新穎材料開發關鍵核心設施計畫---有機太陽能電池新穎材料與元件製作及量測服務平台

Abstract

計畫中文摘要： 本計畫主要在於建構一套完善的有機太陽能電池製程設備以及相關的分析設備，以提供給新材料開發者以及發展新穎元件結構者使用，並促使有機太陽能電池的研究發展可以往前更邁進一步。有機高分子太陽能電池方面，利用四支手套之手套箱串接兩隻手之手套箱形成手套箱串接系統，以提供足夠之低水、氧操作環境，並可以容許更多的製程在手套箱之優良環境內完成。再把熱蒸鍍機與手套箱串接系統進一步串接，形成一連貫式的製程設備，此中做法可允許元件製作過程不受大氣中雜質以及水、氧的影響，並且可以提供更多種類的金屬電極以及易氧化之高功函數電極製作環境，可以優化有機太陽能電池元件之效率。結合點針架台以提供一優良之高真空及溫度控制的電性量測環境，點針架台亦具有透明窗口可供光源之入射，有利於材料基礎光電性質分析，並協助元件特性分析及解決元件製程相關缺陷。有機染料敏化太陽能電池方面主要任務在於建立一個完整的DSSC元件製備與其相關光電特性量測之標準化平台，以便結合各界專家學者在關鍵材料的開發，在未來發展出高效率的DSSC元組件，並以達成DSSC之商品化為終極目標。計畫分為兩部分來執行，分別是染料敏化太陽能電池(DSSC)的元件製備平台以及DSSC的電子傳遞機制探討量測平台。其中前者包括了TiO2工作電極的製備、對電極的製備、元件的封裝與光電效能的量測平台之設立；而後者則包括了電子注入效率、電荷再結合與染料再生效率以及電荷收集效率量測平台的設立，結合自製的新材料以及雷射分析技術，建構一套染料敏化太陽能電池元件封裝及分析設備；建立無塵室提供完善的實驗環境，以利於元件製程的改善；購置表面粗度儀鑑定元件表面性質及四點探針探測平台分析元件電性，協助元件製程的優化；購置電子束蒸鍍系統，製作多樣化的金屬電極。計畫最終，在於建立國內有機太陽能電池標準化製程及先進光電性質分析設備，成為有機太陽能電池製程未來發展的原型，並促進有機太陽能電池的開發及新穎材料、元件之研究，在學術研究上以及業界商業化中成為領導者之一。 1.整合之必要性：包括總體目標、整體分工合作架構及相關性與整合程度。 總目標為期望藉由架構新的儀器跟製程設備協助材料開發及元件設計之發展，兩年內將能量轉換效率(Power conversion efficiency)提高至8%。主要進行之工作為 (a)合成具多重吸收及低能隙之高分子：合成主鏈(donor)及側鏈(acceptor)具不同吸收波長之高分子，藉由引進不同能隙之側鏈基團進而調控共軛高分子之能隙，增加吸光範圍、電荷分離及傳輸效率，使元件之光電流大幅提升，而提升光轉換成電之能量效率，或合成主鏈含共軛(donor- acceptor)之低能隙高分子以增 加吸光範圍。(b)產生垂直奈米結構P-N異質接面：由於有機材料結晶度較低，於吸光後所產生激子之擴散距離僅為20奈米而且電子與電洞在有機材料之傳導速度為在矽半導體之百分之一，必須根據奈米技術設計元件結構以增加異質接合介面面積和增加電荷傳送之效率。其中以獨立傳送電子與電洞之材料P-N交錯結構以避免電子與電洞重新結合之機會為最理想之結構，因而形成具方向性並具能隙設計之奈米複合材料結構。(c)表面電漿效應之金屬奈米顆粒合成，表面電漿子模式會侷限在金屬表面附近，形成高度增強的近場，表面增強的特性可利用在光學元件上增強吸收，應用於各類表面光譜的測量上。(d)發展多層元件製程及最佳化：多層元件(tandem cell)在增加元件效率之方法即經由串聯兩個或數個分別具有不同吸光光譜之電池，將其堆疊起來，使光通過吸光層的路徑加長而且藉由各層材料吸收太陽光不同波段，即可增加整體元件之吸光範圍及因為串接產生接近雙倍化之開路電壓。及(e)另外於元件結構奈米化後進行元件最佳化以提昇元件之效率；在元件性能中，共軛高分子之能隙及奈米結構形態控制為最重要的因素，以及引入更多樣化的電極材料，藉由多方嘗試以提昇元件效率達到最高。(f)研究染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)也是目前有機太陽能電池最受注目的領域，輔以光物理分析與光電測量，並建立雷射與其他光學量測設備，在此計畫中負責雷射光電性質分析與量測、奈米光電材料與表面分析、染料敏化太陽能電池元件結構開發及分析設備架設。(g)最後結合高分子太陽能電池的研究和染料敏化太陽能電池的研究，期望可以把有機太陽能電池的效率雙雙推向新的高峰。 2.人力配合度：包括計畫主持人協調領導能力、計畫共同主持人之專業能力及合作諧和性。 計畫主持人韋光華教授在光電用高分子與無機奈米顆粒棒的合成分析以及元件製作方面有相當多極佳的成果與經驗，並於2003年獲得國科會傑出研究獎。近五年韋教授有超過40篇SCI期刊論文發表，更在材料與化學領域中有3篇SCI期刊論文received citations in the top 1%。韋教授隨後連續主持共二期奈米國家型科技計畫，目前正主持第二期計畫「高效率光電轉換用自身組織功能性奈米結構材料與元件之前瞻研究」。在行政上，韋教授除了擔任交大材料系系主任(2008/2~今)，並曾擔任同步輻射中心用戶執行委員會的主席，並且擔任2007年材料年會的總幹事，因此絕對具有相當好的領導與協調能力。總計畫主持人韋光華教授在光電用高分子與無機奈米顆粒棒合成分析以及高分子太陽能電池元件製作方面，都具有相當成熟之技術，並且利用原子力顯微鏡（AFM）、穿透式電子顯微鏡（TEM）以及同步輻射設備分析元件內部結構及特性；在此計畫中計畫主持人韋光華教授將負責高分子太陽能電池元件開發及製程分析設備架設。共同主持人刁維光教授目前任職於交大應用化學系擔任副主任一職，專長在研究染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)，輔以光物理分析與光電測量，並建立雷射與其他光學量測設備，在此計畫中共同主持人刁維光教授將負責雷射光電性質分析與量測、奈米光電材料與表面分析、染料敏化太陽能電池元件 結構開發及分析設備架設。 3.資源之整合：所需各項儀器設備之共用情況及研究經驗與成果交流情況。 將提供原本有之設備給子計畫進行研究，對於計畫內各教授研究室都會互相派出數名研究生學習並且訓練之，並在每兩星期進行進度會議討論，所採購之貴重儀器將集中置於材料系系館、應化系館及交大奈米中心無塵室以利共同使用。高分子太陽能電池製程設備以及染料敏化太陽能電池分析設備可以互相交互使用，都可以互補。太陽能電池分析設備皆可以互用，以互相提供有機太陽能電池元件光電特性之分析，以利釐清製程與元件特性中的相互影響因素，促進先進製程開發與新穎材料發明。 4.申請機構或其他單位之配合度。 材料系、應化系、同步輻射中心、交大奈米科技中心有分析型貴重儀器可以提供使用，以及交大奈米中心的無塵室也提供放置製程儀器的空間，這些單位的配合使計畫執行更加有利。 5.預期綜合效益。 我們預期可以產生高效率之異質接合有機太陽能電池以及高效率之染料敏化太陽能電池，並在1年後我們預期可產生impact factor超過4.0 之期刊論文約6篇，並訓練4位博士班研究生及4位碩士班研究生。

