能源短缺是目前世界各國正積極尋找解決的方案，有機太陽能電池具有製程簡單、成本低廉、可撓曲和可大面積化等優勢，近年來備受大家的期待與矚目。而有機太陽能電池大面積化製程是未來必要方向，以往有機太陽能電池製程大多都以旋轉塗佈為主，不利於推廣至大面積化製程上，因此本論文以刮刀塗佈取代旋轉塗佈製作大面積有機太陽能電池，不僅能提升溶液使用率更具有與roll-to-roll製程結合之潛力。
本論文研究主要分為兩大部分，第一個主題是正結構大面積有機太陽能電池製程開發，在刮刀塗佈製程中，刮刀塗佈速度和薄膜厚度有著密切的關係，薄膜厚度會隨著刮速提升而增加，因此利用加速度塗佈可彌補基板後端因溶液不足導致的膜厚下降，加速度塗佈使基板前後端均勻度獲得有效的提升，除了膜厚均勻度的控制外，在退火製程上也進行了改良，利用Vacuum hotplate吸真空且拋光使大面積上每點均勻退火，也縮短了退火時間，本論文中大面積有機太陽能電池在A4尺寸基板上製作由十個有機太陽能電池串聯主動區(108 cm2)並利用上述製程改良明顯有效提高效率，分別在兩種結構ITO/PEDOT/P3HT:PC61BM/LiF/Al和ITO/PEDOT/POD2T-DTBT:PC71BM /Al，大面積P3HT:PC61BM和POD2T-DTBT:PC71BM分別到2.66％和3.64％，大面積元件主動區面積放大近3000倍，其光電轉換效率仍可維持七成。
第二個主題是反結構有機太能電池，由於要發展成大面積有機太陽能電池，電子傳輸層在這裡選擇適合刮刀塗佈的凝膠狀(Sol-gel) IGZO，在此首先改善電子傳輸層(IGZO)的刮刀製程參數，包含IGZO在塗佈過程中是否加熱、吹風、膜厚，In.Ga.Zn比例與濃度之調變，目前反結構有機太陽能電池之元件結構為
ITO/Sol-gel IGZO/P3HT：PCBM/MoO3/Al，然後用IGZO(4:1:2)可以到達3.515％。









關鍵字:加速度刮刀塗佈、大面積、有機太陽能電池

Energy shortage is currently the world are actively looking for solutions, organic solar cells with the process simple, low cost, flexible and large area and other advantages, in recent years much everyone's expectations and attention. The large area organic solar cell manufacturing process is necessary for the future direction of the past, most of the organic solar cell manufacturing process are dominated by spin coating, Tai area is not conducive to the promotion of the process, so the blade coated paper to replace the production of large spin coating area of organic solar cells, not only to enhance the utilization of the solution has the potential to combine with more roll-to-roll manufacturing process.
This thesis study is divided into two parts, the first large-scale structure of the theme is positive process development of organic solar cells, the blade coating process, the blade coating speed, and is closely related to the film thickness, the film thickness will be with scratch-speed enhance and increase, so the acceleration of the substrate thickness of the coating can compensate for lack of back-end solution leads to decrease in acceleration coated substrate so that the front and rear ends to enhance the uniformity of access to effective, in addition to controlling the film thickness uniformity, the annealing process on have also been improved, the use of vacuum suction vacuum hotplate and polished so that each point on the uniform annealing large area, but also shorten the annealing time, this paper produced large area organic solar cells in series of ten organic solar cell active area on A4 size board (108 cm2) and using the above process improvements significantly improve the efficiency, respectively, in the two structures ITO/PEDOT/P3HT: PC61BM/LiF/Al and ITO/PEDOT/POD2T-DTBT: PC71BM / Al, a large area of P3HT: PC61BM and POD2T -DTBT: PC71BM respectively to 2.66% and 3.64%, a large element active area of nearly 3000-fold amplification, the photoelectric conversion efficiency can still maintain the 70%.
The second theme is the anti-cell structure of organic too, due to develop into an area of organic solar cells, electron transport layer here to choose blade coating gel (Sol-gel) IGZO, in this first improve electron transport layer (IGZO) squeegee process parameters contained in the coating process, whether IGZO heating, hair thickness, In.Ga.Zn proportional to the concentration of the modulation, the current structure of the anti-structural components of organic solar cells is
ITO / Sol-gel IGZO/P3HT: PCBM/MoO3/Al, then use IGZO (4:1:2) to reach 3.515%.
















