KR20070004651A - 대규모 광기전 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

대규모 광기전 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20070004651A
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아닐 라예 듀갈
애론 야키모브
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Abstract

본 발명은 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀을 포함하여 큰 면적을 차지하는 유기 광기전("PV") 장치에 관한 것이다. 유기 PV 장치는 각각의 유기 PV 셀에 병렬 연결되는 전기 회로 소자를 임의적으로 갖는다. 유기 PV 장치는 셀중 하나에서 단락되거나 단전이 발생할 때에도 지속적으로 작동될 수 있다. 이 장치는 하나의 장치에 수개의 연속하는 층을 생성시킬 수 있는 쉐도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 편리하게 제조된다.

Description

대규모 광기전 장치 및 이의 제조 방법{LARGE-AREA PHOTOVOLTAIC DEVICES AND METHODS OF MAKING SAME}
본 발명은 광 흡수성 광자 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 대규모 광기전("PV") 장치 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 PV 장치는 광자의 흡수 후 생성되는 전자-정공 쌍의 분리에 그 기초를 둔다. 전하의 분리를 위해 통상적으로 전기장이 필요하다. 전기장은 빌트-인(built-in) 전위가 금속-반도체 계면에 존재하는 쇼트키(Schottky) 접속으로부터, 또는 p-형 반도체 물질과 n-형 반도체 물질 사이의 p-n 접합으로부터 야기될 수 있다. 이러한 장치는 통상적으로 단일 결정질, 다중 결정질 또는 비정질 구조를 가질 수 있는 무기 반도체, 특히 규소로부터 제조된다. 규소는 그의 비교적 높은 광자 전환 효율 때문에 통상적으로 선택된다. 그러나, 규소 기법은 비용이 많이 들고 제조 공정이 복잡하여, 생성되는 전력과 관련하여 비싼 장치를 생성시킨다.
유기 반도체 물질 분야에서 이루어진 진보의 결과로서 최근 활성 반도체 유 기 물질을 기제로 하는 유기 PV 장치가 관심을 끌고 있다. 이들 물질은 이전의 유기 PV 장치로 달성되지 못했던 더욱 우수한 효율의 전망을 제공한다. 전형적으로, 유기 PV 장치의 활성 성분은 서로 접촉되어 배치된 둘 이상의 유기 반도체 물질 층을 포함한다. 제 1 유기 반도체 물질은 전자 수용체이고 제 2 유기 반도체 물질은 전자 공여체이다. 전자 수용체는 전자 수용체의 더 높은 전자 친화력 때문에 다른 인접한 물질로부터 전자를 수용할 수 있는 물질이다. 전자 공여체는 전자 공여체의 보다 낮은 이온화 전위 때문에 인접 물질로부터 정공을 수용할 수 있는 물질이다. 유기 광 전도성 물질에서의 광자의 흡수는 결합된 전자-정공 쌍을 생성시키고, 이는 전하 수집이 이루어질 수 있기 전에 분리되어야 한다. 분리된 전자 및 정공은 개별적인 수용체(반도체 물질)를 통해 이동하여 반대 전극에서 수집된다.
PV 장치로부터 실제적인 에너지 공급원을 갖기 위해서는 대규모 장치가 다량의 태양광을 포획해야 할 필요가 있다. 그러나, 대규모 무결함 PV 장치의 제조는 난제이다. 전형적으로, 장치 제조시의 결함(예컨대 단락되는 것)은 전체 장치가 작동되지 못하게 하고 쓸모없게 만든다.
그러므로, 큰 면적을 차지하지만 제조 결함에 대해 더욱 허용성인 PV 장치를 제공하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 원래 제조된 장치에 미시적인 단락이 존재할 때에도 작동가능한 상태로 유지되고 전기 에너지를 생성시키는 대규모 PV 장치를 제공하는 것도 매우 바람직하다.
발명의 개요
본 발명은 큰 면적을 차지하는 유기 PV 장치를 제공한다. 유기 PV 장치는 전기적으로 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(cell)을 포함한다.
