TW201401601A - 反向雙層有機太陽能電池元件 - Google Patents
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Abstract
一種反向雙層有機太陽能電池元件包含一基板、一第一電極、一電子傳輸層、一第一主動層、一第二主動層、一電洞傳輸層以及一第二電極。第一電極設置於基板上。電子傳輸層設置於第一電極上。第一主動層設置於電子傳輸層上並作為施體。第二主動層設置於第一主動層上並作為授體。電洞傳輸層設置於第二主動層上。第二電極設置於電洞傳輸層上。
Description
本發明係關於一種有機太陽能電池元件，特別關於一種反向雙層有機太陽能電池元件。
有機太陽能電池最早發展是以單層主動層為結構，也是結構最簡單的型式。然而單層有機太陽能電池效率並不好，所以進而發展出雙層(bilayer)及混掺(blend)型式之結構，在雙層(bilayer)太陽能電池方面目前多是利用共軛高分子P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))及奈米碳材PCBM([6,6]-penyl-C61-butyric-acid-methyl-ester)分開的兩層材料來構成雙層(bilayer)有機太陽能電池。其中P3HT當施體(Donor)、PCBM當做授體(Acceptor)。但因雙層的施體及授體所形成的接面較少，以至於效率沒辦法更加提升，所以開始發展以施體及授體做掺混(blend)的製程。而在現有技術中，絕大部份有機太陽能電池就是以掺混製程的塊材異質接面(bulk heterojunction,BHJ)來製作，其中大多是用P3HT當施體跟PCBM當授體所掺混(blend)的溶液來做光吸收的主動層(Active layer)，利用施體跟授體掺混來增加主動層的接面，以期能分離出更多的電子及電洞。由於掺混型式的光電轉換效率優於雙層，所以雙層有機太陽能電池也漸漸被人所忽視。
因此，如何提供一種雙層有機太陽能電池元件，能進
一步提升光電轉換效率，進而促進雙層有機太陽能電池元件的競爭力及發展，實為當前重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠進一步提升光電轉換效率，進而促進雙層有機太陽能電池元件的競爭力及發展之反向雙層有機太陽能電池元件。
為達上述目的，依據本發明之一種反向雙層有機太陽能電池元件包含一基板、一第一電極、一電子傳輸層、一第一主動層、一第二主動層、一電洞傳輸層以及一第二電極。第一電極設置於基板上。電子傳輸層設置於第一電極上。第一主動層設置於電子傳輸層上並作為施體。第二主動層設置於第一主動層上並作為授體。電洞傳輸層設置於第二主動層上。第二電極設置於電洞傳輸層上。
在一實施例中，基板之材質包含塑膠或玻璃。
在一實施例中，第一電極之材質包含一透明導電氧化物。
在一實施例中，電子傳輸層之材質包含碳酸銫(Cs2CO3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiOx)、鈣(Ca)、或三氧化二鋁(Al2O3)。
在一實施例中，第一主動層之材質包含P3HT、MDMO-PPV、PCDTBT、PBTTPD、PCBTDPP或PCPDTBT。
在一實施例中，第二主動層之材質包含PCBM、ICMA、或ICBA。
在一實施例中，電洞傳輸層之材質包含PEDOT：PSS、三氧化鉬、五氧化二釩、石墨烯氧化物或氧化鎳。
在一實施例中，第二電極之材質包含銀、金、銀膠(silver glue)、奈米銀粒子(AgNPs)、奈米金粒子(AuNPs)、或高導電之PEDOT：PSS(PH1000)。
在一實施例中，第一主動層之厚度係介於第二主動層之厚度的二倍至六倍之間。
承上所述，在本發明之反向雙層有機太陽能電池元件中，與習知技術不同的是，作為施體之第一主動層位於電子傳輸層與第二主動層之間，作為授體之第二主動層係位於電洞傳輸層與第一主動層之間。在經過多次驗證之後，發現相較於習知之雙層有機太陽能電池元件以及摻混製程得到之有機太陽能電池元件，本發明之反向雙層有機太陽能電池元件具有更高的光電轉換效率。此外，本發明之第二電極係使用較高功函數之材料，例如金或銀，因此本發明之反向雙層有機太陽能電池元件可藉由第二電極抵抗大氣中氧和水對有機主動層的侵襲，而能達到對大氣環境的抵抗能力。據此，本發明之反向雙層有機太陽能電池元件能夠促進相關產品的競爭力及發展。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種反向雙層有機太陽能電池元件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖1為本發明較佳實施例之一種反向雙層有機太陽能電池元件1的示意圖。請參照圖1所示，反向雙層有機太陽能電池元件1包含一基板11、一第一電極12、一電子傳輸層13、一第一主動層14、一第二主動層15、一電洞傳輸層16以及一第二電極17。需注意者，圖1所示之反向雙層有機太陽能電池元件1僅為最基本的結構，而在其他實施例中，反向雙層有機太陽能電池元件1可依據需求而加入一些習知的功能層，例如歐姆接觸層、奈米微結構層、自組層、光學間隙層等等。
