TWI392775B - 單晶奈米棒－聚（３－己基噻吩）（ＣｄＳ－Ｐ３ＨＴ）複合物的製造方法及其用途 - Google Patents
單晶奈米棒－聚（３－己基噻吩）（ＣｄＳ－Ｐ３ＨＴ）複合物的製造方法及其用途 Download PDFInfo
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Description
本揭示內容是有關於在一種溶液製程中使用聚(3-己基噻吩)(poly-3(hexylthiophene),P3HT)做為分子模板來引導形成硫化鎘單晶奈米棒的方法，以及所形成的硫化鎘單晶奈米棒得用途，例如，用來製造太陽能元件。
近年來太陽能相關技術的發展相當快速，其中有機-無機混合的部分特別受到重視，這是因為高分子和無機物均可使用溶液製程，大大減少製造成本，此外還可調控奈米晶體的尺寸和形狀，以達到較寬的吸收波域以及提升電子傳輸效率，不過通常效率徧低，因此，仍有許多的改進空間。
最近這兩三年許多研究，除了著眼於如何改進高分子的吸收波長範圍外，也著重在如何改善無機物在高分子相中的分離狀態和電子傳導情況。目前有關有機-無機混合太陽能前案，大都是先合成出無機物奈米顆粒後，再與高分子材料在溶液中混合，且在合成時這些無機物奈米顆粒上大都含有修飾性官能基，這也是後續製成之元件光電轉換效率不佳的原因之一。
因此，此領域需要一種新的解決方案，其能夠藉由改變製程參數來調控奈米晶粒的最終尺寸，進而使應用這些奈米晶粒的元件可具有較佳的光電轉換效率。
因此，本揭示內容第一態樣是提供一種製造單晶奈米棒-聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene),P3HT)複合物的方法。首先，先以重量比約為1：1之比例將單晶奈米棒前驅物與P3HT在一溶劑中混合成為一混合溶液。接著，加熱該混合溶液至一介於約60℃至約200℃間之反應溫度，並於該反應溫度下反應至少約10分鐘，藉以獲得一內含該單晶奈米棒-P3HT複合物之溶液。
在所述方法中，該溶劑是一種共溶劑，其係由至少兩種選自以下群組的溶劑組成，包括：甲苯、氯仿、二甲苯、二氯苯(dichlorobeneze,DCB)及二甲亞碸(dimethyl sulfoxide,DMSO)。該單晶奈米棒前驅物包含：一選自鎘、鉛或銦之金屬鹽類；以及一選自硫、硒或碲之非金屬溶液。所形成之單晶奈米棒是選自由硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、硫化銦(InS)、硒化鎘(CdSe)、硒化鉛(PbSe)、硒化銦(InSe)、碲化鎘(CdTe)、碲化鉛(PbTe)及碲化銦(InTe)所組成之群組中。該單晶奈米棒具有約在4至16間之長寬比並具有(002)之成長方向。
本發明之另一特定實施態樣為提供一種製造硫化鎘-聚(3-己基噻吩)(CdS-P3HT)複合物的方法，包含以下多個步驟：在一第一溶劑中，以重量比為1：1之比例將醋酸鎘與P3HT混合成為一第一溶液。其次，在一第二溶劑中，以約當該醋酸鎘或該聚(3-己基噻吩)之重量1/500的用量將硫溶入該第二溶劑中，使成為一第二溶液。接著，同時將該第一及第二溶液加熱至介於約60℃至約200℃間之反應溫度。最後，混合該第一溶液與該第二溶液，並於該反應溫度下反應至少約10分鐘，藉以獲得一種內含該CdS-P3HT複合物之溶液。
在上述方法中更包含在該第一溶液中通入氮氣並加熱至約100℃約30分鐘。在一實例中，該第一溶劑是由任兩種選自以下群組之溶劑以體積比約3：9至約5：4間的比例組成，包含：甲苯、氯仿、二甲苯、DCB及DMSO；且該第二溶劑包含DCB。在一特定實例中，該第一溶劑是由DCB及DMSO以體積比約3：9的比例混合而成。
上述方法更包含在反應完成之後，進行移除該反應溶液中過量的硫及鎘離子之步驟，其包括在該反應溶液中加入無水甲醇使產生沉澱，過濾並移除上清液後，將該沉澱回溶在DCB中，藉以獲得其中含有極少量未反應之硫及鎘離子之一內含CdS-P3HT複合物之溶液。
