KR102501928B1 - 유기 태양 전지 및 변색 소자 기술이 통합된 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 변환 및 저장 시스템을 갖춘 일체형 광소자를 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 및 저장 시스템을 갖춘 일체형 광소자는 음극 전극을 가지는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 광활성층, 상기 광활성층 상에 정공수송층, 상기 정공수송층 상에 양극 전극, 상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층 및 상기 전기 변색소자층 상에 음극 전극을 가지는 제2 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기 태양 전지 및 변색 소자 기술이 통합된 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 {INTEGRATED PHOTOMULTIPLIER WITH ENERGY CONVERSION AND STORAGE SYSTEMS INCORPORATING ORGANIC SOLAR CELLS AND DISCOLORATION DEVICE TECHNOLOGY}
본 발명은 유기물 기반의 반투명태양전지와 전기 변색소자를 통합하는 제조 과정과 이를 활용하여 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 내양, 열, 운동 및 압전 에너지와 같은 외부 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전자 장비에 전력을 공급하는 프로세스를 지칭한다. 이 기술은 자급 자족이 가능한 휴대용 및 무선 전자 장치에 사용하기 위해 점점 더 많은 관심을 모으고 있다. 유기 광전지 (Organic Photovoltaics, OPV)는 저비용, 환경 친화적, 경량 및 가공이 가능한 솔루션이기 때문에 에너지 수확 시스템으로서 장점이 있다. OPV의 특성은 각각 고유 한 흡수 스펙트럼 프로파일을 갖는 광활성 물질을 사용함으로써 실내 인공광을 흡수하도록 조정 가능하고, 그 결과 실내 환경에서도 고성능 장치를 사용할 수 있었으며 에너지 수확을 위해 하루 종일 작동할 수 있게 되었다.
그러나 OPV는 전원 출력 소스의 역할을 제대로 수행하는 데 몇 가지 문제가 있다. 예를 들면, 에너지 생성에 있어 빛의 조도에 크게 영향을 받는다. 이는 날씨 상태 또는 장치의 작동 위치(예 : 실내 및 실외)를 포함한 조사 환경에 따라 전력량이 변동되어 전원 공급이 불안정하고 간헐적으로 공급하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
또한 OPV에 의해 생성된 잉여 에너지는 즉시 소비되지 않으면 낭비되고, 이러한 이유로, 에너지 저장 장치는 OPV와 결합하여 저장된 에너지를 활용하는 모든 주문형 환경에서 출력 전력을 안정화하고 제어해야 한다. 이를 위해 기존의 리튬 이온 배터리, 니켈-금속 하이브리드 배터리, 및 슈퍼 커패시터를 포함하여 다양한 유형의 에너지 저장 시스템이 연구되었다.
이러한 에너지 하베스팅의 저장 시스템과 통합하는 것에 대한 최근의 관심에도 불구하고, 대부분의 접근법은 여전히 단순성을 위해 외부 저장 장치에 연결하기 위해 와이어를 사용한다.
그러나 두 시스템 사이의 거리가 길면 에너지 저장 효율은 전선의 내부 저항으로 인해 더 큰 에너지 소실로 인해 감소하고, 반면에 두 개의 격리된 시스템을 간단한 연결로 설치하기 위해서는 더 많은 공간을 필요로 하므로 특정 영역 내의 통합 밀도를 낮춰야 한다.
'실제 다용도'의 사용을 실현하려면 이러한 일체형(monolithically) 통합 장치는 주변 인공 실내 조명 환경과 1 개의 태양 조건을 포함하여 낮은 조명 강도에서도 작동해야 한다.
따라서 소량 또는 경량 전자 장치에 적용하기위한 효과적인 에너지 관리를 가지는 단일 장치로서의 에너지 하베스팅 및 저장 시스템의 일체형 통합 장치가 필요로 하는 상황이다.
본 발명은 유기물 기반의 반투명태양전지와 전기 변색소자를 통합하는 제조 과정과 이를 활용하여 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존의 에너지 저장장치들과 다르게 전기변색 유기물을 사용하여 에너지 저장 시 색상을 띄고, 에너지 저장 용량을 그 색상의 진하기로 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 또한 상기 유기물을 사용하여 색상을 띄면서도 그 사이에 격벽을 가지고 있어, 원하는 무늬를 표현할 수 있어 스마트 윈도우, 다기능성 전자기기 등과 같이 다양한 분야로의 응용하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자를 제공한다.
상기 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자는 음극 전극을 가지는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 광활성층, 상기 광활성층 상에 정공수송층, 상기 정공수송층 상에 양극 전극, 상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층 및 상기 전기 변색소자층 상에 음극 전극을 가지는 제2 기판을 포함한다.
상기 음극 전극을 가지는 제1 기판 및 제2 기판의 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 광활성층은 PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 ITIC-Th으로 이루어진 4성분계에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3) 인 것을 특징으로 한다.
상기 정공수송층은 1 nm 내지 50nm 두께인 것을 특징으로 한다.
상기 양극 전극은 은(Ag)인 것을 특징으로 한다.
상기 양극 전극은 1 nm 내지 30 nm 두께인 것은 특징으로 한다.
상기 전기 변색소자층는 전기변색 물질을 포함하고, 상기 전기변색 물질은 CF3-PV(PF6)2, CF3F-PV(PF6)2, CN-PV(PF6)2 및 EtV(PF6)2으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일체형 광소자는 7 내지 14%의 광전변환효율을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 에너지 변화 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법을 제공한다.
상기 에너지 변화 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법은 제1 기판 상에 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 전자수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 상에 양극 전극을 형성하는 단계, 상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층을 형성하는 단계 및 상기 전기 변색소자층 상에 제2 기판을 결합하는 단계를 포함한다.
상기 제1 기판 및 제 2기판은 음극 전극을 포함하고, 상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 광활성층은 PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 ITIC-Th으로 이루어진 4성분계 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3)인 것을 특징으로 한다.
상기 정공수송층은 1 nm 내지 50 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 양극 전극은 은(Ag)인 것을 특징으로 한다.
상기 양극 전극은 1 nm 내지 30 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전기 변색소자는 전기변색 물질을 포함하고, 상기 전기변색 물질은 p-트리플루오로메틸페닐 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)(=CF3-PV(PF6)2), (3-플루오로-4-트리플로로메틸)페닐 비올로겐 비스 (헥사플루오로포스페이트)(=CF3F-PV(PF6)2), CN-PV(PF6)2 및 디에틸 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)(=EtV(PF6)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 유기물 기반의 반투명태양전지와 전기 변색소자를 통합하는 제조 과정과 이를 활용하여 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자의 개발을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 일체형 광소자는 양극 전극 공유 및 양면 기판 모두 일정한 투명성을 보유함으로써 양면으로 에너지 수확, 충전 및 방전이 가능한 효과를 가진다.
본 발명은 기존의 에너지 저장장치들과 다르게 전기변색 유기물을 사용하므로 에너지 저장 시 색상을 띄고, 에너지 저장 용량을 그 색상의 진하기로 나타낼 수 있다는 장점이 있어 스마트 윈도우, 다기능성 전자기기 등과 같이 다양한 분야로의 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 빛의 방향에 따른 전극간 연결 방식에 따른 충 방전 구동 방식의 모식도 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 제조방버법에 대한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 4성분계 기반의 반투명 태양전지 소자 구조(도 4 (a))와 본 발명의 일 실시예에 따른 반투명 태양전지로 필터링하여 촬영한 사진이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반투명 태양전지 내 광활성 물질인 4가지 성분을 사용한 4성분계 시스템(Quaternary system)의 화학구조식 이다.
