KR101387188B1 - 극박 감광층을 이용하는 유기 광전지 - Google Patents
극박 감광층을 이용하는 유기 광전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 감광 소자는 2개의 전극 사이에 배치된 일련의 유기 광활성층을 포함한다. 일련의 층의 각각의 층은 일련의 층의 다음 층과 직접 접촉되어 있다. 일련의 층은 1 이상의 도너-억셉터 이종 접합을 형성되도록 배치되며, 도너로서 작용하는 제1 호스트 물질을 포함하는 제1 유기 광활성층, 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 제2 호스트 물질을 포함하는 얇은 제2 유기 광활성층, 및 억셉터로서 작용하는 제3 호스트 물질을 포함하는 제3 유기 광활성층을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 호스트 물질은 상이하다. 얇은 제2 층은 제1 층에 대한 억셉터로서 작용하거나 또는 제3 층에 대한 도너로서 작용한다.
Description
미국 정부 권리
본 발명은 미국 에너지부, 국립 재생 에너지 연구소가 수여하는 계약 제339-4012호 하에서 미국 정부 지원으로 수행되었다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
합동 연구 협정
본 발명은 대학-법인 공동 연구 협정에 대해 하기 당사자 중 1 이상을 대신하여 및/또는 하기 당사자 중 1 이상과 관련하여 수행되었다: 프린스턴 유니버시티, 더 유니버시티 오브 서던 캘리포니아 및 글로벌 포토닉 에너지 코포레이션. 본 발명이 수행되고 협정의 범위 내에서 착수된 활동의 결과로 본 발명이 이루어진 일자 이전에 이 협정은 발효되었다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 유기 감광 광전자 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 이는 근적외선에 반응하는 이동도가 낮은 극박 활성층을 포함하는 유기 감광 광전자 소자에 관한 것이다.
광전자 소자는 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 전자적으로 생성 또는 검출하거나 또는 주위 전자기 방사선으로부터 전기를 생성시키는 물질의 광학적 및 전자적 특성에 의존한다.
감광 광전자 소자는 전자기 방사선을 전기 신호 또는 전기로 전환시킨다. 광전지("PV") 소자로도 불리우는 태양 전지는 명확하게는 전력을 생성시키는 데에 사용되는 감광 광전자 소자의 유형이다. 광전도체 전지는 흡수광으로 인한 변화를 검출하기 위한 소자의 저항을 모니터링하는 신호 검출 회로와 함께 사용되는 감광 광전자 소자의 유형이다. 인가된 바이어스 전압을 수용할 수 있는 광검출기는, 광검출기가 전자기 방사선에 노출될 때 생성되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되는 감광 광전자 소자의 유형이다.
이러한 3가지 부류의 감광 광전자 소자는 하기 정의되는 바의 정류(rectifying) 접합이 존재하는 지에 따라, 그리고 또한 바이어스 또는 바이어스 전압으로도 공지된 외부 인가 전압을 이용하여 소자가 작동되는지에 따라 구별될 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합을 가지지 않으며, 통상적으로 바이어스를 이용하여 작동된다. PV 소자는 1 이상의 정류 접합을 가지며, 바이어스를 이용하지 않고 작동된다. 광검출기는 1 이상의 정류 접합을 가지며, 항상 그렇지는 않지만 일반적으로 바이어스를 이용하여 작동된다.
본 명세서에서 사용되는 바의 용어 "정류"는 특히 계면이 비대칭적인 전도 특성을 가짐을, 즉 계면이 바람직하게는 한 방향으로 전자 전하 수송을 유지함을 지칭한다. 용어 "반도체"는 전하 운반체가 열 또는 전자기 여기에 의해 유도될 경 우 전기를 전도할 수 있는 물질을 지칭한다. 용어 "광전도성"은 일반적으로 전자기 방사선 에너지가 흡수되고 이에 의해 전하 운반체의 여기 에너지로 전환되어 운반체가 물질 내 전하를 전도(즉, 수송)할 수 있는 공정에 관한 것이다. 용어 "광전도성 물질"은 전하 운반체를 생성시키기 위해 전자기 방사선을 흡수하는 특성에 이용되는 반도체 물질을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바의 "상부"는 기판으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 위치를 의미하는 반면, "하부"는 기판으로부터 가장 가까운 위치를 의미한다. 달리 명시하지 않는 한, 제1 층이 제2 층과 "물리적 접촉" 상태에 있는, 개재층이 존재할 수 있다.
적당한 에너지의 전자기 방사선이 유기 반도체 물질에 입사될 경우, 광자가 흡수되어 여기 분자 상태를 형성할 수 있다. 유기 광전도성 물질에서, 생성된 분자 상태는 일반적으로 "여기자(exiton)", 즉 준입자(quasi-particle)로서 수송되는 결합 상태에 있는 전자-정공 쌍으로 여겨진다. 여기자는 이중 재결합(geminate recombination)("켄칭") 전에 상당한 수명을 가질 수 있는데, 이중 재결합이란 (다른 쌍으로부터 온 정공 또는 전자와의 재결합과는 반대로) 서로 재결합하는 원래의 전자 및 정공을 지칭한다. 광전류를 생성시키기 위해, 여기자를 형성하는 전자-정공은 통상적으로 정류 접합에서 분리된다.
감광 소자의 경우, 정류 접합을 광전지 이종 접합(heterojunction)으로 지칭한다. 유기 광전지 이종 접합의 유형은 도너 물질 및 억셉터 물질의 계면에 형성된 도너-억셉터 이종 접합 및 광전도성 물질 및 금속의 계면에 형성된 쇼트키(Schottky)-배리어 이종 접합을 포함한다.
도 1은 도너-억셉터 이종 접합의 예를 예시하는 에너지 준위 도식이다. 유기 물질의 문맥에서, 용어 "도너" 및 "억셉터"는 2개의 접촉하고 있는 그러나 상이한 유기 물질의 최고 점유 분자 궤도 함수("HOMO") 및 최저 비점유 분자 궤도 함수("LUMO") 에너지 준위의 상대적인 위치를 지칭한다. 서로 접촉되어 있는 한가지 물질의 LUMO 에너지 준위가 낮을 경우, 이 물질은 억셉터이다. 그렇지 않으면 이는 도너이다. 외부 바이어스의 부재 하에, 도너-억셉터 접합에 있는 전자가 억셉터 물질로 이동하는 것이 에너지적으로 유리하다.
제1 에너지 준위가 진공 에너지 준위(10)에 더 가까운 경우, 본 명세서에서 사용되는 바의 제1 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 크거나 또는 이보다 높다. 더 높은 HOMO 에너지 준위는 진공 준위에 비해 더 적은 절대 에너지를 갖는 이온화 포텐셜("IP")에 해당한다. 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 준위는 진공 준위에 비해 더 적은 절대 에너지를 갖는 전자 친화도("EA")에 해당한다. 진공 준위가 상부에 있는 통상적인 에너지 준위 도식에서, 물질의 LUMO 에너지 준위는 동일한 물질의 HOMO 에너지 준위보다 높다.
도너(152) 또는 억셉터(154)에 광자(6)가 흡수되어 여기자(8)가 생성된 후, 여기자(8)는 정류 계면에서 해리된다. 도너(152)는 정공(빈 원)을 수송하고, 억셉터(154)는 전자(검게 칠한 원)를 수송한다.
유기 반도체에서 중요한 특성은 운반체 이동도이다. 이동도는 전하 운반체가 전기장에 반응하여 전도 물질을 통해 이동할 수 있는 용이성을 측정한다. 유기 감광 소자의 문맥에서, 높은 전자 이동도로 인해 전자에 의해 우선적으로 전도되는 물질을 전자 수송 물질로서 지칭할 수 있다. 높은 정공 이동도로 인해 정공에 의해 우선적으로 전도되는 물질을 정공 수송 물질로서 지칭할 수 있다. 이동도 및/또는 소자 내 위치로 인해 전자에 의해 우선적으로 전도되는 층을 전자 수송층("ETL")으로서 지칭할 수 있다. 소자 내 위치 및/또는 이동도로 인해 정공에 의해 우선적으로 전도되는 층을 정공 수송층("HTL")으로서 지칭할 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만 바람직하게는, 억셉터 물질은 전자 수송 물질이고, 도너 물질은 정공 수송 물질이다.
운반체 이동도 및 상대적인 HOMO 및 LUMO 준위에 기초하여 광전지 이종 접합에서 도너 및 억셉터로서 작용하는 2개의 유기 광전도성 물질을 페어링(pairing)하는 방법은 당업계에 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 설명하지 않는다.
벌크 반도체 뿐 아니라 절연체의 한 가지 공통된 특징은 "띠 간격"이다. 띠 간격은 전자로 채워진 최고 에너지 준위 및 비어 있는 최저 에너지 준위의 에너지 차이이다. 무기 반도체 또는 무기 절연체에서, 이 에너지 차이는 원자가 띠끝(원자가 띠의 상부) 및 전도 띠끝(전도 띠의 하부) 사이의 차이이다. 유기 반도체 또는 유기 절연체에서, 이 에너지 차이는 HOMO 및 LUMO 사이의 차이이다. 순수한 물질의 띠 간격은 전자 및 정공이 존재할 수 있는 에너지 상태가 결여되어 있다. 전도에 유일하게 이용 가능한 운반체는 띠 간격 전체에 걸쳐 여기될 정도의 충분한 에너지를 갖는 전자 및 정공이다. 일반적으로, 반도체는 절연체에 비해 비교적 작은 띠 간격을 갖는다.
