KR102102841B1 - 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지, 및 상기 태양전지를 포함하는 스마트 윈도우 - Google Patents

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Abstract

컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지, 및 상기 유기 태양전지를 포함하는 스마트 윈도우에 관한 것이다.

Description

컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지, 및 상기 태양전지를 포함하는 스마트 윈도우{ORGANIC SOLAR CELL INCLUDING COLOR FILTERING ELECTRODE, AND SMART WINDOW INCLUDING THE SAME}
본원은 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지, 및 상기 유기 태양전지를 포함하는 스마트 윈도우에 관한 것이다.
컬러 반투명 유기 태양 전지 (OPV)는 심미적으로 만들어진 발전(power-generation) 윈도우(window)에서의 적용 가능성으로 인해 수요가 증가하고 있다. OPV에서 상이한 색을 생성하는 종래 방법은 별개의 흡수 스펙트럼을 나타내는 상이한 활성 물질을 사용하는 것이다. 이것은 생산 제조 공정을 복잡하게 할 수 있고, 상이한 색상의 OPV 사이에서 소자 성능의 편차를 야기할 수 있다.
기후 변화에 의해 야기되는 환경 문제에 대한 대응 노력에서, 발전 윈도우를 구비한 제로-에너지 빌딩의 건설은 정부의 보조금과 규제에 힘입어 세계적인 관심 및 필요성이 높아지고 있다. 컬러 윈도우와 디스플레이를 지지하는 심미적 건축물은 이러한 움직임의 활동의 일환으로서 지난 10 년에 걸쳐 반투명의 컬러 태양 전지의 틈새 시장을 확대시켰다. 일반적으로, 반투명 OPV로부터의 색상은 활성 물질에 의해 결정되는 반면, 투명성은 흡수를 희생하여 활성층 두께에 의해 제어된다. 지난 20 년 동안 컬러 OPV를 만들기 위한 다양한 연구 노력은 활성 물질의 흡수 스펙트럼을 제어하는 유기 합성 프로토콜을 수립하는데 초점을 맞추어왔다. 이러한 노력으로 활성 물질의 라이브러리가 만들어졌지만, 상이한 색을 표시하기 위해 별개의 활성 물질을 사용하는 것과 관련된 상이한 공정 및 비용으로 인해 상업적 이용가능성에 대한 도전이 제기되었다. 이들의 사용은 상이한 색들의 디바이스들 간에 다양한 성능의 결과를 또한 가져왔고, 이것은 실제 구현의 곤란성을 가중시켰다. 또한, 유기 합성에서의 도전은 달성 가능한 색의 유형과 스펙트럼 순도를 제한하였다.
대한민국 공개특허공보 번호 10-2011-0071660
본원은 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지, 및 상기 유기 태양전지를 포함하는 스마트 윈도우를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 컬러 필터링 전극은, 제 1 금속 층과 제 2 금속 층 사이에 형성된 유전체 층을 포함하는 컬러 필터를 포함하는 것인, 유기 태양전지를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 컬러 필터링 전극을 포함하는 상기 본원의 제 1 측면에 따른 유기 태양전지를 포함하는, 스마트 윈도우를 제공한다.
본원의 구현예들에 따르면, 컬러 필터 (CF = color filter)를 사용하여 고정된 두께의 단일 광대역 흡수 활성 물질을 이용한 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지에 의하여 반투명 컬러 유기 태양전지(OPV)를 제시한다. 상기 컬러 필터는, OPV가 25%를 초과하는 피크 투과 효율로 스펙트럼적으로 순수한 색이 투과될 수 있게 해주며, 디바이스 성능이 일정하게 유지되도록 전하 수송 특성을 방해하지 않고 상기 색들을 자유롭게 조정할 수 있게 한다. 상기 CF는 효과적인 전극으로서의 기능뿐만 아니라 분광 투명 윈도우의 외부 빛에 대한 거울 기능을 한다.
본원의 구현예들에 따르면, 종래 투명한 OPV와 비교할 때, 상기 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지는 더 많은 단락 전류를 생성하는 것이 발견되었다. 이러한 결과는, 종래 투명한 OPV에 비해, 본원의 구현예들에 따른 상기 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지가 컬러 반투명 발전 윈도우에서 스펙트럼적으로 순수한 색, 적당한 투과 효율, 분리된 광학 및 전하 수송 특성, 및 향상된 전하 생성을 달성하기 위한 간단하고 편리한 해결책을 제공한다는 것을 의미한다.
도 1a는, 본원의 일 구현예에 따른 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지 [컬러 필터(CF)-통합 유기 태양전지(OPV)]의 개략도이다.
도 1b는, 본원의 일 실시예에 따른 CF-통합 OPV의 개략도이다.
도 1c는, 비교예로서 투명 OPV의 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 100(±10) nm 두께의 PTB7-Th:PC71BM 필름의 고유 흡수 및 투과 스펙트럼이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 투명 OPV의 투과 스펙트럼이다.
도 4a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, 파장 및 TiOx 두께의 함수로서 계산된 CF-통합 OPV의 투과이다.
도 4b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, 투명한 OPV 및 청색, 녹색, 적색 CF 통합 OPV의 계산된 투과 스펙트럼 (상단) 및 측정된 투과 스펙트럼 (하단)이다.
도 4c는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, 대학 로고가 인쇄된 백색 시트 용지를 통해 광조사된 투명 OPV(ref) 및 청색, 녹색, 적색 CF-통합 OPV의 디지털 사진이다.
도 5a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF들의 광학 특성을 확인하기 위한, 파장 및 TiOx 두께의 함수로서 CF의 계산된 투과이다.
도 5b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF들의 광학 특성을 확인하기 위한, 청색, 녹색, 및 적색 CF의 계산된 투과 스펙트럼 (상부) 및 측정된 투과 스펙트럼 (하부)이다.
도 5c는, 본원의 일 실시예에 있어서, CF들의 광학 특성을 확인하기 위한, 백색 광원 전단에서 촬영된 청색, 녹색, 및 적색 CF의 디지털 사진이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 25 nm, 30 nm, 및 35 nm 두께의 내부 Ag 층을 갖는 청색 (상), 녹색 (중), 및 적색 (하) CF-통합 OPV의 투과 스펙트럼이다.
도 7a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 면외 Z-위치를 따라 계산된, 소스 전력에 의해 정규화된 CF-통합 OPV의 흡수 밀도 (컬러 선) 및 투명 OPV의 흡수 밀도 (흑색 선)로서, 정규화된 흡수 밀도는 계산된 흡수 스펙트럼에서 최소를 나타내는 476 nm(좌측), 533 nm(중앙) 및 637 nm(우측)의 파장에서 계산된다.
도 7b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 투명 OPV(흑색 곡선) 및 청색, 녹색, 적색 CF-통합 OPV (컬러 곡선)에 대하여 계산된 흡수 스펙트럼이다.
도 7c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 파장의 함수로서, CF-통합 OPV와 투명 OPV 사이의 계산된 흡수 향상이다.
도 7d, 본원의 일 실시예에 있어서, CF 공명 위치 또는 TiOx 두께의 함수로서 CF-통합 OPV와 투명 OPV 사이에 계산된 Jsc 향상이다.
도 8a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 하부와 상부로부터 수직 입사되는 빛에 대한 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV로부터의 계산된 투과 스펙트럼이다.
도 8b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 하부와 상부로부터 수직 입사되는 빛에 대한 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV로부터의 측정된 투과 스펙트럼이다.
도 9a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV에 대하여 0°, 25°, 50° 및 75°에서 입사된 횡자 자기 (Transverse Magnetic, TM)이다.
도 9b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV에 대하여 0°, 25°, 50° 및 75°에서 입사된 횡 전계 (Transverse Electric, TE)이다.
도 9c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV에 대하여 0°, 25°, 50° 및 75°에서 입사된 비편광의 계산된 투과 스펙트럼이다.
도 10a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 투명 OPV(흑색 선) 및 청색, 녹색, 적색 CF 통합 OPV(컬러 선)로부터 측정된 J-V 곡선이다.
도 10b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 투명 OPV(흑색 선) 및 청색, 녹색, 적색 CF 통합 OPV(컬러 선)로부터 측정된 EQE 스펙트럼이다.
도 10c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 투명 OPV(흑색 선) 및 청색, 녹색, 적색 CF 통합 OPV(컬러 선)로부터 측정된 EQE 향상 스펙트럼이다.
도 11a는, 본원의 일 실시예에 있어서, OPV의 개략도이다.
도 11b는, 본원의 일 실시예에 있어서, TiOx/Ge/Ag 층의 전자빔 증발 전후에 측정된 J-V 곡선으로서, TiOx/Ge/Ag 층 증착 후의 OPV는 CF-통합 OPV에 해당한다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, ~ 30 nm 두께 Ag 필름의 투과 스펙트럼 측정이다.
