利用刮刀塗佈製備高效率穩定三元組成有機太陽能電池

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研究生：	李承憲 Li, Cheng-Xian.
論文名稱：	利用刮刀塗佈製備高效率穩定三元組成有機太陽能電池 High Performance and Stability in Ternary Organic Solar Cells Fabricated by Blade Coating
指導教授：	洪勝富 Horng, Sheng-Fu
口試委員:	孟心飛 Meng, Hsin-Fei 張志宇 Chang, Chih-Yu
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：	2018
畢業學年度：	106
語文別：	中文
論文頁數：	55
中文關鍵詞：	刮刀塗佈、非富勒烯、有機太陽能電池、三元結構、高分子、薄膜製程
外文關鍵詞：	Blade-coating, Non-fullerene, Organic solar cells, Ternary, Polymer, Thin-film process
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近幾年之有機太陽能電池研究中，科學家積極研發非富勒烯材料，其優點為在可見光及近紅外光區有較強的吸收、易合成、低成本、能階可調及熱穩定性佳等，在經過兩、三年的發展後其效率轉換已超越富勒烯材料所製備的太陽能電池，其最高效率達14%以上，本論文即是以高分子聚合物PBDB-T及非富勒烯材料ITIC作為主動層材料並以Ca/Al作為陰極電極及LiF、ZrOx、Liq三種材料作為界面修飾層來進行穩定性的探討，其元件製程方面則是採用刮刀塗佈製作。
第一階段是以PBDB-T作為施體材料而ITIC作為受體材料的二元結構為主題，以Ca/Al作為元件陰極電極之結構效率最佳效率達8.11%，而以ZrOx作為界面修飾層之結構的元件壽命最佳，其元件在大氣環境下經過4500小時之後其最佳效率幾乎與起始效率一樣;第二階段則引入富勒烯受體PC71BM以實現更高性能的三元有機太陽能電池，以ZrOx作為界面修飾層之結構最佳效率達9.762%，元件在大氣下放置2000小時之後其元件效率幾乎與起始效率相同;第三階段則是進一步應用在有效面積為216cm2之大面積有機太陽能電池，其中二元非富勒烯元件效率最高為5.49%，而三元元件之最佳效率為6.45%。此研究成果成功地製備出大面積、高性能之非富勒烯及三元有機太陽能電池。

Recently, scientists have actively researched and developed non-fullerene materials, which advantages include strong absorption in visible region and near-infrared region, easy synthesis, low-cost, adjustable energy levels, and good thermal stability. After the years of the development, its power conversion efficiency has surpassed fullerene materials, and its maximum efficiency has reached over 14%. In this study, polymer PBDB-T and non- fullerene material ITIC are used as active layer, and Ca/Al is used as cathode electrode and LiF, ZrOx and Liq are used as interlayer. In addition, the device is fabricated by blade-coating.
The first theme is focus on binary structure with PBDB-T as the donor and ITIC as the acceptor, the resulting OSCs with Ca interlayer deliver a promising power conversion efficiency (PCE) up to 8.11%. Additionally, the devices with ZrOx interlayer also exhibit superior stability, maintaining its initial efficiency after 4500 hours under ambient air. The second part, fullerene acceptor PC71BM was introduced to achieve higher performance ternary blend organic solar cells. The devices with ZrOx interlayer also have better PCE of 9.762% and excellent stability in maintaining its initial efficiency after 2000 hours under ambient air. At last, we manufacture large-area organic solar cells with active area of 216cm2 using blade coating method, and the device of binary structure is reaches the best PCE of 5.49%. More importantly, the highest PCE of 6.45% is obtained in the device of ternary blend structure. The results of this research have successfully produced large-area, high-performance non-fullerene and ternary organic solar cells.

目錄
摘要    i
Abstract    ii
致謝    iv
目錄    iv
表目錄    viii
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    2
1.1.3 有機太陽能電池的發展    3
1.2 研究動機    5
1.2.1 有機高分子太陽能電池的優勢    5
1.2.2 使用刮刀塗佈製程製作有機光電元件    6
1.2.3 非富勒烯材料之優勢    6
1.2.4 陰極界面層材料之應用    7
1.3 論文架構    7
第二章、實驗原理    8
2.1 太陽電池基本介紹    8
2.1.1 太陽電池基本原理    8
2.1.2 太陽能電池等效電路    12
2.2 太陽能電池之重要參數介紹    14
2.2.1 短路電流    14
2.2.3 填充因子    15
2.2.4 能量轉換效率    16
2.3 本論文所使用材料    16
2.3.1 陽極材料    16
2.3.2 電洞傳輸層材料    16
2.3.3 主動層材料    17
3.1 有機太陽電池元件製作流程    23
3.3  ITO標準清洗    27
3.4  ITO基板表面處理    28
3.5 電洞傳輸層成膜    28
3.5.1 小面積電洞傳輸層上膜    28
3.5.2 大面積電洞傳輸層上膜    29
3.6 主動層成膜    30
3.6.2 主動層材料之配製:    30
3.6.2 小面積主動層上膜:    31
3.6.3 大面積主動層上膜    32
3.7 界面層成膜    32
3.7.1 蒸鍍界面層    33
3.7.2 溶液製程之界面層    33
3.8 蒸鍍電極    35
3.9 元件封裝    36
3.10 電性量測    37
3.10.1小面積元件電性量測    37
3.10.2大面積元件電性量測    37
3.11 刮刀塗佈系統    38
第四章、實驗與結果討論    40
4.1 利用刮刀塗佈技術製作非富勒烯有機太陽能電池之結果與討論    40
4.1.1 非富勒烯受體應用於有機太陽能電池之最佳模厚測試    41
4.1.2 不同界面修飾層材料應用於元件之測試結果    42
4.1.3 不同界面修飾層材料應用於元件之壽命量測    42
4.2 利用刮刀塗佈技術製作三元有機太陽能電池之結果與討論    44
4.2.1 三元有機太陽能電池之最佳模厚與退火溫度測試    45
4.2.2 不同界面修飾層材料應用於三元元件之測試結果    47
4.2.3 不同界面修飾層材料應用於三元元件之壽命量測    48
4.3 大面積有機太陽能電池之結果與討論    50
4.3.1 非富勒烯材料應用於大面積有機太陽能電池之實驗結果    50
4.3.2 利用刮刀塗佈大面積三元有機太陽能電池之實驗結果    51
第五章、總結與未來展望    52

