KR101131711B1 - 하이브리드 혼성된 플래너 이형접합부를 이용하는 고효율 유기 광기전력 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 광활성 영역을 갖는 소자를 제공한다. 상기 광활성 영역은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물을 포함하며, 두께가 0.8 특징적 전하 수송 길이 이하인 제1 유기층; 및 제1 유기층과 직접 접촉되어 있고, 제1 유기층의 유기 억셉터 물질 또는 유기 도너 물질만으로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 약 0.1 광학 흡수 길이 이상인 제2 유기층을 포함한다. 바람직하게는, 제2 유기층의 두께가 0.3 특징적 전하 수송 길이 이하이다. 바람직하게는, 제2 유기층의 두께가 약 0.2 광학 흡수 길이 이상이다. 본 발명의 실시 태양은 2% 이상의 전력 효율, 바람직하게는 5% 이상의 전력 효율을 갖는다.
하이브리드 이형접합 전지, 플래너 이형접합 전지, 하이브리드 혼성된 플래너 이형접합 광기전력 전지, 유기 억셉터, 유기 도너, 감광성 소자

Description

하이브리드 혼성된 플래너 이형접합부를 이용하는 고효율 유기 광기전력 전지{HIGH EFFICIENCY ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS EMPLOYING HYBRIDIZED MIXED-PLANAR HETEROJUNCTIONS}
본 출원은 2004년 4월 13일에 출원된 미국 특허출원 제10/822,774호의 연속 일부 출원이며, 그 출원 내용의 전부가 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 개시된 발명은 미국 정부의 보조로 이루어진 것이고, 정부는 본 발명에 대하여 일정한 권리를 갖는다.
본 발명은 효율이 높은 유기 감광성 소자(organic photosensitive device)에 관한 것이다.
유기 물질을 사용하는 광전자 소자(optoelectronic device)는 여러 가지 이유에서 점점 더 바람직한 것으로 되어가고 있다. 그러한 소자를 제조하는데 사용되는 물질 중 다수가 비교적 저렴하기 때문에, 유기 광전자 소자는 무기 소자에 비하여 가격면에서 이점이 있다. 또한, 가요성 등과 같은 유기 물질 고유의 성질로 인하여 소자를 가요성 기판상에 조립하는 것 등과 같은 특정 용도에 맞게 제작할 수 있다. 유기 광전자 소자의 예에는 유기 발광 소자(OLED), 유기 트랜지스터/광트랜지스터, 유기 광기전력 전지 및 유기 광검출기가 있다. OLED에 있어서, 유기 물질은 종래의(즉, 무기) 물질에 비하여 성능상의 이점이 있다. 예를 들어, 유기 발광층이 광을 방출하는 파장은 적절한 도펀트를 사용함으로써 일반적으로 쉽게 조정될 수 있다. 유기 트랜지스터/광트랜지스터에 있어서, 트랜지스터를 제작하는 기판이 가요성일 수 있기 때문에, 산업 및 상업 분야에서 보다 광범위한 응용을 가능하게 한다.
본 명세서에서 "유기"란 광전자 소자를 포함하는 유기 소자를 조립하는데 사용될 수 있는 중합체성 물질 및 소분자의 유기 물질을 포함한다. "소분자"란 중합체가 아닌 유기 물질이라면 어느 것이나 지칭하는 것이므로, 소분자는 실제로는 매우 클 수도 있다. 소분자는 어떤 경우에는 반복 단위를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 치환체로서 장쇄 알킬기를 사용하는 경우라도 "소분자" 부류에서 제외되는 것은 아니다. 소분자들은 중합체 내로, 예를 들어, 중합체 골격 상의 펜던트 기로 또는 골격의 일부로 혼입될 수도 있다. 소분자는 또한 코어 잔기 상에 누적된 일련의 화학적 쉘로 구성되는 덴드리머(dendrimer)의 코어 잔기로서 기능하기도 한다. 소분자는 일반적으로 잘 정의된 분자량을 가지는 반면, 중합체는 일반적으로 그러하지 못하다.
소분자량 유기 박막 광검출기 및 태양 전지에 관한 일반적인 배경 지식을 위해 문헌을 참조할 수 있다[Peumans et al., "Small Molecular Weight Organic Thin-Film Photodetectors and Solar Cells," Journal of Applied Physics-Applied Physics Reviews-Focused Review, Vol.93, No.7, pp.3693-3723(April 2003)].
태양 전지의 "점적율(fill factor)"(FF)는 Pmax/(Jsc*Voc)이고, 여기서 Pmax는 전류와 전압의 곱이 최대가 되는 I-V 곡선상의 점을 찾아서 결정한, 태양 전지의 최대 출력이다. 높은 FF는 태양 전지의 I-V 곡선이 얼마나 "스퀘어(square)"한 상태로 나타나는지를 표시하는 것이다.
광전자 소자는 전자적으로 전자기 방사선을 발생 또는 검출하기 위해서, 또는 주변의 전자기 방사선으로부터 전기를 발생시키기 위해서, 그를 제조하는 물질의 광학적 및 전자적 성질에 의존한다. 감광성 광전자 소자는 전자기 방사선을 전기로 전환시킨다. 감광성 광전자 소자의 일종인 광기전력(PV) 소자 또는 태양 전지는 특히 전력을 발생시키기 위해 사용된다. 태양광이 아닌 광원으로부터 전력을 발생시킬 수 있는 PV 소자는, 예를 들어, 빛이나 열을 제공하는 전력 소비 장치를 작동시키거나, 또는 컴퓨터, 원격 모니터, 통신 장치와 같은 전자 장치를 작동시키는데 사용된다. 이러한 전력 발생 용도는 종종 태양 또는 주변의 광원이 직접적으로 조사되지 않을 때에도 장치가 계속 작동되도록 배터리나 다른 에너지 저장 장치를 충전시키는 것을 포함한다. 본 명세서에서 용어 "저항 부하(resistive load)"는 전력 소비 또는 저장 장치, 장비 또는 시스템에 관한 것이다. 또 다른 종류의 감광성 광전자 소자는 광전도체 전지이다. 이러한 기능에서, 신호 검출 회로가 소자의 저항을 모니터링하여 광의 흡수에 따른 변화를 검출한다. 또 다른 종류의 감광성 광전자 소자는 광검출기이다. 작동 시에 광검출기에는 전압이 인가되며, 전류 검출 회로가 광검출기가 전자기 방사선에 노출되었을 때 발생되는 전류를 측정 한다. 이러한 검출 회로는 광검출기에 바이어스 전압을 제공하고, 주위 전자기 방사선에 대한 광검출기의 전자적 반응을 측정할 수 있다. 이러한 세 가지 부류의 감광성 광전자 소자는 하기한 바와 같은 정류 접합부가 존재하는지 여부, 또한 소자가 바이어스 또는 바이어스 전압이라고도 알려진 외부로부터 인가된 전압으로 작동되는지 여부에 따라서 특징지워질 수 있다. 광전도체는 정류 접합부를 가지지 않으며, 대개 바이어스로 작동된다. PV 소자는 하나 이상의 정류 접합부를 가지며 바이어스 없이 작동된다. 광검출기는 하나 이상의 정류 접합부를 가지며, 항상은 아니지만 대개 바이어스로 작동된다.
효율이 높은 유기 광기전력 전지를 개발할 필요가 있다.
발명의 개요
본 발명은 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 광활성 영역을 갖는 소자(device)를 제공한다. 상기 광활성 영역은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물을 포함하며, 두께가 0.8 특징적 전하 수송 길이 이하인 제1 유기층; 및 제1 유기층과 직접 접촉되어 있고, 제1 유기층의 유기 억셉터 물질 또는 유기 도너 물질로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 약 0.1 광학 흡수 길이 이상인 제2 유기층을 포함한다. 바람직하게는, 제1 유기층의 두께가 0.3 특징적 전하 수송 길이 이하이다. 바람직하게는, 제2 유기층의 두께가 약 0.2 광학 흡수 길이 이상이다. 본 발명의 실시 태양은 2% 이상의 전력 효율, 바람직하게는 5% 이상의 전력 효율을 갖는다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 태양에 따른 유기 광기전력 전지(organic photovoltaic cell)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 태양에 따른 또 다른 유기 광기전력 전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 태양에 따른 또 다른 유기 광기전력 전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 태양에 따른 유기 광기전력 전지를 제조하는 방법을 도시하고 있다.
도 5는 소자의 에너지 준위 다이아그램이다.
도 6은 하이브리드 소자의 J-V 특성을 도시하고 있다.
도 7은 도 6과 관련하여 기재한 소자의 추가의 광기전력 특성을 도시하고 있다.
도 8은 ITO상에 증착된, 여러 혼합비의 CuPc:C60 필름의 흡수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 9는 도 6과 관련하여 기재한 소자에 대하여 여러 광 강도하의 정규화된 광전류-전압 특성을 도시하고 있다.
도 10은 플래너 HJ 소자 및 하이브리드 HJ 소자에 대하여 암소에서의 전류 밀도 대 전압 (J-V) 특성을 도시하고 있다.
도 11은 dD = dA - 200 Å = 200 Å - dm/2인 하이브리드 HJ 전지에 대하여, 혼합층 두께 dm에 대한 n 및 JS의 의존도를 도시하고 있다.
도 12는 여러 혼합층 두께를 갖는 하이브리드 소자에 대하여, 조사 강도 P0 = 120 mW/㎠에서의 광전류 밀도 JPH를 도시하고 있다.
도 13은 혼합층 두께가 200 Å인 하이브리드 소자에 대하여 여러 P0에서의 실험적 J-V 특성을 도시하고 있다.
도 14는 플래너 HJ 소자 및 혼합층 두께가 200 Å인 하이브리드 HJ 소자에 대하여 흡수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 15는 하이브리드 HJ 소자 및 플래너 HJ 소자에 대하여 ηP, FF 및 Voc의 조사 강도 의존도를 도시하고 있다.
도 16은 단일 형태(homogeneous) 및 혼합 형태의 CuPc 및 C60 필름에 대한 X-선 회절 결과이다.
발명의 상세한 설명
유기 광기전력(PV) 전지는 저렴한 태양 또는 주변 에너지 전환이라는 가능성 때문에 상당한 관심을 끌어왔다. 초창기 연구 결과는, 단일의 도너-억셉터(D-A) 이형접합부(HJ)에 기반한 유기 PV 전지에 있어서 1% 효율의 박막을 제공하였다[참조: C. W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183(1986)]. 이후, 전력 전환 효율 ηP는 새로운 물질과 소자 구조를 사용함으로써 꾸준히 개선되어 왔다[참조: P. Peumans et al., J. Appl. Phys. 93, 3693(2003); A. Yakimov and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 80, 1667(2002); P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126(2001); S. E. Shaheen et al., Appl. Phys. Lett. 78, 841(2001); P. Peumans et al., Nature(London) 425, 158(2003)]. 특히, 이중 헤테로구조 구리 프탈로시아닌(CuPc):C60 박막 전지에서, 1 sun (100 mW/㎠)의 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 조사하에 ηP = (3.6±0.2)%가 얻어졌다[참조: P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126(2001)]. 그러나, 이러한 단일 이형접합부 소자는 소자의 활성 영역, 즉, 흡수된 광자가 광전류에 기여할 수 있는 영역이, 그로부터 광자에 의해 여기된 엑시톤이 적절한 확률로 단일 이형접합부까지 확산될 수 있는 영역으로 한정된다.
