KR101381508B1 - 회절 호일 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회절 호일 및 이와 관련된 광전지, 시스템, 부품 및 방법에 관한 것이다.

Description

회절 호일{DIFFRACTION FOILS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 내용이 본원에 참고 문헌으로 인용된 2005년 7월 15일자 미국 가출원 60/699,693호를 우선권으로 주장한다.
기술 분야
본 출원은 회절 호일, 및 관련 광전지, 시스템, 부품 및 방법에 관한 것이다.
광전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 통상적으로 사용된다. 일반적인 광전지는 2개의 전극 사이에 배치된 광활성 물질을 포함한다. 일반적으로, 빛은 광활성 물질과 상호작용하는 전극 중 하나 또는 둘 모두를 통과하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.
개요
한 양상에서, 본 발명은 회절 호일을 포함하는 광전지를 특징으로 한다.
또다른 양상에서, 본 발명은 기판, 기판 상에 배치된 광전지, 및 광전지 상에 배치된 회절 호일을 포함하는 물품을 특징으로 한다.
또다른 양상에서, 본 발명은 광전지, 광전지와 전기적으로 연결된 센서, 및 광전지를 적어도 부분적으로 커버하는 회절 호일을 포함하는 시스템을 특징으로 한다.
구체예는 하기 양상을 하나 이상 포함할 수 있다.
회절 호일은 알루미늄, 크롬, 구리, 은, 금, 또는 이들의 합금과 같은 금속을 포함할 수 있다.
회절 호일은 중합체를 포함할 수 있다.
회절 호일은 전극의 적어도 일부로서 형상화된다.
회절 호일은 유입광을 광활성 층으로 유도하도록 형상화될 수 있다.
물품은 2개의 기판을 더 포함할 수 있으며, 그 사이에 회절 호일이 배치된다.
물품은 회절 호일 상에 코팅된 전기 전도성 층을 포함할 수 있다.
광전지는 광활성 물질을 더 포함한다. 일부 구체예에서, 광활성 물질은 전자 공여체 물질 및 전자 수용체 물질을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성 물질은 상호 연결된 감광성 나노입자 물질을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성 물질은 무정형 규소 또는 CIGS를 포함할 수 있다.
전자 수용체 물질은 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 카본 나노막대, 무기 나노막대, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
전자 공여체 물질은 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌, 폴리이소티아나프탈렌, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
상호 연결된 감광성 나노입자 물질은 셀렌화물, 황화물, 텔루륨화물, 티탄 산화물, 텅스텐 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
물품은 표면에 패턴 (예컨대, 로코, 숫자, 문자, 단어, 도표, 또는 디자인 패턴)을 포함할 수 있다.
회절 호일은 빛이 회절 호일에 부딪힐 때 회절 호일이 패턴을 반사하도록 형상화될 수 있다.
물품은 보안 카드, 신분증, 연하장, 명함, 광고판, 포스터 또는 사인을 포함할 수 있다.
센서는 비디오 센서, 오디오 센서, 움직임 감지 센서, 온도 센서 또는 압력 센서일 수 있다.
시스템은 벽에 설치되도록 형상화될 수 있다.
시스템은 광전지 또는 센서가 육안으로 보이지 않도록 형상화될 수 있다.
사용 동안, 센서는 광전지에 의하여 적어도 부분적으로 동력을 공급받을 수 있다.
다른 특징 및 이점은 상세한 설명, 도면 및 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 광전지 및 기판에 배치된 회절 호일의 단면도이다.
도 2는 유기 광전지의 단면도이다.
도 3은 메쉬 전극의 구체예의 정면도이다.
도 4는 도 3의 메쉬 전극의 단면도이다.
도 5는 메쉬 전극의 일부의 단면도이다.
도 6은 또다른 유기 광전지의 단면도이다.
도 7은 전기적으로 직렬 연결된 다중 광전지를 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 8은 전기적으로 병렬 연결된 다중 광전지를 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 9는 염료 감지 태양 전지의 단면도이다.
여러 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타낸다.
상세한 설명
일반적으로, 본 출원은 광전지와 연결하여 회절 호일을 사용하는 것에 관한 것이다.
일부 구체예에서, 회절 호일은 광전지의 외부에 배치될 수 있다. 도 1은 기판(110)에 고정된 광전지(120)의 상부에 고정된 회절 호일(130)을 포함하는 물품(100)을 도시한다. 회절 호일(130)은 금속 또는 중합체와 같은 적당한 물질로 제조될 수 있다. 회절 호일의 제조에 사용될 수 있는 금속의 예에는 알루미늄, 크롬, 구리, 은, 금, 및 이들의 합금이 포함된다. 광전지(120)는 유기 광전지, 염료 감지 태양 전지(DSSC), 무정형 규소 광전지, 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS) 광전지, 카드뮴 셀렌화물 광전지, 카드뮴 텔루륨화물 광전지, 구리 인듐 황화물 광전지, 또는 직렬(tandem) 광전지일 수 있다. 기판(110)은 금속 또는 중합체와 같은 임의의 적당한 물질로 제조될 수 있다. 물품(100)은 예컨대 보안 카드, 신분증, 연하장, 명함, 광고판, 포스터 또는 사인일 수 있다. 일부 구체예에서, 물품(100)은 표준 물품의 외관을 취할 수 있다. 예컨대, 물품(100)은 벽에 설치될 수 있다 (예컨대, 그림 또는 사진과 같은 예술 작품의 형태 또는 광고와 같은 실용 물품의 형태임). 또다른 예로서, 물품(100)은 표면 (예컨대, 펜, 연필, 페이퍼 홀더, 컴퓨터 부품 등)에 존재할 수 있다.
