KR20060064622A - 탄소 나노튜브를 기재로 한 태양 전지 - Google Patents

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KR20060064622A
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미하엘 뒤르
가브리엘 넬레스
아끼오 야스다
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소니 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 광기전력 장치, 이 광기전력 장치의 용도, 이 광기전력 장치와 회로의 조합물 및 이 광기전력 장치를 사용하여 빛으로부터 전기를 발생시키는 방법에 관한 것이다.
탄소 나노튜브, 정공 전달체, 태양 전지, 공액 중합체, 전극.

Description

탄소 나노튜브를 기재로 한 태양 전지{Carbon Nanotubes Based Solar Cells}
본 발명은 광기전력 장치, 이 광기전력 장치의 용도, 이 광기전력 장치와 회로의 조합물, 및 이 광기전력 장치를 사용하여 빛으로부터 전기를 발생시키는 방법에 관한 것이다.
단결정 태양 전지는 25％ 정도로 높은 에너지 전환 효율을 나타낸다. 규소계 결정이 더 이상 단결정이 아닌 다결정질인 경우에, 가장 높은 효율은 18％ 정도의 범위이며, 비결정질 규소의 경우 가장 높은 효율은 12％ 정도이다. 그러나, 규소를 기재로 하는 태양 전지는 비결정질 규소를 이용할 때조차도 제조하기에 다소 비용이 든다. 따라서, 유기 화합물, 및(또는) 유기 및 무기 화합물의 혼합물을 기재로 하는 대체물들이 개발되어 왔다. 상기 유기 및 무기 화합물의 혼합물 유형의 태양 전지는 종종 혼성 태양 전지라 일컬어진다. 유기 태양 전지는 오직 유기 화합물, 즉 탄소 함유 화합물만을 기재로 하며, 때때로 "플라스틱-태양 전지"라고도 언급된다. 유기 및 혼성 태양 전지는 제조 비용이 보다 저렴할 것으로 기대되나 아직까지는 비결정질 규소 전지와 비교했을 때조차 효율이 비교될 정도로 낮은 것으로 여겨진다. 경량, 넓은 영역에 대한 낮은 제작 비용, 지구 친화적인 물질, 또는 가요성 기판상에서의 제조와 같은 그의 고유 이점으로 인해, 효율적인 유기 장 치가 기술적 및 상업적으로 유용한 '플라스틱 태양 전지'로 입증될 수 있다. 무기 및 유기 태양 전지 사이의 혼성물로 생각될 수 있는 액상 전해질 및 염료 민감성 나노결정질 이산화티탄(다공성 TiO2) 반도체에 기초한 태양 전지의 최근 진보는 대체 물질에서의 높은 에너지 전환 효율의 가능성을 증명해 주고 있다(문헌 [B. O'Regan and M. Gratzel, Nature 353(1991) 737] 참조).
완전한 유기 태양 전지와 그의 기본 메카니즘은 점점 많아지는 실험실에서 조사중에 있다. 이러한 노력의 한가지 주요 촛점은 공액 중합체와 소위 버크민스터풀러린(Buckminsterfullerene)이라 지칭되는 C60 뿐만 아니라 이들 유도체의 블렌드와 같은 특수한 유형의 복합 물질에 놓여 있다. 그 주요 원리는 문헌(Sariciftci et al., Science 258, 1474(1992); Yu et al., Science 270, 1789(1995); Brabec et al., Adv. Func. Mat., 11, 15(2001))에 기재되어 있으며 또한 도 1에 나타나 있다. 전자는 공액 중합체 내에서 여기되어 풀러린의 전도띠로 도입된다. 이 과정은 효과적인 전하 분리를 확실하게 한다. 그러나, 전력 전환 효율은 블렌드 내로의 불충분한 전하 수송으로 인하여 대개 3％ 정도로 제한된다(문헌 [Shaheen et al., Appl. Phys. Lett. 78] 참조).
