TWI817705B - 一種有機太陽能模組及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種有機太陽能模組，包括：一玻璃基板；一透明導電ITO層，位於該玻璃基板之一表面上；一電子傳輸層，位於該透明導電ITO層之上，其為一氧化鋅層，厚度30-50 nm；一主動層，位於該電子傳輸層之上，其成分為PV-X
®，厚度為130-170 nm；一高透光度電極，位於該主動層之上，其係為三氧化鉬/銀電極/三氧化鉬依序層疊之三層結構，且各層厚度依序分別為8-12 nm、15-25 nm以及30-40 nm。本揭露還包含製造上述有機太陽能模組的方法。
Description
本揭露係有關於一種有機太陽能模組，特別是一種兼具高透光度與大面積有機太陽能模組。本揭露還涉及該有機太陽能模組的製造方法。
為因應日益嚴重的地球暖化問題，近年來，世界各國政府皆戮力研究開發綠色永續能源，甚至世界主要大國都紛紛訂下減碳目標，並計畫在未來對多種產品之製造，依其生產過程之排碳量進行課徵碳稅。為因應此一國際課徵碳稅趨勢，太陽能發電被視為減少碳稅的重要手段之一，而許多國內廠商開始逐漸採用太陽能發電以減少淨碳排放量。
然而，台灣地狹人稠，可用於安裝太陽能板發電的土地十分受限，因此開發各類型太陽能發電模組可應用的場域，以擴增太陽能發電容量亦是未來開發減碳的重要方向之一。在戶外場域建設太陽能發電需要大量空曠無遮蔽的土地來架設太陽能發電板，據評估，國內可安裝的場域之中，乃以農地為最大的占比。但是傳統矽基太陽能板不但笨重且不透光，若安裝在農地上會影響農作物生長，亦不符合國內農業法的規定。
本揭露之有機太陽能模組具備相對高透光度，當安裝架設於大片農地上時，尤其可望能在兼顧不影響農作物生長的條件下進行太陽能發電，同時避免農作物因過度太陽曝曬而受損。此外，相較於傳統太陽能笨重且不透光，無法安裝於建築物外牆或窗戶上，本揭露之有機太陽能模組可製作於一般玻璃基材上，且具高透光度，可望安裝於建物表面、窗戶之隔熱紙或窗簾，不但可遮蔽部分太陽直射光源降低室內溫度，又能做為太陽能發電為大樓供電。
一般常見製作可透光太陽能電池的方法，是先以溶液塗佈導電膜，接著再以蒸鍍方式蒸鍍一層金屬薄膜，最後再以蒸鍍多層式電極的方式製作電極。溶液塗佈導電膜方式雖然可適用於大面積快速量產製程，但溶液與基板之間異質界面的接觸問題必須先克服，需要進行相當程度的材料改質與製程優化。
另外，習知常見之可透光電極製程技術還有溶液印刷方式或採用多層膜技術。溶液印刷方式也是一般常用來製作可透光電極之製程技術，惟此製程有產品壽命不佳及溶液附著性問題，需要在製程過程中進行表面預處理或是表面材料改質。多層膜技術需要沈積數層材料，例如先前專利文獻（US2014/0360576 A1）揭露了一種結構元件及其製造方法，從本質上半透明的光伏電池或模組來控制光穿透及反射的顏色，以用於光伏窗戶。此方式是藉由沈積數層材料來控制光的反射及穿透光的波長，並精準控制各層膜厚，因此需要使用較為精準的機台設備，成本較高。
蒸鍍薄金屬層為目前最常見的製程方法，可適用於大面積量產製程，但是金屬通常在可見光波長具有相當高的反射率，大幅減少可透光太陽能電池的光穿透度。蒸鍍多層式電極可以透過抗反射的概念，減少薄金屬電極在可見光波段的反射率，藉此提高電極的可見光穿透度。此類電極在紅外線波段具有很高的反射率，可阻隔並減少紅外線加熱效應。例如先前文獻（Guangjun Sun et al.,
