專利名稱：：太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，且特別是涉及一種具有高的光電流的太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
：太陽(yáng)能電池(solarcells或photovoltaiccells,簡(jiǎn)稱PV)是一種能量轉(zhuǎn)換的光電裝置，它是經(jīng)由太陽(yáng)光照射后，將光的能量轉(zhuǎn)換成電能。太陽(yáng)能電池可以用來(lái)提供照明、加熱、或是各種電子產(chǎn)品與交通工具的電源供應(yīng)。由于太陽(yáng)能電池在使用中不會(huì)釋放包括二氧化碳在內(nèi)的任何氣體，這可改善生態(tài)環(huán)境、解決地球溫室效應(yīng)的問(wèn)題；此外，由于太陽(yáng)光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒(méi)有能源耗盡的疑慮之外，還可以避免能源被壟斷的問(wèn)題，因此各國(guó)莫不積極地發(fā)展太陽(yáng)能源的應(yīng)用科技，期望通過(guò)增加太陽(yáng)能源的利用來(lái)減低對(duì)化石能源的依賴。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池是由無(wú)機(jī)材料所構(gòu)成，例如單晶硅、多晶硅、非晶硅、或GaAs、CdTe等各種化合物半導(dǎo)體材料。目前商業(yè)上的太陽(yáng)能電池以單晶硅與多晶硅為主，而且有些太陽(yáng)能電池已經(jīng)達(dá)到23%以上的轉(zhuǎn)換效率。然而，使用單晶硅的太陽(yáng)能電池由于磊晶上的困難且成本太高，不容易大面積化。新一代的太陽(yáng)能電池是以有機(jī)材料做成，具有柔性、易于大面積化、制程簡(jiǎn)單且低耗能、低成本等優(yōu)勢(shì)，但由于能量轉(zhuǎn)換效率太低，一般在5%以下，成為實(shí)際應(yīng)用的最大障礙，因而如何有效提高能量轉(zhuǎn)換效率，成為有機(jī)太陽(yáng)能電池開發(fā)的重要課題。目前提高轉(zhuǎn)換效率的方式包括摻雜有機(jī)導(dǎo)電高分子與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體、使用激子擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)的材料等。然而，要將有機(jī)太陽(yáng)能電池作商業(yè)化的應(yīng)用，仍需針對(duì)其轉(zhuǎn)換效率作進(jìn)一步提高。
發(fā)明內(nèi)容基于上述背景，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有高光電流的有機(jī)太陽(yáng)能電池，以提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能電池，包括第一電極；第二電極；介于第一電極與第二電極之間的光活性層(photoactivelayer);以及介于該光活性層與該第一及第二電極中至少一個(gè)電極之間的極性有機(jī)層。本發(fā)明另提供一種太陽(yáng)能電池，包括第一電極；第二電極；介于第一電極與第二電極之間的光活性層；以及介于該光活性層與該第一及第二電極中至少一個(gè)電極之間的有機(jī)層，該有機(jī)層具有遠(yuǎn)離該光活性層的表面，且該表面具有極性官能團(tuán)，指向該至少一個(gè)電極。為了使本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更加明顯易懂，下文特例舉優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下具體實(shí)施例方式請(qǐng)參照?qǐng)D1,其示出了本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的太陽(yáng)能電池。如圖中所示，本發(fā)明的太陽(yáng)能電池的特征在于將極性有機(jī)材料50設(shè)置在光活性層40與電極20及/或60之間。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這層極性有機(jī)材料可以大幅度增加太陽(yáng)能電池的光電流密度，在優(yōu)選實(shí)施例中，甚至可使光電流密度提高50%。光電流增加的原因可能是因?yàn)闃O性材料所產(chǎn)生的界面偶極矩(interfacialdipole)降低了界面間的電阻使電荷載子較易傳導(dǎo)出來(lái)，因而提高了光電流密度。以下將針對(duì)本發(fā)明的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)注意的是，在本說(shuō)明書中所稱"在基材上，，，在某層之上"，或者"在某層上方，，等用語(yǔ)，皆只是用來(lái)表達(dá)上下層間的相對(duì)關(guān)系，并非表示所描述的上下兩層一定互相接觸，反之，上下兩層之間亦有可能夾設(shè)其它一層或一層以上的中間層。圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的太陽(yáng)能電池的剖面示意圖。