KR102069891B1 - 광전 변환 소자 - Google Patents

광전 변환 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR102069891B1
KR102069891B1 KR1020110087792A KR20110087792A KR102069891B1 KR 102069891 B1 KR102069891 B1 KR 102069891B1 KR 1020110087792 A KR1020110087792 A KR 1020110087792A KR 20110087792 A KR20110087792 A KR 20110087792A KR 102069891 B1 KR102069891 B1 KR 102069891B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
poly
naphthalene
pcbm
methoxy
Prior art date
Application number
KR1020110087792A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130024376A (ko
Inventor
김규식
무스부 이치카와
이광희
박경배
토시키 타케우치
Original Assignee
삼성전자주식회사
신슈 다이가쿠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 신슈 다이가쿠 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020110087792A priority Critical patent/KR102069891B1/ko
Priority to US13/409,878 priority patent/US10217886B2/en
Publication of KR20130024376A publication Critical patent/KR20130024376A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102069891B1 publication Critical patent/KR102069891B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • H10K30/211—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions comprising multiple junctions, e.g. double heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/353—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising blocking layers, e.g. exciton blocking layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • H10K39/32—Organic image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • H10K2102/10—Transparent electrodes, e.g. using graphene
    • H10K2102/101—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO]
    • H10K2102/103—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO] comprising indium oxides, e.g. ITO
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30—Coordination compounds
    • H10K85/311—Phthalocyanine
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/655—Aromatic compounds comprising a hetero atom comprising only sulfur as heteroatom
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

수광면 측에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되어 있고 상기 제1 전극과 대향하여 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 엑시톤 생성층; 그리고 상기 제2 전극과 상기 엑시톤 생성층 사이에 위치하는 보조층을 포함하며, 상기 엑시톤 생성층은 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파(standing wave)의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역에 형성되어 있는 것인 광전 변환 소자를 제공한다.

