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研究生: 蕭宇哲
Hsiao, Yu-Che
論文名稱: 反置型有機太陽能電池元件之製作與介面修飾之研究
The fabrication and interfacial modifications of inverted type polymer photovoltaic cells
指導教授: 郭宗枋
Guo, Tzung-Fang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 125
中文關鍵詞: 奈米柱反置型有機太陽能電池
外文關鍵詞: Inverted, organic
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  • 於本論文的研究中第一部分,因為離子束濺鍍法具有成膜平整,且膜的純度高,因此我們使用了離子束濺鍍法(Ion Beam Sputter,IBS)搭配退火處理來製作氧化鋅晶種層,再使用有別於傳統的水熱法(hydrothermal method),改用電化學水熱法的方式來製作氧化鋅奈米柱,成功製作出具高度方向性以及電性良好的氧化鋅奈米柱,最後以此種氧化鋅奈米柱製作有機/無機混合奈米結構太陽能電池,並透過改變奈米柱長度、主動層厚度以及退火處理的時間,製作出高效率的元件;在第二部分,我們試圖改變氧化鋅薄膜之表面能,期望能改變主動層中poly(3-hexylthiophene) (P3HT)與[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM)的垂直相分離。因此在這裏我們使用氫氧化鈉來修飾氧化鋅薄膜,修飾過後我們發現元件的短路電流密度有顯著提升,但是填充因子與開路電壓下降,接著我們使用退火處理,使得填充因子與開路電壓上升,成功的使元件效率提升。
    未來我們期望能將氫氧化鈉修飾法,應用於有機/無機混合奈米結構太陽能電池,期望能在增加主動層與電子收集層接觸面積之於,還可以減少載子再結合率,進一步提升效率。

    In this study, we have two parts. In the first part, we applied Ion Beam Sputtering (IBS) for making the ZnO thin films, and then, we let this film be annealed for a seed layer. Then we use the hydrothermal-electrico chemical deposition method to grow the ZnO nanorod on the seed layer. These nanorods have good orientation and electrical properties. Finally, we use these ZnO nanorod film to make the hybrid photovoltaic cells and by optimize process, we got a high efficiency device.
    In the second part, we want to modify the vertical phase separation of active layer via changing the surface energy of thin film ZnO. We use sodium hydroxide (NaOH) for changing the surface energy. We found that as the short circuit current density increase, and the open circuit voltage and fill factor decrease. After that, we annealed the device, that was modified by sodium hydroxide. We found that the open circuit voltage and fill factor increased and that make the efficiency increase.
    In the future, we hope that we can use sodium hydroxide to modify the hybrid photovoltaic device for not only increasing the contact area of active layer and nanorod, but also reducing the charge recombination rate of the device.

