KR102526444B1 - 복수의 광활성 재료들을 포함하는 다색 광전자 장치를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 광전자 장치 - Google Patents

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Abstract

다수의 광활성 재료들을 포함하는 다색 광전자 장치를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 광전자 장치가 제공된다..
다색 광전자 장치(1)의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 장치가 제공된다. 제1 부분(21) 및 제1 부분에 인접한 제2 부분(22)을 포함하는 전기 전도성 기판(10)이 준비된다. 이어서, 제1 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제1 광활성 재료(301)가 제1 부분 상에 놓이고, 제1 광활성 재료와 상이하고 제2 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제2 광활성 재료(302)가 제2 부분 상에 놓이고, 제1 광활성 재료는 제2 광활성 재료와 접촉하여, 다색 광전자 장치의 광활성층(30)을 형성한다.

Description

복수의 광활성 재료들을 포함하는 다색 광전자 장치를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 광전자 장치
본 발명은 착색된 광활성층을 갖는 태양 전지 또는 발광 다이오드와 같은 광전자 장치들의 분야에 관한 것이다. 특히, 착색된 광활성층들은 유기, 무기, 또는 하이브리드 유기-무기 재료들을 기초로 할 수 있고, 광기전 패널들 또는 발광 장치들의 외부 측면을 개선하여 이들 장치들이 그 환경에 더욱 잘 어울리도록 만든다. 착색된 광활성층들은 또한 잔류 광 에너지를, 예를 들어 윈도우들이나 스크린들에서 얻거나, 또는 종래의 광전자 장치들보다 덜 눈에 띄고 두드러지지 않은 광원들을 제공하는 신규 응용들에 사용될 수 있다.
광전자 장치는 빛을 흡수하거나 방출하기 위한 여러 응용들에서 사용된다. 발광 다이오드는 전기 에너지를 광자들로 변환하기 위해 광활성층을 사용하여 효율적이고 저렴한 광원의 예이다. 태양 전지는 광활성층을 사용하여 광자들을 전류로 수집되는 전하 운반체들로 변환하는 광흡수 광전자 장치의 예이다.
광전자 장치, 특히 태양 전지의 최근 개발들은 제조 비용을 줄이고 보다 광범위한 응용들에서 사용할 수 있게 만드는 것을 목표로 한다.
전통적인 태양 전지들은 어두운 파란색 패널들의 형태로 나타난다. 이러한 장치들은 눈에 잘 띄고 도시 환경에도 쉽게 어울리지 않는다.
착색된 태양 전지 및 반투명 태양 전지는 태양 전지가 환경에 잘 어울리도록 그리고 가능한 응용들을 확장시키도록 개발되어 왔다. 착색된 태양 전지는 환경에 더 잘 통합되도록 패턴들이나 색상들로 디자인될 수 있고, 특히 도시 지역들에서 더 넓은 범위의 표면들 위에 사용될 수 있다. 반투명 태양 전지는 또한 스크린들에 의해 방출되거나 창문들을 통과하는 잔류 광을 얻는데 사용될 수 있으며, 여전히 두드러지지 않고 거의 눈에 띄지 않는다.
착색된 태양 전지는 특히 광활성층에서 유기 물질들을 사용하여 제조될 수 있다. 이들 유기 물질들은 전형적으로 벌크 이종 접합(bulk heterojunction)에서 수용체 분자들(acceptor molecules), 일반적으로 풀러렌(fullerenes)과 혼합된 작은 공여체 분자들(small donor molecules) 및 고분자의 형태로 나타난다. 이러한 유기 물질은 일반적으로 "블렌드"라고 한다. 무기 또는 하이브리드 유기-무기 재료들에 의존하는 착색된 태양 전지들을 제조하기 위해 다른 구조들도 이용 가능하다.
유기 태양 전지에 빛이 닿으면 광활성층에 엑시톤(exciton)이라는 전자-정공 쌍이 생성된다. 정공들 및 전자들은 전류를 생성하기 위해 광활성층의 상부 및 하부의 층들을 분리하기 위해 채널링된다.
유기 태양 전지의 전형적인 구조는 유리층, 인듐 주석 산화물층(상부 투명 전극), 정공 추출층(일반적으로 Pedot:PSS 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 술포네이트), 광활성층, 전자 추출층(일반적으로 ZnO), 그리고 전기 전도성 기판을 포함한다. 전기 전도성 기판은 반투명 재료 또는 알루미늄과 같은 금속일 수 있다.
역 소자 구조(inverted device structure)에서, 태양 전지에서 전자 추출층(ZnO) 및 정공 추출층(Pedot:PSS)의 각각의 위치를 바꾸는 것이 가능하다.
