TWI624939B - 包含金屬奈米結構複合層之串聯式有機光伏打裝置 - Google Patents

包含金屬奈米結構複合層之串聯式有機光伏打裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於耦合兩個個別有機光伏打裝置以提供串聯式有機光伏打裝置之中間層，該中間層包含第一電洞傳輸層、第一電子傳輸層及插入於該第一電洞傳輸層與該第一電子傳輸層之間的金屬奈米結構層。該金屬奈米結構層提供用於電子及電洞的有效複合點。該金屬奈米結構層可包含銀奈米線，該等銀奈米線提供出色之光學性質及容許使用不對下伏層造成不利影響之低溫溶液基方法而形成該金屬奈米結構層。

Description

包含金屬奈米結構複合層之串聯式有機光伏打裝置
本發明係關於有機光伏打裝置，及特定言之係關於與串聯式有機光伏打裝置共同使用之中間層。
隨著對碳中性能源(carbon neutral energy)生產之日益重視及考慮到地面接收之太陽能供應充足，光伏打裝置作為引人注目之能源而越來越受歡迎。目前，基於晶圓之晶態矽技術及方法生產絕大多數光伏打裝置諸如太陽能電池。有機光伏打之最新發展，特別係使用有機半導體之基於薄膜之有機光伏打裝置的發展已顯示經改善之效率，有時達成大於10%之效率。諸如有機太陽能電池之有機光伏打裝置具有吸引力，因為其等特別相較於更習知的基於矽晶圓之光伏打裝置具有相對易處理性、固有之物理可撓性及用於製造大型太陽能收集裝置之潛在低成本。
相較於其中由於半導體內之固有電場而發生電荷分離之習知半導體基光伏打裝置，在有機光伏打裝置中，電荷分離發生在包括電子予體材料(即，電洞傳輸層或「HTL」)與電子受體材料(即，電子傳輸層或「ETL」)之組合之活性層中。在有機光伏打裝置之活性層內，具有能階至少等於最高佔用分子軌域與最低佔用分子軌域之間之能差 的入射光子可導致激子(束縛的電子/電洞對)之形成。有機光伏打裝置之效率很大程度上取決於分離或解離形成激子之電子及電洞對。一經解離，在單層有機光伏打電池(即，僅包括陽極、活性層及陰極之有機光伏打裝置)內，該活性層將部分經解離之電洞及電子分別傳送至電池陰極及陽極以提供電輸出。
有機光伏打裝置之功率轉換效率(「PCE」)至少部分取決於用於活性層內之電子予體的吸收光譜。具有窄吸收光譜之電子予體通常導致減小之短路電流密度(JSC)。有機光伏打裝置之PCE亦係取決於熱化損失，其可歸因於光子攜帶的能量超過最高佔用分子軌域與最低佔用分子軌域之間之能差。當過量之光子能在活性層內轉換為熱能(即，熱)時，發生此類熱化損失。活性層內之此類熱能或加熱趨向於減小藉由有機光伏打裝置產生之開路電壓(VOC)。
因此，此項技術中仍需藉由增寬用於此類有機光伏打裝置內之活性層的吸收光譜且同時減少此類有機光伏打裝置內之熱化損失以改善有機光伏打裝置之功率轉換效率。
串聯式有機光伏打裝置以電串聯或並聯方式堆疊兩個或更多個具有互補性吸收光譜的有機光伏打裝置。此類構造增寬該串聯式裝置之吸收光譜從而增加短路電流密度(JSC)，同時降低熱化效應從而增加由該串聯式有機光伏打裝置產生之開路電壓(VOC)。構造實用性串聯式有機光伏打裝置之主要挑戰係用於耦合形成該串聯式有機光伏打裝置之兩個個別有機光伏打裝置之中間層。該中間層通常位於第一有機光伏打裝置之活性層與第二有機光伏打裝置之活性層之間。通常，最合要求而言，該中間層係高度透明、導電及具有足以保護有機光伏打裝置下伏層的穩固性。由於許多形成有機光伏打裝置之下伏層係熱敏性，所以製造中間層所需之處理步驟較佳係在低溫下進行，例如， 通過溶液處理或類似步驟而非熱沉積法。
本文描述包含一或多個透明或半透明層之光學堆疊實例。示例性光學堆疊可包含形成至少部分第一表面之第一電洞傳輸層、形成至少部分第二表面之第一電子傳輸層。包含複數個金屬奈米結構之金屬奈米結構層插入於該第一電洞傳輸層與該第一電子傳輸層之間。該等複數個金屬奈米結構可包含銀奈米線、銀奈米點或其任何組合。該等複數個銀奈米線中之各者的縱軸可平行或大體上平行於該第一表面、該第二表面或該第一表面及該第二表面兩者配置。該等複數個銀奈米點中之各者的縱軸可以相對於該第一表面之非零角、相對於該第二表面之非零角或同時相對於該第一表面及該第二表面兩者之非零角配置。
本文描述串聯式有機光伏打裝置實例。示例性有機光伏打裝置包含配置於第一有機光伏打裝置與第二有機光伏打裝置之間之併有金屬奈米結構層的中間層。該中間層包含緊鄰該第一有機光伏打裝置配置之第一電洞傳輸層、緊鄰該第二有機光伏打裝置配置之第一電子傳輸層及配置於該第一電洞傳輸層與該第一電子傳輸層之間的金屬奈米結構層。在至少一些實施案中，該金屬奈米結構層可包含銀奈米線、銀奈米點或其組合。出乎意料地，呈金屬奈米點形式之金屬奈米結構為串聯之串聯式有機光伏打裝置提供有效之複合位置，而呈金屬奈米線形式之金屬奈米結構為並聯之串聯式有機光伏打裝置提供有效之電極。
本文亦描述製造串聯式有機光伏打裝置之實例方法。示例性方法包含具有一表面之第一有機光伏打裝置、橫跨該第一有機光伏打裝置之所有或部分該表面形成第一電洞傳輸層。該方法進一步包含橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層以第一濃度沉積包含複數個金屬奈米結構之溶液。該方法此外包含橫跨大體上所有該第一電洞傳輸層整平該 經沉積之金屬奈米結構溶液。該方法亦包含橫跨所有或部分該經整平之金屬奈米結構層形成第一電子傳輸層。該方法進一步包含在形成第一電子傳輸層後，橫跨所有或部分該第一電子傳輸層形成第二有機光伏打裝置。
100‧‧‧單一接面有機光伏打裝置
110‧‧‧中間層
112‧‧‧電子傳輸層
114‧‧‧電洞傳輸層
116‧‧‧金屬奈米結構層
120‧‧‧活性層
122‧‧‧電子
124‧‧‧電洞
130‧‧‧電極
140‧‧‧電洞傳輸層
150‧‧‧電極
170‧‧‧光子
200‧‧‧單一接面有機光伏打裝置
600‧‧‧串聯式有機光伏打裝置
602‧‧‧中間層110之第一表面
604‧‧‧中間層110之第二表面
610‧‧‧第一有機光伏打裝置
612‧‧‧第一活性層
614‧‧‧第二電子傳輸層
620‧‧‧第二有機光伏打裝置
622‧‧‧第二活性層
624‧‧‧第二電洞傳輸層
630‧‧‧第一波長帶(λn1-λnn)
640‧‧‧第二波長帶(λm1-λmm)
700‧‧‧串聯式有機光伏打裝置
710‧‧‧第一有機光伏打裝置
720‧‧‧第二有機光伏打裝置
902‧‧‧開始
904‧‧‧在含有第一有機光伏打裝置之表面上形成第一電洞傳輸層
906‧‧‧橫跨該第一電洞傳輸層以第一濃度沉積含有金屬奈米結構之溶液
908‧‧‧整平該經沉積之金屬奈米結構溶液
910‧‧‧在該經整平之金屬奈米結構層上形成第一電子傳輸層
912‧‧‧橫跨該第一電子傳輸層形成第二有機光伏打裝置
914‧‧‧結束
1002‧‧‧開始
1004‧‧‧在第一有機光伏打裝置與第二有機光伏打裝置之間沉積含有至少物理性及電性持續之金屬奈米結構層的中間層
1006‧‧‧結束
在該等圖式中，以相同參考編號確定類似元件或動作。該等圖式中之元件的尺寸及相對位置未必按比例繪製。例如，各種元件之形狀及角度未按比例繪製，及任意擴大及放置此等元件中之若干以改善圖式之易讀性。此外，所繪示之元件的特定形狀無意傳達任何關於該等特定元件之真實形狀的資訊，及僅出於在圖式中易於識別來選擇。
圖1繪示根據本文描述之一實施例之具有複合層之單一接面有機光伏打裝置，該複合層包含電洞傳輸層、金屬奈米結構層及電子傳輸層。
圖2A-2C係繪示根據本文描述之一實施例之單一接面有機光伏打裝置及各種電洞傳輸層、金屬奈米結構層及電子傳輸層組合之傳輸性質。
圖3A-3I係根據本文描述之一實施例之與各種中間層材料組合相關之二維及三維原子力顯微術(AFM)影像及高度分佈。
圖4A-4D繪示根據本文描述之一實施例之使用各種中間層材料組合之有機光伏打裝置的短路電流密度對開路電壓之圖。
圖5繪示提供根據本文描述之一實施例之使用各種中間層材料組合之有機光伏打裝置之短路電流密度及開路電壓特徵的圖表。
圖6繪示根據本文描述之一實施例之具有中間複合層的串聯式有機光伏打裝置，該複合層包含電洞傳輸層、金屬奈米結構層及電子傳輸層。
圖7A-7E繪示根據本文描述之一實施例之串聯式有機光伏打裝置 及用於此類使用各種中間層材料組合之有機光伏打裝置之短路電流密度對開路電壓的圖。
圖8繪示提供根據本文描述之一實施例之使用各種中間層材料組合之串聯式有機光伏打裝置之短路電流密度及開路電壓特徵的圖表。
圖9繪示根據本文描述之一實施例之一種形成具有中間層之串聯式有機光伏打裝置之說明性方法，該中間層包含插入於第一有機光伏打裝置與第二有機光伏打裝置之間的金屬奈米結構層。
圖10繪示根據本文描述之一實施例之一種藉由沉積中間層而形成串聯式有機光伏打裝置的說明性方法，該中間層包含插入於第一有機光伏打裝置與第二有機光伏打裝置之間的金屬奈米結構層。
本文在各種實施例中描述有機光伏打裝置及其形成方法。應瞭解在此等實施例中之每一者內及在為清晰及/或避免本揭示內容之冗餘而未具體描述之其他實施例中可存在變型。此外，本發明揭示之各種層及結構的順序、範圍及組成可變化、改變、分開或細分以滿足不同的性能規格。
圖1繪示包括中間層110之有機光伏打裝置，中間層110包含電子傳輸層112、電洞傳輸層114及插入於單一接面有機光伏打裝置100之活性層120與第一電極130之間的金屬奈米結構層116。該單一接面有機光伏打裝置100進一步包含沉積於活性層120與第二電極150間之電洞傳輸層140。