도 5b은 본 발명에 일 실시예에 따른 전기변색 소자에 사용된 전기변색물질의 화학구조식과 명칭이다.
도 6은 신내 조명인 LED하에서 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 구동시 색상 변화를 도시한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 광원의 종류에 따른 전류밀도-전압(Current density-voltage)그래프이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자 태양광에 따른 특성을 도시한 그래프이다.
도 9은 CF3-PV(PF6)2의 전기변색물질을 포함하는 전기변색 소자의 용량 및 성능을 나타내는 그래프이다.
도 10은 LED 조사 (3.84mW cm-2)에서 일렉트로 크로 믹 슈퍼 커패시터와 모 놀리 식으로 통합 된 에너지 저장 기능 광전지의 충전 및 방전 특성을 도시한 그래프이다.
도 11는 유사 태양광 AM(air mass) 1.5G 조명에서 패터닝(patterning) 된 일렉트로크로믹 슈퍼커패시터(electrochromic supercapacitor, ECS)와 모놀리식(Monolithic)으로 통합되어 충전된 에너지 저장 기능성 광전지(일체형 광소자)의 사진, 전기 회로도 및 응용 회로도를 도시한 것이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적인 반투명 4성분계 블랜드 기반의 유기광전지(semitransparent quaternary blend-based OPV, ST Q-OPV)의 태양 광 특성을 도시한 그래프이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 광소자의 60℃에서 가속된 형태 변화 조건에서 전력 변환 효율 (power conversion efficiency, PCE), 개방 회로 전압 (open-circuit voltage, VOC) 및 Q-OPV(quaternary blend-based OPV)의 단락전류밀도(short-circuit current, JSC)의 시간 의존적 특성을 도시한 것이다.
도 14는 각각의 전기변색 소자가 모두 결합한 본 발명의 일 실시예의 충전 전과 완충 후의 상태를 이미지로 도시한 것이다.
도 15은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자를 저(低) 강도 실내 조명에서 작동하는 이미지를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 에너지 수확/저장(충전)/전원 공급(방전) 모드를 확인한 이미지 이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예인 일체형 광소자의 유연함을 나타냄 이미지 이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자를 설명하기로 한다.
도 1는 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자(100)를 도시한다.
도 1을 참조하면 일체형 광소자(100)는 음극전극을 가지는 제 1기판(110) 상부에 전자수송층(120), 전자수송층(120) 상부에 광활성층(130), 광활성층(130) 상부에 정공 수송층(140), 정공 수송층(140) 상에 양극 전극층(150) 상부에 전기 변색소자층(160) 및 전기변색 소자층(160) 상부에 제 2기판을 포함한다.
제 1기판(110)은 음극 전극과 기판을 포함하며, 상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)일수 있다.
제1 기판(110)의 기판은 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프 탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 셀룰로오스 나노크리스탈 또는 유리 섬유 강화 플리스틱 일 수 있다.
전자수송층(120)은 리튬 플로라이드(lithium floride, LiF), 2,9-디메틸-4, 7-디페닐-1(2,9-dimethyl-4, 7-diphenyl-1), 10-페난트로라인(10-phenanthroline, BCP) 또는 폴리 [(9,9-비스(3'-(N,N-디메틸아미노)프로필)-2,7-플루오렌)-알트-2,7- (9,9-디옥틸플루오렌)](poly[(9,9-bis(3-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] , PFN), 금속산화물 (산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) 등) 또는 퍼릴렌디이미드(perylene diimide, PDI) 계열 중 하나 일 수 있다.
광활성층(130)은 (폴리[4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)벤조[1,2-b; 4,5-b']디티오펜-2,6-디일-알트-(4-(2-에틸헥실)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜-)-2-카르복실레이트-2-6-디일)]( Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b; 4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxyl Late-2-6-diyl]; PTB7-Th), 폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실) 티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-alt-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디온)]( Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl) thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))- alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'- c']dithiophene-4,8-dione); PBDB-T), (폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실-3-플로로)티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-알트-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디온)](Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl-3-fluoro)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione)]; PBDB-T-2F(PM6)), (폴리[N-9'-헵타데카닐-2,7-카르바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조토티아졸레)](Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]); PCDTBT), (폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)); P3HT) 등을 포함한 유기 고분자 전자 주개 물질, [6,6]-페닐 -C71-부티르산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; PC70BM) 및 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노 메틸렌)-인다 논))-5,5,11,11- 테트라키스(5-헥실티에닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indaone))-5,5, 11,11- Tetrakis(5-hexylthienyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b '] dithiophene ; ITIC-Th), (9-비스(2-메틸린-((3-(1,1-디시아노메틸렌)-6,7-디플로로)-인다노네))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥시립페닐)-디티노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다케노[1,2-b:5,6-b']디티오페인(9-Bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene); ITIC-2F(IT-4F)), (2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-비스(2-에틸헥실)-3,9-디운데실-12,13-디하이드로-[1,2,5]티아디아졸로[3,4-e]티에노[2",3'':4',5']티에노[2',3':4,5]피롤로[3,2-g]티에노[2',3':4,5]티에노[3,2-b]인돌-2,10-디일)비스(메타닐리딘))비스(5,6-디플로로-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인데인-2,1-다이릴리딘))디말로니트릴(2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-ethylhexyl)-3,9-diundecyl-12,13-dihydro-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[2",3'':4',5']thieno[2',3':4,5]pyrrolo[3,2-g]thieno[2',3':4,5]thieno[3,2-b]indole-2,10-diyl)bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile); BTP-4F(Y6)) 및 (2,2′-((2Z,2′Z)-(((4,4,9,9-테트라키스(4-헥시립페닐)-4,9-디하이드로-신다케노[1,2-b:5,6-b′]디티오페인-2,7-디일)비스(4-((2-에틸헥실)옥시)티오핀-5,2-디일))비스(메타닐리딘))비스(5,6-디플로로-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인데인-2,1-다이릴리딘))디말로니트릴(2,2′-((2Z,2′Z)-(((4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9-dihydro-sindaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene-2,7-diyl)bis(4-((2-ethylhexyl)oxy)thiophene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile); IEICO-4F) 등을 포함한 저분자 전자 받개 물질로 이루어진 군에서 하나 이상 포함할 수 있다.
바람직하게는 광활성층(130)은 4성분계 물질인 PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 ITIC-Th로 구성되어 있을 수 있으며, 기존의 2성분계 태양전지에 비해 성분이 추가되어 광활 성층의 흡수 스펙트럼 영역의 증가 및 몰포로지의 개선으로 인해 향상된 광흡수, 에너지 전달 및 전하 이동 능력을 보인다.
특히 특정 영역의 흡수 스펙트럼을 갖는 구성성분의 비율을 변화시켜 가시 광선 전 영역에 걸쳐 원하는 색상을 구현할 수 있는 특징을 갖는다.
그리고 광활성층(130)의 구성 물질인 상기 PTB7-Th, 상기 PBDB-T, 상기PC70BM, 및 상기 ITIC-Th의 화학구조식은 도 5a에 도시하고 있다.
상기 도 1의 정공수송층(140)은 정공(Electron hole)을 전달하며, 상기 정공수송층은 전도성고분자(PEDOT/PSS), 구리 프탈로시아닌(Copper phthalocyanine, CuPc), 그패핀옥사이드(graphene oxide), 산화니켈(NiO), 오산화바나듐(V2O5), 산화구리(CuO), 산화루테늄(RuO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화몰리브덴(MoO3)일 수 있다.
바람직하게는 상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3)일 수 있고, 상기 정공수송층의 두께는 1nm 내지 50nm 일수 있고 바람직하게는 15nm일 수 있다.
