TWI473313B - 具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池及其製備方法 - Google Patents

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Charn Ying Chen
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Chih Min Chuang
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Fan Hsuan Hsu
Chia Hsin Lee
Chi Yuan Chang
Yu Tsun Shao
Wei Fang Su
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具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池及其製備方法
本發明係關於一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池，尤其係關於一種利用奈米粒子調控主動層的塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池。
目前，由於石化資源的過度使用，人類的生存環境開始日益惡化，而為了解決能源問題，有越來越多人相繼投入太陽能電池之研發。
目前常見的有機太陽能電池，無論晶片型或薄膜太陽能電池，在成本與效能上仍有待改善的空間，相較之下，屬於較先端技術的高分子太陽能電池，其在製造成本上則擁有相對優勢，未來在提升電池效率與可靠度後，將有機會在市場上佔有一席之地。
同時，利用高分子化合物作為電子予體，及富勒烯衍生物作為電子受體的有機薄膜太陽能電池，是目前世界上最普遍及具潛力的高分子太陽能電池系統。舉例而言，採用高分子化合物P3HT作為電子予體及PCBM作為電子受體的有機薄膜太陽能電池，目前可達到的最高光電轉換效率為4~5%。
再者，具有塊材異質接面(BHJ,bulk heterojunction)結構之高分子太陽能電池(以下稱為有機薄膜太陽能電池)，其包含的電子予體與電子受體材料間所構成之奈米結構，對於有機薄膜太陽能電池之光電轉換效率有決定性的影響。
具體而言，在具有典型BHJ結構之有機薄膜太陽能電池中，電子予體相(以晶形電子予體為主)及電子受體相(以電子受體聚集顆粒為主)混掺形成有機薄膜太陽能電池之主動層中的兩相分離之雙連續相結構，其具有傳導電荷至相關電極及電荷分離作用，如果電子予體及電子受體因相分離所形成的兩相介面過於分散，即使兩者間有大量的接觸面積能提高電荷分離的機率，仍會因為不連續的兩相介面造成電荷傳遞之阻礙，進而使得光電轉換效率降低。
相對地，如果相分離所形成的兩相介面過於連續，則會造成電子予體及電子受體間的接觸面積太少，降低電荷分離的機率，進而降低光電流的產生，亦會降低光電轉換效率。
除此之外，主動層結構中的有序奈米結構以及主動層材料中的高分子化合物之結晶度，也會影響電荷在主動層中的傳遞性質(如：電子遷移率等)。
再者，有機薄膜太陽能電池的使用壽命常受到熱效應所限制。關於該熱效應之成因，其係由於在富勒烯衍生物混摻於高分子化合物之主動層結構系統中，當長時間使用有機薄膜太陽能電池時，富勒烯衍生物相會因為照光以及光電轉換時而產生熱效應，此一熱效應之形成係導致較不穩定的主動層結構，進而降低光電轉換效率。
為解決上述之問題，效率的調整與改進係取決於BHJ結構之型態及其形成過程之控制，最普遍之有效處理方式有兩種：其各為(1)溶劑退火和(2)熱退火，不過此兩種方式所造成的最佳化BHJ結構不同而且有限度。
而除了退火處理方式之外，其它提升效率的方式有(1)添加其他奈米粒子或物質(如染料)以增加光電吸收轉換效率，及(2)置入有次序之一奈米結構於主動層內，以強化原先BHJ結構的電荷傳導效應，此兩種方式以後者改進效率幅度最大，但由於後者的處理製程繁複，不易用於量產大面積製程，導致高成本與長工時的缺點而不符合經濟應用效益。
