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TWI739190B - 具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組及其製造方法 - Google Patents

具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組及其製造方法 Download PDF

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TWI739190B TW108139238A TW108139238A TWI739190B TW I739190 B TWI739190 B TW I739190B TW 108139238 A TW108139238 A TW 108139238A TW 108139238 A TW108139238 A TW 108139238A TW I739190 B TWI739190 B TW I739190B
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Abstract

一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組，包括一圖案化氧化銦錫層，設置於一基板上，該圖案化氧化銦錫層是作為陰極；一電子傳輸層，設置於該氧化銦錫層上；一主動層，設置於該電子傳輸層上； 一電洞傳輸層，設置於該主動層上形成；以及一上電極，設置於該電洞傳輸層上，其中該上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之電極可透光有機太陽電池模組。本發明利用圖案化的金屬電極以製造可透光有機太陽能電池，可應用於農電共生的農業溫室、建築整合太陽能。

Description

具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組及其製造方法
本發明係有關於一種可透光有機太陽電池模組，特別是有關於一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組。
由於臺灣地狹人稠，未來在持續推動太陽能政策後，勢必會影響到農業用地的利用，依農委會「申請農業用地作農業設施容許使用辦法」第 30 條規定，綠能設施不得影響農業生產及經營，其農業生產之產量標準並須達農業統計年報最近三年平均產量之七成以上。這使得獨佔市場的不透光矽晶太陽能電池無法安裝於農地，為解決平衡能源政策與農業發展產生競爭的衝突，將可透光有機太陽電池安裝於農業溫室，不但可栽種作物，且能提供自給自足的電力需求，將是達成太陽光電產業與農業共存共榮的最佳途徑。
可透光模組會在一般商用透明導電基材(ITO)上開始製作，ITO膜層通常被選擇做為模組的下方透明導電電極，而上方電極的部份，目前習知的可透光電極製備方法有兩種，第一種作法為，過去常使用熱蒸鍍法沉積上一層約100 nm厚的金屬電極，但這樣的厚度已無法使模組呈現可透光性，因此降低此金屬電極的厚度為直觀上最容易達到可透光性的作法，然而金屬電極的厚度與其導電性呈現高度的取捨(trade-off)關聯性，降低厚度以提升透光度即會造成導電性的下降，進而造成模組光電轉換效能的下降。
另一種達成可透光電極的製備作法是使用可透光導電材料，如奈米金屬銀線或高導電度高分子等均為可採用的可透光電極之製備材料，這些材料通常是利用溶液製程進行塗佈，因此其與被覆蓋在下層的主動層之間的接觸情形需要被完整評估，特別是在大面積塗佈時將呈現的膜層均勻性問題，再者欲達到較佳的電極導電性，這些替代的可透光電極材料亦需適度地增加其膜層厚度，但隨之而來的是光穿透度的下降。
本發明之目的是提供一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組及其製造方法，利用圖案化的銀電極並搭配使用可透光的導電高分子(同時可做為電洞傳輸層)之製作方式來達到可透光電極之製備。
本發明為達成上述目的提供一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組，包括一圖案化氧化銦錫層，設置於一基板上，該圖案化氧化銦錫層是作為陰極；一電子傳輸層，設置於該氧化銦錫層上；一主動層，設置於該電子傳輸層上； 一電洞傳輸層，設置於該主動層上形成；以及一上電極，設置於該電洞傳輸層上，其中該上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之電極可透光有機太陽電池模組。
本發明為達成上述目的更提供一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組的製作方法，包括以下步驟：於一基板上形成一氧化銦錫層；圖案化該氧化銦錫層；清潔與臭氧O3電漿表面處理該氧化銦錫層與該基板；於該氧化銦錫層上形成一電子傳輸層；於該電子傳輸層上形成一主動層； 於該主動層上形成一電洞傳輸層；於該電洞傳輸層上形成上電極，其中該上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之可透光有機太陽電池模組。
與習知之可透光有機太陽電池模組比較，本發明具有以下優點： 1. 本發明利用圖案化的金屬電極以製造可透光有機太陽能電池，可應用於農電共生的農業溫室、建築整合太陽能(Building-integrated photovoltaics，BIPV)。本發明可應用於具有隔熱及發電雙重功能的太陽能窗。 2. 透過銀電極的圖案化設計，並將銀電極匯流排(busbar)設計於主動層上，可以使銀電極遮蔽率大幅降低57.4%而達到良好的可透光特性，並且其效能與全電極設計相比，其相對效能僅些微下降。
本發明是利用圖案化的銀電極製作方式來達到可透光電極之製備。在製作銀電極時，利用網印製程或熱蒸鍍的方式製作指狀電極(finger)並將匯流排電極(busbar)製作在主動層上。
實施例1：可透光有機太陽能電池模組是由有機太陽能電池元件串聯而成，其元件結構為反式結構，每個元件都是由下電極(氧化銦錫ITO與玻璃板glass或軟性基材PET)、電子傳輸層(鋁鋅氧化物AZO, Al:ZnO)、主動層(P3HT:PC61 BM)、電洞傳輸層(PEDOT:PSS)、銀電極(Ag)之膜層堆疊而成。第1圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組之示意圖。如第1圖所示，具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組10包括一基板12、一圖案化氧化銦錫層14、一電子傳輸層16、一主動層18、一電洞傳輸層20以及一上電極22。圖案化氧化銦錫層14是作為陰極並且設置於基板12上，基板12可以是玻璃板或軟性基材。
本發明是將氧化銦錫層14與基板12以玻璃切割器裁切成13×10 cm2的尺寸大小，再移至雷射機台，開啟設定的模組圖形，如每1.6cm寬距切割一條雷射線，雷射參數設定電流是28A，氧化銦錫層14與軟性基材之切割速度是280 mm/s; 氧化銦錫層14與玻璃板切割速度是20mm/s，QSW (Q-switched， Q 開關)是10 KHZ。雷射切割完成圖案化後，利用電錶量測各區間的電阻，作為判斷是否有切斷之依據。將雷射切割圖案化的模組使用丙酮擦拭氧化銦錫層14與基板12表面，除去氧化銦錫層14表面的髒污及油脂，再以氮氣噴槍吹乾即完成清洗步驟。將清洗完成之氧化銦錫層14與基板12面朝上之方式放入O3電漿清洗機，進行18分鐘電漿處理，後續進行各膜層塗佈程序。
