TW201228064A - Organic photovoltaic cell - Google Patents

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201228064 36622twf.doc/n 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域^ ^發明疋有關於—種太陽電池，且特別是有關於—種 具有南光電轉換效率之有機太陽電池(〇rganic
Photovoltaic ceU，OPV cell)。 【先前技術】 、太陽此疋一種乾淨無污染且取之不盡、用之不竭的能 源b在解决目如石化能源所面臨的污染與短缺的問題時， =陽π —直疋最又矚目的焦點。由於太陽電池可直接將太 陽此轉換為電能’因此已成為目前產業界相當重要的研究 課題之一。 矽基太1%電池(silic〇n_based s〇lar celi)以及有機太陽 ，池(OPV cell)為目前業界常見的—種太陽電池。以有機太 電池為例由於有機材料的載子遷移率(carrier mobility) 車乂低（約為ΙΟ·4〜1〇-3 cm2/Vs )，所以有機太陽電池之主動 鲁 層不旎夠過厚，否則載子在被光線激發之後有可能發生再 …合(re-combination)而降低光電轉換效率。依據有機太陽 電池的特性，增加主動層的膜厚雖可增加光線的吸收效率 以及短路電流(short circuit current，Jsc)，但會增加整體阻 值進而造成填充因子(fill factor)下降。反之，降低主動層 的膜厚可使填充因子增加，但會降低光線的吸收效率以及 短路電流。 承上述，僅透過主動層之膜厚調整難以兼顧有機太陽 201228064 36622twf.d〇c/n 【發明内容】 本發明提供-種有機太陽電池，其 附以有效改善光電轉換效率以及電性。膜的貼
At 種有機太陽電池，適於將光線轉換為電 此。有機太陽電池包括-有機絲層、—透光電極、一反 ^電極以及—光學薄膜。縣電極與反射電極分別配置於 有機主動層的兩側，而光學薄難有機絲層分別位於透 光電極的兩側，且光學薄膜具有一内表面以及一與内表面 相對之外表面。對於從外表面入射之光線，光學薄膜之穿 透f高於90%，而對於内表面入射之光線，内表面之反射 率尚於10% ’且光學薄膜之霧度(Haze)高於90〇/〇。 在本發明之一實施例中，前述之光學薄膜具有多個光 學微結構’且這些光學微結構位於外表面上。舉例而言， 光學微結構包括擴散子(scatters)、微透鏡(micr〇_lenses)或 微稜鏡(micro-prisms)。 在本發明之一實施例中，前述之有機主動層為一吸光 材料，而該吸光材質，可包括GSID6040 : [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester ([70]PCBM)、聚(3-己基噻吩）：[6, 6]苯基-C61-酷·酸曱基酉旨（p〇ly(3-hexylthiophene): [6,6]-phenyl-C61 -butyric acid methyl ester (P3HT : [60]PCBM))、聚[2-曱烷基-5-(30, 70-二曱基壬氧)-1,4-伸苯 201228064 36622twf.doc/n 基伸乙烯基]:[6，6]苯基-C61-酪酸曱基酯 (poly[2-methoxy-5-(30,70-dimethyloctyloxy)-l,4-phenylenev inylene]: [6,6]-phenyl-C61 -butyricacidmethyl ester (MDMO-PPV:[60]PCBM))、聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己 基)-4H-)]雙噻吩[2,1 -b;3，4-b']環戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯並噻 二唑）：[6, 6]苯基-C71-酪酸甲基酯 (poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,l-b;3,4-b' ]dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]: [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester (PCPDTBT: [70]PCBM))、或聚[4,8-雙-取代-苯[l,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 曱 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-C71 butyric acid methyl ester (PBDTTT:[70]PCBM)。 在本發明之一實施例中，前述之透光電極包括透明導 電氧化物電極。 在本發明之一實施例中，前述之反射電極包括鋁電極 或銀電極。 在本發明之一實施例中，前述之有機太陽電池可進一 步包括一電洞傳輸層，且此電洞傳輸層係配置於有機主動 層與透光電極之間。 在本發明之一實施例中，前述之電洞傳輸層之材質包 括聚(3,4_伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT : PSS)。 5 201228064 l 36622twf.doc/n 在本發明之一實施例中，前述之有機太陽電池可進一 步包括一透光基板，且此透光基板係配置透光電極與光學 薄膜之間。 ’、于 由於本發明於有機太陽電池之入光側（light-incident side)設置光學薄膜，以使進入有機太陽電池内之光線能夠 經過多次反射並且被主動層所吸收，因此本發明可在不增 加主動層臈厚的情況下，增進有機太陽電池之光電轉換效 率。