도 13a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 1 내지 6의 다양한 색상의 CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, 대학 로고가 인쇄된 백색 시트를 통해 나타난, 다양한 색상의 CF-통합 OPV의 디지털 사진이다.
도 13b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 1 내지 6의 다양한 색상의 CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, 다양한 색상들의 CF-통합 OPV의 투과 스펙트럼이다.
도 13c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 1 내지 6의 다양한 색상의 CF-통합 OPV의 광학 특성을 확인하기 위한, CIE 색도계에 대한 CF-통합 OPV로부터의 색상 맵핑으로서, 백색 삼각형은 sRGB 영역을 나타낸다.
도 13d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각의 CF-통합 OPV과 대응하는 불투명 OPV의 Jsc 비율이다.
도 13e는, 본원의 일 실시예에 있어서, 불투명 OPV 및 2 개의 대표적인 CF-통합 OPV(디바이스 4 및 6) 의 계산된 흡수 스펙트럼이다.
도 13f는, 본원의 일 실시예에 있어서, 불투명 OPV 및 2 개의 대표적인 CF-통합 OPV(디바이스 4 및 6) 의 측정된 EQE 스펙트럼이다.
도 14a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 불투명 OPV 및 두 개의 대표적인 CF-통합 OPV (디바이스 4 및 6)의 계산된 투과 스펙트럼이다.
도 14b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 불투명 OPV 및 두 개의 대표적인 CF-통합 OPV (디바이스 4 및 6)의 측정된 투과 스펙트럼이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "컬러 필터링 전극"은 "컬러 필터 전극" 또는 "CF 전극"으로도 표시될 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "유기 태양전지"는 "OPV (organic photovoltaics)" 로도 표시될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 컬러 필터링 전극을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 컬러 필터링 전극은, 제 1 금속 층과 제 2 금속 층 사이에 형성된 유전체 층을 포함하는 컬러 필터를 포함하는 것인, 유기 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 태양전지는 반투명인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 제 1 금속 층과 제 2 금속 층은 각각 독립적으로 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, Al, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 것이고, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층은 티타늄 산화물, 아연 산화물, 바륨티타네이트 산화물 (비제한적 예: BaTiO3, BaTi2O5 등), MnO3, ZrO2, VO3, Y2O3, IrO, RuO, RhO, TaO, In2O3, Al2O3, Hf2O3, SiO2, SrTiO3, WO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 유전체 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 제 1 금속 층과 제 2 금속 층 각각의 두께는 독립적으로 약 10 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 500 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 제 1 금속 층과 제 2 금속 층 각각의 두께는 독립적으로 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm, 이고, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도 1a를 참고하면, 상기 유기 태양전지는, 투명 전극(100); 상기 투명 전극 상에 형성된 유기 광활성층(200); 및, 상기 유기 광활성층(200) 상에 형성된 상기 컬러 필터링 전극(300)을 포함하는 것이고, 상기 컬러 필터링 전극(300)은, 상기 유기 광활성층(200) 상에 순차적으로 형성된 상기 제 1 금속 층(320), 상기 유전체 층(340) 및 상기 제 2 금속 층(360)을 포함하는 상기 컬러 필터를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명 전극은 유리 기재 또는 투명 플라스틱 기재 상에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명 전극은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 전도성 투명 전극을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 광활성층은 n형 유기 반도체 화합물(전자 공여체)과 p형 유기 반도체 화합물 (전자 수용체)의 블렌드(blend)를 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 유기 반도체 화합물은 밴드갭 약 1.0 eV 내지 약 3.0 eV를 가지는 유기 반도체 화합물로서 본 기술 분야에 공지된 유기 반도체 화합물을 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 상기 n형 유기 반도체 화합물은 상기 p형 유기 반도체 화합물과 혼합하였을 때 형광이 약 50% 이상 감소하는 물질로서 본 기술 분야에 공지된 유기 반도체 화합물을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 유기 반도체 화합물의 비제한적 예로서 하기 유기 반도체를 포함할 수 있다:
<n형 유기 반도체 화합물>
폴리[[2,6'-4,8-디(5-에틸헥실티에닐)벤조[1,2-b;3,3-b]디티오펜][3-플루오로-2[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]](PTB7-Th), 폴리{[9-(1-옥틸노닐)-9H-카르바졸-2,7-다이일]-2,5-티오펜다이일-2,1,3-벤조티아다이아졸-4,7-다이일-2,5-티오펜다이일}(PCDTBT);
Figure 112018030948894-pat00001
,
Figure 112018030948894-pat00002
,
Figure 112018030948894-pat00003
,
Figure 112018030948894-pat00004
,
Figure 112018030948894-pat00005
,
Figure 112018030948894-pat00006
,
Figure 112018030948894-pat00007
,
Figure 112018030948894-pat00008
,
Figure 112018030948894-pat00009
,
Figure 112018030948894-pat00010
,
Figure 112018030948894-pat00011
,
Figure 112018030948894-pat00012
.
예를 들어, 상기 p형 유기 반도체 화합물의 비제한적 예로서 하기 유기 반도체를 포함할 수 있다:
<p형 유기 반도체 화합물>
(6,6)-페닐-C70-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC70BM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC70BM), (6,6)-페닐-C60-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC60BM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC61BM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC71BM), (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르(PC77BM), (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르(PC79BM), (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC81BM), (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC83BM), (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸 에스테르(PC85BM), 인덴-C60-비스어덕트(ICBA);
Figure 112018030948894-pat00013
,
Figure 112018030948894-pat00014
,
Figure 112018030948894-pat00015
,
Figure 112018030948894-pat00016
,
Figure 112018030948894-pat00017
,
Figure 112018030948894-pat00018
,
Figure 112018030948894-pat00019
,
Figure 112018030948894-pat00020
,
Figure 112018030948894-pat00021
,
Figure 112018030948894-pat00022
,
Figure 112018030948894-pat00023
.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 태양전지는 상기 투명 전극과 상기 유기 광활성층 사이에 형성된 전자 전달층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 전자 전달층은 유기 반도체, 무기 반도체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 전달층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 태양전지는 상기 유기 광활성층과 상기 컬러 필터링 전극 사이에 형성된 정공 전달층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 정공 전달층은 MoO3, PEDOT:PSS, NiO, WO3, V2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
또한, 상기 정공 전달층은, 예를 들어, 단분자 정공 전달 물질 또는 고분자 정공 전달 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단분자 정공 전달 물질로서 스피로-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT [poly(3-hexylthiophene)], PTAA (polytriarylamine), 또는 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxy thiophene):polystyrene sulfonate]를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 정공 전달층(HTM)은 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 정공 전달 물질로서, 스피로-MeOTAD, Li-TFSI [Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt], 및 tBP (4-tert-Butylpyridine)의 혼합 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터는 상기 유전체 층과 상기 제 2 금속 층 사이에 형성된 웨팅층 (wetting layer)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅층은 외부에 위치되는 상기 제 2 금속층에서 유래하는 표면 거칠기로 인한 광학적 손실을 억제함으로써 상기 컬러 필터의 투과율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 웨팅층은 약 1 nm 이하 두께의 Ge 층, 또는 Al-Ag 합금 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a를 참고하면,
상기 유기 태양전지는,
투명 전극 (200);
상기 투명 전극 상에 형성된 전자 전달층 (미도시);
상기 전자 전달층 상에 형성된 유기 광활성층 (200);
상기 유기 광활성층 상에 형성된 정공 전달층(미도시); 및,
상기 정공 전달층에 형성된 상기 컬러 필터링 전극 (300)
을 포함하는 것이고,
상기 컬러 필터링 전극 (300)은,
상기 유기 광활성층 상에 순차적으로 형성된 상기 제 1 금속 층 (320), 상기 유전체 층 (340) 및 상기 제 2 금속 층(360)을 포함하는 상기 컬러 필터를 포함하는 것일 수 있고,
필요한 경우, 상기 유전체 층 및 상기 제 2 금속 층 사이에 상기 웨팅층이 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명 전극으로 가시광선이 입사할 때, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께를 조절하여 상기 컬러 필터를 투과하는 빛의 파장 또는 파장 대역이 조절되어 상기 유기 태양전지의 색상이 조절될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께가 증가할수록 상기 가시광선 중 긴 파장의 빛을 투과할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께를 조절함으로써 상기 유기 태양전지가 청색, 녹색 또는 적색을 나타낼 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 필터는, 상기 컬러 필터를 투과하지 못한 빛을 상기 유기 광활성층 내로 반사시키는 거울(mirror) 기능도 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 가시광 범위에서 균일하게 흡수하는 단일 활성 물질이 컬러 필터 (CF) 전극의 구현을 통해 높은 스펙트럼 순도와 일관된 디바이스 성능으로 다양한 색상을 표시할 수 있게 하는 전략을 제시한다. 상기 컬러 필터링 전극에 포함되는 상기 컬러 필터는 Ag-TiOx-Ag 패브리-페로 (Fabry-Perot, FP) 공진 캐비티로 형성되며, 여기서 상기 TiOx 층의 두께는 투과 피크의 스펙트럼 위치를 결정하고 상기 내부 Ag 층은 전기적 컨택트로서 기능한다. 상기 전극은 또한 상기 CF의 공진 대역 (즉, 스펙트럼 투명 윈도우) 내 파장을 제외하고 모든 파장의 광 (light)에 대해 거울로서 기능한다. 따라서, 선택적으로 투과되지 않은 광은 상기 활성 물질 내로 다시 반사될 수 있어, 추가적인 전하 생성에 기여한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 CF를 OPV와 통합함으로써, 분광적으로 순수하고, 광(빛)의 수직 입사의 방향에 독립적이고, 색의 뛰어난 채도, 및 25% 초과의 적당한 투과 효율을 갖는 색의 선택적 투과를 입증한다. 또한, 상기 CF가 전하 수송 경로로부터 공간적으로 제거되기 때문에, 전하 수송 고려사항과는 완전히 독립적으로 상기 컬러 OPV의 광학 응답을 설계하는 능력을 강조한다. 이것은 디바이스의 성능을 상이한 색의 CF-통합 OPV들에 대해 일정하게 유지할 수 있게 한다. 종래 투명 OPV와 비교할 때, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV는 비-공진 광에 대한 거울로서 기능하는 능력 때문에 증가된 단락 전류의 일정한 향상을 나타냈다. 상기 CF-전극은 쉽게 확장 가능하고 제조가 간단하기 때문에 심미적인 컬러 반투명 태양 전지를 구현하는 효과적인 해결책을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 컬러 필터링 전극을 포함하는 상기 본원의 제 1 측면에 따른 유기 태양전지를 포함하는, 스마트 윈도우를 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 스마트 윈도우는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 유기 태양전지에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있으며, 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스마트 윈도우는 가시광 하에서 상기 유기 태양전지에 의한 발전(power-generation) 기능을 갖는 반투명 컬러 윈도우일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컬러 윈도우는 양방향(bidirectional)을 가질 수 있다. 상기 컬러 윈도우의 양방향성은 빛이 소자의 앞면(투명 전극 층)이나 뒷면(컬러 필터 층)에서 입사되어도 광학적인 성능(색상)이 변하지 않는 것을 의미한다.
