TWI495174B - 有機太陽電池 - Google Patents

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Description

有機太陽電池
本發明是有關於一種太陽電池，且特別是有關於一種具有高光電轉換效率之有機太陽電池(Organic Photovoltaic cell，OPV cell)。
太陽能是一種乾淨無污染且取之不盡、用之不竭的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，太陽能一直是最受矚目的焦點。由於太陽電池可直接將太陽能轉換為電能，因此已成為目前產業界相當重要的研究課題之一。
矽基太陽電池(silicon-based solar cell)以及有機太陽電池(OPV cell)為目前業界常見的一種太陽電池。以有機太陽電池為例，由於有機材料的載子遷移率(carrier mobility)較低(約為10-4 ~10-3 cm2 /Vs)，所以有機太陽電池之主動層不能夠過厚，否則載子在被光線激發之後有可能發生再結合(re-combination)而降低光電轉換效率。依據有機太陽電池的特性，增加主動層的膜厚雖可增加光線的吸收效率以及短路電流(short circuit current，Jsc)，但會增加整體阻值進而造成填充因子(fill factor)下降。反之，降低主動層的膜厚可使填充因子增加，但會降低光線的吸收效率以及短路電流。
承上述，僅透過主動層之膜厚調整難以兼顧有機太陽電池之光電轉換效率以及電性(阻值、填充因子等)。因此，如何兼顧有機太陽電池之光電轉換效率以及電性，實為目前業界亟待解決的議題之一。
本發明提供一種有機太陽電池，其透過光學薄膜的貼附以有效改善光電轉換效率以及電性。
本發明提供一種有機太陽電池，適於將光線轉換為電能。有機太陽電池包括一有機主動層、一透光電極、一反射電極以及一光學薄膜。透光電極與反射電極分別配置於有機主動層的兩側，而光學薄膜與有機主動層分別位於透光電極的兩側，且光學薄膜具有一內表面以及一與內表面相對之外表面。對於從外表面入射之光線，光學薄膜之穿透率高於90%，而對於內表面入射之光線，內表面之反射率高於10%，且光學薄膜之霧度(Haze)高於90%。
在本發明之一實施例中，前述之光學薄膜具有多個光學微結構，且這些光學微結構位於外表面上。舉例而言，光學微結構包括擴散子(scatters)、微透鏡(micro-lenses)或微稜鏡(micro-prisms)。
在本發明之一實施例中，前述之有機主動層為一吸光材料，而該吸光材質，可包括GSID6040：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester([70]PCBM)、聚(3-己基噻吩)：[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene): [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30,70-二甲基壬氧)-1,4-伸苯基伸乙烯基]:[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30,70-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]:[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester(MDMO-PPV:[60]PCBM))、聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己基)-4H-)]雙噻吩[2,1-b;3,4-b']環戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑): [6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]:[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PCPDTBT:[70]PCBM))、或聚[4,8-雙-取代-苯[1,2-b:4,5-b']二噻吩]-2,6--diyl-alt-4-取代-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4,8-bis-substituted-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PBDTTT:[70]PCBM)。
在本發明之一實施例中，前述之透光電極包括透明導電氧化物電極。
在本發明之一實施例中，前述之反射電極包括鋁電極或銀電極。
在本發明之一實施例中，前述之有機太陽電池可進一步包括一電洞傳輸層，且此電洞傳輸層係配置於有機主動層與透光電極之間。
在本發明之一實施例中，前述之電洞傳輸層之材質包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)。
在本發明之一實施例中，前述之有機太陽電池可進一步包括一透光基板，且此透光基板係配置透光電極與光學薄膜之間。