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。 、° 【實施方式】 圖1為本發明一實施例的有機太陽電池之剖面示意 圖。請參照圖1，本實施例之有機太陽電池1〇〇適於將光 線L、L1轉換為電能，且本實施例之有機太陽電池1〇〇包 括一有機主動層110、一透光電極12〇、一反射電極13〇 以及一光學薄膜14〇。透光電極12〇與反射電極13〇分別 配置於有機主動層110的兩側，而光學薄膜與有機主 動層110分別位於透光電極120的兩側，且光學薄膜14〇 具有内表面140a以及一與内表面i4〇a相對之外表面 140b。對於從外表面14〇b入射之光線L，光學薄膜“ο之 穿透率高於90〇/〇,而對於從内表面14〇a入射之光線u， 内表面l4〇a之反射率高於1〇%，且光學薄膜14〇之霧度 201228064 36622twf.doc/n (Haze)高於 90%。 在本實施例中，有機主動層110之材質例如為 GSID6040 ： [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester ([70]PCBM)或是其他適合的有機材料’而透光電極120例 如為透明導電氧化物電極。舉例而言，前述之透明導電氧 化物電極之材質例如為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(ιζο) 或其他具有高穿透率之導電材質。此外，反射電極130例 如為鋁電極、銀電極或是其他具有高反射率之金屬電極。 φ 承上述，本實施例之有機太陽電池100可選擇性地包 括一電洞傳輸層150，且此電洞傳輸層150係配置於有機 主動層110與透光電極120之間。電洞傳輸層15〇有助於 提昇有機太陽電池100中電洞的傳輸效率。舉例而言，電 洞傳輸層150之材質包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙 稀橫酸(PEDOT : PSS)或是其他適合的有機材料。 如圖1所示，本實施例之光學薄膜14〇係設置於有機 太陽電池100之入光侧，由於外界光線L在進入有機主動 層110之前會先經過光學薄獏140，因此光學薄膜14〇對 # 於外界光線L的需具備南穿透率，此處之高穿透率係指穿 透率大於或等於90%。與光線l相較，進入有機太陽電池 100内之光線L1無可避免地會有些微的衰減，且光線u 會被反射電極130反射而經過有機主動層11〇兩次，以增 加光線L1被有機主動層110吸收的可能性，進而捭進 機太陽電池100之光電轉換欵率。為了更有效地利用被反 射電極130所反射的光線L1’光學薄膜14〇的内表面 光線L1之反射率需高於1〇°/0’以使得部分的光線u能夠 201228064 ' 36622twf.doc/n 被進一步反射回有機主動層120,進而被有機主動層120 所吸收。舉例而言，光學薄膜140的内表面140a光線L1 之反射率例如係介於20%至30%之間。此外，光學薄膜140 之霧度例如為90%、95%或高於95%。 圖2A至圖2C為本發明一實施例的光學微結構之剖面 示意圖。請參照圖2A至圖2C，為了使絕大部分之光線l 都能夠進入有機太陽電池100中，本實施例可於光學薄膜 140之外表面140b製作多個光學微結構14〇c。舉例而言， 光學微結構140c例如為能夠使光線L散射之擴散子 (scatters)、能夠改變光線l的傳遞路徑之微透鏡 (micro-lenses)或能夠改變光線L的傳遞路徑之微稜鏡 (micn^prisms)。具體而言，光學薄膜14〇例如為一擴散片 (diffusion plate)、微透鏡陣列光學膜或一稜鏡片（prism sheet)。 圖3為本發明另一實施例的有機太陽電池之剖面示意 圖。請參照圖1與圖3，本實施例之有機太陽電池100,與 圖1所繪不有機太陽電池100類似’惟二者主要差異之處 在於：本實施例之有機太陽電池100，可進一步包括三透光 基板16〇，且此透光基板⑽係配置透光電極12〇诳光學 薄膜140之間。 【實驗例】 = 之有機太陽電池以及未貼附光 子致率與波長的關係圖。請參 照圖4,本貫驗例採關3所揭露之架構 201228064 36622twf.doc/n 層的厚度為70奈米’有機主動層的材質為gSID6〇40 : [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester ([70]PCBM)，電 洞傳輸層的厚度為30奈米，而電洞傳輸層的材質為聚(3,4_ 伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(pED〇T : PSS)，且透光 基板為玻璃基板。 從圖4可清楚得知，在可見光的波段（4〇〇奈米至7〇〇 奈米之間），不同的光學薄膜對於有機太陽電池的量子效 率有不同程度的提昇。 • 表1條列出不同光學薄膜（光學薄膜卜光學薄膜2、 光學薄膜3與光學薄膜4)之光學參數（穿透率、内表面 之反射率以及霧度）’而表2條列出未貼附光學薄膜之有 機太陽電池以及貼附有光學薄膜之有機太陽電池之短路電 流差異以及增益值(Gain)。