본 발명의 한 요지에 따라, 유기 PV 셀은 하나 이상의 유기 전자 수용체 및 하나 이상의 유기 전자 공여체를 포함한다. 유기 전자 수용체 및 전자 공여체는 서로 인접하게 배치되어 접합부를 형성하고, 함께 전극 쌍(캐쏘드 및 애노드) 사이에 끼워진다. 하나의 유기 PV 셀의 캐쏘드는 인접한 유기 PV 셀의 애노드에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 다른 요지에 따라, 전기적 우회(by-pass) 경로를 제공할 수 있는 전기 회로 소자는 각각의 유기 PV 셀에 병렬 연결된다.
본 발명의 또 다른 요지에 따라, 대규모 PV 장치를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 (a) 각 셀이 제 1 전극과 제 2 전극의 쌍 사이에 배치되는 둘 이상의 유기 반도체 물질을 포함하는, 복수개의 유기 PV 셀을 기판상에 생성시키고; (b) 하나의 셀의 제 1 전극과 인접한 셀의 제 2 전극을 전기적으로 접속시킴을 포함한다. 복수개의 유기 PV 셀을 제조하는 단계는 (1) 복수개의 개별적인 제 1 전극을 기판상에 제공하고; (2) 각각의 제 1 전극 상에 제 1 유기 반도체 물질의 제 1 층(각각의 제 1 층은 다른 제 1 층과 분리됨)을 배치시키고; (3) 각각의 제 1 층 상에 제 2 유기 반도체 물질의 제 2 층을 배치시키며(제 1 및 제 2 유기 반도체 물질은 전자 수용체와 전자 공여체의 접합부를 형성함); (4) 제 2 유기 반도체 물질의 각각의 층 상에 제 2 전극을 배치시킴을 포함한다.
본 발명의 또 다른 요지에 따라, 대규모 PV 장치를 제조하는 방법은 (a) 각 셀이 제 1 전극과 제 2 전극의 쌍 사이에 배치된 둘 이상의 유기 반도체 물질을 포함하는, 복수개의 별도의 유기 PV 셀을 형성시키고; (b) 복수개의 별도의 유기 PV 셀을 기판에 배치시키며; (c) 하나의 셀의 제 1 전극과 다른 인접한 셀의 제 2 전극을 전기적으로 접속시킴을 포함한다. 별도의 유기 PV 셀을 생성시키는 단계는 (1) 제 1 전극 층을 제공하고; (2) 제 1 전극 층 상에 제 1 유기 반도체 물질을 배치시키고; (3) 제 1 유기 반도체 물질 상에 제 2 유기 반도체 물질을 배치시키며; (4) 제 2 유기 반도체 물질 상에 제 2 전극 층을 배치시킴을 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 동일한 숫자가 유사한 요소를 나타내는 첨부 도면을 숙독함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 직렬 연결된 수개의 PV 셀을 포함하는 PV 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 직렬 연결된 수개의 PV 셀을 포함하는 PV 장치의 실시양태의 측면도이다.
도 3은 직렬 연결된 수개의 PV 셀을 포함하는 PV 장치의 상이한 실시양태의 측면도이다.
도 4는 회로 소자가 각 PV 셀에 병렬 연결되는, 직렬 연결된 수개의 PV 셀을 포함하는 PV 장치를 개략적으로 도시한다.
도 5는 직렬 연결된 수개의 PV 셀을 포함하는 PV 장치를 제조하는 방법의 단 계를 도시한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시양태에 따른 PV 장치를 도시한다. 도면에 도시된 요소는 축척에 따라 도시되지 않았음을 알아야 한다. 도 1의 PV 장치(10)는 큰 면적을 차지하도록 직렬 연결 및 배열된 복수개의 유기 PV 셀(12)을 포함한다. 용어 "큰 면적"은 약 100cm2보다 큰 면적을 의미한다. 예를 들어, 도 1은 6개의 유기 PV 셀(12)을 도시한다. 그러나, 유기 PV 셀의 숫자는 모든 셀이 직렬 연결되는 경우에 유효 면적을 차지하기에 바람직하도록 선택될 수 있다. 유기 PV 셀의 숫자는 또한 목적하는 출력 전위(V)를 제공하도록 선택될 수 있다.
