TW201512239A - 用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，包含以下步驟：A.製備重量百分濃度為0.001%至40 %之一聚噻吩溶液；B.製備重量百分濃度為0.01%至10%之一碳奈米材料溶液，並添加重量百分濃度為0.001%至5%之一分散劑，以形成一碳奈米材料分散溶液；C.將該碳奈米材料分散溶液逐步加入該聚噻吩溶液，並在溫度為攝氏負10度至攝氏45度之間的環境下靜置20分鐘至400分鐘，使聚噻吩被碳奈米材料表面吸附，並結晶化堆疊形成一聚噻吩奈米晶柱。藉此，由於該聚噻吩奈米晶柱具有高順向性及高結晶性的特性，因此有助於提升有機太陽能面板的光轉換效率。
Description
本發明係有關於一種用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法，特別係指透過具有高順向性及高結晶度的聚噻吩奈米晶柱，以提高有機太陽能面板的光轉換效率。
按，目前有機太陽能面板主動層材料，主要係利用聚噻吩 (P3HT) 與碳奈米材料 (如奈米碳球 (PCBM) 、奈米碳管 (SWCNT、MWCNT) 或其混合物)混摻溶解在有機溶劑中，隨後塗佈成異質接面結構 (BHJ) 之主動層，並隨後利用熱處理技術提高有機太陽能面板主動層結構。
有關於用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法的先前技術，有如中華民國發明專利公開號第201316582號「有機薄膜太陽能電池及其製造方法」中，利用代表性之有機太陽能電池之一為液體之濕式溶液經由塗佈等所形成之高分子等之固體之有機薄膜的有機太陽能電池，以作為光電變換層，係經由相分離而使此等複數之成分分離的塊材異質接面(BHJ)層之構造。
先前技術利用相分離技術所製備之主動層中，聚噻吩分子將自組裝形成三次元網狀結構的聚噻吩奈米鬚，惟利用此方式所製備的聚噻吩奈米晶鬚結構的結晶度極低(請配合參閱第七圖及第八圖所示)，即使透過後續熱處理製程也無法有效提高聚噻吩奈米晶鬚的結晶度，因此導致利用此技術所製備的有機太陽能面板光轉換效率僅位於2%至5%之間。
爰此，本發明提出一種用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法，利用本發明所製備出的聚噻吩奈米晶柱作為施體材料，而於網狀高順向性與高結晶度的聚噻吩奈米晶柱結構中，填充作為受體材料的奈米碳球、奈米碳管或石墨烯之任一或其混合物，以提高電子電洞對的分離及傳動，進而提升有機太陽能面板的光轉換效率。
本發明之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，包含有以下步驟：A.將聚噻吩溶解在一第一有機溶劑中，以製備重量百分濃度為0.001%至40%之一聚噻吩溶液；B.將一碳奈米材料置入於一第二有機溶劑，以製備重量百分濃度為0.01%至10%之一碳奈米材料溶液，並於該碳奈米材料溶液中添加重量百分濃度為0.001%至5%之一分散劑，以形成一碳奈米材料分散溶液；C.將該碳奈米材料分散溶液逐步加入該聚噻吩溶液，並在溫度為攝氏負10度至攝氏45度之間的環境下靜置20分鐘至400分鐘，使該聚噻吩溶液中的聚噻吩被該碳奈米材料分散溶液中的碳奈米材料表面吸附，並結晶化堆疊形成一聚噻吩奈米晶柱，其中該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.01至1比10之間。
其中，該第一有機溶劑及該第二有機溶劑係為甲苯、二甲苯或氯仿之任一或其混合，而甲苯、二甲苯或氯仿之任二的混合體積比由0.01比1.0至1.0比0.01之間。
其中，該碳奈米材料係為石墨烯、奈米碳球或奈米碳管之任一或其混合。
其中，該分散劑係為萘、蒽、菲、烴鏈取代萘、烴鏈取代蒽、烴鏈取代菲、氧化烴鏈取代萘、氧化烴鏈取代蒽或氧化烴鏈取代菲之任一或其混合。