Description

광전 변환 소자{photoelectric conversion device}
광전 변환 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 광전 변환 소자는 광전 효과(photoelectric effect)를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자를 말한다. 이러한 광전 변환 소자는 자동차용 센서나 가정용 센서 등과 같은 각종 광센서, 태양전지 등에 널리 활용되고 있으며, 특히 CMOS 이미지 센서용으로 많이 이용되고 있다.
이에 광전 변환 소자의 광전 변환 효율을 개선하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
일 구현예는 특정한 파장의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있고, 광전 변환 효율이 우수한 광전 변환 소자를 제공한다.
일 구현예에 따른 광전 변환 소자는 수광면 측에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되어 있고 상기 제1 전극과 대향하여 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 엑시톤 생성층; 그리고 상기 제2 전극과 상기 엑시톤 생성층 사이에 위치하는 보조층을 포함한다. 이때, 상기 엑시톤 생성층은 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파(standing wave)의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역에 형성되어 있다.
상기 정재파는 가시광선 내지 근적외선 영역의 파장, 구체적으로는 약 380 nm 내지 약 950 nm의 파장을 가질 수 있다.
상기 엑시톤 생성층은 상기 제2 전극으로부터 하기 수학식 1로 표시되는 거리(L1) 범위 내에 형성되어 있을 수 있다.
[수학식 1]
(λ정재파/(4*(n보조)))-α (nm)≤L1≤(λ정재파/(4*(n보조)))+α (nm)
상기 수학식 1에서,
λ정재파는 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파의 파장이고,
n보조는 보조층을 이루는 물질의 굴절률이고,
α는 약 0 nm 내지 약 20 nm이고,
L1은 상기 제2 전극으로부터의 거리이다.
상기 λ정재파는 가시광선 내지 근적외선 영역의 파장, 구체적으로는 약 380 nm 내지 약 950 nm일 수 있다.
상기 엑시톤 생성층은 벌크 헤테로정션(bulk heterojunction, BHJ), 유무기 하이브리드 층, p 층 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 벌크 헤테로정션은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 2개를 포함할 수 있다.
상기 유무기 하이브리드 층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 유기물, 그리고 CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 무기 반도체를 포함할 수 있다.
상기 p층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 p형 물질을 포함할 수 있다.
상기 엑시톤 생성층은 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제2 전극은 금속 또는 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 일함수는 상기 제2 전극의 일함수 이상일 수 있다.
상기 보조층은 n 층, 전자 수송층(ETL), 정공 차단층(HBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 n 층은 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 유기물; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 무기 반도체; 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 물질을 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층은 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 정공 차단층은 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
엑시톤 생성층을 특정한 위치에 배치함으로써 특정한 파장의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있고, 광전 변환 효율이 우수한 광전 변환 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 변환 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 광전 변환 소자의 외부양자효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 기판 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
일 구현예에 따른 광전 변환 소자는 수광면 측에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되어 있고 상기 제1 전극과 대향하여 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 엑시톤 생성층; 그리고 상기 제2 전극과 상기 엑시톤 생성층 사이에 위치하는 보조층을 포함한다. 이때, 상기 엑시톤 생성층은 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파(standing wave)의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역에 형성되어 있다.
상기 정재파는 가시광선 내지 근적외선 영역의 파장, 구체적으로는 약 380 nm 내지 약 950 nm의 파장을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 380 nm 내지 약 800 nm의 파장을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 600 nm 내지 약 800 nm의 파장을 가질 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 엑시톤 생성층을 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역에 배치함으로써, 상기 엑시톤 생성층이 빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다. 이로써, 엑시톤을 효과적으로 생성할 수 있어 광전 변환 효율을 개선할 수 있다.
전기로 변환하고자 하는 빛의 입사광과 반사광이 정재파를 형성하는 경우, 마루와 골에서 빛의 파동의 진폭은 2배로 증가하고 세기는 4배로 증가한다. 따라서, 상기 정재파의 마루 또는 골이 형성되는 영역에 상기 엑시톤 생성층을 배치하면 엑시톤 생성층에서 더 많은 양의 빛, 그리고 더 큰 세기의 빛을 흡수하여 엑시톤을 효과적으로 생성할 수 있다.
구체적으로는 상기 광전 변환 소자는 상기 정재파의 마디가 형성되는 상기 제2 전극으로부터 상기 정재파의 파장의 1/4만큼 떨어져 있는 영역(마루 또는 골이 형성되는 영역) 또는 상기 정재파의 파장의 3/4만큼 떨어져 있는 영역(골 또는 마루가 형성되는 영역)을 포함하는 부분에 상기 엑시톤 생성층을 배치함으로써, 광전 변환 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 변환 소자의 개략적인 단면도이다.
