TWI529989B - 光活性層、含有該光活性層之有機光伏打電池及其製造方法 - Google Patents
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Description
本申請案聲明2012年9月28日在韓國智慧財產局提出申請之韓國專利申請案第10-2012-0108994號之優先權和權益,茲將該案全文以引用方式納入本文中。
本說明書係關於光活性層、使用彼之有機光伏打電池,及彼之製法。
於1992年,由於UCSB的Heeger使用有機聚合物初次展現光伏打電池的可能性,目前已進行許多相關研究。該電池係雜接點薄膜二極體,其中,吸收光的有機聚合物與親電子性極高的C60富勒烯衍生物或C70富勒烯衍生物彼此混合,並採用ITO(氧化銦錫)(其為透明電極)作為陽極及功函數低的金屬電極(如Al)作為陰極材料。
光吸收於由有機聚合物構成的光活性層中而形成電子-電洞對(或激子)。一個技術中,電子-電洞對
移動至介於共聚物和C60富勒烯衍生物或C70富勒烯衍生物之間的界面而分離成電子和電洞之後,電子移動至金屬電極而電洞移動至透明電極,藉此產生電子。
目前,使用有機聚合物的有機聚合物薄膜光伏打電池之效率達7至8%(Nature Photonics,2009,3,649-653)。
但是,目前,相較於使用聚矽氧的光伏打電池之最高效率(~39%),有機聚合物光伏打電池的效率低。對於發展具有較高效率的有機光伏打電池有需求存在。
Nature Photonics, 2009, 3, 649-653
本說明書盡力提出具有改良的效率之有機光伏打電池和彼之製法,及用於該光伏打電池之光活性層。
本發明之例示具體實施例提出一種有機光伏打電池,包括: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並包括光活性層的有
機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者。
本發明的另一例示具體實施例提出一種有機
光伏打電池,包括: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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,且相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
本發明的另一例示具體實施例提出一種有機
光伏打電池,包括: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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%。
本發明的另一例示具體實施例提出一種光活
性層,包括:接受電子之材料;和提供電子之材料;其中該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合
物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者。
本發明的另一例示具體實施例提出一種光活
性層,包括:接受電子之材料;和提供電子之材料;其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
本發明的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,包括:製備基板;在該基板的一區域內形成第一電極;在該第一電極的上部上形成包括光活性層之有機層;藉非溶劑處理該光活性層;和在該有機層上形成第二電極。
根據本發明之例示具體實施例,藉非溶劑處理和,必要時,熱處理的簡單程序能夠製造光活性層。此外,接受前述處理的該光活性層具有高導電性且安定。
根據本說明書之例示具體實施例之光活性層具有良好的吸光性,並經由接受電子之材料和提供電子之材料的自身組織化而具有安定化的分子結構。據此,包括根據本說明書之例示具體實施例的光活性層之光伏打電池能夠具有極佳的特性,如提高開路電壓(open voltage)和提高效率。
特別地,根據本發明之例示具體實施例之光
活性層具有高吸光性、高電荷可動性(因為共軛長度變長)、對於電極的電阻低,和改良的形態,藉此而改良二極體的壽命特性和效率。
圖1係說明製造根據本說明書之例示具體實施例的光活性層之方法的圖。
下文中,將詳細描述本說明書。
本說明書提出一種有機光伏打電池,包括: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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理。
本說明書中,該非溶劑是指該提供電子之材料或該接受電子之材料不會溶解或不會反應的物質。
本說明書中,“被非溶劑處理”是指“藉非溶劑進行溶脹處理”,此當非溶劑施用在提供電子之材料或接受電子之材料上時,該非溶劑穿透該提供電子之材料或該接受電子之材料,並因此而發生溶脹現象,或者
“藉非溶劑進行表面處理”中,在非溶劑施用於該提供電子之材料或該接受電子之材料上之後,根據移除非溶劑,非溶劑作用於該提供電子之材料或該接受電子之
材料的表面上。
本說明書中,“作用”是指藉由在彼等的表面
上形成偶極和/或改變彼等的化學結構和/或之類而影響該提供電子之材料或該接受電子之材料。此外,本說明書的例示具體實施例中,當非溶劑施用在該光活性層上時,發生溶脹現象,並因此而使得該非溶劑穿透該光活性層。
本說明書的例示具體實施例中,該非溶劑進
入該光活性層的穿透距離為該光活性層之厚度的5%或更高且低於50%。另一例示具體實施例中,該非溶劑進入該光活性層的穿透距離為該光活性層之厚度的5%至30%。
當該非溶劑施用在該光活性層上時,可選擇
該非溶劑的種類、處理方法、和量。
當該非溶劑施用在該光活性層上1分鐘至60
分鐘時,該非溶劑進入該光活性層的穿透距離為該光活性層之厚度的5%或更高且低於50%。
當該非溶劑進入該光活性層的穿透距離為該
光活性層之厚度的50%或更高時,該光活性層會與經塗覆的基板分離。
此外,當該非溶劑進入該光活性層的穿透距
離為該光活性層之厚度的5%至30%時,介於該光活性層和該電極之間的界面面積會提高且彼等的接觸特性可獲改良以改良二極體的性能。
本說明書中,非溶劑溶脹法包括將非溶劑施
用在光活性層的上部及進行旋塗法或滴塗法。
本說明書中,非溶劑表面處理方法包括在將非溶劑施用在光活性層的上部上之後,藉由旋塗法而移除非溶劑的方法。
若該非溶劑溶脹法施用於該光活性層,則該光活性層及介於該光活性層和該電極之間的界面能夠被同時調整,此可用以改良該光活性層的形態。此外,製法係相對簡單的旋塗法之類,該方法具有時間和經濟的優點。
施用的非溶劑穿透該光活性層的空間以提高介於聚合物鏈之間的空間,藉此提高聚合物鏈之移動。此外,若聚合物鏈之移動提高,則經由分子結構的自身組織化形成配置的分子結構。此情況中,共軛長度提高以提高電荷可動性和光學特性,因此提供高吸光性,藉此有助於提高效率。