在執行步驟C之後，進一步執行包括有以下步驟：D.將該聚噻吩奈米晶柱自該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合溶液中取出，並以一中性有機溶劑去除未吸附結晶於該聚噻吩奈米晶柱上的聚噻吩，其中該中性有機溶劑係為環己烷或甲基環己烷；E.再將以該中性有機溶劑處理過後之該聚噻吩奈米晶柱置入於包含有聚噻吩以及奈米碳管、石墨烯或奈米碳球之任一或其混合之一混合溶液中，使奈米碳管、石墨烯或奈米碳球填充於該聚噻吩奈米晶柱之間。
其中，該混合溶液係包含有奈米碳管、石墨烯及奈米碳球，且奈米碳管、石墨烯及奈米碳球的混合比係0.1比0.1比1至1比1比1至10比10比1，較佳地係0.2比0.3比1或0.4比0.2比1。
其中，該聚噻吩奈米晶柱直徑係介於1奈米至20奈米之間、介於20奈米至100奈米之間或介於100奈米至500奈米之間之任一。
其中，該聚噻吩奈米晶柱長度係介於20奈米至100奈米之間、介於100奈米至500奈米之間或介於500奈米至50微米之間之任一。
本發明的功效在於：本發明之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法所製備出的聚噻吩奈米晶柱，由於其具有高順向性及高結晶性的特性，因此作為異質接面結構主動層中的施體材料，有助於提高電子電洞對的傳輸效率並進一步提升有機太陽能面板的光轉換效率。
綜合上述技術特徵，本發明用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
首先，請參閱第一圖所示，係為本發明之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱及其製備方法的較佳實施例，本發明之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法包含有以下步驟：
A.將聚噻吩溶解在一第一有機溶劑中，以製備重量百分濃度為 0.001% 至 40% 之一聚噻吩溶液，其中該第一有機溶劑係為甲苯、二甲苯或氯仿之任一或其混合，而甲苯、二甲苯或氯仿之任二的混合體積比由 0.01 比 1.0 至 1.0 比 0.01 之間；於本實施例中係將聚噻吩溶解在二甲苯中，並配製出重量百分濃度為 0.1% 至 5% 的該聚噻吩溶液。
B.將一碳奈米材料置入於一第二有機溶劑，以製備重量百分濃度為 0.01% 至 10% 之一碳奈米材料溶液，其中該第二有機溶劑係為甲苯、二甲苯或氯仿之任一或其混合，而甲苯、二甲苯或氯仿之任二的混合體積比由 0.01 比 1.0 至 1.0 比 0.01 之間，於本實施例中該第二有機溶劑係使用與該第一有機溶劑相同的二甲苯，並於該碳奈米材料溶液中添加重量百分濃度為 0.001% 至 5% 之一分散劑，以形成一碳奈米材料分散溶液，其中該碳奈米材料係為石墨烯、奈米碳球或奈米碳管之任一或其混合，於本實施例中係將石墨烯置入二甲苯中，而該分散劑係為萘、蒽、菲、烴鏈取代萘、烴鏈取代蒽、烴鏈取代菲、氧化烴鏈取代萘、氧化烴鏈取代蒽或氧化烴鏈取代菲之任一，藉由添加該分散劑以提升石墨烯在該第二有機溶劑中的分散性。
C.將該碳奈米材料分散溶液逐步加入該聚噻吩溶液，並在溫度為攝氏負10度至攝氏45度之間的環境下靜置20分鐘至400分鐘，使該聚噻吩溶液中的聚噻吩被該碳奈米材料分散溶液中的碳奈米材料表面吸附，並結晶化堆疊形成一聚噻吩奈米晶柱(請配合參閱第二圖所示)，且前述聚噻吩奈米晶柱彼此會以交叉穿透方式堆疊形成網狀結構(請配合參閱第三圖所示) ，再請配合參閱第四圖所示，顯示該聚噻吩奈米晶柱內部微細結構呈現高順向性及高結晶性，其中該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.01至1比10之間，於本實施例中該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.4至1比1.6之間。
