TWI538271B - 具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明大體而言係關於太陽能電池的領域，更具體而言，係為一種具有多層結構使施體與受體具有方向性分佈的有機太陽能電池及系統。
有機共軛高分子半導體(Conjugated Polymer Semiconductor)光電元件有著製作成本便宜、可大面積化、容易塗佈及具有可撓性質等優點，因此近年來產業界投入了相當大的心力於其相關技術之發展，這些技術包含有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)、有機場效電晶體(Organic Thin Film Transistor)、有機太陽能電池(Organic Solar Cell)或其他等。若將元件製作於軟性的塑膠基板上，則可因塑膠基板本身之質輕、可撓曲及不易破碎等多項優點，不但可提高有機電子元件應用性，更可將元件製作整合於捲軸對捲軸式(Roll to Roll)製程，以提高產率及降低成本。
其中，以溶液製程為主的有機太陽能電池有著相較於無機太陽能電池而言較低的製作成本優勢，且應用範圍極廣，因此在目前受到高度的關注，不斷有新的發展。然而，受限於高分子材料先天性質譬如較低的載子(電子/電洞)遷移率、較高的激子束縛能，以及多層塗佈時層與層之間的互溶，因此有機太陽能電池，尤其是高分子有機太陽能電池普遍有著吸光效率及載子萃取效率不佳的問題，因此成為有機太陽能電池發展上的一個瓶頸，目前仍無法克服。
本案之發明人在美國專利公開第2007/0111006號提供了一種多層有機分子光電元件之製造方法，其步驟大致包含：
(1)在由玻璃基板或塑膠構成之乾淨透明基材上塗佈含有A有機分子之溶液，以形成A有機分子層；
(2)於A有機分子層上塗佈一含有緩衝劑之溶液，以形成非永性緩衝層；
(3)於非永性緩衝層上塗佈一含有B有機分子之溶液，以形成B有機分子層；
(4)視情況需要，除去非永性緩衝層；以及
(5)反復操作(2)、(3)、(4)之步驟而得到二層或以上之有機分子層的光電元件。
本案發明人所提出之上述技術(以下簡稱為「緩衝層技術」)提供了一種在製造過程中不會產生層間互溶現象的高安定性多層有機分子光電元件製造方法，可利用較簡便的溶液製程製造多層有機分子光電元件。但在此緩衝層技術揭露內容中，並未說明緩衝層技術如何應用於有機太陽能電池，以改善有機太陽能電池普遍有著吸光效率及載子萃取效率不佳的問題。
因此，本案發明人在本發明中引用上述緩衝層技術，並藉此進一步製作出具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，並提供其製造方法及相關應用。並將於下述內容中詳細說明。
本發明實施例之一目的在於提供一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，利用緩衝層技術在有機太陽能電池中形成一個施體及受體具有濃淡分佈的主動層。
本發明實施例之另一目的在於提供一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其係利用緩衝層技術製程，其主動層包含施體及受體具有濃但分佈的多層主動子層。
本發明實施例之再一目的在於提供一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其利用具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池供給電能予至少一應用裝置，使此至少一應用裝置具有電能進行運作，此至少一應用裝置可廣泛包含市面上各種電器產品，且此有機太陽能電池可外接或內建於此電器產品。
本發明實施例之一觀點在於提供一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，包含：在至少一陽極層上形成至少一電洞傳輸層；在所述至少一電洞傳輸層上形成至少一主動層(Active Layer)，所述至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，其中形成所述複數個主動子層之步驟包含：(a)在所述電洞傳輸層上塗佈包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分之溶液，以於其上形成一第一主動子層；(b)在前一主動子層上塗佈包含緩衝劑之溶液，以於其上形成一非永久性緩衝層；(c)在前一非永久性緩衝層上塗佈電子施體成分對電子受體成分之比低於前一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比之溶液，以於其上形成另一主動子層；(d)依序反覆執行(b)及(c)之相似步驟以得到包含兩層或以上之所述複數層主動子層；及在所述至少一主動層上形成至少一陰極層。
本發明實施例之另一觀點在於提供一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，包含：至少一陽極層；至少一電洞傳輸層，其形成於所述至少一陽極層上，以促進電洞傳輸；至少一主動層(Active Layer)，其形成於所述至少一電洞傳輸層上，所述至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，所述複數層主動子層各包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分，且所述複數層主動子層中距離較所述至少一陽極層遠者，其電子施體成分對電子受體成分之比係低於距離較所述至少一陽極層近者，以提供載子指向性分佈功能；及至少一陰極層，其形成於所述至少一主動層上。
