臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文第一章我們首先介紹了有機太陽能電池的發展，介紹了有機太陽的特性及物理機制，分析有機太陽能電池的優勢及未來性，以及目前所面臨的瓶頸。第二章為本文元件的實驗流程架構，所使用的量測系統與定義元件參數；第三章的主題為利用互補式吸收之施體材料，ClAlPc、TAPC、SnNcCl2和C70混合的元件，並進行多重反射設計的計算，以得到最佳化的光能量使用方式，利用變換不同的元件排列順序，可達最佳光電轉換結果，在消耗大部分入射光能量後，使用TAPC:C70—ClAlPc:C70—SnNcCl2:C70的元件順序設計的效率最佳，可達6.52%，較最低的順序的SnNcCl2:C70—ClAlPc:C70—TAPC:C70的效率2.87%高出許多。
第四章為台大化學所汪根欉實驗室所所合成四個新的施體材料運用於有機太陽能電池元件，其結構施體-受體-受體型小分子。DTCTiFBT、DTCToFBT、DTCPiFBT、DTCPoFBT，在一系列由混和濃度及膜厚變化之塊材異質混和界面架構下，利用與受體材料C60混合，我們可得以四個小分子DTCTiFBT、DTCToFBT、DTCPiFBT、DTCPoFBT所製成太陽能電池之最佳化功率轉換效率分別為3.20%，3.42%，3.59%及3.56%。還有另外合成四個新的施體材料運用於有機太陽能電池元件，其結構施體–受體–受體型小分子。DTCTiPTD、DTCToPTD、DTCPiPTD、DTCPoPTD，在一系列由主動層中混和濃度及膜厚變化之塊材異質混和界面架構下，利用與受體材料C70混合，我們可得以四個小分子DTCTiPTD、DTCToPTD、DTCPiPTD、DTCPoPTD所製成太陽能電池之最佳化功率轉換效率分別為7.53%，5.09%，6.45%及6.29%。

In chapter I, we introduce the developed history and basic principle of organic solar cell (OPV). In addition, the recent development of OPV also included. Chapter II provides experimental setup, processes, methods and measurement methods.
In chapter III, three complementary organic materials ClAlPc, TAPC, SnNcCl2 were employed to assemble a multiple reflection system. To exhaust the incident light energy, the efficiency in various sequences by three OPV types was calculated. The most efficient case, TAPC:C70—ClAlPc:C70—SnNcCl2:C70, exhibited a high efficiency of 6.52%. In the contrast, the lowest efficient case, SnNcCl2:C70—ClAlPc:C70—TAPC:C70, showed a low efficiency of 2.87.
In chapter IV, we utilized four donor-donor-acceptor (D-A-A) configurations molecules, DTCTiFBT, DTCToFBT, DTCPiFBT, DTCPoFBT, (from Prof. Wong of Chemistry Department, National Taiwan Universtiy) as donor materials in active layer of organic solar cell. To optimized the device structure, their highest power conversion efficiencies were 3.20%, 3.42%, 3.59%, 3.56% for device with DTCTiFBT, DTCToFBT, DTCPiFBT, DTCPoFBT, respectively.
In the further, another four donor–donor–acceptor (D–A–A) molecules, DTCTiPTD, DTCToPTD, DTCPiPTD, DTCPoPTD, as donor materials of organic solar cell. To optimize device structure, the highest power conversion efficiencies are 7.53%, 5.09%, 6.45%, 6.29% for device with DTCTiPTD, DTCToPTD, DTCPiPTD and DTCPoPTD, respectively.