일부 구체예에서, 회절 호일(130)은 일부 지점에서 광전지(120)에 그리고 다른 지점에서 기판(110)에 고정될 수 있다. 부착점은 예컨대 회절 호일의 형상에 따라 매우 달라질 수 있다. 일부 구체예에서, 회절 호일(130)은 광전지(120) 상에 코팅된다.
일부 구체예에서, 회절 호일(130)은 광전지(120)를 은폐하도록 형상화될 수 있다. 예컨대, 회절 호일(130)은 광전지(120)가 육안으로 보이지 않도록 형상화될 수 있다.
일부 구체예에서, 물품(100)은, 광전지(120)에 부딪히는 빛이 센서에 동력을 공급하도록, 광전지(120)와 전기적으로 연결된 센서(도 1에 도시되어 있지 않음)를 포함한다. 사용 동안, 센서는 광전지(120)에 의하여 적어도 부분적으로 동력을 공 급받을 수 있다. 센서의 예에는 비디오 센서, 오디오 센서, 이동 감지 센서, 온도 센서 및 압력 센서가 포함된다. 특정 구체예에서, 회절 호일(130)은 센서가 육안으로 보이지 않도록 형상화될 수 있다 (예컨대,상기 개시한 것과 같은 물품을 형성함). 따라서, 예컨대, 센서는 센서가 실내 변화(예컨대, 압력, 온도, 움직임, 소리, 시각 정보)를 감지하는 데 사용될 수 있도록 상기 개시한 바와 같은 위치에 존재하는 물품 내에 배치될 수 있다 (예컨대, 벽에 설치, 표면에 배치, 물품 내에 삽입됨).
일부 구체예에서, 물품(100)은 표면에 패턴을 포함할 수 있다. 예시 패턴은 로고, 숫자, 문자, 단어, 도표 및 디자인 패턴을 포함한다. 일부 구체예에서, 회절 호일(130)은 빛이 부딪힐 때 회절 호일이 패턴을 반사하도록 형상화된다.
일부 구체예에서, 회절 호일은 광전지에 배치될 수 있다. 예컨대, 회절 호일은 유입광이 광전지내 광활성 층으로 향하도록 형상화될 수 있다.
일부 구체예에서, 회절 호일은 광전지에서 전극으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 회절 호일이 금속으로 제조될 경우, 회절 호일 자체를 전극으로서 사용할 수 있다. 또다른 예로서, 회절 호일이 중합체로 제조될 경우, 이것은 전도성 코팅 (예컨대, 금속층)으로 코팅되어 전극을 형성할 수 있다. 이들 구체예에서, 회절 호일은 전극에 적당한 광전지 내 임의의 장소에 배치될 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 개시된 광전지는 유기 광전지일 수 있다. 도 2는 투명 기판(210), 메쉬 캐소드(220), 정공 캐리어 층(230), (전자 수용체 물질 및 전자 공여체 물질을 함유하는) 광활성 층(240), 정공 차단층(250), 애노드(260) 및 기판(270)을 포함하는 유기 광전지(200)의 단면도이다.
도 3 및 4는 각각 메쉬 전극의 정면도 및 단면이다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 메쉬 캐소드(220)는 중실 영역(222) 및 개방 영역(224)을 포함한다. 일반적으로, 영역(222)은 전기 전도성 물질로 형성되어, 빛이 영역(224)을 통하여 통과되고 영역(222)을 통하여 전자를 전도하게 할 수 있다.
개방 영역(224)이 차지하는 메쉬 캐소드(220) 영역(메쉬 캐소드(220)의 개방 영역)은 필요에 따라 선택될 수 있다. 일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 개방 영역은 메쉬 캐소드(220)의 총 면적의 약 10% 이상 (예컨대, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상) 및/또는 약 99% 이하(예컨대, 약 95% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하)이다.