탄소 나노튜브는 그의 독특한 기계적 및 전기적 특성 때문에 지난 십년간 수많은 간행물의 주제가 되어 왔다(문헌 [Dresselhaus et al., Academic Press, San Diego, ISBN 0-12-221820-5(1996); Wildoeer et al., Nature 391, 59(1998); Odom et al., Nature 391, 62(1998)] 참조). 탄소 나노튜브는 이음매 없는 원통으로 감 긴 육방격자 구조의 흑연 시트처럼 보일 수 있다. 이들은 이들의 구성(configuration)에 따라 금속 성질 또는 반도체 성질을 나타낸다. 게다가, 이들은 단일벽 또는 다중벽을 가진 튜브로서 나타나기도 하며 이 두 유형은 다발을 형성할 수 있다. 이들은 예를 들면 단일 튜브 전계 효과 트랜지스터를 제작하는데 성공적으로 사용되어 왔다(문헌 [Tans et al., Nature 393, 49(1998); Wind et al., APL 80, 3817(2002)] 참조). 최근에, 반도체성 튜브로부터 금속을 분리하는 방법이 제안되고 있다(문헌 [Collins et al., Science 292, 706(2001); Avouris et al., WO 02/054505; Avouris et al., US-patent 6,423,583 B1; Avouris et al., US-patent application 2002/0173083] 참조). 가장 최근에는, 금속성 및 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브가 정량적으로 분리될 수 있음을 보여주었다(문헌 [Cattopadhyay et al., JACS 125, 3370(2003)] 참조). 지금까지 탄소 나노튜브를 기재로 한 유기 태양 전지가 완전히 실현되거나 제안되지 못하고 있다. 문헌 [Smalley et al., WO 98/39250; Smalley et al., US-patent application 2002/0127162 A1; Smalley et al., US-patent application 2002/0127169 A1; Smalley et al., US-patent application 2002/0159943 A1]에서, 그라첼(Graetzel) 유형의 혼성 태양 전지(문헌 [O'Regan and Graetzel, Nature 353, 737(1991)] 참조)의 원리에 기초한 태양 전지가 제안되었으나 아직까지 실현되지 못하고 있다.
용액으로부터 가공될 수 있는 중합체를 이용하는 유기 태양 전지가 무기 태양 전지에 대한 저가의 대체물로서 연구되고 있으나, 태양력 효율이 단지 2.5％까지 밖에 이르지 못한다(문헌 [Shaheen et al., Appl. Phys. Lett. 78(2001)] 참조 ). 그럼에도 불구하고, 전통적인 무기 태양 전지는 일상적으로 10％의 태양력 전환 효율을 나타내며, 가장 진보된, 그러나 또한 가장 값비싼 모델은 30％의 효율에까지 이를 수 있다(문헌 [Green et al., Photovoltaics 9, 287(2001)] 참조).
따라서, 본 말명의 목적은 제조하기 쉽고 저렴하며 또한 높은 효율을 특징으로 하는 광기전력 장치를 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은 에너지 전환 효율이 무기 광기전력 장치에 필적하는 광기전력 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 유기 장치의 가소성 및 가요성과 무기 장치의 효율을 겸비한 광기전력 장치를 제공하는 것이다.
이러한 모든 목적은 탄소 나노튜브와 정공 전달체로서 역할을 하는 1종 이상의 유기 화합물의 조성물을 포함하는 광기전력 장치에 의해 해결된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 광기전력 장치는
- 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 조성물의 한 면상에 있으며, 제1 일 함수를 갖는 제1 전극, 및
- 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 조성물의 또 다른 면상에 있으며, 상기 제1 일 함수보다 더 높은 일 함수를 갖는 제2 전극을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 상기 1종 이상의 정공 전달체는 공액 중합체 또는 2종 이상의 공액 중합체의 블렌드이다.
본원에서 사용하는 용어 "공액 중합체"란 단일 및 이중 결합 및(또는) 삼중 결합이 교호하는 확장된 계, 즉 확장된 π-계를 가진 중합체를 지칭하는 의미이다.
한 실시양태에서, 상기 탄소 나노튜브는 금속성 및 반도체성 탄소 나노튜브의 혼합물, 바람직하게는 단지 반도체성 탄소 나노튜브이다. 한 실시양태에서, 상기 탄소 나노튜브는 다중벽 및 단일벽 탄소 나노튜브의 혼합물, 바람직하게는 단지 단일벽 탄소 나노튜브이다.
