KR20070103376A - Solid state photosensitive devices which employ isolated photosynthetic complexes - Google Patents

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KR20070103376A
KR20070103376A KR1020077015214A KR20077015214A KR20070103376A KR 20070103376 A KR20070103376 A KR 20070103376A KR 1020077015214 A KR1020077015214 A KR 1020077015214A KR 20077015214 A KR20077015214 A KR 20077015214A KR 20070103376 A KR20070103376 A KR 20070103376A
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스테펜 알. 포레스트
피터 퓨만스
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더 트러스티즈 오브 프린스턴 유니버시티
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Abstract

Solid state photosensitive devices including photovoltaic devices are provided which comprise a first electrode and a second electrode in superposed relation; and at least one isolated Light Harvesting Complex (LHC) between the electrodes. Preferred photosensitive devices comprise an electron transport layer formed of a first photoconductive organic semiconductor material, adjacent to the LHC, disposed between the first electrode and the LHC; and a hole transport layer formed of a second photoconductive organic semiconductor material, adjacent to the LHC, disposed between the second electrode and the LHC. Solid state photosensitive devices of the present invention may comprise at least one additional layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the first electrode and the electron transport layer; and at least one additional layer of photoconductive organic semiconductor material, disposed between the second electrode and the hole transport layer. Methods of generating photocurrent are provided which comprise exposing a photovoltaic device of the present invention to light. Electronic devices are provided which comprise a solid state photosensitive device of the present invention.

Description

절연된 광합성 복합체를 사용하는 고체 상태의 감광성 장치{SOLID STATE PHOTOSENSITIVE DEVICES WHICH EMPLOY ISOLATED PHOTOSYNTHETIC COMPLEXES}Solid state photosensitive device using insulated photosynthetic composite {SOLID STATE PHOTOSENSITIVE DEVICES WHICH EMPLOY ISOLATED PHOTOSYNTHETIC COMPLEXES}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 겹쳐진 관계에 있는 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 전극 사이에 1 이상의 절연된 광합성 복합체 (집광 복합체(Light Harvesting Complex, LHC), 예컨대, PSI (광계 I, 예를 들어 시금치로부터 유래), 및/또는 LH2 (집광 복합체 2, 자색 세균(purple bacteria)으로부터 유래)을 포함하는 광전 장치(photovoltaic device)를 포함하는, 고체 상태의 감광성 장치와 일반적으로 관련이 있다. 빛에 대해 본 발명의 광전 장치를 노출시키는 단계를 포함하는, 회로에 전력을 공급하기 위한 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 고체 상태의 고체 상태의 감광성 장치를 포함하는 전자 장치를 기재한다. The present invention is a first electrode and a second electrode in an overlapping relationship; And one or more insulated photosynthetic complexes (Light Harvesting Complex (LHC), such as PSI (from light system I, for example spinach)), and / or LH2 (condensing complex 2, purple bacteria) between the electrodes. generally associated with a photosensitive device in a solid state, including a photovoltaic device, which includes exposing the photoelectric device of the invention to light. A method for supplying is described An electronic device comprising a solid state photosensitive device according to the present invention is described.

배경 기술Background technology

광합성은 전자기 에너지를 명반응 및 암반응을 통해 전기화학적 에너지로 변환시키는 생물학적 공정이다. 광합성은 클로로플라스트로 지칭되는 고등 식물 및 녹조류에서의 분화된 세포기관에서 일어난다. 클로로플라스트는 이중막으로 감싸지며, 틸라코이드를 함유하는데, 층상구조인 막 디스크(그라나) 및 층상구조가 아닌 막 디스크(스트로마)로 이루어진다. 틸라코이드막은 두개의 중요한 광합성 성분을 포함하는데 이들은 광계 I 및 광계 II이며, 각각 PSI 및 PSII로 표시된다. Photosynthesis is a biological process that converts electromagnetic energy into electrochemical energy through light and dark reactions. Photosynthesis occurs in differentiated organelles in higher plants and green algae called chloroplasms. Chloroplasm is enclosed in a double membrane and contains thylakoid, which consists of a layered membrane disk (Grana) and a non-layered membrane disk (stroma). The thylakoid membrane contains two important photosynthetic components, which are light system I and light system II, denoted PSI and PSII, respectively.

광합성 복합체에 대한 전기적 연구는 Oak Ridge National Lab에서 리 및 그린바움에 의해 시작되었다 [Lee, L, et al , Phys . Rev , Lett . 79, 3294 (1997); Greenbaum, E., Science 230, 1373 (1985); Lee, L, et al ., J. Phys . Chem . B 104, 2439 (2000)]. 이들 연구자들은 복합체 표면 상의 전자 공여 부위로 Pt를 화학적으로 침전시킨 다음, 백금이 코팅된 복합체를 사용하여 H2를 생성시켰다. 그들은 또한 켈빈 포스 현미경을 이용하여 광기전력(photovoltage)을 관찰하였고 친수성 기판 상 복합체의 정위 통계(orientation statistics)를 측정하였다[Greenbaum, E., Bioelectrochemistry and Bioenergetics, 21:171, 1989; Greenbaum, E., J. Phys. Chem., 94:6151, 1990; Lee, L, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92: 1965, 1995; Lee, I., et al., 11 (4):375, 1996. 또한, United States Patent No. 6, 162,278, entitled "Photobiomolecular Deposition of Metallic Particles and Films", Hu, December 19, 2000].Electrical studies of photosynthetic complexes were initiated by Lee and Greenbaum at Oak Ridge National Lab [Lee, L, et. al , Phys . Rev , Lett . 79, 3294 (1997); Greenbaum, E., Science 230, 1373 (1985); Lee, L, et al ., J. Phys . Chem . B 104, 2439 (2000). These researchers chemically precipitated Pt into the electron donor sites on the composite surface and then produced H 2 using a platinum coated composite. They also observed photovoltage using a Kelvin force microscope and measured the orientation statistics of the complex on the hydrophilic substrate [Greenbaum, E., Bioelectrochemistry and Bioenergetics, 21: 171, 1989; Greenbaum, E., J. Phys. Chem., 94: 6151, 1990; Lee, L, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92: 1965, 1995; Lee, I., et al., 11 (4): 375, 1996. Also, United States Patent No. 6, 162,278, entitled " Photobiomolecular Deposition of Metallic Particles and Films ", Hu, December 19, 2000].

분자 회로의 제조는 현재 전자빔 리소그라피와 같은 종래의 패터닝 기술의 분해능(resolution)을 넘어섰다. 그러나, 서브 나노미터 정밀도를 가지는 분자의 위치결정은 사실상 루틴하며, 광합성 복합체의 작동에 대해 결정적이다. 광합성 복합체는, 예를 들어, 분자 안테나로부터 전하가 발생되는 반응 중심으로 에너지를 흐르도록 최적화된다. 천연 단백질 스캐폴드는 광학적 및 전자적으로 활성인 분자 성분의 정확한 배치 및 배향을 조절한다. 광합성 복합체는 진화에 의해 최적화된 크기 및 기능성의 조합물을 포함한다. 자색 세균 시네코코쿠스 엘롱가투스(Synechococcus Elongatus)에서 발견되는 것과 같은 전형적인 복합체에서, 흡수된 광자는 광자 흡수의 100ps 이내에 총 양자수율 98%로 모아진다. 1V의 광기전력은 복합체의 전역에 걸쳐 발생하며, 전력 변환 효율은 약 40% 이다 [Schubert, W.D., et al , J. MoI . Biol . 272, 741-768 (1997)]. 사실상, 천연 생분자 복합체는 가장 좋은 인공 광전장치의 효율도 능가한다. The manufacture of molecular circuits currently goes beyond the resolution of conventional patterning techniques such as electron beam lithography. However, the positioning of molecules with sub-nanometer precision is virtually routine and crucial for the operation of the photosynthetic complex. The photosynthetic complex is optimized to flow energy, for example, from the molecular antenna to the center of the reaction where the charge is generated. Natural protein scaffolds control the precise placement and orientation of optically and electronically active molecular components. Photosynthetic complexes include a combination of size and functionality optimized by evolution. In typical complexes such as those found in the purple bacterium Synechococcus Elongatus , absorbed photons are collected at a total quantum yield of 98% within 100 ps of photon absorption. Photovoltaic power of 1V occurs throughout the complex, with power conversion efficiency of about 40% [Schubert, WD, et al , J. MoI . Biol . 272, 741-768 (1997). In fact, natural biomolecular complexes outperform the best artificial optoelectronic devices.

