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研究生: 陳鈺婷
Chen, Yu-Ting
論文名稱: 利用化學浴沉積法成長氧化鋅薄膜製成高效率反結構有機太陽能電池
Highly Efficient Inverted Organic solar cells using chemical bath deposited ZnO as electron selective layer
指導教授: 洪勝富
Horng, Sheng-Fu
口試委員: 洪勝富
孟心飛
冉曉雯
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 66
中文關鍵詞: 反結構氧化鋅化學浴沉積法有機太陽能電池
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  • 本論文主要將化學浴沉積法(Chemical Bath Deposition;CBD)應用於反式結構有機太陽能電池上,化學浴沉積法不但簡單環保,並且符合未來有機太陽能電池可撓性與大面積的發展趨勢。本研究使用P3HT(Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl))混合PCBM (1-(3-methoxycarbonyl) propyl-1-phenyl[6,6]-C61)製成塊材異質接面作為主動層;因為氧化鋅抗水氧能力強,並且具有良好的載子傳輸能力,故電子傳輸層(Electron Selective Layer)選用氧化鋅(Zinc oxide;ZnO)薄膜。過去在有機太陽能電池的領域中,沉積氧化鋅薄膜的相關研究有使用原子層沉積方式(atomic layer deposition;ALD)、旋轉塗佈方式(spin coating) 、噴墨塗佈(spray coating)或者sol-gel方式等等,本實驗則是應用化學浴沉積法製作表面平整及組織緻密之奈米級ZnO電子傳輸層,元件結構為ITO/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT/Ag的反式有機太陽能電池。
    實驗上先討論不同厚度的CBD-ZnO薄膜對元件效率的影響,以80nm的ZnO薄膜經過高溫退火後的最佳元件可以達到3.93%的轉換效率,之後再透過持續照光的方式,進一步讓元件最高效率達到4.61%。接著討論不同退火處理對CBD-ZnO薄膜的影響,實驗最後以快速熱退火取代長時間高溫退火,使元件未來可以製作在軟板上。本論文證實了在未來有機太陽能製程中,可以運用CBD技術成膜ZnO,大量製作大面積的有機太陽能電池。


    Zinc Oxide (ZnO) has received high attention because of its high mobility and air-stable, which makes it attractive for use in inverted organic solar cells. Many research groups reported that ZnO thin films were prepared by atomic layer deposition (ALD), spin-coating, sputtering, and spray-coating etc. Using Chemical bath deposition to fabricate Zinc oxide as electron selective layer in organic solar cells is a novel technique. The Chemical bath deposition with potential advantages of enabling a large-area coating, low-cost and low-temperature can overcome the drawbacks of other processes.
    In this work, ZnO thin films used as electron selective layer were successfully deposited on glass/ITO substrates by the method of chemical bath deposition in organic solar cells. The devices exhibit a PCE of 3.93% with optimum film thickness and annealing temperature, and achieved 4.61% after electrode treatment.