TW556448B - Organic photovoltaic devices - Google Patents
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Description
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556448 A7
電荷載子的特性而被選擇的半導體材料。 有池的特徵在於它們可以轉換入射的太陽能成為 有用的電力的效率。使用晶體或非晶矽的裝置主載了商業 士的應用，並且有些已達到23%或更大的效率。但是，有 效率的晶體基（CryStalline_based)的裝置，特別是有大表面 ,者’會因為既有的生產沒有顯著的效率退化缺陷之大的 晶體的難題而使生產變得困難而昂貴。另一方面，高效率 非曰曰石夕裝置仍然為穩定性的問題所擾。現有的商業上可得 的非晶矽電池具有介於4%和8%之間的穩定效率。更近期 的努力集中在有機光電池的應用上以在經濟的生產成本下 達到可接受的光電轉換效率。 光電裝置在被連結通過一負載並被光照射時產生光致 (ph〇t〇-generated)伏特。當被照射時並沒有任何外部電子 負載時’一光電裝置會產生其最大可能的電壓，V斷路 (open-circuit)，或V。。。若一光電裝置在其電接點短路時 被照射，一最大短路電流，或Isc，會產生。當實際被用來 產生電力時’一光電裝置被連結至一有限的電阻負載並且 電力輸出是由電流和電壓相乘而得，IxV。由一光電裝置 產生的最大總電量自然是無法超越I^XV。。的乘積。若負載 值被最佳化以求最大的電力獲取時，電流和電壓分別具有 max 值。 太陽能電池的優勢的指數是填充比率（fill factor)，//， 定義為： -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 556448 A7 B7 五、發明説明（3 ) 其中//總是小於1，因為在實際使用時1%和V。。從未同步被 得到。否則，當//接近1，該裝置會更有效率。 當一適當能量的電磁波被入射至一半導體有機材料時， 例如有機分子晶體（OMC)材料、或高分子，光子可以被吸 收以產生一激發分子態。這被用符號表示為S〇 + /zv= S〇* 。這裡S 0和S ο *分別表示分子的基態和激態。此能量吸收 與電子從一最高填滿分子執域（HOMO)，其可能為一 π鍵， 中的束缚態（bound state)躍遷至最低空的分子軌域（LUMO) ，其可能為一 π*鍵，或相等地，電洞從一 LUMO躍遷至一 HOMO有關。在有機薄膜光導體中，產生的分子態通常被 認為是一激子（exciton)，也就是說，被當成準粒子（quasi-particle)傳送的在束缚態中的電洞對。該激子在離子對的 重新結合反應（geminate recombination)前可以有相當程度 的生命期，其參考原來的電子和電洞彼此再結合的過程， 而與電子或電洞與其他對的再結合成為對比。要形成光電 流（photocurrent)該電子電洞對必須變成分離的，通常是在 兩個不相同的接觸的有機薄膜之間的供體-受體介面。若 電荷沒有分離，它們可以在一離子對的重新結合反應過程 中再結合，也被稱為驟媳（quenching)，不是放射性的，由 比入射光能量低的光放射，就是非放射性的，由熱所產生 。在一光敏性光電裝置中這些結果的任一種都是不想要的。 在一接觸處的電場或不均勻性（inhomogeneities)可能導 致一激子在該供體-受體介面驟熄而非分離，造成對電流 沒有淨貢獻。因此，最好是將光致的（photogenerated)激子 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 556448 A7
保持在離開該接觸的地方。這有限骸子擴散至接近介面 的區域的效應以使相關的電場有較多的機會來分離由接近 介面的游離的激子所釋放的電荷載子。 佔有-實質的體積《内部產生的電I，一般的方 式是並列兩個被適當地選摆值盡 田a k释得導特性的材料層，特別是 於它們對分子量子能態的貢獻。這兩個材料的介面被稱為 光電異質接面。在傳統的半導體理論中，要形成光電異質 接面的材料通常被指為若不是㈣，或供體，就是?型，或 受體。在這裡η型表示主要載子型態是電子。彡可被視為 該材料具有許多電子在相對自由㈣下”型表示主要載 子型態是電洞。這樣的材料具有許多電洞在相對自由能離 下。背景’也就是說，不是光致的，主要載子形式的濃度 主要依賴由缺陷或不純物之非蓄意的摻雜。不純物的形式 和濃度決定了在最高填滿分子軌域（Η〇Μ〇)與最低空的分 子軌域（LUMO)之間的能隙内的費米能量（Femi energy), 或能階（level) ’的值。費来能量描述統計上由能量值表示 的填滿的彳能性等於1/2之的分+量子㈣之填滿的特性。 一接近LUMO能量的費米能量表示電子是支配載子。一接 近HOMO能量的費米能量表示電洞是支配載子。因此，費 米能量是傳，統的半導體《主要的特色化的特性並且原型的 光電異質接面傳統上便是P n介面。 “整流”一詞表示，除此之外，一介面具有不均勻的傳導 特性，也就是說，介面支持電荷傳遞偏向於一個方向。修 正通常與一發生在被適當選擇的材料之間的異質接面的内 本紙張尺度適财a Η家標準(CNS) A4規‘(210 X 297公f)---------— 556448
