本研究主要構想在於提升太陽能電池的光電轉換效率，藉由活性層材料的選擇、活性層形態處理與元件製程改善以達到提升效率之目的。以往文獻達到高效率(PCE>12%)的高分子太陽能電池文獻所使用的小分子大多為吸收波長小於800 nm，為了達到充分使用太陽光的目的，本研究選用2017年Hou團隊設計出吸收波長可達近1000 nm的新穎小分子IEICO-4F[33]以及碳球小分子PC71BM作為電子受體，搭配本實驗室設計出的低能隙高分子PTB7-Th來達到高效率的目的。
本研究提出使用吸收波長彼此互補的IEICO-4F和PC71BM小分子以及PTB7-Th高分子混摻形成三成份系統高分子太陽能電池，文獻上IEICO-4F或PC71BM混摻PTB7-Th的系統，其元件效率都可達10%，代表兩小分子都可與PTB7-Th有良好的活性層形態，基於以上原因將PTB7-Th、IEICO-4F和PC71BM混摻製作高分子太陽能電池，三成份系統效率為11.82%，在加入1-chloronaphthalene(Cl-na)添加劑以及經過1vol% DIO溶於乙醇的表面溶液處理後，使活性層分子排列增加、提升PTB7-Th的激子解離效率提升以及電子和電洞的遷移率，光電轉換效率也因此從11.82%大幅提升至14.18%。

The main idea of this study is to improve the PCE of solar cells by selecting the active layer materials, the active layer morphology treatment and component process improvement. Most of the small molecules used in the literature on high-efficiency (PCE>12%) polymer solar cells, the absorption wavelength less than 800 nm. In order to absorb sunlight efficiency, this study selected the fullerene derivate PC71BM and the designed absorption wavelength of novel small molecule IEICO-4F[33], which are close to 1000 nm from Hou team 2017, as electron acceptors. Then blend with the low band gap polymer PTB7-Th designed by our laboratory to achieve higher efficiency.
This study proposes a ternary system polymer solar cell by utilizing the IEICO-4F, PC71BM and PTB7-Th with complementary absorption bands. Both IEICO-4F and PC71BM blended with PTB7-Th of PCE in the literature can reach 10%, which means that both small molecules have a suitable active layer morphology with PTB7-Th. The PCE of polymer solar cell blended by PTB7-Th, IEICO-4F and PC71BM is 11.82%. Besides, adding 1-chloronaphthalene (Cl-na) additive and solution treatment of 1vol% DIO in ethanol is able to enhance the molecular arrangement of the active layer and the exciton dissociation efficiency of PTB7-Th. Also the Cl-na adding and 1vol% DIO in EtOH treatment can improve the electron mobility and the hole mobility. Thus increased the photoelectric conversion efficiency significantly from 11.82% to 14.18%.