본원의 일 구현예에 의하면, Ag-TiOx-Ag 컬러 필터 (CF = color filter)를 사용하여 고정된 두께의 단일 광대역 흡수 활성 물질을 이용한 반투명 컬러 OPV를 제시한다. 상기 Ag-TiOx-Ag CF는, OPV가 25%를 초과하는 피크 투과 효율로 스펙트럼적으로 순수한 색이 투과될 수 있게 해주며, 디바이스 성능이 일정하게 유지되도록 전하 수송 특성을 방해하지 않고 상기 색들을 자유롭게 조정할 수 있게 한다. 상기 CF는 효과적인 전극으로서의 기능뿐만 아니라 분광 투명 윈도우의 외부 빛에 대한 거울 기능을 한다. 동일한 활성층 물질과 두께로 형성된 투명한 OPV와 비교할 때, CF-통합 OPV는 더 많은 단락 전류를 생성하는 것이 발견되었다. 이러한 결과는, 종래 투명한 OPV에 비해 컬러 반투명 발전 윈도우에서 스펙트럼적으로 순수한 색, 적당한 투과 효율, 분리된 광학 및 전하 수송 특성, 및 향상된 전하 생성을 달성하기 위한 간단하고 편리한 해결책을 제시한다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
컬러 필터의 제조 : 전자 빔 증발기 (ULVAC EBX2000)를 이용하여 초고 진공 (1.5 x 10-6 torr) 하에서, 쿼츠 기재 상에 Ge (1 nm 이하), Ag (25 nm), TiOx (40 nm ~ 100 nm), Ge (1 nm 이하), 및 Ag (25 nm) 타겟을 순차적으로 증발시켜 컬러 필터를 제조하였다. Ge, Ag, 및 TiOx의 증착 속도는 각각 0.02 nm/s, 0.04 nm/s 및 0.04 nm/s였다.
OPV 제조: ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag 스택으로서 역구조의 OPV를 제조하였다. 패턴화된 20 Ω/sq 저항 인듐 주석 산화물 (ITO) 유리 기재를 이소프로필 알콜 및 아세톤으로 초음파 욕조에서 10 분 동안 순차적으로 세척하였고, 20 분 동안 UV-오존 처리를 하였다. 공기 중에서 가수 분해 반응을 촉진시키기 위해 격렬하게 교반하면서 10 mL의 2-메톡시 에탄올 (CH3OCH2CH2OH)에서 아세트산아연·2수화물 (Zn(CH3COO)2.2H2O) 1 g과 에탄올아민 (NH2CH2CH2OH) 0.28 g에 용해시킴으로써 산화아연 (ZnO)의 전구체 용액을 제조하였다. 상기 ZnO 전구체 용액을 ITO 유리 위에 3,000 rpm으로 40 초 동안 스핀 코팅하여 약 30 nm 두께로 ZnO 전자 수송층을 제조하였다. 대기 중 200℃에서 30 분간 열처리한 후 기재를 질소 충진된 글러브 박스로 옮겼다. 1 : 1.5의 중량비의 PTB7-Th:PC71BM을 용매 첨가제로서 DPP 3%를 함유하는 클로로벤젠 (CB) 용액에 용해시켰다. 상기 활성층 블렌드 용액을 ZnO 층 상부에 스핀 코팅하고 진공 챔버에서 실온에서 1 시간 동안 건조시켰다. 10-2 Torr 진공 하에서 0.12 cm2 및 0.20 cm2의 크기를 갖는 새도우 마스크를 사용하여 0.2 Å/s 및 0.4 Å/s의 증착 속도로 열 증발시킴으로써 10 Å 두께의 MoO3 정공 수송층과 35 nm 두께의 Ag 전극을 제조하여 디바이스 제조를 완료하였다.
CF-통합 OPV 제조: 전자 빔 증발기를 통해 제조된 OPV 상에 TiOx (다양하게 변화됨), Ge (1 nm 이하), 및 Ag (25 nm)를 증발시켜 OPV에 컬러 필터를 통합했다. 진공 조건은 상기에서 설명한 단리된 컬러 필터의 경우와 동일하다. TiOx의 증착 속도는 초기 10 nm 두께의 경우는 0.15 nm/초였고, 나머지 두께에서는 0.75 nm/초였다.
투명한 OPV(비교예)의 제조 : 투명한 OPV는 OMO 투명 전극을 역전된 OPV에 통합하여 제조되었다. PTB7-Th:PC71BM 활성층의 제조까지 방법은 상기와 동일하였다. 초박형 MoO3 (1 nm), Ag (10 nm), MoO3 (20 nm)를 10-6 Torr 진공 하에서 열 증발기를 통해 활성층 상에 증발시켰다. 증착 속도는 상기 설명하였다.
수치 모델링 : 전달 매트릭스 계산은 CF 및 CF-통합 OPV의 전송 응답을 모델링하는데 사용되었다. 상업용 FDTD 소프트웨어 (Lumerical Inc.)를 사용하여 CF 통합 OPV의 흡수 및 Jsc를 모델링했다. 주기적인 경계 조건은 단위 셀의 측면 영역 주위에 정의되었지만 완벽하게 일치된 층들은 상부 및 하부 시뮬레이션 경계에 대해 정의되었다.
디바이스 특성 분석 및 측정: 원자힘 현미경 (AFM) (AFM5100N, HITACHI, Tokyo, Japan)을 사용하여 활성층의 두께를 스캔하였다. PTB7-Th:PC71BM의 흡수 스펙트럼과 투과 스펙트럼을 UV-2450 자외선-가시광선 분광 광도계 (SHIMADZU, Japan)를 사용하여 측정하였다. 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선은 AM 1.5G 태양 시뮬레이터 (McScience K201 LAB50, Korea)와 Keithley 2400 소스 미터를 사용하여 100 mW/cm2에서 측정되었다. 제논 램프 (McScience K3100 EQX, Korea)로부터의 단색광으로 조사하는 동안 20 Hz의 초핑(chopping) 주파수에서 lock-in 증폭기 (SR830, Stanford Research System)를 사용하여 단락 회로 조건에서 외부 양자 효율 (EQE)을 수득하였다. CF-통합 OPV의 투과 측정은 분광계 (Acton SP2356, Princeton Instruments) 및 백색 LED (Thorlabs) 조명 소스에 결합된 자체 제작된 공초점(confocal) 현미경을 이용하여 수행되었다.
