KR101844881B1 - 태양에너지 수확 효율을 향상시키기 위한 태양광 모듈 시스템용 캡슐물로서 파장 전환 재료 - Google Patents
태양에너지 수확 효율을 향상시키기 위한 태양광 모듈 시스템용 캡슐물로서 파장 전환 재료 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조에 관한 것이고, 이 구조는 태양전지 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 향상시키기 위해 작용한다. 발광 파장 전환 재료는 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함한다. 본원에서 개시된 바와 같이, 태양전지, 태양광 패널, 및 광전지 디바이스를 포함하는 태양에너지 수확 디바이스에 대한 캡슐화 구조의 적용은, 디바이스에 의해 전기로 효율적으로 전환될 수 있는 도입 태양광의 스펙트럼을 확대하여 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다.
Description
관련 출원들에 대한 교차참조
본 특허 출원은 미국 가특허 출원 번호 61/567,548 (2011년 12월 6일 출원), 및 미국 가특허 출원 번호 61/662,848 (2012년 6월 21일 출원)에 대한 우선권의 이점을 주장한다. 상기 출원 모두는 다목적으로 참고로 그 전체가 본 명세서에 포함되어 있다.
발명의 배경
발명의 분야
본 발명의 구현예는 일반적으로 태양전지, 태양광 패널, 또는 광전지 디바이스용 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조에 관한 것이고, 이 구조는 이들 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다.
관련 기술의 설명
태양 에너지의 이용은 전통적 화석 연료에 대한 유망한 대안적인 에너지 공급원을 제시하고, 따라서, 태양 에너지를 전기로 전환시킬 수 있는 디바이스, 예컨대 광전지 디바이스 (태양전지로도 공지됨)의 개발은 최근에 유의미하게 주목을 끌고 있다. 몇 개의 예를 들면, 실리콘 기반 디바이스, III-V 및 II- VI PN 접합 디바이스, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 (CIGS) 박막 디바이스, 유기 감광제 디바이스, 유기 박막 디바이스, 및 카드뮴 설파이드/카드뮴 텔루라이드(CdS/CdTe) 박막 디바이스를 포함하는 몇 개의 상이한 유형의 성숙한 광전지 디바이스가 개발되었다. 이들 디바이스에 대한 더 상세한 설명은 문헌, 예컨대 Lin 등 ["High Photoelectric Conversion Efficiency of Metal Phthalocyanine/Fullerene Heterojunction Photovoltaic Device" (International Journal of Molecular Sciences, vol. 12, 페이지 476, 2011)]에서 발견될 수 있다. 그러나, 많은 이들 디바이스의 광전 전환 효율은 이러한 효율을 개선시키기 위한 기술의 개선 및 개발에 대한 여지가 여전히 남아있으며, 이러한 기술의 개선 및 개발은 많은 연구자에게 진행중인 과제였다.
최근에, 광전지 디바이스의 효율을 개선시키기 위해 개발된 하나의 기술은 파장 전환 필름을 이용하는 것이다. 많은 광전지 디바이스는, 광이 전기로 전환되는 광전도성 재료 층을 통과하도록 하는 대신에 디바이스 상의 재료가 광의 어떤 파장 (전형적으로 더 짧은 UV 파장)을 흡수하기 때문에 전체 스펙트럼의 광을 효과적으로 이용할 수 없다. 파장 전환 필름의 적용은 더 짧은 파장 광자를 흡수하고 이들을 더 유리한 긴 파장으로 재방출하며, 이것은 이후 디바이스의 광전도성 층에 의해 흡수되어 전기로 전환될 수 있다.
이러한 현상은 박막 CdS/CdTe 및 CIGS 태양전지에서 흔히 관찰되며, 이들 둘 모두는 윈도우 층으로서 CdS를 사용한다. 10-16%의 광전 전환 효율을 갖는 전형적인 상업적 전지를 포함하는, 저비용 및 고효율의 이들 박막 태양전지는 최근에 유의미하게 주목을 끌고 있다. 그러나, 이들 디바이스의 쟁점은 하나의 CdS의 에너지 갭, 대략 2.41eV이며, 이것은 514 nm 미만의 파장에서 광이 에너지로 전환될 수 있는 광전도성 층을 통과하는 대신에 CdS에 의해 흡수되도록 한다. 전체 스펙트럼의 광을 효과적으로 이용할 수 없는 것은 디바이스의 전체 광전 전환 효율을 감소시킨다.
광전지 디바이스의 성능을 개선시키기 위한 파장 전환 재료의 이용을 개시한 수많은 리포트가 있다. 예를 들면, 미국 특허 출원 공보 번호 2009/0151785는 파장 다운-쉬프팅 무기 포스포르 재료를 함유하는 실리콘 기반 태양전지 디바이스를 개시한다. 미국 특허 출원 공보 번호 US 2011/0011455는 플라즈모닉 층, 파장 전환 층, 및 광전지 층을 포함하는 통합된 태양전지를 개시한다. 미국 특허 번호 7,791,157은 양자점 화합물을 함유하는 파장 전환 층을 갖는 태양전지를 개시한다. 미국 특허 출원 공보 번호 2010/0294339는 발광 다운-쉬프팅 재료를 함유하는 통합된 광전지 디바이스를 개시하고 있지만, 예시 구현예는 구성되지 않았다. 미국 특허 출원 공보 번호 2010/0012183은 파장 다운-쉬프팅 광발광 매체를 갖는 박막 태양전지를 개시하고 있지만; 어떠한 예시도 제공되지 않았다. 미국 특허 출원 공보 번호 2008/0236667은 무기 형광 분말을 포함하는 박막 폴리머의 형태로 제조된 증대된 스펙트럼 전환 필름을 개시하고 있다. 그러나, 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있는 각각의 이들 특허 및 특허 출원 공보에는 태양전지 디바이스의 상부에 또는 상기 디바이스 내에 이러한 부가적 파장 전환 층을 직접적으로 적용하였으며, 이것은 디바이스를 제작하는데 부가적 비용을 추가시키고, 또한 측면에서 벗어나 환경으로 광자의 손실 증가를 유발할 수 있는 디바이스 두께를 증가시킨다.
더욱이, 태양광 모듈은 전통적으로, 태양광에 대한 노출을 최대로 할 수 있는, 지붕 위 또는 훤히 트인 공간에 야외에 장착되며, 이는 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있는 미국 특허 출원 공보 번호 2007/0295388을 참고한다. 이러한 유형의 야외 배치는 이들 디바이스가 일정한 날씨 및 수분 노출을 겪게 하며, 따라서, 이들은 오랜 기간 동안 안정한 작동을 제공하기 위해 충분히 보호되어야 한다. 전통적으로, 태양전지 모듈은 비싸고, 무거우며 단단한 유리 시트를 사용하여 비바람에 견딜 수 있었으며, 또한 수분이 측면을 침투하는 것으로부터 보호하기 위해 몇몇 유형의 모서리 테이프를 필요로 한다. 미국 특허 번호 7,976,750은 태양광 모듈을 2 폴리머 층들 사이에 끼워넣고, 그 다음 갭을 기포제로 채움으로써 태양광 모듈을 캡슐화하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 출원 공보 번호 2011/0017268은 태양광 모듈 디바이스를 캡슐화하기 위한 나노구조화된 폴리머 재료를 개시하고 있다. 미국 특허 번호 7,943,845는 폴리(비닐 부티랄) 조성물을 사용한 태양광 모듈의 캡슐화 방법을 개시하고 있다. 그러나, 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있는 이들 특허 및 특허 출원 공보 중의 어느 것도 태양광 디바이스를 위한 환경 방호뿐만 아니라 태양광 수확 효율의 증대를 동시에 제공하려는 시도가 이루어지지 않았다.
발명의 요약
본 발명의 일부 구현예는 태양 에너지 전환 디바이스용 캡슐화 구조를 제공한다. 본 발명의 일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조를 제공한다. 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하고 수분 및 산소의 태양 에너지 전환 디바이스로의 침투를 억제하기 위해 설정된다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조는 발광 파장 전환 재료 및 수분 및 산소의 상기 발광 파장 전환 재료에의 침투를 억제하기 위해 설정된 환경 보호 커버를 포함한다. 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함한다. 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료 및 환경 보호 커버는, 광이 태양 에너지 전환 디바이스에 도달하기 전에 상기 발광 파장 전환 재료 및 환경 보호 커버를 통과하도록 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하는 것으로 설정된다.
본 발명의 일부 구현예는 태양 에너지 전환 디바이스의 성능을 향상시키는 방법을 제공하고, 상기 방법은 캡슐화 구조를 갖는 디바이스를 캡슐화하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하는 것으로 설정되고 수분 및 산소의 태양 에너지 전환 디바이스로의 침투를 억제하는 것으로 설정된 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조를 사용하는 것을 수반한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 발광 파장 전환 재료 및 환경 보호 커버을 사용하는 것을 수반하고, 여기서 상기 환경 보호 커버는 수분 및 산소의 상기 발광 파장 전환 재료에의 침투를 억제하는 것으로 설정된다.
도 1은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 단일 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에서 캡슐 형태로 넣어지고 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 2는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에서 캡슐 형태로 넣어지고 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 3은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 인캡슐레이트에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상테 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 4는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에서 캡슐 형태로 넣어지고 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 5는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 인캡슐레이트에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상테 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 6은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 캡슐화 물질에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층되고, 추가 순수한 폴리머 필름은 발광 파장 전환 층의 상부 상에 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호물로서 사용된다.
도 7은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 단일 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에 캡슐 형태로 넣어지고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 8은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에 캡슐 형태로 넣어지고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 9는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 캡슐화 물질에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층되고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 10은 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증하고, 여기서 몇 개의 태양전지 디바이스를 갖는 태양광 패널은 태양전지 디바이스를 캡슐화하기 위해 발광 파장 전환 재료를 이용하고, 유리 하부 시트 및 유리 상부 시트는 환경 보호를 제공하고, 백시트는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 프레임을 패널을 함께 지탱한다.
도 11은 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증하고, 여기서 몇 개의 태양전지 디바이스를 갖는 태양광 패널은 태양전지 디바이스를 캡슐화하기 위해 발광 파장 전환 재료를 이용하고, 백시트는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 유리 상부 시트는 환경 보호를 제공하고, 프레임을 패널을 함께 지탱한다.
상세한 설명
본 발명의 구현예는 하나의 시스템에서 2 개로 유해한 환경 노출로부터의 셀의 보호 및 개선된 효율 모두를 달성한다. 본 명세서에 개시된 상기 발광 파장 전환 재료를 포함하는, 태양광 모듈 캡슐화 구조를 갖는 디바이스의 캡슐화는 태양전지 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 향상시키고 디바이스의 안정한 장기간 환경 보호를 제공한다. 상기 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조 모든 상이한 유형의 태양전지 및 태양광 패널과의 상용성이 되도록 형성될 수 있고, 상기 유형은 실리콘 기반 디바이스, III-V 및 II-VI PN 접합 디바이스, CIGS 박막 디바이스, 유기 감광제 디바이스, 유기 박막 디바이스, CdS/CdTe 박막 디바이스, 염료 감응형 디바이스, 등을 포함한다. 태양광 모듈 디바이스를 캡슐화하기 위해 구조를 이용하여, 태양 에너지 전환 디바이스 (예컨대 태양전지, 광전지 디바이스, 태양광 패널, 및 임의의 태양광 모듈 시스템)의 광전 전환 효율이 개선될 수 있다.
일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조를 제공한다. 일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조 및 환경 보호 커버를 제공한다. 일부 구현예에서, 환경 보호 커버는 수분 및 산소의 상기 발광 파장 전환 재료 및 태양전지 또는 광전지 디바이스에의 침투를 억제하기 위해 설정되고 플라스틱 또는 유리 시트를 포함한다. 일부 구현예에서, 밀봉 테이프는 모서리로부터 산소 및 수분의 진입을 억제하기 위해 태양광 패널의 주변에 적용된다. 태양전지 또는 광전지 모듈 디바이스에 적용된 이러한 캡슐화 구조의 예서직인 구현예는 도 1-6에서 실증된다.
본 발명의 일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조를 제공한다. 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 태양전지로의 수분 및 산소 침투를 방지하기 위한 환경 보호물로서 작용한다. 일 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 태양전지로의 산소 및 수분 침투를 방지하기 위해 디자인되고, 이로써 추가 환경 보호 커버는 필요하지 않고, 재료는 또한 셀의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다. 태양광 모듈 디바이스에 적용된 이러한 캡슐화 구조의 예시적인 구현예는 도 7-9에서 실증되었다.
본 발명의 구현예는 또한 광전지 디바이스, 태양전지, 태양광 모듈, 또는 태양광 패널의 성능을 개선하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 본 명세서에 개시된 캡슐화 구조로 디바이스를 캡슐화하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 태양전지 디바이스 상에 캐스팅되고 제자리에서 경화될 수 있다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 필름(들) 또는 층(들)의 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 박막 형태의 발광 파장 전환 재료는 태양광 모듈 디바이스 상에 롤 적층될 수 있다, 여기서 단지 전면 층은 태양광 모듈 상에 적층되거나, 전면 및 후면 층 모드는 태양광 모듈 디바이스 상에 적층된다.
추가 형태의 발광 파장 전환 재료는 또한 가능하고, 뿐만 아니라 상기 발광 파장 전환 재료를 태양광 모듈 디바이스에 적용하는 추가 방법이 가능하다. 캡슐화 구조는 딱딱한 디바이스에 적용될 수 있거나 신축성 디바이스에 적용될 수 있다. 더욱이, 캡슐화 구조 다중 태양전지 또는 광전지 디바이스의 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 캡슐화 구조는 복수의 태양전지 또는 광전지 디바이스를 포함한다.
일부 구현예에서, 추가 재료는 증가된 환경 보호를 제공하기 위해 또한 이용될 수 있다. 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 종종 사용되고 상기 발광 파장 전환 재료가 한번 캡슐 형태로 넣어진 태양광 모듈 디바이스의 상부 및/또는 아래에 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 밀봉 테이프는 측면을 통한 산소 또는 수분의 진입을 방지하기 위해 디바이스의 주변에 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 백시트는 태양전지에 의해 흡수되지 않은 입사광을 반사 및 굴절시키기 위해 태양광 모듈 디바이스 아래에 또한 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 캡슐에 넣어진 솔라 디바이스는 프레임, 예컨대 태양광 패널 또는 태양광 스트링을 형성하기 위해 이용된 것들에 또한 놓여질 수 있다. 도 10 및 11은 태양광 모듈 디바이스에서 사용된 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증한다.
