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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鍾明男
研究生(外文):Ming-Nan Jong
論文名稱:利用熱蒸鍍法成長ITO/CuPc/C60/CuPc/Al異質結構及其光伏效應之探討
論文名稱(外文):Photovoltaic properties of ITO /CuPc /C60 /CuPc /Al hetero-structures prepared by thermal physical vapor deposition
指導教授:邱寬城
指導教授(外文):Kuan-Cheng Chiu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:應用物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:成長條件太陽能電池
外文關鍵詞:growth modelssolar cells.
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本文利用物理汽相沉積法(真空度約210-5 torr),製備 ITO/CuPc
/C60/Ag、ITO/CuPc/C60/Al、ITO/CuPc/C60/CuPc/Al 以及ITO/Au/CuPc
/C60/CuPc/Al異質接面之有機小分子太陽能電池;同時量測各種架構的有機太陽能電池於照光情況下之短路電流(Isc)、開路電壓(Voc),並計算其轉換效率。本實驗在製程與架構方面做了以下改變並探討其特性之優劣:(1) 在電極方面,利用不同的成長技術 (濺鍍和蒸鍍),來找尋較佳的成長方式。由結果得知使用蒸鍍的方式鍍覆電極,樣品有較佳的轉換效率。(2) 在樣品架構方面,由改變不同架構的樣品之特性量測,得知最佳樣品架構為 ITO/Au/CuPc/C60/CuPc/Al。其原因在於當鍍覆上一層 CuPc保護層後,該保護層不但可以有效的改善 C60 曝氧的問題,亦可保護在成長陰極時熱動能會破壞C60 結構的問題。(3) 利用不同的成長時間來改變各層薄膜的厚度。由實驗得知樣品作用層最佳厚度為 CuPc 30 nm、C60 60 nm 以及保謢層 CuPc 10 nm。此與激子在各層材料中的擴散長度有關。 (4) 改變基板的處理方式。在基板上鍍覆一層薄薄的金後,可以發現其串聯電阻變小且有較佳的轉換效率。由以上結果,我們將進一步討論照光產生的激子其傳輸和分離機制,及各層薄膜厚度與有機太陽能電池轉換效率之關係。
Small-molecule organic photovoltaic cells (OPVCs) with a hetero-
structure of indium tin oxide (ITO)/copper phthalocyanine (CuPc)/C60/
metal (Ag), ITO/CuPc/C60/Al, ITO/CuPc/C60/CuPc/Al and ITO/Au/CuPc
/C60/CuPc/Al were fabricated by thermal evaporation (under vacuum level of about 210-5 torr). Meanwhile the short circuit current Isc and open circuit voltage Voc for these OPVCs under different illumination conditions were performed. The following changes for these devices were made to find their optimum performance: (1) For electrodes, different way of deposition condition (ion sputtering or thermal evaporation) was chosen. The device with optimum power conversion efficiency was obtained by the thermal evaporation. (2) Among these frameworks, the best one is ITO/Au/CuPc/C60/CuPc/Al, because that the inserted CuPc buffer layer can effectively prevent C60 active layer from oxygen exposure and damage during the deposition of upper electrode. (3) The thickness of the film was controlled by the deposition time, the best active layers of thickness were CuPc: 30 nm, C60: 60 nm and CuPc buffer layer 10 nm. These results are consistent with the exciton diffusion length in each active layer. (4) A optimum power conversion efficiency and a small series resistance were obtained when a thin Au film was deposited on top of ITO. Finally, based on the abovementioned results, a mechanism related to the transport and separation of the photo-generated excitons and to the relation of power conversion efficiency versus film thickness was discussed.