중합체 및 소분자-기재 광기전력(PV) 전지의 효율을 개선시키기 위하여, 도너(D)-억셉터(A) 벌크 이형접합부(BHJ)를 사용할 수 있다. 유기 D-A 이중층 구조의 외부 양자 효율(ηEQE)은 종종 짧은 엑시톤 확산 길이에 의해 제한을 받으므로, BHJ가 이러한 한계를 극복할 수단으로서 제안되어 ηEQE 및 전력 전환 효율 ηP를 개선시켰다. 그러한 BHJ는 도너 기능의 프탈로시아닌(Pc)과 억셉터 기능의 C60의 혼합된 박막으로 구성될 수 있다. 최근에, 혼합된 ZnPc:C60 PV 전지에서 0.1 sun(10 mW/㎠, AM1.5G) 조사 시에 ηP = 3.37 %의 효율이 얻어졌다[참조: Gebeyehu et al., Solar Energy Mater. Solar Cells, 79, 81(2003)]. 불행하게도, 그 소자는 전지의 직렬 저항(RS)이 커서 감소된 단락 전류 밀도(JSC)를 나타내므로, 전력 효율이 1 sun 강도에서 1.04 %로 떨어졌다. 이와 같이 큰 RS는 폴리(3,4-에틸디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(PEDOT:PSS)를 포함하는 저항성 유기층의 존재에, 보다 중요하게는, 그들의 접촉 저항에 기인할 수 있다. 한편, 최근의 결과는 매우 낮은 RS를 갖는 CuPc/C60 이중층이, 특히 보다 높은 조사 강도에서 ηP의 상당한 개선을 보여, 4 내지 12 sun에서 (4.2
Figure 112006082062019-pct00001
0.2)%의 최대 전력 효율을 갖게 된 것으로 보고되었다[참조: Xue et al., Appl. Phys. Lett. 84, 3013(2004)].
도면과 관련하여 상세히 설명하면, 도 1은 본 발명의 하나의 실시 태양에 따른 유기 광기전력 전지(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 소자(100)는 제1 전극(102), 제1 유기층(106), 제2 유기층(108), 제3 유기층(114) 및 제2 전극(104)을 기판상에 이 순서대로 배치된 상태로 포함할 수 있다. 제1 유기층(106)은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물을 포함한다. 제2 유기층(108)은 제1 유기층(106)의 유기 억셉터 물질은 포함하나, 제1 유기층(106)의 도너 물질은 포함하지 않는다. 제2 유기층(108)은 약 0.5 엑시톤 확산 길이 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 제2 유기층(108)은 약 1 내지 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 갖는다. 결과적으로, 제1 유기층(106)은 벌크 이형접합부로 작용하며, 여기서 광생성된 엑시톤은 전자와 정공으로 분리될 수 있다. 제2 유기층(108)은 광자를 흡수하여 후에 광전류에 기여할 수 있는 엑시톤을 생성시킨다는 의미에서는 광활성이지만, 이들 엑시톤은 먼저 제1 유기층(106)의 이형접합부로 확산되어 야 한다. 제3 유기층(114)은 엑시톤이 제2 유기층(108)으로부터 이탈하여 제3 유기층(114) 내로 들어가는 것을 방지하도록 선택된 물질로 이루어진, 엑시톤 차단층을 포함한다. 제3 유기층(114)은 비광활성 유기층이라고도 불리우는데, 이는 제3 유기층(114)이 광전류에 상당히 기여하는 광자를 흡수하는데 관여하지 않기 때문이다.
도 2는 본 발명의 실시 태양에 따른 또 다른 유기 광기전력 전지(200)를 개략적으로 도시하고 있다. 소자(200)는 제1 전극(202), 제1 유기층(206), 제2 유기층(208), 제3 유기층(214) 및 제2 전극(204)을 기판상에 이 순서대로 배치된 상태로 포함할 수 있다. 제1 유기층(206)은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물을 포함한다. 제2 유기층(208)은 제1 유기층(206)의 유기 도너 물질은 포함하나, 제1 유기층(206)의 억셉터 물질은 포함하지 않는다. 제2 유기층(208)은 약 0.5 엑시톤 확산 길이 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 가지며, 바람직하게는 약 1 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 갖는다. 결과적으로, 제1 유기층(206)은 벌크 이형접합부로 작용하며, 여기서 광생성된 엑시톤은 전자와 정공으로 분리될 수 있다. 제2 유기층(208)은 광자를 흡수하여 후에 광전류에 기여할 수 있는 엑시톤을 생성시킨다는 의미에서는 광활성이지만, 이들 엑시톤은 먼저 제1 유기층(206)의 이형접합부로 확산되어야 한다. 제3 유기층(214)은 엑시톤이 제2 유기층(208)으로부터 이탈하여 제3 유기층(214) 내로 들어가는 것을 방지하도록 선택된 물질로 이루어진, 엑시톤 차단층을 포함한다. 제3 유기층(214)은 비광활성 유기층이라고도 불리우는데, 이는 제3 유기층(214)이 광전류에 상당히 기여하는 광자 를 흡수하는데 관여하지 않기 때문이다.
각종 유기 억셉터 및 도너 물질의 확산 길이가 하기 표 1에 제시되어 있다:
보고된 엑시톤 확산 길이
물질a 확산길이 LD(Å) 기법 참고 문헌
소분자계
PTCBI 30±3 PL 켄칭 P. Peumans, A. Yakimov and S. Forrest, J. Appl. Phys. vol. 93, no. 7, April 1, 2003, p. 3702 (Peumans et al.)
PTCDA 880±60 ηEQE로부터 V. Bulovic and S. R. Forrest, Chem. Phys. 210, 13, 1996
PPEI ～700b PL 켄칭 B. A. Gregg et al., J. Phys. Chem. B101, 5362, 1997
CuPc
 100±30 ηEQE로부터 Peumans et al.
680±200 ηEQE로부터 T. Stuebinger and W. Bruetting, J. Appl. Phys. 90, 3632, 2001
ZnPc 300±100 ηEQE로부터 H. R. Kerp and E. E. van Faassen, Nord. Hydrol. 1, 1761, 1999
C60
400±50 ηEQE로부터 Peumans et al.
141 ηEQE로부터 L.A.A. Pettersson et al., J. Appl. Phys. 86, 487, 1999
Alq3
200 A. L. Burin and M. A. Ratner, J. Phys. Chem. A 104, 4704, 2000
～200 V.E. Choong et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1838, 1998
중합체계
PPV
 70±10 ηEQE로부터 J.J. M. Halls et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3120, 1996
120±30c ηEQE로부터 T. Stuebinger and W. Bruetting, J. Appl. Phys. 90, 3632, 2001
PEOPT
 47 ηEQE로부터 L.A.A. Pettersson et al., J. Appl. Phys. 86, 487, 1999
50 PL 켄칭 M. Theander et al., Phys. Rev. B61, 12 957, 2000
aPPEI = 페릴렌 비스(펜에틸이미드), Alq3 = 트리스(8-히드록시퀴놀린)알루미늄
bSnO2 켄칭 표면에 대한 결과를 사용하였으며, 무한 표면 재결합 속도를 가정함. LD PPEI = 2.5 ± 0.5 ㎛에 이르는 결과는 켄쳐 확산 및 용매 증기-보조된 어닐링 도중의 형태적 변화에 영향받는 것으로 추정
c광 간섭 효과는 고려되지 않음
표 1에 제시한 유기 물질의 목록은 단지 예시하기 위한 것일 뿐 한정하려는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 유사하거나 상이한 확산 길이를 갖는 다른 물질을 사용할 수 있을 것이다. 표 1에 제시된 확산 길이는 본 발명을 단지 그러한 수치 범위 내로 한정시키려는 것이 아님을 또한 이해하여야 한다. 다른 물질을 사용하였거나 상기 제시된 물질의 확산 길이를 다른 방법으로 결정, 계산 또는 측정하였건 간에, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다른 길이를 사용할 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 실시 태양에서, 예를 들어, 제1 유기층(106 또는 206)과 같은 혼합 유기층 내의 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물은 중량 비율이 약 10 : 1 내지 약 1 : 10 사이의 범위일 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 억셉터와 도너 물질의 혼합물을 함유하는 유기층(예를 들어, 제1 유기층 106 또는 206) 및 단지 억셉터 물질 또는 단지 도너 물질만을 함유하는 유기층(예를 들어, 제2 유기층 108 또는 208)은 각각 광활성 소자의 총 에너지 출력의 5 % 이상, 바람직하게는 10 % 이상에 기여할 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 억셉터와 도너 물질의 혼합물을 함유하는 유기층(예를 들어, 제1 유기층 106 또는 206) 및 단지 억셉터 물질 또는 단지 도너 물질만을 함유하는 유기층(예를 들어, 제2 유기층 108 또는 208)은 각각 광활성 소자의 입사 에너지의 5 % 이상, 바람직하게는 10 % 이상을 흡수할 수 있다. 낮은 비율로 에너지에 기여하고/하거나 흡수하는 층은 소자의 광활성 영역의 부분으로서 상당히 기여하는 것으로 여겨지지는 않는다. 하나의 실시 태양에서, 유기 억셉터 물질은 풀러렌; 페릴렌; 선형 폴리아센(안트라센, 나프탈렌, 테트라센 및 펜타센을 포함함)와 같은 카타축합된(catacondensed) 콘쥬게이트 분자계, 피렌, 코로넨 및 이들의 작용화 변형체로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 유기 도너 물질은 나프탈로시아닌을 포함한, 금속 함유 포르피린, 금속 무함유 포르피린, 루브렌, 금속 함유 프탈로시아닌, 금속 무함유 프탈로시아닌, 디아민(예를 들어, NPD), 및 이들의 작용화 변형체로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 예는 한정적인 것은 아니며, 따라서 다른 적절한 유기 억셉터 물질이나 유기 도너 물질을 사용할 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 제1 유기층( 106 또는 206)은 본질적으로 CuPc와 C60의 혼합물로 구성될 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 광활성 소자(100 또는 200)는 제2 전극(104 또는 204)과 제2 유기층(108 또는 208) 사이에 배치되며, 비광활성층일 수 있는 제3 유기층(114 또는 214)을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 제3 유기층(114 또는 214)은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP)을 포함할 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 제3 유기층(114 또는 214)은 엑시톤 차단층일 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 제1 전극(102 또는 202)은 인듐 주석 산화물 또는 기타 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 하나의 실시 태양에서, 제2 전극(104 또는 204)은 Ag, LiF/Al, Mg:Ag, Ca/Al 및 기타 금속으로 이루어질 수 있다. 다른 물질을 선택할 수도 있다.
어떤 층이 "비혼합" 억셉터 또는 도너 층으로서 기재되는 경우, 그러한 "비혼합" 층은 반대되는 성질의 물질을 불순물로서 아주 소량 함유할 수 있다. 어떤 물질의 농도가 층을 관통하는데 필요한 농도보다 상당히 낮은 경우, 예를 들어, 약 5 중량% 미만인 경우, 그 물질은 불순물로 여겨진다. 불순물은 더욱 낮은 농도, 바람직하게는 1 중량％ 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1 중량％ 미만으로 존재한다. 소자를 조립하는데 사용되는 공정 및 공정 변수에 따라서, 바로 인접한 층의 물질이 불순물로서 어느 정도 포함되는 것은 피할 수 없다.
차단층은 바람직하게는 광활성 영역에 의해 흡수되는 빛의 파장에 대하여 투명하다. 차단층은 그를 통해 이동할 수 있는 종류의 전하 캐리어의 주입을 쉽게 받아들이고 전도시킬 수 있는 것이 바람직하며, 예를 들어, 억셉터 물질과 전극 사이에 배치된 광활성 영역의 억셉터 측면 상에 위치한 차단층은 억셉터로부터의 전자의 주입을 즉시 받아들이고 전자를 전도할 수 있어야 한다.