有鑑於前述習知技術之缺失，本發明之目的在於提供提升光電轉換效率與改善熱穩定性之有機薄膜太陽能電池，並具有製程更加簡易與合乎效益考量之優點。為達成上述之目的，首先，本發明於一具體實施例中係揭示一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池，包括由下至上依序堆疊之一第一電極、一主動層及一第二電極，其特徵在於：該主動層係由電子予體分子、電子受體分子及奈米粒子所構成，且該主動層具有一電子予體相結構、一電子受體相結構及一第三相結構所構成之網路結構，其中該電子予體相結構及電子受體相結構為典型BHJ結構的主要兩相；該第三相結構包含：散佈於網路狀第三相結構之間的奈米粒子，且該奈米粒子之重量佔主動層之重量具有一最佳比例、非晶形電子予體分子及呈高密度分佈之電子受體分子。
應了解的是，具有最佳比例之主動層係形成本發明之第三相結構，進而藉由該第三相結構提升有機薄膜太陽能電池之光電轉換效率。此外，上述之最佳比例應可涵蓋一恰當的範圍，並容許依據該主動層之電子予體分子及電子受體分子而有相應不同的範圍。
除此之外，該主動層具有複數個電子受體聚集顆粒，該等電子受體聚集顆粒藉由利用奈米粒子作為促進因子而團聚之電子受體分子所形成。
再進一步而言，各該電子受體聚集顆粒之平均團聚半徑係不小於3奈米。
而在本發明之另一具體實施例中，該主動層係經過一退火處理。
以上揭示的奈米粒子之直徑係可介於4奈米至5奈米之間。
更進一步而言，奈米粒子之重量佔該主動層之重量的最佳比例係為2.8×10-4 wt%。
此外，於本發明之具體實施例中，該電子予體分子係為P3HT，該電子受體分子係為PCBM，該奈米粒子係選自Cu2 S或CdSe之一者。
其次，本發明之另揭示一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池的效率及熱穩定性之調控方法，該有機薄膜太陽能電池具有(1)如上述之第三相結構及(2)被促進成長的電子受體聚集顆粒，藉由改變掺入的奈米粒子之直徑、調控該奈米粒子之重量佔該主動層之重量的比例或利用不同的奈米粒子之材料等方式，調整主動層中奈米粒子性質，以提升該有機薄膜太陽能電池之效率及熱穩定性。
最後，本發明之再揭示一種具塊材異質接面結構的有機薄膜太陽能電池之製備方法，其步驟包括：提供一第一電極；製備一主動層溶液，該主動層溶液包括電子予體分子、電子受體分子及奈米粒子；再利用該主動層溶液，在該第一電極上沉積並形成如上述有機薄膜太陽能電池之第三相結構；以及在該主動層上沉積並形成一第二電極。
綜上所述，本發明之特徵在於該第三相結構係不需要經過一熱退火處理即可提升各項元件表現，如電子遷移率、填充因子及光電轉換效率等，而完全不同於習知技術所採用的相分離調控策略，該策略須藉由熱退火處理或溶劑退火處理來形成奈米結構，抑或是將奈米粒子單純視為電子受體、光捕捉吸收子或光散射中心而添加至主動層中，由此可知，該等習知的技術僅僅針對傳統的電子予體相結構及電子受體相結構進行促進改良，導致其侷限在一般的兩相結構之調整，因而使得習知技術在光電轉換效率的改良上出現無法跨越的瓶頸。同時，習知技術的策略皆無法輕易完成本發明有效調控主動層的奈米結構。
是以，本發明具體實施例中係提供一種藉由添加奈米粒子至主動層中以控制及改進奈米BHJ結構之有機薄膜太陽能電池，其特徵在於：(1)添加奈米粒子後產生之主動層結構(P3HT/PCBM/奈米粒子)為自組裝的奈米BHJ結構，而在該具體實施例之有機薄膜太陽能電池除了具有典型退火處理類似效果的BHJ結構(即PCBM聚集顆粒大小及體積分率的有效提升)，並且更形成一額外的第三相網路結構(由奈米粒子/PCBM分子/非晶質P3HT分子組成)，此第三相網路結構可與電子受體相結構之PCBM相網路結合以強化電荷傳導及電流效率的提升。(2)可以再利用退火處理加強BHJ結構的PCBM相聚集以更進一步提升效率。基本上單獨退火處理與此奈米粒子調控所產生的結構不同，兩種可獨立操控對應結構，所得到的電荷傳導及效率提升為加成性效果，亦即奈米粒子調控結構方式，可使得傳統退火處理方式有進一步突破與提升效率及電流。