그러나, 종래 기술은 입사광을 포획하여 입사광을 나노메트릭 전자 장치에 적절한 전기 에너지로 전환시키기 위한 고효율의 광전환 구조를 기술하지 못하였다. 단백질을 기재로 하는 광합성 분자 성분과 빛을 광전류로 전환시킴으로써 회로에 전력을 공급하는 광전 장치를 포함하는 종래의 전자제품을 인터페이싱한 고체 상태의 감광성 장치에 대한 필요성이 당업계에 있다. However, the prior art does not describe a highly efficient light conversion structure for capturing incident light and converting the incident light into electrical energy suitable for nanometric electronic devices. There is a need in the art for a solid state photosensitive device that interfaces with conventional electronics, including photosynthetic molecular components based on proteins and photovoltaic devices that power the circuit by converting light into photocurrent.

따라서, 본 명세서에 기술된 본 발명의 주 목적은 단일의 광합성 복합체를 사용하는 장치를 포함하는 기능성 장치 내로 집광 복합체를 고체 상태 편입시키는 것이다. 종래 기술은 또한 본 명세서에 기재된 바와 같이 집광 복합체를 포함하는 고체 상태의 감광성 장치 내로 편입되는 유기층을 예상하지도 못했다. Accordingly, the primary object of the present invention described herein is to incorporate the light collecting composite into a solid state into a functional device comprising a device using a single photosynthetic composite. The prior art also did not anticipate organic layers incorporated into the solid state photosensitive device comprising the light collecting composite as described herein.

발명의 개요Summary of the Invention

고체 상태의 감광성 장치는 겹쳐진 관계에 있는 제1 전극(2) 및 제2 전극 (4); 및 상기 전극 사이에 1 이상의 절연된 집광 복합체(LHC)(6) 을 포함한다. The photosensitive device in the solid state includes a first electrode 2 and a second electrode 4 in an overlapping relationship; And at least one insulated light collecting composite (LHC) 6 between the electrodes.

제1 전극(2)과 LHC(6) 사이에 배치되고 LHC(6)에 인접하며, 제1 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 전자 수송(8)층; 및 제2 전극(4)과 LHC(6) 사이에 배치되고 LHC(6)에 인접하며, 제2 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 정공 수송층(10)을 더 포함하는 감광성 장치가 제공된다. An electron transport 8 layer disposed between the first electrode 2 and the LHC 6 and adjacent the LHC 6 and formed of a first photoconductive organic semiconductor material; And a hole transport layer 10 disposed between the second electrode 4 and the LHC 6 and adjacent to the LHC 6 and formed of a second photoconductive organic semiconductor material.

본 발명의 다른 구체예는 제1 전극(2)과 전자 수송층(8) 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층(12), 및/또는 제2 전극(4)과 정공 수송층(10) 사이에 배치되며 1 이상의 광전도성 유기 반도체 물질층(14)을 포함한다. Another embodiment of the invention is one or more additional photoconductive organic semiconductor material layers 12 disposed between the first electrode 2 and the electron transport layer 8, and / or the second electrode 4 and the hole transport layer 10. Disposed between and includes at least one layer of photoconductive organic semiconductor material 14.

본 발명의 구체예는 전자 및/또는 엑시톤 블록킹층(16)이 제2 전극(40과 정공 수송층(10) 사이에 배치되는 것을 제공한다. Embodiments of the present invention provide that an electron and / or exciton blocking layer 16 is disposed between the second electrode 40 and the hole transport layer 10.

본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는 제2 전극(2)이 입사광 (λ~800nm)에 대해 실질적으로 투명하고(transparent), 전극(2)(4) 사이의 광전도성 유기 반도체 물질이 입사광에 대해 투명하며, 제2 전극(4)이 입사광을 실질적으로 반사하는 것이 바람직하다. In the solid state photosensitive device of the present invention, the second electrode 2 is substantially transparent to incident light (λ to 800 nm), and the photoconductive organic semiconductor material between the electrodes 2 and 4 is applied to incident light. It is preferable that the second electrode 4 be transparent and substantially reflect the incident light.

본 발명의 구체예는 LHC와 각각의 전극 사이의 거리(18)는 약 λ/4n 이다인 고체 상태의 감광성 장치(여기서, λ는 LHC가 흡수하는 빛의 주요 파장이고, n은 LHC와 각각의 전극(2 또는 4) 사이의 물질의 굴절률임).Embodiments of the present invention provide a solid state photosensitive device wherein the distance 18 between the LHC and each electrode is about [lambda] / 4n, where [lambda] is the principal wavelength of light absorbed by the LHC and n is the LHC and Refractive index of the material between the electrodes 2 or 4).

고체 상태의 감광성 장치는 제1 전극(2)이 회로(20)을 통해 제2 전극(4)과 더 연결되는 것이 바람직하다. In the photosensitive device in the solid state, it is preferable that the first electrode 2 is further connected with the second electrode 4 through the circuit 20.

본 발명의 광전 장치를 빛에 노출시키는 단계를 포함하는 광전류를 생성하는 방법이 제공된다. A method is provided for generating a photocurrent comprising exposing the photovoltaic device of the invention to light.

본 발명의 1 이상의 고체 상태의 감광성 장치를 편입시키는 전자 장치가 제공된다. An electronic device is provided incorporating one or more solid state photosensitive devices of the present invention.

발명의 상세한 설명 Detailed description of the invention

달리 정의되지 않는한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적인 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들에게 일반적으로 이해되어지는 것과 같은 의미를 가진다. 본 명세서에서 언급되는 모든 공개문헌 및 특허들은 참조로 통합되어 있다. Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. All publications and patents mentioned in this specification are incorporated by reference.

본 발명의 일반적인 목적은 입사광을 포획하여 입사광을 전기적 에너지로 전환시키기 위한 고효율의 광전환을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명은 특히 겹쳐진 관계에 있는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 전극 사이에 1 이상의 절연된 집광 복합체(LHC)를 포함하는 고체 상태의 감광성 장치와 관련이 있다. 본 발명의 감광성 장치는 빛을 광전류로 전환함으로써 전력을 회로에 공급하는 광전 장치를 포함한다. 본 발명은 단백질을 기재로하는 광합성 분자 성분을 종래의 전자 제품과 인터페이싱하는 다양한 구체예를 지향한다. 본 발명은 센서, 광기전력 전지 및 이와 관련된 장치들을 포함하는 나노미터 스케일의 감광성 장치에 특히 적절하다. 본 발명의 주된 목적은 단일의 광합성 복합체를 사용하는 장치를 포함하는 기능성 장치에 집광 복합체를 편입시키는 것이다. 나노미터 스케일의 광검출기 및 광기전력 전지는 나노메트릭 장치를 위해 제공된다. It is a general object of the present invention to provide a high efficiency light conversion for capturing incident light and converting the incident light into electrical energy. The invention relates in particular to a solid state photosensitive device comprising a first electrode and a second electrode in an overlapping relationship and at least one insulated light collecting composite (LHC) between the electrodes. The photosensitive device of the present invention includes a photoelectric device that supplies power to a circuit by converting light into a photocurrent. The present invention is directed to various embodiments of interfacing photosynthetic molecular components based on proteins with conventional electronic products. The present invention is particularly suitable for nanometer scale photosensitive devices, including sensors, photovoltaic cells and related devices. It is a primary object of the present invention to incorporate the light collecting composite into a functional device comprising a device using a single photosynthetic composite. Nanometer scale photodetectors and photovoltaic cells are provided for nanometric devices.

