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TWI726499B - 正結構有機太陽能電池 - Google Patents

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TWI726499B
TWI726499B TW108142745A TW108142745A TWI726499B TW I726499 B TWI726499 B TW I726499B TW 108142745 A TW108142745 A TW 108142745A TW 108142745 A TW108142745 A TW 108142745A TW I726499 B TWI726499 B TW I726499B
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organic solar
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孟心飛
張志宇
趙宇強
冉曉雯
洪勝富
翁佳寧
楊皓鈞
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國立陽明交通大學
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Abstract

一種正結構有機太陽能電池，依序包含透光基板、透光導電陽極、電洞傳輸層、主動層、電子傳輸層及陰極，其中在陰極採用鋁電極結合銀電極的雙層結構之設計，是以成本低廉的鋁金屬作為主要的電極材料，再以較薄的銀金屬覆蓋於鋁電極上方作為保護層，藉此，可明顯改善封裝後因水氧滲透進入元件而致使元件裂化的問題，以延長元件的使用壽命。

Description

正結構有機太陽能電池
本發明係關於一種正結構有機太陽能電池（normal structure polymer solar cell），特別是有關於一種具有雙層陰極結構的正結構有機太陽能電池。
在現有的高分子有機太陽能電池中，如第1圖所示，其基本結構由下而上依序包含玻璃基板10、陽極20、電洞傳輸層30、主動層40、電子傳輸層50及陰極60，其產生電流的原理主要是藉由太陽光的照射，會在主動層40結構中產生電子與電洞對，進而造成電子與電洞分離並分別往電池的頂部和底部運動，其中電洞經由電洞傳輸層30而被陽極20所收集，電子沿著電子傳輸層50而注入陰極60，再結合外電路導通後，形成電壓降，以產生電能。
早期有機太陽能元件製造中，尚未發展出成熟的封裝技術。而在反結構有機太陽能電池元件中，普遍採用高穩定性的銀電極作為最上層電極，可以有效阻隔水氧的滲透。然而，正結構有機太陽能電池因為存在銀電極與主動層40的功函數不匹配的問題以及銀電極的高成本問題，對於陰極60金屬的選擇，大部分是以鋁電極為首選，元件製作完成後，再進行封裝，也能達到高阻隔水氧的效益。但是封裝技術並無法完全阻隔水氧進入封裝元件內部，因此，不可避免的是，當元件長期置放於非氮氣環境之中，仍有極少量的水氧會經由封裝交接處的樹脂滲入元件內部，導致元件材料劣化，對於有機太陽能電池元件的長期穩定性有不利影響。
針對上述先前技術之缺失，本發明的主要目的在於提供一種正結構有機太陽能電池，採用了雙層陰極結構，其以鋁電極做為主動層的接觸電極，並於鋁電極上方成長一層較薄的銀電極作為保護層，有助於改善封裝過後微量水氧滲入而導致元件裂化的問題，使元件的使用壽命延長。
為了實現上述目的，本發明提出一種正結構有機太陽能電池，其包括依次由下而上相互疊加的透光基板、透光導電陽極、電洞傳輸層、主動層、電子傳輸層及陰極，其中陰極包括鋁電極和銀電極，鋁電極連接電子傳輸層，銀電極連接鋁電極，且鋁電極的厚度至少為60奈米，有足夠的厚度使表面的鋁電極不易受下層介面層的影響，銀電極的厚度小於50奈米，以保護封裝後少量滲入的水氣與鋁電極反應，以增加正結構有機太陽能電池的穩定性。
在本發明的一實施例中，更包括一封裝覆蓋層，封裝覆蓋層包覆於透光導電陽極、電洞傳輸層、主動層、電子傳輸層和陰極之外周，並與透光基板藉由一封裝膠作接合封裝。
在本發明的一實施例中，封裝覆蓋層為透光玻璃或塑膠。
在本發明的一實施例中，透光基板為玻璃基板或塑膠基板。
在本發明的一實施例中，透光導電陽極為銦錫氧化物（ITO）、氟錫氧化物（FTO）、銻錫氧化物（ATO）或氧化鋅鋁（AZO）之薄膜。
在本發明的一實施例中，電洞傳輸層為聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸複合物（PEDOT：PSS）、[9,9-二辛基芴-共-N-[4-(3-甲基丙基)]-二苯基胺]（TFB）或聚[N，N’-雙（4-丁基苯基）-N，N’-雙（苯基）-聯苯胺]（PTPD）。
在本發明的一實施例中，主動層為PBDTTT-EFT：PCBM或P3HT：PCBM，並使用氯苯或甲苯為溶劑所製成。
