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有機太陽能電池

有機太陽能電池. 49914090 吳秉翰 49914086 謝昕榮. 簡介. 有機太陽能電池是全部或部分成分為有機物的太陽能電池，應用了導電聚合物或小分子用於光的吸收和電荷轉移。有機物的大量製備、相對價格低廉，柔軟等性質使其在光電應用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙。 有機物的摩爾消光係數很高，使得少量的有機物就可以吸收大量的光。 相對於一般太陽能電池，有機太陽能電池的主要缺點是較低的能量轉換效率，穩定性和強度也較差。

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有機太陽能電池

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  1. 有機太陽能電池 49914090吳秉翰 49914086謝昕榮

  2. 簡介 • 有機太陽能電池是全部或部分成分為有機物的太陽能電池，應用了導電聚合物或小分子用於光的吸收和電荷轉移。有機物的大量製備、相對價格低廉，柔軟等性質使其在光電應用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙。 • 有機物的摩爾消光係數很高，使得少量的有機物就可以吸收大量的光。 • 相對於一般太陽能電池，有機太陽能電池的主要缺點是較低的能量轉換效率，穩定性和強度也較差。 Siemens 所發表的有機太陽能電池 交大發表的有機太陽能電池

  3. 材料組成 • 太陽能電池是一個特別的半導體型的二極體，它可以將可見光能轉化為直流電，部分太陽能電池甚至可將紅外光和紫外光的能量轉化為直流電。 • 當材料吸收了一個光子，就形成激發態，並被局限在一個分子或一條聚合物的鏈，激發態可以被看作是在靜電力作用結合的一個電子和空穴，也就是激子。在光伏電池中，激子在不同物質的異質結形成的有效場中成為自由的電子空穴對，有效場使電子從吸光體（也就是電子給體）的導帶降到受體分子的導帶上從而破壞了激子，因此電子受體材料的導帶邊界必須低於吸光體材料。

  4. 製程 • 真空熱蒸鍍  • 將基底放到距離蒸鍍源幾厘米的上方，使得有機物的蒸氣可直接沉積到基底表面。這種方法不需要各層之前的化學作用，對於沉積不同的層相當有效。但有時透過此方法在大面積的基底上所得到的膜之厚度和均一性並不理想。另外，先沉積到蒸發爐內壁的物質也可能污染之後的沉積。而且此方法可能會因為遮擋而在膜上產生空白，從而提高了短路的機率

  5. 製程 • 有機蒸氣相沉積  • 這是一個在惰性氣流中蒸發有機物到基底的過程，通過改變氣流的速度和源的溫度來控制膜的形貌。減小氣流的壓強可以增加氣流的速度和平均自由程從而減小邊界厚度得到均一的膜。 • 使用有機蒸氣相沉積已被證明比真空熱蒸鍍更能好好地控制膜的結構和形貌，這樣得到的成品也不會被蒸發爐中的其他物質所污染，因為蒸發爐內壁很熱，有機分子無法附著在上面成膜。

  6. 奈米製備的應用 • 奈米壓印法 • 如圖所示，模具上的奈米圖案在壓印後會轉移到高分子膜上。整個壓印的過程成本較低且速度很快，而且這些模具都可以反覆地使用。做出的奈米結構的大小是由原來模具上預設圖案的大小所控制。 • 自組裝高分子奈米線 • 這些一維的奈米線具有很大的長寬比 (aspect ratio) ，由於這些奈米線的寬度與激子的擴散長度相當，而且電子予體與受體之間的介面面積相當大，因此電池元件的效率可以因此提升。

  7. 單層太陽能電池 • 單層有機太陽能電池是有機太陽能電池中最簡單的形式，兩個金屬導電層夾著有機電子材料層，例如高功函的氧化銦錫和低功函的鋁、鎂和鈣。 • 兩個導電層的功函差在有機層的兩端建立了一個電場。當有機層吸收小光子後，電子會被激發到LUMO上，空穴留在HOMO上形成激子，而電極上不同的功函造成的電勢有利於激子的分離，將電子拉到正極，空穴拉到負極，這個過程中形成的電壓和電流就可以被利用。 • 氧化銦錫 • 有機電子材料 • 鋁、鎂、鈣

  8. 單層太陽能電池之問題 • 然而經過測試，單層有機太陽能電池工作效率很差，因為其量子效率很低不到1%，而能量轉化效率更不到0.1%，主要原因是兩個電極間的電場太少，並不足以使激子分離，電子更多的是與空穴複合而不是到達電極。 • 為了解決這個問題，後來則發展了多層有機太陽能電池。

  9. 雙層太陽能電池 • 這類電池在電極間有兩層不同的物質，這兩種物質在電子親和性、電離能方面有差異，因此靜電力在兩層間的界面產生。這兩層所用的材料要儘可能使這兩種差異更大，從而使得局部電場大到足以使激子分離，比單層太陽能電池更有效。兩種材料中擁有較高電子親和性和電離能的是電子受體，另外一個是電子給體。 • 電子供體 • 電子受體

  10. 雙層太陽能電池之問題 • 激子在有機材料中的擴散距離通常是10 nm，然而，一個聚合物膜通常需要100 nm以上來吸收足夠的光。為了解決這個問題，一類新的異質結有機太陽能電池被設計出來，即分散異質結太陽能電池。

  11. 本體異質結太陽能電池 • 在本體異質結太陽能電池中，電子給體與受體共混到一起形成膜。每塊給體或受體的長度與激子擴散距離一致，給體或受體中產生的大部分激子可以到達兩個物質的界面，並得到有效的分離。電子遷移到受體區域後逐漸到達電極並被收集，空穴被拉到相反的方向，並被另一個電極所收集。 共混層

  12. 結論 • 以目前而言,以高分子材料為主的有機太陽能電池因材料便宜、製作成本低廉等因素受到廣泛研究,但因受限於發電效率較低落等因素而無法商業化. 但隨著相關技術的逐漸進步,相信不久後就可以克服其效率問題,讓有機太陽能電池達到普及化的地步.

  13. 參考資料 國立交通大學光電高分子實驗室 http://web.it.nctu.edu.tw/~jtchen/research/c-research-opv.htm 工研院電子報 http://edm.itri.org.tw/enews/epaper/10009/e01.htm 有機金屬化學氣相沉積平台熱流研究 http://web.it.nctu.edu.tw/~yhliulab/ch/Research_ch.htm http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E6%9C%BA%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0

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