此外，本發明相較於傳統退火處理方式，除了效率的提升外，尚具以下優點：(1)其造成的第三相網路結構可以增加傳統熱退火處理形成的PCBM相熱穩定度，如此增加電池壽命可靠度。(2)快速簡單，(3)簡化製程手續及設備，(4)可以結合至各種量化量產製程方式。
為充分說明本發明之目的、特徵及功效，使本發明所屬技術領域中具有通常知識者能瞭解本發明之內容並可據以實施，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：
定義 [連接詞]
於本發明中，用語「包含」、「包括」、「具有」、「構成」或其任何變化均旨在涵蓋非排他性之包括。此外，「或」係指涵蓋性的「或」而非排他性的「或」。
[範圍]
於本發明中，若數量、濃度或其他數值或參數係以範圍、較佳範圍或一系列上限與下限表示，則其應理解成是特定揭露由任一對任何範圍之上限或較佳值與任何範圍之下限或較佳值構成之所有範圍，不論該等範圍是否有分別揭示。
[數值]
於本發明中，在可達成發明目的之前提下，數值應理解成具有該數字有效位數之精確度。舉例來說，數字40應理解成涵蓋從35.0至44.9之範圍，而數字40.0則應理解成涵蓋從39.50至40.49之範圍。
[連接關係]
於本發明中，構造、結構、元件、裝置或其他揭示的物品等使用用語「上/之上/上方」、「下/之下/下方」或其任何變化等以連接另一構造、結構、元件、裝置或物品係包含「直接接觸之連接」及兩者之間另間隔第三物品的「間接接觸之連接」兩種涵義。且在不影響本發明之連接關係所提供的功能下，而包含本發明所屬技術領域中所有可用於結合物品之間的技術，且並不特別侷限其形成的方法。舉例而言，該等連接關係之形成方法不必然僅限於「噴印」、「旋鍍」、「沉積」等方法，而是也可包含該等用語未清楚列出或固有的其他形成方法。
本發明之有機薄膜太陽能電池
一般而言，若無特別限制，本發明之有機薄膜太陽能電池係意指高分子太陽能電池。
請參考第1圖，在本發明之一具體實施例中提供一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池1，包含：一第一電極11；一主動層12，其具有奈米粒子調控塊材異質接面結構並設置於該第一電極11上；以及一第二電極13，其設置於該主動層12上。
該第一電極11與該第二電極13之材料係可使用鋁質或透明材質以形成可透光之電極。
該主動層12係由電子予體分子、電子受體分子及奈米粒子所構成，在該具體實施例中，電子予體分子可為聚(3-己烷噻吩)(P3HT,poly(3-hexylthiophene))或其他聚合物分子，電子受體分子可為6,6-苯基碳61丁酸甲酯(PCBM,(6,6)-phenyl C61-butyric acid methyl ester)或其他富勒烯衍伸物，而奈米粒子(NP,nanoparticle)之材料係選自Cu2 S或CdSe但不限於此，亦可選自其他無機/有機材料，在本發明中之奈米粒子除可作為調控結構之添加劑，亦可視為主動層中的PCBM以外之另一提供電子受體功能的物質。
再者，該主動層12具有一電子予體相結構、一電子受體相結構及一第三相結構所構成之網路結構，其中電子予體相結構與電子受體相結構係為一般塊材異質接面(BHJ,bulk heterojunction)結構所具備的基本相結構且分別由電子予體分子與電子受體分子所構成，且該電子予體相結構中包含晶形電子予體與非晶形電子予體分子，該電子受體相結構包含散佈的電子受體分子與奈米尺度團聚狀的電子受體聚集顆粒。
至於添加至主動層之奈米粒子係在形成主動層時，自然散佈於非晶形電子予體分子與電子受體分子間以構成一網路結構，而該電子予體分子與該網路結構形成交互作用進而產生本發明之第三相結構，意即該第三相結構包含奈米粒子、非晶形電子予體分子及高密度分佈之電子受體分子所共同形成之網路；換言之，本發明之主動層係為用於傳遞電荷之結構，該主動層除具有BHJ雙連續相分離之結構(電子予體相結構及電子受體相結構)之外，該第三相結構係為本發明所獨具之新穎結構。
