TWI520354B - 堆疊電極以及光電元件 - Google Patents

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Description

堆疊電極以及光電元件
本發明是有關於一種光電元件(photo-electric device)，且特別是有關於一種光電元件中之堆疊電極(stacked electrode)。
由於有機太陽電池(organic solar cells)具有結構簡單、製程簡易以及可利用捲對捲(roll-to-roll)鍍膜方法量產以降低生產成本等優點，近幾年來已成為學術界及光電業界所積極發展之廉價次世代光電伏電池(photovoltaic cells)。高穿透率(high transmittance)低電阻率(low resistivity)的透明導電電極是影響光電伏電池效能的關鍵因素之一。
對於提升光電伏電池的光電能轉換效率而言，透明導電電極必須能夠讓射向電池的光線能盡量進入到電池(cell)中的聚合物主動層(polymer active layer)。因為太陽電池的光電能轉換效率是與進入到聚合物主動層且被吸收的光線量成正比，而被電極反射或吸收的光對於光電能轉換效率則完全沒有助益。此外，透明導電電極需將光電能轉換後之電子導出或導入該太陽電池，透明導電電極的電阻值將嚴重影響太陽電池的輸出功率。因此，透明導電電極的品質將嚴重影響太陽電池的光電能轉換效率。
一般而言，位於太陽電池之入光側的透明導電電極通常需具備高穿透率以及低電阻率兩項特性，但是，這兩項 特性常常是不能兼顧。舉例而言，以厚度大於50奈米之一般金屬當電極，雖然可以獲得很好的導電性，但是穿透率極低。然而，若將這類金屬厚度降至數奈米至數十奈米，雖然可以稍微提昇穿透率，但由於金屬本身會反射光線，因此穿透率的提昇十分有限。此外，若以透明導電氧化物薄膜當電極時，雖然(相較於金屬薄膜電極)穿透率可獲顯著的提昇，但是要得到足夠低的電阻率則需要較大厚度或者需經過複雜的製造程序，例如後續的退火處理(annealing treatment)。由於退火處理的製程溫度較高，故退火處理不適於塑膠基材(plastic substrate)上電極之製作。
除了太陽電池方面的應用外，透明導電電極亦可應用在有機電激發光元件(如顯示器、照明裝置等)中。同樣地，透明導電電極會影響有機電激發光元件的發光效率，因此有機電激發光元件中透明導電電極也必須具備高穿透率以及低電阻率兩項特性。
近十幾年，為了獲得高穿透率與低電阻率的透明導電電極，利用光學薄膜干涉原理(optical interference theorem)的氧化物-金屬-氧化物(oxide-metal-oxide)堆疊電極一直被持續地研究著。一般常見的氧化物-金屬-氧化物堆疊電極可採用對稱結構以及非對稱結構，上、下兩層氧化物使用一般透明導電氧化物與非導電電介質膜，但現有研究中並未針對上、下兩層氧化物之光學特性(即折射率與光吸收性)的匹配提出完整之討論。
本申請案提供一種堆疊電極以及具有該堆疊電極之光電元件。
本申請案提供一種堆疊電極，其包括一光匹配層、一透明導電層以及一金屬層。光匹配層之複數折射率為N1，且N1=n1-ik1，其中n1為光匹配層之折射率，k1為光匹配層之消光係數。透明導電層之複數折射率為N2，且N2=n2-ik2，其中n2為透明導電層之折射率，k2為透明導電層之消光係數，而n1>n2，且k1<k2。金屬層配置於光匹配層與透明導電層之間。
本申請案另提供一種光電元件，其包括前述之堆疊電極、一主動層以及一對向電極(opposite electrode)，其中主動層配置於堆疊電極與對向電極之間。
為讓本申請案之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本申請案一實施例之光電元件的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之光電元件1適於製作在一基板10上。在本實施例中，基板10例如為一般之玻璃基板或青板玻璃基板(soda-lime-silica float glass substrate)，前述之玻璃基板在400奈米至800奈米的波長範圍內之色散範圍例如係介於1.50至1.535之間。在其他可行的實施例中，基板10亦可以是塑膠基板，如PET基板、PC基板、PEN基板、 PES基板、COC基板、PI基板等。前述之塑膠基板在400奈米至奈米至800奈米的波長範圍內之光折射率色散範圍例如係介於1.43至1.67之間。
本實施例之光電元件1包括一堆疊電極20、一主動層30以及一對向電極40，其中主動層30配置於堆疊電極20與對向電極40之間。舉例而言，光電元件1為一有機電激發光元件或一太陽電池；換言之，主動層30例如為一有機電激發光層或一太陽電池之光電轉換層。值得注意的是，主動層30可為單層結構或者是多層結構。此外，對向電極40之材質例如鉀(K)、鋰(Li)、鈉(Na)、鎂(Mg)、鑭(La)、鈰(Ce)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鋁(Al)、銀(Ag)、銦(In)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、銀-鎂合金(Ag-Mg alloy)、鋁-鋰合金(Al-Li alloy)、銦-鎂合金(In-Mg alloy)、鋁-鈣合金(Al-Ca alloy)、銀/鎂疊層(Ag/Mg stacked layer)、鋁/鋰疊層(Al/Li stacked layer)、銦/鎂疊層(In/Mg stacked layer)、鋁/鈣疊層(Al/Ca stacked layer)等金屬材料。當然，對向電極40之材質亦可以是銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)、氧化錫(SnO)等透明材料。