電磁輻射以光子170之形式按指示方向進入單一接面有機光伏打裝置100。第一電極130包含沉積於玻璃基板上之諸如銦錫氧化物(ITO)之透明或半透明導體。光子170穿透中間層110並進入活性層120。活性層120包含一或多種對落於界定之波長帶內之光子敏感的電活性化合物。活性層120內之該等電活性化合物包含一或多種電子予 體及一個多種電洞予體(即，電子受體)。在一些實施案中，使此類電子予體及電洞予體沉積於離散層內以形成活性層120，而在其他實施案中，混合電子予體及電洞予體以形成經摻合之活性層120。可用於活性層120之電子予體之實例包括含有富勒烯或基於富勒烯之化合物，例如苯基-C61-丁酸甲酯(「PCBM」)。可用於活性層120之電洞予體之實例包含聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(「P3HT」)。儘管PCBM及P3HT僅提供分別作為電子予體及電洞予體之說明性實例，然而熟習此項技術者將明白亦可使用其他當前及未來開發之電子予體及電洞予體。
入射於有機光伏打裝置上之光子與形成活性層之電活性有機電子予體及電活性有機電子受體之相互作用導致在活性層內形成束縛電子/電洞對(「激子」)。當具有處於或高於激發電子自最高佔用分子軌域(「HOMO」)至最低佔用分子軌域(「LUMO」)所需之活化能之能階之光子與活性層內之電子予體及受體相互作用時，形成激子。激子一經形成，則激子弛豫至基態(即，電子恢復至先前的HOMO)或解離成電子及電洞。電子及電洞之解離及遷移至有機光伏打裝置之各自電極可在電極之間產生DC電壓。
在傳統有機光伏打裝置中，電洞傳輸層可配置於活性層120與第二電極150之間以促進激子在活性層/電洞傳輸層界面處之解離及有助於電洞移動至第二電極150。同理，電子傳輸層可配置於活性層120與第一電極130之間以促進激子在活性層//電子傳輸層界面處之解離及有助於電子移動至第一電極130。
在串聯式有機光伏打裝置(以圖6開始詳細討論)中，兩個或更多個有機光伏打裝置(「次單元」)以物理及電性方式耦合至介入的中間層110以形成「堆疊」。串聯式有機光伏打裝置之效率至少部分取決於最小化或理想地避免在插入於堆疊中之有機光伏打裝置之間之中間 層內形成電荷積聚。存在若干有助於在中間層內積聚電荷之機制；但是至少部分此類電荷積聚可歸因於中間層無法促進或以其他方式有助於自毗連之活性層傳輸至中間層的電洞及電子之複合。
在單一接面有機光伏打裝置100中，自在活性層110中產生之激子分離之電洞124經由第一電極130引導至電洞傳輸層114。電子傳輸層112接收至少一些自活性層110中產生之激子分離的電子122。如圖1中所組態，金屬奈米線層116應有效促進電子122及電洞124之複合，同時最小化中間層110內之電荷積聚。
圖2A繪示示例性單一接面有機光伏打裝置200，其用於評估各種使用不同電子傳輸層112材料及不同電洞傳輸層114材料與金屬奈米結構層116之組合的中間層110之複合效率。在至少一些實施案中，金屬奈米結構層116可包含銀奈米結構，例如，銀奈米線及/或銀奈米點。
可在相對低溫及無氧之情況下將含有金屬奈米結構之液體懸浮液、漿體或溶液施加於電洞傳輸層114。在至少一些實施案中，此類液體可呈含有一或多種溶劑、表面活性劑及黏度調節劑或黏合劑之油墨的形式以使該等金屬奈米結構維持穩定分散。此類油墨可承受在相對低溫下之旋轉塗佈或機械刮削塗佈，此有利於此類油墨在熱敏基板或有機光伏打層上提供金屬奈米結構層116。
圖2B及2C顯示用於提供在圖2A中所繪示之單一接面有機光伏打裝置200中使用之中間層110的各種化合物及化合物組合之透射光譜。出於測試之目的，所有中間層經由刮刀塗佈沉積於玻璃基板上。在評估透射光譜時，將聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸鹽)(「PEDOT：PSS」)塗佈成50奈米(nm)厚度；將氧化鎢(「WO3」)塗佈成60nm厚度及將氧化鋅(「ZnO」)塗佈成120nm厚度。PEDOT：PSS A14083購自Heraeus及在處理前以1：3或1：5之體積比將其稀釋於異丙醇(「IPA」)中。ZnO奈米顆粒係合成自乙酸鋅並以2重量 百分率(重量%)溶解於乙醇中。WO3奈米顆粒係合成自火焰裂解並以2.5重量%溶解於乙醇中。銀奈米結構(下文「AgNW」)油墨係製備自含有銀奈米線在0.1重量%與5重量%之間的銀奈米線油墨主要溶液，其經異丙醇以1：5(下文「AgNW1」)或1：10(下文係「AgNW2」)之體積比稀釋。以提供用於中間層110之金屬奈米結構層116。為評估中間層110之透射光譜，在電子傳輸層112與電洞傳輸層114之間刮塗銀奈米結構油墨薄層(即，金屬奈米結構層116)。
諸如銀奈米結構層之許多金屬奈米結構層顯示具有出色的透明度。校正基板後，在圖2A所繪示之組態中，觀察到對於400至600nm之間之波長而言傳輸值大於99%。金屬氧化物WO3及ZnO顯示光譜之藍色部分之低透射率，而PEDOT：PSS顯示光譜之紅外部分之低透射率。電荷抽取(即，電子及電洞傳輸)層112、114之透射率通常超過90%。中間層110組合主要吸收藍色轄域，及其等透射率未呈現用於形成中間層110之個別層之透射率的線性組合。猜測薄膜干涉現象可控制薄膜內之吸收及金屬奈米結構層116之插入未呈現對中間層110之整體透射率之顯著影響。應注意各種電子傳輸層112、金屬奈米結構層116及電洞傳輸層114之組合顯示整體透射率超過85%之極佳光學性質。
圖3A提供藉由在玻璃基板上沉積相對濃縮之(以1：5 v/v使用IPA稀釋)AgNW1油墨形成之奈米結構層的二維及三維原子力顯微術(「AFM」)影像。從AFM影像中，金屬奈米結構層116中之金屬奈米結構係主要由銀奈米線以及少許銀奈米點(即，經物理性降解及/或截斷之銀奈米線，或與該等銀奈米線共沉澱並調配於AgNW油墨中之銀奈米顆粒)所組成。該等銀奈米點可在施加過程期間產生或係銀奈米線合成過程之殘留剩餘部分。多元醇方法提供銀奈米線合成過程。該多元醇方法需要存在一或多種諸如聚(乙烯基吡咯啶酮)(「PVP」)之 聚合物黏合劑。聚合物黏合劑為銀奈米線提供聚合物基材以形成圖2A中所繪示之奈米結構層116。在至少一些實例中，在銀奈米線合成過程中，諸如彼等圖3A中可見者之銀奈米點可包覆及嵌入於聚合物黏合劑中。
圖3B提供圖3A中所繪示之藉由沉積相對濃縮之AgNW1油墨所形成的奈米結構層116之高度分佈。圖3B中所顯示之高度值指示形成基材支柱之聚合物黏合劑之厚度係約10奈米(nm)及銀奈米線具有約30nm之直徑。應注意相較於為形成金屬奈米結構層116而沉積之相對濃縮之銀奈米線油墨(「AgNW1」)中的銀奈米線，金屬奈米結構層116內之銀奈米線之物理結構及外觀未發生改變。在圖3A及3B內，兩個或更多個奈米線重疊之位置顯示與基於約30奈米(nm)之奈米線直徑的期望厚度具有較佳之一致性。
圖3C提供藉由在玻璃基板上沉積相對稀釋之(以1：10 v/v使用IPA稀釋)AgNW2油墨而形成的奈米結構層之二維及三維原子力顯微術(「AFM」)影像。從AFM影像中，藉由在玻璃基板上沉積相對稀釋之AgNW2油墨所形成之所得金屬奈米結構層116似乎出乎意料地產生主要由但非完全由金屬奈米點而非金屬奈米線組成之金屬奈米結構層。 猜測銀奈米點之形成源自由存在於相對稀釋之AgNW2油墨中之銀奈米線之至少部分降解。此類奈米線降解至少部分係由於因機械整平玻璃基板上之金屬奈米結構層而產生之物理降解。
圖3D提供藉由在PEDOT基板上沉積相對濃縮之AgNW1油墨而形成之奈米結構層的二維及三維AFM影像。相較於圖3A中由在玻璃基板上沉積AgNW1油墨產生之明顯的銀奈米線，圖3D中之AFM影像指示銀奈米點係當在PEDOT基板上施加相對濃縮之AgNW1油墨時形成。
圖3E概述在圖3A中所繪示之玻璃基板上相對濃縮之AgNW1油墨 之高度分佈及在圖3D中所繪示之PEDOT基板上相對濃縮之AgNW1油墨之高度分佈。圖3E中之曲線指示銀奈米線(參考圖3A，玻璃基板上之AgNW1)及銀奈米點(參考圖3D，PEDOT基板上之AgNW1油墨)之高度分佈。在圖3E中，銀奈米線顯示自約10奈米(nm)至約60奈米之高度分佈。在圖3E中，銀奈米點顯示自約30nm至約80nm之高度分佈。 圖3E指示大部分存在於圖3A繪示之玻璃基板上之金屬奈米結構層中的銀奈米線延伸至高於玻璃基板約50奈米(nm)或更少之高度。圖3E亦指示大部分存在於圖3D繪示之PEDOT玻璃基板上之金屬奈米結構層中的銀奈米點伸至高於PEDOT基板約30nm或更少之高度。重要地，在兩個實例中，具有約120nm深度之氧化鋅電子傳輸層112將完全覆蓋存在於金屬奈米結構層116中的銀奈米線及/或銀奈米點。
圖3F提供形成於玻璃基板上之氧化鎢(WO3)層的二維及三維AFM影像。
圖3G提供藉由在諸如圖3F繪示之氧化鎢層上沉積相對濃縮之AgNW1油墨所形成的金屬奈米結構層之二維及三維AFM影像。圖3H提供藉由在諸如圖3F繪示之氧化鎢層上沉積相對稀釋之AgNW2油墨所形成的金屬奈米結構層之二維及三維AFM影像。比較圖3G及3H，顯然使用AgNW1油墨(參考圖3G)沉積於氧化鎢層上之金屬奈米結構層(即，銀奈米線層)具有與使用AgNW2油墨(參考圖3H)沉積於氧化鎢基板上之金屬奈米結構層(即，銀奈米線層)相似之物理行為及外觀。沉積於玻璃基板上之氧化鎢層(圖3F)之平均粗糙度(Rms)及使用相對稀釋之AgNW2油墨形成於氧化鎢層上之金屬奈米結構層(圖3H)之平均粗糙度(Rms)分別測得為6.5奈米(nm)及8nm。在氧化鎢層上機械整平相對稀釋之AgNW2油墨後，觀察到之粗糙度之約2nm平均增量係與在玻璃基板上機械整平AgNW2油墨後觀察到之粗糙度的增量相似。
