TW201430952A - 製作中介層之方法 - Google Patents

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錢奎羽
高紹軒
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國立臺灣大學
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Abstract

本發明相關於一種製作中介層之方法，特別是有關一種經由交鏈化而製作不易被有機溶劑溶解的碳聚合衍生物中介層之方法。藉由對中介層進行交鏈化，而降低中介層對有機溶劑的溶解度，進而有效地控制中介層的厚度，以及提升光電元件的效能與良率。

Description

製作中介層之方法
本發明相關於一種製作中介層之方法，特別是有關一種經由交鏈化而製作不易被有機溶劑溶解的碳聚合衍生物中介層之方法。
在製作光電元件(例如太陽能電池等)的製程中，往往為了增加施體與受體的接觸面積，而將施體與受體混合在一起。然而，此一作法雖然增加了施體與受體的接觸面積，但是由於施體與受體在成膜時分佈的位置是隨機的，所以無法使得施體與受體無法依照預設的方向排列。因此，發展出許多方法來解決此一問題，使得施體與受體在成膜時依照預設的方向排列，其中，加入碳聚合衍生物中介層為一解決此一問題的最為簡單方法。
然而，加入碳聚合衍生物中介層此一方法有一重大的缺陷，即碳聚合衍生物中介層本身易溶於有機溶劑，而用以塗佈於碳聚合衍生物中介層上的施體與受體的混合溶液也是由有機溶劑配製而成，導致當將施體與受體的混合溶液塗佈於碳聚合衍生物中介層上的時候，碳聚合衍生物中介層會溶解於施體與受體的混合溶液的有機溶劑中，而被有機溶劑清洗掉。因此，造成無法控制碳聚合衍生物中介層的厚度，而無法有效地控制施體與受體分佈的狀況與成膜的結果，進而無法控制每一光電元件的品質，造成良率的低下。
有鑑於此，亟需要一種可以製作不易溶於有機溶劑的碳聚合衍生物中介層的方法，而有效地控制碳聚合衍生物中介層的厚度，進而有效地控制施體與受體分佈的狀況與成膜的結果，以及提升製作光電元件的良率。
本發明之一目的為提供一種製作中介層之方法，可以製作不易溶於有機溶劑的碳聚合衍生物中介層，並且有效地控制碳聚合衍生物中介層的厚度，而同時達到增加施體與受體的接觸面積以及使施體與受體在成膜時具有良好的分佈的功效，進而提升製作光電元件的良率。
根據本發明之一目的，本發明提供一種製作中介層之方法，特別是製作不易被有機溶劑溶解的碳聚合衍生物中介層之方法。製作中介層之方法包含下列步驟：(1)提供一基板; (2)形成一中介層於此基板上; 以及(3)對中介層進行一交鏈化(polymerization)處理，而對此中介層進行改質。藉由將中介層交鏈化(polymerization)，而將由碳聚合衍生物組成的中介層改質成一不易溶於有機溶劑的中介層，使得在中介層上塗佈的施體與受體的混合溶液不會溶解與洗去中介層，而有效地控制中介層的厚度。其次，由於對中介層進行交鏈化，會在中介層表面上產生OH鍵，在一些光電元件(例如太陽能電池)中，這些OH鍵會產生電荷累積的問題，而影響光電元件的元件效能，所以可以交鏈化中介層進行之後，進一步對已交鏈化的中介層表面施行一消除表面OH鍵處理，可以有效地消除因交鏈化而產生於中介層表面上的OH鍵，進而消除因這些OH鍵產生的電荷累積。因此，本發明之作中介層之方法可以形成一預設厚度且無電荷累積問題的碳聚合衍生物中介層，從而有效控制施體與受體的垂直分佈，進而提升製作光電元件(例如太陽能電池)的良率。
因此，本發明提供了一種製作不易被有機溶劑溶解的中介層之方法，以有效地控制中介層的厚度，達到預定的施體與受體的垂直分佈，進而控制光電元件的品質以及提升其良率。
本發明的一些實施例詳細描述如下。然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而以本發明提出之申請專利範圍為準。其次，當本發明之實施例圖示中的各元件或步驟以單一元件或步驟描述說明時，不應以此作為有限定的認知，即如下之說明未特別強調數目上的限制時本發明之精神與應用範圍可推及多數個元件或結構並存的結構與方法上。再者，在本說明書中，各元件之不同部分並沒有完全依照尺寸繪圖，某些尺度與其他相關尺度相比或有被誇張或是簡化，以提供更清楚的描述以增進對本發明的理解。而本發明所沿用的現有技藝，在此僅做重點式的引用，以助本發明的闡述。