    中文摘要..........................................................................................I 英文摘要..........................................................................................II 誌謝..................................................................................................III 目錄..................................................................................................IV 表目錄..............................................................................................VIII 圖目錄..............................................................................................IX 目錄 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2 有機太陽能電池簡介 4 1-2-1 染料敏化太陽能電池 4 1-2-2 小分子有機太陽能電池 5 1-2-3 高分子有機太陽能電池 6 1-3太陽能電池工作原理 14 1-3-1太陽光譜 14 1-3-2 無機太陽能電池工作原理 15 1-3-3 有機太陽能電池工作原理 17 1-3-4 共軛高分子材料特性 19 1-4 研究動機 24 1-5 章節大綱 26 第二章 實驗步驟 27 2-1 實驗流程簡介 27 2-2離子束濺鍍系統介紹 28 2-3 元件製作 32 2-3-1 ITO基板圖案蝕刻 32 2-3-2 ITO基板清洗 35 2-3-3薄膜型態電子收集層之製作 35 2-3-4 奈米柱型態電子收集層之製作 35 2-3-5 主動層成膜方法 38 2-3-6電洞傳輸層及上電極蒸鍍 40 2-3-7太陽能電池特性量測 40 第三章 反置型薄膜有機太陽能電池製作及特性探討 42 3-1 前言 42 3-2 反置型高分子有機太陽能電池特性分析與元件穩定性最佳化 44 3-2-1 電子收集層材料之選擇 45 3-2-2電洞傳輸層及上金屬電極之選擇 49 3-2-3 電子傳輸層製作方法不同對於元件之影響 55 3-2-4 反置型元件與傳統元件在大氣下穩定性比較測試 60 3-3 本章結論 63 第四章 高效率有機/無機混合氧化鋅奈米柱太陽能電池之製作 64 4-1 前言 64 4-1-1 一維氧化鋅奈米結構之演進與理論 64 4-2 有機/無機混合氧化鋅奈米柱太陽能元件製程 67 4-2-1 氧化鋅奈米柱之製程分析 69 4-3 不同製程條件對於不同奈米柱長度元件表現之影響 74 4-3-1 主動層厚度對於不同奈米柱長度元件表現之影響 74 4-3-2 退火處理搭配不同主動層厚度對於不同奈米柱長度元件表現之影響 76 4-4 本章結論 90 第五章 反置型太陽能電池電子收集層界面修飾之研究 92 5-1 前言 92 5-2 修飾方法及其元件特性研究 94 5-2-1 實驗條件與實驗方法 94 5-2-2 修飾時間對於元件表現的影響 95 5-3 修飾後之電子傳輸層特性與討論 101 5-3-1 修飾時間對於表面結構及特性之影響 101 5-3-2 修飾過後之基板對於主動層表面形態之影響 107 5-3-3 退火處理時間對於經修飾過後元件之影響 111 5-4 結論 117 第六章 總結與未來展望 118 參考文獻 120 自述 125 表目錄 表3-1 ZnO、TiO2 基本特性比較表 47 表 3-2 IBS製程之ZnO及TiO2製作成有機太陽能電池元件後之比較表 48 表3-3使用金、銀做反置型元件上電極之元件比較表 51 表3-4金搭配上不同厚度之MoO3元件表現變化表 53 表3-5銀搭配上不同厚度之MoO3元件表現變化表 54 表3-6不同製程之ZnO其元件表現比較表 57 表5-1 實驗條件列表 94 表 5-2 不同氫氧化鈉修飾時間對於元件表現之參數表 97 表5-3 不同時間之鹼修飾後的表面能以及鋅(Zn)和氧(O)在基板上的比例 105 圖目錄 圖1-1 第一、 二、三代太陽能電池之效率及相對成本之關係圖 3 圖1-2 染料敏化太陽能電池運作原理示意圖 11 圖1-3 Donor/Acceptor異質接面 (heterojunction) 元件結構圖 11 圖1-4高分子有機太陽能電池結構示意圖。(a) Schottky 結構; (b)Heterojunction 結構;(c) Bulk Heterojunction 結構。 