例示具體實施例中,藉非溶劑溶脹法,該非溶劑施用1分鐘或更久。另一例示具體實施例中,該非溶劑施用1分鐘至60分鐘。另一例示具體實施例中,該非溶劑施用10分鐘至40分鐘。
本說明書的另一例示具體實施例中,在非溶劑處理法中,施用該非溶劑之後的1分鐘內,移除該非溶劑。此情況中,相較於非溶劑穿透進入該光活性層,所施用的非溶劑更有效地用於該光性層的非溶劑表面處理。
該非溶劑施用1分鐘或更久的情況中,可提高該非溶劑進入該光活性層的穿透距離。當在60分鐘內
進行該施用時,該非溶劑進入該光活性層的穿透距離可設定為超過該光活性層之厚度的50%以避免剝離現象之發生。
本說明書的另一例示具體實施例中,必要時,施用非溶劑的時間可經控制以藉非溶劑進行溶脹處理,以藉非溶劑進行表面處理,或同時藉非溶劑進行溶脹處理和藉非溶劑進行表面處理。
本說明書的例示具體實施例中,提出一種有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉該非溶劑溶脹之前、期間、或之後被熱處理。
例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料可以在藉該非溶劑溶脹之前被熱處理。
例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料可以在藉該非溶劑溶脹之後被熱處理。
例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料可以在藉該非溶劑溶脹的期間內被熱處理。此情況中,當藉該非溶劑溶脹以減少該非溶劑的處理時間及因為沒有後續熱處理或藉旋塗法或吹氣法移除該非溶劑而簡化程序時,該非溶劑進入該光活性層的穿透距離因為施熱而提高,並因此,有利於時間和/或成本。
該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者。
本說明書之例示具體實施例中,該以烷為基
礎的非溶劑係選自由正丁烷、正戊烷、正己烷、正辛烷、異辛烷、正十二烷、二氯甲烷、環己烷、和甲基環己烷所組成之群組中之一或二或更多者。
本說明書之例示具體實施例中,該以烷為基
礎的非溶劑係二氯甲烷。
該提供電子之材料,例如,P3HT不溶於該以
烷為基礎的非溶劑,但該接受電子之材料,例如,PCBM具有選擇的溶解度。此情況中,當該非溶劑單獨使用或與另一溶劑以預定量混合時,該接受電子之材料選擇性地溶解於表面上,同時溶脹以提高界面結合面積。
例示具體實施例中,該以鹵烴為基礎的非溶
劑係選自由氯甲烷、二氯甲烷、二氯甲烷、1,1-二氯乙烯、二氯乙烷、氯仿、1,1-二氯乙烷、三氯乙烯、四氯化碳、氯苯、鄰-二氯苯、和1,1,2-三氯三氟乙烷所組成之群組中之一或二或更多者。
另一例示具體實施例中,該以醚為基礎的非
溶劑係選自由四氫呋喃、1,4-二烷、二乙醚、和二苄基醚所組成之群組中之一或二或更多者。
使用以醚為基礎的非溶劑時,由於沸點低,
容易在該溶劑溶脹法之後移除溶劑,並因此,此方法簡單且有利於時間和成本。
另一例示具體實施例中,該以酮為基礎的非
溶劑係選自由丙酮、甲基乙基酮、環己酮、二乙酮、苯乙酮、甲基異丁基酮、甲基異戊基酮、異佛爾酮、和二(異
丁基)酮所組成之群組中之一或二或更多者。
例示具體實施例中,該以酯為基礎的非溶劑
係選自由碳酸乙二酯、乙酸甲酯、甲酸乙酯、碳酸丙-1,2-二酯、乙酸乙酯、碳酸二乙酯、硫酸二乙酯、乙酸正丁酯、乙酸異丁酯、乙酸2-乙氧基乙酯、乙酸異戊酯、和異丁酸異丁酯所組成之群組中之一或二或更多者。
本說明書中,硫化合物是指該提供電子之材
料或該接受電子之材料不溶解或不反應之包括硫的化合物。
另一例示具體實施例中,該硫化合物非溶劑
係選自由二硫化碳、二甲亞碸、和乙硫醇所組成之群組中之一或二或更多者。
另一例示具體實施例中,該以醇為基礎的非
溶劑係選自由甲醇、乙醇、烯丙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、異丁醇、苯甲醇、環己醇、二丙酮醇、乙二醇單乙醚、二乙二醇單甲醚、二乙二醇單乙醚、乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚、2-甲氧基乙醇和1-癸醇所組成之群組中之一或二或更多者。
在使用該以醇為基礎的非溶劑的情況中,在
該光活性層和該電極之間形成偶極以降低電洞萃出的阻礙,藉此提高電壓密度。因此,因為藉由降低表面能量阱而提高內建電壓及提高開路電壓和填充因子(FF)而能夠改良該有機光伏打電池的效率。
此外,在藉由溶解水溶性緩衝材料、金屬奈
米粒子和金屬氧化物之類而使用該非溶劑處理法的情況中,藉該非溶劑處理及形成緩衝層可以同時進行,並因此,有利於方法的時間和成本。
例示具體實施例中,該酸非溶劑係選自由甲
酸、乙酸、苯甲酸、油酸、和硬脂酸所組成之群組中之一或二或更多者。
在使用酸非溶劑的情況中,該提供電子之材
料被離子化以降低收集界面電荷的阻礙,因此提高電流密度,或提高後續施用的水溶性緩衝材料(其用以塗覆)之潤濕性。
例示具體實施例中,該以酚為基礎的非溶劑
係選自由酚、間苯二酚、間-甲酚、和水楊酸甲酯所組成之群組中之一或二或更多者。
例示具體實施例中,該以多元醇為基礎的非
溶劑係選自由乙二醇、甘油、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、和二丙二醇所組成之群組中之一或二或更多者。
本說明書之例示具體實施例中,該非溶劑係
水。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以烷為
基礎的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以鹵烴
為基礎的非溶劑。
例示具體實施例中,該非溶劑係以醚為基礎
的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以酮為基礎的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以酯為基礎的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係硫化合物非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係酸非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以醇為基礎的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以酚為基礎的非溶劑。
另一例示具體實施例中,該非溶劑係以多元醇為基礎的非溶劑。
例示具體實施例中,該非溶劑係選自由烷、醚、醇、和酸所組成之群組中之一或二或更多者。
本說明書之例示具體實施例中,該熱處理的溫度係該提供電子之材料的玻璃轉變溫度(Tg)或更高且係熱分解溫度或更低。