개별적인 유기 PV 셀(12) 각각은 애노드(14) 및 캐쏘드(16)를 갖는다. 유기 PV 셀(12)은 도 1에 도시된 바와 같이 직렬 배열로, 예컨대 애노드(14)로부터 캐쏘드(16)로 전기적으로 연결된다. 이와 관련하여, 개별적인 애노드 및 캐쏘드는 도 1에 도시된 바와 같이 상호연결 배선(18)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 각 유기 PV 셀(12)은 광자 에너지를 흡수할 수 있고 애노드(14)와 캐쏘드(16) 사이에서 전위를 발생시킬 수 있다. 복수개의 유기 PV 셀(12)로부터의 출력 전위(V)는 제 1 셀의 애노드(14)에 연결된 도선(22)과 직렬된 최종 셀의 캐쏘드(16)에 연결된 도선(24) 사이의 (20)에서 입수될 수 있다. 출력 전위(V)는 모든 개별 셀(12)에 의해 발생된 전위의 합이다.
뿐만 아니라, 각 군이 직렬 연결된 복수개의 PV 셀을 포함하는 수개의 PV 셀 군을 임의의 목적하는 배열로(직렬, 병렬 또는 이들의 조합) 함께 연결하여, 목적하는 전위를 갖는 전체적으로 작동하는 PV 장치를 제공할 수 있다.
도 2는 직렬 연결되고 기판(150) 상에 배치된 복수개의 유기 PV 셀(12)의 측면도이다. 기판(150)은 전기적으로 비-전도성인 임의의 물질, 예컨대 유리, 세라믹, 목재, 종이 또는 중합체 물질일 수 있다. 폴리에스터, 폴리카본에이트, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)("PET"), 폴리이미드, 폴리에터이미드 또는 실리콘 같은 중합체 물질이 적합하다. 캐쏘드(16)가 기판(150) 상에 제공되는데, 각 캐쏘드는 다른 캐쏘드로부터 분리되어 있다. 유기 반도체 전자 수용체 물질의 층(15)이 캐쏘드(16) 상에 배치되며, 캐쏘드(16)의 일부는 후속 전기적 연결을 위해 덮지 않고 둔다. 유기 반도체 전자 공여체 물질의 층(17)이 층(15) 상에 배치된다. 애노드 층(14)이 층(17) 상에 배치된다. 고-전도율 물질을 포함하는 전기적 연결부(18)를 형성시켜 하나의 유기 PV 셀(12)의 캐쏘드(16)를 다른 인접한 유기 PV 셀의 애노드(14)에 연결시킨다. 다르게는, 도 3에 도시된 바와 같이, PV 셀(12)의 애노드(14)를 인접한 PV 셀의 캐소드(16)까지 연장시킴으로써 별도의 전기적 연결부(18)를 없앨 수 있다. 전극(14, 16)의 역할을 뒤바꿀 수도 있음을 알아야 한다. 달리 말해, 전극(14)이 애노드일 수 있고 전극(16)이 캐쏘드일 수 있다. 이 경우, 층(15)은 전자 수용체 층이고, 층(17)은 전자 공여체 층이다. 실질적으로 투명한 보호성 차단 코팅에 의해 PV 셀(12)의 군을 추가로 보호할 수 있다. "실질적으로 투명한"이란 용어는 입사 전자기("EM")선의 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상이 약 10° 미만의 입사각에서 약 0.5μ의 두께를 갖는 필름을 통해 통과하도록 함을 의미한다. 용어 "전자기선"은 자외선("UV") 내지 적외선("IR") 범위의 파장, 예컨대 약 100nm 내지 약 1mm의 파장을 갖는 전자기선을 의미한다. 유기 반도체 물질은 바람직하게는 태양광의 파장 범위에서 강하게 흡수한다. PV 장치의 각 요소에 적합한 물질은 아래에 개시된다.