具體而言，該第三相結構係包含：散佈於網路狀第三相結構之間的奈米粒子，且該奈米粒子之重量佔主動層之重量具有一最佳比例、非晶形電子予體分子及呈高密度分佈之電子受體分子。
此外，本發明所具有之複數個電子受體聚集顆粒，其在主動層形成相分離結構時，由散佈於電子予體分子含量較高區域中的電子受體分子擴散出來後所團聚而形成，雖然類似於習知退火處理後的BHJ結構之電子受體相結構所具有的電子受體聚集顆粒，但該等電子受體聚集顆粒係藉由利用溶液中之奈米粒子在主動層形成時的空間分佈與交互作用作為促進因子而引發形成，故該等電子受體聚集顆粒不論是個別的半徑大小或總體對於主動層所佔之體積分率都有顯著的提升，且不須利用習知技術繁複耗時的設備及加工，本發明所提供的簡單方法即可達到產生電子受體聚集顆粒相並產生相關電荷傳遞性質及光電轉換效率。
舉例而言，各該電子受體聚集顆粒之平均團聚半徑至少為3奈米，較佳係達到為3奈米至6奈米。
同時，第三相結構可與電子受體相結構結合以強化電荷傳導及提升電流傳輸效率，並藉此增加有機薄膜太陽能電池之主動層的熱穩定性。
此外，藉由添加奈米粒子而形成具有第三相結構之主動層可再利用熱退火處理或溶劑退火處理加強BHJ結構中電子受體相結構之電子受體分子的聚集以更進一步提升效率。基本上，單獨退火處理與此由奈米粒子調控所產生的結構不同，兩種可獨立操控對應結構，所得到的電荷傳導及效率提升為加成性效果，亦即利用奈米粒子調控結構之方式，可使得傳統退火處理方式有進一步突破與提升元件效率及電流傳輸。
另外，該第三相結構之形成及存在可抑制BHJ結構中電子受體相結構因持續受熱而導致持續相成長的行為，意即該第三相結構可加強電子受體相結構在受熱情況下之熱穩定性。
最後應注意的是，在可增加有機薄膜太陽能電池的功效之前提下，本發明係不限於以上揭露的電池結構，較佳之電池結構係可進一步在第一電極與主動層之間設置一電洞傳輸層，並在主動層與第二電極之間設置一電子傳輸層、一電洞阻擋層或一光學阻擋層；相對於前述態樣之結構，本發明之主動層亦可以應用在反式的塊材異質之電池結構中。
本發明有機薄膜太陽能電池之調控方法
在本發明之另一具體實施例中提供一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池的效率及熱穩定性之調控方法，該有機薄膜太陽能電池具有奈米粒子調控塊材異質接面結構之主動層，並藉由改變構成的奈米粒子之直徑、調控奈米粒子之重量佔該主動層之重量的比例或利用不同的奈米粒子之材料等主動層中奈米粒子性質之調整，以形成一第三相結構及促進電子受體相結構(及電子受體聚集顆粒)之成長及數目增加，提升該有機薄膜太陽能電池之效率及熱穩定性。
更進一步，為提供較佳功效，本發明之調控策略係針對奈米粒子之直徑與在主動層中的含量。
在本發明之一較佳具體實施例中，對於改變構成的奈米粒子之直徑之調控策略而言，該奈米粒子之直徑係可介於4奈米至5奈米之間；而對於調控重量比例之策略而言，一般而言，奈米粒子之重量佔該主動層之重量的比例係可介於1.0×10-5 wt%至1.0×10-2 wt%之間，其中最佳比例係為2.8×10-4 wt%。
本發明有機薄膜太陽能電池之製備方法
於本發明之再一具體實施例中，揭示一種具塊材異質接面結構的有機薄膜太陽能電池之製備方法，其操作流程如下：
[主動層溶液的製備]
首先，本發明所使用之Cu2 S或CdSe等具4~5奈米之奈米粒子一般而言，在此技術領域中具通常知識者皆可利用公知文獻或產業上普遍習知的技術而製成。
其次，製備未加入奈米粒子的電子予體分子與混合溶液，其中係以P3HT做為電子予體分子，而以PCBM做為電子受體分子：將10 mg具立體規則性之P3HT(Mw~63000)以及8 mg PCBM(Nano-C,Inc.)溶於0.5 mL氯苯中，於40℃下加熱攪拌2小時。
接著，結合奈米粒子與混合溶液以得到具不同奈米粒子含量之實施例主動層溶液(P3HT/PCBM/NP溶液)：將以不同重量之奈米粒子(Cu2 S或CdSe)皆各溶於0.5 mL的氯苯後，再各加入P3HT/PCBM溶液而配置成具不同奈米粒子的含量P3HT/PCBM/NP溶液。
