CN102169961B - 有机太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机太阳电池，其包括一有机主动层、一透光电极、一反射电极以及一光学薄膜。透光电极与反射电极分别配置于有机主动层的两侧，而光学薄膜与有机主动层分别位于透光电极的两侧，且光学薄膜具有一内表面以及一与内表面相对的外表面。对于从外表面入射的光线，光学薄膜的穿透率高于90％，而对于内表面入射的光线，内表面的反射率高于10％，且光学薄膜的雾度高于90％。由于本发明于有机太阳电池的入光侧设置光学薄膜，以使进入有机太阳电池内的光线能够经过多次反射并且被主动层所吸收，因此本发明可在不增加主动层膜厚的情况下，增进有机太阳电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，且尤其涉及一种具有高光电转换效率的有机太阳电池(Organic Photovoltaic cell，OPV cell)。
背景技术
太阳能是一种干净无污染且取之不尽、用之不竭的能源，在解决目前石化能源所面临的污染与短缺的问题时，太阳能一直是最受瞩目的焦点。由于太阳电池可直接将太阳能转换为电能，因此已成为目前产业界相当重要的研究课题之一。
硅基太阳电池(silicon-based solar cell)以及有机太阳电池(OPV cell)为目前业界常见的一种太阳电池。以有机太阳电池为例，由于有机材料的载子迁移率(carrier mobility)较低(约为10-4～10-3cm2/Vs)，所以有机太阳电池的主动层不能够过厚，否则载子在被光线激发之后有可能发生再结合(re-combination)而降低光电转换效率。依据有机太阳电池的特性，增加主动层的膜厚虽可增加光线的吸收效率以及短路电流(short circuit current，Jsc)，但会增加整体阻值进而造成填充因子(fill factor)下降。反之，降低主动层的膜厚可使填充因子增加，但会降低光线的吸收效率以及短路电流。
承上述，仅透过主动层的膜厚调整难以兼顾有机太阳电池的光电转换效率以及电性(阻值、填充因子等)。因此，如何兼顾有机太阳电池的光电转换效率以及电性，实为目前业界亟待解决的议题之一。
发明内容
本发明提供一种有机太阳电池，其通过光学薄膜的贴附以有效改善光电转换效率以及电性。
本发明提供一种有机太阳电池，适于将光线转换为电能。有机太阳电池包括一有机主动层、一透光电极、一反射电极以及一光学薄膜。透光电极与反射电极分别配置于有机主动层的两侧，而光学薄膜与有机主动层分别位于透光电极的两侧，且光学薄膜具有一内表面以及一与内表面相对的外表面。对于从外表面入射的光线，光学薄膜的穿透率高于90％，而对于内表面入射的光线，内表面的反射率高于10％，且光学薄膜的雾度(Haze)高于90％。
在本发明的一实施例中，前述的光学薄膜具有多个光学微结构，且这些光学微结构位于外表面上。举例而言，光学微结构包括扩散子(scatters)、微透镜(micro-lenses)或微棱镜(micro-prisms)。
在本发明的一实施例中，前述的有机主动层为一吸光材料，而该吸光材质，可包括聚(3-己基噻吩)：[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene)：[6，6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30，70-二甲基壬氧)-1，4-伸苯基伸乙烯基]：[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30，70-dimethyloctyloxy)-1，4-phenylenevinylene]：[6，6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester(MDMO-PPV：[60]PCBM))、聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-)]双噻吩[2，1-b；3，4-b′]环戊烷-alt-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)：[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2，1-b；3，4-b′]dithiophene)-alt-4，7-(2，1，3-benzothiadiazole)]：[6，6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PCPDTBT：[70]PCBM))、或聚[4，8-双-取代-苯[1，2-b：4，5-b′]二噻吩]-2，6--diyl-alt-4-取代-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]：[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4，8-bis-substituted-benzo[1，2-b：4，5-b′]dithiophene-2，6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]：[6，6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PBDTTT：[70]PCBM)。
