CN102473762A - 包括发光元件及太阳能电池性能的电子元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括发光元件及太阳能电池性能的电子元件，该电子元件包括太阳能电池部以及发光元件部，上述太阳能电池部包括：第一电极层，形成于上述第一电极层上的能级补偿层，形成于上述能级补偿层上的光电转换层，以及形成于上述光电转换层上的共享电极层；上述发光元件部包括：上述共享电极层，形成于上述共享电极层上的发光层；以及形成于上述发光层上的第二电极层；上述能级补偿层的LUMO能级小于上述第一电极层的功函数，且大于上述光电转换层的LUMO能级。上述电子元件基于如上所述结构，具有因各层之间的电子迁移率高而使发光元件的发光效率或太阳能电池的发电效率提高的效果。

Description

包括发光元件及太阳能电池性能的电子元件
技术领域
本发明涉及一种同时执行接受电流而发光的有机发光二极管(OLED：ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE)等发光元件和接受太阳光等光源而产生电的太阳能电池(SOLAR CELL)功能的多功能电子元件。
背景技术
显示元件按照显示方式划分为CRT(Cathode Ray Tube：阴极射线管)、PDP(Plasma Display Panel：等离子体显示板)、LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、OLED(Organice Light Emitting Diode：有机发光二极管)以及FED(Field Emission Display：场发射显示元件)等自发光元件和如LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示器)以及DLP(Digital Lighting Processing：数字光处理)之类的对另外的光源选择性地进行遮光/反射而显示的被动式元件，并且按照驱动方式划分为如薄膜场效应晶体管LCD(TFT-LCD)以及有源矩阵有机发光二极体面板(AMOLED)之类的有源矩阵型(ActiveMatrix Type)和如PDP以及无源式有机电激发光二极管(PMOLED)之类的无源矩阵型(Passive Matrix Type)。
此外，在自发光元件中，按照发光方式大致划分为，如PDP之类的利用被光量子(Photon)激发而发光的光致发光(Photoluminence)原理的元件和如OLED以及LED之类的利用被电子(Electron)激发而发光的电致发光(Electroluminence)原理的元件以及如CRT和FED之类的利用被加速后的电子激发的阴极射线发光(Cathodoluminescence)原理的元件。
OLED研究，起初在1980年度初由美国的伊斯曼柯达(Estman Kodak)公司的C.W.Tang进行了研究，直到1987年制造出导入空穴传输层(HTL：Hole Transporting Layer)和电子传输层(ETL：Electron Transporting Layer)的层压结构，并在发光层(EML：Emitting Layer)制作出涂覆荧光掺杂物的薄膜OLED，而在10V以下的驱动电压下呈现出1000cd/m2以上的亮度特性，从此便开始了迅猛的发展。
在先锋(Pioneer)公司以及出光(Idemistu)公司等的持续性研究开发之下，由Kodak公司所主导的低分子OLED已达到商用化的阶段。
此外，就高分子材料而言，由英国的剑桥(Cambridge)大学的FriendGroup发表的PPV为起点，其研究达到白热化。
另一方面，太阳能电池是一种利用当向构成p-n接合的半导体二极管照射光时生成电子的光电效果(photovoltaic effect)直接将太阳能转化为电能的半导体元件。
太阳能电池按照吸收太阳光的原材料的种类来划分，大致分为基于结晶型Si晶片的堆积型(bulk型)太阳能电池；以及非晶硅、CdTe、CIGS、染料感应太阳能电池(DSSC，Dye Sensitized Solar Cell)，有机太阳能电池等薄膜型太阳能电池。