한 실시양태에서, 탄소 나노튜브는 직경이 0.5nm 내지 2nm이다.
한 실시양태에서, 탄소 나노튜브는 다발로 배열되거나 또는 단일의 형태이거나 또는 다발과 단일의 것이 혼합된 형태이다. 바람직하게는, 탄소 나노튜브는 단일의 탄소 나노튜브이다. 한 실시양태에서, 탄소 나노튜브의 길이는 2nm 내지 1000nm, 바람직하게는 50nm 내지 1000nm, 가장 바람직하게는 100nm 내지 500nm로 다양하다.
바람직하게는, 상기 탄소 나노튜브의 띠 간격은 약 0.5 내지 약 1 eV이다.
한 실시양태에서, 상기 1종 이상의 정공 전달체의 띠 간격은 약 1 eV 내지 3 eV, 바람직하게는 약 1.5 eV 내지 2.5 eV, 보다 바람직하게는 약 1.75 eV 내지 2.25 eV 이다.
한 실시양태에서, 상기 정공 전달체는 상기 탄소 나노튜브의 최상위 점유 분자 궤도(HOMO)보다 더 높은 에너지를 가진 π-오비탈 및 1 eV를 초과하는 띠 간격을 갖는 반도체성 유기 물질을 포함하는 군으로부터 선택된다.
상기 조성물은 탄소 나노튜브 및 1종 이상의 정공 전달체의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
한 실시양태에서, 상기 조성물은 상기 1종 이상의 정공 전달체가 한 층에 있고, 상기 탄소 나노튜브가 또 다른 층에 있는 2층 시스템이다.
한 실시양태에서, 상기 조성물은 상기 1종 이상의 정공 전달체와 상기 탄소 나노튜브가 교호층에 있는 다중 층 시스템이다.
한 실시양태에서, 상기 탄소 나노튜브는, 바람직하게는 상기 전극 중 한 전극상에, 수직으로 성장된다.
그러한 탄소 나노튜브의 성장 방법은 예를 들면 문헌 [Li et al., 1996, Science 274, 1701]에 기재되어 있으며, 상기 문헌 전문은 본원에 참고문헌으로 인용된다.
한 실시양태에서, 상기 수직으로 성장된 탄소 나노튜브는 정공 전달체에 함침된다.
본원에 사용되는 용어 "함침된"이란 "에 의해 둘러싸인"과 동일한 의미로 사용된다.
한 실시양태에서, 정공 전달체는 상기 탄소 나노튜브상에 직접적으로 성장된다. 이러한 성장 방법은 예를 들면 문헌 [Dai, 2001, Australian Journal of Chemistry, 54, 11]에 기재되어 있다.
한 실시양태에서, 정공 전달체가 직접적으로 성장한 상기 탄소 나노튜브("덧성장 나노튜브(overgrown nanotube)")가 이들상에 직접적으로 성장된 동일한 정공 전달체에 함침되거나, 또는 이들은 상이한 정공 전달체 또는 그의 혼합물에 함침된다.
한 실시양태에서, 상기 덧성장 나노튜브는, 바람직하게는 상기 전극 중 한 전극상에, 수직으로 성장된다.
한 실시양태에서, 상기 탄소 나노튜브는, 바람직하게는 상기 전극 중 한 전극상에, 수평으로 정렬된다.
그러한 정렬은 예를 들면 문헌 [Huag et al., 2001, Science 291, 630]에 기재되어 있으며, 상기 문헌 전문은 본원에 참고문헌으로 인용된다.
한 실시양태에서, 상기 수직으로 성장된 탄소 나노튜브 또는 상기 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브는 또한 상기한 바와 같은 탄소 나노튜브 및 1종 이상의 정공 전달체의 혼합물과 화합된다.
상기 문장에서 사용되는 용어 "와 화합되는"이란 본 발명에 따른 장치 내에서, 수직으로 성장되거나 또는 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브가 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 혼합물과 함께 발생한다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 혼합물이 그 사이에 개재되어 있는 두 개의 전극을 포함한다. 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 혼합물은 전극 사이에서 벌크 상(bulk phase)을 형성할 수 있다. 게다가, 하나 또는 두 전극에는 그들 상에 수직으로 성장되거나 또는 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브가 있을 수 있다.