양극 전극층(150)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)일수 있다. 바람직하게는 상기 양극 전극은 은(Ag)일 수 있고, 상기 양극 전극의 두께는 1nm 내지 30 nm일 수 있다. 상기 두께는 여러가지 조건에 의해 변경되어 최적값이 다를수 있으나, 본 발명의 일 실시예를 기준으로 할 때 가장 바람직한 두께는 10nm일 수 있다.
전기 변색소자층(160)은 전기 변색 물질을 포함하고, 상기 전기 변색 물질은 p-트리플루오로메틸페닐 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)(p-trifluoromethylphenyl viologen bis (hexafluoro phosphate); CF3-PV(PF6)2), (3-플루오로-4-트리플로로메틸)페닐 비올로겐 비스 (헥사플루오로포스페이트)((3-fluoro-4-trifluoromethyl) phenyl viologen bis (hexafluorophosphate); CF3F-PV(PF6)2), 사이아노페닐 비올로겐 비스 (헥사플루오로포스페이트) (cyanophenyl viologen bis (hexafluorophosphate); CN-PV(PF6)2 및 디에틸 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)( Diethyl viologen bis (hexafluoro phosphate); EtV(PF6)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한 CF3-PV(PF6)2과 CN-PV(PF6)2 에너지 저장 시 비슷한 색 (녹색계열)을 나타내는 물질이긴 하나 서로 다른 물질이며, 안정성은 CF3F-PV(PF6)2가 더 뛰어나지만 보유하고 있는 물질에 따라 둘다 사용 가능하다.
또한 커패시터로써 활용 가능한 전기 변색소자층(160)는 이온겔 상태의 전해질을 기반으로 제작된다. 공중합체와 이온성 액체로 구성된 이온겔에 산화-환원반응이 가능한 물질을 첨가하여 제작이 가능하며, 외부 전압인가시 변색되는 특성을 보인다
전기 변색소자층(160)은 격벽(162)구조를 더 가지고 있을 수 있다. 격벽(162)는 전기 변색소자간의 일정한 간격을 가지고 있어, 전기 변색소자가 충전 또는 방전으로 특정한 무늬나 글씨등으로 나타날 수 있도록 한다.
상기 격벽(162)는 디바이스의 심미성을 높이기 위하여 충전시 원하는 모양이 나타나도록(도 11참조) 격벽(162)을 이용할 수 있고, 상기 전기변색 물질을 격벽(162) 내에 채워 넣어서 이용할 수도 있다. 이 때 격벽은 포토레지스트를 기판에 코팅하여 원하는 모양이 삽입된 포토마스크를 이용하여 광경화시켜 형성한다. 그리고 격벽 사이에 전기 변색 용액을 채워 넣어 원하는 모양을 만든다.
전기 변색소자층(160)에 포함하는 전기 변색 물질 CF3-PV(PF6)2, CF3F-PV(PF6)2), CN-PV(PF6)2, EtV(PF6)2 은 도 5b에 각각의 구조식을 도시하고 있다.
또한 상기 CF3-PV(PF6)2는 빨간색(Red)을 CF3F-PV(PF6)2)과 CN-PV(PF6)2는 초록색(Green)을 EtV(PF6)2는 파란색(Blue)을 나타낸다.
상기 도 1의 제 2기판(170)은 음극 전극과 기판을 포함하며, 상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)일수 있다.
제 2기판(170)의 기판은 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프 탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드 또는 유리 섬유 강화 플리스틱 일 수 있다.
도 2는 상기 도 1의 일체형 광소자의 전극 연결 방식에 따른 충전(Charging) / 방전(Discharging) 구동방식을 도시한다. 이때 도 2는 제1 기판(110)인 ITO glass, 전자수송층(120)인 PFN, 광활성층(130)인 Auaternary BHJ 정공수송층(140)인 몰리브덴（MoO3）과　공유(shared)되는 양극 전극층(150)인 은(Ag)를 반투명 유기광전지(Semi-Transparent Organic photovoltaics, ST-OPV)로 표기하고 있으며, 공유되는 양극 전극층(150)인 은(Ag), 전기 변색소자층(160)인 EC gel과 제 2기판(170)인 ITO glass를 전기변색 슈퍼커패시터(EC(electrochromic) super-capacitor, ECS)로 구성되어 있다.
상기 도 2와는 달리 역으로 제조하는 경우, 반투명 유기광전지(ST-OPV)가 상층에 위치하고, 상기 전기변색 슈퍼커패시터가 하층에 위치하여도 도 2의 일체형 광소자는 양극 전극층(150)인 은(Ag)을 공유하고, 제1 기판 및 제2 기판에서 일정하 투명성을 보유하고 있어 양면으로 전기 수확, 충전 및 방전이 가능하다.
도 3은 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자 제조방법의 순서도를 도시한다.
도 3을 참조하면 에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자의 제조방법은 제1 기판에 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 전자수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 상에 양극 전극을 형성하는 단계, 상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층을 형성하는 단계 및 제2 기판을 결합하는 단계를 포함하고, 상기 전기 변색소자층은 이온겔을 이용하여 제조한 전기변색 소자를 부착하여 상기 전기 변색소자층을 형성한다.
상기 제1 기판은 음극 전극 및 기판을 포함하고, 상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO),탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(graphene)일 수 있다.
상기 제1 기판의 기판은 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프 탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 셀룰로오스 나노크리스탈 또는 유리 섬유 강화 플리스틱일 수 있다.
상기 전자수송층은 리튬 플로라이드(lithium floride, LiF), 2,9-디메틸-4, 7-디페닐-1(2,9-dimethyl-4, 7-diphenyl-1), 10-페난트로라인(10-phenanthroline, BCP) 또는 폴리 [(9,9-비스(3'-(N,N-디메틸아미노)프로필)-2,7-플루오렌)-알트-2,7- (9,9-디옥틸플루오렌)](poly[(9,9-bis(3-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] , PFN), 금속산화물 (산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) , Nb2O5, Al2O3, ZrO2 등). Cs2CO3, Li2CO3, Na2CO3와 같은 탄산알칼리(alkali carbonate) 및 퍼릴렌디이미드(perylene diimide, PDI) 그룹 중 하나일 수 있다.