유기 반도체에 대한 에너지 띠 모델에 있어서, 띠 간격의 LUMO 측 상의 에너 지만이 전하 운반체이고, 띠 간격의 HOMO 측 상의 정공만이 전하 운반체이다.
본 명세서에서 사용되는 바의 용어 "유기"는 유기 광전자 소자의 제조에 사용할 수 있는 소분자 유기 물질 뿐 아니라 중합체 물질을 포함한다. "소분자"는 중합체 이외의 임의의 유기 물질을 지칭하며, "소분자"는 실질적으로 꽤 클 수 있다. 소분자는 특정 환경에서 반복 단위를 포함할 수 있다. 예컨대, 치환체로서 장쇄 알킬기를 사용하면 "소분자" 부류로부터 분자가 제거되지 않는다. 소분자는 또한 예컨대 중합체 주쇄 상의 펜던트 기로서 또는 주쇄의 일부로서 중합체에 혼입될 수 있다. 소분자는 또한 코어 부분에 형성된 일련의 화학적 쉘을 구성하는 덴드리머의 코어 부분으로서 작용할 수 있다. 덴드리머의 코어 부분은 형광성 또는 인광성 소분자 이미터일 수 있다. 덴드리머는 "소분자"일 수 있다. 일반적으로, 소분자는 분자마다 동일한 분자량을 갖는 한정된 화학식을 갖는 반면, 중합체는 분자에 따라 상이할 수 있는 분자량을 갖는 한정된 화학식을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바의 "유기"는 히드로카르빌 및 헤테로 원자로 치환된 히드로카르빌 리간드의 금속 착체를 포함한다.
일반적인 구조, 특성, 재료 및 특징을 비롯한 유기 감광 소자에 대한 기술의 추가 배경 설명 및 상세에 대해서는, 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,657,378호, 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,580,027호 및 불로빅 등에게 허여된 미국 특허 제6,352,777호를 본 명세서에서 참고로 인용한다.
발명의 개요
본 발명의 감광 소자는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 일련의 유기 광활성층을 포함한다. 일련의 층의 각각의 층은 일련의 층의 다음 층과 직접 접촉되어 있다. 일련의 유기 광활성층은 1 이상의 도너-억셉터 이종 접합을 형성되도록 배치되어 있다. 일련의 유기 광활성층은 도너로서 작용하는 제1 호스트 물질(host material)을 포함하는 제1 유기 광활성층, 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 제2 호스트 물질을 포함하는 제2 유기 광활성층, 및 억셉터로서 작용하는 제3 호스트 물질을 포함하는 제3 유기 광활성층을 포함한다. 제1 호스트 물질, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질은 상이하다. 제2 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층에 대한 억셉터로서 작용하거나 또는 제3 광활성층에 대한 도너로서 작용한다. 제2 유기 광활성층의 제2 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 제2 유기 광활성층 영역 대부분에 걸쳐 하나의 여기자의 확산 길이 이하이다. 바람직하게는, 제2 유기 광활성층의 제2 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 제2 유기 광활성층 영역 전체에 걸쳐 하나의 여기자의 확산 길이 이하이다.
제2 유기 광활성층은 개구부를 갖는 단일 층일 수 있으며, 제1 유기 광활성층은 상기 개구부를 통해 제3 유기 광활성층과 직접 접촉되어 있거나, 또는 제2 유기 광활성층은 제2 호스트 물질을 포함하는 복수의 아일랜드(island)를 갖는 불연속 층일 수 있으며, 제1 유기 광활성층은 아일랜드를 개재하여 제3 유기 광활성층과 직접 접촉되어 있다.
제2 호스트 물질은 바람직하게는 소분자이다. 제1 호스트 물질 및 상기 제3 호스트 물질도 바람직하게는 소분자이다. 소분자 제2 호스트 물질은 바람직하게는 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상이다.
제1 유기 광활성층, 제2 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 각각은 흡수 스펙트럼이 상이할 수 있다.
제2 유기 광활성층은 도너로서 작용할 수 있으며, 제1 호스트 물질 및 제2 호스트 물질은 흡수 스펙트럼이 상이하다. 도너로서 작용하는 경우, 제2 호스트 물질의 HOMO는 바람직하게는 제1 호스트 물질의 HOMO보다 0.16 eV 이하 높으며, 제2 호스트 물질의 띠 간격은 바람직하게는 제1 호스트 물질의 띠 간격 미만이다. 도너로서 작용하는 경우, 제2 호스트 물질은 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 정공 이동도가 1×10-9 ㎠/Vs 미만이고, 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상일 수 있다. 도너로서 작용하는 제2 호스트 물질의 예로는 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc) 및 납 프탈로시아닌(PbPc)이 있다. SnPc 또는 PbPc 도너와 함께 억셉터로서 작용하는 제3 호스트 물질을 위한 제3 호스트 물질의 예로는 C60이 있다.
제2 유기 광활성층은 억셉터로서 작용할 수 있으며, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질은 흡수 스펙트럼이 상이하다. 억셉터로서 작용하는 경우, 제2 호스트 물질의 LUMO는 바람직하게는 제3 호스트 물질의 LUMO보다 0.16 eV 이하 낮다. 억셉터로서 작용하는 경우, 제2 호스트 물질의 띠 간격은 바람직하게는 제3 호스트 물질의 띠 간격 미만이다.
제2 유기 광전도층의 두께는 바람직하게는 200 Å 이하이거나, 더욱 바람직하게는 100 Å 이하이다.
제2 호스트 물질은 바람직하게는 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상이고, 여기서 제2 유기 광활성층의 적어도 일부가 소자의 반사 표면으로부터 λ1·d + λ1/4(식 중, λ1은 600 내지 900 nm의 파장 대역에서의 파장이고, d는 ≥ 0인 정수임)의 광행로 길이에 배치되며, 반사 표면은 λ1에서 입사광의 50% 이상을 반사한다. 반사 표면은 예컨대 제1 전극, 제2 전극 및 반사기 중 하나에 제공될 수 있다.
상기 소자는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 광활성 전지의 스택을 포함할 수 있다. 이러한 스택에서, 일련의 유기 광활성층은 광활성 전지의 스택 중 제1 전지의 일부일 수 있다. 스택은 또한 다른 도너-억셉터 이종 접합을 포함하는 제2 광활성 전지를 적어도 포함한다. 스택의 제1 전지 및 제2 전지는 흡수 특성이 상이할 수 있다. 바람직하게는, 제1 전지의 평균 흡수도는 파장 λ1 ± 5% 범위에서 제2 전지의 평균 흡수도보다 크고, 제2 전지의 평균 흡수도는 파장 λ2 ± 5%(여기서 λ1 ≥ λ2 + 10%임) 범위에서 제1 전지의 평균 흡수도보다 크다.
일련의 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 벌크 또는 혼합 도너-억셉터 층을 더 포함할 수 있다. 벌크 또는 혼합 도너-억셉터 층은 제1 유기 광활성층의 제1 호스트 물질 및 제3 유기 광활성층의 제3 호스트 물질 모두를 포함한다.
일련의 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 제4 호스트 물질을 포함하는 제4 유기 광활성층을 더 포함할 수 있다. 제4 호스트 물질은 제1 호스트 물질, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질과는 상이하다. 제4 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층에 대한 억셉터로서 작용하거나 또는 제3 광활성층에 대한 도너로서 작용할 수 있다. 제4 유기 광활성층 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 하나의 여기자의 확산 길이 이하이다.
도 1은 도너-억셉터 이종 접합을 도시하는 에너지 준위 도식이다.
도 2는 도너-억셉터 이종 접합을 포함하는 유기 감광 소자를 도시한다.
도 3은 평면 이종 접합을 형성하는 도너-억셉터 이중층을 도시한다.
도 4는 도너층 및 억셉터층 사이에 혼합 이종 접합을 포함하는 혼성(hybrid) 이종 접합을 도시한다.
도 5는 벌크 이종 접합을 도시한다.
도 6은 쇼트키-배리어 이종 접합을 포함하는 유기 감광 소자를 도시한다.
도 7은 직렬 배치된 탠덤(tandem) 감광 전지를 도시한다.
도 8은 평행 배치된 탠덤 감광 전지를 도시한다.
도 9는 추가의 얇은 광활성층을 포함하도록 변경된 평면 이종 접합을 도시한다.
도 10a는 얇은 광활성층의 예의 단면을 도시한다.
도 10b는 얇은 보호층의 다른 예의 단면을 도시한다.
도 11은 도너로서 얇은 광활성층을 포함하는 에너지 준위 도식을 도시한다.
도 12는 억셉터로서 얇은 광활성층을 포함하는 에너지 준위 도식을 도시한다.
도 13은 도너로서 얇은 광활성층을 포함하는 혼성 이종 접합을 도시한다.
도 14는 억셉터로서 얇은 광활성층을 포함하는 혼성 이종 접합을 도시한다.
도 15는 복수의 얇은 광활성층을 포함하는 평면 이종 접합을 도시한다.