유기 반도체 층(15, 17)에 흡수된 광자는 층(15, 17) 사이의 접합부로 이동되는 여기된 전자-정공 쌍[또는 엑시톤(exciton)]을 생성시키고, 이들 쌍은 상기 접합부에서 자유 전자 및 정공으로 분리되며 개별적인 전극으로 이동하여 수집된다. 액시톤의 수명 및 확산 길이는 유기 반도체 물질의 특성에 따라 달라지지만, 전형적으로는 매우 짧다. 엑시톤 확산 길이는 약 10nm 수준인 것으로 평가된다. 층(15, 17)의 두께는 이상적으로는 확산 길이보다 너무 더 크지 않아야 하며, 바람직하게는 약 100nm보다 작아야 한다. 그러나, 층(15, 17)의 두께가 감소됨에 따라 유기 반도체 층의 결함을 통한 단락의 가능성은 증가된다. 또한, 셀의 표면적이 증가함에 따라, 결함이 셀 내로 도입될 가능성도 높아진다. 이러한 결함은 예컨대 바늘구멍, 긁힘, 인열, 전도성 불순물 등의 형태일 수 있다. 이러한 결함이 이렇게 얇은 유기 층에 존재하는 경우에는, 결함을 통한 전극(14, 16) 사이의 단락이 쉽게 일어날 수 있다. 이러한 단락은, 전하가 결함을 통해 우선적으로 흐르고 전하 분리가 일어나지 않기 때문에, 셀(12)이 작동되지 않도록 한다. 그러므로, 그의 표면적이 에너지 조건을 충족시키도록 하나의 큰 PV 셀로만 이루어진 PV 장치가 결함을 갖는다면, 전체 장치는 에너지를 생성시키지 않게 된다. 대조적으로, 직렬 연결된 복수개의 PV 셀을 포함하는 본 발명의 PV 장치는 이러한 결과를 피한다. 하나 이상의 PV 셀이 단락을 갖는다 해도, 나머지 셀은 여전히 작동되고 전기 에너지를 생성시킨다.
다르게는, 전극(16)이 애노드일 수 있고, 전극(14)이 캐쏘드일 수 있다. 이 경우, 층(17)은 전자 수용체 물질을 포함하고, 층(15)은 전자 공여체 물질을 포함한다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 각 유기 PV 셀은 전하의 전극으로의 수송을 향상시키는 하나 이상의 층을 추가로 포함한다. 예를 들어, 전자 수송 층은 캐쏘드와 전자 수용체 물질 층 사이에 배치될 수 있다. 전자 수송에 적합한 물질은 트리스(8-퀴놀리놀레이토)알루미늄 같은 8-하이드록시퀴놀린의 금속 유기 착체; 스틸벤 유도체; 안트라센 유도체; 페릴렌 유도체; 금속 티옥시노이드 화합물; 옥사다이아졸 유도체 및 금속 킬레이트; 피리딘 유도체; 피리미딘 유도체; 퀴놀린 유도체; 퀸옥살린 유도체; 다이페닐퀴논 유도체; 나이트로-치환된 플루오르 유도체 및 트라이아진이다. 정공 수송 물질의 층이 애노드와 전자 공여체 층 사이에 배치될 수 있다. 정공 수송에 적합한 물질은 트라이아릴다이아민, 테트라페닐다이아민, 방향족 3급 아민, 하이드라존 유도체, 카바졸 유도체, 트라이아졸 유도체, 이미다졸 유도체, 아미노기를 갖는 옥사다이아졸 유도체, 및 폴리티오펜이다. 전자 및 정공 수송 물질은 물리적 증착, 화학적 증착, 회전 코팅 및 분무로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 마스크를 사용하여 아래에 놓인 층 상에 침착될 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태가 도 3에 도시되어 있다. PV 장치(10)는 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(12)을 포함한다. 각각의 유기 PV 셀(12)은 상기 개시된 소자를 포함한다. 또한, 회로 소자(30)는 유기 PV 셀(12)에 병렬 연결된다. 회로 소자(30)는 유기 반도체 층을 통한 유기 PV 셀의 애노드 또는 캐쏘드로의 전하 흐름이 차단될 때 관련 유기 PV 셀로의 전기적 우회로를 제공한다. 이러한 차단은 예컨대 PV 셀의 두 인접한 층(예컨대, 유기 반도체 층, 또는 전극과 인접한 유기 반도체 층)이 분리될 때 일어날 수 있다. 이러한 분리는 예컨대 유기 PV 셀의 제조 또는 장기 사용으로부터 발생되는 결함일 수 있다. 회로 소자(30)는 저항기, 다이오드, 배리스터(varistor) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
각각 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀을 포함하는 모듈은 목적하는 큰 면적을 차지하도록 배열되어 태양광으로부터 광자 에너지를 수집하고 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 개시된 중합체중 하나를 포함하는 중합체 필름 같은 가요성 기판 상에 유기 PV 셀을 장치하는 것이 바람직하다. 이어, 임의의 곡률을 갖는 표면상에 모듈을 장치할 수 있다. 한 실시양태에서는, 건물의 지붕 또는 외벽에 모듈을 설치할 수 있다.
