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研究生:莊振傑
研究生(外文):Jhen-jie Jhuang
論文名稱:高效率串聯有機太陽能電池之開發
論文名稱(外文):Develop of High Efficient Tandem Organic Solar Cells
指導教授:高騏高騏引用關係
指導教授(外文):Chie Gau
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:航空太空工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
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:69
中文關鍵詞:有機高分子開路電壓斷路電流填充因子
外文關鍵詞:OrganicPolymerOpen Circuit VoltageShort Circuit CurrentFill Factor
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於本文中,藉由兩種不同P-type有機高分子材料,探討其表面型態、開路電壓以及短路電流之間的變化,其中在有機太陽能電池的作動層中,施體材料採用MEH-PPV和P3HT,而受體採用PCBM。以P3HT:PCBM的元件而言,嘗試改變製程順序,發現蒸鍍完鋁電極再回火之元件,其斷路電流可以由8.6(mA/cm2)有效提升至9.3(mA/cm2),填充因子也可從38(%)上升至40(%)。實驗中發現當回火溫度高於有機材料之玻璃轉換溫度時,開路電壓可以由0.42(V)提升至0.58(V),斷路電流則由9.3(mA/cm2)提升至9.86(mA/cm2),使得整體效率由1.58(%)大幅提升至2.32(%),最後藉由嵌入一層低功函數(Ca or LiF)的電極,填充因子由41(%)提升至61(%),整體的光電轉換效率將近於3%。最後,考慮到有機材料本身狹窄吸收波段的特性,將上述兩電池作串聯,希望藉由吸收波段的增加,能將整體效率往上提升。
In this study, we use two kinds of P-type organic polymer materials and research their morphology, open circuit voltage(VOC) and short circuit current(ISC). Active layer is made of MEH-PPV or P3HT as donor and PCBM as an acceptor in organic solar cells. In bulk heterojunction solar cells using P3HT as donor and PCBM as an acceptor, change the procedure for post-production annealed after deposition of the Al electrode can increase short circuit current and fill factor from 8.6(mA/cm2) to 9.3(mA/cm2) and 38(%) to 44(%), respectively. When temperature of annealing above the glass transition temperature of organic materials, lead to increase the open circuit voltage, short circuit current and power conversion efficiency from 0.42(V) to 0.58(V), 9.3(mA/cm2) to 9.86 (mA/cm2) and 1.58(%) to 2.32 (%), respectively. When deposition the low work function metal (ex: Ca or LiF) between the Al electrode and the active layer, the fill factor from 41(%) to 61(%) and power conversion efficiency increase to 3(%). In the end, we considered that narrow absorption spectrum of the organic materials to tandem the two cells of the above. By increase absorption of the solar radiation to improve the power conversion efficiency.
摘 要 I
Abstract II
誌 謝 IV
目錄 V
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 3
1-3 有機太陽能電池原理 5
1-3-1 太陽光譜(Solar Spectrum) 5
1-3-2 有機太陽能電池之工作原理 7
1-3-3 有機太陽能電池之效率分析 9
第二章 串聯有機太陽能電池之文獻回顧 14
2-1 前言 14
2-2 文獻回顧 14
2-2-1 小分子串聯電池 14
2-2-2 混合(Hybrid)串聯電池 18
2-2-3 溶液過程(Solution-Processed)串聯電池 20






第三章 太陽能電池實驗方法及製程步驟 34
3-1 實驗材料 34
3-2 元件製作流程 37
3-2-1 ITO蝕刻 37
3-2-2 ITO表面處理 40
3-2-3 旋塗作動層 41
3-2-4 熱蒸鍍金屬電極 41
3-3 量測設備 42
第四章 實驗結果與討論 44
4-1 前言 44
4-2 有機太陽能電池不同回火順序、溫度和時間下之特性變化 44
4-3 作動層材料之表面型態分析 49
4-4 蒸鍍低功函數金屬 52
4-5 混合之有機太陽能電池 54
4-6 串聯有機太陽能電池 56
第五章 結果與討論 64
參考文獻 65





表目錄
表3-1. ITO蝕刻製程步驟。 39
表3-2. ITO清潔步驟。 40

表4-1. 以MEH-PPV:PCBM為作動層之元 件,比較不同回火溫度之太陽能光電特性。 46
表4-2. 比較不同回火順序之太陽能光電特性。 48
表4-3. 比較嵌入低功函數金屬之太陽能光電特性。 53
表4-4. 比較純P3HT:PCBM與混合不同比例之MEH-PPV的太陽光電流特性。 55
表4-5. 比較不同轉速對MEH-PPV:PCBM元件的影響。 58
表4-6. 比較不同轉速對P3HT:PCBM元件的影響。 59










