TW201306340A - 具圖案化電極的有機太陽能電池 - Google Patents

Abstract

一種具圖案化電極的有機太陽能電池，包含有：一第一電極層、一第二電極層以及一有機光電轉換層。該第一電極層與該第二電極層相對設置，該第一電極層具有一第一載子注入面，該第一載子注入面形成有複數個第一突起部；而該有機光電轉換層設於該第一電極層與該第二電極層之間，該有機光電轉換層具有與該第一載子注入面相接合的一第一表面，且該第一表面順應該第一突起部而與該第一載子注入面形成一具有複數個波峰段及波谷段之第一載子供輸界面，據此，增加該第一載子供輸界面的面積，提升有機太陽能電池載子傳輸效率，進而提升光電轉換效率。

Description

具圖案化電極的有機太陽能電池

本發明為有關一種太陽能電池，尤指一種有機太陽能電池。

由於能源短缺與全球暖化是世界各國一直以來想要解決的重大議題，目前許多國家生產電力的方式大多以火力發電或是核能發電為主，然而火力發電即藉由燃燒石化燃料而產生電力的方式，不僅會產生許多種不同程度的污染排放物，所產生的二氧化碳與全球暖化的效應具有一定的關聯，而核能發電所製造出的核廢料如何安全的儲存，以及所儲存的地點一直是爭議所在，尤其是核電廠在發生意外時，放射性物質對週遭環境生態所造成的影響，更是令人聞之色變，因此發展綠色的替代能源，如太陽能，風力發電、生質能、地熱及海洋能等，已成為一種趨勢，其中由於太陽能取之不盡、用之不竭，又不會有額外的廢棄物及安全性極高，現已成各國能源發展的重點。

太陽能電池發展至今，以單晶矽與多晶矽太陽能電池為主流，不過隨著科技的發展，有機太陽能電池的發展已受相當大的注意；雖然有機薄膜太陽能電池的轉換效率仍有改善的空間，不過因其製程簡單、成本低廉，且具有大面積製造及可撓的特性，使其成極具發展潛力的產業。因此，如何提升有機太陽能電池之轉換效率，已成為國內外研究的重點方向。傳統的有機太陽能電池，結構主要包含有一透明電極、一金屬電極以及一設置於該透明電極及該金屬電極之間的有機層，由於該有機層均勻混合了P型有機分子與N型有機分子，因此無法有效地將激子分離而產生電子及電洞，而在傳遞的過程中也容易發生電子及電洞的再結合，導致光電轉換效率的降低，此外，有機分子對載子的傳輸能力比一般的半導體差，尤其是電子的傳輸能力更差，故為了解決上述的兩個問題，有新的結構被提出並證明其效用。

於美國專利公開第20090133751號中，描述了一種有機太陽能電池，其中P型有機分子及N型有機分子各別形成一連續相(continuous phase)的載子傳輸層，且以奈米壓印的方式形成一奈米圖案化的界面於上述兩有機分子傳輸層之間，此種結構有利載子的傳輸、分開，有效地提升有機太陽能電池的光電轉換效能。

為使載子傳輸速率獲得改善，由Chh-Wei Chu及Jing-Jong Shyue等人於Nanotechnology,2008, vol. 19, 255202中，提出另一種有機太陽能電池，其特徵主要在於氧化銦錫電極與混合有機層之間，於氧化銦錫上成長了二氧化鈦的奈米結構，有效增加與混合有機層之間的反應面積，再加上二氧化鈦有好的電子傳輸特性，因而可將光致電子有效地導出，提升元件的光電轉換效率。雖然二氧化鈦的奈米結構，有效增加與混合有機層之間的反應面積，但金屬氧化物電阻畢竟比金屬高，而有電子傳輸能力提升有限的問題，且二氧化鈦與電極之間為不同的材質，所形成之界面有可能會有載子傳輸上的損失。

本發明的主要目的，在於改善有機太陽能電池的載子分隔與傳輸效率，以提升有機太陽能電池的光電轉換效率。

為達上述目的，本發明提供一種具圖案化電極的有機太陽能電池，包含有：一第一電極層、一第二電極層以及一有機光電轉換層。該第一電極層與該第二電極層相對設置，並分別具有彼此相對的一第一載子注入面及一第二載子注入面，該第一載子注入面形成有複數個第一突起部；而該有機光電轉換層設於該第一電極層與該第二電極層之間，該有機光電轉換層具有分別與該第一載子注入面及該第二載子注入面相接合的一第一表面與一第二表面，且該第一表面順應該第一突起部而與該第一載子注入面形成一具有複數個波峰段及波谷段之第一載子供輸界面。

如此一來，本發明直接於該第一電極層上形成複數個第一突起部，增加該第一載子供輸界面的面積，提升載子的傳輸效率，且該第一突起部由該第一電極層所延伸，兩者之間並無界面存在，減少載子傳輸中的損失，達到提升光電轉換效率的作用。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請搭配參閱「圖1」及「圖2A」至「圖2I」所示，「圖1」為本發明第一實施例的結構剖面示意圖，「圖2A」至「圖2I」則為本發明第一實施例的製作流程示意圖，如圖所示：本發明為一種具圖案化電極的有機太陽能電池，包含有一第一電極層10、一第二電極層20以及一有機光電轉換層30。該第一電極層10設於一基板60上，且該第一電極層10遠離該基板60之一側設置有該第二電極層20，該第一電極層10與該第二電極層20分別具有彼此相對的一第一載子注入面11及一第二載子注入面21，該第一載子注入面11形成有複數個第一突起部111，在此實施例中，該第一突起部111為沿垂直紙面的方向延伸且剖面呈三角形（由至少兩斜面形成一頂角而構成)的長方體，然依實際應用，該第一突起部111亦可為呈規則或散亂排列的錐形體，亦或為規則或散亂排列的柱形體。該第一突起部111的高度為介於1奈米至10微米之間，寬度為介於1奈米至500微米之間，在此，該第二電極層20還具有一遠離該第二載子注入面21的照光面22，該照光面22上具有複數隆起的抗反射部221，以增進光線射入該第二電極層20的入光量。

該有機光電轉換層30設於該第一電極層10與該第二電極層20之間，並具有一第一表面311(示於圖2C)以及一遠離該第一表面311的第二表面321(示於圖2E)，且該有機光電轉換層30包含有一電子傳輸層31以及一與該電子傳輸層31疊置的電洞傳輸層32，該電子傳輸層31與該第一電極層10連接，並藉由該第一表面311與該第一載子注入面11接合，且該第一表面311順應該第一突起部111而與該第一載子注入面11形成一具有複數個波峰段41及波谷段42之第一載子供輸界面40，而該電洞傳輸層32則與該第二電極層20連接，並藉由該第二表面321與該第二載子注入面21形成一平面狀的第二載子供輸界面50，再者，該電子傳輸層31與該電洞傳輸層32之間彼此連接並形成一有機接面33，該有機接面33順應該第一突起部111形成複數個波峰段331及波谷段332。

本發明於製作流程上的說明，首先請參閱「圖2A」及「圖2B」，於該基板60上成長該第一電極層10，該第一電極層10之材質為選自由金、白金、銀、銅、鋁、鈦、鉻、鋅及其組合所組成之群組，接著使用選自黃光微影製程、電子束微影製程及奈米壓印製程其中之一種方式，於該第一電極層10上製作出複數該第一突起部111，而形成具有該第一載子注入面11的該第一電極層10；接著，請參閱「圖2C」及「圖2D」，以真空蒸鍍或是旋轉塗布的方式，將該有機光電轉換層30中的該電子傳輸層31形成於該第一電極層10上，並使該第一表面311順應該第一突起部111，與該第一載子注入面11形成具有該波峰段41及該波谷段42的該第一載子供輸界面40，該電子傳輸層31的材質為選自富勒烯、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯([6,6]-phenyl- C61-butyric acid methyl ester：PCBM)等富勒烯衍生物；或具相同功能之其它電子傳輸材料；然後，請參閱「圖2E」及「圖2F」，於該電子傳輸層31上形成該電洞傳輸層32，該電洞傳輸層32與該電子傳輸層31之間順應該第一突起部111形成具有複數個波峰段331及波谷段332的該有機接面33，而該電洞傳輸層32遠離該有機接面33為該第二表面321，該電洞傳輸層32的材料可選自聚[對位苯基乙烯](PPV)、聚[2-甲氧基-5-(3’,7’-二甲基-辛氧基)-1,4-對位苯基乙烯](poly(2-methoxy-5-(3’,7’-dimethyl-octyloxy))-1,4-phenylenevinylene：MDMO-PPV)等聚對位苯基乙烯衍生物；或是聚對位苯基乙烯衍生物聚-3-己基塞吩(poly-3-hexylthiophene：P3HT)、聚-3-辛基塞吩(poly-3-octylthiophene：P3OT)等聚塞吩衍生物；或是苯二甲藍染料、銅苯二甲藍染料等苯二甲藍染料衍生物；或具相同功能之其它電洞傳輸材料；最後，請參閱「圖2G」至「圖2I」，於該電洞傳輸層32上，以選自氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化銻錫、摻氟之氧化錫、摻鋁之氧化鋅及摻鋁鎵之氧化鋅所組成之群組的透明材料（或是具相同功能之透明電極材料），成長該第二電極層20，該第二電極層20以該第二載子注入面21與該第二表面321形成平整的該第二載子供輸界面50，並於遠離該第二載子注入面21的該照光面22，製作出圖案化的抗反射部221。

在此要補充說明的是，上述有機太陽能電池的結構設置是以接受電子的該第一電極層10設於下方，而接受電洞的該第二電極層20設於上方作為舉例說明，然本發明並不限於此，根據實際需求，本發明也可先在該基板60上成長該第二電極層20，接著依續在該第二電極層20上形成該電洞傳輸層32、該電子傳輸層31以及該第一電極層10，而形成該第二電極層20在下，該第一電極層10在上的形式，最後再將該基板60移除以完成製作。

請參閱「圖3」所示，為本發明第二實施例的結構剖面示意圖，相較第一實施例，在此實施例中，其特徵在於該電子傳輸層31與該電洞傳輸層32之間的該有機接面33形成平面狀；請參閱「圖4」所示，為本發明第三實施例的結構剖面示意圖，相較第一實施例，在此實施例中，其特徵在於除了該電子傳輸層31與該電洞傳輸層32之間的該有機接面33形成平面狀外，該第二電極層20於第二載子注入面21先形成高度為介於1奈米至10微米之間、寬度為介於1奈米至500微米之間的複數第二突起部211，再覆蓋於該電洞傳輸層32上，使得該第二電極層20與該電洞傳輸層32之間，順應該第二突起部211形成具有複數個波峰段51及波谷段52的該第二載子供輸界面50。

再請參閱「圖5」所示，為本發明第四實施例的結構剖面示意圖，相較第一實施例，其特徵在於該第二電極層20與該電洞傳輸層32之間，順應該第二突起部211形成具有複數個波峰段51及波谷段52的該第二載子供輸界面50；請參閱「圖6」所示，為本發明第五實施例的結構剖面示意圖，相較於第一實施例，其特徵在於該有機接面33的該波峰段331及該波谷段332，並無對應該第一載子供輸界面40的該波峰段41及該波谷段42排列，而形成該波峰段331與最接近的該波峰段41於橫向相距一位移差S的形式，令該電子傳輸層31在相近的該波谷段332及該波峰段41之間，具有一較小的厚度，以縮短載子於該電子傳輸層31傳輸的距離；再請參閱「圖7」所示，為本發明第六實施例的結構剖面示意圖，相較於第一實施例，其特徵在於該第一電極層10的該第一突起部111為沿垂直紙面的方向延伸且剖面呈矩形的長方體，但依實際應用，該第一突起部111亦可為呈規則或散亂排列的立方體，其中，該第一載子供輸界面40由該波峰段41及該波谷段42依凸塊的輪廓而形成接近方波的形貌，而該有機接面33則順應該第一載子供輸界面40，也由該波峰段331及該波谷段332形成接近方波的形貌。

再請搭配參閱「圖8A」至「圖8F」所示，為本發明第七實施例的製作流程示意圖，在此實施例中，其特徵在於製程的方式為先分別在該第一電極層10及該第二電極層20的該第一載子注入面11及該第二載子注入面21，形成該第一突起部111及該第二突起部211，再分別於該第一載子注入面11及該第二載子注入面21成長該電子傳輸層31及該電洞傳輸層32，最後，再將該電子傳輸層31及該電洞傳輸層32相對接合，以完成製作。

綜上所述，由於本發明直接於該第一電極層上形成複數個第一突起部，增加了該第一電極層與該電子傳輸層之間該第一載子供輸界面的面積，並減少電子在有機光電轉換層中的移動距離，因而達到提升光電轉換效率的作用；同時本發明的電子傳輸層、電洞傳輸層並非是交錯混合的，而是有一明顯的界面，此結構可有效地避免電子電洞的再結合，因而提升效率；再者，本發明亦可於第二電極層形成複數第二突起部，同樣增加了該第二電極層與該電洞傳輸層之間該第二載子供輸界面的面積，進一步提升有機分子與電極之間的電洞傳輸；本發明藉由製作出圖案化電極，增進載子在太陽能電池中的傳輸能力，因而達到提升太陽能電池的效率；此外，本發明的該有機接面係為兩獨立面，因而可以減少傳輸過程載子復合的發生，亦可提升元件的效率；另外，本發明之圖案化電極，更可以奈米壓印的方式製造，因此所製作的有機太陽能電池，兼具了製程較簡易、生產速度快以及可大面積製造的產業利用優勢，因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅列出本發明的較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10．．．第一電極層