Keywords: acceleration blade coating, large area, organic solar cells

第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 前言 1
1.1.2 太陽能電池的發展 2
1.1.3 有機太陽能電池之發展 3
1.2 研究動機 7
1.2.1 有機高分子太陽能電池優勢 7
1.2.2 混合層之有機高分子太陽能電池 8
1.3 文獻回顧 9
1.3.1 以刮刀塗佈製程製作有機光電元件 9
1.3.2 大面積化有機太陽能電池 11
1.3.3 大面積化多點下料結果 13
1.4 論文架構 13
第二章 實驗原理 14
2.1 太陽電池基本介紹 14
2.1.1 太陽電池基本原理 14
2.1.2 理想太陽電池等效電路 15
2.1.3 實際太陽電池等效電路 16
2.1.4 太陽能電池基本參數介紹 18
2.1.5 太陽能電池操作分析 22
2.2 有機太陽能電池材料特性 25
2.2.1 共軛高分子材料特性 25
2.2.2 有機太陽能電池能帶理論 26
2.3 本論文研究理論 27
2.3.1 主動層材料 27
2.3.2 電洞傳輸層材料 31
2.3.3 電子傳輸層材料 32
2.3.4 陽極、陰極材料 32
2.4 研究之元件結構與能帶圖 33
第三章 實驗方法與流程 35
3.1 有機太陽電池元件製作流程 35
3.2 ITO玻璃基板設計及圖樣化 35
3.3 元件基板準備及清洗 39
3.4 實驗設備 40
3.5 正結構高分子成膜 41
3.5.1電洞傳輸層(hole transport layer, HTL)成膜 41
3.5.2 主動層成膜 42
3.5.3 電極蒸鍍 44
3.6反結構高分子成膜 45
3.6.1電子傳輸層(Electron Transport Layer, ETL)成膜 45
3.6.2 主動層成膜 46
3.6.3 電極蒸鍍 47
3.7 元件封裝 48
3.8 元件量測 49
第四章 實驗結果與討論 50
4.1 不同混和層之刮刀塗佈速度與膜厚的關係 51
4.2 加速度刮刀塗佈對膜厚的影響 52
4.3 VACUUM HOTPLATE 和 HOTPLATE 的比較 55
4.4 不同退火條件對元件結果的關係 57
4.5 大小面積的比較 55
第五章 反結構的實驗結果與討論 62
5.1 改變電子傳輸層的刮刀製程對元件結果關係 62
5.2 不同比例IGZO元件的結果 65
第六章 總結與未來展望 68
參考文獻 70











