KR102158541B1 - 금속 나노구조 재결합 층을 포함하는 탠덤 유기 광발전 디바이스들 - Google Patents
금속 나노구조 재결합 층을 포함하는 탠덤 유기 광발전 디바이스들 Download PDFInfo
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Abstract
탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하기 위해 2개의 개별 유기 광발전 디바이스들을 커플링시키는데에 유용한 중간층은, 제 1 홀 전달층, 제 1 전자 전달층, 및 제 1 홀 전달층과 제 1 전자 전달층 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함한다. 금속 나노구조층은, 전자들 및 홀들에 대한 효율적인 재결합 포인트를 제공한다. 금속 나노구조층은, 탁월한 광학 속성들을 제공하고, 기저 층들에 악영향을 주지 않는 낮은 온도의 용액 기반 프로세스를 사용하여 금속 나노구조층의 형성을 허용하는 실버 나노와이어들을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 유기 광발전 디바이스들에 관한 것으로, 더 상세하게는, 탠덤 유기 광발전 디바이스들과 함께 사용하기 위한 중간층들에 관한 것이다.
탄소 중립(carbon neutral) 에너지 제조에 대한 증가하는 중요도, 및 지구에 의해 수신된 태양 에너지의 주어진 풍부한 공급에 대해, 광발전들은 매력적인 에너지 소스로서 매력을 얻고 있다. 현재, 웨이퍼-기반 결정질 실리콘 기술들 및 프로세스들은, 태양 전지들과 같은 광범위한 대다수의 광발전 디바이스들을 생성한다. 유기 광발전, 특히 유기 반도체들을 사용하는 막 기반 유기 광발전 디바이스들의 발전에서의 최근의 발전들은 개선된 효율들을 나타내고, 종종 10%보다 큰 효율들을 달성한다. 유기 태양 전지들과 같은 유기 광발전 디바이스들은, 특히 더 종래의 실리콘 웨이퍼 기반 광발전들과 비교할 경우, 프로세싱의 그들의 상대적인 용이성, 고유한 물리적인 유연성, 및 큰 태양 수집 디바이스들에 대한 잠재적인 낮은 제조 비용 때문에 매력적이다.
반도체에서 고유한 전기장들로 인해 전하 분리가 발생하는 종래의 반도체 기반 광발전 디바이스들과는 대조적으로, 유기 광발전에서, 전하 분리는, 전자 억셉터 재료(즉, 전자 전달층 또는 "ETL")와 결합된 전자 도너 재료(즉, 홀 전달층 또는 "HTL")를 포함하는 활성층에서 발생한다. 유기 광발전의 활성층 내에서, 가장 높게 점유된 분자 오비탈과 가장 낮게 점유되지 않은 분자 오비탈 사이의 에너지 차이와 적어도 동일한 에너지 레벨을 갖는 입사 광자들은, 엑시톤, 속박된 전자/홀 쌍의 형성을 초래할 수도 있다. 상당 정도, 유기 광발전의 효율은, 엑시톤을 형성하는 전자 및 홀 쌍을 분리시키는 것 또는 해리시키는 것에 의존한다. 일단 해리되면, 단일층 유기 광발전 셀(즉, 애노드, 활성층, 및 캐소드만을 포함하는 유기 광발전)에서, 활성층은, 전기 출력을 제공하기 위해, 해리된 홀들 및 전자들 중 일부를 셀 캐소드 및 애노드에 각각 전달한다.
유기 광발전 디바이스의 전력 변환 효율("PCE")은, 활성층에서 사용된 전자 도너의 흡수 스펙트럼들에 적어도 부분적으로 의존한다. 협소한 흡수 스펙트럼들을 갖는 전자 도너들은 일반적으로, 감소된 단락(short) 회로 전류 밀도(JSC)를 초래한다. 유기 광발전 디바이스의 PCE는 또한, 가장 높게 점유된 분자 오비탈과 가장 낮게 점유되지 않은 분자 오비탈 사이의 에너지 차이를 초과하는 광자들에 의해 운반되는 에너지에 기여가능한 열화(thermalization) 손실들에 의존한다. 그러한 열화 손실들은, 과도한 광자 에너지가 활성층 내에서 열 에너지(즉, 열)로 변환되는 경우, 발생한다. 활성층 내의 그러한 열 에너지 또는 열은, 유기 광발전 디바이스에 의해 생성된 오픈(open) 회로 전압(VOC)을 감소시키는 경향이 있다.
따라서, 그러한 유기 광발전 디바이스들에서 사용된 활성층들의 흡수 스펙트럼들을 넓힘으로써 유기 광발전 디바이스들의 전력 변환 효율을 개선시키면서, 그러한 유기 광발전 디바이스에서 열화 손실들을 감소시키기 위한 필요성이 당업계에 존재한다.
탠덤 유기 광발전 디바이스들은, 전기 직렬 또는 병렬 접속에서 상보적인 흡수 스펙트럼들을 갖는 2개 또는 그 초과의 유기 광발전 디바이스들을 스택시킨다. 그러한 구조는 탠덤 디바이스의 흡수 스펙트럼을 넓히며, 그에 의해, 단락 회로 전류 밀도(JSC)를 증가시키면서 열화 효과들을 감소시키며, 그에 의해, 탠덤 유기 광발전 디바이스에 의해 생성된 오픈 회로 전압(VOC)을 증가시킨다. 실제적인 탠덤 유기 광발전 디바이스를 구성할 시의 주요 문제점은, 2개의 개별 유기 광발전 디바이스들을 커플링시켜서 탠덤 광발전 디바이스를 형성하기 위해 사용되는 중간층이다. 중간층은 일반적으로, 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층과 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층 사이에 놓여있다. 일반적으로, 중간층은, 가장 바람직하게 매우 투명하고, 전도성이며, 유기 광발전 디바이스의 기저층들을 보호하는데 충분히 강인하다. 유기 광발전 디바이스를 형성하는 기저층들의 대부분이 열적으로 민감하므로, 중간층을 생성하는데 요구되는 프로세싱 단계들은 바람직하게, 낮은 온도들로, 예를 들어, 열적 퇴적 프로세스보다는 용액 프로세싱 또는 유사한 것을 통해 수행된다.
하나 또는 그 초과의 투명 또는 반투명 층들을 포함하는 예시적인 광학 스택들이 본 명세서에서 설명된다. 예시적인 광학 스택은, 제 1 표면의 적어도 일부를 형성하는 제 1 홀 전달층, 제 2 표면의 적어도 일부를 형성하는 제 1 전자 전달층을 포함할 수도 있다. 금속 나노구조층은, 제 1 홀 전달층과 제 1 전자 전달층 사이에 개재된 복수의 금속 나노구조들을 포함한다. 복수의 금속 나노구조들은 실버 나노와이어들, 실버 나노도트들, 또는 이들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 복수의 실버 나노와이어들 각각의 장축은, 제 1 표면, 제 2 표면, 또는 제 1 표면 및 제 2 표면 둘 모두에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배열될 수도 있다. 복수의 실버 나노도트들 각각의 장축은, 제 1 표면에 대해 비-제로 각도로, 제 2 표면에 대해 비-제로 각도로, 또는 제 1 표면 및 제 2 표면 둘 모두에 대해 비-제로 각도로 배열될 수도 있다.
예시적인 탠덤 유기 광발전 디바이스들이 본 명세서에서 설명된다. 예시적인 유기 광발전 디바이스는, 제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 배치된 금속 나노구조층을 포함하는 중간층을 포함한다. 중간층은, 제 1 유기 광발전 디바이스에 근접하게 배치된 제 1 홀 전달층, 제 2 유기 광발전 디바이스에 근접하게 배치된 제 1 전자 전달층, 및 제 1 홀 전달층과 제 1 전자 전달층 사이에 배치된 금속 나노구조층을 포함한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층은 실버 나노와이어들, 실버 나노도트들, 또는 이들의 결합들을 포함할 수도 있다. 놀랍게도, 금속 나노도트들의 형태의 금속 나노구조들은 직렬 접속된 탠덤 유기 광발전 디바이스들에 대한 효율적인 재결합 사이트들을 제공했던 반면, 금속 나노와이어들의 형태의 금속 나노구조들은 병렬로 접속된 탠덤 유기 광발전 디바이스들에 대한 효율적인 전극을 제공했다.
탠덤 유기 광발전 디바이스들을 제조하는 예시적인 방법들이 또한 본 명세서에서 설명된다. 예시적인 방법은, 표면을 갖는 제 1 유기 광발전 디바이스에 대해, 제 1 유기 광발전 디바이스의 표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 홀 전달층을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은, 제 1 홀 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 농도로 복수의 금속 나노구조들을 포함하는 용액을 퇴적시키는 단계를 더 포함한다. 방법은 부가적으로, 제 1 홀 전달층의 실질적으로 전부에 걸쳐, 퇴적된 금속 나노구조 용액을 레벨링시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 레벨링된 금속 나노구조층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 전자 전달층을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은, 제 1 전자 전달층을 형성한 이후, 제 1 전자 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 2 유기 광발전 디바이스를 형성하는 단계를 더 포함한다.
도면들에서, 동일한 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들 또는 동작들을 식별한다. 도면들 내의 엘리먼트들의 사이즈들 및 상대적인 포지션들은 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 형상들 및 각도들은 축척에 맞게 도시되지는 않으며, 이들 엘리먼트들 중 몇몇은 도면의 가독성을 개선시키기 위해 임의로 확대 및 포지셔닝된다. 추가적으로, 도시된 바와 같은 엘리먼트들의 특정한 형상들은, 특정한 엘리먼트들의 실제 형상에 대한 임의의 정보를 전달하도록 의도되지는 않으며, 도면들에서 인식의 용이성을 위해서만 선택된다.
도 1은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 홀 전달층, 금속 나노구조층, 및 전자 전달층을 포함하는 재결합층을 갖는 단일 접합 유기 광발전 디바이스를 도시한다.
도 2a-2c는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 단일 접합 유기 광발전 디바이스, 및 다양한 홀 전달층, 금속 나노구조층, 및 전자 전달층 결합들의 투과 속성들을 도시한다.
도 3a-3i는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들과 연관된 2차원 및 3차원 원자력 마이크로스코프(AFM) 이미지들 및 높이 프로파일들이다.
도 4a-4d는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 유기 광발전 디바이스들에 대한 단락 회로 전류 밀도 대 오픈 회로 전압 그래프들을 도시한다.
도 5는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 유기 광발전 디바이스들에 대한 단락 회로 전류 밀도 및 오픈 회로 전압 특징들을 제공하는 챠트를 도시한다.
도 6은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 홀 전달층, 금속 나노구조층, 및 전자 전달층을 포함하는 중간 재결합층을 갖는 탠덤 유기 광발전 디바이스를 도시한다.
도 7a-7f는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 그러한 유기 광발전 디바이스들에 대한 탠덤 유기 광발전 디바이스 및 단락 회로 전류 밀도 대 오픈 회로 전압 그래프들을 도시한다.
도 8은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스에 대한 단락 회로 전류 밀도 및 오픈 회로 전압 특징들을 제공하는 챠트를 도시한다.
도 9는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함하는 중간층을 갖는 탠덤 유기 광발전 디바이스를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함하는 중간층을 퇴적시킴으로써 탠덤 유기 광발전 디바이스를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 2a-2c는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 단일 접합 유기 광발전 디바이스, 및 다양한 홀 전달층, 금속 나노구조층, 및 전자 전달층 결합들의 투과 속성들을 도시한다.
도 3a-3i는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들과 연관된 2차원 및 3차원 원자력 마이크로스코프(AFM) 이미지들 및 높이 프로파일들이다.
도 4a-4d는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 유기 광발전 디바이스들에 대한 단락 회로 전류 밀도 대 오픈 회로 전압 그래프들을 도시한다.
도 5는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 유기 광발전 디바이스들에 대한 단락 회로 전류 밀도 및 오픈 회로 전압 특징들을 제공하는 챠트를 도시한다.
도 6은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 홀 전달층, 금속 나노구조층, 및 전자 전달층을 포함하는 중간 재결합층을 갖는 탠덤 유기 광발전 디바이스를 도시한다.
도 7a-7f는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 그러한 유기 광발전 디바이스들에 대한 탠덤 유기 광발전 디바이스 및 단락 회로 전류 밀도 대 오픈 회로 전압 그래프들을 도시한다.
도 8은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 다양한 중간층 재료 결합들을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스에 대한 단락 회로 전류 밀도 및 오픈 회로 전압 특징들을 제공하는 챠트를 도시한다.
도 9는 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함하는 중간층을 갖는 탠덤 유기 광발전 디바이스를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 설명된 일 실시예에 따른, 제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함하는 중간층을 퇴적시킴으로써 탠덤 유기 광발전 디바이스를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다.
유기 광발전 디바이스들 및 그 디바이스를 형성하기 위한 방법들이 다양한 실시예들에서 본 명세서에서 설명된다. 이들 실시예들의 각각 내에서 변경들이 가능하며, 다른 실시예들에서, 명확화를 위해 그리고/또는 본 발명 내에서 과잉을 회피하기 위해 상세하게 설명되지는 않음을 이해해야 한다. 부가적으로, 본 명세서에서 기재된 다양한 층들 및 구조들의 순서, 정도, 및 조성은, 다양한 성능 규격들을 충족시키기 위해 변경, 수정, 분할, 또는 세분될 수 있다.
도 1은, 단일 접합 유기 광발전(100)의 활성층(120)과 제 1 전극(130) 사이에 개재된 금속 나노구조층(116), 전자 전달층(112), 및 홀 전달층(114)을 포함하는 중간층(110)을 포함한 유기 광발전 디바이스를 도시한다. 단일 접합 유기 광발전(100)은, 활성층(120)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 홀 전달층(140)을 더 포함한다.