도 16은 도 15의 평면 이종 접합을 위한 복수의 얇은 광활성층을 포함하는 에너지 준위 도식을 도시한다.
도 17은 얇은 광활성층에 의한 흡수를 최대화하기 위한 다양한 층의 배치를 도시한다.
도 18은 얇은 광활성층을 포함하는 예시적인 감광 전지의 암실에서의 그리고 다양한 조명 세기 하에서의 전압의 함수로서의 전류 밀도를 도시한다.
도 19는 도 14와 동일한 소자에 대한 조명 세기의 함수로서의 전지 충전 인자(fill factor, FF) 및 개방 회로 전압(VOC)을 도시한다.
도 20은 도 14와 동일한 소자에 대한 조명 세기의 함수로서의 전력 전환 효율을 도시한다.
도 21은 도 14와 동일한 소자에 대한 함수 파장으로서의 외부 양자 효율 및 흡수 계수를 도시한다.
도 22는 분말로서 그리고 ITO 상에 증착된 상태로서의, 얇은 광활성층에 사 용되는 정제된 SnPc 원료 물질에 대한 x선 회절 결과를 도시한다.
도 23은 석영 상의 250 Å 두께의 SnPc 막의 표면 형태를 도시한다.
도면들은 반드시 실제 규모로 도시된 것은 아니다.
상세한 설명
유기 감광 소자는 빛이 흡수되어 여기자를 형성하고, 이어서 여기자가 전자 및 정공으로 해리될 수 있는 1 이상의 광활성 영역을 포함한다. 도 2는, 광활성 영역(150)이 도너-억셉터 이종 접합을 포함하는 유기 감광 광전자 소자(100)의 예를 도시한다. "광활성 영역"은 전류를 생성시키기 위해 전자기 방사선을 흡수하여 해리될 수 있는 여기자를 생성시키는 감광 소자의 부분이다. 소자(100)는 기판(110) 상에 애노드(120), 애노드 평활층(122), 도너(152), 억셉터(154), 여기자 차단층("EBL")(156) 및 캐소드(170)를 포함한다.
EBL(156)의 예는 EBL과 관련된 개시 내용을 본 명세서에서 참고로 인용하는, 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,451,415호에 개시되어 있다. EBL에 대한 추가의 배경 설명은 또한 문헌[Peumans et al., "Efficient Photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes," Applied Physics Letters 76, 2650-52(2000)]에서 찾을 수 있다. EBL은 여기자가 도너 및/또는 억셉터 물질로부터 이동하는 것을 방지하여 켄칭을 감소시킨다.
용어 "전극" 및 "접촉부(contact)"는 본 명세서에서 광생성된 전류를 외부 회로에 전달하거나 또는 바이어스 전류 또는 전압을 소자에 제공하기 위한 매체를 제공하는 층을 지칭하는 데에 교환적으로 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드(120) 및 캐소드(170)가 그 예이다. 전극은 금속 또는 "금속 대체물"로 구성될 수 있다. 본 명세서에서 용어 "금속"은 원소적으로 순수한 금속으로 구성된 물질, 및 또한 2개 이상의 원소적으로 순수한 금속으로 구성된 물질인 금속 합금 모두를 포함하여 사용된다. 용어 "금속 대체물"은 통상적인 정의 내의 금속이 아니지만, 도핑된 넓은 띠 간격을 갖는 반도체와 같이 전도성과 같은 금속 유사 특성을 가지며, 반도체, 전도 산화물 및 전도성 중합체를 축퇴(degeneration)시키는 물질을 지칭한다. 전극은 단일 층 또는 다중 층("복합형" 전극)을 포함할 수 있으며, 투명, 반투명 또는 불투명할 수 있다. 전극 및 전극 재료의 예로는 각자의 특징적인 개시 내용을 본 명세서에서 각각 참고로 인용하는, 불로빅 등에게 허여된 미국 특허 제6,352,777호 및 파타사라씨에게 허여된 미국 특허 제6,420,031호에 개시된 것들이 있다. 관련 파장에서 주위 전자기 방사선의 50% 이상을 투과하는 경우, 본 명세서에서는 층이 "투명"하다고 한다.
기판(110)은 소정의 구조적 특성을 제공하는 임의의 적절한 기판일 수 있다. 기판은 가요성 또는 강성, 평면 또는 비평면일 수 있다. 기판은 투명, 반투명 또는 불투명할 수 있다. 강성 플라스틱 및 유리는 바람직한 강성 기판 재료의 예이다. 가요성 플라스틱 및 금속 호일은 바람직한 가요성 기판 재료의 예이다.
애노드-평활층(122)은 애노드층(120) 및 도너층(152) 사이에 위치할 수 있다. 애노드-평활층은 이러한 특징과 관련된 개시 내용을 본 명세서에서 참고로 인용하는, 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,657,378호에 개시되어 있다.
도 2에서, 광활성 영역(150)은 도너 물질(152) 및 억셉터 물질(154)를 포함한다. 광활성 영역에 사용하기 위한 유기 물질은 고리 금속화 유기 금속 화합물을 비롯한 유기 금속 화합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "유기 금속"은 일반적으로 당업자가 이해하는 바와 같고, 예컨대 문헌[Chapter 13 of "Inorganic Chemistry" (2nd Edition) by Gary L. Miessler and Donald A. Tarr, Prentice Hall(1999)]에 제공된 바와 같다.
유기층은 진공 증착, 스핀 코팅, 유기 기상 증착, 잉크젯 인쇄 및 당업계에 공지된 다른 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
다양한 유형의 도너-억셉터 이종 접합의 예를 도 3 내지 도 5에 도시한다. 도 3은 평면 이종 접합을 형성하는 도너-억셉터 이중층을 도시한다. 도 4는 도너 및 억셉터 물질의 혼합물을 포함하는 혼합 이종 접합(153)을 포함하는 혼성 이종 접합을 도시한다. 도 5는 이상적인 "벌크" 이종 접합을 도시한다. 실제 소자에는 통상적으로 다수의 계면이 존재하긴 하지만, 이상적인 광전류의 경우, 벌크 이종 접합(253)은 도너 물질(252) 및 억셉터 물질(254) 사이에 단일 연속 계면을 갖는다. 혼합 및 벌크 이종 접합은 물질의 복수의 도메인을 갖는 결과, 다수의 도너-억셉터 계면을 가질 수 있다. 상반되는 유형의 물질로 둘러싸인 도메인(예컨대 억셉터 물질로 둘러싸인 도너 물질의 도메인)은 전기적으로 단리될 수 있어, 이러한 도메인은 광전류에 기여하지 않는다. 다른 도메인은 관류 통로(연속 광전류 통로)에 의해 접속될 수 있어, 이러한 다른 도메인은 광전류에 기여할 수 있다. 혼합 및 벌크 이종 접합 사이의 차이는 도너 및 억셉터 물질 사이의 상 분리 정도에 달려 있 다. 혼합 이종 접합에는 상 분리가 아주 적게 존재하거나 존재하지 않는 반면(도메인은 예컨대 몇 nm 미만으로 매우 작음), 벌크 이종 접합에는 (예컨대 크기가 수 nm 내지 100 nm인 도메인을 형성하는) 상당한 상 분리가 존재한다.
소분자 혼합 이종 접합은 예컨대 진공 증착 또는 증기 증착을 이용하는 도너 및 억셉터 물질의 공동 증착에 의해 형성될 수 있다. 소분자 벌크 이종 접합은 예컨대 성장 제어, 증착 후 어닐링을 이용하는 공동 증착 또는 용액 처리(solution processing)에 의해 형성될 수 있다. 중합체 혼합 또는 벌크 이종 접합은 예컨대 도너 및 억셉터 물질의 중합체 블렌드의 용액 처리에 의해 형성될 수 있다.
광 활성 영역이 혼합층(153) 또는 벌크층(252, 254), 및 도너층(152) 및 억셉터층(154) 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 광활성 영역이 "혼성" 이종 접합을 포함한다고 한다. 도 4의 층 배열은 그 예이다. 혼성 이종 접합의 추가의 설명에 대해서는, 2005년 10월 13일 공개된 찌엔겅 쉬에 등에 의한, 발명의 명칭이 "혼성 혼합 평면 이종 접합을 이용하는 고효율 유기 광전지"인 미국 공개 특허 출원 제2005-0224113호 A1을 본 명세서에서 참고로 인용한다.
일반적으로, 평면 이종 접합은 운반체 전도성이 양호하지만 여기자 해리성은 불량하며, 혼합층은 운반체 전도성은 불량하고 여기자 해리성은 양호하며, 벌크 이종 접합은 운반체 전도성 및 여기자 해리성이 양호하지만 물질 "cul-de-sacs"의 말단에서 효율을 낮추는 전하 축적(build-up)을 경험할 수 있다. 달리 명시하지 않는 한, 평면, 혼합, 벌크 및 혼성 이종 접합을 본 명세서에 개시된 구체예 전체에서 도너-억셉터 이종 접합과 교환적으로 사용할 수 있다.