한 실시양태에서, 풀러린이 1종 이상의 정공 전달체와 탄소 나노튜브의 혼합물에 첨가되고, 그로 인해 풀러린, 1종 이상의 정공 전달체 및 탄소 나노튜브의 블렌드가 형성된다. 이 블렌드는 상기한 두 전극 사이에 직접적으로 적용될 수 있거나 또는 전극 중 한 전극상에 수직으로 성장되거나 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브와 함께 적용될 수 있으며, 여기서 상기 수직으로 성장된 탄소 나노튜브와 상기 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브는 바람직하게는 전극 중 한 전극에 대해 수직으로 성장되거나 수평으로 정렬된다.
한 실시양태에서, 풀러린은 1종 이상의 정공 전달체에 첨가되고, 그로 인해 풀러린과 1종 이상의 정공 전달체의 블렌드가 형성된다. 이 블렌드는 전극 중 한 전극상에 수직으로 성장되거나 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브와 함께 적용될 수 있으며, 여기서 상기 수직으로 성장된 탄소 나노튜브와 상기 수평으로 정렬된 탄소 나노튜브는 바람직하게는 전극 중 한 전극에 대해 수직으로 성장되거나 또는 수평으로 정렬된다.
한 실시양태에서, 탄소 나노튜브와 정공 전달체로서 역할을 하는 1종 이상의 유기 화합물의 상기 조성물은 하나의 탄소 나노튜브(즉, 하나의 단일 탄소 나노튜브), 또는 단일 탄소 나노튜브의 어레이, 또는 탄소 나노튜브의 한 다발, 또는 탄소 나노튜브 다발의 어레이의 혼합물을 1종 이상의 정공 전달체와 함께 포함한다.
이러한 경우, 즉 상기 조성물이 하나의 단일 탄소 나노튜브, 또는 단일 탄소 나노튜브의 어레이, 또는 탄소 나노튜브의 한 다발, 또는 탄소 나노튜브 다발의 어레이의 혼합물을 1종 이상의 전공 전달체와 함께 포함하는 경우, 생성되는 광기전력 장치는 또한 "나노 광기전력 장치" 또는 "나노 태양 전지"라고 언급된다.
바람직하게는, 상기 1종 이상의 정공 전달체, 또는 정공 전달체로서 역할을 하는 상기 유기 화합물(용어 "정공 전달체" 및 "정공 전달체로서 역할을 하는 유기 화합물"이란 본원에서 상호 교환가능하게 사용되며 동의어로서 이해해야 함)은 폴리메타크릴레이트 및 유도체, 예를 들면 비스(디아릴아미노)비페닐 관능화 메타크릴레이트 및 그의 공중합체, 폴리아닐린 및 유도체, 폴리페닐렌 및 유도체, 폴리페닐렌 비닐렌 및 유도체, 예를 들면 폴리(2-메톡시, 5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌 (MDMO-PPV), 폴리티오펜 및 유도체, 트리페닐 디아민 유도체와 트리메톡시비닐실란의 공중합체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜: 폴리스티렌 설폰산) (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌 및 그의 유도체, 폴리파라페닐렌 및 그의 유도체, 폴리피롤 및 그의 유도체, 폴리파라페닐렌 설피드 및 그의 유도체, 폴리카바졸 및 그의 유도체, 폴리이소티아나펜 및 그의 유도체, 폴리(1,6-헵타디인) 및 그의 유도체, 및 폴리퀴놀린 및 그의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택된다.
정공 전달체로서 역할을 하는 바람직한 화합물의 다른 예들은 2000년 5월 29일자로 출원된 유럽 특허 출원 EP 00 111 499.3호 및 2001년 9월 4일자로 출원된 유럽 특허 출원 EP 01 121 179.4호에 개시되어 있으며, 상기 특허 문헌 전문은 본원에 참고문헌으로 인용된다.
한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 유기 태양 전지이다.