이하에서는 설명의 편의상 상기 엑시톤 생성층(150) 중 수광면, 즉 빛을 받는 면을 전면(front side)이라 하고, 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 광전 변환 소자(100)는 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하여 위치하는 전면 전극(170)과 후면 전극(110), 상기 후면 전극(110) 위에 형성되어 있는 보조층(130), 그리고 상기 보조층(130)과 상기 전면 전극(170) 사이에 위치하는 엑시톤 생성층(150)을 포함한다.
상기 후면 전극(110)은 금속 또는 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속은 Al, Cu, Ti, Au, Pt, Ag, Cr, Li 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 상기 투명한 도전성 물질은 ITO, 인듐 도핑된 산화아연(indium doped ZnO, IZO), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO), 안티몬 도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO), 불소 도핑된 산화주석(fluorine-doped tin oxide, FTO), 산화주석(SnO2), ZnO, TiO2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 후면 전극(110)이 금속을 포함하여 형성되는 경우, 약 20 nm 이하의 반투명(semitransparent) 전극으로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전면 전극(170)은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이하에서 달리 설명하지 않는 한, 투명한 도전성 물질에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기 전면 전극(170)의 일함수는 상기 후면 전극(110)의 일함수 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전면 전극(170)의 일함수가 상기 후면 전극(110)의 일함수 이상인 경우, 엑시톤 생성층(150)에서 형성된 엑시톤으로부터 분리된 전자는 상기 후면 전극(110)으로 수집될 수 있으며, 상기 엑시톤으로부터 분리된 정공은 상기 전면 전극(170)으로 수집될 수 있다.
상기 엑시톤 생성층(150)은 광전 효과를 이용하여 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 역할을 하며, 상기 후면 전극(110)으로부터 하기 수학식 1로 표시되는 거리(L1) 범위 내에 형성되어 있을 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 엑시톤 생성층(150)은 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역이면 어느 범위에든 형성될 수 있다.
[수학식 1]
(λ정재파/(4*(n보조)))-α (nm)≤L1≤(λ정재파/(4*(n보조)))+α (nm)
상기 수학식 1에서,
λ정재파는 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파의 파장이고,
n보조는 보조층을 이루는 물질의 굴절률이고,
α는 약 0 nm 내지 약 20 nm이고, 구체적으로는 약 0 nm 내지 약 10 nm일 수 있으며,
L1은 상기 후면 전극(110)으로부터의 거리이며, 이는 상기 후면 전극(110)으로부터의 직선 거리일 수 있다.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 정재파에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기 엑시톤 생성층(150)을 상기 후면 전극(110)으로부터 상기 수학식 1로 표시되는 거리(L1)만큼 떨어진 범위 내에 배치함으로써, 상기 엑시톤 생성층(150)이 빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다. 이로써, 상기 엑시톤 생성층(150)은 흡수한 빛으로 엑시톤을 효과적으로 생성할 수 있어 광전 변환 효율을 개선할 수 있다.
상기 광전 변환 소자(100)는 상기 정재파의 마디가 형성되는 상기 후면 전극(110)으로부터 상기 정재파의 파장의 1/4만큼 떨어져 있는 영역(마루 또는 골이 형성되는 영역)을 포함하는 부분에 상기 엑시톤 생성층(150)을 배치함으로써, 광전 변환 효율을 개선하면서도 상기 광전 변환 소자(100)를 얇은 두께로 형성할 수 있다.
상기 엑시톤 생성층(150)은 벌크 헤테로정션(bulk heterojunction, BHJ), 유무기 하이브리드 층, p 층 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 벌크 헤테로정션은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 2개를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 벌크 헤테로정션을 형성할 때 에너지 레벨이 서로 상이한 물질을 사용하는 경우, LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 n형 물질로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 p형 물질로 사용될 수 있다.
상기 유무기 하이브리드 층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 유기물, 그리고 CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 무기 반도체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유무기 하이브리드 층을 형성할 때 에너지 레벨이 서로 상이한 물질을 사용하는 경우, LUMO 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 n형 물질로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 p형 물질로 사용될 수 있다.
상기 p층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 p형 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 엑시톤 생성층(150)은 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 엑시톤 생성층(150)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 전기로 변환하고자 하는 빛을 효과적으로 흡수할 수 있어 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 엑시톤 생성층(150)은 약 10 nm 내지 약 100 nm, 더욱 구체적으로는 약 10 nm 내지 약 50 nm, 보다 구체적으로는 약 10 nm 내지 약 20 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 보조층(130)은 단일 층으로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않으며, 복수 개의 층으로 형성될 수도 있다.