電子傳輸層16設置於該氧化銦錫層14上，使用鋁鋅氧化物AZO作為電子傳輸層16，溶液配置為取醋酸鋅1克、醋酸鋁15毫升及Zonyl® FS-300界面活性劑60毫克，加入10毫升的去離子水(18.2 MΩ•cm)於室溫下攪拌6-10小時，再以45µm的過濾膜過濾。於進行膜層塗佈前，以AZO:去離子水以1:1體積比稀釋，將溶液裝入批次塗佈機的注射針筒中，塗佈參數為狹縫塗佈刀頭與樣品之間距為0.2-0.25 mm，塗佈流量與速度為0.2 ml/min及0.5 m/min。
主動層18是設置於該電子傳輸層16上，使用P3HT poly(3-hexylthiophene) 聚(3-己烷基噻吩)與PC61 BM 6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester 碳六十衍生物做為主動層18之材料，以1:1的重量比，濃度為15mg/ml溶於鄰二甲苯/3 vol% DIO溶劑中，於60 ℃下加熱攪拌12 小時，即完成溶液配置。將配置好之主動層18溶液注入狹縫塗佈設備中，設定基板溫度為60℃，狹縫刀頭與樣品間距為0.4-0.45 mm，塗佈流量與速度為2.0 ml/min及2.0 m/min，將主動層18塗佈於電子傳輸層16上。在進行膜層塗佈之前，基材會以噴槍清潔處理，再將基材置放在預先加熱的基板上，以抽真空吸附的方式固定於基板上，並停留3分鐘使基材與加熱基板間達到熱平衡，接著以狹縫塗佈方式進行膜層塗佈，完成膜層塗佈後，靜置3分鐘於加熱基板上乾燥成薄膜。
電洞傳輸層20是設置於該主動層18上，電洞傳輸層20使用可透光導電高分子材料，如PEDOT:PSS， poly (3,4-ethylenedioxythiophene) 聚(3,4-乙烯二氧噻吩): poly(styrenesulfonate) 聚苯乙烯磺酸與IPA isopropyl alcohol 異丙醇以等體積進行配製(1:1)，再以超音波震盪混合均勻，將PEDOT:PSS混合液注入狹縫塗佈設備中，設定基板溫度至80 ℃，狹縫刀頭與樣品間距為0.4-0.45 mm，塗佈流量與速度為0.5 ml/min及0.1m/min，將電洞傳輸20層塗佈於主動層18上。在進行膜層塗佈之前，基材會以噴槍清潔處理，再將基材置放在預先加熱的基板上，以抽真空吸附的方式固定於基板上，並停留3分鐘使基材與加熱基板間達到熱平衡，接著以狹縫塗佈方式進行膜層塗佈，完成膜層塗佈後，靜置3分鐘於加熱基板上乾燥成膜。完成電洞傳輸層塗佈後，隨後放置於溫度設定在130 ℃的烘箱中烘烤10 min，使表面乾燥並同時對主動層18進行熱退火。
上電極22設置於該電洞傳輸層20上，上電極20是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之電極可透光有機太陽電池模組10。將已塗佈好電子傳輸層16、主動層18、電洞傳輸層20的堆疊膜層，貼合蒸鍍電極的圖案片，將堆疊膜層放於高真空熱蒸鍍機系統中，抽真空至腔體低於6×10-6 torr，銀電極的蒸鍍厚度於前10 nm時為鍍率0.3 Å/s，之後以鍍率1.5 Å/s蒸鍍金屬電極銀至100 nm，即完成上電極22製作。
第2圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池之示意圖。具有圖案化電極之可透光有機太陽電池50是具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組10之單一電池元件。如第2圖所示，具有圖案化電極之可透光有機太陽電池50包括一基底52與圖案化氧化銦錫區54之陰極下電極、一電子傳輸區56、一主動區58、一電洞傳輸區60以及金屬電極62。
第3圖為本發明之圖案化電極之示意圖。如第3圖所示，圖案化電極70之形狀為網柵具有指狀電極72。圖案化電極70即為金屬電極62之放大示意圖。
第4圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組的製作方法之流程圖。首先，於基板上形成氧化銦錫層於基板上形成氧化銦錫層，如步驟S10所示。其次，圖案化該氧化銦錫層，如步驟S20所示。
其次，清潔與臭氧O3電漿表面處理該氧化銦錫層與該基板，如步驟S30所示。
其次，於該氧化銦錫層上形成電子傳輸層，如步驟S40所示。
其次，於該電子傳輸層上形成主動層，如步驟S50所示。
其次，於該主動層上形成電洞傳輸層，如步驟S60所示。
最後，於該電洞傳輸層上形成上電極，如步驟S70所示。該上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之可透光有機太陽電池模組。
表1. 是將銀電極匯流排設計在不同區域所製作可透光模組(1x9x6 cm2 )之光電轉換效率變化
   Jsc (mA/cm2 ) Voc (V) FF (%) PCE (%)
                    全銀電極之不透光有機太陽電池模組(1x9x6 cm2 )
   1.396 3.556 58.0 2.9
                  網柵銀電極之可透光有機太陽電池模組(1x9x6 cm2 )
網柵銀電極(a) (將匯流排設計於元件間的串聯區域) 1.244 3.262 38.6 1.6
網柵銀電極(b) (將匯流排設計於主動層上) 1.428 3.563 52.8 2.7
第5圖為本發明之圖案化電極之可透光有機太陽電池之效能圖。本發明之圖案化設計分成兩種包括: 網柵銀電極(a)及網柵銀電極(b)，兩者的設計與全銀電極設計相比，其銀電極遮蔽率皆可大幅降低57.4%而達到良好的透光特性。不過在光電轉換效率方面，網柵銀電極(b)設計之光電轉換效率比網柵銀電極(a)設計表現優異很多。網柵銀電極(a)設計之光電轉換效率與全銀電極設計相比，其相對效率大幅降低44.8%，但網柵銀電極(b)設計之光電轉換效率與全銀電極設計相比，其相對效率僅些微下降約6.9%。
10:具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組 12:基板 14:圖案化氧化銦錫層 16:電子傳輸層 18:主動層 20:電洞傳輸層 22:上電極 50:具有圖案化電極之可透光有機太陽電池 52:基底 54:圖案化氧化銦錫區 56:電子傳輸區 58:主動區 60:電洞傳輸區 62:金屬電極 70:圖案化電極 72:指狀電極 S10-S70:步驟
第1圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組之示意圖。 第2圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池之示意圖。 第3圖為本發明之圖案化電極之示意圖。 第4圖為本發明之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組的製作方法之流程圖。 第5圖為本發明之圖案化電極之可透光有機太陽電池之效能圖。
10:具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組
12:基板
14:圖案化氧化銦錫層
16:電子傳輸層
18:主動層
20:電洞傳輸層
22:上電極