일반적으로, 전극은 PV 셀을 가로질러 전기장을 유도하기 위하여 상이한 일 함수를 갖는 물질로 제조된다. 캐쏘드(16)는 전형적으로 K, Li, Na, Mg, La, Ce, Ca, Sr, Ba, Al, Ag, In, Sn, Zn, Zr, Sm, Eu, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것과 같이 낮은 일 함수를 갖는 금속으로 제조된다. 캐쏘드 물질을 마스크를 사용하여 물리적 증착, 화학적 증착, 전자 빔 증발, 스퍼터링 또는 전기 도금에 의해 기판(150) 상에 침착시켜, 분리된 캐쏘드(16)를 생성시킬 수 있다. 다르게는, 금속 필름을 기판(150)의 전체 표면 상에 침착시킨 다음 선택적으로 에칭시켜 캐쏘드(16)의 패턴을 남길 수 있다. 또 다른 대안으로서, 기판 상에 네거티브 패턴을 형성시키고(예를 들어 광 석판 인쇄술을 이용하여), 생성된 패턴을 도금 처리하여 캐쏘드(16)의 패턴을 생성시킨다. 전형적으로, 캐쏘드(16)의 두께는 약 10nm 내지 약 1000nm이다.
애노드(16)는 전형적으로 보다 높은 일 함수를 갖는 전기 전도성 물질로 제조된다. 입사 EM 선이 애노드 쪽에 충돌하는 실시양태에서, 애노드(16)는 산화주석인듐("ITO"), 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화아연인듐, 산화주석인듐아연, 산화안티몬 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것과 같은 실질적으로 투명한 물질로 제조된다. 애노드(16)는 마스크를 사용하여 물리적 증착, 화학적 증착, 전자 빔 증발, 스퍼터링 및 전기 도금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 아래에 놓인 층 상에 침착될 수 있다. 다르게는, 네거티브 패턴을 기판상에 생성시키고(예컨대, 광 석판 인쇄술을 이용하여), 생성된 패턴을 도금 처리하여 애노드(14)의 패턴을 생성시킨다. 금속의 얇고 실질적으로 투명한 층도 적합하다. 이러한 금속은 Au, Co, Ni, Pt, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 애노드(14)의 두께는 전형적으로 약 50nm 내지 약 400nm, 바람직하게는 약 50nm 내지 약 200nm이다.
층(15)에 적합한 전자 수용체 물질은 페릴렌 테트라카복시다이이미드, 페릴렌 테트라카복시다이이미다졸, 안트라퀴논 아크리돈 안료, 다환상 퀴논, 나프탈렌 테트라카복시다이이미다졸, CN- 또는 CF3-치환된 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 북민스터풀러렌(C60)이다.
층(17)에 적합한 전자 공여체 물질은 금속을 함유하지 않는 프탈로사이아닌; 구리, 아연, 니켈, 백금, 마그네슘, 납, 철, 알루미늄, 인듐, 티탄, 스칸듐, 이트륨, 세륨, 프라세오디뮴, 란탄, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬을 함유하는 프탈로사이아닌 안료; 퀴나크리돈 안료; 인디고 및 티오인디고 안료; 메로사이아닌 화합물; 사이아닌 화합물; 스쿠아릴륨 화합물; 하이드라존; 피라졸린; 트라이페닐메테인; 트라이페닐아민; 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리(페닐렌 비닐렌), 폴리(티엔일렌 비닐렌), 폴리(아이소티아나프탈렌) 및 폴리(실레인) 같은 공액 전기 전도성 중합체이다.
