TWI599065B - 有機電化學裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

有機電化學裝置及其製造方法

本說明書關於有機電化學裝置及其製造方法。

結晶矽太陽能電池已廣為人知係將光能直接轉化成電能的裝置。該等結晶矽太陽能電池係用作獨立電源，及用於運輸工具中之電源。該等結晶矽太陽能電池通常由單晶矽或非晶矽製成。然而，製造單晶矽或非晶矽需要極大量能源，而且為了彌補製造太陽能電池所消耗之能源，該等太陽能電池需要在長達十年的期間持續產生電力。

與此同時，在最近幾年，已發展各種形式之使用有機分子的太陽能電池作為新形式之太陽能電池其中之技術可能性已迅速改善。迄今所發展之現有有機太陽能電池在能源轉換效率、使用期限等方面仍處於起步階段。目前，由於有機分子的光及電安定性尚在未令人滿意的水準，有機太陽能電池係目前為止仍被廣泛研究以改善其性能之太陽能電池的發展領域之一。

迄今所發展之現有有機太陽能電池非常容易受到溫 度、陽光、高波長系統等影響，且在能源轉換效率上具有許多問題。如此，這些問題係發展使用有機分子之太陽能電池的障礙因素，及尤其是，因使用有機材料之太陽能電池的能源轉換效率低於現有矽太陽能電池等之能源轉換效率以及該等太陽能電池的使用有許多限制，難以擴展其使用領域。

如下圖15所圖示，相關技術中之有機太陽能電池包含提供在玻璃基板上之銦錫氧化物(ITO)電極、提供在該ITO電極上之聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT/PSS)層、提供在該PEDOT/PSS層及該玻璃基板上之有機活性層，及提供在該有機活性層上之鋁電極。

發明之詳細說明

已進行本發明以努力提供一種具有優異能源轉換效率之有機電化學裝置及其製造方法。

本發明提供一種有機電化學裝置，其包含：基板；提供在該基板上之第一電極；提供在該第一電極上之中間層； 提供在該中間層上之第二電極；及第一有機材料層，其中至少一部分的該第一有機材料層係與該第二電極及該中間層接觸。

另外，本發明提供一種有機電化學裝置，其包含：透明基板；提供在該透明基板上之第一有機材料層；提供在該第一有機材料層上之第一電極；第二電極；及提供在該第一有機材料層與該第二電極之間的中間層，其中至少一部分的該中間層係與該第一電極及該第一有機材料層接觸。

此外，本發明提供一種製造有機電化學裝置之方法，該方法包括：在基板上形成第一電極；在該第一電極上形成中間層；在該中間層上形成第二電極，以使至少一部分的該第二電極係與該中間層接觸；及在該中間層上形成第一有機材料層。

另外，本發明提供一種製造有機電化學裝置之方法，該方法包括：在透明基板上形成第一有機材料層；在該第一有機材料層上形成第一電極，以使得至少一 部分的該第一電極係與該第一有機材料層接觸；在該第一有機材料層及該第一電極上形成中間層；及在該中間層上形成第二電極。

根據本發明範例具體實例之有機電化學裝置因在第二電極及中間層上形成有機活性層之故而可改善功率轉換效率。此外，根據本發明另一範例具體實例之有機電化學裝置可使用金屬電極作為第一電極及第二電極，從而改善傳導率並以低成本實現。

另外，根據本發明又另一範例具體實例之有機電化學裝置可藉由在第二電極上包含有機材料層而改善該有機電化學裝置之撓性，可藉由將光直接在提供在該第二電極之上方部分的有機材料層而不使光通過透明電極來減少因電極、電洞傳輸層等之光吸收造成的光損失，及可因光自金屬電極反射而提高光之再吸收率。根據本發明之有機電化學裝置可應用於各種有機電化學裝置，諸如有機太陽能電池、有機光偵測元件、有機發光元件及有機電色顯示元件。

10‧‧‧基板

20‧‧‧第一電極

30‧‧‧中間層

40‧‧‧絕緣層

50‧‧‧第二電極

60‧‧‧第一有機材料層

70‧‧‧電洞傳輸層

80‧‧‧第二有機材料層

90‧‧‧電子傳輸層

100‧‧‧離子儲存層

110‧‧‧離子導體/電解質

120‧‧‧電色顯示層

圖1為示意圖示根據本發明第一範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖2為示意圖示根據本發明第二範例具體實例之有機 電化學裝置的圖。