바람직하게는, 상기 제1 및(또는) 제2 전극은 투명한 물질의 필름 또는 층이다.
한 실시양태에서, 상기 제1 및(또는) 제2 전극은 금속성 또는 금속화된 전극이다.
본원에 사용되는 용어 "금속화된"이란 "스퍼터링되거나 또는 증착된, 반투명한 금속층을 갖는"과 동일한 의미로 사용된다.
한 바람직한 실시양태에서, 상기 제1 또는 제2 전극은 금속성 전극이다.
한 실시양태에서, 상기 제1 및(또는) 상기 제2 전극은 불화물 또는 아세테이트, 예를 들면 LiF, CsF, CH3COOLi, 또는 불화물과 아세테이트의 조합물의 증착된 층으로 코팅된다.
한 실시양태에서, 상기 불화물 또는 아세테이트의 증착된 층은 두께가 0.1nm 내지 15nm, 바람직하게는 0.1nm 내지 2nm이다.
한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 고상 무기 결정질 또는 유리질 기판, 또는 금속 호일 기판, 바람직하게는 스테인리스강 호일 기판, 또는 상기 제1 또는 상기 제2 전극으로 미리 코팅된 중합체 기판을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 상기 제1 또는 상기 제2 전극으로 미리 코팅된 가요성 중합체 기판을 추가로 포함한다.
한 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 광기전력 장치는, 물론 중간층이 사용될 수 있지만, 제1 일 함수를 갖는 금속 전극, 탄소 나노튜브와 정공 전달체의 어레이 및 제1 일 함수보다 더 높은 제2 일 함수를 갖는 제2 전도성 전극을 이 순서대로 그리고 바람직하게는 서로 인접하여 포함하며, 여기서 상기 제2 전도성 전극은 바람직하게는 투명하다.
본원에서 사용되는 용어 "탄소 나노튜브와 정공 전달체의 어레이"란 탄소 나노튜브와 정공 전달체의 임의의 배열을 지칭하는 의미이다. 예를 들어, 이들은 단순히 함께 혼합되어 전극 사이에서 벌크 상을 형성할 수 있거나, 또는 이들은 한 층에는 탄소 나노튜브가, 또 다른 층에는 정공 전달체가 있는 분리된 층일 수 있거나, 또는 이들은 다중 층 배열 내에서 교호 층일 수 있다. 다른 배열은 숙련된 당업자가 용이하게 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 다중 층 배열에 있어서, 탄소 나노튜브는 여러 층에, 그러나 각 층마다 각기 상이한 농도로 존재할 수 있다. 이는 동일하게 정공 전달체에 적용될 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 내부 전력 공급 장치로서 역할을 하는 본 발명에 따른 장치와 회로의 조합물에 의해서 해결된다.
한 실시양태에서, 상기 내부 전력 공급 장치는 나노미터 규모, 바람직하게는 10nm 내지 10000nm, 더욱 바람직하게는 100nm 내지 1000nm, 더더욱 바람직하게는 250nm 내지 750nm의 치수를 갖는다.
본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따른 장치를 태양 전지로서 사용함으로써 해결된다.
또한, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 장치에 빛이 조사되고, 그로 인해 광 개시 전하 분리 과정과 그 후의 전하 이동 과정이 일어나며, 추가로 전기가 상기 장치로부터 회수되는 점을 특징으로 하는 빛으로부터 전기를 발생시키는 방법에 의해서 해결된다.
본원에 사용하는 용어 "정공 전달체"란 정공을 받아들일 수 있는 임의의 화합물 또는 조성물로서, 정공을 받아들인 후에 정공이 상기 화합물 또는 조성물에 의해 그리고(또는) 상기 화합물 또는 조성물 내로 전달될 수 있는 임의의 화합물 또는 조성물을 지칭하는 의미이다. 이러한 "정공 전달체"는 또한 때때로 "정공 수용체" 또는 "정공 수용체/전달체"로도 언급된다. 만약 정공 전달체가 "유기 정공 전달체"일 경우, 이는 화합물 또는 조성물이 그의 특성상 유기물이라는 것을 의미한다. 용어 "유기"란 무기 물질, 즉 탄소 및 탄소 함유 화합물을 기재로 하지 않는 물질과 구별하고 경계를 정하기 위해 사용된다는 점에서 일반적으로 이해되는 의미로 사용된다.
