TW201601363A - 有機薄膜太陽電池之串聯模組及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種有機薄膜太陽電池之串聯模組及其製作方法，其結構包含了由複數個導電區塊所組成之透明導電層、邊緣具有缺口之主動層、以及由複數個金屬區塊所組成之金屬層；本發明中的主動層為一個完整的層膜，其會透過開設於邊緣的缺口而暴露部分的透明導電層，並使金屬區塊得以透過該些暴露區域而接觸到鄰近之有機薄膜太陽電池之導電區塊，以達成有機薄膜太陽電池單體之串聯。本發明能在有限的空間下有效提升有機薄膜太陽電池模組的發電效率，對於未來有機薄膜太陽電池的發展與推廣有很大的幫助。
Description
本發明係關於一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，尤指一種具有特殊堆疊結構而可使有機薄膜太陽電池串聯時，將可發電面積作最佳化提升，並在現實應用的有限空間中，能有效提升每單位面積之發電量以符合電子產品需求之有機薄膜太陽電池之串聯模組及其製作方法。
有機薄膜太陽電池兼具質輕、可撓、透明、低成本、客製化設計性高與可適用於非真空全溶液大面積印刷塗佈製程等特點，近年來在再生能源的應用中享有一席之地，其發展趨勢備受學術界與業界矚目。
目前在製備具有串聯結構之有機薄膜太陽電池模組時，可參考第1圖，其係於基板90上設置複數個有機太陽電池之單體，每一個單體皆具有透明導電層91、電子傳輸層92、主動層93、電洞傳輸層94以及金屬層95之堆疊結構，且前述之電子傳輸層92、主動層93、電洞傳輸層94以及金屬層95於堆疊時具有微距位移之形式，其於鋪設時逐層位移，讓透明導電層91處的間隙得以被其他層面所填滿，並且於該處達成透明導電層91與金屬層95之接觸，使多個單體達成串聯。
具有此類串聯結構之有機薄膜太陽電池的有效發電區域AEff
如圖中所示，其很大程度受到透明導電層91處的間隙所影響。此有機薄膜太陽電池的受光照面有很大的面積浪費在不會產生電能之間隙，使得每單位面積的發電功率也受到了限制。為了避免模組發電面積的浪費，透明導電層91處的間隙會盡量縮小，但此時會造成層膜的位移距離相當小，因此在製備時也會面臨困難，尤其當應用於大面積溶液印刷製程上，如噴塗(spray coating)、噴墨(inkjet printing)與捲軸式(roll-to-roll)時，該些層膜的位移精確度並不容易掌握，而極小的位移誤差也有可能使電池之串聯關係被破壞而影響到發電效率。
因此，若能提出一種新穎的有機薄膜太陽電池之串聯模組，使發電模組單位面積的發電功率能夠提高，並且降低應用在大面積溶液印刷製程上的困難度，則對於有機薄膜太陽電池邁向商業化發展與推廣有很大的幫助。
本發明之主要目的，係提供一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其將有機薄膜太陽電池之陰極以及陽極之接觸位置移至整體結構之兩邊緣，透過於此兩邊緣具有鋸齒狀特徵的主動層而使相鄰之電池可達成陰極與陽極之接觸；並且藉此讓整體結構之中央區域具有較大的有效發電面積，使得電池的每單位面積發電量提高，因而有微型化電池模組，適用於未來小型電子元件之開發潛力。
本發明之另一目的，係提供一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其係為多個有機薄膜太陽電池串聯之結構，可依需要而透過串聯之數量來提高輸出電壓，於規劃運用上具有靈活性。
本發明之再一目的，係提供一種有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其可直接透過現有之蝕刻、非真空溶液印刷技術、蒸鍍等製備技術而完成，並不會增加額外的生產成本。