圖目錄
圖1-1 有機太陽電池結構之演進 4
(a) single layer (b) bilayer (c) bulk heterojunction (d) ordered bulk heterojunction 4
圖1-2 單層結構有機太陽電池機制與能帶圖 5
圖1-3雙層結構有機太陽電池機制與能帶圖 5
圖1-4塊材異質接面結構(bulk heterojunction, BHJ) 6
圖1-5 (A) P3HT 單體分子結構 (B) PC61BM分子結構 9
圖1-6 (A) POD2T-DTBT 單體分子結構 (B) PC71BM 分子結構 9
圖1-7 PLED 以刮刀塗佈製做之單層元件與雙層元件發光和電流效益比較圖 10
圖 1-8 (A)刷膜(brush painting)製程示意圖 11
(B)未退火條件下，刷膜與旋轉塗佈之元件 I-V 特性比較圖 11
圖1-9 串聯式電池結構及剖面圖 12
圖1-10 不同STRIPE寬度之元件效率比較圖 12
圖2-1 傳統太陽電池PN接面 14
圖2-2 激子受空乏區電場拆解示意圖 15
圖2-3 (A)理想太陽電池等效電路圖 (B)理想太陽電池I-V特性曲線圖 16
圖2-4 實際太陽電池之等效電路圖 17
圖2-5 理想與實際太陽電池照光後之I-V特性曲線 18
圖2-6 實際太陽能電池I-V特性曲線及元件參數 18
圖2-7有機太陽電池光電轉換機制 22
圖2-8實際太陽電池之I-V特性曲線 22
圖2-9外加逆偏壓之能帶變化 23
圖2-10 未加偏壓之能帶變化 24
圖2-11 外加平帶電壓下之能帶圖 24
圖2-12持續外加順偏壓之能帶圖 25
圖2-13 常見共軛高分子材料 26
圖2-14 有機太陽能電池能帶圖 27
圖2-15各吸光材料之吸收光譜 28
圖2-16 (A) P3HT 單體分子結構 (B) PC61BM分子結構 29
圖2-17各吸光材料之吸收光譜 30
圖2-18 (A) POD2T-DTBT 單體分子結構 (B) PC71BM 分子結構 31
圖2-19 PEDOT分子結構 31
圖2-20 元件結構剖面圖 33
圖2-21本論正結構P3HT:PC61BM能帶圖 33
圖2-22本論正結構POD2T-DTBT:PC71BM能帶圖 34
圖2-23 元件結構剖面圖 34
圖2-24本論反結構P3HT:PC61BM能帶圖 34
圖3-1 有機太陽電池製作之步驟 35
圖3-2 太陽光模擬器光源大小以及中間設計有效照射面積示意圖 36
圖3-3 圖樣化ITO基板 39
圖3-4塗佈工具(A)自動刮刀塗佈設備(B)四面刮刀 41
圖3-5電洞傳輸層PEDOT:PSS 成膜俯視及側視示意圖 42
圖3-6 主動層成膜俯視及側視示意圖 44
圖3-7 蒸鍍金屬後元件俯視及側視示意圖 45
圖3-8電子傳輸層成膜俯視及側視示意圖 46
圖3-9 主動層成膜俯視及側視示意圖 47
圖3-10 蒸鍍金屬後元件俯視及側視示意圖 47
圖3-11 封裝後元件俯視圖 48
圖3-12 量測系統示意圖 49
圖4-1 結構ITO/PEDOT/BLEND刮刀塗佈示意圖 50
圖4-2 刮刀塗佈速度與膜厚示意圖 52
圖4-3 加速度刮刀塗佈示意圖 53
圖4-4 位置對應到刮刀塗佈速度示意圖 54
圖4-5 VACUUM HOTPLATE示意圖 56
圖4-6 VACUUM HOTPLATE 和 HOTPLATE元件(A)暗電流(B)光電流圖 57
圖4-7 P3HT及PC61BM不同退火時間元件的(A)暗電流(B)光電流圖 58
圖4-8AL會穿透主動層示意圖 59
圖4-9POD2T-DTBT及PC71BM不同退火時間(A)暗電流(B)光電流圖 60
圖4-10 大面積與小面積元件(A) P3HT及PC61BM(B) POD2T-DTBT及PC71BM J-V圖 61
圖5-1IGZO有吹風跟沒吹風元件(A)暗電流(B)光電流圖 63
圖5-2 IGZO基板溫度元件(A)暗電流(B)光電流圖 64
圖5-3 IGZO(212)調變刮速元件(A)暗電流(B)光電流圖 65
圖5-4 IGZO(412)調變刮速元件(A)暗電流(B)光電流圖 66
圖5-5 IGZO(6.812.2)調變刮速元件(A)暗電流(B)光電流圖 66
圖5-6 IGZO(412)刮速200元件的SEM圖 67




表目錄
表4-1等速度刮刀塗佈對應的膜厚 53
表4-2 加速度刮刀塗佈對應的膜厚 55
表4-3 VACUUM HOTPLATE 和 HOTPLATE元件參數 57
表4-4 P3HT及PC61BM不同退火時間元件參數 58
表4-5 POD2T-DTBT及PC71BM不同退火時間元件參數 60
表4-6 大面積與小面積元件參數 61
表5-1 IGZO有吹風跟沒吹風元件參數 63
表5-2 IGZO基板溫度元件參數 64
表5-3 ITO片電阻參數 64

