CN101101968A - 光电元件的结构及其制造方法 - Google Patents

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林唯芳
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Abstract

一种光电元件的结构及其制造方法，首先提供第一电极，接着在第一电极上形成电洞传输层，然后在电洞传输层上形成光电材料层，之后在光电材料层上形成电子传输层，以及在电子传输层上形成第二电极；本发明的光电材料层可选择为光活性材料层或发光材料层以制造光电伏元件或发光二极体元件，具有相当的应用性，而电子传输层为奈米级材料层，可提高电子的传输效率以及光电元件的效率。

Description

光电元件的结构及其制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种光电元件，特别是有关于一种使用奈米粒子作为电子传输层的光电元件结构及其制造方法。
背景技术：
光电元件为国内十年来的明星产业，半导体、发光二极体(LED)的产值高居世界前端，更高效率的太阳能电池正在积极发展中，且奈米科技为本世纪的重点科技，更为国家科技发展的重点。
一般而言，发光二极体包括一对电极，以及在电极间的发光介电层，当施加电场于二电极时，阴极提供电子经由电子传导物质传导至发光介电层，而阳极提供电洞经由电洞传导物质传导至发光介电层，电子与电洞在发光介电层结合时会产生激子(exciton)并伴随着发光。
在高分子太阳能电池方面，当照射光时，由导电性高分子组成的光活性层吸收光能形成激子，激子于界面处分离产生电子、电洞分离，然后电子与电洞分别经由电子传导物质与电洞传导物质的传导至不同的电极板进而产生电流通路。
为满足上述所提出的对光电元件应用的需求以及发光二极体及高分子太阳能电池对电子传导物质的需求。本发明人基于多年从事研究与诸多实务经验，经多方研究设计与专题探讨，遂于本发明提出一种光电元件的结构及其制造方法以作为前述期望一实现方式与依据。
发明内容：
有鉴于上述课题，本发明的主要目的为提供一种光电元件的结构，可依照激子产生或分离的需要选择光活性材料层或发光材料层以制造光电伏元件或发光二极体元件，具有相当的应用性。
此外，本发明的另一目的为提供一种光电元件的结构的制造方法，无须使用传统制造的化学沉积方法，改进需受限于仪器设备的缺点，本发明更应用奈米粒子作为电子传输层，以提高光电元件的效能。
缘是，为达上述目的，本发明的光电元件的结构，包括：第一电极、第二电极、电洞传输层、电子传输层及光电材料层。其中电洞传输层，配置于第一电极及第二电极之间；电子传输层为奈米级材料层，配置于电洞传输层及第二电极之间；光电材料层，配置于该电洞传输层及电子传输层之间。
本发明的光电元件的结构的制造方法，包括：提供第一电极，接着在第一电极上形成电洞传输层，然后在电洞传输层上形成光电材料层，之后在光电材料层上形成电子传输层，以及在电子传输层上形成第二电极，其中电子传输层为为奈米级材料层。
本发明的有益效果是：因依本发明的光电材料层可选择为光活性材料层或发光材料层以制造光电伏元件或发光二极体元件，具有相当的应用性。
另外，本发明的电子传输层为奈米级材料层，可提高电子的传输效率以及光电元件的效率。
附图说明：
图1是本发明的光电元件的结构示意图；
图2是本发明的光电元件的结构应用作为光电伏元件的较佳实施例的示意图；
图3是本发明的光电元件的结构的制造方法流程图；
图4是本发明的光电元件应用作为光电伏元件的较佳实施例的制造方法流程图。
图号说明：
1：光电元件；           10：第一电极；
11：电洞传输层；        12：光电材料层；
13：电子传输层；        14：第二电极；
2：光电伏元件；         20：氧化铟锡(ITO)玻璃基板；
21：PEDOT：PSS层；      22：光活性材料层；
23：棒状TiO2奈米粒子层；24：铝电极层；
步骤31：提供第一电极；  步骤32：形成电洞传输层；
步骤33：形成光电材料层；    步骤34：形成电子传输层；
步骤35：形成第二电极；
步骤41：提供一氧化铟锡(ITO)玻璃基板；
步骤42：形成电洞收集层；    步骤43：形成光活性材料层；
步骤44：形成电子收集层；    步骤45：形成铝电极层。
具体实施方式：
为使审查员对本发明的技术特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，下文谨提供较佳的实施例及相关图式以为辅佐之用，并以详细的说明文字配合说明如后。
以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的光电元件的结构及其制造方法，说明中提及的符号是参照图式符号，为使便于理解，相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