발색단, 통칭 발광 염료 또는 형광 염료는 특정한 파장 또는 파장 범위의 광자를 흡수하고 상이한 파장에서 광자를 재방출하는 화합물이다. 태양전지 및 광전지 디바이스는 극단적인 환경 조건에 장기간 동안 (즉 20+ 년) 종종 노출되기 때문에, 발색단의 안정성은 중요하다. 일부 구현예에서, 우수한 광안정성 장기간 동안 (즉 <10% 분해를 갖는 하나의 태양 (AM1.5G) 조사 하의 조명의 20,000+ 시간) 우수한 광안정성을 갖는 단지 발색단 또는 발색단 화합물은 상기 발광 파장 전환 재료에서 사용된다. 캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 2개 이상의 발색단은 상기 발광 파장 전환 재료에 함유된다.
일부 구현예에서, 파장 전환 재료는 몇 개의 층으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 2개 이상의 발색단은 동일한 발광 파장 전환 재료 층에 위치하거나 별도의 재료 층에 있을 수 있다. 재료가 캡슐화되는 태양광 모듈에 따라 파장 전환 재료에서 다중 발색단 또는 발광 염료를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 제1 발색단은 광자를 파장 400-450 nm로부터 500 nm의 파장으로 전환하기 위해 사용할 수 있고, 제2 발색단은 광자를 파장 450-475로부터 500 nm의 파장으로 전환하기 위해 작용할 수 있고, 여기서 재료에 의해 캡슐 형태로 넣어진 태양관 모듈 시스템은 500 nm 파장에서 최적의 광전 전환 효율을 나타내고, 이로써 상기 발광 파장 전환 재료에 의한 디바이스의 캡슐화 유의미하게 태양광 모듈 시스템의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다.
부가적으로, 캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 발색단 중 적어도 하나는 상향-전환 염료, 또는 업-쉬프팅 염료이고, 이는 광자를 더 낮은 에너지 (간 파장)로부터 더 높은 에너지 (짧은 파장)로 전환시키는 발색단을 의미한다. 상향-전환 염료는 IR 영역의 파장, ~975nm에서 광자를 흡수하고, 가시광선 영역 (400-700nm)에서 재방출하는 것으로 발견된 희토류 재료, 예를 들면, Yb3 +, Tm3 +, Er3 +, Ho3 +, 및 NaYF4를 포함할 수 있다. 추가 상향-전환 재료는 하기에서 기재되어 있다: 미국 특허 번호 6,654,161, 및 6,139,210, 및 Indian Journal of Pure and Applied Physics, volume 33, 페이지 169-178, (1995), 이들은 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 발색단 중 적어도 하나는 하향-전환, 또는 다운-쉬프팅 염료이고, 이는 광자를 높은 에너지 (짧은 파장)에서 낮은 에너지 (긴 파장)로 전환시키는 발색단을 의미한다.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 파장 전환 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스로 구성된다. 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로부터 형성된다: 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 부티랄, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 비결정성 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 실록산 졸-겔, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트, 및 이들의 조합.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하나 초과의 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하나의 호스트 폴리머, 호스트 폴리머 및 코-폴리머, 또는 다중 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 폴리머 매트릭스 재료의 굴절률은 그 범위가 약 1.4 내지 약 1.7이다. 일부 구현예에서, 폴리머 매트릭스 재료의 굴절률은 그 범위가 약 1.45 내지 약 1.55이다.
일부 구현예에서, 발광 염료, 또는 발색단은 약 0.01 wt% 내지 약 3 wt% 범위의 양으로 폴리머 매트릭스에서 존재한다. 일부 구현예에서, 발색단은 약 0.05 wt% 내지 약 1 wt% 범위의 양으로 폴리머 매트릭스에서 존재한다.
일반식 I-a, I-b, II-a, II-b, III-a, II-b, IV, 및 V로 표시되는 발색단은 파장 전환 필름을 포함하는 다양한 적용에서 형광 염료로서 유용하다. 식에서 보여진 바와 같이, 염료는 벤조 헤테로사이클릭 시스템 또는 페릴렌 유도체를 포함한다. 사용될 수 있는 화합물의 유형에 대한, 발명의 범위를 벗어나지 않는 추가 세부사항 및 실시예는 이하에 기재되어 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "전자 공여체 그룹"은 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 임의의 그룹으로서 규정된다.
"전자 공여체 링커"는, 그것이 연결되는 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸의 전자 밀도에 대한 중립 효과를 또한 증가시키거나 가질 수 있는 그것의 π 궤도의 콘주게이션을 제공하는 2개의 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템을 연결할 수 있는 임의의 그룹으로서 규정된다.
"전자 수용체 그룹"은 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 임의의 그룹으로서 규정된다. 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 전자 수용체 그룹의 배치.
용어 "알킬"은 분지형 또는 직선형 완전 포화된 비환식 지방족 탄화수소 그룹 (즉 이중 또는 삼중결합을 갖지 않는 탄소 및 수소로 구성됨)을 의미한다. 알킬은, 비제한적으로, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, 3차 부틸, 펜틸, 헥실, 등을 포함한다.
용어 "사이클로알킬"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 3 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 포화된 지방족 고리계 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 사이클로프로필, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로헵틸, 등을 포함한다.
용어 "알케닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 탄소 이중 결합을 갖는 2 내지 20 개의 탄소 원자의 1가 직쇄형 또는 분지형 사슬 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 1-프로페닐, 2-프로페닐, 2-메틸-l-프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 등을 포함한다.
용어 "알키닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 탄소 삼중결합을 갖는 2 내지 20 개의 탄소 원자의 1가 직쇄형 또는 분지형 사슬 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 1-프로피닐, 1-부티닐, 2-부티닐, 등을 포함한다.
용어 "아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 하나의 고리 또는 다중 융합 고리이든 아니든 호모사이클릭 방향족 라디칼을 의미한다. 아릴 그룹의 예는, 비제한적으로, 페닐, 나프틸, 펜안트레닐, 나프타세닐, 플루오레닐, 피레닐, 등을 포함한다. 추가 예는 하기:
등을 포함한다.
용어 "알카릴" 또는 "알킬아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 알킬-치환된 아릴 라디칼을 의미한다. 알카릴의 예는, 비제한적으로, 에틸페닐, 9,9-디헥실-9H-플루오렌, 등을 포함한다.
용어 "아랄킬" 또는 "아릴알킬"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 아릴-치환된 알킬 라디칼을 의미한다. 아랄킬의 예는, 비제한적으로, 페닐프로필, 페닐에틸, 등을 포함한다.
용어 "헤테로아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 방향족 고리 시스템 라디칼을 의미하고, 여기서 1 이상의 고리 원자는 하나의 고리 또는 다중 융합 고리이든 아니든 헤테로원자이다. 2개 이상의 헤테로원자가 존재할 때, 동일 또는 상이할 수 있다. 융합 고리 시스템에서, 1 이상의 헤테로원자는 단 하나의 고리에 존재할 수 있다. 헤테로아릴 그룹의 예는, 비제한적으로, 벤조티아질, 벤족사질, 퀴나졸리닐, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 퀴녹살리닐, 피리디닐, 피리다지닐, 피리미디닐, 피라지닐, 피롤릴, 옥사졸릴, 인돌릴, 등을 포함한다. 치환된 및 비치환된 헤테로아릴 고리의 추가 예는 하기를 포함한다:
용어 "알콕시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, --O-- 결합을 통해 모 분자에 공유 결합된 직쇄형 또는 분지형 사슬 알킬 라디칼을 의미한다. 알콕시 그룹의 예는, 비제한적으로, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소프로폭시, 부톡시, n-부톡시, sec-부톡시, t-부톡시 등을 포함한다.
용어 "헤테로원자"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, S (황), N (질소), 및 O (산소)를 의미한다.
용어 "사이클릭 아미노"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 사이클릭 모이어티에서 2차 또는 3차 아민을 의미한다. 사이클릭 아미노 그룹의 예는, 비제한적으로, 아지리디닐, 피페리디닐, N-메틸피페리디닐, 등을 포함한다.
용어 "사이클릭 이미도"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 2개의 카보닐 탄소가 탄소 사슬에 의해 연결된 라디칼에서 이마이드를 의미한다. 사이클릭 이마이드 그룹의 예는, 비제한적으로, 1,8-나프탈이마이드, 피롤리딘-2,5-디온, 1H-피롤-2,5-디온, 등을 포함한다.
용어 "아릴옥시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, --O-- 결합을 통해 모 분자에 공유 결합된 아릴 라디칼을 의미한다.
용어 "아실옥시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 라디칼 R-C(=O)O-을 의미한다.
용어 "카바모일"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NHC(=O)R을 의미한다.
용어 "케토" 및 "카보닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, C=O을 의미한다.
용어 "카복시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -COOH을 의미한다.
용어 "에스테르"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, C(=O)O을 의미한다.
용어 "아미도"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NRC(=O)R'를 의미한다.
용어 "아미노"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NR'R"를 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 치환된 그룹은 비치환된 모 구조로부터 유래되고, 여기서 또 하나의 원자 또는 그룹에 대한 1 이상의 수소 원자의 교환이 있었다. 치환될 때, 치환체 그룹(들)은 하기로부터 별도로 및 독립적으로 선택된 1 이상의 그룹(들)이다: C1-C6 알킬, C1-C6 알케닐, C1-C6 알키닐, C3-C7 사이클로알킬 (할로, 알킬, 알콕시, 카복실, 할로알킬, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 사이클로알킬 같은자리에 부착된, C1-C6 헤테로알킬, C3-C10 헤테로사이클로알킬 (예를 들면, 테트라하이드로푸릴) (할로, 알킬, 알콕시, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 아릴 (할로, 알킬, C1-C6 알킬, 아릴알킬, 알콕시, 아릴옥시, 카복실, 아미노, 이미도, 아미도 (카바모일), 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 사이클릭 아미도, CN, -NH-C(=O)-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 아릴알킬 (할로, 알킬, 알콕시, 아릴, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 헤테로아릴 (할로, 알킬, 알콕시, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 할로 (예를 들면, 클로로, 브로모, 아이오도 및 플루오로), 시아노, 하이드록시, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 아미노, 이미도, 아미도, -CF3, C1-C6 알콕시, 아릴옥시, 아실옥시, 설프히드릴 (머캅토), 할로(C1-C6)알킬, C1-C6 알킬티오, 아릴티오, 모노- 및 디-(C1-C6)알킬 아미노, 사급 암모늄 염, 아미노(C1-C6)알콕시, 하이드록시(C1-C6)알킬아미노, 아미노(C1-C6)알킬티오, 시아노아미노, 니트로, 카바모일, 케토 (옥시), 카보닐, 카복시, 글리콜릴, 글라이실, 히드라지노, 구아닐, 설파밀, 설포닐, 설피닐, 티오카보닐, 티오카복시, 설폰아마이드, 에스테르, C-아마이드, N-아마이드, N-카바메이트, O-카바메이트, 우레아 및 이들의 조합. 치환체가 "임의로 치환된"로 기재된 경우는 언제나, 치환체는 상기 치환체로 치환될 수 있다.
식 I-a 및 I-b
일부 구현예는 이하의 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 D1 및 D2는 전자 공여 그룹이고, L1은 전자 공여체 링커이고, A0 및 A1은 전자 수용체 그룹이다. 일부 구현예에서, 하나 초과의 전자 공여체 그룹이 존재할 때, 다른 전자 공여체 그룹은 또 하나의 전자 공여체, 수소 원자, 또는 또 하나의 중립 치환체에 의해 점거될 수 있다. 일부 구현예에서, D1, D2, 및 L1 중 적어도 하나는 부착된 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 그룹이다.
식 I-a 및 I-b에서, i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 I-a 및 I-b에서, A0 및 A1 각각은 하기로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다: 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 임의로 치환된 알콕시, 및 임의로 치환된 카복시, 및 임의로 치환된 카보닐.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 하기로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다: 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 임의로 치환된 C1 -8 알킬, 및 임의로 치환된 C1 -8 알케닐; 여기서 임의로 치환된 헤테로아릴에 대한 치환체는 알킬, 아릴 및 할로겐로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 임의로 치환된 아릴에 대한 치환체는 -NR1- C(=O)R2 또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고, 여기서 R1 및 R2는 상기에서 기재된 바와 같다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, -NR1-C(=O)R2 및 임의로 치환된 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 선택된 모이어티로 치환된 페닐이고, 여기서 R1 및 R2는 상기에서 기재된 바와 같다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 헤테로아릴 또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고; 여기서 임의로 치환된 헤테로아릴 및 임의로 치환된 사이클릭 이미도에 대한 치환체는 알킬, 아릴 및 할로겐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 중 적어도 하나는 임의로 치환된 피리디닐, 임의로 치환된 피리다지닐, 임의로 치환된 피리미디닐, 임의로 치환된 피라지닐, 임의로 치환된 트리아지닐, 임의로 치환된 퀴놀리닐, 임의로 치환된 이소퀴놀리닐, 임의로 치환된 퀴나졸리닐, 임의로 치환된 프탈라지닐, 임의로 치환된 퀴녹살리닐, 임의로 치환된 나프티리디닐, 및 임의로 치환된 퓨리닐로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알킬이다. 다른 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알케닐이다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다:
및 
여기서 R은 임의로 치환된 알킬이다.
식 I-a 및 I-b에서, A2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 에스테르, 및
로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 여기서 Ar은 임의로 치환된 아릴 또는 임의로 치환된 헤테로아릴이다. R1은 H, 알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 알카릴로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; R2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 및 에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 또는 R1 및 R2는 함께 연결되어 고리를 형성할 수 있다.
일부 구현예에서, A2는 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 및
로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 여기서 Ar, R1 및 R2는 상기에서 기재된 바와 같다.
식 I-a 및 I-b에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다. 일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 및 디페닐아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 독립적으로, 임의로 치환된 아릴. 일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 독립적으로, 알콕시 또는 아미노로 임의로 치환된 페닐이다. 다른 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 벤조푸라닐, 임의로 치환된 티오페닐, 임의로 치환된 푸라닐, 디하이드로티에노디옥시닐, 임의로 치환된 벤조티오페닐, 및 임의로 치환된 디벤조티오페닐로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, 임의로 치환된 아릴 및 임의로 치환된 헤테로아릴에 대한 치환체는 알콕시, 아릴옥시, 아릴, 헤테로아릴, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
식 I-a 및 I-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 일부 구현예에서, L1은 임의로 치환된 헤테로아릴렌 및 임의로 치환된 아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 II -a 및 II -b
일부 구현예는 이하의 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 II-a 및 II-b에서, Ar은 임의로 치환된 아릴 또는 임의로 치환된 헤테로아릴이다. 일부 구현예에서, 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 아미도 또는 사이클릭 이미도 그룹으로 치환된 아릴은 예기치 않은 및 개선된 이점을 제공한다.