第一A圖至第一D圖為本發明之一實施例之製作中介層之方法的立體流程圖，其以立體結構顯示整個製程與各個製程步驟。參照第一A圖，首先，提供一基板100，其中，基板100可以為一錫銦氧化物(ITO)基板、玻璃基板、矽基板、或塑膠可撓性基板。在本實施例中，基板100上已經形成或設置有一無機半導體結構102(如第一A圖所示)，其中，無機半導體結構102為一氧化鋅結構、氧化鈦結構、或是其他金屬氧化結構，而無機半導體結構102的晶態則可以為單晶態、多晶態、或非晶態。另外，無機半導體結構102的結構型態則可以為微/奈米島、微/奈米柱、微/奈米線、微/奈米管、或微/奈米多孔結構。
然而，在本發明其他實施例中，此一步驟所提供之基板也可以直接為一無機半導體結構或是為一其上未設置有無機半導體結構的基板。其中，此一直接做為基板的無機半導體結構的組成、晶態以及結構型態可以採用前述無機半導體結構102的任一組成、晶態以及結構型態，而此一其上未設置有無機半導體結構的基板的材質則可以採用前述的基板100的任一材質。
在提供基板100之後，將基板100進行清洗並吹乾，例如分別以去離子水、丙酮、甲醇以及異丙醇清洗基板，並以氮氣槍吹乾基板100，但並以此為限，而是可以採取任何不會傷害基板100的清洗方法。接著，參照第一B圖，形成一中介層104於基板100(或無機半導體結構102)上。中介層104為一碳聚合物衍生物膜，例如由C60、C70、PC61BM、PC71BM、C60衍生物、C70衍生物所組成的薄膜，其以溶液法製作於基板100(或無機半導體結構102)上，而其製作步驟如下：先將碳聚合物衍生物，例如C60、C70、PC61BM、PC71BM、C60衍生物、或C70衍生物，溶於一有機溶劑中以製備一溶液，其中，任何可以溶解碳聚合物衍生物並且不會與基板100(以及無機半導體結構102)產生反應的有機溶劑皆可以使用。接著，將此一溶液以旋轉塗佈法、噴墨塗佈法、網印塗佈法、接觸式塗佈法、浸泡式塗佈法、或滾動條式(roll-to-roll)印刷法塗佈於基板100上，而在基板100(或無機半導體結構102)上形成一做為中介層104的碳聚合物衍生物膜。此一中介層104(或碳聚合物衍生物膜)的厚度在1奈米(nm)-200奈米(nm)之間，但不以此為限，可以依照後續欲製作的光電元件的種類與設計而變更。
然後，參照第一C圖，對中介層104進行一交鏈化處理106，使得中介層104中的碳聚合物衍生物分子彼此產生交鏈化或聚合反應(polymerization)，而對中介層104進行改質，形成一對有機溶劑具有低溶解度的碳聚合物衍生物薄膜。此交鏈化處理106為一紫外光臭氧(UV-Ozone)處理，其以波長介於100奈米(nm)-400奈米(nm)之間的紫外光在臭氧環境下照射中介層104表面上，而使中介層104中的碳聚合物衍生物分子產生交鏈化或聚合反應(polymerization)，形成一對有機溶劑具有低溶解度的交鏈化中介層104'，其中，紫外光的照射時間為5秒-2小時，而此紫外光臭氧(UV-Ozone)處理可以藉由一紫外光臭氧清洗機實施，但不以此為限，而可以採用任何可以產生紫外光與臭氧環境之設備與儀器。由於交鏈化中介層104'不易溶解於有機溶劑，因此，以此交鏈化中介層104'製作光電元件可以防止在塗佈施體與受體的混合溶液於其上形成主動層時被有機溶劑清洗，而可以有效地控制交鏈化中介層104'的厚度。
然而，雖然在本實施例中是以紫外光臭氧(UV-Ozone)處理來交鏈化中介層104而產生一交鏈化中介層104'，但是在其他實施例中，也可以在其他環境下，例如大氣環境、或氮氣環境下，以波長介於100奈米(nm)-400奈米(nm)之間的紫外光照射中介層104表面5秒-2小時，而形成交鏈化中介層104'。
由於交鏈化中介層104'表面會具有許多OH鍵，因此容易在介面解離出H+離子與O-離子，其中，帶正電的H+離子會捕捉(trap)電子，因此，在具有交鏈化中介層104'的光電元件中，會使得介面處(即交鏈化中介層104'表面)上除了累積有帶負電的O-離子，隨著電子不斷注入，越來越多電子被H+離子捕捉而累積於其介面(或表面)，導致表面負電性越來越高，會造成後續的電子越來越難注入，形成電荷累積，而造成光電元件效率下降，特別是對於一些光電元件，例如太陽能電池，會造成很嚴重的效率下降的問題。因此，對於這些光電元件來說，交鏈化中介層104’表面上的OH鍵必需要去除以防止電荷累積。