메쉬 캐소드(220)는 여러가지 방식으로 제조될 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 전극은 상기 개시된 바와 같은 층 (예컨대, 기판)에 스탬핑될 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 중실 영역(222)을 형성하는 물질로 된 와이어를 직조하여 형성된 직조 메쉬이다. 상기 와이어는 예컨대 평직, 첩직, 능직, 능첩직, 또는 이들의 조합을 사용하여 직조될 수 있다. 어떤 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 와이어 메쉬로 형성된다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 형성되는 확장형 메쉬이다. 확장형 금속 메쉬는 예컨대 물질 (예컨대, 금속과 같은 전기 전도성 물질) 시트로부터 (예컨대 레이저 제거, 화학 에칭, 펀칭을 통하여) 영역(224)을 제거한 다음 시트를 연신시킴으로써 (예컨대, 2차원에서 시트를 연신시킴으로써) 제조할 수 있다. 특정 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 추후 시트를 연신시키는 것 없이 (예컨대, 레이저 제거, 화학 에칭, 펀칭을 통하여) 영역(224)을 제거함으로써 형성된 금속 시트이다.
특정 구체예에서, 중실 영역(222)은 전체가 전기 전도성 물질로 형성된다 (예컨대, 영역(222)은 전기 전도성인 실질적으로 균질한 물질로 형성됨). 영역(222)에 사용될 수 있는 전기 전도성 물질의 예에는 전기 전도성 금속, 전기 전도성 합금 및 전기 전도성 중합체가 포함된다. 예시적 전기 전도성 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐, 백금 및 티탄을 포함한다. 예시적 전기 전도성 합금은 스테인레스 스틸 (예컨대, 332 스테인레스 스틸, 316 스테인레스 스틸), 금의 합금, 은의 합금, 구리의 합금, 알루미늄의 합금, 니켈의 합금, 팔라듐의 합금, 백금의 합금 및 티탄의 합금을 포함한다. 예시적 전기 전도성 중합체는 폴리티오펜 (예컨대, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT)), 폴리아닐린 (예컨대, 도핑된 폴리아닐린), 폴리피롤 (예컨대, 도핑된 폴리피롤)을 포함한다. 일부 구체예에서, 전기 전도성 물질의 조합이 사용된다. 일부 구체예에서, 중실 영역(222)의 저항은 약 3 Ω/sq 미만일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일부 구체예에서, 중실 영역(222)은 (예컨대, 금속화, 증기 증착을 사용하여) 상이한 물질(304)로 코팅된 물질(302)로 형성된다. 일반적으로, 물질(302)은 임의의 소정 물질 (예컨대, 전기 절연 물질, 전기 전도성 물질 또는 반전도성 물질)로 형성될 수 있으며, 물질(304)는 전기 전도성 물질이다. 물질(302)을 형성할 수 있는 전기 절연 물질의 예에는 직물, 광섬유 물질, 중합체 물질 (예컨대, 나일론) 및 천연 물질 (예컨대, 플랙스, 면, 울, 실크)이 포함 된다. 물질(302)을 형성할 수 있는 전기 전도성 물질의 예에는 상기 개시된 전기 전도성 물질이 포함된다. 물질(302)을 형성할 수 있는 반전도성 물질의 예에는 인듐 주석 산화물, 불화 주석 산화물, 주석 산화물, 및 아연 산화물이 포함된다. 일부 구체예에서, 물질(302)은 섬유 형태이며, 물질(304)은 물질(302) 상에 코팅되는 전기 전도성 물질이다. 특정 구체예에서, 물질(302)은 메쉬로 형성된 후 물질(304)로 코팅되는 메쉬 형태이다 (상기 개시 참조). 예로서, 물질(302)은 확장형 금속 메쉬일 수 있으며, 물질(304)은 확장형 금속 메쉬 상에 코팅된 PEDOT일 수 있다.
일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께 (즉, 메쉬 캐소드(220)와 접촉하는 기판(210)의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향에서의 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께)는 정공 캐리어 층(230)의 전체 두께 미만이어야 한다. 일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께는 0.1 미크론 이상 (예컨대, 약 0.2 미크론 이상, 약 0.3 미크론 이상, 약 0.4 미크론 이상, 약 0.5 미크론 이상, 약 0.6 미크론 이상, 약 0.7 미크론 이상, 약 0.8 미크론 이상, 약 0.9 미크론 이상, 약 1 미크론 이상) 및/또는 약 10 미크론 이하 (예컨대, 약 9 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 7 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 4 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 약 2 미크론 이하)이다.
도 3에는 장방형 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 개방 영역(224)은 일반적으로 임의의 소형 형상 (예컨대, 사각형, 원형, 반원형, 삼각형, 마름모형, 타원형, 사다리꼴형, 불규칙형)을 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)내 상이한 개방 영역(224)은 상이한 형상을 가질 수 있다.
도 4에는 사각 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 중실 영역(222)은 일반적으로 임의의 소정 형상 (예컨대, 사각형, 원형, 반원형, 삼각형, 마름모형, 타원형, 사다리꼴형, 불규칙형)을 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)에서 상이한 중실 영역(222)은 상이한 형상을 가질 수 있다. 중실 영역(222)이 원형 단면을 갖는 구체예에서, 단면은 약 5 미크론 ∼ 약 200 미크론 범위의 직경을 가질 수 있다. 중실 영역(222)이 사다리꼴 단면을 갖는 구체예에서, 단면의 높이는 약 0.1 미크론 ∼ 약 5 미크론 범위, 너비는 약 5 미크론 ∼ 약 200 미크론 범위일 수 있다.
