有機太陽能電池之電荷萃取層研究

  • 董 國成

學生論文: Master's Thesis

摘要

本研究探討主動層上覆?電荷萃取層(聚乙烯亞胺 PEI)後,主動層的微結構變化及PEI的薄膜特性對有機太陽能電池的電特性之影響,聚(3-己烷?吩) (Poly (3-hexylthiophene) P3HT)摻雜碳六十衍生物([6 6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester PCBM)為主動層材料,使用的溶劑為氯苯。首先比較主動層有無覆?PEI的電子萃取能力,並進一步改變PEI的製程參數,包括濃度、熱烤溫度、熱烤時間及氧電漿處理條件,將PEI的薄膜特性優化。接著比較不同電荷萃取層對元件特性的影響,最後將PEI應用於不同主動層系統的有機太陽能電池。我們使用吸收光譜儀、拉曼光譜儀、X光繞射儀和原子力顯微鏡對薄膜進行分析,並進一步分析其相對應太陽能電池元件的電特性。 由薄膜的分析結果發現,主動層覆?PEI後,P3HT在非結晶區的結構均勻性變差,而結晶區的均勻性變好,但不影響主動層薄膜的表面形態。此外,PEI層能有效萃取主動層的電子並阻擋電洞,使元件的短路電流由5 04 mA/cm2提升至8 35 mA/cm2,與填充因子由0 28提升至0 64。在PEI的製程參數優化中,我們發現改變PEI的製作條件,不會影響主動層的微結構及表面形貌。以濃度0 01 wt%製備的PEI薄膜,具最佳化的電子萃取與電洞阻擋能力。PEI的熱烤溫度條件與其熔點(60 oC)有關,在90 oC時PEI可均勻覆?於主動層上,使元件效率最佳。PEI的熱烤時間為20分鐘時,PEI可以完全熔解並均勻覆?於主動層上,使元件效率最好。而主動層表面的氧電漿處理,我們發現隨施打氧電漿的總能量提升,主動層會產生缺陷,使元件特性變差。故選擇適當的PEI參數,可以有效提升元件效能。 接著我們比較以PEI或Ca作為電子萃取的元件特性。覆?Ca的元件,其外部量子效率值最高約50 %,轉換效率僅為2 36 %。而覆?PEI元件,其外部量子效率可進一步提高至60 %,因此電子可以有效的被萃取出來,提升元件的短路電流,轉換效率可達3 17 %。在大氣下的元件穩定性測試,我們發現Ca作為傳輸層的元件相當容易受空氣中水氧的影響,因此覆?上Ca的元件不到30分鐘就已測量不到電性。而覆?上PEI的元件,約三個小時過後,仍保有50 %的電性,七個小時後才量不到元件電性,故其在大氣下的穩定性明顯優於覆?上Ca的元件。 最後將PEI應用於主動層為P3HT:PCBM,溶劑為鄰-二氯苯(1 2-dichlorobenzene DCB),及主動層為P3HT混摻?-碳六十之雙加成物(Indene-C60 bisadduct ICBA)的太陽能電池元件,同樣具有電子有效被萃取出來的效果,提升元件的短路電流,轉換效率分別達2 76 %與4 13 %。
獎項日期2014 八月 6
原文???core.languages.zh_ZH???
監督員Horng-Long Cheng (Supervisor)

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