상기 광활성층은 (폴리[4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)벤조[1,2-b; 4,5-b']디티오펜-2,6-디일-알트-(4-(2-에틸헥실)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜-)-2- 카르복실레이트-2-6-디일)]( Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b; 4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxyl Late-2-6-diyl]; PTB7-Th), 폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실) 티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-alt-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디온)]( Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl) thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))- alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'- c']dithiophene-4,8-dione); PBDB-T), (폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실-3-플로로)티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-알트-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디온)](Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl-3-fluoro)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione)]; PBDB-T-2F(PM6)), (폴리[N-9'-헵타데카닐-2,7-카르바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조토티아졸레)](Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]); PCDTBT), (폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)); P3HT) 등을 포함한 유기 고분자 전자 주개 물질, [6,6]-페닐 -C71-부티르산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; PC70BM) 및 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노 메틸렌)-인다 논))-5,5,11,11- 테트라키스(5-헥실티에닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indaone))-5,5, 11,11- Tetrakis(5-hexylthienyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b '] dithiophene ; ITIC-Th) (9-비스(2-메틸린-((3-(1,1-디시아노메틸렌)-6,7-디플로로)-인다노네))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥시립페닐)-디티노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다케노[1,2-b:5,6-b']디티오페인(9-Bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene); ITIC-2F(IT-4F)), (2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-비스(2-에틸헥실)-3,9-디운데실-12,13-디하이드로-[1,2,5]티아디아졸로[3,4-e]티에노[2",3'':4',5']티에노[2',3':4,5]피롤로[3,2-g]티에노[2',3':4,5]티에노[3,2-b]인돌-2,10-디일)비스(메타닐리딘))비스(5,6-디플로로-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인데인-2,1-다이릴리딘))디말로니트릴(2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-ethylhexyl)-3,9-diundecyl-12,13-dihydro-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[2",3'':4',5']thieno[2',3':4,5]pyrrolo[3,2-g]thieno[2',3':4,5]thieno[3,2-b]indole-2,10-diyl)bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile); BTP-4F(Y6)) 및 (2,2′-((2Z,2′Z)(((4,4,9,9-테트라키스(4-헥시립페닐)-4,9-디하이드로-신다케노[1,2-b:5,6-b
Figure 112020139220115-pat00001
디티오페인-2,7-디일)비스(4-((2-에틸헥실)옥시)티오핀-5,2-디일))비스(메타닐리딘))비스(5,6-디플로로-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인데인-2,1-다이릴리딘))디말로니트릴(2,2′-((2Z,2′Z)-(((4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9-dihydro-sindaceno[1,2-b:5,6-b′']dithiophene-2,7-diyl)bis(4-((2-ethylhexyl)oxy)thiophene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile); IEICO-4F) 등을 포함한 저분자 전자 받개 물질로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 정공수송층은 전도성고분자(PEDOT/PSS), 구리 프탈로시아닌(Copper phthalocyanine, CuPc), 그패핀옥사이드(graphene oxide), 산화니켈(NiO), 오산화바나듐(V2O5), 산화구리(CuO), 산화루테늄(RuO2), 삼산화텅스텐(WO3) 산화몰리브덴(MoO3) 일 수 있다.
바람직하게는 상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3)일 수 있고, 상기 정공수송층의 두께는 15nm로 형성할 수 있다.
상기 양극 전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)일수 있다. 바람직하게는 상기 양극 전극은 은(Ag)일 수 있고, 상기 양극 전극의 두께는 10nm로 형성할 수 있다.
상기 전기 변색소자층은 전기 변색 물질을 포함하고, 상기 전기 변색 물질은 p-트리플루오로메틸페닐 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)(p-trifluoromethylphenyl viologen bis (hexafluoro phosphate); CF3-PV(PF6)2), (3-플루오로-4-트리플로로메틸)페닐 비올로겐 비스 (헥사플루오로포스페이트)((3-fluoro-4-trifluoromethyl) phenyl viologen bis (hexafluorophosphate); CF3F-PV(PF6)2), 사이아노페닐 비올로겐 비스 (헥사플루오로포스페이트) (cyanophenyl viologen bis (hexafluorophosphate); CN-PV(PF6)2 및 디에틸 비올로젠 비스(헥사플루오로 포스페이트)( Diethyl viologen bis (hexafluoro phosphate); EtV(PF6)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 전기 변색소자층을 형성하는 전기 변색 소자는 상기 이온겔을 이용하여 제조한다. 상기 이온겔은 공중합체 물질, 이온성 액체(Ionic liquid), 산화물질(Anodic species), 전기변색 물질을 유기용매에 혼합한 후 건조하여 제조한다.
상기 공중합체 : 이온성 액체: 산화물질: 전기변색 물질: 유기용매의 비율은 1 : 4 : (0.035 내지 0.05) : (0.13 내지 0.2) : 15 중량비 일수 있다.
상기 공중합체는 P(VDF-co-HFP)일수 있고, 상기 이온성 액체는 [EMI][TFSI] , [BMI][TFSI] 또는 [BMI][BF4]일 수 있다.
이때 상기 이온겔을 구성시 상기 이온성 액체 [EMI][TFSI] , [BMI][TFSI] 및 [BMI][BF4]에서 모두 선택 사용 가능하며, 사용하는 전기변색 유기물에 따라 더 안정적으로 구동가능한 조합은 다음과 같다.
전기변색 유기물로 CF3-PV(PF6)2 를 사용할때는 이온성 액체는 [BMI][BF4]가 안정적으로 구동가능한 좋합이며, CN-PV(PF6)2 와 EtV(PF6)2 는 [EMI][TFSI] 또는 [BMI][TFSI]와 더 안정적으로 구동가능한 조합이다. .
상기 산화 물질은 디메틸 페로센(dimethyl ferrocene, dmFc)일 수 있고, 전기변색 물질은 CF3-PV(PF6)2(빨간색을 나타냄), CN-PV(PF6)2(초록색을 나타냄) 및 EtV(PF6)2(파란색을 나타냄)에서 하나 이상을 선택할 수 있다.
유기광전지의 반투명전극으로 사용된 은 박막 위에 상기 이온겔을 이용하여 제조한 상기 전기 변색소자를 자르고 붙이는 과정이 수반된다. 이는 액체상태의 전해질을 사용하는 것에 비해 이온겔을 사용한다는 점에서 태양전지와 이루는 계면의 손상을 최소화할 수 있어 일체형 소자 제작시 공정 과정 내의 제약이 따르지 않는다는 장점을 지닌다.
상기 제 2기판은 음극 전극과 기판을 포함하며, 상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO), 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(graphene)일수 있다.
상기 제2 기판의 기판은 기판은 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프 탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 셀룰로오스 나노크리스탈 또는 유리 섬유 강화 플리스틱 일 수 있다.
에너지 변환 및 저장의 기능을 가지는 일체형 광소자의 제조방법으로 제작된 일체형 광소자는 중간 전극인 은과 양쪽의 말단 전극인 인듐 주석 산화물 (Indium tin oxide)간의 회로 연결 상태에 따라 에너지의 충전과 방전을 가능하게 한다. 또한 유기물을 기반으로 제작되어 색상을 띤다는 특성으로 인해 다양한 분야로의 응용이 가능하다.
실시예 1.
역구조의 반투명 태양전지를 제작하기 위해 인듐 주석 산화물이 코팅된 유리 기판에 전자수송물질 (Electron transport material)인 PFN(폴리[(9,9-비스(3'-(N, N-프로필아미노)프로필)-2,7-플루오렌)-alt-2,7-(9,9-디옥틸플루오렌)]{폴리[(9,9- 비스(3'-(N,N-디메틸아미노)프로필)-2,7-플루오렌)-alt-2,7-(9,9-디옥틸플루오렌)]})용액을 스핀코팅 방식으로 증착하여 상기 인듐 주석 산화물이 코팅된 유리 기판에 전사수송층을 형성하여 준비한다.
실시예 2.
상기 실시예 1에 따라 전사수송층이 형성된 기판상에 광활성층 제조를 위해 전자 주개인 2개의 고분자 (PTB7-Th, PBDB-T) 물질과 전자 받개인 2개의 저분자 (PC70BM, ITIC-Th) 물질을 광활성 물질로 사용한다. PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 ITIC-Th를 0.9 : 0.1 : 0.75 : 0.75의 질량% 비율로 2 부피%의 1-클로로나프탈렌이 첨가된 98 부피%의 클로로 벤젠(무수, 99.8%) 용매에 혼합하여 총 25mg/ml의 농도가 되도록 4성분계 혼합물을 준비하고 50℃에서 밤새 (overnight) 격렬하게 교반하여 블렌드 용액을 제조한다.
상기 블렌드 용액을 불활성 분위기에서 상기 준비예 1에서 준비한 PFN 코팅된 ITO 기판에 스핀 코팅하여 100nm 두께의 광활성층을 형성한 기판을 준비한다.
실시예 3.