광자들(170)의 형태의 전자기 방사는, 표시된 방향으로 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 진입한다. 제 1 전극(130)은, 유리 기판 상에 퇴적된 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명 또는 반투명한 전도체를 포함한다. 광자들(170)은 중간층(110)을 침투하고, 활성층(120)으로 진입한다. 활성층(120)은, 정의된 파장 대역들 내에서 떨어지는 광자들에 감응하는 하나 또는 그 초과의 전기활성 화합물들을 포함한다. 활성층(120) 내의 전기활성 화합물들은, 하나 또는 그 초과의 전자 도너들 및 하나 또는 그 초과의 홀 도너들(즉, 전자 억셉터들)을 포함한다. 몇몇 구현들에서, 그러한 전자 도너들 및 홀 도너들은, 활성층(120)을 형성하기 위해 별개의 층들에 퇴적되는 반면, 다른 구현들에서, 전자 도너들 및 홀 도너들은 융합된 활성층(120)을 형성하기 위해 혼합된다. 활성층(120)에서 유용한 전자 도너의 일 예는, 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르("PCBM")와 같은 풀러린(fullerene) 함유 또는 풀러린 기반 화합물들을 포함한다. 활성층(120)에서 유용한 홀 도너의 일 예는 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일로)("P3HT")를 포함한다. PCBM 및 P3HT가 각각의 전자 도너 및 홀 도너의 예시적인 예들로서 제공되지만, 당업자들은, 다른 현재 및 장래의 개발되는 전자 도너들 및 홀 도너들이 또한 사용될 수도 있음을 인식할 것이다.
활성층을 형성하는 전기활성 유기 전자 도너들 및 전기활성 유기 전자 억셉터들을 갖는 유기 광발전 디바이스 상으로 입사하는 광자들의 상호작용은, 활성층에서 속박된 전자/홀 쌍들("엑시톤들")의 형성을 야기한다. 가장 높은 점유된 분자 오비탈("HOMO")로부터 가장 낮은 점유되지 않은 분자 오비탈("LUMO")로 전자를 여기시키는데 요구되는 활성화 에너지의 또는 그 초과의 에너지 레벨을 갖는 광자들이 활성층에서 전자 도너들 및 억셉터들과 상호작용하는 경우, 엑시톤들이 형성된다. 일단 형성되면, 엑시톤은, 바닥(ground) 상태로 완화되거나(즉, 전자는 이전의 HOMO로 리턴함), 전자 및 홀로 해리된다. 유기 광발전 디바이스의 각각의 전극들에 대한 전자 및 홀의 해리 및 완화는 전극들 사이에서 DC 전압을 생성한다.
종래의 유기 광발전 디바이스에서, 홀 전달층은, 활성층/홀 전달층 계면에서 엑시톤들의 해리를 촉진하기 위해 그리고 제 2 전극(150)으로의 홀들의 이동을 용이하게 하기 위해 활성층(120)과 제 2 전극(150) 사이에 배치될 수도 있다. 유사하게, 전자 전달층은, 활성층/전자 전달층 계면에서 엑시톤들의 해리를 촉진하기 위해 그리고 제 1 전극(130)으로의 전자들의 이동을 용이하게 하기 위해 활성층(120)과 제 1 전극(130) 사이에 배치될 수도 있다.
(도 6과 함께 시작하여 상세히 논의되는) 탠덤 유기 광발전 디바이스에서, 2개 또는 그 초과의 유기 광발전 디바이스들("서브셀들")은, "스택"을 형성하기 위해, 개재하는 중간층(110)에 물리적으로 및 전기적으로 커플링된다. 탠덤 유기 광발전 디바이스들의 효율은, 스택 내의 유기 광발전 디바이스들 사이에 개재된 중간층 내에서의 전하 누적의 형성을 최소화시키거나 이상적으로 회피하는 것에 적어도 부분적으로 의존한다. 수 개의 메커니즘들이 중간층 내의 전하 누산에 기여하지만, 그러한 전하 누산의 적어도 일부는, 인접한 활성층들로부터 중간층으로 전달된 홀들 및 전자들의 재결합을 촉진하거나 그렇지 않으면 용이하게 하기 위한 중간층의 불능에 기여가능할 수도 있다.
단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에서, 활성층(110)에서 생성된 엑시톤들로부터 분리되는 홀들(124)은, 제 1 전극(130)을 통해 홀 전달층(114)으로 도입된다. 전자 전달층(112)은, 활성층(110)에서 생성된 엑시톤들로부터 분리된 전자들(122) 중 적어도 몇몇을 수용한다. 도 1에 구성된 바와 같이, 금속 나노와이어층(116)은, 중간층(110) 내의 전하 누산을 최소화시키면서 전자들(122) 및 홀들(124)의 재결합을 효율적으로 촉진시켜야 한다.
도 2a는, 금속 나노구조층(116)과 결합하여 상이한 전자 전달층(112) 재료들 및 상이한 홀 전달층(114) 재료들을 사용하여 다양한 중간층들(110)의 재결합 효율을 평가하기에 유용한 예시적인 단일 접합 유기 광발전 디바이스(200)를 도시한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층(116)은 실버 나노구조들, 예를 들어, 실버 나노와이어들 및/또는 실버 나노도트들을 포함할 수도 있다.
금속 나노구조들을 함유하는 액화 서스펜션, 슬러리, 또는 용액은, 비교적 낮은 온도들로 및 산소의 부재 시에 홀 전달층(114)에 도포될 수도 있다. 적어도 몇몇 구현들에서, 그러한 액체들은, 안정된 분포도로 금속 나노구조들을 유지하기 위해 하나 또는 그 초과의 솔벤트들, 계면활성제들, 및 점성 변형기 또는 바인더를 함유하는 잉크의 형태일 수도 있다. 그러한 잉크들은, 비교적 낮은 온도들로의 스핀 코팅 또는 기계적인 스크래핑 도포에 적합하며, 이는, 그러한 잉크들이 열적으로 민감한 기판 또는 유기 광발전층에 걸쳐 금속 나노구조층(116)을 제공할 경우 유리하다.
도 2b 및 2c는, 도 2a에 도시된 단일 접합 유기 광발전 디바이스(200)에서 사용되는 중간층(110)을 제공하기에 유용한 다양한 화합물들 및 화합물 결합들의 투과 스펙트럼들을 도시한다. 테스트 목적들을 위해, 중간층들 모두는 닥터 블레이딩(doctor blading)을 통해 유리 기판 상에 퇴적되었다. 투과 스펙트럼들을 평가하기 위해, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌술폰네이트)("PEDOT:PSS")는, 50나노미터(nm)의 두께로 코딩되었고; 텅스텐 산화물("WO3")은 60nm의 두께로 코팅되었으며, 아연 산화물("ZnO")은 120nm의 두께로 코팅되었다. PEDOT:PSS Al4083는 헤라우스로부터 구매되었으며, 프로세싱 전에 1:3 또는 1:5의 체적-비율로 이소프로필 알콜("IPA")에 희석되었다. ZnO 나노입자들은, 아연 아세테이트로부터 합성되었으며, 2 가중 퍼센트(wt.%)로 에탄올에서 용해되었다. WO3 나노입자들은, 화염 열분해로부터 합성되었으며, 에탄올에서 2.5wt.%로 용해되었다. 실버 나노구조(이하 "AgNW") 잉크는, 1:5(이하, "AgNW1") 또는 1:10 (이하, "AgNW2")의 체적-비율로 이소프로필 알콜을 이용하여 희석된 0.1wt.%와 5wt.% 사이의 실버 나노와이어들을 함유하는 실버 나노와이어 잉크 마스터 용액으로부터 준비되었다. 금속 나노구조층(116)을 제공하기 위해, 중간층(110)에서 사용되었다. 중간층(110)의 투과 스펙트럼들을 평가하기 위해, 실버 나노구조 잉크의 얇은 층(즉, 금속 나노구조층(116))은, 전자 전달층(112)과 홀 전달층(114) 사이에서 블레이딩되었다.
많은 금속 나노구조층들, 예를 들어, 실버 나노구조층들은 탁월한 투명도를 나타낸다. 기판에 대한 정정 이후, 도 2a에 도시된 구성에서, 400 내지 600nm 사이의 파장들에 대해 99% 초과의 투과값들이 관측되었다. 금속 산화물들 WO3 및 ZnO는 스펙트럼의 블루(blue) 부분에서 감소된 투과도를 나타내는 반면, PEDOT:PSS는 스펙트럼의 적외선 부분에서 감소된 투과도를 나타낸다. 전하 추출(즉, 전자 및 홀 전달)층들(112, 114)의 투과도는 일반적으로 90%를 초과한다. 중간층(110) 결합들은 블루 레짐(blue regime)에서 주로 흡수되며, 그들의 투과도는 중간층(110)을 형성할 시에 사용되는 개별 층들의 투과도의 선형 결합인 것으로 나타나지 않는다. 얇은 막 간섭 현상들이 얇은 막에서의 흡수를 제어할 수도 있으며, 금속 나노입자층(116)의 삽입이 중간층(110)의 전체 투과도에 대해 상당한 효과를 갖는 것으로 나타나지 않는다고 추측된다. 중요하게, 다양한 전자 전달층(112), 금속 나노구조층(116), 및 홀 전달층(114) 결합들은, 85%를 초과하는 전체 투과도를 갖는 탁월한 광학 속성들을 나타내었다.
도 3a는, 유리 기판 상의 비교적 농축된 (IPA를 이용한 1:5 v/v 희석) AgNW1 잉크의 퇴적에 의해 형성되는 나노구조층의 2차원 및 3차원 원자력 마이크로스코프("AFM") 이미지들을 제공한다. AFM 이미지들로부터, 금속 나노구조층(116) 내의 금속 나노구조들은, 몇몇 실버 나노도트들과 함께 실버 나노와이어들(즉, 실버 나노와이어들과 함께 공동-침전(co-precipitate)되었고 AgNW 잉크로 포뮬레이팅(formulate)되었던 물리적으로 열화된 그리고/또는 절단된 실버 나노와이어들, 또는 실버 나노입자들)로 주로 구성된다. 실버 나노도트들은, 도포 프로세스 동안 생성되거나, 실버 나노와이어 합성 프로세스의 남아있는 잔류물들일 수도 있다. 폴리올 프로세스는 실버 나노와이어 합성 프로세스를 제공한다. 폴리올 프로세스는, 폴리(비닐피로리돈)("PVP")과 같은 하나 또는 그 초과의 폴리머 바인더들의 존재를 요구한다. 폴리머 바인더들은, 도 2a에 도시된 나노구조층(116)을 형성하기 위해 실버 나노와이어들에 대한 폴리머 메트릭스를 제공한다. 적어도 몇몇 예시들에서, 도 3a에서 가시적인 것들과 같은 실버 나노도트들은, 실버 나노와이어 합성 프로세스 동안 폴리머 바인더에서 클래딩(clad) 및 임베딩(embed)될 수도 있다.
도 3b는, 도 3a에 도시된 비교적 농축된 AgNW1 잉크의 퇴적에 의해 형성된 나노구조층(116)의 높이 프로파일을 제공한다. 도 3b에 도시된 높이값은, 메트릭스 백본(backbone)을 형성하는 폴리머 바인더의 두께가 약 10나노미터(nm)이고, 실버 나노와이어들이 약 30nm의 직경을 갖는다는 것을 표시한다. 중요하게, 금속 나노구조층(116) 내의 실버 나노와이어들의 물리적 구조 및 외형은, 금속 나노구조층(116)을 형성하기 위해 퇴적되는 비교적 농축된 실버 나노와이어 잉크("AgNW1") 내의 실버 나노와이어들로부터 비교적 변경되지 않는 것으로 나타난다. 도 3a 및 3b 내에서, 2개 또는 그 초과의 나노와이어들이 중첩하는 위치들은, 약 30나노미터(nm)의 나노와이어 직경에 기초한 예상된 두께와의 양호한 대응을 나타낸다.
도 3c는, 유리 기판 상의 비교적 희석된 (IPA를 이용한 1:10 v/v 희석) AgNW2 잉크의 퇴적에 의해 형성되는 나노구조층의 2차원 및 3차원 원자력 마이크로스코프("AFM") 이미지들을 제공한다. AFM 이미지들로부터, 유리 기판 상에서의 비교적 희석된 AgNW2 잉크의 퇴적에 의해 형성된 결과적인 금속 나노구조층(116)은, 금속 나노와이어들보다는 금속 나노도트들을 제외하지 않으면, 주로 구성되는 금속 나노구조층을 놀랍게 생성하는 것으로 나타난다. 실버 나노도트들의 형성이 비교적 희석된 AgNW2 잉크에 존재하는 실버 나노와이어들의 적어도 부분적인 열화를 초래한다고 추측된다. 그러한 나노와이어 열화는, 유리 기판 상의 금속 나노구조층의 기계적인 레벨링에 기여가능한 물리적인 열화에 적어도 부분적으로 인한 것일 수도 있다.
도 3d는, PEDOT 기판 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크의 퇴적에 의해 형성되는 나노구조층의 2차원 및 3차원 AFM 이미지들을 제공한다. 유리 기판 상에서의 AgNW1 잉크의 퇴적으로부터 초래하는 도 3a에서 명확한 실버 나노와이어들과는 대조적으로, 도 3d의 AFM 이미지들은, 비교적 농축된 AgNW1 잉크가 PEDOT 기판 위에 도포되는 경우, 실버 나노도트들이 형성된다는 것을 표시한다.
도 3e는, 도 3a에 도시된 유리 기판 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크 및 도 3c에 도시된 PEDOT 기판 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크의 높이 분포들을 요약한다. 도 3e의 곡선들은, 실버 나노와이어들(도 3a의 유리 기판 상의 AgNW1 참조) 및 실버 나노도트들(도 3d의 PEDOT 기판 상의 AgNw1 잉크 참조)의 높이 분포들을 표시한다. 도 3e에서, 실버 나노와이어들은, 약 10나노미터(nm) 내지 약 60나노미터의 범위에 있는 높이 분포를 나타낸다. 도 3e에서, 실버 나노도트들은, 약 30nm 내지 약 80nm의 범위에 있는 높이 분포를 나타낸다. 도 3e는, 도 3a에 도시된 유리 기판 상의 금속 나노구조층에 존재하는 실버 나노와이어들의 대부분이 유리 기판 위에서 약 50나노미터(nm) 또는 그 미만의 높이로 연장한다는 것을 표시한다. 도 3e는 또한, 도 3c에 도시된 PEDOT 기판 상의 금속 나노구조층에 존재하는 실버 나노도트들의 대부분이 PEDOT 기판 위에서 약 30nm 또는 그 미만의 높이로 연장한다는 것을 표시한다. 중요하게, 둘 모두의 예시들에서, 약 120nm의 깊이를 갖는 아연 산화물의 전자 전달층(112)은, 금속 나노구조층(116)에 존재하는 실버 나노와이어들 및/또는 실버 나노도트들을 완전하게 커버할 것이다.
