CN102569663A - 堆叠电极以及光电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆叠电极以及光电元件。所述堆叠电极包括：一光匹配层、一透明导电层以及一金属层。光匹配层的多折射率为N1，且N1＝n1-ik1，其中n1为光匹配层的折射率，k1为光匹配层的消光系数。透明导电层的多折射率为N2，且N2＝n2-ik2，其中n2为透明导电层的折射率，k2为透明导电层的消光系数，而n1＞n2，且k1＜k2。金属层配置于光匹配层与透明导电层之间。此外，本发明还提供一种具有所述堆叠电极的光电元件。
Description
技术领域
本发明是有关于一种光电元件(photo-electric device)，且特别是有关于一种光电元件中的堆叠电极(stacked electrode)。
背景技术
由于有机太阳能电池(organic solar cells)具有结构简单、工艺简易以及可利用卷对卷(roll-to-roll)镀膜方法量产以降低生产成本等优点，近几年来已成为学术界及光电业界所积极发展的廉价次世代光电伏电池(photovoltaic cells)。高穿透率(high transmittance)低电阻率(lowresistivity)的透明导电电极是影响光电伏电池效能的关键因素之一。
对于提升光电伏电池的光电能转换效率而言，透明导电电极必须能够让射向电池的光线能尽量进入到电池(cell)中的聚合物主动层(polymer activelayer)。因为太阳能电池的光电能转换效率是与进入到聚合物主动层且被吸收的光线量成正比，而被电极反射或吸收的光对于光电能转换效率则完全没有帮助。此外，透明导电电极需将光电能转换后的电子导出或导入该太阳能电池，透明导电电极的电阻值将严重影响太阳能电池的输出功率。因此，透明导电电极的质量将严重影响太阳能电池的光电能转换效率。
一般而言，位于太阳能电池的入光侧的透明导电电极通常需具备高穿透率以及低电阻率两项特性，但是，这两项特性常常是不能兼顾。举例而言，以厚度大于50纳米的一般金属当电极，虽然可以获得很好的导电性，但是穿透率极低。然而，若将这类金属厚度降至数纳米至数十纳米，虽然可以稍微提升穿透率，但由于金属本身会反射光线，因此穿透率的提升十分有限。此外，若以透明导电氧化物薄膜当电极时，虽然(相较于金属薄膜电极)穿透率可获显著的提升，但是要得到足够低的电阻率则需要较大厚度或者需经过复杂的制造程序，例如后续的退火处理(annealing treatment)。由于退火处理的工艺温度较高，故退火处理不适于塑料基材(plastic substrate)上电极的制作。
除了太阳能电池方面的应用外，透明导电电极亦可应用在有机电激发光元件(如显示器、照明装置等)中。同样地，透明导电电极会影响有机电激发光元件的发光效率，因此有机电激发光元件中透明导电电极也必须具备高穿透率以及低电阻率两项特性。
近十几年，为了获得高穿透率与低电阻率的透明导电电极，利用光学薄膜干涉原理(optical interference theorem)的氧化物-金属-氧化物(oxide-metal-oxide)堆叠电极一直被持续地研究着。一般常见的氧化物-金属-氧化物堆叠电极可采用对称结构以及非对称结构，上、下两层氧化物使用一般透明导电氧化物与非导电电介质膜，但现有研究中并未针对上、下两层氧化物的光学特性(即折射率与光吸收性)的匹配提出完整的讨论。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆叠电极以及具有该堆叠电极的光电元件。
为实现本发明的目的而提供一种堆叠电极，其包括一光匹配层、一透明导电层以及一金属层。光匹配层的多折射率为N1，且N1＝n1-ik1，其中n1为光匹配层的折射率，k1为光匹配层的消光系数。透明导电层的多折射率为N2，且N2＝n2-ik2，其中n2为透明导电层的折射率，k2为透明导电层的消光系数，而n1＞n2，且k1＜k2。金属层配置于光匹配层与透明导电层之间。
该光匹配层的材质包括二氧化钛、五氧化二钛、二氧化锆、五氧化二铌、氧化钨、四氮化三硅、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
该光匹配层的厚度介于25纳米至55纳米之间。
该透明导电层的材质包括掺杂锡的化合物、掺杂锌的化合物或或掺杂铟的化合物。
该透明导电层的材质包括铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
该透明导电层的厚度介于30纳米至55纳米之间。
该金属层的材质包括铝、铜、银、铂、金、铱或钯。
该金属层的厚度介于6纳米至16纳米之间。
n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的折射率。
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n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该光匹配层的平均折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该透明导电层的平均折射率。
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k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的消光系数。
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k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该光匹配层的平均消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该透明导电层的平均消光系数。
k1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该光匹配层的平均消光系数，而k2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该透明导电层的平均消光系数。
为实现本发明的目的还提供一种光电元件，其包括前述的堆叠电极、一主动层以及一对向电极(opposite electrode)，其中主动层配置于堆叠电极与对向电极之间。