12 圖1-5 傳統型有機高分子太陽能電池示意圖 13 圖1-6 反置型有機高分子太陽能電池示意圖 13 圖 1-7 Air mass 示意圖 20 圖 1-8 太陽光譜圖 21 圖 1-9 光伏效應示意圖 21 圖 1-10 太陽能電池等效電路示意圖 22 圖 1-11實際太陽能電池等效電路圖 22 圖 1-12 太陽能電池電流密度-電壓特性曲線示意圖 23 圖 1-13 有機太陽能電池工作原理示意圖 23 圖 1-14 常見共軛高分子結構式 24 圖2-1 反置型有機高分子太陽能電池示意圖 27 圖2-2 離子撞擊靶材過程示意圖 30 圖 2-3 離子槍濺鍍系統示意圖 31 圖2-4圖樣化的 ITO 玻璃及切割示意圖 34 圖2-5 蒸鍍上電極後完整元件示意圖 34 圖2-6 離子槍濺鍍系統示意圖 36 圖2-7 氧化鋅奈米柱成長法示意圖 37 圖2-8 Autolab PGSTAT 302N 儀器圖 37 圖2-9 (a) poly(3-hexylthiophene) (P3HT),(b) Phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) ,(C) 1,2-dichlorobenzene (DCB) 39 圖3-1 反置型有機太陽能電池元件示意圖 44 圖3-2 使用IBS製程,在同樣厚度下ZnO以及TiO2光穿透度圖 47 圖3-3 IBS製程之ZnO及TiO2製作成有機太陽能電池元件後之比較圖 48 圖3-4 使用金、銀、鋁做反置型元件上電極之元件比較圖 51 圖3-5 使用MoO3作為電洞傳輸層之元件示意圖 52 圖3-6使用金作為上電極之反置型元件能階圖 53 圖3-7金搭配上不同厚度之MoO3元件表現變化圖 53 圖3-8使用銀作為上電極之反置型元件能階圖 54 圖3-9銀搭配上不同厚度之MoO3元件表現變化圖 54 圖3-10 不同製程之ZnO其元件表現比較圖 57 圖3-11 不同製程的ZnO其原子力顯微鏡圖(a)離子束濺鍍法製程 58 (b)溶膠凝膠法製程 58 圖3-12 不同製程之ZnO薄膜(a)溶膠凝膠法製程,(b)離子束濺鍍法製作成元件後,在多次量測下其I-V曲線變動比較圖。 59 圖3-13 傳統型與反置型太陽能電池空氣儲放測試下的參數紀錄: (a)光轉換效率值(PCE)、(b)開路電壓(Voc)、(c)短路電流(Jsc)、(d)填充因子(FF). 62 圖4-1 有機/無機混合氧化鋅奈米柱太陽能元件製作流程示意圖 68 圖4-2 (a)退火處理前的IBS製程之氧化鋅薄膜 (b)退火處理後的 71 圖4-3 氧化鋅奈米柱的側面SEM圖 72 圖4-4 (a)ITO,(b)ZnO薄膜,(C)ZnO奈米柱 之XRD圖 73 圖4-5 主動層轉速為(a)650rpm,(b)500rpm,(c)400rpm時製作之有機/無機混合太陽能電池元件 75 圖4-6 奈米柱長度為20nm,塗佈主動層轉速 (a)650rpm、(b)500rpm、(c)400rpm下,不同退火時間對於元件表現之變化 81 圖4-7 奈米柱長度為50nm,塗佈主動層轉速(a)650rpm、(b)500rpm、(c)400rpm下,不同退火時間對於元件表現之變化 82 圖4-8 奈米柱長度100nm,塗佈主動層轉速 (a)650rpm、(b)500rpm、(c)400rpm下,不同退火時間對於元件表現之變化 83 圖4-9 塗佈主動層轉速為650rpm下,不同奈米柱長度以及不同退火 時間之元件表現趨勢比較圖(a)PCE (b)Voc (c)Jsc (d)fill factor 85 圖4-10 塗佈主動層轉速為500rpm下,不同奈米柱長度以及不同退火時間之元件表現趨勢比較圖(a)PCE (b)Voc (c)Jsc (d)fill factor 87 圖4-11 塗佈主動層轉速為400rpm下,不同奈米柱長度以及不同退火時間之元件表現趨勢比較圖(a)PCE (b)Voc (c)Jsc (d)fill factor 89 圖5-1 界面修飾後產生一個偶極(dipole)進而改變其有機主動層與無 機電子收集層間的功函數示意圖 93 圖5-2 使用單層分子修飾主動層與電子收集層界面示意圖 93 圖5-3 不同氫氧化鈉修飾時間對於元件表現之I-V圖 97 圖5-4 不同時間的氫氧化鈉界面修飾下其元件表現趨勢圖 (a)Voc (b)Jsc (c) Fill factor (d)PCE 99 圖5-5 不同時間的氫氧化鈉修飾元件之IPCE圖 100 圖5-6不同時間的氫氧化鈉修飾元件之光吸收圖 100 圖5-7 不同時間的氫氧化鈉修飾下其SEM圖 (a)0hr,(b)2hr ,(c)overnight 103 圖5-8不同時間的氫氧化鈉修飾下其接觸角量測儀圖(a)0hr,(b)2hr,(c)overnight 104 圖5-9 (a)將主動層塗佈在石英基板上,(b)將主動層塗佈在已經預先塗佈了一種疏水性的hexamethyldisilazane單層分子膜的二氧化矽基板上 106 圖5-10改變電子收集層表面能後對於主動層垂直相分離之影響示意圖 106 圖5-11不同時間的氫氧化鈉修飾後塗佈上主動層元件之AFM圖 (a)0hr, (b)2hr ,(c)overnight 109 圖5-12不同時間的氫氧化鈉修飾下,輔以不同時間之退火處理對於元件之影響 (a)0min,(b)2hr,(c)overnight 114 圖5-13標準元件(●)、氫氧化鈉修飾過後無退火處理(■)、氫氧化鈉處理過後退火處理1小時(◆),I-V比較圖 115 圖5-14開路狀態下(a)標準元件,(b)氫氧化鈉修飾過後無退火處理,(c)氫氧化鈉修飾過後退火處理,其載子累積示意圖 116

    1. K. W. J. Barnham, M. Mazzer, and B. Clive, Nat. Mater.
    5, 161 (2006).