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 有機太陽能電池發展歷史 1
1.3 有機太陽能電池原理[2] 2
1.4 量子效率與光電轉換效率 3
1.5 增加光吸收改善有激太陽能電池之效率 5
1.6 施體-受體-受體型(DAA)小分子有機材料 5
1.7 研究動機 7
第二章 有機太陽能元件製程與量測 8
2.1 黃光製程 8
2.2 真空熱蒸鍍製程設備 9
2.2.1 有機材料與陰極熱蒸鍍 9
2.2.2 元件封裝 10
2.3 有機太陽能元件量測 10
2.3.1元件效率量測 11
2.3.2外部量子效率量測 12
第三章 不同施體材料對具有銀電極有機太陽能電池之表現 13
3.1 各施體材料元件 14
3.2 施體材料ClAlPc 14
3.3 主體材料SnNcCl2 17
3.4 主體材料TAPC濃度調變之具有銀電極元件 19
3.5 MRCS之最佳化元件排列 21
第四章 含苯并噻二唑和吡啶并噻二唑之小分子有機太陽能電池之優化 22
4.1. 介紹 22
4.2. 含氟之苯并噻二唑施體材料之材料特性 23
4.2.1 DTCTiFBT混合C60濃度優化和厚度的優化 26
4.2.2 DTCToFBT混合C60濃度優化和厚度的優化 29
4.2.3 DTCPiFBT混合C60濃度優化和厚度的優化 32
4.2.4 DTCPoFBT混合C60濃度優化和厚度的優化 35
4.2.5 DTCTB、DTCTiFBT、DTCToFBT、DTCPB、DTCPiFBT、DTCPoFBT混合C60最佳化之元件比較 38
4.2.6 DTCTB、DTCTiFBT、DTCToFBT、DTCPB、DTCPiFBT、DTCPoFBT混合C60和C70最佳化之元件比較 39
4.3. 含吡啶并噻二唑施體材料之材料特性 42
4.3.1 DTCTiPTD混合C70濃度優化和厚度的優化 44
4.3.2 DTCToPTD混合C70濃度優化和厚度的優化 48
4.3.3 DTCPiPTD混合C70濃度優化和厚度的優化 51
4.3.4 DTCPoPTD混合C70濃度優化和厚度的優化 53
4.3.5 DTCTB、DTCTiPTD、DTCToPTD、DTCPB、DTCPiPTD、DTCPoPTD混合C70最佳化之元件比較 56
4.3.6對DTCTiPTD濃度的調變和厚度的優化(主體材料變多，受體材料變少) 58
4.3.7對DTCTiPTD:C70有機小分子太陽能元件插入DTCTiPTD激子阻擋層 61
4.3.8對DTCTiPTD:C70有機小分子太陽能元件插入TcTa激子阻擋層 63
4.3.9對DTCTiPTD:C70有機小分子太陽能元件插入MoO3:TAPC激子阻擋層 65
4.3.10對DTCTiPTD:C70有機小分子太陽能元件插入Bphen:C60緩衝層 68
第五章 第五章結論 70
5.1 結論 70
第六章 參考文獻 71

表目錄
表 3- 1不同摻雜濃度之ClAlPc元件結構(單位:nm) 15
表 3- 2不同摻雜濃度ClAlPc元件3-1~3-6之電流-電壓特性 16
表 3- 3不同摻雜濃度之SnNcCl2元件結構(單位:nm) 17
表 3- 4不同摻雜濃度SnNcCl2元件3-7~3-9之電流-電壓特性 18
表 3- 5不同摻雜濃度之TAPC元件結構(單位:nm) 19
表 3- 6不同摻雜濃度TAPC元件3-10~3-12之電流-電壓特性 20
表 3- 7最佳化之元件的排列 21
表 4- 1小分子材料在溶液態的基本特性 24
表 4- 2小分子材料在薄膜態的基本特性 26
表 4- 3DTCTiFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 27
表 4- 4DTCTiFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-1~4-5之電流-電壓特性 28
表 4- 5DTCToFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 30
表 4- 6DTCToFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-6~4-10之電流-電壓特性 31
表 4- 7DTCPiFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 32
表 4- 8DTCPiFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-11~4-15之電流-電壓特性 34
表 4- 9DTCPoFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 35
表 4- 10DTCPoFBT:C60在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-16~4-20之電流-電壓特性 37
表 4- 11有機小分子主體材料混合C60在最佳化之元件結構(單位:nm) 38
表 4- 12有機小分子主體材料混合C60在最佳化之元件電流-電壓特性 39
表 4- 13有機小分子主體材料在最佳化之元件結構混合C60、C70在最佳化與DTCTB、DTCPB混合C60、C70之元件結構(單位:nm) 40
表 4- 14有機小分子主體材料在最佳化之元件結構混合C60、C70與DTCTB、DTCPB混合C60、C70元件最佳化之電流-電壓特性 41
表 4- 15小分子材料在溶液態的基本特性 43
表 4- 16小分子材料在薄膜態的基本特性 44
表 4- 17DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 45