本發明實施例之再一觀點在於提供一種具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，包含：至少一應用裝置；及至少一有機太陽能電池，其電性連接於所述至少一應用裝置，以提供電能予所述至少一應用裝置；其中所述至少一有機太陽能電池包含：至少一陽極層；至少一電洞傳輸層，其形成於所述至少一陽極層上，以促進電洞傳輸；至少一主動層(Active Layer)，其形成於所述至少一電洞傳輸層上，所述至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，所述複數層主動子層各包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分，且所述複數層主動子層中距離較所述至少一陽極層遠者，其電子施體成分對電子受體成分之比係低於距離較所述至少一陽極層近者，以提供載子指向性分佈功能；及至少一陰極層，其形成於所述至少一主動層上。
本發明實施例之一優點在於利用緩衝層技術可製作出相互不互溶的多層結構，特別是相互不互溶的主動子層，以形成施體及受體具有濃淡分佈的主動層，即具有載子指向分佈結構的主動層，進而製作出具有載子指向分佈結構的有機太陽能電池及有機太陽能系統。
本發明實施例之另一優點在於利用不同主動子層之間施體及受體的比例調變，產生載子的位能梯度，在小幅順偏壓及光偏壓下，載子收集率有明顯提升，進而使有機太陽能電池(及有機太陽能系統)的效率提升，此外，在諸如並聯電阻、短路電流、填充因子及/或能量轉換效率等方面上皆有所改善。
由於有機太陽能電池有著質地輕、製作成本低廉及容易大面積化製造等多項優點，應用本發明對有機太陽能電池效率的改善可進一步提升其實用性，在能源問題日益嚴重的今日，重要性自然相當重要。此外，在技術發展密集的有機太陽能電池產業中，本發明能夠如此大幅提升有機太陽能電池的效率，自然非本領域中具有通常知識者可輕易完成，自然非顯而易見。再者，本發明之特徵及優點可從下述實施方式及相關圖式得到更完整的說明。
在本發明之實施例中，係將多層塗佈技術應用於有機太陽能電池的主動層(主要吸光層)中，以製造出電子施體(Electron Donor)與電子受體(Electron Acceptor)具有方向性分佈的有機太陽能電池(在後文中分別簡稱為施體及受體)，其可降低載子(包含電子及電洞)在傳輸到相對應電極(陰極及陽極)前被復合的機率。
圖一顯示根據本發明實施例之具有多層結構之有機太陽能電池示意圖。此有機太陽能電池100包含位於最下層位置之一基板(Substrate)102，其係同時作為有機太陽能電池100之陽極(Anode)；一電洞傳輸層(Hole Transporting Layer，HTL)104，其係形成於基板102之上，用以傳輸電洞；一主動層(Active Layer)106，其係形成於電洞傳輸層104之上，用以吸收光能(來自太陽或其他光源之光能)，故其亦可稱為吸光層；一陰極(Cathode)108，其係形成於該主動層106之上，用以提供電子流輸出至與其電性連接之應用裝置。將有機太陽能電池100之陰極108及基板(陽極，Cathode)102分別經由導線130及140連接於一應用裝置150之對應極，則可利用有機太陽能電池100吸收光能所產生之電能驅動此應用裝置150加以運作。其中有機太陽能電池100、導線130、導線140及應用裝置150整體則可視為一種具有有機太陽能電池之應用裝置或一種有機太陽能系統160。有機太陽能系統160可為利用有機太陽能電池100之交通運輸裝置、影音娛樂裝置、醫療裝置或其他裝置等，舉例而言，可包含但不限於汽車、機車、電腦、筆記型電腦、行動電話、個人數位助理或其他等各種固定式或移動式裝置。在本發明之不同實施例中，有機太陽能系統160中的有機太陽能電池100與應用裝置150係可為獨立之元件，即有機太陽能電池100可利用外接方式連接於應用裝置150；或者有機太陽能電池100係可為整合於應用裝置150之整合性元件，即有機太陽能電池100可內建於應用裝置150。
本發明實施例的特徵之一在於對於圖一中主動層106作了改善。主動層106在本發明實施例中係利用緩衝層技術加以實施，以製作多層塗佈，藉此提供一種施體及受體具有方向性分佈之多層結構。其方向性分佈大體而言可分為施體含量及受體含量兩種變化趨勢，其中施體含量由上至下係為漸增(或施體含量由下至上漸減)，且受體含量由下至上係為漸增(或受體含量由上至下漸減)。使位於主動層106之中的激子(Exciton)在受到光能激發進行拆解時，電子電洞對中的電子及電洞各自受到多層結構中施體及受體方向性分佈之驅動而各自流向對應之陰極108及陽極102。如此，可明顯降低施體及受體在拆解後重新復合之機率，因此能提昇有機太陽能電池100的載子(Carrier)萃取效率，換言之，即提升了有機太陽能電池100的吸光效率。在後述的實施例中，於偏壓下量測有機太陽能電池的外部量子效率，可證實上述多層結構對於有機太陽能電池多種效率方面的改善。