도 3f는, 유리 기판 상에 형성된 텅스텐 산화물(WO3) 층의 2차원 및 3차원 AFM 이미지들을 제공한다.
도 3g는, 도 3f에 도시된 것과 같은 텅스텐 산화물 층 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크의 퇴적에 의해 형성되는 금속 나노구조층의 2차원 및 3차원 AFM 이미지들을 제공한다. 도 3h는, 도 3f에 도시된 것과 같은 텅스텐 산화물 층 상의 비교적 희석된 AgNW2 잉크의 퇴적에 의해 형성되는 금속 나노구조층의 2차원 및 3차원 AFM 이미지들을 제공한다. 도 3g와 도 3h를 비교할 시에, AgNW1 잉크를 사용하여 텅스텐 산화물 층 상에 퇴적된 금속 나노구조층(즉, 실버 나노와이어층)(도 3g 참조)은, AgNW2 잉크를 사용하여 텅스텐 산화물 기판 상에 퇴적된 금속 나노구조층(즉, 실버 나노와이어층)(도 3h 참조)과 유사한 물리적 특징들 및 외형을 갖는다는 것이 명백하다. 유리 기판 상에 퇴적된 텅스텐 산화물 층(도 3f) 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 사용하여 텅스텐 산화물 층 상에 형성된 금속 나노구조층(도 3h)의 평균 거칠기(Rms)는, 각각, 6.5나노미터(nm) 및 8nm인 것으로 측정되었다. 텅스텐 산화물 층 위에서 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 기계적으로 레벨링한 이후의 관측된 거칠기에서의 평균 약 2nm 증가는, 유리 기판 상에서 AgNW2 잉크를 기계적으로 레벨링한 이후의 관측된 거칠기에서의 증가와 유사하다.
도 3i는, 도 3d에 도시된 유리 기판 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크, 도 3e에 도시된 텅스텐 산화물 층 상의 비교적 농축된 AgNW1 잉크, 및 도 3f에 도시된 텅스텐 산화물 층 상의 비교적 희석된 AgNW2 잉크의 높이 분포들을 제공한다. 텅스텐 산화물 층 상에서 실버 나노와이어 잉크들을 기계적으로 레벨링한 이후, 높이 분포들의 평균값은, (유리 상의 텅스텐 산화물에 대한(도 3d)) 약 56nm으로부터 (텅스텐 산화물 기판 상의 AgNW1 또는 AgNW2 잉크들을 사용하는 실버 나노와이어들에 대한) 약 80nm까지 증가되었다. 높이 분포들의 평균값에서의 30nm 증가는, 비교적 농축된 AgNW1 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크들(도 3b 참조) 둘 모두를 준비할 시에 사용되는 실버 나노와이어들의 직경에 따른다.
요약하여, 기계적으로 레벨링된(예를 들어, 닥터 블레이딩된) 금속 나노구조층의 물리적 특징들 및 조성은, 금속 나노구조층이 퇴적되는 기판의 조성에 의해 영향을 받는다. 텅스텐 산화물 기판 상에 형성된 실버 나노와이어들을 포함하는 금속 나노구조층은, 유리 기판에 도포된 동일한 금속 나노구조층과 상당한 물리적 차이들을 나타내지는 않는다. 대조적으로, PEDOT 기판 상에 형성된 실버 나노와이어들을 포함하는 금속 나노구조층은, 특히 금속 나노구조층이 AgNW1과 같은 비교적 농축된 잉크를 사용하여 형성되는 경우, 유리 기판에 도포된 동일한 금속 나노구조층과 상당한 물리적 차이를 나타낸다. PEDOT 기판 위에 도포되는 경우, 실버 나노와이어 잉크는, 나노와이어들 및 나노도트들 둘 모두를 포함하는 금속 나노구조층을 형성한다. 부가적으로, 실버 나노와이어 잉크의 농도는, 금속 나노구조층에 존재하는 실버 나노구조들의 최종적인 형태에 영향을 준다.
도 4a 및 4b는, 상이한 중간층 조성들을 사용하는 단일 접합 유기 광발전 디바이스들에 대한 다수의 단락 회로 전류 밀도("J") 대 오픈 회로 전압("V") 그래프들을 도시한다. 도 4a 및 4b는, 4개의 상이한 단일 접합 유기 광발전 디바이스들에 대한 J-V 특징들을 도시한다. 제 1 곡선("디바이스 A" － 실선의 사각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112)으로 구성되는 기준 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 2 곡선("디바이스 B" － 실선의 원들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112) 및 PEDOT 홀 전달층(114)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 3 곡선("디바이스 C" － 실선의 삼각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), PEDOT 홀 전달층(114), 및 비교적 농축된 AgNW1 잉크를 사용하여 퇴적된 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 4 곡선("디바이스 D" － 반전된 삼각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), PEDOT 홀 전달층(114), 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 사용하여 퇴적된 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스에 대한 J-V 특징을 도시한다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 현저한 제한들이 PEDOT/아연 산화물 중간층(110)에 대해 존재한다. 가장 명백한 제한은, 낮은 충진 팩터("FF")를 초래하는 순방향 바이어스 하에서의 다소 낮은 주입이다. PEDOT/아연 산화물 중간층(110)은, 비효율적인 재결합을 제공하는 것으로 나타나며, 따라서, 탠덤 유기 광발전 디바이스에서 재결합 능력을 제공하는 중간층(110)으로서의 사용을 위한 마진값을 갖는다. 특히, 용액 프로세싱된 아연 산화물은, 그의 반전도성 및 전기 속성들(예를 들어, 상태들의 밀도 및 전하 캐리어들의 밀도)의 관점들에서 매우 양호하게 정의되지는 않으며, 그러한 속성들은 다양한 제조 프로세스들 및 루트들에 대해 상이할 수도 있다. 또한, 접촉부/계면 형성에 대해 본질적인 아연 산화물 표면을 종결(terminate)시키는 리간드 족들의 화학적 속성 및 밀도는, 평가하기에 매우 어려우며, 대부분의 시스템들에 대해 잘 알려져 있지 않다. 그러나, 중간층(110)에서 아연 산화물의 전자 전달층(112)과 PEDOT 홀 전달층(114) 사이에서 금속 나노구조층(116)을 개재시키거나 그렇지 않으면 퇴적시키는 것은, 아연 산화물의 전자 전달층(112)의 사용에 대한 식별된 이슈들을 완화시키거나 심지어 극복하는 것으로 나타난다. 아연 산화물의 전자 전달층(112)과 PEDOT 홀 전달층(114) 사이에 금속 나노구조층(116), 예를 들어, AgNW1 잉크 또는 AgNW2 잉크로부터 형성되는 실버 나노구조층(116)을 개재하는 것은, 중간층(110) 내에서 전하 재결합을 현저하게 개선시킨다. 따라서, 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층들(110)을 사용하는 유기 광발전 디바이스들은, 단일 아연 산화물의 전자 전달층을 사용하는 기준 유기 광발전 디바이스(디바이스 A)에 상당하는 성능을 나타낸다.
도 4c 및 4d는, 상이한 중간층 조성들을 사용하는 단일 접합 유기 광발전 디바이스들에 대한 다수의 단락 회로 전류 밀도("J") 대 오픈 회로 전압("V") 그래프들을 도시한다. 도 4c 및 4d는, 4개의 상이한 단일 접합 유기 광발전 디바이스들에 대한 J-V 특징들을 도시한다. 제 1 곡선("디바이스 A" － 실선의 사각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112)으로만 구성되는 기준 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 2 곡선("디바이스 E" － 실선의 원들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112) 및 텅스텐 산화물 홀 전달층(114)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 3 곡선("디바이스 F" － 실선의 삼각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), 텅스텐 산화물 홀 전달층(114), 및 비교적 농축된 AgNW1 잉크를 사용하여 퇴적된 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스(100)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 4 곡선("디바이스 G" － 반전된 삼각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), 텅스텐 산화물 홀 전달층(114), 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 사용하여 퇴적된 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 단일 접합 유기 광발전 디바이스에 대한 J-V 특징을 도시한다.
도 4c 및 4d에 도시된 바와 같이, 텅스텐 산화물 홀 전달층(114) 및 아연 산화물의 전자 전달층(112)을 사용하는 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 디바이스 E)은, 높은 직렬 저항의 결과로서의 낮은 정류와 같은 PEDOT/아연 산화물 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 디바이스 B)에서 발견되는 결함들과 유사한 결함을 겪는다. 아연 산화물의 전자 전달층(112) 및 텅스텐 산화물 홀 전달층(114)을 포함하는 중간층(110)을 사용하는 유기 광발전 디바이스들의 성능은, 아연 산화물 층과 텅스텐 산화물 층 사이에 금속 나노구조층(116)을 개재함으로써 개선된다.
PEDOT/아연 산화물 중간층들(110)과는 달리, 텅스텐 산화물의 경우에서, 성능에서의 더 뚜렷한 차이가 비교적 농축된 AgNW1 잉크 대 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 퇴적시킴으로써 형성되는 금속 나노구조층들 사이에서 관측되었다. 금속 나노구조층(116)을 형성하기 위해 비교적 농축된 AgNW1 잉크를 사용하는 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 디바이스 F)은, 금속 나노구조층(116)을 형성하기 위해 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 사용하는 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 디바이스 G)보다 상당히 증가된 션트 저항으로부터 고난을 겪는 것으로 발견되었다. 따라서, 증가된 션트 저항들이 바람직한 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 병렬로 커플링된 유기 광발전 디바이스들)은, 비교적 농축된 AgNW1 잉크를 사용하여 형성되는 것과 같은 비교적 높은 농도의 금속 나노와이어들을 함유하는 금속 나노구조층(116)을 함유한 중간층(110)으로부터 이득을 얻을 수도 있다. 한편, 감소된 션트 저항들이 바람직한 유기 광발전 디바이스들(예를 들어, 직렬로 커플링된 유기 광발전 디바이스들)은, 비교적 희석된 AgNW2 잉크를 사용하여 형성되는 것과 같은 비교적 높은 농도의 금속 나노도트들을 함유하는 금속 나노구조층(116)을 함유한 중간층(110)으로부터 이득을 얻을 수도 있다. 어느 경우이든, 위에 놓인 전자 전달층(112)은, 탠덤 유기 광발전 디바이스 내에서 션트들 또는 유사한 결함들을 방지하기 위해 금속 나노구조층(116)에서 금속 나노구조들을 가장 바람직하게 완전히 커버한다.
또한, 기준 디바이스들과 비교하여, 전자 전달층(112), 홀 전달층(114), 및 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층을 사용하는 유기 광발전 디바이스들의 성능은, 중간층(110)에서 발생하는 광학 손실들에 의해 덜 영향을 받았다. 실버 나노와이어층(116)과 같은 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층(110)을 사용하는 유기 광발전 디바이스들은, 단일 아연 산화물 버퍼층을 사용하는 기준 단일 접합 유기 광발전 디바이스(200)와 비교될 경우, 약간 증가된 전류 밀도를 나타낸다. 전류 밀도에서의 이들 관측된 차이들은, 유기 광발전 디바이스 내의 활성층(120)의 두께 또는 깊이에서의 작은 변화들 또는 아연 산화물 층 내에서 발생하는 형태학적 변화들에 의해 야기될 수도 있다.
도 5는, 도 4a-4d에 포함된 중간층들(110)의 핵심적인 성능 파라미터들을 요약하는 챠트를 제공한다. 도 5에 표로 된 각각의 유기 광발전 디바이스의 직렬 저항들(RS)은, 누설 전류가 기준 유기 광발전 디바이스의 누설 전류와 유사하게 유지되었던 동안 금속 나노구조층(116)이 홀 전달층(114)과 전자 전달층(112) 사이에 삽입되었던 경우 현저한 감소를 나타낸다. 이것은, 금속 나노구조(예를 들어, 실버 나노구조)층(116)의 삽입이 중간층(110)의 재결합 속성들을 향상시킨다는 것을 표시한다. 놀랍게도, 실버 나노도트들(즉, 실버 나노와이어들과 함께 공동-침전되었고 AgNW 잉크로 포뮬레이팅되었던 물리적으로 열화된 그리고/또는 절단된 실버 나노와이어들, 또는 실버 나노입자들)은, 홀 전달층/전자 전달층 계면에서 재결합 중심들로서 훨씬 더 큰 효율을 제공하는 것으로 발견되었다. 실버 나노와이어들과 비교될 경우, 나노도트들의 기하구조는, 특히 전기 직렬로 접속된 탠덤 유기 광발전 디바이스들과 같은 애플리케이션들에서 더 바람직한 션트 특징들을 제공한다. 또한, 3개 초과의 나노와이어들이 금속 나노구조층(116)(도 3a 참조)에서 중첩하면, 금속 나노구조층(116)은, 위에 놓인 전자 전달층(112)에 의해 완전히 커버 또는 인캡슐레이팅되지 않을 수도 있으며, 유기 광발전 디바이스 내에서 높은 누설 전류를 야기한다. 그러한 션트의 존재 및 결과적인 높은 누설 전류는 디바이스 F(도 4d 참조)의 관측된 J-V 특징에 부합한다.