Materials Chemistry Frontiers;01 March 2019, Issue 3）揭露一種以三層式電極製作出小面積之高透光有機太陽能電池，作者利用多層 MoO3/Ag/MoO3 作為高透光電極，並研究了 Ag 和外部 MoO3 的沈積速率（鍍率）和薄膜厚度對透明度和薄層電阻的影響，進而對整體模組性能有顯著影響。作者揭露了基於 PFBDB-T:C8-ITIC作為主動層的優化，而得到整體模組的平均功率轉換效率 (PCE)為 9.2%，平均可見光穿透率 (AVT) 為 22%。 然而由於蒸鍍均勻度控制不易的問題，目前已見於文獻的成果都僅限於小面積太陽能電池。
上述各類有機太陽能模組製程可能因製程上之困難尚未克服，或是生產成本相對高昂，就目前而言，難以應用在大面積有機太陽能模組量產上。本揭露涉及一種大面積高透光有機太陽能模組以及其製造方法，本揭露之製造方法除了兼具有低生產成本與製程便利性外，更重要的是，本揭露的製造方法可以製作大面積的高透光度有機太陽能模組，除了可望廣泛應用在各種薄膜型太陽能材料上，製作高透光有機太陽能模組之外，未來更有潛力能應用於建物整合發電以及農電共生上。
根據本揭露之一實施例，提出一種製造有機太陽能模組的方法，包含以下步驟：一、提供一透明導電ITO玻璃基板，其一表面具有透明導電ITO層；二、依所設計之有機太陽能模組圖案，剝除該透明導電ITO層之部分區域，以作成一圖案化ITO層；三、塗佈一電子傳輸層於該圖案化ITO層上；四、塗佈一主動層於該電子傳輸層上；五、依所設計之有機太陽能模組圖案，剝除該主動層部份區域，作成圖案化主動層；六、蒸鍍一高透光度電極於該圖案化主動層上。本實施例所使用之透明導電ITO玻璃基板的面積為100-200 cm
2。
根據本揭露之另一實施例，提出一種依照上述製造方法所製得的有機太陽能模組，包括：一玻璃基板；一透明導電ITO層，位於玻璃基板之一表面上；一電子傳輸層，位於透明導電ITO層之上，其為一氧化鋅層（ZnO layer），厚度約為30-50 nm；一主動層，位於電子傳輸層之上，其成分為PV-X
®，厚度約為130-170 nm；以及一高透光度電極，位於主動層之上，其係為三氧化鉬/銀電極/三氧化鉬（MoO
3/Ag/MoO
3）依序層疊之三層結構，且各層厚度依序分別約為8-12 nm、15-25 nm以及30-40 nm。本實施例之有機太陽能模組具有一約為55-65 cm
2或60 cm
2之有效表面積。
以下將參照相關圖式，說明本揭露之有機太陽能模組及其製造方法之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1圖，其係為本揭露之一實施例之有機太陽能模組之結構圖。如圖所示，有機太陽能模組結構1具有一玻璃基板11、一透明導電ITO層12、一電子傳輸層13、一主動層14、以及由一電洞傳輸層15、一銀電極16及一抗反射層17所組成之高透光度電極。在本實施例之有機太陽能模組結構1中，透明導電ITO層12位於玻璃基板11之一表面上，電子傳輸層13位於透明導電ITO層12之上，其為一氧化鋅層（ZnO layer），厚度約為30-50 nm；主動層14位於電子傳輸層13之上，其成分為PV-X
®，厚度約為130-170 nm；高透光度電極位於主動層14之上，係由電洞傳輸層15、銀電極16以及抗反射層17依序層疊之三層結構構成，其組成分分別為三氧化鉬/銀電極/三氧化鉬（MoO
3/Ag/MoO
3），且對應各層厚度依序分別約為8-12 nm、15-25 nm以及30-40 nm。