由於本發明於有機太陽電池之入光側(light-incident side)設置光學薄膜，以使進入有機太陽電池內之光線能夠經過多次反射並且被主動層所吸收，因此本發明可在不增加主動層膜厚的情況下，增進有機太陽電池之光電轉換效率。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本發明一實施例的有機太陽電池之剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之有機太陽電池100適於將光線L、L1轉換為電能，且本實施例之有機太陽電池100包括一有機主動層110、一透光電極120、一反射電極130以及一光學薄膜140。透光電極120與反射電極130分別配置於有機主動層110的兩側，而光學薄膜140與有機主動層110分別位於透光電極120的兩側，且光學薄膜140具有一內表面140a以及一與內表面140a相對之外表面140b。對於從外表面140b入射之光線L，光學薄膜140之穿透率高於90%，而對於從內表面140a入射之光線L1，內表面140a之反射率高於10%，且光學薄膜140之霧度(Haze)高於90%。
在本實施例中，有機主動層110之材質例如為GSID6040：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester([70]PCBM)或是其他適合的有機材料，而透光電極120例如為透明導電氧化物電極。舉例而言，前述之透明導電氧化物電極之材質例如為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)或其他具有高穿透率之導電材質。此外，反射電極130例如為鋁電極、銀電極或是其他具有高反射率之金屬電極。
承上述，本實施例之有機太陽電池100可選擇性地包括一電洞傳輸層150，且此電洞傳輸層150係配置於有機主動層110與透光電極120之間。電洞傳輸層150有助於提昇有機太陽電池100中電洞的傳輸效率。舉例而言，電洞傳輸層150之材質包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)或是其他適合的有機材料。
如圖1所示，本實施例之光學薄膜140係設置於有機太陽電池100之入光側，由於外界光線L在進入有機主動層110之前會先經過光學薄膜140，因此光學薄膜140對於外界光線L的需具備高穿透率，此處之高穿透率係指穿透率大於或等於90%。與光線L相較，進入有機太陽電池100內之光線L1無可避免地會有些微的衰減，且光線L1會被反射電極130反射而經過有機主動層110兩次，以增加光線L1被有機主動層110吸收的可能性，進而增進有機太陽電池100之光電轉換效率。為了更有效地利用被反射電極130所反射的光線L1，光學薄膜140的內表面140a光線L1之反射率需高於10%，以使得部分的光線L1能夠被進一步反射回有機主動層120，進而被有機主動層120所吸收。舉例而言，光學薄膜140的內表面140a光線L1之反射率例如係介於20%至30%之間。此外，光學薄膜140之霧度例如為90%、95%或高於95%。
圖2A至圖2C為本發明一實施例的光學微結構之剖面示意圖。請參照圖2A至圖2C，為了使絕大部分之光線L都能夠進入有機太陽電池100中，本實施例可於光學薄膜140之外表面140b製作多個光學微結構140c。舉例而言，光學微結構140c例如為能夠使光線L散射之擴散子(scatters)、能夠改變光線L的傳遞路徑之微透鏡(micro-lenses)或能夠改變光線L的傳遞路徑之微稜鏡(micro-prisms)。具體而言，光學薄膜140例如為一擴散片(diffusion plate)、微透鏡陣列光學膜或一稜鏡片(prism sheet)。
圖3為本發明另一實施例的有機太陽電池之剖面示意圖。請參照圖1與圖3，本實施例之有機太陽電池100’與圖1所繪示有機太陽電池100類似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之有機太陽電池100’可進一步包括一透光基板160，且此透光基板160係配置透光電極120與光學薄膜140之間。
【實驗例】
圖4為貼附有光學薄膜之有機太陽電池以及未貼附光學薄膜之有機太陽電池的量子效率與波長的關係圖。請參照圖4，本實驗例採用圖3所揭露之架構，其中有機主動層的厚度為70奈米，有機主動層的材質為GSID6040：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester([70]PCBM)，電洞傳輸層的厚度為30奈米，而電洞傳輸層的材質為聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)，且透光基板為玻璃基板。
從圖4可清楚得知，在可見光的波段(400奈米至700奈米之間)，不同的光學薄膜對於有機太陽電池的量子效率有不同程度的提昇。
表1條列出不同光學薄膜(光學薄膜1、光學薄膜2、光學薄膜3與光學薄膜4)之光學參數(穿透率、內表面之反射率以及霧度)，而表2條列出未貼附光學薄膜之有機太陽電池以及貼附有光學薄膜之有機太陽電池之短路電流差異以及增益值(Gain)。
從上表2可知，貼附有光學薄膜之有機太陽電池之短路電流約有10%的提昇。
由於本發明於有機太陽電池之入光側(light-incident side)設置光學薄膜，以使進入有機太陽電池內之光線能夠經過多次反射並且被主動層所吸收，因此本發明可在不增加主動層膜厚的情況下，增進有機太陽電池之光電轉換效率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、100’‧‧‧有機太陽電池
110‧‧‧有機主動層
120‧‧‧透光電極
130‧‧‧反射電極
140‧‧‧光學薄膜
140a‧‧‧內表面
140b‧‧‧外表面
140c‧‧‧光學微結構