    2. M. A. Green, Progress In Photolvoltaics: Research And
    Application 9, 123 (2001).
    3. B. O’Regan and M. Grätzel, Nature 353, 737 (1991).
    4. V. Y. Merritt and H. J. Hovel, Appl. Phys. Lett. 29,
    414 (1976).
    5. C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986).
    6. P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126
    (2001).
    7. J. Tsukamoto, H. Ohigashi, K. Matsumura, and A.
    Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys. 20, 127 (1981).
    8. N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, and F.
    Wudl, Science 258, 1474 (1992).
    9. G. Yu, K. Pakbaz and A. J. Heeger, Appl. Phys. Lett.
    64, 3422 (1994).
    10. G. Yu, J. Gao, J. Hummelen, and F. Wudl, A. J. Heeger,
    Science 270, 1789 (1995).
    11. S. E. Shaheen, C. J. Brabec, N. S. Sariciftci, F.
    Padinger, T. Fromherz, and J. C. Hummelen, Appl. Phys.
    Lett. 78, 841 (2001).
    12. P. Schilinsky, C. Waldauf, and C. J. Brabec, Appl.
    Phys. Lett. 81, 3885 (2002).
    13. F. Padinger, R. S. Rittberger, and N. S. Sariciftci,
    Adv. Funct. Mater. 13, 85 (2003).
    14. D. Chirvase, J. Parisi, J. C. Hummelen, and V.
    Dyakonov, Nanotechnology 15, 1317 (2004).
    15. J. Huang, G. Li, and Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 87,
    112105 (2005).
    16. G. Li, V. Shortriya, Y. Yao, and Y. Yang, J. Appl.
    Phys. 98, 043704 (2005).
    17. V. Shortriya, J. Quyang, R. J. Tseng, G. Li, and Y.
    Yang, Chem. Phys. Lett. 411, 138 (2005).
    18. G. Li, V. Shortriya, J. Huang, T. Moriarty, K. Emery,
    and Y. Yang, Nat. Mater. 4, 864 (2005).
    19. W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, and A. J. Heeger,
    Adv. Funct. Mater. 15, 1617 (2005).
    20. M. C. Scharber, D. Muhlbacher, M. Koppe, P. Denk, C.
    Waldauf, A. J. Heeger, and C. J. Brabec, Adv. Mater.
    18, 789 (2006).
    21. L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, and P. W. M. Blom,
    Appl. Phys. Lett. 88, 093511 (2006).
    22. G. Li, C. W. Chu, V. Shrotriya, J. Huang, and Y. Yang,
    Appl. Phys. Lett. 88, 253503 (2006).
    23. M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis,
    and D. S. Ginley, Appl. Phys. Lett. 89, 143517 (2006).
    24. C. Waldauf, M. Morana, P. Denk, P. Schilinsky, K.
    Coakley, S. A. Choulis, and C. J. Brabec, Appl. Phys.
    Lett. 89, 233517 (2006).
    25. H.-H. Liao, L.-M. Chen, Z. Xu, G. Li, and Y. Yang,
    Appl. Phys. Lett. 92, 173303 (2008).
    26. http://www.astm.org/
    27. http://www.nrel.gov/
    28. P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79,
    126 (2001).
    29. H. Hoppe and N. S. Sariciftci, J. Mater. Res. 19, 1924
    (2004).
    30. B. P. Foster, G. S. Stanford, and L. L. Lee. JR, Phys.
    Rev. Lett. 93, 5 (1954).
    31. Y. Sadaoka, Y. Sakai, and H. Akiyma, J. Cell Sci. 21,
    1 (1986).
    32. P. Sigmund, Phys. Rev. 184, 383 (1969).
    33. Y. Kim, S. A. Choulis, J. Nelson, D. D. C. Bradley, S.
    Cook, and J. R. Durrant, Appl. Phys. Lett. 86, 063502
    (2005).
    34. G. Li, Y. Yao, H. Yang, V. Shrotriya, G. Yang, and Y.
    Yang, Adv. Funct. Mater. 17, 1636 (2007).
    35. F. Padinger, R. S. Rittberger, and N. S. Sariciftci,
    Adv. Funct. Mater. 13, 85 (2003).
    36. G. Li, V. Shortriya, J. Huang, T. Moriarty, K. Emery,
    and Y. Yang, Nat. Mater. 4, 864 (2005).
