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研究生： 郭宗翰
Kuo, Tsung-Han
論文名稱： 全溶液製程有機共軛高分子太陽能電池之漸進式結構設計與研究
Design, fabrication and investigation of all solution-processable conjugated polymer organic solar cells with graded-concentration structure
指導教授： 洪勝富
Horng, Sheng-Fu
孟心飛
Meng, Hsin-Fei
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： 106
中文關鍵詞： 溶液製程 、緩衝層 、漸進式 、多層 、PIN結構
外文關鍵詞： solution-process, buffer layer, graded-concentration, multilayer, pin structure
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    • 有機共軛高分子太陽能電池因為材料具有許多良好的特性，在製程上相當容易製作，且具備了可撓曲性，能夠應用於更廣大的設計需求，而利用刮刀成膜或噴墨印刷等方式，使元件能朝向大面積、大尺寸的方向發展，未來前途不可限量。
    單層有機高分子太陽能電池的效率已達瓶頸，要向下發展勢必要朝多層結構邁進，而互溶問題為製作多層結構時所需克服的困難之一，本論文利用丙二醇材料當作緩衝層，能夠有效解決不同層之間的互溶問題，成功製作出全溶液製程的多層元件，同時我們也證明了多層結構對於元件特性的提升大有幫助。

    Polymer solar cells (PSCs) exhibit many advantages such as simple processing, flexibility and the potential to scale up to large area by using blade coating or ink-jet printing techniques. Interlayer mixing is one of the main problems for achieving PSCs with multilayer structure. In this study, we solved the problem by a buffer layer technique. The result showed that the technique which employs glycol as a buffer layer successfully circumvented the interlayer mixing and made the multi-layer devices achieveable with all-solution process. We also demonstrated that the device performance was greatly enhanced with a multi-layer structure.