此外，另配置未加入奈米粒子的比較例主動層溶液(P3HT/PCBM溶液)，其係僅包含溶於氯苯中之P3HT及PCBM，其中之重量比(P3HT：PCBM)為10：8。
[P3HT/PCBM及P3HT/PCBM/NP元件製備]
首先，將利用ITO(indium-tin-oxide)作為電極材料並包含玻璃基材之第一電極浸入一系列溶劑中以超音波震盪清洗，該等溶劑包括Ammonia(Fisher Scientific，35%)、H2 O2 (Acros，35%)、DI water、丙酮(acetone，Acros，95%)以及異丙醇(isopropanol，Acros，95%)。
清洗後的第一電極以氧電漿進行處理，將PEDOT：PSS((3，4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate),Baytron P 4083)以旋鍍方式沉積於第一電極上形成電洞傳輸層，其厚度約為40奈米，並在120℃烘箱內烘烤15分鐘，待冷卻後在該電洞傳輸層上以旋鍍方式沉積前述的主動層溶液以形成本發明之主動層。
而無論在沉積P3HT/PCBM溶液或是沉積P3HT/PCBM/NP溶液時，旋鍍參數均為每分鐘700轉，且形成的主動層之厚度均為80奈米。
接著，利用P3HT/PCBM溶液與P3HT/PCBM/NP溶液所製成的有機薄膜太陽能電池各為未完成之P3HT/PCBM元件與P3HT/PCBM/NP元件，兩種元件可進一步經過熱退火處理，該熱退火處理係分為前退火處理及後退火處理。
其中該前退火處理係在該主動層形成後於90℃下將元件進行熱處理15分鐘；然後於該等主動層之上，在小於2×10-6 torr真空度之環境下，利用熱蒸鍍的方式沉積鋁金屬以形成約100奈米之第二電極，藉此得到面積約為0.06 cm2 之有機薄膜太陽能電池。
最後，於第二電極沉積結束後，各元件再進行150℃下熱處理5分鐘之後退火處理即完成本發明之有機薄膜太陽能電池之製備。
本發明有機薄膜太陽能電池之測試與比較
以下，利用實施例之測試數據針對本發明功效進行更具體的說明，惟本發明並不僅侷限於以下實施例。
利用前述製備方法之流程，製成六種實施例元件(P3HT/PCBM/NP元件)與兩種比較例元件(P3HT/PCBM元件)，該等元件結構性質經量測所得之數值係如以下表1所示：
[表1]各元件之奈米粒子含量、PCBM聚集顆粒之體積分率(η P )、PCBM聚集顆粒之平均團聚半徑(R)及主動層之電子遷移率(μe )及光電轉換效率(PCE)
其中，BL係為典型P3HT及PCBM所構成之薄膜，其係作為對照比較例元件與實施例元件的基準；而其他元件經過空間電荷限制電流(SCLC)而得到電子遷移率，並以掠角X光小角度散射(GISAXS)偵測一PCBM/非晶形P3HT區域之結構以及PCBM聚集顆粒，而利用掠角X光廣角散射(GIWAXS)偵測一晶形P3HT區域之結構。
該等實施例元件的主動層中各成分之重量比(P3HT：PCBM：NP)係分為三種類別，在HY_L、HY_M及HY_H元件中之重量比依序各為10：8：0.01、10：8：0.05及10：8：0.5，而對應之奈米粒子在主動層中的含量依序各為5.6×10-5 、2.8×10-4 及2.7×10-3 wt%；另外，該比較例元件(BL元件)，其主動層並無添加奈米粒子，而其各成分之重量比(P3HT：PCBM)為10：8。
具相同奈米粒子含量之元件則可區分成有無經過熱退火處理兩種態樣，其於元件代號後方附加「_A」作為區別，例如：BL代表未經熱退火處理之比較例元件，而BL_A則代表經過熱退火處理之比較例元件。
