[go: up one dir, main page]

TW201620149A - 具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201620149A
TW201620149A TW103140687A TW103140687A TW201620149A TW 201620149 A TW201620149 A TW 201620149A TW 103140687 A TW103140687 A TW 103140687A TW 103140687 A TW103140687 A TW 103140687A TW 201620149 A TW201620149 A TW 201620149A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
donor
layer
active layer
solar cell
organic solar
Prior art date
Application number
TW103140687A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI538231B (zh
Inventor
鄭宇舜
高騏
洪煜程
Original Assignee
國立成功大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立成功大學 filed Critical 國立成功大學
Priority to TW103140687A priority Critical patent/TWI538231B/zh
Priority to US14/859,534 priority patent/US9966547B2/en
Publication of TW201620149A publication Critical patent/TW201620149A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI538231B publication Critical patent/TWI538231B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/12—Deposition of organic active material using liquid deposition, e.g. spin coating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
    • H10K85/215—Fullerenes, e.g. C60 comprising substituents, e.g. PCBM
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本發明係有關於一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法，有機太陽能電池包括有玻璃基板、第一電極、第一傳輸層、主動層、第二傳輸層與第二電極；第一電極形成於玻璃基板上；第一傳輸層形成於第一電極上，且於第一傳輸層上形成有一主動層；第二傳輸層形成於主動層上；第二電極形成於第二傳輸層上，其中主動層係由一施體層及複數個授體顆粒所組成，而授體顆粒係嵌埋於施體層內；藉此，本發明藉由施體與授體間的疏水性現象讓授體在施體層上形成複數個奈米顆粒，使主動層所產生的接面增加，有效達到有機太陽能電池性能之提升。

Description

具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法
本發明係有關於一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法，尤其是指一種有機太陽能電池主動層製造方法之改良，主要係藉由施體與授體彼此間的疏水性現象讓授體在施體層上形成複數個奈米等級之顆粒，使主動層之施體與授體間的接面增加，以致電子電洞傳遞順暢，有效達到有機太陽能電池性能之提升者。
按，太陽是一切生命的根源，人類的生存環境不能沒有太陽的存在，雖然目前全球賴以維生的石油和煤礦等化石能源尚無立即耗盡的危機，但是人類過度使用化石能源所排放的二氧化碳卻早已造成嚴重的溫室效應，成為地球溫度持續升高的元兇；再者，近年來由於原油價格持續上漲並屢創新高，因此，尋找替代性能源已成為當務之急，替代性能源如風力、水力、地熱、生質柴油，以及太陽能電池等，都是相當受矚目的綠色能源，其中又以太陽能電池因理論效率較高且技術發展較成熟而最被看好。
太陽能電池是一種利用材料的光電效應，把太陽光能直接轉換成電能的元件，光線照射在物質內部而增加導電載子的現象，稱之為光 電效應，對半導體物質而言，當照射光線的能量大於其半導體能隙時，就會在內部產生自由的電子電洞對，但是這些電子電洞對也會很快再結合或被半導體內許多載子捕捉而消逝，此時若能施加一內部電場，就可將電子電洞對在尚未消逝前迅速引出，而這一內部電場可藉由p型半導體與n型半導體的接合而在界面處產生，所謂的太陽能電池就是利用這內建的電場，有效取出電流而獲致電力。
