[发明专利]具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种太阳能电池及其制造方法，特别是关于一种通过具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法。

背景技术

近年来，因为石化燃料大量的被消耗，使得各种再生性能源(例如太阳能电池、燃料电池、风力发电)的发展逐渐受到重视。举例而言，有机高分子太阳能电池(organic polymer solar cell)是一种成本低廉、制造容易、具可挠性且便于携带的再生性能源技术，由于相关研究人员不断的研发改良，确实让有机高分子太阳能电池的实用性逐渐提高，例如可与建筑物或衣物整合应用，因此有机高分子太阳能电池甚至有机会取代现行使用半导体基材的太阳能电池。

举例来说，在现有有机高分子太阳能电池中，其由下而上依序包含玻璃基板、氧化铟锡(ITO)的阳极层、PEDOT：PSS的空穴传输层、P3HT：PCBM混掺系统的吸光主动层，及铝金属的阴极层，其产生电流的原理主要是利用P3HT(聚(3-己烷基噻吩)，poly(3-hexylthiohene))吸收太阳光的光子产生激发，并利用与PCBM((6,6)-苯基碳六十一丁酸甲酯，(6,6)-phenyl C61 butyric acid methyl ester)的接口位能差，产生自由电子，进而造成电子空穴对分离，这即是所谓的光致电荷转移的过程，所述吸光主动层结构中因吸光后产生的空穴经由高穿透率且功函数能匹配的PEDOT：PSS(聚(乙烯基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)，poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate))空穴收集层而被ITO阳极层所收集，而电子大多是利用铝修饰的阴极来收集，再结合外电路导通后，便产生电流。在另一现有有机高分子太阳能电池中，上述吸光主动层也可分为独立的两层，即P3HT层及PCBM层，此两层之间存在异质结(heterojunction)，其产生电流原理是与上文所述相同。

上述P3HT是一种有机高分子材料，其具有适度的分子量(约40～60KDa)，及良好的载流子移动能力，同时与PCBM的不相溶性也容易达到优选的平衡而形成良好的异质结形态，故此特性使所述部件的光电转换效率接近4％或以上。然而，当P3HT的分子量太小时，溶液在基板上成膜性很差，分子间作用力小无法有效平铺在整面基板上，溶液缩成小区块而难以形成完整的膜。相反地，当分子量太大时，会造成分子在溶液中溶解度不佳，也可能导致P3HT/PCBM异质结形态的相分离程度过于明显，使得其载流子移动率骤降，而无法达到增进部件光电转换效率的作用。因此，在制作P3HT吸光材料时，必需严格控制其分子量大小。再者，由于P3HT属于有机高分子，故其有机合成所需的制程，例如格林纳聚合反应法(Grignard Metathesis)，相较于无机化合物或小分子有机化合物的合成方法来说通常相对更为繁杂，因此会使得合成P3HT所需的设备成本及处理成本相对高昂，不利于此类有机高分子太阳能电池的制作及量产应用。

因此，有必要提供一种具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法，来解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法，其中吸光材料层是使用结构单纯、制作简易、成本较低的有机无机混合化合物，即钙钛矿吸光材料C_nH_2n+1NH₃XY₃，来代替结构复杂、制作繁复、成本偏高的传统有机高分子吸光材料(如P3HT)，并同时搭配使用富勒烯(C₆₀)或其衍生物做为电子接收层，其中吸光材料层及电子接收层之间具有平面式混合异质结，因此有利于构成(可挠式)全固态的有机混合太阳能电池，并简化其制作及降低其量产成本。

本发明的次要目的在于提供一种具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池及其制造方法，其中通过使用具有不同最低未占据分子轨域(LUMO)的富勒烯(C₆₀)或其衍生物做为电子接收层，或通过改变旋涂转速或有机溶剂以调控钙钛矿吸光材料的表面形貌，抑或通过使用具有不同透明导电薄膜的导电基板，以供改善及调控太阳能电池的整体光电特性，使其光电转换效率可达3％以上。

为达上述的目的，本发明提供一种具有钙钛矿结构吸光材料的有机混合太阳能电池，其依序包含：一导电基板、一空穴传输层、一主动层、一空穴阻挡层及一负极，其中所述主动层包含：

一吸光材料层，具有下述代表式(I)的钙钛矿结构吸光材料：