有鑑於此，在形成交鏈化中介層104’之後(即交鏈化中介層104之後)，接著，參照第一D圖，對交鏈化中介層104’的表面105實施一消除表面OH鍵處理，以消除交鏈化中介層104’的表面105上的OH鍵。在此步驟(如第一D圖所示)中，藉由塗佈一介面活性劑塗108佈於交鏈化中介層104’的表面105上，而消除其表面上的OH鍵，其包含下列步驟：首先，將一具有親水端與疏水端的分子結構的介面活性劑，例如Triton X-100等，溶解於一溶劑中，例如水、乙烷基異丙醇、甲苯、二甲苯、或含氯溶液等，而製備一介面活性劑溶液。接著，將此介面活性劑溶液塗以旋轉塗佈法、噴墨塗佈法、網印塗佈法、接觸式塗佈法、浸泡式塗佈法、或滾動條式(roll-to-roll)印刷法塗佈於交鏈化中介層104’的表面105上。藉由此介面活性劑溶液，交鏈化中介層104’的表面105上的OH鍵會被大量破壞，甚至完全消除，因此，可以防止交鏈化中介層104’的表面105上因OH鍵存在產生的電荷累積，而進一步防止以此交鏈化中介層104’製作的光電元件(例如太陽能電池等)的功率下降。
雖然在實施例中，是以塗佈一介面活性劑溶液於交鏈化中介層104’的表面105上的方式來消除其上的OH鍵，但是，在本發明其他實施例中，也可以直接以300℃-600℃對交鏈化中介層104’持續加熱1分鐘-1小時，而消除交鏈化中介層104’的表面105上的OH鍵。然而，雖然此一方法同樣可以交鏈化中介層104’的表面105上的OH鍵，但因為其需要加熱到至少300℃，因此，對一些基板、無機半導體結構、或中介層採用對溫度較敏感材質或不耐高溫材質的製程來說，是較不合適的，但是仍然可以依照製程的設計採取上述任一種消除表面OH鍵處理。
根據上述實施例(第一A圖至第一D圖所示之步驟)，本發明提供一製作對有機溶劑的溶解度低的碳聚合衍生物中介層之方法，此一方法製作的中介層，因經交鏈化而不易溶解於有機溶劑，而可以在後續製作光電元件製程將施體與受體的混合溶液塗佈於其上時，有效地控制或保持中介層的厚度，因此，不但有效地增加了施體與受體，更達成預設的施體與受體的垂直分佈，進而控制光電元件的品質。另外，經交鏈化的中介層因經過消除表面OH鍵處理，而防止因OH鍵產生的中介層表面電荷累積的問題，使得經交鏈化的中介層仍然具有良好的電子與電洞傳輸效能，因此，使得以此中介層所製作的光電元件不但在元件效能上不會降低，甚至會有所提升。
以一具有PBDTT-DPP/PC71BM系統的光電元件為例，一平面氧化鋅結構中具有一以本發明之方法製作的PC71BM中介層的元件，其Voc會由原本的0.72V提升至0.76V，其Jsc則會由原本的8 mA/cm2提升至9 mA/cm2，而其元件效能則會由原本的2.8%提升至3.8%。一氧化鋅奈米柱中具有一以本發明之方法製作的PC71BM中介層的元件，其Voc會由原本的0.67V提升至0.72V，其Jsc則會由原本的12.52 mA/cm2提升至17.19 mA/cm2，而其元件效能則會由原本的3.5%提升至6.4%。由此可知，以本發明之方法製作的(碳聚合衍生物)中介層製作光電元件，確實可以有效地提升光電元件的效能，特別是對於具有非平面氧化鋅結構的光電元件，其效能的提升程度更大。
另外，由於本發明之製作中介層之方法中的各個步驟，不論是形成中介層、交鏈化中介層、以及對交鏈化中介層表面進行消除表面OH鍵處理等步驟，不是採取塗佈，就是採取紫外光照射等簡單、低成本、且對溫度沒有嚴格要求(例如可以在室溫下實施)的製程，使得本發明之製作中介層之方法不但簡單且成本低廉。
其次，本發明進一步提供一種以本發明之方法製作的中介層製作光電元件的方法，其步驟如下：首先，以前述步驟(第一A圖至第一D圖所示之步驟或前述其他實施例所述之步驟)製作一表面塗佈有介面活性劑108的交鏈化中介層104’，由於這些步驟已於前文詳細敘述，於此不再贅述。接著，參照第一E圖，形成一有機半導體結構110於交鏈化中介層104’上，以做為一主動層。在第一E圖所示之實施例中，有機半導體結構110為一設置於交鏈化中介層104’上且吸收光會產生激子作用的有機高分子結構。但是，在本發明之其他實施例中，有機半導體結構可以為一有機高分子與交鏈化中介層混合的結構，而有機高分子為一吸收光會產生激子作用的有機高分子。有機高分子(結構)所產生的激子，在有機高分子與(碳聚合衍生物)中介層的介面處會分離成電子與電洞，而具有傳輸電子的能力。有機半導體結構的製作方法可以依照製程的需求與欲製作的光電元件的種類與設計，而採取一般光電元件製程中所採用製作有機半導體結構(或主動層)的方法，由於這些方法廣為大眾所熟知且非本發明之重點，因此，在此不詳細描述。
