TWI612705B - 有機太陽能電池的製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種有機太陽能電池的製作方法，其主要特徵在於利用批次式製程方式，配合使用調整不同混摻比例之添加劑，形成有機太陽能電池的主動層，以改善元件效率受到外在製程溫度干擾的情況，而能於常溫與高溫時，皆可得到均一的元件效率，而提昇整體製程的穩定度。
Description
本發明是有關於一種太陽能電池的製作方法，特別是指一種有機太陽能電池的製作方法。
目前於製備有機太陽能電池時，大都是利用濕式製程(wet process)，將主動層材料(例如PTB7/PC71
BM)溶解於溶劑中形成主動層溶液後，再利用旋轉塗佈方式、片對片(sheet to sheet， 批次式)或卷對卷(roll to roll，連續式)塗佈方式形成主動層膜。而為了讓具有低能隙導電高分子系統之元件具有較佳的光電轉換效率，通常會進一步於主動層溶液中添加不同的高沸點添加劑，例如1,8-二碘辛烷( 1,8-iodooctane，DIO)或1-氯化萘(1-Chloronaphthalene ，CN)等，使得主動層膜能具有較佳之內部奈米結構，以利於載子傳導、導電高分子與富勒烯材料相分離，與較佳之導電高分子結晶。
然而，前述利用旋轉塗佈方式形成的主動層膜，因為成膜速度較快，因此，不需以加溫方式來控制膜層乾燥。而添加高沸點添加劑之主動層應用於大面積批次式製程中，由於以批次式製程方式形成的主動層為濕膜，須經過乾燥方可得到主動層的乾膜。然而，主動層的濕膜因為在乾燥形成乾膜前，易產生二次流動，導致膜層內添加劑分佈不均，進而影響元件效率及穩定度的表現，因此，批次式製程傾向於成膜(乾膜)過程以加溫來控制膜層的乾燥速度，避免濕膜於轉變成乾膜的過程中流動，以提升製程穩定度。但利用加溫乾燥的方式不但耗能，且元件效率受到外在溫度的影響造成的波動也很顯著，容易產生每一批次間效率不穩定的問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種可有效提升製程穩定度的有機太陽能電池製作方法。
於是，本發明有機太陽能電池的製作方法，包含以下步驟。
首先，於一基板表面依序形成一第一電極層及一第一傳輸層。
接著，準備一塗佈溶液，該塗佈溶液包括p-型及n-型的有機半導體材料、溶劑，及一添加劑，其中該添加劑包括1,8-二碘辛烷及1-氯化萘，且以該溶劑及添加劑的體積百分比為100v%計，該1,8-二碘辛烷及1-氯化萘的體積百分比不大於3v%。
接著，利用批次式製程方式將該塗佈溶液塗佈於該第一傳輸層表面，形成一主動層濕膜，再將該主動層濕膜乾燥，形成一主動層。
自該主動層表面依序形成一第二傳輸層及一第二電極層，得到該有機太陽能電池，其中，該第一傳輸層及該第二傳輸層為電子傳輸層或電洞傳輸層其中任一，且該第一、二傳輸層彼此不同。
本發明之功效在於：利用批次式製程方式，配合使用調整不同混摻比例之添加劑，形成有機太陽能電池的主動層，以改善元件效率受到外在製程溫度干擾的情況，而能於常溫與高溫時，皆可得到均一的元件效率，而提昇整體製程的穩定度。
本發明該有機太陽能電池的製作方法可以用於製作一般傳統順式結構的有機太陽能電池，也可以是應用在反向結構的反式有機太陽能電池。於本實施例中是以製備反式結構的有機太陽能電池為例作說明，但不限於此。
參閱圖1，本發明該有機太陽能電池的製作方法的該實施例製得的有機太陽能電池，包括：一基板11，以及自該基板11的其中一表面向上的一第一電極層12、一電子傳輸層13、一主動層14、一電洞傳輸層15，及一第二電極層16。