어떤 층에 의해 흡수된 광자가 소자의 광전류에 상당히 기여를 하면, 그러한 층은 "광활성"인 것으로 기재된다. 소자는 수 개의 광활성층으로 이루어진 광활성 영역을 가질 수 있다. 본 발명의 여러 실시 태양에서, 광활성 영역은 억셉터와 도너 물질의 혼합물로 된 층뿐만 아니라 두 물질을 모두 함유하지는 않고(상술한 바와 같이 어느 한 가지를 불순물로서 포함할 수는 있음) 단지 억셉터 물질 또는 도너 물질만을 함유하는 층을 포함하여, 복수 개의 광활성층을 포함한다. 혼합 광활성층을 하나 이상의 비혼합 광활성층과 조합하여 갖는 것을 하이브리드 소자라고 하는데, 이는 그러한 소자가 플래너 HJ 소자(혼합층이 없는 D-A 계면)의 유리한 특성을, 혼합층 소자(비혼합 도너 또는 억셉터 층이 없거나 아주 최소한의 억셉터 또는 도너 물질의 비혼합층이 있는 혼합 D-A 층)의 유리한 특성과 함께 조합하여 가지기 때문이다.
도 3은 본 발명의 실시 태양에 따른 또 다른 광기전력 전지(300)를 도식적으로 나타낸 것이다. 소자(300)는 제1 전극(302), 제3 유기층(310), 제1 유기층(306), 제2 유기층(308), 제4 유기층(314) 및 제2 전극(304)을, 기판상에 이 순서대로 배치된 상태로 포함할 수 있다. 제1 유기층(306)은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물을 포함한다. 제2 유기층(308)은 제1 유기층(306)의 유기 억셉터 물질은 포함하나, 제1 유기층(306)의 도너 물질은 포함하지 않는다. 제2 유기층(308)은 약 0.5 엑시톤 확산 길이 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 가지며, 바람직하게는 약 1 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 갖는다. 제3 유기층(310)은 제1 유기층(306)의 유기 도너 물질은 포함하나, 제1 유기층(306)의 억셉터 물질은 포함하지 않는다. 제3 유기층(310)은 약 0.5 엑시톤 확산 길이 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 가지며, 바람직하게는 약 1 내지 약 10 엑시톤 확산 길이의 두께를 갖는다. 결과적으로, 제1 유기층(306)은 벌크 이형접합부로 작용하며, 여기서 광생성된 엑시톤은 전자와 정공으로 분리될 수 있다. 제2 유기층(308) 및 제3 유기층(310)은 광자를 흡수하여 후에 광전류에 기여할 수 있는 엑시톤을 생성시킨다는 의미에서는 광활성이지만, 이들 엑시톤은 먼저 제1 유기층(306)의 이형접합부로 확산되어야 한다. 제4 유기층(314)은 엑시톤이 제2 유기층(308)으로부터 이탈하여 제4 유기층(314) 내로 들어가는 것을 방지하도록 선택된 물질로 이루어진, 엑시톤 차단층을 포함한다. 제4 유기층(314)은 비광활성 유기층이라고도 불리우는데, 이는 제4 유기층(314)이 광전류에 상당히 기여하는 광자를 흡수하는데 관여하지 않기 때문이다.
도 3의 실시 태양에 대한 바람직한 변수, 예를 들어, 층 두께, 물질 선택, 제1 유기층(306)(혼합층)에서의 물질의 비율, 흡수되는 입사 에너지의 상대적인 양 또는 총 에너지 출력의 상대적인 양은, 도 1 및 2에 제시한 실시 태양에서와 유사하다.
본 발명의 여러 실시 태양은, 억셉터와 도너 물질의 혼합물을 포함하는 유기층(예를 들어, 층 106, 206 및 306), 및 이러한 혼합층의 물질 중 단지 억셉터 또는 도너 물질만을 포함하는 적어도 하나의 층(예를 들어, 층 108, 208, 308 및 310)을 포함한다. 소자가 광자를 흡수할 때 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 적절히 설계된 이형접합부에 다다를 수 있다면, 분리되어 광전류에 기여한다. 억셉터와 도너 물질의 혼합물을 포함하는 층은 벌크 이형접합부를 제공하여, 그러한 분리가 일어나는 것이 용이한 넓은 공간이 있게 된다. 그러나, 그러한 층은 비혼합층보다 낮은 전도도를 가질 수 있으며, 낮은 전도도는 바람직하지 않다. 전도도 문제는 층 두께에 의해 가중되므로, 적정한 수준의 전도도가 요구되는 경우, 혼합층이 가질 수 있는 층 두께에는 제한이 있다.
단지 억셉터 또는 도너만을 포함하는 층은 혼합층에 비하여 높은 전도도를 가지므로 유리할 수 있다. 그러나, 그러한 층에는 이형접합부가 없으므로 광자의 흡수에 의해 형성된 엑시톤은 효과적으로 분리되기 위해 이형접합부로 이동할 필요가 있다. 결과적으로, 태양 전지의 비혼합층의 유용한 두께에는 한계가 있으나, 그 한계는 전도도 문제와는 달리 엑시톤의 확산 길이에 더욱 관련이 있다.
또한, 두꺼운 광활성 영역이 바람직한데, 광활성층이 두꺼울수록 얇은 광활성층에 비해 광전류에 기여할 수 있는 광자를 보다 많이 흡수할 수 있기 때문이다.
본 발명의 여러 실시 태양은 비혼합층이 없이 벌크 이형접합부(예를 들어, 혼합층 106, 206 또는 306)를 갖는 소자의 유리한 특성과, 벌크 이형접합부를 가지지 않는 소자, 즉 순수한 도너층과 플래너 접합를 형성하는 순수한 억셉터층을 갖는 소자의 유리한 특성을 조합한 소자를 제공한다. 혼합층과 비혼합층이 각각 광활성층의 일부를 이루어, 더 많은 광자를 흡수하기 위하여 두께를 늘리는 것이다. 따라서, 광활성 영역이 단지 혼합층 또는 비혼합층 만을 포함하는 소자, 또는 대부분의 두께가 단지 혼합층에 의한 것이거나 단지 비혼합층에 의한 것인 소자에 있어서 보다, 광전류에 기여하는 층의 두께가 더욱 커질 수 있다. 또는, 주어진 광활성 영역 두께에서 보다 저항이 낮은 소자를 달성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 태양에서, 억셉터와 도너의 혼합물이 아니라 단지 억셉터 또는 도너 물질만을 포함하는 층(들)(예를 들어, 층 108, 208, 308 및 310)은 광전류에 기여할 수 있으면서도 높은 전도도를 가지도록 선택될 수 있다. 그러한 층에 흡수된 광자에 의해 형성된 엑시톤은 광전류에 기여하기 위해서 이형접합부로 확산되어야 한다. 결과적으로, 그러한 층을 위한 두께는 약 0.5 엑시톤 확산 길이 내지 약 10 엑시톤 확산 길이인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 1 내지 10 엑시톤 확산 길이이다. 약 10 엑시톤 확산 길이를 초과하는 두께를 갖는 층에 있어서는, 이형접합부와 너무 멀리 떨어진 곳에서 흡수된 광자는 이형접합부에 다다르지 못하기 때문에 추가로 두께를 늘린다 하여도 광전류에 상당한 정도로 기여하지 못한다.
비혼합 광활성층 두께의 하한선에서, 광 흡수는 엑시톤 확산 길이보다 중요한 변수이다. 어떠한 물질의 "광학 흡수 길이(optical adsorption length)"란 입사광 강도가 (1/e) 또는 약 37 %로 감소되는 길이이다. 유기 광활성 물질에 있어서의 전형적인 흡수 길이는 500 내지 1,000 Å 범위이다. CuPc에 있어서, 500 내지 700 nm 범위의 파장에 대한 광학 확산 길이는 500 Å이다. C60에 있어서, 450 nm 파장에 대한 광학 확산 길이는 1,000 Å이다. 층이 광전류에 기여하기 위해서는, 층 두께는 광확 확산 길이의 상당한 분율 이상이어야 한다. 바람직하게는, 비혼합 유기 광활성층과 같은 광활성층의 두께는 약 0.1 흡수 길이 이상이며, 보다 바람직하게는 약 0.2 흡수 길이 이상이어야 한다. 이보다 얇은 두께에서는 층이 광전류에 상당한 기여를 한다고 할 수 없다.
본 발명의 바람직한 실시 태양에서, 층(106, 206 및 306)과 같이 억셉터와 도너 물질의 혼합물을 포함하는 층은 10 % 이상의 억셉터 물질과 10 % 이상의 도너 물질을 포함한다. 10 %는 관통하기에 충분한 양의 하한으로 믿어진다. 관통(percolation)은 억셉터 및 도너 물질 양자에 있어서 바람직한데, 이는 혼합층 내 임의의 지점에서 분리된, 광생성된 전자와 정공이 반대층(도너 또는 억셉터)을 통해 이동하지 않고 각각 억셉터 및 도너를 통해 이동하여 적절한 전극에 이를 수 있게 하기 때문이다. 바람직하게는, 광활성 영역 중의 비혼합층은 혼합층을 통해 관통하여 비혼합층에 이르는 전하 캐리어에 대한 HOMO/LUMO 미스매치를 피하기 위하여, 혼합층에 존재하는 물질 중의 하나를 포함한다.
D-A 상 분리는 중합체 및 소분자-기재 BHJ 태양 전지 양자에 있어서, 효율적인 캐리어 수집을 위하여 필요하다. 한편으로, CuPc:C60 혼합층은, 효율 개선을 위해 어닐링 및 상 분리를 필요로 하는 CuPc:3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 비스-벤즈이미다졸 혼합층 소자와는 달리, 동일한 물질을 사용한 적정화 이중층 소자에 비교할 만한 큰 ηp를 갖는다[참조: Peumans et al., Nature, 425, 158(2003)]. 실제로, CuPc:C60 혼합층에 유사한 어닐링 공정을 수행한 후에, 전지의 ηp는 감소된다. 이는 혼합 CuPc:C60계가 증착 공정 그 자체 중에 상 분리를 겪을 수 있으며, 따라서, 혼합층은 두 가지 물질의 농도가 관통 역치 이상인 한, 두 물질의 관통 네트워크인 것이다.
입사광의 흡수 시에 전하 캐리어의 효율적인 광-생성을 제공하기 위하여 비혼합 유기 도너-억셉터 이형접합부가 사용될 수 있다. 이러한 유형의 전지의 효율은 엑시톤(즉, 결합된 전자-정공 쌍)이 도너-억셉터 계면으로 확산되어 나가는 능력이 불량하므로 제한받을 수 있다. 혼합층, 즉 도너-억셉터 혼합물을 사용하는 경우에는, 혼합층 내에서 생성된 모든 광생성 엑시톤이 접근할 수 있도록 공간적으로 넓게 분포된 도너-억셉터 계면을 생성함으로써 이러한 문제점을 경감시킬 수 있다. 그러나, 전하 이동도는 단일 필름에 비해 혼합물에서 상당히 감소될 수 있으므로, 혼합물에서 광생성된 정공과 전자의 재결합이 일어나 전하 캐리어의 수집이 불완전해 질 수 있는 확률이 크다.
본 발명의 하나의 실시 태양에서, 분자상 도너-억셉터 혼합물에 대한 바람직한 미세구조가 제공된다. 바람직한 미세구조를 갖는 혼합층은 하나 이상의 비혼합 광활성층을 가지거나 가지지 않는 감광성 소자에 사용될 수 있다. 바람직한 미세구조의 예를 CuPc와 C60의 혼합물에 대하여 기재하지만, 다른 도너 및 억셉터 물질을 사용할 수도 있다. 바람직한 미세구조는 각각 단지 하나 또는 수 개의 분자의 폭에 상당하는, 혼합 도너-억셉터 층을 통한 정공과 전자의 수송을 위한 관통 경로를 포함한다. 바람직하게는, 경로의 폭은 5개 분자 이하의 폭, 보다 바람직하게는 3개 분자 이하의 폭이다. 광생성된 전하는 그들의 카운터 전하와 상당한 정도로 재결합됨이 없이 그러한 경로를 따라 그들 각각의 전극으로 효율적으로 수송될 수 있다. 도너와 억셉터 물질의 관통 네트워크는 나노구조의, 넓게 분포된 도너-억셉터 계면을 형성하여 엑시톤의 확산과 분리를 효율적으로 만든다.