接著，參照第一F圖，於有機半導體結構110上製作一或數個電極112，而製作成一光電元件。電極112為一金屬所組成，例如銀、鋁、其他對電子有良好傳導的金屬。電極112的製作方法可以依照製程的需求與欲製作的光電元件的種類與設計，而採取一般光電元件製程中所採用製作電極的方法，由於這些方法廣為大眾所熟知且非本發明之重點，因此，在此不詳細描述。
雖然前述實施例中，是先在交鏈化中介層104’上塗佈介面活性劑108之後，才形成一有機半導體結構110於交鏈化中介層104’上，但是，在本發明其他實施例中，也可以結合第一D圖與第一E圖所示之步驟，而將對交鏈化中介層104’表面進行消除表面OH鍵處理(或塗佈介面活性劑於交鏈化中介層104’表面上)與形成有機半導體結構110 (或主動層)於交鏈化中介層104’上等步驟同時進行。此實施例的作法為：在將介面活性劑溶解於有機溶劑時，以一用以製作有機半導體結構的有機半導體溶液做為溶劑，而將介面活性劑溶解於其中以配置成一介面活性劑溶液。然後，再將此介面活性劑溶液塗佈於交鏈化中介層104’的表面105上，即可以同將交鏈化中介層104’表面105’上的OH鍵消除，並同時於交鏈化中介層104’上形成有機半導體結構110 (或主動層)。因此，本發明所提供之製作光電元件方法，不但是可以有效地控制中介層的厚度，更可以進一步提升光電元件的效能與良率。
有鑑於上述實施例，本發明提供了一種製作中介層之方法，可以製作不易溶於有機溶劑的碳聚合衍生物中介層，並且有效地控制碳聚合衍生物中介層的厚度，而同時達到增加施體與受體的接觸面積以及使施體與受體在成膜時具有良好的分佈的功效，進而提升製作光電元件的良率。其次，本發明進一步提供一種製作光電元件方法，其以本發明之製作中介層之方法製作的一對有機溶劑溶解度低的(碳聚合衍生物)中介層，藉由有效地控制(碳聚合衍生物)中介層厚度而提升光電元件的效能與良率。
100．．．基板
102．．．無機半導體結構
104．．．中介層
104’．．．交鏈化中介層
105．．．中介層表面
106．．．交鏈化處理
108．．．介面活性劑
110．．．有機半導體結構
112．．．電極
第一A圖至第一D圖為本發明之一實施例之製作中介層之方法的立體流程圖。第一A圖至第一F圖為本發明之一實施例之製作光電元件之方法的立體流程圖，其中，此光電元件中的中介層係以本發明之製作中介層之方法製作而成。
100．．．基板
102．．．無機半導體結構
104．．．中介層
104’．．．交鏈化中介層
105．．．中介層表面

Claims (33)

  1. 一種製作中介層之方法，包含：     (1)提供一基板;     (2)形成一中介層於該基板上;以及(3)對該中介層進行一交鏈化處理，而對該中介層進行改質。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該基板為一錫銦氧化物(ITO)基板、玻璃基板、矽基板、塑膠可撓性基板、或無機半導體結構。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該基板上設置有一無機半導體結構。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之製作中介層之方法，其中該無機半導體結構為一氧化鋅結構或氧化鈦結構。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述之製作中介層之方法，其中該無機半導體結構為單晶態、多晶態、或非晶態。
  6. 根據申請專利範圍第3項所述之製作中介層之方法，其中該無機半導體結構為微/奈米島、微/奈米柱、微/奈米線、微/奈米管、或微/奈米多孔結構。
  7. 根據申請專利範圍第3項所述之製作中介層之方法，其中在該步驟(2)中，該中介層形成於該無機半導體結構上。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該中介層為一碳聚合物衍生物膜。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之製作中介層之方法，其中該碳聚合物衍生物膜為一由C60、C70、PC61BM、PC71BM、C60衍生物、或C70衍生物所組成的薄膜。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述之製作中介層之方法，其中該碳聚合物衍生物膜的厚度為1奈米(nm)-200奈米(nm)。