KR101485872B1 - 고효율 유기 광기전력 전지의 설계를 위한 구조 및 기준 - Google Patents
고효율 유기 광기전력 전지의 설계를 위한 구조 및 기준 Download PDFInfo
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Abstract
유기 광기전력 전지는 애노드와 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 다수의 유기 반도체 층을 포함한다. 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 투명하다. 다수의 유기 반도체 층 중 각각의 2개의 인접층은 직접 접촉한다. 다수의 유기 반도체 층은 광전도성 물질로 필수적으로 구성되는 중간층, 및 3개 이상의 층으로 된 2개의 세트를 포함한다. 3개 이상의 층으로 된 제1 세트는 중간층과 애노드 사이에 있다. 제1 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 캐소드에 가까운 인접층의 물질에 비해 더 높은 LUMO 및 더 높은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성되고; 3개 이상의 층으로 된 제2 세트는 중간층과 캐소드 사이에 있다. 제2 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 애노드에 가까운 인접층의 물질에 비해 더 낮은 LUMO 및 더 낮은 LUMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성된다.
Description
미국 연방 정부 권리
본 발명은 미국 에너지국, 국립 재생가능 에너지 연구소에 의해 허여된 계약 제3394012 하에 미국 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 가진다.
공동 연구 계약
본 발명은 공동 산학 연구 계약에 조인한 당사자들: 프린스턴 유니버시티, 더 유니버시티 오브 서던 캘리포니아 및 글로벌 포토닉 에너지 코포레이션 중 하나 이상에 의해 및/또는 이를 대표하여 및/또는 이와 관련하여 수행되었다. 이 계약은 본 발명이 이루어진 날 및 그 전에 효력이 있었고, 본 발명은 상기 계약의 범위 내에서 착수된 활동들의 결과로서 이루어졌다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 유기 감광성 광전자 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광발생된 여기자(exciton)를 공간적으로 분리시키기 위해 에너지 캐스캐이드를 이용하는 유기 감광성 광전자 소자에 관한 것이다.
광전자 소자는 전자기적 방사선을 전자적으로 산출 또는 검출하기 위한, 또는 대기의 전자기적 방사선으로부터 전기를 발생시키기 위한 물질의 광학적 및 전자적 특성에 의존한다.
감광성 광전자 소자는 전자기적 방사선을 전기적 신호 또는 전기로 전환한다. 광기전력("PV") 소자로도 불리는 태양 전지는 전기력을 발생시키는 데 특별히 사용되는 일종의 감광성 광전자 소자이다. 광전도체 전지는 흡수된 빛으로 인한 변화를 검출하기 위해 소자의 저항을 모니터하는 신호 검출 회로와 관련하여 사용되는 일종의 감광성 광전자 소자이다. 인가된 바이어스 전압을 수신할 수 있는 광검출기는 광검출기가 전자기적 방사선에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 관련하여 사용되는 일종의 감광성 광전자 소자이다.
이러한 3개 부류의 감광성 광전자 소자는 이하에 정의한 정류하는 접합부가 존재하는지에 따라, 그리고 또한 상기 소자가 외부의 인가된 전압(또한 바이어스 또는 바이어스 전압으로도 알려짐)으로 작동되는지에 따라 구별될 수 있다. 광전도체 전지는 정류하는 접합부를 가지고 있지 않으며, 바이어스에 의해 정상적으로 작동된다. PV 소자는 1 이상의 정류하는 접합부를 가지며, 바이어스에 의해 작동되지 않는다. 광검출기는 1 이상의 정류하는 접합부를 가지나, 일반적으로 바이어스에 의해 항상 작동되는 것은 아니다.
본원에서 사용한 바와 같이, "정류하는"이라는 용어는, 특히 경계면이 비대칭 전도 특징을 가지는 것, 즉, 상기 경계면이 전자적 전하 수송을 바람직하게는 한 방향으로 지지하는 것을 의미한다. "반도체"라는 용어는 열적 또는 전자기적 여자(excitation)에 의해 유도되는 경우 전기를 전도할 수 있는 물질을 가리킨다. "광전도성"이라는 용어는 일반적으로 전자기적 복사 에너지가 흡수됨으로써 전기적 전하 운반체의 여자 에너지로 전환되어 상기 운반체가 물질에서 전기적 전하를 전도(즉, 수송)할 수 있는 과정을 가리킨다. "광전도성 물질"이라는 용어는 전기적 전하 운반체를 발생시키기 위해 전자기적 방사선을 흡수하는 그들의 특성을 이용하는 반도체 물질을 가리킨다. 본원에서 사용한 바와 같이, "꼭대기"는 기판에서 가장 먼 것을 의미하는 한편, "바닥"은 기판에 가장 가까운 것을 의미한다. 제1 층을 제2 층과 "물리적 접촉" 또는 제2 층에 "직접"이라고 명시하지 않는 한, 간섭하는 층(예를 들어, 제1 층을 제2 층 "위에" 또는 "상부에")이 존재할 수 있다; 하지만, 이는 표면 처리(예컨대, 수소 플라즈마에 대한 제1 층의 노출)를 배제하지 않는다.
적당한 에너지의 전자기적 방사선이 유기 반도체 물질 상에 투사되는 경우, 광자는 흡수되어 들뜬 분자 상태를 산출할 수 있다. 유기 광전도성 물질에 있어서, 발생된 분자 상태는 일반적으로 "여기자(excition)", 즉, 준입자로서 수송되는 결합 상태의 전자-정공 쌍이 된다. 여기자는 중복 재결합("방전") 전에 상당한 수명을 가질 수 있으며, 이는 서로 재결합하는(다른 쌍으로부터의 정공 또는 전자와의 재결합에 상반되는) 고유 전자 및 정공을 가리킨다. 광전류를 산출하기 위해, 여기자를 형성하는 전자-정공은 정류하는 접합부에서 일반적으로 분리된다.
감광성 소자의 경우에, 상기 정류하는 접합부는 광기전력 이종접합부로서 언급된다. 일종의 유기 광기전력 이종접합부는 도너 물질과 억셉터 물질의 경계면에서 형성된 도너-억셉터 이종접합부, 및 광전도성 물질과 금속의 경계면에서 형성된 쇼트키-장벽 이종접합부를 포함한다.
도 1은 도너-억셉터 이종접합부의 예를 도해하는 에너지 수준 도표이다. 유기 물질에 있어서, "도너" 및 "억셉터"라는 용어는 상이한 2개의 유기 물질의 최고 점유 분자 궤도함수("HOMO") 및 최저 비점유 분자 궤도함수("LUMO") 에너지 수준의 상대적 위치를 가리킨다. 서로 접촉하는 하나의 물질의 LUMO 에너지 수준이 더 낮으면, 그 물질이 억셉터이다. 그렇지않으면 그것은 도너이다. 외부의 바이어스의 부재하에, 도너-억셉터 접합부에서 전자가 억셉터 물질로 이동하는 것은 강력하게 선호된다.
본원에서 사용한 바와 같이, 제1 HOMO 또는 LUMO 에너지 수준은 제1 에너지 수준이 진공 에너지 수준(10)에 더 가까우면 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 수준보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 더 높은 HOMO 에너지 수준은 진공 수준에 비해 더 작은 절대 에너지를 가지는 이온화 전위("TP")에 해당한다. 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 수준은 진공 수준에 비해 더 작은 절대 에너지를 가지는 전자 친화도("EA")에 해당한다. 꼭대기의 진공 수준을 가지는 통상적인 에너지 수준 도표에서, 물질의 LUMO 에너지 수준은 동일한 물질의 HOMO 에너지 수준보다 더 높다.
도너(152) 또는 억셉터(154)에서 광자(6)의 흡수가 여기자(8)를 생성한 후, 여기자(8)는 정류하는 경계면에서 분리한다. 상기 도너(152)는 정공을 수송하고(개방원), 상기 억셉터(154)는 전자를 수송한다(폐쇄원).
유기 반도체에서 유의적인 특성은 운반체 이동성이다. 이동성은 전하 운반체가 전기장에 응하여 전도 물질을 통해 이동할 수 있는 경우를 측정한다. 유기 감광성 소자에 있어서, 높은 전자 이동성으로 인한 전자에 의해 우선적으로 전도하는 물질은 전자 수송 물질로서 언급될 수 있다. 높은 정공 이동성으로 인한 정공에 의해 우선적으로 전도하는 물질은 정공 수송 물질로서 언급될 수 있다. 소자 내 이동성 및/또는 위치로 인한 전자에 의해 우선적으로 전도하는 층은 전자 수송 층("ETL")으로서 언급될 수 있다. 소자 내 이동성 및/또는 위치로 인한 정공에 의해 우선적으로 전도하는 층은 정공 수송 층("HTL")으로서 언급될 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 바람직하게는, 억셉터 물질은 전자 수송 물질이고 도너 물질은 정공 수송 물질이다.