表 4- 18DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-21~4-29之電流-電壓特性 47
表 4- 19DTCToPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 48
表 4- 20DTCToPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-30~4-34之電流-電壓特性 50
表 4- 21DTCPiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 51
表 4- 22 DTCPiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-35~4-39之電流-電壓特性 52
表 4- 23DTCPoPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 54
表 4- 24DTCPoPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-40~4-44之電流-電壓特性 55
表 4- 25有機小分子主體材料混合C70在最佳化之元件結構(單位:nm) 56
表 4- 26有機小分子主體材料混合C70在最佳化之元件電流-電壓特性 57
表 4- 27DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化之元件結構(單位:nm) 58
表 4- 28DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度和厚度的優化元件4-45~4-49之電流-電壓特性 59
表 4- 29 DTCTiPTD不同厚度的優化之元件結構(單位:nm) 61
表 4- 30 DTCTiPTD不同厚度的優化元件4-23、4-50~4-52之電流-電壓特性 62
表 4- 31 TcTa不同厚度的優化之元件結構(單位:nm) 63
表 4- 32 TcTa不同厚度的優化元件4-23、4-53~4-57之電流-電壓特性 64
表 4- 33 MoO3:TAPC(10:1)不同厚度的優化之元件結構(單位:nm) 66
表 4- 34 MoO3:TAPC(10:1)不同厚度的優化元件4-23、4-58~4-61之電流-電壓特性 67
表 4- 35Bphen:C60不同厚度的優化之元件結構(單位:nm) 68
表 4- 36Bphen:C60不同厚度的優化元件4-23、4-62~4-65之電流-電壓特性 69

圖目錄
圖 1- 1OPV運作原理示意圖 2
圖 1- 2有機太陽能電流電壓特性曲線示意圖 4
圖 1- 3 DTDCPB、DTCTB、DTCPB分子 6

圖 2- 1陽極ITO基板圖案 8
圖 2- 2元件示意圖 10
圖 2- 3太陽能元件量測示意圖 11
圖 2- 4外部量子轉換效率量測示意圖 12
圖 3- 1 C70、ClAlPc、SnNcCl2、TAPC吸收頻譜 13
圖 3- 2元件架構能階圖 14
圖 3- 3不同摻雜濃度ClAlPc元件3-1~3-6 之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 (c)元件吸收頻譜 (d)IPCE頻譜 15
圖 3- 4不同摻雜濃度ClAlPc元件3-1~3-6 之 (a)元件反射頻譜 (b) 多重反射系統(multiple reflection cavity system (MRCS)) 16
圖 3- 5不同摻雜濃度SnNcCl2元件3-7~3-9 之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 (c)元件吸收頻譜 (d)IPCE頻譜 18
圖 3- 6不同摻雜濃度SnNcCl2元件3-7~3-9之(a)元件反射頻譜 (b) 多重反射系統(multiple reflection cavity system (MRCS)) 18
圖 3- 7不同摻雜濃度TAPC元件3-10~3-12 之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 (c)元件吸收頻譜 (d)IPCE頻譜 20
圖 3- 8不同摻雜濃度TAPC元件3-10~3-12之(a)元件反射頻譜 (b) 多重反射系統(multiple reflection cavity system (MRCS)) 20
圖 3- 9 ClAlPc:C70、SnNcCl2:C70、TAPC:C70最佳化元件之多重反射系統(multiple reflection cavity system (MRCS)) 21
圖 4- 1分子結構 (a) DTCTB, (b) DTCPB, (c) DTCTiFBT, (d) DTCToFBT, (e) DTCPiFBT, (f) DTCPoFBT 23
圖 4- 2小分子材料在溶液態的吸收頻譜 24
圖 4- 3小分子材料在薄膜態之HOMO 25
圖 4- 4小分子材料在薄膜態之吸收頻譜 25
圖 4- 5元件架構能階圖 26
圖 4- 6DTCTiFBT:C60在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 27
圖 4- 7DTCTiFBT:C60在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 29
圖 4- 8DTCToFBT:C60在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 30