도 1을 참조하면, 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는 특히, 겹쳐진 관계에 있는 제1 전극(2) 및 제2 전극(4); 및 상기 전극 사이에 1 이상의 절연된 LHC(6)를 포함한다. 본 발명의 구체예는, 예를 들어, LHC(6)에 인접하고 제1 전극(2) 및 LHC(6) 사이에 배치되며, 제1 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 전자 수송층(8); 및 LHC(6)에 인접하고 제2 전극(4) 및 LHC(6) 사이에 배치되며, 제2 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 정공 수송층(10)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 대안적인 구체예는 제1 전극(2)과 상기 전자 수송층(8) 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광도전성 유기 반도체 물질층(12) 및/또는 제2 전극(4)과 정공 수송층(10) 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광도전성 유기 반도체 물질층(14)을 포함한다. With reference to FIG. 1, the solid state photosensitive device of the present invention, in particular, includes a first electrode 2 and a second electrode 4 in an overlapping relationship; And at least one insulated LHC 6 between the electrodes. Embodiments of the invention include, for example, an electron transport layer 8 adjacent the LHC 6 and disposed between the first electrode 2 and the LHC 6 and formed of a first photoconductive organic semiconductor material; And a hole transport layer 10 adjacent the LHC 6 and disposed between the second electrode 4 and the LHC 6 and formed of a second photoconductive organic semiconductor material. An alternative embodiment of the invention is one or more additional photoconductive organic semiconductor material layers 12 and / or the second electrode 4 and the hole transport layer disposed between the first electrode 2 and the electron transport layer 8. 10) one or more additional photoconductive organic semiconductor material layers 14 disposed therebetween.

도 2를 참조하면, 엑시톤 블록킹층(16)이 제2 전극(4)과 정공 수송층(10) 사이에 배치되는 본 발명의 구체예가 제공된다. 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는, 제1 전극(2)이 입사광 (λ~800nm)에 대해 실질적으로 투명하고, 전극 사이의 광전도성 유기 반도체 물질이 입사광에 대해 실질적으로 투명하며, 제2 전극(4)은 입사광에 대해 실질적으로 반사하는 것이 바람직하다. 본 발명의 구체예는 LHC와 각각의 전극 사이의 거리(18)가 약 λ/4n인 것을 제공하는데, 여기서 λ는 LHC에 의해 흡수된 빛의 첨두 파장(peak wavelength)이고, n은 LHC와 각각의 전극 사이의 물질의 굴절률이다. 고체 상태의 감광성 장치는 제1 전극(2)이 회로(20)를 통해 제2 전극(4)과 더 연결되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 2, an embodiment of the invention is provided in which an exciton blocking layer 16 is disposed between the second electrode 4 and the hole transport layer 10. In the solid state photosensitive device of the present invention, the first electrode 2 is substantially transparent to incident light (λ to 800 nm), the photoconductive organic semiconductor material between the electrodes is substantially transparent to incident light, and the second electrode (4) preferably reflects substantially the incident light. Embodiments of the invention provide that the distance 18 between the LHC and each electrode is about [lambda] / 4n, where [lambda] is the peak wavelength of light absorbed by the LHC, and n is the LHC and respectively Is the refractive index of the material between the electrodes. In the photosensitive device in the solid state, it is preferable that the first electrode 2 is further connected with the second electrode 4 through the circuit 20.

광합성 복합체의 진화 최적화(Evolutionary optimization)는 특히 효율적인 전력 전환을 제공하기 위해 개발되었다. LHC는 서브 나노미터 정밀도로 광합성제를 배치하고 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치에서 2분자 전자 성분을 제공한다. 본 발명의 LHC 성분에서 정밀하게 배치되는 분자는 쌍극자-쌍극자 커플링을 통해 (안테나와 수신기 처럼) 상호작용한다. 이러한 커플링은 분자 위치와 배향에 매우 민감하다. 초소형 스케일은 스위칭 에너지 및 운송 시간(transit time)을 낮춘다. 본 명세서에서 사용되는 "집광 복합체(LHC)"라는 용어는 예를 들어 PSI(광계 I, 예를 들어 시금치로부터 유래), 및/또는 LH2(집광 복합체 2, 자색 세균으로부터 유래)를 의미한다[Fromme, P., et al , Biochim . Biophys . Acta 1365, 175 (1998); Lee, L, et al , Phys . Rev . Lett . 79, 3294 (1997); Schubert, W.D., et al , J. MoI Biol . 272, 741-768 (1997) 참조]. 이러한 복합체들은 예를 들어 PROTEIN LABS Inc., 1425 Russ Blvd., Suite T-107C, San Diego, CA 92101로부터 상업적으로 입수가능하다. 광계 I(PSI)은, 예를 들어, 로직 장치를 포함하는 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치의 구조에서 바람직한 LHC이다. 예를 들어, 본 발명에 따라 사용되는 PSI는, 예를 들어, 시금치 클로로플라스트로부터 제조되는 것이 바람직할 것이다. PSI는 다이오드 성질을 가지는 단백질-클로로필 복합체이고, 틸라코이드막 내에 광합성 기구의 일부이다. 이것은 타원형 모양이며 약 5 X 6 나노미터의 차원을 가진다. 본 명세서에서 PSI는 나노미터 회로를 생성하도록 사용된다. PSI 반응 중심/코어 안테나 복합체는 광활성 반응 중심 색소(P700) 당 약 40 클로로필을 함유한다. 클로로필 분자는 광자를 흡수하며 P700으로 광자 에너지를 전달하는 안테나로서 사용되는데, 여기서 이러한 에너지는 포획되어 광화학 반응을 촉진하는데 사용된다. P700 및 안테나 클로로필에 더하여, PSI 복합체는 다수의 전자 수용체를 함유한다. P700으로부터 방출된 전자는 중간(intermediate) 수용체를 통해 PSI의 환원성 말단에서 말단 수용체로 이동되며, 전자는 틸라코이드막을 가로질러 수송된다. 전자는 스트로마 표면으로 이동되고, 정공은 PSI의 루멘 표면에 잔류한다. 광자의 흡수 이후, 에너지는 복합체의 베이스에서 주 전자 공여체로 보내어 진다. 엑시톤 분해 후, 전자는 3개의 Fe4S4 클러스터를 통해 대향측 표면으로 이동된다. 상부 (스트로마) 표면상의 전자와 하부(루멘) 표면 상의 정공이 결과로서 얻어진다. 따라서, 전자 이동의 규제된 성질로 인하여, 기판상에 침적되는 경우 복합체는 올바른 배향을 가지는 것이 바람직하다. Lee 등의 연구에서 PSI 복합체는 기판에 대하여 수직인 전자 수송 벡터를 가지는 친수성 표면 상에 우선적으로 침적한다는 것을 결정하였다[Phys . Rev . Lett . 79, 3294-3297 (1997)]. Evolutionary optimization of photosynthetic complexes has been especially developed to provide efficient power conversion. LHC places the photosynthetic agent at sub-nanometer precision and provides a two-molecule electronic component in the solid state photosensitive device of the present invention. The precisely placed molecules in the LHC component of the invention interact (like antennas and receivers) through dipole-dipole coupling. This coupling is very sensitive to molecular position and orientation. Subminiature scale lowers switching energy and transit time. As used herein, the term "condensing complex (LHC)" refers to, for example, PSI (photosystem I, eg from spinach), and / or LH2 (condensation complex 2, derived from purple bacteria). , P., et al , Biochim . Biophys . Acta 1365, 175 (1998); Lee, L, et al , Phys . Rev. Lett . 79, 3294 (1997); Schubert, WD, et al , J. MoI Biol . 272, 741-768 (1997). Such complexes are commercially available, for example, from PROTEIN LABS Inc., 1425 Russ Blvd., Suite T-107C, San Diego, CA 92101. Photosystem I (PSI) is a preferred LHC in the structure of the solid state photosensitive device of the present invention, including, for example, a logic device. For example, the PSI used according to the invention will preferably be prepared from, for example, spinach chloroplasts. PSI is a protein-chlorophyll complex with diode properties and is part of the photosynthetic machinery in the thylakoid membrane. It is oval shaped and has dimensions of about 5 x 6 nanometers. PSI is used herein to create nanometer circuits. The PSI reaction center / core antenna complex contains about 40 chlorophylls per photoactive reaction center pigment (P700). The chlorophyll molecule is used as an antenna that absorbs photons and delivers photon energy to P700, where this energy is captured and used to accelerate the photochemical reaction. In addition to P700 and antenna chlorophyll, the PSI complex contains multiple electron acceptors. Electrons released from P700 are transported from the reducing end of the PSI to the terminal receptor via an intermediate receptor, and electrons are transported across the thylakoid membrane. Electrons move to the stromal surface, and holes remain on the lumen surface of the PSI. After absorption of photons, energy is sent from the base of the complex to the main electron donor. After exciton decomposition, the electrons are moved to the opposite surface through three Fe 4 S 4 clusters. Electrons on the upper (stromal) surface and holes on the lower (lumen) surface are obtained as a result. Thus, due to the regulated nature of electron transfer, the composite preferably has the correct orientation when deposited on a substrate. Lee et al. Have determined that PSI complexes preferentially deposit on hydrophilic surfaces with electron transport vectors perpendicular to the substrate [ Phys . Rev. Lett . 79, 3294-3297 (1997).