在本實施例中，堆疊電極20包括一光匹配層22、一透明導電層26以及一金屬層24。光匹配層22之複數折射率為N1，且N1=n1-ik1，其中n1為光匹配層22之折射率，k1為光匹配層22之消光係數。透明導電層26之複數折射率為N2，且N2=n2-ik2，其中n2為透明導電層26之折射率， k2為透明導電層26之消光係數，而n1>n2，且k1<k2。一般而言，堆疊電極20的穿透率是由基材與堆疊於基材上之各層材料的複數折射率與各膜層厚度所決定，將各層薄膜的複數折射率與厚度作一適當匹配才能得到高穿透率。舉例而言，光匹配層22與透明導電層26之穿透率是由光匹配層22之複數折射率N1與透明導電層26之複數折射率N2所決定，而光線在光匹配層22、透明導電層26中傳遞時所被吸收的程度則是由消光係數k1、k2決定。另一方面，堆疊電極20的整體導電性則由各膜層的導電性所決定並且由金屬層24所主導，但是一般在選定光匹配層22與透明導電層26之後，增加金屬層24的厚度雖然可以增加導電度(降低整個堆疊電極20的電阻值)但卻會降低堆疊電極20的穿透率。所以總括而言，為使堆疊電極20在波長介於400奈米至800奈米之間同時得到高穿透低阻值的特性，必須對光匹配層22、金屬層24與透明導電層26之光學特性與厚度做一規範。本實施例令n1>n2以及k1<k2，以使堆疊電極20對於從光匹配層22側入射之光線能有十分良好的穿透率。此外，金屬層24配置於光匹配層22與透明導電層26之間。本實施例之金屬層24之材質例如為鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉑(Pt)、金(Au)、銥(Ir)、鈀(Pd)或前述金屬之合金。舉例而言，金屬層24之厚度介於6奈米至16奈米之間。
在本實施例中，光匹配層22之材質例如為二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鈦(Ti2O5)、二氧化鋯(ZrO2)、五氧化二鈮(Nb2O5)、氧化鎢(WOx)、四氮化三矽(Si3N4)、銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅 (ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化錫(SnO)。舉例而言，光匹配層22之厚度介於25奈米至55奈米之間。此外，透明導電層26之材質例如為摻雜錫的化合物、摻雜鋅的化合物或或摻雜銦的化合物。詳言之，透明導電層26之材質例如為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化錫(SnO)。舉例而言，透明導電層26之厚度介於30奈米至55奈米之間。
由於一般材料都有光色散(optical dispersion)特性，換言之，每種材料層之折射率並不是一個常數，而是會隨著對應之波長而有所不同。本實施例之光匹配層22與透明導電層26皆為氧化物，且氧化物具有高的光色散現象。此外，材料層之消光係數也會隨著對應之波長而有所不同，舉例而言，銦錫氧化物(ITO)薄膜之消光係數(k值)會隨著所對應之波長改變而有所不同，詳言之，銦錫氧化物薄膜對於波長接近400奈米之光線的消光係數會比對於波長接近800奈米之光線的消光係數大1至2個等級(order)。因此，本申請案針對光匹配層22與透明導電層26的折射率n1、n2作出如下的規範：(a)n1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的光匹配層22之折射率，而n2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的透明導電層26之折射率，而n1>n2；或者(b)n1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的光匹配層22之折射率，而n2代表在400 奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的透明導電層26之折射率，而n1>n2；或者(c)n1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，光匹配層之平均折射率，而n2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，透明導電層之平均折射率，而n1>n2；或者(d)n1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，光匹配層之平均折射率，而n2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，透明導電層之平均折射率，而n1>n2。
此外，本申請案亦針對光匹配層22與透明導電層26的消光係數k1、k2作出如下的規範：(a)k1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的光匹配層22之消光係數，而k2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的透明導電層26之消光係數，且k1<k2；或者(b)k1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的光匹配層22之消光係數，而k2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的透明導電層26之消光係數，且k1<k2；或者(c)k1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，光匹配層22之平均消光係數，而k2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，透明導電層26之平均消光係數，且k1<k2；或者(d)k1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，光匹配層22之平均消光係數，而k2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，透明導電層26之平均消光係數，且k1<k2。