도 6은 광활성 영역(350)이 쇼트키-배리어 이종 접합의 일부인 유기 감광 광전자 소자(300)의 예를 도시한다. 소자(300)는 투명 접촉부(320), 유기 광전도성 물질(358)을 포함하는 광활성 영역(350) 및 쇼트키 접촉부(370)를 포함한다. 쇼트키 접촉부(370)는 통상적으로 금속층으로서 형성된다. 광전도층(358)이 ETL인 경우, 금과 같은 일함수가 높은 금속을 사용할 수 있는 반면, 광전도층이 HTL인 경우, 알루미늄, 마그네슘 또는 인듐과 같은 일함수가 낮은 금속을 사용할 수 있다. 쇼트키-배리어 전지에서, 쇼트키 배리어와 관련된 고유 전기장이 여기자 내 전자 및 정공을 따로 끌어 당긴다. 일반적으로, 이러한 전기장 보조 여기자 해리는 도너-억셉터 계면에서의 해리만큼 효율적이지 않다.
도시된 바와 같은 소자를 엘리먼트(190)에 접속시킬 수 있다. 소자가 광전지 소자인 경우, 엘리먼트(190)는 전력을 소비 또는 저장하는 저항 로드(resistive load)일 수 있다. (2005년 5월 26일 공개된 포레스트 등에 의한 미국 공개 특허 출원 제2005-0110007호 A1의 실시예에 개시된 바와 같이) 소자가 광검출기일 경우, 엘리먼트(190)는 광검출기가 노광될 때 생성되는 전류를 측정하고 바이어스를 소자에 인가할 수 있는 전류 검출 회로이다. 정류 접합을 (예컨대 광활성 영역으로서 단일 광전도성 물질을 사용하여) 소자로부터 제거할 경우, 결과로 나온 구조물을 광전도체 전지로서 사용할 수 있는데, 이 경우 엘리먼트(190)는 광 흡수로 인한 소자 전체에 걸친 저항의 변화를 모니터링하기 위한 신호 검출 회로이다. 달리 명시하지 않는 한, 이들 배열 및 변경 각각을 본 명세서에 개시된 도면 및 구체예 각각에서 소자에 이용할 수 있다.
유기 감광 광전자 소자는 또한 투명한 전하 수송층, 전극 또는 전하 재결합 구역을 포함할 수 있다. 전하 수송층은 유기 또는 무기일 수 있고, 광전도적으로 활성이 있을 수 있거나 또는 없을 수 있다. 전하 수송층은 전극과 유사하지만, 소자 외부에 전기 접속부를 가지지 않으며, 광전자 소자의 서브섹션(subsection)으로부터 인접한 서브섹션으로 전하 운반체를 전달한다. 전하 재결합 구역은 전하 수송층과 유사하지만, 광전자 소자의 인접한 서브섹션 사이에서 전자 및 정공의 재결합을 가능하게 한다. 예컨대 재결합 구역 물질 및 구조에 대한 개시 내용을 본 명세서에서 각각 참고로 인용하는, 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,657,378호; 2004년 8월 11일 출원된 발명의 명칭이 "유기 감광 소자"인 랜드 등에 의한 미국 특허 출원 제10/915,410호; 및 2004년 11월 3일 출원된 발명의 명칭이 "스택된 유기 감광 소자"인 포레스트 등에 의한 미국 특허 출원 제10/979,145호에 개시된 바와 같이, 전하 재결합 구역은 나노클러스터, 나노입자 및/또는 나노로드를 포함하는 반투명 금속 또는 금속 대체물 재결합 중심을 포함할 수 있다. 전하 재결합 구역은 재결합 중심이 묻힌 투명한 매트릭스층을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 전하 수송층, 전극 또는 전하 재결합 구역은 광전지 소자의 서브섹션의 캐소드 및/또는 애노드로서 작용할 수 있다. 전극 또는 전하 수송층은 쇼트키 접촉부로서 작용할 수 있다.
도 7 및 도 8은 이러한 투명 전하 수송층, 전극 및 전하 재결합 구역을 포함하는 탠덤 소자의 예를 도시한다. 도 7의 소자(400)에서, 광활성 영역(150 및 150')은 개재 전도 영역(460)과 함께 직렬 배치로 전기적으로 스택된다. 도시된 바 와 같이 외부 전기 접속부 없이, 개재 전도 영역(460)은 전하 재결합 구역일 수 있거나 또는 전하 수송층일 수 있다. 재결합 구역으로서, 영역(460)은 투명 매트릭스층을 포함하거나 포함하지 않는 재결합 중심(461)을 포함한다. 매트릭스층이 없는 경우, 구역을 형성하는 물질의 배열은 영역(460) 전체에 걸쳐 연속적이지 않을 수 있다. 도 8의 소자(500)는 상부 전지가 역 배치(즉 캐소드가 아래에 위치함)된, 평행 배치로 전기적으로 스택된 광활성 영역(150 및 150')을 도시한다. 도 7 및 도 8 각각에서, 광활성 영역(150 및 150') 및 차단층(156 및 156')은 용도에 따라 동일한 각각의 물질 또는 상이한 물질로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 광활성 영역(150 및 150')은 동일한 유형(즉, 평면, 혼합, 벌크, 혼성)의 이종 접합일 수 있거나, 또는 상이한 유형일 수 있다.
상기 설명한 소자 각각에서, 여기자 차단층과 같은 층은 생략할 수 있다. 반사층 또는 추가의 광활성 영역과 같은 다른 층을 추가할 수 있다. 층의 순서는 변경되거나 반대가 될 수 있다. 예컨대 본 명세서에서 참고로 인용하는 포레스트 등에게 허여된 미국 특허 제6,333,458호 및 퓨만즈 등에게 허여된 미국 특허 제6,440,769호에 개시된 바와 같이 집신기(concentrator) 또는 트래핑 배치를 이용하여 효율을 증가시킬 수 있다. 예컨대 본 명세서에서 참고로 인용하는, 2004년 6월 1일 출원된 발명의 명칭이 "비주기적인 유전체 다중 층 스택"인 퓨만즈 등에 의한 미국 특허 출원 제10/857,747호에 개시된 바와 같이, 코팅을 사용하여 광학 에너지를 소자의 소정 영역에 집중시킬 수 있다. 탠덤 소자에서, 전극을 통해 전지 사이에 전기 접속을 제공하면서, 투명한 절연층을 전지 사이에 형성시킬 수 있다. 또한 탠덤 소자에서, 광활성 영역 중 1 이상은 도너-억셉터 이종 접합 대신에 쇼트키-배리어 이종 접합일 수 있다. 명확하게 설명된 것 이외의 배열을 이용할 수 있다.
광전지 소자가 로드 전체에 걸쳐 접속되고 빛에 의해 조사될 때 광생성 전류를 생성시킨다. 무한 로드 하에서 조사될 경우, 광전지 소자는 이의 최대 가능 전압, V 개방 회로 또는 VOC를 생성시킨다. 전기 접촉을 감소시킨 채로 조사할 경우, 광전지 소자는 이의 최대 가능 전류, I 단락 회로 또는 ISC를 생성시킨다. 전력을 생성시키는 데에 실질적으로 사용하는 경우, 광전지 소자를 유한 저항 로드에 접속시키고, 전류와 전압의 곱, I×V에 의해 출력을 얻는다. 광전지 소자에 의해 생성된 최대 총 전력은 곱, ISC×VOC를 원래 초과할 수 없다. 로드 값이 최대 전력 적출에 대해 최적화될 때, 전류 및 전압은 각각 Imax 및 Vmax 값을 갖는다.
광전지 소자에 대해 장점이 되는 수치는 하기와 같이 정의되는 충전 인자, ff이다:
상기 식 중, ISC 및 VOC가 실제 사용시에는 절대 동시에 얻어지지 않기 때문에, ff는 항상 1 미만이다. 그럼에도 불구하고, ff가 1에 근접할수록, 소자는 더 적은 직렬 또는 내부 저항을 가지며, 이에 따라 최적 조건 하에서 더 높은 ISC 및 VOC의 곱(%)을 로드에 전달한다. Pinc가 소자에 입사되는 전력인 경우, 소자의 전력 효율, P는 하기에 의해 계산될 수 있다:
유기 광전지는 종래의 규소계 소자에 비해 다수의 잠재적인 이점이 있다. 유기 광전지는 경량이고, 재료 사용이 경제적이며, 가요성 플라스틱 호일과 같은 저렴한 기판 상에 증착시킬 수 있다. 그러나, 일부 유기 광전지 소자는 통상적으로 외부 양자 효율이 1% 이하 정도로 비교적 낮다. 이는 부분적으로는 고유한 광전도 공정의 2차 성질(second order nature) 때문인 것으로 생각된다. 즉, 운반체 생성은 여기자 생성, 확산 및 이온화 또는 수집을 필요로 한다. 이들 공정 각각과 관련된 효율이 존재한다. 아래 첨자는 하기와 같이 사용될 수 있다: P는 전력 효율, EQC는 외부 양자 효율, A는 광자 흡수도, ED는 여기자 확산도, CC는 전하 수집도 및 INT는 내부 양자 효율. 하기 식을 이용한다
플라스틱 기판 상에 증착된 소분자량 유기 박막을 사용하는 광전지(PV cell) 및 광검출기는 저비용 및 경량이라는 잠재적인 이점이 있다. 문헌[S. R. Forrest, "The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic," Nature 428, 911-918(2004)] 참조. 최근, 새로운 재료 및 소자 구조를 사용함으로써 분자 유기 PV 전지의 전력 전환 효율이 꾸준히 개선되었다. 문헌[S. R. Forrest, "The Limits to Organic Photovoltaic Cell Efficiency," MRS Bulletin 30, 28-32(2005); 및 J. Xue et al., "Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hydbrid planar-mixed molecular heterojunctions," Applied Physics Letters 85, 5757-5759(2004)] 참조.