请参阅图1，其是本发明的光电元件的结构示意图。如图1所示，光电元件1包含第一电极10、电洞传输层11、光电材料层12、电子传输层13及第二电极14。其中，电洞传输层11配置于第一电极10及第二电极14之间；电子传输层13为奈米级材料层，配置于电洞传输层11及第二电极14之间；光电材料层12，配置于电洞传输层11及电子传输层13之间。
上述的奈米级材料层，例如为奈米粒子、量子点、奈米管、奈米线、奈米棒、超晶格、奈米薄膜或量子阱的组成，其材质例如为二氧化钛奈米级材料。
上述的光电材料层为光活性材料层时，例如为奈米级材料与poly〔2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexthyl)-1，4-phenylenevinylene〕(MEH-PPV)的混合物时，光电元件成为光电伏元件。而当光电材料层为发光材料层时，例如为共轭高分子有机发光层时，光电元件则成为发光二极体元件。
上述的第一电极或第二电极至少有一个为透明导电基材，另一则可例如为金属基材。
请参阅图2，其是本发明的光电元件的结构应用作为光电伏元件的较佳实施例的示意图。如图2所示，光电伏元件2包含一氧化铟锡(ITO)玻璃基板20、一铝电极层24、一poly(3，4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfona层(PEDOT：PSS层)21、一光活性材料层22及一棒状二氧化钛(TiO2)奈米粒子层23。其中，PEDOT：PSS层21是配置于铝电极层24及氧化铟锡(ITO)玻璃基板20之间。光活性材料层22由poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexyloxy)-1，4-phenylenevinylene](MEH-PPV)与多个棒状TiO2奈米粒子混合而成，且配置于PEDOT：PSS层21及棒状TiO2奈米粒子层23之间。棒状TiO2奈米粒子层23是配置于铝电极层24及光活性材料层22之间。在本实施例中，藉由棒状TiO2奈米粒子提供较大的激化(excitiondissociation)反应面积，以提高光电伏元件的效能。其次，棒状TiO2奈米粒子层23渗入到由多个棒状TiO2奈米粒子混合在MEH-PPV中形成的光活性材料层22而形成导体桥，促进光活性材料层22与棒状TiO2奈米粒子层23间的电性连接。再者，棒状TiO2奈米粒子层23由于其能量较低的价带具有电洞阻隔功能，因此棒状TiO2奈米粒子层23在光电伏元件中提供电子收集层的优势。
请参阅图3，其是本发明的光电元件的结构的制造方法流程图。如图3所示，本发明的制造方法包含下列步骤：首先提供第一电极(步骤31)，接着在第一电极上形成电洞传输层(步骤32)，然后在电洞传输层上形成光电材料层(步骤33)，之后在光电材料层上形成电子传输层(步骤34)，以及在电子传输层上形成第二电极(步骤35)。
上述的形成电洞传输层、光电材料层或电子传输层的方法例如为旋转涂布法(spinning coating)。
上述的电子传输层为奈米级材料层，例如为奈米粒子、量子点、奈米管、奈米线、奈米棒、超晶格、奈米薄膜或量子阱组成，其材质例如为二氧化钛奈米级材料。
上述的光电材料层为光活性材料层时，例如为奈米级材料与poly〔2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexthyl)-1，4-phenylenevinylene〕(MEH-PPV)的混合物时，光电元件成为光电伏元件。而当光电材料层为发光材料层时，例如为共轭高分子有机发光层时，光电元件则成为发光二极体元件。
上述的第一电极或第二电极至少一个为透明导电基材，另一则可例如为金属基材。
请参阅图4，其是本发明的光电元件应用作为光电伏元件的较佳实施例的制造方法流程图。如图4所示，此制造方法包含下列步骤：提供一氧化铟锡(ITO)玻璃基板(步骤41)；旋转涂布(spin-coating)一PEDOT：PSS层于氧化铟锡(ITO)玻璃基板上，形成一厚度约为50nm-70nm的电洞收集层(步骤42)；混合MEH-PPV与多个棒状TiO2奈米粒子，并将混合物旋转涂布于电洞收集层上，以形成厚度约为150nm-250nm的光活性材料层(步骤43)；旋转涂布多个棒状TiO2奈米粒子于光活性材料层上，以形成厚度约为60nm-80nm的电子收集层(步骤44)；蒸镀(evaporation)形成一铝电极层于电子收集层上(步骤45)。
本发明所提出的光电元件的结构及其制造方法，可依照制造光电伏元件或发光二极体元件时，对产生激子伴随发光或分离激子产生电子与电洞的需要，本发明的光电材料层可选择为光活性材料层或发光材料层以制造光电伏元件或发光二极体元件，具有相当的应用性。
本发明的光电元件的结构及其制造方法，电子传输层为奈米级材料层，可提高电子的传输效率以及光电元件的效率。尤其将本发明的光电元件的结构应用作为光电伏元件时，以棒状TiO2奈米粒子层作为电子传输层，棒状TiO2奈米粒子可作为接受、传导及收集电子的物质，可提高光电流、增加功率转换效率及量子效率。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求范围中。