도 6은, 전자 전달층(112), 홀 전달층(114), 및 개재된 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층(110)을 포함한 예시적인 탠덤 유기 광발전 디바이스(600)를 도시한다. 중간층(110)의 제 1 표면(602)은, 제 1 대역의 파장들(λn1 － λnn)(630)의 들어오는 광자들에 감응하는 제 1 유기 광발전 디바이스(610)에 근접하게 배치된다. 중간층(110)의 제 2 표면(604)은, 제 2 대역의 파장들(λm1 － λmm)(640)의 들어오는 광자들에 감응하는 제 2 유기 광발전 디바이스(620)에 근접하게 배치된다. 몇몇 구현들에서, 제 2 대역의 파장들(640)은, 제 1 대역의 파장들(630)과는 상이할 수도 있다(즉, 하나 또는 그 초과의 상이한 파장들을 포함할 수도 있음). 몇몇 구현들에서, 제 1 대역의 파장들 및 제 2 대역의 파장들은, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 공통 파장들을 포함함으로써 유사하거나 동일할 수도 있다. 도 6에 도시된 층들은 예시적이며, 다양한 전자 전달층들, 홀 전달층들, 활성층들, 및 금속 나노구조층들은, 탠덤 유기 광발전 디바이스(600)의 하나 또는 그 초과의 성능 및/또는 동작 파라미터들을 변형시키기 위해 부가, 삭제, 변형 또는 재배열될 수도 있다. 부가적으로, 탠덤 유기 광발전 디바이스(600) 내의 층들 각각 사이의 계면이 명확화를 위해 평활하고 평평한 표면들로서 도시되지만, 그러한 표면들은, 구조화된 또는 랜덤한 패턴들 및/또는 거칠기를 포함하는 임의의 표면 프로파일을 가질 수도 있다.
중간층(110)은, 개재된 금속 나노구조층(116)의 반대측들 상에 배치된 제 1 전자 전달층(112) 및 제 1 홀 전달층(114)을 포함한다. 중간층(110)은, 2개의 인접한 유기 광발전 디바이스들 사이에서 누산된 전하 또는 누산된 전하의 재결합의 제거를 용이하게 한다. 적어도 몇몇 예시들에서, 중간층은, 제 1 전자 전달층(112)을 통해 전달된 제 2 유기 광발전 디바이스(620)의 제 2 활성층(622)으로부터의 전자들과 제 1 홀 전달층(114)을 통해 전달된 제 1 유기 광발전 디바이스(610)의 제 1 활성층(612)으로부터의 홀들과의 재결합을 용이하게 한다.
제 1 전자 전달층(112)은, 제 2 활성층(622)으로부터 금속 나노구조층(116)으로의 전자들 및/또는 음의 전기 전하의 선택적인 이동 또는 전달을 촉진할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 재료 또는 물질을 포함할 수 있다. 제 1 전자 전달층(112)을 제공하기에 유용한 물질들, 화합물들, 또는 재료들의 비-제한적인 예들은, 아연 산화물(ZnO)과 같은 아연의 산화물들; 및 티타늄 산화물(TiO) 및 티타늄 이산화물(TiO2)과 같은 티타늄의 산화물들을 포함한다. 제 1 전자 전달층(112)은, 액체 캐리어에서 서스펜딩된 전자 전달층 물질, 화합물, 또는 재료를 포함하는 액체 혼합물로서 가장 빈번하게 도포된다. 그러한 용액들은 도포 동안 기저 기판에 걸쳐 스핀 코팅되거나 기계적으로 레벨링될 수도 있다. 당업계에 알려진 다른 코팅 및/또는 레벨링 방법들이 또한, 기저 기판 또는 표면 상에 제 1 전자 전달층(112)을 배치하기 위해 이용될 수도 있다. 전자 전달층(112)의 두께는, 전자 전달층(112)을 형성할 시에 사용되는 특정한 물질들, 화합물들, 또는 재료들, 및 기저 기판 또는 표면 상에 전자 전달층(112)을 퇴적 및/또는 레벨링시키기 위해 사용되는 프로세스/프로세스들에 어느 정도 의존한다. 전자 전달층(112)의 두께는, 기저 금속 나노구조층(116)에서 금속 나노구조들을 완전히 인캡슐레이팅하기에 바람직하게 충분히 두꺼우면서, 바람직한 광학 속성들이 유지되는 것을 보장하기에 충분히 얇다. 적어도 몇몇 구현들에서, 전자 전달층의 두께들은 약 30나노미터(nm)로부터 약 200나노미터의 범위에 있을 수 있다. 전자 전달층(112)의 두께 또는 다른 물리적 또는 형태학적 속성들은, 특정한 유기 광발전 디바이스 성능 파라미터들을 충족시키기 위해 수정, 조정, 또는 변경될 수도 있다.
제 1 홀 전달층(114)은, 제 1 활성층(612) 또는 다른 인접한 구조 또는 층으로부터 금속 나노구조층(116)으로의 홀들 및/또는 양의 전기 전하의 선택적인 이동 또는 전달을 촉진할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 재료 또는 물질을 포함할 수 있다. 제 1 홀 전달층(112)을 제공하기에 유용한 예시적인 화합물들, 물질들, 및/또는 재료들은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌술폰네이트)("PEDOT:PSS") 및 텅스텐 산화물(WO3)을 제한없이 포함한다. 제 1 홀 전달층(114)은, 액체 캐리어에서 서스펜딩된 홀 전달층 물질, 화합물, 또는 재료를 포함하는 액체 혼합물로서 가장 빈번하게 도포된다. 그러한 용액들은 도포 동안 기저 기판에 걸쳐 스핀 코팅되거나 기계적으로 레벨링될 수도 있다. 당업계에 알려진 다른 코팅 및/또는 레벨링 방법들이 또한, 기저 기판 또는 표면 상에 제 1 홀 전달층(114)을 배치하기 위해 이용될 수도 있다. 홀 전달층(114)의 두께는, 홀 전달층(114)을 형성할 시에 사용되는 특정한 물질들, 화합물들, 또는 재료들, 및 기저 기판 또는 표면 상에 홀 전달층(114)을 퇴적 및/또는 레벨링시키기 위해 사용되는 프로세스/프로세스들에 어느 정도 의존한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 홀 전달층의 두께들은 약 30나노미터(nm)로부터 약 200나노미터의 범위에 있을 수 있다. 홀 전달층(114)의 두께 또는 다른 물리적 또는 형태학적 속성들은, 특정한 유기 광발전 디바이스 성능 파라미터들을 충족시키기 위해 수정, 조정, 또는 변경될 수도 있다.
금속 나노구조층(116)은, 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 개재된 금속 나노구조층의 적어도 일부를 제공할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 금속 나노구조 및/또는 나노구조들을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 구현들에서, 폴리머 막은, 막, 시트, 또는 층을 제공하기 위해 금속 나노구조 및/또는 나노구조들을 물리적으로 링크 또는 커플링시킬 수도 있다. 하나 또는 그 초과의 금속들, 금속 합금들, 및/또는 화합물들을 함유하는 금속은 금속 나노구조층(116)의 전부 또는 일부를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 예시적인 금속들은, 실버, 골드, 및 플래티넘, 또는 그들의 합금들, 화합물들 또는 혼합물들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 적어도 몇몇 구현들에서, 전도성 비-금속 나노구조들(예를 들어, 그래핀 나노튜브들)은, 금속 나노구조층(116)에 포함된 금속 나노구조들 중 몇몇 또는 모두에 대해 대체되거나 그들을 교체할 수도 있다. 금속 나노구조들은 하나 또는 그 초과의 형태들을 취할 수 있다. 예시적인 나노구조 형태들은, 나노와이어들, 나노튜브들, 나노도트들, 및 유사한 고체, 반고체, 또는 중공 나노구조들, 또는 이들의 혼합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
도 1에 도시되지 않았지만, 적어도 몇몇 구현들에서, 중간층(110)은, 전자 전달층(112)과 홀 전달층(114) 사이에 개재된 낮은 시트 저항 그리드를 포함할 수도 있다. 그러한 낮은 시트 저항 그리드는, 금속 나노구조층(116)에 부가하여 또는 그를 대신하여 중간층(110)에 포함될 수도 있다. 낮은 시트 그리드는, 적어도 중간층(110) 내에서 전류 흐름, 분포 및/또는 수집에 대한 낮은 저항 통로 또는 통로들의 네트워크를 제공한다. 이들 낮은 저항 통로들을 제공하는 것에 부가하여, 낮은 시트 저항 그리드는 또한, 물리 강도의 측정을 중간층(110)에 제공할 수도 있다. 그러한 물리 강도를 갖는 중간층(110)은, 예를 들어, 더 큰 사이즈의 유기 광발전 디바이스들(100)이, 예를 들어, 큰 스캐일의 유기 광발전 디바이스들에서 또는 컨포멀(conformal) 유기 광발전 디바이스들에서 사용되는 경우 유리할 수도 있다.
낮은 시트 저항 그리드는, 금속, 비-금속, 또는 금속 및 비-금속 구조들의 결합을 함유하는 합성 구조들을 포함하는 적절한 전기 및 물리 속성들을 갖는 임의의 타입의 전기적으로 전도성인 구조를 포함한다. 낮은 시트 저항 그리드들의 예들은, 예를 들어, 포스트-패터닝을 이용한 스퍼터링 또는 증발에 의해 퇴적되는 정밀한 금속 메쉬(mesh)(예를 들어, 구리 메쉬, 실버 메쉬, 알루미늄 메쉬, 강철 메쉬 등), 바람직하게는, 예를 들어, 스크린-인쇄된 금속 페이스트들(예를 들어, Ag-페이스트), 하나 또는 그 초과의 잔류 낮은 저항 컴포넌트들을 함유하는 임베딩가능한 정밀한 금속 와이어 또는 인쇄가능한 용액을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
낮은 시트 저항 그리드의 물리적 사이즈 및/또는 구성은, 임의의 특정된 전기적(예를 들어, 시트 저항) 및 물리적(예를 들어, 표면 거칠기 및/또는 광 투과도) 요건들을 충족시키는 것에 전체적으로 또는 부분적으로 기초한다. 낮은 시트 저항 그리드를 형성하는 전도체들의 사이즈 및 라우팅(routing)은, 낮은 시트 저항 그리드의 적어도 일부를 퇴적시키거나 그렇지 않으면 형성하기 위해 사용되는 그리드 패턴을 형성한다. 몇몇 실시예들에서, 낮은 시트 저항 그리드를 형성하는 전도성 엘리먼트들의 폭은 약 1미크론으로부터 약 300미크론까지의 범위에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 낮은 시트 저항 그리드를 형성하는 전도성 엘리먼트들의 높이는 약 100nm으로부터 약 100미크론까지의 범위에 있을 수 있다. 낮은 시트 저항 그리드를 형성하는 엘리먼트들 사이의 오픈 거리는 약 100미크론으로부터 약 10mm까지의 범위에 있을 수 있다.
낮은 시트 저항 그리드의 퇴적은, 프리-패터닝(pre-patterning), 포스트-패터닝 또는 이들의 임의의 결합을 사용하여 달성될 수 있다. 프리-패터닝되고 인쇄된 낮은 시트 저항 그리드들의 예들은, 인쇄된 실버 페이스트 그리드들, 인쇄된 구리 페이스트 그리드들, 마이크로- 또는 나노-입자 페이스트 그리드들, 또는 유사한 전도성 페이스트 그리드들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 예시적인 포스트-패터닝된 낮은 시트 저항 그리드는, 낮은 시트 저항 그리드를 제조하기 위한 이전에 도포된 전도성 막의 포토-리소그래피 현상(development)의 사용에 의해 제공된다. 다른 예시적인 포스트-패터닝 낮은 시트 저항 그리드들은, 인쇄, 증발, 스퍼터링, 무전해(electro-less) 또는 전해 도금, 용액 프로세싱 등을 통해 퇴적되고, 후속하여 포토-리소그래피, 스크린 인쇄 레지스트, 스크린 인쇄 에천트, 표준 에칭, 레이저 에칭, 점착성 리프트 오프 스탬프(adhesive lift off stamp) 등을 통해 패터닝한 낮은 시트 저항 그리드들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
낮은 시트 저항 그리드는, 수용가능한 광학 속성들을 유지하면서 원하는 시트 저항을 달성하기 위해 필요한 임의의 2차원 또는 3차원 기하구조, 형상 또는 구성을 가질 수도 있다. 더 큰 그리드 밀도(즉, 단면 영역에 걸친 더 큰 낮은 저항 통로)가 중간층(110) 내에서 달성가능한 전체 시트 저항을 감소시킬 수도 있지만, 높은 그리드 밀도는 중간층(110)의 불투명도를 수용가능하지 않은 레벨들로 증가시킬 수도 있다. 따라서, 낮은 시트 저항 그리드의 패턴 선택 및 물리적 속성들은 종종, 중간층(110)의 불투명도를 수용가능하지 않은 정도로 증가시키지 않으면서 중간층(110) 내에서 달성가능한 시트 저항을 최소화시키는 것에 적어도 부분적으로 기초하는 타협을 표현할 수도 있다.
낮은 시트 저항 그리드는, 수용가능한 시트 저항을 제공할 수 있는 임의의 고정된 기하구조의 또는 랜덤한 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 낮은 시트 저항 그리드 패턴들은, 수직 라인들, (예를 들어, "다이아몬드" 패턴을 형성하는) 각진 라인들, 및 평행한 라인들과 같은 규칙적인 또는 불규칙적인 폭의 기하구조 어레인지먼트(arrangement)들을 포함할 수 있다. 다른 패턴들은, 예를 들어, 투명한 전도체가 3차원 도포를 위해 의도되는 경우, 균일한 또는 비-균일한 시트 저항을 갖는 복잡한 패턴들을 달성하기 위해 곡선형 또는 아크-형상형 전도체들을 사용할 수 있다. 몇몇 유기 광발전 모듈들에서, 낮은 시트 저항 그리드는 2개 또는 그 초과의 패턴들을 사용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, 그리드는 육각형 또는 직사각형과 같은 더 큰 패턴에 의해 경계지어진 평행한 라인들을 사용하여 형성된다. 다른 실시예에서, 낮은 시트 저항 그리드는, 직렬로 상호접속된 얇은 막 광발전 스트라이프들을 링킹하는 빗형(comb-like) 구조일 수도 있다.