圖二顯示根據本發明實施例中具有多層結構之有機太陽能電池之進一步示意圖。為簡潔說明之目的，在此圖中，僅顯示有機太陽能電池200之內部結構，而不再顯示其他諸如導線或應用裝置等結構，其周邊相關配置可參考圖一，但並不限於圖一。在有機太陽能電池200中，包含與圖一相似之結構，即基板202、電洞傳輸層204、主動層206及陰極208，此外，在圖二中將主動層(Active Layer)206更區分為第一主動子層(Active Sub-layer)206a、第二主動子層206b及第三主動子層206c。在此三層中分別具有不同之施體及受體含量分佈，藉以得到施體及受體具有方向性分佈之多層結構。換言之，圖二將圖一中的主動層106更具體地藉由第一主動子層206a、第二主動子層206b及第三主動子層206c加以實施。然而，本發明並不限於此種實施方式，在後文中，本發明亦提供其他實施方式，且本發明可更廣泛地適用於其他實施方式。
在圖二中，第一主動子層206a係形成於電動傳輸層204之上、第二主動子層206b係形成於第一主動子層206a之上，且第三主動子層206c係形成於第二主動子層206b之上，因此第一主動子層206a係較靠近於基板202，而第三主動子層係較靠近於陰極208。其中，為得到較佳之效果(譬如較佳之載子萃取效率及吸光效率等)，第二主動子層206b可為施體及受體之比範圍為約「2：1」至「0.5：1」之間之材料層，相較之下，第一主動子層206a可為施體含量高於受體含量(Donor-Rich)之材料層，其電子施體成分對電子受體成分之比範圍為約「2.1：1」至「10：1」之間，且第三主動子層206c可為受體含量高於施體含量(Acceptor-Rich)之材料層，其電子施體成分對電子受體成分之比範圍為約「1：2.1」至「1：10」之間。
相較於圖二以施體及受體含量不同的三層結構的來實施有機太陽能電池的主動層，圖三則是顯示本發明實施例中有機太陽能電池另一種實施方式之示意圖，即利用施體及受體含量不同的兩層結構來實施有機太陽能電池的主動層。在圖三中，有機太陽能電池300包含與圖一相似之結構，即基板302、電洞傳輸層304、主動層306及陰極308，此外，在圖三中係將主動層306區分為第一主動子層306a及第二主動子層306b，在此二層中分別具有不同之施體及受體含量分佈，藉以得到施體及受體具有方向性分佈之雙層結構。換言之，圖三將圖一中的主動層106更具體地藉由第一主動子層306a及第二主動子層306b加以實施。其中第一主動子層306a係形成於電洞傳輸層304之上，且第二主動子層206b係形成於第一主動子層306a之上，因此第一主動子層306a係較靠近於基板302，而第二主動子層係較靠近於陰極308。其中，為得到較佳之效果，第二主動子層206b可為施體成分及受體成分之比範圍為約「2：1」至「0.5：1」之間之材料層，因此第二主動子層206b可為受體含量高於施體含量(Acceptor-Rich)之材料層。相較之下，第一主動子層206a可為施體含量高於受體含量(Donor-Rich)之材料層，且其施體成分及受體成分之比範圍為約「2.1：1」至「10：1」之間。
圖四顯示本發明提供之有機太陽能電池結構之另一實施例示意圖，其中有機太陽能電池400包含基板402、電洞傳輸層404、主動層406及陰極408等，其中主動層406又分為第一主動子層406a及第二主動子層406b。在此實施例中，基板402的材質可為金屬氧化物或含有參雜物之金屬氧化物，包含但不限於銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)、氧化錫或摻氟氧化錫等，較佳為銦錫氧化物；電洞傳輸層404的材質較佳為聚二氧乙基噻吩及聚對苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)，但亦可使用其他材料，譬如可用其他的摻雜導電高分子；第一主動子層406a及第二主動子層406b的材質各包含至少兩種成分，分別作為施體及受體，其中施體可為高分子，較佳為有機共軛高分子，譬如可選自下列構成之群組：聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并噻吩(PITN；polyisothianaphthene)、聚噻吩(PT；polythiophene)、聚吡咯(PPr；polypyrrol)、聚芴(PF；polyfluorene)、聚對苯烯(PPP；poly(p-phenylene))、聚苯基乙烯(PPV；poly(phenylene vinylene)之衍生物及聚3-己基塞吩(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl，P3HT)等，在較佳實施例中係使用P3HT；而受體可為譬如聚(氰基苯撐乙烯)(poly(cyanophenylenevinylene))、富勒烯如碳六十(C60)及其官能化衍生物(如1-(3-甲氧羰基)丙基-1-苯基[6,6]碳六十一(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61，PCBM))、有機分子、有機金屬、無機奈米粒子(如CdTe,CdSe,CdS,CuInS 2,CuInSe 2等)等，在較佳實施例中係使用PCBM。在較佳實施例中，藉由高分子P3HT混合小分子PCBM(小分子係意指非高分子)來做為異質界面，以改善吸光效率。此外，P3HT與PCBM的含量在此兩層中並不相同，在第一主動子層406a中P3HT與PCBM的含量比為約「3：1」，而在第二主動子層406b中P3HT與PCBM的含量比為約「1：1」。因此，在第一主動子層406a及第二主動子層406b之間係形成具有方向性的施體及受體分佈(從陽極到陰極為施體漸淡及受體漸濃的主動層設計)。此塊材式異質界面造成位能梯度，促進電子及電洞(即載子)分別流向對應之電極。再者，陰極408的材質可為不透光之金屬，包含但不限於譬如鋁、鈣鋁合金、鎂鋁合金、銅、金等。