圖目錄
圖1-1. 1994-2008石油價格。 1
圖1-2. 用於製作乙醇的玉米[1]。 2
圖1-3. 第一代太陽能電池。 3
圖1-4. CIGS太陽能電池。 4
圖1-5. 太陽光譜[3]。 6
圖1-6. 空氣質量(AIR MASS)。 6
圖1-7. 等效電路圖。(A)理想的太陽能電池,(B)實際的太陽能電池。其中RP為並聯電阻、RS為串聯電阻。 9
圖1-8. 有機太陽能電池的I-V曲線圖分別為暗電流(DARK)和照光中(LIGHT)。 10
圖1-9. I-V曲線。(A)理想的太陽能電池,忽略串聯電阻。實際的太陽能電池,擁有(B)較小的並聯電阻,並忽略串聯電阻、(C)無窮大的並聯電阻和大的串聯電阻。 13

圖2-1. 斷路電流(方塊)及開路電壓(圓),與中間金屬的膜厚關係圖,量測條件為AM 1.5, 100MW/CM2[13]。 16
圖2-2. PM-HJ串聯有機太陽能電池的結構。 18
圖2-3. 混合串聯有機太陽能電池的結構,上電池利用熱蒸鍍方式, 蒸鍍於下電池上,下電池利用DIFFUSED BILAYER的結構。 19
圖2-4. 將兩不同玻璃底材的電池做外部串聯,下電池以透明金屬作為陰極,以免影響上電池的吸收。 21
圖2-5. AFM圖(A)純高分子表面。在高分子表面(B)蒸鍍一層LIF(1NM)、(C)蒸鍍一層LIF(1NM)/AL(2.5NM)的表面型態[21]。 22
圖2-6. 以磁電管濺鍍ITO的方式,將兩異質接合太陽能電池做串聯。 23
圖2-7. 利用複合金屬將兩不同吸收波段的有機材料做串聯,元件結構如上圖。 25
圖2-8. 下層作動層膜厚的不同,擁有不同強度及波長的穿透光[24]。 25
圖2-9. 單一電池與串聯電池,其暗電流及照光的I-V圖,照光條件為AM 1.5、100MW/CM2[24]。 26
圖2-10. 以光學間隔物將兩有機太陽能電池連結,元件結構如上,可以利用四個電極作外部串、並聯量測。 28
圖2-11. 將下電池的穿透光與PTBEHT的吸收光,作波長匹配,當間隔物為250NM的時候有極佳的效果[27]。 29

圖2-12. 以ZNO奈米粒子與PEDOT,作為元件的再結合中心,結構如上圖。 31
圖2-13. 上圖為單一電池和串聯電池的I-V曲線圖,經過UV光照射的元件,其開路電壓、斷路電流和填充因子都有大幅提昇。 31
圖2-14. 前後電池分別利用低能隙(PCPDTBT)及高能隙(P3HT)的半導體材料,再以一層半透明的導電層(TIOX)分離上下兩電池,元件結構如上。 33

圖3-1. RR-P3HT化學結構。 34
圖3-2. MEH-PPV化學結構。 35
圖3-3. PCBM化學結構。 35
圖3-4. PEDOT:PSS化學結構。 36
圖3-5. 遮蔽光罩(SHADOW MASK)。 41
圖3-6. 量測穿透與吸收設備之示意圖。 43

圖4-1. 單層有機太陽能電池結構示意圖。 45
圖4-2. 以MEH-PPV:PCBM為作動層之元件,比較不同回火溫度之I-V曲線圖。 46
圖4-3. 比較不同回火順序之I-V曲線圖,(A)暗電流、(B)100MW/CM2之模擬光源照射下。 47
圖4-4. 比較不同回火溫度及時間之I-V曲線圖。 48
圖4-5. 比較P3HT:PCBM回火前後對吸收的影響。 50
圖4-6. 上圖為P3HT:PCBM的SEM圖(倍率10,000倍)。 50
圖4-7. 上圖為經P3HT:PCBM回火處理後的SEM圖(倍率10,0000倍)。 51
圖4-8. 由SEM拍攝之元件截面圖。 51
圖4-9. 嵌入低功函數之元件結構。 52
圖4-10. 比較嵌入低功函數金屬之I-V CURVE。 53
圖4-11. MEH-PPV/P3HT/PCBM結構的能階圖。 54
圖4-12. 混合不同比例MEH-PPV的I-V曲線圖。 55
圖4-13. 串聯有機太陽能電池之元件結構。 57
圖4-14. 比較不同轉速對MEH-PPV:PCBM元件的影響。 58
圖4-15. 比較不同轉速對P3HT:PCBM元件的影響。 59
圖4-16. 製程中下電池受到溶解。 60
圖4-17. 串聯電池在AM1.5、100MW/CM2的模擬太陽光照射下之I-V曲線圖。 60
圖4-18. (A)ITO PATTERN和中間電極之SHDOWMASK的圖形,(B)上電極SHADOW MASK之圖形。 61
圖4-19. 單層太陽能電池之元件設計,紅色與藍色顯示的區域,分別為上層及下層電池之照光面積。 61
圖4-20. (A)ITO PATTERN、(B)中間電極之SHADOW MASK、(C)上電極之SHADOW MASK、(D)紅色部分為上下層電池之照光面積。 62
圖4-21. 改變元件設計後,串聯電池之暗電流效應。 62
圖4-22. 改變元件設計後,以AM1.5、100MW/CM2模擬太陽光照射下之I-V曲線圖。 63
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