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研究生: 邱楗洺
Jian-ming Chiu
論文名稱: 氧化鋅/高分子異質雙層結構太陽電池之研究
Performance of ZnO/Conjugated Polymer Hybrid Solar Cells
指導教授: 戴龑
Yian Tai
口試委員: 劉進興
Chin-Hsin J. Liu
黃柏仁
Bohr-Ran Huang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 氧化鋅太陽能電池
外文關鍵詞: ZnO, Solar cells
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  • 本研究以氧化鋅/高分子異質雙層結構製作太陽能電池。探討元件受氧化鋅薄膜厚度、外在環境以及元件在不同的加熱處理步驟等因素對於太陽能電池效率之影響。接著藉由不同官能基自組裝單分子薄膜調整氧化鋅功函數,改變氧化鋅潤濕性,探討對於元件光電轉換效率的影響。實驗結果顯示,以氧化鋅薄膜厚度80nm在手套箱環境中塗佈高分子P3HT,經由兩段加熱處理步驟所製備之太陽能元件,其光電轉換效率為大氣環境中無培養皿覆蓋元件的1.9倍。我們推測其主要原因為氧化鋅經過兩段熱處理步驟提高其結晶性,造成其上所塗佈之P3HT有最佳結構。此外,利用不同官能基SAM分子修飾PN界面(P-N junction)不僅改變表面濕潤性及表面功函數等性質外,當使用負偶極SAM時,由於氧化鋅/高分子Energy offset相接近,導致電子電洞再結合率較高,元件曲線為非二極體圖形,而以正偶極官能基為H單分子層薄膜修飾氧化鋅薄膜,能改變氧化鋅/高分子的界面量子井(Energy offset),而提升開路電壓Voc由0.46(V)至0.49(V)。而以表面官能基為C60單分子薄膜層修飾氧化鋅薄膜後,可造成其上所塗佈P3HT有最佳結構與形貌,並且可使該元件擁有較佳之電洞與電子分離效率,可提升電池之光電轉換效率10%。


    This work is focused on ZnO thin film-P3HT bi-layer solar cell. The device performances are modulated with respect to deferent thickness of ZnO thin film,environmental ambient during fabrication, and various sequence of annealing processes. In addition, surface work function of ZnO thin film and surface morphology as well as crystallinity of P3HT are altered by passivation of self-assembled monolayers (SAMs) with different functional groups in between the ZnO and P3HT.Spin coating P3HT on the suitable thickness of ZnO thin film with annealing treatment in the glove box shown an improvement of device efficiency which is 1.9 times higher than the device without petri dish covering. We conclude that the highest PCE is resulted from the higher crystallinity of ZnO which provides optimized morphology and structure of P3HT above. In addition, the open circuit voltage (Voc) of device can be increased from 0.46V to 0.49V by using monolayer with functional group of hydrogen modified zinc oxide. We attribute the enhancement to the modification of energy offset between zinc oxide / polymer interface. On the other hand, the PCE of the device can be 10% enhanced by adjustment of ZnO/P3HT interface with C60–SAM. We attribute the improvement of PCE to better charge separation ability of ZnO/P3HT interface, and the optimized crystallinity and morphology of P3HT on ZnO thin film which affected by C60.

    中文摘要I AbstractII 誌謝.III 目錄IV 圖索引 VI 表索引 IX 名詞縮寫表 X 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 無機太陽能電池 1 1.3 有機太陽能電池 2 1.4 有機與無機材料之界面 2 1.5 自組裝單分子薄膜(Self assembled monolayer, SAM) 4 1.5.1. 自組裝單分子層薄膜簡介 4 1.5.2. 自組裝單分子層薄膜在氧化鋅基板上的偶極及能階之變化 5 1.5.3. 自組裝單分子薄膜於有機太陽能電池之應用 7 第二章 文獻回顧與基礎理論 9 2.1 太陽能電池操作原理與轉化效率 9 2.1.1. 太陽能電池工作原理 9 2.1.2. 太陽能電池轉化效率 11 2.1.3. 太陽能電池之等效電路 (Equivalent Circuit Diagram) 13 2.1.4. 太陽能電池之量子效應 (Quantum Efficiency) 15 2.2 太陽光光譜分佈 (solar spectrum irradiance) 17 2.3 半導體 (Semiconductor) 簡介 17 2.4 氧化鋅(Zinc oxide, ZnO) 20 2.4.1. 氧化鋅-晶體結構 20 2.4.2. 氧化鋅-機械性質 23 2.4.3. 氧化鋅-光學性質 24 2.4.4. 氧化鋅薄膜-成長方法 24 2.5 共軛高分子材料簡介 27 2.5.1. P3HT共軛高分子 28 第三章 實驗方法與步驟 31 3.1 實驗藥品 31 3.2 實驗儀器 33 3.3 有機太陽能電池元件製備 34 3.3.1. 導電玻璃基板圖樣化與清洗步驟 34 3.3.2. 氧化鋅種晶層製備方法 36 3.3.3. 自組裝單分子層薄膜的製備 37 3.3.4. 元件製備流程 37 3.4 分析與量測儀器 39 第四章 結果與討論 43 4.1 氧化鋅薄膜特性分析 43 4.1.1. 噴霧裂解時間對於氧化鋅薄膜之特性影響 43 4.1.1.1. SEM表面型態分析 43 4.1.1.2. XRD結晶性分析 44 4.1.1.3. UV-Vis & XPS 分析 45 4.2 氧化鋅薄膜對太陽能元件效率之影響 47 4.3 P3HT薄膜放置於不同環境對太陽能元件效率之影響 49 4.3.1. 放置於手套箱環境下 53 4.4 不同熱處理步驟對於太陽能電池效率之影響 54 4.5 不同偶極矩自組裝單分子層薄膜的成長與其分析 59 4.5.1. 不同偶極矩自組裝單分子薄膜之成長與分析 59 4.5.2. 不同偶極矩自組裝單分子薄膜成長於ZnO薄膜之功函數分析 76 4.5.3. 不同偶極矩自組裝單分子薄膜對太陽能電池元件之特性分析 77 4.6 不同官能基自組裝單分子層薄膜的成長與其分析 78 4.6.1. 不同官能基自組裝單分子薄膜之成長與分析 78 4.6.2. 不同官能基自組裝單分子薄膜成長於ZnO薄膜之功函數分析 84 4.6.3. P3HT塗佈於成長不同官能基自組裝單分子薄膜ZnO之分析 84 4.6.4. 不同官能基自組裝單分子薄膜對太陽能電池元件之特性分析 87 第五章 結論與未來展望 90 5.1結論 90 5.2未來展望 92 參考文獻 93

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