바람직한 미세구조는 진공 가열 증발에 의해 제조된 1:1 중량비의 CuPc:C60 혼합물에서 입증되었다. 혼합물에서, 바이어스가 인가되지 않았을 때 전하 수송 길이, 즉, 전하가 그의 카운터 전하와 재결합하기 전에 이동하는 평균 거리는 광학 흡수 길이와 동일한 크기로 약 40 nm였다. CuPc 혼합물 중에 순수한 도너 또는 억셉터 도메인은 존재하지 않는 것으로 믿어진다. 그러한 순수한 도메인이 존재하지 않는 것이 바람직하다. CuPc의 응집 경향은 층 중에 C60의 함량을 증가시킴으로써 감소하였다.
CuPc 및 C60의 단일 물질 및 혼합물 필름의 결정 구조를 연구하기 위해 X-선 회절을 수행하고, 도 16에 나타내었다. 단일 물질 CuPc 필름은 다결정질이고, 단일 물질 C60 필름은 무정질이었다. 1:1 중량비로 혼합된 CuPc:C60 필름은 무정질이며, 이는 유의적인 상 분리가 일어나지 않았음을 의미한다. "유의적인 상 분리가 일어나지 않았음"이란 현재의 측정 기술로 측정할 수 있는 응집이 없다는 것을 의미한다. 현재 이들 기술 중 가장 감도가 높은 것은, 5개 분자 폭 이상의 응집을 측정할 수 있는 싱크로트론 X-선 소스(예를 들어, Brookhaven에서 제조한 것)로 측정하는 것으로 믿어진다. "유의적인 상 분리가 일어나지 않았음" 및 "응집"이란 많은 수의 분자 길이에 상당할 수 있는 분자들의 내부관통 스트링(interpercolating string)의 가능성을 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
혼합 CuPc:C60 필름에 대하여 혼합비를 달리하여 광학 흡수 스펙트럼을 측정하고, 도 8에 나타내었다. 두 개의 CuPc 흡수 피크(620 nm 및 690 nm 주변)의 상대 강도가 혼합비에 따라 변하는 것으로부터, C60 함량이 증가함에 따라 CuPc 분자가 감소된 응집 경향을 나타내는 것으로 나타났다.
단일 CuPc 및 C60층 사이에 혼합 CuPc:C60층이 개재된 유기 광기전력 전지를 조립하여 하이브리드 플래너-혼성 이형접합 광기전력 전지(hybrid planar-mixed heterojunction photovolataic cell)를 형성하고, 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 조사하에 시험하였다. 전지의 광활성 영역은 15 nm CuPc/ 10 nm CuPc:C60 (1:1 중량비)/ 35 nm C60이었다. 전지는 하나의 33 nm 두께의 혼합 광활성층을 갖는 전지와 같이 높은 광전류를 가졌으며, 전하 수집 효율 또한 혼합층이 없는 전지(즉, 플래너 이형접합 전지)에서와 같이 높았다. 최대 전력 전환 효율은 1 내지 4 sun의 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 조사하에서 5.0 %였으며, 이는 상기 혼합층 전지에 대해서 1 내지 4 sun 하에 3.5 %(1 sun 하에 3.6%), 상기 플래너 이형접합부 전지에 대해서는 4 내지 12 sun 하에 4.2 %인 것과 비교가 되는 것이다. 전하 수송 길이에 기반한 모델을 사용하여 광 조사하에 하이브리드 플래너-혼성 이형접합 전지의 전류-전압 특성을 핏팅(fitting)한 결과, 단락 조건 하에 전지에 대한 전하 수송 길이는 40 nm였으며(도 13 참조), 이는 광학 흡수 길이와 동일한 크기이다. 비교하자면, CuPc:PTCBI(3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 비스-벤즈이미다졸) 혼합층의 전하 수송 길이는 5 내지 10 nm 미만으로 추정된다.
여러 실시 태양이 도핑되지 않은 유기층에 대하여 기재되었지만, 소자 또는 층 성능에 유리하게 영향을 주기 위하여 전도도를 증가시키고/증가시키거나 도핑된 유기층의 광 흡수 특성을 변화시키기 위하여 각종 유기층에 도펀트를 가할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1 내지 3에 도시된 실시 태양은 단지 예시의 목적일 뿐이므로 본 발명에 따라 다른 실시 태양이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 억셉터 물질과 도너 물질을 둘 다 포함하는 혼합 유기층뿐만 아니라 단지 억셉터 물질 또는 단지 도너 물질만을 포함하는 인접한 층을 가지며, 이러한 혼합층 및 비혼합층 모두가 광전류에 상당히 기여하는 광기전력 전지라면 어느 것이나 본 발명의 실시 태양의 범주에 들 것이다. 예를 들어, 도 1 내지 3에 도시된 층들의 순서가 바뀔 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 2에서, 광활성층, 즉, 제1 유기층(106 또는 206)과 제2 유기층(108 또는 208)의 위치가 바뀌고, 차단층 등도 적절히 재배치될 수 있다. 차단층, 전하 재결합층 등과 같은 추가의 층들이 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 차단층, 다시 말해, 제3 유기층(114) 또는 제4 유기층(314)을 제거할 수 있고/제거할 수 있거나 추가의 차단층(예를 들어, 제1 유기층(106)과 제2 전극(104) 사이의 차단층)이 존재할 수 있다. 예를 들어, 직렬식(tandem) 태양 전지와 같은 각종 태양 전지 구조가 사용될 수 있다. 구체적으로 기재한 것과 다른 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 소자가 어느 정도 투명하게 되도록 모든 전극이 ITO인 소자가 조립될 수 있다. 또한, 소자를 기판상에 조립한 다음 지지 표면에 부착하여 마지막으로 증착된 전극이 지지 표면에 가장 인접하게 만들 수 있다. 많은 실시 태양이 태양 전지와 관련하여 기재되었지만, 다른 실시 태양을 D-A 이형접합부를 갖는 다른 종류의 감광성 소자, 예를 들어, 광검출기에 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시 태양에 따른 유기 광기전력 전지를 제조하는 방법을 도시하고 있다. 방법은 단계(400)으로부터 시작한다. 단계(402)에서, 제1 유기층을 제1 전극 상에 증착시킬 수 있다. 제1 유기층은 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질을 포함하는 혼합층일 수 있다. 단계(404)에서, 제2 유기층을 제1 유기층 위에 증착시킬 수 있다. 제2 유기층은 제1 유기층의 유기 억셉터 물질 또는 유기 도너 물질 중 어느 하나 만을(둘 다를 포함하지는 않음) 포함하는 비혼합층일 수 있다. 유기층들은 가열 증발(또는 다수의 재료에 있어서는 동시증발) 및 OVPD를 포함하는, 적절한 어느 방법으로나 증착될 수 있다. 단계(406)에서. 제2 전극이 제2 유기층 상에 증착될 수 있다. 방법은 단계(408)에서 종결된다.
본 발명의 하나의 실시 태양에서, 진공하에 함께 증착된 도너-억셉터로서 구리 프탈로시아닌(CuPc):C60 혼합층을 갖는 효율적인 유기 태양 전지가 제공된다. 인듐 주석 산화물/ 330 Å CuPc:C60(1:1)/ 100 Å C60/ 75Å 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP)/ Ag의 구조를 갖는 소자를 조립하였다. 소자는 직렬 저항이 단지 Rs = 0.25 Ω?㎠ 이었으며, 따라서 순방향 바이어스 + 1V에서 전류 밀도가 ~ 1 A/㎠ 이고, ± 1V 에서 정류 비가 106이었다. 시뮬레이션 처리된 태양광 조사 하에(본 명세서에 기재된 시뮬레이션 처리된 태양광 스펙트럼은 모두 AM1.5G 시뮬레이션 처리된 태양광 스펙트럼임), 단락 전류 밀도는 2.4 sun 까지 광 강도에 선형 비례하여 증가하였다. 최대 전력 전환 효율은 0.3 sun에서 ηp = (3.6±0.2)%, 1 sun에서 ηp = (3.5±0.2)% 였다. 강도가 증가함에 따라 점적율 FF가 감소하였지만, 2.4 sun 강도에서 ηp = (3.3±0.2)% 정도의 높은 전력 효율이 얻어졌다.
본 발명의 또 다른 실시 태양에서, 효율이 좋은 유기 태양 전지가 제공된다. 인듐 주석 산화물/ 150 Å CuPc/ 100 Å CuPc:C60(1:1 중량비)/ 350 Å C60/ 100 Å 바쏘큐프로인/ 1,000 Å Ag의 구조를 갖는 소자가 제공된다. 이 광기전력 전지는 1 내지 4 sun의 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 조사하에 (5.0±0.2)%의 최대 전력 효율을 나타냈다.
본 발명의 실시 태양에 의해 달성되는 전력 효율은 유기 태양 전지에 대해서 이전에 얻어진 다른 어떤 값 보다도 높다. 이러한 놀라운 결과는 혼합 유기 광활성층과 연결하여 비혼합 유기 광활성층을 사용한 점, 효율을 염두에 두고 두께를 선택한 점 등을 포함하여, 본 발명 실시 태양의 몇몇 특징들의 상호 작용에 의한 것이다. 본 발명의 실시 태양은 2 %, 3.5 %, 5 % 또는 그 이상의 전력 효율이 가능하다. 본 발명에 따라서 소자를 좀 더 세밀화하고 적정화시키면 더 높은 전력 효율도 달성할 수 있을 것이다.
혼합층의 두께를 선택함에 있어서 고려하여야 할 변수는, 전기장 하에 혼합층 중에서 전자 또는 정공이 재결합되기 전에 이동하는 평균 거리라 할 수 있는, 특징적 전하 수송 길이 L이다. 혼합층의 두께가 너무 두꺼우면 많은 전하 캐리어가 광전류 생성에 기여하지 못하고 재결합될 것이다. 따라서, 혼합층의 두께를 선택할 때는, 두꺼운 층이 광자를 많이 흡수할 수 있는 반면 얇은 층은 재결합을 피할 수 있다는 점 등을 포함하는 몇몇 인자들을 잘 조정하여 선택하여야 한다. 혼합층의 두께는 약 0.8 특징적 전하 수송 길이 이하, 보다 바람직하게는 약 0.3 특징적 전하 수송 길이 이하이다. CuPc:C60 (1:1)혼합층을 사용하는 몇몇 구체적인 실시 태양에서, 혼합층의 특징적 전하 수송 길이는 약 45 nm이다. 두께가 330 Å 및 100 Å인 혼합층을 갖는 소자에서 탁월한 효율이 얻어졌다.
문헌[Hiromoto, Three-layered organic solar cell with a photoactive interlayer of codeposited pigments, Appl. Phys. Lett. 58(10) (1991)]의 도 1에 개시된 소자는 특징적 전하 수송 길이가 약 40 nm인 혼합층을 가지며, 층 두께는 약 1 특징적 전하 수송 길이이다. 따라서, 그 소자의 혼합층 내에서 일어나는 재결합이 부분적으로는 소자의 낮은 효율의 원인이 될 수 있을 것이다.
각종 구조의 MPc:C60 혼합 소자의 광기전력 특성이 하기 표 2에 요약되어 있다.
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상기 표에서, P0는 입사광 강도이고, JSC는 단락 전류 밀도이며, VOC는 개방 회로 전압이고, FF는 점적율이고, ηp는 전력 전환 효율이며, MPP는 N,N'-디메틸-3,4:9,10-페릴렌 비스(디카르복사미드)이고, m-MTDATA는 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민이다.