依太陽能電池的效率及製作的成本區分，太陽能電池的發展大致可分為三代，第一代的太陽能電池主要是由矽晶圓所製成，其效率可超過20%，但由於價格較昂貴且矽晶圓提煉不易，因此出現了第二代的太陽能電池，主要是降低矽的含量或是使用銻化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe2)等價格較低廉的材料製備，且效率可以與第一代相匹配，而第三代的太陽能電池並不是代表某特定方向，而是因特定的目的所開發的太陽能電池，其中一個是以高轉換效率為發展目標，另一個則是在適當效率15%~20%下，以降低製造成本為主要考量；在提升轉換效率方面，利用多層不同的半導體材料使其分別吸收不同波段的太陽光，將轉換效率提升至30%左右的太陽能電池雖然已經研發出來，但是目前仍有價格昂貴的問題；另一方面，使用有機材料來製作的第三代有機太陽能電池，因其具有價格低廉與製程較簡單等優勢，雖然目前電池的轉換效率仍低，但以其應用與發展層面來看，都有著相當好的潛力。
有機太陽能電池最大的優點在於可以使用溶液製程來製備，如旋轉塗佈法或噴墨塗佈法等，而有機太陽能最早發展是以單層主動層為主要結構，也是結構最簡單的形式；然而，單層主動層的有機太陽能 電池效率並不顯著，進而發展出雙層(bilayer)主動層或摻混(blend)主動層形式的結構，所謂雙層主動層即是以分開的兩層材料構成主動層，但因雙層的施體(donor)及授體(acceptor)所形成的接面(interface)較少，以至於效率沒有辦法有效提升，因此有機太陽能電池遂發展出摻混製程，在現有的有機太陽能電池結構中，絕大多數都是由摻混方式製備的塊材異質接面(bulk heterojunction，BHJ)所構成，其中大多是以聚-3已基噻吩(P3HT)當施體與奈米碳材(PCBM)當授體所摻混的溶液做為光吸收的主動層，主要係利用施體跟授體摻混來增加主動層的接面數量，以期能分離出更多的電子電洞對，由於以摻混方式製備的有機太陽能電池的光電轉換效率(power conversion efficiency，簡稱PCE)優於雙層型式的有機太陽能電池，因此雙層型式的有機太陽能電池也漸漸被人所忽略；然而，以高分子摻混型式製備而成的有機太陽能電池容易於電子與電洞之間形成載子斷路(carrier breaks)與死節點(dead ends)，或稱為死島(dead island)等現象，而導致串聯電阻上升與填充因子(Fill Factor，簡稱FF)下降，最後使電子無法順利傳輸到陰極之缺點；因此，如何有效增加施體與授體之間的接面數量，進而增加電子電洞對傳遞的順暢度，有效改善主動層的電流密度(Jsc)與填充因子(FF)等參數，達到有機太陽能電池光電轉換效率(PCE)的提升，仍是有機太陽能電池開發業者與研究人員需持續努力克服與解決之課題。
今，發明人即是鑑於上述傳統之有機太陽能電池存在主動層之授體與施體接面較少而無法提升電池性能等諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以 改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法，尤其是指一種有機太陽能電池主動層製造方法之改良，主要係藉由施體與授體彼此間的疏水性現象讓授體在施體層上形成複數個奈米等級之顆粒，使主動層之施體與授體間的接面增加，以致電子電洞傳遞順暢，有效改善主動層的電流密度與填充因子等參數，達到有機太陽能電池光電轉換效率的提升。
為了達到上述實施目的，首先，本發明人提出一種具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，主動層係由一施體層及複數個授體顆粒所組成，其中授體顆粒係嵌埋於施體層內。
如上所述的具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中施體層之材質係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD等其中之一種。
如上所述的具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中授體顆粒之材質係包括有PCBM、ICMA或ICBA等其中之一種。
如上所述的具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中授體顆粒之長度係介於80奈米~120奈米之間。
如上所述的具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中授體顆粒之截面形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形等其中之一種或兩者以上之組合。
此外，本發明另提出一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池，係至少包括有一玻璃基板、一第一電極、一第一傳輸層、一主動 層、一第二傳輸層，以及一第二電極；第一電極係形成於玻璃基板上；第一傳輸層係形成於第一電極上，且於第一傳輸層上形成有一如上所述之主動層；第二傳輸層係形成於主動層上；第二電極係形成於第二傳輸層上。