몇몇 예시들에서, 금속 나노구조들은, 직경에서 약 15나노미터(nm)로부터 약 100nm까지의 직경 및 나노와이어의 장축을 따른 길이에서 약 2미크론으로부터 약 50미크론을 갖는 금속 나노와이어들을 포함할 수 있다. 금속 나노와이어들은, 실버 나노와이어들, 골드 나노와이어들, 플래티넘 나노와이어들, 이들의 합금들, 또는 이들의 결합들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 그러한 구현들에서, 금속 나노와이어들은, 금속 나노구조층의 전부 또는 일부 내에서 정렬될 수 있다. 예를 들어, 금속 나노와이어들의 장축은, 중간층(110)의 제 1 표면에 평행하게, 중간층의 제 2 표면에 평행하게, 또는 중간층(110)의 제 1 및 제 2 표면들 둘 모두에 평행하게 정렬될 수도 있다.
다른 예시들에서, 금속 나노구조들은, 약 10나노미터(nm)로부터 약 60nm까지의 직경을 갖는 계속 이어지는 또는 가변 단면을 갖는 금속 나노도트들을 포함할 수 있다. 금속 나노도트들은, 나노도트의 장축을 따른 길이에서 약 30나노미터(nm) 내지 약 80nm일 수 있다. 금속 나노도트들은, 원뿔형 구조들, 피라미드 구조들, 원통형 구조들, 또는 이들의 결합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다양한 물리적 형태들을 가정할 수 있다. 금속 나노도트들은, 실버 나노도트들, 골드 나노도트들, 플래티넘 나노도트들, 이들의 나노 도트 합금들, 또는 이들의 결합들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 그러한 구현들에서, 금속 나노도트들은, 금속 나노구조층의 전부 또는 일부 내에서 정렬될 수 있다. 예를 들어, 금속 나노도트들의 장축은, 중간층의 제 1 표면에 대해 약 1도로부터 약 90도까지의 각도, 중간층의 제 2 표면에 대해 약 1도로부터 약 90도의 각도, 또는 중간층의 제 1 및 제 2 표면들 둘 모두에 대해 약 1도로부터 약 90도까지의 각도에 있을 수도 있다.
금속 나노도트들의 전부 또는 일부는, 금속 나노구조층(116)을 제공하기 위해 사용되는 금속 나노구조 잉크에 존재할 수도 있다. 몇몇 예시들에서, 금속 나노도트들의 전부 또는 일부는, 금속 나노구조층(116)을 형성할 시에 사용되는 금속 나노구조 잉크에 존재하는 금속 나노구조들의 전부 또는 일부를 물리적으로, 기계적으로, 또는 화학적으로 수정 및/또는 분해함으로써 형성될 수도 있다. 예를 들어, 실버 나노와이어들을 함유하는 잉크는, 잉크에 존재하는 실버 나노와이어들의 적어도 일부가 실버 나노도트들로 변환되도록 물리적으로 및/또는 화학적으로 수정될 수도 있다. 또 다른 예시들에서, 금속 나노구조들은, 2개, 3개, 또는 훨씬 더 많은 금속 나노구조들의 결합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 나노구조층(116)은, 금속 나노와이어들 및 금속 나노도트들의 결합을 포함할 수도 있다.
금속 나노구조층(116)은, 하나 또는 그 초과의 액체 캐리어들에서 서스펜딩된 나노구조들을 포함하는 액체 용액 또는 잉크로서 기저 기판 또는 표면 상에 퇴적되거나 그렇지 않으면 그에 도포된다. 그러한 용액들 또는 잉크들은, 기저 기판 또는 표면 상에 퇴적될 수도 있으며, 스핀 코팅을 통해 정의된 막 두께로 레벨링되거나, (예를 들어, 닥터 블레이딩 또는 유사한 기계적인 레벨링 프로세스들을 통해) 기계적으로 레벨링되어, 정의된 최종 막 두께(예를 들어, 60nm)를 제공할 수도 있다. 금속 나노구조층(116)의 두께는, 금속 나노구조층(116)을 형성할 시에 사용되는 특정한 물질들, 화합물들, 또는 재료들, 및 기저 기판 또는 표면 상에 금속 나노구조층(116)을 퇴적 및/또는 레벨링시키기 위해 사용되는 프로세스/프로세스들에 어느 정도 의존한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층(116)의 두께들은 약 30나노미터(nm)로부터 약 150나노미터의 범위에 있을 수 있다. 금속 나노구조층(116)의 두께 또는 다른 물리적 또는 형태학적 속성들은, 특정한 유기 광발전 디바이스 성능 파라미터들을 충족시키기 위해 수정, 조정, 또는 변경될 수도 있다.
일 예시에서, 금속 나노구조층(116)은, 메트릭스에 임베딩된 복수의 금속 나노와이어들, 금속 나노도트들, 또는 이들의 결합들을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "메트릭스"는, 금속 나노와이어들이 분산되거나 임베딩된 재료를 지칭한다. 메트릭스 내에서, 나노구조들 및/또는 나노와이어들은 하나 또는 그 초과의 축들을 따라 랜덤하게 배열되거나 우선적으로 정렬될 수도 있다. 나노구조들 및/또는 나노와이어들은 메트릭스 내에서 균일한 또는 비-균일한 방식으로 배치될 수도 있다. 적어도 몇몇 예시들에서, 금속 나노구조층(116) 내의 금속 나노구조들의 어레인지먼트는, 예를 들어, 바람직한 평면내 또는 관통-평면(through-plane) 저항 특징들을 제공함으로써 하나 또는 그 초과의 바람직한 물리 또는 전기 속성들을 제공할 수도 있다. 나노구조들 및/또는 나노와이어들은, 금속 나노구조층(116)에 의해 형성된 하나 또는 그 초과의 표면들로부터 연장할 수도 있거나 연장하지 않을 수도 있다. 메트릭스는, 나노구조들 및/또는 나노와이어들에 대한 호스트이며, 물리 형태를 금속 나노구조층(116)에 제공한다. 메트릭스는, 화학적인, 갈바니적인(galvanic), 또는 환경적인 부식과 같은 해로운 환경적인 팩터들로부터 나노구조들 및/또는 나노와이어들을 보호하도록 선택 또는 구성될 수도 있다. 특히, 메트릭스는, 습기, 미량의 산, 산소, 황 등과 같은 잠재적으로 부식성 엘리먼트들의 투과성을 현저하게 낮추며, 이들 모두는, 메트릭스 및/또는 기저 기판들, 표면들, 또는 구조들에 임베딩된 나노구조들 및/또는 나노와이어들을 잠재적으로 열화시킬 수 있다.
부가적으로, 메트릭스는, 금속 나노구조층(116)에 대한 전체 물리 및 기계 속성들에 기여한다. 예를 들어, 메트릭스는, 중간층(110) 내에서 이웃한 전자 전달층들(112) 및 홀 전달층들(114)에 대한 금속 나노구조층(116)의 부착을 촉진할 수 있다. 메트릭스는 또한, 금속 나노구조층(116)의 유연성, 및 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)와 같은 금속 나노구조층(110)을 포함하는 중간층(110)을 포함한 유기 광발전 디바이스들의 전체 유연성에 기여한다.
적어도 몇몇 예시들에서, 메트릭스는 광학적으로 투명한 재료이다. 재료의 광 투과도가 가시 영역(약 400nm으로부터 약 700nm까지의 파장들의 대역)에서 적어도 80%이면, 재료는 광학적으로 투명하다고 고려된다. 다수의 팩터들은, 굴절률(RI), 두께, 두께 전반에 걸친 RI의 일관성, (계면을 포함하는) 표면 반사, 및 헤이즈(haze)(표면 거칠기 및/또는 임베딩된 입자들에 의해 야기된 산란 손실)를 제한없이 포함하는 메트릭스의 광학적 투명도를 결정한다. 특정한 실시예들에서, 메트릭스는 평균적으로, 메트릭스에 임베딩되거나 그렇지 않으면 함유된 금속 나노구조들보다 얇을 수도 있다. 예를 들어, 메트릭스는 약 10nm의 두께를 가질 수도 있는 반면, 금속 나노구조들(예를 들어, 실버 나노와이어들)은 약 30nm의 직경 및 약 50nm의 길이를 갖는다. 메트릭스는, 약 1.3 내지 약 2.5 또는 약 1.35 내지 약 1.8의 굴절률을 가질 수 있다.
특정한 실시예들에서, 메트릭스는, 또한 폴리머 메트릭스로 지칭되는 폴리머이다. 광학적으로 투명한 폴리머들이 당업계에 알려져 있다. 적절한 폴리머 메트릭스들의 예들은, 폴리메타크릴레이트들(예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트)), 폴리아크릴레이트들 및 폴리아크릴로니트릴들과 같은 폴리아크릴계, 폴리비닐 알콜들, 폴리에스테르들(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET), 폴리에스테르 나프탈레이트, 및 폴리카보네이트들), 페놀릭들 또는 크레솔-포름알데히드(Novolacs®)와 같은 높은 정도의 방향족성을 갖는 폴리머들, 폴리스티렌들, 폴리비닐톨루엔, 폴리비닐자일렌, 폴리마이드들, 폴리아미드들, 폴리아마이드이미드들, 폴리에테르아마이드들, 폴리설파이드들, 폴리술폰들, 폴리페닐렌들, 및 폴리페닐 에테르들, 폴리우레탄(PU), 에폭시, 폴리올레핀들(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 및 사이클로 올레핀들), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머(ABS), 셀룰로오스계, 실리콘들 및 다른 실리콘-함유 폴리머들(예를 들어, 폴리실세스퀴옥산들), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리아세테이트들, 폴리노보넨들, 합성 고무들(예를 들어, EPR, SBR, EPDM), 및 플루오로폴리머들(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌(TFE) 또는 폴리헥사플루오로프로필렌), 플루오로-올레핀 및 하이드로카본 올레핀(예를 들어, Lumiflon®)의 코폴리머들, 및 비정질 플루오로카본 폴리머들 또는 코폴리머들(예를 들어, Asahi Glass Co.의 CYTOP®, 또는 DuPont 사의 Teflon® AF)을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
다른 실시예들에서, 메트릭스는 무기 재료이다. 예를 들어, 실리카, 물라이트, 알루미나, SiC, MgO--Al2O3--SiO2, Al2O3--SiO2, MgO--Al2O3--SiO2--Li2O 또는 이들의 혼합물에 기초한 솔-겔 메트릭스가 사용될 수 있다.
특정한 실시예들에서, 메트릭스 그 자체는 전도성 속성들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 메트릭스는 전도성 폴리머일 수 있다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리아닐린들, 폴리티오펜들, 폴리피롤들 및 폴리디아세틸렌들을 제한없이 포함하는 전도성 폴리머들이 당업계에 잘 알려져 있다.
다른 실시예들에서, 폴리머 메트릭스는, 기판 상에 나노구조들을 고정시키는 바인더로서 기능하는 점성 변형기일 수도 있다. 적절한 점성 변형기들의 예들은, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC), 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 크산탄 검, 폴리비닐 알콜, 카르복시 메틸 셀룰로오스, 및 하이드록시 에틸 셀룰로오스를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 금속 나노구조층(116)은, 금속 나노구조들 및/또는 나노와이어들 및 메트릭스의 결합을 지칭할 수 있다. 전도성이 하나의 금속 나노구조 및/또는 나노와이어로부터 다른 것으로의 전기 전하 전달에 의해 달성되므로, 충분한 금속 나노구조들 및/또는 나노와이어들의 밀도가, 전기 전달 임계치에 도달하고 적절한 전체 레벨들의 전도성을 제공하기 위해 금속 나노구조층(116)에 존재해야 한다. 위에서 논의된 바와 같이, 금속 나노구조층(116)은, 하나 또는 그 초과의 바람직한 전기 속성들 또는 특징들을 전달하기 위한 다른 재료들을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 금속 나노구조층(116)에 존재하는 나노와이어들의 전부 또는 일부는 하나 또는 그 초과의 바람직한 전기 속성들을 제공하기 위해 정렬될 수 있다. 그러한 구성들은, 발명의 명칭이 "Functional Films Formed by Highly Oriented Deposition of Nanowires"으로 2007년 10월 12일자로 출원된 미국 출원 번호 제 11/871,721호, 및 발명의 명칭이 "Grid Nanostructure Transparent Conductor For Low Sheet Resistance Applications"으로 2011년 11월 2일자로 출원된 미국 출원 번호 제 13/287,881호에서 상세히 설명되며, 그 미국 출원들 둘 모두는, 그들이 본 명세서에 포함된 정보와 불일치하지 않는 정도까지, 그 전체가 본 명세서에 인용에 의해 포함된다.
금속 나노구조층(116)의 기계 및 광학 속성들은, 그 내의 높은 고형물 부하(high solids loading)(예를 들어, 나노와이어들, 산란 입자들, 및 다른 미립자 첨가물들)에 의해 수정, 협상, 또는 그렇지 않으면 영향을 받을 수도 있다. 유리하게, 금속 나노와이어들의 높은 애스팩트 비율들은, 실버 나노와이어들에 대해 바람직하게는, 약 0.05μg/cm2 내지 약 10μg/cm2, 더 바람직하게는 약 0.1μg/cm2로부터 약 5μg/cm2 까지 그리고 더 바람직하게는 약 0.8μg/cm2로부터 약 3μg/cm2까지의 임계 표면 부하 레벨로 메트릭스를 통해 전도성 네트워크의 형성을 허용한다. 이들 표면 부하 레벨들은 금속 나노구조층(116)의 기계 또는 광학 속성들에 영향을 주지 않는다. 이들 값들은, 나노와이어들의 치수들 및 공간적 분산에 매우 의존한다. 유리하게, 튜닝가능한 전기 전도성(또는 표면 저항) 및 광학 투명도를 갖는 투명한 전도체들은, 금속 나노와이어들의 부하 레벨들을 조정함으로써 제공될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 금속 나노구조층(116)의 광 투과도는 적어도 80%이며, 98%만큼 높을 수 있다. 다양한 실시예들에서, 금속 나노구조층(116)의 광 투과도는, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%일 수 있으며, 적어도 91% 내지 99%만큼 높을 수 있다.
