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研究生:洪境遠
研究生(外文):Jing-Yuan Hong
論文名稱:星狀共軛分子在反式鈣鈦礦太陽能電池之電洞層應用研究
論文名稱(外文):Star-Shaped Conjugate Molecule for Hole Transporting Layer of Inverted Perovskite Solar Cells
指導教授:李榮和李榮和引用關係
指導教授(外文):Rong-Ho Lee
口試委員:鄭如忠吳震裕
口試委員(外文):Ru-Jong JengJeng-Yue Wu
口試日期:2016-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:化學工程學系所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:54
中文關鍵詞:三苯胺噻吩反式鈣鈦礦太陽能電池
外文關鍵詞:TriphenylaminethiopheneInverted Perovskite solar cell
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本研究主要以三苯胺(Triphenylamine)為中心體,並以Thienylenevinylene作為分枝,成功合成出星狀分子TPATT,並將其應用在反式鈣鈦礦太陽能電池之電洞介面層,希望以三苯胺以及Thienylenevinylene本身優越的電洞傳遞能力,提高電洞傳遞效率。透過紫外光-可見光光譜儀 (UV-Vis) 以及X-射線繞射分析儀(XRD) 檢測後,發現Perovskite在加熱溫度100oC以及加熱時間10min的條件下,擁有最佳之光學特性和結晶強度,故利用此條件製作反式鈣鈦礦太陽能電池基本結構,其結構為ITO/PEDOT:PSS /Perovskite/PC61BM/Ag。得到最佳之光電轉換效率為7.54%,其開路電壓(Voc)為0.88V、短路電流(Jsc)為14.89mA/cm2、填充因子(FF)為0.58。而導入星狀分子TPATT作為電洞介面層的反式鈣鈦礦太陽能電池結構為ITO/PEDOT:PSS/TPATT/Perovskite/PC61BM/Ag。經由掃描式電子顯微鏡(SEM) 以及原子力顯微鏡 (AFM) 作表面分析後,發現星狀分子TPATT在旋轉塗佈成膜時,受到不同溶劑之極性影響,會形成不同的表面型態,進而使Perovskite成膜於上時,也會產生不同的結晶型態。以氯苯 (CB) 為溶劑得到最佳光電轉換效率8.54,其開路電壓 (Voc) 為0.84V、短路電流 (Jsc) 為16.65mA/cm2、填充因子 (FF) 為0.61。而以環己酮 (Cyclohexanone) 為溶劑塗佈TPATT薄膜所製備之電池,得到光電轉換效率為6.18%,其Voc為0.90 V、Jsc為16.46 mA/cm2及FF 為0.417。而以四氫呋喃 (THF) 為溶劑塗佈TPATT薄膜所製備之電池,則得到光電轉換效率為5.23%,而Voc為0.87 V、Jsc為14.18 mA/cm2及FF 為0.424。其中以CB為溶劑時擁有最佳之光電轉換效率。相較於未導入星狀分子TPATT之電池元件,導入TPATT之電池具有較佳之光伏特性,其電池效率上升11%。

In this study, the star-shaped molecules (TPATT) based on a triphenylamine core, and thienylenevinylene conjugated branches was synthized and used as the hole-transporting interfacial layer of inverted perovskite solar cell. The basic structure of inverted perovskite solar cell was ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PC61BM/Ag. The best pvotovoltaic (PV) properties were obtained as the perovskite layer was thermal treated at 100 oC for 10 min. The power conversion efficiency (PCE) of 7.54%, a short-circuit current density (Voc) of 0.88 V, a short-circuit current (Jsc) of 14.89 mA/cm2, and a fill factor (FF) of 0.58 were obtained for the perovskite solar cell without incorporation of TPATT. In addition, the device structure of inverted perovskite solar cell incorporating TPATT was ITO/PEDOT:PSS/TPATT/Perovskite/PC61BM/Ag. The morphology of perovskite layer and PV performance of the solar cell were strongly dependant on the morphology of the TPATT layer. The morphology of TPATT based transporting interfacial layer was changed by using chlorobenzene (CB), THF, and cyclohexanone (CHO) as solvents. The PCE value of 8.54%, a short-circuit current density of 0.84 V, a short-circuit current of 16.65 mA/cm2, and a fill factor of 0.61 were obtained for the solar cell fabricated from CB solution of TPATT. The PCE value of 6.18%, a short-circuit current density of 0.90 V, a short-circuit current of 16.46 mA/cm2, and a fill factor of 0.417 were obtained for the solar cell fabricated from CHO solution of TPATT. The PCE value of 5.23%, a short-circuit current density of 0.87 V, a short-circuit current of 14.18 mA/cm2, and a fill factor of 0.424 were obtained for the solar cell fabricated from THF solution of TPATT. As compared to the cell without TPATT layer, the cell efficiency increased 11% by the incorporation of the TPATT layer.

誌謝
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2太陽能電池種類 1
1-2-1無機太陽能電池 2
1-2-2有機太陽能電池 3
1-3鈣鈦礦太陽能電池的發展 6
1-4鈣鈦礦太陽能電池的結構與種類 7
1-4-1正式結構鈣鈦礦太陽能電池 7
1-4-2反式結構鈣鈦礦太陽能電池 8
1-5太陽能電池之工作原理 9
1-5-1太陽能電池的特性分析 11
第二章文獻回顧 14
2-1星狀材料在塊狀異質接面(Bulk-Heterojunction)電池之應用 14
2-1-1以三苯胺為側邊的小分子材料 14
2-1-2 Spiro-OMeTAD衍生物 15
2-2電洞介面修飾層在鈣鈦礦太陽能電池之應用 15
2-2-1 電洞介面層修飾PEDOT:PSS成膜性 16
2-2-2電洞傳遞層修飾Perovskite成膜性 17
2-2-3添加PC71BM介面層提升鈣鈦礦太陽能電池之吸收 17
2-2-4添加TiO2和MoO3奈米顆粒修飾Perovskite成膜性 18
2-3研究動機 20
第三章實驗 21
3-1溶劑前處理 21
3-2化學藥品 21
3-3單體合成 23
3-4元件製作 26
3-5實驗儀器 26
第四章結果與討論 28
4-1星狀分子TPATT結構鑑定分析 28
4-1-1星狀共軛分子之溶解性測試 28
4-2 熱重分析儀(TGA)和微差熱掃描卡計(DSC)之熱性質分析 28
4-3星狀分子之光學性質分析 29
4-3-1 星狀分子紫外光-可見光光譜分析 29
4-4星狀分子之電化學特性分析 29
4-5星狀分子之電洞遷移率 30
4-6 Perovskite之表面型態分析 31
4-6-1 Perovskite在不同溫度下之表面型態分析 31
4-6-2 Perovskite於100oC下加熱不同時間之表面型態分析 34
4-7 Perovskite膜之光學性質分析 37
4-7-1 Perovskite膜於不同溫度下加熱之紫外光-可見光光譜分析 37
4-7-2 Perovskite於100oC下不同加熱時間之紫外光-可見光光譜分析 38
4-8星狀分子TPATT與Perovskite之表面型態分析 39
4-9 perovskite 電池元件表現 44
4-9-1星狀分子TPATT與Perovskite之紫外光-可見光光譜分析 44
4-9-2 Perovskite基本電池元件結構之光伏表現 45
4-9-3 導入電洞介面層之電池元件光伏表現 45
4-9-4 以不同溶劑製備電洞介面層之電池光伏特性 47
4-9-5 Perovskite之入射光子-電子轉換效率 48
第五章結論 49
第六章參考文獻 50
附錄 52


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