상기 광활성층이 형성된 기판에 정공수송층 (Hole transport layer)인 삼산화몰리브덴 (Molybdenum(VI) oxide)과 은 (Silver)을 반투명 상부 전극(Anode)로 형성한다. 이때 11.4mm2의 활성 영역을 가지는 섀도마스크(shadow maks)를 통해 열 증발시켜 제작되었으며, 상기 상부 전극은 MoO3(10nm)와 Ag(15nm)의 두께로 구성된 역구조의 반투명 유기광전지(ST-OPV)를 제조한다.
상기 역구조의 반투명 유기광전지 소자의 구조는 도 4a에 도시한다.
실시예 4.
상시 실시예 3에서 제작된 반투명 유기광전지 위에 전기 변색소자층을 형성하기 위해, 전기 변색소자인 이온겔을 제작한다. 상기 이온겔 제작은 공중합체인 P(VDF-co-HFP), 이온성 액체인 [EMI][TFSI] 혹은 [BMI][BF4], 산화 물질인 dmFc 및 전기변색 물질인 CF3-PV(PF6)2(빨간색을 나타냄), CN-PV(PF6)2(초록색을 나타냄) 및 EtV(PF6)2(파란색을 나타냄)을 50 ℃ 온도의 아세톤에서 충분히 녹여 이온겔 용액을 제조한 후, 슬라이드글라스에 용액을 도포하여 상온에서 말린다. 이때 상기 공중합체 : 이온성 액체: 산화물질: 전기변색 물질: 아세톤의 혼합비율은 1 : 4 : (0.035, 0.04, 0.05) : (붉은색:0.13, 초록색:0.13, 파란색:0.2) : 15 중량비이다.
상기 전기변색 물질의 양에 따라 상기 산화물질의 양을 설정하며, 붉은색의 전기변색 물질과 산화물질의 비율은 0.13 : 0.035의 중량비이고, 초록색의 전기변색 물질과 산화물질의 비율은 0.13 :0.04 중량비이며, 파란색 전기변색 물질과 산화물질의 비율은 0.2 : 0.05 중량비 이다.
이때 상기 전기변색 물질은 단일로 사용하여 전기 변색소자를 제조하거나, 제조된 전기 변색소자들을 겹쳐서 사용할 수도 있고, 또는 상기 전기변색 물질들을 혼합하여 전기 변색소자를 제조할 수도 있다. 상기 전기변색 물질들을 혼합하여 사용하는 경우에는 해당 산화물질도 비율대로 첨가하여야 한다.
실시예 5
상기 실시예 4에 따라 슬라이드 글라스 상에 말린 이온겔을 잘라낸 후 상기 실시예 3에 따라 준비한 역구조의 반투명 유기광전지의 활성 영역 (Active area)인 상부 전극(Anode) 위에 옮겨 붙인다. 이때 각각의 색상별로만 부착하거나 또는 혼합하여 부착한다. 이후, 인듐 주석 산화물(ITO) 기판을 덮어 반투명 유기 광전지(ST-OPV) 및 전기변색 슈퍼커패시터(ECS) 기술이 통합되어 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 시료를 제조한다.
실시예 6.
상기 실시예 4에 따라 슬라이드 글라스 상에 말린 이온겔을 잘라낸 후 정공수송층 (Hole transport layer)인 삼산화몰리브덴 (Molybdenum(VI) oxide)과 은 (Silver)을 포함하는 기판상에 부착하고, 그 위에 인듐 주석 산화물(ITO) 기판을 덮어 전기변색 슈퍼커패시터(ECS)를 제조한다.
특성평가 1.
실시예 3에 따라 제조한 반투명 유기광전지로 필터링하여 사진을 촬영한다.
촬영결과는 도 4(b)도시하였다.
상기 도4(b)를 참조하면 뒤편의 물체가 보이는 투명성을 통해 실시예 3에 따라 제조한 반투명 유기광전지의 특성을 확인할 수 있다.
특성평가 2.
실시예 5에 따라 제조된 시료의 광전지쪽에서 빛을 비추되, 실내 조명인 LED 하에서 구동되는지 확인한다. 이때 사용된 이온겔의 전기 변색 물질은 CF3-PV(PF6)2와 CN-PV(PF6)2이다. 확인결과는 도 6에 도시한다.
도 6를 참조하면, 전기 변색 물질 CF3-PV(PF6)2를 이용하여 제조된 시료는 도 6의 a에 도시하고, 전기 변색 물질 CN-PV(PF6)2를 이용하여 제조된 시료는 도 6의 b에 그 결과를 각각 도시한다. 이때 LED 실내 조명하에서 소자가 구동되어 각각 빨간색과 초록색으로 변색되었음을 확인할 수 있다.
특성평가 3.
실시예 5에 따라 제조된 시료를 광전지쪽에서 빛을 비추고, 태양광 및 LED 1,000 lux 환경하에서 전류밀도-전압(Current density-votabe)특성을 확인한다.
확인 결과는 도 7에 도시한다.
도 7을 참조하면, 실시예 5에 따라 제조된 시료는 태양광(도 7a)과 LED(도 7b) 환경하에서 각각 7.34%, 13.08%의 광전변환효율을 나타내었다.
특성평가 4.
실시예 5에 따라 제조된 시료 중에 붉은색 전기변색 물질을 사용하여 제조된 시료를 전기변색 소자쪽으로 빛을 비추고, 태양광 및 LED 1,000 lux 환경하에서 전류밀도-전압(Current density-votabe)특성 및 EQC 스펙트럼을 확인하고, 실시예 5에 따라 제조된 시료를 통해 필터링한 사진을 촬영하였다. 확인 결과는 도 8에 도시한다.
도 8를 참조하면 도 8의 a는 태양광, 도 8의 b는 LED (500 및 1,000 lux)에서 전류밀도전압(Current density voltage, J-V) 특성 곡선을 확인할 수 있다. 두 조건에서 실시예 5에 따라 제조된 시료가 고성능임을 확인할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환 효율 (power conversion efficiency, PCE)이 7.73 % 인 태양 조건에서 0.80 V의 개방 회로 전압 (open-circuit voltage, VOC)이 얻어졌다. 500 및 1000 럭스 LED의 경우, 디바이스는 각각 0.61V 및 0.67V의 VOC 및 11.47 % 및 15.45 %의 PCE를 나타냈다.
이는 실내 조명 조도 스펙트럼에 맞춰 제조된 실시예 5의 광활성층의 4 차 블렌드의 광범위한 스펙트럼 응답을 통해 발생한 효과이며, 특히 LED 조명에서 높은 PCE를 달성할 수 있었다. 외부 양자 효율 (external quantum efficiency, EQE) 측정에서 실시예 5의 시료는 600 - 700 nm의 주요 흡수 영역에서 EQE 값 (> 70 %)을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 8 d를 참조하면 실시예 5에 따라 제조된 시료를 통해 필터일한 왼쪽사진과 필터링하지 않은 오른쪽 사진을 확인할 수 있다. 이는 뒤편의 물체가 보이는 투명성을 개시한다. 이는 광전변환 및 광전기 저장 기능을 가지는 일체형 광소자에 의해 여과되어 촬영된 꽃의 사진은 필터가 없는 이미지와 상당히 유사하여 스마트 전자장치 애플리케이션(예: 스마트 윈도우, 건물 통합 광전)에 대한 적용성이 확대될 수 있음을 의미한다.
또한 추가적인 자료로 도 12 및 하기 표 1을 참조한다.
상기 도 12은 독립적인 ST Q-OPV의 태양광 특성을 나타낸다. 유사 태양광 AM 1.5G, 500 및 1,000lux LED 에서 J-V 특성, ST Q-OPV의 EQE 및 투과율 스펙트럼을 나타내는 상기 도 12과 유사 태양광 AM 1.5G, 500 및 1,000lux LED 방사 조도에서 에너지 저장 기능성 태양광 및 단독 ST Q-OPV의 태양광 매개 변수를 요약한 하기 표 1에서 제시된 바를 참고하면, ST Q-OPV는 ECS를 운용하기에 충분한 Voc과 Jsc 측면에서 상당히 유사한 성능을 보였다.