일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 가요성 (예컨대, 연속, 롤-투-롤 제조 방법을 사용하여 광전지(200)에 통합시키기에 충분히 가요성)이다. 특정 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 반강성 또는 비가요성이다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)의 상이한 영역은 가요성, 반강성 또는 비가요성 (예컨대, 1 이상의 가요성 영역 및 1 이상의 상이한 반강성 영역, 1 이상의 가요성 영역 및 1 이상의 상이한 비가요성 영역)일 수 있다.
일반적으로, 메쉬 캐소드(220)는 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 부분적으로 기판(210)에 삽입될 수 있다.
기판(210)은 일반적으로 투명 물질로 형성된다. 본원에서 언급될 때, 투명 물질은 광전지(200)에서 사용되는 두께에서 광전지의 작동 동안 사용되는 파장 또는 파장 범위에서 약 60% 이상 (예컨대, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상)의 입사광을 투과시키는 물질이다. 기 판(210)을 형성할 수 있는 예시적 물질에는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 중합체 탄화수소, 셀룰로오스 중합체, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리에테르 케톤, 및 이들의 조합이 포함된다. 특정 구체예에서, 중합체는 불화 중합체일 수 있다. 일부 구체예에서는, 중합체 물질의 조합을 사용한다. 특정 구체예에서, 기판(210)의 상이한 영역은 상이한 물질로 형성될 수 있다.
일반적으로, 기판(210)은 가요성, 반강성 또는 강성 (예컨대, 유리)일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)의 굴곡탄성율은 약 5,000 MPa 미만(예컨대, 약 2,500 MPa 미만 또는 약 1,000 MPa 미만)이다. 특정 구체예에서, 기판(210)의 상이한 영역은 가요성, 반강성 또는 비가요성일 수 있다 (예컨대, 1 이상의 가요성 영역 및 1 이상의 상이한 반강성 영역, 1 이상의 가요성 영역 및 1 이상의 상이한 비가요성 영역).
일반적으로, 기판(210)의 두께는 약 1 미크론 이상 (예컨대, 약 5 미크론 이상, 약 10 미크론 이상) 및/또는 약 1,000 미크론 이하 (예컨대, 약 500 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 50 미크론 이하)이다.
일반적으로, 기판(210)은 착색되거나 착색되지 않을 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)의 한 부분 이상은 착색되는 반면 기판(210)의 다른 한 부분 이상은 착색되지 않는다.
기판(210)은 1 개의 평탄 표면(예컨대, 빛이 부딪히는 표면), 2 개의 평탄 표면(예컨대, 빛이 부딪히는 표면 및 대향 표면)을 가지거나 또는 평탄 표면을 가지지 않을 수 있다. 기판(210)의 비평탄 표면은 예컨대 굽은형 또는 계단형일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)의 비평탄 표면은 패턴화될 수 있다 (예컨대, 프레즈널 렌즈, 렌티큘러 렌즈 또는 렌티큘러 프리즘을 형성하는 패턴화 단계를 가짐).
정공 캐리어 층(230)은 일반적으로 광전지(200)에 사용되는 두께에서 정공을 메쉬 캐소드(220)로 수송하고 메쉬 캐소드(220)로의 전자 수송을 실질적으로 차단하는 물질로 형성된다. 층(230)을 형성할 수 있는 물질의 예에는 폴리티오펜 (예컨대, PEDOT), 폴리아닐린, 폴리비닐카르바졸, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐렌비닐렌 및/또는 폴리이소티아나프탈렌이 포함된다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어 층(230)은 정공 캐리어 물질의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 정공 캐리어 층(230)의 상면[즉, 활성층(240)과 접촉하는 정공 캐리어 층(230)의 표면] 및 기판(210)의 상면[즉, 메쉬 전극(220)과 접촉하는 기판(210)의 표면] 사이의 거리는 필요에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로, 정공 캐리어 층(230)의 상면 및 메쉬 전극(220)의 상면 사이의 거리는 0.01 미크론 이상 (예컨대, 약 0.05 미크론 이상, 약 0.1 미크론 이상, 약 0.2 미크론 이상, 약 0.3 미크론 이상, 약 0.5 미크론 이상) 및/또는 약 5 미크론 이하 (예컨대, 약 3 미크론 이하, 약 2 미크론 이하, 약 1 미크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어 층(230)의 상면 및 메쉬 전극(220)의 상면 사이의 거리는 약 0.01 미크론 ∼ 약 0.5 미크론이다.
활성층(240)은 일반적으로 전자 수용체 물질 및 전자 공여체 물질을 포함한다.
