专利名称：具图案化电极的有机太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明为有关一种太阳能电池，尤指一种有机太阳能电池。
背景技术：
由于能源短缺与全球暖化是世界各国一直以来想要解决的重大议题，目前许多国家生产电力的方式大多以火力发电或是核能发电为主，然而火力发电即藉由燃烧石化燃料而产生电力的方式，不仅会产生许多种不同程度的污染排放物，所产生的二氧化碳与全球暖化的效应具有一定的关联，而核能发电所制造出的核废料如何安全的储存，以及所储存的地点一直是争议所在，尤其是核电厂在发生意外时，放射性物质对周遭环境生态所造成的影响，更是令人闻之色变，因此发展绿色的替代能源，如太阳能，风力发电、生质能、地热及海洋能等，已成为一种趋势，其中由于太阳能取之不尽、用之不竭，又不会有额外的废弃物及安全性极高，现已成各国能源发展的重点。太阳能电池发展至今，以单晶硅与多晶硅太阳能电池为主流，不过随着科技的发展，有机太阳能电池的发展已受相当大的注意；虽然有机薄膜太阳能电池的转换效率仍有改善的空间，不过因其制程简单、成本低廉，且具有大面积制造及可挠的特性，使其成极具发展潜力的产业。因此，如何提升有机太阳能电池的转换效率，已成为国内外研究的重点方向。传统的有机太阳能电池，结构主要包含有一透明电极、一金属电极以及一设置于该透明电极及该金属电极之间的有机层，由于该有机层均匀混合了 P型有机分子与N型有机分子，因此无法有效地将激子分离而产生电子及电洞，而在传递的过程中也容易发生电子及电洞的再结合，导致光电转换效率的降低，此外，有机分子对载子的传输能力比一般的半导体差，尤其是电子的传输能力更差，故为了解决上述的两个问题，有新的结构被提出并证明其效用。于美国专利公开第20090133751号中，描述了一种有机太阳能电池，其中P型有机分子及N型有机分子各别形成一连续相(continuous phase)的载子传输层，且以纳米压印的方式形成一纳米图案化的界面于上述两有机分子传输层之间，此种结构有利载子的传输、分开，有效地提升有机太阳能电池的光电转换效能。为使载子传输速率获得改善，由Chh-Wei Chu及Jing-Jong Shyue等人于Nanotechnology, 2008, vol. 19,255202中，提出另一种有机太阳能电池，其特征主要在于氧化铟锡电极与混合有机层之间，于氧化铟锡上成长了二氧化钛的纳米结构，有效增加与混合有机层之间的反应面积，再加上二氧化钛有好的电子传输特性，因而可将光致电子有效地导出，提升元件的光电转换效率。虽然二氧化钛的纳米结构，有效增加与混合有机层之间的反应面积，但金属氧化物电阻毕竟比金属高，而有电子传输能力提升有限的问题，且二氧化钛与电极之间为不同的材质，所形成的界面有可能会有载子传输上的损失。
发明内容
本发明的主要目的，在于改善有机太阳能电池的载子分隔与传输效率，以提升有机太阳能电池的光电转换效率。经由以上可知，为达上述目的，本发明提供一种具图案化电极的有机太阳能电池，包含有一第一电极层、一第二电极层以及一有机光电转换层。该第一电极层与该第二电极层相对设置，并分别具有彼此相对的一第一载子注入面及一第二载子注入面，该第一载子注入面形成有多个第一突起部；而该有机光电转换层设于该第一电极层与该第二电极层之间，该有机光电转换层具有分别与该第一载子注入面及该第二载子注入面相接合的一第一表面与一第二表面，且该第一表面顺应该第一突起部而与该第一载子注入面形成一具有多个波峰段及波谷段的第一载子供输界面。藉由上述技术方案，本发明至少具有下列优点一、本发明直接于该第一电极层上形成多个第一突起部，增加该第一载子供输界面的面积，提升载子的传输效率。 二、该第一突起部由该第一电极层所延伸，两者之间并无界面存在，减少载子传输中的损失，达到提升光电转换效率的作用。
图1，为本发明第一实施例的结构剖面示意图；图2A-图21，为本发明第一实施例的制作流程示意图；图3，为本发明第二实施例的结构剖面示意图；图4，为本发明第三实施例的结构剖面示意图；图5，为本发明第四实施例的结构剖面示意图；图6，为本发明第五实施例的结构剖面示意图；图7，为本发明第六实施例的结构剖面示意图；图8A-图8F，为本发明第七实施例的制作流程示意图。