150‧‧‧電洞傳輸層
160‧‧‧透光基板
L、L1‧‧‧光線
X‧‧‧位置
圖1為本發明一實施例的有機太陽電池之剖面示意圖。
圖2A至圖2C為本發明一實施例的光學微結構之剖面示意圖。
圖3為本發明另一實施例的有機太陽電池之剖面示意圖。
圖4為貼附有光學薄膜之有機太陽電池以及未貼附光學薄膜之有機太陽電池的量子效率與波長的關係圖。
100．．．有機太陽電池
110．．．有機主動層
120．．．透光電極
130．．．反射電極
140．．．光學薄膜
140a．．．內表面
140b．．．外表面
150．．．電洞傳輸層
L、L1．．．光線
X．．．位置

Claims (11)

  1. 一種有機太陽電池，適於將光線轉換為電能，該有機太陽電池包括：一有機主動層；一透光電極；一反射電極，該透光電極與該反射電極分別配置於該有機主動層的兩側；以及一光學薄膜，該光學薄膜與該有機主動層分別位於該透光電極的兩側，該光學薄膜具有一內表面以及一與該內表面相對之外表面，對於從該外表面入射之光線，該光學薄膜之穿透率高於90%，而對於從該內表面入射之光線，該內表面之反射率高於10%，且該光學薄膜之霧度高於90%，其中該光學薄膜與該反射電極配置於該有機太陽電池的相對側，且該光學薄膜與該透光電極直接接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中該光學薄膜具有多個光學微結構，該些光學微結構位於該外表面上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之有機太陽電池，其中該些光學微結構包括擴散子。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之有機太陽電池，其中該些光學微結構包括微透鏡。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之有機太陽電池，其中該些光學微結構包括微稜鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中該有機主動層之材質為一吸光材料，而該吸光材質包括 GSID6040：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester([70]PCBM)、聚(3-己基噻吩)：[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene)：[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30,70-二甲基壬氧)-1,4-伸苯基伸乙烯基]：[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30,70-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenev inylene]：[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester(MDMO-PPV：[60]PCBM))、聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己基)-4H-)]雙噻吩[2,1-b；3,4-b']環戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑)：[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b；3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PCPDTBT：[70]PCBM))或聚[4,8-雙-取代-苯[1,2-b：4,5-b']二噻吩]-2,6--diyl-alt-4-取代-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]：[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4,8-bis-substituted-benzo[1,2-b：4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]：[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PBDTTT：[70]PCBM)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中該透光電極包括透明導電氧化物電極。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中該反射電極包括鋁電極或銀電極。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，更包括一電洞傳輸層，配置於該有機主動層與該透光電極之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之有機太陽電池，其中該電洞傳輸層之材質包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽電池，其中從外表面入射且波長約為555奈米之光線，光學薄膜之穿透率高於90%。
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