그러나, 유기 PV 에너지 전환이 갖는 한 가지 문제는 태양 스펙트럼을 이용시 활성층 흡수 사이의 중첩에 한계가 있다는 것이다. 실제로, 총 태양 광자 유량의 60% 이상이 파장 λ > 600 nm에 있고, 적색 및 근적외선(NIR) 스펙트럼에서 약 50%가 파장 600 < λ < 1000 nm에 있다. 따라서, NIR 방사선을 흡수하여 흡수된 광자를 전류로 효율적으로 전환시킬 수 있는 새로운 재료를 개발할 필요가 있다.
최근에, λ = 1000 nm 이하의 NIR 방사선에 감광성이 있는, 중합체를 주성분으로 하는 태양 전지가 1 일광 조명(sun illumination) 하에서 0.3%의 전력 전환 효율을 달성하였다. 문헌[X. J. Wang et al., Applied Physics Letters 85, 5081(2004)] 참조. 그러나, 소분자 물질을 이용하는 이전의 노력은 NIR에 대한 소자 반응도를 증가시키는 데에는 실패하였다.
소분자 감광 소자를 개발하려는 연구로 NIR 반응도를 달성하는 것 이외에 임의의 도너-억셉터 이종 접합의 감광도를 조정 및/또는 확장하는 데에 사용할 수 있는 새로운 구조물을 얻었다. 도너 및 억셉터 사이에 얇은 감광층을 삽입함으로써, 이 새로운 구조물은 전체 소자 두께를 유지하지만 다른 물질을 사용해서는 접근할 수 없는, 스펙트럼의 일부에서 광전류를 생성할 수 있는 감광 소자의 건조를 가능하게 한다.
또한, 통상적인 도너 또는 억셉터 층으로서 사용 가능한 것들 이외의 다양한 다른 물질을 얇은 감광층으로서 사용하는 데에 유용하다. 예컨대, 소자 기능을 손 상시키지 않고 전하 운반체 이동도가 낮은 물질을 사용할 수 있다. 얇은 감광층을 에너지적으로 유리한 도너 또는 억셉터 층과 페어링함으로써, 도너 및 억셉터 사이에서의 운반체 수송을 방해하지 않으면서, 얇은 감광층이 광전류에 기여한다.
도 9는 광활성 영역(950)에 새로운 얇은 감광층(980)을 삽입하기 위해 변형된, 상기 논의한 소자(예, 100, 400, 500)에 사용되는 바의 도너-억셉터 이종 접합을 도시한다. 얇은 감광층(980)은 도너(152) 또는 억셉터(154)와는 상이한 호스트 물질을 포함한다. 본 명세서에서 정의되는 바의 유기 광활성층의 "호스트 물질"은 각각의 층의 50몰% 이상을 구성하는 광활성 유기 분자이다. 얇은 감광층(980)을 도너 또는 억셉터로서 배치할 수 있다. 임의의 경우에, 감광층(980)의 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 얇은 감광층(980) 영역 대부분(> 50%)에 걸쳐 하나의 여기자의 확산 길이 이하이다. 여기자의 확산 길이는 1/e 여기자가 붕괴/재결합하는 이동 거리이다. 거리는 영역 "대부분"에 걸쳐 있는데, 이는 층(980)이 국소 두께(예, 범프 및 비드)에서 소편차 및 에지 효과를 포함할 수 있기 때문이다. 바람직하게는, 에지 효과 등이 회피되고, 얇은 감광층(980)의 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 얇은 감광층(980) 영역 전체에 걸쳐 하나의 여기자의 확산 길이 이하이다. 바람직하게는, 감광층(980)에 걸친 이 거리의 2배가 200 Å 이상인 경우, 층 두께는 200 Å 이하이다. 더욱 바람직하게는, 층 두께는 100 Å 이하이다.
효율 문제로 인해, 감광층(980)의 얇기와 광전류 기여도 사이의 균형이 깨질 수 있다. 박층은 도너층(152) 및 억셉터층(154) 사이를 통과하는 운반체에 대한 광 활성층 전체에 걸친 저항을 최소화하고, 감광층(980)에 형성된 여기자의 정류 계면에의 도달능을 최대화하는 것이 바람직하다. 박층은 광자가 감광층(980)의 흡수 파장 대역에 흡수될 수 있는 부피를 갖는 것이 바람직하다. 2개의 여기자의 확산 길이가 이상적인 두께 상한에 있는 경우, 대부분의 물질 조합 및 광원 스펙트럼에 대해 더 얇은 감광층(980)이 바람직할 것으로 예상된다.
얇은 감광층(980)은 고체일 수 있지만, 이는 대신에 도 10a에 도시된 바와 같이 다공성일 수 있다. 다공성인 경우, 감광층(980)은 단일 층을 통과하는 복수의 통로(1001)(즉 개구부)를 포함한다. 전하 운반체가 존재한다면, 인접층[예컨대 도너(152) 및 억셉터(154)]이 층 사이의 직접 통로인 통로(1001)를 통해 서로 직접 접촉한다. 예컨대 덮힘률(coverage)에 대한 자연적인 불규칙성(예컨대 물질 핵 생성 위치가 접속될 때까지, 그러나 모든 간격이 채워지기 전의 성장)이 존재하는 이러한 박층(980)을 사용함으로 인해, 또는 불규칙한 덮힘률을 초래하는, 아래에 놓인 층[예컨대 도너(152)]에 표면 불규칙성을 갖게 함으로써, 증착 공정 동안 통로(1001)가 나타날 수 있다.
도 10b는 박층(980)의 다른 예이다. 이 예에서, 층은 물질의 복수의 불연속 아일랜드를 포함한다. 예컨대 핵 생성 직후의 성장 정지로 인해, 증착 공정 동안 아일랜드(1002)가 나타날 수 있다.
물질 핵 성장 후 긴 성장을 계속시키는 방법을 제어함으로써 제조 동안 고체층, 아일랜드의 불연속 층 또는 다공성 단일 층을 간단하게 선택할 수 있다. 층(980)의 모든 3가지 스타일이 실시 가능하지만, 통로(1001)를 통해 인접층[예컨 대 도너(152) 및 억셉터(154)] 사이에 직접 전하-운반체 통과를 제공하므로, 광활성 표면적의 균형을 위해 다공성 단일 층이 바람직하다.
바람직하게는, 얇은 감광층(980)은 소분자 물질이다. 마찬가지로, 도너층(152) 및 억셉터층(154)도 소분자 물질인 것이 바람직하다. NIR을 흡수하기 위해, 제2 물질은 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상일 수 있다. 흡수 스펙트럼의 덮힘률을 최대화하기 위해, 3개의 광활성층(152, 980, 154)은 각각 상이한 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다.
도 11을 참조로 해보면, 도너층(152)과는 상이한 호스트 물질을 포함하는 얇은 감광층(980)이 도너로서 작용할 수 있다. 바람직하게는, 얇은 감광층(980)의 HOMO는 도너층(152)의 HOMO보다 5kT 이상 높지 않아서(k는 볼츠만 상수이고, T는 작동 온도임), 도너층(152)-감광층(980) 계면에서 정공의 트래핑이 회피된다. HOMO 준위의 이러한 차이를 도 11에서 ΔE1으로 나타낸다.
유기 감광 소자에 대한 작동 온도는 T = -40℃ 내지 + 100℃의 범위인 것으로 보통 지정된다. 따라서, 최대 제한치로서 + 100℃를 사용하여 5kT[즉, 5×1.3806505E-23(J/K)/1.602E-19(J/eV)×(T℃+273.15)°K)를 풀면, 얇은 감광층(980)의 HOMO는 도너층(152)의 HOMO보다 0.16 eV 이하 높아야 한다.
도너로서 감광층(980)을 배열하는 경우, 감광층(980)을 형성하는 물질의 띠 간격은 도너층(152)을 형성하는 물질의 띠 간격 미만일 수 있다. 흡수 감광도는 일반적으로 순수한 물질의 띠 간격에 반비례하므로, 도너층(152)만을 사용시 일어날 수 있는 것보다 더 긴 파장의 광자를 흡수 가능하게 하는 방식으로 띠 간격을 배열한다.
감광층(980)을 얇게 유지함으로써, 광활성 소자에 임의의 합리적인 효율을 갖는 이용 불가능했던 모든 부류의 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 도너로서 감광층(980)을 사용하는 경우, 감광층(980)의 호스트 물질은 정공 이동도가 1×10-9 ㎠/Vs 미만일 수 있다. 통상적으로, 이러한 물질을 도너로서 사용하는 것은 통상적이지 않은데, 높은 정공 이동도는 소자의 외부 양자 효율을 최대화하기 위해 도너에게 요구되는 특성이기 때문이다. 그러나, 정공 이동도가 불량하지만 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상인, 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc) 및 납 프탈로시아닌(PbPc)과 같은 정공 이동도가 낮은 다수의 물질이 존재한다.