PSI 반응 중심에 대해서, 주 전자 공여체(P700)에 의해 생성되는 중간 산화 포텐셜(midpoint oxidization potential)은 약 +0.4 V이고, 전자 수용체(4Fe-4S 중심)에 의해 생성되는 상응하는 환원 포텐셜은 약 -0.7 V이다. 따라서, PSI 반응 중심은 광다이오드(단향성 전자 흐름)이고, 나노미터 크기(약 6nm)의 태양전지이다. For the PSI reaction center, the midpoint oxidization potential produced by the main electron donor (P700) is about +0.4 V, and the corresponding reduction potential produced by the electron acceptor (4Fe-4S center) is about −. 0.7 V. Thus, the PSI reaction center is a photodiode (unidirectional electron flow) and a solar cell of nanometer size (about 6 nm).

또 다른 중요한 복합체는 태양 복사 에너지를 흡수하는 자색 세균(Rhodopseudomanas acidophila)에 의해 사용되는 LHC 이다. 이것은 또한 절연되고 결정화되었다[Cogdell, R. J., et al ., Biochimica et Biophysica Acta 722, 427-435 (1984); McDermott, G., et al ., Nature 374, 517-521 (1995); Papiz, M.Z., et al , Journal of Molecular Biology 209, 833- 835 (1989); Fenna, R.E., et.al., Nature 258, 573-577 (1975)]. 이러한 세균의 광합성 기구는 lOOps 이내에 98%의 총 양자 수율로 반응 중심으로 에너지를 흐르게하도록 생물학적으로 최적화된다[Sundstrom, V., et al., Journal of Physical Chemistry B 103, 2327-2346 (1999); Renger, T., et al., Physics Reports 343, 137-254 (2001)]. 단백질은 여러 목적을 제공한다. 이것은 광합성 유니트에 강성을 부여하고, 색소를 그 위치에 고정시키며, 여분의 에너지에 대해 열 싱크를 제공한다. 광합성 유니트는 또한 퇴화에 대하여 보호하게 진화되었는데, 예를 들어 카로테노이드로 알려진 하나의 색소는 (트리플릿-트리플릿 소멸을 통해 반응성 싱글릿 산소의 형성 가능성을 회피하는) 트리플릿 상태를 켄칭함으로써 광합성 유니트의 안정성을 유의적으로 증가시킨다. 이와 같은 광합성 복합체는 본 발명에 기재된 광기전 세포 및 광검출기의 성분으로 사용될 수 있다. Another important complex is Rhodopseudomanas, which absorbs solar radiation. acidophila ). It is also insulated and crystallized [Cogdell, RJ, et al ., Biochimica et Biophysica Acta 722, 427-435 (1984); McDermott, G., et al ., Nature 374, 517-521 (1995); Papiz, MZ, et al , Journal of Molecular Biology 209, 833-835 (1989); Fenna, RE, et . Al. , Nature 258, 573-577 (1975). The photosynthetic machinery of these bacteria is biologically optimized to flow energy into the reaction center at 98% total quantum yield within 100ps [Sundstrom, V., et al., Journal of Physical Chemistry B 103, 2327-2346 (1999); Renger, T., et al., Physics Reports 343, 137-254 (2001). Protein serves several purposes. This gives rigidity to the photosynthetic unit, fixes the pigment in place and provides a heat sink for extra energy. Photosynthetic units have also evolved to protect against degeneration, for example one pigment known as a carotenoid improves the stability of the photosynthetic unit by quenching the triplet state (which avoids the possibility of reactive singlet oxygen formation through triplet-triplet extinction). Increase significantly. Such photosynthetic complexes can be used as components of the photovoltaic cells and photodetectors described herein.

자색 세균 시네코코쿠스 엘롱가투스로부터 유래하는 잘 특성화된 2분자 복합체 광계 I(PSI)는 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치에서 사용하기 위한 LHC의 또 다른 예이다[Schubert, W.D., et al., J. MoI. Biol. 272, 741-768 (1997)]. PSI는 우선적으로 트리머를 형성한다. 각각의 PSI 모노머의 중심에서의 반응 중심에서는 전하 생성이 일어난다. 대략 100개의 클로로필 분자가 반응 중심을 둘러싼다. 이러한 분자는 빛을 흡수하여 중심으로 이동시키는데, 고효율의 안테나로서 작용한다. 또한, 클로로필 분자가 낮은 민감도를 가지는 파장에서 빛을 흡수하는 15-25개의 카로테노이드 분자가 존재한다. 카로테노이드는 싱글릿 산소의 형성을 켄칭함으로써 산화에 대하여 구조를 보호한다. PSI는 그 자체 또는 추가적인 집광 복합체와 조합하여 존재할 수 있는데, 이로써 낮은 광 수준에서 그 흡수를 향상시킬 수 있다.The well characterized two-molecule complex photosystem I (PSI), derived from the purple bacterium Sinecococcus elongatus, is another example of an LHC for use in the solid state photosensitive device [Schubert, WD, et al., J. MoI. Biol. 272, 741-768 (1997). PSI preferentially forms trimmers. Charge generation occurs at the center of the reaction at the center of each PSI monomer. Approximately 100 chlorophyll molecules surround the reaction center. These molecules absorb light and move it to the center, acting as a highly efficient antenna. In addition, there are 15-25 carotenoid molecules that absorb light at wavelengths at which the chlorophyll molecule has low sensitivity. Carotenoids protect the structure against oxidation by quenching the formation of singlet oxygen. PSI can be present on its own or in combination with additional light collecting composites, thereby improving its absorption at low light levels.

LHC 반응 중심은 빛 에너지를 전자적 에너지로 광합성 전환시킬 책임이 있는 색소-단백질 복합체이기 때문에, 이러한 반응 중심은 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 이제 다양한 다른 종류의 장치에서 구성 성분으로서 사용된다. Since the LHC reaction center is a pigment-protein complex responsible for photosynthetic conversion of light energy into electronic energy, this reaction center is now used as a constituent in various other kinds of devices as described herein.

본 발명은 제1 전극과 전자적으로 연결되고, 독립적으로 제2 전극과 전자적으로 연결되는 1 이상의 절연된 LHC를 포함하는 고체 상태의 감광성 장치를 제공한다. 또한, 제1 전극과 전자적으로 연결되고, 독립적으로 제2 전극과 전자적으로 연결되는 1 이상의 절연된 LHC를 포함하며, 제1 전극이 회로에 의해 제2 전극과 더 연결되는 고체 상태의 감광성 장치를 제공한다. 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는 겹쳐진 관계에 있는 제1 전극 및 제2 전극; 및 전극 사이에 1 이상의 절연된 LHC를 포함한다. 본 시스템은 광합성 시스템을 제공하는데, 이것은 광합성에서 광수확 및 전하 분리 공정을 사용할 뿐만 아니라, 분자 장치에서 효율적인 광-전류 컨버터로서 작용한다. The present invention provides a solid state photosensitive device comprising one or more insulated LHCs that are electronically connected to the first electrode and are independently electronically connected to the second electrode. A solid state photosensitive device is also provided that includes at least one insulated LHC that is electronically connected to the first electrode and is independently electronically connected to the second electrode, wherein the first electrode is further connected to the second electrode by a circuit. to provide. The solid state photosensitive device of the present invention includes a first electrode and a second electrode in an overlapping relationship; And at least one insulated LHC between the electrodes. The present system provides a photosynthetic system, which not only uses the light harvesting and charge separation processes in photosynthesis, but also acts as an efficient photo-current converter in molecular devices.