圖 4- 9DTCToFBT:C60在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 32
圖 4- 10DTCPiFBT:C60在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 33
圖 4- 11DTCPiFBT:C60在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 35
圖 4- 12DTCPoFBT:C60在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 36
圖 4- 13DTCPoFBT:C60在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 37
圖 4- 14有機小分子主體材料混C60最佳化之元件之電流-電壓曲線 (a)1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 (b) IPCE頻譜 39
圖 4- 15小分子材料最佳化之元件在1 sun AM1.5G 模擬太陽光下之電流-電壓曲線 (a) C60 (b) C70 41
圖 4- 16小分子材料最佳化之元件IPCE頻譜 (a) C60 (b) C70 41
圖 4- 17分子結構 (a) DTCTB, (b) DTCPB, (c) DTCTiPTD, (d) DTCPiPTD, (e) DTCToPTD, (f) DTCPoPTD 42
圖 4- 18小分子材料在溶液態的吸收頻譜 42
圖 4- 19小分子材料在薄膜態之HOMO 43
圖 4- 20小分子材料在薄膜態之吸收頻譜 43
圖 4- 21元件架構能階圖 45
圖 4- 22DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 46
圖 4- 23DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 48
圖 4- 24DTCToPTD:C70在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 49
圖 4- 25DTCToPTD:C70在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 50
圖 4- 26DTCPiPTD:C70在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 52
圖 4- 27DTCPiPTD:C70在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 53
圖 4- 28DTCPoPTD:C70在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 54
圖 4- 29DTCPoPTD:C70在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 56
圖 4- 30有機小分子主體材料混合C70最佳化之元件之電流-電壓曲線 (a)1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 (b) IPCE頻譜 57
圖 4- 31DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下，和厚度的優化之電流-電壓曲線 (c)未照光條件 (d) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 59
圖 4- 32DTCTiPTD:C70在不同摻雜濃度之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜，不同厚度優化之 (d) IPCE頻譜 (e) IQE頻譜 (f)元件吸收頻譜 60
圖 4- 33元件架構能階圖 61
圖 4- 34 DTCTiPTD在不同厚度的優化之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 62
圖 4- 35 DTCTiPTD在不同厚度優化之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜 63
圖 4- 36 TcTa在不同厚度的優化之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 64
圖 4- 37 TcTa在不同厚度優化之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜 65
圖 4- 38 MoO3:TAPC(10:1)在不同厚度的優化之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 66
圖 4- 39 MoO3:TAPC(10:1)在不同厚度優化之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜 67
圖 4- 40 DTCTiPTD、TcTa、MoO3:TAPC(10:1)在薄膜態之HOMO 67
圖 4- 41MoO3:TAPC在不同厚度的優化之電流-電壓曲線 (a)未照光條件 (b) 1 sun AM1.5G 模擬太陽光下 68
圖 4- 42MoO3:TAPC在不同厚度優化之 (a)IPCE頻譜 (b) IQE頻譜 (c) 元件吸收頻譜 69

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