따라서, 매우 바람직한 흡수 특성을 갖지만 이동도 특성이 불량한 물질은 불량한 이동도 특성으로 인해 이전에는 사용할 수 없었지만, 이러한 물질을 감광층(980)에 사용할 수 있다.
도 12를 참조로 해 보면, 억셉터층(154) 외에 다른 호스트 물질을 포함하는 얇은 감광층(980)이 억셉터로서 작용할 수 있다. 바람직하게는, 얇은 감광층(980)의 LUMO는 억셉터층(154)의 LUMO보다 5kT 이상 낮지 않아서, 억셉터층(154)-감광층(980) 계면에서 전자의 트래핑이 회피된다. LUMO 준위의 이러한 차이를 도 12에 서 ΔE2로 나타낸다.
억셉터로서 감광층(980)을 배열하는 경우, 감광층(980)을 형성하는 물질의 띠 간격은 억셉터층(154)을 형성하는 물질의 띠 간격 미만일 수 있다. 흡수 감광도는 일반적으로 순수한 물질의 띠 간격에 반비례하므로, 억셉터층(152)만을 사용시 일어날 수 있는 것보다 더 긴 파장의 광자를 흡수 가능하게 하는 방식으로 띠 간격을 배열한다.
감광층(980)을 얇게 유지함으로써, 전자 이동도가 1×10-9 ㎠/Vs 미만인 호스트 물질을 사용할 수 있다. 통상적으로, 이러한 물질을 억셉터로서 사용하는 것은 통상적이지 않은데, 높은 전자 이동도는 소자의 외부 양자 효율을 최대화하기 위해 억셉터에게 요구되는 특성이기 때문이다. 따라서, 매우 바람직한 흡수 특성을 갖지만 이동도 특성이 불량한 물질은 불량한 이동도 특성으로 인해 이전에는 사용할 수 없었지만, 이러한 물질을 감광층(980)에 사용할 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 감광층(980)을 또한 혼성 이종 접합에 사용할 수 있다. 도 13에서, 감광층(980)은 광활성 영역(1350) 내에서 도너로서 작용한다. 바람직하게는, 도너로서, 얇은 감광층(980)의 HOMO는 도너층(152)의 HOMO보다 5kT 이상 높지 않다(ΔE1). 도 14에서, 감광층(980)은 광활성 영역(1450) 내에서 억셉터로서 작용한다. 바람직하게는, 억셉터로서, 얇은 감광층(980)의 LUMO는 억셉터층(154)의 LUMO보다 5 kT 이상 낮지 않다(ΔE2).
도 15는 복수의 도너 감광층(980a, 980b) 및 복수의 억셉터 감광층(980c, 98Od)을 포함하는 광활성 영역(1550)을 도시한다. 도 16은 도 15의 단일 광활성 영역 내에 복수의 얇은 감광층(980a-d)을 포함하는 감광 전지에 대한 에너지 준위 도식이다. 바람직하게는, 전하 운반체 트래핑을 회피하기 위해, 제1의 얇은 감광 도너층(980a)의 HOMO는 도너층(152)의 HOMO보다 5 kT 이상 높지 않고(ΔE1,1); 제2의 얇은 감광 도너층(980b)의 HOMO는 제1의 얇은 감광 도너층(980a)의 HOMO보다 5kT 이하 높으며(ΔE1,2); 제1의 얇은 감광 억셉터층(980c)의 LUMO는 제2의 얇은 감광 억셉터층(980d)의 LUMO보다 5kT 이상 낮지 않으며(ΔE2,1); 제2의 얇은 감광 억셉터층(980d)의 LUMO는 억셉터층(154)의 LUMO보다 5kT 이상 낮지 않다(ΔE2,2).
1 이상의 감광층(980)을 갖는 광활성 영역(950, 1350, 1450, 1550)은 소자(100, 400 및 500)를 비롯한 상기 설명한 감광 소자 내 광활성 영역(150 및/또는 150')과 교환 가능하다.
도 17에 도시된 바와 같이, 소자의 반사 표면으로부터 λ1·d + λ1/4[식 중, d는 ≥ 0인 정수임)의 광행로 길이에 [도시된 바와 같이, 도 7에 도시된 탠덤 소자 내 광활성 영역(950/1350/1450/1550) 내에 층으로서 배치된] 얇은 감광층(980)의 적어도 일부를 배치함으로써 소자 기능이 개선된다. 예컨대, 감광층(980)이 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상인 경우, λ1은 600 내지 900 nm의 파장 대역에서의 파장이다. 감광층의 일부가 더 잘 중첩되도록 이 띠(750 nm, 도시된 바와 같음) 내에 피크를 위치시킴으로써, 소정의 띠폭에서의 광 흡수가 보장된다.
반사 표면은 바람직하게는 λ1에서 입사광의 50% 이상을 반사한다. 반사 표면은 개별층일 수 있거나, 또는 전극[예컨대 도 2 및 도 7에서는 캐소드(170); 도 8에서는 애노드(170')] 중 하나에 의해 제공될 수 있다.
감광층(980)이 전지의 스택 내의 제1 전지의 광활성 영역에 존재할 경우, 상이한 흡수 특성을 갖는 상이한 전지를 배치함으로써 전체 성능을 개선시킬 수 있다. 바람직하게는, [감광층(980)을 갖는] 제1 전지의 평균 흡수도는 파장 λ1 ± 5% 범위에서 제2 전지의 평균 흡수도보다 크고, 제2 전지의 평균 흡수도는 파장 λ2 ± 5%(여기서 λ1 ≥ λ2 + 10%이고, λ1은 600 내지 900 nm의 흡수 대역에서의 파장임) 범위에서 제1 전지의 평균 흡수도보다 크며, 감광층(980)으로서 작용하는 호스트 물질은 600 내지 900 nm에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상이다.
어떠한 물질이 도너를 구성하고 어떠한 물질이 억셉터를 구성하는 지는 층간의 상대적인 에너지 준위에 따라 달라지기 때문에, 동일한 물질(예컨대 SnPc, PbPc)이 도너(152/252) 및 억셉터(154/254)로서 한 세트의 물질을 사용시 도너층으로서 작용할 수 있고, 도너(152/252) 및 억셉터(154/254)로서 상이한 세트의 물질을 사용시 억셉터층으로서 작용할 수 있다.
λ > 900 nm의 파장에서 감광도를 갖는 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc)/C60 도너/억셉터 이종 접합을 기초로 하는 유기 광전지 상에서 실험을 수행하였다. SnPc의 다결정질 박막의 정공 이동도가 μh = (2 ± 1)×10-10 ㎠/Vs로 낮기 때문에 두꺼운 층을 사용할 수 없어서, 충전 인자 및 전력 전환 효율이 낮았다. 그러나, 흡수 계수가 커서, SnPc의 50 Å 두께 층으로 λ = 750 nm에서 21% 이하의 외부 태양 전지 외부 양자 효율을 얻었다. 산화인듐주석/100 Å 구리 프탈로시아닌/50 Å SnPC/540 Å C60/75 Å 배쏘쿠프로인(bathocuproine)/Ag의 이중 헤테로 구조를 이용하여, 본 발명자들은 1 일광(sun) 표준 AM1.5G 태양 조명 하에서 (1.0 ± 0.1)%의 전력 전환 효율을, 그리고 강한(10 일광) 표준 AM1.5G 태양 조명 하에서 (1.3 ± 0.1)%의 효율을 얻었다. SnPc 감광층(산화인듐주석/구리 프탈로시아닌/C60/Ag 소자)이 없는 소자의 예에 대해서는, 문헌["4.2% efficient organic photovoltaic cell with low series resistances," by J. Xue et al., Applied Physics Letters 84, 3013-3015(2004)] 참조.
유기 물질의 광생성 공정은 여기자 또는 전자-정공 결합 쌍을 생성시키는 광자의 흡수를 이용하여 시작한다. 효율적인 유기 광전지 소자에서, 그 다음 여기자가 도너-억셉터 계면에서 유리 전하 운반체로 해리되고, 이것이 이어서 각각의 전극에서 수집된다. 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc) 층을 이중 헤테로 구조 유기 태양 전지 내 전자 도너로서 사용하면, SnPc층은 NIR 입사광을 광전류로 효율적으로 전환시킨다. 1 일광 표준 AM1.5G(공기 질량 1.5 글로벌) 태양 조명 하에서 η p = (1.0 ± 0.1)%의 전력 전환 효율이 가능하다. 극박 SnPc층에 대한 충전 인자는 FF = 0.5인데 반해, 이전에 설명한 소자{문헌[X. J. Wang et al., Applied Physics Letters 85, 5081(2004)]}의 FF = 0.32이기 때문에, 높은 효율이 생긴다. 낮은 정공 이동도가 소자 성능에 역효과를 미치지 않도록, SnPc층 두께를 제어하여 이러한 높은 FF를 달성한다.
15 Ω/sq의 면적 저항을 갖는 유리 기판 상에 상업적으로 예비 코팅된 산화인듐주석(ITO)의 150 Å 두께 층 상에 모든 소자를 제작하였다. 기판을 고진공실(기초 압력 ∼3×10-7 토르)에 로딩하기 직전에 5 분 동안 용매로 세정한{문헌[J. Xue et al., Journal Applied Physics 95, 1869(2004)] 참조} ITO 표면을 자외선/O3 중에서 처리하였는데, 여기서 유기층 및 1000 Å 두께의 Ag 캐소드를 열 증발을 통해 증착시켰다. 증착 전에, 진공 열 구배 승화를 이용하여 3 주기로 유기 물질을 정제하였다. {문헌[R. A. Laudise et al., Journal of Crystal Growth 187, 449(1998)] 참조}.