在上述說明中提供了關於本發明實施例之有機太陽能電池的多種實施方式，譬如將主動層利用兩層主動子層加以實施或利用三層主動子層加以實施，事實上，利用相同的原理及相似的步驟可將主動層利用更多層主動子層來加以實施。在本發明之不同實施例中，可利用主動子層層數的改變，設計出施體及受體混合比例不同的多種變化趨勢，譬如位能梯度的變化程度，以針對不同的需求做出客製化設計。為了清楚說明之目的，本發明在下述說明中利用兩層主動子層的結構作進一步說明，並將其製作方法顯示於如圖五A至F所示。
為了製作出如圖四相似結構之有機太陽能電池，在本發明中係應用了緩衝層技術，其實施步驟如下說明，並配合圖五A至F所示。在圖五A中，首先準備一ITO玻璃基板502，先以有機溶劑清洗ITO玻璃基板502，再利用旋轉塗佈法將電洞傳輸層之材料(PEDOT：PSS)塗佈於ITO玻璃基板502之上，以形成一PEDOT混合PSS之薄膜，加熱至約攝氏兩百度，在氮氣環境下烘烤約五分鐘(此時間可視條件不同加以調整，一般約在五分鐘至三十分鐘之間)，以於ITO玻璃基板502上形成電洞傳輸層504。接著如圖五B所示，利用旋轉塗佈法將施體/受體(P3HT/PCBM)之比為約「3：1」混合之溶液塗佈於電洞傳輸層504上，在一些實施例中，施體濃度可為8.5毫克/毫升(mg/ml)，溶劑可為甲苯(Toluene)，加熱至約攝氏一百四十度，在氮氣環境下烘烤約十分鐘(此時間可視條件不同加以調整，一般約在五分鐘至三十分鐘之間)，以於電洞傳輸層504上形成第一主動子層506a。接著如圖五C所示，利用旋轉塗佈法將譬如丙二醇溶液塗佈於第一主動子層506a上，以形成緩衝層507。在塗佈緩衝層507後約一秒即接著利用旋轉塗佈法將第二主動子層506b(施體對受體比例為約1：1，施體濃度可為十七毫克/毫升，溶劑可為甲苯)塗佈於緩衝層507上(如圖五D所示)，接著在加熱至約攝氏一百四十度，在氮氣環境下烘烤約十分鐘(此時間可視條件不同加以調整，一般約在五分鐘至三十分鐘之間)。其中，緩衝層507之成分可於烘烤過程中大體上移除(如圖五E所示)。在本發明之較佳實施例中，第一主動子層506a及第二主動子層506b之厚度分別為約八十奈米及兩百二十奈米或約4：11，但並不限於此厚度或比例。接著如圖五F所示，可利用熱蒸鍍法以於第二主動子層506b之上鍍上陰極508，在較佳實施例中，陰極包含鈣層及銀層，且厚度分別為約五十奈米及八十奈米。接著，並進行進一步封裝(圖式未顯示)。需注意，雖然在本發明上述實施例中係利用相同的施體成分及受體成分調配不同比例實施於不同主動子層之間，但本發明並不限於此，利用不同的施體成分及受體成分，只要能夠在多層主動子層之間提供施體及受體含量的變化，亦可達到相同的目的，在實施例中僅係為了清楚說明之目的。且上述塗佈方式也並不限於旋轉塗佈，在本發明之不同實施例中，塗佈方式亦可包含但不限於鑄塗法(Cast Coating)、旋轉塗佈法(Spin Coating)、刮刀塗佈法(Doctor Blading)、網印法(Screen Printing)、噴墨列印法(Ink Jet Printing)、移印法(Pad Printing)、狹縫式塗佈法(Slot Die Coating)、凹印塗佈法(Gravure Coating)、刮刀邊緣塗佈法(Kinife-over-Edge Coating)、彎液面式塗佈法(Meniscus Coating)或以上之組合。圖十一顯示根據本發明實施例之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法流程示意圖。具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法1100包含：在步驟1110中，在至少一陽極層上形成至少一電洞傳輸層；在步驟1120中，在所述至少一電洞傳輸層上形成至少一主動層，所述至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層；在步驟1121中，在所述電洞傳輸層上塗佈包含電子施體成分及電子受體成分之溶液，以於其上形成一第一主動子層；在步驟1122中，在前一主動子層上塗佈包含緩衝劑之溶液，以於其上形成一非永久性緩衝層；在步驟1123中，在前一非永久性緩衝層上塗佈電子施體成分對電子受體成分之比低於前一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比之溶液，以於其上形成另一主動子層；在步驟1124中，依序反覆執行1122及1123之相似步驟以得到包含兩層或以上之所述複數層主動子層；及在步驟1130中，在所述至少一主動層上形成至少一陰極層。在較佳實施例中，具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法1100係於手套箱中進行，藉此可提供低水氧之環境條件，舉例而言，水含量約為「0至10PPM」之間，而氧含量約為「0至10PPM」之間。但上述視不同之選用材料及實驗條件可能有所不同。
