有機固態薄膜太陽電池技術最新發展現況

 

刊登日期:2010/7/1
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無庸置疑地,2009年對有機薄膜高分子太陽電池(Organic Photovoltaics; OPV)技術而言是相當重要的一年,不但有許多企業紛紛涉足該產業,同時光電轉換效率競爭更是白熱化。2009年12月,Solarmer Energy Inc.公布其在有機薄膜太陽電池技術達7.9%的光電轉換效率(National Renewable Energy Laboratory (NREL)效率認證),此消息讓人為之振奮,同時也讓對該領域持觀望態度的廠商開始思考這項技術量產的可行性。

此外,另一項備受矚目的焦點是全球最大半導體廠商Intel在2009年6月Intel 研發部門成果展示會上,首次公開展示有機太陽電池技術,該公司也看好有機固態太陽電池可結合印刷技術而開始投入此領域。

關鍵材料與元件技術
目前有機固態太陽電池作動機制如下:當導電高分子吸收太陽光,電子電洞對受到激發形成激子(Exciton),通常無機半導體的激子會自己進行電子電洞對分離,但是有機半導體因為鍵結能(Binding Energy)強,因此需要加入n-type材料(目前實驗結果最好的是混入PCBM−碳材衍生物)讓電子電洞對分離,分離後的電子電洞受電場影響分別往正負極移動,形成所謂的光電流。電池結構主要有4 層,分別是導電基材(如ITO玻璃、ITO塑膠基板或Metal Foil等)、電洞傳導層、吸光材料層(Active Layer)及電子傳導層(圖二)。


圖二、有機固態太陽電池結構

圖三為目前有機固態高分子太陽電池,文獻發表效率大於6%以上的P-type 導電高分子材料。圖三(d)是由Leclerc與Konarka 共同發表,材料是由M. Leclerc開發,Konarka調控元件工程及混摻材料的微型態(Nanomorphology),元件認證效率達6%以上,2009年5月Konarka公布元件認證效率是6.4%(面積0.8 cm2)。


圖三、有機固態高分子太陽電池P-type材料

工研院材化所研發團隊投入此部分研發已有三年時間,對材料設計與元件效率連結掌握度也越來越高,目前以自有材料Thiophene-pheneylene-thiophene (TPT)為主體的共軛高分子製作的小型元件效率已達6%以上,其開路電壓為0.86V、FF 為0.65。工研院在材料開發上已建立自己一系列材料系統,展望未來,我們將延續之前研發能量繼續開發出更具商業價值的新型導電高分子材料。

大型模組及小型試量產製作技術
1. 放大面積-ITO基板阻抗及ITO撓曲後產生的問題
一般mm2尺寸的小型元件雖能達5%左右的效率,但多數在面積變大時,效率會大幅降低,主要是載子傳輸路徑變長、電阻增加因素所造成,此問題同樣出現在有機LED上,因此在透明電極上配置輔助電極如Metal Grid,降低單元上不同位置的電阻差異,大日本印刷即使用該技術,使有機薄膜太陽電池5 cm見方的面積效率達4%以上。在透明電極佈上Metal Grid通常會有損失主動材料照光面積的問題,因此在損失最少照光面積及如何有效佈線將是重要技術所在。以ITO當透明電極應用在撓曲式元件時,經過多次機械應力後,ITO電極會有Crack現象產生,因此許多取代ITO透明電極的技術也因應而生。

2. 連續捲軸式塗佈技術
有機固態太陽電池最大利基即在全溶液製程(All Solution Process),因此相當適合利用連續捲軸式塗佈技術來製作,這也是被認為可大幅降低太陽電池製造成本的主要原因。在塗佈技術方面,Spin-coating是一般小型元件製備最常用的方法,但是以量產角度著眼,大面積快速的製程方法是未來的研發重點。

現今小型元件甚至小型模組,金屬電極仍以蒸鍍方法製作,為實現全溶液製程,金屬電極部分同樣需要改以塗佈方式進行。IMEC研發團隊嘗試以Spray-coating奈米銀粒子方式進行上電極塗佈。製程中,沉積過程控制不當,阻值變大,燒結溫度過高使金屬粒子太大,金屬粒子無法形成緻密堆疊而影響導電度,這些都將是影響電極導電度關鍵技術所在。IMEC藉由製程控制,以噴灑方式塗佈銀電極,元件效率達2.5%,接近以蒸鍍方式上銀電極的元件效率(2.9%)……以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文

作者:陳意君、范育菱/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌283期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8679


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