该主动层包括一有机电激发光层或一太阳能电池的光电转换层。
该对向电极的材质包括钾、锂、钠、镁、镧、铈、钙、锶、钡、铝、银、铟、锡、锌、锆、银-镁合金、铝-锂合金、铟-镁合金、铝-钙合金、银/镁迭层、铝/锂迭层、铟/镁迭层、铝/钙迭层、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
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是本发明一实施例的光电元件的剖面示意图；
图2是不同堆叠电极的穿透率-波长曲线图。
其中，附图标记
1：光电元件
10：基板
20：堆叠电极
22：光匹配层
24：金属层
26：透明导电层
30：主动层
40：对向电极
50、60、70、80：曲线
具体实施方式
图1是本发明一实施例的光电元件的剖面示意图。请参照图1，本实施例的光电元件1适于制作在一基板10上。在本实施例中，基板10例如为一般的玻璃基板或青板玻璃基板(soda-lime-silica float glass substrate)，前述的玻璃基板在400纳米至800纳米的波长范围内的色散范围例如是介于1.50至1.535之间。在其它可行的实施例中，基板10亦可以是塑料基板，如PET基板、PC基板、PEN基板、PES基板、COC基板、PI基板等。前述的塑料基板在400纳米至纳米至800纳米的波长范围内的光折射率色散范围例如是介于1.43至1.67之间。
本实施例的光电元件1包括一堆叠电极20、一主动层30以及一对向电极40，其中主动层30配置于堆叠电极20与对向电极40之间。举例而言，光电元件1为一有机电激发光元件或一太阳能电池；换言之，主动层30例如为一有机电激发光层或一太阳能电池的光电转换层。值得注意的是，主动层30可为单层结构或者是多层结构。此外，对向电极40的材质例如钾(K)、锂(Li)、钠(Na)、镁(Mg)、镧(La)、铈(Ce)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、铝(Al)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、锆(Zr)、银-镁合金(Ag-Mg alloy)、铝-锂合金(Al-Lialloy)、铟-镁合金(In-Mg alloy)、铝-钙合金(Al-Ca alloy)、银/镁迭层(Ag/Mgstacked layer)、铝/锂迭层(Al/Li stacked layer)、铟/镁迭层(In/Mg stackedlayer)、铝/钙迭层(Al/Ca stacked layer)等金属材料。当然，对向电极40的材质亦可以是铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铟铈氧化物(ICO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AZO)、铟锌锡氧化物(IZTO)、氧化锌镓(GZO)、氧化锡(SnO)等透明材料。
在本实施例中，堆叠电极20包括一光匹配层22、一透明导电层26以及一金属层24。光匹配层22的多折射率为N1，且N1＝n1-ik1，其中n1为光匹配层22的折射率，k1为光匹配层22的消光系数。透明导电层26的多折射率为N2，且N2＝n2-ik2，其中n2为透明导电层26的折射率，k2为透明导电层26的消光系数，而n1＞n2，且k1＜k2。一般而言，堆叠电极20的穿透率是由基材与堆叠于基材上的各层材料的多折射率与各膜层厚度所决定，将各层薄膜的多折射率与厚度作一适当匹配才能得到高穿透率。举例而言，光匹配层22与透明导电层26的穿透率是由光匹配层22的多折射率N1与透明导电层26的多折射率N2所决定，而光线在光匹配层22、透明导电层26中传递时所被吸收的程度则是由消光系数k1、k2决定。另一方面，堆叠电极20的整体导电性则由各膜层的导电性所决定并且由金属层24所主导，但是一般在选定光匹配层22与透明导电层26之后，增加金属层24的厚度虽然可以增加导电度(降低整个堆叠电极20的电阻值)但却会降低堆叠电极20的穿透率。所以总括而言，为使堆叠电极20在波长介于400纳米至800纳米之间同时得到高穿透低阻值的特性，必须对光匹配层22、金属层24与透明导电层26的光学特性与厚度做一规范。本实施例令n1＞n2以及k1＜k2，以使堆叠电极20对于从光匹配层22侧入射的光线能有十分良好的穿透率。此外，金属层24配置于光匹配层22与透明导电层26之间。本实施例的金属层24的材质例如为铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、铱(Ir)、钯(Pd)或前述金属的合金。举例而言，金属层24的厚度介于6纳米至16纳米之间。
在本实施例中，光匹配层22的材质例如为二氧化钛(TiO2)、五氧化二钛(Ti2O5)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钨(WOx)、四氮化三硅(Si3N4)、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铟铈氧化物(ICO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AZO)、铟锌锡氧化物(IZTO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锡(SnO)。举例而言，光匹配层22的厚度介于25纳米至55纳米之间。此外，透明导电层26的材质例如为掺杂锡的化合物、掺杂锌的化合物或或掺杂铟的化合物。详言之，透明导电层26的材质例如为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铟铈氧化物(ICO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AZO)、铟锌锡氧化物(IZTO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锡(SnO)。举例而言，透明导电层26的厚度介于30纳米至55纳米之间。