圖3為示意圖示根據本發明第三範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖4為示意圖示根據本發明第四範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖5為示意圖示根據本發明第五範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖6為示意圖示根據本發明第六範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖7為示意圖示根據本發明第七範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖8為示意圖示根據本發明第八範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖9為示意圖示根據本發明第九範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖10為示意圖示根據本發明第十範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖11為示意圖示根據本發明第十一範例具體實例之有機電化學裝置的圖。

圖12為示意圖示根據本發明第十二範例具體實例之有機太陽能電池的圖。

圖13為示意圖示根據本發明第十三範例具體實例之有機發光元件的圖。

圖14為示意圖示根據本發明第十四範例具體實例之 有機電色顯示元件的圖。

圖15為示意圖示相關技術中之有機太陽能電池的圖。

下文茲參考附圖詳細說明本發明之較佳範例具體實例。

圖1為示意圖示根據本發明第一範例具體實例之有機電化學裝置的圖。根據第一範例具體實例之有機電化學裝置包含基板10、提供在該基板上之第一電極20、提供在該第一電極20上之中間層30、提供在該中間層30上之第二電極50，及第一有機材料層60，其中至少一部分的該第一有機材料層60係與該第二電極50及該中間層30接觸。

該基板10可為或可不為透明。只要該基板具有容許用於該有機電化學裝置中之適當強度，該基板之厚度不受特別限制。該基板可為玻璃、塑膠、金屬、陶瓷等。該玻璃之實例包含鈉玻璃、硼矽玻璃、鋁矽玻璃、鋁硼矽玻璃、矽石玻璃、鈉鈣玻璃等。該塑膠基板之實例包含聚酯薄片，諸如聚對苯二甲酸乙二酯及聚萘二甲酸乙二酯，及諸如聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚碸及聚亞乙基降莰烯(polyethylidene norbornene)。該陶瓷之實例包含高純度氧化鋁等。

用於第一電極20之材料不受特別限制，及可應用金 屬、傳導性氧化物、碳材料、傳導性聚合物等。該金屬之實例包含鈦、鎳、鉑、金、銀、銅、鋁、鎢、銠、銦等。該傳導性氧化物之實例包含氧化錫、摻雜氟之氧化錫(FTO)、氧化銦、摻雜錫之氧化銦(ITO)、氧化鋅等。該碳材料之實例包含奈米碳管、石墨烯、碳黑等。該傳導性聚合物之實例包含PEDOT-PSS、聚吡咯、聚苯胺、聚-3,4-伸乙二氧基噻吩(聚-EDT)等。該等材料可單獨或組合使用。

該第一電極20可以沉積方法塗覆在基板上。該第一電極可藉由物理氣相沉積(諸如熱金屬蒸鍍、電子束蒸鍍、RF濺鍍、磁控管濺鍍、原子層沉積、電弧氣相沉積及離子束輔助沉積)，或化學氣相沉積法(諸如化學氣相沉積(CVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)及電漿強化之化學氣相沉積(PECVD))將傳導性材料(諸如金屬、傳導性氧化物、碳材料及傳導性聚合物)沉積在基板10上來形成。

該中間層30可形成在該第一電極20上。該中間層可包含電洞傳輸層及絕緣層。一種包含電洞傳輸層70及絕緣層40作為中間層之有機電化學裝置係示意圖示於下圖3中。

此外，該中間層包含電洞傳輸層70，及在該中間層與該第二電極之間可額外包含絕緣層40。具有該結構之有機電化學裝置係示意圖示於下圖2中。

該電洞傳輸層70可包含電洞傳輸材料。該電洞傳輸 材料為可在該第一電極20與該第一有機材料層60之間傳輸電洞的材料，且以具有高電洞移動性之材料為宜。其特殊實例包含以芳胺為底質之有機材料、傳導性聚合物、兼具共軛部分及非共軛部分之嵌段共聚物等，但不局限於此。

更特別的是，電洞傳輸材料之實例包含摻雜聚(苯乙烯磺酸)之聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)(PEDOT：PSS)、N,N'-雙(3-甲苯基)-N,N'-二苯基-[1,1'-聯苯基]-4,4'-二胺(TPD)等，但不局限於此。

該絕緣層40可藉由使用本技術中已知之材料及方法形成。

該中間層30可具有低於該第一電極20及該第二電極50之傳導率。

該第二電極50可在該中間層30上形成。該第二電極50可包含規則圖案或不規則圖案。

用於第二電極50之材料不受特別限制，及可應用金屬、傳導性氧化物、碳材料、傳導性聚合物等。該金屬之實例包含鈦、鎳、鉑、金、銀、銅、鋁、鎢、銠、銦等。該傳導性氧化物之實例包含氧化錫、摻雜氟之氧化錫(FTO)、氧化銦、摻雜錫之氧化銦(ITO)、氧化鋅等。該碳材料之實例包含奈米碳管、石墨烯、碳黑等。該傳導性聚合物之實例包含PEDOT-PSS、聚吡咯、聚苯胺、聚-EDT等。該等材料可單獨或組合使用。