운반체 이동성 및 상대적인 HOMO 및 LUMO 수준을 기반으로 하는 광기전력 이종접합부에서 도너 및 억셉터로서 제공되는 2개의 유기 광전도성 물질을 짝짓는 것은 당업계에 공지되어 있고, 본원에서 언급하지는 않았다.
본원에서 사용한 바와 같이, "유기"라는 용어는 유기 광전자 소자를 제공하는 데 사용될 수 있는 소분자 유기 물질뿐 아니라 중합성 물질을 포함한다. "소분자"는 중합체가 아닌 임의의 유기 물질을 가리키고, "소분자"는 사실상 매우 클 수 있다. 소분자는 몇몇 환경에서 반복 단위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 치환기로서 긴 사슬 알킬기를 사용하는 것은 "소분자" 부류로부터 분자를 제거하지 않는다. 소분자는 또한 중합체에, 예를 들어 중합체 골격 중 매달린 기 또는 골격의 부분으로서 포함될 수 있다. 소분자는 또한 덴드리머의 코어 부분으로서 제공되고, 이는 코어 부분에 세워진 화학 껍질 연속체로 구성되어 있다. 덴드리머의 코어 부분은 형광성 또는 인광성 소분자 방사체일 수 있다. 덴드리머는 "소분자"일 수 있다. 일반적으로, 소분자는 분자 대 분자로 동일한 분자량의 정의된 화학식을 가진다, 한편 중합체는 분자 대 분자로 다양해질 수 있는 분자량의 정의된 화학식을 가진다. 본원에서 사용한 바와 같이, "유기"는 히드로카빌 및 헤테로원자 치환된 히드로카빌 리간드의 금속 착물을 포함한다.
PV 소자에 대한 장점의 식은 하기와 같은 곡선 인자, ff이다:
식 중, ff는 항상 1 미만이고, 단회로 전류(ISC) 및 개방 회로 전압(VOC)이 실제 사용에서 결코 동시에 얻어지지 않는다. 그럼에도불구하고, ff가 1에 근접함에 따라, 상기 소자는 더 적은 직렬 또는 내부 저항을 가지며, 따라서 더 큰 퍼센트의 ISC 및 VOC 산물을 최적의 조건 하에서 로드로 전달한다. Pinc가 소자에서 투사되는 전력인 경우, 소자의 전력 효율, ηP는 하기와 같이 계산될 수 있다:
유기 PV 소자의 전력 효율, ηP는 여기자 발생, 확산 및 이온화 또는 수집을 비롯한, 광전도에 필요한 다양한 공정들에 따라 달라진다. 이러한 공정들과 관련된 효율 η이 존재한다. 아래에 적은 문자는 다음과 같이 사용될 수 있다: 전력 효율은 P, 외부의 양자 효율은 EXT, 광자 흡수는 A, 여기자 확산은 ED, 전하 수집은 CC 및 내부 양자 효율은 INT. 이 표시법을 사용한다:
유기 감광성 소자의 일반적인 구조, 특징, 물질 및 특성을 비롯한 그에 관한 분야의 상태에 대한 추가적인 배경 설명 및 기술을 위해, 미국 특허 제6,657,378호(Forrest 외), 미국 특허 제6,580,027호(Forrest 외), 및 미국 특허 제6,352,777호(Bulovic 외)가 본원에 참고로 포함된다.
[발명의 개요]
본원에 개시된 새로운 구조를 사용하는 유기 광기전력 전지의 예는 애노드와 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이의 다수의 유기 반도체 층을 포함한다. 상기 애노드와 캐소드 중 1 이상은 투명하다. 다수의 유기 반도체 층 중 각각의 2개의 인접층은 직접 접촉한다. 다수의 유기 반도체 층은 광전도성 물질로 필수적으로 구성되는 중간층, 및 3개 이상의 층으로 된 2개의 세트를 포함한다. 3개 이상의 층으로 된 제1 세트는 중간층과 애노드 사이에 있다. 제1 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해, 더 높은 LUMO 및 더 높은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성된다. 3개 이상의 층으로 된 제2 세트는 중간층과 캐소드 사이에 있다. 제2 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해, 더 낮은 LUMO 및 더 낮은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성된다.
바람직하게는, 제1 세트 중 애노드에 가장 가까운 층의 HOMO와 제2 세트 중 캐소드에 가장 가까운 LUMO 사이의 에너지 차이는 0.5 eV∼3.0 eV이고, 물질을 이용할 수록 더 큰 차이가 가능할 수도 있다. 따라서, 더욱 바람직하게는, 에너지 차이는 1 eV 이상이다.
3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 바람직하게는 다수의 유기 반도체 층 중 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 적어도 0.026 eV 더 높은 LUMO 및 HOMO를 가진다. 마찬가지로, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 바람직하게는 다수의 유기 반도체 층 중 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 적어도 0.026 eV 더 낮은 LUMO 및 HOMO를 가진다.
3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMP 차이의 합은 바람직하게는 0.15 eV∼1.0 eV이다.
3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMO 차이의 합을, 제1 세트와 제2 세트의 층수의 합으로 나눈 것은 바람직하게는 0.026 eV 이상이다.
바람직한 평균 단계 크기의 다른 하나의 표현으로서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이의 합을 제1 세트에서 층의 수로 나눈 것은 바람직하게는 적어도 0.026 eV이고, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMO 차이의 합을 제2 세트에서 층의 수로 나눈 것은 바람직하게는 0.026 eV 이상이다.
제1 세트 및 제2 세트의 유기 반도체 물질은 광전도성 물질이거나 또는 아닐 수 있다. 바람직하게는, 그것들은 광전도성이다.
3개 층으로 된 제1 세트 중 상기 중간층에 인접한 층과, 상기 중간층에 인접한 3개 층으로 된 제2 세트의 층의 두께는 바람직하게는 각각 각자의 유기 반도체 물질로 된 단층 3개 이하의 두께이다. 층 두께 배열의 일례로서, 제1 세트 및 제2 세트의 각각의 층의 두께는 바람직하게는 각자의 유기 반도체 물질로 된 단층 3개 이하의 두께이다. 층 두께 배열의 다른 일례로서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 층 두께는 애노드 쪽을 향해 점진적으로 증가하고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 층 두께는 캐소드 쪽을 향해 점진적으로 증가한다. 층 두께의 진행을 이용하는 경우, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 애노드에 가장 가까운 층과 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 캐소드에 가장 가까운 층은 10 이하의 단층 두께인 것이 바람직하다.
상기 층은 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 물질 밴드갭이 애노드 쪽을 향해 점진적으로 증가하도록 배열될 수 있다. 이는 애노드가 반사성인 경우에 특히 이로울 수 있다. 상기 애노드가 반사성인 경우, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 최대 물질 밴드갭이 제1 세트 물질의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것이 또한 바람직하다.
상기 층은 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 물질 밴드갭이 캐소드 쪽을 향해 점진적으로 증가하도록 배열될 수 있다. 이는 캐소드가 반사성인 경우에 특히 이로울 수 있다. 상기 캐소드가 반사성인 경우, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 최대 물질 밴드갭이 제2 세트 물질의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것이 또한 바람직하다.
상기 중간층의 광전도성 물질은 (다른 것들 중) 들뜬 상태에서 엑시머 또는 엑시플렉스를 형성하는 분자로 필수적으로 구성될 수 있다. 그러한 분자 착물을 사용하는 경우, 상기 중간층의 광전도성 물질의 상대적인 HOMO 및 LUMO는 엑시머 또는 엑시플렉스의 HOMO 및 LUMO이며, 이는 일반적으로 구성 분자의 HOMO 및 LUMO와 상이하다. 따라서, 분자 착물의 경우, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 상기 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 분자 착물에 비해 더 높고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 상기 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 분자 착물에 비해 더 낮다.
본원에 개시된 새로운 구조를 사용하는 감광성 소자를 제조하는 방법의 예는, 제1 전극을 제공하는 단계; 상기 제1 전극 상에 일련의 7개 이상의 층을 침적시키는 단계(각각의 층은 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성되고, 이 일련의 층의 적어도 중간층의 유기 반도체 물질은 광전도성 물질임); 및 일련의 7개 이상의 층 상에 제2 전극을 침적시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 애노드이고, 다른 하나는 캐소드이다. 일련의 7개 이상의 층의 유기 반도체 물질이 연속체를 가로질러 애노드에서 캐소드로 감소하는 LUMO의 시퀀스 및 감소하는 HOMO의 시퀀스를 제공하도록 배열된다.
일련의 7개 이상의 층 중 애노드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 HOMO와 일련의 7개 이상의 층 중 캐소드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 LUMO 사이의 에너지 차이는 바람직하게는 0.5 eV∼3.0 eV이고, 더욱 바람직하게는, 상기 에너지 차이는 1 eV 이상이다.