具体实施例方式有关本发明的详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下请搭配参阅图I及图2A至图21所示，图I为本发明第一实施例的结构剖面示意图，图2A至图21则为本发明第一实施例的制作流程示意图，如图所示本发明为一种具图案化电极的有机太阳能电池，包含有一第一电极层10、一第二电极层20以及一有机光电转换层30。该第一电极层10设于一基板60上,且该第一电极层10远离该基板60的一侧设置有该第二电极层20,该第一电极层10与该第二电极层20分别具有彼此相对的一第一载子注入面11及一第二载子注入面21，该第一载子注入面11形成有多个第一突起部111，在此实施例中，该第一突起部111为沿垂直纸面的方向延伸且剖面呈三角形(由至少两斜面形成一顶角而构成)的长方体，然依实际应用，该第一突起部111亦可为呈规则或散乱排列的锥形体，亦或为规则或散乱排列的柱形体。该第一突起部111的高度为介于I纳米至10微米之间，宽度为介于I纳米至500微米之间，在此，该第二电极层20还具有一远离该第二载子注入面21的照光面22，该照光面22上具有多个隆起的抗反射部221，以增进光线射入该第二电极层20的入光量。该有机光电转换层30设于该第一电极层10与该第二电极层20之间，并具有一第一表面311 (不于图2C)以及一远离该第一表面311的第二表面321 (不于图2E),且该有机光电转换层30包含有一电子传输层31以及一与该电子传输层31叠置的电洞传输层32,该电子传输层31与该第一电极层10连接,并藉由该第一表面311与该第一载子注入面11接合，且该第一表面311顺应该第一突起部111而与该第一载子注入面11形成一具有多个波峰段41及波谷段42的第一载子供输界面40，而该电洞传输层32则与该第二电极层20连接，并藉由该第二表面321与该第二载子注入面21形成一平面状的第二载子供输界面50，再者，该电子传输层31与该电洞传输层32之间彼此连接并形成一有机接面33，该有机接面33顺应该第一突起部111形成多个波峰段331及波谷段332。本发明于制作流程上的说明，首先请参阅图2A及图2B，于该基板60上成长该第一电极层10，该第一电极层10的材质为选自由金、白金、银、铜、铝、钛、铬、锌及其组合所组成的群组，接着使用选自黄光微影制程、电子束微影制程及纳米压印制程其中的一种方式，于该第一电极层10上制作出多个该第一突起部111,而形成具有该第一载子注入面11的该第一电极层10 ;接着，请参阅图2C及图2D，以真空蒸镀或是旋转涂布的方式，将该有机光电转换层30中的该电子传输层31形成于该第一电极层10上，并使该第一表面311顺应该第一突起部111，与该第一载子注入面11形成具有该波峰段41及该波谷 段42的该第一载子供输界面40,该电子传输层31的材质为选自富勒烯、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯([6,6]-phenyl-C61_butyric acid methyl ester PCBM)等富勒烯衍生物；或具相同功能的其它电子传输材料；然后，请参阅图2E及图2F，于该电子传输层31上形成该电洞传输层32,该电洞传输层32与该电子传输层31之间顺应该第一突起部111形成具有多个波峰段331及波谷段332的该有机接面33，而该电洞传输层32远离该有机接面33为该第二表面321，该电洞传输层32的材料可选自聚[对位苯基乙烯](PPV)、聚[2-甲氧基-5-(3，,7，- 二甲基-辛氧基)-1,4-对位苯基乙烯](poly (2_methoxy-5-(3，，V -dimethyl-octyloxy))-1,4-phenylenevinyle ne MDMO-PPV)等聚对位苯基乙烯衍生物；或是聚对位苯基乙烯衍生物聚-3-己基塞吩(poly-3-hexylthiophene :P3HT)、聚-3-辛基塞吩(poly-3-octylthiophene P30T)等聚塞吩衍生物；或是苯二甲蓝染料、铜苯二甲蓝染料等苯二甲蓝染料衍生物；或具相同功能的其它电洞传输材料；最后，请参阅图2G至图21，于该电洞传输层32上，以选自氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化锑锡、掺氟的氧化锡、掺铝的氧化锌及掺铝镓的氧化锌所组成的群组的透明材料(或是具相同功能的透明电极材料)，成长该第二电极层20，该第二电极层20以该第二载子注入面21与该第二表面321形成平整的该第二载子供输界面50，并于远离该第二载子注入面21的该照光面22，制作出图案化的抗反射部221。在此要补充说明的是，上述有机太阳能电池的结构设置是以接受电子的该第一电极层10设于下方，而接受电洞的该第二电极层20设于上方作为举例说明，然本发明并不限于此，根据实际需求，本发明也可先在该基板60上成长该第二电极层20，接着依续在该第二电极层20上形成该电洞传输层32、该电子传输层31以及该第一电极层10，而形成该第二电极层20在下，该第一电极层10在上的形式，最后再将该基板60移除以完成制作。