當該熱處理溫度低於該提供電子之材料的玻璃轉變溫度時,不會發生該提供電子之材料的自身組織化現象,而當該熱處理溫度超過該提供電子之材料的熱分解溫度時,該提供電子之材料會破裂而降低光電流產生特性。
該熱處理提供藉該非溶劑溶脹法造成之效應
的增效效應,以使得分子結構之配置較佳,藉此提高共軛長度和光學特性。此外,由於製法相對簡單,該方法具有時間和經濟優點。
本說明書之例示具體實施例中,該熱處理時
間為0分鐘至5小時。另一例示具體實施例中,該熱處理時間為10分鐘至3小時。另一例示具體實施例,該熱處理時間為30分鐘至45分鐘。可以根據自身組織化程度而調整該時間。
本說明書之例示具體實施例中,該接受電子之材料係富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。
另一例示具體實施例中,該富勒烯衍生物係C60至C90富勒烯衍生物。
以上富勒烯衍生物可以未經取代或經至少一個額外的取代基取代。
例示具體實施例中,該富勒烯衍生物係C60富勒烯衍生物或C70富勒烯衍生物。
例示具體實施例中,該C60富勒烯衍生物或該C70富勒烯衍生物係各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧
基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子的雜環基之一或多者所組成之群組,或者可以進一步被兩個相鄰的取代基形成縮合環而得的取代基所取代。
另一例示具體實施例中,該富勒烯衍生物係
選自由C76富勒烯衍生物、C78富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物、和C90富勒烯衍生物所組成之群組。
例示具體實施例中,C76富勒烯衍生物、C78
富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物、和C90富勒烯衍生物各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或
未經取代之包括N、O和S原子的雜環基之一或多者所組成之群組,或者可以進一步被兩個相鄰的取代基形成縮合環而得的取代基所取代。
相較於非富勒烯衍生物,該富勒烯衍生物具
有極佳的電子-電洞對(激子)的分離能力和電荷可動性,並因此,具有關於效率特性方面的優點。
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。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。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。
當LUMO能階在上述範圍內時,易注入電
子,藉此提高該有機光伏打電池的效率。
特別地,當非富勒烯衍生物的LUMO能階為
-3.5至-4.5電子伏特時,能夠進行電荷分離,同時,使得該提供電子之材料的HOMO能階之差最大化,並因此,能夠得到關於高開路電壓和電流密度方面的優點。
此外,本說明書之例示具體實施例中,非富
勒烯衍生物係具有非球形的單分子或聚合物。
本說明書之例示具體實施例中,該提供電子
之材料包括至少一種電子提供體;或至少一種電子接受體和至少一種電子提供體之聚合物。
本說明書之例示具體實施例中,該提供電子
之材料包括至少一種電子提供體。
另一例示具體實施例中,該提供電子之材料
包括至少一種電子接受體和至少一種電子提供體之聚合物。
本說明書之例示具體實施例中,該電子提供
體包括由下列化學式所組成之群組中之一或二或更多者。
該化學式中,a是0至4的整數,b是0至6的整數,c是0至8的整數,d和e各自為0至3的整數,f和g各自為0至2的整數,R2和R3彼此相同或不同,且各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子的雜環基之一或多者所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環,
X1至X3彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CRR’、NR、O、SiRR’、PR、S、GeRR’、Se和Te所組成之群組,Y1和Y2彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CR、N、SiR、P和GeR所組成之群組,R和R’彼此相同或不同,且各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子之一或多者的雜環基所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環。
另一例示具體實施例中,該電子接受體包括由下列化學式所組成之群組中之一或二或更多者。
該化學式中,R2至R5彼此相同或不同,且各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的
芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子之一或多者的雜環基所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環,X1和X2彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CRR’、NR、O、SiRR’、PR、S、GeRR’、Se和Te所組成之群組,Y1至Y4彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CR、N、SiR、P、和GeR所組成之群組,R和R’彼此相同或不同,且各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或
未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子之一或多者的雜環基所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環。
本說明書之另一例示具體實施例中,該提供電子之材料包括聚合物,該聚合物包含以以下式1、式2和式3中之任一者代表的A單元;以以下式4代表的B單元;和以以下式5代表的C單元;
其中f和g各自為0至2的整數,R2至R4彼此相同或不同,各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、
經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子之一或多者的雜環基所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環,
X1和X5彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CRR’、NR、O、SiRR’、PR、S、GeRR’、Se和Te所組成之群組,