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 VI 圖目錄 IX 第一章 序論 1 1.1研究背景 1 1.1.1 前言 1 1.1.2 太陽電池的發展 1 1.1.3 有機共軛高分子太陽能電池的發展 2 1.2研究動機 6 1.2.1 有機高分子太陽能電池優勢 6 1.2.2 為何發展反式太陽能電池 6 1.2.3 化學浴沉積法(CBD)優勢 7 1.3文獻回顧 7 1.3.1 軟性基板有機太陽能電池的歷史回顧 7 1.3.2 反式結構有機太陽能電池的歷史回顧 8 1.3.3 有機太陽能電池以氧化鋅為電子傳輸層的應用 8 1.4論文架構 10 第二章 實驗原理 11 2.1太陽電池原理簡介 11 2.1.1 太陽能電池工作原理 11 2.1.2 理想太陽電池等效電路 12 2.1.3 實際太陽電池等效電路 13 2.1.4 太陽電池基本參數介紹 14 2.1.5 太陽電池操作分析 19 2.2有機共軛高分子材料特性及能帶理論 22 2.2.1 共軛高分子材料特性 22 2.2.2 有機材料的能帶理論 23 2.3本論文研究理論 24 2.3.1 材料的選擇 24 2.3.2 所使用的太陽電池結構 27 第三章 實驗流程介紹 29 3.1 ITO玻璃基板蝕刻圖樣化 29 3.1.1 ITO玻璃切割清洗 29 3.1.2 乾式光阻黏貼 30 3.1.3曝光 31 3.1.4顯影 31 3.1.5蝕刻 32 3.1.6去光阻 32 3.2 ITO玻璃基板準備與清洗 33 3.3 電子傳輸層(Electron Transport Layer, ETL)成膜 33 3.4主動層(P3HT:PCBM)成膜 36 3.5電洞傳輸層(Hole Transport Layer, HTL)成膜 36 3.6熱蒸鍍電極 37 3.7元件封裝 37 3.8使用的儀器、器具與材料 38 3.9元件量測 40 第四章 實驗結果與討論 43 4.1化學浴沉積法應用於反式有機太陽能電池 43 4.1.1 CBD參數基本建立 43 4.1.2 CBD沉積ZnO反應機制 44 4.2 以ZnO為電子傳輸層之反式結構元件 45 4.2.1 CBD沉積不同厚度之ZnO 46 4.2.2 量測ZnO之吸收光譜 47 4.2.3 元件light soaking討論 49 4.2.4 元件生命週期 51 4.3 ZnO不同退火處理的討論 52 4.3.1 ZnO不同退火溫度與時間之比較 52 4.3.2 快速熱退火取代高溫退火 55 4.3.3 微波退火 57 4.4化學浴沉積法之氧化鋅薄膜結構與特性 58 4.5比較不同氧化鋅製程之有機太陽能電池 60 第五章 實驗總結與未來研究發展 63 參考文獻 64 圖目錄 第一章 序論 1 圖 1-1 有機太陽能電池的結構演變(a)single layer(b)bilayer(c)bulk heterojunction(d)ordered bulk heterojunction 3 圖1-2 單層結構的機制與能帶圖 4 圖 1-3 雙層異質接面結構的激子拆解機制與能帶圖 4 圖 1-4 BHJ結構的拆解機制與能帶圖 5 圖 1-5 (a)碳酸銫不同退火溫度效應 (b)元件結構與效率整理 8 圖 1-6 (a)元件結構 (b)元件生命週期 9 第二章 實驗原理 111 圖2-1 傳統太陽電池PN接面示意圖 111 圖2-2 激子受空乏區內建電場拆解 11 圖2-3 (a)理想太陽電池電路圖(b)理想太陽電池IV曲線圖 12 圖2-4實際太陽電池電路圖 13 圖2-5 理想與實際太陽電池IV特性曲線 14 圖2-6 實際上太陽電池的IV特性曲線 14 圖2-7 平帶電壓示意圖 15 圖2-8 有機太陽電池光電轉換機制 18 圖2-9 太陽能電池I-V特性曲線以及各操作點示意圖 19 圖2-10 外加逆偏壓之能帶變化 20 圖2-11元件短路時之能帶變化 20 圖2-12 能帶平帶示意圖 21 圖2-13持續外加順偏壓示意圖 21 圖2-14聚乙炔分子結構示意圖 22 圖2-15常見共軛高分子結構式 23 圖2-16有機太陽能電池能帶示意圖 24 圖2-17各吸光材料之吸收光譜 30 圖2-18鄰二氯苯的分子結構 25 圖2-19 PEDOT:PSS分子結構 31 圖2-20本論文反相結構太陽能電池元件架構圖 27 第三章 實驗流程介紹 29 圖3-1 2.9cm x 2.9cm ITO玻璃準備示意圖 30 圖3-2貼上光阻的ITO玻璃示意圖 31 圖3-3 ITO圖樣化示意圖 32 圖3-4 CBD隔水加熱法示意圖 33 圖3-5鐵氟龍膠帶定義ZnO pattern 34 圖3-6 長ZnO薄膜示意圖 35 圖3-7 ZnO成膜示意圖 35 圖3-8蒸鍍上銀電極示意圖 37 圖3-9元件完成圖 38 圖3-10一般定義太陽功率密度示意圖 40 圖3-11太陽電池量測系統示意圖 