建電場有關。 有機半導體之一顯著的特性是載子的遷移率(削⑹办) ?移率測量電荷載子回應一電場而移動通過一傳導材料 的谷易度。與自由載子濃度相反，載子遷移率大部分取決 於有機材料的本徵特性，例如晶體對稱性和週期性。適♦ 的對稱性和週期性可以產生較大的_能階的量子波： 數的部分重疊以產生較高的電洞遷移率，或相似地，較大 的LUMO能階的部分重疊以產生較高的電子遷移率。此外 ，一有機半導體，例如3,4,9,10-二萘嵌苯四羧基二酐 (35459?l〇.perylenetetracarboxylic dianhydride) (PTCDA) > 之供體或受體的性質在較大的載子遷移率下可能會有爭議 。例如，當化學論證為PTCDA建議一供體，或n型，特性 ，實驗顯示電洞遷移率超過電子遷移率數級的量以致電洞 遷移率為一重要的因素。結果導致依據供體/受體準則之 裝置配置預測在實際的裝置效能中可能不會出現。因為有 機材料的這些特殊的電子性質，較不傾向指明它們為“？型 ”或“受體型，，和“η型，，或“供體型，，，專有名詞‘‘電洞傳遞層，， (HTL)或“電子傳遞層’’（ETL)較常被使用。在這個命名\ 劃下’一電子傳遞層會優先傳遞電子而一電洞傳遞層會優 先傳遞電洞。 典型的先前技藝之光電裝置配置是有機雙層電池 (organic bilayer cell)。在雙層電池中，電荷分離主要發生 在有機異質接面。内建潛能取決於接觸以形成該異質接面 的兩個材料之間HOMO-LUMO的能量差異。電洞傳遞層和 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 556448 A7 ___ B7 五、發明説明（6 ) 電子傳遞層之間的HOMO-LUMO能帶落差值（gap 0ffset)在 電洞傳遞層/電子傳遞層的介面處形成一電場。 有機光電電池與傳統的矽基裝置相比有許多潛在的優勢 。有機光電電池的重量輕、材料的使用上較經濟、並且可 以被沈積在低成本的基材上，例如彈性塑膠箔。但是，有 機光電裝置通常有相對低的量子效率（光子的吸收對載子 對的產生的比例，或電磁波對電力轉換效率的比例），在 1 °/〇或更少的水準。部分地，這被認為是因為本徵光導製 程的第二個性質。即，載子的產生需要激子的產生、擴散 和離子化。但是，激子的擴散長度（LD)通常遠小（LD〜50埃） 於光學吸收長度（〜500埃），需要在使用一厚的，並因此阻 抗的’有多重或高度彎曲介面的電池，或一有低光學吸收 效率的薄的電池之間取得平衡。從不同面向來增加效能已 被嘗試過，包括使用摻雜的有機單晶體，共軛高分子混合 物（conjugated polymer blend)，以及使用有增加的激子擴 散長度的材料。但是仍然從不同的面向來解決問題，也就 是不同電池幾何配置的使用，例如三層電池，其具有共沈 積的p和η型染料（pigment)之額外的混合層，或製造連續電 池（tandem cell) 〇 如前面所述者，該連續電池之斷路電壓（V。。）可能比單一 電池的斷路電壓幾乎高兩倍。M. Hiramoto，M. Suezaki， 和 Μ· Yokoyama的化學摘要（C/zembir;; 327 (1990) 。不幸地，得到的能量轉換效率比單一電池的還少。這是 因為前電池減少了抵達後電池的光的強度的因素。因此由 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 556448 A7
訂
裝
Claims (1)
- 1. 一種有機光敏性光電裝置，包含： 一陽極； 多個串聯的子電池，每一個子電池含有·· 一電子供體層，及 一與該電子供體層接觸之電子受體層， 一隔離該等子電池之電子-電洞再結合區，以及 一陰極， 其中由每一個子電池所產生的電流大約相等。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中一激子阻斷層被安 置於該電子受體層和該陰極之間。 3·如申請專利範圍第2項之裝置，其中該激子阻斷層含有 BCP ° 4 ·如申請專利範圍第2項之裝置，其中該激子阻斷層含有 Alq2OPH。 5 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中一陽極平滑層被安 置於該電子供體層和該陽極之間。 6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該陽極平滑層含有 PEDOT:PSS。 7. 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該電子供體層含有 欽青染料或坡菲林，而該電子受體層含有二莕嵌苯 (perylene)、萘（naphthalene)、富勒婦（fuiierene)或 nanotubule 〇 8. 