目錄
中文摘要 ……………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要 ……………………………………………………………………………Ⅱ
誌謝 …………………………………………………………………………………Ⅲ
目錄 …………………………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄 ………………………………………………………………………………Ⅴ
表目錄 ………………………………………………………………………………Ⅵ
第一章 簡介 ………………………………………………………………………1
1.1 研究動機 …………………………………………………………………1
1.2介紹有機太陽能電池…………………………………………………….1
1.3本論文之主題與架構…………………………………………………….2
第二章 有機太陽能電池的架構與原理…………………………………….5
2.1有機太陽能電池工作原理……………………………………………….5
2.2有機層激子分離原理…………………………………………………….8
2.3有機層材料的選擇……………………………………………………….8
2.4太陽能電池特性曲線…………………………………………………….9
2.5文獻回顧…………………………………………………………………13
第三章 實驗裝置、方法與量測原理………………………………………19
3.1實驗裝置與原理…………………………………………………………19
3.2樣品製備步驟…………………………………………………………… 19
3.3各層薄膜 (CuPc–C60-Al) 成長條件……………………………………23
3.4有機太陽能電池的 I-V 量測…………………………………………..25
第四章結果與討論…………………………………………………….27
4.1 ITO/CuPc/C60/Ag 之有機太陽能電池 J-V 量測……………………27
4.2 ITO/CuPc/C60/Al 之有機太陽能電池 J-V量測………………………30
4.3 ITO/CuPc/C60/CuPc/Al之有機太陽能電池 J-V量測…………………32
4.4 ITO/Au/CuPc/C60/CuPc/Al之有機太陽能電池 J-V量測 ……………
第五章 結論與未來展望……………………………………………………… 42
參考文獻 ………………………………………………………………………… 44
圖目錄

圖一. (a) D/A 異質接面的有機太陽能電池;(b) 有機小分子 (CuPc、C60) 結構
式。……………………………………………………………………………3
圖二. 有機太陽能電池工作機制 : (a) 有機層吸收光子後,產生電子電洞對,
因為電子與電洞間的庫倫引力,形成激子;(b) 激子在有機層的擴散長度
內擴散至接面;(c) 激子受到有機層界面的內建電場而分離;(d) 電子往
陰極,電洞往陽極移動;(e) 在短路條件下,電極收集電荷產生出短路電
流。……………………………………………………………………………6
圖三. 有機太陽能電池,donor-acceptor 異質接面能項 (energy terms) 圖。11
圖四. (上)(a)ITO/CuPc/C60/Ag 太陽能電池在零偏壓下,光電流隨入射波長
的光譜圖;(b)太陽能電在順向偏壓下,光電流隨入射波長的光譜圖;(c)
CuPc厚度為100 nm 的吸收光譜圖;(d)C60厚度為200 nm的吸收光譜
圖;(中)有機太陽能電池之Isc 隨入射光波長做圖;(下)本實驗室所
做的 C60 與CuPc光吸收光譜圖。………………………………………12
圖五. 圖五. ITO/CuPc/C60/Al 能項示意圖。……………………………………13
圖六. 太陽能電池 I-V 特性曲線…………………………………………………14
圖七. 真空蒸鍍系統 (日真 VPC-260,腔體 B):(1) 真空腔;(2) 基板基座;
(3) 石英震盪膜厚計;(4) 擋板;(5) 粉末載舟;(6a) 直流電源供應器,
(6b) 交流電源供應器;(7) 擴散幫浦;(8) 機械幫浦。……………………20
圖八. (a) ITO 蝕刻後示意圖;(b) ITO/CuPc/C60/CuPc/Al 樣品示意圖。………22
圖九. I-V量測系統。………………………………………………………………26
圖十. (a)、(b)、(c) 分別為不同厚度下的 ITO/CuPc/C60/Ag 有機太陽能電池之
J-V 曲線圖。…………………………………………………………………28
圖十一. ITO/CuPc (120 nm)/C60 (90 nm)/Al 有機太陽能電池之 J-V曲線圖。…31
圖十二. (a)、(b)、(c)、(d),分別為ITO/CuPc (80、40、30、20 nm)/C60 (60 nm)
/CuPc (20 nm)/Al有機太陽能電池之 J-V曲線圖。……………………34
圖十三. (a)、(b)、(c)、(d),分別為ITO/CuPc (30 nm)/C60 (70、60、50、40 nm)
/ CuPc (20 nm)/Al有機太陽能電池之 J-V曲線圖。……………………36
圖十四. (a)、(b)、(c),分別為ITO/CuPc (30 nm)/C60 (60 nm)/ CuPc (20、10、0 nm)
/Al有機太陽能電池之 J-V曲線圖。……………………………………39
圖十五. 為ITO/Au (15 nm)/CuPc (30 nm)/C60 (60 nm)/ CuPc (10 nm)/Al有機太陽
能電池之 J-V曲線圖。…………………………………………………43
圖十六. 為Glass/Au (15 nm)/CuPc (30 nm)/C60 (60 nm)/ CuPc (10 nm)/Al有機太
陽能電池之 J-V曲線圖。…………………………………………………44
表目錄

表一. 各種有機材料擴散長度整理表。……………………………………………7
表二. 各種結構之有機太陽能電池,相關文獻其參數之比較。…………………17
表三. ITO/CuPc/C60/metal 基本架構之相關文獻的實驗結果比較及特性之比較。
………………………………………………………………………………………18
表四. 編號樣品1-5 之有機太陽能電池參數。……………………………………29
表五. 編號樣品7-22 改變電洞傳輸層厚度之有機太陽能電池參數。…………35
表六. 編號樣品23-28 改變電子傳輸層厚度之有機太陽能電池參數。…………37
表七. 編號樣品29-36 改變保護層厚度之有機太陽能電池參數。………………40
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