主要附圖標(biāo)記說(shuō)明10基板20~下電極30平坦化層40光活性層50極性有機(jī)層60~上電招_如圖1所示，本發(fā)明的太陽(yáng)能電池設(shè)置在適當(dāng)?shù)幕腎O上，例如玻璃、塑料或金屬基材。基材10可以是硬質(zhì)基材，如玻璃或石英，但也可以是柔性基材，如柔性高分子。可用來(lái)作為柔性基材的高分子材料包括(但不限于)聚萘二曱酸乙二酯(PEN;polyethylenenaphthalate)、聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET;polyethyleneterephthalate)、聚酰胺(polyamide)、聚曱基丙烯酸曱酯(polymethylmethacrylate)、聚碳酸酉旨(polycarbonate)、及/或聚氨酉旨(polyurethane)。柔性基材可應(yīng)用在連續(xù)制程上，例如網(wǎng)迭式涂布(web-basedcoating)或迭層(lamination)制程。此外，基板10除了絕緣材質(zhì)之外，也可使用導(dǎo)電材質(zhì)，例如鈥、鋁、銅、鎳等金屬材質(zhì)。基板10的厚度并無(wú)特別限定，可依照實(shí)際需要作適當(dāng)調(diào)整?；?0上設(shè)置有下電極20。在優(yōu)選實(shí)施例中，下電極為透明材質(zhì)，以使輻射線可通過(guò)電極到達(dá)光活性層40。優(yōu)選的下電極材料為金屬氧化物或含有摻雜物(doped)的金屬氧化物，包括(但不限于)氧化銦錫(indiumtinoxide，ITO),氧化錫、摻氟氧化錫等。下電極20可用任何傳統(tǒng)方法形成，例如氣相沉積、濺鍍等。下電極20的厚度一般在50~500nm之間。由于下電極20的表面通常較為粗糙，因此在下電極20表面最好先形成一平坦化層(smoothinglayer)30,以避免下電極的粗糙表面影響裝置效能。平坦化層30的材料通常是高分子，最常用的材料為聚二氧乙基噻吩/聚對(duì)苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),但亦可使用其它材料。平坦化層的厚度可依實(shí)際情況調(diào)整，一般在10100nm之間，通常是以旋轉(zhuǎn)涂布的方式沉積在下電極20上。此外，PEDOT:PSS除了可平坦下電極表面外，亦有空穴注入層(HIL;holeinjectionlayer)的功能，亦即，幫助空穴注入下電極20。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亦可用其它摻雜導(dǎo)電高分子來(lái)替代PEDOT:PSS，只要其具有適當(dāng)?shù)墓瘮?shù)，可幫助空穴注入至下電極20即可。平坦化層30上為光活性層40,其至少含有兩種成份，包括電子給體(electrondonor)與電子受體(electronacceptor),其中電子給體優(yōu)選為共扼高分子，電子受體優(yōu)選為富勒烯(fullerene)。適當(dāng)?shù)墓曹椄叻肿影?但不限于)聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并p塞吩(PITN;polyisothianaphthene)、聚噻吩(PT;polythiophene)、聚吡咯(PPr;polypyrrol)、聚芴(PF;polyfl匿ene)、聚笨(PPP;poly(p-phenylene))、聚亞笨基乙烯(PPV;poly(phenylenevinylene)的衍生物。適當(dāng)?shù)碾娮邮荏w包括(但不限于)聚(氰基苯撐乙烯)(poly(cyanophenylenevinylene))、富勒烯如碳60及其官能化衍生物(如PCBM)、有機(jī)分子、有機(jī)金屬、無(wú)機(jī)納米粒子(如CdTe,CdSe,CdS，CuInS2,CuInSe2等)。電子給體與電子受體的重量比可介于1:0.1~1:20,優(yōu)選在1:0.5-1:IO之間。在一實(shí)施例中，光活性層40的成分包括P3HT:PCBM(聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene)):[6,6]-苯基Q廣丁酸曱酯([6,6]-phenylC6i-butyricacidmethylester))。制作光活性層40時(shí)，可將電子給體與電子受體混合在溶劑中，然后將所得溶液以旋轉(zhuǎn)涂布的方式沉積在平坦化層30上。除了旋轉(zhuǎn)涂布外，其它常用的沉積方式還包括噴涂(spraycoating)、絲網(wǎng)印刷(screenprinting)、噴墨印刷(inkjetprinting)等。光活性層40厚度可從50nm至數(shù)微米(pn)不等，視所使用的沉積方式而定。此外，雖然圖中的光活性層40繪示成單層膜，但實(shí)際上電子給體與電子受體也有可能是獨(dú)立的兩層薄膜，例如PT/C60或PPV/C60。之后，進(jìn)行本發(fā)明的重要步驟，在沉積上電極60(或?qū)﹄姌O)之前，先在光活性層40上形成極性有機(jī)層50。