再者，本發明另再提出一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，至少包括有下列步驟：首先，在一玻璃基板上依序形成一第一電極與一第一傳輸層；此外，將溶解於第一溶劑內之施體材料成膜於第一傳輸層上，以形成一施體層；再者，將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層上，靜置一時間後，於施體層上形成複數顆授體顆粒，其中授體顆粒係嵌埋於施體層內，以形成一主動層；最後，於主動層上再依序形成一第二傳輸層與一第二電極，以完成一具平面異質接面主動層之有機太陽能電池。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中旋塗之轉速係介於每分鐘2000轉~6000轉之間。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中第一溶劑係為二氯苯(DCB)。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中施體材料係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD等其中之一種。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中第二溶劑係為二氯甲烷(DCM)。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中授體材料係包括有PCBM、ICMA或ICBA等其中之一種。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中授體顆粒之長度係介於80奈米~120奈米之間。
如上所述的具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中授體顆粒之截面形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形等其中之一種或兩者以上之組合。
藉此，本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由施體與授體彼此間的疏水性現象讓授體在施體層上形成複數個奈米等級之顆粒，使主動層之施體與授體間的接面增加，以致電子電洞傳遞順暢，有效改善主動層的電流密度與填充因子等參數，達到有機太陽能電池之光電轉換效率的提升；再者，本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由旋轉塗佈法將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於溶解於第一溶劑內之施體材料的施體層上，當旋塗轉速越快，在施體層上所形成內聚的奈米等級之授體顆粒就越小，而單位面積所產生的授體顆粒就越多，形成於施體與授體間的接面也就越多，則有機太陽能電池的電流密度就越大，與摻混型式製備的主動層相較，電流密度可有效達到30%的提升；最後，本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由在主動層內形成之奈米等級的授體顆粒，讓電子電洞分離，而分離之電洞可沿著施體及授體間的接面做移載，電洞移載後直接傳遞至第二傳輸層，進而讓第二電極所吸收，而電子的傳遞則是經由施體層，再通過第一傳輸層後被第一電極吸收，如此的傳遞機制可讓電子與電洞的傳輸更為順暢，而不會產生電子與電洞之間的死島現象，進而造成再復合(recombination)的情況，可有效將填充因子(FF)由摻混型式提升約 25%，而最終的光電轉換效率(PCE)亦可達到約60%的改善。
(1)‧‧‧主動層
(11)‧‧‧施體層
(12)‧‧‧授體顆粒
(2)‧‧‧玻璃基板
(3)‧‧‧第一電極
(4)‧‧‧第一傳輸層
(5)‧‧‧第二傳輸層
(6)‧‧‧第二電極
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
(S3)‧‧‧步驟三
(S4)‧‧‧步驟四
第一圖：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池其一較佳實施例之主動層剖面示意圖
第二圖(A)~(C)：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池其一較佳實施例之主動層電子顯微鏡影像圖
第三圖：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池其一較佳實施例之有機太陽能電池堆疊示意圖
第四圖：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法之步驟流程圖
第五圖：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法其一較佳實施例之反向有機太陽能電池電壓與電流密度關係圖
第六圖：本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法其二較佳實施例之正向有機太陽能電池電壓與電流密度關係圖
本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，在以下實施例的描述中，應當理解當指出一層(或膜)或一結構配置在另一個基板、另一層(或膜)、或另一結構“上”或“下”時，其可“直接”位於其他基板、層(或膜)、或另一結構，亦或者兩者間具有一個以上的中間層以“間接”方式配置，審查委員可參照附圖說明每一 層所在位置。