上述說明中雖詳細描述了本發明較佳實施例之製作步驟及各項實驗條件，但其僅係為了例舉說明而並非用以限制本發明的保護範圍。本領域中具有通常知識者應可理解，上述實驗數據在不同的實驗環境條件下可能會有變更。
在太陽光模擬器「AM1.5G」的照射條件下，實施例提供了對本發明較佳實施例中具有雙層主動層結構的有機太陽能電池及僅具有單層主動層結構的有機太陽能電池之多項元件參數量測結果，表列如表一：
其中，Rs表示串聯電阻(Series Resistance)；Rsh表示並聯電阻(Shunt Resistance)；Voc表示開路電壓(Open Circuit Voltage)，其係為當所量測之有機太陽能電池元件之負載電阻RL為無限大時所量測之電壓；FF表示填充因子(Fill Factor)，其定義為當有機太陽能電池之最大功率為 P max = I max V max 表示時，填充因子為，因此填充因子越大表示入射光能量轉換成電能之效率越大；PCE表示能量轉換效率(Power Conversion Efficiency，η)，其定義為有機太陽能電池之最大輸出功率除以入射光功率之值；及Iph表示有機太陽能電池可產生之電流。由表一可看出雙層主動層結構之有機太陽能電池之Rs、Rsh、FF、PCE及Iph之數值皆優於單層主動層結構之有機太陽能電池。
此外，圖六及圖七分別顯示在「AM1.5G」的照射條件下及未照光條件下，本發明較佳實施例中具有雙層主動層結構的有機太陽能電池500及僅具有單層主動層結構的有機太陽能電池之電壓及電流密度關係圖。其中雙層主動結構之有機太陽能電池的曲線轉折幅度皆較單層主動層結構者大。且其中單層主動層結構之施體對受體(P3HT/PCBM)比例為約1：1，其施體濃度為約十七毫克/毫升，溶劑為甲苯，以相似的加熱條件(加熱至約攝氏一百四十度)下保持約二十分鐘再進行退火約十五分鐘。再利用熱蒸鍍方式鍍上分別約五十奈米及八十奈米之鈣層及銀層以作為陰極。其中，此單層主動層之厚度為約三百奈米，與雙層主動結構之有機太陽能電池500之主動層506約相同，以避免厚度造成影響。此外，各項實驗條件皆盡量維持相同，以使數據客觀。藉此，由圖六可看出雙層主動結構之有機太陽能電池有著較高之短路電流(Isc)及填充因子(FF)。因此，在開路電壓無改變的情況下，元件效率仍具有大幅提升。此外，由表一電路模型之參數可看出大幅提升之並聯電阻(Rsh)可為使元件效率提升之主要原因之一。再者，從圖六可看出雙層主動結構之有機太陽能電池之光電流(有照光情況下之電流)有約百分之十的提升，亦可為使元件效率提升之另一主要原因。另一方面，從無照光條件之圖七可看出，元件效率的提升並非靠著抑制與光電流反向的暗電流(無照光情況下之電流)所得到。相反地，雙層主動結構之有機太陽能電池之暗電流甚至較高。如此，可推知元件效率之提升可能在於照光下產生的載子在雙層主動結構之有機太陽能電池中具有較好的收集效率。然而，上述說明並非用以限制本發明，僅用以提供更詳細說明，以助於本領域中具有通常知識者對本發明之特徵及優點更加徹底理解。
再者，在圖八、圖九及圖十中則分別顯示本發明較佳實施例中具有雙層主動層結構的有機太陽能電池及僅具有單層主動層結構的有機太陽能電池在未偏壓、0.2伏偏壓及0.4伏偏壓下及有無施加光偏壓(Light Bias)下之波長及光電轉換效率(Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency，IPCE)關係圖(亦可稱為外部量子效率圖)。其中，圖八為具有雙層主動層結構及僅具有單層主動層結構之有機太陽能電池在無任何外加電偏壓下之結果(但分別有給予直流光偏壓)。從圖八可看出在無電偏壓之情況下，雙層主動層結構之有機太陽能電池幾乎不被外加的光偏壓所影響。相反地，單層主動層結構之有機太陽能電池卻對外加的光偏壓很敏感。由此，可推知雙層主動層結構之有機太陽能電池具有高好的載子收集效率。再者，在圖九及圖十中，雖然在外加電偏壓逐漸增大的情況下，雙層主動層結構之有機太陽能電池亦逐漸被外加的光偏壓所影響，但整體而言，在相同的電偏壓下，雙層主動層結構之有機太陽能電池受光偏壓影響的程度較小，換言之，雙層主動層結構之有機太陽能電池具有較高的載子收集效率。綜上所述，可證實雙層(多層)主動層結構具有較佳之光電轉換效率及載子收集效率等。本發明之優點之一在於可適用於不同數量之多層主動層結構之有機太陽能電池，且可適用於不同主動子層之間不同的厚度及比例，亦可適用於不同的溶劑及主動層/主動子層材料。在技術密集的有機太陽能光電產業中，如此明顯的進展係並非本領域中具有通常知識者可輕易完成。
經由上述對於本發明實施例之詳細說明及配合之相關圖式，本領域中具有通常知識者應可完全理解本發明之精神及特徵。但上述揭露之實施例詳細細節僅用以說明，本領域中具有通常知識者可根據本發明之教示及建議而有動機根據本發明之實施例進行進一步之修改，而更加適用於不同之需求，但在未背離本發明之精神之下，其亦應視為本發明之範圍。此外，本發明之保護範圍應由下述申請專利範圍及均等物加以定義。
100．．．有機太陽能電池
102．．．基板
104．．．電洞傳輸層
106．．．主動層
108．．．陰極
130．．．導線
140．．．導線
150．．．應用裝置
160．．．有機太陽能系統
200．．．有機太陽能電池
202．．．基板
204．．．電洞傳輸層
206．．．主動層
206a．．．第一主動子層