由表1中可看出，未經熱退火處理之元件中，包含奈米粒子之實施例元件相較於不具奈米粒子之比較例元件而有更高的電子遷移率及光電轉換效率，同時該等實施例元件亦皆具有較大的平均團聚半徑(R)，其中含有2.8×10-4 wt%奈米粒子之HY_M具有較大的體積分率(η P =11.8%)與平均團聚半徑(R=3.9奈米)，因而具備較佳的電子遷移率(μe =1.0×10-6 cm2 /Vs)及光電轉換效率(PCE=1.7%)，而相較於BL所具有之光電轉換效率(PCE=1.1%)而言，由於HY_M具有最佳比例(2.8×10-4 wt%)之奈米粒子，故可形成本發明第三相結夠，進而顯著提升有機薄膜太陽能電池之光電轉換效率。
另外，表1中η P 及R值對於熱退火前後所造成的功效提升，可藉由比較HY_M實施例元件與HY_M_A實施例元件兩者之數值而得到驗證；再者，相對於表1中熱退火後的BL_A比較例元件之ηP 及R值，熱退火後的HY_M_A之實施例元件之η P 及R值皆顯示出其電子受體相結構之熱穩定性有顯著地加強。而在所有實施例元件中，HY_M_A係具有最佳的光電轉換效率(4.3%)及熱穩定性，其原因在於HY_M_A具有最佳之成份比，過少奈米粒子含量之元件(HY_L)顯示出其效果不足，過多奈米粒子含量之元件(HY_H)顯示出其中的奈米粒子反而破壞原先應有的電子受體相結構，故奈米粒子之最佳成份值對於元件之功效表現為一重要影響因素。
以下請同時參照由綜合測量數據而呈現的實際結構狀態之第2圖及第3圖，其中第2圖係為表1中的BL之主動層結構示意圖，第3圖係為表1中HY_M之主動層結構示意圖。
於第2圖中，由PCBM及P3HT所構成的BL之主動層22係包含電子受體聚集顆粒221(由PCBM團聚而形成)、電子受體分子223(PCBM)、非晶形電子予體分子224(P3HT)與晶形電子予體225(P3HT)，並由該等物質構成PCBM相結構及P3HT相結構；其中P3HT依據其晶化狀態而分為該非晶形電子予體分子224與該晶形電子予體225兩種狀態。
於第3圖中，由PCBM、P3HT及奈米粒子所構成的HY_M之主動層32係同時包含被奈米粒子促進成長之電子受體聚集顆粒321(由PCBM團聚而形成)、奈米粒子322、電子受體分子323(PCBM)、非晶形電子予體分子324(P3HT)與晶形電子予體325(P3HT)，並由該等物質構成PCBM相結構、P3HT相結構及第三相結構326相互交織之網路結構，其中該第三相結構326包含奈米粒子322、電子受體分子323(PCBM)及非晶形電子予體分子324(P3HT)；又，該PCBM相結構之電子受體聚集顆粒321與第三相結構係加成性地提升電荷傳遞效果；而為詳細表示本發明之第三相結構326，請參考第4圖，圖中係表示第3圖中所包含之第三相結構326的局部放大圖；此外，在第3圖及第4圖中，h+ 係代表光電轉換時所傳輸之電洞而e- 則代表電子。
再請比對第2圖及第3圖，HY_M(具有最佳奈米粒子添加量之元件)與BL之差異在於：
(1)HY_M具有奈米粒子322而BL並未含有奈米粒子；
(2)HY_M之電子受體分子323與奈米粒子交互作用形成高密度之網狀分布(即第三相結構326)；
(3)電子受體聚集顆粒321具有較大之半徑；及
(4)HY_M之第三相結構326與PCBM相結構呈現較緊密之穿插結構。
由以上幾點皆可明顯看出，有無添加奈米粒子對於主動層結構之顯著影響，尤其對於高效率電子傳輸通道之形成而言，其所提供之傳輸效率係取決於電子受體在主動層中聚集及密度網狀結構的程度而定，故本發明之電子受體聚集顆粒321係具有極佳的電子傳輸效果而使得光電轉換效率大幅提升。
應注意的是，主動層32除了經由互相連接的PCBM聚集顆粒之途徑(如淺色虛線所示)以傳輸電子，更可經由第三相結構326中所促成之通道(如深色虛線所示)以傳輸電子，而該通道包含奈米粒子/PCBM分子/非晶形P3HT(即第三相結構326)以及與其偶合之互連PCBM聚集顆粒。
且由於HY_M之第三相結構326與PCBM相結構之緊密交織，使得該第三相結構326可於熱效應發生時有效地束縛住該PCBM相結構，進而穩定整體主動層32之結構。
再者，將表1中製作完成的有機薄膜太陽能電池於100 mW/cm2 的A.M. 1.5模擬太陽光下進行電流-電壓曲線的量測，量測而得之數據與計算而得之參數係如以下表2所示：