有机发光二极管(OLED)与薄膜型太阳能电池其结构类似，因而曾尝试过同时实现发电和信息显示。
此时，在有机发光二极管(OLED)及太阳能电池中，需要考虑包括一对电极层的发光层以及光电转换层的各个层(Layers)间的能级而选择构成各层的材料。倘若不考虑能级，则致使电子迁移率降低，由此，有机发光二极管(OLED)的情况下发光效率降低，而太阳能电池的情况下发电效率降低。
韩国公开专利10-2005-0083243号(以下称作“引用文献1”)以及韩国公开专利10-2008-0065120号(以下称作“引用文献2”)中，记载了在有机发光二极管(OLED)的一侧接合太阳能电池的太阳能电池一体式显示元件。
然而，在上述引用文献中，对于有机发光二极管(OLED)侧来说，由于采用了以往熟知的结构，因而能够判断为在发光效率上可能没有太大问题，但对于太阳能电池侧来说，由于没有考虑能级而存在发电效率低的问题。
此外，通常为了将从发光元件发出的光传输给使用者，在一对电极中的至少一个电极使用ITO来作为透明电极，并且在太阳能电池中同样为了使太阳光向光电转换层传递，而在一对电极中的至少一个电极使用ITO来作为透明电极。
然而，此时在层压ITO的过程中，如果下部层存在有机膜，则致使有机膜因ITO层压过程中生成的热量等而受损的情况多。
尤其，在结合有机发光二极管(OLED)和有机太阳能电池的情况下，在相互共有所结合的一侧的电极，且太阳光贯通有机发光二极管而向有机太阳能电池的光电转换层传输的结构中，需要将共享电极层用作透明电极，而在将透明电极用作ITO时存在位于下部的有机膜受损的问题。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于解决如下问题，即，在相互共有发光元件的任一电极和太阳能电池的任一电极来层压两个元件的结构中，各层之间的电子迁移率降低，而因此在发光元件的情况下发光效率降低或太阳能电池的情况下发电效率降低的问题。
本发明的再一目的在于解决如下问题，即，在相互共有发光元件的任一电极和太阳能电池的任一电极来层压两个元件的结构中，形成电极层时处于下部层的有机物受损的问题。
解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的一实施例所涉及的电子元件，包括太阳能电池部以及发光元件部，上述太阳能电池部包括：第一电极层，形成于上述第一电极层上的能级补偿层，形成于上述能级补偿层上的光电转换层，以及形成于上述光电转换层上的共享电极层；上述发光元件部包括：上述共享电极层，形成于上述共享电极层上的发光层，以及形成于上述发光层上的第二电极层；上述能级补偿层的LUMO能级小于上述第一电极层的功函数，且大于上述光电转换层的LUMO能级。
此外，优选为，上述共享电极层包括高分子有机物。
此外，更优选为，上述共享电极层包括PEDOT:PSS。
此外，优选为，上述能级补偿层为钛氧化物(TiOx)。
此外，优选为，上述第一电极层为透明的氧化物电极，上述第二电极层为不透明的金属电极。
为了实现上述目的，本发明的再一实施例所涉及的电子元件，包括发光元件部和太阳能电池部；上述发光元件部包括：第二电极层，形成于上述第二电极层上的能级补偿层，形成于上述能级补偿层上的发光层，以及形成于上述发光层上的共享电极层；上述太阳能电池部包括：上述共享电极层，形成于上述共享电极层上的光电转换层，以及形成于上述光电转换层上的第一电极层；上述能级补偿层的LUMO能级小于上述第二电极层的功函数，且大于上述发光层的LUMO能级。
此外，优选为，上述共享电极层包括高分子有机物。
此外，更优选为，上述共享电极层包括PEDOT:PSS。
此外，优选为，上述能级补偿层为钛氧化物(TiOx)。
此外，优选为，上述第二电极层为透明的氧化物电极，上述第一电极层为不透明的金属电极。
此外，优选为，在上述光电转换层与上述第一电极层之间还包括能级补偿层。
发明的效果
根据本发明，在相互共有发光元件的任一电极和太阳能电池的任一电极来层压两个元件的结构中，具有因各层之间的电子迁移率高而使发光元件的发光效率或太阳能电池的发电效率提高的效果。
此外，根据本发明，在相互共有发光元件的任一电极和太阳能电池的任一电极来层压两个元件的结构中，具有因形成电极层时处于下部层的有机物不受损而最终使发光元件的发光效率或太阳能电池的发电效率提高的效果。