본 발명의 고체 상태의 감광성 장치에 사용되는 전극 또는 컨택트는 중요한 고려사항이다. 장치 외부로부터의 주변 전자기 복사의 최대양이 광전도성으로 활성인 내부 영역에 허용되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 광전도성 흡수에 의해 전기로 전환될 수 있는 전자기 복사를 얻는 것이 바람직하다. 이것은 종종 1 이상의 전기 컨택트가 입사 전자기 복사를 최소로 흡수하고 최소로 반사하여야 한다는 것을 나타낸다. 즉, 이러한 컨택트는 실질적으로 투명하여야 한다. 본 명세서에서 사용되는 경우, "전극" 및 "컨택트"는 단지 광생성 전력을 외부 회로에 전달하거나 장치에 바이어스 전압를 제공하기 위한 매질을 제공하는 층을 언급하는 것이다. 즉, 전극 또는 컨택트는 고체 상태의 감광성 장치의 광전도성 활성 영역과, 와이어, 리드, 트레이스 또는 외부 회로로 또는 외부 회로로부터 전하 캐리어를 수송하기 위한 다른 수단들과의 사이에 인터페이스를 제공한다. "전하 이동층"이라는 용어는 전극과 유사하나, 전하 이동층은 단지 장치의 하나의 서브섹션으로부터 인접한 서브섹션으로 전하 캐리어를 전달한다는 점에서 전극과 차이가 있는 층을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 물질의 유기층 또는 연속적인 다수의 상이한 물질층은 층 또는 층들이 투과되는 상응하는 파장에서 주변 전자기 복사의 50% 이상을 투과될 수 있게 해주는 경우 "투명"하다고 언급된다. 유사하게, 상응하는 파장에서 주변 전자기 복사를 일부, 그러나 50% 미만을 투과될 수 있게 해주는 층들은 "반투명"으로 언급된다. Electrodes or contacts used in the solid state photosensitive device of the present invention are an important consideration. It is desirable to allow the maximum amount of ambient electromagnetic radiation from outside the device to be allowed in the photoconductively active inner region. In other words, it is desirable to obtain electromagnetic radiation that can be converted to electricity by photoconductive absorption. This often indicates that one or more electrical contacts should absorb minimally and reflect incident electromagnetic radiation. In other words, these contacts should be substantially transparent. As used herein, “electrode” and “contact” refer only to a layer that provides a medium for delivering photogenerated power to an external circuit or for providing a bias voltage to a device. In other words, the electrode or contact provides an interface between the photoconductive active region of the photosensitive device in the solid state and other means for transporting charge carriers to or from wires, leads, traces or external circuits. The term “charge transfer layer” is similar to an electrode, but a charge transfer layer refers to a layer that differs from an electrode in that it only transfers charge carriers from one subsection of the device to an adjacent subsection. As used herein, an organic layer or a plurality of successive different material layers of a material is referred to as "transparent" when it allows the layer or layers to transmit at least 50% of the ambient electromagnetic radiation at the corresponding wavelengths through which they are transmitted. . Similarly, layers that allow some, but less than 50%, transmission of ambient electromagnetic radiation at corresponding wavelengths are referred to as "translucent".

전극 또는 컨택트는 일반적으로 금속 또는 "금속 대체물(metal substitute)"이다. 본 명세서에서 "금속"이라는 용어는 원소적으로 순수한 금속, 예컨대 Mg를 포함하는 물질과, 2 이상의 원소적으로 순수한 금속, 예컨대 Mg 및 Ag를 함께 포함하는 물질(Mg:Ag로 표시)인 금속 합금도 모두 포함하는 것으로 사용된다. 여기서, "금속 대체물"은 정상적인 정의 내에서 금속은 아니지만 특정 적절한 응용물에서 원하는 금속과 같은 특성을 가지는 물질을 말한다. 일반적으로 사용되는 전극 및 전하 이동층을 위한 금속 대체물은 도핑된 넓은 밴드갭 반도체, 예를 들어 인듐 주석 산화물 (ITO), 갈륨 인듐 주석 산화물 (GITO), 및 아연 인듐 주석 산화물 (ZITO)과 같은 투명한 전도성 산화물을 포함할 것이다. 특히, ITO는 대략 3.2 eV의 광학 밴드갭을 가진 고도로 도핑된 축퇴 n+ 반도체로서, 이는 대략 3,900 Å보다 더 큰 파장에 대해 투명하다. 또 다른 적절한 금속 대체물 물질은 투과성을 띠는 전도성 중합체 폴리아날린(PANI) 및 이의 화학적 동족물(relative)들이다. 금속 대체물은 또한 광범위한 비금속 물질로부터 선택될 수 있으며, 여기서 "비금속"은, 그 물질이 화학적으로 비결합된 형태의 금속을 함유하지 않는다는 전제 하에, 광범위한 물질을 포함하는 것을 의미한다. 금속이, 단독으로 또는 합금으로서 하나 이상의 다른 금속과의 조합으로, 화학적으로 비결합된 형태로 존재하는 경우, 이 금속은 대안으로 그의 금속 형태로 존재한다거나 또는 "자유 금속"이라고 말할 수 있다. 따라서, 본 발명의 금속 대체물 전극은 때때로 "금속 무함유(metal-free)"로 말해질 수 있으며, 여기서 용어 "금속 무함유"라는 것은 명백하게 그의 화학적으로 비결합된 형태의 금속을 함유하지 않은 물질을 포함하는 것을 의미한다. 자유 금속은 일반적으로 전자 전도대에서 금속 격자 전체에 걸쳐 자유로이 움직이는 방대한 양의 원자가 전자로부터 얻어지는 일종의 화학적 결합으로 여겨지는 금속 결합의 형태를 갖는다. 금속 대체물이 금속 성분을 포함할 수 있는 반면, 이들은 몇가지 점에서 "비금속"이다. 이들은 순수한 자유 금속도 아니고 자유 금속의 합금도 아니다. 금속이 그의 금속 형태로 존재할 때, 전자 전도대는, 금속 특성들 중에서도 광학적 복사에 대한 높은 전기 전도성 뿐만 아니라 높은 반사성을 제공하는 경향이 있다.The electrode or contact is generally a metal or "metal substitute". As used herein, the term "metal" refers to a metal alloy that is an elementally pure metal, such as Mg, and a material comprising two or more elementally pure metals, such as Mg and Ag (denoted Mg: Ag). Also used to include all. Herein, "metal substitutes" refer to materials which are not metals within the normal definition but which have the same properties as the desired metals in certain suitable applications. Metal substitutes for commonly used electrodes and charge transfer layers are transparent, such as doped wide bandgap semiconductors such as indium tin oxide (ITO), gallium indium tin oxide (GITO), and zinc indium tin oxide (ZITO). It will include a conductive oxide. In particular, ITO is a highly doped degenerate n + semiconductor with an optical bandgap of approximately 3.2 eV, which is transparent for wavelengths greater than approximately 3,900 Hz. Another suitable metal substitute material is permeable conductive polymer polyanaline (PANI) and chemical relatives thereof. Metal substitutes may also be selected from a wide variety of nonmetallic materials, where “nonmetals” is meant to include a wide variety of materials, provided the material does not contain a chemically unbound form of metal. When a metal is present in chemically unbound form, alone or in combination with one or more other metals as an alloy, this metal may alternatively be present in its metal form or may be referred to as a "free metal". Accordingly, the metal substitute electrode of the present invention may sometimes be referred to as "metal-free", where the term "metal free" is clearly a material that does not contain metal in its chemically unbound form. It means to include. Free metals generally take the form of metal bonds, which are thought to be a kind of chemical bond obtained from a vast amount of valence electrons that move freely across the metal lattice in the electron conduction band. While metal substitutes may include metal components, they are “nonmetals” in some respects. They are neither pure free metals nor alloys of free metals. When the metal is in its metal form, the electron conduction band tends to provide high reflectivity as well as high electrical conductivity for optical radiation, among other metal properties.