식 II-a 및 II-b에서, R4는
또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고; R1 각각은 H, 알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 알카릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; R3 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; 또는 R' 및 R"는 함께 연결되어 고리를 형성할 수 있다.
일부 구현예에서, R4는 임의로 치환된 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 선택된다:
및 
여기서 R' 각각은 임의로 치환된 알킬 또는 임의로 치환된 아릴이고; X는 임의로 치환된 헤테로알킬이다.
식 II-a 및 II-b에서, R2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
식 II-a 및 II-b에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
식 II-a 및 II-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 III -a 및 III -b
일부 구현예는 하기 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
C-4 및 C-7 위치에서 치환된 페닐과 함께 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 식 (III-a) 및 (III-b)에 있는 알킬의 배치는 예기치 않은 및 개선된 이점을 제공한다. 식 III-a 및 III-b에서, i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 III-a 및 III-b에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 카보닐, 및 임의로 치환된 카복시로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, 비치환된 알킬 또는 알킬이다: -NRR", -OR, -COOR, - COR, -CONHR, -CONRR", 할로 및 -CN로 이루어진 그룹으로부터 선택된 모이어티에 의해 치환되고; 여기서 R은 C1-C20 알킬이고, R"는 수소 또는 C1-C20 알킬이다. 일부 구현예에서, 임의로 치환된 알킬은 임의로 치환된 C1-C40 알킬일 수 있다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, C1-C40 알킬 또는 C1-C20 할로알킬이다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, C1-C20 할로알킬, C1-C40 아릴알킬, 또는 C1-C20 알케닐이다.
식 II-a 및 II-b에서, 각각의 R5은 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 일부 구현예에서, R5는 오르토 및/또는 파라 위치에서 페닐 고리에 부착될 수 있다. 일부 구현예에서, R5는 C1-C40 알콕시로부터 독립적으로 선택된다.
식 III-a 및 III-b에서, A2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 에스테르, 및
로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 여기서 Ar은 임의로 치환된 아릴 또는 임의로 치환된 헤테로아릴이고, R1은 H, 알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 알카릴로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; R2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 및 에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 또는 R1 및 R2는 함께 연결되어 고리를 형성할 수 있다.
식 III-a 및 III-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 IV
일부 구현예는 하기 구조를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 IV이고, Z 및 Zi 각각은 -O-, -S-, -Se-, -Te-, -NR6-, -CR6=CR6-, 및 -CR6=N-로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 여기서 R6은 수소, 임의로 치환된 C1-C6 알킬, 또는 임의로 치환된 C1-C10 아릴이고;
식 IV이고, D1 및 D2는 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; j는 0, 1 또는 2이고, k는 0, 1, 또는 2이다. 일부 구현예에서, -C(=O)Y1 및 -C(=O)Y2 그룹은 D1 및 D2 에 대한 임의로 치환된 모이어티의 치환체(들)에 부착될 수 있다.
식 IV이고, Y1 및 Y2는 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 사이클로알킬, 임의로 치환된 알콕시, 및 임의로 치환된 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
식 IV이고, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
상기 임의의 식에서 L1에 관해, 전자 링커는 중성이거나 전자 공여체 자체로 쓰일 수 있는 콘주게이트된 전자계를 나타낸다. 일부 구현예에서, 일부 예는 이하에서 제공되고, 그 예는 추가 부착된 치환체를 함유하거나 그렇지 않을 수 있다.
식 V-a 및 V-b
일부 구현예는 하기 일반식 (V-a) 또는 일반식 (V-b)로 표시되는 페릴렌 디에스테르 유도체를 제공한다:
여기서 식 (I) 중 R1 및 R1' 각각은 수소, C1-C10 알킬, C3-C10 사이클로알킬, C2-C10 알콕시알킬, C6-C18 아릴, 및 C6-C20 아랄킬로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; 식 (I) 중 m 및 n 각각은 독립적으로, 1 내지 5의 범위이고; 식 (II) 중 R2 및 R2' 각각은 C6-C18 아릴 및 C6-C20 아랄킬로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, 식 (II) 상의 시아노 그룹의 하나가 페릴렌 고리의 4-위치에 존재하면, 이때 다른 시아노 그룹은 페릴렌 고리의 10-위치에 존재하지 않는다. 구현예에서, 식 (II) 상의 시아노 그룹의 하나가 페릴렌 고리의 10-위치에 존재하면, 이때 다른 시아노 그룹은 페릴렌 고리의 4-위치에 존재하지 않는다..
구현예에서, R1 및 R1'는 수소, C1-C6 알킬, C2-C6 알콕시알킬, 및 C6-C18 아릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, R1 및 R1' 각각은 이소프로필, 이소부틸, 이소헥실, 이소옥틸, 2-에틸-헥실, 디페닐메틸, 트리틸, 및 디페닐로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, R2 및 R2'는 디페닐메틸, 트리틸, 및 디페닐로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, 식 (I) 중 m 및 n각각은 독립적으로 1 내지 4의 범위이다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 1 이상의 감광제를 포함한다. 일부 구현예에서, 감광제는 나노입자, 나노금속, 나노와이어, 또는 탄소 나노튜브를 포함한다. 일부 구현예에서, 감광제는 풀러렌을 포함한다. 일부 구현예에서, 풀러렌는 임의로 치환된 C60, 임의로 치환된 C70, 임의로 치환된 C84, 임의로 치환된 단일 벽 탄소 나노튜브, 및 임의로 치환된 다중벽 탄소 나노튜브로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 풀러렌는[6,]-페닐-C61-부티르산-메틸에스테르,[6,]-페닐-C71-부티르산-메틸에스테르, 및[6,]-페닐-C85-부티르산-메틸에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 감광제는 임의로 치환된 프탈로시아닌, 임의로 치환된 페릴렌, 임의로 치환된 포르피린, 및 임의로 치환된 테릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 감광제의 조합을 포함하고, 여기서 상기 감광제의 조합은 임의로 치환된 풀러렌, 임의로 치환된 프탈로시아닌, 임의로 치환된 페릴렌, 임의로 치환된 포르피린, 및 임의로 치환된 테릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 총 조성물의 중량을 기준으로, 감광제를 약 0.01 중량 % 내지 약 5 중량 % 범위의 양으로 포함한다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 하나 또는 다중 가소제를 포함한다. 일부 구현예에서, 가소제는 N-알킬 카바졸 유도체 및 트리페닐아민 유도체로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료의 조성물은 추가로, UV 안정제, 항산화제, 또는 흡수제를 포함한다. 일부 구현예에서, 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 조성물은 추가로, UV 안정제, 항산화제, 또는 흡수제를 포함한다.
일부 구현예에서, 환경 커보로서 사용된 유리 또는 플라스틱 시트는 해로운 높은 에너지 방사선을 차단하기 위해 강한 UV 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 추가 재료 또는 층은 추가 층을 시스템에 접착시키기 위해 구조 예컨대 유리 시트, 반사 백시트, 모서리 밀봉 테이프, 프레임 물질, 폴리머 물질, 또는 접착제 층에서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 측면은 태양전지, 태양광 스트링, 태양광 패널, 또는 광전지 디바이스의 성능을 향상시키는 방법이고, 상기 방법은 본 명세서에 개시된 캡슐화 구조로 디바이스를 캡슐화하는 것을 포함한다.
방법의 일부 구현예에서, 태양광 패널은 카드뮴 설파이드/카드뮴 텔루라이드 태양전지를 포함하는 적어도 하나의 광전지 디바이스 또는 태양전지을 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 태양전지를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 III-V 또는 II-VI PN 접합 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 유기 감광제 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 유기 박막 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 비결정성 실리콘 (a-Si) 태양전지. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 미세결정성 실리콘 (μc-Si) 태양전지를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 결정성 실리콘 (c-Si) 태양전지를 포함한다.
방법의 일부 구현예에서, 추가 재료 층은 캡슐화 구조에서 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리 또는 플라스틱 시트는 추가 환경 보호를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 백시트는 태양전지에 의해 흡수되지 않는 광자의 반사 및/또는 굴절을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 접착제 층은 또한 필요할 수 있다. 예를 들면, 상기 발광 파장 전환 재료와 유리 시트 사이의 접착제 층은 이들 2 층을 함께 접착하기 위해 사용된다. 다른 층은 태양광 모듈의 광전 전환 효율을 추가로 향상시키기 위해 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 미세구조화된 층은 캡슐화 구조의 상부 상에 또는 상기 발광 파장 전환 재료와 유리 시트 사이에 또한 제공될 수 있고, 상기 층은, 태양광 모듈 디바이스의 광전 전환 층으로부터 떨어진 방향으로 흡수 및 파장 전환 후에 발색단으로부터 종종 재방출되는 환경으로의 광자의 손실을 증가시켜서 태양광 모듈의 태양에너지 수확 효율을 추가로 향상시키도록 디자인된다. 표면 상의 다양한 미세구조(즉 피라미드 또는 원뿔)를 갖는 층은 광자의 태양전지 디바이스의 광전 전환 층으로의 내부 반사 및 굴절을 증가시킬 수 있고, 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 추가로 향상시킨다.
태양에너지 수확 디바이스는 또한 딱딱한 또는 신축성일 수 있다. 딱딱한 디바이스는 실리콘 기반 태양전지를 포함한다. 신축성 솔라 디바이스는 유기 박막으로 종종 만들어지고 천, 텐트, 또는 다른 신축성 기판 상에서 사용될 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 캡슐화 구조는 딱딱한 디바이스 또는 신축성 디바이스에 적용될 수 있다.
캡슐화 구조의 구현예는 도 1에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 단일 태양전지 디바이스 (100)를 보여준다. 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용될 수 있고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 2에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고 여기서, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 3에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 4에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 광 입사 표면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 백시트 (106)은 태양전지 아래에 사용되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 5에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)을 포함한다. 백시트 (106)은 태양전지 아래에 사용되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 6에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 한 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)을 포함한다. 해로운 높은 에너지 조사를 차단하기 위해 UV 흡수제를 함유할 수 있는 추가 순수한 폴리머 인캡슐레이트 층 (105)은 발광 파장 전환 재료의 상부 상에 적층되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 7에서 실증되고, 이것은 상기 발광 파장 전환 재료 (101) 중 캡슐 형태로 넣어진 단일 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고, 이 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 8에서 실증되고, 이것은 상기 발광 파장 전환 재료 (101)에서 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고, 상기 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 9에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)와 함께 광 입사 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다. 유리 또는 플라스틱 필름은 하부 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 10에서 실증되고, 이것은 몇 개의 태양전지 디바이스 (100)로 구성된 태양관 패널을 보여주고, 태양전지 디바이스를 캡슐화한 발광 파장 전환 재료 (101), 유리 하부 시트 (103) 및 유리 상부 시트 (103)은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 백시트 (106)은 하부 유리 시트 아래에 있고, 프레임 (107)은 모듈을 함께 지탱한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 11에서 실증되고, 이것은 몇 개의 태양전지 디바이스 (100), 태양전지 디바이스를 캡슐화한 발광 파장 전환 재료 (101)로 구성된 태양광 패널을 보여주고, 백시트 (106)는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 유리 상부 시트 (103)은 모듈 상부에 부착되고, 프레임 (107)은 모듈을 함께 지탱한다.
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료는, 먼저 염료/폴리머 용액을 액체 또는 겔의 형태로 합성하고, 표준 적용 방법, 예컨대 스핀 코팅 또는 드롭 캐스팅을 사용하여 염료/폴리머 용액을 제거가능 기판 상에 배열된 태양전기 매트릭스에 적용하고, 그 다음 제형 디자인에 의해 결정된 바대로 염료/폴리머 용액을 고체 형태로 경화 (즉 열처리, UV 노출, 등)시켜 태양전지 디바이스에 적용된다.
또 하나의 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료는 먼저 염료/폴리머 박막을 합성하고, 그 다음 시각적으로 투명한 및 광안정한 접착제 및/또는 라미네이터를 사용하여 염료/폴리머 박막을 태양전지 디바이스에 부착시켜서 태양전지 디바이스에 적용된다. 염료/폴리머 박막은, 셀을 완전히 캡슐화하기 위해 먼저 태양전지의 상부 및 그 다음 하부 상에 적용될 수 있다. 염료/폴리머 박막은 또한, 상부 표면에 정확히 적용될 수 있고, 여기서 태양전지의 하부 표면은 기판, 예컨대 백시트에 고정되고, 염료/폴리머 박막은 태양전지의 상부 표면 및 부착된 태양전지를 갖지 않는 기판의 부분에 적용된다.
캡슐화 구조를 형성하는 합성 방법은 제한되지 않는다. 상기 발광 파장 전환 재료의 합성 방법은 제한되지 않지만, 이하에서 상술된 도식 1 및 도식 2로서 기재된 예시적인 합성 절차를 따를 수 있다.
도식 1: WLC 재료를 형성하는 습식 처리 일반적인 절차
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 (102), 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)는 필름 구조로 제작된다. 파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 용매 예컨대 테트라클로로에틸렌 (TCE), 사이클로펜타논, 디옥산, 등에서, 예정된 비로 용해된 폴리머 분말로 폴리머 용액을 준비하는 단계; (ii) 예정된 중량비에서 상기 폴리머 용액을 상기 발광 염료와 혼합하여 염료-함유 폴리머 용액을 얻어서 폴리머 혼합물을 함유하는 발광 염료를 준비하는 단계, (iii) 염료-함유 폴리머 용액을 유리 기판 상에 직접적으로 캐스팅하고, 그 다음 실온 내지 100 ℃에서 2 시간 내에 기판을 열 처리하고, 완전히 130 ℃에서 밤새 추가 진공 가열로 잔여 용매를 완전히 제거하여 염료/폴리머 박막을 형성하는 단계, 및 (iv) 수분 하에서 염료/폴리머 박막을 박리하고 그 다음 사용 전에 독립한 폴리머 필름을 건조시키는 단계; (v) 상기 필름 두께는 염료/폴리머 용액 농도 및 증발 속도를 변화시켜서 0.1 μm ~ 1 mm 조절될 수 있다.
도식 2: WLC 재료를 형성하는 건식 처리 일반적인 절차
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 (102), 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)는 필름 구조로 제작된다. 파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 예정된 비로 어떤 온도에서 폴리머 분말 또는 펠렛 및 발색단 분말을 함께 혼합기로 혼합하는 단계; (ii) 혼합물을 1 내지 8 시간에서 어떤 온도에서 탈가스하는 단계; (iii) 그 다음 압출기를 사용하여 상기 층을 형성하는 단계; (v) 압출기로 층 두께를 1 μm~1 mm로 조절하는 단계.
상기 발광 파장 전환 캡슐화 필름이 일단 형성되면, 시각적으로 투명한 및 광안정한 접착제를 사용하여 태양광 모듈 디바이스에 부착될 수 있다.