本發明之更一目的，係提供一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其可使層膜在設置時得一次性完整鋪設，不需使各層膜作微距位移，避免了習知技術在製備有機薄膜太陽電池時可能發生對位不準之偏差問題，也簡化了製程的複雜性。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，而其於結構上係至少包含：一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其係包含：一透明導電層，該透明導電層包含複數個導電區塊，該些導電區塊之間分別具有一第一間隙，且任一該些導電區塊之邊緣具有相對應之一第一側邊以及一第二側邊，該一側邊以及該第二側邊相交於該第一間隙；一主動層，設置於該透明導電層之上，且該主動層之邊緣具有複數個缺口，該些導電區塊於該第一側邊或該第二側邊透過該些缺口而分別且交錯地具有一第一暴露區或一第二暴露區暴露於該主動層之外；以及一金屬層，設置於該主動層之上，該金屬層包含複數個金屬區塊，該些金屬區塊之間分別具有一第二間隙，且該些金屬區塊分別具有一接觸部向同一側延伸，而在垂直方向上交疊(overlap)於該側相鄰之該第一間隙，並經交疊該第一間隙後自該些缺口向下延伸而接觸該些導電區塊之該第一暴露區或該第二暴露區；其中，該第一間隙以及該第二間隙為垂直對應。
10‧‧‧基板
20‧‧‧透明導電層
22‧‧‧導電區塊
24‧‧‧第一間隙
26‧‧‧第一側邊
27、27’‧‧‧第一暴露區
28‧‧‧第二側邊
29、29’‧‧‧第二暴露區
30‧‧‧電洞傳輸層
32‧‧‧缺口
40‧‧‧主動層
42‧‧‧缺口
50‧‧‧電洞傳輸層
52‧‧‧缺口
60‧‧‧金屬層
62‧‧‧金屬區塊
64‧‧‧第二間隙
66‧‧‧接觸部
90‧‧‧基板
91‧‧‧透明導電層
92‧‧‧電子傳輸層
93‧‧‧主動層
94‧‧‧電洞傳輸層
95‧‧‧金屬層
AEff‧‧‧有效發電區域
W‧‧‧寬度
第1圖：其係為先前技術之有機薄膜太陽電池之串聯模組之示意圖；
第2圖：本發明之有機薄膜太陽電池之串聯模組之示意圖；
第3圖：其係為本發明一較佳實施例模組於製作時，設置透明導電層於基板上之結構示意圖；
第4A圖：其係為本發明一較佳實施例模組於製作時，設置具缺口之電子傳輸層於透明導電層上之結構示意圖；
第4B圖：其係為本發明另一較佳實施例模組於製作時，設置不具缺口之電子傳輸層於透明導電層上之結構示意圖；
第5A圖：其係為本發明一較佳實施例模組於製作時，設置主動層於具缺口之電子傳輸層上之結構示意圖；
第5B圖：其係為本發明另一較佳實施例模組於製作時，設置主動層於不具缺口之電子傳輸層上之結構示意圖；
第6圖：其係為本發明一較佳實施例模組於製作時，設置電洞傳輸層於主動層上之結構示意圖；
第7圖：其係為本發明一較佳實施例模組於製作時，設置電洞傳輸層於主動層上之結構示意圖；
第8圖：其係為本發明一較佳實施例之俯視示意圖；以及
第9圖：其係為本發明一較佳實施例之俯視示意圖，用以呈現有效發電區域。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
首先，請參考第2圖，其係為本發明之有機薄膜太陽電池之串聯模組示意圖，其結構係包含：一基板10、一透明導電層20、一電子傳輸層30、一主動層40、一電洞傳輸層50、一金屬層60以及接觸部66。其中透明導電層20係設置於基板10之上，電子傳輸層30係設置於透明導電層20之上，主動層40係設置於電子傳輸層30之上，電洞傳輸層50係設置於主動層40之上，而金屬層60則是設置於電洞傳輸層50之上，又同時透過其所具有的接觸部66與透明導電層20接觸。上述層膜為有機薄膜太陽電池之常見之結構，而本發明之技術特徵在於各層膜之間的特殊佈局方式，以在最佳化發電面積的目的下完成金屬層60與透明導電層20之接觸。
配合參考第2圖以及第3~7圖依序所示之製備分解圖。如圖所示，設置於基板10上之透明導電層20係由複數個導電區塊22所組成，該些導電區塊22之間分別具有第一間隙24，且任一導電區塊22之兩側邊緣具有相對應之第一側邊26以及第二側邊28。此透明導電層20可透過蝕刻或雷射處理的方式形成前述之第一間隙24，此第一間隙24之寬度範圍係大於0mm，小於20mm，可以極小，只要使透明導電層20形成不互相接觸之導電區塊22即可。此些導電區塊22分別為單一有機薄膜太陽電池單體之陰極。