본원에 개시된 새로운 구조에 따라 로드에 광전류를 제공하는 방법의 예는, 애노드와 캐소드 사이에 상이한 유기 반도체 물질로 된 일련의 층을 제공하는 단계(일련의 층은 열 평형에서 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 내장 전기장을 모의하도록 배열됨); 일련의 층 중 중간층 내에 광흡수에 의해 여기자를 발생시키는 단계; 중간층 내에 발생된 여기자를 공간적으로 분리시키는 단계(상기 모의된 내장 전기장은 중간층으로부터 캐소드 쪽을 향해 일련의 층의 하나 이상의 층으로 여기자의 결합 전자를 끌어당기는 한편, 중간층으로부터 애노드 쪽을 향해 다수의 유기 반도체 층 중 하나 이상의 층으로 여기자의 속박 정공을 끌어당김); 및 상기 공간적으로 분리된 여기자로부터의 광전류를, 애노드에서 캐소드로 전기 접속된 로드에 인가하는 단계를 포함한다. 애노드 및 캐소드를 가로지르는 개방 회로 전압은 바람직하게는 1 이상의 볼트이다.
도 1은 도너-억셉터 이종접합부를 도해하는 에너지 수준 도표이다.
도 2는 도너-억셉터 이종접합부를 포함하는 유기 감광성 소자를 도해한다.
도 3은 평면의 이종접합부를 형성하는 도너-억셉터 이중층을 도해한다.
도 4는 도너 층과 억셉터 층 사이에 혼합 이종접합부를 포함하는 혼성 이종접합부를 도해한다.
도 5는 벌크 이종접합부를 도해한다.
도 6은 쇼트키-장벽 이종접합부를 포함하는 유기 감광성 소자를 도해한다.
도 7은 접속된 직렬의 감광성 전지를 도해한다.
도 8은 평행한 직렬의 감광성 전지를 도해한다.
도 9는 높은 단회로 전류 밀도를 운반하나 개방 회로 전압이 약한 도너-억셉터 이종접합부를 도해한다.
도 10은 최대 개방 회로 전압을 운반하나, 단회로 전류 밀도가 0인 이종접합부를 도해한다.
도 11은 본 발명의 원리에 따라 광발생된 여기자를 공간적으로 분리하는 에너지 캐스캐이드의 예를 도해한다.
도 12는 단일 전지 소자로서 배열된 도 11의 에너지 캐스캐이드의 예를 도해한다.
도 13은 본 발명의 원리에 따라 에너지 캐스캐이드를 구성하는 데 사용될 수 있는 임의의 유기 반도체 중 약간의 예를 도해한다.
상기 도면들을 반드시 축척으로 그릴 필요는 없다.
도 2는 도너-억셉터 이종접합부를 포함하는 유기 감광성 소자를 도해한다.
도 3은 평면의 이종접합부를 형성하는 도너-억셉터 이중층을 도해한다.
도 4는 도너 층과 억셉터 층 사이에 혼합 이종접합부를 포함하는 혼성 이종접합부를 도해한다.
도 5는 벌크 이종접합부를 도해한다.
도 6은 쇼트키-장벽 이종접합부를 포함하는 유기 감광성 소자를 도해한다.
도 7은 접속된 직렬의 감광성 전지를 도해한다.
도 8은 평행한 직렬의 감광성 전지를 도해한다.
도 9는 높은 단회로 전류 밀도를 운반하나 개방 회로 전압이 약한 도너-억셉터 이종접합부를 도해한다.
도 10은 최대 개방 회로 전압을 운반하나, 단회로 전류 밀도가 0인 이종접합부를 도해한다.
도 11은 본 발명의 원리에 따라 광발생된 여기자를 공간적으로 분리하는 에너지 캐스캐이드의 예를 도해한다.
도 12는 단일 전지 소자로서 배열된 도 11의 에너지 캐스캐이드의 예를 도해한다.
도 13은 본 발명의 원리에 따라 에너지 캐스캐이드를 구성하는 데 사용될 수 있는 임의의 유기 반도체 중 약간의 예를 도해한다.
상기 도면들을 반드시 축척으로 그릴 필요는 없다.
유기 감광성 소자는 빛이 흡수되어 여기자를 형성하고, 이어서 전자 및 정공으로 분리될 수 있는 1 이상의 광활성 영역을 포함한다. 도 2는 광활성 영역(150)이 도너-억셉터 이종접합부를 포함하는 유기 감광성 광전자 소자(100)의 예를 나타낸다. 상기 "광활성 영역"은 전자기적 방사선을 흡수하여, 전기적 전류를 발생시키기 위해 분리할 수 있는 여기자를 발생하는 감광성 소자의 부분이다. 소자(100)는 기판(110) 위에 애노드(120), 애노드 평탄층(122), 도너(152), 억셉터(154), 여기자 차단층("EBL")(156), 및 캐소드(170)를 포함한다.
EBL(156)의 예는 EBL에 관련된 기재에 대하여 본원에서 참고로 포함된 미국 특허 제6,451,415호(Forrest 외)에서 기재하고 있다. EBL의 부가적인 배경 설명은 또한 문헌[Peumans et al., "Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovolatic diodes," Applied Physics Letters 76, 2650-52 (2000)]에서 찾아볼 수 있다. EBL은 여기자가 도너 및/또는 억셉터 물질의 밖으로 이동하는 것을 방지함으로써 방전을 감소시킨다.
"전극" 및 "접촉"이라는 용어는 광발생된 전류를 외부의 회로로 전달하는 매체를 제공하거나, 또는 상기 소자에 바이어스 전류 또는 전압을 제공하는 층을 가리키기 위해 상호교환하여 사용된다. 도 17에 도해한 바와 같이, 애노드(120) 및 캐소드(170)는 예들이다. 전극은 금속 또는 "금속 치환체"로 구성될 수 있다. 본원에서 "금속"이라는 용어는 원소적으로 순수한 금속 및 또한 2 이상의 원소적으로 순수한 금속들로 구성된 물질인 금속 합금을 둘 다 포함하는 데 사용된다. "금속 치환체"라는 용어는 보통 정의 내의 금속이 아니지만, 도핑된 넓은 밴드갭 반도체, 퇴화한 반도체, 전도성 산화물 및 전도성 중합체와 같은, 전도성 등의 금속 유사 특성을 가지는 물질을 가리킨다. 전극은 단일 층 또는 복합 층("화합물" 전극)을 포함할 수 있고, 투명, 반투명 또는 불투명할 수 있다. 전극 및 전극 물질의 예는 미국 특허 제6,352,777호(Bulovic 외) 및 미국 특허 제6,420,031호(Parthasarathy 외)에 개시된 것들을 포함하며, 상기 문헌들 각각은 이러한 각자의 특성에 대한 참고를 위해 본원에 포함된다. 본원에서 사용한 바와 같이, 관련 파장에서 대기의 전자기적 방사선의 50% 이상을 투과하는 경우에 층이 "투명하다"라고 한다.
기판(110)은 바람직한 구조적 특성을 제공하는 임의의 적절한 기판일 수 있다. 상기 기판은 유동성이거나 견고할 수 있고, 평면이거나 비평면일 수 있다. 상기 기판은 투명하거나, 반투명하거나 또는 불투명할 수 있다. 견고한 플라스틱 및 유리는 바람직한 견고한 기판 물질의 예이다. 유동성 플라스틱 및 금속 호일은 바람직한 유동성 기판 물질의 예이다.
애노드 평탄층(122)은 애노드 층(120)과 도너 층(152) 사이에 위치할 수 있다. 애노드 평탄층은 이 특성과 관련하여 그것의 기재에 대해 본원에 참고로 포함된, 미국 특허 제6,657,378호(Forrest 외)에 기재되어 있다.
도 2에 있어서, 광활성 영역(150)은 도너 물질(152) 및 억셉터 물질(154)을 포함한다. 광활성 영역에서 사용하기 위한 유기 물질은, 시클로금속화 유기금속성 화합물을 비롯한 유기금속성 화합물을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 "유기금속성"이란 용어는 일반적으로 당업자라면 이해하는 것이고, 예를 들어, 문헌[Chapter 13 of "Inorganic Chemistry"(2nd Edition) by Gary L. Miessler and Donald A. Tarr, Prentice Hall (1999)]에 주어져 있다.
유기 층은 진공 증착, 스핀 코팅, 유기 기상 증착, 잉크젯 인쇄 및 당업계의 다른 방법들을 이용하여 제공될 수 있다.