圖3I提供在圖3D中所繪示之PEDOT基板上之相對濃縮之AgNW1 油墨之高度分佈、在圖3F中所繪示之氧化鎢層上之相對濃縮之AgNW1油墨之高度分佈及在圖3F中所繪示之氧化鎢層上之相對稀釋之AgNW2油墨之高度分佈。機械整平氧化鎢層上之銀奈米線油墨後，高度分佈之平均值從約56nm(對於玻璃上之氧化鎢，圖3F)增加至約80nm(對於在氧化鎢基板上使用AgNW1或AgNW2油墨之銀奈米線)。高度分佈均值之30nm的增量與用於製備相對濃縮之AgNW1及相對稀釋之AgNW2油墨(參考圖3B)兩者之銀奈米線的直徑一致。
總而言之，經機械整平之(例如，刮刀塗佈)金屬奈米結構層之物理特徵及組成受沉積該金屬奈米結構層之基板的組成影響。形成於氧化鎢基板上之包含銀奈米線之金屬奈米結構層未顯示與施加於玻璃基板之相同金屬奈米結構層存在顯著物理差異。相反，形成於PEDOT基板上之包含銀奈米線之金屬奈米結構層顯示與施加於玻璃基板之相同金屬奈米結構層存在顯著物理差異，特別當該金屬奈米結構層係使用諸如AgNW1之相對濃縮之油墨形成時。當施加於PEDOT基板上時，銀奈米線油墨形成包含奈米線及奈米點兩者之金屬奈米結構層。 此外，銀奈米線油墨之濃度影響存在於金屬奈米結構層中之銀奈米結構的最終形式。
圖4A及4B顯示諸多使用不同中間層組合物之單一接面有機光伏打裝置的短路電流密度(「J」)對開路電壓(「V」)之圖。圖4A及4B顯示四種不同之單一接面有機光伏打裝置的J-V特徵。第一曲線(「裝置A」-實心正方形)顯示參考單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112組成。第二曲線(「裝置B」-實心圓)顯示單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112及PEDOT電洞傳輸層114組成。第三曲線(「裝置C」-實心三角形)顯示單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、PEDOT電洞傳輸層114 及使用相對濃縮之AgNW1油墨沉積的介入金屬奈米結構層116組成。 第四曲線(「裝置D」-倒三角形)顯示單一接面有機光伏打裝置之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、PEDOT電洞傳輸層114及使用相對稀釋之AgNW2油墨沉積之介入金屬奈米結構層116組成。
如圖4A及4B之繪示，PEDOT/氧化鋅中間層110存在顯著限制性。最為明顯之限制係在正向偏壓下之相當低注入，導致低填充係數(「FF」)。PEDOT/氧化鋅中間層110似乎提供無效之複合及因此係用作在串聯式有機光伏打裝置中提供複合能力的中間層110之臨界值。 特別地，經溶液處理之氧化鋅無法以其半導電及電氣之性質(例如，態密度及電荷載流子之密度)良好定義及此類性質可針對各種生產方法及路徑而有所不同。此外，接觸/界面形成必不可少之終止氧化鋅表面之配位基之化學性質及密度極難以評估及在多數系統中不熟知。 但是，在中間層110中之氧化鋅電子傳輸層112與PEDOT電洞傳輸層114之間插入或以其他方式沉積金屬奈米結構層116似乎可利用氧化鋅電子傳輸層112緩解或甚至克服確定之問題。在氧化鋅電子傳輸層112與PEDOT電洞傳輸層114之間插入金屬奈米結構層116(例如自AgNW1油墨或AgNW2油墨形成之銀奈米結構層116)顯著改善中間層110內之電荷複合。因此，使用包含金屬奈米結構層116之中間層110之有機光伏打裝置展示與使用單一氧化鋅電子傳輸層之參考有機光伏打裝置(裝置A)相當之性能。
圖4C及4D顯示諸多使用不同中間層組合物之單一接面有機光伏打裝置之短路電流密度(「J」)對開路電壓(「V」)的圖。圖4C及4D顯示四種不同之單一接面有機光伏打裝置的J-V特徵。第一曲線(「裝置A」-實心正方形)顯示參考單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110僅由氧化鋅電子傳輸層112組成。第二曲線(「裝置E」 -實心圓)顯示單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112及氧化鎢電洞傳輸層114組成。第三曲線(「裝置F」-實心三角形)顯示單一接面有機光伏打裝置100之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、氧化鎢電洞傳輸層114及使用相對濃縮之AgNW1油墨沉積之介入金屬奈米結構層116組成。 第四曲線(「裝置G」-倒三角形)顯示單一接面有機光伏打裝置之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、氧化鎢電洞傳輸層114及使用相對稀釋之AgNW2油墨沉積之介入金屬奈米結構層116組成。
如圖4C及4D所示，使用氧化鎢電洞傳輸層114及氧化鋅電子傳輸層112之有機光伏打裝置(例如，裝置E)具有與彼等在PEDOT/氧化鋅有機光伏打裝置(例如，裝置B)中發現之缺陷類似的缺陷，例如，由於高串聯電阻引起之低整流。藉由在氧化鋅與氧化鎢層間插入金屬奈米結構層116改善使用包含氧化鋅電子傳輸層112及氧化鎢電洞傳輸層114之中間層110的有機光伏打裝置之性能。
不同於PEDOT/氧化鋅中間層110，在氧化鎢之情況下，在藉由沉積相對濃縮之AgNW1油墨以及相對稀釋之AgNW2油墨形成之金屬奈米結構層之間可觀察到性能的明顯差異。發現使用相對濃縮之AgNW1油墨以形成金屬奈米結構層116之有機光伏打裝置(例如，裝置F)具有比使用相對稀釋之AgNW2油墨以形成金屬奈米結構層116之有機光伏打裝置(例如，裝置G)顯著增加之分流電阻。因此，高其中以分流電阻較佳之有機光伏打裝置(例如，並聯耦合之有機光伏打裝置)可受益於含有金屬奈米結構層116之中間層110，該金屬奈米結構層含有相對高濃度之金屬奈米線，例如，使用相對濃縮之AgNW1油墨形成之金屬奈米線。另一方面，其中以低分流電阻較佳之有機光伏打裝置(例如，串聯耦合之有機光伏打裝置)可受益於含有金屬奈米結 構層116之中間層110，該金屬奈米結構層含有相對較高濃度之金屬奈米點，例如，彼等使用相對稀釋之AgNW2油墨形成之金屬奈米點。 在任意一種情況下，上覆電子傳輸層112最佳完全覆蓋金屬奈米結構層116內之金屬奈米結構以防止串聯式有機光伏打裝置內之分流及類似缺陷。
此外，相較於參考裝置，使用包含電子傳輸層112、電洞傳輸層114及金屬奈米結構層116之中間層之有機光伏打裝置的性能較少受到發生於中間層110內之光學損失的影響。當相較於使用單一氧化鋅緩衝層之參考單一接面有機光伏打裝置200時，使用包含金屬奈米結構層116(諸如銀奈米線層116)之中間層110的有機光伏打裝置展示略有增加之電流密度。此等觀察到之電流密度的差異可由有機光伏打裝置中之活性層120的厚度或深度之細小變化或由氧化鋅層內發生之形態學變化引起。
圖5提供概述包含於圖4A-4D中之中間層110的突出之性能參數之圖表。圖5所列之每個有機光伏打裝置之串聯電阻(Rs)在將金屬奈米結構層116插入於電洞傳輸層114與電子傳輸層112之間時顯示顯著降低，而洩漏電流保持與參考有機光伏打裝置之洩漏電流類似。此指示金屬奈米結構(例如，銀奈米結構)層116之插入增強中間層110之複合性質。出乎意料地，發現銀奈米點(即，物理性降解及/或截斷之銀奈米線，或與該等銀奈米線共沉澱並調配至AgNW油墨中之銀奈米顆粒)作為在電洞傳輸層/電子傳輸層界面處之複合中心提供甚至更高效率。相較於銀奈米線，奈米點之幾何結構提供更理想之分流特徵，特別係在諸如以電串聯連接之串聯式有機光伏打裝置的應用中。此外，若於金屬奈米結構層116(參考圖3A)中超過三根奈米線重疊，則上覆電子傳輸層112無法充分覆蓋或包埋金屬奈米結構層116，從而在有機光伏打裝置內產生高洩漏電流。此類分流及所得高洩漏電流之存在係 與觀察到之裝置F(參考圖4D)的J-V特徵一致。
圖6繪示包括中間層110之說明性串聯式有機光伏打裝置600，該中間層包含電子傳輸層112、電洞傳輸層114及介入金屬奈米結構層116。中間層110之第一表面602緊鄰對第一波長帶(λn1-λnn)630中之入射光子敏感之第一有機光伏打裝置610處配置。中間層110之第二表面604緊鄰對第二波長帶(λm1-λmm)640中之入射光子敏感之第二有機光伏打裝置620處配置。在一些實施案中，第二波長帶640可不同於(即，可包含一或多個不同波長)第一波長帶630。在一些實施案中，該第一波長帶與該第二波長帶可類似或相同，例如，藉由包含一或多個共同波長。圖6中繪示之層係說明性及可添加、刪除、修改或重排各種電子傳輸層、電洞傳輸層、活性層及金屬奈米結構層以修改串聯式有機光伏打裝置600之一或多種性能及/或作業參數。此外，雖然為清晰起見，串聯式有機光伏打裝置600中之每層之間之界面顯示為平滑、平坦之表面，但此類表面可具有任何包含結構化或無規圖案及/或粗糙度的表面輪廓。
中間層110包含配置於介入金屬奈米結構層116的相對側之第一電子傳輸層112及第一電洞傳輸層114。中間層110有助於兩個毗連有機光伏打裝置之間之積聚電荷之移除或積聚電荷之複合。在至少一些情況中，該中間層有助於經由第一電子傳輸層112傳輸之來自第二有機光伏打裝置620之第二活性層622的電子及經由第一電洞傳輸層114傳輸之來自第一有機光伏打裝置610之第一活性層612的電洞之複合。