Organic photovoltaic has become an emerging research subject recently because of their easy and low-cost fabrication process as compared to their counter parts such as silicon or compound semiconductor solar cells. In particular, bulk hetero-junction (BHJ) polymer solar cells that typically consist of an active layer of about 100nm-thick film blends constituted by P-type conjugated polymers and N-type fullerene derivatives sandwiched between two electrodes appear to attract large attentions since they can provide large surface area with limited amount of effort. Since the power conversion efficiency (PCE) of BHJ polymer solar cells still remains an area where improvements are greatly needed. Many researchers have tried to optimize the interface structures of these polymer solar cells by modifying the work function of the electrodes or adopting other transparent metal oxides as electrode, for enhancing the PCE. In order to push the research ahead, the manufactor machines must be seted up properly and easily to hold any types of organic photovoltaic device process. Connecting glove box and thermal evaporation system in a line is to reach the goal mentioned above. The probe station with high vacuum and temperature controlled form 3.2K to 473K can support the research about new materials’ optoelectric properties and solve the problems about bandgap alignment. The main mission of the present proposal is to set up a complete standard platform for the device fabrication and photovoltaic/charge-transport characterization of a dye-sensitized solar cell (DSSC). The goal of the platform is to find highly efficient devices in combination of the expert development of the key materials in this field for commercialization of DSSC in the near future. The project contains two parts, one is to construct a device fabrication platform for photovoltaic characterization; the other is to set up a photo-electric measurement platform to understand the electron-transport mechanism of the device. The former platform contains the TiO2 working electrode, counter electrode, cell fabrication and characterization; the later platform involves measurements of electron-injection efficiency, back-electron transfer and dye re-generation efficiency, and charge-collection efficiency.