以高階注入的高能隙金屬氧化物如氧化銦錫(ITO)形成的透明導電膜在光電產業的應用非常成功,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電膜還須具備可繞曲特性,若仍選擇容易因為彎曲而產生缺陷的金屬氧化物薄膜時,元件的可繞曲次數和可彎曲程度便會受到限制,進而影響到可應用範圍。除此之外,常用銦錫氧化物中的銦屬於稀有金屬,被大量使用之後,容易發生原料短缺、價格上漲的缺點,因此開發具備柔韌性的透明導電膜對軟性電子元件技術發展很重要。
除了金屬氧化物之外,兼具可見光穿透性和導電特性的材料還有非常薄的金屬膜及導電高分子兩大類,問題是為何現今產品大量使用的是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電用途的材料的參數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,其光穿透度可以達到90%,且表面電阻值只有16.3Ω/sq,同時具有可繞曲性。但要製造1奈米均勻連續的薄膜很困難,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電度。反觀ITO在薄膜厚度為1,000奈米時達到最大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異可繞曲性的高分子材料,因此利用共軛雙鍵系統中的π電子導電的導電高分子,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(產品型態多為溷和Polystyrenesulfonic acid-PSS的水溶液)(圖1),材料業者如Agfa和H.C. Starck已可推出導電率接近1,000S/cm的產品,可用來製作具有光穿透率大於80%、表面電阻約200Ω/sq和高度可繞曲性的導電基板。
PEDOT和PSS間可能存在氧化還原反應,處於還原態的PEDOT具備半導體的特性,在可見光波段有強吸收特性,尤其是在偏紅光的區域,使其呈現深藍色,而且導電度低;氧化態的PEDOT則具有高濃度載子,光吸收波段位移到紅外光區,在可見光波段光穿透性佳,而且此時其導電度也較高。由於具備這個色彩變化的特性,使PEDOT除作為透明導電層外,又多了一項製作電致色變顯示器的應用。
PEDOT:PSS也常常被運用在有機太陽能元件及有機發光二極體的緩衝層,被製作在ITO電極和半導體材料之間。其可修飾ITO能階,可提高ITO和有機半導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和有機半導體層的接觸更好。另外,以膠體懸浮液的形態將PEDOT:PSS配製成水溶液後,可應用塗布或印刷等溶液式製程製作元件,為發展非真空製程的重要材料。
除此之外,PEDOT:PSS的穩定性和電催化活性(Electronically Catalytic Activity)使其有機會取代昂貴的鉑(Pt),並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作為緩衝層的有機太陽能電池,或用作電極的染料敏化太陽能電池的效率都約在6%。