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研究生： 黃昱瑞
Yu-Jui Huang
論文名稱： 摻雜有機光電小分子或硫化鎘奈米粒之單層異質接面有機光伏電池
Doping organic optoelectronic small molecules or cadmium sulfide nanoparticles bulk heterojunction organic photovoltaics
指導教授： 陳錦地
Chin-Ti Chen
口試委員: 黃炳綜
none
李志堅
Chih-Chien Lee
顏怡文
Yee-wen Yen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 應用科技學院 - 應用科技研究所
Graduate Institute of Applied Science and Technology
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 94
中文關鍵詞： 單層異質接面 、有機光伏電池 、硫化鎘奈米粒 、有機光電小分子 、溶劑處理
外文關鍵詞： bulk heterojunction, organic photovoltaic, cadmium sulfide nanoparticles, solvent annealing
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    • 本論文先找尋標準P3HT/PCBM有機光伏電池最佳化元件的製程。溶劑處理(solvent annealing)製程可使標準元件維持較高的光電轉換效率(power conversion efficiency)。此製程我們同時探討溶劑和P3HT高分子分子量對於P3HT/PCBM有機光伏電池光電轉換效率及感光層表面形態的影響。
    進一步探討了摻雜有機光電小分子或硫化鎘奈米粒對P3HT/PCBM有機光伏電池的影響。發現有機光電小分子的摻雜對光電轉換效率的提昇沒有幫助。然而摻雜硫化鎘奈米粒，會促進P3HT的聚集排列，元件電子與電洞傳輸能力同時被提升，使其光電轉換效率有明顯的從3.24 %增加到4.1 %。

    In this thesis, we first look for the optimization process for the fabrication of standard P3HT/PCBM organic photovoltaic devices. By the process of solvent annealing, the standard P3HT/PCBM organic photovoltaic device can maintain higher power conversion efficiency.Meanwhile, we study the effect of different solvents and different P3HT molecular weights on the P3HT/PCBM organic photovoltaic power conversion efficiency and the active layer surface morphology.
    In the further of this thesis, we study the influence of doping some optoelectronic small organic molecules or Cadmium Sulfide nanoparticles on the P3HT/PCBM organic photovoltaic device. No enhancement of power conversion efficiency was found when optoelectronic small organic molecules were doped into organic photovoltaics. However, doping Cadmium Sulfide nanoparticles greatly enhances power conversion efficiency of the organic photovoltaics from 3.24 % to 4.1 %, and this can be attributed to the improvement of P3HT aggregation and then improve electron and hole mobilities.

