簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 黃勇傑
Huang, Yung-Chieh
論文名稱: 摻雜NaNH2及CuPC對五環素有機太陽能電池特性影響之研究
Effects of Doping NaNH2 and CuPC on Performances of the Pentacene Based Organic Solar Cell
指導教授: 方炎坤
Fang, Yean-Kuen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 微電子工程研究所
Institute of Microelectronics
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 五環素有機太陽能電池
外文關鍵詞: pentacene, organic solar cell
相關次數: 點閱:91下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本論文係利用醯氨鈉(NaNH2)摻雜及銅酞菁(CuPC)摻雜五環素(Pentacene)研製P-N-N+五環素有機太陽能電池結構ITO/PEDOT:PSS/Pentacene/Pentacene:(X%)NaNH2/pentacene:(Y%)CuPC/BCP/Alq3/Al。研究改變醯氨鈉及銅酞菁摻雜的重量百分比對太陽能電池特性的影響並找出元件最佳化的摻雜比率。為了提升元件特性,吾人在陰極與有機層中間加入BCP電洞阻擋層及Alq3電子傳輸層來分別減少漏電流及降低電子傳輸的表面能障;銅酞菁(CuPC)摻雜增加元件對紫對外光(300~400nm)及可見光(500~700nm)的吸收強度。
    吾人發現所發展出來的五環素有機太陽能電池在加入NaNH2摻雜濃度為3000%時,元件載子濃度可達1.25x1016cm-3,此時元件結構具有最佳的光/暗電流比,對可見光增益約為22。如再加入75%的CuPC摻雜濃度時,元件有最大可見光增益約191。利用此新結構成長出的太陽能電池在AM1.5G模擬太陽光照射下,得到的主要特性為Voc=1.1V,Jsc=0.3mA/cm2,FF=30.3%,η=0.1%。

    In this research, we co-evaporate NaNH2 and CuPC with intrinsic pentacene (normally a p- type) to form P-N-N+ pentacene based organic solar cell structure: ITO/PEDOT:PSS/pentacene/pentacene:(X%)NaNH2 /pentacene:(Y%)CuPC/BCP/Alq3/Al. We investigate the effects of changing the weight ratio of the NaNH2 and CuPC on photovoltaic cell performance. To promote cell performance, both BCP(hole blocking layer) and Alq3(electron transporting layer) are added. The CuPC doping layer, acting as N+ layer, is added owing to the high absorption to UV spectrum (300~400nm) and visible spectrum (500~700nm).
    Initially, when NaNH2 doping concentration is 3000%, we get photo/dark current ratio of 22, and the measured electron density is up to 1.25x1016 cm-3. Then adding 75% CuPC doping layer, we get the highest photo/dark current ratio of 191.
    With the optimized doping concentration, the main properties of the pentacene based organic solar cell under irradiance of AM1.5G sun spectrum simulator are Voc=1.1V, Jsc=0.3mA/cm2, FF=30.3%, and η=0.1%.

    中文摘要…… I 英文摘要…… III 目錄…… V 圖表目錄…… VII 第一章、導論 1 1-1 前言 1 1-2太陽能電池簡介 3 1-3 太陽能電池種類及介紹[11] 4 1-4 有機半導體理論基礎 5 第二章、有機太陽能電池理論基礎與工作原理 6 2-1 有機材料的特性 6 2-1-1 吸收與放射 6 2-1-2 電荷在有機分子的傳遞 8 2-2 電荷注入與傳遞材料介紹 9 2-2-1陰極材料與陽極材料 9 2-2-2 電洞注入(HIL)、電洞傳輸(HTL)層P型摻雜原理 10 2-2-3 電子注入(EIL)、電子傳輸(ETL)層N型摻雜原理 11 2-3 正負型二極體元件結構與其工作原理 12 2-4 太陽光譜 13 2-5 光電流產生機制 15 2-6 太陽能電池之等效電路圖[8] 16 2-7 太陽能電池效率量測[8] 18 第三章、實驗流程與儀器介紹 21 3-1 成長系統 21 3-1-1熱真空蒸著系統 (Thermal vacuum evaporation system) 21 3-1-2 旋轉塗佈機 (Spin coater) 22 3-2 實驗材料 22 3-3 有機PN太陽能電池製備流程 23 3-3-3電動傳輸層旋塗 25 3-3-4 有機層沉積步驟 26 3-4 量測儀器 27 3-4-1 紫外光-可見光光譜儀 (UV/Visible spectrophotometer) 27 3-4-2 太陽能電池IV曲線量測儀器 27 3-4-3 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM) 27 3-4-4 掃描式電子顯微鏡 (Fe-SEM) 28 3-4-5 膜厚量測儀 (α-step) 29 3-4-6 HP4145參數分析儀 29 第四章、實驗結果與討論 30 4-1 電洞傳輸層PEDOT:PSS薄膜分析 31 4-2 純五環素有機薄膜特性分析 32 4-3 醯胺鈉摻雜五環素之有機薄膜特性分析 33 4-4 CUPC摻雜五環素之有機薄膜特性分析 34 4-5 醯胺鈉摻雜之P-N有機太陽能電池電流電壓特性分析 35 4-6 醯胺鈉摻雜結合CUPC摻雜之P-N-N+有機太陽能電池電流電壓特性分析 38 第五章、結論與未來展望 41 5-1結論 