유기 태양 전지는 광활성층에 사용된 유기 반도체들의 가시 스펙트럼에서 특정 흡수 밴드들로 인해 광기전 패널에 상이한 색상들을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 원하는 색을 갖는 유기 태양 전지들을 만들기 위한 하나의 가능성으로, 블렌드를 위한 적절한 조성을 선택하는 것이거나, 또는 가시 스펙트럼에서 블렌드의 흡수 대역들을 변화시키고 이에 따라 장치의 색을 변화시키기 위해 관련 비율로 금속과 같은 첨가제들을 추가하는 것이 있다. 착색된 태양 전지는 또한 예를 들어 광학 필터들 또는 반사 코팅을 사용함으로써 무기 재료들을 사용하여 제조될 수 있다.
재료에 적합한 조성을 선택하여 유기 태양 전지가 더 넓은 범위의 색상들을 만들 수 있음에도 불구하고, 첨가제들의 추가와 각 색상에 대한 특정 화합물들의 제조 필요성은 이들 전지들을 제조하는 것을 더욱 복잡하게 만든다.
유기 태양 전지에 이용 가능한 색상들의 스펙트럼을 확장시키는 다른 접근법은 광활성층의 두께 및/또는 정공 및 전자 추출층들의 두께를 변화시키는 것으로 구성된다. 실제로 층 두께들이 전지들의 광흡수 효율뿐만 아니라 그들의 색상에도 영향을 미친다는 것이 알려져 있다. 광활성층의 두께를 변화시키기 위해, 블렌드에서 고분자의 농도 또는 블렌드가 놓이기 전에 블렌드가 제조되는 용액의 점도를 변화시킬 수 있다.
유색 광전자 장치를 제조하기 위한 전술한 방법들 모두는 다수의 태양 전지들, 특히 광기전 패널(또는 발광 다이오드 어레이) 상에 존재하는 각각의 색상에 대한 하나의 태양 전지의 제조를 필요로 한다. 각 유형의 광활성층의 전기적 특성의 차이들로 인해, 패널 상의 이러한 전지들의 전기적 연결들은 동일한 색상을 갖는 태양 전지들이 서로 연결되어 있지만 상이한 색상들을 갖는 전지들에는 연결되지 않도록 복잡한 설계를 필요로 한다. 이는 광기전 패널 또는 발광 다이오드 어레이 상의 유색 패턴의 제조를 복잡하게 만든다.
유색 광전자 장치의 제조 및 설계와 관련된 전술한 단점을 고려할 때, 유색 광전자 장치를 제조하기 위한 간단한 방법이 요구된다.
전술한 종래 기술의 단점들을 극복하기 위해, 본 발명은 다색 광전자 장치의 제조 방법을 제공하며,
- 적어도 제1 부분 및 제1 부분에 인접한 제2 부분을 포함하는 전기 전도성 기판을 얻는 것,
- 제1 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제1 광활성 재료를 제1 부분 상에 놓는 것
을 포함하고, 상기 방법은,
- 제1 광활성 재료와 상이하고 제2 주파수 범위의 광학적 특성들을 갖는 제2 광활성 재료를 제2 부분 상에 놓는 것을 더 포함하고, 제1 광활성 재료는 제2 광활성 재료와 접촉하고, 제1 광활성 재료 및 제2 광활성 재료는 다색의 광전자 장치의 광활성층을 형성한다.
동일한 전기 전도성 기판 상에 적어도 2 개의 상이한 광활성 재료들을 배치함으로써, 본 발명은 예를 들어 동일한 기판 상에 상이한 색상들을 갖는 태양 전지 또는 발광 다이오드와 같은 광전자 장치들을 제조할 수 있도록 만든다. 종래 기술의 방법들은 장치 전체에 균일한 색을 유지함으로써 장치의 색을 변화시키는 수단만을 제공한다. 종래 기술의 방법들은 다수의 색상들을 갖거나 패턴을 표시하는 패널들 또는 어레이들을 제조하기 위해 복잡한 배치들과 형상 설계들을 필요로 한다. 본 발명의 방법은 이러한 요건을 극복하고 임의의 패턴으로 하나의 장치의 하나의 단일 기판 위에 배치될 수 있는 복수의 색상들을 제조할 수 있도록 만든다.
따라서, 본 발명의 방법은 색상 패턴들의 제조를 단순하게 만들며, 이는 패널 또는 어레이 상에 존재하는 각 유형의 색상에 대한 복잡한 형상들 또는 특정 전기 접점들을 갖는 태양 전지와 같은 장치들을 제조할 필요성을 극복함으로써 이루어진다. 실제로, 전기 전도성 기판 상의 각각의 광활성 재료가 다른 광활성 재료와 접촉하게 함으로써, 이에 따른 광전자 장치는 태양 전지에서 각각의 광활성 재료에 의해 생성된 전류를 성공적으로 채널링하고, 광활성층들의 색상 또는 색상들에 관계없이 모듈 또는 패널의 다른 인접 셀들에 연결될 수 있다
전술한 용어 "주파수 범위에서의 광학적 특성들"은 광활성 재료의 스펙트럼 흡수/방출 대역을 지칭하며, 이는 광활성 재료의 색상에 기여하는 특징이다. "주파수 범위"는 적어도 하나의 주파수를 따라 가시 스펙트럼의 일부를 포함하는 것으로 가정하며, 이는 광전자 장치가 가시 스펙트럼에서 눈에 띄는 색상을 얻는 것이다.