在本發明的一實施例中，電子傳輸層為氧化鋯（ZrOx）、氧化鋅（ZnO）或氧化鈦（TiO 2）。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參照第2圖，其繪示本發明之實施例所提供的正結構有機太陽能電池的結構示意圖。
本實施例之正結構有機太陽能電池主要是在透光基板110的上表面依次疊層製作出透光導電陽極120、電洞傳輸層130、主動層140、電子傳輸層150和陰極160。其中陰極160為雙層陰極結構，包括有鋁電極161和銀電極162，鋁電極161連接電子傳輸層150，銀電極162連接鋁電極161，且鋁電極161的厚度至少為60奈米，銀電極162的厚度則小於50奈米；例如，本實施例中鋁電極161的厚度為100奈米，銀電極162的厚度為20奈米。接續，在透光導電陽極120、電洞傳輸層130、主動層140、電子傳輸層150和陰極160之外周包覆設置有一封裝覆蓋層170，並使用一封裝膠171將封裝覆蓋層170與透光基板110作接合封裝。
本實施例中，透光基板110可為玻璃基板或塑膠基板；透光導電陽極120可為銦錫氧化物（ITO）、氟錫氧化物（FTO）、銻錫氧化物（ATO）或氧化鋅鋁（AZO）之薄膜；電洞傳輸層130可為聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸複合物（poly(3,4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate)，PEDOT：PSS）、[9,9-二辛基芴-共-N-[4-(3-甲基丙基)]-二苯基胺]（poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co -(4,4'-(N -(4-sec -butylphenyl)，TFB）或聚[N，N’-雙（4-丁基苯基）-N，N’-雙（苯基）-聯苯胺]（poly [N，N’-bis (4-butylphenyl) -N，N’-bis (phenyI) -benz idine]，PTPD）；主動層140可為PBDTTT-EFT：PCBM或P3HT：PCBM混摻系統，並使用氯苯或甲苯為溶劑所製成；電子傳輸層150可為氧化鋯（ZrOx）、氧化鋅（ZnO）或氧化鈦（TiO 2）；而封裝覆蓋層170可為透光玻璃或塑膠。
上述所列舉出的各種元件之材料種類僅為示意，在實際應用上，只要各層元件的功函數（work function）關係能符合有機太陽能電池之要求即可，可有各種修改和變化。
本發明所提供之正結構有機太陽能電池具有雙層陰極結構，其可利用刮刀溶液製程來製作，並採用成本低廉的鋁電極為主要用來傳導電子的陰極材料。由於鋁金屬的表層碰到一點點水氧的時候，就很容易形成氧化鋁，氧化鋁的好處是可以對下層的鋁金屬有高的保護效果，但同時表層形成的氧化鋁可能也造成電流蒐集的問題。本發明則於鋁電極之上再增加一層較薄的銀電極作為保護層，使鋁電極不易受水氧侵襲而氧化，經過封裝之後，即可以有效達到二次阻隔水氧滲透的功能，而足以抵抗元件裂化，以延長元件的使用壽命。
以下則針對本發明之具有雙層陰極結構的正結構有機太陽能電池進行元件之老化實驗，同時和傳統上為單層陰極結構之正結構有機太陽能電池作比較，以驗證本發明相對於現有技術具有相對優異的抗老化功效。
老化實驗（一）：
請參照第3圖，其顯示具有雙層陰極結構和具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池分別進行水氣滲透的加速老化測試的元件劣化情形；圖中四條曲線由上而下分別代表實驗組2、對照組2、實驗組1和對照組1。
在此老化實驗中，實驗組1和實驗組2皆為具有雙層陰極結構之正結構有機太陽能電池，對照組1和對照組2皆為具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池。詳細而言，實驗組1的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主動層所使用的溶劑為甲苯；對照組1的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al，主動層所使用的溶劑為甲苯；實驗組2的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主動層所使用的溶劑為氯苯；且對照組2的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al， 主動層所使用的溶劑為氯苯。
將四種正結構有機太陽能電池完全浸泡於水裡，此環境的模擬為水氣滲透的加速老化測試，並觀察元件劣化的情況進而分析。
如表一所示，其顯示以上各組的老化測試數據。
表一
時間 電性能力 實驗組1 對照組 1 實驗組2 對照組2
0小時 功率轉換效率（PCE）（%） 7.238 7.118 7.592 7.575