[表2]各元件之開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)及光電轉換效率(PCE)之表現
同樣地，由上表所提供的光電轉換效率之數據可看出，實施例元件皆具有良好的表現，尤其是對照HY_M_A(4.3%)與BL_A(3.5%)，含有奈米粒子的元件之數據係增加23%的幅度，再次佐證本發明之有機薄膜太陽能電池具有極佳的功效。
再者，在本發明所屬技術領域具有通常知識者應瞭解的是，基於上述實施例元件之表現與數據的趨勢，可合理預期含量在1.0×10-5 wt%至1.0×10-2 wt%之間皆具有良好表現，而不應僅限於所操作或量測之實施態樣。
據此，本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
1．．．有機薄膜太陽能電池
11．．．第一電極
12．．．主動層
13．．．第二電極
22．．．主動層
221．．．電子受體聚集顆粒
223．．．電子受體分子
224．．．非晶形電子予體分子
225．．．晶形電子予體
32．．．主動層
321．．．電子受體聚集顆粒
322．．．奈米粒子
323．．．電子受體分子
324．．．非晶形電子予體分子
325．．．晶形電子予體
326．．．第三相結構
h+ ．．．電洞
e- ．．．電子
第1圖係為本發明具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池的層狀結構示意圖。
第2圖係為無添加奈米粒子的比較例元件之主動層結構示意圖。
第3圖係為本發明添加奈米粒子的實施例元件之主動層結構示意圖。
第4圖係表示第3圖中所包含之第三相結構局部放大圖。
322．．．奈米粒子
323．．．電子受體分子
324．．．非晶形電子予體分子
326．．．第三相結構
e- ．．．電子

Claims (16)

  1. 一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池，包括由下至上依序堆疊之一第一電極、一主動層及一第二電極，其特徵在於：該主動層係由電子予體分子、電子受體分子及奈米粒子所構成，且該主動層具有一電子予體相結構，其包含晶形電子予體與非晶形電子予體分子；一電子受體相結構，其包含電子受體分子與電子受體聚集顆粒；以及一第三相結構所構成之網路結構，該第三相結構包含：散佈於網路狀第三相結構之間的奈米粒子，且該奈米粒子之重量佔主動層之重量具有一最佳比例；非晶形電子予體分子；及呈高密度分佈之電子受體分子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽能電池，其中各該電子受體聚集顆粒之平均團聚半徑係不小於3奈米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽能電池，其中該主動層係經過一退火處理。
  4. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之有機薄膜太陽能電池，其中該奈米粒子之直徑係介於4奈米至5奈米之間。
  5. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之有機薄膜太陽能電池，其中奈米粒子之重量佔該主動層之重量的最佳比例係為2.8×10-4 wt%。
  6. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之有機薄膜太陽能電池，其中該電子予體係為P3HT，該電子受體係為PCBM，該奈米粒子係選自Cu2 S或CdSe之一者。