由于一般材料都有光色散(optical dispersion)特性，换言之，每种材料层的折射率并不是一个常数，而是会随着对应的波长而有所不同。本实施例的光匹配层22与透明导电层26皆为氧化物，且氧化物具有高的光色散现象。此外，材料层的消光系数也会随着对应的波长而有所不同，举例而言，铟锡氧化物(ITO)薄膜的消光系数(k值)会随着所对应的波长改变而有所不同，详言之，铟锡氧化物薄膜对于波长接近400纳米的光线的消光系数会比对于波长接近800纳米的光线的消光系数大1至2个等级(order)。因此，本发明针对光匹配层22与透明导电层26的折射率n1、n2作出如下的规范：
(a)n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的光匹配层22的折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的透明导电层26的折射率，而n1＞n2；或者
(b)n1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的光匹配层22的折射率，而n2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的透明导电层26的折射率，而n1＞n2；或者
(c)n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，光匹配层的平均折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，透明导电层的平均折射率，而n1＞n2；或者
(d)n1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，光匹配层的平均折射率，而n2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，透明导电层的平均折射率，而n1＞n2。
此外，本发明亦针对光匹配层22与透明导电层26的消光系数k1、k2作出如下的规范：
(a)k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的光匹配层22的消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的透明导电层26的消光系数，且k1＜k2；或者
(b)k1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的光匹配层22的消光系数，而k2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的透明导电层26的消光系数，且k1＜k2；或者
(c)k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，光匹配层22的平均消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，透明导电层26的平均消光系数，且k1＜k2；或者
(d)k1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，光匹配层22的平均消光系数，而k2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，透明导电层26的平均消光系数，且k1＜k2。
承上述，本实施例所提供的堆叠电极20采用不对称的薄膜设计，即，令光匹配层22的折射率(平均折射率)及消光系数(平均消光系数)不同于透明导电层26的折射率(平均折射率)及消光系数(平均消光系数)，以使堆叠电极20能有较佳的穿透率。
【实验例】
图2是不同堆叠电极的穿透率-波长曲线图。请参照图2，曲线50代表透明玻璃BK7基材的穿透率-波长曲线，曲线60代表透明玻璃BK7基材/铟锡氧化物(ITO)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)的穿透率-波长曲线，曲线70代表透明玻璃BK7基材/二氧化钛(TiO2)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)的穿透率-波长曲线，而曲线80则代表透明玻璃BK7基材/五氧化二铌(Nb2O5)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)的穿透率-波长曲线。
曲线50、60、70、80的模拟条件为：入射光垂直入射至堆叠电极；透明玻璃BK7基材的厚度为0.5毫米，折射率与消光系数如表1-1所示(其可代表一般白板玻璃，接近某些光学级塑料基材的光学特性，如光学级PET)；铟锡氧化物(ITO)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极中银薄膜的厚度为12纳米，上、下两层铟锡氧化物薄膜的厚度均为37纳米，铟锡氧化物薄膜的折射率与消光系数如表1-2所示；二氧化钛(TiO2)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极中的二氧化钛薄膜的厚度为34纳米，二氧化钛薄膜的折射率与消光系数如表1-3所示；五氧化二铌(Nb2O5)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极中五氧化二铌薄膜的厚度为33.41纳米，五氧化二铌薄膜的折射率与消光系数如表1-4所示。二氧化钛(TiO2)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极与五氧化二铌(Nb2O5)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极二者中的银薄膜与铟锡氧化物薄膜的条件与铟锡氧化物(ITO)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极中者相同。表1-1所示数据是引述自TFCalcTM(Software Spectra，Inc.生产)计算机仿真软件中的设定值，表1-2与表1-3所示数据是引述自OPTICAL THIN FILMS(由THIN FILM CENTER Inc.生产)计算机仿真软件中的设定值，表1-4中的数据是以日本Shincron公司型号RAS-1100B溅射镀膜机镀制的五氧化二铌薄膜以包络法原理(J.Phy.E.：Sci.Inst.9，1002-1004)计算所得。