Y3至Y5彼此相同或不同,且各自獨立地選自由CR、N、SiR、P和GeR所組成之群組,
R和R’彼此相同或不同,且各自獨立地選自由氫、氘、鹵基、腈基、硝基、醯亞胺基、醯胺基、羥基、經取代或未經取代的烷基、經取代或未經取代的環烷基、經取代或未經取代的烷氧基、經取代或未經取代的芳氧基、經取代或未經取代的烷硫基、經取代或未經取代的芳硫基、經取代或未經取代的烷氧磺醯氧基、經取代或未經取代的芳氧磺醯氧基、經取代或未經取代的烯基、經取代或未經取代的矽基、經取代或未經取代的硼基、經取代或未經取代的烷胺基、經取代或未經取代的芳烷胺基、經取代或未經取代的芳胺基、經取代或未經取代的雜芳胺基、經取代
或未經取代的芳基、經取代或未經取代的茀基、經取代或未經取代的咔唑基、和經取代或未經取代之包括N、O和S原子之一或多者的雜環基所組成之群組,或者兩個相鄰的取代基可以鍵結在一起而形成縮合環。
本說明書之例示具體實施例中,該接受電子之材料係富勒烯衍生物。另一例示具體實施例中,該接受電子之材料係C60富勒烯衍生物。
本說明書之例示具體實施例中,該接收電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM)。
本說明書之例示具體實施例中,該提供電子
之材料係。其中,X1是S。
另一例示具體實施例中,該提供電子之材料係聚(3-己基噻吩)(P3HT)。
本說明書之另一例示具體實施例中,該提供電子之材料包括包含A單元、B單元和C單元之共聚物。
本說明書之另一例示具體實施例中,該A單元係式1。
本說明書之另一例示具體實施例中,該A單元係式1,X1是S,而R2和R3是氫。
本說明書之另一例示具體實施例中,X3是S,Y3和Y4是N,Y5是CR。
本說明書之另一例示具體實施例中,R和R4相同或不同且各自獨立地為經取代或未經取代的烷氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R和R4
相同或不同且各自獨立地為烷氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R和R4係辛氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,X5係NR。
本說明書之另一例示具體實施例中,X5係NR,R係十二烷基。
本說明書之另一例示具體實施例中,X4係S。
本說明書之另一例示具體實施例中,該提供電子之材料包括以下式6代表的單元:
其中x是莫耳分率且為在0<x<1的範圍內之實數;y是莫耳分率且為在0<y<1的範圍內之實數;x+y=1;n是1至10,000的整數;R10至R12彼此相同或相異,且各自獨立地為氫;經取代或未經取代的烷基;或經取代或未經取代的烷氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R10係
經取代或未經取代的烷氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R10係辛氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R11係經取代或未經取代的烷氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R11係辛氧基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R12係經取代或未經取代的烷基。
本說明書之另一例示具體實施例中,R12係十二烷基。
本說明書之另一例示具體實施例中,x是0.5。
本說明書之另一例示具體實施例中,y是0.5。
本說明書之具體實施例中,該共聚物的末端基團係經取代或未經取代的雜環狀基團或經取代或未經取代的芳基。
本說明書之另一具體實施例中,該共聚物的末端基團係4-(三氟甲基)苯基。
本說明書之具體實施例中,該提供電子之材料以以下聚合物1代表:
例示具體實施例中,該接受電子之材料係
[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係聚(3-己基噻吩)(P3HT)。
本說明書之另一例示具體實施例中,該接收
電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係以上聚合物1。
本說明書之另一例示具體實施例中,該非溶
劑係甲醇,該接收電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係以上聚合物1。
本說明書之另一例示具體實施例中,該非溶
劑係甲醇,該接收電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係以上聚合物1,而該熱處理的溫度係該提供電子之材料的玻璃轉變溫度(Tg)或更高且係熱分解溫度或更低。
本說明書之另一例示具體實施例中,該非溶
劑係2-甲氧基乙醇,該接受電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係以上聚合物1。
本說明書之另一例示具體實施例中,該非溶
劑係2-甲氧基乙醇,該接受電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),該提供電子之材料係以上聚合物1,而該熱處理的溫度係該提供電子之材料的玻璃轉變溫度(Tg)或更高且係熱分解溫度或更低。
本說明書中,該光活性層包括該接受電子之
材料和該提供電子之材料。
此外,該光活性層之該接受電子之材料和該
提供電子之材料可形成整體雜接點(BHJ)。本說明書之例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料以1:10至10:1的比(重量/重量)彼此混合。另一例示具體實施例中,該材料以1:7至2:1的重量比彼此混合。另一例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料以1:4至5:3的重量比彼此混合。另一例示具體實施例中,該接受電子之材料和該提供電子之材料以1:0.4至1:4的重量比彼此混合。
若該接受電子之材料的混合量低於0.4重量
比,則結晶化之該接受電子之材料的含量低而造成所產生的電子的移動受阻,而若其量超過10重量比,則該提供電子之材料的吸光量相對降低,造成光無法被有效率地吸收的問題。
另一例示具體實施例中,提出一種有機光伏
打電池,其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比
(IC=C/IC-C)提高110至150%。
另一例示具體實施例中,提出一種有機光伏
打電池,其中該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%。
另一例示具體實施例中,該接受電子之材料