該第二電極50可以沉積方法塗覆在基板上。該第二 電極可藉由物理氣相沉積(諸如熱金屬蒸鍍、電子束蒸鍍、RF濺鍍、磁控管濺鍍、原子層沉積、電弧氣相沉積及離子束輔助沉積)，或化學氣相沉積法(諸如CVD、MOCVD及PECVD)將傳導性材料(諸如金屬、傳導性氧化物、碳材料及傳導性聚合物)沉積在中間層30上來形成。

尤其是，在下圖15所圖示之相關技術中的有機太陽能電池之結構中，光係從該玻璃表面側被吸收，但在本發明中，藉由將該第二電極50形成規則圖案或不規則圖案而可使光被在該第二電極上所形成的第一有機材料層表面之側吸收或發射至該側。

另外，在本發明中，該第一電極20及該第二電極50均可為金屬電極。因此，可能提供具有優異傳導率之有機電化學裝置。

該第一有機材料層60可在該第二電極50及該中間層30上形成。因此，其中至少一部分的該第一有機材料層60可與該第二電極及該中間層接觸。

該第一有機材料層60之表面狀態不受特別限制。該第一有機材料層60之表面狀態可呈如下圖2所圖示之平坦表面的形式，或可呈如下圖4所圖示之彎曲表面的形式。

此外，根據本發明之有機電化學裝置可具有如下圖5所圖示之第二電極50係包含在第一有機材料層60中的結構。

該第一有機材料層60可為有機光活性層。

當該有機電化學裝置係應用於有機太陽能電池時，該有機光活性層可包含電子施體材料及/或電子受體材料。

作為電子施體材料，可使用適於該光吸收波長範圍或陽光光譜、具有強光吸收作用及具有優異電性質(諸如電荷移動性)之聚合物化合物。該電子施體材料可包含聚(3-己基噻吩)(P3HT)，其為複雜聚合物(complex polymer)材料，但不局限於此。

該電子受體材料可為富勒烯、富勒烯衍生物、費索銅洛因(vasocuproin)、半導體元件、半導體化合物或其組合，尤其是可為苯基C61-丁酸甲酯(PC61BM)，或苯基C71-丁酸甲酯(PC71BM)，但不局限於此。

在該有機光活性層中，該電子施體材料及該電子受體材料可形成整塊異質接面(bulk heterojunction，BHJ)。該電子施體材料及電子受體材料可以1：10至10：1之比(重量/重量：質量比)彼此混合。該電子施體材料及電子受體材料係經混合，然後可在30℃至300℃下退火1秒鐘至24小時，以使其特徵最大化。

該有機光活性層之厚度可為10Å至10,000Å，但不局限於此。

當該有機電化學裝置係應用於有機發光元件時，該有機光活性層可發光材料。該發光材料為能藉由接受及重組來自電洞傳輸層之電洞與來自電子傳輸層之電子而發光的材料，較佳為具有對螢光及磷光具有高量子效率之材料。 其特殊實例包含：8-羥基-喹啉-鋁錯合物(Alq₃)；以咔唑為底質之化合物；二聚苯乙烯基化合物；BAlq；10-羥基苯並喹啉-金屬化合物；以苯並唑為底質、以苯並噻唑為底質、及以苯並咪唑為底質之化合物；以聚(對伸苯基乙烯)(PPV)為底質之聚合物；螺化合物；及聚茀、紅螢烯等，但不局限於此。

當該有機電化學裝置係應用於有機電色顯示元件時，該有機光活性層可為有機電色顯示層。

如上述，藉由控制該第一有機材料層中所包含之材料以使得適合其用途，根據本發明之有機電化學裝置可應用於各種有機電化學裝置，諸如有機太陽能電池、有機光偵測元件、有機發光元件及有機電色顯示元件。

根據本發明之有機電化學裝置可另外包含在該中間層30與該第一有機材料層60之間的第二有機材料層80。具有該結構之有機電化學裝置的示意結構係圖示於下圖6中。

該第二有機材料層可包含上述作為第一有機材料層之材料實例的材料。較佳係該第一有機材料層包含第一材料，該第二有機材料層包含第二材料，且該第一材料與該第二材料包含彼此不同之材料。此外，較佳係該第一材料及該第二材料可吸收彼此不同之波長範圍的光，且該第二材料吸收之光的波長大於第一材料，但本發明不局限於此。