以上，参照本发明的优选实施例进行了说明，但应当理解，本领域所属技术人员在不脱离权利要求书中所记载的本发明的思想及领域的范围内，还可对本发明进行各种修改及变更。
附图说明
图1为本发明的一实施例所涉及的电子元件的剖视图；
图2为用于说明关于图1的多层元件的驱动原理而示出的简图；
图3及图4为测定图1的多层元件的特性的图表；
图5为表示本发明的再一实施例所涉及的电子元件的剖视图；
图6为用于说明对图5的多层元件的驱动原理而示出的简要图；
图7及图8为测定图5的多层元件的特性的图表。
附图标记说明
100、200：电子元件    110、210：太阳能电池部
120、220：发光元件部  111、211：第一电极层
112、212、222：能级补偿层
113、213：光电转换层  121、221：第二电极层
123、223：发光层      230：共享电极层
具体实施方式
以下，将参照附图对本发明的多种实施例进行具体说明。
图1及图2为本发明的一实施例所涉及的多功能电子元件100的图，大致由太阳能电池部110和发光元件部120构成。
太阳能电池部110构成为，在玻璃等透明基板(未图示)上包括第一电极层111以及共享电极层130来作为一对电极层，并且在一对电极层之间包括将从外部进来的光转换为电能的光电转换层113以及介于第一电极层111和光电转换层113之间的能级补偿层112。
此时，优选为，在太阳能电池部110上依次层压发光元件部120，以向太阳能电池部110投入光的侧面和取出从发光元件部120发出的光的侧面相同，并且，使构成太阳能电池部110的多个层透明，以防止从发光元件部120取出的光被太阳能电池部110阻断。
第一电极层111选择具有导电性且能够使光通过的透明的材料，可使用在电子元件中广泛被使用的氧化物电极或导电性高分子等。本发明在氧化物电极中使用ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)。
光电转换层113可使用在薄膜型太阳能电池中使用的光电转换物质。本发明中使用作为有机高分子物质的高分子-富勒烯复合体，即PCDTBT：PC70BM(poly[N-9″-hepta-decanyl-2，7-carbazole-alt-5，5-(4′，7′-di-2-thienyl-2′，1′，3′-benzothiadiazole]，聚[N-9″-十七烷基-2，7-咔唑-alt-5，5-(4′，7′-二-2-噻吩-2′，1′，3′-苯并噻二唑)])：[6，6]-phenyl C70-butyricacidmethyl ester，[6，6]-苯基C70-丁酸甲酯)。
用作光电转换层113的PCDTBT：PC70BM在HOMO(Highest OccupiedMolecular Orbital：最高已占轨道)能级具有5.5eV的能带，在LUMO(LowestUnoccupide Molecular Orbital：最低未占轨道)能级具有3.6eV的能带。
共享电极层130优选为使用透明的电极物质，以防止阻断从后续工序中层压的发光元件部120取出的光，本发明中使用在高分子OLED中主要用作空穴注入层(Hole Injection Layer)的PEDOT：PSS(Poly Elyene DioxtyThiospnene/Poly Stylene Sulfonate：聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)来作为共享电极层，并且为了提高导电率，在PEDOT:PSS溶液添加二甲基亚砜(Dimethyl sulfoxide)溶液而进行使用。
在使用ITO作为共有电极层130的情况下，存在将ITO形成于光电转换层113上的过程中由有机物构成的光电转换层113受损而造成光电效率下降的问题，所以在本发明中共享电极层130使用有机透明电极，更优选为使用PEDOT:PSS。
对用作太阳能电池部110的第一电极层111的ITO而言，功函数为4.8eV左右，且光电转换层113的LUMO能级为3.6eV左右，因此为了改善由于第一电极层111的功函数与光电转换层113的LUMO能级之差大而导致由光电转换层113生成的电子的移动效率下降的问题，在本发明中在第一电极层111与光电转换层113之间导入能级补偿层112。