42 第四章 實驗結果與討論 43 圖4-1成膜溫度對載子遷移率的影響 (退火溫度分別為攝氏425與700度) 44 圖4-2元件能帶圖 45 圖4-3不同沉積時間成膜不同厚度之ZnO的元件暗電流特性 46 圖4-4不同沉積時間成膜不同厚度之ZnO的元件光電流特性 47 圖4-5不同厚度的ZnO吸收圖 48 圖4-6 P3HT、PCBM與AM1.5太陽光譜 48 圖4-7 OPV元件light soaking前後的特性比較 49 圖4-8實驗中沉積六分鐘ZnO薄膜之元件暗電流特性 50 圖4-9實驗中沉積六分鐘ZnO薄膜之元件光電流特性 50 圖4-10 大氣下經過100天的反式有機太陽能電池的Life time 51 圖4-11-1對ZnO作不同退火溫度處理的元件的暗電流 52 圖4-11-2對ZnO作不同退火溫度處理的元件的暗電流 53 圖4-12 ZnO經150度退火30分鐘與兩小時結果比較 54 圖4-13 ZnO經350度退火30分鐘與兩小時結果比較 54 圖4-14 ZnO經快速熱退火處理元件與light soaking 30分鐘的結果 55 圖4-15 ZnO經不同退火處理元件light soaking 30分鐘後的結果 56 圖4-16 Glass/ITO/ZnO 經過(a)微波前(b)微波後的示意圖 57 圖4-17厚度約80nm ZnO薄膜經過350℃、150℃、微波處理後的XRD圖 58 圖4-18 SEM圖 59 圖4-19 ALD製程示意圖 61 圖4-20 Spray-coating 的示意圖 62 第五章 實驗總結與未來研究發展 63 表目錄 表3-1文獻中不同太陽角度照射下所定義之功率密度 41 表4-1 整理實驗中不同ZnO薄膜退火處理的元件特性 55 表4-2 ZnO不同成膜方式的元件結果整理 60

    [1]. D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson,” A new silicon pn junction photocell for converting solar radiation into electrical power,” J. Appl. Phys. 25, 676 (1954).
    [2]. News-“Tandem organic photovoltaic reaches 10.6% efficiency a world’s first for polymer organic photovoltaic devices”(2012).
    [3]. M. A. Contreras, B. Egaas, K. Ramanathan, J. Hiltner, A. Swartzlander, F. Hason, and R. Noufi, ―Properties of 19.2% efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 thin-film solar cells,‖ Prog. Photovolt.: Res. Appl. 7, 311 (1999).
    [4]. K. M. Coakley,Wudl and M. D. McGehee,―Conjugated polymer photovoltaic cells,‖ Chem. Mater. 16, 4533 (2004).
    [5]. Harald Hoppe, and Niyazi Serdar Sariciftci,―Organic solar cell: An review,‖J. Mater. Res., Vol. 19, No. 7, Jul 2004.
    [6]. C. W. Tang, “Two-layer organic photovoltaic cell,” Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986).
    [7]. G. Yu, K. Pakbaz, and A. J. Heeger,“Semiconducting polymer diodes: Large size, low cost photodetectors with excellent visible-ultraviolet sensitivity,”Appl. Phys. Lett. 64, 3422 (1994).
    [8]. C. J. Brabec, F. Pandinger, “Realization of large area flexible fullereneconjugate polymer photocells: a route to plastic solar cell,” Synthetic Metals 102, 861-864 (1999).