본 발명이 동일한 기판 상에 놓이는 2 개의 상이한 광활성 재료들의 사용을 교시함에도 불구하고, 이들 광활성 재료들은 그 두께에 의해 상이할 수 있으며, 즉 이들은 유사한 조성을 가질 수 있지만, 그 두께에 따른 특정 광전자 특성들 때문에 상이한 색상들을 나타낼 수 있다. 또한, 2 개의 광활성 재료들은 동일한 두께이지만 매우 상이한 조성들을 가져서 2 개의 상이한 색상들을 나타낼 수도 있다.
"전기 전도성 기판"은 광전자 장치의 전극, 예를 들어 알루미늄층으로 사용되는 금속 또는 반투명층으로 지칭할 수 있거나, 또는 이러한 전극층(정공 또는 전자 추출층)의 상부에서 발견될 수 있는 추출층들의 하나로도 지칭할 수 있는 것으로 기재되어 있다.
용어 "광활성 재료"는 임의의 유형의 구조를 갖는 유기 화합물들(고분자 블렌드들) 또는 무기 화합물 둘 다로 되돌아갈 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제1 부분이 제2 부분과 접촉하는 영역에서 제1 광활성 재료를 제2 광활성 재료와 연관시켜, 상기 영역에서 혼합 광활성 재료를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
2 개의 광활성 재료들 사이의 접촉 영역에서 혼합 광활성 재료의 존재로 인하여 광활성층에서 전기 분로들(electrical shunts)이나 공극들이 나타날 위험이 감소된다. 해당 영역에서 혼합 광활성 재료는 2 개의 광활성 재료들 사이의 전기적 접촉들이 더 좋도록 만든다. 유기 태양 전지의 경우, 2 개의 광활성 블렌드들이 건조되기 전에 액체 형태로 혼합될 수 있다.
2 개의 광활성 재료들의 혼합 품질을 개선하고 예리한 계면들의 생성을 방지하기 위해, 각각의 광활성 재료를 전기 전도성 기판 상에 놓기 전에 플레이트 상에서 가열하는 것이 또한 가능하다. 이는 또한 전기 전도성 기판 상에서 만나는 영역에서 2 개의 물질들의 혼합을 빠르게 만들 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제1 부분 및 제2 부분의 각각의 크기들을 결정하여, 제1 광활성 재료의 양과 제2 광활성 재료의 양 사이의 비율이 제1 광활성 재료에서의 광전 파라미터(photo-electrical parameter)의 값과 제2 광활성 재료에서의 광전 파라미터의 값 사이의 범위에서 미리 정해진 광전 파라미터 값을 갖는 광활성층을 발생시키는 것을 더 포함할 수 있다.
장치의 전체 광전자 특성들은 전기 전도성 기판 상에 존재하는 각각의 광활성 재료의 광전자 특성들의 조합에 따른 것으로 관찰되었다. 따라서, 사용된 각각의 광활성 재료들 사이의 범위에 위치한 원래의 광전 특성들을 갖는 광전자 장치를 설계할 수 있다. 광전자 장치 상에 사용되는 각각의 광활성 재료의 양은 전기 전도성 기판 상의 각각의 대응 부분의 크기를 제어함으로써 조절될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광활성층의 광전 파라미터는 개방 전압(open voltage), 단락 전류 밀도(short-circuit current density), 광전 변환 효율(light-electricity conversion efficiency), 전기-광 변환 효율(electricity-light conversion efficiency) 중에서 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 광활성 재료 및 제2 광활성 재료는 드롭 캐스팅(drop casting), 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 닥터 블레이딩(doctor blading), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 인쇄(ink jet printing), 스크린 인쇄(screen printing), 그라비아(gravure) 및 플렉소그래피(flexography), 스프레이 코팅(spray coating) 중에서 선택된 기술을 사용하여 놓일 수 있다. .
일 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제1 부분 상에 제1 광활성 재료를 놓아 제1 균질층을 형성하는 것,
- 제2 부분 상에 제2 광활성 재료를 놓아 제1 균질층과 접촉하는 제2 균질층을 형성하는 것,
- 제1 균질층 및 제2 균질층을 건조시키는 것을 더 포함할 수 있다.
대체 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제1 부분 상에 제1 광활성 재료를 놓아 제1 균질층을 형성하는 것,
- 제1 균질층을 건조시키는 것,
- 제2 부분 상에 제2 광활성 재료를 놓아 제1 균질층과 접촉하는 제2 균질층을 형성하는 것,
- 제2 균질층을 건조시키는 것을 더 포함할 수 있다.