能级补偿层112优选为具有小于第一电极层111的功函数，且大于光电转换层113的LUMO能级的LUMO能级，并且选择透明的材料。在本发明中使用具有4.4eV左右的LUMO能级的钛氧化物(TiOx)。
发光元件部120构成为，包括在太阳能电池部110中用作电极的共享电极层130和第二电极层121来作为一对电极，并且在共享电极层130和第二电极层121之间包括发光层123。
此时，共享电极层130的功函数为5.0eV，与通常用作OLED的阳极材料的ITO的功函数4.8eV相近，因此在本发明中将共享电极层130用作发光元件部120的阳极，并将第二电极层121用作阴极。
第二电极层121包括金属电极，并且使用OLED中被广泛使用的Al。
此外，第二电极层121可使用被用作OLED的多层阴极的LiF/Al、Ca/Al、Mg/Al等，在本发明中，鉴于作为发光层123的材料所使用的MEH-PPV的LUMO能级为2.8eV，而使用功函数为2.9eV的Ca/Al。
发光层123可使用通常所知的低分子OLED及高分子OLED中所使用的材料，可根据发光波长选择适当的材料。
此外，在共享电极层130与发光层123之间或者第二电极层121与发光层123之间，还可包括提高电子或空穴的迁移率来增大光效率的通常所知的电子注入层(EIL：Electron Injection Layer)、电子传输层(ETL：Electron TransferLayer)、空穴传输层(HTL：Hole Transfer Layer)、空穴注入层(Hole InjectionLayer)。
在本发明中发光层123使用作为高分子OLED的发光材料所知的MEH-PPV。
在这里，作为本发明的一实施例所记载的发光元件部120中的发光层123以及第二电极层121不限于上述的内容，还可进行各种变形例。
在基于如上所述的层压结构的电子元件100中，当外部光源通过透明基板/第一电极层111/能级补偿层112而进入光电转换层113时，光电转换层113将光转换为电能并分别向第一电极层111以及共享电极层130传输电子和空穴，并沿着与各个电极层111、130连接的配线向锂(Li)离子电池等充电器(未图示)储存能量。
此外，发光元件部120通过分别与共享电极层130和第二电极层121连接的配线来供给存储在外部电源或上述充电器中的电能，并且在共享电极层130向发光层123传递空穴，在第二电极层121向发光层123传递电子，从而电子与空穴在发光层中复合而形成激子(excition)，激子向基态转移的同时释放光。此时所释放的光通过太阳能电池部110传递到使用者。
图3至图4为参照图1及图2对本发明的一实施例所涉及的电子元件中的太阳能电池部110以及发光元件部120的特性进行测定的图表。
图3为测定太阳能电池部110的特性的图，测定出了2.53％的效率，图4为测定发光元件部120的特性的图，测定出了在约580nm的峰值波长带最大亮度为1700cd/m2，且最小驱动电压为3V的特性。
图5及图6为本发明的再一实施例所涉及的多功能电子元件200的图，是将太阳能电池部210和发光元件部220的层压顺序构成为与参照图1以及图2详细说明的一实施例不同的例子。
发光元件部220构成为，在玻璃等透明基板(未图示)上包括第二电极层221及共享电极层230来作为一对电极层，并且在一对电极层之间包括发光层223，以及在第二电极层221与发光层223之间包括能级补偿层222。
此时，优选为，在发光元件部220上依次层压太阳能电池部210，以使取出从发光元件部220发出的光的侧面与向太阳能电池部210投入光的侧面相同，并且，使构成发光元件部220的多层透明，以防止从外部传输的光在传输至太阳能电池部210时被发光元件部220阻断。
因此，发光元件部220的一对电极层，即共享电极层230以及第二电极层221需要全部透明。
第二电极层221选择具有导电性且能够通过光的透明的材料，并且可使用电子元件中被广泛使用的氧化物电极或导电性高分子等。本发明在氧化物电极中使用ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)。
发光层223可使用通常所知的低分子OLED以及高分子OLED中所使用的材料，根据发光波长可使用适当的材料。