    [9]. M. Al-Ibrahim, H. K. Roth, and S. Sensfuss, Appl. Phys. Lett. 85, 1481 (2004)
    [10]. G. Li, C.-W. Chu, V. Shrotriya, J. Huang, Y. Yang,“Efficient inverted solar cells,” Appl. Phys. Lett. 88, 253503 (2006).
    [11]. Hua-Hsien Liau, Li-Min Chen, Zheng Xu, Gang Li, and Yang Yang,“Highly efficient inverted polymer solar cell by low temperature annealing of Cs2CO3 interlayer,” Appl. Phys. Lett. 92, 173303 (2008).
    [12]. M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis, and D. S. Ginley, “Inverted bilk-heterojunction organic photovoltaic device using a solution-derived ZnO underlayer,” Appl. Phys. Lett. 89, 143517 (2006).
    [13]. Steven K. Hau, Hin-Lap Yip, Nam Seob Baek, Jingyu Zou, Kevin O’Malley, and Alex K.-Y. Jen,“Air-stable inverted flexible polymer solar cells using zinc oxide nanoparticles as an electron selective layer,” Appl. Phys. Lett. 92,253301 (2008).
    [14]. H. Sirringhaus, P. J. Brown, R. H. Friend, M. M. Nielsen, K. Bechgaard, B. M. W. Langeveld-Voss, A. J. H. Spiering, R. A. J. Janssen, E. W. Meijer, P. Herwig, and D. M. De Leeuw, “ Two-dimensional charge transport in self-organized, high-mobility conjugated polymers,” Nature, 401, 685 (1999).
    [15]. J. C. Hummelen, B. W. Knight, F. Lepeq, F. Wudl, J. Yao, and C. L. Wilkins, “Preparation and Characterization of Fulleroid and Methanofullerene Derivatives,” J.Org. Chem. 60, 532 (1995)
    [16]. E. J. Meijer, D. M. de Leeuw, S. Setayesh, E. V. Veenendaal, B. H. Huisman, P. W. M. Blom, J. C. Hummelen, U. Scherf, T. M. Klapwijk. Nat. Mater. 2, 678 (2003)
    [17]. H. Hoppe, and N. S. Sariciftci, “Organic solar cells: An overview,” J. Mater. Res. 19, 1924 (2004).
    [18]. D Redinger, “High-Performance Chemical-Bath-Deposited Zinc Oxide Thin-Film Transistors,” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 54, NO. 6, JUNE 2007
    [19]. H. Khallaf,” Investigation of chemical bath deposition of ZnO thin films using six differentcomplexing agents”

    [20]. J.C. Berne`de , and Y. Lare, “ZnO thin films fabricated by chemical bath deposition, used as buffer layer inorganic solar cells,” Applied Surface Science 255 (2009) 6615–6619.
    [21]. M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis, and D. S. ginley,”Inverted bilk-heterojunction organic photovoltaic device using a solution-deriverd ZnO underlayer,” Appl. Phys. Lett. 89,143517(2006).
    [22]. Y.Yoshino,K.Inoue,M.Takeuchi,K.Ohwada,Vacuum51,601-607.,1998.
    [23]. J.C. Wang, W.T. Weng, S.F. Horng,”Highly efficient flexible inverted organic solar cells using atomic layer deposited ZnO as electron selective layer,” Journal of Materials Chemistry.,2012, 20, 862-866.
    [24]. S.J. Lim, Soonju Kwon, H. Kim, “ZnO thin films prepared by atomic layer deposition and rf sputtering as an active layer for thin film transistor,” Thin Solid Films 516, 1523–1528 (2008).
    [25]. J.W. Kang, Y.J. Kang, “Spray-coated ZnO electron transport layer for air-stable inverted organic solar cells,” Volume 96, January 2012, Pages 137–140.

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