第一電子傳輸層112可包含任何可促進電子及/或負電荷從第二活性層622選擇性移動或傳輸至金屬奈米結構層116的當前或未來開發之材料或物質。用於提供第一電子傳輸層112之物質、化合物或材料之非限制性實例包含鋅的氧化物諸如氧化鋅(ZnO)；及鈦的氧化物諸如氧化鈦(TiO)及二氧化鈦(TiO2)。第一電子傳輸層112最常係以液體混 合物形式施加，該液體混合物包含懸浮於液體載劑中之電子傳輸層物質、化合物或材料。在施加期間，可橫跨下伏基板旋轉塗佈或機械整平此類溶液。亦可使用此項技術中已知的其他塗佈及/或整平方法以將第一電子傳輸層112配置於下伏基板或表面上。電子傳輸層112之厚度在一定程度上取決於用於形成電子傳輸層112之特定物質、化合物或材料及用於在下伏之基板或表面上沉積及/或整平電子傳輸層112之方法。電子傳輸層112之厚度較佳係厚至足夠完全包埋下伏金屬奈米結構層116中的金屬奈米結構且同時薄至足以確保保持所需之光學性質。在至少一些實施案中，該等電子傳輸層厚度可在自約30奈米(nm)至約200奈米之範圍內。可改變、調整或更改電子傳輸層112之厚度或其他物理或形態學性質以滿足特定有機光伏打裝置性能參數。
第一電洞傳輸層114可包含任何可促進電洞及/或正電荷自第一活性層612或其他毗連結構或層選擇性地移動或傳輸至金屬奈米結構層116的當前或未來開發之材料或物質。可用於提供第一電洞傳輸層112之化合物、物質及/或材料的實例包含但不限於聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸鹽)(「PEDOT：PSS」)及氧化鎢(WO3)。第一電洞傳輸層114最常係以液體方式施加，該液體包含懸浮於液體載劑中之電洞傳輸層物質、化合物或材料。在施加期間，可橫跨下伏基板旋轉塗佈或機械整平此類溶液。亦可使用此項技術中已知的其他塗佈及/或整平方法以將第一電洞傳輸層114配置於下伏基板或表面上。電洞傳輸層114之厚度在一定程度上取決於用於形成電洞傳輸層114之特定物質、化合物或材料及用於在下伏基板或表面上沉積及/或整平電洞傳輸層114之方法。在至少一些實施案中，該等電洞傳輸層厚度可在自約30奈米(nm)至約200奈米之範圍內。可改變、調整或更改電洞傳輸層114之厚度或其他物理或形態學性質以滿足特定有機光伏打裝置性能參數。
金屬奈米結構層116可包含任何可提供至少部分插置於第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間之金屬奈米結構層的當前或未來開發之金屬奈米結構及/或奈米結構。在至少一些實施案中，聚合物膜可物理性連接或耦合金屬奈米結構及/或奈米結構以提供膜、薄片或層。可使用一或多種金屬、合金及/或含有金屬之化合物提供所有或部分之金屬奈米結構層116。金屬之實例包含但不限於銀、金及鉑，或其合金、化合物或混合物。在至少一些實施案中，導電性非金屬奈米結構(例如，石油墨烯奈米管)可代替或替換包含於金屬奈米結構層116中之金屬奈米結構之一些或全部。該等金屬奈米結構可呈現一種或多種形式。奈米結構形式之實例包含但不限於奈米線、奈米管、奈米點及類似之固體、半固體或空心之奈米結構或其混合物。
儘管未在圖1中繪示，然而在至少一些實施案中，中間層110可包含插置於電子傳輸層112與電洞傳輸層114之間之低薄片電阻柵。除金屬奈米結構層116外或取代金屬奈米結構層116，可將此類低薄片電阻柵併入中間層110中。該低薄片電阻柵為至少中間層110內之電流、分佈及/或收集提供低電阻路徑或路徑網絡。除提供此等低電阻路徑外，低薄片電阻柵亦可為中間層110提供機械強度之量度。具有此類機械強度之中間層110可係有利，例如在使用較大尺寸之有機光伏打裝置100之情況中，例如，在大型有機光伏打裝置中或在正形有機光伏打裝置中。
低薄片電阻柵包含任何類型之具有合適之電及物理性質之導電結構，其包含金屬性結構、非金屬性結構或含有金屬性結構及非金屬性結構之組合的複合性結構。低薄片電阻柵之實例包含但不限於例如藉由濺射或圖案化後蒸發較佳例如絲網印刷之金屬糊劑(例如，Ag糊劑)、可嵌入式精細金屬線或含有一或多種剩餘之低電阻成分之可印刷溶液沉積之精細金屬網(例如，銅網、銀網、鋁網、鋼網等)。
該低薄片電阻柵之物理尺寸及/或組態係全部或部分基於滿足任何特定之電(例如，薄片電阻)及物理(例如，表面粗糙度及/或光透射率)之要求。形成低薄片電阻柵之導體的大小及途程形成用於沉積或以其他方式形成至少部分低薄片電阻柵的柵格圖案。在一些實施例中，形成低薄片電阻柵之導電元件之寬度可在約1微米至約300微米之範圍內。在一些實施例中，形成低薄片電阻柵之導電元件之高度可在約100nm至約100微米之範圍內。形成低薄片電阻柵之元件之間的開距可在約100微米至約10mm之範圍內。
可使用預圖案化、後圖案化或其任何組合完成低薄片電阻柵之沉積。預圖案化、印刷、低薄片電阻柵之實例包含但不限於經印刷之銀糊柵、經印刷之銅糊柵、微米或奈米顆粒糊柵或類似導電糊柵。藉由使用預先施加之導電膜之光刻顯影以產生低薄片電阻柵來提供後圖案化之低薄片電阻柵之實例。後圖案化低薄片電阻柵之其他實例包含但不限於經由印刷、蒸發、濺射、無電電鍍或電解電鍍、溶液處理法及類似方法沉積且接著經由光刻、絲網印刷抗蝕劑、絲網印刷蝕刻劑、標準蝕刻、雷射蝕刻、黏著劑剝離壓印(adhesive lift off stamp)及類似方法圖案化之低薄片電阻柵。
低薄片電阻柵可具有達成所需薄片電阻且同時保留可接受之光學性質所需之任何二維或三維幾何結構、形狀或組態。雖然較大柵密度(即，跨越橫截面之較低電阻路徑)可減小在中間層110內可達成之總體薄片電阻，但高柵密度可使中間層110之不透明度提高至不可接受之水準。因此，低薄片電阻柵之圖案選擇及物理性質為(有時可表示)至少部分基於最小化可在中間層110內達成之薄片電阻且同時不使中間層110之不透明度提高至不可接受之程度之折衷。
低薄片電阻柵可具有任何可提供可接受之薄片電阻的固定之、幾何或無規圖案。例如，低薄片電阻柵圖案可包含規則或不規則寬度 之幾何排列，例如，垂線、呈角度之線(例如，形成「菱形」圖案)及平行線。其他圖案可使用彎曲或弧形之導體以達成具有均勻或不均勻之薄片電阻的複雜圖案，例如，在透明導體欲用於三維應用的情況中。在一些有機光伏打模組中，可使用兩個或更多種圖案形成低薄片電阻柵，例如使用藉由諸如六邊形或矩形之較大圖案界定的平行線形成的柵。在另一個實施例中，低薄片電阻柵可係串聯連接互連之薄膜光伏打條紋的蜂巢結構。
在一些情況中，該等金屬奈米結構可包含具有直徑範圍自約15奈米(nm)至約100nm及沿著奈米線之縱軸之長度範圍自約2微米至約50微米的金屬奈米線。該等金屬奈米線可包含但不限於銀奈米線、金奈米線、鉑奈米線、其合金或其組合。在此類實施案中，可在所有或部分金屬奈米結構層內對齊金屬奈米線。例如，該等金屬奈米線之縱軸可平行於中間層110之第一表面、平行於中間層之第二表面或同時平行於中間層110的第一及第二表面對齊。
在其他情況中，該等金屬奈米結構可包含具有直徑約10奈米(nm)至約60nm之連續或可變之橫截面的金屬奈米點。該等金屬奈米點之沿著奈米點縱軸的長度係約30奈米(nm)至約80nm。該等金屬奈米點可採用各種物質形式，包含但不限於：圓錐結構、金字塔結構、圓柱形結構或其組合。該等金屬奈米點可包含但不限於銀奈米點、金奈米點、鉑奈米點、其奈米點合金或其組合。在此類實施案中，該等金屬奈米點可在所有或部分金屬奈米結構層內對齊。例如，該等金屬奈米點之縱軸可相對於中間層之第一表面呈約1度至90度角，相對於中間層之第二表面呈約1度至90度角，或同時相對於中間層之第一及第二表面呈約1度至90度角。
所有或部分金屬奈米點可存在於用以提供金屬奈米結構層116的金屬奈米結構油墨中。在一些情況中，可藉由物理性、機械性或化學 性改變及/或分解所有或部分存在於用以形成金屬奈米結構層116之金屬奈米結構油墨中的金屬奈米結構而形成所有或部分金屬奈米點。例如，可物理性及/或化學性改變含有銀奈米線的油墨以使得至少部分存在於油墨中之銀奈米線轉換為銀奈米點。在又另一些情況中，該等金屬奈米結構可包含兩種、三種或甚至更多種金屬奈米結構之組合。 例如，金屬奈米結構層116可包含金屬奈米線與金屬奈米點之組合。
金屬奈米結構層116可以包含懸浮於一或多種液體載劑中之奈米結構的液體溶液或油墨的形式沉積於或以其他方式施加於下伏基板或表面上。可將此類溶液或油墨沉積於下伏基板或表面上並經由旋轉塗佈或機械整平(例如，經由刮刀塗佈或類似之機械整平方法)而整平至指定之膜厚度以提供指定的最終膜厚度(例如，60nm)。金屬奈米結構層116之厚度在一定程度上取決於用於形成金屬奈米結構層116之特定之物質、化合物或材料及用於在下伏基板或表面上沉積及/或整平金屬奈米結構層116的方法。在至少一些實施案中，金屬奈米結構層116之厚度可在約30奈米(nm)至約150奈米範圍內。可改變、調整或更改金屬奈米結構層116之厚度或其他物理或形態學性質以滿足特定有機光伏打裝置之性能參數。
在一情況中，金屬奈米結構層116可包括嵌入於基材中之複數個金屬奈米線、金屬奈米點或其組合。如本文使用，術語「基材」係指金屬奈米線分散於或嵌入於其中之材料。在該基材內，該等奈米結構及/或奈米線可隨機配置或較佳沿著一或多個軸對齊。該等奈米結構及/或奈米線以均勻或非均勻之方式分散於基材內。在至少一些情況中，金屬奈米結構層116內之金屬奈米結構的配置可提供一或多種較佳之物理或電性質，例如，藉由提供所需之平面內(in-plane)或穿透平面(through-plane)的電阻特徵。該等奈米結構及/或奈米線可自一或多個藉由金屬奈米結構層116形成之表面延伸或不自其延伸。該基材係 奈米結構及/或奈米線之主體及向金屬奈米結構層116提供物理形式。 該基材可經挑選或組態以保護奈米結構及/或奈米線免於諸如化學、電或環境腐蝕之不利的環境因素。特定言之，該基材顯著降低諸如水分、痕量之酸、氧氣、硫及類似物之潛在腐蝕性成分的滲透性，所有其等可潛在地降解嵌入於基材內之奈米結構及/或奈米線及/或下伏之基板、表面或結構。
此外，該基材促成金屬奈米結構層116之整體物理及機械性質。 例如，該基材可促進金屬奈米結構層116黏附於中間層110內之鄰近的電子傳輸層112及電洞傳輸層114。該基材亦促成金屬奈米結構層116之可撓性及促成併有包含金屬奈米結構層110之中間層110的有機光伏打裝置(諸如串聯式有機光伏打裝置700)之整體可撓性。