  7. 一種具塊材異質接面結構之有機薄膜太陽能電池的效率及熱穩定性之調控方法，該有機薄膜太陽能電池具有如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽能電池的第三相結構，藉由改變構成的奈米粒子之直徑、調控奈米粒子之重量佔該主動層之重量的比例或利用不同的奈米粒子之材料等方式，調整主動層中奈米粒子性質，以提升該有機薄膜太陽能電池之效率及熱穩定性。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之調控方法，其中構成的奈米粒子之直徑係介於4奈米至5奈米之間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之調控方法，其中調控奈米粒子之重量佔該主動層之重量的最佳比例為2.8×10-4 wt%。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之調控方法，其中該電子予體係為P3HT，該電子受體係為PCBM，利用的奈米粒子之材料係選自Cu2 S或CdSe之一者。
  11. 一種具塊材異質接面結構的有機薄膜太陽能電池之製備方法，其步驟包括：提供一第一電極；製備一主動層溶液，該主動層溶液包括電子予體、電子受體及奈米粒子；利用該主動層溶液，在該第一電極上沉積並形成如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜太陽能電池的第三相結構；以及在該主動層上沉積並形成一第二電極。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製備方法，其中各該電子受體聚集顆粒之平均團聚半徑係不小於3奈米。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製備方法，其中該主動層形成後係進一步經過一退火處理。
  14. 如申請專利範圍第11至13中任一項所述之製備方法，其中該奈米粒子之直徑係介於4奈米至5奈米之間。
  15. 如申請專利範圍第11至13中任一項所述之製備方法，其中所添加的奈米粒子含量佔該主動層之最佳比例係為2.8×10-4 wt%。
  16. 如申請專利範圍第11至13中任一項所述之製備方法，其中該電子予體係為P3HT，該電子受體係為PCBM，該奈米粒子係選自Cu2 S或CdSe之一者。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20090155459A1 (en) * 2007-12-17 2009-06-18 Doojin Park Method of forming active layer of organic solar cell using spray coating method
US20100163103A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Taiwan Textile Research Institute Organic Thin-Film Solar Cell Using Fullerene Derivative for Electron Acceptor and Method of Manufacturing the Same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090155459A1 (en) * 2007-12-17 2009-06-18 Doojin Park Method of forming active layer of organic solar cell using spray coating method
US20100163103A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Taiwan Textile Research Institute Organic Thin-Film Solar Cell Using Fullerene Derivative for Electron Acceptor and Method of Manufacturing the Same

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