和該提供電子之材料在藉該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。此情況中,提出一種有機光伏打電池,其中該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至150%。
圖1係說明製造根據本說明書之例示具體實
施例的光活性層之方法的圖。
以下將描述該取代基的例子,但不限於此。
本說明書中,該烷基可為直鏈或支鏈,未特
別限制碳原子數,但較佳為1至20。其特定例子包括甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、三級丁基、戊基、己基、庚基等,但不限於此。
本說明書中,該烯基可為直鏈或支鏈,未特
別限制碳原子數,但較佳為2至40。其特定例子較佳地包括其芳基(如苯乙烯基和菧基)經取代的烯基,但不限於此。
本說明書中,該烷氧基可為直鏈、支鏈、或
環狀鏈。未特別限制該烷氧基的碳原子數,但較佳地為1
至25。彼等的特定例子可包括甲氧基、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,未特別限制該環烷基,但彼等
的碳原子數較佳地為3至60,且環戊基和環己基為特別佳者。
本說明書中,鹵基可為氟、氯、溴或碘。
本說明書中,該芳基可為單環,未特別限制
彼等的碳原子數,但較佳地為6至60。該芳基的特定例子包括單環狀芳基(如苯基、聯苯基、三苯基、四苯基、和菧基)、多環狀芳基(如萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、稠四苯基、基、茀基、苊基、伸三苯基、和苯并苊基)等,但不限於此。
本說明書中,雜環狀基團係包括O、N或S
作為雜原子的雜環狀基團,未特別限制彼等的碳原子數,但較佳地為2至60。該雜環狀基團的例子包括噻吩基、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、啡啉基、二苯并呋喃基等,但不限於此。
本說明書中,未特別限制該醯亞胺基的碳原
子數,但較佳地為1至25。特定言之,該醯亞胺基可為具有以下結構的化合物,但不限於此。
本說明書中,該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,該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,該酯基的氧可經具有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,該酯基可為具有以下結構式的化合物,但不限於此。
本說明書中,該雜芳基可選自該雜環狀基的前述例子。
本說明書中,該茀基具有兩個環狀有機化合物經由一個原子連接的結構,且彼之例子包括
本說明書中,該茀基包括開放的茀基結構,
該開放的茀基具有兩個環狀化合物經由一個原子連接且一個環狀化合物斷開的結構,且彼之例子包括
本說明書中,未特別限制該胺基的碳原子
數,但較佳地為1至30。該胺基的特定例子包括甲胺基、二甲胺基、乙胺基、二乙胺基、苯胺基、萘胺基、聯苯胺基、蒽胺基、9-甲基-蒽胺基、二苯胺基、苯基萘胺基、二甲苯胺基、苯基甲苯胺基、三苯胺基等,但不限於此。
本說明書中,該芳胺基的例子是指經取代或
未經取代的單環狀二芳基胺基、經取代或未經取代的多環狀二芳基胺基或經取代或未經取代的單環狀和多環狀二芳基胺基。
本說明書中,該芳氧基、該芳基硫氧基、該
芳基次硫酸基、和該芳烷胺基的該芳基與該芳基的前述例子相同。
本說明書中,該烷基硫氧基、該烷基次硫酸
基、該烷胺基、和該芳烷胺基之烷該基與該烷基的前述例子相同。
本說明書中,該雜芳胺基的雜芳基可以選自
該雜環狀基團的前述例子。
本說明書中,該伸芳基、該伸烯基、該伸茀
基、該伸咔唑基、和該伸雜芳基各者為芳基、烯基、茀
基、和咔唑基的二價基團。除了該基團各自為二價基團以外,可以施用該芳基、該烯基、該茀基、和該咔唑基的前述描述。
此外,本說明書中,“經取代或未經取代”是
指藉選自由氘、鹵基、烷基、烯基、烷氧基、環烷基、矽基、芳基烯基、芳基、芳氧基、烷硫基、烷基硫醯氧基、芳基硫醯氧基、硼基、烷胺基、芳烷胺基、芳胺基、雜芳基、咔唑基、芳胺基、芳基、茀基、腈基、硝基、羥基、和包括N、O和S原子中之一或多者的雜環基所組成之群組中之一或多個取代基進行取代作用,或沒有取代基。
本說明書之例示具體實施例中,該光活性層
的厚度為50至300奈米。另一例示具體實施例中,該光活性層的厚度為150至230奈米。
當該光活性層的厚度低於50奈米時,由於電
荷的移動距離短,填充因子值會提高,但會有吸光性降低的問題,而當厚度超過300奈米時,因為該光活性層的厚度足夠而提高電流密度,但會因為產生的載體的移動距離長而會有填充因子值低的問題。
據此,在上述範圍內,具有介於電極等的界
面之間的電阻和整體的電阻不會過高以提高填充因子值、及因為該光活性層的厚度足夠而在產生激子的界面分離和使得載體的移動長度足夠的優點。
此外,本說明書提出一種有機光伏打電池,
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並包括光活性層的有機層,其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
該接受電子之材料和該提供電子之材料的內
稟值是指未接受任何處理(例如,熱處理和/或非溶劑處理方法)之包括該接受電子之材料和該提供電子之材料的該光活性層之FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)。
FT-IR的反對稱值和對稱值之比,即,
IC=C/IC-C意謂共軛長度提高。
本說明書之例示具體實施例中,FT-IR吸收光
譜之反對稱值和對稱值之比提高110至150%。另一例示具體實施例中,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比提高120至140%。
本說明書之例示具體實施例中,若FT-IR吸
收光譜的反對稱值和對稱值之比在前述範圍內,則該有機光伏打電池的晶度獲改良並提高,並因此,具有該有機光伏打電池的效率提高的優點。
本說明書之例示具體實施例中,該光活性層
之該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理。
該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉
該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
相較於該接受電子之材料和該提供電子之材
料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%之該有機光伏打電池的該接受電子之材料、該提供電子之材料、和該光活性層之描述與前述者相同。