在一實施例中之有機太陽能模組1中之銀電極層16係以基板旋轉速度5-10 rpm，且蒸鍍鍍率不小於2.0 Å/sec所蒸鍍而成。在另一實施例中，銀電極層16係以基板旋轉速度10 rpm，且蒸鍍鍍率為2.0 Å/sec蒸鍍而成。
在一實施例中之有機太陽能模組1具有一約為55-65 cm
2之有效表面積。在另一實施例中，該有機太陽能模組1具有約為60 cm
2之有效表面積。
另外，在上述的實施例之有機太陽能模組1中，銀電極層16厚度約為15-20 nm，且該有機太陽能模組1具有平均可見光透光率約為30-40%，轉換效率約為4-6%。
在上述有機太陽能模組1的另一實施例中，銀電極層16厚度約為20-25 nm，且該有機太陽能模組1具有平均可見光透光率約為20-30%，轉換效率約為6-7.5%。本揭露所屬技術領域之通常知識者應能理解，在實施例所揭露之範圍內，當銀電極層厚度愈厚時，該有機太陽能模組之平均可見光透光率便愈低，而轉換效率則愈高。
根據本揭露之一實施例，提出一種製造有機太陽能模組的方法，包含以下步驟：
一、提供一透明導電ITO玻璃基板，其一表面具有透明導電ITO層；
二、依所設計之有機太陽能模組圖案，剝除該透明導電ITO層之部分區域，以作成一圖案化ITO層。在此步驟中，可以使用本發明之技術領域習知且常用之雷射雕刻機對ITO層的部分區域進行剝除，隨後再以丙酮擦拭，以清除表面髒污及灰塵，接著再使用紫外光-臭氧清洗機去除基板表面上之有機污染物以及進行表面改質，增進電子傳輸層在透明導電ITO層上的附著性。
三、塗佈一電子傳輸層於該圖案化ITO層上。在本實施例中是以氧化鋅作為電子傳輸層，本領域之通常知識者亦可選用具有類似功效之組成分作為電子傳輸層，均應視為未脫離本發明所請求保護之範圍。在此步驟中將前述圖案化ITO層之基板置於50℃加熱板上，將氧化鋅奈米粒子溶液以狹縫塗佈方式，塗佈於圖案化ITO層上，隨後送入烘箱，以120℃烘烤5分鐘，以確保溶劑完全揮發。完成後之氧化鋅奈米粒子層厚度約為30-50 nm。
四、塗佈一主動層於該電子傳輸層上。在本實施例中是選用由製造商Raynergy所生產之PV-X
®溶液作為主動層之材料，主動層可選用本領域之通常知識者所習知之成分或組成，均應視為未脫離本發明所請求保護之範圍。例如，先前文獻（Guangjun Sun et al.,
Materials Chemistry Frontiers;01 March 2019, Issue 3）揭露使用PFBDB-T:C8-ITIC作為主動層之材料成分進行優化。在本實施例中，將上述塗佈完氧化鋅奈米粒子層的圖案化ITO基板烘烤完後，置於70℃加熱板上，接著再將PV-X
®主動層溶液塗佈在前述基板之氧化鋅奈米粒子層上，靜置2分鐘以上使其溶劑完全揮發。乾燥後的主動層膜層厚度約為120-170 nm，在另一較佳的實施例中，乾燥後的主動層膜層厚度約為150 nm。隨後再送入120℃烘箱烘烤10分鐘，以進一步確保溶劑完全揮發，並能使主動層內部材料有更好的排列與結晶性，可使完成之有機太陽能電池效率進一步的提升。此外，在本實施例中，主動層的塗佈方式是選用以狹縫塗佈法進行塗佈。應了解，本領域之通常知識者也可以選用刮刀塗佈法進行塗佈，或是其他習知的塗佈方式，皆未脫離本發明所請求保護之範圍。
五、依所設計之有機太陽能模組圖案，剝除該主動層部份區域，作成圖案化主動層。將上述已完成主動層塗佈之基板，依照所設計之有機太陽能模組圖案，以機械剝除法或其他等效之方法去除部分塗佈區域，以作為有機太陽能模組作時元件串連的連接區。
六、蒸鍍一高透光度電極於該圖案化主動層上。在本實施例中，蒸鍍一高透光度電極係至少包含以下三個步驟：
（一）、蒸鍍一電洞傳輸層於該圖案化主動層上；