[1]. D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson, “A new silicon pn junction photocell for converting solar radiation into electrical power,” J. Appl. Phys. 25,
676 (1954).
[2]. J. Zhao, A. Wang, M. A. Green, and F. Ferrazza, “ Novel 19.8% efficient “honeycomb” textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar
cells,” Appl.Phys. Lett. 73, 1991 (1998).
[3]. O. Schultz,S. W. Glunz, G. P. Willeke, “ Multicrystalline silicon solar cells exceeding 20% efficiency,” Prog. Photovolt. : Res. Appl.12, 553( 2004).
[4]. S. Benagli, D. Borrello, E. Vallat-Sauvain, J .Meier, U. Kroll, J .Hötzel, J .Spitznagel, J .Steinhauser, L .Castens, Y. Djeridane “ High-efficiency amorphous silicon devices on LPCVD-ZNO TCO prepared in industrial KAI-M R&D reactor,” 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg,
Sept. (2009).
[5]. News-“Tandem organic photovoltaic reaches 10.6% efficiency a world’s first for polymer organic photovoltaic devices”(2012).
[6]. K. M. Coakley,Wudl and M. D. McGehee,“Conjugated polymer photovoltaic
cells,” Chem. Mater. 16, 4533 (2004).
[7]. Harald Hoppe, and Niyazi Serdar Sariciftci, “Organic solar cell: An review,”
J. Mater. Res. , Vol. 19, No. 7, (2004).
[8]. G. Li, V. Shortriya, J. Huang, T. Moriarty, K. Emery, Y. Yang, "High-efficiency
solution processible polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer
blends", Nat. Mater., 4, 864 (2005)
[9]. K. Kim, J. Liu, M. A. G. Namboothiry, D. L. Carroll, “Roles of donor and acceptor nanodomains in 6% efficient thermally annealed polymer
photovoltaics” Appl. Phys. Lett., 90, 163511 (2007)
[10]. S. L. Lim, E. C. Chen, C. Y. Chen, K. H. Ong, Z. K. Chenn, H. F. Meng,“High performance organic photovoltaic cells with blade-coated active layers, ” Solar Energy Materials & Solar Cells, 107, 292 (2012).
[11]. S. R. Tseng, H. F. Meng, K. C. Lee, and S. F. Horng. Appl. Phys. Lett. 93,
153308 (2008).
[12]. S. S. Kim, S. I. Na, J. Jo, G. Tae, and D. Y. Kim. ,“Efficient polymer solar
cells fabricated by simple brush painting,”Adv. Mater. 19, 4410 (2007)
[13]. F.C.Krebs, T.Tromholt and M. Jørgensen,“Upscaling of polymer solar cell
fabrication using full roll-to-roll processing”, Nanoscale, 2, 873 (2010).
[14]. R.N. Marks, J.J.M. Halls, D.D.C. Bradley, R. H. Friend, A. B. Holmes,“The photovoltaic response in poly(ppheny1ene vinylene) thin-film devices”.J.
Phys. :Condens. Matter. 6, 1379 (1994).
[15]. C. J. Brabec, A. Cravino, D. Meissner, N. S. Sariciftci, M.T. Rispens, L. Sanchez, J. C. Hummelen, and T Fromherz, “ The influence of materials work function on the open circuit voltage of plastic solar cells,” Thin Solid Film, 403-404,368 (2002).
[16]. H. Kim, S-H. Jin, H. Suh, and K. Lee, “Origin of the open circuit voltage in
conjugated polymer-fullerene photovoltaic cells,” In Organic Photovoltaics IV, edited by Z.H. Kafafi, and P.A. Lane, Proceedings of the SPIE, Vol. 5215,
p. 111(SPIE, Bellingham, WA, 2004).
[17]. H. Sirringhaus, P. J. Brown, R. H. Friend, M. M. Nielsen, K. Bechgaard, B. M. W. Langeveld-Voss, A. J. H. Spiering, R. A. J. Janssen, E. W. Meijer, P. Herwig, and D. M. De Leeuw, “ Two-dimensional charge transport in self-organized,
high-mobility conjugated polymers,” Nature, 401, 685 (1999).
[18]. J. C. Hummelen, B. W. Knight, F. Lepeq, F. Wudl, J. Yao, and C. L. Wilkins, “Preparation and Characterization of Fulleroid and Methanofullerene
Derivatives,” J.Org. Chem. 60, 532 (1995)
[19]. E. J. Meijer, D. M. de Leeuw, S. Setayesh, E. V. Veenendaal, B. H. Huisman, P. W. M. Blom, J. C. Hummelen, U. Scherf, T. M. Klapwijk. Nat. Mater. 2, 678
(2003)
[20]. K. H. Ong,S. L. Lim, H. S. Tan, H. K. Wong, J. Li, Z. Ma, L. C. H. Moh, S. H. Lim, J. C. D. Mello, Z. K. Chen, “A Versatile Low Bandgap Polymer for Air-Stable, High-Mobility Field-Effect Transistors and Efficient Polymer Solar Cells,” WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Adv. Mater. 23, 1409 (2011)
[21]. Tae Jung Kim, Jae Jin Yoon, Tae Ho Ghong, Nilesh Barange, Jun Young Kim, Soon Young Hwang, and Young Dong Kim, Journal of the Korean Physical Society ,Vol. 59, No. 6, pp. 3396 (2011).
[22]. F. Noblesse, G. Delhommeau, M. Guilbaud, D. Hendrix, C. Yang, “Simple analytical relations for ship bow waves,” J. Fluid Mech, 600, 105 (2008)