상기 CF-통합 OPV를 통해, 본 실시예는, 분광적으로 순수하고, 광(빛)의 수직 입사의 방향에 독립적이고, 색의 뛰어난 채도, 및 25% 초과의 적당한 투과 효율을 갖는 색의 선택적 투과를 입증한다. 또한, 상기 CF가 전하 수송 경로로부터 공간적으로 제거되기 때문에, 전하 수송 고려사항과는 완전히 독립적으로 상기 컬러 OPV의 광학 응답을 설계하는 능력을 강조한다. 이것은 디바이스의 성능을 상이한 색의 CF-통합 OPV들에 대해 일정하게 유지할 수 있게 한다. 기준 디바이스로서 사용된 투명 OPV와 비교할 때, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV는 비-공진 광에 대한 거울로서 기능하는 능력 때문에 32.38(±0.03)~34.10(±0.02)% 더 많은 단락 전류의 일정한 향상을 나타냈다. 상기 CF-전극은 쉽게 확장 가능하고 제조가 간단하기 때문에 심미적인 컬러 반투명 태양 전지를 구현하는 효과적인 해결책을 제공한다.
본 실시예에 따른 CF-통합 OPV의 전체 도식은 도 1b에 나타냈다. 상기 OPV는 역전된 형태이고, 여기서 상기 디바이스는 Ag-TiOx-Ag 캐비티, MoO3 정공 수송층, PTB7-Th:PC71BM 블렌드(blend) 활성층, ZnO 전자 수송층, 및 유리 기재 상에 지지된 ITO 전극으로 형성되었다. 상기 CF 유닛(unit)을 제외한 각 층의 두께는 하부에서부터 상부로 각각 10 nm, 100 nm, 30 nm 및 130 nm이었다. 상기 활성층에 있어서, 폴리[[2,6'-4,8-디(5-에틸헥실티에닐)벤조[1,2-b;3,3-b]디티오펜][3-플루오로-2[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]](PTB7-Th)을 공여체 (donor)로서 사용하였고, 수용체(acceptor)로서 (6,6)-페닐 C71 부티르산 메틸 에스테르 (PC71BM)를 사용하였다. 상기 블렌드의 광전지 및 광학 특성은 이전에 보고되었으며, 가시광선 범위에서 광대역 및 균일 흡수가 특징이다. 본 실시예를 위해, CF-통합 OPV와 투명 OPV 모두에서 100(±10) nm 두께의 블렌드를 사용했다. 상기 두께에서, 고유 흡수는 파장 400 nm ~ 700 nm 사이에서 30% ~ 40% 범위에서 발견되었다 (도 2). 광학 특성을 비교하기 위해, 기준(reference) 투명 OPV는 MoO3, Ag, 및 MoO3 층으로 형성된 산화물-금속-산화물 (OMO) 투명 전극에 의해 CF 유닛 및 부착된 MoO3 층을 대체함으로써 제조되었다 (도 1c). 상기 3 개의 층은 각각 1 nm, 10 nm, 및 20 nm의 두께로 제조되었으며, 이는 OPV의 평균 가시광 투과율을 35%까지 최대화하는 것으로 나타났다 (도 3).
도 1b의 오른쪽 패널에 나타낸 바와 같이, 상기 CF는 고정 두께의 2 개의 Ag 층들(제 1 금속 층 및 제 2 금속 층) 사이의 다양한 두께의 TiOx 필름 유전체 층으로 형성된다. 상기 유닛에 입사된 빛은 2 개의 Ag 층 사이에서 반사됨으로써 간단한 FP 공진을 진행한다. 각각의 Ag 층이 각각의 스킨 깊이보다 얇기 때문에, 공진 광은 자유 공간으로 유출되어 캐비티의 컬러 필터링 기능을 구현할 수 있다. 상기 공진의 피크 강도 및 폭은 상기 2 개의 Ag 층 두께의 각각을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 20 nm 두께 초과에서, 더 얇은 Ag 층의 경우 더 높은 피크 강도와 더 큰 피크 폭을 달성할 수 있다. 20 nm 두께 미만에서, 약화된 광학적 제한으로 인해 피크 강도가 감소한다. 후술하는 TiOx의 전자빔 증발 동안 표면 거칠기의 증가, 전기 전도성의 손실, 및 유기 활성층에 대한 손상의 민감성을 포함하는 실시적 고려사항들 때문에 25 nm에 가까운 Ag 층 두께가 가장 높은 투과율을 나타냈지만, 본 발명자발명자들은 상기 내부 Ag 층(제 1 금속 층) 및 외부 Ag 층(제 2 금속 층)에 대해 각각 35 nm 및 25 nm의 두께를 사용했다. 이러한 두께는 상기 내부 Ag 층이 감소된 표면 거칠기, 높은 전기 전도성, 비-공진 광에 대한 높은 반사율, 및 제조 중 상기 활성층에 대한 보호로 인해 낮은 광학적 손실을 제공함을 보장하였고, 한편 상기 외부 Ag 층은 공진 품질에 반하여 투과 효율을 최적화하는 것으로 밝혀졌다. 상기 MoO3 정공 수송층과 계면하고 있는 상기 내부 Ag 층은 정공 추출을 위해 전기적으로 컨택트되어 5.9 Ω/sq의 측정된 시트 저항을 갖는 애노드(anode)로서 효과적으로 작용하였다.
TiOx는 가시광 범위에서 높은 굴절률, 무시할만한 광학 손실 (도 4a 내지 도 4c), 및 진공 증착 기술을 통한 제조가 용이하기 때문에 캐비티의 유전체 성분으로 선택되었다. 상기 높은 굴절률은 공명이 더 좁은 공간으로 제한되도록 하며, 이는 상기 디바이스가 소형의 형태로 실현되도록 한다. 기본 FP 공진은 2 개의 Ag 층 사이에서 반사된 반파장의 간섭에 의해 결정되므로, TiOx 막의 두께는 공진의 스펙트럼 위치를 정의한다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은 각각 청색, 녹색, 및 적색의 공진에 해당하는 차별화된 두께를 갖는 TiOx의 3 개의 필름을 제조하였다. 수직으로 입사하는 태양광의 전체 스펙트럼을 수신하면, 상기 필터는 비-공진 광을 반사시키면서 공진 대역의 광을 선택적으로 투과시킨다. OPV에 통합되면, 상기 메커니즘은 상기 활성 물질이 반사된 광을 이용하여 추가적인 전하 생성을 일으키는 것을 허용한다.
분리된 Ag-TiOx-Ag 캐비티의 컬러 필터링 기능은 도 5a 내지 도 5c에 나타냈다. 도 5a는 전달 매트릭스 방법을 사용하여 상기 CF 공명 파장에 대한 TiOx 두께의 계산된 의존성을 보여준다. TiOx 층의 측정된 굴절률 (도 4)과 Johnston과 Christy의 도표화된 Ag의 굴절률이 캐비티를 모델링하는데 사용되었다. 달성할 수 있는 최대 투과율을 나타내기 위해, 2 개의 Ag 층 두께는 모두 25 nm로 고정되었고, 이것은 75% ~ 79%의 가장 높은 투과 효율을 나타낼 것으로 예상되었다. 도 5a는 상기 기본 캐비티 공진에서 피크 투과가 40 nm ~ 100 nm 범위의 TiOx 두께에 대해 400 nm ~ 700 nm의 전체 가시광 범위에 확장되어 있음을 나타낸다. 상기 두께와 파장 범위 내에서 고차 공진 모드가 거의 없기 때문에 가시광 투과율이 스펙트럼 적으로 순수하게 유지된다. 적색 투과에 해당하는 100 nm 근처의 TiOx 두께에서 2차(second order) FP 공명이 스펙트럼의 청색 말단에 나타나기 시작하여, 투과된 색을 700 nm 미만의 파장에서 스펙트럼적으로 순수하게 제한한다. 50 nm, 65 nm, 및 90 nm의 TiOx 두께는 각각 481 nm, 540 nm, 및 647 nm의 파장을 중심으로 하는 청색, 녹색, 및 적색 투과 대역을 나타내기 위해 선택되었다.
상기 계산된 결과는 청색, 녹색, 및 적색 CF 유닛을 제조하여 증명되었다. 각각의 FP 캐비티는 유리 기재 상에 1 nm 이하의 두께의 Ge 웨팅층(wetting layer)을 증착한 후 전자 빔 증발기를 사용하여 Ag, TiOx, Ge, 및 Ag를 순차적으로 증착함으로써 제조되었다. 상기 TiOx와 Ag 층 사이에 Ge 층을 포함시키는 것은 상기 외부 Ag 층에서 유래하는 표면 거칠기로 인한 손실을 억제함으로써 상기 CF 투과율을 향상시키는데 필요했다. 고유의 흡수를 최소화하기 위해 Ge 층의 두께도 1 nm 미만으로 유지되었다. 상기 CF 구성요소들의 실제 두께와 CF의 광학 파라미터는 표 1에 자세히 설명되어 있다.