本實施例不特別限制基板11之形狀及材質，其材質例如包含玻璃或塑膠。基板11可例如為玻璃基板、塑膠基板、或塑膠軟板。
第一電極12設置於基板11上，其材質例如包含一透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)，例如銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide,IZO)、鋁摻雜氧化鋅(ZnO：Al,AZO)。由於本實施例之反向雙層有機太陽能電池元件1為反向結構，故第一電極12為陰極。
電子傳輸層13設置於第一電極12上。需注意者，電子傳輸層13可能又稱為電子注入層、電洞阻擋層或修飾層。電子傳輸層之材質例如包含碳酸銫(Cs2CO3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiOx)、鈣(Ca)、或三氧化二鋁(Al2O3)。
第一主動層14設置於電子傳輸層13上並作為施體(donor)。第一主動層之材質例如包含P3HT(聚3-己烷
基噻吩(poly(3-hexylthiophene),P3HT))、MDMO-PPV(聚[2-甲氧基-5-(3',7'二甲基-辛氧基)]1,4-對苯乙炔(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene])、PCDTBT(聚[N-9'-heptadecanyl-2,7-咔唑-ALT-5，5-(4'，7'-DI-2-噻吩-2'，1'，3'-苯并噻二唑Poly(N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))、PBTTPD((poly-{bi(dodecyl)thiophene-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione}))、PCBTDPP(Poly[N-90-heptadecanyl-2,7carbazole-alt-3,6-bis(thiophen-5-yl)-2,5-dioctyl-2,5-dihydropyrrolo[3,4]pyrrole-1,4-dione])、或PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b；3,4-b']dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])。
第二主動層15設置於第一主動層14上並作為授體(acceptor)。第二主動層之材質例如包含PCBM((6,6)-苯基C61丁酸甲酯((6,6)-phenyl C61-butyric acid methyl ester)、ICMA(C60 derivative,indene-C60 monoadduct)、或ICBA(C60 derivative,indene-C60 bisadduct)。於此，第一主動層14之厚度D1係介於第二主動層15之厚度D2的二倍至六倍之間。在上述厚度的條件下，可得到較佳的電流密度，且在分離電子及電洞後，有更佳的路徑將電子及電洞不損耗地傳導至陰極及陽極。
電洞傳輸層16設置於第二主動層15上。需注意者，電洞傳輸層16可能又稱為電洞注入層、電子阻擋層或緩
衝層。電洞傳輸層16之材質例如包含PEDOT：PSS(聚乙烯二羥基噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate))、三氧化鉬(MoO3)、五氧化二釩(V2O5)、石墨烯氧化物(graphene oxide,GO)或氧化鎳(NiO)。
第二電極17設置於電洞傳輸層16上。第二電極17之材質例如包含銀、金、銀膠(silver glue)、奈米銀粒子(AgNPs)、奈米金粒子(AuNPs)、或高導電之PEDOT：PSS(PH1000)。於本實施例之反向雙層有機太陽能電池元件1為反向結構，故第二電極17為陽極。
上述各元件之材質僅為舉例說明，並非用以限制本發明，凡可達到相同功能或類似功效之材質皆可應用於本發明。以下為本發明較佳實施例之一具體實施的結構及其光電轉換效率(請參照圖2之電流-電壓特性曲線圖)的說明。