（二）、蒸鍍一銀電極層於該電洞傳輸層上；
（三）、蒸鍍一抗反射層於該銀電極層上。
在本揭露之有機太陽能模組的製造方法之實施例中，電洞傳輸層係為一三氧化鉬層（MoO
3layer），其係以蒸鍍鍍率0.1-0.5 Å/sec，蒸鍍於圖案化主動層上，且電洞傳輸層厚度約為8-12 nm。在另一實施例中，作為電洞傳輸層之三氧化鉬係以蒸鍍鍍率0.1-0.5 Å/sec蒸鍍於圖案化主動層上，且電洞傳輸層厚度約為8 nm。
本揭露之有機太陽能模組的製造方法之實施例中，銀電極層係以基板旋轉速度為5-10 rpm，且蒸鍍鍍率不小於2.0 Å/sec蒸鍍於電洞傳輸層上，且銀電極層厚度約為15-25 nm。在另一較佳實施例中，銀電極層係以基板旋轉速度10 rpm，且蒸鍍鍍率為2.0 Å/sec蒸鍍於電洞傳輸層上，且銀電極厚度約為15 nm、20 nm或25 nm。
本揭露之有機太陽能模組的製造方法之實施例中，抗反射層係為一三氧化鉬層（MoO
3layer），其係以蒸鍍鍍率0.1-0.5 Å/sec，蒸鍍於銀電極層上，且抗反射層厚度約為30-40 nm。在另一實施例中，作為抗反射層之三氧化鉬係以蒸鍍鍍率0.1-0.5 Å/sec蒸鍍於銀電極層上，且抗反射層厚度約為40 nm。
本領域之通常知識者應能理解，上述本揭露之電洞傳輸層及抗反射層在蒸鍍時所使用之蒸鍍率及厚度範圍為本領域之通常知識者依據申請時已知之通常知識所得以變化或選用之技術特徵參數，在本揭露之範圍內變化或選用並未產生顯著影響依本揭露之製造方法所製得之有機太陽能模組的可見光透光率及轉換效率。
在本揭露之有機太陽能模組的製造方法之實施例中，所製造之有機太陽能模組具有一約55-65 cm
2之有效表面積。在另一較佳實施例中，本揭露之製造方法所製造之有機太陽能模組具有一約60 cm
2之有效表面積。
在本揭露之有機太陽能模組的製造方法之實施例中，所製造之有機太陽能模組具有一約55-65 cm
2之有效表面積，或具有一約60 cm
2之有效表面積，且在一實施例中，銀電極層是以基板旋轉速度10 rpm，且蒸鍍鍍率2.0 Å/sec蒸鍍而成。當銀電極層具有厚度約為15-20 nm時，本實施例之製造方法所製得之有機太陽能模組具有平均可見光透光率約為30-40%，轉換效率約為4-6%；在另一實施例中，當銀電極層具有厚度約為20-25 nm時，所製得之有機太陽能模組具有平均可見光透光率約為20-30%，轉換效率約為6-7.5%。
為使本領域之通常知識者得以理解本揭露之有機太陽能模組及其製造方法，以下說明本揭露之製造方法中作為電子傳輸層之氧化鋅層所使用之氧化鋅奈米粒子溶液之製備方式。本揭露所使用之氧化鋅奈米粒子溶液係參考先前文獻（Huihu Wang et al., Journal of Hazardous Materials, Vol. 141, Iss. 3, 2007, page 645-652）所製備，說明如下：首先，將4.4g之醋酸鋅與1.16g之氫氧化鋰溶於200 mL酒精中，混和均勻後，加入4 mL之去離子水，並於60℃水溶內充分攪拌30分鐘。接著利用離心方式，離心2次後，將所得之沈澱物倒入異丙醇中，使其濃度為10 mg/mL。接著再以超音波震盪30分鐘，然後再加入體積比為0.15%的乙醇胺，再進行90分鐘超音波震盪，便可獲得本揭露所使用之氧化鋅奈米粒子溶液。
以下表一為不同銀電極厚度對本揭露的製造方法所製得之太陽能模組之光電特性，說明如下：
表一：