短路電流（Jsc） （mA/cm 2） 15.392 16.18 16.719 17.874
開路電壓（Voc）（V） 0.859 0.856 0.844 0.828
填充因子（FF） （%） 0.557 0.516 0.55 0.52
6320分鐘 PCE (%) 4.117 3.176 7.081 6.742
Jsc (mA/cm 2) 14.264 14.445 16.421 17.315
Voc (V) 0.845 0.849 0.831 0.816
FF (%) 0.337 0.259 0.509 0.473
衰退期（decay） PCE (%) 43% 55% 7% 11%
Jsc (mA/cm 2) 7% 11% 2% 3%
Voc (V) 2% 1% 2% 1%
FF (%) 39% 50% 7% 9%
老化實驗（二）：
請參照第4圖，其顯示具有雙層陰極結構和具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池分別置於戶外進行老化測試的元件劣化情形；圖中兩條曲線由上而下分別代表實驗組3和對照組3。
在此老化實驗中，實驗組3為具有雙層陰極結構之正結構有機太陽能電池，對照組3為具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池。詳細而言，實驗組3的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主動層所使用的溶劑為甲苯；對照組3的具體結構為ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT-EFT：PC71BM/ZrOx/Al， 主動層所使用的溶劑為甲苯。
將兩種正結構有機太陽能電池直接置放於戶外，僅藉由壓克力板擋雨，並觀察元件劣化的情況進而分析。
如表二所示，其顯示以上各組的老化測試數據。
表二
時間 電性能力 實驗組3 對照組3
0小時 PCE (%) 6.359 6.629
Jsc (mA/cm 2) 13.908 14.716
Voc (V) 0.86 0.864
FF (%) 0.532 0.521
1005小時 PCE (%) 5.437 5.273
Jsc (mA/cm 2) 12.633 12.548
Voc (V) 0.865 0.864
FF (%) 0.498 0.486
衰退期 PCE (%) 14% 20%
Jsc (mA/cm 2) 9% 15%
Voc (V) -1% 0%
FF (%) 6% 7%
由上述老化實驗（一）、（二）的結果顯示，加速老化測試中的實驗組1、2相較於對照組1、2呈現出較佳的抗老化效果，且較能維持長期的穩定性，而實際於戶外進行老化測試的實驗組3在於抗老化效果以及長期穩定性方面也同樣都比對照組3還要好。另外，由於未來大面積製程的發展，進而延伸至大氣下製程的可行性，溶劑選用氯苯的元件，雖然相較於甲苯有較高的穩定性，但其毒性的危害，無論是對環境或者人體，一律都遠大於甲苯，因此上述老化實驗（二）選用甲苯作為主要溶劑，且由上述老化實驗（一）的結果亦可得知，氯苯與甲苯所做的元件，其穩定性會有相同的趨勢。
另外，本發明之具有雙層陰極結構的正結構有機太陽能電池也利用下列老化實驗，分析使用不同銀電極厚度元件壽命的影響。
老化實驗（三）：
請參照第5圖，其顯示使用不同銀電極厚度之具有雙層陰極結構的正結構有機太陽能電池進行水氣滲透的加速老化測試的元件劣化情形；圖中四條曲線分別表示使用0奈米、20奈米、40奈米和60奈米厚度之銀電極。
如表三所示，其顯示以上各組的老化測試數據。
表三
Ag厚度 時間 0 2 28 52 75 99 122 150 191 265 289
0 nm PEC 5.939 5.692 5.392 5.548 5.249 5.182 4.706 4.619 4.525 4.407 4.218
% 1 0.958411 0.907897 0.934164 0.883819 0.872537 0.792389 0.77774 0.761913 0.742044 0.710221
20 nm PEC 6.771 6.498 5.981 6.543 6.277 5.668 5.387 5.656 5.358 3.837 4.986
% 1 0.959681 0.883326 0.966327 0.927042 0.837099 0.795599 0.835327 0.791316 0.566681 0.736376
40 nm PEC 6.059 6.559 6.161 6.489 5.831 6.043 5.936 5.324 5.354 5.436 4.804
% 1 1.082522 1.016834 1.070969 0.96237 0.997359 0.9797 0.878693 0.883644 0.897178 0.79287
60 nm PEC 6.752 6.967 6.877 6.803 6.496 6.582 6.184 6.179 5.652 5.688 5.621