在至少一些情況中，該基材係光學透明材料。若材料之光透射在可見光區域(約400nm至約700nm之波長帶)內係至少80%，則認為該材料係光學透明。大量因素決定基材之光學透明度，包含但不限於：折射率(RI)、厚度、貫穿厚度之RI稠度、表面(包含界面)反射及濁度(由表面粗糙度及/或嵌入式顆粒所引起之散射損失)。在某些實施例中，該基材可平均薄於嵌入於該基材中或以其他方式包含於該基材中之金屬奈米結構。例如，該基材可具有約10nm之厚度，而該等金屬奈米結構(例如，銀奈米線)具有約30nm之直徑及約50nm的長度。該基材可具有約1.3至約2.5，或約1.35至約1.8的折射率。
在某些實施例中，該基材係聚合物，其亦稱為聚合物基材。此項技術中已知光學透明聚合物。合適之聚合物基材之實例包含但不限於：聚丙烯酸系(例如聚甲基丙烯酸酯(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚丙烯酸酯及聚丙烯腈)、聚乙烯醇、聚酯(例如，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯及聚碳酸酯)、具有高芳香度之聚合物，例如，酚醛樹脂或甲酚-甲醛樹脂(Novolacs®)、聚苯乙烯、聚乙烯甲 苯、聚乙烯二甲苯、聚醯亞胺、聚醯胺、聚醯胺亞胺、聚醚醯胺、聚硫化物、聚碸、聚伸苯基及聚苯醚、聚胺基甲酸酯(PU)、環氧樹脂、聚烯烴(例如，聚丙烯、聚甲基戊烯及環烯烴)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、纖維素、聚矽氧及其他含有矽之聚合物(例如，聚矽倍半氧烷及聚矽烷)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙酸酯、聚降冰片烯、合成橡膠(例如，EPR、SBR、EPDM)及氟聚合物(例如，聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯(TFE)或聚六氟丙烯)、氟烯烴類及碳氫烯烴之共聚物(例如，Lumiflon®)及非晶質氟碳聚合物或共聚物(例如，Asahi Glass Co.生產之CYTOP®或DuPont生產之Teflon® AF)。
在其他實施例中，該基材係無機材料。例如，可使用基於二氧化矽、多鋁紅柱石、氧化鋁、SiC、MgO--Al2O3--SiO2、Al2O3--SiO2、MgO--Al2O3--SiO2--Li2O或其混合物之溶膠-凝膠基材。
在某些實施例中，該基材本身可具有導電性。例如，該基材可係導電性聚合物。此項技術中熟知導電性聚合物，其包含但不限於：聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及聚聯乙炔。
在其他實施例中，該聚合物基材可係黏度調節劑，其充當將奈米結構固定於基板上之黏合劑。合適之黏度調節劑的實例包含羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素、乙基纖維素、黃原膠、聚乙烯醇、羧甲基纖維素及羥乙基纖維素。
如本文使用，金屬奈米結構層116可係指金屬奈米結構及/或奈米線與基材之組合。因為導電性係藉由電荷自一個金屬奈米結構及/或奈米線轉移至另一個而達成，所以在金屬奈米結構層116中必須存在足夠之金屬奈米結構及/或奈米線密度以達到電子轉移臨界值及提供適當之總體導電性水平。如上討論，金屬奈米結構層116可包含其他材料以賦予一或多種所需之電性質或特徵。在至少一些實施例中，可 對齊所有或部分存在於金屬奈米結構層116中之奈米線以提供一或多種所需之電性質。在2007年10月12日申請之題為「Functional Films Formed by Highly Oriented Deposition of Nanowires」之美國申請案S/N：11/871,721及2011年11月2申請之題為「Grid Nanostructure Transparent Conductor For Low Sheet Resistance Applications」之美國申請案S/N 13/287,881中詳述此類組態，該等申請案在不與本文含有之資訊一致的程度上以全部引用之方式併入本文中。
金屬奈米結構層116之機械及光學性質可藉由其中之高固體負載(例如，奈米線、分散粒子及其他粒子添加劑)來改變、折衷或以其他方式影響。有利地，該等金屬奈米線之高縱橫比容許以臨界表面負載量較佳約0.05μg/cm2至約10μg/cm2，更佳約0.1μg/cm2至約5μg/cm2及更佳約0.8μg/cm2至約3μg/cm2之銀奈米線在整個基材形成導電網絡。此等表面負載量不影響金屬奈米結構層116之機械或光學性質。此等值主要取決於奈米線之尺寸及空間分散。有利地，可藉由調整金屬奈米線之負載量提供具有可調之電導率(或表面電阻率)及光學透明度的透明導體。在各種實施例中，金屬奈米結構層116之光透射係至少80%及可高達98%。在各種實施例中，金屬奈米結構層116之光透射可係至少50%、至少60%、至少70%或至少80%及至少可高達91%至99%。
第一有機光伏打裝置610可包含任何一經曝露於電磁輻射即可提供直流電壓的有機光伏打裝置，該電磁輻射包含落於第一波長帶630內之光子。可使用任何當前或未來開發之組態及/或材料構造第一有機光伏打裝置610。在某些諸如圖6所繪示之實施案中，第一有機光伏打裝置610可包含透明電極130及第一活性層612及插入於電極130與第一活性層612之間的第二電子傳輸層614。
電極130可包含任何當前或未來開發之可傳送落於第一波長帶 630內之光子及落於第二波長帶640內之光子的光學透明或半透明導電材料。透明電極130之實例包含沉積於玻璃基板上之氧化銦錫(「ITO」)，然而其他材料及基板可被取代。第二電子傳輸層614可包含一或多種當前或未來開發之可促進經解離之激子(即，游離或無束縛之電子)自第一活性層612移動及/或傳輸至電極130之材料、化合物及/或物質。
第一活性層612可包含任何當前或未來開發之一經曝露於包含落於第一波長帶630內之光子之電磁輻射即可產生激子(即，束縛之電子/電洞對)及/或經解離之激子(即，產生自經解離之激子之游離或無束縛之電子及游離或無束縛的電洞)的有機光伏打材料、化合物或混合物。
在一些情況中，第一活性層612可在雙層配置中包含複數種電活性有機化合物(例如，電子予體及電子受體)，其中每個化合物係配置於離散、平坦、及/或均勻層中。在一些情況中，第一活性層612可在異質接面配置中包含複數種電活性有機化合物，其中將該等化合物混合於一起以形成聚合物摻合物。在一些情況中，第一活性層612可在梯度異質接面配置中包含複數種電活性有機化合物，其中將該等化合物以在該等化合物之間形成梯度之方式混合在一起。在一些情況中，第一活性層612可在結構化雙層配置中包含複數種電活性有機化合物，其中該等化合物配置於具有使該等化合物之間之接觸表面區域最大化的界面的均勻層中。
藉由但非限於酞菁(「H2Pc」)；酞菁銅(「CuPc」)；酞菁鋅(「ZnPc」)及苯基-C61-丁酸甲酯(「PCBM」)示例性闡明電活性電子予體化合物。藉由但不限於聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(「P3HT」)；苝四甲酸雙苯并咪唑(「PTCBI」)；C60富勒烯及含有C60富勒烯之分子諸如[6,6]PC61BM、PCBG及BTPF60；C70富勒烯及含有C70富勒烯之分 子諸如[6,6]PC71BM及BTPF70；及聚{[2,7-(9,9-雙-(2-乙基己基)-茀)]-交替-[5,5-(4,7-二-2'-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)]}(「PFDTBT」)例證電活性電子受體/電洞予體化合物。
同理，第二有機光伏打裝置620可包含任何一經曝露於包含落於第二波長帶640之光子之電磁輻射而提供直流電壓之有機光伏打裝置。可使用任何當前或未來開發之組態及/或材料構建第二有機光伏打裝置620。在一些實施案中，諸如在圖6中繪示之實施案，第二有機光伏打裝置620可包含電極150及第二活性層622及插入於電極150與第二活性層622內之第二電洞傳輸層624。
電極150可包含任何當前或未來開發之導電材料。電極150之實例包含但不限於鋁電極或銀電極，然而可組合及/或取代其他材料、化合物及/或合金。第二電洞傳輸層624可包含一或多種當前或未來開發之可促進電洞自第二活性層622移動及/或傳輸至電極150之材料、化合物及/或物質。
第二活性層622可包含任何當前或未來開發之一經曝露於包含落於第二波長帶640內之光子的電磁輻射即可產生激子及/或經解離激子之有機光伏打材料、化合物或混合物。在一些實施案中，第二活性層622可具有與第一活性層612相似或相同之構造及/或組成。在一些實施案中，第二活性層622可具有不同於第一活性層612之構造及/或組成。
在一些情況中，第二活性層622可在雙層配置中包含複數種電活性有機化合物(例如，電子予體及電子受體)，其中該等化合物中之每一個配置於離散、平坦、均勻層中。在一些情況中，第二活性層622可在異質接面配置中包含複數種電活性有機化合物，其中將該等化合物混合在一起以形成聚合物混合物。在一些情況中，第二活性層622可在梯度異質接面配置中包含複數種電活性有機化合物，其中將該等 化合物以在該等化合物之間形成梯度之方式混合在一起。在一些情況中，第二活性層622可在結構化雙層配置中包含複數種電活性有機化合物，其中該等化合物配置於具有使該等化合物之間之接觸表面區域最大化的界面的均勻層中。