전기 전도성 기판의 대향 측면들로부터 광활성 재료들을 놓아, 이들이 혼합 광활성층을 형성하기 위해 이들이 혼합되는 영역에 도달할 때까지 전기 전도성 기판의 각각의 부분을 가로질러 이동할 수 있도록 하는 것이 유리하다. 이 방법은 유기 태양 전지들에 대해 고분자 블렌드들이 사용되는 제조에 대해 특히 적합하다. 고분자 블렌드들은 건조 전에 액체 형태로 혼합될 수 있다.
제1 광활성 블렌드 및 제2 광활성 블렌드가 전기 전도성 기판 상에 상이한 두께들을 갖도록 제조되는 경우, 각각의 광활성 블렌드를 분리하여 건조시키고 이들을 기판 상에 순차적으로 놓는 것이 유리하다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제1 광활성 재료 및 제2 광활성 재료의 조성 및/또는 점도를 선택하여, 광활성층에 대한 원하는 두께 및 원하는 광학 특성들을 얻는 것을 더 포함할 수 있다..
본 발명의 방법은 두께 및 조성을 제어하는 것과 같이 광활성층의 색상을 조정하는데 사용되는 다른 기술들과 조합될 수 있다.
본 발명은 또한 다색 광전자 장치에 관한 것으로,
- 적어도 제1 부분 및 제1 부분에 인접한 제2 부분을 포함하는 전기 전도성 기판,
- 전기 전도성 기판 상의 광활성층
을 포함하고, 광활성층은 제1 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제1 부분 상의 제1 광활성 재료, 그리고 제1 광활성 재료와는 다르고 제2 주파수 영역의 광학 특성들을 갖는 제2 부분 상의 제2 광활성 재료를 포함하고, 제1 광활성 재료는 제2 광활성 재료와 접촉한다.
일 실시예에 따르면, 광활성층은 제1 광활성 재료와 제2 광활성 재료의 혼합물로부터 생성된 광활성 재료를 포함하는 제1 부분과 제2 부분 사이의 접촉 위의 영역을 추가로 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 광활성 재료는 제2 광활성 재료와 적어도 부분적으로 중첩한다.
이러한 중첩은 특히 제1 부분과 제2 부분의 접합부에 대응하여 제3 색상을 생성하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 광활성 재료들은 P3HT:PCBM, PTB7:PCBM, PTB7-Th:PCBM, PBDB-T:PCBM, PBDB-T:ITIC 중에서 선택될 수 있다.
이러한 재료들은 가시 스펙트럼의 상당 부분을 차지하며, 특히 그 두께들 또는 정확한 조성이 특정 요구들을 충족하도록 조정된 경우이다.
일 실시예에 따르면, 광활성층은 적어도 하나의 강유전성 물질(ferroelectric material)을 추가로 포함할 수 있다.
강유전성 물질의 첨가는 광전자 장치의 개방 전압을 증가시키고, 이에 따라 그 전기적 특성들을 개선한다.
일 실시예에 따르면, 다색 광전자 장치는 태양 전지, 광기전 패널, 발광 다이오드, 발광 다이오드 어레이, 페로브스카이트-기반(perovskite-based) 태양 전지, 페로브스카이트-기반 발광 다이오드, 양자점 기반(quantum dot based) 하이브리드 태양 전지, 유기 발광 다이오드 중에서 선택될 수 있다.
본 발명은 그 정확한 구조에 관계없이 광기전 전지들과 같은 광흡수 장치들 또는 발광 다이오드들과 같은 발광 장치들에 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다색 광전자 장치는 전기 전도성 기판 상의 제1 및 제2 광활성 재료들의 배치와 독립적인 형상을 갖는 전지들을 포함하는 광기전 패널이다.
각각의 태양 전지 상에 존재하는 색상에 관계없이, 임의의 형상을 갖는 패널들의 설계는 그 전기 접점들의 제조뿐만 아니라 패널들과 전지들의 제조를 용이하게 만든다.
일 실시예에 따르면, 광전자 장치는 투명 전기 전도성 기판을 포함할 수 있다.
투명한 전기 전도성 기판들은 광전자 장치가 윈도우들이나 스크린들과 같은 더 넓은 범위의 응용들에서 사용되어 잔류 광을 흡수하거나 투명한 지지 표면으로부터 광을 방출할 수 있도록 만든다.
본 발명의 방법은 아래 제시된 예시적인 실시예들의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다. 이들 실시예들은 예시적인 것이며 결코 제한적인 것은 아니다. 이들 실시예들은 첨부된 도표들과 그림들과 함께 제공된다.
- 도 1a 및 1b는 광활성층에 사용되는 재료(블렌드)가 P3HT:PCBM에 기초할 때, 광활성층의 두께와 전자(a) 또는 정공(b) 추출층들 각각의 두께를 변화시킴으로써 유기 태양 전지에 대해 얻을 수 있는 색상들을 나타내는 다이아그램들이다.