提出一種有機光伏打電池,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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料藉非溶劑溶脹,且該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%。
該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉
該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
該接受電子之材料、該提供電子之材料、該
光活性層、該非溶劑、及該有機光伏打電池(其中,該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%)之熱處理與前述者相同。
本說明書之例示具體實施例中,提出包括該
接受電子之材料和該提供電子之材料的該光活性層藉非溶劑處理。
該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉
該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
該光活性層的該接受電子之材料、該提供電
子之材料、該非溶劑、和該熱處理與前述者相同。
此外,本說明書提出一種光活性層,包括接
受電子之材料和提供電子之材料,其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
該光活性層的該接受電子之材料和該提供電
子之材料經該非溶劑處理。
此外,該光活性層的該接受電子之材料和該
提供電子之材料在藉該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
此外,該接受電子之材料、該提供電子之材
料、該非溶劑、和該光活性層的該熱處理與前述者相同。
本說明書之例示具體實施例中,該光活性層
的最大吸收波長為500至600奈米。
此外,本說明書之例示具體實施例中,該有
機光伏打電池包括第一電極、光活性層、和第二電極。
另一例示具體實施例中,該有機光伏打電池
可以進一步包括基板、電洞傳輸層、和/或電子傳輸層。
此外,本說明書之例示具體實施例中,緩衝
層可以進一步引至該光活性層和該第一電極之間。
另一例示具體實施例中,電子傳輸層、電洞
阻擋層、或光學空間層進一步引至該光活性層和該第二電極之間。
本說明書之例示具體實施例中,該第一電極
可為陽極或陰極。此外,該第二電極可為陰極或陽極。
本說明書之例示具體實施例中,在該有機光
伏打電池中,該陽極、該光活性層、該陰極可以此順序配置,或者,該陰極、該光活性層、該陽極可以此順序配置,但該順序不限於此。
另一例示具體實施例中,在該有機光伏打電
池中,該陽極、該電洞傳輸層、該光活性層、該電子傳輸層、和該陰極可以此順序配置,或該陰極、該電子傳輸層、該光活性層、該電洞傳輸層、和該陽極可以此順序配置,但該順序不限於此。
另一例示具體實施例中,在該有機光伏打電
池中,該陽極、該緩衝層、該光活性層、和該陰極可以此順序配置。
本說明書中,該緩衝層用以降低介於界面之
間的能階差,藉此提高該有機光伏打電池的效率。
該緩衝層選自由PEDOT:PSS、氧化鉬(
MoO3)、氧化鎢(WO3)、和氧化鋅(ZnO)所組成之群組中。
例示具體實施例中,該緩衝層的厚度是1至
60奈米。另一例示具體實施例中,該緩衝層的厚度是10至50奈米。另一例示具體實施例中,該緩衝層的厚度是30至45奈米。
在上述範圍內,具有該緩衝層改良透光性、
降低該光伏打電池的串聯電阻、及改良另一層的界面性質以製造具有高效率之光伏打電池的優點。
該基板可為透光性、表面平坦性、易操作性
和耐水性極佳的玻璃基板或透明塑膠基板,但不限於此,且無限制,只要該基板係該有機光伏打電池常用的基板即可。彼之特定例子包括玻璃、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。
該第一電極可為具有透光性和極佳導電性的
材料,但不限於此。其特定例子包括金屬(如釩、鉻、銅、鋅、和金)或彼等的合金;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;導電性聚合物,如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(伸乙-1,2-二氧基)噻吩](PEDOT)、聚吡咯和聚苯胺等、但不限於此。
該第二電極可為功函數小的金屬,但不限於
此。彼之特定例子包括金屬,如鎂、鈣、鈉、鉀、鈦、銦、釔、鋰、鎵、鋁、銀、錫、和鉛,或彼等之合金;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。
該電洞傳輸層和/或該電子傳輸層材料可為
將電子和電洞有效率地傳輸至該光活性層以提高所產生的電荷移動至該電極的可能性之材料,但未特別限於此。
該電洞傳輸層材料可為PEDOT:PSS(聚
(3,4-伸乙基二氧基噻吩)摻以聚(苯乙烯磺酸)、或N,N’-雙(3-甲基苯基)-N,N’-二苯基-[1,1’-聯苯基]-4,4’-二胺(TPD)。該電子傳輸層材料可為三羥基喹啉鋁(Alq3)、PBD(2-(4-聯苯基)-5-苯基-1,3,4-二唑)(其為1,3,4-二唑衍生物)、TPQ(1,3,4-參[(3-苯基-6-三氟甲基)喹啉-2-基]苯)(其為喹啉衍生物)、三唑衍生物之類。
該電子傳輸材料係能夠接受來自陰極的電子並將該電子傳輸至該光活性層的材料,且合適者為電子可動性大的材料。彼之特定例子包括8-羥基喹啉Al錯合物;包括Alq3之錯合物;有機自由基化合物;羥基黃酮-金屬錯合物等,但不限於此。
該電洞注入材料係能夠於低電壓接受來自陽極的電洞之材料,且較佳地,該電洞注入材料的HOMO(最高被佔據分子軌域)為介於該陽極材料的功函數和鄰近的有機層的HOMO之間的值。該電洞注入材料的特定例子包括金屬紫質、低聚噻吩、以芳基胺為基礎的有機材料、以六腈六氮雜三伸苯基為基礎的有機材料、以喹吖酮為基礎的有機材料、以芘為基礎的有機材料、蒽醌、聚苯胺、以聚噻吩為基礎的導電聚合物等,但不限於此。
本說明書之有機光伏打電池可藉此技術中已知的材料和方法製造,但該光活性層經非溶劑處理或經非溶劑處理及熱處理。
本說明出提出一種製造有機光伏打電池之方
法,包括:製備基板;在該基板的一區域內形成第一電極;在該第一電極的上部上形成包括光活性層之有機層;藉非溶劑對該光活性層進行表面處理;和在該有機層上形成第二電極。
本說明書中,藉非溶劑進行光活性層之表面處理包含施用該非溶劑。
本說明書之例示具體實施例中,藉非溶劑進行該光活性層之表面處理進一步包含移除所施用的非溶劑。
在該非溶劑之移除中,必要時,施用該非溶劑之後的期間可經控制以藉非溶劑進行溶脹處理或藉非溶劑進行表面處理。
該方法進一步包括在藉該非溶劑進行該光活性層的表面處理之前、期間、或之後,進行熱處理。
本說明書之有機光伏打電池的製造程序可為,例如,將第一電極、包括光活性層之有機層、和第二電極連續層壓在基板上。此處,塗覆可藉濕法(如凹版印刷法、膠版印刷法、網版印刷法、旋塗法、和噴塗法)進行,但不限於這些方法。