接著，請參閱第一、二圖所示，為本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池其一較佳實施例之主動層剖面示意圖，以及主動層電子顯微鏡影像圖，其中本發明之一種具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，主動層(1)係由一施體層(11)及複數個授體顆粒(12)所組成，其中授體顆粒(12)係嵌埋於施體層(11)內；此外，施體層(11)之材質係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD等其中之一種，而授體顆粒(12)之材質係包括有PCBM、ICMA或ICBA等其中之一種，在本發明其一較佳實施例中，施體層(11)之材質係為P3HT，授體顆粒(12)之材質係為PCBM，而嵌埋於施體層(11)內的授體顆粒(12)之長度係介於80奈米~120奈米之間，且其截面之形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形等其中之一種或兩者以上之組合。
此外，上述之具平面異質接面之有機太陽能電池主動層係可應用於一有機太陽能電池之中，請一併參閱第三圖所示，為本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池其一較佳實施例之有機太陽能電池堆疊示意圖，其中具平面異質接面主動層之有機太陽能電池，係至少包括有：一玻璃基板(2)；一第一電極(3)，係形成於玻璃基板(2)上；在本發明其一較佳實施例中，第一電極(3)之材料係為氧化錫銦(Indium Tin Oxide，簡稱ITO)，因其具有高透光性與高導電率，可濺鍍於玻璃基板(2)或軟質基板上，以作為導電之陽極使用；一第一傳輸層(4)，係形成於第一電極(3)上，且於第一傳輸 層(4)上形成有一如上所述之主動層(1)，亦即主動層(1)係由一施體層(11)及複數個授體顆粒(12)所組成，其中授體顆粒(12)係嵌埋於施體層(11)內；在本發明其一較佳實施例中，係以一反向之有機太陽能電池結構為例，第一傳輸層(4)之材料係為氧化鋅(Zinc Oxide，簡稱ZnO)，由於有機太陽能電池結構係由多層膜所構成，因此，在各層膜間的能階控制是很重要的，第一電極(3)係扮演電子收集的角色，然而，因為氧化錫銦(ITO)是屬於高功函數的金屬氧化物，將不利於在此結構上的電子傳輸，因此，第一傳輸層(4)之氧化鋅(ZnO)在能階方面可以與主動層(1)及第一電極(3)匹配，亦具有良好的電子傳輸能力；再者，在本發明其二較佳實施例中，則是以一正向之有機太陽能電池為例，形成於第一電極(3)上的第一傳輸層(4)係由導電高分子(PEDOT：PSS)材料所構成；一第二傳輸層(5)，係形成於主動層(1)上；在本發明其一較佳實施例之反向有機太陽能電池結構中，第二傳輸層(5)的材料係為一導電高分子(PEDOT：PSS)，其功用是當作一電洞傳輸層，可以使從主動層(1)分離之電洞能有效經由第一傳輸層(4)流至第一電極(3)之陽極，並阻絕電子流至第一電極(3)，進而提升電池的效能；此外，在本發明其二較佳實施例之正向有機太陽能電池結構中，第二傳輸層(5)則是由氧化鋅(ZnO)所構成；以及一第二電極(6)，係形成於第二傳輸層(5)上；在本發明其一較佳實施例反向有機太陽能電池結構中，第二電極(6)係銀錠(Silver，簡稱Ag)加熱為材料以熱蒸鍍設備鍍膜之正導電極，由於金屬電極在大氣下具有良好的穩定性，不易受水氧的影響，能有效提升元件在大氣下的壽命，增加 其研究的便利性；再者，在本發明其二較佳實施例之正向太陽能電池結構中，以鋁材(Aluminum，Al)為材料所構成的第二電極(6)係形成於第二傳輸層(5)上。
再者，為使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解，請參閱第四圖所示，為本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法之步驟流程圖，本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法係包括有下述步驟：步驟一(S1)：在一玻璃基板(2)上依序形成一第一電極(3)與一第一傳輸層(4)；步驟二(S2)：將溶解於第一溶劑內之施體材料成膜於第一傳輸層(4)上，以形成一施體層(11)；此外，施體材料係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD等其中之一種，而在本發明其一較佳實施例中，係將P3HT之施體材料溶入二氯苯(DCB)之第一溶劑內，並成膜於第一傳輸層(4)上；步驟三(S3)：將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，靜置一時間後，於施體層(11)上形成複數顆授體顆粒(12)，其中授體顆粒(12)係嵌埋於施體層(11)內，以形成一主動層(1)；此外，授體材料係包括有PCBM、ICMA或ICBA等其中之一種，而在本發明其一較佳實施例中，係將PCBM之授體材料溶入二氯甲烷(DCM)之第二溶劑，再經由一旋轉塗佈機以每分鐘介於2000轉~6000轉之間的轉速旋塗於施體層(11)上，接著再靜置5秒~10秒，由於第一溶劑與第二溶劑間具有疏水性之現象，授體材料係於施體層(11)上係形成有複數顆授體顆粒(12)，而非一完整的膜(film)，請再參 閱第一、二圖所示，複數顆授體顆粒(12)係嵌埋於施體層(11)內，亦即授體顆粒(12)有一半係埋入施體層(11)內，而另一半係突出施體層(11)外，而授體顆粒(12)之長度係介於80奈米~120奈米之間，且其截面之形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形等其中之一種或兩者以上之組合；以及步驟四(S4)：於主動層(1)上再依序形成一第二傳輸層(5)與一第二電極(6)。