제 1 유기 광발전 디바이스(610)는, 제 1 대역의 파장들(630) 내로 떨어지는 광자들을 포함한 전자기 방사에 대한 노출 시에 직류 전압을 제공할 수 있는 임의의 유기 광발전 디바이스를 포함할 수 있다. 제 1 유기 광발전 디바이스(610)는, 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 구성 및/또는 재료들을 사용하여 구성될 수도 있다. 도 6에 도시된 구현과 같은 몇몇 구현들에서, 제 1 유기 광발전 디바이스(610)는 투명 전극(130) 및 제 1 활성층(612)을 포함할 수 있으며, 제 2 전자 전달층(614)은 전극(130)과 제 1 활성층(612) 사이에 개재된다.
전극(130)은, 제 1 대역의 파장들(630) 내로 떨어지는 광자들 및 제 2 대역의 파장들(640) 내로 떨어지는 광자들을 전달할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 광학적으로 투명하거나 반투명한 전기적으로 전도성인 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 투명 전극(130)은 유리 기판 상에 퇴적된 인듐 주석 산화물("ITO")을 포함하지만, 다른 재료들 및 기판들이 대체될 수도 있다. 제 2 전자 전달층(614)은, 제 1 활성층(612)으로부터 전극(130)으로의 해리된 엑시톤들(즉, 자유롭거나 속박되지 않은 전자들)의 이동 및/또는 전달을 용이하게 할 수 있는 하나 또는 그 초과의 현재 또는 장래의 개발되는 재료들, 화합물들, 및/또는 물질들을 포함할 수 있다.
제 1 활성층(612)은, 제 1 대역의 파장들(630) 내로 떨어지는 광자들을 포함하는 전자기 방사에 대한 노출 시에, 엑시톤들(즉, 속박된 전자/홀 쌍들) 및/또는 해리된 엑시톤들(즉, 해리된 엑시톤들로부터 초래되는 자유롭거나 속박되지 않은 전자들 및 자유롭거나 속박되지 않은 홀들)을 생성할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 유기 광발전 재료, 화합물, 또는 혼합물을 포함할 수 있다.
몇몇 예시들에서, 제 1 활성층(612)은, 이중층 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들(예를 들어, 전자 도너 및 전자 억셉터)을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들 각각은 별개의, 평평한, 및/또는 동종의 층들에서 배열된다. 몇몇 예시들에서, 제 1 활성층(612)은, 이종접합 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은 폴리머 융합물을 형성하기 위해 함께 혼합된다. 몇몇 예시들에서, 제 1 활성층(612)은, 단계적인(graded) 이종접합 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은, 화합물들 사이에 그라디언트(gradient)가 형성되도록 하는 방식으로 함께 혼합된다. 몇몇 예시들에서, 제 1 활성층(612)은, 구조화된 이중층 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은, 화합물들 사이의 접촉 표면의 면적을 최대화시키는 계면을 이용하여 동종 계층들에 배치되었다.
전기활성 전자 도너 화합물들은, 프탈로시아닌("H2Pc"); 구리 프탈로시아닌("CuPc"); 아연 프탈로시아닌("ZnPc"); 및 페닐-C61-부티르 산 메틸 에스테르("PCBM")에 의해 예시되지만 이에 제한되지는 않는다. 전기활성 억셉터/홀 도너 화합물들은, 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일로)("P3HT"); 페릴렌테트라카르복실 비스-벤조이미다졸("PTCBI"); [6,6]PC61BM, PCBG, 및 BTPF60과 같은 분자들을 함유하는 C60 풀러렌들 및 C60 풀러렌; [6,6]PC71BM, 및 BTPF70과 같은 분자들을 함유하는 C70 풀러렌들 및 C70 풀러렌; 및 폴리{[2,7-(9,9-비스-(2-에틸헥실)-플루오렌)]-알트-[5,5-(4,7-디-2′-티에닐-2,1,3-벤조싸이아다이아졸)]} ("PFDTBT")에 의해 예시되지만 이에 제한되지는 않는다.
유사하게, 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는, 제 2 대역의 파장들(640) 내로 떨어지는 광자들을 포함한 전자기 방사에 대한 노출 시에 직류 전압을 제공할 수 있는 임의의 유기 광발전 디바이스를 포함할 수 있다. 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는, 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 구성 및/또는 재료들을 사용하여 구성될 수도 있다. 도 6에 도시된 구현과 같은 몇몇 구현들에서, 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는 전극(150) 및 제 2 활성층(622)을 포함할 수 있으며, 제 2 홀 전달층(624)은 전극(150)과 제 2 활성층(622) 사이에 개재된다.
전극(150)은 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 전기적으로 전도성인 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 전극(150)은 알루미늄 전극 또는 실버 전극을 포함하지만 이에 제한되지는 않지만, 다른 재료들, 화합물들, 및/또는 합금들이 결합 및/또는 대체될 수도 있다. 제 2 홀 전달층(624)은, 제 2 활성층(622)으로부터 전극(150)으로의 홀들의 이동 및/또는 전달을 용이하게 할 수 있는 하나 또는 그 초과의 현재 또는 장래의 개발되는 재료들, 화합물들, 및/또는 물질들을 포함할 수 있다.
제 2 활성층(622)은, 제 2 대역의 파장들(640) 내로 떨어지는 광자들을 포함하는 전자기 방사에 대한 노출 시에, 엑시톤들 및/또는 해리된 엑시톤들을 생성할 수 있는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 유기 광발전 재료, 화합물, 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 구현들에서, 제 2 활성층(622)은, 제 1 활성층(612)과 유사하거나 동일한 구성 및/또는 조성을 가질 수도 있다. 몇몇 구현들에서, 제 2 활성층(622)은, 제 1 활성층(612)과는 상이한 구성 및/또는 조성을 가질 수도 있다.
몇몇 예시들에서, 제 2 활성층(622)은, 이중층 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들(예를 들어, 전자 도너 및 전자 억셉터)을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들 각각은 별개의 평평한 동종의 층들에서 배열된다. 몇몇 예시들에서, 제 2 활성층(622)은, 이종접합 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은 폴리머 융합물을 형성하기 위해 함께 혼합된다. 몇몇 예시들에서, 제 2 활성층(622)은, 단계적인(graded) 이종접합 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은, 화합물들 사이에 그라디언트(gradient)가 형성되도록 하는 방식으로 함께 혼합된다. 몇몇 예시들에서, 제 2 활성층(622)은, 구조화된 이중층 어레인지먼트에서 복수의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있으며, 여기서, 화합물들은, 화합물들 사이의 접촉 표면의 면적을 최대화시키는 계면을 이용하여 동종 계층들에 배치되었다.
도 7a는 일 실시예에 따른, 제 1 유기 광발전 디바이스(710), 제 2 유기 광발전 디바이스(720), 및 금속 나노구조층(116)을 포함한 개재된 중간층(110)을 포함하는 예시적인 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 도시한다. 도 7a에 도시된 구현에서, 제 1 유기 광발전 디바이스(710)는, P3HT 및 PCBM의 혼합물을 함유하는 제 1 활성층(612) 및 아연 산화물 제 2 전자 전달층(614)을 포함한다. 제 2 유기 광발전 디바이스(720)는, P3HT 및 PCBM의 혼합물을 함유하는 제 2 활성층(622) 및 PEDOT:PSS 제 2 홀 전달층(624)을 포함한다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)는, 유기 기판 전극 상의 ITO(130) 및 실버 전극(150)을 포함한다.
중간층(110)은, 제 1 유기 광발전 디바이스(610)의 기저의 제 1 활성층(612) 상에 퇴적된 홀 전달층(114)을 포함한다. 금속 나노구조층(116)은, 비교적 낮은 온도들에서 기저의 제 1 홀 전달층(114) 기판 상에 실버 나노입자 잉크로서 퇴적된다. 낮은 온도 프로세스에서의 실버 나노입자 잉크의 도포는, 기저의 제 1 홀 전달층(114) 및 기저의 P3HT:PCBM 제 1 활성층(612)을 보호한다. 실버 나노입자("AgNW") 잉크는, 워터(water)계 마스터 용액으로부터 준비되었으며, 1:5("AgNW1") 또는 1:10("AgNW2")의 체적-비율로 이소프로필 알콜에 희석된다. 실버 나노입자들은 적어도 실버 나오와이어들을 포함한다. 아연 산화물의 제 1 전극 전달층(112)은 금속 나노구조층(116) 위에 놓인다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)는, 중간층(110)의 최적의 구성을 결정하기 위해 다양한 제 1 홀 전달층들(114)을 사용하여 조사되었다.
도 7b-7e는, 상이한 중간층 조성들을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 다수의 단락 회로 전류 밀도("J") 대 오픈 회로 전압("V") 그래프들을 도시한다. 도 8은, 도 7b-7e에 도시된 중간층들(110)의 핵심적인 성능 파라미터들을 요약하는 챠트를 제공한다. 도 8에 요약된 성능 파라미터들은, 오픈 회로 전압(VOC), 단락 회로 전류 밀도(JSC), 충진 팩터(FF － 실제의 최대 획득가능한 전력 대 오픈 회로 전압 및 단락 회로 전류의 곱의 비율), 전력 변환 효율(PCE), 직렬 저항(RS) 및 션트 저항(Rshunt)을 포함한다.
도 7b 및 7c는, 3개의 상이한 중간층(110) 결합들을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스에 대한 J-V 특징들을 도시한다. 제 1 곡선("탠덤 A" － 실선의 사각형들)은, 중간층(110)이 나노구조층(116)의 부재 시에 아연 산화물의 제 1 전자 전달층(112) 및 PEDOT의 제 1 홀 전달층(114)으로 구성되는 기준 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 2 곡선("탠덤 B" － 실선의 원들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), PEDOT 홀 전달층(114), 및 비교적 농축된 AgNW1 잉크에 의해 형성되는 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 3 곡선("탠덤 C" － 실선의 삼각형들)은, 중간층(110)이 아연 산화물의 전자 전달층(112), PEDOT 홀 전달층(114), 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크에 의해 형성되는 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다.
이제 도 8을 참조하면, 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 금속 나노구조층(116)을 개재하는 것은, 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)의 오픈 회로 전압을 개선시킨다. 도 8에 도시된 바와 같이, PEDOT/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)(즉, "탠덤 C")는, 약 61%의 충진 팩터 FF 및 1.10V의 오픈 회로 전압 VOC를 나타낸다. 중요하게, 탠덤 C에 의해 생성된 오픈 회로 전압 VOC(1.10V)는, 2개의 단일 접합 유기 광발전 디바이스들(200)(도 5의 "디바이스 D" 참조)에 의해 생성된 오픈 회로 전압 VOC(0.56V)의 합산과 거의 동일하다.
부가적으로, PEDOT/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)(즉, "탠덤 C")는, 2개의 단일 접합 유기 광발전 디바이스들(200)(도 5의 "디바이스 D" 참조)에 의해 생성된 직렬 저항 RS(1.86Ωcm2)의 합산보다 약간만 더 큰 1.93Ωcm2의 직렬 저항 RS를 나타낸다. 2개의 단일 접합 유기 광발전 디바이스들(200)의 개별 직렬 저항 RS의 합산에 비한 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)의 직렬 저항 RS에서의 관측된 약간의 증가는, 금속 나노구조층(116)의 존재에 기여가능한 중간층, 및 특히 금속 나노구조층(116)을 제공하기 위해 사용되는 비교적 희석된 AgNW2에서의 최소의 손실 속성을 표시한다.
또한, 충진 팩터 FF 및 오픈 회로 전압 VOC에서의 관측된 개선은, PEDOT/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)가 제 2 활성층(622)의 퇴적 및 레벨링 동안 확산으로부터 기저 제 1 활성층(612)을 보호하기에 충분한 강인성을 나타낸다는 것을 나타낸다. PEDOT/AgNW2/ZnO 중간층(110)은 또한, 제 1 유기 광발전 디바이스(610) 및 제 2 유기 광발전 디바이스(620)로부터 수집된 전자들 및 홀들을 수집 및 재결합할 시에 합당한 효율을 나타낸다.
대조적으로, 개재된 금속 나노구조층(116) 없이 PEDOT/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)(즉, "탠덤 A")는, 약 36%의 충진 팩터 FF 및 단지 0.52V의 오픈 회로 전압 VOC를 나타낸다. 부가적으로, 도 7c에서 비교적 높은 누설 전류에 의해 증명되는 바와 같이, PEDOT/ZnO의 결합은, 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에서 중간층(110)을 제공하기에 불충분한 강인성을 나타낸다. PEDOT/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)("탠덤 C")의 션트 저항 Rshunt(25kΩcm2)이 PEDOT/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)("탠덤 A")의 션트 저항 Rshunt(0.74kΩcm2)에 상당하는 경우, 현저한 개선이 주목된다. 션트 저항에서의 관측된 개선은, 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 금속 나노구조층(116)을 개재하는데에 기여가능한 중간층(110)의 향상된 안정성을 나타낸다.
도 7d 및 7e는, 3개의 상이한 중간층(110) 조성들을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스에 대한 J-V 특징들을 도시한다. 제 1 곡선("탠덤 D" － 실선의 사각형들)은, 중간층(110)이 금속 나노구조층(116)의 부재 시에 아연 산화물("ZnO")의 제 1 전자 전달층(112) 및 텅스텐 산화물(WO3)의 제 1 홀 전달층(114)으로 구성되는 기준 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 2 곡선("탠덤 E" － 실선의 원들)은, 중간층(110)이 ZnO의 전자 전달층(112), WO3의 홀 전달층(114), 및 비교적 농축된 AgNW1 잉크에 의해 형성되는 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다. 제 3 곡선("탠덤 F" － 실선의 삼각형들)은, 중간층(110)이 ZnO의 전자 전달층(112), WO3의 홀 전달층(114), 및 비교적 희석된 AgNW2 잉크에 의해 형성되는 개재된 금속 나노구조층(116)으로 구성되는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에 대한 J-V 특징을 도시한다.