例示具體實施例中,該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料。
該接受電子之材料、該提供電子之材料、該非溶劑、該光活性層、該非溶劑處理法、和該熱處理之描述與前述者相同。
另一例示具體實施例中,該光活性層係由聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM)之混合溶液形成。
另一例示具體實施例中,該方法進一步包括在進行該熱處理之後及在形成該第二電極之前,形成該有機層。
該有機層係電洞傳輸層、電洞注入層、電子傳輸層、電子注入層、緩衝層之類,但不限於。
另一例示具體實施例中,該方法進一步包括在形成該第一電極之後及在形成該光活性層之前,形成有機層。
另一例示具體實施例中,該方法進一步包括在形成該第一電極之後及在形成該光活性層之前,形成緩衝層。
另一例示具體實施例中,藉該非溶劑進行該光活性層之表面處理的步驟係旋塗法或滴塗法。
以下實例將詳細描述包括該已接受非溶劑處理法和熱處理之光活性層的該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。
有機光伏打電池之製造和特性測定
實例1.接受非溶劑表面處理法之有機光伏打電池之製造
有機光伏打電池具有ITO/PEDOT:PSS/光
活性層(以下聚合物:PCBM)/Al結構。ITO施於其上的玻璃基板藉由使用蒸餾水、丙酮、2-丙醇藉超音波清洗,ITO表面以臭氧處理10分鐘,之後使用PEDOT:PSS(Clavios AI4083)進行旋塗法,厚度為26奈米,並於200℃熱處理5分鐘。形成以下聚合物1:PCBM以1:1.75的比混合之混合物以用於光活性層之塗覆,進行旋塗法,厚度為100奈米厚度,形成光活性層。甲醇施用在該光活性層上,並於5000rpm以旋塗法用於非溶劑表面處理法以移除非溶劑。使用熱蒸發器,在3×10-6托耳真空下,Al以150奈米厚度澱積。
實例2.接受非溶劑表面處理法之有機光伏打電池之製造
進行與實例1相同的程序,但使用2-甲氧基乙醇代替甲醇。
比較例1.
進行與實例1相同的程序,但未進行非溶劑表面處理法。
在100毫瓦特/平方公分(AM 1.5)條件下,測定實例1、實例2和比較例1中製造的有機光伏打電池的光電轉換特性,其結果述於下面的表1。
如表1的結果所示者,可看出當光活性層藉
非溶劑溶脹時,藉由在光活性層介面處形成的偶極而造成內建電壓提高及藉由降低表面能量阱而提高填充因子和開路電壓,有機光伏打電池的效率獲改良。
Claims (36)
- 一種有機光伏打電池,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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者,該以烷為基礎的非溶劑係選自由正丁烷、正戊烷、正己烷、正辛烷、異辛烷、正十二烷、二氯甲烷、環己烷、和甲基環己烷所組成之群組中之一或二或更多者,該以鹵烴為基礎的非溶劑係選自由氯甲烷、二氯甲烷、二氯甲烷、1,1-二氯乙烯、二氯乙烷、氯仿、1,1-二氯乙烷、三氯乙烯、四氯化碳、氯苯、鄰-二氯苯、和1,1,2-三氯三氟乙烷所組成之群組中之一或二或更多者,該以醚為基礎的非溶劑係選自由四氫呋喃、1,4-二烷、二乙醚、和二苄基醚所組成之群組中之一或二或更多者,該以酮為基礎的非溶劑係選自由丙酮、甲基乙基酮、環己酮、二乙酮、苯乙酮、甲基異丁基酮、甲基異戊基酮、異佛爾酮、和二(異丁基)酮所組成之群組中之一或 二或更多者,該以酯為基礎的非溶劑係選自由碳酸乙二酯、乙酸甲酯、甲酸乙酯、碳酸丙-1,2-二酯、乙酸乙酯、碳酸二乙酯、硫酸二乙酯、乙酸正丁酯、乙酸異丁酯、乙酸2-乙氧基乙酯、乙酸異戊酯、和異丁酸異丁酯所組成之群組中之一或二或更多者,該硫化合物非溶劑係選自由二硫化碳、二甲亞碸、和乙硫醇所組成之群組中之一或二或更多者,該以醇為基礎的非溶劑係選自由甲醇、乙醇、烯丙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、異丁醇、苯甲醇、環己醇、二丙酮醇、乙二醇單乙醚、二乙二醇單甲醚、二乙二醇單乙醚、乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚、2-甲氧基乙醇和1-癸醇所組成之群組中之一或二或更多者,該酸非溶劑係選自由甲酸、乙酸、苯甲酸、油酸、和硬脂酸所組成之群組中之一或二或更多者,該以酚為基礎的非溶劑係選自由酚、間苯二酚、間-甲酚、和水楊酸甲酯所組成之群組中之一或二或更多者,而該以多元醇為基礎的非溶劑係選自由乙二醇、甘油、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、和二丙二醇所組成之群組中之一或二或更多者。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料在以該非溶劑處理 之前、期間、或之後被熱處理。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中當該非溶劑被施用於該光活性層上1分鐘至60分鐘時,該非溶劑進入該光活性層的穿透距離為該光活性層厚度的5%或更高並低於50%。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料係富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。
- 如申請專利範圍第4項之有機光伏打電池,其中該富勒烯衍生物係C60至C90富勒烯衍生物。
- 如申請專利範圍第4項之有機光伏打電池,其中該非富勒烯衍生物的LUMO能階為-2.0至-6.0eV。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該提供電子之材料包括至少一種電子提供體;或至少一種電子接受體和至少一種電子提供體之聚合物。
- 如申請專利範圍第7項之有機光伏打電池,其中該電子提供體包括選自由下列化學式所組成之群組中之一或二或更多者:
- 如申請專利範圍第7項之有機光伏打電池,其中該電子接受體包括選自由下列化學式所組成之群組中之一或二或更多者:
- 如申請專利範圍第7項之有機光伏打電池,其中該提供電子之材料包括聚合物,該聚合物包含以下列式1、式2和式3中之任一者代表的A單元;以下列式4代表的B單元;和以下列式5代表的C單元;
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該非溶劑為選自由烷、醚、醇、和酸所組成之群組中之一或二或更多者。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該非溶劑係甲醇或2-甲氧基乙醇。
- 如申請專利範圍第2項之有機光伏打電池,其中該熱處理的溫度係該提供電子之材料的玻璃轉變溫度(Tg)或更高且係熱分解溫度或更低。