206b．．．第二主動子層
206c．．．第三主動子層
208．．．陰極
300．．．有機太陽能電池
302．．．基板
304．．．電洞傳輸層
306．．．主動層
306a．．．第一主動子層
306b．．．第二主動子層
308．．．陰極
400．．．有機太陽能電池
402．．．基板
404．．．電洞傳輸層
406．．．主動層
406a．．．第一主動子層
406b．．．第二主動子層
408．．．陰極
500．．．有機太陽能電池
502．．．ITO玻璃基板
504．．．電洞傳輸層
506．．．主動層
506a．．．第一主動子層
506b．．．第二主動子層
507．．．緩衝層
508．．．陰極
1100．．．具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法
1110、1120、1121、1122、1123、1124、1130．．．步驟
圖一顯示根據本發明實施例之有機太陽能系統示意圖。
圖二顯示根據本發明實施例之有機太陽能結構示意圖。
圖三顯示根據本發明實施例之有機太陽能結構示意圖。
圖四顯示根據本發明實施例之有機太陽能結構示意圖。
圖五A至F顯示根據本發明實施例之有機太陽能電池製造方法示意圖。
圖六顯示根據本發明實施例之電壓及電流密度關係圖。
圖七顯示根據本發明實施例之電壓及電流密度關係圖。
圖八顯示根據本發明實施例之波長及光電轉換效率關係圖。
圖九顯示根據本發明實施例之波長及光電轉換效率關係圖。
圖十顯示根據本發明實施例之波長及光電轉換效率關係圖。
圖十一顯示根據本發明實施例之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法流程示意圖。
100．．．有機太陽能電池
102．．．基板
104．．．電洞傳輸層
106．．．主動層
108．．．陰極
130．．．導線
140．．．導線
150．．．應用裝置
160．．．有機太陽能系統
Claims (36)
- 一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，包含：在至少一陽極層上形成至少一電洞傳輸層；在該至少一電洞傳輸層上形成至少一主動層(Active Layer)，該至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，其中形成該複數個主動子層之步驟包含：在該電洞傳輸層上塗佈包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分之溶液，以於其上形成一第一主動子層；在前一主動子層上塗佈包含緩衝劑之溶液，以於其上形成一非永久性緩衝層；在前一非永久性緩衝層上塗佈電子施體成分對電子受體成分之比低於前一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比之溶液，以於其上形成另一主動子層；依序反覆執行(b)及(c)之相似步驟以得到包含兩層或以上之該複數層主動子層；及在該至少一主動層上形成至少一陰極層。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該複數層主動子層係由該第一主動子層及一第二主動子層所組成。
- 如請求項2所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間，且該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該複數層主動子層係由該第一主動子層、一第二主動子層及一第三主動子層所組成。
- 如請求項4所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間；該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間；及該第三主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約1：2.1至1：10之間。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該緩衝劑係不會溶解該複數層主動子層任一層之材料。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該緩衝劑係不會溶解有機分子的醇系或烷系溶液。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該緩衝劑包含甲醇、乙醇、丙二醇、甘油或以上之組合。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該電子施體成分包含高分子。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該電子施體成分包含有機共軛高分子。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該電子施體成分係選自下列構成之群組：聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并噻吩(PITN；polyisothianaphthene)、聚噻吩(PT；polythiophene)、聚吡咯(PPr；polypyrrol)、聚芴(PF；polyfluorene)、聚對苯烯(PPP；poly(p-phenylene))、聚苯基乙烯(PPV；poly(phenylene vinylene)之衍生物及聚3-己基塞吩(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl，P3HT)。