    謝誌……………………………………………………………………i 摘要…………………………………………………………………… iii Abstract ………………………………………………………………iv 總目錄…………………………………………………………………v 圖目錄………………………………………………………………… viii 表目錄…………………………………………………………………xiv 第一章 緒論…………………………………………………………… 1 1.1前言……………………………………………………………… 1 1.2太陽能頻譜……………………………………………………… 1 1.3太陽能電池種類………………………………………………… 2 1.3.1無機太陽能電池…………………………………………… 3 1.3.2染料敏化太陽能電池……………………………………… 4 1.3.3 有機薄膜太陽能電池……………………………………… 6 1.4 有機太陽能元件的發展………………………………………… 6 1.4.1 單層結構(single layer) …………………………………… 6 1.4.2 雙層(bilayer)異質接面結構(heterojunction) …………… 8 1.4.3 單層異質接面結構(bulk heterojunction) …………………9 1.4.4 摻混無機半導體奈米材料之單層異質………………… 15 接面結構及有機光電材料 1.5 有機高分子太陽能電池的工作原理………………………18 1.6 有機高分子太陽能電池的特性分析………………………… 20 1.7 半導體奈米粒子材料特性簡介……………………………… 24 1.8 硫化鎘奈米粒子的合成………………………………………… 27 1.9 研究動機…………………………………………………………28 第二章 實驗………………………………………………………… 30 2.1 實驗藥品……………………………………………………… 30 2.1.1藥品…………………………………………………………29 2.1.2 CdS-SPh奈米粒與其合成………………………………… 31 2.1.3基板………………………………………………………… 31 2.2 實驗儀器……………………………………………………… 32 2.3 元件製作流程………………………………………………… 39 2.3.1 ITO玻璃圖案化………………………………………… 39 2.3.2 ITO玻璃清洗……………………………………………… 42 2.3.3 有機層的旋轉塗佈…………………………………………42 2.3.4 熱蒸鍍機鍍上陰極…………………………………………43 2.3.5 元件封裝…………………………………………………43 2.4 元件及有機薄膜物性量測……………………………………45 2.4.1 I-V特性曲線量測……………………………………… 45 2.4.2 紫外光-可見光光譜量測…………………………………46 2.4.3 X光繞射光譜量測……………………………………… 46 2.4.4 原子力顯微鏡圖拍攝………………………………………46 2.4.5 TEM量測…………………………………………………47 第三章結果與討論…………………………………………………… 48 3.1標準元件製程最佳化條件選取……………………………… 48 3.1.1 熱退火處理製程(thermal annealing process) ……………48 最佳化 3.1.2 溶劑處理製程(solvent annealing process)最佳化……… 50 3.2 溶劑處理製程選用不同溶劑處理對於元件光電 ………….. 54 轉換效率及感光層表面形態影響 3.3 溶劑處理製程選用不同P3HT高分子分子量對於元件………60 光電轉換效率及感光層表面形態影響 3.4 摻雜有機光電小分子於P3HT/PCBM感光層…………………68 3.4.1有機光電小分子特性介紹………………………………… 68 3.4.2有機光電小分子摻雜於元件感光層中光電轉換………… 71 效率的變化 3.5 硫醇修飾硫化鎘(CdS-SPh)奈米粒摻雜於…………………76 P3HT/PCBM感光層 3.5.1 CdS-SPh 鑑定………………………………………………76 3.5.2 CdS-SPh 奈米粒摻雜在元件感光層中光電轉換效率……81 變化 3.5.3 CdS-SPh 奈米粒摻雜元件感光層中光電轉換效率………83 增加的原因 第四章 結論……………………………………………………………89 參考文獻……………………………………………………… 91 圖目錄 圖 1-2-1太陽頻譜圖…………………………………………………… 2 圖1-2-2為空氣質量之示意圖…………………………………………2 圖1-3-1 染料敏化太陽能電池工作原理………………………………5 圖1-4-1 單層元件結構…………………………………………………7 圖1-4-2 MEH-PPV高分子化學結構圖………………………………7 圖1-4-3 CuPc分子結構圖…………………………………………… 9 圖1-4-4 perylene分子結構圖…………………………………………9 圖1-4-5 C60分子結構圖………………………………………………9 圖1-4-6 雙層元件結構…………………………………………………9 圖1-4-7 PCBM分子結構圖…………………………………………10 圖1-4-8 單層異質接面元件結構…………………………………….. 