제1 전극은 입사광 (예를 들어, λ~800nm)에 대하여 실질적으로 투명한 것이 바람직하다. 제1 전극은 예컨대 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 축퇴 도핑된(degenerately doped) ITO를 포함할 수 있다. 이러한 목적에 적절한 기타 물질은 예컨대 ZnO, TiO2, Ag(은), Au(금) 및 Pt(백금)을 포함하되 이에 한정되지는 않는다.It is preferable that a 1st electrode is substantially transparent with respect to incident light (for example, (lambda)-800 nm). The first electrode may comprise, for example, indium tin oxide (ITO) or degenerately doped ITO. Other materials suitable for this purpose include, but are not limited to, for example, ZnO, TiO 2, Ag (silver), Au (gold) and Pt (platinum).

제2 전극은 입사광 (예를 들어, λ~800nm)에 대하여 실질적으로 반사하는 것이 바람직하다. 반사 전극은 금속 필름, 예컨대, Al (알루미늄), Ag (은), 또는 Au (금), In, Mg, Mg:Ag (-1:10 비율), Ca, 또는 0.5nm LiF/100nm Al 적층막을 포함할 수 있다. It is preferable that the second electrode substantially reflects incident light (for example, λ to 800 nm). The reflective electrode may be formed of a metal film such as Al (aluminum), Ag (silver), or Au (gold), In, Mg, Mg: Ag (-1: 10 ratio), Ca, or 0.5 nm LiF / 100 nm Al laminated film. It may include.

유기층 또는 "층"이라는 용어는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 광전도성 유기 반도체 물질을 의미한다. 본 명세서에서, "반도체"라는 용어는 전하 캐리어가 열 또는 전자기적 여기에 의해 유발되는 경우 전기를 전도할 수 있는 물질을 나타낸다. "광전도성"이라는 용어는 일반적으로 전자기 복사 에너지가 흡수됨으로써 전기 전하 캐리어의 여기 에너지로 전환되어 캐리어가 물질에서 전기 전하를 전도, 즉 수송할 수 있는 공정과 관련되어 있다. "광전도체" 및 "광전도성 물질"이라는 용어는 본 명세서에서 전기 전하 캐리어를 생성하는 선택된 스펙트럼 에너지의 전자기 복사를 흡수하는 성질에 대해 선택되는 반도체 물질을 의미하는 것으로 사용한다. The term organic layer or "layer" as used herein refers to a photoconductive organic semiconductor material. As used herein, the term "semiconductor" refers to a material capable of conducting electricity when charge carriers are caused by heat or electromagnetic excitation. The term "photoconductivity" is generally associated with a process in which electromagnetic radiation is absorbed and converted into excitation energy of an electrical charge carrier so that the carrier can conduct, ie transport, electrical charge in the material. The terms "photoconductor" and "photoconductive material" are used herein to mean semiconductor materials that are selected for their property of absorbing electromagnetic radiation of selected spectral energy to produce electrical charge carriers.

본 발명의 감광성 장치는 LHC에 인접하고 제1 전극과 LHC 사이에 배치되는 제1 광전도성 유기 [막] 반도체 물질으로 형성된 전자 수송층; 및/또는 LHC에 인접하고 제2 전극과 LHC 사이에 배치되는 제2 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 정공 수송층을 더 포함할 수 있다. The photosensitive device of the present invention comprises an electron transport layer formed of a first photoconductive organic [film] semiconductor material adjacent to the LHC and disposed between the first electrode and the LHC; And / or a hole transport layer formed of a second photoconductive organic semiconductor material adjacent the LHC and disposed between the second electrode and the LHC.

전자 수송층은 광전도성 유기 반도체, 예를 들어 3,4,9,lO-페릴렌테트라카르복실릭-비스-벤즈이미다졸(PTCBI)로 형성될 수 있다. 이러한 목적을 위해 전자를 추출할 수 있는 일반적인 능력을 가지고/가지거나, 전자에 대한 높은 친화력을 가지는 기타 물질은 예를 들어 BCP, AIq3, CBP, Fi6CuPc, C60, PTCBI, 및 PTCDA을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. The electron transport layer may be formed of a photoconductive organic semiconductor, for example 3,4,9, lO-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole (PTCBI). Other materials that have a general ability to extract electrons for this purpose and / or have a high affinity for electrons are for example BCP, AIq 3 , CBP, Fi 6 CuPc, C 60 , PTCBI, and PTCDA. Including but not limited to.

정공 수송층은 제2 광전도성 유기 반도체, 예를 들어 구리 프탈로시아닌(CuPc)로 형성될 수 있다. 이러한 목적을 위하여 전자 및/또는 낮은 이온화 포텐셜을 공여할 수 있는 일반적인 능력을 가지는 기타 물질은 예를 들어 αNPD.TPD, CuPc, CoPc, 및 ZnPc을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. The hole transport layer may be formed of a second photoconductive organic semiconductor, for example copper phthalocyanine (CuPc). Other materials having the general ability to donate electrons and / or low ionization potentials for this purpose include, but are not limited to, for example, αNPD.TPD, CuPc, CoPc, and ZnPc.

1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층(약 5층 이하)은 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치에서 제1 전극과 전자 수송층 사이에 위치할 수 있다. 유사하게, 1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층(약 5층 이하)은 제2 전극과 정공 수송층 사이에 위치할 수 있다. 이러한 층들의 기능은 (광학적 간섭 최적화를 위한) 스페이서층, 블록킹층 및 증식층(multiplication layer)을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. One or more additional photoconductive organic semiconductor material layers (up to about five layers) may be positioned between the first electrode and the electron transport layer in the solid state photosensitive device of the present invention. Similarly, one or more additional photoconductive organic semiconductor material layers (up to about five layers) may be located between the second electrode and the hole transport layer. The functions of these layers include, but are not limited to, spacer layers (for optical interference optimization), blocking layers, and multiplication layers.

본 명세서에 기술된 고체 상태의 감광성 장치의 구체예에는 LHC 및 각각의 전극 사이의 거리가 약 λ/4n인 것이 바람직하며, 여기서 n은 LHC와 각각의 전극 사이의 물질의 굴절률이다(n은 일반적으로 ~1.7)In embodiments of the solid state photosensitive device described herein, it is preferred that the distance between the LHC and each electrode is about λ / 4n, where n is the refractive index of the material between the LHC and each electrode (n is generally As ~ 1.7)

본 발명의 고체 상태의 감광성 장치의 또 다른 구체예는 LHC에 인접하고 제2 전극 및 LHC 사이에 배치되는 정공 수송층과 함께, 제2 전극과 정공 수송층 사이에 배치되는 광전도성 유기 반도체 물질의 엑시톤 블록킹층을 포함한다. 엑시톤 블록킹층 물질의 예로서는 2,9-디메틸- 4,7-디페닐-l ,10-페난트롤린 (BCP); 4,4',4"-트리스 {N,-(3-메틸페닐)-N- 페닐아미노}트리페닐아민 (m-MTDATA); 및 폴리에틸렌 디옥시티오펜 (PEDOT)을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다[Forrest, et at., U.S. Patent No. 6,451,415, entitled Organic Photosensitive Optoelectronic with an Exciton Blocking Layer 참조]. Another embodiment of the solid state photosensitive device of the present invention is an exciton blocking of a photoconductive organic semiconductor material disposed between a second electrode and a hole transport layer, with a hole transport layer adjacent to the LHC and disposed between the second electrode and the LHC. Layer. Exemplary exciton blocking layer materials include 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-l, 10-phenanthroline (BCP); 4,4 ', 4 "-tris {N,-(3-methylphenyl) -N-phenylamino} triphenylamine (m-MTDATA); and polyethylene dioxythiophene (PEDOT); Forrest, et at., US Patent No. 6,451,415, entitled Organic Photosensitive Optoelectronic with an Exciton Blocking Layer ].