층(15, 17)의 두께는 전형적으로 약 5nm 내지 약 300nm, 바람직하게는 약 10nm 내지 약 100nm이다. 진공 침착, 회전 코팅, 분무 및 잉크-제트 인쇄로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 유기 반도체 물질을 전형적으로 아래에 놓인 층 상에 침착시킨다. 진공 침착, 회전 코팅 및 분무 방법은 마스크를 이용하여 편리하게 수행된다. 물질이 배치되는 위치를 조절하기 위하여 컴퓨터에 의해 보조되는 디자인 또는 컴퓨터에 의해 보조되는 제조 소프트웨어를 이용하여 잉크-제트 인쇄를 수행할 수 있다. 다르게는, 유기 반도체 물질의 필름을 전체 표면적에 침착시킨 다음, 레이저 삭마(ablation) 방법을 이용하여 패턴화시킴으로써 목적하는 위치에 물질을 남긴다. 목적하는 물질이 중합체인 경우에는, 그의 단량체를 먼저 침착시킨 다음 중합시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에서는, 전체 군 상에 배치되는 보호성 차단 코팅을 제공함으로써, 직렬 연결된 유기 PV 셀의 군을 환경중의 반응성 화합물에 의한 공격으로부터 또는 물리적 손상으로부터 보호할 수 있다. 이러한 보호성 차단막은 적어도 유기 물질과 무기 물질의 복수개의 교대 층을 유리하게 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리아크릴레이트, 에폭시, 실리콘, 실리콘-작용화된 에폭시, 폴리카본에이트 및 폴리에스터로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체 층을 먼저 전체 군 상에 침착시킨다. 진공 침착, 물리적 증착, 화학적 침착, 캐스팅, 회전 코팅, 침지 코팅 및 분무로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 중합체를 침착시킬 수 있다. 이어, 물리적 증착, 화학적 증착, 스퍼터링, 전자 빔 침착 및 전기 도금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 무기 물질의 층을 중합체 층 상에 침착시킨다. 이 층에 적합한 무기 물질은 금속, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물, 금속 산화물 및 이들의 혼합물이다. 다르게는, 보호성 차단막은 산화성 증기 및 수증기 같은 반응성 기체의 낮은 확산 계수를 갖는 중합체를 포함할 수 있다.
복수개의 PV 셀을 제조하는 방법의 한 실시양태에서는, 각각 특정 층에 적절한 패턴을 제공하는 연속적으로 적용되는 일련의 마스크를 통한 침착 방법에 의해 연속적인 층(16, 15, 17 및 14)을 생성시킬 수 있다. 적합한 침착 방법의 비한정적인 예는 물리적 증착, 화학적 증착, 회전 코팅, 분무 코팅, 캐스팅, 스퍼터링 및 전자 빔 기화이다. 침착되는 물질과 양립가능하도록 방법을 선택한다. 다르게는, 마스크를 적용시킴과 예컨대 절단, 에칭 또는 삭마에 의한 선택적인 패턴화의 조합에 의해 PV 셀의 층들을 생성시킬 수 있다.