하기 표 1은, CF 구성요소들의 실제 두께 및 CF 유닛의 광학 파라미터를 나타낸 것이다.
두께 [nm] CF 유닛의
광학 파라미터
하부
Ge 층
( 웨팅층 ) 		하부 Ag 층
( 제 2 금속층 ) 		TiO x 층
( 유전체층 ) 		상부
Ge 층
(웨팅층) 		상부 Ag 층
( 제 1 금속층 ) 		피크
투과
[%] 		FP
공진 파장
[nm]
청색 0.18 29 52 0.18 29 53 477
녹색 0.18 23 65 0.16 25 63 521
적색 0.2 27 107 0.2 27 45.5 685
도 5b는 상기 3 가지 컬러 필터의 이론적 응답과 측정된 응답을 모두 설명한다. 청색, 녹색, 및 적색 컬러 필터 각각에 대해 측정된 피크 위치, 피크 투과 효율 53%, 63%, 및 45.5% 및 피크 폭은 투과 매트릭스 계산에 의해 정성적으로 모델링된다. 피크 특성의 약간의 차이는 모델링된 굴절률의 부정확성, 표면 거칠기로 인한 광학 손실, 및 실제 두께와 모델링된 두께 사이의 불일치 때문일 수 있다. 도 5c에 나타낸 바와 같이, 불필요한 스펙트럼 피크가 거의 없고 스펙트럼적으로 순수한 색의 투과는, 백색 광원 전에 이미징된 각각의 필터에서 명확히 정의된 색조로부터 확인할 수 있다.
광대역 흡수 OPV에 상이한 색들에 대하여 반투명성을 부여하기 위해, 상기 CF가 상기 OPV에 애노드로서 통합되었다. 상기 CF-통합 OPV는, 이것의 노출된 면이 열 증발을 통해 미리 준비된 Ag 막인 역전된 OPV 상에 전자빔 증착을 통해 다양한 두께의 TiOx, 두께 1 nm 이하의 Ge 웨팅층 및 25 nm 두께의 Ag 층을 순차적으로 형성함으로써 제조되었다. 전술한 바와 같이, 후술하는 TiOx 증발 공정에서 유기 활성층의 손상을 방지하기 위해, 상기 CF 유닛의 내부 Ag 층의 두께를 25 nm ~ 35 nm로 변경하였다. 계산 결과에 따르면 이러한 변화로 인해 최대 투과 효율이 2~7% 감소하지만, 상기 청색, 녹색, 및 적색 CF의 경우 스펙트럼 피크 위치는 6 nm ~ 8 nm 내에 머물러있다 (도 6). 비교를 위해, 기준 투명 OPV가 동일한 활성층 및 두께로 제조되었다. 상기 OPV 및 투명한 디바이스의 제조 세부사항은 방법 섹션에서 더 자세히 설명된다. 상기 OPV 상에 제조된 CF 구성요소의 실제 두께와 상기 디바이스의 광학 파라미터는 표 2에 설명되었다.
하기 표 2는, CF 구성요소의 실제 두께 및 CF-통합 OPV의 광학 파라미터를 나타낸 것이다.
두께 [nm] CF-통합 OPV의
광학 파라미터
내부 Ag 층
( 제 1 금속층 ) 		TiO x 층
(유전체 층) 		Ge 층
( 웨팅층 ) 		외부 Ag 층
( 제 2 금속층 ) 		피크 투과 [%] 공명의 중앙 [nm]
Ref - - - - ~40 400~700
청색 35 50 0.18 25 27.7 510
녹색 35 65 0.18 25 32.1 554
적색 35 90 0.18 25 25.7 660
별개의 광학 상수의 부가적인 층이 금속 성분을 사용하는 공진 구조체에 추가될 때, 유전체 환경의 변화는 투과 피크에서 스펙트럼 변위(shift)를 유도하고, 유전률 함수의 허수 부분이 투과 피크 강도를 감소시킬 것으로 예상된다. 따라서, CF 유닛과 OPV를 모두 포함하는 전체 디바이스 구조를 고려하는 것이 특정 투과 파장과 피크 강도를 목표로 하기 위해서 일반적으로 필요하다. 상기 모드 체적이 유전체 환경으로 확장되기 때문에 상기 공명의 스펙트럼 변위가 표면 플라즈몬 필터에서 특히 두드러지게 나타난다. 도 4a 내지 도 4c는, 도 5a 내지 도 5c에 나타낸 바와 같이, 동일한 TiOx 및 외부 Ag 크기(dimension)를 채용하는 상기 CF-통합 OPV의 광학적 특성을 설명한다. 그러나, 상기 내부 Ag 층은 35 nm로 수정되어 위에서 설명한 실험 수정을 모델링했다. 상기 OPV에 대한 전달 매트릭스 계산은 PTB7-Th:PC71BM, MoO3, ZnO, 및 ITO의 종래 도표화된 광학 상수를 사용하여 수행되었다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, TiOx 두께 및 파장의 함수로서 상기 디바이스의 투과 효율은, 내부 Ag 층 두께가 10 nm 증가하고 높은 지수의 유전 매질의 첨가에도 불구하고, 상기 순수한 CF (도 5a)와 매우 유사한 분산 특성을 나타낸다. 정밀 검사 결과는, 이러한 두 가지 변경으로 인해 청색에서 적색으로의 투과 대역에서 각각 5 nm에서 10 nm까지 증가하는 CF 스펙트럼 피크 위치에서 청색 변위가 발생하는 것을 나타냈다. 상기 작은 스펙트럼 변위는 2 개의 Ag 층 사이에 한정된 FP 공진 모드 체적에 주로 기인하며, 이는 캐비티 외부에서 발생하는 유전체 환경의 변화에 대한 내성(tolerance)을 제공한다. 이러한 거동은 상기 OPV와 독립적으로 상기 CF 유닛을 설계함으로써 원하는 색을 목표로 하는 자유를 제공할 수 있으며, 전하 수송 특성들로부터 스펙트럼 투과 응답을 분리하는 설계 전략을 가능하게 한다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 상기 활성 물질의 흡수 때문에, 상기 계산된 피크 강도는, 3 개의 분리된 CF (도 5a, 도 5b) 각각 약 75% ~ 79%로부터, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV의 경우 31.7%, 30.3%, 및 26%로 감소하는 것으로 나타났다. 상기 거동은 상기 CF-통합 OPV의 투과 측정을 통해 정성적으로 확인되었다. 계산된 투과 응답과 실험 투과 응답 사이의 약간의 차이는 실제 및 도표화된 굴절률과 실제 및 계산된 층의 두께 사이의 불일치에 기인한다. 더 중요한 것은, 상기 CF-통합 OPV의 색은 스펙트럼적으로 순수하며, 대학 로고가 인쇄된 흰 종이를 통해 빛이 조사된 상기 CF-통합 OPV의 이미지에서 볼 수 있다 (도 4c). 본 발명자들은 이전에 보고된 FP 캐비티 기반의 반투명 컬러 OPV와 비교하여 우수한 채도를 주목하였다. 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV의 투과 피크의 스펙트럼 폭은 각각 61.6 nm, 46.4 nm 및 37.3 nm로 측정되었고, 이것은 Ag 활성층-Ag 캐비티-기반 설계로부터 발견된 ~100 nm 폭보다 훨씬 좁은 것이다. 계산된 투과 스펙트럼이 상기 스펙트럼의 청색 말단 부분에서 2차 FP 공명의 테일(tail)을 포함하는 도 5b의 적색 CF와 달리, 상기 적색 CF-통합 OPV는, 스펙트럼적으로 순수한 적색 광의 투과를 확인하는, 전체 스펙트럼에서 깨끗한 백그라운드를 나타낸다. 이것은 주로 활성층에 의한 흡수를 통한 2 차 공진의 억제와 함께, 더 두꺼운 내부 Ag 층에 의해 유도된 FP 공명의 청색 변위와 상기 CF 유닛 상에 유전체 매질의 첨가에 주로 기인된다. 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 상기 필터는 양방향성을 나타냈다. 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV의 대표적인 계산 및 측정 둘 다는 상기 OPV의 상부 및 하부에서 수직으로 입사되는 광에 대해 동일한 투과 응답을 생성하는 것으로 나타났다. TE(Transverse Electric), TM(Transverse Magnetic), 및 편광되지 않은 광에 대한 입사 조사각에 대한 공명의 의존성 또한 도 9a 내지 도 9c에서 분석되었다. 조명의 입사각을 75°까지 증가시키면, TE 편광된 광 하에서 상기 공진 파장은 청색 디바이스의 경우 480 nm에서 453 nm (480 nm ~ 457 nm) 및 상기 적색 디바이스의 경우 663 nm에서 607 nm (663 nm ~ 626 nm)로의 청색 변위가 예상되었다. 이것은, 각각의 컬러 밴드 (color band)의 긴 파장 말단에 위치되도록 각각의 필터의 공진을 설계함으로써, 하나의 특정 색에서 상이한 색으로의 변화가 최소화될 수 있음을 암시한다. 거의 90°로 기울어진 경우에도 편광되지 않은 백색 광원 앞에 놓인 각각의 CF-통합 OPV의 색상이 청색, 녹색, 또는 적색을 유지하는 것이 관찰되었다.