고체 상태의 감광성 장치의 또 다른 구체예는 제1 전극이 LHC로 빛을 허용하는 개구(aperture)를 가지는 것으로 의도된다. 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는 LHC로 빛을 허용하는 광 집신기를 사용할 수 있다. 그 안에 빛을 포집하도록 고안된 구조는 일반적으로 도파관(waveguide) 구조, 또는 광학 공동(optical cavity)로도, 또는 반사 공동(reflective cavity)으로 지칭될 수 있다. 매우 얇은 광활성층이 전환 효율을 희생하지 않으면서 사용될 수 있으므로, 이러한 광학 공동 또는 도파관 구조 내에서 가능한 광학적 재순환은 유기 감광성 물질을 사용하는 장치에서 특히 유리하다. 허용된 빛은 포집되고 함유된 감광성 물질을 통해 재순환되어 광흡수를 최대화한다. 이러한 특징의 목적은 빛의 수집을 증가시키고 입사광을 포획하여 전기 에너지로 전환시키기 위한 고효율의 광전환 구조를 제공하는 것이다. 또한, 일반적으로 원추형 접시형 광 집신기를 사용하는 고효율의 광전환 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 일반적으로 관통형 접시형 광 집신기를 사용하는 고효율의 광전환 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 캡쳐된 방사선을 농축한 다음 재순환시키는 콘센트레이터의 내부 및 외부 표면과 일련의 광 집신기 및 도파관 구조의 배열을 가지는 고효율 광전환 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다. [Forrest, et ah, U.S. Patent No. 6,333,458, entitled Highly Efficient Multiple Reflection Photosensitive Optoelectronic Device With Optical Concentrator 참조].Another embodiment of the photosensitive device in the solid state is intended for the first electrode to have an aperture that allows light to the LHC. The solid state photosensitive device of the present invention may use an optical collector which allows light to LHC. Structures designed to capture light therein may generally be referred to as waveguide structures, or optical cavities, or reflective cavities. Since very thin photoactive layers can be used without sacrificing conversion efficiency, optical recycling possible within such optical cavities or waveguide structures is particularly advantageous in devices using organic photosensitive materials. Allowed light is collected and recycled through the contained photosensitive material to maximize light absorption. The purpose of this feature is to provide a highly efficient light conversion structure for increasing the collection of light and for capturing incident light and converting it into electrical energy. It is also an object of the present invention to provide a highly efficient light conversion structure that generally uses a conical dish type light collector. In addition, an object of the present invention is to provide a high-efficiency light conversion structure that generally uses a through-type dish-shaped light collector. It is also an object of the present invention to provide a highly efficient light conversion structure having an array of internal and external surfaces of a concentrator and a series of optical collectors and waveguide structures that concentrate and then recycle the captured radiation. Forrest, et ah, US Patent No. 6,333,458, called Highly Efficient Multiple Reflection Photosensitive Optoelectronic Device With Optical See Concentrator ].

본 명세서에서 사용되는 바와 같이 회로라는 용어는 그것의 일반적인 의미를 가지며, 그럼으로써 부하 또는 외부 부하를 포함하는 회로 및 캐패시터를 포함하는 임의의 회로를 지칭한다. 회로는 외부 전압이 인가될 수 있다. 본 발명의 광전 장치는 그것이 부하를 가로질러 연결되고 빛에 의해 조사되는 경우, 광생성 전압 및/또는 광전류가 발생하는 특성을 가진다. 도 4 및 도 5는 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 상태의 감광성 장치에 의한 광전류의 생산을 도시한다. As used herein, the term circuit has its general meaning, thereby referring to any circuit including a capacitor and a circuit including a load or an external load. The circuit may be applied with an external voltage. The photovoltaic device of the invention has the property of generating a photogenerated voltage and / or photocurrent when it is connected across a load and irradiated by light. 4 and 5 illustrate the production of a photocurrent, for example by a photosensitive device in a solid state, according to one embodiment of the invention.

본 발명의 고체 상태의 감광성 장치는 빛을 전기로 전환시킨다. 본 발명의 장치는, 예를 들어 광학 성분, 스위치, 센서, 로직 게이트 및 에너지 공급원을 포함한다. 고체 상태의 광전(PV) 장치는 특히 전력을 생성하도록 제공된다. 이러한 장치들은 전력 소비 부하를 작동하게 하는데 사용된다. 컴퓨터와 같은 전자 설비 또는 원격 모니터링 또는 통신 설비는 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치에 의해 작동될 수 있다. 예를 들어, 나노스케일의 회로의 많은 응용품들은 분배 전력 공급원 및 광검출기를 필요로 할 것이다. 분자 복합체의 작은 크기는 이들을 이러한 물질에 근거한 기능성, 설계 및 목적에 대해 이상적으로 되게한다. 이러한 전력 생산 응용품들은 태양이나 기타 주변 광원으로 부터의 직접 조명을 이용할 수 없는 경우 동작을 야기하거나 계속할 수 있게 하기 위해 에너지 저장 장치를 더 포함할 수 있다. 고체 상태의 감광성 장치, 또는 본 발명의 감광성 장치를 편입하는 장치는 광전력 분자 회로장치(light powered molecular circuitry), 태양 전지, 광학 컴퓨팅 및 로직 게이트, 광전 스위치, 빛, 화학제품, 독극류, 해충 및 치료제를 감지하는 전자 광센서, 예를 들어, 광자 A/D 컨버터를 포함하되 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 감광성 장치는 나노스케일 시스템, 예를 들어 프로세싱 소자에 대한 로컬 에너지 공급원으로 사용될 수 있다. 본 발명의 광기전력 전지는, 예를 들어, 직경 10 ran 정도일 수 있다. The solid state photosensitive device of the present invention converts light into electricity. The apparatus of the present invention includes, for example, optical components, switches, sensors, logic gates and energy sources. Solid state photovoltaic (PV) devices are particularly provided for generating power. These devices are used to drive power consuming loads. Electronic facilities such as computers or remote monitoring or communication facilities can be operated by the solid state photosensitive device of the present invention. For example, many applications of nanoscale circuits will require distributed power supplies and photodetectors. The small size of the molecular complexes makes them ideal for functionality, design and purpose based on these materials. Such power generation applications may further include an energy storage device to enable or continue operation when direct lighting from the sun or other ambient light sources is unavailable. Solid state photosensitive devices, or devices incorporating the photosensitive devices of the present invention, include light powered molecular circuitry, solar cells, optical computing and logic gates, photoelectric switches, light, chemicals, toxins, pests. And electronic light sensors for sensing therapeutic agents, such as, but not limited to, photon A / D converters. The photosensitive device of the present invention can be used as a local energy source for nanoscale systems, eg, processing elements. The photovoltaic cell of the present invention may be, for example, about 10 ran in diameter.

본 발명의 감광성 장치는 조건, 약제, 및/또는 세균 및 바이러스 같은 생물체의 검출을 위한 센서 장치에 편입될 수 있다. 광합성 복합체는 생물학적 및 화학적 시스템과 융화될 수 있고, 광전 에너지 공급원은 센싱 응용품에서 기능할 수 있다. 예를 들어, 센서는 생물학적 및 화학적 약제를 민감하게 검출하도록 설계되거나 진화되는 생물학적 또는 화학적 방법을 사용할 수 있다. 반응은 전류, 전압, 캐패시턴스, 인덕턴스, 광출력, 예를 들어, 또는 흡광도에서의 변화일 수 있다. 분석물(검출되는 성분)의 존재는 광반응을 키거나 끄고, 또는 흡수 또는 방출 스펙트럼을 변화시킨다. 이러한 센서와 광합성 복합체와 같은 복합체의 구조물 사이의 자연적인 연결은 이러한 방식으로 개발되었다. The photosensitive device of the present invention may be incorporated into sensor devices for the detection of conditions, drugs, and / or organisms such as bacteria and viruses. Photosynthetic complexes can be compatible with biological and chemical systems, and photovoltaic energy sources can function in sensing applications. For example, sensors can use biological or chemical methods designed or evolved to sensitively detect biological and chemical agents. The response can be a change in current, voltage, capacitance, inductance, light output, for example, or absorbance. The presence of the analyte (component to be detected) turns on or off the photoreaction or changes the absorption or emission spectrum. Natural connections between these sensors and structures of complexes such as photosynthetic complexes have been developed in this way.