다양한 유형의 도너-억셉터 이종접합부의 예는 도 3∼5에 나타나 있다. 도 3은 평면의 이종접합부를 형성하는 도너-억셉터 이중층을 도해한다. 도 4는 도너 및 억셉터 물질의 혼합물을 포함하는 혼합 이종접합부(153)를 비롯한 혼성 이종접합부를 도해한다. 도 5는 이상적인 "벌크" 이종접합부를 도해한다. 이상적인 광전류 경우에, 벌크 이종접합부는 복합적인 경계면이 일반적으로 실제적인 소자에 존재함에도 불구하고, 도너 물질(252)과 억셉터 물질(254) 사이에 단일 연속적인 경계면을 가진다. 혼합 이종접합부 및 벌크 이종접합부는 물질의 복수 도메인을 가지는 결과로서 복합적인 도너-억셉터 경계면을 가질 수 있다. 상반되는 종류의 물질로 둘러싸인 도메인(예를 들어, 억셉터 물질에 의해 둘러싸인 도너 물질의 도메인)은 전기적으로 분리될 수 있어, 이들 도메인이 광전류에 기여하지 않도록 한다. 다른 도메인은 삼출 경로(연속적인 광전류 경로)에 의해 접속될 수 있어, 이들 다른 도메인이 광전류에 기여할 수 있도록 한다. 혼합한 이종접합부 및 벌크 이종접합부 사이의 구별은 도너와 억셉터 물질 사이의 상 분리 정도에 달려있다. 혼합한 이종접합부에 있어서, 상 분리가 거의 없거나 존재하지 않는(상기 도메인이 매우 작음, 예를 들어 수 나노미터 미만임) 한편, 벌크 이종접합부에 있어서, 유의적인 상 분리가 존재한다(예를 들어, 수 나노미터 내지 100 nm 크기의 도메인을 형성).
소분자 혼합 이종접합부는 예를 들어, 진공 증착 또는 증기 증착을 이용한 도너 및 억셉터 물질의 동시 증착에 의해 형성될 수 있다. 소분자 벌크 이종접합부는, 예를 들어 제어 성장, 증착후 어닐링과의 동시 증착, 또는 용액 공정에 의해 형성될 수 있다. 중합체 혼합 또는 벌크 이종접합부는 예를 들어, 도너 및 억셉터 물질의 중합체 블렌드의 용액 공정에 의해 형성될 수 있다.
광활성 영역이 혼합 층(153) 또는 벌크 층(252, 254) 및 도너(152) 및 억셉터 층(154) 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 상기 광활성 영역을 "혼성" 이종접합부를 포함한다고 한다. 도 4에서 층의 배열은 예이다. 혼성 이종접합부의 부가적인 설명을 위해, 제목이 "High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions"이고 Jiangeng Xue 외에 의해 2005년 10월 13일에 발행된 미국 특허 출원 제2005/0224113 Al호는 본원에 참고로 포함된다.
일반적으로, 평면의 이종접합부는 운반체 전도가 우수하나, 여기자 분리가 약하고; 혼합층은 운반체 전도가 약하고 여기자 분리가 우수하며, 벌크 이종접합부는 운반체 전도가 우수하고 여기자 분리도 우수하나, 물질의 말단 "막다른 골목(cul-de-sacs)"에서 전하 수립을 경험하여 효율을 낮춘다. 달리 언급하지 않는 한, 평면의 혼합된 벌크 및 혼성 이종접합부는 본 발명에 개시된 구체예 전반에서 도너-억셉터 이종접합부로서 상호교환하여 사용될 수 있다.
도 6은 광활성 영역(350)이 쇼트키-장벽 이종접합부의 일부인 유기 감광성 광전자 소자(300)의 예를 나타낸다. 소자(300)는 투명한 접촉부(320), 유기 광전도성 물질(358)을 포함하는 광활성 영역(350) 및 쇼트키 접촉부(370)를 포함한다. 상기 쇼트키 접촉부(370)는 일반적으로 금속 층으로서 형성된다. 상기 광전도성 층(358)이 ETL인 경우, 금과 같은 낮은 작업성 금속이 사용될 수 있는 한편, 상기 광전도성 층이 HTL인 경우, 알루미늄, 마그네슘 또는 인듐과 같은 낮은 작업성 금속이 사용될 수 있다. 쇼트키-장벽 전지, 상기 쇼트키 장벽과 관련된 내장 전기장은 여기자 부분에서 전자 및 정공을 끌어당긴다. 일반적으로, 이 전기장 관련 여기자 분리는 도너-억셉터 경계면에서의 분리만큼 효율적이지는 않다.
도해된 소자는 요소(190)에 접속될 수 있다. 상기 소자가 광기전력 소자인 경우, 요소(190)는 전력을 소비하거나 저장하는 저항성 로드이다. 상기 소자가 광검출기인 경우, 요소(190)는 상기 광검출기가 빛에 노출될 때 방출되는 전류를 측정하고, 상기 소자에 바이어스를 인가할 수 있는(예를 들어 Forrest 외에 의해 2005년 5월 26일에 발행된 미국 특허 출원 2005-01 10007 Al에 기술된 바와 같은) 전류 검출 회로이다. 정류하는 접합부가 상기 소자(예를 들어, 광활성 영역으로서 단일 광 전도 물질을 이용)로부터 제거되는 경우, 얻어지는 구조는 빛의 흡수로 인한 소자를 가로지르는 저항 변화를 측정하는 신호 검출 회로인 경우에 광전도체 전지로서 사용될 수 있다. 달리 언급되지 않는 한, 각각의 이러한 배열 및 변형들은 본원에 개시된 각각의 도면 및 구체예에서 소자에 이용될 수 있다.
유기 감광성 광전자 소자는 또한 투명한 전하 수송층, 전극 또는 전하 재결합 영역을 포함할 수 있다. 전하 수송층은 유기 또는 무기일 수 있고, 광전도적으로 활성일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 전하 수송층은 전극과 유사하나, 상기 소자로 외부의 전기 접속을 가지지 않고, 단지 광전자 소자의 일부에서 인접한 일부로 전하 운반체를 운반한다. 전하 재결합 영역은 전하 수송층과 유사하나, 광전자 소자의 인접한 일부 사이의 전자 및 정공의 재결합을 허용한다. 전하 재결합 영역은, 예를 들어 미국 특허 제6,657,378호(Forrest 외); Rand 외에 의해 2006년 2월 16일에 "유기 감광성 소자"라는 제목으로 발행된 미국 특허 출원 제2006-0032529 Al호; 및 Forrest 외에 의해 2006년 2월 9일 "적층 유기 감광성 소자"라는 제목으로 발행된 미국 특허 출원 제2006-0027802 Al호(각각은 재결합 영역 물질 및 구조에 대한 그것의 개시가 참고로서 본원에 포함됨)에 기재된 바와 같이 나노클러스터, 나노입자 및/또는 나노막대를 포함하는 반투명 금속 또는 금속 치환 재결합 중심을 포함할 수 있다. 전하 재결합 영역은 재결합 중심을 끼워넣은 투명한 메트릭스 등을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 전하 수송층, 전극 또는 전하 재결합 영역은 광전자 소자의 일부의 캐소드 및/또는 애노드로서 제공될 수 있다. 전극 또는 전하 수송층은 쇼트키 접촉층으로서 제공될 수 있다.
도 7 및 8은 그러한 투명한 전하 수송층, 전극 및 전하 재결합 영역을 포함하는 직렬 소자의 예를 도해한다. 도 7의 소자(400)에 있어서, 광활성 영역(150 및 150')은 간섭하는 전도 영역(460)과 전기적 직렬로 적층되어 있다. 외부의 전기 접속 없이 도해된 바와 같이, 간섭하는 전도 영역(460)은 전하 재결합 영역 또는 전하 수송층일 수 있다. 재결합 영역으로서, 영역(460)은 투명한 메트릭스 층이 있거나 없는 재결합 중심(461)을 포함한다. 메트릭스 층이 없는 경우, 상기 영역을 형성하는 물질의 배열은 상기 영역(460)을 가로질러 연속적이지 않을 수 있다. 도 8의 소자(500)는 반대의 배열의 꼭대기 전지(즉, 캐소드 절감)를 가진 전기적 병렬로 적층된 광활성 영역(150 및 150')을 도해한다. 도 7 및 8의 각각에 있어서, 광활성 영역(150 및 150') 및 차단층(156 및 156')은 적용에 따라 동일한 각자의 물질 또는 상이한 물질로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 광활성 영역(150 및 150')은 동일한 유형(즉, 평면의 혼합된 벌크 혼성)의 이종접합부, 또는 상이한 유형의 이종접합부일 수 있다.
전술한 소자들의 각각에 있어서, 여기자 차단층과 같은 층은 생략될 수 있다. 반사층 또는 추가적인 광활성 영역과 같은 다른 층이 첨가될 수 있다. 층의 순서는 변경되거나 반대일 수 있다. 집중 소자 또는 잡아두는 배열은, 예를 들어 본원에 참고로 포함된 미국 특허 제6,333,458호(Forrest 외) 및 미국 특허 제6,440,769호(Peumans 외)에 개시된 바와 같이 효율을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 코팅은, 예를 들어 Peumans 외에 의해 2005년 12월 1일에 발행된 "비주기적인 유전체 복합층 더미"라는 제목의 US 특허 출원 제2005-0266218 A1호(참고로 본원에 포함됨)에 개시된 바와 같이 소자의 바람직한 영역으로 광학적 에너지를 집중시키는 데 이용될 수 있다. 직렬 소자에 있어서, 투명한 절연층은 전지들 사이에서 형성될 수 있고, 상기 전지들 사이의 전기 접속이 전극을 통해 제공된다. 또한 직렬 소자에 있어서, 1 이상의 광활성 영역은 도너-억셉터 이종접합부 대신에 쇼트키-장벽 이종접합부일 수 있다. 특별히 기술된 것 이외의 배열이 이용될 수 있다.