在本发明的一实施例中，前述的透光电极包括透明导电氧化物电极。
在本发明的一实施例中，前述的反射电极包括铝电极或银电极。
在本发明的一实施例中，前述的有机太阳电池可进一步包括一空穴传输层，且此空穴传输层配置于有机主动层与透光电极之间。
在本发明的一实施例中，前述的空穴传输层的材质包括聚(3，4-伸乙二氧基塞吩∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)。
在本发明的一实施例中，前述的有机太阳电池可进一步包括一透光基板，且此透光基板配置透光电极与光学薄膜之间。
由于本发明于有机太阳电池的入光侧(light-incident side)设置光学薄膜，以使进入有机太阳电池内的光线能够经过多次反射并且被主动层所吸收，因此本发明可在不增加主动层膜厚的情况下，增进有机太阳电池的光电转换效率。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的有机太阳电池的剖面示意图。
图2A至图2C为本发明一实施例的光学微结构的剖面示意图。
图3为本发明另一实施例的有机太阳电池的剖面示意图。
图4为贴附有光学薄膜的有机太阳电池以及未贴附光学薄膜的有机太阳电池的量子效率与波长的关系图。
其中，附图标记：
100、100’：有机太阳电池
110：有机主动层
120：透光电极
130：反射电极
140：光学薄膜
140a：内表面
140b：外表面
140c：光学微结构
150：空穴传输层
160：透光基板
L、L1：光线
X：位置
具体实施方式
图1为本发明一实施例的有机太阳电池的剖面示意图。请参照图1，本实施例的有机太阳电池100适于将光线L、L1转换为电能，且本实施例的有机太阳电池100包括一有机主动层110、一透光电极120、一反射电极130以及一光学薄膜140。透光电极120与反射电极130分别配置于有机主动层110的两侧，而光学薄膜140与有机主动层110分别位于透光电极120的两侧，且光学薄膜140具有一内表面140a以及一与内表面140a相对的外表面140b。对于从外表面140b入射的光线L，光学薄膜140的穿透率高于90％，而对于从内表面140a入射的光线L1，内表面140a的反射率高于10％，且光学薄膜140的雾度(Haze)高于90％。
在本实施例中，透光电极120例如为透明导电氧化物电极。举例而言，前述的透明导电氧化物电极的材质例如为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)或其它具有高穿透率的导电材质。此外，反射电极130例如为铝电极、银电极或是其它具有高反射率的金属电极。
承上述，本实施例的有机太阳电池100可选择性地包括一空穴传输层150，且此空穴传输层150配置于有机主动层110与透光电极120之间。空穴传输层150有助于提升有机太阳电池100中空穴的传输效率。举例而言，空穴传输层150的材质包括聚(3，4-伸乙二氧基塞吩∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)或是其它适合的有机材料。
如图1所示，本实施例的光学薄膜140设置于有机太阳电池100的入光侧，由于外界光线L在进入有机主动层110之前会先经过光学薄膜140，因此光学薄膜140对于外界光线L的需具备高穿透率，此处的高穿透率是指穿透率大于或等于90％。与光线L相较，进入有机太阳电池100内的光线L1无可避免地会有些微的衰减，且光线L1会被反射电极130反射而经过有机主动层110两次，以增加光线L1被有机主动层110吸收的可能性，进而增进有机太阳电池100的光电转换效率。为了更有效地利用被反射电极130所反射的光线L1，光学薄膜140的内表面140a光线L1的反射率需高于10％，以使得部分的光线L1能够被进一步反射回有机主动层120，进而被有机主动层120所吸收。举例而言，光学薄膜140的内表面140a光线L1的反射率例如介于20％至30％之间。此外，光学薄膜140的雾度例如为90％、95％或高于95％。
图2A至图2C为本发明一实施例的光学微结构的剖面示意图。请参照图2A至图2C，为了使绝大部分的光线L都能够进入有机太阳电池100中，本实施例可于光学薄膜140的外表面140b制作多个光学微结构140c。举例而言，光学微结构140c例如为能够使光线L散射的扩散子(scatters)、能够改变光线L的传递路径的微透镜(micro-lenses)或能够改变光线L的传递路径的微棱镜(micro-prisms)。具体而言，光学薄膜140例如为一扩散片(diffusion plate)、微透镜数组光学膜或一棱镜片(prism sheet)。
图3为本发明另一实施例的有机太阳电池的剖面示意图。请参照图1与图3，本实施例的有机太阳电池100’与图1所绘示有机太阳电池100类似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的有机太阳电池100’可进一步包括一透光基板160，且此透光基板160配置透光电极120与光学薄膜140之间。
【实验例】
