有機串疊太陽能電池穿隧層選擇之研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	蕭揚泰 Hsiao, Yang-Tai
論文名稱：	有機串疊太陽能電池穿隧層選擇之研究 Investigation of Tunnel Layer Selection for Organic Tandem Solar Cells
指導教授：	洪勝富 Horng, Sheng-Fu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 光電工程研究所 Institute of Photonics Technologies
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	118
中文關鍵詞：	電子傳輸層、有串疊太陽能電池
外文關鍵詞：	ETL, tandem cell
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隨著石化能源的逐漸消耗殆盡，尋找出適合的替代能源變成一個重要的課題。太陽能有著乾淨，充足且穩定等優點，因此格外引人注目。目前單層無機太陽能電池(矽)效率已達24.7 %，然而，過高的製作成本對於solar cell的商業發展實有困難。相反的，有機共軛高分子太陽能電池有著可以人工合成，可溶液製程，可製作在軟性基板，固態與質輕等優點，使得有機太陽能電池相較於無機的太陽能電池有著較高的發展性。
學生在研究中，嘗試過all-solution、solution (bottom cell) - 蒸鍍 (top cell)兩種元件。目前尚無法克服all-solution中最難解決的問題－互溶，不過學生在all-solution這項研究中，發現ETL(電子傳輸層)的重要性。經由以上研究，學生將之應用於solution (bottom cell) - 蒸鍍 (top cell)的製程中，順利堆疊出Voc約有1.1 voltage的tandem cell，幾乎是兩個sub-cells的Voc相加的值。之後也對interlayer和ETL的角色做了相關的研究。
承接上一位學姊的研究，主要研究為有機串疊太陽能電池之製程方法。製程上，基於tandem cell的多層結構，要正確地定義層與層間之面積相當重要，才能避免tandem cell內部短路。另外，研究tandem cell需要注意幾個重要的方向，一是為了可以分段吸收太陽光，兩個sub-cells的主要吸光範圍必須錯開，才能有效利用太陽能，學生在此選擇P3HT：PCBM與CuPc/C60做為兩個sub-cells的主動層。二是連接兩個sub-cells必須為高透光性，並且可以讓top cell堆疊上去之後，不會破壞底下的bottom cell。三是兩個sub-cells必須current matching。

With the gradual depletion of the fossil fuels, to find a suitable alternative energy resource becomes an important issue. Solar energy is clean, sufficient and stable. Thus, it is highly-attractive. The efficiency of 24.7% of single-layer inorganic (silicon-based) solar cells has been achieved. However, the relatively-high cost is detrimental to commercialization. On the other hand, organic solar cells (OSCs) can be artificially synthesized, solution-processable, fabricated on flexible substrates, solid-state and light-weight. These advantages make it a promising alternative to its inorganic counterpart.

In student’s studies, we had tried two structures, such as all-solution and solution (bottom cell) – evaporation (top cell). Although we haven’t solved the mutually soluble problem, we find that ETL is very important. By the researches above, we apply them on solution (bottom cell) – evaporation (top cell) structure. The tandem cell has open voltage 1.1 volt. We also discuss the properties of interlayer and ETL.
Our main studies are on the fabrication of organic tandem cell. Because of the sandwich construction, how to accurately define the areas overlapped by each layers is important, or it will lead to short. Moreover, there are some important topics for tandem cell. In order to absorb solar energy efficiently, each sub-cell must absorb the different wavelength. Therefore, we chose P3HT:PCBM and CuPc/C60 for the two active layers. The interlayer must be highly transparent and it has to protect the deposited film after follow process. Every sub-cells must be current match.

第一章  序論    1
1 研究背景    1
1.1 太陽能電池產業發展    1
1.2 有機太陽能電池    2
2 文獻回顧    5
2.1 有機小分子太陽能元件    5
2.2 串疊太陽能元件    6
(1). Tandem and Multilayer Organic Solar Cells Based on Low-Molecular-Weight Molecules    6
(2). Hybrid Tandem Organic Solar Cell    8
(3). Solution-Processed Tandem Organic Solar Cells    9
3 研究動機    12
3.1 有機高分子太陽能電池的優點    12
3.2 P3HT與PCBM混合有機高分子太陽能電池    12
3.3為何發展有機串疊太陽能電池    13
4 論文架構    16
第二章  實驗原理與材料介紹    17
1  太陽能元件簡介    17
1.1  基本原理    17
1.2  操作原理    20
1.3  基本參數    23
2  材料介紹    25
2.1  共軛高分子材料    25
2.2  有機小分子材料    27
3  本研究之元件結構與能帶    28
第三章  實驗製程    29
1  ITO基板蝕刻與圖樣化    29
2  使用儀器、器具、溶劑與材料    32
3  元件製程-ITO基板清洗    34
4  高分子Normal cell    34
4.1  PEDOT：PSS電洞傳輸層成膜    34
4.2  P3HT：PCBM主動層成膜    35
4.3  陰極電極蒸鍍    36
5  小分子Normal cell    37
5.1  MoO3 (HTL) / CuPc / C60 (主動層)蒸鍍    37
5.2  陰極電極蒸鍍    37
6  高分子－小分子Tandem cell    39
6.1  高分子Sub-cell (bottom cell)    39
6.2  Recombination center蒸鍍    40
6.3  小分子Sub-cell (top cell)    40
7  高分子－高分子Tandem cell    41
7.1  第一高分子Sub-cell    41
8  封裝    43
9  量測    44
9.1  Normal cell效率與I-V特性    44
9.2  Tandem cell與Sub-cells之I-V特性    44
第四章  實驗結果與討論    46
1  all-solution Tandem cell = bottom cell (solution) + top cell (solution)    47
1.1  結構與pattern設計    47
1.2  10 nm Ag as interlayer    47
1.3  10 nm Ag placed with 50 nm Ca in interlayer    50
1.4  Fitting the effect of polymer of the top cell    51
1.5  Insert MoO3 between interlayer and blending of top cell    58
1.6  測試『 用Ag 完全cover第一層polymer的保護效果』    60
2  小分子Normal cell    61
2.1  CuPc測試    61
3  尋找適當的ETL (electron transporting layer)    64
3.1  尋找適當的ETL    64
3.2  改善小分子solution process成膜問題-part1    67
3.3  改善小分子solution process成膜問題-part2    71
3.4  改善小分子solution process成膜問題-part3    75
3.5  改善小分子solution process成膜問題-part4    77
3.6  改善小分子solution process成膜問題-part5    83
3.7  改善小分子solution process成膜問題-part6    85
3.8  改善小分子solution process成膜問題-part6    89
3.9  定位D-sorbitol與PBD的角色    93
3.10  check PBD：D-sor (ETL)在有Ca/Ag電極的元件效果如何    95
4  高分子-小分子Tandem cell    96
4.1  結構與pattern設計    96
4.2  第一次嘗試solution + evaporation的tandem cell    97
4.3  確認interlayer各層角色    99
4.4  optimize small molecule cell    102
4.5  測試tandem cell中 Voc降低的原因    105
4.6  估算tandem cell 內部的 Jsc    107
4.7  最佳化tandem cell    112
4.8  探討recombination center 的厚度    114
第五章  總結    117
參考文獻    119

                                

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