통상적인 무기 반도체 광기전력 전지는 내장 전기장을 수립하기 위해 p-n 접합부를 사용한다. 도 1에 도해된 바와 같이, 유기 광기전력 전지는 통상적인 무기 광전지에서 사용된 것과 유사한 도너-억셉터 이종접합부를 함유한다. 하지만, 현재는 p-n형 접합부의 수립 외에도, 상기 이종접합부의 에너지 수준 상쇄는 또한 유기 소자에서 중요한 역할을 한다는 것이 인식되고 있다.
상기 유기 광기전력 소자에서 곡선 인자(ff) 및 외부의 양자 효율(ηEXT) 사이의 대략 비례하는 관계가 주어지는 경우, 소자 성능을 최대화하기 위해 개방 회로 전압(VOC)과 단회로 전류 밀도(JSc)를 균형화하는 것이 필요했었다.
이 균형과 관련된 문제들은 도 9 및 10에서 도해된다. 도 9에 있어서, 도너(952) 및 억셉터(954) 사이의 큰 간격은 높은 단회로 밀도를 초래하나, 낮은 개방 회로 전압을 초래한다. 이에 비해, 도 10에서 물질의 배열은 제로 단회로 전류 밀도을 산출하는 구조에서 최대 개방 회로 전압을 도해한다.
유기 도너-억셉터 이종접합부에 있어서, 상기 개방 회로 전압은 {도너의 HOMO - 억셉터의 LUMO - 1/2(각각의 도너(EB D) 및 억셉터(EB A) 여기자의 여기자 결합 에너지)}와 동등하다. 상기 도너 및 억셉터의 여기자 결합 에너지의 1/2의 합은 경험상 대략 0.3∼0.4 eV로 추정된다. 문헌[Markus C. Scharber et al, "Design Rules for Donors in Bulk-Heterojunctions Solar Cells--Towards 10% Energy Conversion Efficiency," Advanced Materials 18, 789-794 (2006); and L.J.A. Koster et al, "Ultimate efficiency of polymer/fullerene bulk heterojunction solar cells," Applied Physics Letters 88, 093511 (2006)] 참조. 이에 비해, 무기 반도체 소자에서의 여기자 결합 에너지는 더 작아서, p-n 접합부 구조를 이용한 결합 에너지로 인해 상당한 개방 회로 전압 불이익이 존재하지 않도록 한다. 그러므로, 현존하는 이론상의 한계를 넘어 유기 광기전력 전지의 효율을 최대화하기 위해(개방 회로 전압 및 단회로 전류 밀도를 최대화), 새로운 구조가 필요하다.
본원에서는 단회로 전류 밀도 및 개방 회로 전압 사이에 앞서 요구되는 균형을 깨는 감광성 소자에 대한 새로운 건축이 개시되어 있으며, 이는 단일 p-n 접합부 대신에 광합성을 암시하는 에너지-캐스캐이드 공정을 사용한다.
도 1에 도해된 전통적인 도너-억셉터 이종접합부의 경우, 여기자 분리는 광 발생 여기자를 분리하기 위해 단일 정류 접합부의 존재에 의존한다(즉, 전통적인 도너-억셉터 이종접합부 소자에 있어서, 이 소자는 몇몇 정류 접합부를 포함할 수 있으나, 개별적인 여기자는 단지 하나의 경계면을 분리한다). 본원에 언급한 바와 같이, 여기자는 상이한 유기 반도체 물질로 된 층 연속체를 가로질러 내장 전기장(열 평형 상태에서)을 구조적으로 모의함으로써, 중간층으로부터 캐소드 쪽을 향해 다수의 유기 반도체 층 중 하나 이상의 층으로 여기자의 결합 전자를 끌어당김으로써, 중간층으로부터 애노드 쪽을 향해 다수의 유기 반도체 층 중 하나 이상의 층으로 여기자의 속박 정공을 끌어당김으로써 공간적으로 분리될 수 있다. 본질적으로, 상반되는 전류가 가능할지라도, 모의된 전기장 구배는 2 이상의 공간적으로 구분된 경계면을 통해 여기자를 흩어놓는다.
도 11은 상이한 유기 반도체 물질로 된 층 연속체로 구성된 새로운 구조의 에너지 밴드 도표를 도해하며, 각각의 층은 다음 층과 직접 접촉한다. 중간층(1153)은 필수적으로 광전도성 반도체 물질로 구성된다. 3개 이상의 유기 반도체 층(1152a, 1152b, 1152c)의 제 1 세트(1152)는 상기 중간층(1153)과 애노드(120) 사이에 배치되고, 3개 이상의 유기 반도체 층(1154a, 1154b, 1154c)의 제2 세트(1154)는 상기 중간층(1153)과 캐소드(170) 사이에 배치된다. 제 1 세트(1152)의 각각의 층은 필수적으로 다수의 유기 반도체 층 중 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 더 높은 LUMO 및 더 높은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 구성된다. 제2 세트(1154)의 각각의 층은 필수적으로 다수의 유기 반도체 층 중 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 더 낮은 LUMO 및 더 낮은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 구성된다.
바람직하게는, 상기 중간층(1153)의 애노드 쪽에서 HOMO 사이의 간격은 각각 1 kT 및 3 kT이고, 또한 상기 중간층(1153)의 캐소드 쪽에서 LUMO 사이의 간격은 각각 1 kT 및 3 kT이다. 그러한 작은 간격이 반드시 정류하지는 않을지라도(상반되는 전류를 가능하게 함), 제1 및 제2 세트의 층이 비교적 얇게(몇몇 단층, 이하 추가 기술함) 유지되는 경우에 상기 간격들은 애노드와 캐소드 사이에 내장 전기장(EBI, 4)을 모의한다. 즉, 제1 세트(1152)의 층, 중간층(1153) 및 제2 세트(1154)의 층 사이의 경계면 중 어느 것이 정류하지 않을지라도, 새로운 구조에 따른 소자는 효율적이면서 완전히 작동가능할 수 있다. 도 11에 도해한 바와 같이, 새로운 구조의 결과는 여기자(8)가 공간적으로 분리되고, 동시에 2 이상의 구분된 한계 경계면("부분적인 분리")을 가로질러 갈라놓는 것이다.
이 접근의 장점은 개방 회로 전압(VOC)을 고려할 때 명확해진다. 개방 회로 전압은 제1 세트(1152) 중 애노드에 가장 가까운 층의 HOMO와 제2 세트(1154) 중 캐소드에 가장 가까운 층의 LUMO 사이의 차이이다. 새로운 구조의 결과로서, 각각의 최종 물질의 여기자 결합 에너지는 인자로서 제거된다. 이에 따라, 개방 회로 전압은 중간층(1153) - 6 kT(각각 1 kT의 6개 간격에 해당하는 6 kT)의 에너지 차이만큼 클 수 있는 한편, 동시에 높은 전류 밀도를 가진다. 적외선 흡수 물질이 포함될 지라도, 1 eV를 초과하는 개방 회로 전압은 쉽게 얻어질 수 있다. 새로운 유기 반도체 물질이 이용할 수 있는 만큼 더 큰 VOC가 가능해야할지라도, 바람직한 개방 회로 전압 범위는 0.5 eV∼3.0 eV이다.
제1 세트(1152)의 LUMO 간격 및 제2 세트(1154)의 HOMO 간격은 1 kT(0.026 eV) 이상이 바람직한데, 이는 그것이 모의된 내장 전기장(4)을 생성하기에 충분하기 때문이다. 더 높은 전압 단계 차이는 더 큰 간격이 내장 전기장(4)의 효과를 증가시키는 이점이 있다. 하지만, 캐스캐이드를 가로지르는 누적 전압 차이의 증가는, 도 11에서 알 수 있는 바와 같이 개방 회로 전압(VOC)을 감소시킨다. 따라서, 인접층 사이의 HOMO 및 LUMO 전압 차이를 선택하는 데 교환 조건이 존재한다. 이러한 이유로, 제1 세트(1152)의 LUMO와 제2 세트(1154)의 HOMO 사이의 각각의 전압 간격은 5 kT(0.13 eV) 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 kT(0.078 eV) 이하이다.