請配合參閱第五圖及第六圖所示，第六圖中定義有三個軸向，分別係為a軸向、b軸向及c軸向，聚噻吩吸附在石墨烯表面（Ａ）形成一晶板（Ｂ），前述晶板（Ｂ）並沿著a軸向及b軸向堆疊形成前述聚噻吩奈米晶柱，其中b軸向上的前述晶板（Ｂ）彼此間的間距（ｄ）為0.34奈米，而a軸向上的前述晶板（Ｂ）彼此間的間距（ｔ）為1.67奈米。
要特別說明的是，該聚噻吩奈米晶柱直徑可由該聚噻吩溶液的濃度以及該碳奈米材料分散溶液中碳奈米材料的含量所控制，當重量百分濃度為 0.1% 至 0.5% 的該聚噻吩溶液與重量百分濃度為 0.01% 至 10% 的該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.8至1比1.6之間，該聚噻吩奈米晶柱直徑係介於1奈米至20奈米之間；當重量百分濃度為 0.5% 至 1% 的該聚噻吩溶液與重量百分濃度為0.01%至 10% 的該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.4至1比1之間，該聚噻吩奈米晶柱直徑係介於20奈米至100奈米之間；當重量百分濃度為 1% 至 5% 的該聚噻吩溶液與重量百分濃度為 0.01% 至 10% 的該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.4至1比1之間，該聚噻吩奈米晶柱直徑係介於100奈米至500奈米之間。而該聚噻吩奈米晶柱長度則係由放置環境溫度及老化時間所控制，當放置環境溫度為攝氏35度至攝氏45度之間、老化時間為20分鐘至400分鐘，該聚噻吩奈米晶柱長度係介於10奈米至100奈米之間；當放置環境溫度為攝氏10度至攝氏30度之間、老化時間為20分鐘至120分鐘，該聚噻吩奈米晶柱長度係介於100奈米至500奈米之間；當放置環境溫度為攝氏負10度至攝氏10度之間、老化時間為20分鐘至240分鐘，該聚噻吩奈米晶柱長度係介於500奈米至50微米之間。
D.將該聚噻吩奈米晶柱自該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合溶液中取出，並以一中性有機溶劑去除未吸附結晶於該聚噻吩奈米晶柱上的聚噻吩，其中該中性有機溶劑係為環己烷或甲基環己烷，於本實施例中係使用甲基環己烷。
E.再將以該中性有機溶劑處理過後之該聚噻吩奈米晶柱置入於包含有聚噻吩以及奈米碳管、石墨烯或奈米碳球之任一或其混合之一混合溶液中，使奈米碳管、石墨烯或奈米碳球填充於該聚噻吩奈米晶柱之間，以製備出一異質接面結構的主動層材料，於本實施例該混合溶液中係包含有奈米碳管、石墨烯及奈米碳球，且奈米碳管、石墨烯及奈米碳球的混合比係 0.1 比 0.1 比 1 至 1 比 1 比 1 至 10 比 10 比 1 ，較佳地係 0.2 比 0.3 比 1 或 0.4 比 0.2 比 1 。而此步驟所製備出之異質接面結構的主動層材料，可以旋轉塗佈、滴鑄法、網印、塗佈印刷，滾輪印刷或噴霧法等方式塗佈在一基板上，以於該基板上形成一異質接面結構的主動層。
本發明用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法所製備出的聚噻吩奈米晶柱，由於其具有高順向性及高結晶性的特性，因此作為異質接面結構主動層中的施體材料，有助於提升有機太陽能面板的光轉換效率。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
（Ａ）‧‧‧石墨烯表面
（Ｂ）‧‧‧晶板
（ｄ）‧‧‧間距
（ｔ）‧‧‧間距
（Ｂ）‧‧‧晶板
（ｄ）‧‧‧間距
（ｔ）‧‧‧間距