구체적으로는 상기 보조층(130)은 n 층, 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공 차단층(hole blocking layer, HBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 n 층은 상기 엑시톤 생성층(150)이 p 층인 경우 p-n 접합을 형성할 수 있으며, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 유기물; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 무기 반도체; 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송층(ETL)은 전자의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(HBL)은 정공의 이동을 저지하는 역할을 수행하는 동시에 전기적인 단락(short)을 막기 위한 보호막 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 상기 광전 변환 소자(100)는 상기 정재파의 마디가 형성되는 상기 후면 전극(110)으로부터 상기 정재파의 파장의 1/4만큼 떨어져 있는 영역(마루 또는 골이 형성되는 영역)을 포함하는 부분에 상기 엑시톤 생성층(150)을 배치함으로써, 광전 변환 효율을 개선하면서도 상기 광전 변환 소자(100)를 얇은 두께로 형성할 수 있다.
도 1에서 도시하지는 않았지만, 상기 전면 전극(170)과 상기 엑시톤 생성층(150) 사이에는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자 차단층(electron blocking layer, EBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나가 형성되어 있을 수도 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 정공의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(EBL)은 전자의 이동을 저지하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
이하에서 본 발명을 실시예　및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예　및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: 광전 변환 소자의 제조
전면 전극으로서 ITO 유리(ITO glass)를 준비한다. 이어서, 상기 ITO 유리에 대해 물/초음파 세정 및 메탄올과 아세톤을 이용한 세정 후에 O2 플라스마 처리한다. 상기 ITO 유리 위에 스핀 코팅(spin coating)으로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(PEDOT:PSS) 막을 형성한다. 이어서, 상기 PEDOT:PSS 막 위에 열 증착(thermal evaporation) 방법으로 1×10-7 torr 압력에서 1 Å/s의 증착속도로 BP3T(EBL) 막, 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc) 막, 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌:C60(SnPc:C60) 막, 그리고 C60 막을 순차적으로 형성한다. 이어서, 상기 C60 막 위에 Al 전극을 열 증착 방법으로 약 5 Å/s의 증착속도로 형성한다.
이로써, 광전 변환 소자를 제조한다.
상기와 같이 제조한 광전 변환 소자의 구조는 ITO/PEDOT:PSS/BP3T(EBL)/SnPc/SnPc:C60/C60/Al로 나타낼 수 있으며, 상기 ITO 전극이 빛을 받는 전면 전극이고, 상기 Al 전극이 후면 전극이다.
상기 제조한 광전 변환 소자에서, PEDOT:PSS 막은 약 30 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가지고, BP3T 막은 약 15 nm의 두께를 가지며, SnPc 막은 약 5 nm의 두께를 가지고, SnPc:C60 막은 약 20 nm(몰비=3:1)의 두께를 가지며, C60 막은 약 90 nm의 두께를 가지고, Al 전극은 약 100 nm의 두께를 가진다.
상기 엑시톤 생성층인 SnPc:C60 막은 후면 전극인 Al 전극으로부터 약 90 nm 내지 약 110 nm 떨어진 범위 내에 위치한다.
보조층인 C60의 굴절률이 750 nm의 파장인 경우 2.05이므로, 이러한 굴절률을 기준으로 상기 수학식 1에 대입하여 엑시톤 생성층의 적정한 위치를 계산하면, 후면 전극인 Al 전극으로부터 약 70 nm 내지 약 110 nm의 위치에 상기 엑시톤 생성층이 형성되는 것이 좋음을 알 수 있다.
비교예 1: 광전 변환 소자의 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/PEDOT:PSS/BP3T(EBL)/SnPc/SnPc:C60/C60/Al의 구조를 가지는 광전 변환 소자를 제조한다.
이때, 상기 제조한 광전 변환 소자에서, PEDOT:PSS 막은 약 30 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가지고, BP3T 막은 약 15 nm의 두께를 가지며, SnPc 막은 약 5 nm의 두께를 가지고, SnPc:C60 막은 약 20 nm(몰비=3:1)의 두께를 가지며, C60 막은 약 110 nm의 두께를 가지고, Al 전극은 약 100 nm의 두께를 가진다.
상기 엑시톤 생성층인 SnPc:C60 막은 후면 전극인 Al 전극으로부터 약 110 nm 내지 약 130 nm 떨어진 범위 내에 위치한다.
비교예 2: 광전 변환 소자의 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/PEDOT:PSS/BP3T(EBL)/SnPc/SnPc:C60/C60/Al의 구조를 가지는 광전 변환 소자를 제조한다.
이때, 상기 제조한 광전 변환 소자에서, PEDOT:PSS 막은 약 30 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가지고, BP3T 막은 약 15 nm의 두께를 가지며, SnPc 막은 약 5 nm의 두께를 가지고, SnPc:C60 막은 약 20 nm(몰비=3:1)의 두께를 가지며, C60 막은 약 10 nm의 두께를 가지고, Al 전극은 약 100 nm의 두께를 가진다.
상기 엑시톤 생성층인 SnPc:C60 막은 후면 전극인 Al 전극으로부터 약 10 nm 내지 약 30 nm 떨어진 범위 내에 위치한다.
시험예 1: 외부양자효율( IPCE ) 측정
실시예 1의 광전 변환 소자에 대하여, 각각 단색광(monochromatic light)을 ITO 방향에서 조사하여 발생하는 전류(current)로 파장대별 외부양자효율(external quantum efficiency)을 측정한다. 이로부터 얻은 입사된 포톤을 전류로 바꾸는 효율(incident photon-to-current conversion efficiency, IPCE)을 나타내는 그래프를 도 2에 나타낸다. 단색광으로 제논 램프와 모노크로미터(monochrometer)를 사용하고, Function Generator(Hokudo Denko, Ltd., HB-104)를 사용한다.
도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 광전 변환 소자는 약 650 nm 내지 약 900 nm의 파장에서 우수한 외부양자효율을 나타내고, 약 750 nm의 파장에서 외부양자효율의 최대치를 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1에서 수학식 1에 따라 계산한 엑시톤 생성층의 적정한 위치와 부합되는 결과이다.
한편, 비교예 1 및 2에서 제조한 광전 변환 소자는 실시예 1에서 제조한 광전 변환 소자보다 약 650 nm 내지 약 900 nm의 파장에서의 외부양자효율이 열악함을 예상할 수 있다.
이는 실시예 1의 광전 변환 소자의 엑시톤 생성층이 후면 전극으로부터 정재파의 파장의 1/4만큼 떨어져 있는 영역을 포함하는 부분에 형성됨으로써, 입사된 빛을 효과적으로 흡수한 결과이다.
이상을 통해 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 광전 변환 소자, 110: 후면 전극,
130: 보조층, 150: 엑시톤 생성층,
170: 전면 전극