성능 개선들이, WO3/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 이용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)에서 관측되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, WO3/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)(즉, "탠덤 F")는, 약 43%의 충진 팩터 FF 및 0.98V의 오픈 회로 전압 VOC를 나타낸다. 중요하게, 탠덤 F에 의해 생성된 오픈 회로 전압 VOC(0.98 V)는, 2개의 단일 접합 유기 광발전 디바이스들(200)(도 5의 "디바이스 G" 참조)에 의해 생성된 오픈 회로 전압 VOC(1.16 V)의 합산과 거의 동일하다. 대조적으로, WO3/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)(즉, "탠덤 D")는 단지 0.50V의 오픈 회로 전압 VOC를 나타낸다. 부가적으로, WO3/AgNW2/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)("탠덤 F")의 직렬 저항 RS(34Ωcm2)은, WO3/ZnO 중간층(110)을 사용하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)("탠덤 D")의 직렬 저항 RS(109Ωcm2)에 비해 상당한 개선을 나타낸다.
용액 프로세싱된 금속 나노구조층(116), 및 특히 실버 나노와이어들과 같은 나노구조들을 포함하는 금속 나노구조층(116)의 도입은, 제 1 전자 전달층(112) 및 제 1 홀 전달층(114)의 계면에서 재결합 속성들을 개선시킨다. 전자들 및 홀들의 재결합을 용이하게 하는데의 제한들로 인해, 금속 나노구조층(116)의 부재 시에 ZnO 제 1 전자 전달층(112) 및 PEDOT 또는 WO3 중 어느 하나의 제 1 홀 전달층(114)만을 포함하는 중간층들(110)의 효율은, 탠덤 유기 광발전 디바이스들(700)의 성능을 손상시킨다. 용액 프로세싱된 금속 나노구조층(116), 예를 들어, 용액 프로세싱된 실버 나노와이어층(116)의 탠덤 유기 광발전 디바이스(700) 내의 중간층(110)으로의 삽입은, 단일 접합 유기 광발전 디바이스들에서 공통적으로 사용되는 단일 버퍼층과 유사한 기능을 나타낸다. 이것은, 등가의 옴 접촉이 개재된 금속 나노구조층(116)에 의해 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 형성된다는 것을 표시한다.
재결합 속성들의 개선으로, PEDOT/AgNW/ZnO 또는 WO3/AgNW/ZnO와 같은 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층들(110)을 포함한 탠덤 유기 광발전 디바이스들(700)은, 각각 2.72% 및 3.10%의 전력 변환 효율들("PCE")을 제공한다. 비교를 위해, PEDOT/ZnO 또는 WO3/ZnO 중간층들(110)과 같은 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층들(110)을 포함하지 않는 대응하는 탠덤 유기 광발전 디바이스들(700)은, 각각 단지 1.24% 및 0.70%의 PCE들을 제공한다.
부가적으로, 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층들(110)은 P3HT:PCBM-계 탠덤 유기 광발전 디바이스들에서 유사한 조건들 하에서 조사되었으며, 금속 나노구조층(116)(예를 들어, 제 1 홀전달층/AgNW/제 1 전자 전달층)을 포함하는 중간층들(110)이 충분히 강인하고, 탠덤 유기 광발전 디바이스들(700)에서의 사용에 적합한 레벨로 효율을 개선시킨다는 것을 제안한다.
도 9는 적어도 하나의 금속 나노구조층(116)을 갖는 중간층(110)을 포함하는 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다. 도 7a에 도시된 것과 같은 탠덤 유기 광발전 디바이스들에서, 유기 광발전 디바이스의 성능은, 개별 유기 광발전 디바이스들에 의해 제공된 전자들 및 홀들의 효율적인 재결합을 용이하게 하기 위해 개별 유기 광발전 디바이스들을 분리시키는 중간층의 능력에 적어도 부분적으로 의존한다.
중간층(110)은, 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 배치된 금속 나노구조층(116)을 포함한다. 금속 나노구조층(116)은, 제 1 전자 전달층(112)에 걸쳐 전달된 전자들과 제 1 홀 전달층(114)에 걸쳐 전달된 홀들과의 효율적인 재결합을 촉진한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층(116)은, 약 15나노미터(nm)로부터 약 150nm까지의 두께를 갖는 실버 나노와이어들 및/또는 실버 나노도트들과 같은 실버 나노구조들의 층을 포함할 수 있다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 방법은 (902)에서 시작한다.
(904)에서, 제 1 홀 전달층(114)은, 적어도 제 1 유기 광발전 디바이스(610)를 포함하는 기판 또는 표면 상에서 형성된다. 제 1 홀 전달층(114)은, 스핀 코팅 또는 기계적인 퇴적 및 레벨링(예를 들어, 닥터 블레이딩)을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 퇴적 및 레벨링 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 제 1 홀 전달층(114)은, 약 20나노미터(nm)로부터 약 200나노미터까지의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현들에서, 제 1 홀 전달층(114)은 PEDOT 및/또는 하나 또는 그 초과의 PEDOT 함유 화합물들을 포함할 수 있다. 몇몇 구현들에서, 제 1 홀 전달층(114)은 텅스텐 산화물(WO3) 및/또는 하나 또는 그 초과의 텅스텐 산화물(WO3) 함유 화합물들을 포함할 수 있다.
(906)에서, 제 1 농도로 금속 나노구조들을 포함하는 용액이 제 1 홀 전달층(114)의 전부 또는 일부에 걸쳐 퇴적된다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조들을 함유하는 용액은, 약 0.1 중량 퍼센트(wt.%)로부터 약 5wt.%까지의 농도의 서스펜딩된 실버 나노와이어들을 함유하고, 약 1 체적부(parts by volume)의 실버 나노와이어 잉크 내지 약 5 체적부 이소프로필 알콜 대 약 1 체적부 실버 나노와이어 잉크 내지 약 10 체적부 이소프로필 알콜의 비율로 이소프로필 알콜을 이용하여 희석된 수성 실버 나노와이어 잉크를 포함한다. 금속 나노구조 용액은, 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 퇴적 기술을 통해 제 1 홀 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 도포될 수도 있다.
(908)에서, 퇴적된 금속 나노와이어 용액은 제 1 홀 전달층(114)에 걸쳐 레벨링된다. 레벨링은, 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 물리적, 기계적, 또는 화학적 레벨링 디바이스, 프로세스, 또는 시스템, 예를 들어, 닥터 블레이드를 통한 기계적 레벨링을 사용하여 달성될 수도 있다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층(116)은 약 15나노미터(nm)로부터 약 150nm까지의 두께를 가질 수 있다.
(910)에서, 제 1 전자 전달층(112)은 금속 나노구조층(116)의 표면에 걸쳐 퇴적된다. 제 1 전자 전달층(112)은, 스핀 코팅 또는 기계적인 퇴적 및 레벨링(예를 들어, 닥터 블레이딩)을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 퇴적 및 레벨링 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 제 1 전자 전달층(112)은, 약 20나노미터(nm)로부터 약 200나노미터까지의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현들에서, 제 1 전자 전달층(112)은 아연 산화물(ZnO) 및/또는 하나 또는 그 초과의 ZnO 함유 화합물들을 포함할 수 있다.
(912)에서, 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는 제 1 전자 전달층(112)의 전부 또는 일부에 걸쳐 형성된다. 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는, 임의의 현재 또는 장래의 개발되는 유기 광발전 디바이스를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 구현에서, 제 2 유기 광발전 디바이스(620)의 활성층(622)은 제 1 전자 전달층(112)의 전부 또는 일부 근방에서 형성된다. 활성층(622)은, 다수의 동종 개별층들로서 또는 전기활성 유기 화합물들의 혼합물을 포함하는 하나 또는 그 초과의 이종 층들로서 배치된 하나 또는 그 초과의 전기활성 유기 화합물들을 포함할 수 있다. 제 2 유기 광발전 디바이스(620)는 또한, 제 1 전자 전달층(112) 반대쪽에서 활성층(622)의 측면 상에 배치된 제 2 홀 전달층(624)을 포함할 수도 있다. 전극(150)은, 제 2 홀 전달층(624)의 전부 또는 일부 근방에 배치될 수도 있다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 방법은 (912)에서 종료된다.
도 10은, 제 1 유기 광발전 디바이스(610)와 제 2 유기 광발전 디바이스(620) 사이에 적어도 하나의 금속 나노구조층(116)을 갖는 중간층(110)을 퇴적시킴으로써 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 예시적인 방법을 도시한다. 도 7a에 도시된 것과 같은 탠덤 유기 광발전 디바이스들(700)에서, 유기 광발전 디바이스의 성능은, 개별의 제 1 및 제 2 유기 광발전 디바이스들(610, 620)에 의해 제공된 전자들 및 홀들을 효율적으로 재결합시키기 위해 개별의 제 1 및 제 2 유기 광발전 디바이스들(610, 620)을 분리시키는 중간층(110)의 능력에 적어도 부분적으로 의존한다.
중간층(110)은, 제 1 전자 전달층(112)과 제 1 홀 전달층(114) 사이에 배치된 금속 나노구조층(116)을 포함한다. 금속 나노구조층(116)은, 제 1 전자 전달층(112)에 걸쳐 전달된 전자들과 제 1 홀 전달층(114)에 걸쳐 전달된 홀들과의 효율적인 재결합을 용이하게 한다. 적어도 몇몇 구현들에서, 금속 나노구조층(116)은, 약 15나노미터(nm)로부터 약 150nm까지의 두께를 갖는 층 내의 실버 나노와이어들 및/또는 실버 나노도트들과 같은 실버 나노구조들의 층을 포함할 수 있다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 방법은 (1002)에서 시작한다.
(1004)에서, 반대의 제 1 및 제 2 표면들을 갖는 금속 나노구조층(116)을 포함하는 중간층(110)은, 제 1 유기 광발전 디바이스(610)와 제 2 유기 광발전 디바이스(620) 사이에 퇴적된다. 금속 나노구조층(116)에 부가하여, 중간층(110)은, 금속 나노구조층(116)의 제 1 표면 근방에 배치된 임의의 수의 제 1 전자 전달층들(112) 및 금속 나노구조층(116)의 제 2 표면 근방에 배치된 임의의 수의 홀 전달층들(114)을 포함할 수도 있다. 탠덤 유기 광발전 디바이스(700)를 형성하는 방법은 (1006)에서 종료된다.
위에서 설명된 다양한 실시예들은 추가적인 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다. 본 명세서에서 참조되고 그리고/또는 출원 데이터 시트에서 리스트된 US 특허들, US 특허 출원 공개공보들, US 특허 출원들, 외국 특허들, 외국 특허 출원들 및 비-특허 공개물들 모두는, 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 더 추가적인 실시예들을 제공하기 위해 다양한 특허들, 출원들 및 공개물들의 개념들을 이용하기 위해 필요하면, 실시예들의 양상들은 변경될 수 있다.
이들 및 다른 변경들이 위에서-상세히 설명된 설명의 관점에서 실시예들에 대해 행해질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에서, 사용된 용어들은 명세서 및 청구항들에서 기재된 특정한 실시예들로 청구항들을 제한하는 것으로 해석되는 것이 아니라, 그러한 청구항들이 자격을 부여한 등가물들의 전체 범위와 함께 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 청구항들은 개시물에 의해 제한되지 않는다.