因此，本揭示內容再一態樣是提供一種太陽能元件。此太陽能元件包含一基板，該基板特徵在於：以上述方法製造出來之該內含CdS-P3HT複合物之溶液塗佈該基板，再經熱處理後使一硫化鎘單晶奈米棒薄膜可形成在該基板表面上。在一實例中，該基板在以該內含CdS-P3HT複合物之溶液塗佈前，已預先塗佈有一層聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯)((3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate),PEDOT:PSS)薄膜。在一實例中，該硫化鎘單晶奈米棒薄膜的厚度在約1~100nm間，且該硫化鎘單晶奈米棒的長寬比約在4至16間並具有(002)之成長方向。在另一實例中，可更電鍍一層電極層至該形成有硫化鎘單晶奈米棒之基板表面上。以上述形成有硫化鎘單晶奈米棒薄膜之基板所製成的太陽能元件，其光電轉換效率約為3.1%。
透過以下的詳細明與附隨之申請專利範圍將可更了解本揭示內容的這些及其他特徵。需知以上的概述及以下的詳細說明僅為例示，用來闡述本揭示內容，而非用以限制本揭示內容之範疇。
本發明主要內容在於提供一種適合用來形成單晶奈米棒的新穎溶液製程，其主要是利用聚(3-己基噻吩)(P3HT)做為分子模板，使單晶晶體成長時具有單一方向性，進而形成欲求的單晶奈米棒。
在所揭示的新穎溶液製程中，主要是將奈米棒前驅物與P3HT溶在適合的溶劑中，形成前驅物溶液，接著，在適當的反應溫度下使前驅物溶液充分反應，即可獲得內含欲求單晶奈米棒-P3HT複合物的溶液。此複合物溶液可再被塗佈至適合的基板上做成應用元件，例如，太陽能元件，供後續應用。
適合以本發明之新穎溶液製程進行製造之單晶奈米棒的種類包括，但不限於，硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、硫化銦(InS)、硒化鎘(CdSe)、硒化鉛(PbSe)、硒化銦(InSe)、碲化鎘(CdTe)、碲化鉛(PbTe)、碲化銦(InTe)等單晶奈米棒。可視欲求單晶奈米棒種類，挑選合適的溶劑系統，依照本發明所揭示的方法，進行製造。
以下將以製造硫化鎘(CdS)單晶奈米棒的實施方式為例，說明本發明之相關技術內容。
因此，本發明第一態樣是提供一種製造硫化鎘-聚(3-己基噻吩)(CdS-P3HT)複合物的方法，包含以下多個步驟：
(1)在一第一溶劑中，以重量比為1：1之比例將醋酸鎘與P3HT混合成為一第一溶液；
(2)在一第二溶劑中，以約當該醋酸鎘或該P3HT之重量1/500的用量將硫溶入該第二溶劑中，使成為一第二溶液；
(3)同時將該第一及第二溶液加熱至一介於約60℃至約200℃間之反應溫度；及
(4)混合該第一溶液與該第二溶液，並於該反應溫度下反應至少約10分鐘，藉以獲得一內含該CdS-P3HT複合物之溶液。
在上述步驟(1)中，醋酸鎘與P3HT的混合比例約為1：1(重量比)。所用的第一溶劑乃是一種由至少兩種溶劑組成之共溶劑系統，適合的共溶劑是選自由甲苯、氯仿、二甲苯、DCB及DMSO組成之群組中。在一實例中，該第一溶劑是由任兩種選自上述群組之溶劑，以體積比約3：9至約5：4間的比例組成。在一特定實例中，該第一溶劑是由DCB及DMSO以體積比約3：9的比例混合而成。
此外，步驟(1)更包含在所形成之該第一溶液中通入氮氣，並加熱至約100℃，持續約30分鐘。
在步驟(2)中，將用以形成硫化鎘單晶的另一前驅物，硫，溶在第二溶劑中，形成第二溶液。硫的用量大約為該醋酸鎘或該P3HT之重量的1:500。第二溶劑可與上述用以形成共溶劑系統之溶劑選擇相同或不同。在一特定實例中，該第二溶劑包含DCB。
在步驟(3)中，待形成第一溶液與第二溶液之後，可同時將此兩種溶液加熱至可讓CdS前驅物反應的反應溫度，例如，約60℃至約200℃間，更好是在約120℃至約180℃間。
接著，在步驟(4)中，將第一溶液與第二溶液混合，並在上述反應溫度下，反應足夠長的時間，例如約10至30分鐘，以形成CdS-P3HT之複合物於該反應溶液中。
上述方法更包含在步驟(4)之後，進行移除該反應溶液中過量的硫及鎘離子之步驟，其包括在該反應溶液中加入無水甲醇使產生沉澱，過濾並移除上清液後，將該沉澱(亦即，CdS-P3HT之複合物)回溶在DCB中，藉以獲得其中含有極少量未反應之硫及鎘離子之CdS-P3HT複合物溶液。此CdS-P3HT複合物溶液即可被用來塗佈基板，以便在基板上形成CdS單晶奈米棒，製造應用元件。