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 IV 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 序論 1 1.1 研究背景 1 1.1.1 前言 1 1.1.2 太陽能電池產業的發展 2 1.1.3 有機太陽能電池的歷史發展 4 1.1.4 有機太陽能電池的結構演進 6 1.2 研究動機 9 1.2.1 有機共軛高分子太陽能電池的優點 9 1.2.2 為何製作漸進式多層結構 11 1.2.3 多層漸進式P-I-N結構的文獻回顧 12 1.3 論文架構 13 第二章 實驗原理 14 2.1 太陽能電池的基本參數與操作原理 14 2.1.1 太陽能電池操作原理 14 2.1.2 太陽能電池基本參數 18 2.1.3 太陽能電池內部機制 23 2.2 材料特性與材料選擇 27 2.2.1 有機高分子材料的簡介 27 2.2.2 施體 (donor) 材料與受體 (acceptor) 材料 29 2.2.3 電洞傳輸層和陰陽電極的選擇 31 2.2.4 不同溶劑的特性與選擇 32 2.3 有機共軛高分子太陽能電池的元件結構及能帶圖 33 2.3.1 半導體能帶理論 33 2.3.2 太陽能電池元件結構和能帶圖 36 2.4 有機共軛高分子的載子傳輸理論 37 第三章 實驗方法與流程 41 3.1 透明ITO玻璃基板的圖樣化 41 3.2 透明ITO基板清洗 43 3.3 高分子層的成膜 44 3.3.1 電洞傳輸層PEDOT：PSS層的成膜 44 3.3.2 元件主動層溶液之配置 45 3.3.3 元件主動層的成膜 46 3.4 陰極的蒸鍍 47 3.5 元件封裝 47 3.6 元件量測系統 48 3.7 多層漸進式結構元件的製程 49 3.7.1 多層漸進式結構元件的基本概念 49 3.7.2 buffer layer技術的緩衝層材料 50 3.7.3 緩衝層(buffer layer)技術 51 第四章 實驗結果與討論 52 4.1 溶劑選擇和膜厚測試 53 4.1.1 多層結構(multilayer)的溶劑選擇 53 4.1.2 最佳的膜厚選擇 57 4.1.3 多層與單層元件的吸收 59 4.1.4 buffer layer 材料(glycol)對元件的影響 62 4.2 雙層結構元件製作 65 4.2.1 雙層結構 P2I vs 單層結構純I 65 4.2.2 不同比例的inter layer對元件表現之影響 69 4.2.3 雙層P3I、P2I和單層純I fitting總整理 72 4.2.4 雙層結構PI元件之IPCE量測與理論探討 74 4.3 其他延伸研究 86 4.3.1 多層結構PIN、NIP元件製作與探討 86 4.3.2 雙層結構NI、IP、IN元件製作與探討 90 4.3.3 大面積solar cell之ITO阻值效應 96 第五章 結論與未來發展 102 參考文獻 103 圖目錄 第一章 圖 1- 1 各種能源的未來使用量預測 2 圖 1- 2 染料敏化太陽能電池的操作原理圖解 5 圖 1- 3 有機太陽能電池的結構演進 7 圖 1- 4 單層結構的機制與能帶圖 7 圖 1- 5 雙層異質接面結構的激子拆解機制與能帶圖 8 圖 1- 6 BHJ結構的拆解機制與能帶圖 8 圖 1- 7 多層漸進式PIN小分子太陽能電池結構 12 第二章 圖 2- 1 無機太陽能電池(P-N接面) 15 圖 2- 2 中性激子因空乏區內建電場而拆解 15 圖 2- 3 理想的太陽能電池等效電路 16 圖 2- 4 理想太陽能電池照光的I-V特性曲線 16 圖 2- 5 實際的太陽能電池等效電路 17 圖 2- 6 實際和理想的太陽能電池照光I-V特性曲線 18 圖 2- 7 實際太陽能電池照光後I-V特性曲線和元件參數 21 圖 2- 8 不同的串、並聯電阻效應下太陽能電池的I-V特性曲線 22 圖 2- 9 短路情況下有機太陽能電池元件內部機制 24 圖 2- 10 太陽的光譜圖 25 圖 2- 11 Type II能帶圖 27 圖 2- 12 (a) 聚乙炔(polyacetylene, PA) (b) 聚噻吩(polythiophene, PT) 28 圖 2- 13 P3HT結構 30 圖 2- 14 C60和PCBM結構 30 圖 2- 15 P3HT與PCBM的吸收光譜 30 圖 2- 16 PEDOT：PSS的結構圖 31 圖 2- 17 toluene的結構圖 33 圖 2- 18 1, 2-dichlorobenzene(DCB)的結構圖 33 圖 2- 19 金屬和無機半導體材料形成界面時的能帶圖 34 圖 2- 20 簡易有機半導體能帶圖 35 圖 2- 21 雙層漸進式PI結構及多層漸進式PIN結構 36 圖 2- 22 多層漸進式結構能帶示意圖 37 圖 2- 23 熱離子發射理論的示意圖 39 圖 2- 24 Fowler-Nordheim穿遂效應的示意圖 40 第三章 圖 3- 1 透明ITO玻璃圖樣化示意圖 43 圖 3- 2 PEDOT：PSS成膜及擦邊留下範圍示意圖 45 圖 3- 3 主動區成膜及擦邊留下範圍示意圖 46 圖 3- 4 陰極蒸鍍後圖樣化示意圖 47 圖 3- 5 元件封裝後的示意圖 48 圖 3- 6 太陽能電池元件量測示意圖 49 圖 3- 7 1,2丙二醇的化學結構式 50 圖 3- 8 緩衝層(buffer layer)技術製作雙層結構元件之流程示意圖 51 第四章 圖 4- 1 different solvent 元件J-V curve (CF、TOL、DCB、CB) 55 圖 4- 2 different solvent 元件dark (CF、TOL、DCB、CB) 56 圖 4- 3 不同比例、雙層、單層膜的光吸收比較 61 圖 4- 4 glycol對元件的影響 J-V 63 圖 4- 5 glycol對元件的影響 dark 64 圖 4- 6 元件結構示意圖 66 圖 4- 7 P2I vs I 元件照光J-V curve 68 圖 4- 8 P2I vs I 元件dark 68 圖 4- 9 P3I、P2I vs I 元件照光J-V curve 71 圖 4- 10 P3I、P2I vs I 元件dark 71 圖 4- 11 P100%I vs I 元件照光和dark J-V curve 73 圖 4- 12 P3I vs I 元件照光J-V curve 77 圖 4- 13 P3I vs I 元件dark 77 圖 4- 14 雙層漸進式P3I 元件IPCE 78 圖 4- 15 單層純I 元件IPCE 79 圖 4- 16 雙層漸進式P3I元件 vs 單層純I 元件IPCE比較(at bias 0V) 80 圖 4- 17 雙層漸進式P3I元件 vs 單層純I 元件IPCE比較(at bias 0.2V) 81 圖 4- 18 雙層漸進式P3I元件 vs 單層純I 元件IPCE比較(at bias 0.4V) 82 圖 4- 19 雙層漸進式P3I之不同光強FIT：log(Jsc) vs log(intensity) 83 圖 4- 20 單層純I 不同光強FIT：log(Jsc) vs log(intensity) 83 圖 4- 21 FIT log(dark-IL) vs log(Vo-Va) 85 圖 4- 22 PIN、NIP vs I 元件照光J-V curve 89 圖 4- 23 PIN、NIP vs I元件dark 90 圖 4- 24 N3I、N2I vs I 元件照光J-V curve 94 圖 4- 25 N3I、N2I vs I 元件dark 94 圖 4- 26 固定長L=4mm 變動寬W=6mm、8mm、12mm元件照光J-Vnew curve 99 圖 4- 27 固定長L=4mm 變動寬W=6mm、8mm、12mm元件dark 100 圖 4- 28 固定寬W=10mm 變動長L=4、8、10、16、20mm元件照光J-Vnew curve 100 圖 4- 29 固定寬W=10mm 變動長L=4、8、10、16、20mm元件dark 101 圖 4- 30 ITO不同位置電壓降示意圖(假設B操作在最佳操作點) 101 表目錄 第一章 表 1- 1 各種有機太陽能電池的總體比較 11 第三章 表 3- 1 1,2丙二醇的溫度與黏度關係 50 第四章 表 4- 1 different solvent 轉速600rpm下的膜厚(from alpha-step) 56 表 4- 2 different solvent 元件的fitting結果 (CF、TOL、DCB、CB) 56 表 4- 3 TOL溶液濃度、轉速與厚度關係 59 表 4- 4 glycol對元件的影響 Fitting 64 表 4- 5 P2I vs 純I 各項參數整理 67 表 4- 6 雙層P3I、P2I vs 單層純I 各項參數整理 73 表 4- 7 雙層P3I vs 單層純I 各項參數整理 76 表 4- 8 雙層N3I vs 單層純I 各項參數整理 93

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