소자 면적을 한정하기 위해 Ag 캐소드를 직경이 1 mm인 개구부를 갖는 쉐도우 마스크를 통해 증발시켰다. HP4155B 반도체 변수 분석기를 이용하여 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성을 암실에서 그리고 모의 AM1.5G 태양 조명(오리엘 인스트루먼츠) 하에서 측정하였다. 국립 재생 에너지 연구소의 추적 가능한 보정된 Si 검출기(ASTM 표준 E1021, E948, E973 아메리칸 소사이어티 포 테스팅 앤드 머티어리얼즈, 미국 펜실베이니아주 웨스트 콘쇼호큰 소재)를 이용하는 표준 방법을 이용하여 조명 세기 및 양자 효율 측정을 수행하였다.
모의 및 실제(즉, 표준) 태양 스펙스럼 사이의 차이를 본 발명자의 최종 효율 측정에서 보정하였다. 석영에서의 흡수 손실을 상쇄하기 위해 순수 석영(clean quartz) 기판과 관련된 PerkinElmer Lambda 800 UV/가시광 분광계를 이용하여 석영 기판 상에서 흡수 스펙트럼을 측정하였다. ITO 및 Au 접촉부 사이에 낀 1000 Å 두께의 층으로 구성된 소자에 대해 SnPc 정공 전도성을 측정하였다.
도 18은 암실에서 그리고 AM1.5G 표준 태양 조명의 다양한 조명 세기(P0 ) 하에서 ITO/CuPc(100 Å)/SnPc(50 Å)/C60(540 Å)/BCP(75 Å)/Ag(여기서 CuPc는 구리 프탈로시아닌을 지칭하고, BCP는 배쏘쿠프로인임) 구조를 갖는 소자의 J-V 특성을 도시한다. 도너-억셉터 이종 접합을 SnPc/C60 계면에서 한정하며, BCP는 여기자 차단층으로서 작용한다. 암실 전류를 통상적인 p-n 접합 다이오드 이론{문헌[J. Xue et al., Applied Physics Letters 84, 3013-3015(2004)] 참조}에 맞추어 RS = 0.17 Ω ㎠의 직렬 저항 및 n = 1.96 ± 0.05의 이상적인 인자를 얻었다. 에너지 준위 도식을 도 18에 삽입 도시하는데, 여기서 최고 점유 분자 궤도 함수 에너지 준위는 자외선 광전자 분광법에 의해 측정하였다. 최저 비점유 분자 궤도 함수 에너지는 각각의 물질의 광학 에너지 간격을 이용하여 추정하였다.
도 19 및 도 20은 P0 의 함수로서 동일한 소자에 대한 다양한 광전지 성능 변수를 도시한다. 여기서, 측정된 세기 범위 전체에서 FF는 ∼0.5인 반면, 개방 회로 전압(VOC )은 1 일광(100 mW/㎠)에서 0.4 V의 값을 가지며 12 일광 세기에서 0.51 V 이하의 값을 가져 P0 와 함께 대수적으로 증가한다. 반응도(JSC /P0 에 상당함, 여기서 JSC 는 단락 회로 전류 밀도임)는 P0 = (0.05 ± 0.02) A/W로 비교적 일정하다. 소자 변수에서의 이러한 경향으로 인해, ηP 는 1 일광 표준 AM1.5G 태양 조명 하에서 VOC 와 함께 (1.0 ± 0.1)%로 증가하여 12 일광 하에서 (1.3 ± 0.1)%에 도달한다. FF 및 JSC /P0 모두가 1 내지 12 일광의 P0 과 일치한다는 사실은, 소자 내 운반체 수집이 효율적이고 운반체 재결합으로 세기가 상당히 증가하지 않음을 시시한다.
소자의 활성층의 외부 양자 효율(η EQE ) 및 흡수 계수(α)를 파장의 함수로서 도 21에 도시한다. 피크 값이 각각 λ = 620 nm에서 1.3×105 cm-1인데 반해 λ= 740 nm에서 α = 3.5×105 cm-1에 도달하여, SnPc(점선)의 저에너지 Q-띠는 CuPc(실선)보다 상당히 더 강한 흡수도를 나타낸다. 또한, SnPc에 대한 α는 λ= 1000 nm까지 상당한 흡수도를 가지면서 NIR로 연장된다. 흡수 계수는 SnPc의 50 Å 두께 막으로부터 계산하였고, 소자에 사용한 것과 동일하다. 막 두께가 증가하면 스펙트럼 형상이 변화하고, λ= 860 nm에서 피크는 740 nm에서의 피크(데이터 미도시)에 비해 증가하였는데, 이는 SnPc 이량체를 형성하는 분자 응집체로 인한 것일 수 있다. 즉, 가장 얇은 SnPc층이 균일한 표면 덮힘률을 제공하지 않는다고 가정하면, 일부 영역은 고밀도의 이량체를 포함하는 SnPc 클러스터를 함유할 수 있는 반면, 다른 영역은 이량체의 완전한 부재 하에 단일 층을 가지거나 또는 덮힘률을 갖지 않을 것이다. 이 경우, 긴 파장 응집체 피크 세기도 감소할 것이다. 도 18의 PV 전지의 η EQE (도 21, 채워진 원)는 구성 물질의 흡수도에 따라 달라지는데, η EQE = 36%에서 피크를 나타내는 C60은 350 < λ < 550 nm 사이에서 광전류에 기여하는 반면, 21%에서 피크를 나타내는 SnPc는 600 < λ < 1000 nm에서 기여한다.
전달 행렬을 이용하는 광학 모델{문헌[L. A. A. Pettersson et al., Journal of Applied Physics 86, 487(1999)] 참조}은, SnPc 영역이 ∼40%의 내부 양자 효율에 기여한다고 제안한다. 아래에 있는 CuPc층으로부터의 기여에 해당하는 λ= 575 및 620 nm에서 η EQE 에서의 추가의 작은 반응 피크가 존재한다. 50 Å 두께의 SnPc층이 불연속적이어서 효율적인 전하 분리 영역을 형성하는 CuPc 및 C60 사이에 국부 직접 접촉을 가능하게 하기 때문에 이 나중 반응은 일어나며, 이는 가장 얇은 막에 대한 불균일한 층 덮힘률에 대한 본 발명자의 가정을 추가로 뒷받침한다. {문헌[J. Xue et al., Applied Physics Letters 84, 3013-3015(2004)] 참조}.
중심 Sn 원자는 분자 평면으로부터 1.13 Å에 존재하여 SnPc가 삼사정계 상으로 결정화되게 한다{문헌[M. K. Friedel et al., Chemical Communications, 400(1970); 및 R. Kubiak et al., Journal of Alloys and Compounds 189, 107(1992)] 참조}. 정제된 원료 물질의 분말 x선 회절을 도 22에 도시하는데, 공지된 분자 결정 구조를 이용하여 피크를 확인하였다. d (101) = (7.03 ± 0.02) Å의 격 자 평면 간격에 해당하는 2θ = (12.60 ± 0.05)°에서 단일 피크를 갖는, ITO 상에 증착된 SnPc의 1000 Å 두께 막을 도 22에 도시한다. 이는 과거의 연구와 일치되게, SnPc 막이 ITO 표면 상에 우선적으로 평평하게 존재하는 분자를 갖는 다결정임을 시사한다. {문헌[K. Walzer et al., Surf. Sci. 471, 1(2001); 및 L. B. Chen et al., Acta Phys. Sin. 45, 146(1996)] 참조}.
도 23은 석영 상의 250 Å 두께의 SnPc 막의 표면 형태를 도시한다. 주사 전자 현미경 사진은 다결정질 막을 시사하는 거칠고 주름 잡힌 표면을 보여주었지만, 원자력 현미경 사진(도 23, 삽입)에 의해 47 Å의 제곱 평균 제곱근을 얻었다.
유기물에 대한 상대 유전 상수가 3일 것으로 가정하고, ITO/SnPc(1000 Å)/Au 소자의 공간 전하 한정 전류를 차일드 법칙(Child's law)에 맞춰 SnPc 막 내 정공 이동도를 측정하였다{문헌[M. Pope and C. E. Swenberg, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2nd ed. (Oxford University Press, New York, 1999); 및 B. P. Rand, J. Xue, S. Uchida and S. R. Forrest, "Mixed donor-acceptor molecular heterojunctions for photovoltaic applications. I. Material properties," submitted to the Journal of Applied Physics on 9 February 2005] 참조}. 이 분석에 의해, μh = (7 ± 1)×10-4 ㎠/Vs를 갖는 CuPc에 비해, μh = (2 ± 1)×10-10 ㎠/Vs의 정공 이동도를 얻었다. [문헌(B. P. Rand, J. Xue, S. Uchida, and S. R. Forrest, "Mixed donor-acceptor molecular heterojunctions for photovoltaic applications. I. Material properties," submitted to the Journal of Applied Physics on 9 February 2005) 참조].