因此，本揭示內容另一態樣是提供一種太陽能元件。此太陽能元件包含一基板，該基板特徵在於：以上述方法製造出來之該內含CdS-P3HT複合物之溶液塗佈該基板，再經熱處理後使一硫化鎘單晶奈米棒薄膜可形成在該基板表面上。在一實例中，該基板在以該內含CdS-P3HT複合物之溶液塗佈前，已預先塗佈有一層聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯)((3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate),PEDOT:PSS)薄膜。在一實例中，該硫化鎘單晶奈米棒薄膜的厚度在約1~100nm間，且該硫化鎘單晶奈米棒的長寬比約在4至16間並具有(002)之成長方向。在另一實例中，可更電鍍一層電極層至該形成有硫化鎘單晶奈米棒之基板表面上。以上述形成有硫化鎘單晶奈米棒薄膜之基板所製成的太陽能元件，其光電轉換效率約為3.1%。
所述實施方式與專有名詞是為了闡述發明內容之用，並非用以限制本揭示內容範疇。本揭示內容範疇也涵蓋並未特意揭示於此，但習知技藝人士在閱讀過本揭示內容後可輕易推知的其他實施方式。
除非另行定義，文中所使用之所有專業與科學用語與習知技藝者所熟悉之意義相同。此外，任何與所記載內容相似或均等之方法及材料皆可應用於本發明方法中。文中所述之較佳實施方法與材料僅做示範之用。於本申請書中所提到之所有參考文獻均全體納入參考，以揭露並敘述該文獻所記載之相關方法及/或材料。此外，文中所討論之文獻僅揭露本發明申請日前之習知技術。並且無任何文獻顯示本發明內容曾為習知技術所揭露。本發明內容所得到之實際數據會因個別的實施條件而與本發明揭露於說明書內容中之數據有所不同。
須知若無特別於上下文中清楚記述其他意義，則說明書內容及後附申請專利範圍中所使用之如「一(“a”or“an”)」與「該(the)」等特定用語均包含其複數形態。
以下將詳細說明本揭示內容較佳實施方式，這些實施方式的實例已繪示在附隨圖示中。各圖示中相同元件以相同元件號碼表示。
以下實施例是用來闡明本揭示內容特定態樣並幫助習知技藝者了解並實施本揭示內容。但本揭示內容範疇並不限於這些實施例中。
首先，在三頸瓶中放入8毫升的二氯苯(dichlorobeneze,DCB)、4毫升的及二甲亞碸(dimethyl sulfoxide,DMSO)、0.01公克的醋酸鎘和0.01公克的聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)，通入氮氣後加熱至100℃約30分鐘。在另一個容器中把0.0002公克的硫溶於1毫升的二氯苯。同時將二個溶液加熱至反應溫度(120℃-180℃)，再將先前製備好的硫的溶液加至醋酸鎘溶液中，反應時間10-30分鐘。為了去除多餘的硫和鎘離子，將反應後的溶液取出來加至無水甲醇中，離心後產生沉澱，移除溶液部分留下沉澱，再將沉澱溶於二氯苯中。
將上述製備而成的CdS-P3HT複合物溶液旋塗在一鍍碳銅網上，烘乾後製成試片。以穿透式顯微鏡(TEM；JEOL,JEM-2100F)來觀察試片上之CdS-P3HT複合物的奈米結構，藉此判斷以不同條件所製造出來的CdS-P3HT複合物溶液塗佈試片後，試片上CdS單晶顆粒的大小和粒徑分佈。同時以傅立葉轉換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,(FTIR))來鑑定其化學結構，並以紫外-可見光光譜儀和螢光光譜儀來分析CdS-P3HT的光學性質，結果詳述於下。
第1(a)~1(c)圖顯示在不同溫度下合成出CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡圖，可以看出CdS顆粒尺寸隨著溫度升高而增加，且溫度愈高顆粒直徑分佈也愈高。第1(d)圖則是在180℃下合成出的CdS顆粒之高解析穿透式電子顯微鏡圖，可以發現CdS的結晶性相當好。
第2(a)~2(c)圖為在不同醋酸鎘濃度(2.5mg/ml、8.3mg/ml、12.45mg/ml)下合成出CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡圖。在第2(d)圖中可發現因為醋酸鎘濃度增加而開始有奈米棒形成，而在第2(b)圖中則是得到比在第2(a)圖中更長的奈米棒，而再進一步增加醋酸鎘濃度時(第2(c)圖)則是會同時得到奈米棒和奈米顆粒，且奈米棒的長度較第2(b)圖中的短。第2(d)圖是醋酸鎘濃度為8.3mg/ml下合成出的CdS顆粒高解析穿透式電子顯微鏡圖，可以發現CdS奈米棒的成長方向為(002)。