承上述，本實施例所提供的堆疊電極20採用不對稱的薄膜設計，意即，令光匹配層22之折射率(平均折射率)及消光係數(平均消光係數)不同於透明導電層26之折射率(平均折射率)及消光係數(平均消光係數)，以使堆疊電極20能有較佳的穿透率。
【實驗例】
圖2繪示出不同堆疊電極之穿透率-波長曲線。請參照圖2，曲線50代表透明玻璃BK7基材之穿透率-波長曲線，曲線60代表透明玻璃BK7基材/銦錫氧化物(ITO)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)之穿透率-波長曲線，曲線70代表透明玻璃BK7基材/二氧化鈦(TiO2)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)之穿透率-波長曲線，而曲線80則代表透明玻璃BK7基材/五氧化二鈮(Nb2O5)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)之穿透率-波長曲線。
曲線50、60、70、80之模擬條件為：入射光垂直入射至堆疊電極；透明玻璃BK7基材之厚度為0.5毫米，折射率與消光係數如表1-1所示(其可代表一般白板玻璃，接近某些光學級塑膠基材之光學特性，如光學級PET)；銦錫氧化物(ITO)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極中銀薄膜之厚度為12奈米，上、下兩層銦錫氧化物薄膜之厚度均為37奈米，銦錫氧化物薄膜之折射率與消光係數如表1-2所示；二氧化鈦(TiO2)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極中之二氧化鈦薄膜之厚度為34奈米，二氧化鈦薄膜之折射率與消光係數如表1-3所示；五氧化二鈮(Nb2O5)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極中五氧化二鈮薄膜之厚度為33.41奈 二氧化鈦(TiO2)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極與五氧化二鈮(Nb2O5)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極二者中之銀薄膜與銦錫氧化物薄膜的條件與銦錫氧化物(ITO)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極中者相同。表1-1所示數據是引述自TFCalcTM(Software Spectra,Inc.生產)電腦模擬軟體中之設定值，表1-2與表1-3所示數據是引述自OPTICAL THIN FILMS(由THIN FILM CENTER Inc.生產)電腦模擬軟體中之設定值，表1-4中之數據是以日本Shincron公司型號RAS-1100B濺射鍍膜機鍍製之五氧化二鈮薄膜以包絡法原理(J.Phy.E.：Sci.Inst.9,1002-1004)計算所得。
由圖2中曲線60、70、80可以發覺，在400奈米至800奈米的波長範圍內，二氧化鈦(TiO2)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極與五氧化二鈮(Nb2O5)/銀(Ag)/銦錫氧化物(ITO)堆疊電極具有較高的穿透率。
雖然本申請案已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請案，任何熟習此技藝者，在不脫離本申請案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本申請案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧光電元件
10‧‧‧基板
20‧‧‧堆疊電極
22‧‧‧光匹配層
24‧‧‧金屬層
26‧‧‧透明導電層
30‧‧‧主動層
40‧‧‧對向電極
50、60、70、80‧‧‧曲線
圖1為本申請案一實施例之光電元件的剖面示意圖。
圖2繪示出不同堆疊電極之穿透率-波長曲線。
1‧‧‧光電元件
10‧‧‧基板
20‧‧‧堆疊電極
22‧‧‧光匹配層
24‧‧‧金屬層
26‧‧‧透明導電層
30‧‧‧主動層
40‧‧‧對向電極

Claims (19)

  1. 一種堆疊電極，包括：一光匹配層，該光匹配層之複數折射率為N1，且N1=n1-ik1，其中n1為該光匹配層之折射率，k1為該光匹配層之消光係數；一透明導電層，該透明導電層之複數折射率為N2，且N2=n2-ik2，其中n2為該透明導電層之折射率，k2為該透明導電層之消光係數，而n1>n2，且k1<k2；以及一金屬層，配置於該光匹配層與該透明導電層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該光匹配層之材質包括二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鈦(Ti2O5)、二氧化鋯(ZrO2)、五氧化二鈮(Nb2O5)、氧化鎢(WOx)、四氮化三矽(Si3N4)、銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化錫(SnO)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該光匹配層之厚度介於25奈米至55奈米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該透明導電層之材質包括摻雜錫的化合物、摻雜鋅的化合物或或摻雜銦的化合物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該透明導電層之材質包括銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化錫(SnO)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該透 