Claims (16)

  1. 수광면 측에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 이격되어 있고 상기 제1 전극과 대향하여 위치하는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 엑시톤 생성층; 그리고
    상기 제2 전극과 상기 엑시톤 생성층 사이에 위치하고 n 층, 전자 수송층(ETL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나인 보조층
    을 포함하며,
    상기 엑시톤 생성층은 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파(standing wave)의 마루가 형성되는 위치 또는 골이 형성되는 위치를 포함하는 영역에 형성되어 있고,
    상기 엑시톤 생성층은 상기 제2 전극으로부터 하기 수학식 1로 표시되는 거리(L1) 범위 내에 형성되어 있는 것인 광전 변환 소자:
    [수학식 1]
    (λ정재파/(4*(n보조)))-α (nm)≤L1≤(λ정재파/(4*(n보조)))+α (nm)
    상기 수학식 1에서,
    λ정재파는 전기로 변환하고자 하는 빛의 정재파의 파장이고,
    n보조는 보조층을 이루는 물질의 굴절률이고,
    α는 0 nm 내지 20 nm이고,
    L1은 상기 제2 전극으로부터의 거리이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정재파는 가시광선 내지 근적외선 영역의 파장을 가지는 것인 광전 변환 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정재파는 380 nm 내지 950 nm의 파장을 가지는 것인 광전 변환 소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엑시톤 생성층은 벌크 헤테로정션(bulk heterojunction, BHJ), 유무기 하이브리드 층, p 층 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 벌크 헤테로정션은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 2개를 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유무기 하이브리드 층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 유기물; 그리고 CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 무기 반도체를 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 p 층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 히드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 p형 물질을 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 엑시톤 생성층은 10 nm 내지 200 nm의 두께를 가지는 것인 광전 변환 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 금속 또는 투명한 도전성 물질을 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 일함수는 상기 제2 전극의 일함수 이상인 것인 광전 변환 소자.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 n 층은 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 유기물; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 무기 반도체; 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 n형 물질을 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함하는 것인 광전 변환 소자.
  16. 삭제
KR1020110087792A 2011-08-31 2011-08-31 광전 변환 소자 KR102069891B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110087792A KR102069891B1 (ko) 2011-08-31 2011-08-31 광전 변환 소자
US13/409,878 US10217886B2 (en) 2011-08-31 2012-03-01 Photoelectric conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110087792A KR102069891B1 (ko) 2011-08-31 2011-08-31 광전 변환 소자

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180037666A Division KR101985430B1 (ko) 2018-03-30 2018-03-30 광전 변환 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130024376A KR20130024376A (ko) 2013-03-08
KR102069891B1 true KR102069891B1 (ko) 2020-01-28

Family

ID=47742445

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110087792A KR102069891B1 (ko) 2011-08-31 2011-08-31 광전 변환 소자