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該步驟(2)包含：將碳聚合物衍生物溶於一有機溶劑中以製備一溶液;以及將該溶液塗佈於該基板上。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之製作中介層之方法，其中該將該溶液塗佈於該基板上步驟係以旋轉塗佈法、噴墨塗佈法、網印塗佈法、接觸式塗佈法、浸泡式塗佈法、或滾動條式(roll-to-roll)印刷法，而將該溶液塗佈於該基板上。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該步驟(3)係以紫外光照射該中介層表面而交鏈化該中介層。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述之製作中介層之方法，其中該紫外光波長為100奈米(nm)-400奈米(nm)。
  15. 根據申請專利範圍第13項所述之製作中介層之方法，其中該步驟(3)係於一臭氧環境內實施。
  16. 根據申請專利範圍第13項所述之製作中介層之方法，其中在該步驟(3)中，該紫外光照射該中介層表面為5秒-2小時。
  17. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中更包含一對該中介層的表面施行一消除表面OH鍵處理步驟，於該步驟(3)後實施，以消除交鏈化後的中介層的表面上的OH鍵。
  18. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中該對該中介層的表面施行一消除表面OH鍵處理步驟包含：將一介面活性劑溶解於一溶劑中，而製備一介面活性劑溶液;以及將該介面活性劑溶液塗佈於該中介層表面上。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述之製作中介層之方法，其中該介面活性劑為一具有親水端與疏水端的分子結構。
  20. 根據申請專利範圍第19項所述之製作中介層之方法，其中介面活性劑為Triton X-100。
  21. 根據申請專利範圍第18項所述之製作中介層之方法，其中該溶劑為水、乙烷基異丙醇、甲苯、二甲苯、或含氯溶液。
  22. 根據申請專利範圍第18項所述之製作中介層之方法，其中該將該介面活性劑溶液塗佈於該中介層表面上步驟係以旋轉塗佈法、噴墨塗佈法、網印塗佈法、接觸式塗佈法、浸泡式塗佈法、或滾動條式(roll-to-roll)印刷法，而將介面活性劑溶液塗佈於該中介層表面上。
  23. 根據申請專利範圍第18項所述之製作中介層之方法，其中該溶劑為一有機半導體溶液。
  24. 根據申請專利範圍第23項所述之製作中介層之方法，其中該有機半導體溶液係用以塗佈於該中介層上而製作一主動層，因而使得對該中介層表面進行消除表面OH鍵處理步驟與在該中介層表面形成該主動層可以同時進行。
  25. 根據申請專利範圍第17項所述之製作中介層之方法，其中該對該中介層的表面施行一消除表面OH鍵處理步驟係藉由加熱該中介層而實施。
  26. 根據申請專利範圍第25項所述之製作中介層之方法，其中在該對該中介層的表面施行一消除表面OH鍵處理步驟中，對該中介層加熱的溫度為300℃-600℃。
  27. 根據申請專利範圍第26項所述之製作中介層之方法，其中在該對該中介層的表面施行一消除表面OH鍵處理步驟中，對該中介層加熱的時間為1分鐘-1小時。
  28. 根據申請專利範圍第1項所述之製作中介層之方法，其中更包含一有機半導體結構形成步驟，用以形成一有機半導體結構於該中介層上。
  29. 根據申請專利範圍第28項所述之製作中介層之方法，其中該機半導體結構係為一有機高分子與該中介層混合的結構，或一有機高分子結構。
  30. 根據申請專利範圍第29項所述之製作中介層之方法，其中該有機高分子為一吸收光會產生激子作用的有機高分子，而該有機高分子結構則為一吸收光會產生激子作用的有機高分子結構。
  31. 根據申請專利範圍第28項所述之製作中介層之方法，其中更包含一電極形成步驟，用以形成一或數個電極於該機半導體結構上。
  32. 根據申請專利範圍第31項所述之製作中介層之方法，其中該電極為一金屬所組成。
  33. 根據申請專利範圍第32項所述之製作中介層之方法，其中該金屬為銀或鋁。
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