接續設置於透明導電層20之上之膜層可為主動層40，不過本發明在設置主動層40之前，請參考第4A圖，其係先設置了電子傳輸層30於透明導電層20之上。此電子傳輸層30係經圖案化處理而於邊緣具有複數個缺口32，使得位於下方的透明導電層20即便是被電子傳輸層30所覆蓋，其仍會暴露出部分表面而不被電子傳輸層30遮蔽。其中，鄰近於第一側邊26之區域為第一暴露區27，鄰近於第二側邊28之區域為第二暴露區29，兩者係於不同的導電區塊22依序且交錯地暴露出。另外，第4B圖係為本發明之另一實施例，其不於電子傳輸層30另以圖案化處理而設置缺口，而是直接將完整的電子傳輸層30形成於透明導電層20之上，而是直接將完整的電子傳輸層30形成於透明導電層20之上，使電子傳輸層30之邊緣與透明導電層20之邊緣對齊，這對太陽電池成品的發電效率並無明顯的影響，可為省略圖案化處理而減少製作工序的選擇之一。
電子傳輸層30之設置係出自於透明導電層20之表面形貌可能不平整，以及提升有機薄膜太陽電池之元件壽命，因此透過添加一層氧化物，例如氧化鋅(ZnO)作為修飾透明導電層20之表面及幫助傳遞電荷之用。另外，透明導電層20之第一間隙24會在電子傳輸層30設置時，被電子傳輸層30之材料所填滿。
電子傳輸層30之上則是主動層40。此主動層40經圖案化而於邊緣具有複數個缺口42，若位於下方的電子傳輸層30具有缺口32，如第5A圖所示，則此主動層40的邊緣係與電子傳輸層30之邊緣對齊，並且使透明導電層20的第一暴露區27以及第二暴露區29仍然保持不被遮蔽；而若電子傳輸層30不具有缺口，則如第5B圖所示，主動層40的缺口42係暴露出第一暴露區27’以及第二暴露區29’。
主動層40之功能係為吸收太陽光產生激子(電子電洞對)，激子分離產生電子與電洞兩種電荷，並傳遞電荷至相對應電極產生電流之處。其係由電子予體材料以及電子受體材料所混合而成，一種選擇是使用聚(3-己基噻吩) (Poly(3-hexyl-thiophene-2,5-diyl，下稱為P3HT)做為電子予體材料，而電子受體材料則係為[6,6]－苯基-C61
-丁酸甲酯 ([6,6]-phenyl-C61
-butyric acid methyl ester，下稱為PCBM)，形成P3HT/PCBM之組合，使得P3HT吸收光能後所形成之激子，漂移至P3HT與PCBM接面處分離為電子與電洞兩種電荷，進而將電子往陰極傳導、電洞往陽極傳導，產生電流。
在主動層40上設置金屬層60之前，可先設置一電洞傳輸層50。此電洞傳輸層50需經圖案化處理而於邊緣具有複數個缺口52，使得其邊緣與位於下方的主動層40對齊，維持第一暴露區27(或27’)以及第二暴露區29(或29’)之暴露。此電洞傳輸層50可為導電高分子，例如聚(3,4-乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)，用以幫助電洞傳遞。
電洞傳輸層50之上則是作為有機薄膜太陽電池陽極之金屬層60，此金屬層60是由複數個金屬區塊62所組成，這些經蒸鍍而形成的金屬區塊62之間分別具有第二間隙64，且這些金屬區塊62之接觸部66分別透過前述之缺口32、42、52而向下接觸透明導電層20之第一暴露區27或第二暴露區29，或者是透過缺口42、52而接觸第一暴露區27’或第二暴露區29’。更確切而言，單一金屬區塊62僅接觸第一暴露區27(或27’)或第二暴露區29(或29’)，並不會同時接觸到兩個暴露區域，且為了最佳化有效發電區域的面積，各個金屬區塊62是透過向同一側延伸的接觸部66而在垂直方向上交疊(overlap)於該側相鄰之第一間隙24後，自該些缺口向下、依序且交替地接觸於該側最臨近之導電區塊22之第一暴露區27(或27’)或第二暴露區29(或29’)。此些金屬區塊62分別為單一有機薄膜太陽電池之陽極。
此金屬層60當中的第二間隙64係與透明導電層當中的第一間隙24垂直對應，兩者的寬度可為相同，這即表示導電區塊22與金屬區塊62之至少有兩個側邊於垂直方向上係為切齊對準。請參考第8、9圖之俯視示意圖，由於有機薄膜太陽電池的有效發電區域AEff