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10217886B2 (ko)
KR (1) KR102069891B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107112380B (zh) * 2015-01-09 2019-06-21 东丽株式会社 光电转换元件及使用其的图像传感器
JP2016149500A (ja) * 2015-02-13 2016-08-18 国立大学法人京都工芸繊維大学 有機太陽電池及びその製造方法
JP2017059655A (ja) 2015-09-16 2017-03-23 ソニー株式会社 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法
JP6894193B2 (ja) * 2016-04-29 2021-06-30 キヤノン電子株式会社 有機光電変換デバイス及び太陽電池
CN108987522A (zh) * 2018-07-25 2018-12-11 京东方科技集团股份有限公司 一种光电传感器、光电传感组件及其制作方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5039353A (en) 1989-04-27 1991-08-13 Societe Dite: Solems (Societe Anonyme) Process for improving the spectral response of a photoconductive structure, and improved solar cell and photoreceptive structure
JP2008072090A (ja) * 2006-08-14 2008-03-27 Fujifilm Corp 光電変換素子及び固体撮像素子
US20110001128A1 (en) 2009-07-03 2011-01-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Color unit and imaging device having the same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10190037A (ja) 1996-12-20 1998-07-21 Stanley Electric Co Ltd Ｐｉｎホトダイオード
US6262465B1 (en) 1998-09-25 2001-07-17 Picometrix, Inc. Highly-doped P-type contact for high-speed, front-side illuminated photodiode
US6483862B1 (en) * 1998-12-11 2002-11-19 Agilent Technologies, Inc. System and method for the monolithic integration of a light emitting device and a photodetector using a native oxide semiconductor layer
US7045833B2 (en) * 2000-09-29 2006-05-16 Board Of Regents, The University Of Texas System Avalanche photodiodes with an impact-ionization-engineered multiplication region
DE102007029822B4 (de) 2007-06-28 2010-01-07 Siemens Ag Interferometer
JP2010135636A (ja) 2008-12-05 2010-06-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光電変換装置
KR20110015999A (ko) * 2009-08-10 2011-02-17 삼성전자주식회사 태양 전지 및 그 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5039353A (en) 1989-04-27 1991-08-13 Societe Dite: Solems (Societe Anonyme) Process for improving the spectral response of a photoconductive structure, and improved solar cell and photoreceptive structure
JP2008072090A (ja) * 2006-08-14 2008-03-27 Fujifilm Corp 光電変換素子及び固体撮像素子
US20110001128A1 (en) 2009-07-03 2011-01-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Color unit and imaging device having the same

Also Published As

Publication number Publication date
US10217886B2 (en) 2019-02-26
US20130049152A1 (en) 2013-02-28
KR20130024376A (ko) 2013-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Spanggaard et al. A brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics
JP5488595B2 (ja) 有機光電変換素子
US9722197B2 (en) Inverted organic electronic device and method for manufacturing the same
KR101418124B1 (ko) 유기 감광 장치
KR102170583B1 (ko) 유기 광전지용 하이브리드 평면-그레이드 헤테로접합
US10636844B2 (en) Organic photoelectronic device and image sensor including selective light transmittance layer
JP5659458B2 (ja) 有機エレクトロニクス素子、有機光電変換素子、及び有機エレクトロルミネッセンス素子
US20120012183A1 (en) Organic thin-film solar cell and method of producing same
US20130061928A1 (en) Organic solar cell and method of manufacturing the same
KR102069891B1 (ko) 광전 변환 소자
KR102338334B1 (ko) 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
JP5862189B2 (ja) 有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池
US9660193B2 (en) Material composition for organic photoelectric conversion layer, organic photoelectric conversion element, method for producing organic photoelectric conversion element, and solar cell
JP5673343B2 (ja) 有機光電変換素子およびその製造方法
JP5476969B2 (ja) 有機光電変換素子、太陽電池、及び光センサアレイ
JP5444743B2 (ja) 有機光電変換素子
KR20150120330A (ko) 스쿠아레인 도너 첨가제를 사용하는 유기 광기전력 장치
KR20150087367A (ko) 유기 광전지용 하이브리드 평면 혼합 헤테로접합
JP2014053383A (ja) タンデム型の有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池
JPWO2010137449A1 (ja) 有機光電変換素子、それを用いた太陽電池及び光センサアレイ
KR101985430B1 (ko) 광전 변환 소자
JP5652314B2 (ja) 有機光電変換素子およびその製造方法
JP2013077760A (ja) 有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池
KR101942979B1 (ko) 신규한 유기 반도체, 이를 포함하는 광활성층 및 광전 변환 소자
KR20110118459A (ko) 전력 재활용 유기소자 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL NUMBER: 2018101001423; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20180330

Effective date: 20191011

S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)