圖7A繪示一實施例之示例性串聯式有機光伏打裝置700，其包含第一有機光伏打裝置710、第二有機光伏打裝置720及介入中間層110，中間層110包含金屬奈米結構層116。在如圖7A所繪示之實施案中，第一有機光伏打裝置710包含含有P3HT與PCBM之混合物的第一活性層612及氧化鋅第二電子傳輸層614。第二有機光伏打裝置720包含含有P3HT與PCBM之混合物之第二活性層622及PEDOT：PSS第二電洞傳輸層624。該串聯式有機光伏打裝置700包含在玻璃基板上ITO電極130及銀電極150。
中間層110包含沉積於第一有機光伏打裝置710之下伏第一活性層612上的電洞傳輸層114。在相對低溫度下，金屬奈米結構層116以銀奈米顆粒油墨的方式沉積於下伏第一電洞傳輸層114基板上。在低溫度下之銀奈米顆粒油墨施加可保護下伏第一電洞傳輸層114及下伏P3HT：PCBM第一活性層612。銀奈米顆粒(「AgNW」)油墨製備自基於水之母液並在異丙醇中以1：5(「AgNW1」)或1：10(「AgNW2」)之體積比稀釋。該等銀奈米顆粒包含至少銀奈米線。氧化鋅第一電子傳輸層112上覆於金屬奈米結構層116。使用各種第一電洞傳輸層114檢查串聯式有機光伏打裝置700以判定中間層110的最佳組態。
圖7B-7E顯示使用不同中間層組合物之串聯式有機光伏打裝置700之許多短路電流密度(「J」)對開路電壓(「V」)之圖。圖8提供匯總圖7B-7E中所繪示之中間層110之突出的性能參數之圖表。圖8內匯總之性能參數包含開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充係數(FF-可獲得之最大實際功率對開路電壓及短路電流的乘積的比值)、功率 轉換效率(PCE)、串聯電阻(Rs)及分流電阻(Rshunt)。
圖7B及7C顯示使用三種不同中間層110組合之串聯式有機光伏打裝置的J-V特徵。第一曲線(「串聯式A」-實心正方形)顯示參考串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅第一電子傳輸層112及PEDOT第一電洞傳輸層114在無奈米結構層116之情況下組成。第二曲線(「串聯式B」-實心圓)顯示串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、PEDOT電洞傳輸層114及藉由相對濃縮之AgNW1油墨形成的介入金屬奈米結構層116組成。第三曲線(「串聯式C」-實心三角形)顯示串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅電子傳輸層112、PEDOT電洞傳輸層114及藉由相對稀釋之AgNW2油墨形成的介入金屬奈米結構層116組成。
現參考圖8，在第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間插入金屬奈米結構層116提高串聯式有機光伏打裝置700的開路電壓。如圖8所示，使用PEDOT/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式C」)展示約61%之填充係數FF及1.10V之開路電壓Voc。應注意，藉由串聯式C產生之開路電壓Voc(1.10V)與藉由兩個單一接面有機光伏打裝置200(參考圖5，「裝置D」)產生之開路電壓Voc(0.56V)的總和幾乎相等。
此外，使用PEDOT/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式C」)展示1.93Ω cm2之串聯電阻Rs，其僅稍大於藉由兩個單一接面有機光伏打裝置200(參考圖5，「裝置D」)產生之串聯電阻Rs(1.86Ω cm2)的總和。觀察到的串聯式有機光伏打裝置700之串聯電阻相對於兩個單一接面有機光伏打裝置200之個別串聯電阻Rs的總和之略微增加指示在中間層內之損失的最小性質，其等係由於金屬奈米結構層116之存在及特定言之用於提供金屬奈米結構層116 之相對稀釋之AgNW2之存在。
此外，觀察到之填充係數FF及開路電壓Voc之改善揭示使用PEDOT/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700證明足以保護下伏第一活性層612在沉積及整平第二活性層622期間免於擴散之穩健性。PEDOT/AgNW2/ZnO中間層110亦證明在收集及重組收集自第一有機光伏打裝置610及第二有機光伏打裝置620之電子及電洞中之合理效率。
相反，使用PEDOT/ZnO中間層110之無介入金屬奈米結構層116之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式A」)展示約36%之填充係數FF及僅0.52V之開路電壓Voc。此外，如圖7C中之相對高洩漏電流所證明，PEDOT/ZnO之組合證實缺乏足夠穩健性以提供串聯式有機光伏打裝置700內之中間層110。當使用PEDOT/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(「串聯式C」)之分流電阻Rshunt(25kΩ cm2)與使用PEDOT/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(「串聯式A」)之分流電阻Rshunt(0.74kΩ cm2)相比較時，注意到顯著之改善。觀測到之分流電阻的改善證明中間層110之安定性增強，此可歸因於在第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間插入金屬奈米結構層116。
圖7D及7E顯示使用三種不同中間層110組合物的串聯式有機光伏打裝置之J-V特徵。第一曲線(「串聯式D」-實心正方形)顯示參考串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由氧化鋅(「ZnO」)第一電子傳輸層112及氧化鎢(WO3)第一電洞傳輸層114在無金屬奈米結構層116之情況下組成。第二曲線(「串聯式E」-實心圓)顯示串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由ZnO電子傳輸層112、WO3電洞傳輸層114及藉由相對濃縮之AgNW1油墨形成之介入金屬奈米結構層116組成。第三曲線(「串聯式F」-實心三 角形)顯示串聯式有機光伏打裝置700之J-V特徵，其中中間層110由ZnO電子傳輸層112、WO3電洞傳輸層114及藉由相對稀釋之AgNW2油墨形成之介入金屬奈米結構層116組成。
在使用WO3/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700中觀察到性能改善。如圖8中所示，使用WO3/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式F」)展示約43%之填充係數FF及0.98V之開路電壓Voc。應注意，藉由串聯式F產生之開路電壓Voc(0.98V)與藉由兩個單一接面有機光伏打裝置200(參考圖5，「裝置G」)產生之開路電壓Voc(1.16V)之總和幾乎相等。相反，使用WO3/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式D」)展示僅0.50V之開路電壓Voc。此外，使用WO3/AgNW2/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式F」)的串聯電阻Rs(34Ω cm2)證明比使用WO3/ZnO中間層110之串聯式有機光伏打裝置700(即，「串聯式D」)的串聯電阻Rs(109Ω cm2)具有顯著改善。
溶液處理之金屬奈米結構層116，及特定言之，包含諸如銀奈米線之奈米結構的金屬奈米結構層116之引入會改善在第一電子傳輸層112及第一電洞傳輸層114之界面處的複合性質。由於在促進電子及電洞之複合方面的局限性，所以僅包含ZnO第一電子傳輸層112及PEDOT或WO3第一電洞傳輸層114而無金屬奈米結構層116之中間層110折衷串聯式有機光伏打裝置700之性能。將經溶液處理之金屬奈米結構層116(例如經溶液處理之銀奈米線層116)嵌入於串聯式有機光伏打裝置700之中間層110中顯示與習知的在單一接面有機光伏打裝置內常用之單一緩衝層相似的功能。此指示藉由經介入金屬奈米結構層116在第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間形成等效歐姆接觸。
隨著複合性質之改善，併有包含金屬奈米結構層116之中間層 110(諸如PEDOT/AgNW/ZnO或WO3/AgNW/ZnO)的串聯式有機光伏打裝置700分別提供2.72%及3.10%之功率轉換效率(「PCE」)。相較而言，相應之不併有包含金屬奈米結構層116之中間層110(諸如PEDOT/ZnO或WO3/ZnO中間層110)的串聯式有機光伏打裝置700分別提供僅1.24%及0.70%之PCE。
此外，於基於P3HT：PCBM之串聯式有機光伏打裝置中在相似條件下研究併有金屬奈米結構層116之中間層110，此指示併有金屬奈米結構層116之中間層110(例如，第一電洞傳輸層/AgNW/第一電子傳輸層)足夠穩健及改善效率至適合用於串聯式有機光伏打裝置700中的水準。
圖9顯示形成包含具有至少一個金屬奈米結構層116之中間層110之串聯式有機光伏打裝置700之方法實例。在諸如圖7A所繪示之串聯式有機光伏打裝置中，有機光伏打裝置之性能至少部分取決於中間層分離個別有機光伏打裝置以促進由個別有機光伏打裝置提供之電子及電洞之高效複合的能力。