41 5-2 未來展望 42 參考文獻 43 圖表目錄 表1-1、太陽電池種類及特性 48 表2-1、不同空氣質量( AIR MASS, AM )定義之太陽光輻射對照單位面積入射功率 49 表4-1、PEDOT:PSS旋塗時間VS厚度、粗糙度關係 50 表4-2 PEDOT:PSS旋塗時間VS厚度、粗糙度趨勢圖 50 圖1-1、各類型太陽能電池實驗室轉換效率的發展演進 51 圖2-1 單項與三重激發態 52 圖2-2 電子在有機半導體的傳遞方式 52 圖2-3 JABLONSKI能階圖 53 圖 2-4 P型摻雜層與電極間的能階示意圖 53 圖2-5 傳統二極體元件結構剖面圖 54 圖2-6 傳統二極性元件之電流-電壓特性圖 54 圖2-7、太陽光譜圖 55 圖2-8、空氣質量示意圖 55 圖2-9、施體材料與受體材料能階的條件 56 圖2-10、太陽能電池等效電路圖 56 圖2-11、太陽能電池照光之電壓電流特性圖 57 圖3-1 真空蒸著系統 58 圖3-2 旋轉塗佈示意圖 59 圖3-3 PEDOT:PSS 60 圖3-4 PENTACENE (C22H14) 60 圖3-5 NANH2 61 圖3-6 CUPC (C32H16N8CU) 61 圖3-7 BCP (C12H8N2) 62 圖3-8 ALQ3 (C27H18ALN3O3) 62 圖3-9 LIF 62 圖3-10 黃光製程步驟: (A)清洗ITO玻璃 (B)光阻覆蓋,軟烤 (C)定義基板圖樣,硬烤 (D)蝕刻 (E)去掉光阻 63 圖3-11 表面原子間與探針作用力示意圖 64 圖3-12 AFM 系統量測示意圖 64 圖4-1 PEDOT:PSS 2000RPM,30SEC 65 圖4-2 PEDOT:PSS 2000RPM,50SEC 65 圖4-3、PEDOT:PSS 2000RPM,60SEC 65 圖4-4 純五環素在3.5Å/SEC成長速率之SEM 66 圖4-5 純五環素在2.5Å/SEC成長速率之SEM 66 圖4-6 純五環素在3.5Å/SEC成長速率之AFM 67 圖4-7 純五環素在2.5Å/SEC成長速率之AFM 67 圖4-8 純五環素的紫外光可見光光譜分析 68 圖4-9五環素摻雜12倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率 69 圖4-10五環素摻雜20倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率 69 圖4-11五環素摻雜30倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率 69 圖4-12五環素摻雜12倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率之AFM 70 圖4-13五環素摻雜20倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率之AFM 70 圖4-14五環素摻雜30倍醯胺鈉3.5Å/SEC成長速率之AFM 70 圖4-15五環素摻雜12倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率 71 圖4-16五環素摻雜20倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率 71 圖4-17五環素摻雜30倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率 71 圖4-18五環素摻雜12倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率之AFM 72 圖4-19五環素摻雜20倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率之AFM 72 圖4-20五環素摻雜30倍醯胺鈉2.5Å/SEC成長速率之AFM 72 圖4-21 醯胺鈉摻雜五環素的紫外光可見光光譜分析 73 圖4-22 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率50% 74 圖4-23 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率75% 74 圖4-24 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率90% 74 圖4-25 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率50%之AFM 75 圖4-26 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率75%之AFM 75 圖4-27 CUPC摻雜五環素3Å/SEC成長速率90%之AFM 75 圖4-28 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率50% 76 圖4-29 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率75% 76 圖4-30 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率90% 76 圖4-31 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率50%之AFM 77 圖4-32 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率75%之AFM 77 圖4-33 CUPC摻雜五環素2Å/SEC成長速率90%之AFM 77 圖4-34 CUPC摻雜五環素的紫外光可見光光譜分析 78 圖4-35 ITO/PEDOT:PSS(90NM)/PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING(倍)NANH2 (90NM)/BCP(10NM)/AL(80NM) [結構A] 79 圖4-36 結構A能階圖 79 圖4-37 結構A醯胺鈉摻雜20倍時光暗電流比 80 圖4-38 結構A醯胺鈉摻雜30倍時光暗電流比 80 圖4-39 增加ALQ3/LIF結構之 ITO/PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING(30倍) NANH2(90NM)/ BCP(10NM)/ALQ3(10NM)/ LIF(5NM)/ AL(80NM)光暗電流比 81 圖4-40(A) 暗電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING(30倍)NANH2(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ LIF(5NM)/ AL(80NM) 82 圖4-40(B) 光電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING(30倍)NANH2(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ LIF(5NM)/ AL(80NM) 82 圖4-41 C-V曲線之ITO/PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE (100NM) /PENTACENE DOPPING(30倍)NANH2(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ LIF(5NM)/AL(80NM)結構 83 圖4-42 移除LIF層的結構C:ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 84 圖4-43 結構C的C-V曲線 85 圖4-44 (A)暗電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 86 圖4-44 (B)光電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 86 圖4-45 (A)結構圖 87 圖4-45 (B)能階圖 87 圖4-45(C) ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/PENTACENE DOPING CUPC (100NM)/PENTACENE DOPPING(30倍) NANH2(90NM)/ BCP(10NM)/ALQ3(10NM) /AL(80NM) 特性圖 87 圖4-46 ITO/PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ PENTACENE DOPING (Y%)CUPC(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) [結構D] 88 圖4-47 結構D的能階圖 88 圖4-48 CUPC 50%摻雜PENTACENE的元件量測圖形 89 圖4-49 CUPC75%摻雜PENTACENE的元件量測圖形 89 圖4-50 CUPC90%摻雜PENTACENE的元件量測圖形 90 圖4-51(A) 暗電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE (100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ PENTACENE DOPING (75%)CUPC(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 91 圖4-51(B) 光電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ PENTACENE DOPING (75%)CUPC(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 91 圖4-52(A) 暗電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ PENTACENE DOPING (90%)CUPC(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 92 圖4-52(B) 暗電流ITO/ PEDOT:PSS(90NM)/ PENTACENE(100NM)/ PENTACENE DOPPING (30倍) NANH2 (90NM)/ PENTACENE DOPING (90%)CUPC(90NM)/ BCP(10NM)/ ALQ3(10NM)/ AL(80NM) 92

    [1] D. M. Chapin, C. C. Fuller, G. L. Person, “A new Silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power”, Applied Physics 25: 676-677, 1954.
    [2] D. Kearns, M. Calvin, “Photovoltaic effect and photoconductivity in laminated organic systems” , J. Chem. Phys. 29, 950-951 (1958)
    [3] C. W. Tang, “Two-layer organic photovoltaic cell”, Appl. Phys. Lett., 48,183 (1986)
    [4] S. E. Shaheen, R. Radspinner, N. Peyghambarian, G. E. Jabbour, ”Fabrication of bulk heterojunction plastic solar cell by screen printing”, Appl. Phys. Lett., 79, pp.2996-2998(2001).
    [5] J. Bharathan, and Y. Yang, “Polymer electroluminescent devices processed by inkjet printing: I. Polymer light-emitting logo”, Appl. Phys. Lett., 72, 2660 (May, 1998).
    [6] C. J. Brabec, F. Padinger, J. C. Hummelen, R. A. Janssen, and N. S. Saricifrtci, “Realization of large area flexible fullerene-conjugated polymer photocells: A route to plastic solar cells,” Synth. Met. 102, 861 (1999).
    [7] Thomas Surek ,“Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges “Journal of Crystal Growth, Volume 275, Issues 1-2, 15 February 2005, Pages292-304
    [8] 莊嘉琛編譯,”太陽能工程(太陽電池篇)”,全華科技圖書股份有限公司,台灣(2002)
    [9] Donald A.Neamean, “Semiconductor Physics and Devices”, McGraw-Hill, New York(1997).