在本實施例中，第一電極12為銦錫氧化物(ITO)，電子傳輸層13為氧化鋅(ZnO)，第一主動層14為P3HT，第二主動層15為PCBM，電洞傳輸層16為PEDOT：PSS，第二電極17為銀。其中，第一主動層14與第二主動層15依序以旋轉塗佈(spin coating)形成，並且P3HT膜厚約170nm，而PCBM之膜厚約40~60nm，所以P3HT厚度約介於PCBM厚度2~6倍。在此條件下，可得到比掺混(blend)所構成的有機太陽能電池更佳的效率，以此實施例結構所製作之反向雙層有機太陽能電池元件最終可達到4.3%以上的光電效率，電流密度可達10.1 mA/cm2，開
路電壓為0.59V，填充係數(fill factor,FF)可達到73.2%，並得到並聯電阻Rsh=29.867Ω、串聯電阻Rs=0.122Ω。
在本實施例中，當施體厚度為授體厚度之數倍時，可得到較佳的電流密度，且在分離電子及電洞後，有更佳的路徑將電子及電洞不損耗地傳導至陰極及陽極，能達到比掺混型式得到更佳的FF值，進而能提升雙層(bilayer)有機太陽能電池的未來發展性。
綜上所述，在本發明之反向雙層有機太陽能電池元件中，與習知技術不同的是，作為施體之第一主動層位於電子傳輸層與第二主動層之間，作為授體之第二主動層係位於電洞傳輸層與第一主動層之間。在經過多次驗證之後，發現相較於習知之雙層有機太陽能電池元件以及摻混製程得到之有機太陽能電池元件，本發明之反向雙層有機太陽能電池元件具有更高的光電轉換效率。此外，本發明之第二電極係使用較高功函數之材料，例如金或銀，因此本發明之反向雙層有機太陽能電池元件可藉由第二電極抵抗大氣中氧和水對有機主動層的侵襲，而能達到對大氣環境的抵抗能力。據此，本發明之反向雙層有機太陽能電池元件能夠促進相關產品的競爭力及發展。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧反向雙層有機太陽能電池元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一電極
13‧‧‧電子傳輸層
14‧‧‧第一主動層
15‧‧‧第二主動層
16‧‧‧電洞傳輸層
17‧‧‧第二電極
D1、D2‧‧‧厚度
圖1為本發明較佳實施例之一種反向雙層有機太陽能電池元件的示意圖；以及圖2為本發明較佳實施例之一種反向雙層有機太陽能電池元件的電流-電壓特性曲線圖。
1‧‧‧反向雙層有機太陽能電池元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一電極
13‧‧‧電子傳輸層
14‧‧‧第一主動層
15‧‧‧第二主動層
16‧‧‧電洞傳輸層
17‧‧‧第二電極
D1、D2‧‧‧厚度
Claims (9)
- 一種反向雙層有機太陽能電池元件，包含：一基板；一第一電極，設置於該基板上；一電子傳輸層，設置於該第一電極上；一第一主動層，設置於該電子傳輸層上並作為施體；一第二主動層，設置於該第一主動層上並作為授體；一電洞傳輸層，設置於該第二主動層上；以及一第二電極，設置於該電洞傳輸層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該基板之材質包含塑膠或玻璃。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，第一電極之材質包含一透明導電氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該電子傳輸層之材質包含碳酸銫、氧化鋅、氧化鈦、鈣、或三氧化二鋁。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該第一主動層之材質包含P3HT、MDMO-PPV、PCDTBT、PBTTPD、PCBTDPP或PCPDTBT。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該第二主動層之材質包含PCBM、ICMA、或ICBA。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電 池元件，其中該電洞傳輸層之材質包含PEDOT：PSS、三氧化鉬、五氧化二釩、石墨烯氧化物或氧化鎳。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該第二電極之材質包含銀、金、銀膠、奈米銀粒子、奈米金粒子、或高導電之PEDOT：PSS(PH1000)。
- 如申請專利範圍第1項所述之反向雙層有機太陽能電池元件，其中該第一主動層之厚度係介於該第二主動層之厚度的二倍至六倍之間。
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2012
- 2012-06-26 TW TW101122881A patent/TW201401601A/zh unknown
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|---|---|---|---|---|
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