奈米壓印在高分子太陽電池的應用

 

刊登日期:2011/9/1
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美國Konarka公司於2008年推出塑膠太陽電池產品,實現了以Roll-to-Roll方式製造大面積、可撓式高分子太陽電池的概念。雖然目前產品的元件效率仍偏低,但從材料開發與元件設計的觀點來看,高分子太陽電池效率要超過10%,並無任何本質上無法突破的限制,而依實際技術發展現況來看,高分子太陽電池光電效率的提升亦不斷地在突破,2010年底Konarka公司所開發的小尺寸元件,經美國再生能源實驗室(NREL)驗證,其光電轉換效率已達到8.3%。隨著新材料的開發與造成元件效率不彰的因素逐步被釐清、克服,高分子太陽電池效率邁向10%的關鍵技術指標應是指日可待。而奈米壓印技術不論在製作光捕捉結構,彌補元件光吸收效率不足的問題;或是操控主動層異質界面的分布形態,改變導電高分子的排列與結晶,來增加異質介面比與提升元件的載子移動速率,藉以改善激子的解離效率,提高電池的效率;乃至於應對到大面積可撓式元件,現有ITO透明導電膜可能因撓曲而破裂失效,被提出的奈米壓印製作金屬透明電極,皆為高分子太陽電池的技術開發提供了一些新契機,可使材料與電池元件的特性做更極致的發揮。
 
高分子太陽電池的機會與挑戰
在眾多綠色再生能源中,太陽電池一直是最被推崇的。目前,以矽基太陽電池為主的無機太陽電池系統,隨著效率不斷提高、製程技術的穩定精進,已普遍應用在各種場合,取代傳統的能源。但受限於元件材料、結構與製程特性,在產品應用型態與製造成本降低上,具有一些本質上的限制。而近年來,有機太陽電池的效能表現已有顯著提升,同時因其具有採用Roll-to-Roll方式製造的潛力,所以被看好用來製作大面積、低成本的太陽電池。此外,有機太陽電池元件具有質輕、可撓曲的特性,產品應用領域將較目前的矽基太陽電池更廣泛,因此被稱為第三代太陽電池。
 
有機太陽電池元件結構組成與運作機制,以P3HT:PCBM 之系統為例(圖一),其光電轉換過程主要由以下四個連續步驟構成:光吸收(Light Absorption)、激子解離(Exciton Diffusion)、電荷傳輸(Charge Transfer)和電荷收集(Charge Collection)(圖二);當太陽光入射進元件中,光主動層材料吸收光子產生激子,激子擴散到p型(如P3HT)與n型(如PCBM)半導體之異質界面,產生激子解離、電子−電洞分離,正電荷(電洞)由p 型半導體傳導到陽極和負電荷(電子)由n型半導體傳導到陰極。

圖二、光電轉換過程的四個關鍵步驟:光吸收、激子擴散、激子解離和電荷收集
 
奈米壓印技術在高分子太陽電池效率提升上的應用
自從1995年普林斯頓大學Chou教授發表利用奈米壓印技術(Nano-imprint Lithography; NIL)製作出10nm解析度的結構後,奈米壓印被視為奈米加工技術的一大創新突破,並隨即被導入記錄媒體、光學元件、生醫晶片、半導體製程與太陽電池等應用領域,其中在太陽電池的應用上,除了利用奈米壓印製作具有蛾眼結構的抗反射膜,減少太陽光在入射界面的反射損失,以提高電池元件的效率外,為因應目前高分子太陽電池效率提升的技術瓶頸與未來產品應用開發可能面臨的問題,近年來,有許多的研究嘗試以奈米壓印技術為對策,評估其應用的效益與可行性,針對相關文獻報導,分類整理介紹如下。
3. 奈米壓印引導導電高分子排列
高分子半導體的載子傳導速率較無機半導體差,一直是限制高分子太陽電池元件結構設計與影響其效率表現的關鍵因素。較高的載子傳導速率,將使主動層的膜厚調整更有彈性,有利於光吸收效率的提升,同時也有助於激子對的擴散、解離。由於電子在共軛高分子中的傳導具有方向性,電子最佳的移動方式是沿著π-π共軛雙鍵方向傳遞,許多研究顯示,薄膜中分子的排列位向與結晶狀態,會嚴重左右其載子傳導速率的表現,以P3HT為例,最佳的載子傳導速率為0.1 cm2/V·s,但在一般異質界面的高分子太陽電池中…以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文
 

圖五、奈米壓印誘導P3HT分子排列之作用機制示意圖
  
作者:吳耀庭/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌297期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9581

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