目錄
目錄 I
圖目錄 II
表目錄 V
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池原理 3
1-2-1 太陽光光譜 3
1-2-2 太陽能電池參數 5
1-2-3 太陽能電池運作原理 7
1-3 有機太陽能電池結構演進 10
1-4 高分子太陽能電池 13
1-4-1 共軛高分子 (Conjugated polymer) 13
1-4-2 共軛高分子的電子狀態理論 14
1-4-3 低能隙高分子 15
第二章 文獻回顧 18
2-1 高效率雙成份高分子太陽能電池 18
2-2 PTB7-Th三成份太陽能電池 23
2-3 PBDB-T三成份太陽能電池 30
2-4 P3HT三成份太陽能電池 36
2-5 添加劑 38
2-6 表面溶液處理 41
2-7 文獻分析 47
第三章 研究動機與構想 48
第四章 實驗內容 50
4-1 實驗藥品 50
4-2 儀器設備 52
4-3 單層高分子太陽能電池元件製作 54
4-3-1 單層順式元件 54
4-3-2 單層順式元件製程活性層為PTB7-Th:IEICO-4F:PCBM(1:1.1:0.4, w/w) 55
4-5 單一載子元件之製作 55
4-6 元件特性之量測 56
第五章 結果與討論 57
第六章 結論 84
第七章 參考文獻 85

圖目錄
圖1-1- 1 由NREL所認證之各種太陽能電池效率演進圖 2
圖1-1-2 美國 KORNAKA 製作之可撓曲高分子太陽能電池 3
圖1-2- 1 太陽光在不同地方的光譜 4
圖1-2- 2 太陽光不同入射角的 AIR MASS (FROM NEWPORT.COM) 5
圖1-2-3 AM 1.5 DIRECT 與 AM 1.5 GLOBAL 光譜圖 5
圖1-2- 4 太陽電池各参數和電流－電壓曲線的對應關係 7
圖1-2- 5 太陽能電池運作機制圖 8
圖 1-3- 1 高分子太陽電池結構演進 (A)SINGLE LAYER (B)BILAYER HETEROJUNCTION (C)BULK HETEROJUNCTION (D) ORDERED BULK HETEROJUNCTION 10
圖 1-3- 2 單層結構的電荷傳遞機制與能帶圖 11
圖 1-3- 3 C. W. TANG提出的雙層異質接面結構元件及電流-電壓曲線圖 12
圖 1-3- 4 雙層結構機制與能帶圖 12
圖 1-3- 5 總體異質結構機制與能帶圖 13
圖 1-4- 1 共軛高分子結構與簡稱縮寫 14
圖 1-4- 2 比較導電高分子與金屬、半導體、導體的導電度。(名稱前加D表示為摻雜材料) 14
圖 1-4- 3 (A)半導體的能量結構示意圖；(B)增加碳氫鍵結數量對分子能階的改變 15
圖 1-4- 4 太陽光譜與 P3HT 吸收光譜比較圖 16
圖 1-4- 5 (A)予體-受體共聚高分子以軌域混成理論解釋能階與能隙的改變；(B)共軛高分子的兩種共振形式，醌型 (QUINOID FORM)及苯型 (AROMATIC FORM)。 17
圖 2-1- 1 PBDB-T-4F、IT-4F(A)化學結構圖 (B)吸收圖 (C)能階圖 (D)元件電流-電壓曲線圖 (E)EQE圖 19
圖 2-1- 2 (A)PBDB-T-2CL化學結構圖 (B)PBDB-T-2CL和PBDB-T-2F吸收光譜圖 (C)元件電流-電壓曲線圖 (D)EQE圖 (E) PBDB-T-2CL和PBDB-T-2F偶極矩 20
圖 2-1- 3 PM6、Y6 (A)化學結構圖 (B)吸收光譜圖 (C)EQE圖 (D)元件電流-電壓曲線圖 (E)GIWAXS圖 22
圖 2-2- 1 (A)IEICO-4F化學結構圖 (B) IEICO-4F吸收光譜圖 (C)元件電流-電壓曲線圖 (D)EQE圖 24
圖 2-2- 2 PTB7-TH、DR3TSBDT、PC71BM (A)結構圖 (B)能階圖 (C)PL圖 (D)元件電流-電壓曲線圖 (E)EQE圖 (F)吸收係數圖 (G)GIWAXS圖 (H)元件電洞遷移率圖 (I)元件電子遷移率圖 26
圖 2-2- 3 PTB7-TH、IT-M、PC71BM (A)化學結構圖 (B)吸收圖 (C)能階圖 (D)EQE圖 (E)元件電流-電壓曲線圖 27
圖 2-2- 4 PTB7-TH、COI8DFIC、PC71BM(A)化學結構圖 (B)吸收光譜圖 (C)EQE圖 29
圖 2-3- 1 PBDB-T、IT-M、BIS【70】PCBM (A)化學結構 (B)吸收光譜 (C)能階圖 (D)PL圖 (E) 元件電流-電壓曲線圖 (F)EQE圖 31