    37. V. Shrotriya, G. Li, Y. Yao, T. Moriarty, K. Emery,
    and Y. Yang, Adv. Funct. Mater. 16, 2016 (2006).
    38. M. P. de Jong, L. J. Van Ijzendoom, and M. J. A. de
    Voigt, Appl. Phys. Lett.77, 2255 (2000).
    39. H. Peisert, M. Knupfer, F. Zhang, A. Petr, L. Dunsch,
    and J. Fink, Appl. Phys. Lett. 83, 3930 (2003).
    40. H. Peisert, A. Petr, L. Dunsch, T. Chassé, and M.
    Knupfer, Chem. Phys. Chem. 8, 386 (2007).
    41. H. J. Bolink, E. Coronado, D. Repetto, and M. Sessolo,
    Appl. Phys. Lett. 91, 223501 (2007).
    42. H. You, Y. Dai, Z. Zhang, and D. Ma. J. Appl. Phys.
    101, 026105 (2007).
    43. M. S. A. Abdou, F. P. Orifino, Y. Son, and S.
    Holdcroft, J. Am. Chem. Soc. 119, 4518 (1997).
    44. C.-Y. Kwong , A.-B. Djuri, P.-C. Chui, K.-W. Cheng ,
    and W.-K. Chan, Chem. Phys. Lett. 384, 372 (2004).
    45. W. J. E. Beek, M. M. Wienk, and René A. J. Janssen, J.
    Mater. Chem. 15, 2985 (2005).
    46. W. U. Huynh, J. J. Dittmer, and A. P. Alivisatos,
    Science 295, 2425 (2002).
    47. L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc. 113,
    2826 (1991).
    48. C. Pacholski, A. Kornowski, and H. Weller, Angew.
    Chem. Int. Ed. 41, 7 (2002).
    49. B. Liu and H.-C. Zeng, Langmuir 20, 4196 (2002).
    50. J. Xu, Y. Chen , Y. Li, and J. Shen, J. Mater. Sci.
    40, 2919 (2005).
    51. L. Vayssieres, K. Keis, S. Lindquist, and A. Hagfeldt,
    J. Phys. Chem B 105, 3350 (2001).
    52. L. Vayssieres, K. Keis, A. Hagfeldt, and S. Lindquist,
    Chem. Mater. 13, 4395 (2001).
    53. L. Vayssieres, Adv. Mater. 15, 464 (2003).
    54. L. Greene, M. Law, J. Goldberger, F. Kim, J. Johnson,
    Y. Zhang, R. Saykally, and P. Y. Ngew, Chem. Int. Ed.
    42, 3031 (2005).
    55. M. Ohyama, H. Kouzuka, and T. Yoko, Thin Solid Films
    306, 78 (1997).
    56. M. Law, L. Greene, J.C. Johnson, R. Saykally, and P.
    Yang, Nat. Mater. 4, 455 (2005).
    57. B. de Boer, A. Hadipour, M. M. Mandoc, T. Van
    Woudenbergh, and P. W. M. Blom, Adv. Mater. 17, 621
    (2005).
    58. S.-K. Hau, H.-L. Yip, O. Acton, N.-S. Baek, H. Ma, and
    Alex K.-Y. Jen, J. Mater. Chem. 18, 5113 (2008).
    59. M, Campoy-Quiles, T. Ferebczi, T. Agostinelli, P. G.
    Etchegoin, Y.Kim, T. D. Anthopoulos, P. N. Stavrinou,
    D. D. C. Brafley, and J. Nelson, Nat. Mater. 20, 158
    (2008).
    60. K. Takanezawa, K. Hirota, Q.-S. Wei, K. Tajima, and K.
    Hashimoto, J.Phys.Chem. C 111, 7218 (2007).
    61. B. O. Aduda, P. Ravirajan, K. L. Choy, and J. Nelson,
    J. Electrochem. Soc. 3, 141 (2004).
    62. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Device, appendix
    F, (Wiley, New Jersey 2007).
    63. C. Casteleiro, H. L. Gomes, P. Stallinga, L. Bentes,
    R. Ayouchi, and R. Schwarz, J. Non-Cryst. Solids 354,
    2519 (2008).
    64. Y. Zhao, Z. Xie, Y. Qu, Y. Geng, and L. Wang, Appl.
    Phys. Lett. 90, 043504 (2007).

    下載圖示 校內:2010-07-23公開
    校外:2011-07-23公開
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