10 圖1-4-9 P3HT分子結構圖……………………………………………10 圖1-4-10 退火處理與未退火處理 P3HT/PCBM之XRD圖譜……. 13 圖1-4-11 P3HT分子三種不同位向XRD結晶繞射圖………………13 圖1-4-12 退火處理與未退火處理 P3HT/PCBM之IPCE 圖譜…… 14 圖1-4-13退火處理與未退火處理 P3HT/PCBM之TEM 圖譜…….14 圖1-4-14 退火處理與未退火處理 P3HT/PCBM之AFM圖譜……. 15 圖1-4-15 CdSe之奈米粒子摻混於P3HT有機光伏電池…………17 圖1-4-16 CdTe奈米粒摻混於P3HT/PCBM…………………………17 有機光伏電池 圖1-5-1 有機高分子太陽能電池工作機制 ………………………… 18 圖1-5-2 P3HT/PCBM能階示意圖……………………………………..19 圖1-5-3 PEDOT：PSS分子結構圖……………………………………20 圖1-6-1有機太陽能電池之I-V曲線圖………………………………21 圖1-6-2 從照光I-V曲線算出並聯電阻(Rsh)和串聯電阻(Rs)………23 圖1-7-1 CdS的吸收、放光光譜與粒徑大小的關係…………………25 圖1-7-2 CdSe 與CdS 的吸收、放光光譜 ………………………… 26 圖1-7-3 CdTe、CdSe、CdS的吸收峰位置與粒徑大小的關係……26 圖1-7-4各種半導體之導帶、價帶位置以及能隙示意圖……………27 圖2-5-1 CdS-SPh奈米粒化學結構示意圖……………………………31 圖2-2-1旋轉塗佈示意圖………………………………………………32 圖 2-2-2 熱蒸鍍機的示意圖………………………………………… 33 圖2-2-3 手套箱構造圖 ……………………………………………… 34 圖 2-3-1 太陽能電池元件流程圖…………………………………… 39 圖 2-3-2 ITO玻璃經黃光製程後用來當作元件的基板…………… 39 圖2-3-3 太陽能電池元件的封裝示意圖…………………………… 44 圖2-3-4 實際元件製作流程圖……………………………………… 44 圖2-3-5 有機太陽能電池元件結構圖………………………………45 圖3-1-1 熱退火處理製程中P3HT/PCBM不同重量比例……………49 混掺I-V圖 圖3-1-2 P3HT:PCBM以1:0.8比例混掺經過與………………………51 未經過溶劑處理 I-V圖 圖3-1-3 經不同溶劑處理時間元件I-V圖…………………………....52 圖3-1-4溶劑處理製程最佳化條件元件光電轉換效率穩定性………53 圖3-2-1 溶劑處理製程選用不同溶劑元件I-V圖……………………55 圖3-2-2 溶劑處理製程選用不同溶劑元件電子電洞移動率圖……...55 圖3-2-3 溶劑處理製程選用不同溶劑元件IPCE圖…………………56 圖3-2-4 P3HT/PCBM薄膜選用甲苯當有無經溶……………………57 劑處理的XRD圖 圖3-2-5 P3HT/PCBM薄膜選用鄰二甲基苯當有無經溶……………57 劑處理的XRD圖 圖3-2-6 P3HT/PCBM薄膜選用氯苯當有無經溶……………………57 劑處理的XRD圖 圖3-2-7 P3HT/PCBM薄膜選用鄰二氯苯當有無經溶……………….58 劑處理的XRD圖 圖3-2-8 P3HT/PCBM薄膜溶劑處理製程選用……………………..59 甲苯的AFM圖 圖3-2-9 P3HT/PCBM薄膜溶劑處理製程選用…………………….59 鄰二甲基苯的AFM圖 圖3-2-10 P3HT/PCBM薄膜溶劑處理製程選用…………………….59 氯苯的AFM圖 圖3-2-11 P3HT/PCBM薄膜溶劑處理製程選用…………………….60 鄰二氯苯的 AFM圖 圖3-3-1 未經過溶液處理三種不同分子量做成元件I-V圖………..61 圖3-3-2 經過溶液處理三種不同分子量做成元件I-V圖…………..62 圖3-3-3 經過溶液處理三種不同分子量IPCE 圖,………………….63 圖3-3-4 P3HT/PCBM薄膜選用Aldrich P3HT……………………..64 無經溶劑處理XRD圖 圖3-3-5 P3HT/PCBM薄膜選用Aldrich P3HT……………………..64 經溶劑處理XRD圖 圖3-3-6 P3HT/PCBM薄膜選用UR P3HT………………………….64 無經溶劑處理XRD圖 圖3-3-7 P3HT/PCBM薄膜選用UR P3HT………………………….65 經溶劑處理XRD圖 圖3-3-8 P3HT/PCBM薄膜選用Merck P3HT………………………65 無經溶劑處理XRD圖 圖3-3-9 P3HT/PCBM薄膜選用Merck P3HT……………………… 65 經溶劑處理XRD圖 圖3-3-10 選用Aldrich P3HT 經由溶劑處理製程AFM圖………….66 圖3-3-11 選用UR P3HT 經由溶劑處理製程AFM圖………………67 圖3-3-12 選用Merck P3HT 經由溶劑處理製程AFM圖…………..67 圖3-4-1 BOBPYf紫外光可見光吸收光譜圖…………………….. 