明導電層之厚度介於30奈米至55奈米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該金屬層之材質包括鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉑(Pt)、金(Au)、銥(Ir)或鈀(Pd)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中該金屬層之厚度介於6奈米至16奈米之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中n1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該光匹配層之折射率，而n2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該透明導電層之折射率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中n1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該光匹配層之折射率，而n2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該透明導電層之折射率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中n1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，該光匹配層之平均折射率，而n2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，該透明導電層之平均折射率。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中n1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，該光匹配層之平均折射率，而n2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，該透明導電層之平均折射率。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中k1 代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該光匹配層之消光係數，而k2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該透明導電層之消光係數。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中k1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該光匹配層之消光係數，而k2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，各個波長所對應到的該透明導電層之消光係數。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中k1代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，該光匹配層之平均消光係數，而k2代表在400奈米至800奈米的波長範圍內，該透明導電層之平均消光係數。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極，其中k1代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，該光匹配層之平均消光係數，而k2代表在400奈米至450奈米的波長範圍內，該透明導電層之平均消光係數。
  17. 一種光電元件，包括：一如申請專利範圍第1項所述之堆疊電極；一對向電極；以及一主動層，配置於該堆疊電極與該對向電極之間。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之光電元件，其中該主動層包括一有機電激發光層或一太陽電池之光電轉換層。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之光電元件，其中該 對向電極之材質包括鉀(K)、鋰(Li)、鈉(Na)、鎂(Mg)、鑭(La)、鈰(Ce)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鋁(Al)、銀(Ag)、銦(In)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、銀-鎂合金(Ag-Mg alloy)、鋁-鋰合金(Al-Li alloy)、銦-鎂合金(In-Mg alloy)、鋁-鈣合金(Al-Ca alloy)、銀/鎂疊層(Ag/Mg stacked layer)、鋁/鋰疊層(Al/Li stacked layer)、銦/鎂疊層(In/Mg stacked layer)、鋁/鈣疊層(Al/Ca stacked layer)、銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鈰氧化物(ICO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅錫氧化物(IZTO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化錫(SnO)。
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