第3(a)圖示出P3HT或是P3HT加醋酸鎘後的傅立葉轉換紅外光譜圖，其重要波峰值所代表的鍵結，標示於圖上。其中位在1106cm-1
之波峰代表在P3HT上的C-S拉伸(C-S stretching)，此峰值在加入了醋酸鎘後，位移至1101cm-1
，代表C-S鍵結能量降低，表示在Cd2+
離子和S原子間有耦極-耦極(dipole-dipole)作用力或離子-耦極(ion-dipole)作用力，導致C-S的電子雲有輕微的扭曲。第3(b)~3(d)圖示出Cd2+
離子和S原子間之作用情形以及P3HT作為分子模版以供CdS奈米棒生長的示意圖。
第4圖是以不同體積比的DCB:DMSO在180℃下於不同時間作用下製作出來之CdS-P3HT複合物的長寬比折線圖。由第4圖的結果可發現DCB所佔的體積比愈高，所合成出的CdS奈米棒的長寬比愈高，相反地，DCB所佔的體積比愈低，CdS奈米棒的長寬比愈低。這是因為相對P3HT而言，DCB是較好的溶劑，因此P3HT在DCB:DMSO=9:3的情況下，高分子鍵較能伸展進而有利於CdS奈米棒的生成，與第3(b)圖的示意圖概念相符。
第5(a)和(b)圖為在30分鐘下，以不同體積比之DCB:DMSO所合成出的CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡圖。很明顯地，在DCB:DMSO=9:3的條件下，CdS奈米棒的長寬比較高。
第6圖為CdS長寬比為4、8、16的CdS-P3HT複合物和純P3HT所量測的光激發螢光(photoluminescence)光譜圖。可發現P3HT的光激發螢光強度隨著長寬比增加而減少，而從其它的文獻可以得知，較大P3HT的光激發螢光焠熄對於增加轉換效率是很有幫助的。
購買市售的銦錫氧(ITO)導電玻璃，然後使用去離子水、丙酮、甲醇、和異丙醇，依序使用超音波震盪機清洗十分鐘。接著使用高純度氮氣吹乾。然後在ITO玻璃上旋轉塗佈一層PEDOT:PSS或稱聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯)((3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))(50nm)，在120℃下烘乾30分鐘，然後再將依據實施例1所述方法合成出的CdS-P3HT複合物溶液(30mg/ml)，旋轉塗佈在PEDOT:PSS上，於150℃下熱處理60分鐘，之後鍍上鋁電極(100nm)後量測J-V曲線，結果示於第7圖。
第7(a)圖為開路電壓和短路電流對CdS奈米棒的長寬比所做的圖。可以發現短路電流對很明顯隨著長寬比而增加，且至少增加二倍。開路電壓則是變化不大，約莫在0.62-0.67左右。第7(b)圖為填充因子和轉換效率對CdS奈米棒的長寬比所做的圖。填充因子有隨著長寬比增加而稍微增加，轉換效率則是有顯著地增加，主要是歸因於短路電流增加，而在長寬比為16時，此太陽能元件的光電轉換效率約為3.12%的轉換效率。
類似的，可以實施例1所述之步驟，於共溶劑系統中以P3HT誘導形成硫化鉛(PbS)、硫化銦(InS)、硒化鎘(CdSe)、硒化鉛(PbSe)、硒化銦(InSe)、碲化鎘(CdTe)、碲化鉛(PbTe)、碲化銦(InTe)之單晶奈米棒。
並依據實施例2所述步驟，以所製作而成的各種單晶奈米棒來製造太陽能元件。
本揭示內容提供利用在P3HT中原位形成單晶奈米棒的方法，以及以所製作之單晶奈米棒來製造太陽能元件之解決方案。所揭示用來形成單晶奈米棒的新穎溶液製程，其主要是利用聚(3-己基噻吩)(P3HT)做為分子模板，使單晶成長時具有單一方向性，進而形成單晶奈米棒。此外，使用此單晶奈米棒來製造太陽能元件，其中的P3HT也有助於元件的電洞傳導。依據本揭示內容，可藉由改變實驗參數(如，溫度、先驅物濃度、共溶劑比例等)，來控制單晶奈米棒的長寬比，藉此可增加日後的此奈米棒被應用在太陽能元件上時的光電轉換效率。在本發明一特定實例中，使用依據所揭示方法製成之長寬比為16的CdS奈米棒來製造太陽能元件，在太陽模擬光源(A.M. 1.5)下可以得到3.1%轉換效率。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1(a)~1(c)圖為依據本發明一實施方式在不同溫度下所合成出來的CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡照片；