전자 수용체 물질의 예에는 풀러린, 옥사디아졸, 탄소 나노막대, 디스코틱 액정, 무기 나노입자 (예컨대, 아연 산화물, 텅스텐 산화물, 인듐 인화물, 카드뮴 셀렌화물 및/또는 황화납으로 형성된 나노입자), 무기 나노막대 (예컨대, 아연 산화물, 텅스텐 산화물, 인듐 인화물, 카드뮴 셀렌화물 및/또는 황화납으로 형성된 나노막대), 또는 전자를 수용하거나 또는 안정한 음이온을 형성할 수 있는 부분을 함유하는 중합체 (예컨대, CN 기를 함유하는 중합체, CE3 기를 함유하는 중합체)로 형성된 물질이 포함된다. 일부 구체예에서, 전자 수용체 물질은 치환된 풀러린 (예컨대, C61-페닐-부티르산 메틸 에스테르; PCBM)이다. 일부 구체예에서, 활성층(240)은 전자 수용체 물질의 조합을 포함할 수 있다.
전자 공여체 물질의 예에는 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌, 폴리이소티아나프탈렌, 및 이들의 조합이 포함된다. 일부 구체예에서, 전자 공여체 물질은 폴리(3-헥실티오펜)이다. 특정 구체예에서, 활성층(240)은 전자 공여체 물질의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 활성층(240)은 여기에 부딪히는 광자를 흡수하여 해당 전자 및 정공을 형성하기에 비교적 효율적이도록 충분히 두꺼우며 정공 및 전자를 각각 층(230 및 250)으로 수송하기에 비교적 효율적이도록 충분히 얇다. 특정 구체예에서, 층(240)의 두께는 0.05 미크론 이상 (예컨대, 약 0.1 미크론 이상, 약 0.2 미 크론 이상, 약 0.3 미크론 이상) 및/또는 약 1 미크론 이하 (예컨대, 약 0.5 미크론 이하, 약 0.4 미크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 층(240)의 두께는 약 0.1 미크론 ∼ 약 0.2 미크론이다.
정공 차단층(250)은 일반적으로 광전지(200)에 사용되는 두께에서 전자를 애노드(260)로 수송하고 애노드(260)로의 정공 수송을 실질적으로 차단하는 물질로 형성된다. 층(250)을 형성할 수 있는 물질의 예에는 LiF 및 금속 산화물 (예컨대, 아연 산화물, 티탄 산화물)이 포함된다.
일반적으로, 정공 차단층(250)의 두께는 0.02 미크론 이상 (예컨대, 0.03 미크론 이상, 약 0.04 미크론 이상, 약 0.05 미크론 이상) 및/또는 약 0.5 미크론 이하 (예컨대, 약 0.4 미크론 이하, 약 0.3 미크론 이하, 약 0.2 미크론 이하, 약 0.1 미크론 이하)이다.
애노드(260)는 일반적으로 상기 개시한 1 이상의 전기 전도성 물질과 같은 전기 전도성 물질로 형성된다. 일부 구체예에서, 애노드(260)는 전기 전도성 물질의 조합으로 형성된다.
일반적으로, 기판(270)은 기판(220)과 동일할 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(270)은 기판(220)과 상이할 수 있다 (예컨대, 상이한 형상을 가지거나 또는 상이한 물질 또는 불투명 물질로 형성됨).
도 6은 기판(210) 및 정공 캐리어 층(230) 사이에 접착제 층(410)을 포함하는 광전지(400)의 단면이다.
일반적으로, 메쉬 전극(220)을 제자리에 유지할 수 있는 임의의 물질을 접착 제 층(410)에 사용할 수 있다. 일반적으로, 접착제 층(410)은 광전지(400)에서 사용되는 두께에서 투명한 물질로 형성된다. 접착제의 예에는 에폭시 및 우레탄이 포함된다. 접착제 층(410)에 사용될 수 있는 시판되는 물질의 예에는 Bynel™ 접착제 (DuPont) 및 615 접착제 (3M)가 포함된다. 일부 구체예에서, 층(410)은 불화 접착제를 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 층(410)은 전기 전도성 접착제를 함유한다. 전기 전도성 접착제는 예컨대 고유의 전기 전도성 중합체, 예컨대 상기 개시된 전기 전도성 중합체 (예컨대, PEDOT)로 형성될 수 있다. 전기 전도성 접착제는 또한 1 이상의 전기 전도성 물질 (예컨대, 전기 전도성 입자)을 함유하는 중합체 (예컨대, 본래 전기 전도성이 아닌 중합체)로 형성될 수도 있다. 일부 구체예에서, 층(410)은 1 이상의 전기 전도성 물질을 함유하는 본래 전기 전도성인 중합체를 함유한다.
일부 구체예에서, 층(410)의 두께 [즉, 층(410)과 접촉하는 기판(210)의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향에서 층(410)의 두께]는 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께 미만이다. 일부 구체예에서, 층(410)의 두께는 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께의 약 90% 이하 (예컨대, 약 80% 이하, 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하)이다. 그러나, 특정 구체예에서, 층(410)의 두께는 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께와 대략 동일하거나 또는 이보다 크다.
일반적으로, 메쉬 캐소드를 갖는 광전지는 필요에 따라 제조할 수 있다.