為垂直方向上同時完備具有陰極、主動層、陽極之區域（如第9圖中以斜線表示之區域），因此本發明之結構可最大限度的提高有效發電區域AEff
，因為無法發電的第一間隙24／第二間隙64之寬度W已盡可能的縮小。換言之，本發明所設計之串聯結構係將各個有機薄膜太陽電池單體在不接觸的前提下並排，並使其間距縮小至極限，僅透過另外兩邊緣的主動層缺口設計而讓金屬層60當中的任一金屬區塊62得以與另一有機薄膜太陽電池單體的導電區塊22接觸，形成串聯之結構。
而除了前述提高有效發電區域的面積以外，本發明之串聯結構也大幅降低了有機薄膜太陽電池於串聯時的製作難度。本發明於設置電子傳輸層、主動層，或是進一步於主動層與金屬層之間，設置邊緣與主動層對齊之電洞傳輸層時，該些層膜可整面製作。也就是完整地將單一層面直接透過各種方式，例如大面積溶液印刷製程上之噴塗(spray coating)、噴墨(inkjet printing)與捲軸式(roll-to-roll)等方法將該些層膜一次性的鋪設，只要在兩側邊緣預留缺口而使部分透明電極層得以暴露即可，不需要在製作上述非電極之膜層時顧慮到微距位移的技術問題，不但降低了製作的技術門檻，也確保產品的品質，對於維持產品的良率也有所助益。
本發明於前述實施例中是以反式結構呈現，但本發明也適用於順式結構，也就是透明導電層(陽極)/電洞傳導層/主動層/電子傳導層/金屬層(陰極)之結構組成，而此時可選擇是否要設置缺口的膜層係為電洞傳導層，而非前述實施例中的電子傳導層。
綜上所述，本發明詳細揭示了一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其考量到有機薄膜太陽電池係於製備時，即一併完成將單體串聯結構之製作，因此透過設計單體之佈局，使電子傳輸層、主動層、電洞傳輸層不會完全覆蓋透明導電層，保留了部分透明導電層給鄰近電池單體的金屬層接觸；並且透過將前述保留用以接觸之區域移至邊緣，可使有機薄膜太陽電池在製作上的技術問題、有效發電區域不足的問題同時獲得解決。基於本發明所能提供之製作成本降低，以及單位面積發電效能提升，總結而言，本發明確實提供了一種充分展現經濟與實用價值之有機薄膜太陽電池之串聯模組及其製作方法。目前新型電子產品將朝向更輕更薄的方向前進，如穿戴式軟性電子、智慧卡等，未來的結合應用中勢必要在極為有限的空間中，最大化模組發電效率以取代現有裝載之電池。因此，提出一種新穎的有機薄膜太陽電池之串聯模組結構，在現實應用的有限空間中，能有效提升有機薄膜太陽電池模組的發電效率以符合電子產品需求，對於未來有機薄膜太陽電池的發展與推廣有很大的幫助。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧基板
20‧‧‧透明導電層
26‧‧‧第一側邊
28‧‧‧第二側邊
30‧‧‧電子傳輸層
40‧‧‧主動層
50‧‧‧電洞傳輸層
60‧‧‧金屬層
66‧‧‧接觸部
Claims (15)
- 【第1項】一種有機薄膜太陽電池之串聯模組，其係包含：
一透明導電層，該透明導電層包含複數個導電區塊，該些導電區塊之間分別具有一第一間隙，且任一該些導電區塊之邊緣具有相對應之一第一側邊以及一第二側邊，該一側邊以及該第二側邊相交於該第一間隙；
一主動層，設置於該透明導電層之上，且該主動層之邊緣具有複數個缺口，該些導電區塊於該第一側邊或該第二側邊透過該些缺口而分別且交錯地具有一第一暴露區或一第二暴露區暴露於該主動層之外；以及
一金屬層，設置於該主動層之上，該金屬層包含複數個金屬區塊，該些金屬區塊之間分別具有一第二間隙，且該些金屬區塊分別具有一接觸部向同一側延伸，而在垂直方向上交疊(overlap)於與該側相鄰之該第一間隙，並經交疊該第一間隙後自該些缺口向下延伸而接觸該些導電區塊之該第一暴露區或該第二暴露區；
其中，該第一間隙以及該第二間隙為垂直對應。 - 【第2項】如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其更包含一基板，該透明導電層係設置於該基板之上。