관련된 기술에 대해 달성된 본 발명의 측면 및 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 어떤 목적 및 이점은 본 개시내용에서 기재되어 있다. 물론, 모든 그와 같은 목적 또는 이점이 본 발명의 임의의 특정 구현예에 따라 반드시 달성되지는 않는 다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들면, 당해분야의 숙련가는, 본 발명이 본 명세서에서 교시 또는 암시될 수 있는 바와 같이 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성할 필요 없이 본 명세서에서 교시된 바와 같이 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성 또는 최적화하는 방식으로 구체화 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 추가 측면, 특징 및 이점은 뒤따르를 실시예로부터 분명해질 것이다.
실시예
하기 구현예는 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시내용에서, 열거된치환체 그룹은 달리 구체화되지 않으면 추가 치환된 및 비치환된 그룹 모두를 포함한다. 게다가, 조건 및/또는 구조가 명시된 본 개시내용에서, 당해분야의 숙련가는 본 명세서의 교시에 비추여 그와 같은 조건 및/또는 구조를 쉽게 제공할 수 있다.
발색단의 합성
화합물 1 및 2
발색단의 합성은 하기 도식에 따라 수행되었다:
4,7-디브로모벤조[2,1,]티아디아졸 (13.2 g, 45 mmol), 4-(N,N-디페닐아미노)페닐보론산 (30.0 g, 104 mmol), 물 (80 mL) 중 나트륨 카보네이트 (21.2 g, 200 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(O) (5.0 g, 4.3 mmol), n-부탄올 (800 mL), 및 톨루엔 (400 mL)의 용액의 혼합물을 아르곤 하에서 교반하고 100 ℃에서 20시간 동안 가열했다. 실온으로 냉각한 후, 혼합물을 물 (600 mL)로 희석하고 2시간 동안 교반했다. 마지막으로, 반응 혼합물을 톨루엔 (2 L)로 추출하고, 휘발성물질을 감압 하에서 제거했다. 잔여물에 대해 실리카겔 및 헥산/디클로로메탄 (1:1)을 용출물로서 사용하는 크로마토그래피를 수행하여 26.96 g (43.3 mmol, 96%)의 4,7-바이[(N,N-디페닐아미노)페닐)]벤조[2,1,]티아디아졸 (중간체 A)를 얻었다.
아르곤 하에서 교반되고 얼음/물 배쓰에서 냉각된 디클로로메탄 (800 mL) 중 중간체 A (22.0 g, 35.3 mmol)의 용액에 4-t-부틸벤조일 클로라이드 (97.4 mL, 500 mmol) 및 에틸 에테르 (700 mL, 700 mmol) 중 아연 클로라이드의 1M 용액을 소량씩 부가했다. 수득한 혼합물을 교반하고 44 ℃에서 68 시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (2 kg)에 붓고, 교반하고, 포화된 나트륨 카보네이트로 처리하여 pH 8로 만들고, 디클로로메탄 (2 L)로 희석하고 미세 유리 깔때기를 통해 대기압 하에서 여과했다. 디클로로메탄 수성 층을 분리하고, 황산마그네슘 상에서 건조시키고, 용매를 증발시켰다. 잔여물의 칼럼 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 48:50:2) 그 다음 에탄올로부터 재결정화하여 순수한 발광 염료 화합물 1, 제1 분획으로서, 7.72 g (28%)를 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.94 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.87 (d, 2H, J = 7.7 Hz), 7.74 (m, 6H), 7.47 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.36 (t, 2H, J = 7.3 Hz), 7.31 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.27 (m, 6H), 7.19 (m, 7H), 7.13 (d, 2H, J = 7.7 Hz), 7.06 (t, 2H, J = 7.3 Hz), 1.35 (s, 9H). 자외선-가시광선 스펙트럼: λmax = 448 nm (디클로로메탄), 456 nm (PVB 필름). 형광측정법: λmax = 618 nm (디클로로메탄), 562 nm (PVB 필름).
제2 분획으로 발색단 화합물 2, 12.35 g (37% 수율)을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.95 (d, 4H, J = 8.4 Hz), 7.79-7.73 (m, 10H), 7.48 (d, 4H, J = 7.7 Hz), 7.36 (t, 4H, J = 7.7 Hz), 7.31 (d, 4H, J = 8.4 Hz), 7.25 (d, 4H, J = 7.7 Hz), 7.18 (t, J = 7.3, 2H, Ph), 7.14 (d, 4H, J = 8.8 Hz), 1.35 (s, 18H). 자외선-가시광선 스펙트럼: λmax = 437 nm (디클로로메탄), 455 nm (PVB 필름). 형광측정법: λmax = 607 nm (디클로로메탄), 547 nm (PVB 필름).
중간체 B
공통의 중간체 B는 2 단계 과정으로 합성된다.
단계 1: 2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸의 합성.
4-클로로니트로벤젠 (55.0 g, 349 mmol), 벤조트리아졸 (50.0 g, 420 mmol), 칼륨 카보네이트 (200 g, 500 mmol), 및 NMP (500 mL)의 혼합물을 교반하고 아르곤 하에서 130 ℃에서 5시간 동안 가열했다. 반응의 진행을 박층 크로마토그래피로 모니터링했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (2 kg)에 부었다. 모든 얼음이 용융된 후, 고형물을 여과 제거하고 물 (200 mL)로 세정했다. 생성물을 메탄올 (1.5 L)에서 현탁시키고 30분 동안 교반했다. 결정을 여과 제거하고 진공 오븐에서 건조했다. 실리카겔 및 용출물로서 톨루엔 중 에틸 아세테이트 (1%)의 뜨거운 용액을 사용하는 수득한 재료의 칼럼 크로마토그래피로 2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (24.24 g, 30% 수율)을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.57 (d, J = 9.2 Hz, 2H, 4-니트로페닐), 8.44 (d, J = 9.2 Hz, 2H, 4-니트로페닐), 7.93 (m, 2H, 벤조트리아졸), 7.47 (m, 2H, 벤조트리아졸).
단계 2: 4,7-디브로모-2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 B)의 합성.
2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (7.70 g, 31.2 mmol), 브롬 (4.8 mL, 94 mmol) 및 48% HBr (120 mL)의 혼합물을 130 ℃에서 20시간 동안 HBr 트랩과 연결된 환류 콘덴서 하에서 가열했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (800 g)에 붓고, Na2SO3의 5% 용액으로 탈색하고, 실온에서 2시간 동안 정치했다. 침전물을 여과 제거하고, 물 (200 mL) 그 다음 2% NaHCO3 (200 mL) 및 다시 물 (200 mL)로 세정했다. 물질을 진공 오븐에서 건조하여 4,7-디브로모-2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 B, 13.47 g)을 순도 90%로 얻었다. 수율 97%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): □ 8.65 (m, 2H, 4-니트로페닐), 8.44 (m, 2H, 4-니트로페닐), 7.54 (s, 2H, 벤조트리아졸).
중간체 C
중간체 C은 하기 반응 도식을 사용하여 합성되었다.
중간체 B (3.98 g, 10.0 mmol), 4-이소부톡시페닐보론산 (5.00 g, 25.7 mmol), 물 (40 mL) 중 나트륨 카보네이트 (5.30 g, 50 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(O) (2.00 g), n-부탄올 (60 mL), 및 톨루엔 (30 mL)의 혼합물을 아르곤 하에서 교반하고 100 ℃에서 4시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 물 (200 mL)에 붓고, 30분 동안 교반하고 톨루엔 (500 mL)로 추출했다. 추출물을 물 (200 mL)로 세정하고, 100 mL의 용적으로 농축하고 디클로로메탄 (200 mL) 및 메탄올 (200 mL)로 희석했다. 수득한 용액을 20분 동안 50 psi에서 10% Pd/C (2 g) 상에서 수소첨가하고, 셀라이트의 층을 통해 여과하고, 용매를 감압 하에서 제거했다. 잔여물에 대해 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 35:50:5)를 수행하여 4,7-바이(4-이소부톡시페닐)-2-(4-아미노페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 C) (3.80 g, 75%)를 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.22 (d, J= 8.4 Hz, 2H, 4-아미노페닐), 8.09 (d, J = 8.7 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 7.57 (s, 2H, 벤조트리아졸), 7.06 (d, J = 8.7 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 6.79 (d, J = 8.5 Hz, 2H, 4-아미노페닐), 3.90 (bs, 2H, NH2), 3.81 (d, J = 6.6 Hz, 4H, i-BuO), 2.14 (m, 2H, i-BuO), 1.06 (d, J = 7.0 Hz, 12H, i-BuO).
화합물 3
화합물 3은 하기 반응 도식에 따라 합성되었다.
1,2-디클로로에탄 (20 mL) 중 중간체 C (0.92 g, 1.82 mmol), 3,3-디메틸글루타르산 무수물 (284 mg, 2.0 mmol)의 용액을 환류 콘덴서 하에서 80 ℃에서 20시간 동안 가열했다. 실온으로 냉각한 후, 아세틸 클로라이드 (0.28 mL, 4.0 mmol)을 부가하고, 혼합물을 80 ℃에서 1시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 디클로로메탄 (200 mL)로 희석하고, 포화된 NaHCO3 (100 mL)로 세정했다. 용액을 MgSO4 상에서 건조하고, 휘발성물질을 감압 하에서 제거했다. 조 생성물을 칼럼 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 37:60:3)로 정제하고 에탄올로부터 결정화하여 l-(4-(4,7-바이(4-이소부톡시페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸-2-일)페닐)-4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온 (화합물 3, 551 mg, 48% 수율)을 얇은 황색 침상으로서 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.53 (d, J = 8.8 Hz, 2H, 4-이미도페닐), 8.08 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 7.61 (s, 2H, 벤조트리아졸), 7.26 (d, J = 8.8 Hz, 2H, 4-이미도페닐), 7.07 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 3.82 (d, J = 6.6 Hz, 4H, i-BuO), 2.72 (s, 4H, 4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온), 2.14 (m, 2H, i-BuO), 1.24 (s, 6H, 4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온), 1.06 (d, J = 7.0 Hz, 12H, i-BuO). 자외선-가시광선 스펙트럼 (PVB): λmax = 388 nm. 형광측정법 (PVB): λmax = 478 nm.
실시예 1
파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 사이클로펜타논 중 용해된 폴리머 분말을 갖는 20 wt% 폴리비닐 부티랄 (PVB) (Aldrich, 받은 대로 사용됨) 폴리머 용액을 준비하고; (ii) PVB 폴리머 용액을 합성된 화합물 1과 0.3 wt%의 중량비 (화합물 1/PVB)으로 혼합하여 PVB 매트릭스 함유 발색단을 준비하여 발색단-함유 폴리머 용액을 얻고; (iii) 염료-함유 폴리머 용액을 유리 기판 상에 직접적으로 캐스팅하여 염료/폴리머 필름을 형성하고, 그 다음 실온 내지 l00 ℃에서 2 시간 동안 기판을 열처리하고, 추가 진공 가열 130 ℃에서 밤새 추가 진공 가열로 잔여 용매를 완전히 제거하고, (iv) 염료/폴리머 필름을 수분 하에서 박리하고 그 다음 사용 전에 독립한 폴리머 필름을 건조시킨다. 필름이 건조된 후, -500 μm 두께의 발광 파장 전환 시트로 열간 프레싱된다.
그 다음, 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 시트, 상업적 5 인치 모노결정성 실리콘 태양전지, 및 순수한 PVB 폴리머 인캡슐레이트는 전면 표면으로서, ~3mm 두께 유리 시트 상에 진공에서 130 ℃에서 상기 발광 파장 전환 시트로 적층되고, 이것은 도 8에서 보여진 구조와 유사하다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -12.5%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1에서 주어진 것과 동일한 방법을 사용하여 합성도디고, 단, 화합물 2은 화합물 1 대신에 사용되고, 순수한 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA) 폴리머 인캡슐레이트는 순수한 PVB 폴리머 인캡슐레이트 대신에 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -8.9%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 3
실시예 3은 실시예 2와 유사하게 합성되고, 단, 상기 구조는 2 ~3mm 두께 유리 시트 사이에 적층되고, 상기 구조는 도 3에서 보여진 구조와 윳하고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -7.5%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 4
실시예 4는 실시예 2와 유사하게 합성되고, 단, 상기 구조는 ~3mm 두께 유리 시트 및 백시트 (254 □m 두께 Madico Protekt® TFB PV Backsheet, Madico, Inc. 제조) 사이에 적층되고, 상기 구조는 도 5에서 보여진 구조와 유사하고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 백시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -7.8%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 5
실시예 5은 실시예 3과 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.1%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용되고, 1 인치 x 1 인치 결정성 실리콘 태양전지는 5 인치 x 5 인치 모노결정성 실리콘 태양전지 대신엥 사용된다. 구조는 도 3에서 보여진 구조와 유사한 2 ~3mm 두께 유리 시트 사이에 적층되고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -2.6%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 6
실시예 6은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.2%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -2.8%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 7
실시예 7은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.3%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -1.6%의 상대적 개선이 관찰된다.
비교 실시예 8
실시예 8은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 발광 화합물이 사용되지 않고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 순수한 EVA 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -0.7%의 상대적 개선이 관찰된다.
본 발명의 목적은 캡슐화 태양전지, 광전지 디바이스, 태양광 모듈, 및 태양광 패널에 적당할 수 있는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조를 제공한다. 상기 실시예에서 설명된 바와 같이, 상기 재료의 사용은 태양전지 광 전환 효율을 향상시킨다.
관련된 기술에 대해 달성된 본 발명의 측면 및 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 어떤 목적 및 이점은 본 개시내용에서 기재되어 있다. 물론, 모든 그와 같은 목적 또는 이점이 본 발명의 임의의 특정 구현예에 따라 반드시 달성되지는 않는 다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들면, 당해분야의 숙련가는, 본 발명이 본 명세서에서 교시 또는 암시될 수 있는 바와 같이 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성할 필요 없이 본 명세서에서 교시된 바와 같이 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성 또는 최적화하는 방식으로 구체화 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 수많은 및 다양한 변형은 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다는 것은 당해분야의 숙련가가 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 설명적이고 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 명확히 이해되어야 한다.
도 2는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에서 캡슐 형태로 넣어지고 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 3은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 인캡슐레이트에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상테 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 4는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에서 캡슐 형태로 넣어지고 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 5는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 인캡슐레이트에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상테 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 사용된다.
도 6은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 캡슐화 물질에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층되고, 추가 순수한 폴리머 필름은 발광 파장 전환 층의 상부 상에 적층되고, 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호물로서 사용된다.