此外，由於本發明之主動層(1)結構不同於以往的摻混形式之塊材異質接面(BHJ)的有機太陽能電池，而是以平面方式來形成異質接面，由此主動層(1)構成的有機太陽能電池可稱之為平面異質接面有機太陽能電池(surface heterojunction OPV)，由於施體與授體間的接面能促使電子電洞對分離，而分離後的電子電洞對還要各自傳遞到陰極與陽極，讓各自的電極吸收後產生電壓差，進而發電；請參閱第五圖所示，為本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法其一較佳實施例之反向有機太陽能電池電壓與電流密度關係圖，其中「PCBM embedded」所代表之線段係以薄膜堆疊方式所製備的有機太陽能電池，亦即在兩層P3HT之施體層(11)中間具有一PCBM之授體層，而此授體層係為一個層，並非本案發明之授體顆粒(12)，而「PCBM 2000rpm」係代表旋轉塗佈機以每分鐘2000轉之轉速將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，且「PCBM 4000rpm」之線段係以每分鐘4000轉之轉速將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，「PCBM 6000rpm」則是旋轉塗佈機以每分鐘6000轉之轉速將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，最後，「blended」線段則是表示以摻混製程製備的有機太陽能電池，圖中之橫軸為電壓(Voltage)，縱 軸係為電流密度(Current Density)，其中各項數據中的Voc係表示為電壓，Jsc為電流密度，FF為填充因子，PCE則為光電轉換效率，當溶於二氯甲烷(DCM)之第二溶劑的授體材料PCBM旋塗於施體層(11)上的旋塗速度越快時，在P3HT之施體層(11)上形成內聚的PCBM之授體顆粒(12)則越小，而當PCBM之授體顆粒(12)粒徑越小時，單位面積下所產生的奈米顆粒也就越多，相較於顆粒尺寸較大的PCBM，奈米顆粒越小所形成施體及授體的接面也就越多，所以產生的電流密度也就越大，由圖中結果得知，反向有機太陽能電池之電流密度(Jsc)可以從摻混主動層型式的7.98mA/cm2提升到最高的10.15mA/cm2，也由於PCBM之授體顆粒(12)的形成，讓電子電洞分離後，電洞可沿著施體及授體的接面做移載，電洞移載後直接傳遞給第二傳輸層之PEDOT，進而讓第二電極所吸收，而電子的傳遞可以經由施體層，再通過第一傳輸層之ZnO後被第一電極之ITO吸收，如此的傳遞機制可讓電子與電洞的傳輸更為順暢，而不會產生電子與電洞間的死島現象而造成再復合的情況，可有效將反向有機太陽能電池之填充因子(FF)由摻混型式的0.59提升至最高的0.73，改善率約有25%，而最終的光電轉換效率(PCE)亦可由摻混型式的2.8%提升至最高的4.38%，達到約60%的改善。
請再參閱第六圖所示，為本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法其二較佳實施例之正向有機太陽能電池電壓與電流密度關係圖，其中如同上述第五圖所述，「PCBM embedded」之線段亦是表示以薄膜堆疊方式所製備的有機太陽能電池，而「PCBM 2000rpm」則是旋轉塗佈機以每分鐘2000轉之轉速將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，而「PCBM 4000rpm」亦是以每分鐘4000轉之轉速將溶解於 第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，且「PCBM 6000rpm」同樣表示以每分鐘6000轉之轉速將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於施體層(11)上，最後，「blended」也是以摻混製程製備的有機太陽能電池，圖中橫軸係為電壓(Voltage)，縱軸係為電流密度(Current Density)，其中各項數據中的Voc係表示為電壓，Jsc為電流密度，FF為填充因子，PCE則為光電轉換效率，由圖中結果得知，正向有機太陽能電池之填充因子(FF)與光電轉換效率(PCE)約具有15%的改善效率。
由上述之實施說明可知，本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由施體與授體彼此間的疏水性現象讓授體在施體層上形成複數個奈米等級之顆粒，使主動層之施體與授體間的接面增加，以致電子電洞傳遞順暢，有效改善主動層的電流密度與填充因子等參數，達到有機太陽能電池之光電轉換效率的提升。
2.本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由旋轉塗佈法將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於溶解於第一溶劑內之施體材料的施體層上，當旋塗轉速越快，在施體層上所形成內聚的奈米等級之授體顆粒就越小，而單位面積所產生的授體顆粒就越多，形成於施體與授體間的接面也就越多，則有機太陽能電池的電流密度就越大，與摻混型式製備的主動層相較，電流密度可有效達到30%的提升。