此外，在第二电极层221与发光层223之间或者共享电极层230与发光层223之间，还可包括提高电子或空穴的迁移率来增大光效率的通常所知的电子注入层(EIL：Electron Injection Layer)、电子传输层(ETL：Electron TransferLayer)、空穴传输层(HTL：Hole Transfer Layer)、空穴注入层(Hole InjectionLayer)。
在本发明中发光层223使用作为高分子OLED的发光材料所知的MEH-PPV，MEH-PPV在HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)能级具有5.0eV，在LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)能级具有2.8eV。
共享电极层230优选为使用透明的电极物质，以防止阻断向后续工序中层压的太阳能电池210传递的外部光，在本发明中使用在高分子OLED中主要用作空穴注入层(Hole Injection Layer)的PEDOT:PSS(Poly Elyene DioxtyThiospnene/Poly Stylene Sulfonate：聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)来作为共享电极层，并且为了提高导电率在PEDOT:PSS溶液中添加二甲基亚砜(Dimethyl sulfoxide)溶液而进行使用。
共享电极层230的功函数为5.0eV，与通常用作OLED的阳极材料的ITO的功函数4.8eV相近，并且与作为发光层223的MEH-PPV的HOMO能级，即5.0eV相同，空穴的移动有效，因此在本发明中将共享电极层230用作阳极。
如果将共享电极层230用作为阴极，则共享电极层230的功函数5.0eV与作为发光层223的MEH-PPV的LUMO能级2.8eV之间的能级差变大，因此如果在共享电极层230与发光层223之间导入用于补偿能级的由钛氧化物构成的能级补偿层，则在形成能级补偿层时存在由有机物构成的发光层223受损的问题。因此，优选为将共享电极层230用作阳极，并且将第二电极层221用作阴极。
此外，在本发明中用作阴极的第二电极层221使用了ITO(Indium TinOxide：铟锡氧化物)，但由于ITO的功函数为4.8eV，发光层223的LUMO能级为2.8eV，所以能级差大而存在电子的移动效率低的问题。因此，在本发明中，在第二电极层221与发光层223之间形成能级补偿层222来提高电子的移动效率。
能级补偿层222优选为具有小于第二电极层221的功函数，且大于发光层223的LUMO能级的LUMO能级，并且选择透明的材料。在本发明中使用具有4.4eV左右的LUMO能级的钛氧化物(TiOx)。
太阳能电池部210构成为，包括在发光元件部220中用作电极的共享电极层230和第一电极层211来作为一对电极，并且在共享电极层230与第一电极层211之间包括光电转换层213。
光电转换层213可使用在薄膜型太阳能电池中使用的光电转换物质。本发明中使用作为有机高分子物质的高分子-富勒烯复合体，即PCDTBT:PC70BM(poly[N-9″-hepta-decanyl-2，7-carbazole-alt-5，5-(4′，7′-di-2-thienyl-2′，1′，3′-benzothiadiazole)：[6，6]-phenyl C70-butyricacidmethyl ester)，并且层压在共享电极层230上。
用作光电转换层213的PCDTBT:PC70BM在HOMO能级具有5.5eV的能带，在LUMO能级具有3.6eV的能带。
第一电极层211使用作为反射性金属物质的Al。
观察构成太阳能电池部210的各个层的能级可以发现，共享电极层230的功函数为5.0eV，光电转换层213的HOMO能级为5.5eV，LUMO能级为3.6eV，且用作第一电极层211的A1的功函数为4.3eV。
因此，由于光电转换层213的LUMO能级与第一电极层211的功函数的能级之差不大，所以在光电转换层213中生成的电子向第一电极层211的迁移率高，并且由于光电转换层213的HOMO能级与共享电极层230的功函数的能级之差不大，所以在光电转换层213中生成的空穴向共享电极层230的迁移率高。