상기 투명 OPV와 상기 CF-통합 OPV 사이의 흡수의 이론적 비교는 CF-전극을 사용하여 향상된 전하 생성을 위한 기회를 입증하기 위해 FDTD (finite difference time domain) 계산을 통해 수행되었다. 도 7a는 상기 3 개의 CF-통합 OPV 및 상기 투명한 OPV 각각에 대해 면외 (out-of-plane) z-위치를 따라 플롯된 소스 전력 (source power)에 의해 정규화된 흡수 밀도를 설명한다. 상기 플롯은 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV의 흡수 스펙트럼의 최소값을 각각 나타내는 476 nm, 533 nm 및 637 nm의 파장에서 계산되었다. z = 0 nm 미만에서, 모든 층과 두께는 투명 및 CF-통합 OPV에 대해 동일하다. 그러나, z = 0 nm 초과에서, 상기 CF-통합 OPV는 MoO3 정공 수송층과 CF 전극을 사용하는 반면, 상기 투명 OPV는 OMO 전극을 사용한다. 모든 경우에 있어서, 예상대로 상기 흡수는 주로 상기 활성 PTB7-Th:PC71BM 층에 집중되고, 상이한 층에서는 무시할 만하다. 상기 CF-전극을 이용한 경우, 상기 활성 물질은 상기 CF의 투명 윈도우의 외부 파장에서 투명 OMO보다 39% ~ 77% 더 많은 빛을 흡수한다는 것을 알 수 있다. 이것은 CF-전극이 비-공진 광을 상기 활성 물질 내로 효과적으로 반사시켜, 부가적인 전하 생성에 기여할 수 있음을 나타낸다.
도 7b에 나타낸 바와 같이, 상기 3 개의 CF-통합 OPV 및 상기 투명 OPV에 대한 정규화된(normalized) 흡수 밀도는 상기 활성 PTB7-Th:PC71BM 층의 폭에 대하여 적분되고 모든 파장에 대해 플롯되어 활성층에서의 흡수의 스펙트럼 거동을 나타낸다. 상기 투명 OPV는 상기 활성 물질이 균일한 흡수 성질을 나타내는, 가시광 범위에 걸쳐 특징 없는 스펙트럼을 나타내지만, 활성 물질이 강하게 흡수하지 않는 730 nm 이상에서는 컷오프(cutoff)를 나타낸다. 동일한 상기 활성층 두께를 포함하는 상기 3 개의 CF-통합 OPV 각각은 스펙트럼 투명 윈도우를 제외하고 모든 파장에서 투명한 OPV보다 더 많이 흡수하는 것을 알 수 있었고, 여기서 흡수의 국부 최소값은 상기 투명한 OPV의 흡수와 일치하는 것으로 관찰될 수 있다. 도 7c에 나타낸 바와 같이, 이러한 흡수 스펙트럼으로부터, 본 발명자들은 투명 OPV에 비해 상기 3 가지 CF-통합 OPV의 흡수 향상을 추출했다. 예상한 바와 같이, 흡수 최소값에서는 거의 향상이 일어나지 않았지만, 상기 최소값을 벗어난 파장에서는 20% ~ 94% 사이의 상대적 향상이 발견되었다. 상기 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV에 대해 400 nm 및 500 nm의 파장에서 각각 84%, 95% 및 94%의 가장 큰 상대적 향상이 발견되었다.
실험 데이터와 비교하기 위해, 투명 OPV에 비해 임의 색의 CF-통합 OPV에 대한 단락 전류 밀도 J SC 의 향상을 계산했다. 도 7d에 나타낸 바와 같이, 40 nm 내지 100 nm의 TiOx 두께가 가시광 범위에 걸친 투과 피크 위치들을 제공하도록 모델링되었다. 모든 유형의 CF-통합 OPV에 대한 J SC 향상이 39% ~ 41%의 좁은 범위 내에 머무르는 것을 볼 수 있었다.
이것은 고정 두께의 PTB7-Th:PC71BM을 사용하는 OPV의 경우, CF 전극의 사용이, 투과된 색의 유형에 관계없이, 최적화된 OMO 전극보다 AM1.5 태양광 하에서 거의 40% 더 많은 전류를 일관되게 생성할 수 있음을 나타낸다. 이러한 일관성은 서로 상이한 색의 디바이스들 간에 균일한 광전지 특성을 보장함으로써 컬러 발전 윈도우에서 상기 OPV의 실제 구현을 용이하게 한다.
계산에 의해 예측된 경향성을 확인하기 위해 제조된 CF-통합 OPV의 디바이스 측정을 수행하였다. 도 10a는 제조된 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV 및 투명 OPV의 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선을 나타내며, 그 광학 특성은 도 4 및 7에 설명하였다. 흥미롭게도, 상기 3 개의 CF-통합 OPV에 대해 투과 색상의 뚜렷한 차이가 있음에도 불구하고, 상기 디바이스들 사이의 J-V 특성을 구별하기가 어렵다. 이것은 임의 색의 CF-통합 OPV가 일관된 디바이스 성능을 생성할 수 있음을 확인한다. 3 가지 CF-통합 OPV는 모두 투명 OPV에 비해 J sc 값이 청색, 녹색, 및 적색 디바이스의 경우 각각 34.10(±0.02)%, 32.84(±0.03)% 및 32.38(±0.03)% 향상되었다 (표 3). 이러한 값들은 계산에 의해 예측된 좁은 범위이지만, 도 7d에 나타낸 39%~41%의 예측된 향상보다 낮다.
하기 표 3은, AM 1.5G 광조사 하에서의 광전지 성능 파라미터 및 CF-통합 OPV의 피크 투과를 나타낸 것으로서, 하기 표 3에서 a)는 최대 PCE/JSC를 갖는 디바이스로부터의 표준 편차를 표시한 JSC이고, b)는 표준 편차를 표시한 최대 PCE/PCE이고, c)는 최대 PCE 향상을 의미한다.
V oc
[V] 		J sc a)
[mA/ cm 2 ] 		J sc 향상
[%] 		FF PCE b)
[%] 		PCE 향상 c )
[%] 		피크
투과
[%]
Ref 0.79 8.81/8.71±0.15 - 0.63 4.39/4.22±0.23 - -
청색 0.75 11.65/11.68±0.05 34.10±0.02 0.52 4.54/4.39±0.22 +3.42 27.7
녹색 0.75 11.73/11.57±0.22 32.84±0.03 0.51 4.46/4.31±0.21 +1.59 32.1
적색 0.75 11.72/11.53±0.27 32.38±0.03 0.49 4.31/4.22±0.13 -1.82 25.7
J SC 향상도의 저하를 이해하고 계산된 흡수 스펙트럼의 경향성을 확인하기 위해, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 상기 CF-통합 OPV의 외부 양자 효율 (EQE)을 측정했다. 상기 EQE는 디바이스에 입사하는 빛에 의한 광전 변환 효율을 나타내므로, 상기 디바이스의 활성층의 흡수 및 내부 양자 효율의 함수이다. CF-공진 근처에서 스펙트럼적으로 위치된 EQE 최소값 및 각각의 투명 윈도우 외부에서 상기 투명한 OPV에 비해 우수한 EQE와 같은 CF-통합 OPV의 EQE 스펙트럼의 일부 특징들은 비-공진 광에 대한 상기 CF의 컬러 필터링 기능 및 거울과 같은 거동의 표시이다. 그러나, 각각의 CF-통합 OPV에 대해 측정된 EQE는 가시광 범위에서 계산된 흡수 (도 7b)보다 약 20% 더 낮아서, 전하 재조합으로 인해 IQE가 100%에 도달하지 못하는 내부 양자 효율을 제시한다.