도 7은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 단일 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에 캡슐 형태로 넣어지고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 8은 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 상기 발광 파장 전환 재료에 캡슐 형태로 넣어지고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 9는 캡슐화 구조의 구현예를 실증하고 있고, 여기서 복수의 태양전지 디바이스는 순수한 폴리머 캡슐화 물질에 캡슐 형태로 넣어지고, 발광 파장 전환 재료는 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층되고, 상기 발광 파장 전환 재료는 또한 환경 보호물로서 작용한다.
도 10은 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증하고, 여기서 몇 개의 태양전지 디바이스를 갖는 태양광 패널은 태양전지 디바이스를 캡슐화하기 위해 발광 파장 전환 재료를 이용하고, 유리 하부 시트 및 유리 상부 시트는 환경 보호를 제공하고, 백시트는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 프레임을 패널을 함께 지탱한다.
도 11은 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증하고, 여기서 몇 개의 태양전지 디바이스를 갖는 태양광 패널은 태양전지 디바이스를 캡슐화하기 위해 발광 파장 전환 재료를 이용하고, 백시트는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 유리 상부 시트는 환경 보호를 제공하고, 프레임을 패널을 함께 지탱한다.
상세한 설명
본 발명의 구현예는 하나의 시스템에서 2 개로 유해한 환경 노출로부터의 셀의 보호 및 개선된 효율 모두를 달성한다. 본 명세서에 개시된 상기 발광 파장 전환 재료를 포함하는, 태양광 모듈 캡슐화 구조를 갖는 디바이스의 캡슐화는 태양전지 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 향상시키고 디바이스의 안정한 장기간 환경 보호를 제공한다. 상기 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조 모든 상이한 유형의 태양전지 및 태양광 패널과의 상용성이 되도록 형성될 수 있고, 상기 유형은 실리콘 기반 디바이스, III-V 및 II-VI PN 접합 디바이스, CIGS 박막 디바이스, 유기 감광제 디바이스, 유기 박막 디바이스, CdS/CdTe 박막 디바이스, 염료 감응형 디바이스, 등을 포함한다. 태양광 모듈 디바이스를 캡슐화하기 위해 구조를 이용하여, 태양 에너지 전환 디바이스 (예컨대 태양전지, 광전지 디바이스, 태양광 패널, 및 임의의 태양광 모듈 시스템)의 광전 전환 효율이 개선될 수 있다.
일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조를 제공한다. 일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조 및 환경 보호 커버를 제공한다. 일부 구현예에서, 환경 보호 커버는 수분 및 산소의 상기 발광 파장 전환 재료 및 태양전지 또는 광전지 디바이스에의 침투를 억제하기 위해 설정되고 플라스틱 또는 유리 시트를 포함한다. 일부 구현예에서, 밀봉 테이프는 모서리로부터 산소 및 수분의 진입을 억제하기 위해 태양광 패널의 주변에 적용된다. 태양전지 또는 광전지 모듈 디바이스에 적용된 이러한 캡슐화 구조의 예서직인 구현예는 도 1-6에서 실증된다.
본 발명의 일부 구현예는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양전지 또는 광전지 디바이스용 캡슐화 구조를 제공한다. 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 태양전지로의 수분 및 산소 침투를 방지하기 위한 환경 보호물로서 작용한다. 일 구현예에서, 발광 파장 전환 재료는 태양전지로의 산소 및 수분 침투를 방지하기 위해 디자인되고, 이로써 추가 환경 보호 커버는 필요하지 않고, 재료는 또한 셀의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다. 태양광 모듈 디바이스에 적용된 이러한 캡슐화 구조의 예시적인 구현예는 도 7-9에서 실증되었다.
본 발명의 구현예는 또한 광전지 디바이스, 태양전지, 태양광 모듈, 또는 태양광 패널의 성능을 개선하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 본 명세서에 개시된 캡슐화 구조로 디바이스를 캡슐화하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 태양전지 디바이스 상에 캐스팅되고 제자리에서 경화될 수 있다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 필름(들) 또는 층(들)의 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 박막 형태의 발광 파장 전환 재료는 태양광 모듈 디바이스 상에 롤 적층될 수 있다, 여기서 단지 전면 층은 태양광 모듈 상에 적층되거나, 전면 및 후면 층 모드는 태양광 모듈 디바이스 상에 적층된다.
추가 형태의 발광 파장 전환 재료는 또한 가능하고, 뿐만 아니라 상기 발광 파장 전환 재료를 태양광 모듈 디바이스에 적용하는 추가 방법이 가능하다. 캡슐화 구조는 딱딱한 디바이스에 적용될 수 있거나 신축성 디바이스에 적용될 수 있다. 더욱이, 캡슐화 구조 다중 태양전지 또는 광전지 디바이스의 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 캡슐화 구조는 복수의 태양전지 또는 광전지 디바이스를 포함한다.
일부 구현예에서, 추가 재료는 증가된 환경 보호를 제공하기 위해 또한 이용될 수 있다. 유리 또는 플라스틱 시트는 환경 보호 커버로서 종종 사용되고 상기 발광 파장 전환 재료가 한번 캡슐 형태로 넣어진 태양광 모듈 디바이스의 상부 및/또는 아래에 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 밀봉 테이프는 측면을 통한 산소 또는 수분의 진입을 방지하기 위해 디바이스의 주변에 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 백시트는 태양전지에 의해 흡수되지 않은 입사광을 반사 및 굴절시키기 위해 태양광 모듈 디바이스 아래에 또한 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 캡슐에 넣어진 솔라 디바이스는 프레임, 예컨대 태양광 패널 또는 태양광 스트링을 형성하기 위해 이용된 것들에 또한 놓여질 수 있다. 도 10 및 11은 태양광 모듈 디바이스에서 사용된 캡슐화 구조의 예시적인 구현예를 실증한다.
발색단, 통칭 발광 염료 또는 형광 염료는 특정한 파장 또는 파장 범위의 광자를 흡수하고 상이한 파장에서 광자를 재방출하는 화합물이다. 태양전지 및 광전지 디바이스는 극단적인 환경 조건에 장기간 동안 (즉 20+ 년) 종종 노출되기 때문에, 발색단의 안정성은 중요하다. 일부 구현예에서, 우수한 광안정성 장기간 동안 (즉 <10% 분해를 갖는 하나의 태양 (AM1.5G) 조사 하의 조명의 20,000+ 시간) 우수한 광안정성을 갖는 단지 발색단 또는 발색단 화합물은 상기 발광 파장 전환 재료에서 사용된다. 캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 2개 이상의 발색단은 상기 발광 파장 전환 재료에 함유된다.
일부 구현예에서, 파장 전환 재료는 몇 개의 층으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 2개 이상의 발색단은 동일한 발광 파장 전환 재료 층에 위치하거나 별도의 재료 층에 있을 수 있다. 재료가 캡슐화되는 태양광 모듈에 따라 파장 전환 재료에서 다중 발색단 또는 발광 염료를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 제1 발색단은 광자를 파장 400-450 nm로부터 500 nm의 파장으로 전환하기 위해 사용할 수 있고, 제2 발색단은 광자를 파장 450-475로부터 500 nm의 파장으로 전환하기 위해 작용할 수 있고, 여기서 재료에 의해 캡슐 형태로 넣어진 태양관 모듈 시스템은 500 nm 파장에서 최적의 광전 전환 효율을 나타내고, 이로써 상기 발광 파장 전환 재료에 의한 디바이스의 캡슐화 유의미하게 태양광 모듈 시스템의 태양에너지 수확 효율을 향상시킨다.
부가적으로, 캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 발색단 중 적어도 하나는 상향-전환 염료, 또는 업-쉬프팅 염료이고, 이는 광자를 더 낮은 에너지 (간 파장)로부터 더 높은 에너지 (짧은 파장)로 전환시키는 발색단을 의미한다. 상향-전환 염료는 IR 영역의 파장, ~975nm에서 광자를 흡수하고, 가시광선 영역 (400-700nm)에서 재방출하는 것으로 발견된 희토류 재료, 예를 들면, Yb3 +, Tm3 +, Er3 +, Ho3 +, 및 NaYF4를 포함할 수 있다. 추가 상향-전환 재료는 하기에서 기재되어 있다: 미국 특허 번호 6,654,161, 및 6,139,210, 및 Indian Journal of Pure and Applied Physics, volume 33, 페이지 169-178, (1995), 이들은 그 전체가 참고로 본원에 포함되어 있다.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 발색단 중 적어도 하나는 하향-전환, 또는 다운-쉬프팅 염료이고, 이는 광자를 높은 에너지 (짧은 파장)에서 낮은 에너지 (긴 파장)로 전환시키는 발색단을 의미한다.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 파장 전환 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스로 구성된다. 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로부터 형성된다: 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 부티랄, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 비결정성 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 실록산 졸-겔, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트, 및 이들의 조합.
캡슐화 구조의 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하나 초과의 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 하나의 호스트 폴리머, 호스트 폴리머 및 코-폴리머, 또는 다중 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 폴리머 매트릭스 재료의 굴절률은 그 범위가 약 1.4 내지 약 1.7이다. 일부 구현예에서, 폴리머 매트릭스 재료의 굴절률은 그 범위가 약 1.45 내지 약 1.55이다.
일부 구현예에서, 발광 염료, 또는 발색단은 약 0.01 wt% 내지 약 3 wt% 범위의 양으로 폴리머 매트릭스에서 존재한다. 일부 구현예에서, 발색단은 약 0.05 wt% 내지 약 1 wt% 범위의 양으로 폴리머 매트릭스에서 존재한다.
일반식 I-a, I-b, II-a, II-b, III-a, II-b, IV, 및 V로 표시되는 발색단은 파장 전환 필름을 포함하는 다양한 적용에서 형광 염료로서 유용하다. 식에서 보여진 바와 같이, 염료는 벤조 헤테로사이클릭 시스템 또는 페릴렌 유도체를 포함한다. 사용될 수 있는 화합물의 유형에 대한, 발명의 범위를 벗어나지 않는 추가 세부사항 및 실시예는 이하에 기재되어 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "전자 공여체 그룹"은 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 임의의 그룹으로서 규정된다.
"전자 공여체 링커"는, 그것이 연결되는 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸의 전자 밀도에 대한 중립 효과를 또한 증가시키거나 가질 수 있는 그것의 π 궤도의 콘주게이션을 제공하는 2개의 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템을 연결할 수 있는 임의의 그룹으로서 규정된다.
"전자 수용체 그룹"은 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 임의의 그룹으로서 규정된다. 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 전자 수용체 그룹의 배치.
용어 "알킬"은 분지형 또는 직선형 완전 포화된 비환식 지방족 탄화수소 그룹 (즉 이중 또는 삼중결합을 갖지 않는 탄소 및 수소로 구성됨)을 의미한다. 알킬은, 비제한적으로, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, 3차 부틸, 펜틸, 헥실, 등을 포함한다.
용어 "사이클로알킬"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 3 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 포화된 지방족 고리계 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 사이클로프로필, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로헵틸, 등을 포함한다.
용어 "알케닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 탄소 이중 결합을 갖는 2 내지 20 개의 탄소 원자의 1가 직쇄형 또는 분지형 사슬 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 1-프로페닐, 2-프로페닐, 2-메틸-l-프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 등을 포함한다.
용어 "알키닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 탄소 삼중결합을 갖는 2 내지 20 개의 탄소 원자의 1가 직쇄형 또는 분지형 사슬 라디칼을 의미하고, 이 라디칼은, 비제한적으로, 1-프로피닐, 1-부티닐, 2-부티닐, 등을 포함한다.
용어 "아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 하나의 고리 또는 다중 융합 고리이든 아니든 호모사이클릭 방향족 라디칼을 의미한다. 아릴 그룹의 예는, 비제한적으로, 페닐, 나프틸, 펜안트레닐, 나프타세닐, 플루오레닐, 피레닐, 등을 포함한다. 추가 예는 하기:
등을 포함한다.
용어 "알카릴" 또는 "알킬아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 알킬-치환된 아릴 라디칼을 의미한다. 알카릴의 예는, 비제한적으로, 에틸페닐, 9,9-디헥실-9H-플루오렌, 등을 포함한다.
용어 "아랄킬" 또는 "아릴알킬"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 아릴-치환된 알킬 라디칼을 의미한다. 아랄킬의 예는, 비제한적으로, 페닐프로필, 페닐에틸, 등을 포함한다.
용어 "헤테로아릴"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 방향족 고리 시스템 라디칼을 의미하고, 여기서 1 이상의 고리 원자는 하나의 고리 또는 다중 융합 고리이든 아니든 헤테로원자이다. 2개 이상의 헤테로원자가 존재할 때, 동일 또는 상이할 수 있다. 융합 고리 시스템에서, 1 이상의 헤테로원자는 단 하나의 고리에 존재할 수 있다. 헤테로아릴 그룹의 예는, 비제한적으로, 벤조티아질, 벤족사질, 퀴나졸리닐, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 퀴녹살리닐, 피리디닐, 피리다지닐, 피리미디닐, 피라지닐, 피롤릴, 옥사졸릴, 인돌릴, 등을 포함한다. 치환된 및 비치환된 헤테로아릴 고리의 추가 예는 하기를 포함한다:
용어 "알콕시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, --O-- 결합을 통해 모 분자에 공유 결합된 직쇄형 또는 분지형 사슬 알킬 라디칼을 의미한다. 알콕시 그룹의 예는, 비제한적으로, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소프로폭시, 부톡시, n-부톡시, sec-부톡시, t-부톡시 등을 포함한다.
용어 "헤테로원자"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, S (황), N (질소), 및 O (산소)를 의미한다.
용어 "사이클릭 아미노"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 사이클릭 모이어티에서 2차 또는 3차 아민을 의미한다. 사이클릭 아미노 그룹의 예는, 비제한적으로, 아지리디닐, 피페리디닐, N-메틸피페리디닐, 등을 포함한다.
용어 "사이클릭 이미도"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 2개의 카보닐 탄소가 탄소 사슬에 의해 연결된 라디칼에서 이마이드를 의미한다. 사이클릭 이마이드 그룹의 예는, 비제한적으로, 1,8-나프탈이마이드, 피롤리딘-2,5-디온, 1H-피롤-2,5-디온, 등을 포함한다.
용어 "아릴옥시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, --O-- 결합을 통해 모 분자에 공유 결합된 아릴 라디칼을 의미한다.
용어 "아실옥시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 라디칼 R-C(=O)O-을 의미한다.
용어 "카바모일"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NHC(=O)R을 의미한다.
용어 "케토" 및 "카보닐"은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, C=O을 의미한다.
용어 "카복시"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -COOH을 의미한다.
용어 "에스테르"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, C(=O)O을 의미한다.
용어 "아미도"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NRC(=O)R'를 의미한다.