가장 간단한 ITO/ 370 Å CuPc:C60/ 75 Å BCP/ Ag 혼합 구조는 1 sun 에서 큰 값의 Jsc = (12.0±0.6)mA/㎠ 를 보였으며, 이는 동일한 조합의 억셉터와 도너 물질을 사용한 적정화된 이중층 소자에 비교되는 것이다[참조: Xue et al., Appl. Phys. Lett., 84, 3013(2004)]. 그러나, 이 소자에서 ηp = (2.8±0.1)%는 적정화된 이중층 소자에서보다는 작은데, 이는 점적율이 FF < 0.5 로서 이중층 소자의 FF ~ 0.6 보다 감소된 것이기 때문이다[참조: 상기 Xue et al.의 문헌]. CuPc:C60 층과 BCP층 사이에 얇은(100 Å) C60층을 사용함으로써 Jsc 및 ηp가 추가로 개선된다. 반사성 금속 캐소드로부터 활성 영역을 더 멀리 떼어놓음으로써, 추가의 C60층이 D-A계면에 증가된 광학장을 제공한다[참조: Peumans et al., J. Appl. Phys., 93, 3693(2003)]. 적정화된 330 Å 두께의 CuPc:C60 혼합층을 가지는 소자는 1 sun에서 Jsc = (15.2±0.7)mA/㎠ 및 ηp = (3.5±0.2)% 였다. 이 경우, Jsc는 1 sun에서 이중층 소자의 Jsc보다 약 20% 큰 것이고, ηp 는 1 sun에서 이중층 소자의 ηp와 대략 동일한 것이다.
실험 및 계산
유리 기판 상에 예비 코팅된 1,300 Å 두께의 인듐 주석 산화물(ITO)층 상에 광기전력 소자를 조립하였다. 증착시키기 전에, 용액으로 세정된 ITO 표면을 자외선/O3에 노출시켰다. 유기 공급원 물질, 즉 CuPc, C60 및 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP)을 문헌[Forrest, Chem. Rev. 97, 1973(1997)]에 기재된 바와 같이, 사용 전 가열 구배 승화에 의해 정제하였다. 필름 두께 및 증착 속도를 측정하기 위하여 모든 유기 물질을 석영 결정 모니터를 사용하여 고진공(< 10-6 Torr)에서 가열 증발시켰다. 달리 언급이 없는 한, 두께 모니터를 사용하여 측정되는 중량%에 기초한 CuPc:C60 혼합비는 1:1로 고정된다. Ag 캐소드는 1 mm 직경의 개구를 갖는 금속 셰도우 마스크를 통하여 증발시켰다. 전류 밀도-전압(J-V) 특성은 암소에서 및 필터링된 Xe 아크 램프 공급원으로부터의 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 스펙트럼 조사 하에 측정하였다. 조사 강도는 보정된 전력계를 사용하여 측정하였다.
도 5는 소자의 에너지 준위 다이아그램이다. 단일 D-A 혼합 필름은 효율적인 엑시톤 분리뿐만 아니라 전자와 정공이 접촉부로 이동되도록 한다. BCP 상에 Ag 전극을 증착함으로써, 정공과 엑시톤의 수송은 유효하게 차단하면서 전자를 C60으로부터 금속 캐소드로 효율적으로 수송하는 결함 상태가 생성된다. 애노드에서는, CuPc:C60 혼합층이 미리 세정한 ITO 표면상으로 직접 증착되었다.
도 6은 ITO/ 330 Å CuPc:C60/ 100 Å C60/ 75 Å BCP/ Ag의 구조를 갖는 하이브리드 소자의, 암소 및 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 스펙트럼의 여러 조사 강도 하의 전류 밀도-전압(J-V) 특성을 보여준다. 구체적으로, 암소에서 및 0.01 sun, 0.03 sun, 0.08 sun, 0.3 sun, 0.9 sun 및 2.4 sun 강도 하에서의 J-V 특성을 보여준다. 암소에서의 J-V 특성은 ± 1 V에서 ~ 106의 정류 비, +1 V에서의 순방향 전류 >1 A/㎠를 보여주며, 이는 수정된 이상적 다이오드 방정식[Xue et al., Appl. Phys. Lett.84, 3013(2004)]에 따라 J-V 특성을 핏팅할 때 얻어지는 바와 같은 낮은 직렬 저항 Rs = 0.25 Ω?㎠ 을 나타낸다.
도 7은 도 6과 관련하여 기재한 소자의 추가의 광기전력 특성을 보여준다. Jsc는 입사광 강도(P0)에 선형 비례하여 증가하며, 반응도는 (0.15±0.07)A/W이다. 또한, P0가 증가함에 따라 Voc는 증가하고 FF는 감소한다. 결과적으로, 0.01 내지 2.4 sun 사이의 모든 광 강도에서 ηp는 거의 일정하며, 0.3 sun 조사하에 최대 ηp = (3.6±0.2)% 이고, Jsc = (4.2±0.1)mA/㎠, Voc = 0.47 V, FF = 0.49이다. 보다 높은 강도에서는 FF가 0.42까지 감소하여, 2.4 sun에서 ηp = (3.3±0.2)%가 된다.
Rs는 높은 강도에서는 J-V 특성에 영향을 줄 수 있지만, 혼합 소자에 대한 작은 Rs = 0.25 Ω?㎠ 는 2.4 sun에서 단지 JscㆍRs = 10 mV의 단락 조건하에 전압 강하를 일으킨다. 이러한 전압 강하는 다시 이상적인 소자(Rs = 0 Ω?㎠)와 비교할 때 0.1 % 보다 작게 ηp를 감소시키는 것으로 추정된다. ZnPc:C60 혼합층 구조를 사용한 최근 결과 보고[D. Gebehu et al., Solar Energy Mater. Solar Cells, 79, 81(2003)] 및 표 2의 ZnPc 구조는 낮은(~1/10 sun) 강도에서는 혼합층을 갖는 몇몇소자에 유사한 광기전력 특성과 함께 비교할 만한 ηp를 나타내나, 1 sun에서는 Jsc와 FF의 상당한 감소를 보이면서 더 작은 ηp를 나타낸다. 이러한 ηp의 감소는 상기 소자의 큰 Rs (40 내지 60 Ω?㎠)에 기인할 수 있다.
최근에, 비록 효율은 본 명세서에 기재된 것에 비해 약 3배 정도 낮지만. 표 2에 기재된 것과 유사한 구조가 보고된 바 있다[Sullivan et al., Appl. Phys. Lett. 84, 1210(2004)]. 또한, 층이 접촉 증착 중에 유도된 "손상 두께"에 일단 다다르면 효율이 차단(BCP)층 두께에 따라 지수적으로 감소한다는 것이 보고된 바 있다[Peumans et al., J. Appl. Phys., 93, 3693]. 설리반(Sullivan)의 BCP층은 120 Å으로, 손상 두께를 명백히 초과한다. 또한, PV 전지 효율을 측정함에 있어서 물질 순도가 극히 중요하다는 것이 밝혀졌다. 본 발명자에 의해 조립되고 본 명세서에 기재된 소자에 있어서, 모든 물질 공급원은 소자 조립에 사용되기 전에 적어도 3회 승화시킨 것이다.
도 8은 ITO 상에 증착된 각종 혼합비의 CuPc:C60 필름의 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 혼합된 필름 중의 CuPc의 농도는 (a) 100 % (CuPc 단일층), (b) 62 %, (c) 40 %, (d) 33 %, 및 (e) 21 % 이다. 순수한 CuPc 필름은 620 nm 및 695 nm에 중심을 갖는 두 개의 피크를 갖는다. 보다 긴 파장에서의 피크는 분자상 프렌켈(Frenkel) 엑시톤 생성에 기인한 것인 반면, 보다 짧은 파장에서의 특징은 CuPc 응집물의 형성에 기여한다. 보다 긴 파장에서의 피크는 가스상 또는 희석 용액 중에서 우세하다. 도 8은 보다 긴 파장에서의 피크의 크기가 C60 함량이 증가함에 따라 증가한다는 것을 보여준다. 따라서, CuPc 분자는 C60 함량이 증가할수록 응집하려는 경향이 낮아진다. 이는, C60 농도의 증가가 CuPc 응집을 억제함으로써 혼합 필름 중 정공의 수송을 감소시켜, 아마도 낮은 캐리어 수집 효율을 나타내게 하는 것임을 암시한다. 이러한 현상은 CuPc:C60 (1:2) 혼합층 PV 전지에서의 감소된 전력 효율(ηp = (2.6±0.1)%, 도 2 참조)에도 반영되어 있다. 그러나, 1:1 농도에서는, 낮은 저항으로 정공을 수송하기에 충분한 CuPc 분자의 응집이 일어나고(나거나) CuPc "스트링" 또는 관통 경로가 형성될 수 있다. 보다 고도로 대칭적인 C60 분자는 또한 캐소드로의 효율적인 전자 수송을 위한 관통 경로를 형성할 수 있다. 현재로서는, 1.2:1(중량비) CuPc:C60가 가장 바람직한 것으로 생각되나, 물론 다른 농도도 사용될 수 있다.
도 9는 도 6과 관련하여 제시된 소자에 대하여 여러 광 강도 하에서의 정규화된 광전류-전압 특성을 도시하고 있다. 전류 밀도는 암전류를 제한 다음 AM 1.5G 광 강도로 나누어 정규화하였다. 도 9는 또한 이중층 및 혼합층 소자에 대하여 제안된 광기전력 과정을 보여준다. 이중층 소자(910)에서, 광-생성된 엑시톤은 D-A 계면으로 이동하고(①), 여기서 빌트-인 소모 영역(built-in depletion region)에서 전하 캐리어로 분리되고(②), 캐리어 농도 구배에 의해 보조되는 확산에 의해 중성 영역을 완전히 통과한다(③). 혼합층 소자(920)에서는, 엑시톤이 D-A 계면에서 전하 캐리어로 즉시 분리된다(④). 전하 캐리어는 이어서 빌트-인 전기장 하에 드리프팅에 의해 전극쪽으로 진행하며(⑤), 이때 재결합에 기인하여 얼마간의 손실이 생긴다(⑥).
이중층 전지에서, 광자가 D-A 표면으로부터 너무 멀리 떨어진 곳에서 흡수되는 경우 광전류에 기여하지 못할 수 있다. "너무 멀리 떨어진" 거리란 엑시톤 확산 길이(LD)와 관련된 것이다. 이중층 소자의 외부 양자 효율(ηEQE) 및 흡수 효율은 D-A 접합으로의 엑시톤 확산 효율(ηED)에 의해 제한된다. 한편, 혼합층 소자에서 ηED는 높은데(~ 100%), 이는 모든 엑시톤이 D-A 분자 커플에서 생성되어 쉽게 분리하기 때문이다. 이러한 사실은 혼합층 소자가 유기 박막의 작은 LD 특성에 구애받지 않는다는 것을 시사한다. 따라서, 1 sun에서 혼합층 소자의 Jsc = 15.4 mA/㎠는 적정화 이중층 소자의 Jsc = 11.3 mA/㎠보다 크다[참조: Xue et al., Appl. Phys. Lett., 84, 3013(2004)]. 그러나, 혼합층 소자는 J-V 특성에 있어서 전기장 의존도가 크므로(도 9 참조), FF가 보다 작고, 따라서 전력 전환 효율도 이중층 소자보다 낮다.