68 圖3-4-2 BOBPYf分子結構圖……………………………………….69 圖3-4-3 PdoCF3紫外光可見光吸收光譜圖…………………………69 圖3-4-4 PdoCF3分子結構圖…………………………………………69 圖3-4-5 SimCP2 電子與電洞移動率圖………………………………70 圖3-4-6 SimCP2 紫外光可見光吸收光譜圖………………………….70 圖3-4-7 SimCP2分子結構圖……………………………………….. 71 圖3-4-8於P3HT/PCBM感光層BOBPYf摻雜有不同比例於…….71 元件I-V圖 圖3-4-9 摻雜不同比例BOBPYf之紫外光/可見光吸收圖..................72 圖3-4-10於P3HT/PCBM感光層PdoCF3摻雜有不同比例於………73 元件I-V圖 圖3-4-11 摻雜不同比例PdoCF3之紫外光/可見光吸收圖...................74 圖3-4-12 於P3HT/PCBM感光層SimCP2摻雜有不同比例於………75 元件I-V圖 圖3-4-13 摻雜不同比例SimCP2之紫外光/可見光吸收圖..................76 圖3-5-1 CdS-SPh奈米粒TEM圖(X10000)…………………………77 圖3-5-2 CdS-SPh奈米粒TEM圖(X40000)…………………………77 圖3-5-3 CdS-SPh奈米粒徑分佈圖……………..................................78 圖3-5-4 CdS-SPh奈米粒EDS圖…………………………………….78 圖3-5-5 用AC-2量測CdS-SPh奈米粒圖..........................................79 圖3-5-6 CdS-SPh奈米粒UV-vis吸收光譜..........................................80 圖3-5-7 Ferrocene和CdS-SPh CV圖.................................................81 圖3-5-8 CdS-SPh粉末X 光繞射圖譜………………………………81 圖3-5-9 摻雜不同比例CdS-SPh奈米粒之I-V圖...............................82 圖3-5-10摻雜不同比例CdS-SPh奈米粒之IPCE圖...........................83 圖3-5-11 摻雜不同比例CdS-SPh奈米粒之紫外光/可見光吸收圖...86 圖3-5-12 摻雜不同比例CdS-SPh奈米粒之X-ray 繞射圖...............86 圖3-5-13 摻雜20 wt % CdS-SPh奈米粒P3HT/PCBM.......................86 薄膜之AFM圖 圖3-5-14 摻雜10 wt % CdS-SPh奈米粒之P3HT/PCBM...................87 薄膜AFM圖 圖3-5-15 摻雜0 wt % CdS-SPh奈米粒之P3HT/PCBM......................87 薄膜AFM圖 圖3-5-16 摻雜CdS-SPh奈米粒時電子跟電洞傳輸通道示意圖.........87 圖3-5-17 摻雜不同比例CdS-SPh奈米粒元件暗電流圖.....................88 圖3-5-18 摻雜0 wt % 及10 wt % CdS-SPh電子電洞移動率圖……88 表目錄 表1-3-1 太陽能電池的種類及材料、效率、價格之比較表…………3 表3-1-1 熱退火處理製程中P3HT/PCBM不同重量比例……………49 混掺元件光電特性數據 表3-1-2 經不同溶劑處理時間元件光電特性數據…………………...52 表3-1-3 溶劑處理製程最佳化條件元件光電特性數據……………...53 表3-2-1 溶劑處理製程選用不同溶劑元件光電特性數據…………...56 表3-3-1 三種不同廠牌P3HT材料其重量平均分子量Mw………….61 與數量平均分子量Mn 表3-4-1 於P3HT/PCBM感光層BOBPYf 摻雜有不同比例………72 光電特性數據 表3-4-2 於P3HT/PCBM感光層PdoCF3摻雜有不同比例……….74 光電特性數據 表3-4-3 於P3HT/PCBM感光層SimCP2摻雜有不同比例………75 光電特性數據 表3-5-1 於P3HT/PCBM感光層CdS-SPh奈米粒雜有不同………83 比例光電特性數據

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