용어 "아미노"는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, -NR'R"를 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 치환된 그룹은 비치환된 모 구조로부터 유래되고, 여기서 또 하나의 원자 또는 그룹에 대한 1 이상의 수소 원자의 교환이 있었다. 치환될 때, 치환체 그룹(들)은 하기로부터 별도로 및 독립적으로 선택된 1 이상의 그룹(들)이다: C1-C6 알킬, C1-C6 알케닐, C1-C6 알키닐, C3-C7 사이클로알킬 (할로, 알킬, 알콕시, 카복실, 할로알킬, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 사이클로알킬 같은자리에 부착된, C1-C6 헤테로알킬, C3-C10 헤테로사이클로알킬 (예를 들면, 테트라하이드로푸릴) (할로, 알킬, 알콕시, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 아릴 (할로, 알킬, C1-C6 알킬, 아릴알킬, 알콕시, 아릴옥시, 카복실, 아미노, 이미도, 아미도 (카바모일), 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 사이클릭 아미도, CN, -NH-C(=O)-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 아릴알킬 (할로, 알킬, 알콕시, 아릴, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 헤테로아릴 (할로, 알킬, 알콕시, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 카복실, CN, -SO2-알킬, -CF3, 및 -OCF3로 임의로 치환됨), 할로 (예를 들면, 클로로, 브로모, 아이오도 및 플루오로), 시아노, 하이드록시, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 아미노, 이미도, 아미도, -CF3, C1-C6 알콕시, 아릴옥시, 아실옥시, 설프히드릴 (머캅토), 할로(C1-C6)알킬, C1-C6 알킬티오, 아릴티오, 모노- 및 디-(C1-C6)알킬 아미노, 사급 암모늄 염, 아미노(C1-C6)알콕시, 하이드록시(C1-C6)알킬아미노, 아미노(C1-C6)알킬티오, 시아노아미노, 니트로, 카바모일, 케토 (옥시), 카보닐, 카복시, 글리콜릴, 글라이실, 히드라지노, 구아닐, 설파밀, 설포닐, 설피닐, 티오카보닐, 티오카복시, 설폰아마이드, 에스테르, C-아마이드, N-아마이드, N-카바메이트, O-카바메이트, 우레아 및 이들의 조합. 치환체가 "임의로 치환된"로 기재된 경우는 언제나, 치환체는 상기 치환체로 치환될 수 있다.
식 I-a 및 I-b
일부 구현예는 이하의 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 D1 및 D2는 전자 공여 그룹이고, L1은 전자 공여체 링커이고, A0 및 A1은 전자 수용체 그룹이다. 일부 구현예에서, 하나 초과의 전자 공여체 그룹이 존재할 때, 다른 전자 공여체 그룹은 또 하나의 전자 공여체, 수소 원자, 또는 또 하나의 중립 치환체에 의해 점거될 수 있다. 일부 구현예에서, D1, D2, 및 L1 중 적어도 하나는 부착된 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 시스템의 전자 밀도를 증가시키는 그룹이다.
식 I-a 및 I-b에서, i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 I-a 및 I-b에서, A0 및 A1 각각은 하기로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다: 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 임의로 치환된 알콕시, 및 임의로 치환된 카복시, 및 임의로 치환된 카보닐.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 하기로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다: 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 임의로 치환된 C1 -8 알킬, 및 임의로 치환된 C1 -8 알케닐; 여기서 임의로 치환된 헤테로아릴에 대한 치환체는 알킬, 아릴 및 할로겐로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 임의로 치환된 아릴에 대한 치환체는 -NR1- C(=O)R2 또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고, 여기서 R1 및 R2는 상기에서 기재된 바와 같다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, -NR1-C(=O)R2 및 임의로 치환된 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 선택된 모이어티로 치환된 페닐이고, 여기서 R1 및 R2는 상기에서 기재된 바와 같다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 헤테로아릴 또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고; 여기서 임의로 치환된 헤테로아릴 및 임의로 치환된 사이클릭 이미도에 대한 치환체는 알킬, 아릴 및 할로겐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 중 적어도 하나는 임의로 치환된 피리디닐, 임의로 치환된 피리다지닐, 임의로 치환된 피리미디닐, 임의로 치환된 피라지닐, 임의로 치환된 트리아지닐, 임의로 치환된 퀴놀리닐, 임의로 치환된 이소퀴놀리닐, 임의로 치환된 퀴나졸리닐, 임의로 치환된 프탈라지닐, 임의로 치환된 퀴녹살리닐, 임의로 치환된 나프티리디닐, 및 임의로 치환된 퓨리닐로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알킬이다. 다른 구현예에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알케닐이다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다:
여기서 R은 임의로 치환된 알킬이다.
식 I-a 및 I-b에서, A2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 에스테르, 및
일부 구현예에서, A2는 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 및
식 I-a 및 I-b에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다. 일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 및 디페닐아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 독립적으로, 임의로 치환된 아릴. 일부 구현예에서, D1 및 D2 각각은 독립적으로, 알콕시 또는 아미노로 임의로 치환된 페닐이다. 다른 구현예에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 벤조푸라닐, 임의로 치환된 티오페닐, 임의로 치환된 푸라닐, 디하이드로티에노디옥시닐, 임의로 치환된 벤조티오페닐, 및 임의로 치환된 디벤조티오페닐로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
일부 구현예에서, 임의로 치환된 아릴 및 임의로 치환된 헤테로아릴에 대한 치환체는 알콕시, 아릴옥시, 아릴, 헤테로아릴, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
식 I-a 및 I-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 일부 구현예에서, L1은 임의로 치환된 헤테로아릴렌 및 임의로 치환된 아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 II -a 및 II -b
일부 구현예는 이하의 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 II-a 및 II-b에서, Ar은 임의로 치환된 아릴 또는 임의로 치환된 헤테로아릴이다. 일부 구현예에서, 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 아미도 또는 사이클릭 이미도 그룹으로 치환된 아릴은 예기치 않은 및 개선된 이점을 제공한다.
식 II-a 및 II-b에서, R4는
일부 구현예에서, R4는 임의로 치환된 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 선택된다:
식 II-a 및 II-b에서, R2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
식 II-a 및 II-b에서, D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니다.
식 II-a 및 II-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 III -a 및 III -b
일부 구현예는 하기 구조 중의 하나를 갖는 발색단을 제공한다:
C-4 및 C-7 위치에서 치환된 페닐과 함께 2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 고리계의 N-2 위치에서 식 (III-a) 및 (III-b)에 있는 알킬의 배치는 예기치 않은 및 개선된 이점을 제공한다. 식 III-a 및 III-b에서, i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 III-a 및 III-b에서, A0 및 A1 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 카보닐, 및 임의로 치환된 카복시로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, 비치환된 알킬 또는 알킬이다: -NRR", -OR, -COOR, - COR, -CONHR, -CONRR", 할로 및 -CN로 이루어진 그룹으로부터 선택된 모이어티에 의해 치환되고; 여기서 R은 C1-C20 알킬이고, R"는 수소 또는 C1-C20 알킬이다. 일부 구현예에서, 임의로 치환된 알킬은 임의로 치환된 C1-C40 알킬일 수 있다. 일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, C1-C40 알킬 또는 C1-C20 할로알킬이다.
일부 구현예에서, A0 및 A1 각각은 독립적으로, C1-C20 할로알킬, C1-C40 아릴알킬, 또는 C1-C20 알케닐이다.
식 II-a 및 II-b에서, 각각의 R5은 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 일부 구현예에서, R5는 오르토 및/또는 파라 위치에서 페닐 고리에 부착될 수 있다. 일부 구현예에서, R5는 C1-C40 알콕시로부터 독립적으로 선택된다.
식 III-a 및 III-b에서, A2는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌, 케톤, 에스테르, 및
식 III-a 및 III-b에서, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
식 IV
일부 구현예는 하기 구조를 갖는 발색단을 제공한다:
여기서 i는 0 내지 100 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0 내지 50, 0 내지 30, 0 내지 10, 0 내지 5, 또는 0 내지 3 범위의 정수이다. 일부 구현예에서, i는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10이다.
식 IV이고, Z 및 Zi 각각은 -O-, -S-, -Se-, -Te-, -NR6-, -CR6=CR6-, 및 -CR6=N-로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 여기서 R6은 수소, 임의로 치환된 C1-C6 알킬, 또는 임의로 치환된 C1-C10 아릴이고;
식 IV이고, D1 및 D2는 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; j는 0, 1 또는 2이고, k는 0, 1, 또는 2이다. 일부 구현예에서, -C(=O)Y1 및 -C(=O)Y2 그룹은 D1 및 D2 에 대한 임의로 치환된 모이어티의 치환체(들)에 부착될 수 있다.
식 IV이고, Y1 및 Y2는 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 사이클로알킬, 임의로 치환된 알콕시, 및 임의로 치환된 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
식 IV이고, L1은 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
일부 구현예에서, L1 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 1,2-에틸렌, 아세틸렌, 1,4-페닐렌, 1,1'-바이페닐-4,4'-디일, 나프탈렌-2,6-디일, 나프탈렌-1,4-디일, 9H-플루오렌-2,7-디일, 페릴렌-3,9-디일, 페릴렌-3,10-디일, 또는 피렌-1,6-디일, 1H-피롤-2,5-디일, 푸란-2,5-디일, 티오펜-2,5-디일, 티에노[3,2-b]티오펜-2,5-디일, 벤조[c]티오펜-1,3-디일, 디벤조[b,d]티오펜-2,8-디일, 9H-카보졸-3,6-디일, 9H-카보졸-2,7-디일, 디벤조[b,d]푸란-2,8-디일, 10H-페노티아진-3,7-디일, 및 10H-페노티아진-2,8-디일; 여기서 각각의 모이어티는 임의로 치환된다.
상기 임의의 식에서 L1에 관해, 전자 링커는 중성이거나 전자 공여체 자체로 쓰일 수 있는 콘주게이트된 전자계를 나타낸다. 일부 구현예에서, 일부 예는 이하에서 제공되고, 그 예는 추가 부착된 치환체를 함유하거나 그렇지 않을 수 있다.
식 V-a 및 V-b
일부 구현예는 하기 일반식 (V-a) 또는 일반식 (V-b)로 표시되는 페릴렌 디에스테르 유도체를 제공한다:
여기서 식 (I) 중 R1 및 R1' 각각은 수소, C1-C10 알킬, C3-C10 사이클로알킬, C2-C10 알콕시알킬, C6-C18 아릴, 및 C6-C20 아랄킬로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; 식 (I) 중 m 및 n 각각은 독립적으로, 1 내지 5의 범위이고; 식 (II) 중 R2 및 R2' 각각은 C6-C18 아릴 및 C6-C20 아랄킬로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, 식 (II) 상의 시아노 그룹의 하나가 페릴렌 고리의 4-위치에 존재하면, 이때 다른 시아노 그룹은 페릴렌 고리의 10-위치에 존재하지 않는다. 구현예에서, 식 (II) 상의 시아노 그룹의 하나가 페릴렌 고리의 10-위치에 존재하면, 이때 다른 시아노 그룹은 페릴렌 고리의 4-위치에 존재하지 않는다..
구현예에서, R1 및 R1'는 수소, C1-C6 알킬, C2-C6 알콕시알킬, 및 C6-C18 아릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, R1 및 R1' 각각은 이소프로필, 이소부틸, 이소헥실, 이소옥틸, 2-에틸-헥실, 디페닐메틸, 트리틸, 및 디페닐로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, R2 및 R2'는 디페닐메틸, 트리틸, 및 디페닐로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 구현예에서, 식 (I) 중 m 및 n각각은 독립적으로 1 내지 4의 범위이다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 1 이상의 감광제를 포함한다. 일부 구현예에서, 감광제는 나노입자, 나노금속, 나노와이어, 또는 탄소 나노튜브를 포함한다. 일부 구현예에서, 감광제는 풀러렌을 포함한다. 일부 구현예에서, 풀러렌는 임의로 치환된 C60, 임의로 치환된 C70, 임의로 치환된 C84, 임의로 치환된 단일 벽 탄소 나노튜브, 및 임의로 치환된 다중벽 탄소 나노튜브로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 풀러렌는[6,]-페닐-C61-부티르산-메틸에스테르,[6,]-페닐-C71-부티르산-메틸에스테르, 및[6,]-페닐-C85-부티르산-메틸에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 감광제는 임의로 치환된 프탈로시아닌, 임의로 치환된 페릴렌, 임의로 치환된 포르피린, 및 임의로 치환된 테릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 감광제의 조합을 포함하고, 여기서 상기 감광제의 조합은 임의로 치환된 풀러렌, 임의로 치환된 프탈로시아닌, 임의로 치환된 페릴렌, 임의로 치환된 포르피린, 및 임의로 치환된 테릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 총 조성물의 중량을 기준으로, 감광제를 약 0.01 중량 % 내지 약 5 중량 % 범위의 양으로 포함한다.
일부 구현예에서, 캡슐화 구조의 발광 파장 전환 재료는 추가로, 하나 또는 다중 가소제를 포함한다. 일부 구현예에서, 가소제는 N-알킬 카바졸 유도체 및 트리페닐아민 유도체로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 발광 파장 전환 재료의 조성물은 추가로, UV 안정제, 항산화제, 또는 흡수제를 포함한다. 일부 구현예에서, 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 조성물은 추가로, UV 안정제, 항산화제, 또는 흡수제를 포함한다.
일부 구현예에서, 환경 커보로서 사용된 유리 또는 플라스틱 시트는 해로운 높은 에너지 방사선을 차단하기 위해 강한 UV 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 추가 재료 또는 층은 추가 층을 시스템에 접착시키기 위해 구조 예컨대 유리 시트, 반사 백시트, 모서리 밀봉 테이프, 프레임 물질, 폴리머 물질, 또는 접착제 층에서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 측면은 태양전지, 태양광 스트링, 태양광 패널, 또는 광전지 디바이스의 성능을 향상시키는 방법이고, 상기 방법은 본 명세서에 개시된 캡슐화 구조로 디바이스를 캡슐화하는 것을 포함한다.
방법의 일부 구현예에서, 태양광 패널은 카드뮴 설파이드/카드뮴 텔루라이드 태양전지를 포함하는 적어도 하나의 광전지 디바이스 또는 태양전지을 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 태양전지를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 III-V 또는 II-VI PN 접합 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 유기 감광제 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 또는 태양전지는 유기 박막 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 비결정성 실리콘 (a-Si) 태양전지. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 미세결정성 실리콘 (μc-Si) 태양전지를 포함한다. 일부 구현예에서, 광전지 디바이스 또는 태양전지는 결정성 실리콘 (c-Si) 태양전지를 포함한다.