일부 구체예에서, 광전지는 하기와 같이 제조할 수 있다. 전극(260)은 종래 의 기술을 사용하여 기판(270)에 형성하며, 정공 차단층(250)은 (예컨대, 진공 증착 방법 또는 용액 코팅 방법을 사용하여) 전극(260) 상에 형성한다. 활성층(240)은 (예컨대, 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅과 같은 용액 코팅 방법을 사용하여) 정공 차단층(250) 상에 형성한다. 정공 캐리어 층(230)은 (예컨대, 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅과 같은 용액 코팅 방법을 사용하여) 활성층(240) 상에 형성한다. 메쉬 캐소드(220)는 (예컨대, 상기 개시한 스탬핑 방법에 의하여) 정공 캐리어 층(230)에 부분적으로 배치된다. 이후 종래의 방법을 사용하여 기판(210)을 메쉬 캐소드(220) 및 정공 캐리어 층(230) 상에 형성한다.
특정 구체예에서, 광전지는 하기와 같이 제조할 수 있다. 종래의 기술을 사용하여 전극(260)을 기판(270) 상에 형성하고, (예컨대, 진공 증착 또는 용액 코팅 방법을 사용하여) 정공 차단층(250)을 전극(260) 상에 형성한다. (예컨대, 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅과 같은 용액 코팅 방법을 사용하여) 활성층(240)을 정공 차단층(250) 상에 형성한다. (예컨대, 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅과 같은 용액 코팅 방법을 사용하여) 정공 캐리어 층(230)을 활성층(240) 상에 형성한다. 접착제 층(410)은 종래의 방법을 사용하여 정공 캐리어 층(230) 상에 배치한다. [예컨대, 접착제 층(410)의 표면에 메쉬 캐소드(220)를 배치하고 메쉬 캐소드(220)를 압착함으로써] 메쉬 캐소드(220)는 부분적으로 접착제 층(410) 및 정공 캐리어 층(230)에 배치한다. 이후 종래의 방법을 사용하여 기판(210)을 메쉬 캐소드(220) 및 접착제 층(410) 상에 형성한다.
상기 방법들은 정공 캐리어 층(230)에 메쉬 캐소드(220)를 부분적으로 배치 하는 것을 포함하지만, 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 정공 캐리어 층(230) 또는 접착제 층(410)의 표면에 캐소드 물질을 프린팅하여 도면에 도시된 개방 구조를 갖는 전극을 제공함으로써 형성된다. 예컨대, 메쉬 캐소드(220)는 스탬핑, 딥 코팅, 압출 코팅, 분무 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅 및 그라비어 프린팅을 사용하여 프린팅할 수 있다. 캐소드 물질은 가열 또는 방사선 (예컨대, 자외선, 가시광선, 적외선, 전자빔 방사선)으로 고화되는 페이스트에 배치될 수 있다. 캐소드 물질은 예컨대 스크린을 통해 메쉬 패턴에 진공 증착될 수 있거나 또는 증착 후 포토리소그래피에 의하여 패턴화될 수 있다.
복수의 광전지를 전기적으로 연결하여 광기전 시스템을 형성할 수 있다. 예컨대, 도 7은 광전지(520)를 포함하는 모듈(510)을 갖는 광기전 시스템(500)의 개략도이다. 전지(520)는 전기적으로 직렬 연결되며, 시스템(500)은 전기적으로 로드(load)에 연결된다. 또다른 예로서, 도 8은 광전지(620)를 포함하는 모듈(610)을 갖는 광기전 시스템(600)의 개략도이다. 전지(620)는 전기적으로 병렬 연결되며, 시스템(600)은 전기적으로 로드에 연결된다. 일부 구체예에서, 광기전 시스템에서 광전지의 일부 (예컨대, 모두)는 1 이상의 공통 기판을 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 광기전 시스템에서 일부 광전지는 전기적으로 직렬 연결되며, 광기전 시스템에서 일부 광전지는 전기적으로 병렬 연결된다.
일부 구체예에서, 복수의 광전지를 포함하는 광기전 시스템은 롤-투-롤 또는 웹 공정과 같은 연속 제작 공정을 사용하여 제작할 수 있다. 일부 구체예에서, 연속 제조 공정은 제1 확장(advancing) 기판 상에 1군의 광전지 부분을 형성하는 단 계; 제1 확장 기판 상의 2 이상의 전지 부분 사이에 전기 절연 물질을 배치하는 단계; 제1 기판 상의 2 이상의 광전지 부분 사이에 있는 전기 절연 물질 중에 와이어를 삽입하는 단계; 제2 확장 기판 상의 1군의 광전지 부분을 형성하는 단계; 제1 및 제2 기판과 광전지 부분을 조합하여 복수의 광전지를 형성하며, 2 이상의 광전지는 와이어에 의하여 전기적으로 직렬 연결시키는 단계를 포함한다. 일부 구체예에서, 제1 및 제2 기판은 연속 확장, 규칙 확장, 또는 불규칙 확장시킬 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 개시된 스탬핑 방법을 사용하여 DSSC에서 사용하는 기판에 전극을 프린팅할 수 있다. 도 9는 기판(710), 전극(720), 촉매층(730), 전하 캐리어 층(740), 광활성 층(750), 전극(760), 기판(770), 및 외부 로드(780)를 포함하는 DSSC(700)의 단면도이다. DSSC의 예는 그 내용이 본원에 참고 문헌으로 인용되어 있는 2005년 12월 19일자 미국 특허 출원 11/311,805호 및 2005년 11월 9일자 11/269,956호에 개시되어 있다.