% 1 1.031842 1.018513 1.007553 0.962085 0.974822 0.915877 0.915136 0.837085 0.842417 0.832494
由上述老化實驗（三）的結果顯示，隨著銀電極厚度的增加，對於元件壽命的有所改善，但銀電極厚度40奈米與60奈米的差異性不大，本發明將銀電極厚度的範圍定義為小於50奈米，將可兼顧材料成本與元件效能的需求。
綜上所述，相較於穩定性有限的傳統單層陰極結構，本發明所揭露的正結構有機太陽能電池具有雙層陰極結構的設計，在鋁電極之上增設一層較薄的銀電極，其中鋁電極的厚度至少為60奈米，有足夠的厚度使表面的鋁電極不易受下層介面層的影響，而銀電極的厚度小於50奈米，可保護封裝後少量滲入的水氧與鋁電極反應，可明顯改善因水氧滲透進入元件而導致元件劣化的問題，可降低元件的生產成本，並能有效提升元件的使用壽命，使有機太陽能電池的發展更往商業應用的方向更進一步。
再者，本發明所揭露的正結構有機太陽能電池之製程簡單，不僅能夠提升效率與穩定性，大大提升其性價比，並且可大面積化，達到半透明式，對於未來商品化的應用有著即為重要之貢獻；此技術可投入建築物集成太陽能電池技術（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）應用於屋頂、天窗、外觀、門窗等建築之中，對於未來需要大量製造太陽能電池元件或是商業應用上提供很高的便利性。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10:玻璃基板 20:陽極 30:電洞傳輸層 40:主動層 50:電子傳輸層 60:陰極 110:透光基板 120:透光導電陽極 130:電洞傳輸層 140:主動層 150:電子傳輸層 160:陰極 161:鋁電極 162:銀電極 170:封裝覆蓋層 171:封裝膠
第1圖為一種先前技術的正結構有機太陽能電池的結構示意圖。 第2圖為本發明實施例之正結構有機太陽能電池的結構示意圖。 第3圖為具有雙層陰極結構和具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池分別進行水氣滲透的加速老化測試的元件劣化情形。 第4圖為具有雙層陰極結構和具有單層陰極結構之正結構有機太陽能電池分別置於戶外進行老化測試的元件劣化情形。 第5圖為使用不同銀電極厚度之具有雙層陰極結構的正結構有機太陽能電池分別進行水氣滲透的加速老化測試的元件劣化情形。
110:透光基板
120:透光導電陽極
130:電洞傳輸層
140:主動層
150:電子傳輸層
160:陰極
161:鋁電極
162:銀電極
170:封裝覆蓋層
171:封裝膠

Claims (8)

  1. 一種正結構有機太陽能電池，包括依次由下而上相互疊加的一透光基板、一透光導電陽極、一電洞傳輸層、一主動層、一電子傳輸層及一陰極，其中該陰極包括一鋁電極和一銀電極，該鋁電極連接該電子傳輸層，該銀電極連接該鋁電極，且該鋁電極的厚度至少為60奈米，該銀電極的厚度小於50奈米。
  2. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，更包括一封裝覆蓋層，該封裝覆蓋層係包覆於該透光導電陽極、該電洞傳輸層、該主動層、該電子傳輸層和該陰極之外周，並與該透光基板藉由一封裝膠作接合封裝。
  3. 如請求項2所述之正結構有機太陽能電池，其中該封裝覆蓋層為透光玻璃或塑膠。
  4. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，其中該透光基板為玻璃基板或塑膠基板。
  5. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，其中該透光導電陽極為銦錫氧化物（ITO）、氟錫氧化物（FTO）、銻錫氧化物（ATO）或氧化鋅鋁（AZO）之薄膜。
  6. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，其中該電洞傳輸層為聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸複合物（PEDOT：PSS）、[9,9-二辛基芴-共-N-[4-(3-甲基丙基)]-二苯基胺]（TFB）或聚[N，N’-雙（4-丁基苯基）-N，N’-雙（苯基）-聯苯胺]（PTPD）。
  7. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，其中該主動層為PBDTTT-EFT：PCBM或P3HT：PCBM，並使用氯苯或甲苯為溶劑所製成。
  8. 如請求項1所述之正結構有機太陽能電池，其中該電子傳輸層為氧化鋯（ZrOx）、氧化鋅（ZnO）或氧化鈦（TiO 2）。
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