在過去的二十年中，有機太陽能電池因具可撓性，輕量化與低成本，引起高度關注，在持續追求卓越與商用化的路上，科學家及工程師以不同方式來增加元件效率。國立交通大學材料科學與工程學系韋光華教授研究團隊與加州大學洛杉磯分校楊陽教授合作研究以四種做法進行；(一) 新穎材料－小分子電子受體－加上持續改進的高分子電子予體－形成三相摻合物以增加光電流(二)修飾氧化鋅電子傳輸層誘導相分離增加載子傳送，(三) 可見光半透明電池元件結構的革新和(四)串聯電池來製備高光電轉換效率的有機太陽能電池。本團隊在太陽能電池主動層中，三元共混物系統的研究，可以通過改變材料的組成比例來調整光電性質與最佳化表面形貌，並可調控材料的聚集區塊大小，以提供高效率的有機太陽能電池。使用氫氧化鉀處理氧化鋅電子傳輸層的表面，可誘導主動層的高分子及小分子電子予受體產生垂直相分離來增進電荷提取效率。考量於可見區和紅外區分別佔太陽光譜能量的47％和51％，本團隊亦開發分別吸收紅外光而透過部份可見光的有機高分子及小分子材料，製作半透明有機太陽能電池，具備用於溫室及建築外牆等應用端之價值，極具開發前景。研究團隊為極致的提升光電轉換效率，開發串聯電池所需的界面結構以提高光子的吸收效率和減少熱損失。結合非富勒烯電子受體優勢以及團隊開發的新穎技術，韋光華教授的研究團隊將持續於光電轉換效率精進，挑戰世界極限。

 
圖一 ：透明有機太陽能電池可同時提供電能及光能進行光合作用供建築物應用

　　近年來由於能源危機及環保意識，獲取太陽光能源的太陽能電池已被譽為本世紀最具有發展潛力之光電技術之一，有機太陽能電池為具有高度潛力，乃由於此類元件之質輕、薄及低製造成本，可以溶液法加工製成大面積，並具有可撓性。本研究團隊採用了一種系統的三元共混方法，採用直鏈，支鍊和混合直鏈和支鏈側鏈連接的苯並惡二唑（BO）作為聚合物中的受體（A）單元，並用（PBDTTBO）共軛聚合物監測它們與PTB7-TH的相互作用，因兩者都具有相同的苯並二噻吩（BDTT）予體（D）單元。我們發現摻入少量（10％）D / A共軛帶有支鏈的PBDTTBO進入帶有富勒烯的PTB7-TH讓我們可以調整兩者的互溶，從而增強三元共混物元件的效率，使得效率增加到11.4％，相對於僅包含PTB7-TH和PC₇₁BM二元混合物元件的9.0％，增加更多超過25％。這種使用側鏈工程來調節次要共軛高分子結構的方法，影響具有相同供體化學物質的另一種主要共軛高分子的重覆單元是製備高效率高分子太陽能電池的有效手段。

Nano Energy 2018, 43, 138
圖二：有機太陽能元件從含二相摻合物主動層元件效率9.0%增至含三相摻合物主動層效率11.4% 

　　研究團隊發現，理想的總體異質接面結構應具有較大的界面面積，以實現有效的激子離解和梯度分佈，與電荷提取。但兩種光電材料的隨機混合通常會在界面上發生嚴重的電荷重組，導致不良的電荷提取。團隊使用氫氧化鉀處理氧化鋅（ZnO）表面作為電子傳輸層，增進非富勒烯受體的垂直相分離。最佳的光電轉換效率從基於PBDB-T-2Cl：IT-4F電池的11.8％提高到12.8％，從基於PBDB-T-2Cl：Y1-4F電池的11.6％提高到12.6％，對於基於PBDB-T-2Cl：Y6的電池，從12.2％提高到13.5％，對於基於PM6：Y6的電池，從15.1％提高到15.7％。

Nano Lett. 2020, 20, 715
 圖三：以鉀離子處理後氧化鋅作為電子傳輸層可將含PBDB-T-2Cl：Y6主動層電池效率從12.2％提高到13.5％及可將PM6：Y6電池從15.1％提高到15.7％。

　　團隊考量於可見區和紅外區分別佔太陽光譜能量的47％和51％，開發吸收紅外光的有機材料，製作透明可撓性有機太陽能電池，簡單，低成本的透明有機太陽能電池更具備用於溫室，建築外牆等應用端之價值，極具開發前景。完成之電池光電轉換效率可達10％，平均可見光透射率為34％。

ACS Nano 2019, 13, 1071
圖四：半透明有機太陽能電池可同時提供光電轉換效率達10％之電能及可見光透射率為34％之光能

　　研究團隊提出了透明的空穴傳輸框架之獨特策略，使用了大能隙(2.9 eV)P型高分子PTAA來部分替代PBDB-T/Y1主動層中的高分子予體，以降低主動層在可見光區域的吸收度，同時保持電洞傳輸途徑和成膜性。結果，以此為材料的半透明太陽能電池在正常與可撓式基板均可達12%光電轉換效率和20％的平均可見光透射率。

Adv. Mater. 2020, 32, 2003891
圖五：半透明有機太陽能電池加入傳電洞寬能隙高分子後可達光電轉換效率12％及可見光透射率為20％

　　研究團隊亦發明了串聯結構以提高光子利用效率並減少熱損失。通過非富勒烯電子受體的適切選擇與搭配，進而調節串聯電池中後端電池的開路電壓與短路電流，並在實驗室中表現出最佳的13.3%光電轉換效率。更在美國國家可再生能源實驗室的認證下，達到了11.52％。 

Joule 2019, 3, 1
圖六：有機太陽能串聯電池經以混合之兩種小分子受體加入可達最佳的13.3%光電轉換效率