表一所列係4種依照本揭露之製造方法所製得之有機太陽能模組特性，此4種模組之銀電極層係利用基板旋轉速度10 rpm，且蒸鍍鍍率為2.0 Å/sec蒸鍍不同厚度之銀電極而成之4種有機太陽能模組，模組之結構差異僅在於銀電極層之厚度。值得注意的是，表一中所列係為4種本揭露之具有一有效表面積60 cm
2之有機太陽能模組。當銀電極層厚度達到約100 nm時，本揭露之有機太陽能模組為不透光，且具有轉換效率約8.9%；而當銀電極層分別約為25 nm、20 nm以及15 nm時，此有機太陽能模組為半透明，可見光平均透光率則分別為20.5%、28.3%以及36.1%，且具有轉換效率分別為7.1%、5.9%以及4.4%。另外，請參閱第2圖：本圖係為上述當銀電極層分別約為25 nm、20 nm以及15 nm時之可透光有機太陽能模組之電流密度對電壓之光電特性圖。本發明技術領域之通常知識者可參考本揭露所示之實驗結果，依場域的適用性來選用製作不同可見光透光度及轉換效率之有機太陽能模組。
當然，說明書中之實施例僅用於舉例說明而非限制本揭露的範圍，根據本實施例的有機太陽能模組及其製造方法而進行的等效修改或變更仍應包含在本揭露所請求保護的範圍內。
綜上所述，矽基太陽能板受限於缺乏戶外大量空曠無遮蔽之場地來安裝太陽能板，而且占比最高適合安裝太陽能板之農地場域卻又因為會影響農作物生長，而受限於農業法之規範。相較之下有機太陽能模組不僅具有相對高透光性，有望在兼顧農作物生長的條件下，安裝架設於大片農地上，同時，有機太陽能模組亦能製作於玻璃基板上而可安裝於建物表面或窗戶之隔熱紙。然而，習知可透光太陽能模組或其製作方法常常受限於製程上成本較高、異質界面的接觸問題、或需要較為精準之機台設備來生產，而僅能生產小尺寸之可透光太陽能模組。本揭露之有機太陽能模組之製造方法，不僅克服上述問題，且操作步驟較為簡單，不需高精準之生產設備，生成之成本相對較低，可用來生產兼具有高透光度及大的有效表面積之有機太陽能模組。相較於現有的製造方法，不論在可量產的尺寸、製程簡化及生產成本上，根據本揭露的實施例的有機太陽能模組及其製造方法均具有明顯優勢。
可見本揭露在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，實感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本揭露之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
1:有機太陽能模組之結構圖
11:玻璃基板
12:透明導電ITO層
13:電子傳輸層
14:主動層
15:電洞傳輸層
16:銀電極
17:抗反射層
2:半透明有機太陽能模組之電流密度對電壓之特性圖
第1圖為本揭露之一實施例之有機太陽能模組之結構圖。
第2圖為本揭露之一實施例之可透光有機太陽能模組之電流密度對電壓之特性圖。
1:有機太陽能模組之結構圖
11:玻璃基板
12:透明導電ITO層
13:電子傳輸層
14:主動層
15:電洞傳輸層
16:銀電極
17:抗反射層
Claims (11)
- 一種製造有機太陽能模組的方法，包含以下步驟：提供一透明導電ITO玻璃基板，其一表面具有透明導電ITO層，其中，該透明導電ITO玻璃基板之面積約為100-200cm2；依一有機太陽能模組圖案，剝除該透明導電ITO層之部分區域，以作成一圖案化ITO層；塗佈一電子傳輸層於該圖案化ITO層上；塗佈一主動層於該電子傳輸層上；依該有機太陽能模組圖案，剝除該主動層部份區域，作成圖案化主動層；以及蒸鍍一高透光度電極於該圖案化主動層上；其中，蒸鍍該高透光度電極於該圖案化主動層上更包含以下步驟：蒸鍍一電洞傳輸層於該圖案化主動層上；蒸鍍一銀電極層於該電洞傳輸層上；以及蒸鍍一抗反射層於該銀電極層上；其中，該高透光度電極係為三氧化鉬/銀電極/三氧化鉬依序層疊之三層結構。
