การสร้างและปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ด้วยเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็ว

Rapid convective deposition : from an alternative fabricating method to efficiency enhancement of polymer solar cells

Name: เทียนทอง ชนสุต

keyword: เซลล์แสงอาทิตย์

; โพลิเมอร์นำไฟฟ้า

; การเคลือบแบบนำพา

; Conducting polymers

; Solar cells

Abstract: งานวิจัยฉบับนี้ได้ทำการพัฒนากระบวนการเตรียมและการปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ โดยแบ่งงานวิจัยออกเป็น 3 ส่วน ดังนี้ ส่วนแรกเป็นการนำเสนอเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการะเหยรวดเร็ว (rapid convective deposition) ซึ่งเป็นเทคนิคการเคลือบฟิล์มด้วยกระบวนการทางสารละลายเพื่อสำหรับการเตรียมฟิล์มบางในระดับนาโนเมตร เทคนิคนี้มีกระบวนการเตรียมที่ไม่ยุ่งยากซับซ้อน สามารถควบคุมความหนาฟิล์มได้ อีกทั้งสามารถเตรียมบนฐานรองรับที่มีพื้นที่กว้างได้ งานวิจัยนี้จึงได้ทำการเตรียมฟิล์มบางพอลิเมอร์ด้วยเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วและทำการเปรียบเทียบกับฟิล์มบางพอลิเมอร์ที่เตรียมด้วยเทคนิคหมุนเคลือบ (spin coating) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมฟิล์มบางในระดับห้องปฏิบัติการ พบว่าความหนาฟิล์มของฟิล์มบางพอลิเมอร์จากทั้งสองเทคนิคอยู่ในช่วง 30-150 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงความหนาฟิล์มที่เหมาะสำหรับการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ อีกทั้งที่ความหนาฟิล์มเดียวกัน ฟิล์มบางพอลิเมอร์จากทั้งสองเทคนิคมีสมบัติการดูดกลืนแสง สมบัติความเป็นผลึกการจัดเรียงตัวของพอลิเมอร์ และลักษณะกายภาพพื้นผิวที่มีความใกล้เคียงกัน นอกจากนี้เทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วสามารถลดปริมาตรสารสิ้นเปลืองกว่า 90% ในการเตรียมฟิล์มที่ความหนาและพื้นที่เท่ากัน จึงนำไปสู่การลดต้นทุนการผลิต ดังนั้นการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วจึงเป็นเทคนิคทางเลือกสำหรับการเตรียมฟิล์มบางพอลิเมอร์ในระดับนาโนเมตร ส่วนที่สองเป็นการนำเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วประยุกต์สร้างเป็นอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ในระบบของ Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,'7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT) : [6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester (PC₇₁BM) โดยมีโครงสร้างเป็นชั้นฟิล์มบางซ้อนกันเป็นชั้นดังนี้ ITO/ PEDOT:PSS/ PCDTBT:PC₇₁BM/TiOₓ/ Al ซึ่งความหนาฟิล์มที่เหมาะสมของแต่ละชั้้นจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ ในงานวิจัยนี้ได้ทำศึกษาผลของความหนาฟิล์มของชั้นรับแสง PCDTBT:PC₇₁BM ในช่วง 62 ถึง 140 นาโนเมตรต่อประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พบว่าที่ความหนาชั้นรับแสง 70 นาโนเมตรให้ค่าประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุด 7.30% จากการตรวจสอบลักษณะกายภาพพื้นผิวพื้นผิวพบว่าที่ความหนาชั้นรับแสง 70 นาโนเมตรมีการแยกเฟสระหว่าง พอลิเมอร์ PCDTBT และโมเลกุล PC71BM ที่เหมาะสม นำไปสู่ประสิทธิภาพการแยกและการส่งผ่านประจุอิสระไปยังขั่วไฟฟ้าทั้งสองมากขึ้น จะเห็นได้ว่าเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วสามารถสร้างเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงได้ ส่วนที่สามเป็นการศึกษาการปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์โดยการปรับปรุง ชั้นรับแสง 70 นาโนเมตรให้ค่าประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุด 7.30 % จากการตรวจสอบลักษณะกายภาพพื้นผิวพบว่าที่ความหนาชั้นรับแสง 70 นาโนเมตรมีการแยกเฟสระหว่าง พอลิเมอร์ PCDTBT และโมเลกุล PC71BM ที่เหมาะสมนำไปสู่ประสิทธิภาพการแยกและการส่งผ่านประจุอิสระไปยังขั้วไฟฟ้าทั้งสองมากขึ้น จะเห็นได้ว่าเทคนิคการเคลือบแบบนำพาการระเหยรวดเร็วสามารถสร้างเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงได้ ส่วนที่สามเป็นการศึกษาการปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอรโดยการปรับปรุงชั้นรับแสงผ่านการเติมตัวรับอิเล็กตรอนในชั้นรับแสง งานวิจัยนี้ทำการปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ระบบ PCDTBT:PC₇₁BM ด้วยการเพิ่มโมเลกุล lndene-C60 bisadduct (ICBA) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนในชั้นรับแสง โดยทำการศึกษาอัตราส่วนระหว่างโมเลกุล PC₇₁BM และ ICBA ภายในชั้นรับแสง พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์ระบบ PCDTBT:PC₇₁BM:ICBA ที่อัตราส่วน ICBA เท่ากับ 25% ให้ค่าประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุดเท่ากับ 4.27% จากการตรวจสอบลักษณะกายภาพพื้นผิวของชั้นรับแสงและสภาพคล่องพาหะอิเล็กตรอนและโฮล พบว่าชั้นรับแสงที่อัตราส่วน ICBA เท่ากับ 25% มีการแยกเฟสในระดับนาโนเมตรระหว่างตัวให้และตัวรับอิเล็กตรอนที่เหมาะสม และอัตราส่วนสภาพคล่องพาหะระหว่างอิเล็กตรอนและโฮสมีความสมดุลมากสุดเมื่อเทียบกับอัตราส่วนอื่น ส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์มีค่าประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุด ดังนั้นการเติมตัวรับอิเล็กตรอนในชั้นรับแสงจึงเป็นหนึ่งในแนวทางสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์