3.本發明之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法係藉由在主動層內形成之奈米等級的授體顆粒，讓電子電洞分 離，而分離之電洞可沿著施體及授體間的接面做移載，電洞移載後直接傳遞至第二傳輸層，進而讓第二電極所吸收，而電子的傳遞則是經由施體層，再通過第一傳輸層後被第一電極吸收，如此的傳遞機制可讓電子與電洞的傳輸更為順暢，而不會產生電子與電洞之間的死島現象，進而造成再復合(recombination)的情況，可有效將填充因子(FF)由摻混型式提升約25%，而最終的光電轉換效率(PCE)亦可達到約60%的改善。
綜上所述，本發明具平面異質接面主動層之有機太陽能電池及其製造方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)‧‧‧主動層
(11)‧‧‧施體層
(12)‧‧‧授體顆粒
(2)‧‧‧玻璃基板
(3)‧‧‧第一電極
(4)‧‧‧第一傳輸層
(5)‧‧‧第二傳輸層
(6)‧‧‧第二電極

Claims (14)

  1. 一種具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，該主動層係由一施體層及複數個授體顆粒所組成，其中該等授體顆粒係嵌埋於該施體層內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中該施體層之材質係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中該授體顆粒之材質係包括有PCBM、ICMA或ICBA其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中該等授體顆粒之長度係介於80奈米~120奈米之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具平面異質接面之有機太陽能電池主動層，其中該等授體顆粒之截面形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形其中之一或兩者以上之組合。
  6. 一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池，係至少包括有：一玻璃基板；一第一電極，係形成於該玻璃基板上； 一第一傳輸層，係形成於該第一電極上，且於該第一傳輸層上形成有一如申請專利範圍第1~5項所述之主動層；一第二傳輸層，係形成於該主動層上；以及一第二電極，係形成於該第二傳輸層上。
  7. 一種具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其步驟係包括有：步驟一：在一玻璃基板上依序形成一第一電極與一第一傳輸層；步驟二：將溶解於第一溶劑內之施體材料成膜於該第一傳輸層上，以形成一施體層；步驟三：將溶解於第二溶劑內之授體材料旋塗於該施體層上，靜置一時間後，於該施體層上形成複數顆授體顆粒，其中該等授體顆粒係嵌埋於該施體層內，以形成一主動層；以及步驟四：於該主動層上再依序形成一第二傳輸層與一第二電極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該旋塗之轉速係介於每分鐘2000轉~6000轉之間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該第一溶劑係為二氯苯(DCB)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該施體材料係包括有P3HT、PCDTBT、PSBTBT、PTBF、PCPDTBT或PBTTPD其中之一。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該第二溶劑係為二氯甲烷(DCM)。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該授體材料係包括有PCBM、ICMA或ICBA其中之一。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該等授體顆粒之長度係介於80奈米~120奈米之間。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之具平面異質接面主動層之有機太陽能電池製造方法，其中該等授體顆粒之截面形狀係為圓形、橢圓形或類橢圓形其中之一或兩者以上之組合。
TW103140687A 2014-11-24 2014-11-24 具表面異質界面主動層之有機太陽能電池及其製造方法 TWI538231B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103140687A TWI538231B (zh) 2014-11-24 2014-11-24 具表面異質界面主動層之有機太陽能電池及其製造方法
US14/859,534 US9966547B2 (en) 2014-11-24 2015-09-21 Organic solar cell having surface heterojunctions active layer and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103140687A TWI538231B (zh) 2014-11-24 2014-11-24 具表面異質界面主動層之有機太陽能電池及其製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201620149A true TW201620149A (zh) 2016-06-01