방법의 일부 구현예에서, 추가 재료 층은 캡슐화 구조에서 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리 또는 플라스틱 시트는 추가 환경 보호를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 백시트는 태양전지에 의해 흡수되지 않는 광자의 반사 및/또는 굴절을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 접착제 층은 또한 필요할 수 있다. 예를 들면, 상기 발광 파장 전환 재료와 유리 시트 사이의 접착제 층은 이들 2 층을 함께 접착하기 위해 사용된다. 다른 층은 태양광 모듈의 광전 전환 효율을 추가로 향상시키기 위해 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 미세구조화된 층은 캡슐화 구조의 상부 상에 또는 상기 발광 파장 전환 재료와 유리 시트 사이에 또한 제공될 수 있고, 상기 층은, 태양광 모듈 디바이스의 광전 전환 층으로부터 떨어진 방향으로 흡수 및 파장 전환 후에 발색단으로부터 종종 재방출되는 환경으로의 광자의 손실을 증가시켜서 태양광 모듈의 태양에너지 수확 효율을 추가로 향상시키도록 디자인된다. 표면 상의 다양한 미세구조(즉 피라미드 또는 원뿔)를 갖는 층은 광자의 태양전지 디바이스의 광전 전환 층으로의 내부 반사 및 굴절을 증가시킬 수 있고, 디바이스의 태양에너지 수확 효율을 추가로 향상시킨다.
태양에너지 수확 디바이스는 또한 딱딱한 또는 신축성일 수 있다. 딱딱한 디바이스는 실리콘 기반 태양전지를 포함한다. 신축성 솔라 디바이스는 유기 박막으로 종종 만들어지고 천, 텐트, 또는 다른 신축성 기판 상에서 사용될 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 캡슐화 구조는 딱딱한 디바이스 또는 신축성 디바이스에 적용될 수 있다.
캡슐화 구조의 구현예는 도 1에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 단일 태양전지 디바이스 (100)를 보여준다. 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용될 수 있고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 2에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고 여기서, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 3에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 4에서 실증되고, 이것은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)의 필름과 함께 광 입사 표면 상에 셀을 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 백시트 (106)은 태양전지 아래에 사용되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 5에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 양 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)을 포함한다. 백시트 (106)은 태양전지 아래에 사용되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 6에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)과 함께 한 측면 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)을 포함한다. 해로운 높은 에너지 조사를 차단하기 위해 UV 흡수제를 함유할 수 있는 추가 순수한 폴리머 인캡슐레이트 층 (105)은 발광 파장 전환 재료의 상부 상에 적층되고, 유리 또는 플라스틱 필름은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 7에서 실증되고, 이것은 상기 발광 파장 전환 재료 (101) 중 캡슐 형태로 넣어진 단일 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고, 이 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 8에서 실증되고, 이것은 상기 발광 파장 전환 재료 (101)에서 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여주고, 상기 재료는 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 9에서 실증되고, 이것은 순수한 폴리머 인캡슐레이트 (105)와 함께 광 입사 상에 셀을 적층하고, 그 다음 상기 발광 파장 전환 재료 (101)을 순수한 폴리머 인캡슐레이트의 상부 상에 적층하여 캡슐 형태로 넣어진 복수의 태양전지 디바이스 (100)을 보여준다. 발광 파장 전환 재료 (101)은 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 발색단 (102)를 포함하고, 여기서 상기 발광 파장 전환 재료는 또한, 산소 및 수분의 셀로의 침투에 대항하여 환경 보호로서 작용한다. 유리 또는 플라스틱 필름은 하부 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 측면들은 산소 및 수분의 진입을 방지하기 위해 밀봉 테이프 (104)로 테이핑된다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 10에서 실증되고, 이것은 몇 개의 태양전지 디바이스 (100)로 구성된 태양관 패널을 보여주고, 태양전지 디바이스를 캡슐화한 발광 파장 전환 재료 (101), 유리 하부 시트 (103) 및 유리 상부 시트 (103)은 환경 보호 커버 (103)로서 사용되고, 백시트 (106)은 하부 유리 시트 아래에 있고, 프레임 (107)은 모듈을 함께 지탱한다.
캡슐화 구조의 또 하나의 구현예는 도 11에서 실증되고, 이것은 몇 개의 태양전지 디바이스 (100), 태양전지 디바이스를 캡슐화한 발광 파장 전환 재료 (101)로 구성된 태양광 패널을 보여주고, 백시트 (106)는 태양전지 디바이스의 광 입사 표면 아래에 있고, 유리 상부 시트 (103)은 모듈 상부에 부착되고, 프레임 (107)은 모듈을 함께 지탱한다.
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료는, 먼저 염료/폴리머 용액을 액체 또는 겔의 형태로 합성하고, 표준 적용 방법, 예컨대 스핀 코팅 또는 드롭 캐스팅을 사용하여 염료/폴리머 용액을 제거가능 기판 상에 배열된 태양전기 매트릭스에 적용하고, 그 다음 제형 디자인에 의해 결정된 바대로 염료/폴리머 용액을 고체 형태로 경화 (즉 열처리, UV 노출, 등)시켜 태양전지 디바이스에 적용된다.
또 하나의 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료는 먼저 염료/폴리머 박막을 합성하고, 그 다음 시각적으로 투명한 및 광안정한 접착제 및/또는 라미네이터를 사용하여 염료/폴리머 박막을 태양전지 디바이스에 부착시켜서 태양전지 디바이스에 적용된다. 염료/폴리머 박막은, 셀을 완전히 캡슐화하기 위해 먼저 태양전지의 상부 및 그 다음 하부 상에 적용될 수 있다. 염료/폴리머 박막은 또한, 상부 표면에 정확히 적용될 수 있고, 여기서 태양전지의 하부 표면은 기판, 예컨대 백시트에 고정되고, 염료/폴리머 박막은 태양전지의 상부 표면 및 부착된 태양전지를 갖지 않는 기판의 부분에 적용된다.
캡슐화 구조를 형성하는 합성 방법은 제한되지 않는다. 상기 발광 파장 전환 재료의 합성 방법은 제한되지 않지만, 이하에서 상술된 도식 1 및 도식 2로서 기재된 예시적인 합성 절차를 따를 수 있다.
도식 1: WLC 재료를 형성하는 습식 처리 일반적인 절차
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 (102), 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)는 필름 구조로 제작된다. 파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 용매 예컨대 테트라클로로에틸렌 (TCE), 사이클로펜타논, 디옥산, 등에서, 예정된 비로 용해된 폴리머 분말로 폴리머 용액을 준비하는 단계; (ii) 예정된 중량비에서 상기 폴리머 용액을 상기 발광 염료와 혼합하여 염료-함유 폴리머 용액을 얻어서 폴리머 혼합물을 함유하는 발광 염료를 준비하는 단계, (iii) 염료-함유 폴리머 용액을 유리 기판 상에 직접적으로 캐스팅하고, 그 다음 실온 내지 100 ℃에서 2 시간 내에 기판을 열 처리하고, 완전히 130 ℃에서 밤새 추가 진공 가열로 잔여 용매를 완전히 제거하여 염료/폴리머 박막을 형성하는 단계, 및 (iv) 수분 하에서 염료/폴리머 박막을 박리하고 그 다음 사용 전에 독립한 폴리머 필름을 건조시키는 단계; (v) 상기 필름 두께는 염료/폴리머 용액 농도 및 증발 속도를 변화시켜서 0.1 μm ~ 1 mm 조절될 수 있다.
도식 2: WLC 재료를 형성하는 건식 처리 일반적인 절차
일부 구현예에서, 적어도 하나의 발색단 (102), 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료 (101)는 필름 구조로 제작된다. 파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 예정된 비로 어떤 온도에서 폴리머 분말 또는 펠렛 및 발색단 분말을 함께 혼합기로 혼합하는 단계; (ii) 혼합물을 1 내지 8 시간에서 어떤 온도에서 탈가스하는 단계; (iii) 그 다음 압출기를 사용하여 상기 층을 형성하는 단계; (v) 압출기로 층 두께를 1 μm~1 mm로 조절하는 단계.
상기 발광 파장 전환 캡슐화 필름이 일단 형성되면, 시각적으로 투명한 및 광안정한 접착제를 사용하여 태양광 모듈 디바이스에 부착될 수 있다.
관련된 기술에 대해 달성된 본 발명의 측면 및 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 어떤 목적 및 이점은 본 개시내용에서 기재되어 있다. 물론, 모든 그와 같은 목적 또는 이점이 본 발명의 임의의 특정 구현예에 따라 반드시 달성되지는 않는 다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들면, 당해분야의 숙련가는, 본 발명이 본 명세서에서 교시 또는 암시될 수 있는 바와 같이 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성할 필요 없이 본 명세서에서 교시된 바와 같이 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성 또는 최적화하는 방식으로 구체화 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 추가 측면, 특징 및 이점은 뒤따르를 실시예로부터 분명해질 것이다.
실시예
하기 구현예는 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시내용에서, 열거된치환체 그룹은 달리 구체화되지 않으면 추가 치환된 및 비치환된 그룹 모두를 포함한다. 게다가, 조건 및/또는 구조가 명시된 본 개시내용에서, 당해분야의 숙련가는 본 명세서의 교시에 비추여 그와 같은 조건 및/또는 구조를 쉽게 제공할 수 있다.
발색단의 합성
화합물 1 및 2
발색단의 합성은 하기 도식에 따라 수행되었다:
4,7-디브로모벤조[2,1,]티아디아졸 (13.2 g, 45 mmol), 4-(N,N-디페닐아미노)페닐보론산 (30.0 g, 104 mmol), 물 (80 mL) 중 나트륨 카보네이트 (21.2 g, 200 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(O) (5.0 g, 4.3 mmol), n-부탄올 (800 mL), 및 톨루엔 (400 mL)의 용액의 혼합물을 아르곤 하에서 교반하고 100 ℃에서 20시간 동안 가열했다. 실온으로 냉각한 후, 혼합물을 물 (600 mL)로 희석하고 2시간 동안 교반했다. 마지막으로, 반응 혼합물을 톨루엔 (2 L)로 추출하고, 휘발성물질을 감압 하에서 제거했다. 잔여물에 대해 실리카겔 및 헥산/디클로로메탄 (1:1)을 용출물로서 사용하는 크로마토그래피를 수행하여 26.96 g (43.3 mmol, 96%)의 4,7-바이[(N,N-디페닐아미노)페닐)]벤조[2,1,]티아디아졸 (중간체 A)를 얻었다.
아르곤 하에서 교반되고 얼음/물 배쓰에서 냉각된 디클로로메탄 (800 mL) 중 중간체 A (22.0 g, 35.3 mmol)의 용액에 4-t-부틸벤조일 클로라이드 (97.4 mL, 500 mmol) 및 에틸 에테르 (700 mL, 700 mmol) 중 아연 클로라이드의 1M 용액을 소량씩 부가했다. 수득한 혼합물을 교반하고 44 ℃에서 68 시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (2 kg)에 붓고, 교반하고, 포화된 나트륨 카보네이트로 처리하여 pH 8로 만들고, 디클로로메탄 (2 L)로 희석하고 미세 유리 깔때기를 통해 대기압 하에서 여과했다. 디클로로메탄 수성 층을 분리하고, 황산마그네슘 상에서 건조시키고, 용매를 증발시켰다. 잔여물의 칼럼 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 48:50:2) 그 다음 에탄올로부터 재결정화하여 순수한 발광 염료 화합물 1, 제1 분획으로서, 7.72 g (28%)를 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.94 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.87 (d, 2H, J = 7.7 Hz), 7.74 (m, 6H), 7.47 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.36 (t, 2H, J = 7.3 Hz), 7.31 (d, 2H, J = 7.3 Hz), 7.27 (m, 6H), 7.19 (m, 7H), 7.13 (d, 2H, J = 7.7 Hz), 7.06 (t, 2H, J = 7.3 Hz), 1.35 (s, 9H). 자외선-가시광선 스펙트럼: λmax = 448 nm (디클로로메탄), 456 nm (PVB 필름). 형광측정법: λmax = 618 nm (디클로로메탄), 562 nm (PVB 필름).
제2 분획으로 발색단 화합물 2, 12.35 g (37% 수율)을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.95 (d, 4H, J = 8.4 Hz), 7.79-7.73 (m, 10H), 7.48 (d, 4H, J = 7.7 Hz), 7.36 (t, 4H, J = 7.7 Hz), 7.31 (d, 4H, J = 8.4 Hz), 7.25 (d, 4H, J = 7.7 Hz), 7.18 (t, J = 7.3, 2H, Ph), 7.14 (d, 4H, J = 8.8 Hz), 1.35 (s, 18H). 자외선-가시광선 스펙트럼: λmax = 437 nm (디클로로메탄), 455 nm (PVB 필름). 형광측정법: λmax = 607 nm (디클로로메탄), 547 nm (PVB 필름).
중간체 B
공통의 중간체 B는 2 단계 과정으로 합성된다.
단계 1: 2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸의 합성.
4-클로로니트로벤젠 (55.0 g, 349 mmol), 벤조트리아졸 (50.0 g, 420 mmol), 칼륨 카보네이트 (200 g, 500 mmol), 및 NMP (500 mL)의 혼합물을 교반하고 아르곤 하에서 130 ℃에서 5시간 동안 가열했다. 반응의 진행을 박층 크로마토그래피로 모니터링했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (2 kg)에 부었다. 모든 얼음이 용융된 후, 고형물을 여과 제거하고 물 (200 mL)로 세정했다. 생성물을 메탄올 (1.5 L)에서 현탁시키고 30분 동안 교반했다. 결정을 여과 제거하고 진공 오븐에서 건조했다. 실리카겔 및 용출물로서 톨루엔 중 에틸 아세테이트 (1%)의 뜨거운 용액을 사용하는 수득한 재료의 칼럼 크로마토그래피로 2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (24.24 g, 30% 수율)을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.57 (d, J = 9.2 Hz, 2H, 4-니트로페닐), 8.44 (d, J = 9.2 Hz, 2H, 4-니트로페닐), 7.93 (m, 2H, 벤조트리아졸), 7.47 (m, 2H, 벤조트리아졸).
단계 2: 4,7-디브로모-2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 B)의 합성.
2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (7.70 g, 31.2 mmol), 브롬 (4.8 mL, 94 mmol) 및 48% HBr (120 mL)의 혼합물을 130 ℃에서 20시간 동안 HBr 트랩과 연결된 환류 콘덴서 하에서 가열했다. 반응 혼합물을 부서진 얼음 (800 g)에 붓고, Na2SO3의 5% 용액으로 탈색하고, 실온에서 2시간 동안 정치했다. 침전물을 여과 제거하고, 물 (200 mL) 그 다음 2% NaHCO3 (200 mL) 및 다시 물 (200 mL)로 세정했다. 물질을 진공 오븐에서 건조하여 4,7-디브로모-2-(4-니트로페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 B, 13.47 g)을 순도 90%로 얻었다. 수율 97%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): □ 8.65 (m, 2H, 4-니트로페닐), 8.44 (m, 2H, 4-니트로페닐), 7.54 (s, 2H, 벤조트리아졸).