특히, 본원에 사용하는 용어 "유기"는 일반적으로 이해되는 의미로서 사용된다. 즉, 탄소 함유 화합물인 화합물을 일컫는다. 또한, 본원에 사용하였을 때 상기 용어 "유기"는 적어도 풀러린의 형태인 원소 탄소를 포함한다. 추가로, 용어 "유기"는 특정 탄소 함유 화합물, 예를 들면 탄소의 수소 무함유 칼코게나이드(chalkogenide),예를 들면 CO, CO2, CS2 및 그의 유도체, 예를 들면 H2CO3, KSCN를 배제하며, 추가로 물 또는 희석산의 영향 하에서 탄화수소로 분해되는 탄소와의 원소의 2원 화합물인 염 유사 탄화물(salt-like carbide)이 배제되는 의미이다. 염 유사 탄화물은 MⅠ 2C2 또는 MⅡC2의 구조식을 갖으며, 여기서 MⅠ 또는 MⅡ는 1가 또는 2가의 금속 이온을 나타낸다. 알루미늄의 염 유사 탄화물(Al4C3)은 메탄으로 분해된다. 합금의 특성을 갖는 비화학양론적 화합물인 금속성 탄화물은 본원에 사용되는 용어 "유기"의 부분을 형성하지 않는 배제된 탄소 함유 화합물이다. 이들은 산에 저항성이 있고 전기적으로 전도성이다. 일산화탄소 분자가 원소 금속 원자에 배위적으로 결합되는 금속 카르보닐, 예를 들어 철 카르보닐(예. Fe2(CO)9, Fe3(CO)12), 크롬 카르보닐 Cr(CO)6, 코발트 카르보닐 Co2(CO)8, 니켈 카르보닐 Ni(CO)4 등은 본원에 사용되는 용어 "유기"에서 배제된다.
본원에 사용되는 "무기"란 용어는 상기에서 정의된 "유기"가 아닌 화합물을 나타내는 의미이다.
"단일의 탄소 나노튜브"와 "다발의 나노튜브" 또는 단순히 "단일"과 "다발"이라는 용어는 일반적으로 이해되는 이들의 의미로 사용되며, 개개의 튜브로서 나타나는(단일의) 분리된 실체인 탄소 나노튜브를 지칭하는 반면, "다발"은 그들의 측벽을 통해 서로 접촉하고 그들의 종축이 대체로 평행한 방식으로서 정렬된 나노튜브의 어레이이다.
본 발명은 공여체로부터 수용체로의 양호한 전하 캐리어 이송 및 네트워크의 구성요소 내에서의 양호한 캐리어 이동성을 모두 겸비한 전자 및 정공 수용체(및 따라서 또한 정공 및 전자 공여체)의 네트워크를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 장치를 선행 기술의 장치, 예를 들면 풀러린을 기재로 한 유기 태양 전지와 구별되게 하는, 가시광선 및 근적외선 영역의 빛의 더욱 효과적인 흡수를 제공한다. 후자, 즉 선행 기술에 의한 장치로서 풀러린을 기재로 한 유기 태양 전지의 흡수 스펙트럼은 가시광선 스펙트럼의 단파장 영역에 집중되어, 임의의 메카니즘 이론에 얽매이고자 하는 의도 없이, 보다 적은 전력 전환 효율을 나타낸다.
본 발명자들은 유기 정공 전달체와 탄소 나노튜브의 이점을 겸비한 광기전력 장치를 제안한다. 이러한 장치는 현존하는 광기전력 시스템에 대한 저렴한 대체물이다. 그것은 아마도 탄소 나노튜브 자체에서의 보다 양호한 전하 캐리어 이동성 때문에, 풀러린 기재의 유기 전지의 한계를 극복한다. 더욱이, 탄소 나노튜브를 사용함으로써, 태양 조사를 비롯한 일반적으로 이용가능한 광원의 스펙트럼이 탄소 나노튜브의 흡수 특성으로 인해 보다 양호하게 이용될 수 있다.