하지만, 그들 자신의 개별적인 간격이라기 보다는 개방 회로 전압(VOC)으로부터 감해지는 전압 간격의 합이다. 그러므로, 실제적으로, 이용 가능한 물질 및 물질 안정성, 비용 및 증착의 용이함과 같은 다른 파라미터에 따라 5 kT보다 큰 단계 양을 가지는 하나(또는 몇몇 단계)를 포함하는 것인 의미있는 교환 조건일 수 있다. 바람직하게는, 제1 세트(1152)로 구성되는 인접층과 중간층(1153) 사이의 HOMO 간격과, 제2 세트(1154)로 구성되는 인접층과 중간층(1153) 사이의 LUMO 간격의 합은 6 kT(0.15 eV)∼40 kT(1.0 eV)이고, 각각의 간격에 대한 평균{합 - 에너지 캐스캐이드에서의 단계 수}은 1 kT(0.026 eV) 이상이다. 물론, 전술한 바와 같이, 개별적인 간격은 평균보다 더 크거나 또는 더 작을 수 있으나, 각각의 간격은 바람직하게는 1 kT 이상이다. 에너지 캐스캐이드에서 간격의 수는 {캐스캐이드에서의 유기 반도체 층의 수 - 1}이다.
다수의 작은 간격들을 가지는 기준을 충족하는지 여부의 한 가지 측정은, 평균 간격 크기가 1 kT 이상인 경우에, 각각의 개별적인 간격 크기보다 양을 정하기가 더 쉬울 수 있기 때문이다. 전술한 바와 같이, 평균 간격 크기는 전체의 캐스케이드를 가로지르는 간격 차이를 이용할 수 있다. 다른 접근은 중간층의 애노드 쪽에서 간격의 평균을 측정하고, 중간층의 캐소드 쪽에서 간격의 평균을 따로 측정하는 것이다. 제1 세트(1152)로 구성되는 인접층과 중간층(1153) 사이의 HOMO 차이의 합을 제1 세트(1152)의 층의 수로 나눈 것은 바람직하게는 1 kT 이상이고; 제2 세트(1154)로 구성되는 인접층와 중간층(1153) 사이의 LUMO 차이의 합을 제2 세트(1154)의 층의 수로 나눈 것은 바람직하게는 1 kT 이상이다.
바람직하게는, 결합 운반체가 그것을 따라 반대의 결합 운반체를 끌 가능성을 최소화하기 위해, 제1 세트 물질(1152)에서 각각의 LUMO 간격은 적어도 상응하는 HOMO 간격만큼 커야하고("상응하는"은 동일한 물질 경계면에서임), 제2 세트(1154)에서 각각의 HOMO 간격은 적어도 상응하는 LUMO 간격만큼 커야한다. 제1 세트 물질(1152)에서 LUMO 간격이 상응하는 HOMO 간격에 비해 애노드에 점진적으로 더 크게 접근하도록 하는 것과, 제2 세트 물질(1154)에서 HOMO 간격이 상응하는 LUMO 간격에 비해 점진적으로 더 크게 하는 것은, 또한 결합 운반체가 각각의 전이에 대한 누적 에너지를 증가시키는 것을 요구함으로써 끌 가능성을 최소화한다.
바람직하게는, 제1 및 제2 세트의 층은 또한 광전도성 물질로 구성되지만, 구조는 개념상 제1 세트(1152)의 층 및/또는 제2 세트(1154)의 층 중 몇몇이 광전도성 물질일지라도 작동한다.
모의된 내장 전기장(4)의 유효성을 증가시키기 위해, 제1 세트(1152) 중 중간층(1153)에 가장 가까운 층(1152a) 및 제2 세트(1154) 중 중간층(1153)에 가장 가까운 층(1154a)은 각각 각자의 유기 반도체 물질의 3개 이하의 단층 두께인 것이 바람직하다. 이들 층을 더 두껍게 만드는 것은 내장 전기장(4)의 유효성을 적게 하여, 층(1152a 및 1154a)이 바람직하게는 가능한한 얇은 동시에 연속적인 인가범위를 제공하도록 한다.
또한, 제1 세트(1152) 및 제2 세트(1154)의 다른 층은 각각 각자의 유기 반도체 물질의 3개 이하의 단층 두께일 수 있다. 하지만, 내장된 전기장의 환상은 애노드 및 캐소드 쪽을 향해 약간 증가할지라도 유지될 수 있고, 이는 여기자 발생에 추가적인 광전도성 면적으로 제공함으로써 이로울 수 있다(여기자는 또한 제1 세트 및 제2 세트의 층에서 생성될 수 있고, 이외에도 여기자는 중간층에서 생성됨). 제1 세트(1152)와 제2 세트(1154)의 두께가 증가되는 경우, 바람직하게는 두께 증가는 점진적이고, 중간층(1153)으로부터 멀어진다. 하지만, 제1 세트(1152) 중 애노드(120)에 가장 가까운 층 및 제2 세트(1154) 중 캐소드(170)에 가장 가까운 층은 바람직하게는 각각 단층 10개의 두께보다 크지 않다(각자의 물질에 비해).
중간층(1153)의 두께는 광흡수를 위한 면적으로 증가시키기 위해 최대화될 수 있으나, 바람직하게는 중복 재결합을 최소화하기 위해 층을 형성하는 광전도성 물질의 2 미만의 여기자 확산 길이여야 한다.
도 12는 도 2에 나타낸 배열과 유사한 단일 전지 감광성 소자(1100)로서 배열된 도 11의 예를 도해한다. 도해한 바와 같이, 도 11에서 각각의 층은 광전도성 물질로 구성되는 것으로 가정할 때, 에너지 캐스캐이드가 집합적으로 광활성 영역(1150)으로서 언급된다. 광활성 영역(1150)으로 예시된 에너지 캐스캐이드는 또한 도 7 및 8에 도해된 광활성 영역(150 및 150')에 대한 대체물로서 직렬 배열로 이용될 수 있다. 여기자 차단층(156)이 전지(1100)에 포함되는 경우, 그것은 바람직하게는 광전도성 물질로 구성되지 않는다. 도해하지는 않았지만, 여기자 차단층은 제1 세트(1152)와 애노드(120) 사이에 포함될 수 있다.
상기 에너지 캐스캐이드의 각각의 유기 반도체 층에 있어서, 각각의 층의 "필수적인" 물질은 무엇이든지 각자의 층의 운반체 수송 특성을 한정하는 성분 또는 성분들이다. 예를 들어, 운반체 수송이 메트릭스 물질에서 도핑제를 통하는 경우, 층을 특징화하는 데 관련된 분자는 도핑제 분자의 것이다.
상기 애노드 또는 캐소드가 반사성인 경우, 더 큰 밴드갭 물질이 더 작은 밴드갭 물질보다 반사성인 전극에 더 가깝도록 유기 반도체 물질을 배열하는 것이 추가 이점이 존재한다. 일반적으로, 물질의 에너지 차이(HOMO와 LUMO 사이의 차이)는 흡수 파장에 반비례한다. 반사성인 전극은 반사성인 경계면에서 대략 λ/4n 떨어진 피크를 가진 구조에서 정재파를 생성하고, 이때 λ는 빛의 파장이고, n은 상기 유기 반도체 물질의 표준화된 굴절 지수이다(n~2). 따라서, 푸른색을 흡수하는 더 큰 밴드갭 물질(예를 들어, 400 nm/4 x 2 = 50 nm)은 적색 및/또는 적외선을 흡수하는 더 작은 밴드갭 물질(예를 들어, 800 nm/4 x 2 = 100 nm)보다 반사성인 표면에 더 가깝게 위치해야 한다. 이 효과를 최대화하기 위해, 스페이서 또는 추가적인 광활성 영역(즉, 연속 배열)이 반사성인 전극 및 유기 반도체 층 연속체 사이에 포함될 수 있다.
상기 애노드(120)가 반사성인 경우, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트(1152)의 물질 밴드갭은 애노드(120) 쪽을 향해 점진적으로 증가하는 것이 바람직하고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트(1154)의 최대 물질 밴드갭은 제1 세트 물질(1152)의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것이 바람직하다.
마찬가지로, 상기 캐소드(170)가 반사성인 경우, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트(1154)의 물질 밴드갭은 캐소드(170) 쪽을 향해 점진적으로 증가하는 것이 바람직하고, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트(1152)의 최대 물질 밴드갭은 제2 세트 물질(1154)의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것이 바람직하다.
상기 중간층(1153)의 광전도성 물질의 광흡수 특성은 엑시플렉스 또는 엑시머와 같은 분자 착물로부터 발생할 수 있다. 그러한 분자 착물에 있어서, 2 이상의 분자가 협력적인 흡수에 참여할 수 있고, 이때 상기 착물은 구성 분자와는 상이한 HOMO 및 LUMO를 가진다. 이들 착물은 단지 들뜬 상태에서 존재한다. 상기 착물의 성분들이 동일한 형태인 경우에, 상기 착물은 엑시머인 한편, 2개의 상이한 형태의 분자로 된 착물은 엑시플렉스이다. 그러한 분자 착물의 예는, 바닥 상태에서는 분리하거나 단지 약하게 결합하지만 들뜬 상태에서는 더욱 강하게 결합하는 분자 집합체이다. 분자 착물의 배경 기술에 대해서는, 문헌[Chapter 5 of "Modern Molecular Photochemistry" by Nicholas J. Turro, University Science Books 1991]을 참조한다. 엑시머 또는 엑시플렉스가 중간층(1153)으로서 사용되는 경우, 인접층에 비한 상대적인 HOMO 및 LUMO는 층(1153)의 구성 분자의 HOMO 또는 LUMO라기 보다는 분자 착물의 것이다.