- 도 2a 및 2b는 광활성층에 사용되는 재료(블렌드)가 PTB7:PCBM에 기초할 때, 광활성층의 두께와 전자(a) 또는 정공(b) 추출층들 각각의 두께를 변화시킴으로써 유기 태양 전지에 대해 얻을 수 있는 색상들을 나타내는 다이아그램들이다.
- 도 3a는 제1 실시예에 따른 전기 전도성 기판 상에 2 개의 광활성 블렌드들을 놓기 위한 방법의 개략도이다.
도 3b는 제2 실시예에 따른 전기 전도성 기판 상에 2 개의 광활성 블렌드들을 놓기 위한 방법의 개략도이다.
- 도 4a, 4b, 그리고 4c는 측면 및 상부에서 본 유기 태양 전지의 형태의 다색 광전자 장치의 개략도이다.
도 5a-5c는 광활성층에서 사용된 2 개의 재료들 사이의 비율의 함수로서 본 발명에 따른 다색 태양 전지에서 3 가지 광전 특성들, 개방 전압(Voc), 광전류 밀도(Jsc), 그리고 변환 효율(PCE)의 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 6a는 각 태양 전지가 단일 색상으로 만들어지고 원하는 패턴에 적합한 특정 형상들을 갖는 종래 기술의 방법들을 사용하여 제조되고, 위에서 본 태양 전지 패널의 개략도이다.
도 6b는 본 발명의 방법을 사용하여 제조되고 위에서 본 태양 전지 패널의 개략도이다.
명확성을 위해, 이들 도표들 및 그림들에 표시된 특징들의 치수들은 반드시 대응하는 요소들의 실제 크기 비율에 대응할 필요는 없다. 도표들 및 그림들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 요소들이나항목들에 대응한다.
본 발명은 임의의 유형의 구조에 기초할 수 있는 태양 전지들, 광기전 패널들, 발광 다이오드들, 또는 발광 다이오드 어레이들과 같은 광전자 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 광전자 장치들은 유기 태양 전지들, 페로브스카이트-기반 태양 전지들, 페로브스카이트-기반 발광 다이오드들, 양자점 기반 하이브리드 태양 전지들, 유기 발광 다이오드들일 수 있다. 상기 방법은 균일한 광활성층, 즉 각각 단지 하나의 색상의 광활성층을 갖는 광전자 장치들을 제조할 필요성을 극복한다. 본 발명은 대신에 다색 광활성층을 갖는 광전자 장치 및 이러한 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
광전자 장치들, 특히 태양 전지들을 제조하기 위한 기존의 방법들은 광활성층을 제조하고 블렌드의 두께를 조정하는데 사용되는 "광활성 재료"에 대한 특정 조성의 선택에 의존한다.
이하의 설명에서, 유기 태양 전지들과 관련하여 예시들이 제공될 것이다. 그러나, 본 발명은 "광활성 재료"에서 유기 화합물들을 반드시 사용하지 않는 다른 유형의 태양 전지들이나 발광 구조들을 사용하여 구현될 수 있다.
유기 태양 전지들에서, "광활성 재료"는 p-n 접합과 동등한 상호침투된 벌크 이종접합(interpenetrated bulk heterojunction)을 생성하기 위해 공여체 및 수용체 분자들뿐만 아니라 고분자로 만들어진 블렌드이다.
도 1a, 1b, 2a, 2b는 특정 유형의 광활성 블렌드, 도 1a 및 1b의 경우 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 및 페닐-C61-부티르산메틸에스테르(PCBM)의 블렌드를 나타내는 P3HT:PCBM, 그리고 도 2a 및 2b의 경우 폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]] 및 페닐-C61-부티르산메틸에스테르(PCBM)의 블렌드를 나타내는 PTB7:PCBM을 선택함으로써, 그리고 광활성 블렌드 및 추출층들, 도 1a 및 2a의 경우 전자 추출 ZnO층과 도 1b 및 2b의 경우 정공 추출 Pedot:PSS 중 하나의 두께를 변경함으로써, 얻을 수 있는 색상 범위를 개략적으로 나타낸다.
도 1a 및 2a는 광전자 장치(1)(태양 전지)가 전기 전도성 기판(10), 전자 추출층(20), 광활성층(30), 정공 추출층(40), 그리고 전형적으로 인듐 주석 산화물(ITO)로 제조된 상부 전도층을 포함하는 정상적인 장치 구조들의 예시들을 제공한다. 도 1a 및 도 2a의 그래프는 ZnO 전자 추출층(20)에 대해 3 가지 상이한 두께들, 즉 이러한 층이 없는 경우(두꺼운 선 101), ZnO층 두께가 40 nm인 경우(점선 102), 또는 ZnO층의 두께가 90 nm인 경우(직선 103)를 사용하여 얻을 수 있는 가능한 색상을 유색 팔레트 상에 도시한다. 팔레트의 색상들은 짙은 청색(110), 자주색(111), 적색(112), 황색(113), 녹색(114), 옅은 청색(115) 영역들을 포함한다.