表1-1
表1-2
表1-3
表1-4
由图2中曲线60、70、80可以发现，在400纳米至800纳米的波长范围内，二氧化钛(TiO2)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极与五氧化二铌(Nb2O5)/银(Ag)/铟锡氧化物(ITO)堆叠电极具有较高的穿透率。
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当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所附的权利要求的保护范围。
Claims (19)
1.一种堆叠电极，其特征在于，包括：
一光匹配层，该光匹配层的多折射率为N1，且N1＝n1-ik1，其中n1为该光匹配层的折射率，k1为该光匹配层的消光系数；
一透明导电层，该透明导电层的多折射率为N2，且N2＝n2-ik2，其中n2为该透明导电层的折射率，k2为该透明导电层的消光系数，而n1＞n2，且k1＜k2；以及
一金属层，配置于该光匹配层与该透明导电层之间。
2.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该光匹配层的材质包括二氧化钛、五氧化二钛、二氧化锆、五氧化二铌、氧化钨、四氮化三硅、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
3.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该光匹配层的厚度介于25纳米至55纳米之间。
4.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该透明导电层的材质包括掺杂锡的化合物、掺杂锌的化合物或或掺杂铟的化合物。
5.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该透明导电层的材质包括铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
6.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该透明导电层的厚度介于30纳米至55纳米之间。
7.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该金属层的材质包括铝、铜、银、铂、金、铱或钯。
8.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，该金属层的厚度介于6纳米至16纳米之间。
9.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的折射率。
10.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，n1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的折射率，而n2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的折射率。
11.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，n1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该光匹配层的平均折射率，而n2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该透明导电层的平均折射率。
12.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，n1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该光匹配层的平均折射率，而n2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该透明导电层的平均折射率。
13.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的消光系数。
14.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，k1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该光匹配层的消光系数，而k2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，各个波长所对应到的该透明导电层的消光系数。
15.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，k1代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该光匹配层的平均消光系数，而k2代表在400纳米至800纳米的波长范围内，该透明导电层的平均消光系数。
16.根据权利要求1所述的堆叠电极，其特征在于，k1代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该光匹配层的平均消光系数，而k2代表在400纳米至450纳米的波长范围内，该透明导电层的平均消光系数。
17.一种包括权利要求1所述的堆叠电极的光电元件，其特征在于，包括：
一对向电极；以及
一主动层，配置于该堆叠电极与该对向电极之间。
18.根据权利要求17所述的包括权利要求1所述的堆叠电极的光电元件，其特征在于，该主动层包括一有机电激发光层或一太阳能电池的光电转换层。
19.根据权利要求17所述的包括权利要求1所述的堆叠电极的光电元件，其特征在于，该对向电极的材质包括钾、锂、钠、镁、镧、铈、钙、锶、钡、铝、银、铟、锡、锌、锆、银-镁合金、铝-锂合金、铟-镁合金、铝-钙合金、银/镁迭层、铝/锂迭层、铟/镁迭层、铝/钙迭层、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟铈氧化物、氧化锌、氧化铝锌、铟锌锡氧化物、氧化锌镓或氧化锡。
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