중간체 C
중간체 C은 하기 반응 도식을 사용하여 합성되었다.
중간체 B (3.98 g, 10.0 mmol), 4-이소부톡시페닐보론산 (5.00 g, 25.7 mmol), 물 (40 mL) 중 나트륨 카보네이트 (5.30 g, 50 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(O) (2.00 g), n-부탄올 (60 mL), 및 톨루엔 (30 mL)의 혼합물을 아르곤 하에서 교반하고 100 ℃에서 4시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 물 (200 mL)에 붓고, 30분 동안 교반하고 톨루엔 (500 mL)로 추출했다. 추출물을 물 (200 mL)로 세정하고, 100 mL의 용적으로 농축하고 디클로로메탄 (200 mL) 및 메탄올 (200 mL)로 희석했다. 수득한 용액을 20분 동안 50 psi에서 10% Pd/C (2 g) 상에서 수소첨가하고, 셀라이트의 층을 통해 여과하고, 용매를 감압 하에서 제거했다. 잔여물에 대해 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 35:50:5)를 수행하여 4,7-바이(4-이소부톡시페닐)-2-(4-아미노페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸 (중간체 C) (3.80 g, 75%)를 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.22 (d, J= 8.4 Hz, 2H, 4-아미노페닐), 8.09 (d, J = 8.7 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 7.57 (s, 2H, 벤조트리아졸), 7.06 (d, J = 8.7 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 6.79 (d, J = 8.5 Hz, 2H, 4-아미노페닐), 3.90 (bs, 2H, NH2), 3.81 (d, J = 6.6 Hz, 4H, i-BuO), 2.14 (m, 2H, i-BuO), 1.06 (d, J = 7.0 Hz, 12H, i-BuO).
화합물 3
화합물 3은 하기 반응 도식에 따라 합성되었다.
1,2-디클로로에탄 (20 mL) 중 중간체 C (0.92 g, 1.82 mmol), 3,3-디메틸글루타르산 무수물 (284 mg, 2.0 mmol)의 용액을 환류 콘덴서 하에서 80 ℃에서 20시간 동안 가열했다. 실온으로 냉각한 후, 아세틸 클로라이드 (0.28 mL, 4.0 mmol)을 부가하고, 혼합물을 80 ℃에서 1시간 동안 가열했다. 반응 혼합물을 디클로로메탄 (200 mL)로 희석하고, 포화된 NaHCO3 (100 mL)로 세정했다. 용액을 MgSO4 상에서 건조하고, 휘발성물질을 감압 하에서 제거했다. 조 생성물을 칼럼 크로마토그래피 (실리카겔, 헥산/디클로로메탄/에틸 아세테이트, 37:60:3)로 정제하고 에탄올로부터 결정화하여 l-(4-(4,7-바이(4-이소부톡시페닐)-2H-벤조[d][1,2,]트리아졸-2-일)페닐)-4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온 (화합물 3, 551 mg, 48% 수율)을 얇은 황색 침상으로서 얻었다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.53 (d, J = 8.8 Hz, 2H, 4-이미도페닐), 8.08 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 7.61 (s, 2H, 벤조트리아졸), 7.26 (d, J = 8.8 Hz, 2H, 4-이미도페닐), 7.07 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 4-i-BuOC6H4), 3.82 (d, J = 6.6 Hz, 4H, i-BuO), 2.72 (s, 4H, 4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온), 2.14 (m, 2H, i-BuO), 1.24 (s, 6H, 4,4-디메틸피페리딘-2,6-디온), 1.06 (d, J = 7.0 Hz, 12H, i-BuO). 자외선-가시광선 스펙트럼 (PVB): λmax = 388 nm. 형광측정법 (PVB): λmax = 478 nm.
실시예 1
파장 전환 층은 하기에 의해 제작된다: (i) 사이클로펜타논 중 용해된 폴리머 분말을 갖는 20 wt% 폴리비닐 부티랄 (PVB) (Aldrich, 받은 대로 사용됨) 폴리머 용액을 준비하고; (ii) PVB 폴리머 용액을 합성된 화합물 1과 0.3 wt%의 중량비 (화합물 1/PVB)으로 혼합하여 PVB 매트릭스 함유 발색단을 준비하여 발색단-함유 폴리머 용액을 얻고; (iii) 염료-함유 폴리머 용액을 유리 기판 상에 직접적으로 캐스팅하여 염료/폴리머 필름을 형성하고, 그 다음 실온 내지 l00 ℃에서 2 시간 동안 기판을 열처리하고, 추가 진공 가열 130 ℃에서 밤새 추가 진공 가열로 잔여 용매를 완전히 제거하고, (iv) 염료/폴리머 필름을 수분 하에서 박리하고 그 다음 사용 전에 독립한 폴리머 필름을 건조시킨다. 필름이 건조된 후, -500 μm 두께의 발광 파장 전환 시트로 열간 프레싱된다.
그 다음, 일부 구현예에서, 발광 파장 전환 시트, 상업적 5 인치 모노결정성 실리콘 태양전지, 및 순수한 PVB 폴리머 인캡슐레이트는 전면 표면으로서, ~3mm 두께 유리 시트 상에 진공에서 130 ℃에서 상기 발광 파장 전환 시트로 적층되고, 이것은 도 8에서 보여진 구조와 유사하다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -12.5%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1에서 주어진 것과 동일한 방법을 사용하여 합성도디고, 단, 화합물 2은 화합물 1 대신에 사용되고, 순수한 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA) 폴리머 인캡슐레이트는 순수한 PVB 폴리머 인캡슐레이트 대신에 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -8.9%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 3
실시예 3은 실시예 2와 유사하게 합성되고, 단, 상기 구조는 2 ~3mm 두께 유리 시트 사이에 적층되고, 상기 구조는 도 3에서 보여진 구조와 윳하고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -7.5%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 4
실시예 4는 실시예 2와 유사하게 합성되고, 단, 상기 구조는 ~3mm 두께 유리 시트 및 백시트 (254 □m 두께 Madico Protekt® TFB PV Backsheet, Madico, Inc. 제조) 사이에 적층되고, 상기 구조는 도 5에서 보여진 구조와 유사하고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 백시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -7.8%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 5
실시예 5은 실시예 3과 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.1%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용되고, 1 인치 x 1 인치 결정성 실리콘 태양전지는 5 인치 x 5 인치 모노결정성 실리콘 태양전지 대신엥 사용된다. 구조는 도 3에서 보여진 구조와 유사한 2 ~3mm 두께 유리 시트 사이에 적층되고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 발광 파장 전환 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -2.6%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 6
실시예 6은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.2%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -2.8%의 상대적 개선이 관찰된다.
실시예 7
실시예 7은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 화합물 3은 0.3%의 중량비 (화합물 3/EVA)로 파장 전환 층에서 사용된다. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -1.6%의 상대적 개선이 관찰된다.
비교 실시예 8
실시예 8은 실시예 5와 유사하게 합성되고, 단, 발광 화합물이 사용되지 않고, 여기서 상기 층의 순서는 하기와 같다: 상부 유리 시트, 순수한 EVA 시트, 순수한 EVA 폴리머에 캡슐 형태로 넣어진 태양전지, 및 하부 유리 시트. 태양전지의 출력은 적층 전 및 후에 측정되고 -0.7%의 상대적 개선이 관찰된다.
본 발명의 목적은 캡슐화 태양전지, 광전지 디바이스, 태양광 모듈, 및 태양광 패널에 적당할 수 있는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 캡슐화 구조를 제공한다. 상기 실시예에서 설명된 바와 같이, 상기 재료의 사용은 태양전지 광 전환 효율을 향상시킨다.
관련된 기술에 대해 달성된 본 발명의 측면 및 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 어떤 목적 및 이점은 본 개시내용에서 기재되어 있다. 물론, 모든 그와 같은 목적 또는 이점이 본 발명의 임의의 특정 구현예에 따라 반드시 달성되지는 않는 다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들면, 당해분야의 숙련가는, 본 발명이 본 명세서에서 교시 또는 암시될 수 있는 바와 같이 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성할 필요 없이 본 명세서에서 교시된 바와 같이 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성 또는 최적화하는 방식으로 구체화 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 수많은 및 다양한 변형은 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다는 것은 당해분야의 숙련가가 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 설명적이고 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 명확히 이해되어야 한다.
Claims (27)
- 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 태양 에너지 전환 디바이스용 캡슐화 구조로서,
상기 적어도 하나의 발색단은 식 (III-a)로 표시되고:
여기서:
i는 0 내지 100 범위의 정수이고;
A0 및 Ai 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 카보닐, 및 임의로 치환된 카복시로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
각각의 R5은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 및 아미노로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
Li는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 및 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되며;
상기 발광 파장 전환 재료는 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하고 수분 및 산소의 상기 태양 에너지 전환 디바이스로의 침투를 억제하기 위해 설정되는, 캡슐화 구조. - 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료를 포함하는 태양 에너지 전환 디바이스용 캡슐화 구조로서,
상기 적어도 하나의 발색단은 식 (II-a)에 의해 추가로 표시되고;
여기서:
i는 0 내지 100 범위의 정수이고;
Ar은 임의로 치환된 아릴 또는 임의로 치환된 헤테로아릴이고;
R4는또는 임의로 치환된 사이클릭 이미도이고;
R1 각각은 H, 알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 아랄킬, 및 알카릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
R3 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 아릴, 및 임의로 치환된 헤테로아릴로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고; 또는 R1 및 R3는 함께 연결되어 고리를 형성할 수 있고;
D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니고;
Li는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 및 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
상기 발광 파장 전환 재료는 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하고 수분 및 산소의 상기 태양 에너지 전환 디바이스로의 침투를 억제하기 위해 설정되는, 캡슐화 구조. - 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 캡슐화 구조는 2개 이상의 발색단을 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스는 1 이상의 폴리머를 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 5에 있어서, 상기 폴리머는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 캡슐화 구조: 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 부티랄, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 비결정성 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 실록산 졸-겔, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트, 및 이들의 조합.
- 청구항 1에 있어서, 상기 폴리머 매트릭스의 굴절률은 그 범위가 1.4 내지 1.7인, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 발색단은 0.01 wt % 내지 3 wt % 범위의 양으로 폴리머 매트릭스에 존재하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료는 1 이상의 감광제를 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 9에 있어서, 상기 감광제는 임의로 치환된 풀러렌, 임의로 치환된 프탈로시아닌, 임의로 치환된 페릴렌, 임의로 치환된 포르피린, 및 임의로 치환된 테릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 캡슐화 구조.
- 청구항 9에 있어서, 상기 감광제는 발광 파장 전환 재료의 총 중량을 기준으로 한 중량에 의해 0.01% 내지 5% 범위의 양으로 존재하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 9에 있어서, 상기 감광제는 나노입자, 나노금속, 나노와이어, 또는 탄소 나노튜브을 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 12항에 있어서, 상기 나노입자는 풀러렌을 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료의 조성물은 1 이상의 가소제를 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 14에 있어서, 상기 가소제는 N-알킬 카바졸 유도체 및 트리페닐아민 유도체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료는 UV 안정제, 항산화제, 흡수제, 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 추가 층을 시스템에 접착시키기 위해 1 이상의 유리 시트, 반사 백시트, 모서리 밀봉 테이프, 프레임 물질, 폴리머 캡슐화 물질, 또는 접착제 층을 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, UV 흡수제를 함유하는 추가 폴리머 층을 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 적어도 하나의 발색단 및 시각적으로 투명한 폴리머 매트릭스를 포함하는 발광 파장 전환 재료;
수분 및 산소의 상기 발광 파장 전환 재료 및 태양 에너지 전환 디바이스에의 침투를 억제하기 위해 설정된 환경 보호 커버
를 포함하는 태양 에너지 전환 디바이스용 캡슐화 구조로서,
상기 적어도 하나의 발색단은 식 (I-a)로 표시되고:
여기서:
i는 0 내지 100 범위의 정수이고;
A0 및 Ai 각각은 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 알케닐, 임의로 치환된 헤테로알킬, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 임의로 치환된 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 아미도, 임의로 치환된 사이클릭 이미도, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 카복시, 및 임의로 치환된 카보닐로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고;
D1 및 D2 각각은 수소, 임의로 치환된 알콕시, 임의로 치환된 아릴옥시, 임의로 치환된 아실옥시, 임의로 치환된 알킬, 임의로 치환된 아릴, 임의로 치환된 헤테로아릴, 임의로 치환된 아미노, 아미도, 사이클릭 아미도, 및 사이클릭 이미도로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되고, 단, D1 및 D2 모두는 수소가 아니고;
Li는 임의로 치환된 알킬렌, 임의로 치환된 알케닐렌, 임의로 치환된 알키닐렌, 임의로 치환된 아릴렌, 및 임의로 치환된 헤테로아릴렌으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되며;
상기 발광 파장 전환 재료 및 상기 환경 보호 커버는, 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐하기 위해 함께 설정되고, 이로써 광은 상기 태양 에너지 전환 디바이스에 도달하기 전에 상기 발광 파장 전환 재료 및 상기 환경 보호 커버를 통과하는, 캡슐화 구조. - 청구항 19에 있어서, 상기 환경 보호 커버는 유리 또는 플라스틱 층을 포함하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 19에 있어서, 상기 태양 에너지 전환 디바이스의 주변 주위에 밀봉 테이프를 추가로 포함하는, 캡슐화 구조.
- 태양 에너지 전환 디바이스의 성능을 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은, 상기 디바이스를 청구항 19의 캡슐화 구조로 캡슐화하는 것을 포함하는, 방법.
- 청구항 22에 있어서, 상기 태양 에너지 전환 디바이스는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 디바이스를 포함하는, 방법:
III-V 또는 II-VI PN 접합 디바이스, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 (CIGS) 박막 디바이스, 유기 감광제 디바이스, 유기 박막 디바이스, 카드뮴 설파이드/카드뮴 텔루라이드 (CdS/CdTe) 박막 디바이스, 비결정성 실리콘 태양전지, 미세결정성 실리콘 태양전지, 및 결정성 실리콘 태양전지. - 청구항 1에 있어서, 식(III-a)의 R5가 알킬인, 캡슐화 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료가 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 2에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료가 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하는, 캡슐화 구조.
- 청구항 19에 있어서, 상기 발광 파장 전환 재료가 상기 태양 에너지 전환 디바이스를 캡슐화하는, 캡슐화 구조.
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