请参阅图3所示，为本发明第二实施例的结构剖面示意图，相较第一实施例，在此实施例中，其特征在于该电子传输层31与该电洞传输层32之间的该有机接面33形成平面状；请参阅图4所示，为本发明第三实施例的结构剖面示意图，相较第一实施例，在此实施例中，其特征在于除了该电子传输层31与该电洞传输层32之间的该有机接面33形成平面状外，该第二电极层20于第二载子注入面21先形成高度为介于I纳米至10微米之间、宽度为介于I纳米至500微米之间的多个第二突起部211，再覆盖于该电洞传输层32上，使得该第二电极层20与该电洞传输层32之间，顺应该第二突起部211形成具有多个波峰段51及波谷段52的该第二载子供输界面50。再请参阅图5所示，为本发明第四实施例的结构剖面示意图，相较第一实施例，其特征在于该第二电极层20与该电洞传输层32之间，顺应该第二突起部211形成具有多个波峰段51及波谷段52的该第二载子供输界面50 ;请参阅图6所示，为本发明第五实施例的结构剖面示意图，相较于第一实施例，其特征在于该有机接面33的该波峰段331及该波谷段332，并无对应该第一载子供输界面40的该波峰段41及该波谷段42排列，而形成该波峰段331与最接近的该波峰段41于横向相距一位移差S的形式，令该电子传输层31在相近的该波谷段332及该波峰段41之间，具有一较小的厚度，以缩短载子于该电子传输层31传输的距离；再请参阅图7所示，为本发明第六实施例的结构剖面示意图，相较于第一实施 例，其特征在于该第一电极层10的该第一突起部111为沿垂直纸面的方向延伸且剖面呈矩形的长方体，但依实际应用，该第一突起部111亦可为呈规则或散乱排列的立方体，其中，该第一载子供输界面40由该波峰段41及该波谷段42依凸块的轮廓而形成接近方波的形貌，而该有机接面33则顺应该第一载子供输界面40，也由该波峰段331及该波谷段332形成接近方波的形貌。再请搭配参阅图8A至图8F所示，为本发明第七实施例的制作流程示意图，在此实施例中，其特征在于制程的方式为先分别在该第一电极层10及该第二电极层20的该第一载子注入面11及该第二载子注入面21，形成该第一突起部111及该第二突起部211，再分别于该第一载子注入面11及该第二载子注入面21成长该电子传输层31及该电洞传输层32，最后，再将该电子传输层31及该电洞传输层32相对接合，以完成制作。综上所述，由于本发明直接于该第一电极层上形成多个第一突起部，增加了该第一电极层与该电子传输层之间该第一载子供输界面的面积，并减少电子在有机光电转换层中的移动距离，因而达到提升光电转换效率的作用；同时本发明的电子传输层、电洞传输层并非是交错混合的，而是有一明显的界面，此结构可有效地避免电子电洞的再结合，因而提升效率；再者，本发明亦可于第二电极层形成多个第二突起部，同样增加了该第二电极层与该电洞传输层之间该第二载子供输界面的面积，进一步提升有机分子与电极之间的电洞传输；本发明藉由制作出图案化电极，增进载子在太阳能电池中的传输能力，因而达到提升太阳能电池的效率；此外，本发明的该有机接面为两独立面，因而可以减少传输过程载子复合的发生，亦可提升元件的效率；另外，本发明的图案化电极，更可以纳米压印的方式制造，因此所制作的有机太阳能电池，兼具了制程较简易、生产速度快以及可大面积制造的产业利用优势，因此本发明极具进步性及符合申请发明专利的要件，爰依法提出申请，祈钧局早日赐准专利，实感德便。以上已将本发明做一详细说明，惟以上所述者，仅列出本发明的较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。
权利要求
1.一种具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，包含有 一第一电极层(10)及一与该第一电极层(10)相对设置的第二电极层(20),该第一电极层(10)与该第二电极层(20)分别具有彼此相对的一第一载子注入面(11)及一第二载子注入面(21)，该第一载子注入面(11)形成有多个第一突起部(111);以及 一设于该第一电极层(10)与该第二电极层(20)之间的有机光电转换层(30),该有机光电转换层(30)具有分别与该第一载子注入面(11)及该第二载子注入面(21)相接合的一第一表面(311)与一第二表面(321),且该第一表面(311)顺应该第一突起部(111)而与该第一载子注入面(11)形成一具有多个波峰段(41)及波谷段(42)的第一载子供输界面(40)。