然而，由于存在在光电转换层213中生成的空穴向第一电极层211移动的问题，所以优选为导入用于抑制空穴向第一电极层211移动的HBL(HoleBlocking Layer：空穴阻挡层)。
因此，优选为在光电转换层213与第一电极层211之间还包括用于执行HBL功能的能级补偿层212。
作为能级补偿层212，使用在发光元件部220中使用过的TiOx。
由于TiOx的HOMO能级远远大于光电转换层213的HOMO能级，所以能够抑制在光电转换层213中生成的空穴向第一电极层211移动，由此能够提高太阳能电池部210的发电效率。
在这里，作为本发明的一实施例所记载的发光元件部220中的层压在共享电极层230与能级补偿层222之间的有机物层不限于上述的内容，还可进行各种变形例。
在基于上述那样的层压结构的电子元件200中，当外部光源通过透明基板/第二电极层221/能级补偿层222/发光层223/共享电极层230而进入光电转换层213时，光电转换层213将光转换为电能并分别向第一电极层211以及共享电极层230传输电子和空穴，并沿着与各个电极层211、230连接的配线向锂(Li)离子电池等充电器(未图示)储存能量。
此外，发光元件部220通过分别与共享电极层230和第二电极层221连接的配线来供给存储在外部电源或上述充电器中的电能，并且在共享电极层230向发光层223传输空穴，在第二电极层221向发光层223传输电子，从而电子与空穴在发光层中复合而形成激子(excition)，激子向基态转移的同时释放光。此时所释放的光通过太阳能电池部110传递至使用者。
图7及图8为参照图5及图6说明的本发明的一实施例所涉及的在电子元件200中测定太阳能电池部210以及发光元件部220的特性的图表。
图7为测定太阳能电池部210的特性的图，测定出了1.31％的效率，图8为测定发光元件部220的特性的图，测定出了在约600nm的峰值波长带最大亮度为6cd/m2，且最小驱动电压为9V的特性。

Claims (11)

1.一种电子元件，其特征在于，
上述电子元件包括太阳能电池部以及发光元件部；
上述太阳能电池部包括：
第一电极层，
形成于上述第一电极层上的能级补偿层，
形成于上述能级补偿层上的光电转换层，以及
形成于光电转换层上的共享电极层；
上述发光元件部包括：
上述共享电极层，
形成于上述共享电极层上的发光层，以及
形成于上述发光层上的第二电极层；
上述能级补偿层的LUMO能级小于上述第一电极层的功函数，且大于上述光电转换层的LUMO能级。
2.根据权利要求1所述的电子元件，其特征在于，上述共享电极层包括高分子有机物。
3.根据权利要求2所述的电子元件，其特征在于，上述共享电极层包括PEDOT:PSS。
4.根据权利要求1所述的电子元件，其特征在于，上述能级补偿层为钛氧化物。
5.根据权利要求4所述的电子元件，其特征在于，上述第一电极层为透明的氧化物电极，上述第二电极层为不透明的金属电极。
6.一种电子元件，其特征在于，
上述电子元件包括发光元件部和太阳能电池部；
上述发光元件部包括：
第二电极层，
形成于上述第二电极层上的能级补偿层，
形成于上述能级补偿层上的发光层，以及
形成于上述发光层上的共享电极层；
上述太阳能电池部包括：
上述共享电极层，
形成于上述共享电极层上的光电转换层，以及
形成于上述光电转换层上的第一电极层；
上述能级补偿层的LUMO能级小于上述第二电极层的功函数，且大于上述发光层的LUMO能级。
7.根据权利要求6所述的电子元件，其特征在于，上述共享电极层包括高分子有机物。
8.根据权利要求7所述的电子元件，其特征在于，上述共享电极层包括PEDOT:PSS。
9.根据权利要求6所述的电子元件，其特征在于，上述能级补偿层为钛氧化物。
10.根据权利要求9所述的电子元件，其特征在于，上述第二电极层为透明的氧化物电极，上述第一电极层为不透明的金属电极。
11.根据权利要求6所述的电子元件，其特征在于，在上述光电转换层与上述第一电极层之间还包括能级补偿层。
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