第1(d)圖為依據本發明一實施方式在180℃下合成出的CdS顆粒之高解析穿透式電子顯微鏡；
第2(a)~2(c)圖為依據本發明一實施方式以不同醋酸鎘濃度(2.5mg/ml、8.3mg/ml、12.45mg/ml)所合成出來的CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡照片；
第2(d)圖為依據本發明一實施方式以醋酸鎘濃度為8.3mg/ml下合成出的CdS顆粒的高解析穿透式電子顯微鏡照片；
第3(a)圖示出P3HT或是P3HT加醋酸鎘後的傅立葉轉換紅外光譜圖；
第3(b)~3(d)圖示出依據本發明一實施方式Cd2+
離子和S原子的作用及P3HT作為分子模版以供CdS奈米棒生長的示意圖；
第4圖示出依據本發明一實施方式以不同體積比的DCB:DMSO在180℃下，於不同時間作用下所製作出來之CdS-P3HT複合物的深寬比折線圖；
第5(a)~5(b)圖為依據本發明一實施方式，在30分鐘內以不同體積比之DCB:DMSO所合成之CdS-P3HT複合物的穿透式電子顯微鏡圖；
第6圖為依據本發明一實施方式，以CdS長寬比為4、8、16的CdS-P3HT複合物和純P3HT所量測的光激發螢光光譜圖；
第7(a)圖為依據本發明一實施方式製作之太陽能元件之開路電壓和短路電流對CdS奈米棒的長寬比所做的圖；及
第7(b)圖為依據本發明一實施方式製作之太陽能元件的填充因子和轉換效率對CdS奈米棒的長寬比所做的圖。
Claims (24)
- 一種製造單晶奈米棒-聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene),P3HT)複合物的方法，包含：以重量比約為1：1之比例將單晶奈米棒前驅物與P3HT在一共溶劑中混合成為一混合溶液；加熱該混合溶液至一介於約60℃至約200℃間之反應溫度；以及於該反應溫度下反應至少約10分鐘，藉以獲得一內含該單晶奈米棒-P3HT複合物之溶液。
- 如請求項1所述之方法，其中該共溶劑係由至少兩種選自以下群組之溶劑以體積比約3：9至約5：4間的比例混合而成，包含：甲苯、氯仿、二甲苯、二氯苯(dichlorobeneze,DCB)及二甲亞碸(dimethyl sulfoxide,DMSO)。
- 如請求項1所述之方法，其中該單晶奈米棒前驅物包含：一選自鎘、鉛或銦之金屬鹽類；以及一選自硫、硒或碲之非金屬溶液。
- 如請求項3所述之方法，其中該單晶奈米棒前驅物可形成任一種選自以下之單晶奈米棒：硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、硫化銦(InS)、硒化鎘(CdSe)、硒化鉛(PbSe)、 硒化銦(InSe)、碲化鎘(CdTe)、碲化鉛(PbTe)或碲化銦(InTe)。
- 如請求項4所述之方法，其中該單晶奈米棒的長寬比約在4至16間。
- 如請求項5所述之方法，其中該單晶奈米棒的成長方向為(002)。
- 一種製造硫化鎘-聚(3-己基噻吩)(CdS-P3HT)複合物的方法，包含：(a)在一第一溶劑中，以重量比為1：1之比例將醋酸鎘與P3HT混合成為一第一溶液；(b)在一第二溶劑中，以約當該醋酸鎘或該聚(3-己基噻吩)之重量1/500的用量將硫溶入該第二溶劑中，使成為一第二溶液；(c)同時將該第一及第二溶液加熱至一介於約60℃至約200℃間之反應溫度；及(d)混合該第一溶液與該第二溶液，並於該反應溫度下反應至少約10分鐘，藉以獲得一內含該CdS-P3HT複合物之溶液。
- 如請求項7所述之方法，其中步驟(a)更包含在該第一溶液中通入氮氣並加熱至約100℃約30分鐘。
- 如請求項7所述之方法，其中該第一溶劑是由任兩種選自以下群組之溶劑以體積比約3：9至約5：4間的比例混合而成，包含：甲苯、氯仿、二甲苯、二氯苯(dichlorobeneze,DCB)及二甲亞碸(dimethyl sulfoxide,DMSO)。