도 1a는 P3HT:PCBM에 기초한 블렌드가 블렌드의 두께를 40 nm와 200 nm 사이에서 변화시킴으로써 황색, 녹색, 또는 옅은 청색의 태양 전지들를 얻기 위해 사용될 수 없음을 나타낸다. 사각형을 별에 연결하는 선들은 광활성 블렌드의 두께가 40nm(별표로 표시된 팔레트 위치)에서 200nm(사각형으로 표시된 팔레트 위치)로 변경될 때 주어진 ZnO 두께에 사용할 수 있는 모든 색상들을 나타낸다. 정공 추출층(40)과 전자 추출층(20)이 교환되는 역 소자 구조의 경우에 동일한 정보를 표시하는 도 1b로부터 유사한 결론이 도출될 수 있다. 도 1b는 정공 추출층이 없는 경우(두꺼운 선 104), 정공 추출층 두께가 40 nm인 경우(점선 105), 그리고 정공 추출층 두께가 90 nm인 경우(직선 106), 광활성층의 두께가 40 nm에서 200 nm로 변경될 때 얻을 수 있는 가능한 색상들을 표시한다.
도 2a는 전자 추출층이 없는 경우(두꺼운 선 201), 전자 추출층 두께가 40 nm인 경우(점선 202), 그리고 전자 추출층 두께가 90 nm인 경우(직선 203), 광활성층의 두께가 40 nm에서 200 nm로 변경될 때 얻을 수 있는 가능한 색상들을 표시한다. 도 2a에서 PTB7:PCBM 고분자 블렌드는 황색, 적색 또는 자주색 태양 전지들을 제조하는데 적합하지 않다는 것을 알 수 있다. 역 소자 구조의 경우에 동일한 정보를 표시하는 도 2b의 유색 팔레트로부터 유사한 결론이 도출될 수 있다. 도 2b는 정공 추출층이 없는 경우(두꺼운 선 204), 정공 추출층 두께가 40 nm인 경우(점선 205), 그리고 정공 추출층 두께가 90 nm인 경우(직선 206), 광활성층의 두께가 40 nm에서 200 nm로 변경될 때 얻을 수 있는 가능한 색상들을 표시한다.
도 1a, 1b, 2a, 2b는 단지 하나의 광활성 블렌드 조성을 사용하는 것만으로는 단지 블렌드의 두께 또는 계면층들의 두께를 변경함으로써 가시 스펙트럼의 넓은 스펙트럼을 일반적으로 차지할 수 없다고 교시하고 있다.
본 발명은 동일한 전기 전도성 기판 상에 2 개의 상이한 광활성 재료들을 놓는 방법을 제공한다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 다색 광전자 장치를 제조하기 위한 2 개의 실시예들을 도시한다.
도 3a에서, 제1 광활성 재료(301)는 제1 부분(21) 상에 놓이고, 제2 광활성 재료(302)는 태양 전지의 전자 추출층(20)의 제2 부분(22) 상에 놓인다. 도 3a 및 도 3b의 예에서와 같이, 광활성 재료를 전기 전도성 기판(10) 상에 직접 놓거나, 광활성 재료를 전기 전도성 기판 상에 "간접적으로" 놓는 것이 동일하게 가능하다.
광활성 재료들은 도 3a 및 3b의 예들에서 블렌드들이다. 이들 블렌드들은 놓일 때 액체이고, 제1 부분(21)이 제2 부분(22)과 접촉하는 영역(23)에서 만나기 위해 도 3a에 도시된 바와 같이 대향하는 에지들로부터 전기 전도성 기판을 가로질러 이동할 수 있다. 이러한 영역(23)에서, 제1 광활성 재료(301)는 제2 광활성 재료(302)와 혼합하여, 제3 광활성 재료(303)를 형성한다. 액체 블렌드들은 유리하게는 이러한 혼합을 촉진하기 위해 혼합성(miscible)일 수 있으며, 이에 따라 광전자 장치의 광활성 재료들 사이에 연속적이고 균질한 전기적 연결을 생성한다. 또한, 전기 전도성 기판 상에 광활성 재료들을 놓기 전에 가열하여, 보다 균질한 놓기 및 혼합을 촉진하는 것뿐만 아니라 그 이동 또는 놓기를 용이하게 만들 수 있다. 이러한 가열 단계는 바람직하게는 최적의 성능을 위해 2 개의 광활성 재료들을 동일한 온도로 만든다.
광활성 재료들이 제 위치에 있을 때, 광활성층(30)을 형성하기 위해 기판이 회전(300)하여 광활성 재료를 건조시킨다. 열처리들과 같은 광활성 재료를 건조시키는 다른 방법들이 구현될 수 있다.
도 3a의 예에서, 2 개의 광활성 재료들은 동일한 회전 단계동안 동시에 놓이고 건조된다.