일부 구체예에서, 상기 개시된 스탬핑 방법을 사용하여 직렬 전지에 사용하기 위한 기판에 전극을 프린팅할 수 있다. 직렬 광전지의 예는 그 내용이 본원에 참고 문헌으로 인용되어 있는 미국 특허 출원 10/558,878호 및 미국 가출원 60/790,606호, 60/792,635호, 60/792,485호, 60/793,442호, 60/795,103호, 60/797,881호, 및 60/798,258호에 개시되어 있다.
특정 구체예를 개시하였으나, 다른 구체예도 가능하다.
한 실시예로서, 메쉬로 형성된 캐소드를 개시하였으나, 일부 구체예에서는, 메쉬 애노드를 사용할 수 있다. 이것은 예컨대, 애노드에 의하여 투과된 빛을 사용 할 경우 바람직할 수 있다. 특정 구체예에서는, 메쉬 캐소드 및 메쉬 애노드 둘다를 사용한다. 이것은 예컨대 캐소드 및 애노드 둘다에 의하여 투과된 빛을 사용할 경우 바람직할 수 있다.
또다른 실시예로서, 일반적으로 전지의 캐소드 면을 통하여 투과되는 빛을 사용하는 구체예를 개시하였으나, 특정 구체예에서는 (예컨대, 메쉬 애노드를 사용하는 경우) 전지의 애노드 면에 의하여 투과되는 빛을 사용한다. 일부 구체예에서는, (메쉬 캐소드 및 메쉬 애노드를 사용하는 경우) 전지의 캐소드 및 애노드 면 둘다에 의하여 투과된 빛을 사용한다.
또다른 실시예로서, 메쉬로 형성된 캐소드를 개시하였으나, 일부 구체예에서는 비메쉬 캐소드를 사용할 수 있다. 특정 구체예에서는, 비메쉬 캐소드 및 비메쉬 애노드 둘다를 사용한다.
추가의 실시예로서, 전극 (예컨대, 메쉬 전극, 비메쉬 전극)을 전기 전도성 물질로 형성되는 것으로 개시하였으나, 일부 구체예에서 광전지는 반전도성 물질로 형성된 1 이상의 전극 (예컨대, 1 이상의 메쉬 전극, 1 이상의 비메쉬 전극)을 포함할 수 있다. 반전도성 물질의 예에는 인듐 주석 산화물, 불화 주석 산화물, 주석 산화물, 및 아연 산화물이 포함된다.
추가의 실시예로서, 일부 구체예에서는, 1 이상의 반전도성 물질을 메쉬 전극의 개방 영역 (예컨대, 메쉬 캐소드의 개방 영역, 메쉬 애노드의 개방 영역, 메쉬 캐소드의 개방 영역 및 메쉬 애노드의 개방 영역)에 배치할 수 있다. 반전도성 물질의 예에는 주석 산화물, 불화된 주석 산화물, 주석 산화물과 아연 산화물이 포 함된다. 부분적으로 투명한 반전도성 중합체와 같은 다른 반전도성 물질을 또한 메쉬 전극의 개방 영역에 배치할 수 있다. 예컨대, 부분적으로 투명한 중합체는 광전지에 사용되는 두께에서 광전지의 작동 동안 사용되는 파장 또는 파장 범위에서 약 60% 이상 (예컨대, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상)의 입사광을 투과시키는 중합체일 수 있다. 일반적으로, 메쉬 전극의 개방 영역에 배치되는 반전도성 물질은 광전지에 사용되는 두께에서 투명하다.
또다른 실시예로서, 특정 구체예에서, 기판의 한쪽 또는 양쪽에 광활성 층을 도포할 수 있다. 보호층을 사용하여 예컨대 광전지로부터 오염물(예컨대, 먼지, 물, 산소, 화학 물질)을 방지하고 및/또는 전지의 내구성을 높일 수 있다. 특정 구체예에서, 보호층은 중합체 (예컨대, 불화 중합체)로 형성될 수 있다.
추가의 실시예로서, 1 이상의 메쉬 전극을 갖는 특정 유형의 광전지를 개시하였으나, 1 이상의 메쉬 전극 (메쉬 캐소드, 메쉬 애노드, 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드)를 다른 유형의 광전지에도 사용할 수 있다. 이러한 광전지의 예에는 무정형 규소, 카드뮴 셀렌화물, 카드뮴 텔루르화물, 구리 인듐 황화물 및 구리 인듐 갈륨 셀렌화물이 포함된다.
추가의 실시예로서, 상이한 물질로 형성되는 것으로 개시하였으나, 일부 구체예에서, 물질(302 및 304)은 동일한 물질로 형성된다.