- 如申請專利範圍第1項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料係[6,6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM),而該提供電子之材料係聚(3-己基噻吩)(P3HT)或包含以下式6表示的單元之聚合物:
- 如申請專利範圍第1至14項中任一項之有機光伏打電池,其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
- 如申請專利範圍第1至14項中任一項之有機光伏打電池,其中該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%。
- 如申請專利範圍第1至14項中任一項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料之比為1:10至10:1。
- 如申請專利範圍第1至14項中任一項之有機光伏打電池,其中該光活性層的厚度為50至300奈米。
- 如申請專利範圍第1至14項中任一項之有機光伏打電池,其中該有機層包括緩衝層。
- 如申請專利範圍第19項之有機光伏打電池,其中該緩衝層的厚度為1奈米至60奈米。
- 一種有機光伏打電池,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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,且相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
- 如申請專利範圍第21項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理。
- 如申請專利範圍第22項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
- 一種有機光伏打電池,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並包括光活性層的有機層,其中該光活性層包括接受電子之材料和提供電子之材料,該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該有機光伏打電池的效率相較於該光活性層包括該接受電子之材料和該提供電子之材料於以該非溶劑處理之前的情況係提高110至200%。
- 如申請專利範圍第24項之有機光伏打電池,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉該非溶劑處 理之前、期間、或之後,被熱處理。
- 一種光活性層,包含:接受電子之材料;和提供電子之材料;其中該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理,且該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者。
- 如申請專利範圍第26項之光活性層,其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
- 一種光活性層,包含:接受電子之材料;和提供電子之材料;其中相較於該接受電子之材料和該提供電子之材料的內稟值,FT-IR吸收光譜之反對稱值和對稱值之比(IC=C/IC-C)提高110至150%。
- 如申請專利範圍第28項之光活性層,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料經非溶劑處理。
- 如申請專利範圍第26至29項中任一項之光活性層,其中該接受電子之材料和該提供電子之材料在藉該非溶劑處理之前、期間、或之後,被熱處理。
- 一種製造如申請專利範圍第1至14項和第21至 25項中任一項之有機光伏打電池之方法,包含:製備基板;在該基板的一區域內形成第一電極;在該第一電極的上部上形成包括光活性層之有機層;藉非溶劑對該光活性層進行表面處理;和在該有機層上形成第二電極,其中該非溶劑係選自由水、烷、鹵烴、醚、酮、酯、硫化合物、酸、醇、酚、和多元醇所組成之群組中之一或二或更多者,該以烷為基礎的非溶劑係選自由正丁烷、正戊烷、正己烷、正辛烷、異辛烷、正十二烷、二氯甲烷、環己烷、和甲基環己烷所組成之群組中之一或二或更多者,該以鹵烴為基礎的非溶劑係選自由氯甲烷、二氯甲烷、二氯甲烷、1,1-二氯乙烯、二氯乙烷、氯仿、1,1-二氯乙烷、三氯乙烯、四氯化碳、氯苯、鄰-二氯苯、和1,1,2-三氯三氟乙烷所組成之群組中之一或二或更多者,該以醚為基礎的非溶劑係選自由四氫呋喃、1,4-二烷、二乙醚、和二苄基醚所組成之群組中之一或二或更多者,該以酮為基礎的非溶劑係選自由丙酮、甲基乙基酮、環己酮、二乙酮、苯乙酮、甲基異丁基酮、甲基異戊基酮、異佛爾酮、和二(異丁基)酮所組成之群組中之一或二或更多者,該以酯為基礎的非溶劑係選自由碳酸乙二酯、乙酸甲 酯、甲酸乙酯、碳酸丙-1,2-二酯、乙酸乙酯、碳酸二乙酯、硫酸二乙酯、乙酸正丁酯、乙酸異丁酯、乙酸2-乙氧基乙酯、乙酸異戊酯、和異丁酸異丁酯所組成之群組中之一或二或更多者,該硫化合物非溶劑係選自由二硫化碳、二甲亞碸、和乙硫醇所組成之群組中之一或二或更多者,該以醇為基礎的非溶劑係選自由甲醇、乙醇、烯丙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、異丁醇、苯甲醇、環己醇、二丙酮醇、乙二醇單乙醚、二乙二醇單甲醚、二乙二醇單乙醚、乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚、2-甲氧基乙醇和1-癸醇所組成之群組中之一或二或更多者,該酸非溶劑係選自由甲酸、乙酸、苯甲酸、油酸、和硬脂酸所組成之群組中之一或二或更多者,該以酚為基礎的非溶劑係選自由酚、間苯二酚、間-甲酚、和水楊酸甲酯所組成之群組中之一或二或更多者,而該以多元醇為基礎的非溶劑係選自由乙二醇、甘油、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、和二丙二醇所組成之群組中之一或二或更多者。
- 如申請專利範圍第31項之製造有機光伏打電池之方法,另包含:在藉該非溶劑進行表面處理之前、期間、或之後,進行熱處理。
- 如申請專利範圍第31項之製造有機光伏打電池之方法,另包含:在形成該第一電極之後且在形成該光活性層之前,形成該有機層。
- 如申請專利範圍第31項之製造有機光伏打電池之方法,另包含:在形成該第一電極之後且在形成該光活性層之前,形成緩衝層。
- 如申請專利範圍第32項之製造有機光伏打電池之方法,其中該熱處理的溫度係該提供電子之材料的玻璃轉變溫度(Tg)或更高且係熱分解溫度或更低。
- 如申請專利範圍第31項之製造有機光伏打電池之方法,其中該光活性層的厚度為50至300奈米。
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