極性有機(jī)層50優(yōu)選為含有下列至少一種極性官能團(tuán)的極性高分子羥基(hydroxyl)、羰基(carbonyl)、羧基(carboxyl)、巰基(mercapto)、氨基(amino)、鹵素(halo)、氰基(cyano)、烷氧基(alkoxy)、環(huán)氧基(epoxy)、砜基(sulfonyl)。優(yōu)選的極性高分子包括(但不限于)聚碳酸酯、聚丙烯酸(poly(acrylicacid))、聚曱基丙烯酸、聚氧化物(polyoxide)、聚硫化物(polysulfide)、聚砜(polysulfone)、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚酰亞胺、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯吡啶(polyvinylpyridine)、聚乙烯基p比咯烷酉同(poly(vinylpyrrolidone)、纖維素(celluloses，包括改性纖維素)、以及前述的共聚物、組合物、或是各種含有極性共單體(〉50mol。/。)的烯烴共聚物等。極性高分子最好具有3以上的高介電常數(shù)(k)。在優(yōu)選實(shí)施例中，該極性有機(jī)層可至少增加20%的光電流密度，在更優(yōu)選的實(shí)施例中，可增加高達(dá)50%的光電流密度，但本發(fā)明并未因此限于特定的增加比例。可以旋涂方式將含有上述極性高分子的溶液涂布在光活性層40上而形成極性有機(jī)層50。除了旋轉(zhuǎn)涂布外，其它沉積方式如噴涂(spraycoating)、絲網(wǎng)印刷(screenprinting)、噴墨印刷(inkjetprinting)等亦可使用。由于極性有機(jī)層50下方的光活性層40為非極性表面，因此極性有機(jī)層50在成膜后，高分子的極性官能團(tuán)將主要位于相反面(上表面)的位置。這些極性官能團(tuán)朝向后續(xù)將形成的上電極，并在兩者之間提供界面偶極矩(interfacialdipole)。發(fā)明人推測(cè)有可能是因?yàn)樵撎幍慕缑媾紭O矩降低了界面間的電阻使電荷載子較易傳導(dǎo)出來(lái)，因此提高了光電流密度。實(shí)驗(yàn)顯示該極性有機(jī)層50的厚度會(huì)影響光電流密度的增加效果，優(yōu)選的厚度范圍在0.1-20nm,更佳在lOnm以下。如果極性有機(jī)層的厚度太厚，其體電阻的影響將抵消光電流密度的增加效果。此外，雖然圖中所繪示的極性有機(jī)層為平坦表面，但在顯微鏡底下應(yīng)為粗糙結(jié)構(gòu)。之后，將上電極60形成在極性有機(jī)層50上，即可完成太陽(yáng)能電池的制作。上電極60的材質(zhì)優(yōu)選為不透光金屬，例如A1、Ca/Al、Mg/Al、Cu、Au等。上電極通常是以蒸鍍法沉積，但亦可用其它方式形成。上電極60的厚度優(yōu)選可在50~500nm之間。雖然在圖1所繪示的實(shí)施例中，極性有機(jī)層50是設(shè)置在光活性層40與上電極60之間，但本發(fā)明的極性有機(jī)層50也可以設(shè)置在光活性層40與下電極20之間。此外，在其它實(shí)施例中，亦可設(shè)置兩層或兩層以上的極性有機(jī)層而將光活性層50包夾在兩層極性有機(jī)層之間。實(shí)施例1將ITO玻璃分別用丙酮及異丙醇(IPA)以超聲波震蕩清洗，以氮?dú)獯蹈?，放置在真空下干燥一個(gè)晚上。將ITO玻璃置于UV/臭氧下5分鐘，旋轉(zhuǎn)涂布PEDOT:PSS后以150。C烘烤一小時(shí)，再冷卻至室溫。接著，旋轉(zhuǎn)涂布光活性層(P3HT/PCBM-1:1byweight),緩慢干燥后，將ITO玻璃置于140°C加熱板上回火10分鐘，再將其冷卻。之后，在光活性層上以6000rpm/30sec的速度旋轉(zhuǎn)涂布PVP(聚乙烯基苯酚(polyvinylphenol),0.01wt%,在曱氧基乙醇(methoxyethanol)中)，以形成極性有機(jī)層。最后，在極性有機(jī)層上依序蒸鍍Ca與Al作為上電極。所得的太陽(yáng)能電池以太陽(yáng)仿真器(solarsimulator)在25°C，1000W/m2,大氣質(zhì)量(airmass)1.5G下量測(cè)其效率，結(jié)果列于表1。實(shí)施例2依照實(shí)施例1的步驟制作太陽(yáng)能電池，但其中將極性有機(jī)層的旋涂條件改為4000rpm/30sec。所得的太陽(yáng)能電池同樣以太陽(yáng)仿真器量測(cè)其效率，結(jié)果亦列于表l。實(shí)施例3依照實(shí)施例1的步驟制作太陽(yáng)能電池，但其中將極性有機(jī)層的旋涂條件改為2000rpm/30sec。所得的太陽(yáng)能電池同樣以太陽(yáng)仿真器量測(cè)其效率，結(jié)果亦列于表1。比較例依照實(shí)施例1的步驟制作太陽(yáng)能電池，但不涂布極性有機(jī)層。所得的太陽(yáng)能電池同樣以太陽(yáng)仿真器量測(cè)其效率，結(jié)果亦列于表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>*Jsc:短3各電流密度*Voc:開路電壓*FF:填充系數(shù)*PCE:光電轉(zhuǎn)換效率由表1可看出，太陽(yáng)能電池的電流密度(Jsc)從比較例(不含極性有機(jī)層)的11mA/cm2大幅提高到實(shí)施例1的16.7mA/cm2,增加幅度大于50%,而光電轉(zhuǎn)換效率亦從3.05%提高至5.42%，增加幅度接近80%。