특정 실시예들에서, 도 3b에 도시된 것처럼 각각의 광활성 재료를 순차적으로 놓는 것이 유리하다. 이러한 상황들은 예를 들어 광활성 재료들 중 하나가 놓인 후 열처리 단계를 필요로 할 때 발생한다(이러한 물질을 먼저 놓고, 건조시키고, 열처리 한 후 다른 광활성 재료를 놓는 것이 유리하다). 순차적으로 놓는 것에 적합한 다른 상황은 2 개의 광활성층들의 두께가 상이할 때 발생한다.
도 3b의 실시예는 제1 부분(21) 상에 제1 광활성 재료(301)를 놓은 후(예를 들어, 스핀-코팅, 드롭 캐스팅 또는 잉크젯 인쇄에 의해), 기판을 회전시킴으로써 이 재료를 건조시켜 제1 균질층(310)을 형성하는 것으로 이루어진다. 제2 광활성 재료(302)는 나중에 동일한 방식으로 놓이고 처리되어 제2 균질층(320)을 얻으며, 2 개의 층들은 접촉하고, 영역(23)에서 혼합된다.
다른 실시예들에서, 제1 광활성 재료 및 제2 광활성 재료는 하나가 다른 부분과 적어도 부분적으로 중첩하도록 배치될 수 있다. 이는 상이한 전기적 특성들을 일으키고 광전자 장치에서 색상 구배(color gradient)를 생성할 수 있다.
도 4a, 4b, 그리고 4c는 본 발명의 방법에 의해 제조된 광전자 장치의 예를 나타낸다. 도 4a는 2 개의 상이한 광활성 재료들에 의해 제공된 2 개의 상이한 색상들을 포함하는 태양 전지의 측면도를 나타낸다. 도 4a의 예에서, 제1 광활성 재료는 제2 광활성 재료와 적어도 부분적으로 중첩한다. 이러한 중첩에 더하여, 2 개의 광활성 재료들이 혼합되어 제3 광활성 재료를 형성하는 영역이 나타날 수 있다. 또한 2 개의 재료들이 결합하는 영역에서 제3 광활성 재료를 형성하지 않고 제1 광활성 재료(301)가 제2 광활성 재료(302)와 접촉할 수도 있다.
도 4b의 예에서, 2 개의 광활성 재료들이 영역(23)에서 결합하여, 영역(23)에서 제1 광활성 재료와 제2 광활성 재료의 혼합물로부터 생성된 제3 균질층(330)을 형성한다.
도 4c는 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 태양 전지의 상부에서 본 하나의 예시를 제공한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 광전자 장치(1)에 2 개 이상의 광활성 재료들이 존재할 수 있다. 도 4c에서, 제1(410), 제2(420), 제3(430), 그리고 제4(440)의 균일한 유색층들은 광전자 장치(1)의 광활성층을 구성한다. 이들 색상들이 배치되는 패턴은 적절하게 놓는 기술을 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명의 방법을 사용하여 제조된 태양 전지들은 활성층들에 여러 광활성 재료들을 포함한다. 결과적으로, 이들 전지들의 광전 특성들은 전지에 존재하는 각각의 광활성 재료의 광전 특성 값들 안에 일반적으로 포함되는 범위로 조정될 수 있다. 본 발명에 제시된 것과 같은 복합 태양 전지의 광전 파라미터는 주로 전지에서 각각의 광활성 재료의 상대적인 양에 의존한다. 이러한 양은 전형적으로 광활성 재료들이 놓이는 각각의 부분의 크기들을 조정함으로써 제어될 수 있다.
도 5a, 5b, 5c는 2 개의 광전 물질들로 만들어진 태양 전지에서 3 개의 광전 파라미터들의 변화를 나타내는 그래프들이며, 2 개의 광전 물질들 사이의 비율의 함수로서, 광활성 재료들 중 하나에 의해 차지되는 전체 표면의 백분율로 표현된다.
도 5a는 이러한 태양 전지에서 개방 전압의 변화를 나타낸다. 도 5b는 이러한 태양 전지에서 광전류 밀도의 변화를 나타낸다. 도 5c는 이러한 태양 전지에서 변환 효율의 변화를 나타낸다. 2 개의 광전 재료들 사이의 비율을 갖는 광전류 밀도의 변화는 선형이며, 이는 원하는 값이 2 개의 광활성 재료들의 광전류 밀도들 사이에 포함되는 범위에 있을 때 원하는 광전류 밀도를 갖는 태양 전지를 구상할 수 있도록 만든다. 복합 태양 전지에서 광전 파라미터에 대한 값을 유사하게 선택하는 것은 각 광활성 재료의 양에 대한 이러한 파라미터의 의존성에 대한 지식에 기초하여 이루어질 수 있다.