- 如請求項9所述之方法，其中該第一溶劑包含DCB及DMSO，且DCB與DMSO的混合體積比約為3：9。
- 如請求項7所述之方法，其中該第二溶劑包含DCB。
- 如請求項7所述之方法，其中步驟(c)中，該反應溫度在120℃至約180℃間。
- 如請求項7所述之方法，其中步驟(d)中該反應至少進行30分鐘。
- 如請求項7所述之方法，更包含在步驟(d)之後，移除該反應溶液中過量的硫及鎘離子之步驟(e)，包括：於該反應溶液中加入無水甲醇使產生沉澱，過濾並移除上清液後，將該沉澱回溶在DCB中。
- 一種太陽能元件，包含：一基板，其特徵在於以包含以請求項7所述之方法製造的CdS-P3HT複合物之溶液塗佈該基板，並於150℃下熱處理約60分鐘，使該基板表面上可形成一硫化鎘單晶奈米棒薄膜。
- 如請求項15所述之太陽能元件，其中該硫化鎘單晶奈米棒薄膜的厚度約在1 nm至100 nm間。
- 如請求項16所述之太陽能元件，其中該硫化鎘單晶奈米棒的長寬比約在4至16間。
- 如請求項17所述之太陽能元件，其中該硫化鎘單晶奈米棒的長寬比約為16。
- 如請求項17所述之太陽能元件，其中該硫化鎘單晶奈米棒的成長方向為(002)。
- 如請求項15所述之太陽能元件，其中該基板是使用任一種選自下列的材料製成：矽、塑膠、玻璃、第III-V族化合物。
- 如請求項15所述之太陽能元件，其中該基板在以該內含CdS-P3HT複合物之溶液塗佈前，已預先塗佈了一 層聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯)((3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate),PEDOT：PSS)薄膜。
- 如請求項15所述之太陽能元件，其中該基板上更包含有一電極，電鍍在該硫化鎘單晶奈米棒薄膜上。
- 如請求項22所述之太陽能元件，其中該電極包含鋁。
- 如請求項23所述之太陽能元件，其中該太陽能元件的光電轉換率約3.1%。
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| TW98128700A TWI392775B (zh) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | 單晶奈米棒－聚（３－己基噻吩）（ＣｄＳ－Ｐ３ＨＴ）複合物的製造方法及其用途 |
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| EP1882694A1 (en) * | 2005-05-19 | 2008-01-30 | Nissan Chemical Industries, Ltd. | Thiophene compound having phosphoric ester and process for producing the same |
| TW200927840A (en) * | 2007-10-15 | 2009-07-01 | Dongjin Semichem Co Ltd | Novel thiophene-based dye and preparation thereof |
| JP2009146981A (ja) * | 2007-12-12 | 2009-07-02 | Kanazawa Univ | 有機薄膜太陽電池及び有機薄膜太陽電池筐体封止パネル |
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- 2009-08-26 TW TW98128700A patent/TWI392775B/zh active
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| TW200927840A (en) * | 2007-10-15 | 2009-07-01 | Dongjin Semichem Co Ltd | Novel thiophene-based dye and preparation thereof |
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