 
表目錄
表1、PEDOT:PSS材料介紹    17
表2、PBDB-T材料介紹    17
表3、PBDB-T材料介紹    18
表4、PC71BM材料介紹    19
表5、Liq材料介紹    19
表6、ZrOx材料介紹    20
表7、二元元件不同下料量下之電性參數與膜厚    41
表8、LiF及ZrOx應用於二元元件之電性參數    42
表9、三元元件在不同下藥量下之電性參數    46
表10、主動層退火溫度對起始效率影響之電性參數    46
表11、Liq在不同濃度下之元件電性參數    47
表12、不同下料量的ZrOx應用於三元元件之電性參數    48
表13、大面積二元元件之電性參數    50
表14、大面積三元元件之電性參數    51

 
圖目錄
圖1、單層結構之結構示意圖    4
圖2、雙層異質接面結構示意圖    4
圖3、塊材異質接面結構示意圖    5
圖4、結合雙層及混合層之結構示意圖    5
圖5、太陽能電池之結構圖    8
圖6、光吸收產生激子    9
圖7、激子的擴散與漂移    10
圖8、激子的轉移與分離    10
圖9、電荷的傳輸與收集    11
圖10有機太陽能電池光電轉換步驟及入射光子損失機制    12
圖11、太陽能電池等效電路    13
圖12、太陽能電池之I-V 曲線    14
圖13、二元結構界面修飾層使用Ca (a)元件結構 (b)能帶圖    21
圖14、二元結構界面修飾層使用LiF (a)元件結構 (b)能帶圖    21
圖15、二元結構界面修飾層使用ZrOx (a)元件結構 (b)能帶圖    21
圖16、三元結構界面修飾層使用LiF (a)元件結構 (b)能帶圖    22
圖17、三元結構界面修飾層使用ZrOx (a)元件結構 (b)能帶圖    22
圖18、三元結構界面修飾層使用Liq (a)元件結構 (b)能帶圖    22
圖19、有機太能電池元件製作流程    23
圖20、圖案化之大面積ITO基板    26
圖21、圖案化之小面積ITO基板    26
圖22、成膜後的 PEDOT:PSS示意圖(小面積)    29
圖23、PEDOT:PSS成膜後的元件剖面圖(小面積)    29
圖24、PEDOT:PSS成膜後的示意圖(大面積)    30
圖25、主動層成膜後的示意圖(小面積)    31
圖26、主動層成膜後的元件剖面圖(小面積)    31
圖27、主動層成膜後的示意圖(大面積)    32
圖28、蒸鍍界面層成膜後的元件剖面圖    33
圖29、以溶液製程之界面層成膜後的元件剖面圖    34
圖30、大面積元件示意圖    35
圖31、小面積元件示意圖    35
圖32、蒸鍍後元件剖面圖(a)界面層以蒸鍍方式成膜(b)界面層以刮塗方式成膜    36
圖33、重力封裝的示意圖    37
圖34、JSB-500X聚光燈    38
圖35、JSB-500X光源光譜圖               圖36、拼湊後之聚光燈    38
圖37、刮刀塗佈設備    39
圖38、實驗設備 (a)小面積刮刀 (b)大面積刮刀    39
圖39、PBDB-T、ITIC及PC71BM在可見光區之吸收光譜[24]    40
圖40、二元元件在不同下料量下之J-V特性圖    41
圖41、LiF及ZrOx應用於二元元件之J-V特性圖    42
圖42、在常溫下不同界面層應用於二元元件之壽命比較 (a)PCE (b)Normalized PCE    43
圖43、在80oC環境下不同界面層應用於二元元件之壽命比較 (a)PCE  (b)Normalized PCE    43
圖44、二元及三元元件之吸收光譜[24]    44
圖45、三元元件在不同下藥量下之J-V特性圖    45
圖46、主動層退火溫度對起始效率影響之J-V特性圖    46
圖47、Liq在不同濃度下之J-V特性圖    47
圖48、不同下料量的ZrOx應用於三元元件之J-V特性圖    48
圖49、在常溫下不同界面層應用於三元元件之壽命比較 (a)PCE (b)Normalized PCE    49
圖50、元件操作在持續退火80oC下不同界面層應用於三元元件之壽命比較 (a)PCE (b)Normalized PCE    49
圖51、大面積二元元件之J-V特性圖    50
圖52、大面積三元元件之J-V特性圖    51


                                

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