- 如請求項1所述之方法，其中該電子傳輸層係利用將氧化鋅奈米粒子溶液塗佈於該圖案化ITO層上，乾燥後所得之一氧化鋅層，其厚度約為30-50nm。
- 如請求項1所述之方法，其中該主動層係利用將PV-X®溶液塗佈在該電子傳輸層上，乾燥後所得，其厚度約為130-170nm。
- 如請求項1所述之方法，其中該電洞傳輸層係為一三氧化鉬層，其係以蒸鍍鍍率0.1-0.5Å/sec，蒸鍍於該圖案化主動層上，且該電洞傳輸層厚度約為8-12nm。
- 如請求項1所述之方法，其中該銀電極層係以基板旋轉速度為5-10rpm，且蒸鍍鍍率不小於2.0Å/sec，蒸鍍於該電洞傳輸層上，且該銀電極厚度約為15-25nm。
- 如請求項5所述之方法，其中該旋轉速度為10rpm，且蒸鍍鍍率為2.0Å/sec。
- 如請求項1所述之方法，其中該抗反射層係為一三氧化鉬層，其係以蒸鍍鍍率0.1-0.5Å/sec，蒸鍍於該銀電極層上，且該抗反射層厚度約為30-40nm。
- 一種依請求項1-7之製造方法所製得之有機太陽能模組，包括：一玻璃基板；一透明導電ITO層，位於該玻璃基板之一表面上；一電子傳輸層，位於該透明導電ITO層之上，其為一氧化鋅層，厚度約為30-50nm；一主動層，位於該電子傳輸層之上，其成分為PV-X®，厚度約為130-170nm；以及一高透光度電極，位於該主動層之上，其係為三氧化鉬/銀電極/三氧化鉬依序層疊之三層結構，且各層厚度依序分別約為8-12nm、15-25nm以及30-40nm。
- 如請求項8之有機太陽能模組，其中該有機太陽能模組具有一約為55-65cm2之有效表面積。
- 如請求項9之有機太陽能模組，其中該銀電極層厚度約為15-20nm，且該有機太陽能模組具有平均可見光透光率約為30-40%，轉換效率約為4-6%。
- 如請求項9之有機太陽能模組，其中該銀電極層厚度約為20-25nm，且該有機太陽能模組具有平均可見光透光率約為20-30%，轉換效率約為6-7.5%。
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| TW201401601A (zh) * | 2012-06-26 | 2014-01-01 | Univ Nat Cheng Kung | 反向雙層有機太陽能電池元件 |
| CN104916714B (zh) * | 2015-06-25 | 2017-05-10 | 福州大学 | 以La‑TiO2为电子传输层的有机光伏电池及其制备方法 |
| WO2017105053A1 (ko) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 주식회사 동진쎄미켐 | 페로브스카이트 태양전지의 모노리식 타입 모듈 및 이의 제조 방법 |
| WO2019039779A1 (ko) * | 2017-08-22 | 2019-02-28 | 코오롱인더스트리 주식회사 | 유기 태양전지 |
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2022
- 2022-09-06 TW TW111133715A patent/TWI817705B/zh active
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