根據本發明之有機電化學裝置可另外包含在該第一有 機材料層60與該第二電極50之間的電子傳輸層90。具有該結構之有機電化學裝置的示意結構係圖示於下圖7中。

該電子傳輸層90可包含電子傳輸材料。該電子傳輸層材料為可接受電子並將其從該第二電極傳輸至該第一有機材料層60之材料，且以具有高電子移動性之材料為宜。其特殊實例包含三羥基喹啉鋁(Alq3)、2-(4-聯苯基)-5-苯基-1,3,4-二唑(PBD)(其為1,3,4-二唑衍生物)、1,3,4-參[(3-苯基-6-三氟甲基)喹啉-2-基]苯(TPQ)(其為喹啉衍生物)、三唑衍生物等，但不局限於此。

可使用各種聚合物材料，藉由上述沉積程序或溶劑程序，例如諸如旋塗、浸塗、刮刀塗隨、網版印刷、噴墨印刷或熱轉移法之方法，來製造中間層30、絕緣層40、電洞傳輸層70、第一有機材料層60、第二有機材料層80、電子傳輸層90等。

圖8為示意圖示根據本發明第八範例具體實例之有機電化學裝置的圖。根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置包含基板10、提供在該基板上之第一有機材料層60、提供在該第一有機材料層60上之第一電極20、第二電極50及提供在該第一有機材料層60與該第二電極50之間的中間層30，其中至少一部分的該中間層30係與該第一電極20及該第一有機材料層60接觸。

較佳係根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置的 基板10為透明。

根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置的第一電極20可包含規則圖案或不規則圖案。本發明中，藉由將該第一電極20形成規則圖案或不規則圖案可使光可被該第一電極之下表面的基板表面側吸收或發射至該側。

另外，在本發明中，該第一電極20及該第二電極50均可為金屬電極。因此，可能提供具有優異傳導率之有機電化學裝置。

在根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置中，該中間層30可包含電洞傳輸層70及絕緣層40。此外，該中間層30包含電洞傳輸層70，及在該中間層30與該第一電極20之間可額外包含絕緣層40。具有該結構之有機電化學裝置係示意圖示於下圖9中。

該電洞傳輸層70之表面狀態不受特別限制。該電洞傳輸層70之表面狀態可為可下圖9中所圖示之平坦表面形式，及可為下圖10中所圖示之不平整形式。

根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置可另外包含在該中間層30與該第一有機材料層60之間的第二有機材料層80。具有該結構之有機電化學裝置的示意結構係圖示於下圖11中。

在根據該第八範例具體實例之有機電化學裝置中，該第一電極20、該中間層30、該絕緣層40、該第二電極50、該電洞傳輸層70、該第一有機材料層60、該第二有機材料層80、該電子傳輸層90等之材料及形成方法與上 述者相同或相似，因此茲將省略其具體描述。

根據本發明之有機電化學裝置可應用於各種有機電化學裝置，諸如有機太陽能電池、有機光偵測元件、有機發光元件及有機電色顯示元件。

相關技術中之有機太陽能電池係示意圖示於下圖15。此外，根據本發明之有機太陽能電池係示意圖示於下圖12，根據本發明之有機發光元件係示意圖示於下圖13，及根據本發明之有機電色顯示元件係示意圖示於下圖14。

此外，根據本發明範例具體實例之製造有機電化學裝置的方法包括：在基板上形成第一電極；在該第一電極上形成中間層；在該中間層上形成第二電極，以使至少一部分的該第二電極係與該中間層接觸；及在該中間層上形成第一有機材料層。

此外，根據本發明另一範例具體實例之製造有機電化學裝置的方法包括：在基板上形成第一有機材料層；在該第一有機材料層上形成第一電極，以使得至少一部分的該第一電極係與該第一有機材料層接觸；在該第一有機材料層及該第一電極上形成中間層；及在該中間層上形成第二電極。

在根據本發明之製造有機電化學裝置的方法中，該第一電極20、該中間層30、該絕緣層40、該第二電極50、該電洞傳輸層70、該第一有機材料層60、該第二有機材料層80、該電子傳輸層90等之材料及形成方法與上述者 相同或相似，因此茲將省略其具體描述。