該基板11可為具有剛性或是可撓性，例如玻璃基板、高分子基板，並不須特別限制。而當該基板11具有可撓性時，則更適用於連續型製程，例如卷對卷製程(roll-to-roll)，而具有量產製程的優點。
該第一電極層12為該有機太陽能電池的負電極，選自透明導電金屬氧化物，如氧化銦錫(ITO)；該電子傳輸層13選自氧化鋅(ZnO)、八羥基喹啉鋁(Alq)、三-(八羥基喹啉)鋁(Alq3)、三氮唑衍生物(BEHP-TAZ)等；該主動層14包括p-型及n-型的有機半導體材料，較佳地，該p-型有機半導體材料選自導電性高分子，例如：聚3-己基噻吩(P3HT)、聚苯并二噻吩(PTB7)、雙噻吩環戊烷- 苯并噻二唑交錯型高分子(PCPDTBT)等；該n-型有機半導體材料選自富勒烯衍生物，例如：茚雙加成C60
衍生物(ICBA)、苯基-碳71-丁酸甲酯(PC71
BM)、苯基-碳61-丁酸甲酯(PC61
BM)等；該電洞傳輸層15選自聚(3,4-乙烯二氧噻吩)／聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、N,N’-二苯基-N,N’-(1-萘基)-1,1’-聯苯-4,4’-二胺(NPB)；該第二電極層16為該有機太陽能電池的正電極，選自功函數高的金屬，例如金、銀等。由於該有機太陽能電池的第一電極層(負電極)12、第二電極層(正電極)16、電子傳輸層13、主動層14，及電洞傳輸層15的膜層結構、相關材料的選擇及搭配為本技術領域者所周知，故不再多加贅述。
本發明該有機太陽能電池的特徵在於該主動層14是利用混摻體積比值為1的添加劑1,8-二碘辛烷(以下以DIO表示)及1-氯化萘(以下以CN表示)，並於預定時間條件下乾燥而得，可提昇元件效率的穩定度。
接著，詳細說明本發明該有機太陽能電池的製作方法的實施例。
配合參閱圖1及圖2，本發明該有機太陽能電池的製作方法的實施例包含以下步驟。
步驟21，準備一塗佈溶液備用。該塗佈溶液包含p-型及n-型的有機半導體材料、溶劑，及添加劑。
其中，該p-型及n-型的有機半導體材料的選擇如前所述，該溶劑可選自鄰-二甲苯(o-xylene)、氯苯(Chlorobenzene)，該添加劑包括DIO及CN。於本實施例中，該 p-型及n-型的有機半導體材料分別選自PTB7及PC71
BM(7 mg PTB7及10.5 mg PC71
BM溶於1 ml溶劑中)，溶劑為鄰-二甲苯，添加劑為DIO及CN，且以該溶劑及添加劑的體積百分比為100v%計，DIO及CN的體積百分比總和不大於3v%，且DIO及CN的體積比值控制在1，將該塗佈溶液攪拌分散均勻後備用。
步驟22，準備一基材，該基材具有一基板11及自該基板11表面依序形成的一第一電極層12及一電子傳輸層13。
該基板11如前所述可為剛性或具有可撓性，該第一電極層12可利用濺鍍或蒸鍍方式形成。於本實施例中該基板11是以聚酯為材料構成並具有可撓性；該第一電極層12即為該有機太陽能的負電極，是以ITO為材料，利用濺鍍方式形成於該基板11的表面。接著，於該第一電極層12表面形成以鋁摻雜氧化鋅(Aluminum doped zinc oxide，AZO)為材料的該電子傳輸層13。由於本發明該實施例的基板11為具有可撓性，因此，該電子傳輸層13可以利用卷對卷製程方式加以製作。
接著，進行步驟23，利用批次式製程方式將該塗佈溶液塗佈於該電子傳輸層13表面，形成一主動層濕膜，再將該主動層濕膜於不大於60o
C的條件下乾燥，而形成一主動層。