광활성 영역(1150)이 단일 전지 소자에 배치되는 경우, 상기 광활성 영역(1150)의 전체 두께는 상기 영역의 광학적 흡수 계수의 역수보다 작은 것이 바람직하다(투사한 빛이 상기 영역에 도달하기 위해 통과할 임의의 다른 물질을 더한다). 유사하게, 상기 광활성 영역(1150)이 직렬 구조로 배치되면, 빛 투사 표면에 정반대인 전극으로의 직렬 구조를 가로지르는 전체 두께는 혼합 구조를 통한 광학적 흡수 계수의 역수보다 작은 것이 바람직하다.
도 12에서 도해한 예는 바닥에 애노드(120)를 도해하고 꼭대기에 캐소드(170)를 도해하고 있지만, 반대의 구조(바닥이 캐소드(170))도 물론 형성될 수 있다.
에너지 캐스캐이드가 7개의 층을 가지는 것으로 기술되지만, 더 많은 층이 포함될 수 있다. 중간층(1153)의 한쪽 면에서 캐스캐이드의 층수는 상기 중간층(1153)의 다른 면의 층수와 상이할 수 있다.
제1 세트 물질(1152)의 층이 우선적으로 정공을 전도하고 제2 세트 물질(1154)의 층이 우선적으로 전자를 전도하는 것과 같이, 각자의 층에 대해 선택되는 물질은 직렬 저항을 최소화하기 위해 각자의 전하 운반체에 대해 유리한 전도 본질(예를 들어, 높은 운반체 전도성, 높은 운반체 이동성)을 가지는 것이 바람직하다. 하지만, 이들 층이 비교적 얇기 때문에, 작동가능한 소자는 제1 세트 물질(1152)에 비교적 적은 정공 운반체를 포함하고 제2 세트(1154)에 비교적 적은 전자 운반체를 포함하는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 구조를 제조하는 방법을 특징으로 할 수 있다. 몇 개의 단층 두께를 조절하여 생성할 수 있는 층을 조립하는 임의의 방법이 유기 광전도성 층을 형성하는 데 이용될 수 있고, 상이한 방법들이 상이한 층을 형성하는 데 이용될 수 있다. 얇은 유기 층의 두께를 정확하게 조절하는 데 이용될 수 있는 침적 방법의 예로는 진공 열적 증착법(VTE), 유기 분자선 증착법(OMBD), 유기 기상 제트 증착법(OVJD) 및 유기 기상 증착법(OVPD)을 들 수 있다. 분자 자기조립, 정전형 막 성장 및 DNA 안내 조립 기술이 또한 이용될 수 있다.
상기 구조를 형성하는 방법의 구체예는 기판 상의 전극과 같은 제1 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 그 후, 일련의 7개 이상의 층을 상기 제1 전극 위에 침적하며, 각각의 층은 필수적으로 상이한 유기 반도체 물질로 구성된다. 이 시퀀스의 1 이상의 중간층의 유기 반도체 물질은 앞서 설명한 바와 같이 광전도성 물질이다. 그 후, 상기 제2 전극을 7개 이상의 층 시퀀스 위에 침적시킨다. 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 애노드이고, 다른 하나는 캐소드이다. 일련의 7개 이상의 층의 유기 반도체 물질은 이 일련의 층을 가로질러 애노드에서 캐소드로 감소하는 LUMO의 시퀀스 및 감소하는 HOMO의 시퀀스를 제공하도록 배열된다.
HOMO 및 LUMO의 간격들은 모의된 내장 전기장을 생성하고, 더 크고 더 많은 간격들은 더 큰 전기장을 만들어 바람직하다. 하지만, 각각의 단계는 또한 바람직하지 않은 개방 회로 전압(VOC)을 증가시킨다. 바람직하게는, 7개 이상의 층으로 된 연속체 중 애노드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 HOMO와, 7개 이상의 층으로 된 연속체 중 캐소드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 LUMO 사이의 에너지 차이는 VOC에 상응하는 에너지 차이가 0.5 eV∼3.0 eV가 되도록 제한된다. 더욱 바람직하게는, 이 에너지 차이는 1 eV 이상이다. 이 에너지 차이는 입수가능하거나 입수가능해질 수 있는 유기 반도체 물질을 사용하여 가능한한 높아질 수 있다. 실질적으로, 이 차이(즉, VOC)는 입수가능한 물질을 사용하여 3 eV보다 크지 않을 것으로 예상되나, 더 높은 차이가 가능할 수 있다.
[실시예]
본원에서 기술하는 소자의 구조화의 실용성을 증명하기 위해, 도 13은 다양한 유기 반도체 물질에 대한 HOMO 및 LUMO를 도해한다. 도면은 비스듬히 위치하고, 왼쪽 편이 진공 수준(0 eV)이다. 나열된 물질의 전체 이름은 다음과 같다.
PTCDA: 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭 디안하이드라이드.
TAZ: 3-페닐-4-(1'-나프틸)-5-페닐-1,2,4-트리아졸.
BCP: 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린.
C60: C60.
C70: C70.
PTCBI: 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭 비스-벤즈이미다졸.
SC5: 1,3,5-트리스-페닐-2-(4-비페닐)벤젠.
OPCOT: 옥타페닐-시클로옥타테트란.
CBP: 4,4'-N,N-디카바졸-비페닐.
Alq3: 8-트리스-히드록시퀴놀린 알루미늄.
FPt1: 하기의 백금(II)(2,4,6-디플루오로페닐)피리디나토-N,C 2')β-디케토네이트:
FIrpic: 비스(2-(4,6-디플루오로페닐)피리딜-N,C2')이리듐(III) 피콜리네이트.
α-NPD: 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐.
(ppy)2Ir(acac): 비스(2-페닐피리딘)이리듐(III) 아세틸아세토네이트.
HMTPD: 4,4'-비스[N,N'-(3-토릴)아미노]-3,3'-디메틸 비페닐.
NPD: N,N'-디페닐-N-N'-디(1-나프틸)-벤지딘.
Tetracene: 테트라센.
ZnPc: 아연 프탈로시아닌.
NiPc: 니켈 프탈로시아닌.
CuPc: 구리 프탈로시아닌.
ppZ2Ir(dpm): 이리듐(III)비스(1-페닐피라졸라토-N,C2')(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵타디오네이토-O,O).
SnPc: 주석 프탈로시아닌.
m-MTDATA: 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민.
fac-Ir(ppz)3: 표면상 트리스(1-페닐피라졸라토-N,C2')이리듐(III).
PbPc: 납 프탈로시아닌.
Pentacene: 펜타센.
Ru(acac)3: 트리스(아세틸아세토네이토)루테늄(III).
fac-Ir(ppy)3: 표면상 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(III).
fac-Ir(mpp)3: 표면상 트리스(3-메틸-2-페닐피리딘)이리듐(III).
본 발명이 이러한 물질에 국한되는 것은 아니며, 대부분의 부가적인 물질에 대한 데이터는 유기 반도체 문헌에서 용이하게 입수가능하다. 또한, 몇몇 분자에 대한 물질 밴드갭, HOMO 및 LUMO는 치환기를 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
당업계에서 공지된 바와 같이, HOMO 및 LUMO의 측정 시 오차는 유의적일 수 있다. 예를 들어, 전류 광전자 분광학 및 전기화학적 측정의 경우, HOMO에서의 변동은 특히 다른 실험실로부터의 테스트와 비교할 때, +/- 0.1 eV만큼 높을 수 있고, LUMO에서는 0.2∼0.5 eV만큼 높을 수 있다. 테스트 정확도는 계속해서 향상된다. 한편, 전술한 소자에 대한 후보 물질은 문헌으로부터 선택하고, 그 다음 각각의 후보 물질의 LUMO 및 HOMO는 실험 오차를 최소화하기 위해 동일한 장비에서 동일한 조건하에 측정할 것을 추천한다.
앞선 설명에서 kT의 사용과 관련하여, k는 볼츠만 상수이고 T는 작동 온도이다. 유기 감광성 소자에 대한 작동 온도는 일반적으로 T= -40℃∼+100℃의 작동 범위를 가지는 것으로 명시되고, 명목상 작동 온도는 대략 300oK이다. 명목상 작동 온도를 이용하는 경우, 1 kT는 대략 0.026 eV(즉, 1.381E-23(J/K)/1.602E-19(J/eV) x 300oK)이고, 3 kT는 대략 0.078 eV이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 유기 감광성 소자는 투사한 전자기적 방사선(예를 들어, 광기전력 소자)로부터 전기력을 발생시키는 데 사용될 수 있거나, 또는 투사한 전자기적 방사선(예를 들어, 광검출기 또는 광전도체 전지)를 검출하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본원에서 기술하는 구조는 유기 감광성 전지 이외의 소자에서 적용된다. 예를 들어, 상기 구조는 또한 유기 발광 다이오드 및 유기 트랜지스터의 경우 유용하다.