투명한 OPV에 비해 CF-통합 OPV의 EQE에서의 향상은 도 10b에서 추출되었고, 도 10c에 나타낸 바와 같이 강하고 약한 향상 영역을 구별한다. 예상한 바와 같이, 스펙트럼 투명도 윈도우 내에서 약한 향상 또는 향상이 없는 것이 발견될 수 있다. 그러나, 계산된 흡수 향상에서 발견된 경향과는 달리, 단파장에서 상기 EQE의 큰 감소가, 그리고 장파장에서 상기 EQE의 향상이 체계적으로 발견되었다. 30~40%의 감소량 정도와 상기 측정된 EQE (도 10b)와 계산된 흡광도 (도 7b)의 비교로부터 판단할 때, 본 발명자들은 주로 짧은 파장에서 변경된 흡수 특성에서 비롯된 것으로서 위에서 설명한 J SC 향상의 저하를 확인할 수 있다. 상기 변경에 대한 강한 가능성은 상기 제조 공정에 기인할 수 있으며, 하기에 설명된 대로 디바이스 거동에서 비가역적 변화가 있음을 보여준다.
CF-통합 OPV의 경우 J SC 가 증가 했음에도 불구하고, V OC 는 상기 투명한 OPV의 경우 0.79 V로부터 상기 3 개의 CF-통합 OPV의 경우 0.75 V로 감소했다. 또한, 충전율 (Fill Factor, FF)은, 투명 OPV의 경우 0.63로부터 청색 CF-통합 OPV의 경우 0.52, 녹색 CF-통합 OPV의 경우 0.51, 적색 CF-통합 OPV의 경우 0.49로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, J SC 의 증가에도 불구하고, V OC 와 FF의 감소는 상기 CF-통합 OPV의 PCE 향상을 제한한다. 상기 투명한 OPV에 대한 최상의 PCE는 4.39%였고, 이때 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV는 각각 4.54%, 4.46% 및 4.31%의 최고 PCE를 나타냈으며, 청색 및 녹색 디바이스의 경우 각각 3.42% 및 1.59%의 작은 향상 및 적색의 디바이스의 경우 1.82% 감소를 나타냈다.
V OC 및 FF의 저하는 TiOx의 증착 동안 상기 활성층에 가해진 손상에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 전형적 CF-통합 OPV의 경우, 초고진공 하에서 유리/ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag 스택 상에 TiOx/Ge/Ag 층을 전자 빔 증발 증착시켰다 (도 11a). 도 11b 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은 일단 TiOx/Ge/Ag 층이 순차적으로 증착되면, J SC , V OC , 및 FF가 각각 평균 17.4%, 6.25%, 및 22.0%의 비율로 감소한다는 것을 발견했다.
하기 표 4는 CF-통합 전후의 OPV의 Voc, Jsc, 및 FF를 나타낸 것이다:
색상 V oc [V] J sc [mA/ cm 2 ] FF
청색 CF-통합 전 0.80 14.31 0.66
CF-통합 후 0.75 11.65 0.52
녹색 CF-통합 전 0.80 14.32 0.65
CF-통합 후 0.75 11.73 0.51
적색 CF-통합 전 0.80 13.87 0.64
CF-통합 후 0.75 11.72 0.49
J SC 의 감소가 거의 불투명한 Ag 층으로부터 색 필터링 전극을 구축을 통한 투과율 증가에 부분적으로 기인될 수 있지만, 상기 V OC 및 FF의 감소는 광학 특성과 거의 관계가 없으므로, 상기 감소는 증발 과정에 의해 유발되는 상기 활성층의 비가역적인 변화 때문이다. 본 발명자들은 챔버에서 사용되는 소스와 샘플 사이의 거리가 멀고 측정된 흑체(black body) 온도가 PTB7-Th:PC71BM 필름의 최적화된 형태가 변경될 수 있는 80℃를 초과하지 않기 때문에, 열로 인한 손상을 배제한다. 상이한 손상 메커니즘은 동역학적으로 유도된 고에너지 TiOx 분자의 활성층에 대한 충격이다. 그러나, 35 nm 두께의 Ag 층은 고 에너지 TiOx가 PTB7-Th:PC71BM 층으로 침투하는 것을 방지하는 우수한 보호층으로서 작용해야 한다. 보다 적절한 이유는 가열된 소스로부터 발생된 UV 방사선에 디바이스를 노출시키는 것일 수 있다. 35 nm 두께의 Ag는 UV 방사선을 활성층으로 전달하여 전자 특성에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있다. 도 12는 실제로 324 nm에서 30 nm 두께의 Ag 막에 대한 큰 UV 투과 피크를 보여준다. 본 발명자들은 V OC 및 FF의 감소가 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV의 TiOx 두께가 상이 함에도 불구하고 J-V 특성의 일관성으로부터 알 수 있듯이, TiOx 플럭스에 대한 디바이스의 노출 시간과는 무관하다는 것을 발견했다 (도 11b). 이것은 활성층이 증발 공정의 초기 단계에서만 손상을 입는다는 것을 시사한다. 일단 TiOx 막이 일정 두께까지 증착되면, UV 방사선은 TiOx 에 의해 효과적으로 흡수되어 더 이상의 손상을 방지한다.
이 연구를 위해 선택된 3 가지 기본 색 이외에도, 도 13에 나타낸 바와 같이, 거의 불투명한 OPV 기준의 J SC 값과 약간 상이한 J SC 값을 생성하는 능력과 함께 스펙트럼으로 순수한 다양한 색을 생성하는 능력이 추가로 입증되었다. 2 세트의 디바이스가 1 내지 6으로 라벨링된 일련의 CF-통합 OPV로 제조되었다. 각각의 세트는 약간 상이한 농도의 PTB7-Th:PC71BM 용액 (1, 2, 3, 5의 경우 20 mg/mL 및 4, 6의 경우 25 mg/mL)을 사용하여 제조되었다. 도 13a 내지 도 13c에 나타낸 바와 같이, CIE 색도계에서 sRGB 색 공간을 액세스하는 다양한 스펙트럼으로 순수한 색을 23% ~ 32.1% 범위의 최고 투과 효율로 얻었다. 도 13a는 대학 로고가 인쇄된 종이를 통해 빛이 조사되어 제조된 디바이스를 보여준다. 눈에 보이는 배경 로고에서 보이는 명확한 색조의 색과 투명도를 명확하게 관찰할 수 있다. 4.46%에서 5.10% 범위의 최상의 PCE 값이 이 시리즈에서 수득되었다. 광전지 및 광학 특성에 대한 자세한 내용은 표 5에 나타냈다.
하기 표 5는, AM 1.5G 광조사 하에서 6가지 CF-통합 OPV의 광전지 성능 파라미터 및 광학 파라미터를 나타낸 것으로서, 하기 표 5에서 a)는 최대 PCE/JSC를 갖는 장치로부터의 표준 편차를 표시한 JSC이고, b)는 표준 편차를 갖는 최대 PCE/PCE를 의미한다.
# V oc
[V] 		불투명 V oc
[V] 		J sc a)
[mA/ cm 2 ] 		불투명
J sc a)
[mA/ cm 2 ] 		FF 불투명
FF 		PCE b)
[%] 		불투명
PCE b)
[%] 		T
[%] 		파장
중앙
[nm] 		활성
[mg/
mL]
1 0.75 0.80 12.09/
11.70
±0.91 		13.39/
13.06
±0.34 		0.55 0.69 5.00/
4.72
±1.42 		7.45/
7.01
±0.52 		27 479 20
2 0.75 0.80 11.65/
11.61
±0.17 		14.31/
14.18
±0.14 		0.52 0.66 4.54/
4.32
±0.25 		7.57/
7.39
±0.11 		27.7 509 20
3 0.75 0.80 11.73/
11.43
±0.18 		14.32/
14.07
±0.17 		0.51 0.65 4.46/
4.28
±0.16 		7.45/
7.19
±0.29 		32.1 553 20
4 0.77 0.80 12.02/
11.72
±0.16 		13.79/
13.53
±0.17 		0.55 0.65 5.05/
4.80
±0.21 		7.19/
7.11
±0.08 		27 580 25
5 0.78 0.82 12.02/
11.88
±0.20 		13.76/
13.56
±0.29 		0.54 0.64 5.10/
5.03
±0.09 		7.25/
7.11
±0.21 		23 628 20
6 0.76 0.80 12.01/
11.79
±0.23 		13.68/
13.45
±0.23 		0.55 0.66 5.03/
4.82
±0.42 		7.24/
7.05
±0.18 		23 678 25
각각의 CF-통합 OPV에 대해, 상기 OPV의 내부 Ag 애노드 상에 TiOx 및 외부 Ag 층의 전자-빔 증발을 진행시킴으로써 거의 불투명한 디바이스가 제조되었다. 각각의 불투명한 OPV가 CF-통합 대응 디바이스에 대한 기준 디바이스 파라미터를 설정하기 위해 제조되었으며, CF-통합 OPV의 성능을 정규화하여 약간 상이한 조건 하에서 제조된 디바이스들 사이의 비교가 이루어질 수 있도록 사용되었다. 추가 TiOx 및 Ag 외부 층이 없이, 35 nm 두께의 Ag 애노드가 가시광선 범위의 OPV를 통한 평균 투과율을 6.5%로 제한하여 (도 14a 및 도 14b), 효과적으로 상기 디바이스를 거의 불투명하게 하였다. 따라서, 거의 불투명한 OPV의 EQE, J SC , 및 PCE는 CF 대응 디바이스보다 클 것으로 예상된다. 흥미롭게도, 도 13d에 나타낸 바와 같이, 계산 결과는 CF-통합 OPV의 J SC 가 해당 불투명한 OPV보다 단지 ~2% 더 작은 것을 나타낸다. 도 13e는 2 개의 대표적인 CF-통합 OPV와 해당 nearly-opaque OPV의 흡수 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼으로부터, 2%의 차이는 불투명한 OPV의 흡수 스펙트럼의 영역에 의해 표준화된 CF-통합 OPV의 흡수 스펙트럼에서의 딥(dip) 영역에 해당한다는 것을 알 수 있다. 전류를 최대화하려면, 넓은 스펙트럼 범위에서 흡수를 최대화해야 한다. 그러나, 높은 스펙트럼 순도의 특정 색을 투과시키기 위해 짧은 스펙트럼 범위에서 투과가 이루어져야 한다. 상기 CF-통합 OPV는 상기 불투명한 OPV보다 단지 약간 (~2%) 벗어난 가시광선 범위에서 통합된 흡수를 나타내지만, 선택된 색 대역에서 상기 불투명한 OPV보다 20% 더 높은 투과 효율을 나타낸다. 이것은, 불투명한 OPV 대응 디바이스의 단지 약간의 전하 발생의 희생으로 현저히 우수한 피크 효율로 투과하는 CF-통합 OPV의 능력을 강조한다.