該批次式製程可以是狹縫塗佈或是刮刀塗佈等量產製程，由於該批次式製程的相關參數及設備為本技術領域者所知悉，因此，不再多加說明。本發明主要是利用批次式製程，讓形成於該電子傳輸層13上的主動層14可先保持濕膜的狀態，並控制令該主動層濕膜在溫度不大於60o
C，並在一預定時間內乾燥。由於該主動層濕膜中的添加劑是利用特定比例摻混，且是控制在溫度不大於60o
C的預定時間內乾燥，因此，除了可避免該主動層濕膜於乾燥前的流動問題，還可讓該添加劑有足夠的時間自該主動層濕膜揮發，達成添加劑於該主動層14的殘餘量可較為穩定的目的，讓乾燥後得到的該主動層14的結構及組成保持穩定，而可改善單一添加劑時所造成的元件效率受製程溫度波動的問題，以有效提升元件效率及穩定度。
於本實施例中，是以利用批次式狹縫塗佈製程形成該主動層14為例做說明：首先，將表面形成該第一電極層12及該電子傳輸層13的基板11置於批次式塗佈機台後，以2 米/分鐘的行進速度加以塗佈，而於該電子傳輸層13表面形成該主動層濕膜，接著，維持令該基板11的溫度不大於60o
C，讓該主動層濕膜於不大於60o
C且乾燥時間控制在2分鐘的條件下乾燥形成該主動層14後，即可將具有該主動層14的基板11取出，以進行下一個製程。
要說明的是，本發明利用控制添加劑的摻混比例，讓該主動層先形成濕膜，並控制令該主動層濕膜在低溫(不大於60o
C)及預定時間內乾燥，以達成添加劑於該主動層14的殘餘量可較為穩定的目的，因此可較不受製程溫度波動的影響，而達成提升元件效率及穩定度的目的。也就是說，主動層濕膜乾燥的溫度可控制在不加熱的環境溫度條件下乾燥，或是控制在不大於60o
C的條件下加熱乾燥均可達成相同的目的。然而，若以製程考量，利用不加熱的方式進行主動層濕膜的乾燥，則為更節能且方便的乾燥方式。較佳地，主動層濕膜的乾燥條件是控制在環境溫度不大於30o
C，以不加熱方式進行乾燥。
接著，進行步驟24，在該主動層14上再依序形成一層電洞傳輸層15及一第二電極層16，即可完成該有機太陽能電池的製備。
其中，該第二電極層16於此結構中即作為該有機太陽能電池的正電極，而該電洞傳輸層15及該第二電極層16則可選自如前述的材料，由於該電洞傳輸層15及該第二電極層16的相關材料選擇及製程方法為本技術領域所周知，因此不再多加贅述。於本實施例中，該電洞傳輸層15及該第二電極層16分別選自三氧化鉬(MoO3
)及銀。
要說明的是，由於本發明該實施例的基板11為具有可撓性，因此，各膜層結構均可利用卷對卷製程方式進行生產，而可以更高效能且低成本的方式生產該有機太陽能電池。
參閱表1，表1是將由不同條件製得之有機太陽能電池進行電性特性及效能的量測結果。樣品1~4是由本發明該實施例製得之有機太陽能電池，其中，該塗佈溶液的DIO及CN的體積比值為1，乾燥時間均為2分鐘，且該主動層濕膜的乾燥溫度分別為30o
C、40o
C、50o
C，及60o
C；樣品5~13，各膜層的組成、結構及相關製程條件均與該樣品1大致相同，不同處在於樣品5~8的添加劑僅為添加3v%的DIO，而樣品9~13的添加劑僅為添加3v%的CN，並分別控制主動層濕膜的乾燥溫度。
表1 
由表1的結果可知，當該添加劑是摻混DIO及CN(樣品1~4)，且DIO及CN的體積百分比不大於3v%時，該主動層濕膜無論是低溫(30o
C)或是利用加熱方式進行乾燥，其最終製得之有機太陽能電池的元件效率(P.C.E.%)幾乎可不受到製程溫度的影響，而幾乎保持一致；與單獨添加DIO或CN為添加劑(樣品5~8、9~13)的主動層14相較，僅添加單一種添加劑時，則所製得之有機太陽能電池的效率則會隨著製程溫度的不同而產生不同程度的變動。由此顯示，利用本發明添加劑之組成份及比例控制可有效的提昇製程的操作視窗，減低元件效率值受製程溫度波動的問題；此外，由表1結果顯示本發明於低溫乾燥時即可擁有最佳的元件效率，因此，還可降低製程溫度，而以更節能的方式生產該主動層14。