中間層110包含配置於第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間之金屬奈米結構層116。該金屬奈米結構層116促進穿過第一電子傳輸層112傳輸之電子及穿過第一電洞傳輸層114傳輸之電洞之有效複合。在至少一些實施案中，金屬奈米結構層116可包含具有自約15奈米(nm)至約150nm厚度之諸如銀奈米線及/或銀奈米點之銀奈米結構的層。形成串聯式有機光伏打裝置700之方法開始於902。
在904處，於包含至少第一有機光伏打裝置610之基板或表面上形成第一電洞傳輸層114。可使用任何當前或未來開發之沉積及整平方法(包含但不限於旋轉塗佈或機械沉積及整平(例如，刮刀塗佈))形成第一電洞傳輸層114。第一電洞傳輸層114可具有約20奈米(nm)至約200奈米之厚度。在一些實施案中，第一電洞傳輸層114可包含 PEDOT及/或一或多種含有PEDOT之化合物。在一些實施案中，第一電洞傳輸層114可包含氧化鎢(WO3)及/或一或多種含有氧化鎢(WO3)之化合物。
在906處，橫跨所有或部分第一電洞傳輸層114沉積包含金屬奈米結構之第一濃度溶液。在至少一些實施案中，該含有金屬奈米結構之溶液包含水性銀奈米線油墨，該油墨含有約0.1重量百分率(重量%)至約5重量%濃度的懸浮銀奈米線，用異丙醇以自約1體積份銀奈米線油墨對約5體積份異丙醇至約1體積份銀奈米線油墨對約10體積份異丙醇的比例進行稀釋。可橫跨所有或部分第一電洞傳輸層經由任何當前或未來開發的沉積技術施加該金屬奈米結構溶液。
在908處，橫跨第一電洞傳輸層114整平經沉積之金屬奈米線溶液。可使用任何當前或未來開發之物理、機械或化學整平裝置、方法或系統完成整平，例如，藉由經由刮刀塗佈之機械整平。在至少一些實施案中，金屬奈米結構層116可具有約15奈米(nm)至約150nm的厚度。
在910處，橫跨金屬奈米結構層116之表面沉積第一電子傳輸層112。可使用任何當前或未來開發之沉積及整平的方法形成第一電子傳輸層112，該等方法包含但不限於旋轉塗佈或機械沉積及整平(例如，刮刀塗佈)。第一電子傳輸層112可具有約20奈米(nm)至約200奈米之厚度。在一些實施案中，第一電子傳輸層112可包含氧化鋅(ZnO)及/或一或多種含有ZnO之化合物。
在912處，橫跨所有或部分第一電子傳輸層112形成第二有機光伏打裝置620。該第二有機光伏打裝置620可包含任何當前或未來開發之有機光伏打裝置。在至少一個實施案中，在緊鄰所有或部分第一電子傳輸層112處形成第二有機光伏打裝置620之活性層622。活性層622可包含呈許多均勻之個別層或一或多個包含電活性有機化合物之混合 物的異質層配置之一或多個電活性有機化合物。第二有機光伏打裝置620亦可包含配置於活性層622之背對第一電子傳輸層112之側的第二電洞傳輸層624。電極150可緊鄰所有或部分第二電洞傳輸層624處配置。914結束形成串聯式有機光伏打裝置700之方法。
圖10顯示藉由在第一有機光伏打裝置610與第二有機光伏打裝置620之間沉積具有至少一個金屬奈米結構層116的中間層110而形成串聯式有機光伏打裝置700之方法實例。在諸如圖7A中所繪示之串聯式有機光伏打裝置700中，有機光伏打裝置之性能至少部分取決於中間層110分離個別第一及第二有機光伏打裝置610、620以高效複合由個別第一及第二有機光伏打裝置610、620提供的電子及電洞之能力。
中間層110包含配置於第一電子傳輸層112與第一電洞傳輸層114之間的金屬奈米結構層116。該金屬奈米結構層116促進跨過第一電子傳輸層112傳輸之電子及跨過第一電洞傳輸層114傳輸之電洞之高效複合。在至少一些實施案中，金屬奈米結構層116可包含具有約15奈米(nm)至約150nm厚度之在層內具有諸如銀奈米線及/或銀奈米點的銀奈米結構之層。形成串聯式有機光伏打裝置700之方法開始於1002。
在1004處，將包含具有相對之第一及第二表面之金屬奈米結構層116的中間層110沉積於第一有機光伏打裝置610與第二有機光伏打裝置620之間。除金屬奈米結構層116外，中間層110可包含任何數量之緊鄰金屬奈米結構層116之第一表面配置的第一電子傳輸層112及任何數量之緊鄰金屬奈米結構層116之第二表面配置的電洞傳輸層114。1006結束形成串聯式有機光伏打裝置700之方法。
可組合本文描述之各種實施例以提供其他實施例。本說明書參考及/或申請資料表所列之所有美國專利案、美國專利申請公開案、美國專利申請案、國外專利案、國外專利申請案及非專利公開案係以全文引用之方式併入本文中。可修改該等實施例之態樣，若需要可採 用各種專利案、申請案及公開案之概念以提供又其他實施例。
可根據上文詳述之說明對該等實施例作出此等及其他之變化。通常，在隨附之申請專利範圍中，使用之術語不應解釋為該申請專利範圍限於本說明書及該申請專利範圍中所揭示的特定實施例，而應解釋為包括所有可能的實施例以及此等申請專利範圍所賦予之等效物之全部範圍。因此，申請專利範圍不受限於本發明揭示之內容。

Claims (38)

  1. 一種光學堆疊，其包括：一具有第一表面及相對之第二表面的中間層，該中間層包含：形成至少一部分該第一表面之第一電洞傳輸層；形成至少一部分該第二表面之第一電子傳輸層；及包含以下各物中之至少一者的金屬奈米結構層：複數個插入於該第一電洞傳輸層與該第一電子傳輸層之間之金屬奈米結構、插入於該第一電洞傳輸層與該第一電子傳輸層之間之低薄片電阻柵或其組合；其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個金屬奈米點，該等複數個金屬奈米點包括複數個銀奈米點、複數個金奈米點、複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之至少一者，該等複數個銀奈米點、該等複數個金奈米點、該等複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之每個的縱軸係呈相對於該第一表面及該第二表面所測量之非零角。
  2. 如請求項1之光學堆疊，其進一步包括第一有機光伏打裝置，該裝置包含：具有第一表面及與該第一表面相對之第二表面的第一活性層，該第一活性層對第一波長帶中之入射電磁輻射敏感；其中該第一活性層之該第一表面係緊鄰第二電子傳輸層配置；及其中該第一活性層之該第二表面係緊鄰該中間層之該第一電洞傳輸層配置。
  3. 如請求項2之光學堆疊，其進一步包括第二有機光伏打裝置，該 裝置包含：具有第一表面及與該第一表面相對之第二表面的第二活性層，該第二活性層對第二波長帶中之入射電磁輻射敏感；其中該第二活性層之該第一表面係緊鄰第二電洞傳輸層配置；及其中該第二活性層之該第二表面係緊鄰該中間層之該第一電子傳輸層配置。
  4. 如請求項3之光學堆疊，其中該第二波長帶包含至少一種不包含於該第一波長帶中的電磁輻射波長。
  5. 如請求項3之光學堆疊，其中該第二波長帶不包含任何包含於該第一波長帶中的電磁輻射波長。
  6. 如請求項1之光學堆疊，其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個金屬奈米線。
  7. 如請求項6之光學堆疊，其中該等複數個金屬奈米線包括複數個銀奈米線、複數個金奈米線、複數個鉑奈米線、或其合金奈米線中之至少一者。
  8. 如請求項7之光學堆疊，其中該等複數個銀奈米線、該等複數個金奈米線、該等複數個鉑奈米線、或其合金奈米線中之每個的縱軸係平行於該第一表面及該第二表面。
  9. 如請求項1之光學堆疊，其中該等複數個金屬奈米點包括藉由以下各物中之至少一者之分解所形成：銀奈米線之分解、金奈米線之分解、鉑奈米線之分解、或合金奈米線之分解。
  10. 如請求項9之光學堆疊，其中該銀奈米線之分解包含該銀奈米線之化學分解；其中該金奈米線之分解包含該金奈米線之化學分解；其中該鉑奈米線之分解包含該鉑奈米線之化學分解；及 其中該合金奈米線之分解包含該合金奈米線之化學分解。
  11. 如請求項1之光學堆疊，其中該第一電洞傳輸層包括以下各物中之至少一者：聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT：PSS)或氧化鎢(WO3)。
  12. 如請求項1之光學堆疊，其中該第一電子傳輸層包括氧化鋅(ZnO)。
  13. 如請求項1之光學堆疊，其中該金屬奈米結構層具有落於約400奈米(nm)至約600nm之波長範圍內之電磁輻射的至少約99%透射率。
  14. 如請求項1之光學堆疊，其中該中間層包括一層，該層具有落於約400奈米(nm)至約600nm之波長範圍內之電磁輻射的至少約85%透射率。
  15. 一種提供串聯式有機光伏打裝置之方法，其包括：橫跨所有或部分之表面形成第一電洞傳輸層，該表面包含至少一個第一有機光伏打裝置；橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層沉積包含以下各物中之至少一者之金屬奈米結構層：包含複數個金屬奈米結構之溶液、低薄片電阻柵或其組合；其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個金屬奈米點，該等複數個金屬奈米點包括複數個銀奈米點、複數個金奈米點、複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之至少一者，該等複數個銀奈米點、該等複數個金奈米點、該等複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之每個的縱軸係呈相對於該第一表面及該第二表面所測量之非零角；橫跨大體上所有該第一電洞傳輸層整平該經沉積之金屬奈米結構層以提供經整平之金屬奈米結構層；橫跨所有或部分該經整平之金屬奈米結構層形成第一電子傳 輸層；及橫跨所有或部分該第一電子傳輸層形成第二有機光伏打裝置。