임의의 특정한 작용 메카니즘에 얽매이고자 하는 의도 없이, 본 발명자들은 본 발명의 기초가 되는 메카니즘이 다음과 같이 작용한다고 현재 생각하고 있다. 빛은, 많은 경우에 공액 중합체일, 유기 정공 수용체/전달체에서 전자를 여기시킬 수 있거나, 또는 빛은 탄소 나노튜브에서 전자를 여기시킬 수 있다(또한 도 2 참조). 첫번째 경우에, 빛에 의해 여기된 전자는 탄소 나노튜브의 전도 띠로 이송되며, 이 경우 탄소 나노튜브는 전자 수용체 및 전달체로서 역할을 하고, 반면 빛에 의해 생성된 정공은 유기 정공 수용체/전달체의 가전자 띠(valence band)에 머무른다. 효과적으로 분리된 전하 캐리어는 전극으로 수송되며, 만약 존재한다면 광기전력 활성을 유발한다. 빛이 탄소 나노튜브에서 전자를 여기시킬 경우, 동일한 결과로 빛에 의해 여기된 정공이 유기 정공 수용체/전달체로 이동한다. 전형적으로 0.5 내지 약 1 eV 범위인 탄소 나노튜브의 각 띠 간격과, 전형적으로 약 2 eV 정도인 유기 정공 수용체/전달체(예를 들면, 공액 중합체)의 띠 간격을 조정함으로써, 유기 정공 수용체/전달체를 통한 또는 탄소 나노튜브를 통한 효과적인 빛의 흡수가 확실하게 되며, 이는 태양 스펙트럼 또는 전형적으로 더 긴 파장으로 이동된 실내 광원의 스펙트럼을 가질 수 있는 조사 공급원과는 무관하다.
이제, 예로서 주어진 도면에 대해 언급한다.
도 1은 개략적인 띠 도표로서 선행 기술로부터 알려진 버크민스터풀러린을 기재로 한 태양 전지의 상이한 여기 과정이 나타나 있다.
도 2는 개략적인 띠 도표로서 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 기재의 광기전력 장치의 그리고 상기 장치에서의 상이한 여기 과정이 나타나 있다.
보다 구체적으로 도 1에는, 보다 짧은 파장의 빛이 중합체에서의 여기(수직 화살표)를 유발하고, 이어서 버크민스터풀러린의 LUMO로의 전자 이동에 의한 전하 분리가 유발된다. 정공과 전자는 FTO 및 Al-전극으로부터 각각 수집된다. 후자(전자)는 호핑 수송 메카니즘(hopping transport mechanism)에 의하여 그곳으로 이동하여야 한다. 더 긴 파장의 빛은 흡수되지 않는다.
도 2에서는, 본 발명에 따른 장치의 한 실시양태에서, 단파장의 빛은 중합체에서의 여기(직선의 수직 화살표, 실선)를 유발하고, 이어서 탄소 나노튜브의 LUMO로의 전자 이동(곡선의 화살표, 실선)에 의한 전하 분리가 유발된다. 더 긴 파장의 빛은 탄소 나노튜브 내로 흡수(수직 화살표, 점선)되고, 중합체의 π-오비탈로의 정공 주입이 효율적인 전하 분리(곡선 화살표, 점선)를 일으킨다. 정공과 전자는 각각 FTO 및 Al-전극으로부터 수집된다.
발명의 상세한 설명, 특허청구범위 및(또는) 수반된 도면에 개시된 본 발명의 특징은 개별적으로 그리고 임의의 조합으로 다양한 형태의 본 발명을 실현시키 는 물질일 수 있다.