Claims (46)
- 광학 스택으로서,
제 1 표면 및 반대쪽의 제 2 표면을 갖는 중간층을 포함하며;
상기 중간층은,
상기 제 1 표면의 적어도 일부를 형성하는 제 1 홀 전달층;
상기 제 2 표면의 적어도 일부를 형성하는 제 1 전자 전달층; 및
상기 제 1 홀 전달층과 상기 제 1 전자 전달층 사이에 개재된 복수의 금속 나노구조들을 포함하는 금속 나노구조층을 포함하고,
상기 복수의 금속 나노구조들은 복수의 금속 나노와이어들 및 복수의 금속 나노도트들을 포함하고,
상기 복수의 금속 나노와이어들은 복수의 실버 나노와이어들을 포함하고,
상기 복수의 금속 나노도트들은 복수의 실버 나노도트들을 포함하며,
상기 복수의 실버 나노와이어들 각각의 장축은, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면에 평행하고,
상기 복수의 실버 나노와이어들 각각의 장축은, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면에 평행하고,
상기 복수의 실버 나노도트들 각각의 장축은, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면에 대해 측정된 비-제로 각도들에 존재하는, 광학 스택. - 제 1 항에 있어서,
제 1 유기 광발전 디바이스를 더 포함하며,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스는, 제 1 표면 및 상기 제 1 표면에 반대쪽인 제 2 표면을 갖는 제 1 활성층을 포함하고,
상기 제 1 활성층은 제 1 대역의 파장들의 들어오는 전자기 방사에 감응하고,
상기 제 1 활성층의 제 1 표면은 제 2 전자 전달층 근방에 배치되며,
상기 제 1 활성층의 제 2 표면은 상기 중간층의 제 1 홀 전달층 근방에 배치되는, 광학 스택. - 제 2 항에 있어서,
제 2 유기 광발전 디바이스를 더 포함하며,
상기 제 2 유기 광발전 디바이스는, 제 1 표면 및 상기 제 1 표면에 반대쪽인 제 2 표면을 갖는 제 2 활성층을 포함하고,
상기 제 2 활성층은 제 2 대역의 파장들의 들어오는 전자기 방사에 감응하고,
상기 제 2 활성층의 제 1 표면은 제 2 홀 전달층 근방에 배치되며,
상기 제 2 활성층의 제 2 표면은 상기 중간층의 제 1 전자 전달층 근방에 배치되는, 광학 스택. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 대역의 파장들은, 상기 제 1 대역의 파장들에 포함되지 않는 적어도 하나의 전자기 방사 파장을 포함하는, 광학 스택. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 대역의 파장들은, 상기 제 1 대역의 파장들에 포함된 전자기 방사 파장들 중 임의의 파장을 포함하지 않는, 광학 스택. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노구조들은, 복수의 골드 나노도트들, 또는 복수의 플래티넘 나노도트들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 광학 스택. - 제 15 항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노구조들은, 실버 나노와이어들의 분해, 골드 나노와이어들의 분해, 또는 플래티넘 나노와이어들의 분해 중 적어도 하나의 분해에 의해 형성된 복수의 금속 나노도트들을 포함하는, 광학 스택. - 제 16 항에 있어서,
상기 실버 나노와이어들의 분해는 상기 실버 나노와이어들의 화학적 분해를 포함하고;
상기 골드 나노와이어들의 분해는 상기 골드 나노와이어들의 화학적 분해를 포함하며;
상기 플래티넘 나노와이어들의 분해는 상기 플래티넘 나노와이어들의 화학적 분해를 포함하는, 광학 스택. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 홀 전달층은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌술폰네이트)("PEDOT:PSS") 또는 텅스텐 산화물("WO3") 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 스택. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전자 전달층은 아연 산화물("ZnO")을 포함하는, 광학 스택. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간층은, 400나노미터(nm)로부터 600nm까지의 파장들의 범위에 떨어지는 전자기 방사의 적어도 99%의 투과도를 갖는 금속 나노구조층을 포함하는, 광학 스택. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간층은, 400나노미터(nm)로부터 600nm까지의 파장들의 범위에 떨어지는 전자기 방사의 적어도 85%의 투과도를 갖는 층을 포함하는, 광학 스택. - 탠덤(tandem) 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법으로서,
표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 홀 전달층을 형성하는 단계 － 상기 표면은 적어도 제 1 유기 광발전 디바이스를 포함함 －;
상기 제 1 홀 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐, 복수의 금속 나노구조들을 포함한 용액, 낮은 시트 저항 그리드, 또는 이들의 결합 중 적어도 하나를 포함하는 금속 나노구조층을 퇴적시키는 단계;
레벨링(level)된 금속 나노구조층을 제공하기 위해 홀 전달층 전부에 걸쳐, 퇴적된 금속 나노구조층을 레벨링시키는 단계;
레벨링된 금속 나노구조층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 전자 전달층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 전자 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 2 유기 광발전 디바이스를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 홀 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 복수의 금속 나노구조들을 포함하는 용액을 퇴적시키는 단계는,
희석된 나노와이어 잉크를 제공하기 위해, 1 체적부(parts by volume)의 실버 나노와이어 잉크 내지 5 체적부 이소프로필 알콜 대 1 체적부 금속 나노와이어 잉크 내지 10 체적부 이소프로필 알콜의 비율로 이소프로필 알콜과 함께 0.1 중량 퍼센트(wt.%)로부터 5wt.%까지의 서스펜딩된 실버 나노와이어들을 포함하는 수성 금속 나노와이어 잉크를 희석시키는 단계; 및
상기 제 1 홀 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐, 희석된 금속 나노와이어 잉크를 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
적어도 상기 제 1 유기 광발전 디바이스를 포함하는 표면 상에 상기 제 1 홀 전달층을 퇴적시키는 단계는,
상기 표면의 적어도 일부를 형성하는 인듐 주석 산화물("ITO") 기판층의 적어도 일부에 걸쳐 제 2 전자 전달층을 퇴적시키는 단계;
상기 제 2 전자 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 활성층을 퇴적시키는 단계 － 상기 제 1 활성층은, 폴리(3-헥실티오펜)("P3HT") 폴리머 및 페닐-C61-부티르 산 메틸 에스테르("PCBM") 폴리머를 포함함 －; 및
상기 제 1 활성층의 적어도 일부에 걸쳐 상기 제 1 홀 전달층을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 23 항에 있어서,
상기 제 1 활성층의 적어도 일부에 걸쳐 상기 제 1 홀 전달층을 퇴적시키는 단계는, 상기 제 1 활성층의 적어도 일부에 걸쳐 균일한 두께로 홀 전달 재료를 퇴적시키는 단계를 포함하며,
상기 홀 전달 재료는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(ethylenedioxythiophene))/폴리(스티렌설페이트(styrenesulfate))("PEDOT:PSS") 화합물 또는 텅스텐 산화물("WO3") 중 적어도 하나를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 22 항에 있어서,
상기 금속 나노구조층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 1 전자 전달층을 퇴적시키는 단계는, 상기 금속 나노구조층의 적어도 일부에 걸쳐 균일한 두께로 전자 전달 재료를 퇴적시키는 단계를 포함하며,
상기 전자 전달 재료는 아연 산화물("ZnO") 화합물을 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 전자 전달층의 전부 또는 일부에 걸쳐 제 2 유기 광발전 디바이스를 퇴적시키는 단계는,
상기 제 1 전자 전달층의 적어도 일부에 걸쳐 제 2 활성층을 퇴적시키는 단계 － 상기 제 2 활성층은, 폴리(3-헥실티오펜)("P3HT") 폴리머 및 페닐-C61-부티르 산 메틸 에스테르("PCBM") 폴리머를 포함함 －; 및
상기 제 2 활성층의 적어도 일부에 걸쳐 제 2 홀 전달층을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 탠덤 유기 광발전 디바이스로서,
중간층;
제 1 유기 광발전 디바이스;
상기 제 1 유기 광발전 디바이스에 전도적으로 커플링된 제 2 유기 광발전 디바이스;
제1 전극;
제2 전극; 및
제3 전극을 포함하며,
상기 중간층은,
제 1 홀 전달층;
제 1 전자 전달층; 및
복수의 금속 나노구조들을 포함하는 금속 나노구조층 － 상기 금속 나노구조층은, 상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에 개재됨 － 을 포함하고,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스는,
제 1 대역의 파장들의 들어오는 전자기 방사에 감응하는 제 1 활성층 － 상기 제 1 활성층은 제 1 표면 및 반대쪽의 제 2 표면을 갖고, 상기 제 1 활성층의 제 1 표면은 상기 중간층의 제 1 전자 전달층 근방에 배치됨 －; 및
상기 제 1 활성층의 제 2 표면의 전부 또는 일부 근방에 배치된 제 2 홀 전달층을 포함하며,
상기 제 2 유기 광발전 디바이스는,
상기 제 1 대역의 파장들 외부의 적어도 하나의 전자기 방사 파장을 포함하는 제 2 대역의 파장들의 들어오는 전자기 방사에 감응하는 제 2 활성층 － 상기 제 2 활성층은 제 1 표면 및 반대쪽의 제 2 표면을 갖고, 상기 제 2 활성층의 제 1 표면은 상기 중간층의 제 1 홀 전달층 근방에 배치됨 －; 및
상기 제 2 활성층의 제 2 표면의 전부 또는 일부 근방에 배치된 제 2 전자 전달층을 포함하며,
상기 제 1 전극은, 상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 제 2 홀 전달층에 전기적으로 커플링되고,
상기 제 2 전극은, 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 제 2 전자 전달층에 전기적으로 통신가능하게 커플링되며,
상기 제 3 전극은 적어도 상기 금속 나노구조층에 전도적으로 커플링된, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 삭제
- 삭제
- 제 30 항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노구조들은, 복수의 실버 나노와이어들, 복수의 골드 나노와이어들, 또는 복수의 플래티넘 나노와이어들 중 적어도 하나를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 30 항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노구조들은, 복수의 실버 나노도트들, 복수의 골드 나노도트들, 또는 복수의 플래티넘 나노도트들 중 적어도 하나를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 34 항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노도트들은, 실버 나노와이어들을 적어도 부분적으로 사용하여 형성된 실버 나노도트들, 골드 나노와이어들을 적어도 부분적으로 사용하여 형성된 골드 나노도트들, 또는 플래티넘 나노와이어들을 적어도 부분적으로 사용하여 형성된 플래티넘 나노도트들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 30 항에 있어서,
상기 제 1 홀 전달층은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌술폰네이트)("PEDOT:PSS") 또는 텅스텐 산화물("WO3") 중 적어도 하나를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 30 항에 있어서,
상기 제 1 전자 전달층은 아연 산화물("ZnO")을 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 30 항에 있어서,
상기 중간층은, 400나노미터(nm)로부터 600nm까지의 파장들의 범위에 떨어지는 전자기 방사의 적어도 99%의 투과도를 갖는 금속 나노구조층을 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 제 38 항에 있어서,
상기 중간층은, 400나노미터(nm)로부터 600nm까지의 파장들의 범위에 떨어지는 전자기 방사의 적어도 85%의 투과도를 갖는 층을 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스. - 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법으로서,
제 1 유기 광발전 디바이스와 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 중간층을 퇴적시키는 단계를 포함하며,
상기 중간층은, 적어도 제 1 전자 전달층, 제 1 홀 전달층, 및 상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에 개재된 금속 나노구조층을 포함하고,
상기 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법은,
상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에 제 1 농도로 금속 나노구조들을 함유하는 용액을 퇴적시키는 단계; 및
상기 금속 나노구조층이 15나노미터(nm)로부터 150nm까지의 두께를 갖도록 상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에 상기 금속 나노구조층을 제공하기 위해, 상기 금속 나노구조들을 함유하는 퇴적된 용액을 레벨링시키는 단계를 더 포함하고,
상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에 제 1 농도로 금속 나노구조들을 함유하는 용액을 퇴적시키는 단계는,
1 파트(part)의 잉크 내지 5 파트의 이소프로필 알콜 대 1 파트의 잉크 내지 10파트의 이소프로필 알콜의 체적 비율의 이소프로필 알콜을 이용하여, 서스펜션 내의 0.1 중량 퍼센트(wt.%)의 실버 나노와이어들로부터 서스펜션 내의 5wt.%의 실버 나노와이어들까지를 함유하는 수성 실버 나노와이어 잉크를 희석시킴으로써 상기 용액을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 전자 전달층과 상기 제 1 홀 전달층 사이에, 희석된 실버 나노와이어 잉크를 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 40 항에 있어서,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스와 상기 제 2 유기 광발전 디바이스 사이에 중간층을 퇴적시키는 단계는, 상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층과 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층 사이에 상기 중간층을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 41 항에 있어서,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층과 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층 사이에 상기 중간층을 퇴적시키는 단계는,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층 상에 상기 제 1 전자 전달층 또는 상기 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나를 퇴적시키는 단계; 및
상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층 상에 퇴적되지 않은 상기 제 1 전자 전달층 또는 상기 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나 상에 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 42 항에 있어서,
상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층 상에 상기 제 1 전자 전달층 또는 상기 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나를 퇴적시키는 단계는, 상기 제 1 유기 광발전 디바이스의 활성층 상에, 아연 산화물을 함유하는 제 1 전자 전달층 또는 PEDOT나 텅스텐 산화물 중 적어도 하나를 함유하는 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나를 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법. - 제 42 항에 있어서,
상기 제 1 전자 전달층 또는 상기 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나 상에 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층을 퇴적시키는 단계는, 아연 산화물을 함유하는 제 1 전자 전달층 또는 PEDOT나 텅스텐 산화물 중 적어도 하나를 함유하는 제 1 홀 전달층 중 적어도 하나 상에 상기 제 2 유기 광발전 디바이스의 활성층을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 탠덤 유기 광발전 디바이스를 제공하는 방법.
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|---|---|---|---|---|
| FR3023067B1 (fr) * | 2014-06-26 | 2017-10-20 | Commissariat Energie Atomique | Cellules tandem multifils |
| US10283712B1 (en) * | 2017-09-14 | 2019-05-07 | Google Llc | Paint circuits |
| CN112038363A (zh) * | 2019-06-03 | 2020-12-04 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种有机叠层太阳能电池单元及其制备方法 |
| KR102246070B1 (ko) * | 2019-11-29 | 2021-04-29 | 경북대학교 산학협력단 | 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법 |
| CN113224176B (zh) * | 2020-01-21 | 2022-10-04 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 中间串联层、叠层光伏器件及生产方法 |
| WO2023112595A1 (ja) * | 2021-12-17 | 2023-06-22 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 光電変換素子および撮像装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010109227A (ja) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Konica Minolta Holdings Inc | 有機光電変換素子 |
| JP2012227502A (ja) | 2010-08-16 | 2012-11-15 | Fujifilm Corp | 導電材料、タッチパネル、及び太陽電池 |
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Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7196366B2 (en) * | 2004-08-05 | 2007-03-27 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| SG183720A1 (en) * | 2005-08-12 | 2012-09-27 | Cambrios Technologies Corp | Nanowires-based transparent conductors |
| US7314773B2 (en) * | 2005-08-17 | 2008-01-01 | The Trustees Of Princeton University | Low resistance thin film organic solar cell electrodes |
| JP6098860B2 (ja) * | 2007-04-20 | 2017-03-22 | シーエーエム ホールディング コーポレーション | 複合透明導電体、及び機器 |
| US20110180133A1 (en) * | 2008-10-24 | 2011-07-28 | Applied Materials, Inc. | Enhanced Silicon-TCO Interface in Thin Film Silicon Solar Cells Using Nickel Nanowires |
| TWI397201B (zh) * | 2009-05-26 | 2013-05-21 | Univ Nat Taiwan | 具有奈米點之P3HT-TiO2光電電池及其形成方法 |
| WO2011018849A1 (ja) * | 2009-08-12 | 2011-02-17 | 京セラ株式会社 | 積層型光電変換装置及び光電変換モジュール |
| TWI455338B (zh) * | 2010-02-12 | 2014-10-01 | Univ Nat Chiao Tung | 超晶格結構的太陽能電池 |
| WO2012021460A2 (en) * | 2010-08-07 | 2012-02-16 | Michael Eugene Young | Device components with surface-embedded additives and related manufacturing methods |
| US20120103660A1 (en) * | 2010-11-02 | 2012-05-03 | Cambrios Technologies Corporation | Grid and nanostructure transparent conductor for low sheet resistance applications |
| JP2012129278A (ja) * | 2010-12-14 | 2012-07-05 | Konica Minolta Holdings Inc | 有機光電変換素子、その製造方法及び太陽電池 |
| US9184319B2 (en) * | 2011-01-14 | 2015-11-10 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Multi-terminal multi-junction photovoltaic cells |
| JP5930833B2 (ja) * | 2011-04-28 | 2016-06-08 | 富士フイルム株式会社 | 導電性部材、その製造方法、タッチパネル及び太陽電池 |
| JP2013179297A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-09-09 | Tokyo Institute Of Technology | 光学制御層を有する太陽電池セル |
-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010109227A (ja) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Konica Minolta Holdings Inc | 有機光電変換素子 |
| JP2012227502A (ja) | 2010-08-16 | 2012-11-15 | Fujifilm Corp | 導電材料、タッチパネル、及び太陽電池 |
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