[第一圖]係為本發明之流程圖。 [第二圖]係為本發明聚噻吩奈米晶柱之電子顯微圖其一。 [第三圖]係為本發明聚噻吩奈米晶柱彼此以交叉穿透方式堆疊形成網狀結構之電子顯微圖其二。 [第四圖]係為本發明聚噻吩奈米晶柱內部微細結構呈現高順向性及高結晶性之電子顯微圖其三。 [第五圖]係為本發明聚噻吩奈米晶柱之電子顯微圖其四。 [第六圖]係為本發明聚噻吩奈米晶柱形成於石墨烯表面之示意圖。 [第七圖]係為習知技術製備出之聚噻吩奈米晶鬚之電子顯微圖其一。 [第八圖] 係為習知技術製備出之聚噻吩奈米晶鬚之電子顯微圖其二。
Claims (9)
- 一種用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，包含有以下步驟： A.將聚噻吩溶解在一第一有機溶劑中，以製備重量百分濃度為0.001%至40%之一聚噻吩溶液； B.將一碳奈米材料置入於一第二有機溶劑，以製備重量百分濃度為0.01%至10%之一碳奈米材料溶液，並於該碳奈米材料溶液中添加重量百分濃度為0.001%至5%之一分散劑，以形成一碳奈米材料分散溶液； C.將該碳奈米材料分散溶液逐步加入該聚噻吩溶液，並在溫度為攝氏負10度至攝氏45度之間的環境下靜置20分鐘至400分鐘，使該聚噻吩溶液中的聚噻吩被該碳奈米材料分散溶液中的碳奈米材料表面吸附，並結晶化堆疊形成一聚噻吩奈米晶柱，其中該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合比介於1比0.01至1比10之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，其中該第一有機溶劑及該第二有機溶劑係為甲苯、二甲苯或氯仿之任一或其混合，而甲苯、二甲苯或氯仿之任二的混合體積比由0.01比1.0至1.0比0.01之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，其中該碳奈米材料係為石墨烯、奈米碳球或奈米碳管之任一或其混合。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，其中該分散劑係為萘、蒽、菲、烴鏈取代萘、烴鏈取代蒽、烴鏈取代菲、氧化烴鏈取代萘、氧化烴鏈取代蒽或氧化烴鏈取代菲之任一或其混合。
- 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，在執行步驟C之後，進一步執行包括有以下步驟： D.將該聚噻吩奈米晶柱自該聚噻吩溶液與該碳奈米材料分散溶液之混合溶液中取出，並以一中性有機溶劑去除未吸附結晶於該聚噻吩奈米晶柱上的聚噻吩，其中該中性有機溶劑係為環己烷或甲基環己烷； E.再將以該中性有機溶劑處理過後之該聚噻吩奈米晶柱置入於包含有聚噻吩以及奈米碳管、石墨烯或奈米碳球之任一或其混合之一混合溶液中，使奈米碳管、石墨烯或奈米碳球填充於該聚噻吩奈米晶柱之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，其中該混合溶液係包含有奈米碳管、石墨烯及奈米碳球，且奈米碳管、石墨烯及奈米碳球的混合比係0.1比0.1比1至1比1比1至10比10比1。
- 如申請專利範圍第6項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法，其中奈米碳管、石墨烯及奈米碳球的混合比係0.2比0.3比1或0.4比0.2比1。
- 一種使用如申請專利範圍第1項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法所製備出之聚噻吩奈米晶柱，其中該聚噻吩奈米晶柱直徑係介於1奈米至20奈米之間、介於20奈米至100奈米之間或介於100奈米至500奈米之間之任一。
- 一種使用如申請專利範圍第1項所述之用於有機太陽能面板之聚噻吩奈米晶柱之製備方法所製備出之聚噻吩奈米晶柱，其中該聚噻吩奈米晶柱長度係介於20奈米至100奈米之間、介於100奈米至500奈米之間或介於500奈米至50微米之間之任一。
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