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該電子受體成分包含碳六十(C60)之衍生物。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中該電子受體成分包含1-(3-甲氧羰基)丙基-1-苯基[6,6]碳六十一(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61，PCBM)。
- 如請求項1所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池製造方法，其中形成該複數個主動子層之步驟係利用鑄塗法(Cast Coating)、旋轉塗佈法(Spin Coating)、刮刀塗佈法(Doctor Blading)、網印法(Screen Printing)、噴墨列印法(Ink Jet Printing)、移印法(Pad Printing)、狹縫式塗佈法(Slot Die Coating)、凹印塗佈法(Gravure Coating)、刮刀邊緣塗佈法(Kinife-over-Edge Coating)、彎液面式塗佈法(Meniscus Coating)或以上之組合。
- 一種具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，包含：至少一陽極層；至少一電洞傳輸層，其形成於該至少一陽極層上，以促進電洞傳輸；至少一主動層(Active Layer)，其形成於該至少一電洞傳輸層上，該至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，該複數層主動子層各包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分，且該複數層主動子層中距離較該至少一陽極層遠者，其電子施體成分對電子受體成分之比係低於距離較該至少一陽極層近者，以提供載子指向性分佈功能；及至少一陰極層，其形成於該至少一主動層上。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該複數個主動子層係由下列步驟所形成：在該電洞傳輸層上塗佈包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分之溶液，以於其上形成一第一主動子層；在前一主動子層上塗佈包含緩衝劑之溶液，以於其上形成一非永久性緩衝層；在前一非永久性緩衝層上塗佈電子施體成分對電子受體成分之比低於前一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比之溶液，以於其上形成另一主動子層；及依序反覆執行(b)及(c)之相似步驟以得到包含兩層或以上之該複數層主動子層。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該複數層主動子層係由一第一主動子層及一第二主動子層所組成。
- 如請求項17所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間，且該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該複數層主動子層係由一第一主動子層、一第二主動子層及一第三主動子層所組成。
- 如請求項19所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間；該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間；及該第三主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約1：2.1至1：10之間。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該電子施體成分包含高分子。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該電子施體成分包含有機共軛高分子。
- 如請求項15所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能電池，其中該電子施體成分係選自下列構成之群組：聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并噻吩(PITN；polyisothianaphthene)、聚噻吩(PT；polythiophene)、聚吡咯(PPr；polypyrrol)、聚芴(PF；polyfluorene)、聚對苯烯(PPP；poly(p-phenylene))、聚苯基乙烯(PPV；poly(phenylene vinylene)之衍生物及聚3-己基塞吩(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl，P3HT)。