혼합층 소자에서는 혼합층의 높은 저항으로 인해 엑시톤 분리 부위로부터 멀리 떨어진 곳에서 전하가 분리되기가 어렵기 때문에 전자-정공 재결합이 일어나기가 보다 쉬울 수 있다. 그러나, 도 9에 제시된 상이한 조사 강도에서의 J-V 특성에 따르면, 높은 강도(결과적으로 높은 캐리어 농도)에서 조차 정규화된 광전류가 상당하게 감소되지는 않으므로, 혼합층 내에서 광생성된 캐리어의 이분자 결합은 상당한 정도로 일어나는 것은 아닌 것으로 보인다. 캐리어 생성이 혼합층 전체를 통해 일어나므로 캐리어 농도 구배는 매우 작으며, 이는 총 전류에 대한 확산 부분도 작다는 것을 의미한다. 따라서, 혼합층 내에서의 전류는 주로 드리프팅에 의해 구동되며, 인가된 전기장에 의해 강하게 영향받을 수 있다(도 9의 소자(920) 참조). 한편, 이중층 소자에 있어서, D-A 계면에서 광생성된 캐리어는 중성 영역을 통해 확산된다(도 9의 소자(910) 참조). 이러한 과정은 D-A 계면에서 전극에 이르는 큰 전하 농도 구배에 의해 도움을 받으므로, 전기장 의존도는 비교적 작다.
ITO/ 150 Å CuPc/ 100 Å CuPc:C60(1:1 중량비)/ 350 Å C60/ 100 Å 바쏘큐프로인/ 1,000 Å Ag의 구조를 갖는 다른 하이브리드 광기전력 전지를 조립하였다. 이 광기전력 전지는 시뮬레이션 처리된 AM1.5G 태양광 조사 시에 1 내지 4 sun에서 최대 전력 효율이 (5.0±0.2)% 였다.
소자는 다음과 같이 조립되었다: 시트 저항이 15Ω/sq인 ~ 1,500 Å 두께의 투명 전도성 ITO 애노드로 예비 코팅된 유리 기판 (콜로라도주 80301, 보울더 소재, Applied Film Corp.으로부터 구입함)상에 유기 하이브리드 HJ PV 전지를 조립하였다. 기판은 문헌[Burrows et al., J. Appl. Phys. 79, 7991(1996)]에 기재된 바와 같이 용매 중에서 세정하였다. 이어서, 기판을 UV-오존으로 5분간 처리하였다[참조: Xue et al., J. Appl. Phys., 95, 1869(2004)]. 유기층과 금속 캐소드를 베이스 압력이 ~ 2×10-7 Torr인 고진공 챔버 내에서 가열 증발에 의해 증착시켰다. ITO 애노드 상에 CuPc층을 증착시키고, 이어서 균질하게 혼합된 CuPc:C60 (1:1 중량비)층을 함께 증착시킨 후, C60층을 증착시켰다. 유기층의 두께가 상이한 다양한 소자를 조립하였다. CuPc층의 두께 dD는 약 50 내지 200 Å 사이에서 다양하였다. 함께 증착된, 균질하게 혼합된 CuPc:C60 (1:1 중량비)층의 두께 dm은 0 내지 300 Å 사이에서 다양하였다. C60층의 두께 dA는 250 내지 400 Å 사이에서 다양하였다. C60층을 증착시킨 후에, 100 Å 두께의 BCP로 된 엑시톤 차단층을 증착하였다. 최종적으로, 1,000 Å 두께의 Ag 캐소드를 1 mm 직경의 개구가 있는 셰도우 마스크를 통해 증발시켰다. dm이 0 보다 큰 소자는 소자(1010)로 도시한 것과 같은데, 즉 제3 유기층(310)이 CuPc이고, 제1 유기층(306)이 CuPc와 C60의 혼합물이고, 제2 유기층(308)이 C60이고, 제4 유기층(314)이 BCP인, 도 3의 소자와 유사하다.
25 ℃, 암소에서 및 150 W Xe-아크 램프(Oriel Instruments)로부터 시뮬레이션 처리된 AM1.5G태양광 조사하의 PV 전지의 전류-전압 특성을 HP4155 B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 측정하였다. 조사 강도를 중성 밀도 필터를 사용하여 변화시키고, 보정된 광역 광학 전력계(Oriel Instruments 제품)를 사용하여 측정하였다. 외부 양자 효율을 측정하기 위하여 단색 광선을 사용하였는데, 이는 Xe-아크 램프로부터의 백색광을 0.3 m 모노크로미터(Acton Research SpectraPro-300i)를 통과시켜 생성되었으며, 그 강도는 보정된 Si 광검출기(Newport 818-UV)를 사용하여 측정하였다. 쵸핑(chopping) 주파수를 400 Hz로 하여, 광전류를 록-인(lock-in) 증폭기(Stanford Research SR830)을 사용하여 입사광의 파장과 인가된 전압의 함수로서 측정하였다.
도 10은 플래너 HJ 전지(dD = 200 Å, dA = 400 Å, dm = 0)와 하이브리드 HJ 전지(dD = 100 Å, dm = 200 Å, dA = 300 Å)에 대하여 암소에서의 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성을 보여준다. 두 전지 모두 ±1 V에서의 정류 비율이 > 106이고, 션트 저항(shunt resistance)이 > 1MΩㆍ㎠이었다. 순방향 바이어스 특성은 하기 수학식 1의 수정된 다이오드 방정식을 사용하여 핏팅될 수 있다:
Figure 112006082062019-pct00003
상기 식에서, JS는 역-바이어스 포화 전류 밀도이고, n은 이상(ideality) 인자이며, RS는 직렬 저항이고, q는 전자 전하량이며, k는 볼츠만(Bolzmann's) 상수이고, T는 온도이다. 두 전지에 대해서 RS는 약 0.25 Ωㆍ㎠으로 대략 동일한 반면, n은 플래너 HJ 전지에 대하여 1.94±0.08로부터 하이브리드 HJ 전지에 대하여 1.48±0.05로 감소되고, JS 또한 플래너 HJ 전지에 대하여 (4±1)×10-7 A/㎠에서 하이브리드 HJ 전지에 대하여 (1.0±0.3)×10-8 A/㎠으로 감소하였다.
도 11은 dD = dA - 200 Å = 200 Å - dm/2인 하이브리드 HJ 전지에 대하여, 혼합층 두께 dm에 대한 n 및 JS의 의존도를 도시하고 있다. dm이 증가함에 따라, n(속이 빈 원) 및 JS(속이 채워진 사각형)는 dm ≤ 100 Å 인 경우에는 상당히 감소하고, dm이≥ 100 Å 인 경우에는 포화되는 경향을 보인다.
혼합층을 갖는 전지에 있어서 n 및 JS가 낮은 것은 이들 전지의 소모 영역에서 재결합 전류의 감소에 기인하는 것일 수 있다. 플래너 HJ 전지에 있어서는, CuPc/C60 계면에서 최대로 채워지고 최소로 비워진 분자 궤도(각각 HOMO 및 LUMO)의 에너지 오프셋(약 1 eV)이 크기 때문에, 확산-방출 전류는 무시될 수 있다. 따라서, 암전류는 혼합층 전체와 혼합층과 접촉되어 있는 비혼합 광활성층의 일부를 포함하는 소모 영역에서의 재결합 전류에 의한 것으로, n은 약 2이다. 샤클리-홀-리드(Shockley-Hall-Read) 재결합 모델에 따라서, 재결합 전류에 대한 JS는 하기 수학식 2로 표현될 수 있다:
Figure 112006082062019-pct00004
상기 식에서, ni는 고유 전자/정공 농도이고, W'는 유효 소모 폭이며, τ = 1/(Ntσvth)는 초과 캐리어 수명이고, Nt는 재결합 중심의 총 밀도이며, σ는 전자/정공 포획 단면적이고, vth는 캐리어 열 속도이다. 전하 캐리어가 호핑(hopping) 과정에 의해 수송되는 정렬되지 않은 반도체에 있어서, 문헌[Paasch et al., Synth. Met. 132, 97(2002)]은 μ< 1 ㎠/Vㆍs에 대해 vth ∝ μ1.1(여기서, μ는 캐리어 이동도임)임을 보여주었다. 따라서, 혼합층에서 JS의 감소는 비혼합층과 비교할 때 혼합층에서의 감소된 μ의 결과일 수 있다. 재결합 전류가 많이 감소됨에 따라, 확산 -방출 전류의 암 전류에 대한 기여도는 커져서, 혼합층을 갖는 전지에 있어서 1 < n < 2 이다. 플래너 HJ 전지 및 dm이 200 Å 이상인 하이브리드 HJ 전지에 대한 JS를 비교한 결과, CuPc에서의 정공 이동도 및 C60에서의 전자 이동도는 CuPc와 C60을 1:1 중량비로 혼합함으로써 크기가 약 1.5배 정도 감소된 것으로 추론할 수 있다.
도 12는 두께가 0 Å ≤ dm ≤300 Å인 혼합층이 있는 전지에 대해서 조사 강도 P0 = 120 mW/㎠에서의 광전류 밀도 JPH를 도시하고 있다. dD = 200 Å - dm/2이고, dA = 400 Å - dm/2이다. 0 V(단락, 채워진 사각형)에서, JPH는 dm ≤ 200 Å까지는 dm과 함께 증가하는 반면, dm이 300 Å 까지 증가함에 따라 거의 일정하게 유지된다. - 1V의 바이어스를 인가하였을 때(속이 빈 원), JPH는, 특히 보다 두꺼 운 혼합층을 갖는 전지에 있어서 상당히 증가하였다. 플래너 HJ 전지에 있어서, 이러한 현상은 장의 도움을 받아 엑시톤이 D-A 계면으로부터 떨어진 곳에서 분리되는 점에 기인할 수 있다. 그러나, 하이브리드 HJ 전지, 특히 두꺼운(dm ≥ 150 Å) 혼합층을 갖는 전지에 있어서, JPH의 상당한 증가는 혼합층의 불량한 수송 특성과도 직접 연관되는 혼합층 내 증가된 전기장에 기인하여 전하 수집 효율(ηCC, 또는 전극에 수집되는 광생성된 전하의 분율)이 증가하기 때문일 것이다.
광학적 간섭 효과와 엑시톤 확산을 둘 다 고려한 것인, 문헌[Peumans et al., J. Appl. Phys. 93, 3693(2003)]에 기재된 모델을 기초로 하여, 혼합층 내에서 엑시톤 완전히 분리되고 이상적인 전하 수집(ηCC = 1)이 일어난다는 가정하에,하이브리드 HJ 전지의 JPH 는 혼합층 두께의 함수로서 시뮬레이션 처리될 수 있다. 도 12에서 실선(1210)에 의해 도시된 바와 같이, CuPc 및 C60에서 각각 70 Å 및 300 Å의 엑시톤 확산 길이를 사용했을 때, 모델 예상 값은 -1 V에서의 실험 데이터와 적절하게 일치한다. dm ≤ 150 Å 에서의 차이는 실선(1210)을 생성하는데 사용된 모델에서는 고려하지 않은, 혼합층내 장-보조된 엑시톤 분리에 기인하는 것일 수 있다.
하이브리드 HJ 전지에서 ηCC의 한계를 설명하기 위하여, 혼합층/C60(또는 CuPc) 비혼합층 계면으로부터 거리 x 만큼 떨어져 있는 혼합층 내의 전자(또는 정공)가 혼합층/비혼합층 계면(여기에서, 전자 또는 정공이 비혼합층을 통해 수송되 어 전극에 수집됨)에 다다르는 확률을 P(x) = exp(-x/L)로 가정한 모델을 이용할 수 있다. L은 특징적 전하 수송 길이이다. 전체 전하 수집 효율은 하기 수학식 2으로 표시할 수 있다:
Figure 112006082062019-pct00005
상기 식에서, p(x)는 정공 농도이다. 광전류 JPH는 ηCC에 전 단락에서 기재하고 실선(1210)(ηCC = 1에 해당)을 생성하는데 사용된 모델로부터의 결과를 곱하여 얻어질 수 있다. 이 단락에 기재된 모델을 사용하여 0 V에서 JPH의 실험 데이터를 핏팅하여 파선(1220)을 얻고, 특징적 전하 수송 길이 L = 450 Å ± 50 Å을 얻었다.