圖 2-3- 2 PBDB-T、PTB7-TH、IEICO-4F (A)化學結構 (B)吸收光譜 (C)能階圖 (D) 元件電流-電壓曲線圖 (E)EQE圖 (F)元件電流-光強度、電壓-光強度圖 33
圖 2-3- 3 PBDB-T、ITIC、PC71BM(A)化學結構圖 (B)吸收光譜圖 (C)能階圖 (D)元件電流-電壓曲線圖 (E)EQE圖 (F)PL圖 (G)元件電流-光強度圖 (H)GIWAXS圖 35
圖 2-4- 1 P3HT、IDTBR、IDFBR (A)化學結構圖 (B)吸收光譜圖 (C)能階圖 (D)元件電流-電壓曲線圖 (E)EQE圖 38
圖 2-5- 1 (A)PTB7於氯苯及氯苯中加入3 VOL% DIO的GIWAXS圖 (B)PC71BM於氯苯及氯苯中加入3 VOL% DIO的GIWAXS圖 (C)添加劑在活性層中混合情型示意圖 39
圖 2-5- 2 PTB7-TH、IEICO-4F、CL-NA (A)化學結構圖 (B)吸收光譜圖 (C)EQE圖 (D)OUT-OF-PLANE方向的GIWASX圖 (E)IN-PLANE方向的GIWASX圖 40
圖 2-6- 1 不同溶劑處理的(A) P3HT:PC61BM的AFM 高低圖 (B) 42
圖 2-6- 2 P3HT:PC61BM(A)溶劑處理前的AFM PHASE圖 (B)溶劑處理後的AFM PHASE圖 (C)EGME溶劑處理，高極性的醇基吸引PC61BM浮到表面 43
圖 2-6- 3 (A)PAS處理示意圖 (B)經過不同CYCLOHEXANE/N-HEXANE比例的PAS處理的元件電流-電壓曲線圖 (C) 經過不同DIO比例的PAS處理的元件電流-電壓曲線圖 (D) PTB7: PC71BM未經PAS處理的TEM圖 (E) PTB7: PC71BM經PAS處理的TEM圖 45
圖 3-1- 1 PTB7-TH、IEICO-4F、PC71BM的化學結構圖 49
圖 3-1- 2 PTB7-TH、IEICO-4F、PC71BM的UV-VIS吸收光譜圖和能階圖 49
圖 5-1- 1 (A)PTB7-TH (B)IEICO-4F (C)PC71BM 化學結構圖；PTB7-TH、IEICO-4F、PC71BM(D)能階圖 (E)UV-VIS吸收光譜圖 58
圖 5-1- 2 不同活性層厚度的元件電流-電壓曲線圖 60
圖 5-1- 3 混摻不同重量比例PTB7-TH:IEICO-4F的電流-電壓曲線圖 62
圖 5-1- 4 不同重量比例PC71BM的元件電流-電壓曲線圖 63
圖 5-1- 5 PTB7-TH:IEICO-4F、PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM的UV-VIS吸收光譜圖 64
圖 5-1- 6 CL-NA添加劑加入前後雙成份係和三成份系統的元件電流-電壓曲線圖 66
圖 5-1- 7 CL-NA添加劑加入前後PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM的UV-VIS吸收光譜圖 66
圖 5-1- 8 添加劑的化學結構、名稱和沸點溫度 68
圖 5-1- 9 不同添加劑元件電流-電壓曲線圖 68
圖 5-1- 10 不同體積比DIO溶於甲醇的表面溶液處理的元件電流-電壓曲線圖 70
圖 5-1- 11 不同退火溫度的元件電流-電壓曲線圖 71
圖 5-1- 12 不同醇類的表面溶液處理的元件電流-電壓曲線圖 73
圖 5-1- 13 表面溶液處理前後元件的UV-VIS吸收光譜圖 73
圖 5-1- 14 PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM活性層(A)未經過表面溶液處理 (B)經0.5VOL% DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (C)經1VOL% DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (D)經1.5%VOL DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (E) 經1%VOL DIO溶在乙醇的表面溶液處理 的AFM TAPPING MODE TOPOLOGICAL圖 75