光學薄j莫1 光學薄j莫2 光學薄_膜3 光學薄骐4 穿透率 — 表面之反射率 霧度 100% — s 20% ~~——. 95 % loo % s 25 % ----—- 90% 100% ------ s 30 % —-— >95 % 100% --- s 30% ----- 95 % 表1 —_j 忽殘L電流(mA/ cm2 12.99 H.12 _ _____ 無光膜 光學1 光學薄膜2 ) 增益(％) 14.14 8.7 8.9 s 9 201228064 36622twf.doc/n 光學薄膜3 14.33 10.3 光學薄膜4 14.16 9.0 表2 從上表2可知，貼附有光學薄膜之有機太陽電池之短 路電流約有10%的提昇。 由於本發明於有機太陽電池之入光側（light-incident side)設置光學薄膜，以使進入有機太陽電池内之光線能夠 經過多次反射並且被主動層所吸收，因此本發明可在不增 加主動層膜厚的情況下，增進有機太陽電池之光電轉換效 率。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明一實施例的有機太陽電池之剖面示咅 圖。 圖2A至圖2C為本發明一實施例的光學微結構之剖面 示意圖。 圖3為本發明另一實施例的有機太陽電池之剖面示音 圖。 不思 圖4為貼附有光學薄膜之有機太陽電池以及未貼附光 學薄膜之有機太陽電池的量子效率與波長的關係圖、 201228064 36622twf.doc/n 【主要元件符號說明】 100、100’ ：有機太陽電池 110 :有機主動層 120 :透光電極 130 :反射電極 140 :光學薄膜 140a :内表面 140b :外表面 • 140c :光學微結構 150 :電洞傳輸層 160 :透光基板 L、L1 :光線 X :位置
11 S

Claims (1)

  1. ί 36622twf.doc/n 七、申請專利範圍： 1.一種有機太陽電池，適於將光線轉換為電能，該有 機太陽電池包括： 一有機主動層； 一透光電極； 一反射電極，該透光電極與該反射電極分別配置於該 有機主動層的兩側；以及 一光學薄膜，該光學薄膜與該有機主動層分別位於該 透光電極的兩側，該光學薄膜具有一内表面以及一與該内 表面相對之外表面，對於從該外表面人射之光線，該光學 薄膜之穿透率高於90%，而對於從該内表面人射之光線， 該内表面之反射率高於10%，且該光學薄膜之 於 90%。 ^人如甲Μ專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中 該光學薄膜具有多做學微結構，該些光學微 該 外表面上。 3.如申請專利範㈣2項所述之 該些光學赌構包括錄子。 /、Τ 該些===項所述之有機太陽電池，其中 項所述之有機太陽電池’其中 專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中 ，主動層之材質為-吸光材料，而該吸光材質包括 phenyl-C71 butyric acid methyl ester 12 2 Ο 1 228Ο64,. 36622twf.doc/n ([70]PCBM)、聚(3-己基噻吩）：[6, 6]苯基-C61-酪酸曱基酯 (poly (3 -hexylthiophene): [6,6]-phenyl-C61 -butyric acid methyl ester (P3HT : [60]PCBM))、聚[2-曱烧基-5-(30, 70-二曱基壬氧)-1,4-伸苯基伸乙烯基]:[6, 6]苯基-C61-酪酸曱 基 醋 (poly[2-methoxy-5-(30,70-dimethyloctyloxy)-l,4-phenylenev inylene]: [6,6]-phenyl-C61 -butyricacidmethyl ester (MDMO-PPV:[60]PCBM))、聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己 基)-4H-)]雙噻吩[2,1 -b;3，4-b，]環戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯並噻 二唑）：[6, 6]苯基-C71-酪酸甲基酯 (poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,l-b;3,4-b' ]dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3 -benzothiadiazole)]: [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester (PCPDTBT: [70]PCBM))或聚[4,8-雙-取代-苯[l，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- 酷酸 曱基酯 (poly[4,8-bis-substituted-benzo[l,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6- diyl-alt-4-substituted-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]- phenyl-C71 butyric acid methyl ester (PBDTTT:[70]PCBM)。 7. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中 δ亥透光電極包括透明導電氧化物電極。 8. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中 δ亥反射電極包括铭電極或銀電極。 9. 如申請專利範圍第丨項所述之有機太陽電池，更包 13 S 201228064 丨 36622twf.doc/n 括一電洞傳輸層，配置於該有機φ Π)·如申請專利範圍第9項=與該透光電極之間。 該電洞傳輸層之材質包括聚(3,機太㈣池’其中 烯磺酸(PEDOT : PSS)。 一氧基塞吩.聚苯乙 11.如申請專利範圍第1項 且—奈
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