  16. 如請求項15之方法，其中在包含至少該第一有機光伏打裝置之該表面上沉積該第一電洞傳輸層，其包括：橫跨至少部分形成至少部分該表面之氧化銦錫(ITO)基板層沉積第二電子傳輸層；橫跨所有或部分該第二電子傳輸層沉積第一活性層，該第一活性層包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)聚合物及苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)聚合物；及橫跨至少部分該第一活性層沉積該第一電洞傳輸層。
  17. 如請求項16之方法，其中橫跨至少部分該第一活性層沉積該第一電洞傳輸層，其包括：橫跨至少部分該第一活性層以大體上均勻厚度沉積電洞傳輸材料，該電洞傳輸材料包含聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT：PSS)化合物或氧化鎢(WO3)化合物中之至少一者。
  18. 如請求項15之方法，其中橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層沉積包含複數個金屬奈米結構之溶液包括：橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層將包含懸浮金屬奈米線之溶液沉積成具有大體均勻厚度之層。
  19. 如請求項15之方法，其中橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層沉積包含複數個金屬奈米結構之溶液包括：以自約1體積份金屬奈米線油墨對5體積份異丙醇至約1體積份金屬奈米線油墨對10體積份異丙醇的比例用異丙醇稀釋包含約0.1重量百分率(重量%)至約5重量%之懸浮銀奈米線之水性金屬奈米線油墨以提供經稀釋之奈米線油墨；及 橫跨所有或部分該第一電洞傳輸層沉積該經稀釋之金屬奈米線油墨。
  20. 如請求項18之方法，其中橫跨大體上所有該第一電洞傳輸層整平該經沉積之金屬奈米結構層包含橫跨大體上所有該第一電洞傳輸層機械整平或旋轉塗佈該經沉積之金屬奈米線溶液中之至少一者以提供自約15奈米(nm)至約150nm之金屬奈米結構膜厚度。
  21. 如請求項15之方法，其中橫跨所有或部分該金屬奈米結構層沉積該第一電子傳輸層包含：橫跨至少部分該金屬奈米結構層以大體上均勻厚度沉積電子傳輸材料，該電子傳輸材料包含氧化鋅(ZnO)化合物。
  22. 如請求項15之方法，其中橫跨所有或部分該第一電子傳輸層沉積該第二有機光伏打裝置包括：橫跨至少部分該第一電子傳輸層沉積第二活性層，該第二活性層包括聚(3-己基噻吩)(P3HT)聚合物及苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)聚合物；及橫跨至少部分該第二活性層沉積第二電洞傳輸層。
  23. 一種串聯式有機光伏打裝置，其包括：一中間層，其包含：第一電洞傳輸層；第一電子傳輸層；及包含複數個金屬奈米結構之金屬奈米結構層，該金屬奈米結構層插入於該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間；其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個金屬奈米點，該等複數個金屬奈米點包括複數個銀奈米點、複數個金奈米點、複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之至少一者，該等複數 個銀奈米點、該等複數個金奈米點、該等複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之每個的縱軸係呈相對於該第一表面及該第二表面所測量之非零角；第一有機光伏打裝置，其包含：對第一波長帶中之入射電磁輻射敏感的第一活性層，該第一活性層具有第一表面及相對之第二表面，該第一活性層之該第一表面係緊鄰該中間層之該第一電子傳輸層配置；及緊鄰該第一活性層之所有或部分該第二表面配置之第二電洞傳輸層；及第二有機光伏打裝置，其導電性耦合至該第一有機光伏打裝置及包含：對第二波長帶中之入射電磁輻射敏感的第二活性層，該第二波長帶包含至少一種第一波長帶之外的電磁輻射波長，該第二活性層具有第一表面及相對之第二表面，該第二活性層之該第一表面係緊鄰該中間層之該第一電洞傳輸層配置；及緊鄰該第二活性層之所有或部分該第二表面配置之第二電子傳輸層。
  24. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其進一步包括：第一電極，其電耦合至該第一有機光伏打裝置之該第二電洞傳輸層；及第二電極，其電連接地耦合至該第二有機光伏打裝置之該第二電子傳輸層。
  25. 如請求項24之串聯式有機光伏打裝置，其進一步包括：第三電極，其導電地耦合至至少該金屬奈米結構層。
  26. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個銀奈米線、複數個金奈米線、複數個鉑奈米 線、或其合金奈米線中之至少一者。
  27. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其中該等複數個金屬奈米點進一步包括以下各物中之至少一者：至少部分使用銀奈米線形成之銀奈米點、至少部分使用金奈米線形成之金奈米點、至少部分使用鉑奈米線形成之鉑奈米點、或至少部分使用合金奈米線形成之合金奈米點。
  28. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其中該第一電洞傳輸層包括聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT：PSS)或氧化鎢(WO3)中之至少一者。
  29. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其中該第一電子傳輸層包括氧化鋅(ZnO)。
  30. 如請求項23之串聯式有機光伏打裝置，其中該金屬奈米結構層具有落於自約400奈米(nm)至約600nm之波長範圍內之電磁輻射的至少約99%透射率。
  31. 如請求項30之串聯式有機光伏打裝置，其中該中間層包括具有落於自約400奈米(nm)至約600nm之波長範圍內之電磁輻射之至少約85%透射率的層。
  32. 一種提供串聯式有機光伏打裝置之方法，其包括：在第一有機光伏打裝置與第二有機光伏打裝置之間沉積中間層，該中間層至少包含第一電子傳輸層、第一電洞傳輸層及插入於該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間之包含複數個金屬奈米結構之金屬奈米結構層；其中該等複數個金屬奈米結構包括複數個金屬奈米點，該等複數個金屬奈米點包括複數個銀奈米點、複數個金奈米點、複數個鉑奈米點、或其合金奈米點中之至少一者，該等複數個銀奈米點、該等複數個金奈米點、該等複數個鉑奈米點、或其合 金奈米點中之每個的縱軸係呈相對於該第一表面及該第二表面所測量之非零角。
  33. 如請求項32之方法，其中在該第一有機光伏打裝置與該第二有機光伏打裝置之間沉積該中間層包括：在該第一有機光伏打裝置之第一活性層與該第二有機光伏打裝置之第二活性層之間沉積該中間層。
  34. 如請求項33之方法，其中在該第一有機光伏打裝置之該第一活性層與該第二有機光伏打裝置之該第二活性層間之沉積該中間層包括：在該第一有機光伏打裝置之該第一活性層上沉積該第一電子傳輸層或該第一電洞傳輸層中之至少一者；及在非沉積於該第一有機光伏打裝置之該第一活性層上的該第一電子傳輸層或該第一電洞傳輸層中之至少一者上沉積該第二有機光伏打裝置之該第二活性層。
  35. 如請求項34之方法，其進一步包括：在該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間沉積含有金屬奈米結構之溶液；整平該經沉積之含有金屬奈米結構之溶液以在該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間提供該金屬奈米結構層使得該金屬奈米結構層具有自約15奈米(nm)至約150nm之厚度。
  36. 如請求項35之方法，其中在該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間以第一濃度沉積含有金屬奈米結構之溶液包括：藉由用異丙醇以自約1份油墨對5份異丙醇至約1份油墨對10份異丙醇之體積比稀釋含有自約0.1重量百分率(重量%)之懸浮銀奈米線至約5重量%之懸浮銀奈米線之水性銀奈米線油墨以形成該溶液；及 在該第一電子傳輸層與該第一電洞傳輸層之間沉積該經稀釋之銀奈米線油墨。
  37. 如請求項34之方法，其中在該第一有機光伏打裝置之該第一活性層上沉積該第一電子傳輸層或該第一電洞傳輸層中之至少一者包括：在該第一有機光伏打裝置之該第一活性層上沉積含有氧化鋅之該第一電子傳輸層或含有PEDOT或氧化鎢中之至少一者的該第一電洞傳輸層中之至少一者。
  38. 如請求項34之方法，其中在該第一電子傳輸層或該第一電洞傳輸層中之至少一者上沉積該第二有機光伏打裝置之該第二活性層包括：在含有氧化鋅之該第一電子傳輸層或含有PEDOT或氧化鎢中之至少一者的該第一電洞傳輸層中之至少一者上沉積該第二有機光伏打裝置之該第二活性層。
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