    [10] 林明憲編著,”太陽電池技術入門”,全華科技圖書股份有限公司,台灣(2007)
    [11] 陳文豪,潘俊宏,周玉蟇, “共軛高分子太陽能電池”,化學季刊,第六十七卷第一期,p61,中華民國九十八年
    [12] J. J. M. Halls, K. Pichler, R. H. Friend, S. C. Morattiand A. B. olmes ”Exciton diffusion and dissocia-tion in a PPV/C60 heterojunction photovoltaic cell”Appl.Phys.Lett. 68, 3120-3122 (1996)
    [13] S.Naga,M. Tamekawa,T. Terashita, H. Okada, H. Anada, H. Onnagawa, Synth.Met. 91,129(1997).
    [14] T. Ishida,H. Kobayashi, Y. Nakato, ”Structures and properties of electron-beam-evaporated indium tin oxide films as studied by x-ray photoelectron spectroscopy and work-function measurements”, J.Appl. Phys. 73,4344(1993).
    [15] S. K. So, W. K.Choi, C.H. Cheng, L. M.Leung, C.F.Kwong,” Surface preparation and characterization of indium tin oxide substrates for organic electroluminescent devices”, Appl. Phys. A,68,447(1999).
    [16] S. A. VanSlyke, C.H. Chen, C.W.Tang, ”Organic electroluminescent devices with improved stability“, Appl. Phys. Lett. 69, 2160 (1996).
    [17] C. K. Chiang, S. C. Gau, C. R. Fincher, Jr., Y. W. Park, A. G. MacDiarmid, and A. J. Heeger, “Polyacetylene, (Ch)x: N-type and p-type doping and compensation”, Appl. Phys. Lett. Vol.33, PP.18-20 (1978).
    [18] T. Wakimoto, Y, Fukuda, K. Nagayama, A. Yokoi, H. Nakada, M. Tsuchida, “Organic EL Cells Using Alkaline Metal Compounds as Electron Injection Materials”, IEEE Trans. Electron. Devices , vol. 44, NO. 8, PP.1245-1248, (1997)
    [19] C. Ganzorig, M. Fujihira, “Evidence for alkali metal formation at a cathode interface of organic electroluminescent devices by thermal decomposition of alkali metal carboxylates during their vapor deposition”, Appl. Phys. Lett. vol.85, PP.4774-4776,(2001).
    [20] J. Kido, T. Matsumoto , “Bright organic electroluminescent devices having a metal-doped electron-injecting layer”, Appl. Phys. Lett. vol. 73, PP.2866-2868,(1998).
    [21] H. Hoppe, and N. S. Sariciftci, “ Organic solar cells: An overview,” J. Mater. Res. 19, 1924 (2004).
    [22] Martin A. Green, “Solar Cells Operating Principles, Technology, and System Application” P4-6&P85-96, University of New South Wales Press (1982)
    [23] M.P Thekackra, “The Solar Cell Constant and Solar Spectrum Measurement from a Reasearch Airecraft,” NASA Technical Report.
    [24] 陳金鑫,黃孝文,”有機電激發光材料與元件”,五南圖書出版公司, (2006).
    [25] Y. Terao, H. Sasabe, C. Adachi, “Correlation of hole mobility, exciton diffusion length, and solar cell characteristics in phthalocyanine/ fullerene organic solar cells”, Appl. Phys. Lett., 90, 103515(2007).
    [26] P. Peumans and S. R. Forrest, “Very-high-efficiency double-heterostructure copper phthalocyanine/C60 photovoltaic cells”, Appl. Phys. Lett., 79, 126 (2001).
    [27] D. Yoshimura , T. Yokoyama , E Ito b, H. Ishii , Y. Ouchi, S. Hasegawa, and K. Seki, “Electronic structure of Alq3/LiF/Al interfaces studied by UV photoemission”, Synthetic Metals 102( 1999) 1145-1146
    [28] L.Y.Lin, S. S. Lee, K.S. J. Pister, and M.C. Wu, “ Self-aligned hybrid integration of semiconductor lasers with micromachined micro-optics for optoelectronic packaging”, Appl. Phys. Lett. 66 ( 22 ), 29 May (1995)

    無法下載圖示 校內:2015-07-10公開
    校外:不公開
    電子論文尚未授權公開,紙本請查館藏目錄
    QR CODE