통합 장치의 EQE 스펙트럼도 유일한 ST Q-OPV와 비교할 때 유사한 특성을 보였다. 이 결과 ECS를 ST Q-OPV에 일원적으로 통합하는 것이 태양광 성능에 영향을 미치지 않는다는 사실이 밝혀져 ST Q-OPV와 ECS의 조합이 일체 시스템 달성에 적합함을 시사했다. 높은 태양광 성능과 더불어 가시적 범위의 반투명성도 중요한 특징이다.　
광원(Light Source) V OC [V] J SC [mA cm-2] FF [%] PCE [%]
에너지절약형 기능성 태양광발전기
(Energy-storing functional photovoltaics)		 AM 1.5G 0.80 16.80 58.63 7.88
LED
(1000 lux)		 0.67 9.90Х10-2 64.92 15.45
LED
(500 lux)		 0.61 4.54x10-2 58.44 11.47
단독 ST Q-OPV
(Sole ST Q-OPV)		 AM 1.5G 0.80 16.83 58.95 7.91
LED
(1000 lux)		 0.66 9.92Х10-2 64.82 15.46
LED
(500 lux)		 0.61 4.53x10-2 59.30 11.64
상기 FF(%)값은 Fill Factor의 줄임말로, 태양전지 품질에 있어 가장 중요한 척도중에 하나이고, 상기 PCE(%)는 Power Conversion Efficiency의 약자로 광에너지 전환 효율을 나타내는 척도이다.
특성평가 5.
CF3-PV(PF6)2 전기변색 염료가 포함하는 겔을 기반으로 한 실시예 6에 따라 제조된 시료인 일렉트로크로믹 슈퍼커패시터(Electrochromic Super Capacitor, ECS)의 전기 변환의 용량 및 성능을 측정한다. 전압에 따른 UV-vis 흡수 스펙트럼 측정, 실시예5에 따라 제조된 시료에 전압 여부에 따른 착색과 표백 구동을 확인하고, 구동 여부에 따른 λmax (545 nm)에서의 투과율 프로파일 변화를 측정한다. 또한 광학 밀도와 주입된 전하 밀도 사이의 상관 관계를 확인하고, 충전 전류가 0.20 mA cm-2로 고정된 다양한 방전 전류 밀도에서 ECS의 정전류 충전 / 방전(galvanostatic charging/discharging, GCD) 프로파일을 확인하며 다양한 충전 전류 밀도에서 방전 속도에 대한 면적 커패시턴스의 의존성을 확인한다. 확인 결과는 도 9에 도시한다.
도 9의 a는 CF3-PV(PF6)2 전기변색 물질을 포함하는 겔을 기반으로 한 실시예 6에 따라 제조된 시료의 일렉트로크로믹 슈퍼커패시터(Electrochromic Super Capacitor, ECS)의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 전압 의존성을 확인한다. 이때 λmax (545 nm)에서의 투과율 프로파일 변화를 나타내는 것으로 산화물질인 dmFc의 흡수 영역인
Figure 112020139220115-pat00002
420 nm에서 나타나는 하나의 넓은 흡수 피크를 제외하고 -0.2V까지 특징적인 피크가 나타나지 않았고, 붉은색 흡수 피크(λmax
Figure 112020139220115-pat00003
545 nm)는 -0.3V에서부터 나타났으며, 인가 전압이 증가할수록 색의 세기가 진해졌다. 이를 통해 dmFc는 저전압 작동을 위한 산화 물질 (anodic species)로 겔에 첨가되었다는 것이 확인되었다.
도 9의 b는 0.5V의 전압에 따라 전기변색 물질이 산화 환원되어 나타나는 이미지이고, 도 9의 c는 -0.5V에서 변색하고 단락 조건에서 탈색하는 동안 최대 투과율 대비의 90 %를 달성하는 데 필요한 응답 시간을 측정한 결과이다. 변색 시간 (
Figure 112020139220115-pat00004
22s)는 다른 젤 기반 전기변색 소자 (Electrochromic device, ECD)에서 관찰된 바와 같이 탈색 시간 (
Figure 112020139220115-pat00005
65s)보다 빨랐다.
도 9의 d는 변색 효율성(Coloration efficiency)(η)을 나타낸 그래프이며 ΔOD/ΔQ로 정의된다. 여기서 ΔOD와 ΔQ는 각각 광학 밀도의 변화 및 주입된 전하량, 또는 탈색 (Tb) 및 변색(Tc) 상태의 투과율 값을 갖는 로그(Tb/Tc)/ΔQ로 정의된다. 겔 기반 ECS의 η 값(
Figure 112020139220115-pat00006
88.7cm2 C-1)은ΔOD 대 ΔQ 그림의 적합선 기울기에서 계산되었다. 이러한 결과는 ECD로서 ECS의 성공적인 작동을 나타낸다.
또한 ECS는 주입된 전하(전기 에너지)를 유사하게 색종(화학 에너지)의 한 형태로 저장할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 ECS의 에너지 저장 기능이 예상된다. 도 9의 e는 서로 다른 방전 전류 밀도에서 충전 전류 밀도가 0.2 mA로 고정된 정전류 충전/방전(galvanostatic charging/discharging, GCD) 프로필을 표시한다. 면적 캐패시턴스 값은 방정식(1)을 사용하여 방전 프로파일에서 계산되었다.
Figure 112020139220115-pat00007
여기서 I, Δt, S, ΔV는 각각 방전 전류(A), 총 방전 시간(s), 전극 넓이(cm2) 및 IR 전압 강하(V)를 제외한 스캔한 전위 창(V)이다.
도 9의 (e)와 비교하기 위해 도 9의 (g)는 0.3 mA cm-2의 전류밀도에서 충전된 전기변색 소자에 대한 단일 정전류 충전 및 방전(galvanostatic charge-discharge, GCD)곡선을 개시하였으며, 도 9의 (h)는 0.4mA cm-2의 전류 밀도에서 충전된 ECS에 대한 단일 정전류 충전 및 방전(galvanostatic charge-discharge, GCD)곡선도 개시하였다.
저장된 전하를 높은 속도로 추출했을 때 더 작은 정전용량이 측정되었다. 예를 들어 0.04 및 0.2mA cm-2의 전류 밀도를 방출할 때 면적 정전용량은 각각
Figure 112020139220115-pat00008
28.3 및
Figure 112020139220115-pat00009
22.9 mF cm-2로 측정되었다.
도 9의 (f)는 정전용도와 충전/방전 전류 밀도 사이의 상관관계가 표시된다. 전반적인 충전/방전 동작은 충전 속도에 관계없이 동일하며, 더 높은 방전 속도로 추출할 때 더 적은 양의 정전용량이 관측되었다. 그러나 기기를 천천히 충전할 때 더 많은 양의 충전이 방출될 수 있다. 예를 들어, 동일한 방전율(0.04 mA cm-2)에서 0.2 mA cm-2로 충전된 장치의 면적 정전용량(
Figure 112020139220115-pat00010
28.3 mF cm-2)은 0.4 mA cm-2로 충전된 ECS의 면적 정전용량(
Figure 112020139220115-pat00011
17.3 mF cm-2)보다 63.5% 더 컸다. 따라서, 확산 제어 이온 젤 기반 ECS는 더 느린 충전/방전 속도에서 슈퍼캐패시터 역할을 더 효율적으로 수행할 수 있다는 결론이 내려진다
특성평가 6.