또다른 실시예로서, 도 5에는 상이한 물질 상에 코팅된 하나의 물질로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 일부 구체예에서 중실 영역(222)은 2 이상의 코팅 물질 (예컨대, 3종 코팅 물질, 4종 코팅 물질, 5종 코팅 물질, 6종 코팅 물질)로 형성될 수 있다.
다른 구체예는 청구의 범위에 있다.

Claims (28)

  1. 제1 기판, 제2 기판, 제1 전극, 회절 호일을 포함하는 제2 전극 및 광활성 물질을 포함하는 광전지로서,
    제1 전극은 제1 기판과 광활성 물질 사이에 있고, 회절 호일은 제2 기판과 광활성 물질 사이에 있고, 광활성 물질은 제1 전극과 제2 전극 사이에 있고,
    회절 호일은 유입광을 광활성 물질로 유도하고, 광활성 물질은 유입광을 전기로 전환할 수 있고,
    회절 호일은 중합체를 포함하고, 광전지는 회절 호일 상에 코팅된 전기 전도성 층을 더 포함하거나; 또는 회절 호일은 금속을 포함하는 것인 광전지.
  2. 제1항에 있어서, 금속은 알루미늄, 크롬, 구리, 은, 금, 또는 이들의 합금을 포함하는 것인 광전지.
  3. 제1항에 있어서, 광활성 물질은 전자 공여체 물질 및 전자 수용체 물질을 포함하는 것인 광전지.
  4. 제3항에 있어서, 전자 수용체 물질은 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 무기 나노막대, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 광전지.
  5. 제4항에 있어서, 전자 공여체 물질은 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌 및 폴리이소티아나프탈렌으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 광전지.
  6. 제1항에 있어서, 광활성 물질은 상호 연결된 감광 나노입자 물질을 포함하는 것인 광전지.
  7. 제6항에 있어서, 상호 연결된 감광 나노입자 물질은 셀렌화물, 황화물, 텔루륨화물, 티탄 산화물, 텅스텐 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 광전지.
  8. 제1항에 있어서, 광활성 물질은 무정형 규소 또는 CIGS를 포함하는 것인 광전지.
  9. 기판;
    기판 상에 배치되고, 광활성 물질을 포함하는 광전지; 및
    광전지 상에 배치된 회절 호일을 포함하는 물품으로서,
    회절 호일은 유입광을 광활성 물질로 유도하고, 광활성 물질은 유입광을 전기로 전환할 수 있고,
    회절 호일은 중합체를 포함하고, 광전지는 회절 호일 상에 코팅된 전기 전도성 층을 더 포함하거나; 또는 회절 호일은 금속을 포함하는 것인 물품.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판의 표면 또는 상기 광전지의 표면 상에 패턴을 포함하는 것인 물품.
  11. 제10항에 있어서, 패턴은 로고, 숫자, 문자, 단어, 또는 도표를 포함하는 것인 물품.
  12. 제9항에 있어서, 물품은 보안 카드, 신분증, 연하장, 명함, 광고판, 포스터 또는 사인인 것인 물품.
  13. 광활성 물질을 포함하는 광전지;
    광전지와 전기적으로 연결된 센서; 및
    광전지를 적어도 부분적으로 커버하는 회절 호일을 포함하는 시스템으로서,
    회절 호일은 유입광을 광활성 물질로 유도하고, 광활성 물질은 유입광을 전기로 전환할 수 있고,
    회절 호일은 중합체를 포함하고, 광전지는 회절 호일 상에 코팅된 전기 전도성 층을 더 포함하거나; 또는 회절 호일은 금속을 포함하는 것인 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 센서는 비디오 센서, 오디오 센서, 움직임 감지 센서, 온도 센서 또는 압력 센서인 것인 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 시스템은 벽에 설치되는 것인 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 광전지가 육안으로 보이지 않는 것인 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 센서는 육안으로 보이지 않는 것인 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 사용 동안 센서가 적어도 부분적으로 광전지에 의하여 동력을 공급받는 것인 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 광전지의 사용 동안, 광은 광활성 물질과 상호작용하기 전에 회절 호일을 통과하는 것인 광전지.
  20. 삭제
  21. 제19항에 있어서, 회절 호일은 두 개의 기판 사이에 있는 것인 광전지.
  22. 제1항에 있어서, 회절 호일은 전극 중 하나인 것인 광전지.
  23. 제22항에 있어서, 회절 호일은 두 개의 기판 사이에 있는 것인 광전지.
  24. 제9항에 있어서, 상기 물품은 벽에 설치된 것인 물품.
  25. 제9항에 있어서, 광전지는 육안으로 보이지 않는 것인 물품.
  26. 제9항에 있어서, 회절 호일은 광전지를 은폐하는 것인 물품.
  27. 제4항에 있어서, 전자 수용체 물질은 카본 나노막대인 것인 광전지.
  28. 제11항에 있어서, 패턴은 디자인 패턴을 포함하는 것인 물품.
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