본 발명의 특정 예는 본원에서 도해되고/되거나 기재된다. 하지만, 본 발명의 변형 및 변동은 상기 기술에 포함되며 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 한 첨부한 청구항의 범위 내에 있음을 이해할 것이다.
Claims (23)
- 애노드 및 캐소드(애노드 및 캐소드 중 하나 이상은 투명함); 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 다수의 유기 반도체 층(다수의 유기 반도체 층 중 각각의 2개의 인접층은 직접 접촉함)
을 포함하는 유기 광기전력 전지로서,
상기 다수의 유기 반도체 층은
최저 비점유 분자 궤도함수 에너지 준위(LUMO) 및 최고 점유 분자 궤도함수 에너지 준위(HOMO)를 가지는 광전도성 물질로 필수적으로 구성되는 중간층;
상기 중간층과 상기 애노드 사이의 3개 이상의 층으로 된 제1 세트(제1 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 상기 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 더 높은 LUMO 및 더 높은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성됨); 및
상기 중간층과 상기 캐소드 사이의 3개 이상의 층으로 된 제2 세트(제2 세트의 각각의 층은 다수의 유기 반도체 층 중 상기 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 더 낮은 LUMO 및 더 낮은 HOMO를 가지는 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성됨)
를 포함하고,
3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 애노드에 가장 가까운 층의 HOMO와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 캐소드에 가장 가까운 층의 LUMO 사이의 에너지 차이는 0.5 eV∼3.0 eV이며,
3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 다수의 유기 반도체 층 중 상기 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 높은 LUMO 및 HOMO를 가지며,
3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 다수의 유기 반도체 층 중 상기 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 낮은 LUMO 및 HOMO를 가지는 것인, 유기 광기전력 전지. - 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 애노드에 가장 가까운 층의 HOMO와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 캐소드에 가장 가까운 층의 LUMO 사이의 에너지 차이는 1 eV 이상인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMO 차이의 합이 0.15 eV∼1.0 eV인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이와 3개 이상의 층으로 된 제2 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMO 차이의 합을, 제1 세트 및 제2 세트의 층수의 합으로 나눈 것이 0.026 eV 이상인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 HOMO 차이의 합을 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 층수로 나눈 것이 0.026 eV 이상이고,
3개 이상의 층으로 된 제2 세트로 구성되는 인접층과 중간층 사이의 LUMO 차이의 합을 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 층수로 나눈 것이 0.026 eV 이상인 유기 광기전력 전지. - 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 및 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 유기 반도체 물질은 광전도성 물질인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 층으로 된 제1 세트 중 상기 중간층에 인접한 층과, 3개 층으로 된 제2 세트 중 상기 중간층에 인접한 층의 두께는 각각 각자의 유기 반도체 물질로 된 단층 3개 이하의 두께인 유기 광기전력 전지.
- 제7항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 및 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 각각의 층 두께는 각자의 유기 반도체 물질로 된 단층 3개 이하의 두께인 유기 광기전력 전지.
- 제7항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 층 두께는 애노드 쪽을 향해 점진적으로 증가하고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 층 두께는 캐소드 쪽을 향해 점진적으로 증가하는 것인 유기 광기전력 전지.
- 제9항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 애노드에 가장 가까운 층과, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 캐소드에 가장 가까운 층은 두께가 단층 10개 이하의 두께인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 물질 밴드갭은 애노드 쪽을 향해 점진적으로 증가하는 것인 유기 광기전력 전지.
- 제11항에 있어서, 상기 애노드는 반사성인 유기 광기전력 전지.
- 제12항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 최대 물질 밴드갭이 3개 이상의 층으로 된 제1 세트 물질의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트의 물질 밴드갭은 캐소드 쪽을 향해 점진적으로 증가하는 것인 유기 광기전력 전지.
- 제14항에 있어서, 상기 캐소드는 반사성인 유기 광기전력 전지.
- 제15항에 있어서, 3개 이상의 층으로 된 제1 세트의 최대 물질 밴드갭이 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 물질의 최소 물질 밴드갭보다 더 작은 것인 유기 광기전력 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 중간층의 광전도성 물질은 들뜬 상태에서 엑시머를 형성하는 분자로 필수적으로 구성되며, 상기 광전도성 물질의 HOMO 및 LUMO는 상기 엑시머의 HOMO 및 LUMO이고,
3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 엑시머에 비해 더 높고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 엑시머에 비해 더 낮은 것인 유기 광기전력 전지. - 제1항에 있어서, 상기 중간층의 광전도성 물질은 들뜬 상태에서 엑시플렉스를 형성하는 2개의 상이한 유형의 분자로 필수적으로 구성되며, 상기 광전도성 물질의 HOMO 및 LUMO는 엑시플렉스의 HOMO 및 LUMO이고,
3개 이상의 층으로 된 제1 세트 중 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 엑시플렉스에 비해 더 높고, 3개 이상의 층으로 된 제2 세트 중 중간층에 인접한 층의 LUMO 및 HOMO는 엑시플렉스에 비해 더 낮은 것인 유기 광기전력 전지. - 제1 전극을 제공하는 단계;
상기 제1 전극 상에 일련의 7개 이상의 층을 침적시키는 단계로서, 각각의 층은 상이한 유기 반도체 물질로 필수적으로 구성되고, 이 일련의 층의 적어도 중간층의 유기 반도체 물질은 광전도성 물질인 단계; 및
일련의 7개 이상의 층 상에 제2 전극을 침적시키는 단계
를 포함하는 감광성 소자를 제조하는 방법으로서,
이때 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 애노드이고, 다른 하나는 캐소드이며,
이때 일련의 7개 이상의 층의 유기 반도체 물질은 이 일련의 층을 가로질러 애노드에서 캐소드로 감소하는 최저 비점유 분자 궤도함수 에너지 준위(LUMO)의 시퀀스 및 감소하는 최고 점유 분자 궤도함수 에너지 준위(HOMO)의 시퀀스를 제공하도록 배열되는 것이며,
일련의 7개 이상의 층 중 애노드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 HOMO와, 일련의 7개 이상의 층 중 캐소드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 LUMO 사이의 에너지 차이는 0.5 eV∼3.0 eV이고,
상기 중간층과 상기 애노드 사이의 일련의 7개 이상의 층의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 일련의 7개 이상의 층 중 상기 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 높은 LUMO 및 HOMO를 가지며,
상기 중간층과 상기 캐소드 사이의 일련의 7개 이상의 층의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 일련의 7개 이상의 층 중 상기 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 낮은 LUMO 및 HOMO를 가지는 것인,
감광성 소자를 제조하는 방법. - 제19항에 있어서, 일련의 7개 이상의 층 중 애노드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 HOMO와, 일련의 7개 이상의 층 중 캐소드에 가장 가까운 층의 유기 반도체 물질의 LUMO 사이의 에너지 차이는 1 eV 이상인 감광성 소자를 제조하는 방법.
- 애노드와 캐소드 사이에 상이한 유기 반도체 물질로 된 일련의 층을 제공하는 단계로서, 이 일련의 층은 열 평형에서 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 내장 전기장(built-in field)을 모의하도록 배열되는 것인 단계;
일련의 층의 중간층 내에 광흡수에 의해 여기자를 발생시키는 단계;
중간층 내에 발생된 여기자를 공간적으로 분리시키는 단계로서, 상기 모의된 내장 전기장은 중간층으로부터 캐소드 쪽을 향해 일련의 층의 하나 이상의 층으로 여기자의 속박 전자를 끌어당기는 동시에, 중간층으로부터 애노드 쪽을 향해 다수의 유기 반도체 층 중 하나 이상의 층으로 여기자의 속박 정공을 끌어당기는 것인 단계; 및
상기 공간적으로 분리된 여기자로부터의 광전류를, 애노드에서 캐소드로 전기 접속된 로드에 인가하는 단계
를 포함하며,
일련의 층 중 애노드에 가장 가까운 층의 HOMO와, 일련의 층 중 캐소드에 가장 가까운 층의 LUMO 사이의 에너지 차이는 0.5 eV∼3.0 eV이고,
상기 중간층과 상기 애노드 사이의 일련의 층의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 상기 캐소드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 높은 LUMO 및 HOMO를 가지며,
상기 중간층과 상기 캐소드 사이의 일련의 층의 각각의 층의 유기 반도체 물질은 상기 애노드에 더 가까운 인접층의 물질에 비해 0.026 eV 이상 더 낮은 LUMO 및 HOMO를 가지는 것인,
로드에 광전류를 제공하는 방법. - 제21항에 있어서, 애노드 및 캐소드를 가로지르는 개방 회로 전압이 0.5∼3.0 V인 로드에 광전류를 제공하는 방법.
- 제22항에 있어서, 애노드 및 캐소드를 가로지르는 개방 회로 전압이 1.0 V 이상인 로드에 광전류를 제공하는 방법.
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