특징적 전하 수송 길이 L은 전자 또는 정공이 혼합층 내에서 전기장 하에 재결합되기전 까지 이동하는 평균 거리로 간주될 수 있다. L은 하기 수학식 4로 표현될 수 있다:
Figure 112006082062019-pct00006
상기 식에서, τ는 캐리어 수명이고, μ는 캐리어 이동도이며, Vbi는 빌트-인 전위이고, W는 소모 폭이며, L0 = τμVbi/W = L(V=0)이다. W가 바이어스 전압에 따라 상당하게 변화하지 않는 경우, 등식화가 이루어진다. 전하 수집 효율 ηCC는 L의 전압 의존성을 통해 하기 수학식의 V 함수로서 표현될 수 있다:
Figure 112006082062019-pct00007
상기 식에서, R0는 ηCC = 1에 해당하는 반응도이다. 총 전류 밀도는 JPH와 수학식 1에 의한 암전류 밀도의 합이다. 도 13은 dm = 200 Å인 하이브리드 HJ 전지에 있어서 다양한 P0에서의 실험적 J-V 특성치를 보여준다. 암전류 분석으로 부터의 Js, n 및 Rs에 대한 결과 및 Vbi = 0.6V 를 사용하여, -1 V < V < 0.6 V에서의 데이터를 핏팅하여 L0 = 400 Å ± 50 Å 및 R0 = (0.22±0.02) A/W를 계산할 수 있다. 얻어진 L0는 단락 전류 밀도 상의 핏팅 결과와 일치하였다.
도 14는 플래너 HJ 전지(실선)와 dm = 200 Å인 하이브리드 HJ 전지(파선)의 흡수 스펙트럼을 보여준다. 흡수 효율 ηA = 1 - R 이고, R은 유기층의 상부에 Ag 캐소드가 있는 유리 기판(구조 1410)을 통한 입사광의 반사율을 나타낸다. 이들 두 소자에 대한 흡수 스펙트럼 상의 약간의 차이는, MCL 및 PCL에서 CuPc의 상이한 응집 상태에 더하여, 상이한 물질 밀도 프로파일과 유기층의 두께를 통한 광학장 강도의 간섭-유도된 비균일 분포에 기인할 수 있다.
도 14는 또한 플래너 HJ 전지(실선) 및 하이브리드 HJ 전지(파선)에 대하여, 0 V에서의 외부 양자 효율 ηext를 보여준다. 하이브리드 HJ 전지는 CuPc의 흡수에 해당하는, 550 nm 내지 750 nm 사이의 스펙트럼 영역에서 훨씬 큰 ηext를 갖는 반면, C60 흡수 영역(380 nm 내지 530 nm)에서는 플래너 HJ 전지에서 보다 약간 낮은 ηA의 결과로서 약간 낮은 ηext를 나타낸다. 따라서, 하이브리드 HJ 전지는 플래너 HJ 전지에 비해 CuPc 흡수 영역에서는 내부 양자 효율 ηint = ηext/ηA이 상당히 증진되는 반면, C60 흡수가 우세한 영역에서는 거의 같다. 이는 플래너 HJ 에서 dD = 200 ~ 2LD, dA = 400 Å ~ LD인 것을 고려할 때, CuPc(LD ~ 100 Å) 및 C60(LD ~ 400 Å)에서의 엑시톤 확산 길이 차이와 일치하는 것이다. 하이브리드 HJ 전지의 양자 효율 및 흡수 스펙트럼 모두가 CuPc 흡수 말단(~ 750nm)을 훨씬 넘어서, 800 nm에서 900 nm에 이르는 장파장 꼬리를 보여준다. 이는 Zn 프탈로시아닌:C60 혼합계에서 관찰된 것과 유사한, CuPc:C60 혼합물 중 전하 이동 상태 흡수에 기인한 것이다[참조: G. Ruani et al., J. Chem. Phys. 116, 1713(2002)].
도 15는 ITO/ CuPc(150 Å)/ CuPc:C60(100 Å, 1:1 중량비)/ C60(350 Å)/BCP (100 Å)/Ag (1,000 Å)의 구조를 갖는 하이브리드 HJ 전지(속이 빈 원)에 대하여, ηP, FF 및 Voc의 조사 강도 의존도를 도시한 것이다. 플래너 HJ 전지[Xue et al., Appl. Phys. Lett., 84, 3013(2004)] (채워진 사각형) 및 도 6의 하이브리드 HJ 전지(채워진 삼각형)에 대해 이미 보고된 결과도 또한 함께 도시하고 있다. 세 전지 모두 실험에 사용된 P0의 전 범위에 걸쳐서 Jsc가 P0에 선형적으로 의존함을 보여주고 있다. 1 sun(= 100 mW/㎠)에서, 플래너, 벌크 및 하이브리드 HJ 전지의 JSC는 각각 (11.8±0.5), (15.5±0.5) 및 (15.0±0.5) mA/㎠이다. 벌크 및 하이브리드 HJ 전지에서 더 높은 광전류가 얻어진 것은 비혼합층에 비하여 혼합층 내에서 보다 유리한 엑시톤 확산의 결과일 수 있다. 하이브리드 HJ 전지는 단지 매우 얇은 혼합층을 사용하였음에도 불구하고, 벌크 HJ 전지와 거의 동일한 JSC를 갖는다. 최고의 강도에서를 제외하면, 세 전지 모두에서 VOC는 PO와 함께 로그적으로 증가하는데, 이는 p-n 접합 이론을 사용하여 설명할 수 있다[Xue et al., Appl. Phys. Lett., 84, 3013(2004)]. log(P0)에 대한 Voc의 상이한 기울기는 이들 다이오드의 이상 인자(플래너 HJ 전지에 대해서는 n ~ 2, 벌크 및 하이브리드 HJ 전지에 대해서는 n ~ 1.5)가 다르기 때문이다.
플래너 HJ 전지는 비혼합층의 낮은 Rs 및 양호한 수송 특성으로 인해 약 0.6의 높은 FF를 갖는다. FF는 벌크 HJ 전지에서, 특히 높은 강도 하에서는 상당히 감소하는데, 예를 들어, 벌크 HJ 전지에서는 1 sun에서 FF = 0.45인 반면 플래너 HJ 전지에서는 FF = 0.62이다. 하이브리드 HJ 전지는 벌크 HJ 구조보다 훨씬 얇은 혼합층 두께(하이브리드 HJ 구조에서 100 Å 대 벌크 HJ 구조에서 330 Å)에서도, P0 ≤ 1 에서 FF ≥ 0.6 를 나타내며, 약 10 sun의 강력한 조사 하에서도 단지 0.53 정도로 약간 감소하는데, 이는 전하 수송 특성이 매우 개선되었다는 것을 나타낸 다.
전체적으로, 하이브리드 HJ 전지는 조사 강도 범위 120 mW/㎠ ≤ P0 ≤ 380 mW/㎠ 에서 최대 효율 ηp = (5.0±0.2)%를 나타낸다(패널(1510) 참조). 조사 강도가 1 sun 미만으로 감소하면 VOC도 감소하여 ηp의 감소가 일어난다. 조사 강도를 4 sun를 초과하여 증가시키는 것 또한 FF의 감소의 결과로서 ηp의 약간의 감소가 일어난다. P0에 대한 Voc 및 FF의 의존도의 이와 같은 상호작용의 결과, 혼합층의 두께를 변화시킴으로써 수 분지 1의 sun 내지 수 sun 사이에서 조정될 수 있는 조사 강도에서 최대 ηp를 구할 수 있다. 하이브리드 HJ 구조 내의 혼합층의 두께가 두꺼우면 FF가 P0에 따라 보다 급격하게 감소함으로써 ηp 피크는 보다 낮은 강도에서 일어나게 된다. 매우 얇은(dm ≤ 50 Å) 혼합층을 갖는 전지에 있어서, 전지의 직렬 저항은 강한 조사시에 FF를 제한하는 요소일 수 있다. 예를 들어, dm = 50 Å인 하이브리드 HJ 전지에 있어서 ηp는 약 4 내지 10 sun의 P0 범위에서 최대값에 이르는 반면, dm = 150 Å인 전지에 있어서는 피크가 0.4 sun ≤ P0 ≤ 1.2 sun에서 나타난다.
본 발명을 특정 실시예 및 바람직한 실시 태양과 관련하여 기재하였지만, 본 발명이 이러한 실시예 및 실시 태양에 한정되는 것이 아님을 이해하여야 한다. 따라서, 청구된 본 발명은 당업자에 자명한 바와 같이 본 명세서에 기재된 특정 실시 예 및 바람직한 실시 태양의 각종 변형을 포함하는 것이다.

Claims (38)

  1. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 광활성 영역
    을 포함하는 소자로서, 상기 광활성 영역은
    소분자 유기 억셉터 물질과 소분자 유기 도너 물질의 혼합물을 포함하며, 두께가 0.8 특징적 전하 수송 길이 이하인 제1 광활성 유기층; 및
    상기 제1 광활성 유기층과 직접 접촉되어 있고, 상기 제1 광활성 유기층의 소분자 유기 억셉터 물질로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 0.1 광학 흡수 길이 이상인 제2 광활성 유기층
    을 더 포함하는 것인 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층의 두께가 0.3 특징적 전하 수송 길이 이하인 소자.
  3. 제1항에 있어서, 전력 효율이 2 % 이상인 소자.
  4. 제1항에 있어서, 전력 효율이 5 % 이상인 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 광활성 유기층의 두께가 0.2 광학 흡수 길이 이상인 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 내의 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 혼합물은 각각 10:1 내지 1:10의 비율로 존재하는 것인 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 및 제2 광활성 유기층은 각각 광활성 소자의 총 에너지 출력의 5 % 이상에 기여하는 것인 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 및 제2 광활성 유기층은 각각 광활성 소자의 총 에너지 출력의 10 % 이상에 기여하는 것인 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 및 제2 광활성 유기층은 각각 광활성 영역에 의해 흡수되는 에너지의 5 % 이상을 흡수하는 것인 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 및 제2 광활성 유기층은 각각 광활성 영역에 의해 흡수되는 에너지의 10 % 이상을 흡수하는 것인 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유기 억셉터 물질은 풀러렌, 퍼릴렌, 카타축합된(catacondensed) 콘쥬게이트 분자계, 피렌, 코로넨 및 이들의 작용화 변형체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유기 도너 물질은 나프탈로시아닌을 포함한, 금속 함유 포르피린, 금속 무함유 포르피린, 루브렌, 금속 함유 프탈로시아닌, 금속 무함유 프탈로시아닌, 디아민, 및 이들의 작용화 변형체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층은 CuPc와 C60의 혼합물로 주구성되는 것인 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 광활성 유기층 사이에 배치된 제1 비광활성층을 더 포함하는 소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 비광활성층은 BCP로 알려진 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린을 포함하는 것인 소자.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 비광활성층이 엑시톤 차단층인 소자.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물로 구성되는 것인 소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 Ag, LiF/Al, Mg:Ag 및 Ca/Al로 구성되는 군으로부터 선택된 금속(들)로 구성되는 것인 소자.
  19. 삭제
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 제1 광활성 유기층과 직접 접촉되어 있는 제3 광활성 유기층을 더 포함하고, 상기 제3 광활성 유기층은 상기 제1 광활성 유기층의 유기 도너 물질로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 0.1 광학 흡수 길이 이상인 것인 소자.
  21. 제1항에 있어서, 직렬식 태양 전지인 소자.
  22. 제1항에 있어서, 태양 전지인 소자.
  23. 제1항에 있어서, 광검출기인 소자.