- 【第3項】如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其更包含一電子傳輸層，設置於該透明導電層與該主動層之間，該電子傳輸層之邊緣係與該主動層之邊緣對齊。
- 【第4項】如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其更包含一電子傳輸層，設置於該透明導電層與該主動層之間，該電子傳輸層之邊緣係與該透明導電層之邊緣對齊。
- 【第5項】如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其更包含一電洞傳輸層，設置於該金屬層與該主動層之間，該電洞傳輸層之邊緣係與該主動層之邊緣對齊。
- 【第6項】如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其中該第一間隙與該第二間隙之寬度係為相同，使該些導電區塊以及該些金屬區塊至少有兩側邊係為垂直對齊。
- 【第7項】如申請專利範圍第6項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組，其中該寬度係大於0mm，小於20mm。
- 【第8項】一種有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其係包含：
設置一透明導電層於一基板之上，該透明導電層經蝕刻或雷射處理而形成複數個導電區塊，該些導電區塊之間分別具有一第一間隙，且該透明導電層之邊緣具有相對應之一第一側邊以及一第二側邊，該一側邊以及該第二側邊相交於該第一間隙；
設置一主動層於該透明導電層之上，且該主動層之邊緣具有複數個缺口，使該些導電區塊於該第一側邊或該第二側邊透過該些缺口而分別且交錯地具有一第一暴露區或一第二暴露區暴露於該主動層之外；以及
蒸鍍一金屬層於該主動層之上，該金屬層包含複數個金屬區塊，該些金屬區塊之間分別具有一第二間隙，且該些金屬區塊分別具有一接觸部向同一側延伸，而在垂直方向上交疊於與該側相鄰之該第一間隙，並經交疊該第一間隙後自該些缺口向下延伸而接觸該些導電區塊之該第一暴露區或該第二暴露區；
其中，該第一間隙以及該第二間隙為垂直對應。 - 【第9項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其更於設置該主動層之前，設置一電子傳輸層於該透明導電層之上，該電子傳輸層之邊緣係與該透明導電層之邊緣對齊。
- 【第10項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其更於設置該主動層之前，設置一電子傳輸層於該透明導電層之上，該電子傳輸層之邊緣係與該主動層之邊緣對齊。
- 【第11項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其更於設置該金屬層之前，設置一電洞傳輸層於該主動層之上，該電洞傳輸層之邊緣係與該主動層之邊緣對齊。
- 【第12項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其中該主動層係透過噴塗、噴墨或捲軸式而形成。
- 【第13項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其中該些金屬區塊係交替地分別接觸該第一暴露區或該第二暴露區。
- 【第14項】如申請專利範圍第8項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其中該第一間隙與該第二間隙之寬度係為相同，使該些導電區塊以及該些金屬區塊至少有兩側邊係為垂直對齊。
- 【第15項】如申請專利範圍第14項所述之有機薄膜太陽電池之串聯模組之製作方法，其中該寬度係大於0mm，小於20mm。
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