Claims (19)

1、一种光电元件的结构，其特征在于，至少包含：
一第一电极；
一第二电极；
一电洞传输层，配置于该第一电极及该第二电极之间；
一电子传输层，配置于该电洞传输层及该第二电极之间，其中该电子传输层为一奈米级材料层；
一光电材料层，配置于该电洞提供层及该电子提供层之间。
2、如权利要求1所述的光电元件的结构，其特征在于，当该光电材料层为一光活性材料层时，该光电元件为一光电伏元件。
3、如权利要求2所述的光电元件的结构，其特征在于，该光活性材料层为奈米级材料与poly〔2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexthyl)-1，4-phenylenevinylene〕(MEH-PPV)的混合物。
4、如权利要求1所述的光电元件的结构，其特征在于，当该光电材料层为一发光材料层时，该光电元件为一发光二极体元件。
5、如权利要求4所述的光电元件的结构，其特征在于，该发光材料层为共轭高分子有机发光层。
6、如权利要求1所述的光电元件的结构，其特征在于，该第一电极或该第二电极为一透明导电基材。
7、如权利要求1所述的光电元件的结构，其特征在于，该第一电极或该第二电极为一金属基材。
8、如权利要求1所述的的光电元件的结构，其特征在于，该奈米级材料层为奈米粒子、量子点、奈米管、奈米线、奈米棒、超晶格、奈米薄膜或量子阱所组成。
9、如权利要求1所述的光电元件的结构，其特征在于，该奈米级材料层为二氧化钛奈米级材料层。
10、一种光电元件的结构的制造方法，其特征在于，至少包含下列步骤：
提供一第一电极；
在该第一电极上形成一电洞传输层；
在该电洞传输层上形成一光电材料层；
在该光电材料层上形成一电子传输层，其中该电子传输层为一奈米级材料层；
在该电子传输层上形成一第二电极。
11、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，形成该电洞传输层、该光电材料层或该电子传输层的方法是旋转涂布法(spinning coating)。
12、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，当该光电材料层为一光活性材料层时，该光电元件为一光电伏元件。
13、如权利要求12所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该光活性材料层为奈米级材料与poly〔2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexthyl)-1，4-phenylenevinylene〕(MEH-PPV)的混合物。
14、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，当该光电材料层为一发光材料层时，该光电元件为一发光二极体元件。
15、如权利要求14所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该发光材料层为共轭高分子有机发光层。
16、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该第一电极或该第二电极为一透明导电基材。
17、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该第一电极或该第二电极为一金属基材。
18、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该奈米级材料层为奈米粒子、量子点、奈米管、奈米线、奈米棒、超晶格、奈米薄膜或量子阱所组成。
19、如权利要求10所述的光电元件的结构的制造方法，其特征在于，该奈米级材料层为二氧化钛奈米级材料层。
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