Abstract: The thesis concerns with the development of polymer solar cells under the perspective of fabrication and efficiency enhancement. The contents are separated into 3 sections. In the first section, this work introduces an alternative coating technique based on solution process named “rapid convective deposition” to obtain thin film in the scale of nanometer. This technique provides several advantages including, uncomplicated process, controllable film thickness as well as suitable for large area fabrication. To approve that rapid convective deposition has potential to become an alternative thin film preparation technique, the specific properties of polymer thin films prepared by conventional spin coating and rapid convective deposition were compared. The results reveal that film thickness obtained by both rapid convective deposition and spin coating are in the range of 30-150 nm commonly required for polymer solar cells applications. The same film thickness obtained from both techniques exhibit the similar optical absorption, crystalline formation as well as surface morphology. In addition, rapid convective deposition can significantly reduce waste material over 90% at the fixed thickness and area leading to the significant decrease of manufacturing cost. It is apparent that rapid convective deposition can be applied as an alternative coating technique to fabricate polymer thin film nanometer scale. For the second section, polymer solar cells based on Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7- carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT) : [6,6]-phenyl C₇₁-butyric acid methyl ester (PC₇₁BM) were fabricated with multilayer structure of ITO/  PEDOT:PSS/ PCDTBT:PC₇₁BM/TiOₓ/ Al via rapid connective deposition. Optimization of each layer thickness is an essential factor determining solar cell performance. To optimize the thickness of PCDTBT:PC₇₁BM layers, the efficiency of polymer solar cells with different active layer thickness were investigated. The results show that the active layer thickness are varied from 62 nm to 140 nm. The optimum thickness of 70 nm was achieved with the maximum power conversion efficiency (PCE) of 7.30%. At the highest PCE, the surface morphology of active layer provides a favorable phase separation between PCDTBT and PC₇₁BM contributed to efficient charge separation and transportation to electrode. The results obviously show that rapid convective deposition can be employed to fabricate high-performance polymer solar cells. In the third section, adding second electron acceptor into binary blend of active layer is considered as an alternative approach to improve polymer solar cells efficiency. The polymer solar cells based on PCDTBT as electron donor and PC₇₁BM as electron acceptor is improved through adding the second electron acceptor, Indene- C60 bisadduct (ICBA), into the active layer as function of ICBA weight ratio. The ternary blend device with 25% ICBA exhibits the maximum PCE of 4.27%. The results indicate that the enhancement of solar cell efficiency is attributed to (i) the proper phase separation of electron donor and acceptor in the active layer and (ii) the balance of electron and hole mobility in the device. This research demonstrates that adding the second acceptor into the active layer has enough potential to become an alternative approach to enhance the polymer solar cell efficiency

สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง. สำนักหอสมุดกลาง

Address: กรุงเทพมหานคร

Email: Lifelong@kmitl.ac.th

Name: นวพันธ์ ขยันกิจ

Role: อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์

Email : navaphun.ka@kmitl.ac.th

Created: 2560

Modified: 2564-03-05

Issued: 2564-03-05

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: EThesis

tha

DegreeName: วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: นาโนวิทยาและนาโนเทคโนโลยี

Grantor: สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

©copyrights สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	Fulltext Teantong Chonsut.pdf	7.3 MB	19	2026-05-26 18:16:01

ใช้เวลา

0.035828 วินาที