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該陽極係選自 傳導性氧化物。 月 本紙張尺度適用中關家標準(cNs)Hii^1()X297/；iy —----- 5 59 ·如申請專利範圍第8項之裝置，其中該陽極係選自氧化 鈉錫。 1〇•如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電子·電洞再結合 區是一半透明的金屬層。 1 1.如申叫專利範圍弟1項之裝置’其中該電子-電洞再結合 區係選自銀、II、氟化41、鋁、欽、和錫之一層。 j 2 ·如申請專利範圍第11項之裝置，其中該電子-電洞再結 合區是一銀層。 13 ·如申叫專利批圍弟1項之裝置’其中該電子-電洞再結合 處厚度小於約20埃。 14•如申請專利範圍第10項之裝置，其中該金屬層是由奈米 微粒所組成。 15•如中請專利範圍第1項之裝置，其中該電子-電洞再結合 區含有一電子主動缺陷區域。 16. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中： 該電子傳遞層是PTCBI ; 該電洞傳遞層是銅鈥青染料（CuPc); 該電子-電洞再結合區是銀，以及 該激子阻斷層是BCP。 17. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中： 該電子傳遞層是富勒烯（fullerene); 該電洞傳遞層是銅鈦青染料（CuPc); 該電子-電洞再結合區是銀，以及 該激子阻斷層是BCP。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 556448 A8 B8 C8其中該外部能量轉換效 1 8 ·如申請專利範圍第1項之裝置 率在一太陽照度下為至少1 〇/0。 19.一種有機光敏性光電裝置，包含： 一陽極； 光傳導有機半導體 一電洞傳遞層，該電洞傳遞層由一 材料所形成； 該電子傳遞層 一覆在該電洞傳遞層上之電子傳遞層 含有富勒烯； 一激子阻斷層，以及 一陰極。 2〇_如申請專利範圍第19項之裝置，其中該激子阻斷層被安 置於該電子傳遞層和該陰極之間。 女 21·如申請專利範圍第20項之裝置，其中該激子阻斷層含有 22·如申請專利範圍第20項之裝置，其中該激子阻斷層含有 Alq2〇PH。 曰。 23·如申請專利範圍第19項之裝置，其中一陽極平滑層被安 置於該電子供體層和該陽極之間。 24·如申請專利範圍第23項之裝置，其中該陽極平滑層含有 PEDOT.PSS。 ° 25·如申請專利範圍第24項之裝置，其中該PED〇T:pss被用 電漿處理過。 26 ·如申請專利範圍第19項之裝置，其中該富勒埽係選自 碳60(。6〇)至碳96(〔96)的尺寸範圍内。 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 556448請專利範圍第19項之裝置，其中該富勒烯是一奈米 碳管（nanotube) 〇 如申請專利範圍第19項之裝置，其中該陽極係選自透明 傳導性氧化物。 Μ·如申請專利範圍第28項之裝置，其中該陽極係選自氧化 鋼錫。 3〇·如申請專利範圍第20項之裝置，其中： 該電子傳遞層是碳60 ; 該電洞傳遞層是銅鈦青染料（CuPc);以及 該激子阻斷層是BCP。 31.如申請專利範圍第19項之裝置，其中該外部能量轉換效 率為至少約3.6%。 32.如申請專利範圍第19項之裝置，其中該電予傳遞層、該 電洞傳遞層、以及該激子阻斷層被安置在形成一波導之 兩個互相平行的平面反射表面之間。 33·如申請專利範圍第32項之裝置，其中兩個反射表面之一 具有一開口以容許光入射至該裝置。 34·如申請專利範圍第33項之裝置，在兩個反射表面之間有 一透明的開口以使光被容許從與該反射表面之平面平行 的方向進入該裝置。 35.—種由複數個光敏性光電子電池組成之堆疊的有機光敏 性光電裝置’其中至少—子電池包含—含有富勒缔之電 子傳遞層。 36·如申請專利範圍第35項之裝置，其中該子電池另外包含 本紙張尺度適财_祕^^4規格(21^ϋΤ 556448 ABCD 々、申請專利範圍 一激子阻斷層和一鄰接於該電子傳遞層之電洞傳遞層。 37.如申請專利範圍第36項之裝置，其中該激子阻斷層含有 BCP並且係鄰接於該電子傳遞層。 3 8.如申請專利範圍第36項之裝置，其中： 該電子傳遞層是碳60 ; 該電洞傳遞層是銅鈦青染料（CuPc);以及 該激子阻斷層是BCP。 3 9.—種製造一有機光敏性光電裝置之方法，該裝置含有一 陽極，一電洞傳遞層，一含有富勒晞（fullerene)之電子 傳遞層，一激子阻斷層以及一陰極，該方法含有步驟如 下··. (a) 沈積該電洞傳遞層在該陽極上； (b) 沈積該電子傳遞層在該電洞傳遞層上； (c) 沈積該激子阻斷層在該電子傳遞層上；以及 (d) 沈積該陰極在該激子阻斷層上。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）
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