복수개의 PV 셀을 제조하는 방법의 또 다른 실시양태에서는, 쉐도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 유기 반도체 물질의 층(15, 17) 및 애노드 층(14)을 연속적으로 형성시킨다. 도 4는 이러한 방법의 단계들을 도시한다. 먼저, 단계 (a)에서는 상기 개시된 기판 물질중 하나를 포함하는 기판(150)을 제공한다. 기판(150)은 마스크를 사용하여 물리적 증착, 화학적 증착, 스퍼터링 또는 전자 빔 침착에 의해 생성된 복수개의 별개의 분리된 제 1 전극(16)을 갖는다. 제 1 전극 물질 층을 기판(150)의 전체 표면상에 침착시킬 수 있고; 이어 층을 에칭시켜 제 1 전극 패턴을 생성시킨다. 단계 (b)에서는, 전극(16)의 가장자리 위에 또한 가장자리 근처에 복수개의 벽(50)을 생성시킨다. 각 전극(16) 상에 하나의 벽(50)을 배치한다. 예를 들어 회전 코팅 및 광 석판 인쇄 공정 단계에 의한 패턴화에 의해 네거티브-작용 포토레지스트 조성물로부터 벽(50)을 생성시킬 수 있다. 벽(50)은 후속 층의 침착을 위한 쉐도우를 제공한다. 단계 (c)에서는, 제 1 반도체 물질을 기판(150) 표면에 대한 수직으로부터 각도(θ1)로 전극(16) 상에 침착시켜 층(15)을 생성시킨다. 예를 들어, 제 1 전극(16)이 캐쏘드이면, 층(15)은 전자 수용체를 포함한다. 제 1 전극(16)이 애노드이면, 층(15)은 전자 공여체를 포함한다. 단계 (d)에서는, 제 2 반도체 물질을 층(15) 상에 각도(θ2)로 침착시켜 층(17)을 생성시킨다. 층(15)이 전자 수용체를 포함하면, 층(17)은 전자 공여체를 포함한다. 층(15)이 전자 공여체를 포함하면, 층(17)은 전자 수용체를 포함한다. 각도(θ2)는 각도(θ1)와 동일하거나 상이할 수 있다. 단계 (e)에서는, 제 2 전극 물질을 층(17) 상에 각도(θ3)로 침착시켜 제 2 전극(14)을 생성시킨다. 본원에 개시된 바와 같이 벽(50)의 쉐도우 마스크 효과를 이용한 침착은 층(15, 17, 14)을 제조함에 있어서 노력을 감소시킨다. 가공중인 제품(work piece)은 제자리에 유지되고, 침착되는 물질의 공급원 및 침착 각도만 변화시킬 필요가 있다. 이어, 벽(50)을 예컨대 레이저 삭마 또는 에칭에 의해 임의적으로 제거할 수 있다. 단계 (f)에서는, 각각 PV 셀의 제 1 전극(16)을 인접한 PV 셀의 제 2 전극(14)에 연결시키는 상호연결부(18)를 형성시킨다. 마스크를 사용하여 물리적 증착, 화학적 증착, 스퍼터링 또는 전자 빔 침착 같은 임의의 적합한 방법에 의해 상호연결부(18)를 생성시킬 수 있다.
전극(16), 벽(50), 층(15, 17, 14) 및 상호연결부(18)는 각각 기판(150)의 제 1 치수를 가로질러 연장되는 스트립으로 형성될 수 있다. 모든 침착 단계가 종결된 후, 그 위에 형성된 층을 갖는 기판을 기판(150)의 제 2 치수로 절단하여, 직렬 연결된 PV 셀의 군을 제공할 수 있다.
다양한 실시양태가 본원에 기재되어 있지만, 당해 분야의 숙련자에 의해 요소, 변형, 등가물 또는 개선의 다양한 조합이 이루어질 수 있으며, 이들 조합이 첨부된 청구의 범위에서 정의되는 본 발명의 영역 내에 속함을 명세서로부터 알게 될 것이다.

Claims (10)

  1. 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(cell)(12)을 포함하는 유기 광기전("PV") 장치(10)로서,
    상기 각각의 유기 PV 셀(12)이 제 1 전극(16); 제 2 전극(14); 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되는, 서로 인접하게 배치되어 접합부를 형성하는 적어도 제 1 유기 반도체 물질 및 제 2 유기 반도체 물질을 포함하고,
    상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 공여체 물질이고,
    상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 수용체 물질이며,
    하나의 PV 셀의 상기 제 1 전극이 인접한 PV 셀의 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되는 유기 PV 장치(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    유기 PV 셀(12)에 병렬 연결되는 회로 소자(30)를 추가로 포함하며, 상기 회로 소자가 저항기, 다이오드, 배리스터 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 PV 장치(10).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(16)이 실질적으로 투명한 금속 및 전기 전도성 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 애노드(anode)인 유기 PV 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 공여체 물질(17)이 금속을 함유하지 않는 프탈로사이아닌; 구리, 아연, 니켈, 백금, 마그네슘, 납, 철, 알루미늄, 인듐, 티탄, 스칸듐, 이트륨, 세륨, 프라세오디뮴, 란탄, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬을 함유하는 프탈로사이아닌 안료; 퀴나크리돈 안료; 인디고 및 티오인디고 안료; 메로사이아닌 화합물; 사이아닌 화합물; 스쿠아릴륨 화합물; 하이드라존; 피라졸린; 트라이페닐메테인; 트라이페닐아민; 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리(페닐렌 비닐렌), 폴리(티엔일렌 비닐렌), 폴리(아이소티아나프탈렌) 및 폴리(실레인)으로부터 선택되는 공액 전기 전도성 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 PV 장치(10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 수용체 물질(15)이 페릴렌 테트라카복시다이이미드, 페릴렌 테트라카복시다이이미다졸, 안트라퀴논 아크리돈 안료, 다환상 퀴논, 나프탈렌 테트라카복시다이이미다졸, CN- 또는 CF3-치환된 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 북민스터풀러렌(Buckminsterfullerene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 PV 장치(10).