더 큰 분자간 간격으로 인해 비평면 SnPc 분자의 다결정질 막은 CuPc에 비해 더 적은 분자 궤도 함수 중첩을 가질 수 있다. 실제로, SnPc 내의 4개의 배위 N 원자에 의해 형성된 평면 사이의 간격은 단위 전지 내에서 3.56 Å 내지 2.87 Å로 변경되는 반면{문헌[R. Kubiak et al., Journal of Alloys and Compounds 189, 107(1992)] 참조}, CuPc의 경우에 이는 3.34 Å이다{문헌[C. J. Brown, J. Chem. Soc. A, 2488(1968)] 참조}.
정공 이동도를 결정하는 SnPc 격자 내 2개의 간격 중 더 큰 것이 이들 물질 사이에서 관찰되는 μ h 에서의 상당한 차이를 설명할 수 있다. 층 두께가 증가하면서, SnPc의 낮은 이동도로 인해 직렬 저항이 증가하여 PV 전지 내 FF가 낮아진다. 즉, 50 Å 두께의 SnPc층에 대한 FF = 0.5(도 19 참조)가 1 일광 세기에서 200 Å 두께의 SnPc 도너층에 대해 0.31로 하강하였다. SnPc 증착 전에 ITO 표면 상에 100 Å 두께의 CuPc 습윤층을 증착시키면, 얇은 도너층에서의 불연속성으로 인해 후속 C60 억셉터층이 ITO와 직접 접촉되는 것이 방지된다.
요약하면, 이 실험은 얇은 감광 전자 도너층으로서 SnPc를 사용하여 감광도를 NIR로 연장시 유기 태양 전지의 이용 가능성을 증명한다. 전지 외부 양자 효율은 350 < λ < 1000 nm의 파장에 대해 중요한데, 이는 350 < λ < 875 nm 범위에서 10% 이상으로 유지된다. 본 발명자들은 양호한 전하 수송을 유지하기 위해 층 두께 를 최적화하고 최고 입사광 세기의 영역에 도너/억셉터 계면을 배치함으로써, 1 일광 표준 AM1.5G 태양 조명 하에서 (1.0 ± 0.1)%의 전력 전환 효율을, 그리고 강한 조명 하에서 (1.3 ± 0.1)% 이하의 전력 전환 효율을 달성하였다. 이 결과는 유기 광전지의 반응도를 자외선으로 연장하기 위한 SnPc/C60 접합의 탠덤 유기 태양 전지에서의 사용 가능성을 강조한다{문헌[J. Xue, S. Uchida, B. P. Rand and S. R. Forrest, Applied Physics Letters 85, 5757-5759(2004); 및 B. P. Rand, P. Peumans and S. R. Forrest, Journal of Applied Physics 96, 7519-7526 (2004)] 참조}
상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 유기 감광 소자는 입사 전자기 방사선으로부터 전력을 생성하는 데에 사용할 수 있거나(예, 광전지 소자), 또는 입사 전자기 방사선을 검출하는 데에 사용할 수 있다(예, 광검출기 또는 광전도체 전지).
본 명세서에서 본 발명의 특정 예를 예시 및/또는 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 상기 교시에 의해 그리고 청구 범위 내에서 본 발명의 변경 및 변형이 포함됨을 이해할 것이다.
Claims (24)
- 제1 전극 및 제2 전극; 및제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 일련의 유기 광활성층을 포함하는 감광 소자로서,일련의 층의 각각의 층은 일련의 층의 다음 층과 직접 접촉되어 있고, 일련의 유기 광활성층은 1 이상의 도너-억셉터 이종 접합(heterojunction)을 형성하도록 배열되어 있으며,일련의 층은도너로서 작용하는 제1 호스트 물질(host material)을 포함하는 제1 유기 광활성층;제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 제2 호스트 물질을 포함하는 제2 유기 광활성층;억셉터로서 작용하는 제3 호스트 물질을 포함하는 제3 유기 광활성층을 포함하며,제2 유기 광활성층은 제2 호스트 물질의 복수의 불연속 아일랜드(island)를 포함하며, 제1 유기 광활성층은 아일랜드를 개재하여 제3 유기 광활성층과 직접 접촉되어 있어 제1 도너-억셉터 이종 접합을 형성하며,제1 호스트 물질, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질은 상이하고,제2 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층에 대한 억셉터로서 작용하여 제1 유기 광활성층과 제2 도너-억셉터 이종 접합을 형성하거나, 또는 제3 유기 광활성층에 대한 도너로서 작용하여 제3 유기 광활성층과 제3 도너-억셉터 이종 접합을 형성하고, 제2 유기 광활성층의 제2 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 제2 유기 광활성층 영역 대부분에 걸쳐 하나의 여기자(exciton)의 확산 길이 이하인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 유기 광활성층의 일부는 복수의 개구부를 갖는 단일 층을 추가로 포함하며, 제1 유기 광활성층은 상기 개구부를 통해 제3 유기 광활성층과 직접 접촉되어 있어 제1 도너-억셉터 이종 접합을 형성하는 것인 감광 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 제2 호스트 물질은 소분자인 것인 감광 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 호스트 물질 및 상기 제3 호스트 물질은 소분자인 것인 감광 소자.
- 제4항에 있어서, 제2 호스트 물질은 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상인 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제1 유기 광활성층, 제2 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 각각은 흡수 스펙트럼이 상이한 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 유기 광활성층은 도너로서 작용하고, 제1 호스트 물질 및 제2 호스트 물질은 흡수 스펙트럼이 상이한 것인 감광 소자.
- 제8항에 있어서, 제2 호스트 물질의 HOMO는 제1 호스트 물질의 HOMO보다 0.16 eV 이하 높은 것인 감광 소자.
- 제8항에 있어서, 제2 호스트 물질의 띠 간격은 제1 호스트 물질의 띠 간격 미만인 것인 감광 소자.
- 제8항에 있어서, 제2 호스트 물질은 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 정공 이동도가 1×10-9 ㎠/Vs 미만이고, 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상인 것인 감광 소자.
- 제8항에 있어서, 제2 호스트 물질은 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc) 및 납 프탈로시아닌(PbPc)에서 선택되는 것인 감광 소자.
- 제12항에 있어서, 제3 호스트 물질은 C60인 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 유기 광활성층은 억셉터로서 작용하고, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질은 흡수 스펙트럼이 상이한 것인 감광 소자.
- 제14항에 있어서, 제2 호스트 물질의 LUMO는 제3 호스트 물질의 LUMO보다 0.16 eV 이하 낮은 것인 감광 소자.
- 제14항에 있어서, 제2 호스트 물질의 띠 간격은 제3 호스트 물질의 띠 간격 미만인 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 유기 광활성층의 두께는 200 Å 이하인 것인 감광 소자.
- 제17항에 있어서, 제2 유기 광활성층의 두께는 100 Å 이하인 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 호스트 물질은 600 내지 900 nm의 파장 대역에 걸친 흡수 계수가 5×104 cm-1 이상이고, 제2 유기 광활성층의 적어도 일부가 소자의 반사 표면으로부터 λ1·d + λ1/4(식 중, λ1은 600 내지 900 nm의 파장 대역에서의 파장이고, d는 ≥ 0인 정수임)의 광행로 길이에 배치되며, 반사 표면은 λ1에서 입사 광의 50% 이상을 반사하는 것인 감광 소자.
- 제19항에 있어서, 반사 표면은 제1 전극, 제2 전극 및 반사기 중 하나에 제공되는 것인 감광 소자.
- 제19항에 있어서, 상기 일련의 유기 광활성층은 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 광활성 전지의 스택 중 제1 전지의 일부이고, 소자는 다른 도너-억셉터 이종 접합을 포함하는, 광활성 전지의 스택의 제2 전지를 더 포함하며,제1 전지 및 제2 전지는 흡수 특성이 상이하고,제1 전지의 평균 흡수도는 파장 λ1 ± 5% 범위에서 제2 전지의 평균 흡수도보다 크고,제2 전지의 평균 흡수도는 파장 λ2 ± 5%(여기서 λ1 ≥ λ2 + 10%임) 범위에서 제1 전지의 평균 흡수도보다 큰 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 일련의 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 벌크 또는 혼합 도너-억셉터 층을 더 포함하며, 상기 벌크 또는 혼합 도너-억셉터 층은 제1 유기 광활성층의 제1 호스트 물질 및 제3 유기 광활성층의 제3 호스트 물질 모두를 포함하는 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 일련의 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층 및 제3 유기 광활성층 사이에 배치된 제4 호스트 물질을 포함하는 제4 유기 광활성층을 더 포함하며,제4 호스트 물질은 제1 호스트 물질, 제2 호스트 물질 및 제3 호스트 물질과는 상이하고,상기 제4 유기 광활성층은 제1 유기 광활성층에 대한 억셉터로서 작용하거나 또는 제3 광활성층에 대한 도너로서 작용하고, 제4 유기 광활성층 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 하나의 여기자의 확산 길이 이하인 것인 감광 소자.
- 제1항에 있어서, 제2 유기 광활성층의 제2 호스트 물질 내 임의의 위치로부터 그 층의 경계까지의 거리는 제2 유기 광활성층 영역 전체에 걸쳐 하나의 여기자의 확산 길이 이하인 것인 감광 소자.
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