另外，由實(shí)施例2、3的數(shù)據(jù)看來(lái)，隨著旋涂速率降低、極性有機(jī)層厚度增加，光電流密度的增加效果也隨之降低。實(shí)施例4依照實(shí)施例1的步驟制作太陽(yáng)能電池，但其中將極性有機(jī)層的旋涂條件改為1000rpm/30sec。附著性測(cè)試以Scotch3M膠帶對(duì)實(shí)施例4與比較例的試樣進(jìn)行附著性測(cè)試。將膠帶貼在試樣上后迅速拉起，依照試樣上殘留的電極量可比較兩者的相對(duì)附著強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)施例4的上電極無(wú)脫落情形，完全通過(guò)膠帶測(cè)試，而比較例的上電極卻有83%脫落。上電極的附著力顯著提高可歸因于極性有機(jī)層的極性官能團(tuán)所產(chǎn)生的界面偶極矩。雖然本發(fā)明已以多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)可作任意更改與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求書限定的范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1.一種太陽(yáng)能電池，包括第一電極；第二電極；光活性層，介于第一電極與第二電極之間；以及極性有機(jī)層，介于該光活性層與該第一及第二電極中至少一個(gè)電極之間。2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層包括極性聚合物。3.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層的介電常數(shù)大于4.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層的厚度小于10nm。5.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中該光活性層包括電子供體與電子受體，該電子供體與電子受體的重量比介于1:0.1~1:20之間。6.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其光電流密度比不含該極性有機(jī)層的太陽(yáng)能電池增加20%。7.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其進(jìn)一步包括額外的極性有機(jī)層，8.—種太陽(yáng)能電池，包括第一電極；第二電極；光活性層，介于第一電極與第二電極之間；以及有機(jī)層，介于該光活性層與該第一及第二電極中至少一個(gè)電極之間，該有機(jī)層具有遠(yuǎn)離該光活性層的表面，且該表面具有極性官能團(tuán)，指向該至少一個(gè)電極。9.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性官能團(tuán)系選自下列至少之一羥基、羰基、羧基、巰基、氨基、鹵素、氰基、烷氧基、環(huán)氧基、砜基。10.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其中該具有極性官能團(tuán)的表面與該至少一個(gè)電才及接觸。11.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層包括極性聚合物。12.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層的介電常數(shù)大于3。13.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其中該極性有機(jī)層的厚度小于10亂14.如權(quán)利要求8項(xiàng)所述的太陽(yáng)能電池，其中該光活性層包括電子供體與電子受體，該電子供體與電子受體的重量比介于1:0.11:20之間。15.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其光電流密度比不含該極性有機(jī)層的太陽(yáng)能電池增加20%。16.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能電池，其進(jìn)一步包括額外的有機(jī)層與該有幾層之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種具有高光電流的太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)主要包括第一電極；第二電極；介于第一電極與第二電極之間的光活性層，以及介于該光活性層與至少一個(gè)電極之間的極性有機(jī)層。文檔編號(hào)H01L51/42GK101207183SQ20071010214公開日2008年6月25日申請(qǐng)日期2007年4月29日優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日發(fā)明者晴丁,衛(wèi)靖燕,孟心飛,柯寶燦,陳意君,韓政良申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院