다색 광전자 장치의 광전 특성들을 추가로 조정하기 위해, 예를 들어 강유전성 재료를 첨가하여 장치의 개방 전압을 증가시키는 것과 같이, 광전 재료들에 첨가제들을 포함시키는 것이 가능하다.
본 발명의 방법은 다색 광전자 장치들의 제조를 단순화할뿐만 아니라, 이들 장치들을 어레이 또는 패널로 조립하는 것을 더욱 간단하게 만든다.
도 6a는 종래 기술들을 사용하여 제조된 다색 태양 전지패널을 도시한다. 이 태양 전지패널(11)은 광활성층에서 단지 하나의 광활성 재료를 갖는 전지들 각각으로 만들어진다. 이로 인해, 전지들(1)은 특정 형상들을 가질 필요가 있고, 패널을 가로 질러 과도한 전기 저항의 출현을 방지하기 위해 동일한 색상의 전지들로만 전기적으로 직렬로 연결되어야 한다. 도 6a에서, 제1(610), 제2(620), 제3(630), 제4(640), 그리고 제5(650) 유형의 전지가 도시되며, 각각의 유형은 특정 색상과 관련된다.
본 발명의 방법을 사용하면, 도 6b에 도시된 바와 같이 원하는 색상 패턴을 갖는 태양 전지패널 또는 발광 다이오드 어레이를 제조하는 것이 훨씬 쉬워진다. 패널(12)의 각각의 전지(2)는 여러 광활성 재료들을 포함할 수 있고, 전지들은 광활성층들의 조성에 관계없이 직렬로 연결될 수 있다. 도 6b에서, 패널(12)은 제1(610), 제2(620), 제3(630), 제4(640), 그리고 제5(650) 유형의 광활성 재료를 포함하고, 이들 유형들은 특정 색상과 관련된다.
본 발명은 광기전 응용들에 제한되지 않는다. 전술한 바와 같이, 상기 방법은 발광 다이오드, 발광 다이오드 어레이, 나노 결정 또는 양자점 기반 장치, 하이브리드 발광 또는 광흡수 장치와 같은 상이한 종류의 광전자 장치들을 제조하는데 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 다색 광전자 장치(1)의 제조 방법으로서,
    적어도 제1 부분(21) 및 상기 제1 부분에 인접한 제2 부분(22)을 포함하는 전기 전도성 기판(10)을 얻는 것,
    제1 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제1 광활성 재료(301)를 상기 제1 부분 상에 놓는 것을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제1 광활성 재료와 상이하고 제2 주파수 범위의 광학 특성들을 갖는 제2 광활성 재료(302)을 상기 제2 부분 상에 놓는 것을 더 포함하고, 상기 제1 광활성 재료는 상기 제2 광활성 재료와 접촉하고, 상기 제1 광활성 재료 및 상기 제2 광활성 재료는 상기 다색 광전자 장치의 광활성층(30)을 형성하고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 각각의 크기들을 결정하여, 상기 제1 광활성 재료의 양과 상기 제2 광활성 재료의 양 사이의 비율이 상기 제1 광활성 재료에서의 광전 파라미터의 값과 상기 제2 광활성 재료에서의 광전 파라미터의 값 사이의 범위에서 미리 정해진 광전 파라미터 값을 갖는 광활성층을 발생시키는 것을 더 포함하며,
    상기 광활성층의 광전 파라미터는 개방 전압, 단락 전류 밀도, 광전 변환 효율, 전기-광 변환 효율 중에서 선택되는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 부분이 상기 제2 부분과 접촉하는 영역(23)에서 상기 제1 광활성 재료를 상기 제2 광활성 재료와 연관시켜, 상기 영역에서 혼합 광활성 재료(303)를 형성하는 것을 더 포함하는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광활성 재료 및 상기 제2 광활성 재료는 드롭 캐스팅, 닥터 블레이딩, 스핀 코팅, 잉크젯 인쇄, 스프레이 코팅 중에서 선택된 기술을 사용하여 놓이는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부분 상에 상기 제1 광활성 재료를 놓아 제1 균질층을 형성하는 것,
    상기 제2 부분 상에 상기 제2 광활성 재료를 놓아 상기 제1 균질층과 접촉하는 제2 균질층을 형성하는 것,
    상기 제1 균질층 및 상기 제2 균질층을 건조시키는 것을 더 포함하는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부분 상에 상기 제1 광활성 재료를 놓아 제1 균질층을 형성하는 것,
    상기 제1 균질층(310)을 건조시키는 것,
    상기 제2 부분 상에 상기 제2 광활성 재료를 놓아 상기 제1 균질층과 접촉하는 제2 균질층을 형성하는 것,
    상기 제2 균질층(320)을 건조시키는 것을 더 포함하는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광활성 재료 및 상기 제2 광활성 재료의 조성 및/또는 점도를 선택하여, 상기 광활성층에 대한 원하는 두께 및 원하는 광학 특성들을 얻는 것을 더 포함하는, 다색 광전자 장치의 제조 방법.
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