실시예 5에 따라 제조된 시료 중에 붉은색 전기변색 물질을 사용하여 제조된 시료에 LED 빛을 비추고, 상기 LED 조사 (3.84mW cm-2)에 따른 측정 및 단위 면적당 전기용량을 측정한다. 측정결과는 도 A에 도시한다.
실시예 5에 따라 제조된 시료의 전기변색 소자쪽으로 빛을 비추고, 상기 빛은 LED이며, 상기 LED 조사 (3.84mW cm-2)에 따른 충전 및 방전 특성을 확인하고 그 결과를 측정하였다. 결과는 도 10에 도시한다.
도 10의 (a)는 GCD 프로파일을 나타내고, 도 11의 (b)는 에너지 저장 기능의 광전 변환에 대한 해당 면적 커패시턴스(Capacitance)를 나타낸다.
도 10의 (b)는 4 개의 완전 충전된 실시예 9의 이미지를 보여준다. 해당 ECS에 저장된 전하량을 색상 강도로 표시되는 도 10의 (c)는 충전 모드 동안 해당 ECS에 저장된 전하량을 색상 강도로 표시하며, 도 10의 (d)는 방전 모드 동안의 ECS에 저장된 전하량을 색상 강도로 표시한다. 상대적으로 약한 광원(예: LED 램프)은 ST Q-OPV로 전력을 수확하기에 충분했고, 발생된 태양광 에너지는 통합 ECS를 충전하기에 충분했다. 실시예 9의 광전지가 LED 방사조도 하에서 완전 충전되는 시간은 약 91초였다.
도 10의 (b)는 방전 전류 밀도에 대한 계산된 면적 캐패시턴스 값의 의존성을 나타내고, 삽입은 각각 개별적으로 작동하는 4개의 완전 충전 에너지 저장 기능성 광전지의 이미지를 보여준다.
도 9의 (e)에 제시된 단독 ECS의 충전 특성과 비교했을 때, 충전 프로파일의 유사한 형태는 반투명 태양전지에서 생성된 전기 에너지가 통합 ECS에 성공적으로 전달되고 저장되었음을 의미한다.
반투명 태양전지와 통합된 전기 변색소자인 실시예 5에 따라 제조된 시료의 면적 캐패시턴스는 더 높은 방전율로 감소하였다. 면적 캐패시턴스는 0.04 mA cm-2에서
Figure 112020139220115-pat00012
26.2 mF cm-2, 0.2 mA cm-2에서
Figure 112020139220115-pat00013
18.8 mF cm-2로 평가되었다.
실내 LED 조명에서도 외부 적용 전기 에너지(도 8 참조)에 의해 운용되는 독립형 ECS에 필적하는 성능을 보였다. 도 10c, 도 10d는 충전 및 방전 공정 중 ST 에너지 저장 기능성 광전기를 찍은 사진이다. 장치는 색의 강도로 그 위치에 저장된 에너지 수준을 시각적으로 표시하였다.
전기변색 소자 자체는 적색이었으나 전기변색 소자와 블루 컬러의 반투명 태양전지가 단석적으로 통합된 형태로 중복되었기 때문에 청록색 상태가 관찰되었다(도 10c,도 10d 참조).
그럼에도 불구하고, 저장된 전하량은 색상 강도의 변화에 의해 명확하게 표시되었다. 충전 중 ECS의 색상은 더욱 강렬해졌고 방전되면서 원상태로 되돌아갔다.
효율성과 관련해 반투명 태양전지를 기반으로 한 일체형 광소자는 LED 조사(3.84mW cm-2)에서 총 에너지 변환 및 저장 효율성(energy conversion and storage efficiency , ECSE)이 1.75%로 나타나 0.708mJ의 에너지를 제공했다. ECSE는 다음 과정을 통해 충전 중 받은 저장된 에너지와 광 에너지의 비율로 추정되었다. 먼저 0.04 mA cm-2(ECS 면적: 0.28 cm2)에서 77.27 mF의 유효 캐패시턴스(Ceff)를 Ceff = Δt/ΔV 등식으로 253초의 방전 시간으로 추출하였다. 그 후, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 일체형 광소자에 저장된 에너지(E)는
Figure 112020139220115-pat00014
0.553 mJ ~ E = ½Ceff·ΔV2로 측정되었다. 충전단계에서 받은 조사광의 에너지에 대해서는 LED 조사조도(3.84 mW cm-2)와 OPV의 기하학적 면적(0.116 cm2) 및 충전 지속시간(
Figure 112020139220115-pat00015
91 s)을 곱하여 40.54 mJ 값을 추출했다. 마지막으로, 1.36%의 에너지 변환 및 저장 효율성(energy conversion and storage efficiency , ECSE)은 충전 과정 중 저장된 에너지(
Figure 112020139220115-pat00016
0.553 mJ)와 받은 광에너지(
Figure 112020139220115-pat00017
40.54 mJ)의 비율로 계산하였다.
광활성 재료(예: PTB7-Th:PC71BM = 1:1.5)의 구성을 조정하여 색상의 추가 수정을 달성할 수 있다는 점에 유의한다. 그 결과, 광범위한 색상이 실현되었다(도 16참조).
특성평가 7.
우리는 에너지 절약형 기능성 태양광 발전기를 사용하여 기기가 어떻게 이용될 수 있는지를 제안하는 다양한 응용 프로그램을 시연하기 위해 태양광을 대신하는 AM 1.5G 조명에서, 실시예 5에 따라 제조된 시료의 충전된 에너지 저장 기능성 광전지 효과를 확인했다. 확인 이미지는 도 11에 도시한다.
도 11를 참조하면, 도 11의 (a)는 방전 및 완전 충전 상태의 4차블렌드를 기반으로 한 태양전지를 갖는 청색 EC, 도 11의 (b)는 4차블렌드(4성분계)를 갖는 녹색 EC 태양전지를 도시한다.
도 11의 (c)는 LED 램프 하에서 하트 모양의 패턴을 가진 4 개의 독립적인 일체형 광소자를 도시한다.
도 11의 (d)는 전원으로서의 시연을 위한 반투명 태양전지의 전기 회로도를 도시하며, 더불어 에너지 수확(Energy Harvesting) / 보관 (충전) 및 전원 공급 (방전) 모드를 나타낸다. 이 실험에서, 로드(LOAD) 스위치를 연결하면 4mm x 7mm 크기의 10 개의 일체형 광소자(삽입된 그림에서 붉은 정사각형)을 사용하여 빨간색 LED 전구를 켜는 것을 확인할 수 있다. 도 11의 (e)는 실시예 5에 따라 제조된 시료의 광전 변환 작동의 응용 회로도를 도시한다.
도 11(a),도 11(b)는 태양 조건에서 각각 파란색과 녹색 무늬 EC 젤을 포함한 에너지 저장 기능성 광전기를 보여준다. 스마트 윈도 어플리케이션에서 미학을 목적으로, 우리는 전방 포토레지스트(SU-8)로 채움으로써 EC겔을 패턴화했다. 준비된 장치는 충전 전 반투명 상태로 유지되었다(도 11a의 방전 상태 참조). 에너지 저장 기능 광전기는 충전 에너지 수준에 따라 패턴의 청색 강도에 변화를 보였다. 도 11(c)는 4개의 독립형 Q-OPV에 CF3FPV(PF6)2가 함유된 하트모양 패턴 겔을 가진 반투명 일체형 광소자를 보여주고 있으며, 상대적으로 약한 LED 조사에서도 ST Q-OPV(semitransparent (ST) quaternary blend-based OPVs)에서 직접 전원을 공급했다. 또한, 우리는 반투명 유기광전지-전기 변색소자 일체형 시스템인 광소자의 확장된 실제 적용 가능성을 높게 제시했다. 처음에는 하나의 기질(도 14 참조)에 가공된 다색(빨간색, 녹색, 파랑색) 에너지 집약 기능성 광전지를 실현함으로써 심미적 호소력의 필요성에 부응한다.