綜上所述，本發明透過批次式製程，令形成於該電子傳輸層13上的主動層14可先保持濕膜的狀態，讓該添加劑有足夠的時間自該主動層濕膜揮發，並可讓添加劑於該主動層14的殘餘量較為穩定，以改善元件效率受到外在製程溫度干擾的情況，而能於常溫與高溫時皆可得到均一的元件效率，而提昇整體製程的穩定度，故，確實可達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11‧‧‧基板
16‧‧‧第二電極層
12‧‧‧第一電極層
21‧‧‧步驟
13‧‧‧電子傳輸層
22‧‧‧步驟
14‧‧‧主動層
23‧‧‧步驟
15‧‧‧電洞傳輸層
24‧‧‧步驟
16‧‧‧第二電極層
12‧‧‧第一電極層
21‧‧‧步驟
13‧‧‧電子傳輸層
22‧‧‧步驟
14‧‧‧主動層
23‧‧‧步驟
15‧‧‧電洞傳輸層
24‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明該實施例製得，具有反式結構的有機太陽能電池的結構示意圖；及 圖2是該實施例之文字流程圖。
21‧‧‧步驟
23‧‧‧步驟
22‧‧‧步驟
24‧‧‧步驟
Claims (7)
- 一種有機太陽能電池的製作方法，包含：準備一塗佈溶液，該塗佈溶液包括p-型及n-型的有機半導體材料、溶劑，及一添加劑，其中，該p-型有機半導體材料選自導電性高分子，n-型有機半導體材料選自富勒烯衍生物，該添加劑包括1,8-二碘辛烷及1-氯化萘，且以該溶劑及添加劑的體積百分比為100v%計，該1,8-二碘辛烷及1-氯化萘的體積百分比不大於3v%；準備一基材，該基材具有一基板，及自該基板表面依序向上形成的一第一電極層，及一第一傳輸層；利用批次式製程方式將該塗佈溶液塗佈於該第一傳輸層表面，形成一主動層濕膜，再將該主動層濕膜於不大於60℃的條件下乾燥，形成一主動層；及自該主動層表面依序形成一第二傳輸層及一第二電極層，得到該有機太陽能電池，其中，該第一傳輸層及該第二傳輸層為電子傳輸層或電洞傳輸層其中任一，且該第一、二傳輸層彼此不同。
- 如請求項第1項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該塗佈溶液中，該1,8-二碘辛烷及1-氯化萘的體積比值為1。
- 如請求項第1項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該主動層濕膜是於不加熱的環境溫度條件下乾燥，且乾燥時間不大於2分鐘。
- 如請求項第1項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該溶劑選自鄰-二甲苯或氯苯。
- 如請求項第1項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該基板具有可撓性。
- 如請求項第5項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該第一傳輸層為電子傳輸層，該第二傳輸層為電洞傳輸層，該第一電極層為負電極，該第二電極層為正電極。
- 如請求項第5項所述有機太陽能電池的製作方法，其中，該第一傳輸層為電洞傳輸層，該第二傳輸層為電子傳輸層，該第一電極層為正電極，該第二電極層為負電極。
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