Claims (25)

  1. 탄소 나노튜브와 정공 전달체의 역할을 하는 1종 이상의 유기 화합물의 조합물을 포함하는 광기전력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    - 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 조성물의 한 면상에 있으며, 제1 일 함수를 갖는 제1 전극, 및
    - 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 조성물의 또 다른 면상에 있으며, 상기 제1 일 함수보다 더 높은 일 함수를 갖는 제2 전극
    을 더 포함함을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1종 이상의 정공 전달체가 공액 중합체 또는 2종 이상의 공액 중합체의 블렌드임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브가 금속성 및 반도체성 탄소 나노튜브의 혼합물, 바람직하게는 단지 반도체성 탄소 나노튜브임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브가 다중벽 및 단일벽 탄소 나노튜브의 혼합물, 바람직하게는 단지 단일벽 탄소 나노튜브임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 직경이 0.5nm 내지 2nm임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 띠 간격이 약 0.5 내지 약 1 eV임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1종 이상의 정공 전달체의 띠 간격이 약 1 eV 내지 3 eV, 바람직하게는 약 1.5 eV 내지 2.5 eV, 더욱 바람직하게는 약 1.75 eV 내지 2.25 eV임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공 전달체가 상기 탄소 나노튜브의 최상위 점유 분자 궤도(HOMO)보다 높은 에너지를 갖는 π-오비탈 및 1 eV를 초과하는 띠 간격을 갖는 반도체성 유기 물질을 포함하는 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 상기 조성물이 탄소 나노튜브와 1종 이상의 정공 전달체의 혼합물을 포함하는 것임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물이 상기 1종 이상의 정공 전달체가 한 층에 있고, 상기 탄소 나노튜브가 또 다른 한 층에 있는 2층 시스템임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물이 상기 1종 이상의 정공 전달체와 상기 탄소 나노튜브가 교호층에 있는 다중 층 시스템임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  13. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브가, 바람직하게는 상기 전극 중 한 전극 상에, 수직으로 성장되어 있음을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  14. 제2항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 정공 전달체가 상기 탄소 나노튜브상에 직접적으로 성장된 것("덧성장 나노튜브(overgrown nanotube)")임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  15. 제2항 내지 제12항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브가, 바람직하게는 상기 전극 중 한 전극 상에, 수평으로 정렬되어 있음을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1종 이상의 정공 전달체가 폴리메타크릴레이트 및 유도체, 예를 들면 비스(디아릴아미노)비페닐 관능화 메타크릴레이트 및 그의 공중합체, 폴리아닐린 및 유도체, 폴리페닐렌 및 유도체, 폴리페닐렌 비닐렌 및 유도체, 예를 들면 폴리(2-메톡시, 5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌 (MDMO-PPV), 폴리티오펜 및 유도체, 트리페닐 디아민 유도체와 트리메톡시비닐실란의 공중합체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜: 폴리스티렌 설폰산) (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌 및 그의 유도체, 폴리파라페닐렌 및 그의 유도체, 폴리피롤 및 그의 유도체, 폴리파라페닐렌 설피드 및 그의 유도체, 폴리카바졸 및 그의 유도체, 폴리이소티아나펜 및 그의 유도체, 폴리(1,6-헵타디인) 및 그의 유도체, 및 폴리퀴놀린 및 그의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 태양 전지임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  18. 제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및(또는) 상기 제2 전극이 투명한 물질의 필름 또는 층임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  19. 제2항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극이 금속성 전극임을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  20. 제2항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및(또는) 상기 제2 전극이 불화물 또는 아세테이트, 예를 들면 LiF, CsF, CH3COOLi, 또는 불화물과 아세테이트의 조합물의 증착된 층으로 코팅되어 있음을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 고상 무기 결정질 또는 유리질 기판, 또는 금속 호일 기판, 바람직하게는 스테인리스강 호일 기판, 또는 상기 제1 또는 상기 제2 전극으로 미리 코팅된 중합체 기판을 더 포함함을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  22. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 또는 상기 제2 전극으로 미리 코팅된 가요성 중합체 기판을 더 포함함을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  23. 회로와, 내부 전력 공급 장치로서 역할을 하는 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 광기전력 장치의 조합물.
  24. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 광기전력 장치의 태양 전지로서의 용도.
  25. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 광기전력 장치 또는 제23항에 따른 조합물에 빛이 조사되고, 그로 인해 광 개시 전하 분리 과정과 그 후의 전하 이동 과정이 일어나며, 추가로 전기가 상기 광기전력 장치 또는 상기 조합물로부터 회수되는 것을 특징으로 하는, 빛으로부터 전기를 발생시키는 방법.
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