面時，因為溶劑的極性、表面能及揮發(fā)度的差異，得以在基板表面自動形成任意形狀的銀網(wǎng)狀構(gòu)造如圖4，經(jīng)過燒結(jié)之后便成為透明導(dǎo)電膜。這個技術(shù)目前所發(fā)表的透明導(dǎo)電膜其表面電阻值約4～270Ω/sq可見光透光率約75～86%。[!--empirenews.page--]

使用線狀的導(dǎo)電材料如銀奈米線或奈米碳管也可設(shè)法使線材彼此之間任意交錯制造網(wǎng)狀透明導(dǎo)電膜。將硝酸銀在Poly(Vinyl Pyrrolidone)存在的乙二醇(Ethylene Glycol)中還原，得到直徑約100奈米，長10微米的銀奈米線，將銀奈米線懸浮液涂布在透明基板表面燒結(jié)后，便可得到透明導(dǎo)電膜。圖5所示為銀奈米線構(gòu)成導(dǎo)電膜的表面電阻和200℃時的燒結(jié)時間及分布密度的關(guān)係圖，圖5(b)中的曲線代表銀奈米線在不同的接觸電阻時經(jīng)過模擬得到的導(dǎo)電膜表面電阻值。

結(jié)果顯示，銀奈米線經(jīng)過燒結(jié)之后，可減低介面活性劑的阻撓，使銀奈米線彼此之間的接觸更好，進(jìn)而降低表面電阻，然而，若燒結(jié)的時間太長，銀奈米線開始凝聚，反而破壞銀線網(wǎng)路彼此之間的連結(jié)，導(dǎo)致表面電阻上升。將有機(jī)小分子太陽能元件制作在光穿透率86%表面電阻值16Ω/sq的銀奈米線透明導(dǎo)電膜上，和使用ITO電極的元件在同樣制程條件下相比，擁有較高的光電流，這個現(xiàn)象可能是因為比較高的光穿透度，或是奈米銀線誘發(fā)的光散射所增加的光吸收所造成。相反地，元件的光電轉(zhuǎn)換效率卻因為使用銀奈米線作為透明電極而降低，原因可能是奈米線造成的粗糙表面，使得元件的暗電流上升及并聯(lián)電阻下降。

軟性光電元件的發(fā)展，須使用可繞曲的透明導(dǎo)電膜才能完善，然而現(xiàn)今被大量使用的金屬氧化物電極如ITO，并不能滿足這個需求。本文概略描述具備可繞性的透明導(dǎo)電膜技術(shù)及其在太陽能元件上的應(yīng)用，這些技術(shù)包括導(dǎo)電高分子、氧化物-金屬-氧化物多層膜技術(shù)、奈米銀自組裝及銀奈米線等，都能形成透明又導(dǎo)電的薄膜或是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且特性和制造成本優(yōu)于ITO，將來都有可能成功地被應(yīng)用在可繞曲的光電元件上。?。ū疚淖髡呷温氂谂_灣工研院電子與光電研究所）