- 如請求項15所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能電池，其中該電子受體成分包含碳六十(C60)之衍生物。
- 如請求項15所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池，其中該電子受體成分包含1-(3-甲氧羰基)丙基-1-苯基[6,6]碳六十一(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61，PCBM)。
- 一種具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，包含：至少一應用裝置；及至少一有機太陽能電池，其電性連接於該至少一應用裝置，以提供電能予該至少一應用裝置；其中該至少一有機太陽能電池包含：至少一陽極層；至少一電洞傳輸層，其形成於該至少一陽極層上，以促進電洞傳輸；至少一主動層(Active Layer)，其形成於該至少一電洞傳輸層上，該至少一主動層包含兩層或以上之複數層主動子層(Active Sub-layer)，該複數層主動子層各包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分，且該複數層主動子層中距離較該至少一陽極層遠者，其電子施體成分對電子受體成分之比係低於距離較該至少一陽極層近者，以提供載子指向性分佈功能；及至少一陰極層，其形成於該至少一主動層上。
- 如請求項26所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其中該複數個主動子層係由下列步驟所形成：在該電洞傳輸層上塗佈包含電子施體(Electron Donor)成分及電子受體(Electron Acceptor)成分之溶液，以於其上形成一第一主動子層；在前一主動子層上塗佈包含緩衝劑之溶液，以於其上形成一非永久性緩衝層；在前一非永久性緩衝層上塗佈電子施體成分對電子受體成分之比低於前一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比之溶液，以於其上形成另一主動子層；及依序反覆執行(b)及(c)之相似步驟以得到包含兩層或以上之該複數層主動子層
- 如請求項26所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其中該複數層主動子層係由一第一主動子層及一第二主動子層所組成。
- 如請求項28所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間，且該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間。
- 如請求項26所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其中該複數層主動子層係由一第一主動子層、一第二主動子層及一第三主動子層所組成。
- 如請求項30所述之具有載子指向性分佈結構之有機太陽能系統，其中該第一主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2.1：1至10：1之間；該第二主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約2：1至0.5：1之間；及該第三主動子層之電子施體成分對電子受體成分之比為約1：2.1至1：10之間。
- 如請求項26所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，其中該電子施體成分包含高分子。
- 如請求項26所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，其中該電子施體成分包含有機共軛高分子。
- 如請求項26所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，其中該電子施體成分係選自下列構成之群組：聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并噻吩(PITN；polyisothianaphthene)、聚噻吩(PT；polythiophene)、聚吡咯(PPr；polypyrrol)、聚芴(PF；polyfluorene)、聚對苯烯(PPP；poly(p-phenylene))、聚苯基乙烯(PPV；poly(phenylene vinylene)之衍生物及聚3-己基塞吩(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl，P3HT)。
- 如請求項26所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，其中該電子受體成分包含碳六十(C60)之衍生物。
- 如請求項26所述之具有載子指向分佈結構之有機太陽能系統，其中該電子受體成分包含1-(3-甲氧羰基)丙基-1-苯基[6,6]碳六十一(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61，PCBM)。
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