  24. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 광활성 영역
    을 포함하는 소자로서, 상기 광활성 영역은
    유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질의 균질 혼합물을 포함하며, 두께가 0.8 특징적 전하 수송 길이 이하인 제1 유기층;
    상기 제1 유기층과 직접 접촉되어 있고, 상기 제1 유기층의 유기 억셉터 물질로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 0.1 광학 흡수 길이 이상인 제2 유기층; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 제1 유기층과 직접 접촉되어 있으며, 상기 제1 유기층의 유기 도너 물질로 된 비혼합층을 포함하며, 두께가 0.1 광학 흡수 길이 이상인 제3 유기층
    을 더 포함하는 것인 소자.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 유기층의 두께가 0.3 특징적 전하 수송 길이 이하인 소자.
  26. 제24항에 있어서, 전력 효율이 2 % 이상인 소자.
  27. 제24항에 있어서, 전력 효율이 5 % 이상인 소자.
  28. 제24항에 있어서, 상기 제2 유기층의 두께가 0.2 광학 흡수 길이 이상인 소자.
  29. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 유기 광활성 영역
    을 포함하는 태양 전지로서, 상기 광활성 영역은 2종의 유기 물질의 혼합물로 구성되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 직렬 저항은 0.25 Ω?㎠ ± 0.15 Ω?㎠ 의 범위인 것인 태양 전지.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 내의 유기 억셉터 물질과 유기 도너 물질 사이에 상 분리가 일어나지 않는 것인 소자.
  33. 제1항에 있어서, 상기 제2 광활성 유기층의 맞은편인 제1 광활성 유기층의 한 면은 제2 전극과 직접 접촉되어 있는 것인 소자.
  34. 제1항에 있어서, 상기 제1 광활성 유기층 내의 소분자 유기 억셉터 물질과 소분자 유기 도너 물질의 혼합물은 균질한 것인 소자.
  35. 제11항에 있어서, 상기 카타축합된 콘쥬게이트 분자계는 선형 폴리아센을 포함하는 것인 소자.
  36. 제24항에 있어서, 상기 유기 억셉터 물질 및 유기 도너 물질은 소분자 물질인 소자.
  37. 제1항에 있어서, 상기 제2 광활성 유기층은 제1 광활성 유기층과 제2 전극 사이에 배치된 것인 소자.
  38. 제1항에 있어서, 상기 제2 광활성 유기층과 제2 전극 사이에 배치된 비광활성 유기층을 더 포함하는 것인 소자.
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US10/822,774 2004-04-13
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US10/910,371 US8586967B2 (en) 2004-04-13 2004-08-04 High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions
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Families Citing this family (55)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6657378B2 (en) * 2001-09-06 2003-12-02 The Trustees Of Princeton University Organic photovoltaic devices
US8586967B2 (en) * 2004-04-13 2013-11-19 The Trustees Of Princeton University High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions
US7375370B2 (en) * 2004-08-05 2008-05-20 The Trustees Of Princeton University Stacked organic photosensitive devices
BRPI0516786A (pt) 2004-11-24 2008-09-23 Univ Princeton dispositivo optoeletrÈnico fotosensìvel orgánico tendo uma camada bloqueadora de éxcitons de fenantrolina
CN101133499B (zh) * 2005-03-04 2010-06-16 松下电工株式会社 多层有机太阳能电池
JP5023456B2 (ja) * 2005-03-28 2012-09-12 大日本印刷株式会社 有機薄膜太陽電池素子
JP4911445B2 (ja) * 2005-06-29 2012-04-04 富士フイルム株式会社 有機と無機のハイブリッド光電変換素子
EP1938400A1 (en) * 2005-09-30 2008-07-02 The Trustees of Princeton University High mobility high efficiency organic films based on pure organic materials
US8013240B2 (en) 2005-11-02 2011-09-06 The Trustees Of Princeton University Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer
US7947897B2 (en) * 2005-11-02 2011-05-24 The Trustees Of Princeton University Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer
US8017863B2 (en) * 2005-11-02 2011-09-13 The Regents Of The University Of Michigan Polymer wrapped carbon nanotube near-infrared photoactive devices
KR20080095288A (ko) * 2006-02-13 2008-10-28 솔렉슨트 코포레이션 나노구조의 층을 가진 광기전 장치
TW200802903A (en) * 2006-02-16 2008-01-01 Solexant Corp Nanoparticle sensitized nanostructured solar cells
WO2007098451A1 (en) * 2006-02-17 2007-08-30 Solexant Corporation Nanostructured electroluminescent device and display
JP4872051B2 (ja) * 2006-03-20 2012-02-08 パナソニック電工株式会社 有機薄膜太陽電池
KR20080111488A (ko) * 2006-03-23 2008-12-23 솔렉슨트 코포레이션 나노입자 감응형 탄소 나노튜브를 함유하는 광기전 장치
DE102006013776A1 (de) * 2006-03-24 2007-09-27 Siemens Ag Anzeigevorrichtung zur Laserdetektion
US20070272918A1 (en) * 2006-05-25 2007-11-29 Barry Rand Organic photosensitive devices using subphthalocyanine compounds
US7638356B2 (en) * 2006-07-11 2009-12-29 The Trustees Of Princeton University Controlled growth of larger heterojunction interface area for organic photosensitive devices
US11031567B2 (en) 2006-07-11 2021-06-08 The Regents Of The University Of Michigan Efficient solar cells using all-organic nanocrystalline networks
US8987589B2 (en) * 2006-07-14 2015-03-24 The Regents Of The University Of Michigan Architectures and criteria for the design of high efficiency organic photovoltaic cells
JP4853779B2 (ja) * 2006-08-01 2012-01-11 独立行政法人産業技術総合研究所 有機薄膜太陽電池
WO2008140601A1 (en) * 2006-12-06 2008-11-20 Solexant Corporation Nanophotovoltaic device with improved quantum efficiency
US8952247B2 (en) * 2007-07-09 2015-02-10 Mitsubishi Chemical Corporation Photoelectric converter and solar cell using the same
JP5011032B2 (ja) * 2007-08-29 2012-08-29 国立大学法人京都大学 光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池
GB0718010D0 (en) * 2007-09-14 2007-10-24 Molecular Vision Ltd Photovoltaic device
GB0718011D0 (en) * 2007-09-14 2007-10-24 Molecular Vision Ltd Photovoltaic device
AU2007224388B8 (en) * 2007-09-28 2014-12-11 The Regents Of The University Of Michigan Organic photosensitive optoelectronic devices with near-infrared sensitivity
JP4951497B2 (ja) * 2007-12-27 2012-06-13 株式会社日立製作所 有機薄膜太陽電池およびその製造方法
JP2009158734A (ja) * 2007-12-27 2009-07-16 Hitachi Ltd 光電変換素子
KR20090097463A (ko) * 2008-03-11 2009-09-16 삼성전자주식회사 유기 광전 변환막 및 이를 구비하는 광전 변환 소자
US20110049367A1 (en) * 2008-03-19 2011-03-03 Stephen Forrest Organic thin films for infrared detection
KR20110074522A (ko) * 2008-09-19 2011-06-30 바스프 에스이 유기 태양 전지에서의 디벤조테트라페닐페리플란텐의 용도
JP5276972B2 (ja) * 2008-12-24 2013-08-28 株式会社日立製作所 光電変換素子
US20120012183A1 (en) * 2009-03-31 2012-01-19 Lintec Corporation Organic thin-film solar cell and method of producing same
JP2012528101A (ja) * 2009-05-26 2012-11-12 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア アリール又はヘタリール置換基を有するフタロシアニン化合物を、有機太陽電池で用いる使用
EP2567420A2 (en) * 2010-05-05 2013-03-13 The Regents of the University of Michigan Method of improving exciton dissociation at organic donor-acceptor heterojunctions
TWI414073B (zh) * 2010-07-20 2013-11-01 Cesi Ct Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta S P A 高轉換效率光伏電池
JP5323025B2 (ja) * 2010-10-26 2013-10-23 富士フイルム株式会社 固体撮像素子
JP5805394B2 (ja) * 2011-01-04 2015-11-04 公立大学法人 滋賀県立大学 有機薄膜太陽電池の製造方法
RU2469440C2 (ru) * 2011-02-07 2012-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток
CN102694123B (zh) * 2011-03-22 2017-12-26 中国科学院长春应用化学研究所 有机半导体微纳米晶阵列、制法及其在光伏电池中的应用
JP5395842B2 (ja) * 2011-04-12 2014-01-22 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 真空蒸着成膜方法、真空蒸着成膜システム、結晶性真空蒸着膜
US9508945B2 (en) * 2012-06-27 2016-11-29 Regents Of The University Of Minnesota Spectrally tunable broadband organic photodetectors
CN105051929A (zh) * 2012-11-22 2015-11-11 密歇根大学董事会 有机光伏器件的杂化平面混合异质结
US9478763B2 (en) * 2014-04-04 2016-10-25 Seiko Epson Corporation Light emitting element, light emitting device, display apparatus, and electronic equipment having a light emitting layer with host and assist dopant materials with different electron and hole transportation properties
KR102309883B1 (ko) 2014-08-29 2021-10-06 삼성전자주식회사 광전 변환 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서
KR102299363B1 (ko) 2014-09-26 2021-09-08 삼성전자주식회사 축합환 화합물 및 이를 포함한 유기 발광 소자
RU2592743C1 (ru) * 2015-03-30 2016-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Фотоэлектрический преобразователь энергии на основе комплексов фталоцианинов и их аналогов
CN105152122B (zh) * 2015-06-25 2017-06-23 北京科技大学 一种无机/有机半导体纳米复合结构及其制备方法和应用
JP6758076B2 (ja) * 2016-04-20 2020-09-23 浜松ホトニクス株式会社 有機光電変換素子及びその製造方法
EP4173052A1 (en) * 2020-07-02 2023-05-03 Avicenatech Corp. Cmos-compatible short wavelength photodetectors
CN116457943A (zh) 2020-10-08 2023-07-18 艾维森纳科技有限公司 Oe装置与ic的集成
CN112687809B (zh) * 2020-12-29 2022-04-15 电子科技大学 一种碲化锑光电探测器件及其制备方法
CN113540356B (zh) * 2021-06-08 2024-04-05 中国科学院大学 一种对于近红外光具有高探测率的自驱动有机光电探测器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002094085A (ja) * 2000-09-13 2002-03-29 Kyocera Corp 有機太陽電池
JP2002531958A (ja) * 1998-11-27 2002-09-24 マイスナ−、ディ−タ− 有機太陽電池あるいは発光ダイオード

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5288342A (en) * 1991-12-31 1994-02-22 Job Robert C Solid metal-carbon matrix of metallofullerites and method of forming same
JP3505761B2 (ja) * 1993-12-27 2004-03-15 チッソ株式会社 共重合体、その製造法及びそれを用いた電界発光素子
US6451415B1 (en) * 1998-08-19 2002-09-17 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer
GB0002958D0 (en) * 2000-02-09 2000-03-29 Cambridge Display Tech Ltd Optoelectronic devices
US6657378B2 (en) * 2001-09-06 2003-12-02 The Trustees Of Princeton University Organic photovoltaic devices
US6670213B2 (en) * 2001-10-10 2003-12-30 Cambridge Display Technology Limited Method of preparing photoresponsive devices, and devices made thereby
US20040067324A1 (en) * 2002-09-13 2004-04-08 Lazarev Pavel I Organic photosensitive optoelectronic device
US8586967B2 (en) * 2004-04-13 2013-11-19 The Trustees Of Princeton University High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002531958A (ja) * 1998-11-27 2002-09-24 マイスナ−、ディ−タ− 有機太陽電池あるいは発光ダイオード
JP2002094085A (ja) * 2000-09-13 2002-03-29 Kyocera Corp 有機太陽電池

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Publication number Publication date
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MXPA06011789A (es) 2007-04-02
AR048604A1 (es) 2006-05-10

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Xue et al. High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions
Hammond Design and fabrication of organic semiconductor photodiodes

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