圖 5-1- 15 PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM活性層(A)未經過表面溶液處理 (B)經0.5VOL% DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (C)經1VOL% DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (D)經1.5%VOL DIO溶在甲醇的表面溶液處理 (E) 經1%VOL DIO溶在乙醇的表面溶液處理 的3D TOPOLOGICAL圖 76
圖 5-1- 16 表面溶液處理前後 (A)HOLE-ONLY (B)ELECTRO-ONLY元件 77
圖 5-1- 17 PTB7-TH、IEICO-4F、PC71BM (A)OUT OF PLANE方向的GIWAXS一維圖 (B)IN PLANE方向的GIWAXS一維圖；PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM在有無添加劑及溶劑表面處理的 (C)OUT OF PLANE方向的GIWAXS一維圖 (D)IN PLANE方向的GIWAXS一維圖 80
圖 5-1- 18 PTB7-TH與PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM在有無添加劑及表面溶液處理前後的PL放光光譜圖 81
圖 5-1- 19 PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM在有無添加劑及表面溶液處理前後的PL放光光譜圖 82
圖 5-1- 20 PTB7-TH:IEICO-4F、PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM在有無添加劑及表面溶液處理的EQE圖 83

表目錄
表 2-1- 1引入氟離子前後的元件效率表[30] 19
表 2-1- 2 PBDB-T-2CL(PBDB-T-2F):IT-4F元件效率表[31] 21
表 2-1- 3 PM6:Y6元件效率表[32] 22
表 2-1- 4 PM6:Y6電子電洞遷移率表[32] 23
表 2-2- 1 PTB7-TH:J52:IEICO-4F元件效率表 24
表 2-2- 2 PTB7-TH:DR3TSBDT:PC71BM元件效率表 26
表 2-2- 3 不同比例IT-M的電子、電洞遷移率比較表 28
表 2-2- 4 PTB7-TH:IT-M:PC71BM元件效率表 28
表 2-2- 5 不同比例PC71BM的元件效率表 29
表 2-2- 6 有無熱退火的元件效率表 30
表 2-2- 7 不同系統的電子電洞遷移率表 30
表 2-3- 1 PBDB-T:IT-M: BIS【70】PCBM元件效率表 32
表 2-3- 2 不同比例PTB7-TH的電子電洞遷移率 34
表 2-3- 3 PBDB-T:PTB7-TH:IEICO-4F元件效率表 34
表 2-3- 4 PBDB-T:ITIC:PC71BM元件效率圖 36
表 2-3- 5 PBDB-T:ITIC:PC71BM電子電洞遷移率圖 36
表 2-4- 1 混摻不同小分子的元件效率表[40] 38
表 2-5- 1 不同比例CL-NA元件效率表 40
表 2-5- 2 不同比例CL-NA電子電洞遷移率表 41
表 2-6- 1 不同溶劑處理的元件效率表 42
表 2-6- 2 不同溶劑的沸點及溶解度參數 42
表 2-6- 3 溶劑處理前後元件效率表 44
表 2-6- 4 PTB7: PC71BM在不同CYCLOHEXANE/N-HEXANE比例的PAS處理的元件效率表 45
表 2-6- 5 PTB7: PC71BM在不同DIO比例的PAS處理的元件效率表 46
表 5-1- 1 PTB7-TH:IEICO-4F不同活性層厚度的元件參數表 60
表 5-1- 2文獻的元件參數表[33] 61
表 5-1- 3 混摻不同重量比例PTB7-TH:IEICO-4F的元件參數表 62
表 5-1- 4 不同重量比例PC71BM的元件參數表 64
表 5-1- 5 CL-NA添加劑加入前後雙成份係和三成份系統的元件效率表 67
表 5-1- 6 不同添加劑元件效率表 69
表 5-1- 7 不同體積比DIO溶於甲醇的表面溶液處理的元件效率表 70
表 5-1- 8 不同退火溫度的元件效率表 71
表 5-1- 9 不同醇類的表面溶液處理的元件效率表 74
表 5-1- 10 表面溶液處理前後電子電洞遷移率表 77
表 5-1- 11 PTB7-TH:IEICO-4F:PC71BM在有無添加劑及表面溶液處理前後，活性層中PTB7-TH、IEICO-4F和PC71BM分子排列的相關長度 80

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