2.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第一电极层(10)设于一基板(60)上。
3.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第二载子注入面(21)形成有多个第二突起部(211)，且该第二表面(321)顺应该第二突起部(211)而与该第二载子注入面(21)形成一具有多个波峰段(51)及波谷段(52)的第二载子供输界面(50)。
4.根据权利要求3所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，多个该第二突起部(211)由选自黄光微影制程、电子束微影制程及纳米压印制程而制作。
5.根据权利要求3所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第二突起部(211)的高度为介于I纳米至10微米之间，宽度为介于I纳米至500微米之间。
6.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第二载子注入面(21)包含一平面，该第二表面(321)与该第二载子注入面(21)接合。
7.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该有机光电转换层(30)包含一电子传输层(31)以及一与该电子传输层(31)叠置的电洞传输层(32)。
8.根据权利要求7所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该电子传输层(31)与该第一电极层(10)连接，该电洞传输层(32)与该第二电极层(20)连接。
9.根据权利要求7所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该电子传输层(31)与该电洞传输层(32)相连接并形成一有机接面(33)，该有机接面(33)顺应该第一突起部(111)形成多个波峰段(331)及波谷段(332)。
10.根据权利要求7所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该电子传输层(31)与该电洞传输层(32)相连接并形成一有机接面(33)，该有机接面(33)包含一平面。
11.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第一电极层(10)的材质为选自金、白金、银、铜、铝、钛、铬、锌及其组合所组成的群组，该第二电极层(20)的材质为选自氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化锑锡、掺氟的氧化锡、掺铝的氧化锌及掺铝镓的氧化锌所组成的群组。
12.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，多个该第一突起部(111)由选自黄光微影制程、电子束微影制程及纳米压印制程而制作。
13.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第一突起部(111)的高度为介于I纳米至10微米之间，宽度为介于I纳米至500微米之间。
14.根据权利要求I所述的具图案化电极的有机太阳能电池，其特征在于，该第二电极层(20)具有一远离该第二载子注入面(21)的照光面(22)，该照光面(22)上具有隆起的多个抗反射部(221)。
全文摘要
本发明公开了一种具图案化电极的有机太阳能电池，包含有一第一电极层、一第二电极层以及一有机光电转换层。该第一电极层与该第二电极层相对设置，该第一电极层具有一第一载子注入面，该第一载子注入面形成有多个第一突起部；而该有机光电转换层设于该第一电极层与该第二电极层之间，该有机光电转换层具有与该第一载子注入面相接合的一第一表面，且该第一表面顺应该第一突起部而与该第一载子注入面形成一具有多个波峰段及波谷段的第一载子供输界面，据此，增加该第一载子供输界面的面积，提升有机太阳能电池载子传输效率，进而提升光电转换效率。
文档编号H01L51/42GK102956825SQ20111024959
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者岑尚仁, 谢光前 申请人:岑尚仁