TWI538231B TWI538231B (zh) 2016-06-11

Family

ID=56011074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103140687A TWI538231B (zh) 2014-11-24 2014-11-24 具表面異質界面主動層之有機太陽能電池及其製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9966547B2 (zh)
TW (1) TWI538231B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106711332A (zh) * 2016-12-19 2017-05-24 李瑞锋 一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
TWI538231B (zh) 2016-06-11
US20160149148A1 (en) 2016-05-26
US9966547B2 (en) 2018-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Luo et al. Recent advances in carbon nanotube utilizations in perovskite solar cells
Mishra et al. Progress in materials development for flexible perovskite solar cells and future prospects
Liu et al. Unraveling sunlight by transparent organic semiconductors toward photovoltaic and photosynthesis
CN103746078B (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN101414663B (zh) 一种并联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池
CN104241528B (zh) 具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法
CN103904224B (zh) 一种基于无机量子点的有机光伏电池及制备方法
CN106025084B (zh) 基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池及制备方法
CN105405976B (zh) 一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池
Ryu et al. Effect of solution processed graphene oxide/nickel oxide bi-layer on cell performance of bulk-heterojunction organic photovoltaic
CN105594007A (zh) 具有纳米凹凸结构的有机光伏电池及其制备方法
CN105470398B (zh) 基于三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
CN106098944B (zh) 一种基于纳米洋葱碳复合阳极缓冲层的太阳能电池
CN104993055A (zh) 基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构及制备方法
TWI531079B (zh) 太陽能電池及其製作方法
CN104051560A (zh) 一种基于三维自组装纳米材料的新型红外探测器
CN105185912A (zh) 一种双受体的三元太阳能电池
CN102142523A (zh) 效率提高的太阳能电池
KR20130104517A (ko) 금속배선을 포함하는 섬유형 태양전지의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 금속배선을 포함하는 섬유형 태양전지
CN106098945B (zh) 一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池及其制备方法
KR101333714B1 (ko) 섬유형 태양전지의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 섬유형 태양전지
CN105206746A (zh) 基于三元溶剂系统的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
TWI538231B (zh) 具表面異質界面主動層之有機太陽能電池及其製造方法
CN105261704A (zh) 碳骨架包覆的高稳定性有机薄膜太阳能电池及其制备方法
US20130019936A1 (en) Organic solar cell with patterned electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees