TW201511376A - 活性層，含有彼之有機光伏打電池及其製法 - Google Patents
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Abstract
本說明書係關於包含電子接受者、電子提供者、和包含降低表面能量之官能基的化合物之光活性層，包含彼之有機光伏打電池，及彼之製法。
Description
本發明係關於光活性層，含有彼之有機光伏打電池及其製法。
本說明書聲明2013年5月10日在韓國智慧財產局提出申請之韓國專利申請案第10-2013-0053376號之優先權和權益，茲將該案全文以引用方式納入本文中。
就保存地球環境的觀點，光伏打電池因為無污染的優點所以被重新評估，並已積極進行光伏打電池作為下一代乾淨能源之研究。
目前已知的光伏打電池類型包含許多類型，如化合物半導體太陽能電池、染料敏化的太陽能電池和有機聚合物太陽能電池(包括使用單晶或多晶整體矽的太陽能電池)及使用非晶狀微晶或多晶矽的薄膜型太陽能電
池。
相關技術中，使用市售單晶整體矽的太陽能電池因為高製造成本和裝設成本所以未被積極使用。
欲解決成本問題，進行針對使用有機材料的薄膜型太陽能電池之研究，並已提出用以製造高效率光伏打電池的各種嚐試。
有機薄膜光伏打電池技術，其為使用聚合物或低分子有機半導體將太陽能電池轉換成電能的技術，是下一代技術，藉由以低成本和製程容易性為基礎的捲對捲(roll-to-roll)方法，其包括超低價格和萬用的大量生產特性(此為有機材料的最大優點)，如薄膜型裝置、大規模裝置和撓性裝置。
基本上，有機光伏打電池包括由電子提供者和電子接受者材料之接合結構所組成的光活性層。
當光入射至光活性層，在電子提供者中的電子和電洞對被激發，在電子移動至電子接受者時，電子和電洞分離。據此，光製造的載體在載體分離成電子-電洞及之後移動至外部電路時製造電能。
用於下述原因，最近的興趣聚焦於價格低且可用於撓性基板的整體雜接點有機光伏打電池。
US專利申請公告第2006-0011233號討論使用有機光伏打電池，其中聚(3-己基噻吩(P3HT)作為電子提供者和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)作為電子接受者，並藉旋塗法施用光活性層，但其能量轉換效率並非極高。
韓國專利申請公開第2007-0101430號
本說明書係關於光活性層，含有彼之有機光伏打電池及其製法。
本說明書之例示具體實施例提出有機光伏打電池，其包含：第一電極；面對該第一電極的第二電極；和介於該第一電極和該第二電極之間的光活性層，其中該光活性層包括電子接受者、電子提供者、和包含降低表面能量之官能基的化合物。
本說明書之例示具體實施例提出包括電子接受者和電子提供者之光活性層，其中該光活性層進一步含括包含降低電子接受者的表面能量之官能基的化合物。
本說明書之另一例示具體實施例提出一種製造有機光伏打電池之方法，該方法包含：製造基板；在該基板的區域中形成第一電極；在該第一電極的上部形成包含光活性層的有機材料層；和在該有機材料層的上部形成第二電極，其中該光活性層包含電子接受者、電子提供
者、和包含降低該電子接受者的表面能量之官能基的化合物。
根據本說明書之例示具體實施例之有機光伏打電池的光活性層內部引入包括降低電子接受者之表面能量之官能基的化合物，藉此使得電子接受者和電子提供者均勻地分佈於光活性層內部。此情況中，可調整光活性層的形態，藉此提高短路電流密度和充填因子(fill factor)。因此，可提供具有高效率的有機光伏打電池。
圖1係說明根據包含降低電子接受者之表面能量的官能基之化合物的含量，在P3HT/PCBM膜表面上的硫/氧原子的相對比之圖。
下文中，將詳細描述本說明書。
本說明書之例示具體實施例提出有機光伏打電池，其包含：第一電極；面對該第一電極的第二電極；和介於該第一電極和該第二電極之間的光活性層，其中該光活性層包括電子接受者、電子提供者、和包含降低表面能量之官能基的化合物。
本說明書中，電子提供者通常是指具有負電荷或非共價電子對，並提供電子至正電荷或缺乏電子對的部分者。此外，電子提供者包含能夠轉移被激發的電子作為陰電性大的電子提供者，此因當在與即使不具有負電荷或非共價電子對之電子接受者的混合態接受光時，分子本身極佳的電子滯留性質之故。
本說明書中，電子接受者是指自電子提供者接受電子者。
本說明書中，表面能量是指固體的表面張力，且可藉由滴下特定溶劑以測定接觸角度而計算得知。藉由測定接觸角度以得到表面能量之方法為此技術中一般使用的方法。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量的官能基之化合物未與電子接受者或電子提供者合併，並因此而不影響電子提供者或電子接受者的功能。
此外，本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物不會影響電子接受者或電子提供者的功能。此外，包含降低表面能量之官能基的化合物降低表面能量，但不用以接受或提供電子。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物對於電子接受者的親和性高於對於電子提供者的親和性，藉此，選擇性地降低電子接受者的表面能量。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表
面能量之官能基的化合物降低電子接受者的表面能量。
當電子接受者的表面能量經選擇性地降低時，因為表面能量相對低，所以防止電子提供者緊密地接近光活性層表面的情況發生。此外，可降低電子接受者和電子提供者之間的表面能量差距，以使得電子接受者和電子提供者均勻地分佈於光活性層內部，藉此提供光活性層適當的形態。此情況中，可提供具有高效率的有機光伏打電池。
本說明書之例示具體實施例中，當包含降低表面能量之官能基的化合物被置於光活性層中時，電子接受者的表面能量與電子提供者的表面能量差為0.1%至30%。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物於常溫為固體化合物，且即使在製造光活性層之後，仍存在於光活性層內部。
即，根據本說明書之例示具體實施例，包含降低表面能量之官能基的化合物不作為溶解電子接受者和電子提供者的溶劑。
包含降低表面能量之官能基的化合物留在光活性層內部以使得電子接受者和電子提供者均勻地分佈，藉此用以控制光活性層的形態。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
在此範圍內，將電子提供者的表面能量控制於類似於電子接受者的表面能量。據此，電子接受者和電子提供者之間的表面能量差降低，以使得電子接受者和電子提供者均勻地分佈於光活性層內，藉此賦予降低光活性層之表面糙度的效果。
圖1係說明根據包含降低電子接受者之表面能量的官能基之化合物的含量，在P3HT/PCBM膜表面上的硫/氧原子的相對比之圖。
特定言之，藉二次離子質譜術(SIMS)測定P3HT中的硫原子和PCBM中的氧原子之比。
如圖1所示者，未含括包含降低表面能量之官能基的化合物的光活性層的膜表面之硫/氧比接近約2倍。此證實電子提供者(P3HT)存在於表面上。當含括包含降低表面能量之官能基的化合物時，證實硫/氧比降低。
此外，證實光活性層表面上的硫和氧的含量與包含降低表面能量之官能基的化合物(2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺)含量在0.25重量%至1重量%的範圍內者彼此類似。此證實電子接受者和電子提供者均勻地分佈。
本說明書之例示具體實施例中，降低表面能量的官能基含有至少一個氟基(F)。
本說明書之例示具體實施例中，降低表面能量的官能基包含具1至20個碳原子之經取代或未經取代的烷基，且烷基中的至少一個氟基經取代。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表
面能量之官能基的化合物係藉以下式1表示的化合物：[式1]Ar-L-R
其中，Ar是經取代或未經取代的芳基；或經取代或未經取代的雜環基，L是直接鍵；經取代或未經取代的二價醯胺基；經取代或未經取代的伸烷基；經取代或未經取代的伸芳基；或經取代或未經取代之包含N、O和S原子中之一或多者的二價雜環基，和R是具1至20個碳原子的烷基，其經至少一個氟基取代。
本說明書之例示具體實施例中，Ar是經取代或未經取代的萘基。
本說明書之例示具體實施例中，Ar是經取代或未經取代的茀基。
本說明書之例示具體實施例中，Ar是經取代或未經取代的苯基。
本說明書之例示具體實施例中，L是經取代或未經取代的二價醯胺基。
本說明書之例示具體實施例中，L是經取代或未經取代的伸烷基。
本說明書之例示具體實施例中，L是經氟基取代的伸烷基。
本說明書之例示具體實施例中，L是直接鍵。
本說明書之例示具體實施例中，R是經至少一個氟基取代的烷基。
本說明書之例示具體實施例中，R是七氟丙基。
本說明書之例示具體實施例中，R是九氟丁基。
本說明書之例示具體實施例中，藉式1表示的化合物係藉以下式1-1至1-5中之任一者表示的化合物，但不限於此。
其中，
a、b和d各者為0至7的整數，c和e各者為0至5的整數，和R1至R5、和R’及R”彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的芳基；或經取代或未經取代之包含N、O和S原子中之一或多者的雜環基。
取代基的例子述於下文中，但不限於此。
本說明書中，“經取代或未經取代”是指經選自鹵基、腈基、硝基、羥基、烷基、環烷基、烯基、烷氧基、芳氧基、巰基、烷巰基、芳巰基、硫醯氧基、烷基硫醯氧基、芳基硫醯氧基、矽基、硼基、芳胺基、芳烷胺基、烷胺基、芳基、茀基、咔唑基、芳烷基、芳烯基、雜環基和乙炔基中之一或多者取代，或沒有取代基。
本說明書中，雜環基係包含O、N或S作為雜原子的雜環基，未特別限制其碳原子數，但較佳地為2至60。雜環基的例子包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、三唑基、吡啶基、二吡啶基、三基、吖啶基、吡基、喹啉基、異喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯并唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并咔唑基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、苯并呋喃基、二苯并呋喃基等，但不限於此。
本說明書中，烷基可為直鏈、支鏈、或環狀鏈。
未特別限制烷基的碳原子數，但較佳為1至25。烷基的特定例子包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、二級丁基、三級丁基、正戊基、異戊基、新戊基、正己基、環丙基、環丁基、環戊基、環己基等，但不限於此。
本說明書中，烯基可為直鏈或支鏈，且較佳地為具2至40個碳原子的烯基，且特別地，此烯基較佳地為其中的芳基經取代的烯基(如1,2-二苯乙烯基和苯乙烯基)，但不限於此。
本說明書中，烷氧基可為直鏈、支鏈、或環狀鏈。未特限制烷氧基的碳原子數，但較佳地為1至25。其特定例子包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、異丙氧基、正丁氧基、環戊氧基等，但不限於此。
本說明書中，芳基可為單環芳基或多環芳基，且包括具1至25個碳原子的烷基或具1至25個碳原子的烷氧基經取代的情況。此外，本說明書中的芳基可以是指芳環。
芳基是單環芳基時，未特別限制碳原子數，但較佳地為6至25。單環芳基的例子包括苯基、聯苯基、三苯基、茋基等，但不限於此。
芳基是多環芳基時，未特別限制碳原子數，但較佳地為10至24。多環芳基的例子包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、基、茀基等，但不限於此。
本說明書中，醯胺基的一或兩個氮原子可經
氫、具有1至25個碳原子的直鏈、支鏈或環狀鏈烷基、或具有6至25個碳原子的芳基取代。特定言之，醯胺基可為具有以下結構式的化合物，但不限於此。
本說明書中，二價醯胺基、伸芳基和二價雜環基是指醯胺基、芳基和雜環基中分別有兩個結合位置。除了這些基團各自為二價基團之外，醯胺基、芳基、和雜環基的上述描述可用於這些基團。
本說明書之例示具體實施例中，電子接受者是富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。
本說明書之例示具體實施例中，富勒烯衍生物選自C60富勒烯衍生物、C70富勒烯衍生物、C76富勒烯衍生物、C78富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物、和C90富勒烯衍生物。
另一例示具體實施例中，非富勒烯衍生物的LUMO能階為-2.0至-6.0電子伏特。又另一例示具體實施例中，非富勒烯衍生物的LUMO能階為-2.5至-5.0電子伏
特。又另一例示具體實施例中，非富勒烯衍生物的LUMO能階為-3.5至-4.5電子伏特。
本說明書之例示具體實施例中，電子接受者是[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM)。
本說明書之例示具體實施例中，電子提供者是聚(3-己基噻吩)(P3HT)。
本說明書之例示具體實施例中，光活性層中之電子接受者和電子提供者可形成整體雜接點(BHJ)。
本說明書之例示具體實施例中，光活性層具有60奈米至300奈米的厚度。
本說明書之例示具體實施例中，光活性層的厚度是指光活性層表面和其背表面之間的寬度。
本說明書之例示具體實施例中，提出有機光伏打電池，其中，相較於未包含該包含降低表面能量之官能基的化合物之情況，該光活性層的表面糙度降低30%至55%。
光活性層的表面糙度受到光活性層之熱處理溫度之影響。本說明書中之表面糙度係使用原子力顯維術(AFM)測得。
本說明書中之糙度是指歸因於在製造光活性層的製程中，留在表面上之不規則組份。
當光活性層的表面糙度提高時，造成高接觸阻抗。藉由將包含降低表面能量之官能基的化合物添加至根據本說明書之例示具體實施例之有機光伏打電池中，以
降低電子提供者和電子接受者的區域尺寸，可降低此表面糙度。
本說明書之例示具體實施例中，相較於未含括包含降低表面能量之官能基的化合物的情況，電子接受者的表面能量降低15%至55%。
本說明書之電子接受者的表面能量為30毫牛頓/米至48毫牛頓/米。
本說明書之例示具體實施例中，該電子提供者和該電子接受者的重量比是1：0.5至1：5。
本說明書之例示具體實施例中，該有機光伏打電池進一步包含介於該第一電極和該光活性層之間的電洞轉移層和電洞注入層中之一或多者。
本說明書之例示具體實施例中，該有機光伏打電池進一步包含介於該第二電極和該光活性層之間的電子轉移層。
本說明書之例示具體實施例中，該有機光伏打電池進一步包含介於該第二電極和該光活性層之間的電子轉移層或電洞轉移層。
本說明書之例示具體實施例中，提出一種光活性層，其中該光活性層係進一步含括包含降低表面能量之官能基的化合物作為包含電子接受者和電子提供者的光活性層之光活性層。
關於電子接受者、電子提供者和包含降低表面能量之官能基的化合物之描述與前述者相同。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物降低電子接受者的表面能量。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低電子接受者之表面能量的官能基之化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
另一例示具體實施例中，相較於未包含該包含降低表面能量之官能基的化合物之情況，該光活性層的表面糙度降低30%至55%。
又另一例示具體實施例中，相較於未包含該包含降低表面能量之官能基的化合物之情況，該電子接受者的表面糙度降低15%至55%。
又另一例示具體實施例中，該電子接受者的表面能量與該電子提供者的表面能量之差為0.1%至30%。
本說明書之例示具體實施例中，第一電極可為陽極或陰極。此外，第二電極可為陰極或陽極。
本說明書之例示具體實施例中，在有機光伏打電池中，陽極、光活性層和陰極可以此順序配置，或者陰極、光活性層和陽極可以此順序配置，但順序不限於此。
另一例示具體實施例中，在有機光伏打電池中，在有機光伏打電池中，陽極、電洞轉移層、光活性層、電子轉移層、和陰極可以此順序配置，或者陰極、電子轉移層、光活性層、電洞轉移層、和陽極可以此順序配
置，但順序不限於此。
又另一例示具體實施例中，在有機光伏打電池中，陽極、緩衝層、光活性層、和陰極可以此順序配置。
本說明書之例示具體實施例中，提出一種製造有機光伏打電池之方法，該方法包含：製造基板；在該基板的區域中形成第一電極；在該第一電極的上部形成包含光活性層的有機材料層；和在該有機材料層的上部形成第二電極，其中該光活性層包含電子接受者、電子提供者、和包含降低該電子接受者的表面能量之官能基的化合物。
本說明書之例示具體實施例中，包含降低表面能量之官能基的化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
關於電子接受者、電子提供者和包含降低表面能量之官能基的化合物之描述與前述者相同。
除了光活性層含括包含降低表面能量之官能基的化合物以外，本發明之有機光伏打電池可藉此技術已知的材料和方法製造。
基板可為玻璃基板或具有極佳的透光性、表面平滑性、易操作且防水之透明的塑膠基板，但不限於此，對於基板沒有限制，只要基板為有機光伏打電池基本上使用的基板即可。其特定例子包括玻璃、PET(聚對酞酸乙二酯)、PEN(聚萘酸乙二酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚醯亞
胺)、TAC(三乙醯基纖維素)之類，但不限於此。
陽極可為具有透光性和極佳導電性的材料，但不限於此。陽極材料的特定例子包括如，釩、鉻、銅、鋅和金、或其合金；金屬氧化物，如氧化鋅、氧化銦、氧化銦錫(ITO)和氧化銦鋅(IZO)；金屬和氧化物之組合，如ZnO：Al或SnO2：Sb；和導電性聚合物，如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(伸乙基-1,2-二氧)噻吩(PEDOT)]、聚吡咯和聚苯胺等，但不限於此。
未特別限制用以形成陽極之方法，但陽極可以藉由施用在基板的一表面上或藉由使用，例如，噴濺、E-束、熱澱積、旋轉塗覆、網板印刷、噴墨印刷、刮板或凹板印刷的方式，以膜形式塗覆而形成。
當陽極形成於基板上時，基板可接受清潔、濕氣移除、和親水性改質等處理程序。
例如，當圖案化的ITO基板於之後以清潔劑、丙酮、和異丙醇(IPA)清洗，在加熱板上於100℃至150℃乾燥1至30分鐘，較佳地於120℃乾燥10分鐘以移除濕氣，並經充分清洗時，基板表面經親水性改質。
經由前述表面改質，接點表面電位可維持於適用於光活性層之表面電位的程度。此外，在改質期間內，聚合物薄膜可以輕易地形成於陽極表面上，且亦可增進薄膜的品質。
陽極之預處理技術的例子包括a)使用平行板充電之表面氧化法，b)藉由在真空狀態中，使用UV射線
製得的臭氧而將表面加以氧化之方法，c)藉由使用藉電漿製造的氧自由基，將陽極加以氧化之方法等。
可依陽極或基板的狀態，選擇方法之一。但是，較佳地，即使使用方法之任何者，儘可能防止氧離開陽極或基板表面，且儘可能防止濕氣和有機材料留下。此情況中，可以使得預處理的實質效果最大化。
特定例子中，能夠使用藉由使用UV製造的臭氧而將表面加以氧化的方法。此情況中，在以超音波清潔之後，圖案化的ITO基板在加熱板上經烘烤和充分乾燥，並引至槽中，之後可使用藉由啟動UV燈而製造的臭氧清洗，以使得氧氣與UV射線反應。
但是，不須特別限制本說明書中之將圖案化的ITO基板表面加以改質之方法，且亦可使用任何方法，只要該方法係將基板加以氧化的方法即可。
陰極材料可為功函數小的金屬，但不限於此。其特定例子包括金屬，如鎂、鈣、鈉、鉀、鈦、銦、釔、鋰、鎵、鋁、銀、錫、和鉛、或其合金；及具有多層結構的材料，如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al：Li、Al：BaF2、和Al：BaF2：Ba，但不限於此。
陰極可以在真空度為5×10-7托耳或更低的熱澱積裝置內部澱積和形成，但其形成不限於此。
電洞轉移層和/或電子轉移層材料用以將自光活性層分離的電子和電洞有效率地轉移至電極，且未特別限制此材料。
電洞轉移層材料可為摻有聚(苯乙烯磺酸)的PEDOT：PSS(聚(3,4-伸乙基二氧噻吩)、氧化鉬(MoOx)；氧化釩(V2O5)；氧化鎳(NiO)；氧化鎢(WOx)；等，但不限於此。
電子轉移層材料可為吸取電子的金屬氧化物，且可特定地為8-羥基喹啉的金屬錯合物；包含Alq3的錯合物；包含Liq的錯合物；LiF；Ca；氧化鈦(TiOx)；氧化鋅(ZnO)；碳酸銫(Cs2CO3)等，但不限於此。
可藉由將光活性材料(如電子提供者和/或電子接受者)溶於有機溶劑中，及之後藉方法(如旋塗法、浸塗法、網板印刷、噴塗、刮刀和刷印)塗覆所得溶液，而形成光活性層，但該方法不限於此。
以下實例將特定描述根據本說明書之例示具體實施例，有機光伏打電池之製造。但是，以下實例用以說明本說明書，但本說明書之範圍不限於此。
電子接受者(PCBM)的表面能量之變化與所添加的表面能量的量之關係示於以下的表1。
藉由測定與離子化的水和甘油此二種溶劑之接觸角度而得知表面能量。
可證實，電子提供者(P3HT)的表面能量是32.3毫牛頓/米，當包含降低表面能量之官能基的化合物(2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺)以0.25重量%至1重量%的量添加時，此類似於電子接受者。由於電子提供者的表面能量與電子接受者的表面能量相類似，所以電子提供者和電子接受者可均勻地分佈於光活性層內部。
光活性層的表面糙度變化與所添加的表面能量的量之關係示於以下的表2。此糙度係藉由使用AFM(原子力顯微術)測得。
在包含電子提供者(P3HT)和電子接受者(PCBM)的光活性層中，熱處理之後，兩種材料的區域尺寸變大，藉此降低電子接受者和電子提供者的接觸面積。
當電子提供者、電子接受者、和包含降低表面能量之官能基的化合物(2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺)以0.25重量%至1重量%的量含括時，可證實各材料的區域尺寸降低，藉此降低表面糙度。此情況中，介於電子提供者和電子接受者之間的表面接觸面積提高。
在電子提供者(P3HT)中的硫原子和在電子接受者(PCBM)中的氧原子之比係藉二次離子質譜術(SIMS)
測定。
圖1係說明根據包含降低電子接受者之表面能量的官能基之化合物的含量，在P3HT/PCBM膜表面上的硫/氧原子的相對比之圖。
如圖1所示者，未含括包含降低表面能量之官能基的化合物之光活性層的膜表面所具有的硫/氧原子比接近2倍。可證實，電子提供者(P3HT)存在於表面上。當含括包含降低表面能量之官能基的化合物時，可證實硫/氧的比降低。可證實，在包含降低表面能量之官能基的化合物(2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺)的含量在0.25重量%至1重量%的範圍內，在光活性層表面上的硫和氧含量彼此類似。可證實電子接受者和電子提供者均勻分佈。
欲清潔圖案化的ITO玻璃(表面電阻約125歐姆/平方，Shinan SNP Co.,Ltd.)基板表面，以超音波方式，依序使用清潔劑(Alconox，Aldrich，USA)、丙酮和異丙醇(IPA)各20分鐘，清潔此基板，殘留的水以氮完全吹除，之後，基板在加熱板上於120℃乾燥10分鐘，以完全移除濕氣。當圖案化的ITO基板完全清潔之後，表面在UVO清潔器(韓國Ahtech LTS)中經親水性改質達10分鐘。
異丙醇(IPA)與聚(3,4-伸乙基二氧噻吩)：聚(4-苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS_Clevious P AI 4083)以1：2的比混合之後，此混合物以約30奈米的厚度旋塗，之後在加熱板上，於180℃進行為時12分鐘的熱處理。
使用聚-3-己基噻吩(P3HT)作為電子提供者，及使用[6,6]-苯基C60-丁酸甲酯(PCBM)作為電子接受者。以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以0.25重量%的量添加至光活性層材料(其中，P3HT和PCBM(60)以1：1的重量比混合)中，此混合物溶於溶劑(其中，1,2-二氯苯和氯苯以9：1的比混合)，所得溶液旋塗於PEDOT：PSS層的上部，以形成230奈米厚的光活性層。
製造光活性層之後，在熱澱積裝置內，Ca以3奈米的厚度澱積，鋁電極以100奈米的厚度澱積，藉此製造面積為0.04平方公分的有機光伏打電池。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製
造光活性層的期間內，以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以0.5重量%的量混合。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製造光活性層的期間內，以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以1重量%的量混合。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製造光活性層的期間內，以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以3.0重量%的量混合。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製造光活性層的期間內，以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以5.0重量%的量混合。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製造光活性層的期間內，以PCBM重量計，2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺以10.0重量%的量混合。
以與實例1相同的方式進行此製程，但在製造光活性層的期間內，未添加2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺。
欲測定實例1至6和比較例1製造之有機光伏打電池的電-光學特性，在標準條件(Air mass 1.5 Clobal，100毫瓦特/平方公分)下，使用Oriel太陽能模擬器(AAA等級)測定電流-電位密度。
有機光伏打電池的光短路電流密度(JSC)、光開啟電路電位(VOC)、充填因子(FF)和能量轉換效率示於以下的表3。
此情況中，充填因子係以最大功率點的電位值(Vmax)*電流密度(Jmax)/(Voc*JSC)計算，而能量轉換效率係以FF*(JSC*VOC)/Pin，Pin=100[毫瓦特．平方公分]計算。
表1中，含量係2,2,3,3,4,4,4-七氟-N-苯基-丁醯胺相較於電子接受者(PCBM)之含量，JSC是指短路電流密度，FF是指充填因子，而PCE是指光電轉換效率。開啟電路電位和短路電流分別是電位-電流密度曲線的第四象限中之X-軸和Y軸的截點，且隨著這兩個值的變高，光伏打電池的效率較佳地提高。此外，充填因子係藉由將曲線內可繪出之矩形的寬度除以短路電流和開啟電路電位的乘積所得的值。當這三個值除以照射光強度時，可得到能量轉換效率，較高的值為較佳者。