  6. 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(12)을 포함하는 유기 PV 장치(10)를 제조하는 방 법으로서,
    상기 각각의 유기 PV 셀을 생성시키는 공정이, 제 1 전극(16)을 제공하고; 상기 제 1 전극(16) 상에 제 1 유기 반도체 물질(17)을 배치시키고; 상기 제 1 유기 반도체 물질(17) 상에 제 2 유기 반도체 물질(15)을 배치시켜 상기 반도체 물질 사이에 접합부를 생성시키며; 상기 제 2 유기 반도체 물질(15) 상에 제 2 전극(14)을 배치시킴을 포함하나, 단 상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 공여체일 때 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 수용체이고, 상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 수용체일 때 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 공여체이고, 상기 제 2 전극(14)이 인접한 PV 셀(12)의 제 1 전극(16)과 전기적으로 접속하도록 상기 제 2 전극(14)을 배치시키는, 상기 복수개의 유기 PV 셀(12)을 생성시킴을 포함하는 방법.
  7. 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(12)을 포함하는 유기 PV 장치(10)를 제조하는 방법으로서,
    (a) 상기 각각의 유기 PV 셀을 생성시키는 공정이, (i) 제 1 전극(16)을 제공하고; (ii) 상기 제 1 전극 상에 제 1 유기 반도체 물질(17)을 배치시키고; (iii) 상기 제 1 유기 반도체 물질(17) 상에 제 2 유기 반도체 물질(15)을 배치시켜 상기 반도체 물질 사이에 접합부를 생성시키며; (iv) 상기 제 2 유기 반도체 물질(15) 상에 제 2 전극(14)을 배치시킴을 포함하나, 단 상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 공여체일 때 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 수용체이고, 상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 수용체일 때 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 공여체인, 상기 복수개의 유기 PV 셀(12)을 형성시키고,
    (b) 유기 PV 셀(12)의 상기 제 1 전극(16)과 인접한 유기 PV 셀의 상기 제 2 전극(14) 사이에 전기적 연결부(18)를 제공함을 포함하는 방법.
  8. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 유기 반도체 물질(17)의 배치 및 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)의 배치 방법이 진공 침착, 회전 코팅, 분무 및 잉크-제트 인쇄로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 방법.
  9. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 전극(14)의 배치 방법이 물리적 증착, 화학적 증착, 전자 빔 증발, 스퍼터링 및 전기 도금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 전위를 발생시키는 방법으로서,
    (a) 각각의 유기 PV 셀이 (i) 제 1 전극(16); (ii) 제 2 전극(14); 및 (iii) 서로 인접하게 배치되어 접합부를 형성하는 적어도 제 1 및 제 2 유기 반도체 물질을 포함하며, 상기 제 1 유기 반도체 물질(17)이 전자 공여체 물질이고, 상기 제 2 유기 반도체 물질(15)이 전자 수용체 물질이고, 상기 유기 반도체 물질이 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 배치되며, 하나의 PV 셀(12)의 상기 제 1 전극(16)이 인접한 PV 셀(12)의 상기 제 2 전극(14)에 전기적으로 연결되는, 직렬 연결된 복수개의 유기 PV 셀(12)의 군을 제공하고;
    (b) 상기 복수개의 유기 PV 셀(12)의 적어도 표면에 전자기("EM")선을 제공하며;
    (c) 상기 군의 제 1 PV 셀(12)의 제 1 전극과 상기 군의 마지막 PV 셀(12)의 제 2 전극 사이에서 전위를 수득함을 포함하는 방법.
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