Claims (4)

  1. 一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組，包括：一圖案化氧化銦錫層，設置於一基板上，該圖案化氧化銦錫層是作為陰極；一電子傳輸層，設置於該氧化銦錫層上；一主動層，設置於該電子傳輸層上；一電洞傳輸層，設置於該主動層上形成；以及一網柵銀上電極，設置於該電洞傳輸層上，其中該網柵銀上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之電極可透光有機太陽電池模組，且該網柵銀上電極係為指狀。
  2. 如請求項1所述之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組，其中，該基板是玻璃板或軟性基材。
  3. 一種具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組的製作方法，包括以下步驟：於一基板上形成一氧化銦錫層；圖案化該氧化銦錫層；清潔與臭氧O3電漿表面處理該氧化銦錫層與該基板；於該氧化銦錫層上形成一電子傳輸層；於該電子傳輸層上形成一主動層；於該主動層上形成一電洞傳輸層；於該電洞傳輸層上形成網柵銀上電極，其中該網柵銀上電極是使用網印或高真空熱蒸鍍機蒸鍍金屬電極以形成該具有圖案化之可透光有機太陽電池模組，且該網柵銀上電極係為指狀。
  4. 如請求項3所述之具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組的製作方法，其中，該基板是玻璃板或軟性基材。
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