如表1所示者，比較例1的光電轉換效率是3.2%，而添加了包含降低表面能量之官能基的化合物之實例1至6的光電轉換效率提高。特別地，當包含降低表面能量之官能基的化合物的含量為0.25重量%至1重量%
時，證實光電轉換效率提高約25%或更高。此外，當添加包含降低表面能量之官能基的化合物時，證實短路電流密度亦提高。
Claims (20)
- 一種有機光伏打電池，其包含：第一電極；面對該第一電極的第二電極；和介於該第一電極和該第二電極之間的光活性層，其中該光活性層包括電子接受者、電子提供者、和包含降低表面能量之官能基的化合物。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物降低該電子接受者的表面能量。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該降低表面能量的官能基係含有至少一個氟基(F)的基團。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該電子接受者的表面能量與該電子提供者的表面能量差為0.1%至30%。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物於常溫為固體。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物係藉以下式1表示的化合物： [式1]Ar-L-R其中，Ar是經取代或未經取代的芳基；或經取代或未經取代的雜環基，L是直接鍵；經取代或未經取代的二價醯胺基；經取代或未經取代的伸烷基；經取代或未經取代的伸芳基；或經取代或未經取代之包含N、O和S原子中之一或多者的二價雜環基，和R是具1至20個碳原子的烷基，其經至少一個氟基取代。
- 如申請專利範圍第7項之有機光伏打電池，其中該藉式1表示的化合物係藉以下式1-1至1-5中之任一者表示的化合物：
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該光伏打層具有60奈米至300奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中相較於未包含該包含降低表面能量之官能基的化合物之情況，該光活性層的表面糙度降低30%至55%。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該電子提供者和該電子接受者的重量比是1：0.5至1：5。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中 該有機光伏打電池進一步包含介於該第一電極和該光活性層之間的電洞轉移層和電洞注入層中之一或多者。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池，其中該有機光伏打電池進一步包含介於該第二電極和該光活性層之間的電子轉移層或電洞轉移層。
- 一種光活性層，其包含：電子接受者和電子提供者，其中該光活性層進一步包括包含降低表面能量之官能基的化合物。
- 如申請專利範圍第14項之光活性層，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物降低該電子接受者的表面能量。
- 如申請專利範圍第14項之光活性層，其中該包含降低表面能量之官能基的化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
- 如申請專利範圍第14項之光活性層，其中相較於未包含該包含降低表面能量之官能基的化合物之情況，該光活性層的表面糙度降低30%至55%。
- 如申請專利範圍第14項之光活性層，其中該電子接受者的表面能量與該電子提供者的表面能量差為0.1%至30%。
- 一種製造有機光伏打電池之方法，該方法包含：製造基板；在該基板的區域中形成第一電極； 在該第一電極的上部形成包含光活性層的有機材料層；和在該有機材料層的上部形成第二電極，其中該光活性層包含電子接受者、電子提供者、和包含降低該電子接受者的表面能量之官能基的化合物。
- 如申請專利範圍第19項之方法，其中該包含降低電子接受者的表面能量之官能基的化合物的存在量以該電子接受者重量計為0.25重量%至1重量%。
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