11．．．第一載子注入面

111．．．第一突起部

20．．．第二電極層

21．．．第二載子注入面

211．．．第二突起部

22．．．照光面

221．．．抗反射部

30．．．有機光電轉換層

31．．．電子傳輸層

311．．．第一表面

32．．．電洞傳輸層

321．．．第二表面

33．．．有機接面

331．．．波峰段

332．．．波谷段

40．．．第一載子供輸界面

41．．．波峰段

42．．．波谷段

50．．．第二載子供輸界面

51．．．波峰段

52．．．波谷段

60．．．基板

S．．．位移差

圖1，為本發明第一實施例的結構剖面示意圖。

圖2A-圖2I，為本發明第一實施例的製作流程示意圖。

圖3，為本發明第二實施例的結構剖面示意圖。

圖4，為本發明第三實施例的結構剖面示意圖。

圖5，為本發明第四實施例的結構剖面示意圖。

圖6，為本發明第五實施例的結構剖面示意圖。

圖7，為本發明第六實施例的結構剖面示意圖。

圖8A-圖8F，為本發明第七實施例的製作流程示意圖。

10．．．第一電極層

11．．．第一載子注入面

111．．．第一突起部

20．．．第二電極層

21．．．第二載子注入面

22．．．照光面

221．．．抗反射部

30．．．有機光電轉換層

31．．．電子傳輸層

32．．．電洞傳輸層

33．．．有機接面

331．．．波峰段

332．．．波谷段

40．．．第一載子供輸界面

41．．．波峰段

42．．．波谷段

50．．．第二載子供輸界面

60．．．基板

Claims (14)

1. 一種具圖案化電極的有機太陽能電池，包含有：
   　　一第一電極層及一與該第一電極層相對設置的第二電極層，該第一電極層與該第二電極層分別具有彼此相對的一第一載子注入面及一第二載子注入面，該第一載子注入面形成有複數個第一突起部；以及
   　　一設於該第一電極層與該第二電極層之間的有機光電轉換層，該有機光電轉換層具有分別與該第一載子注入面及該第二載子注入面相接合的一第一表面與一第二表面，且該第一表面順應該第一突起部而與該第一載子注入面形成一具有複數個波峰段及波谷段之第一載子供輸界面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第一電極層設於一基板上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第二載子注入面形成有複數個第二突起部，且該第二表面順應該第二突起部而與該第二載子注入面形成一具有複數個波峰段及波谷段之第二載子供輸界面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中複數該第二突起部由選自黃光微影製程、電子束微影製程及奈米壓印製程而製作。
5. 如申請專利範圍第3項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第二突起部的高度為介於1奈米至10微米之間，寬度為介於1奈米至500微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第二載子注入面包含一平面，該第二表面與該第二載子注入面接合。
7. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該有機光電轉換層包含一電子傳輸層以及一與該電子傳輸層疊置的電洞傳輸層。
8. 如申請專利範圍第7項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該電子傳輸層與該第一電極層連接，該電洞傳輸層與該第二電極層連接。
9. 如申請專利範圍第7項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該電子傳輸層與該電洞傳輸層相連接並形成一有機接面，該有機接面順應該第一突起部形成複數個波峰段及波谷段。
10. 如申請專利範圍第7項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該電子傳輸層與該電洞傳輸層相連接並形成一有機接面，該有機接面包含一平面。
11. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第一電極層的材質為選自金、白金、銀、銅、鋁、鈦、鉻、鋅及其組合所組成的群組，該第二電極層的材質為選自氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化銻錫、摻氟之氧化錫、摻鋁之氧化鋅及摻鋁鎵之氧化鋅所組成之群組。
12. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中複數該第一突起部由選自黃光微影製程、電子束微影製程及奈米壓印製程而製作。
13. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第一突起部的高度為介於1奈米至10微米之間，寬度為介於1奈米至500微米之間。
14. 如申請專利範圍第1項所述的具圖案化電極的有機太陽能電池，其中該第二電極層具有一遠離該第二載子注入面的照光面，該照光面上具有隆起的複數抗反射部。