图4为贴附有光学薄膜的有机太阳电池以及未贴附光学薄膜的有机太阳电池的量子效率与波长的关系图。请参照图4，本实验例采用图3所揭露的架构，其中有机主动层的厚度为70纳米，空穴传输层的厚度为30纳米，而空穴传输层的材质为聚(3，4-伸乙二氧基塞吩∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)，且透光基板为玻璃基板。
从图4可清楚得知，在可见光的波段(400纳米至700纳米之间)，不同的光学薄膜对于有机太阳电池的量子效率有不同程度的提升。
表1条列出不同光学薄膜(光学薄膜1、光学薄膜2、光学薄膜3与光学薄膜4)的光学参数(穿透率、内表面的反射率以及雾度)，而表2条列出未贴附光学薄膜的有机太阳电池以及贴附有光学薄膜的有机太阳电池的短路电流差异以及增益值(Gain)。
| 穿透率 | 内表面的反射率 | 雾度 | |
| 光学薄膜1 | 100％ | 20％ | 95％ |
| 光学薄膜2 | 100％ | 25％ | 90％ |
| 光学薄膜3 | 100％ | 30％ | ＞95％ |
| 光学薄膜4 | 100％ | 30％ | 95％ |
表1
| 短路电流Jsc(mA/cm2) | 增益(％) | |
| 无光学薄膜 | 12.99 | - |
| 光学薄膜1 | 14.12 | 8.7 |
| 光学薄膜2 | 14.14 | 8.9 |
| 光学薄膜3 | 14.33 | 10.3 |
| 光学薄膜4 | 14.16 | 9.0 |
表2
从上表2可知，贴附有光学薄膜的有机太阳电池的短路电流约有10％的提升。
由于本发明于有机太阳电池的入光侧(light-incident side)设置光学薄膜，以使进入有机太阳电池内的光线能够经过多次反射并且被主动层所吸收，因此本发明可在不增加主动层膜厚的情况下，增进有机太阳电池的光电转换效率。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种有机太阳电池，适于将光线转换为电能，其特征在于，该有机太阳电池包括：
一有机主动层；
一透光电极；
一反射电极，该透光电极与该反射电极分别配置于该有机主动层的两侧；以及
一光学薄膜，该光学薄膜与该有机主动层分别位于该透光电极的两侧，该光学薄膜具有一内表面以及一与该内表面相对的外表面，对于从该外表面入射的光线，该光学薄膜的穿透率高于90%，而对于从该内表面入射的光线，该内表面的反射率介于20%-30%之间，且该光学薄膜的雾度高于90%。
2.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其中该光学薄膜具有多个光学微结构，该些光学微结构位于该外表面上。
3.根据权利要求2所述的有机太阳电池，其特征在于，该些光学微结构包括扩散子。
4.根据权利要求2所述的有机太阳电池，其特征在于，该些光学微结构包括微透镜。
5.根据权利要求2所述的有机太阳电池，其特征在于，该些光学微结构包括微棱镜。
6.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，该有机主动层的材质为一吸光材料，该吸光材料包括、聚(3-己基噻吩)：[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯、聚[2-甲烷基-5-(30,70-二甲基壬氧)-1,4-伸苯基伸乙烯基]:[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯、聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4H-)]双噻吩[2,1-b;3,4-b']环戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑):[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯或聚[4,8-双-取代-苯[1,2-b:4,5-b']二噻吩]-2,6--diyl-alt-4-取代-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯。
7.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，该透光电极包括透明导电氧化物电极。
8.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，该反射电极包括铝电极或银电极。
9.根据权利要求1所述的有机太阳电池，更包括一空穴传输层，配置于该有机主动层与该透光电极之间。
10.根据权利要求9所述的有机太阳电池，其特征在于，该空穴传输层的材质包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩)：聚苯乙烯磺酸。
11.根据权利要求1所述的有机太阳电池，更包括一透光基板，配置该透光电极与该光学薄膜之间。
12.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，从外表面入射且波长约为555纳米的光线，光学薄膜的穿透率高于90%。
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