高分子物性与加工有机共轭高分子太阳电池姓名：陈睿麒学号.DOC

高 分 子 物 性 與 加 工 有機共軛高分子太陽電池 學號：497H0910 摘要 有機共軛高分子太陽電池具有製程簡易，可製作大面積，質量輕且可撓曲等優點，故能製作出低成本之太陽電池。然而，溶液互溶是在製作有機高分子太陽電池多層結構時最主要的問題之一。本研究分別以高溫烘烤、旋轉潤濕、及緩衝層技術解決此問題。結果發現以丙二醇當緩衝層之技術，能降低溶液互溶的問題，並提高多層結構元件的效率。 簡介 有機材料不同特性，有機太陽能電池又可區分為（1）染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells，DSSC），1991年瑞士聯邦理工學院的M. Graumltzel教授的研究團隊，發明具光敏性質之染料吸附於半導體奈米多孔洞結構之TiO2電極，搭配具有氧化-還原性質(I- / I3-)之電解液，製作出光電轉換效率高達7 %之染料敏化太陽能電池，目前這種電池的光電轉換效率最高已超過 11%，其發展潛力備受矚目。（2）小分子有機太陽能電池（Molecular Solar Cells）。（3）高分子有機太陽能電池（polymer solar cells），1981 年時A. Takahashi研究團隊最早將共軛高分子材料使用於製作太陽能電池。目前高分子有機太陽能電池常用的材料為聚 3-己烷基噻吩（poly (3-hexylthiophene), P3HT） 聚合物半導體（p 型材料）、苯基-C61 丁酸甲酯 (phenyl-C61-butyric acid methylester, PCBM)（n 型材料）所組成。其做法是將這兩種有機半導體材料以溶劑溶解後進行混合，而後再塗佈到元件上。均勻混合後的 pn 介面面積能有效提高，增加激子被拆解的機會而提升電池效率。 目前效率最高的P3HT/PCBM混摻複合層太陽能電池，其主要吸光層P3HT吸光主峰為500 nm左右，但太陽光能量強度最高的範圍則為600~800 nm。為了能更有效地利用太陽光，目前許多研究團隊正著手研發其他種類之有機共軛高分子，使其吸收光譜能涵蓋至近紅外光區段。 實驗方法 元件程序流程圖： ITO 玻璃基板圖樣化 基板切割與清洗 乾式光阻 曝光 顯影 蝕刻 ITO 基板清洗 將 ITO 玻璃置於鐵氟龍載具，放入裝有丙酮的結晶皿中，超音波震盪 10 分鐘，去除附著的有機粒子。 DI Water 清洗後，夾子將載具內的 ITO 玻璃夾出，牙刷刷洗 ITO 表面，同時用 DI Water 沖洗來去除較大的顆粒。 將 ITO 玻璃置於鐵氟龍載具，放入裝有異丙醇（isopropanol）的結晶皿，超音波震盪 10 分鐘後，取出以氮氣槍吹乾。 高分子層之成膜 PEDT/PSS 膜有（10 S/cm），，最低表面 300 ohms/square，有很好的抗水解性 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 主動層溶液的配置 P3HT/ PCBM，兩種以1：1的重量比例混合，濃度 17mg/ml 溶於進行主動層之旋轉塗佈前再以孔徑 0.2μm 的過濾器過濾溶液來溶於不同的溶劑 主動層之成膜 在PEDOT：PSS成膜並退火過後，以旋轉塗佈的方式，轉速為 450rpm，時間為 60sec塗佈主動層。在旋轉塗佈之前，須將溶液加熱數秒幫助溶液溶解。由於DCB具有高沸點的特性，在經過旋轉塗佈之後，溶劑尚未揮發，因此將元件平放在戳洞鋁箔覆蓋的培養皿，讓溶劑慢慢揮發，同時有利於P3HT及PCBM的排列，提高載子的遷移率。經過約半個小時到一個小時的自然陰乾，待溶劑完全揮發之後，再以四氫呋喃 tetrahydrofuran（THF）擦拭四周，定義主動層區域，之後主動層退火溫度 140，時間 20min。 陰極蒸鍍 在元件之後，置於適當的光罩，送入蒸鍍機中，在抽真空至 5×10-6 torr以下開始蒸鍍。首先以鍍率 0.2nm/sec蒸鍍電極Ca至 50nm，鍍完靜置 5 分鐘，然後以 0.3~0.5nm/sec蒸鍍Ag(Al)至 80nm，以避免Ca被氧化。靜置 5 分鐘後才破 封裝 在氮氣環境中，將紫外線硬化性樹脂塗於 1.9cm×1.5cm 子玻璃四周，再將樣品蓋在子玻璃上，將多餘的空氣擠出樣品之外，以 UV 光照射 29sec，使封裝膠產生聚合反應而硬化，可短暫避免水氧的侵入，延長元件的壽命。 量測系統 使用工研院材料化學所之太陽燈模擬系統---PECCELL Solar Simulator ，功率為AM1.5G （100mW/cm2）搭配電腦程式以及Keithley 2400 電源供應器，量測Voc、 Jsc 、FF、 PCE等參數。 緩衝層材料 實驗所使用的緩衝層材料為丙二醇（1,2 pr