이러한 경향을 확인하기 위해, 대표적인 CF-통합 및 불투명 OPV의 EQE를 측정하였고 (도 13f), 상기 CF-통합 및 불투명 OPV의 실험적으로 결정된 J SC 의 비율을 계산했다. 도 13d는 CF-통합 및 불투명 OPV 사이의 측정된 평균 J SC 비율이 82.5%에 가깝게 유지되는 것을 나타낸다. 불투명한 디바이스에 부과된 유일한 구조적 변화는 TiOx 및 외부 Ag 층의 첨가이므로, 계산된 비율과 비교하여 더 낮은 실험 비율들은 외부 Ag 층으로부터의 표면 거칠기에 의해 유도된 광학적 손실 및 상기 유기층에 대한 전자 빔 증발 공정으로부터의 전기적 손상의 존재에 주로 기인될 수 있다. 샘플 1의 경우, CF-통합 및 불투명 OPV의 J SC 비율은, 27%의 효율로 청색에서 투과되더라도 90%에 가까운 것으로 나타났다. 이는 개선된 제조 조건 하에서 CF-통합 OPV가 불투명한 대응 디바이스에 비해 상대적으로 적은 전하 생성 손실을 가지며 크게 향상된 피크 효율로 투과할 수 있음을 확인한다.
요약하면, Ag-TiOx-Ag 공진 캐비티를 CF 전극으로 구현함으로써 단일 활성 물질로부터 청색, 녹색, 및 적색 반투명 태양 전지가 구현되었다. 상기 CF-전극은 TiOx 층의 두께를 통해 캐비티 공진을 변화시킴으로써 상기 OPV 디바이스의 투과 색을 조절할 수 있게 한다. 상기 컬러 필터의 사용은 투과된 색이 100 nm 이하의 공진 폭으로 표시되는 높은 채도의 스펙트럼으로 순수하고 양방향성이고, 윈도우로서 사용하기 위한 최소 투명도 요구 사항을 충족하는 25% 초과의 최대 피크 효율 보장한다. 상기 피크 투과는 이론적으로 CF 유닛을 제외하고는 동일한 구성요소를 포함하는 거의 불투명한 필터를 사용하여 달성된 전하 생성의 단지 약간 (< 2%)의 손실로 달성될 수 있다. 또한 상기 필터는 색이 상이한 CF-통합 OPV가 일관된 디바이스 성능을 생성할 수 있고, 상기 기능은 상이한 색을 투과시키기 위해 별개의 활성 물질을 사용함으로써 재생산할 수 있게 한다. 상기 CF-전극이 제공하는 핵심 이점은, 전하 수송 특성을 고려하지 않고 투과된 색을 자유롭게 구현할 수 있도록 OPV에서 광학 및 전자 설계 전략을 분리할 수 있다는 점이다. 구조 변화가 전하 수송 경로 외부에서 발생하기 때문에 (즉, 2 개의 전극 사이의 모든 층, 주로 활성 물질 및 수송층이 방해 받지 않고 유지됨), 투과 색상의 변화는 디바이스의 수송 특성에 영향을 미치지 않는다. 동일한 상기 활성층 물질 및 두께의 투명 OPV와 비교하여, 청색, 녹색, 및 적색 CF-통합 OPV는 32% 내지 34% 더 높은 J SC 값을 나타내어, CF-전극이 상기 활성 물질 내로 스펙트럼 투명 윈도우 외부의 파장의 광을 반사하는 능력을 확인하였고, 이것은 투과된 색에 관계없이 성능의 일관성을 확인한다. 확장성 및 제조 단순성과 함께, 상기 CF-통합 OPV는 디바이스 성능의 균일성을 손상시키지 않으면서 컬러의 반투명 발전 윈도우에서 독창적인 설계를 자유롭게 구현할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투명 전극 200: 유기 광활성층
300: 컬러 필터링 전극 320: 제 1 금속 층
340: 유전체 층 360: 제 2 금속 층

Claims (18)

  1. 투명 전극;
    상기 투명 전극 상에 형성된 유기 광활성층; 및,
    상기 유기 광활성층 상에 형성된 컬러 필터링 전극
    을 포함하는, 유기 태양전지로서,
    상기 컬러 필터링 전극은, 상기 유기 광활성층 상에 순차적으로 형성된 제 1 금속 층, 유전체 층 및 제 2 금속 층을 포함하는 컬러 필터를 포함하는 것이고,
    상기 제 1 금속 층과 상기 제 2 금속 층은, 각각 독립적으로, Ag, Au, Al 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 것이고,
    상기 컬러 필터는, 상기 컬러 필터를 투과하지 못한 빛을 상기 유기 광활성층 내로 반사시키는 거울(mirror) 기능을 하는 것이고, 전하 수송 특성을 방해하지 않고, 스펙트럼적으로 순수한 색이 투과되는 것인,
    유기 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는 반투명인 것인, 유기 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층은 티타늄 산화물, 아연 산화물, 바륨티타네이트 산화물, MnO3, ZrO2, VO3, Y2O3, IrO, RuO, RhO, TaO, In2O3, Al2O3, Hf2O3, SiO2, SrTiO3, WO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 유전체 물질을 포함하는 것인, 유기 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터에 포함되는 상기 제 1 금속 층과 상기 제 2 금속 층 각각의 두께는 독립적으로 10 nm 내지 50 nm이고,
    상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께는 10 nm 내지 500 nm인,
    유기 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극은 유리 기재 또는 투명 플라스틱 기재 상에 형성되는 것인, 유기 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극과 상기 유기 광활성층 사이에 형성된 전자 전달층을 추가 포함하는, 유기 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 광활성층과 상기 컬러 필터링 전극 사이에 형성된 정공 전달층을 추가 포함하는, 유기 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터는 상기 유전체 층과 상기 제 2 금속 층 사이에 형성된 웨팅층 (wetting layer)를 추가 포함하는 것인, 유기 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 광활성층은 p형 유기 반도체 화합물과 n형 유기 반도체 화합물의 블렌드(blend)를 함유하는 것인, 유기 태양전지.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 웨팅층 (wetting layer)은 Ge, 또는 Al-Ag 합금을 포함하는 것인, 유기 태양전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극으로 가시광선이 입사할 때, 상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께를 조절하여 상기 컬러 필터를 투과하는 빛의 파장 또는 파장 대역이 조절되어 상기 유기 태양전지의 색상이 조절되는 것인, 유기 태양전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께가 증가할수록 상기 가시광선 중 긴 파장의 빛을 투과하는 것인, 유기 태양전지.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 컬러 필터에 포함되는 상기 유전체 층의 두께를 조절함으로써 상기 유기 태양전지가 청색, 녹색 또는 적색을 나타내는 것인, 유기 태양전지.
  15. 삭제
  16. 컬러 필터링 전극을 포함하는 제 1 항 내지 제 4 항, 및 제 6 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 유기 태양전지를 포함하는, 스마트 윈도우.
  17. 제 16 항에 있어서,
    가시광 하에서 상기 유기 태양전지에 의한 발전(power-generation) 기능을 갖는 반투명 컬러 윈도우인, 스마트 윈도우.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 컬러 윈도우는 양방향(bidirectional)을 갖는 것인, 스마트 윈도우.
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