根據本發明範例具體實例之有機電化學裝置因在第二電極及中間層上形成有機活性層之故而可改善功率轉換效率。另外，根據本發明另一範例具體實例之有機電化學裝置可使用金屬電極作為第一電極及第二電極，從而改善傳導率並以低成本實現。

此外，根據本發明又另一範例具體實例之有機電化學裝置可藉由在第二電極上包含有機材料層而改善該有機電化學裝置之撓性，可藉由將光直接在提供在該第二電極之上方部分的有機材料層而不使光通過透明電極來減少因電極、電洞傳輸層等之光吸收造成的光損失，及可因光自金屬電極反射而提高光之再吸收率。根據本發明之有機電化學裝置可應用於各種有機電化學裝置，諸如有機太陽能電池、有機光偵測元件、有機發光元件及有機電色顯示元件。

10‧‧‧基板

20‧‧‧第一電極

30‧‧‧中間層

50‧‧‧第二電極

60‧‧‧第一有機材料層

Claims (26)

1. 一種有機電化學裝置，其包含：基板；提供在該基板上之第一電極；提供在該第一電極上之中間層；提供在該中間層上之第二電極；及第一有機材料層，其中至少一部分的該第一有機材料層係與該第二電極及該中間層接觸，以及其中該第二電極包含規則圖案或不規則圖案。
2. 如申請專利範圍第1項之有機電化學裝置，其中該中間層包含電洞傳輸層。
3. 如申請專利範圍第2項之有機電化學裝置，其中該中間層包含絕緣層。
4. 如申請專利範圍第2項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在該中間層與該第二電極之間的絕緣層。
5. 如申請專利範圍第1項之有機電化學裝置，其中該第一電極及該第二電極均為金屬電極。
6. 如申請專利範圍第1項之有機電化學裝置，其中該第一有機材料層為有機光活性層。
7. 如申請專利範圍第1項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在該中間層與該第一有機材料層之間的第二有機 材料層。
8. 如申請專利範圍第7項之有機電化學裝置，其中該第一有機材料層包含第一材料，該第二有機材料層包含第二材料，且該第一材料及該第二材料為彼此不同的材料。
9. 如申請專利範圍第8項之有機電化學裝置，其中該第一材料及該第二材料吸收在彼此不同之波長範圍內的光。
10. 如申請專利範圍第9項之有機電化學裝置，其中該第二材料吸收之光的波長大於第一材料。
11. 如申請專利範圍第1項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在第二電極上之電子傳輸層。
12. 一種有機電化學裝置，其包含：基板；提供在該基板上之第一有機材料層；提供在該第一有機材料層上之第一電極；第二電極；及提供在該第一有機材料層與該第二電極之間的中間層，其中至少一部分的該中間層係與該第一電極及該第一有機材料層接觸。
13. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其中該中間層包含電洞傳輸層。
14. 如申請專利範圍第13項之有機電化學裝置，其中該中間層包含絕緣層。
15. 如申請專利範圍第13項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在該第一電極與該中間層之間的絕緣層。
16. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其中該第一電極及該第二電極均為金屬電極。
17. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其中該第一有機材料層為有機光活性層。
18. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在該中間層與該第一有機材料層之間的第二有機材料層。
19. 如申請專利範圍第18項之有機電化學裝置，其中該第一有機材料層包含第一材料，該第二有機材料層包含第二材料，且該第一材料及該第二材料為彼此不同的材料。
20. 如申請專利範圍第19項之有機電化學裝置，其中該第一材料及該第二材料吸收在彼此不同之波長範圍內的光。
21. 如申請專利範圍第20項之有機電化學裝置，其中該第二材料吸收之光的波長大於第一材料。
22. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其中該第二電極包含規則圖案或不規則圖案。
23. 如申請專利範圍第12項之有機電化學裝置，其進一步包含：提供在該第一有機材料層與該第一電極之間的電子傳輸層。
24. 如申請專利範圍第1至23項中任一項之有機電化學裝置，其中該有機電化學裝置係選自由下列所組成之群組：有機太陽能電池、有機光偵測元件及有機電色顯示元件。
25. 一種製造有機電化學裝置之方法，該方法包括：在基板上形成第一電極；在該第一電極上形成中間層；在該中間層上形成第二電極，以使至少一部分的該第二電極係與該中間層接觸；及在該中間層上形成第一有機材料層。
26. 一種製造有機電化學裝置之方法，該方法包括：在基板上形成第一有機材料層；在該第一有機材料層上形成第一電極，以使得至少一部分的該第一電極係與該第一有機材料層接觸；在該第一有機材料層及該第一電極上形成中間層；及在該中間層上形成第二電極。