특성 평가 8.
실제 적용에서 Q-OPV의 다용성을 제시하기 위해, 4분위 혼합의 열역학적 불안정 동작을 추가로 분석했다. 분석 결과는 도 13에 도시한다. 도 13을 참조하면 혼합 내 집계를 유도하면 심각한 전하 전달 수율 저하를 초래하기 때문에 OPV의 수명에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나였다. OPV 8개의 PV 특성은 1-햇볕 방사조도 하에서 운용온도로 알려진 60°C의 열 어닐링 하에서 분석되었다. 우리는 OPV의 수명을 대부분 결정하는 화상 손실에 초점을 맞췄다. 1370분 동안 어닐링 지속시간 동안 Q-OPV는 PCE의 88%를 원래 상태로 보존했다. 성능 저하 문제는 주로 Jsc에 의해 해결되었으며, Voc는 안정성 시험 중 거의 변경되지 않았다. 열 어닐링 하에서의 Q-OPV의 탁월한 지속가능성은 장기적인 관점에서 우리의 광전계통의 실질적인 운영을 확장할 수 있다.
특성평가 9.
본 발명의 실시예가 전기 연결을 통해 500lux LED의 실제 실내 환경에서 태양 광 시스템을 작동하는 방법을 시연한다.
시연 결과는 도 15에 도시한다. 도 15를 참조하면 저 강도의 실내 조명 조건 (500lux LED 조도)에서 본 발명의 커패시터가 작동하는 하는 것을 확인할 수 있으며, 분리된 녹색 ECS는 전기적으로 연결된 (병렬로) 3 개의 모 놀리 식 통합 OPV-ECS 셀로 채색되었다. 도 15는 시스템의 전원 공급 모드 이전(a)과 시스템의 전원 공급 모드 동안(b)의 녹색 ECS 상태를 나타낸다.
특성평가 10.
에너지 저장 기능 태양 광 발전의 전체 운영 흐름을 보다 직관적인 방식으로 제시하기 위해 AM 1.5G 조명에서 본 발명의 실시예 5에 따른 일체형 광소자를 활용하여 독립적인 녹색 ECS 장치 (8mm x 8mm 크기)의 작동 실험을 추가로 수행하였으며, 이에 대한 작업 프로세서를 도20에 도시하였다.
도 16을 참조하면 AM 1.5G 조명 하에서, 청색 ECS와 통합되고 전기 에너지를 저장 한 3 개의 에너지 저장 기능 광전지를 청색 ECS (에너지 수확 / 보관 모드)에 전기적으로 연결하여 저장되는 에너지가 많을수록 색상 강도가 증가했다 (도 16a에 표시). 도 16b에서, 태양 광 발전 시스템에 저장된 에너지는 외부 전자 장치 인 독립 그린 ECS로 전송되었다. 전력이 공급되면서 청색 ECS가 표백되고 녹색 ECS가 착색되었다. 결국, 녹색 ECS는 도 16c에 제시된 바와 같이 시스템에 의해 공급되는 전력이 감소함에 따라 자체 방전 공정에 의해 표백되고 꺼졌다. ECS 장치를 외부 전자 장치로 사용함으로써 외부 전자 장치에 공급되는 전력량의 변화 외에도 에너지 하베스팅, 저장 (도 16a) 및 전원 공급 (도 16b)을 포함하여 시스템의 전체 운영 프로세스에서 전송되는 에너지를 시연했다. (도 16c) 통합 ECS 장치와 단독 ECS 장치 모두 자체적으로 저장된 에너지 레벨을 색상 강도로 표시할 수 있기 때문이다. 이 결과는 에너지 저장 기능 태양 광 발전의 적용 가능성이 미래의 스마트 장치로 확장될 수 있음을 의미한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 일체형 광소자
110 : 제1 기판
120 : 전자수송층
130: 광활성층
140: 정공수송층
150: 양극 전극층 162: 격벽
160 : 전기 변색소자층
170 : 제2 기판

Claims (17)

  1. 일체형 광소자에 있어서,
    상기 일체형 광소자는
    음극 전극을 가지는 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 전자수송층;
    상기 전자수송층 상에 광활성층;
    상기 광활성층 상에 정공수송층
    상기 정공수송층 상에 양극 전극;
    상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층; 및
    상기 전기 변색소자층 상에 음극 전극을 가지는 제2 기판을 포함하고,
    상기 일체형 광소자가 상기 양극 전극을 공유하는 반투명 유기광전지와 전기변색 소자로 구성되며,
    상기 반투명 유기광전지는 상기 음극 전극을 가지는 제1 기판, 상기 전자수송층, 상기 광활성층, 상기 정공수송층 및 상기 양극 전극을 포함하고,
    상기 전기변색 소자는 상기 양극 전극, 상기 전기 변색소자층 및 상기 음극 전극을 가지는 제2 기판을 포함하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 전극을 가지는 제1 기판 및 제2 기판의 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은 PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 및 ITIC-Th으로 이루어진 4성분계에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3)인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정공수송층은 1 nm 내지 50 nm 두께인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전극은 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양극 전극은 1 nm 내지 30 nm 두께인 것은 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 변색소자층는 전기변색 물질을 포함하고,
    상기 전기변색 물질은 CF3-PV(PF6)2, CF3F-PV(PF6)2, CN-PV(PF6)2 및 EtV(PF6)2으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 광소자는 7 내지 14%의 광전변환효율을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자.
  10. 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법에 있어서,
    제1 기판 상에 전자수송층을 형성하는 단계;
    상기 전자수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
    상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계:
    상기 정공수송층 상에 양극 전극을 형성하는 단계;
    상기 양극 전극 상에 전기 변색소자층을 형성하는 단계; 및
    상기 전기 변색소자층 상에 제2 기판을 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 일체형 광소자가 상기 양극 전극을 공유하는 반투명 유기광전지와 전기변색 소자로 구성되며,
    상기 반투명 유기광전지는 상기 제1 기판, 상기 전자수송층, 상기 광활성층, 상기 정공수송층 및 상기 양극 전극을 포함하고,
    상기 전기변색 소자는 상기 양극 전극, 상기 전기 변색소자층 및 상기 제2 기판을 포함하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제 2기판은 음극 전극을 포함하고,
    상기 음극 전극은 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소산화주석(FTO), 안티모어주석산화물(ATO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 광활성층은 PTB7-Th, PBDB-T, PC70BM 및 ITIC-Th으로 이루어진 4성분계 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 정공수송층은 산화몰리브덴(MoO3)인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 정공수송층은 1 nm 내지 50 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 양극 전극은 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 양극 전극은 1 nm 내지 30 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 전기 변색소자는 전기변색 물질을 포함하고,
    상기 전기변색 물질은 CF3-PV(PF6)2, CF3F-PV(PF6)2, CN-PV(PF6)2 및 EtV(PF6)2으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 가지는 일체형 광소자 제조방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759824B1 (ko) * 2016-02-25 2017-07-20 연세대학교 산학협력단 자가 구동형 스마트 윈도우 시스템
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759824B1 (ko) * 2016-02-25 2017-07-20 연세대학교 산학협력단 자가 구동형 스마트 윈도우 시스템
KR101914393B1 (ko) * 2017-11-03 2018-11-01 서울시립대학교 산학협력단 고성능 전기 변색 화합물, 이를 포함하는 전기 변색 소자 및 이의 구동방법

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