LHC를 기재로 하는 분자 센서의 분자 스위치로의 확장은 도 6에 나타낸다. LHC를 기재로 하는 분자 센서 및 로직 소다의 구조물. 두 경우 모두, 에너지는 광학적으로 제공된다. 이러한 구조물은 무선 컴퓨터의 기초를 형성하는데, 여기서 시그널은 분자 트리거에 의해 수행된다. 로직 작동에서, 단일 LHC 유니트의 출력은 또 다른 LHC에 대한 입력이 되어야 한다. 이것은 광합성 유니트 중 어느 하나가 분자 트리거를 생성하는데 사용되거나 LHC가 전기적 시그널에 의해 켄치되어야 한다는 것이 요구된다. LHC는 하나의 광합성 유니트로부터 다음의 것으로 통과되는 분자 트리거를 생성하는데 사용되어, "무선" 컴퓨팅의 기초를 형성한다. The expansion of molecular sensors based on LHC to molecular switches is shown in FIG. 6. Molecular sensors and structures of logic soda based on LHC. In both cases, energy is provided optically. This structure forms the basis of a wireless computer, where signals are performed by molecular triggers. In logic operation, the output of a single LHC unit must be input to another LHC. This requires that either of the photosynthetic units be used to generate a molecular trigger or that the LHC must be quenched by an electrical signal. LHC is used to generate molecular triggers that pass from one photosynthetic unit to the next, forming the basis of "wireless" computing.

실시예Example

금속 컨택트를 집광 복합체(LHC) 상에 침적시키는 경우, LHC의 단백질 스캐폴드를 저해하지 않도록 주의를 기울여야한다. 이를 위해, 예를 들어, 비파괴 나노메트릭 금속 컨택트 스탬핑 기술을 사용한다. 단백질을 기재로 하는 복합체를 나노패터닝 기술을 이용하여 종래의 전자 부품과 인터페이싱한다. 예를 들어, 문헌[Kim, et al, U.S. Patent No. 6,468,819, Method For Patterning Organic Thin Film Devices Using A Die; 및, Lee, et al ., Programmable nanometer - Scdale Electrolytic Metal Deposition And Depletion, U.S. Patent No. 6,447,663]을 참조하며, 이들 각각은 본 명세서에 참조로서 통합된다. When metal contacts are deposited onto the light collecting complex (LHC), care must be taken not to inhibit the protein scaffold of the LHC. For this purpose, for example, nondestructive nanometric metal contact stamping techniques are used. Protein based complexes are interfaced with conventional electronic components using nanopatterning techniques. See, eg, Kim, et al, US Patent No. 6,468,819, Method For Patterning Organic Thin Film Devices Using A Die ; And, Lee, et al ., Programmable nanometer - Scdale Electrolytic Metal Deposition And Depletion , US Patent No. 6,447,663, each of which is incorporated herein by reference.

실시예Example I I

일 측으로부터 장치를 조립할 수 있다. 예를 들어, 먼저 기판(예를 들어, 유리 또는 플라스틱) 상에 전극을 침적시킬 수 있다. PSI 복합체를, 예를 들어, 투명한 인듐 주석 산화물 전극 상에 침적시킬 수 있다. LHC에 대한 금속 컨택트, PSI 복합체를, 예를 들어, 초고분해능 비손상 스탬핑 공정으로 직접 이동시킬 수 있다. 금속 컨택트의 형성은 부서지기 쉬운 단백질(LHC) 복합체와 양립할 수 있다. 이러한 기술의 목표는 PSI 복합체의 직경(10nm)에 필적하는 분해능에서 석판술로 패턴화된 스탬프와 기판 사이의 접촉점에서 금속 필름을 이동시키는 것이다. 기판-금속 접착이 스탬프와 금속층 사이의 접착력을 능가하면, 이동이 일어난다. 이동을 향상시키기 위해, 1 이상의 접착 감소층, 예를 들어 테프론®을 스탬프 표면과 금속층 사이에 침적시킬 수 있다(도 7(도 7-9) 참조). 1 단계 전에, 금속 박막(<50?)을 진공 증착 또는 스퍼터링을 이용하여 기판 상에 침적시킨다. 이러한 "스트라이크"층은 기판의 임의의 섬세한 특징에 대한 손상을 최소화할 수 있도록 충분히 얇다. 1 단계에서, 금속 코팅된 스탬프를 스트라이크층과 접촉시킨다. 금속은 접촉점에서 이동된다. 이동은 스탬프와 그 금속 코팅 사이에 접착 감소층을 삽입함으로써, 그리고 가능하다면 스트라이크층을 제거함으로써 향상시킬 수 있다. 스텝 2에서 스탬프의 제거 후, 패턴화된 기판을 스텝 3에서 에칭하고, 임의의 노출된 스트라이크 물질을 Ar 스퍼터링에 의해 제거한다[ U.S. Patent No. 6,468,819, Method For Patterning Organic Thin Film Devices Using A Die; and, Lee, et ai, Programmable Nanometer - Scdale Electrolytic Metal Deposition And Depletion , U.S. Patent No . 6,447,663 참조]. The device can be assembled from one side. For example, the electrode can first be deposited on a substrate (eg glass or plastic). The PSI composite can be deposited, for example, on a transparent indium tin oxide electrode. Metallic contacts, PSI complexes, to LHC can be transferred directly to, for example, ultra high resolution intact stamping processes. The formation of metal contacts is compatible with the fragile protein (LHC) complex. The goal of this technique is to move the metal film at the point of contact between the lithographically patterned stamp and the substrate at a resolution comparable to the diameter (10 nm) of the PSI composite. If the substrate-metal adhesion surpasses the adhesion between the stamp and the metal layer, movement occurs. It can be deposited in between in order to improve the movement, at least one adhesion reducing layer, such as a Teflon ® stamp surface and the metal layer (see Fig. 7 (Fig. 7-9)). Prior to step 1, a thin metal film (<50?) Is deposited on the substrate using vacuum deposition or sputtering. This "strike" layer is thin enough to minimize damage to any delicate features of the substrate. In step 1, the metal coated stamp is contacted with the strike layer. The metal is moved at the point of contact. Migration can be improved by inserting an adhesion reducing layer between the stamp and its metal coating, and possibly by removing the strike layer. After removal of the stamp in step 2, the patterned substrate is etched in step 3 and any exposed strike material is removed by Ar sputtering. 6,468,819, Method For Patterning Organic Thin Film Devices Using A Di e; and, Lee, et ai, Programmable Nanometer - Scdale Electrolytic Metal Deposition And Depletion , US Patent No. 6,447,663 ].

비록 이러한 실시예에서 금속 침적은 기본적으로 제1 단계이지만, 전극의 (전극) 금속 침적은 조립(construction) 공정의 최종 단계일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "전극"이라는 용어는 본 명세서에 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같은 "제1 전극" 또는 "제2 전극"을 포괄한다. Although metal deposition is basically the first step in this embodiment, the (electrode) metal deposition of the electrode may be the final step of the construction process. As used herein, the term "electrode" encompasses "first electrode" or "second electrode" as used in the claims appended hereto.

실시예Example IIII

전극은 패턴화될 수 있는데, 예를 들어 리소그래피이다. 그러나, 패터닝은 I에서와 같은 전극 침적과 동시에 이루어질 수도 있다. 도 3은 은과 투명한 인듐 주석 산화물 사이에 끼워 넣어진 다수의 LHC 복합체의 개략적인 다이아그램을 나타낸다(광전 장치). 전자빔 리소그래피를 이용하여 자가 정합 LHC 단일층(self assembled LHC monolayer)를 노출시키고, 이로써 LHC 복합체의 표면 접착 특성을 변화시킴으로써 TIO를 패턴화할 수 있다. 스탬프된 컨택트의 차원은 전자빔 리소그라피에 의해 정의된다. 스탬프에서 양각 특징을 정의하는 전자빔 리소그라피는 당업자에게 공지되어 있다. 그것은 레지스트(중합체, 일반적으로 PMMA-폴리메틸 메타크릴레이트)를 미세(~lnm) 전자빔에 노출시키는 것을 포함한다. 레지스트가 노출되면, 비노출 부분은 그대로 두는 약 용매에 그것이 용해될 것이다. 그런 다음 레지스트 패턴을 습식 또는 건식 에칭 기술에 의해 스탬프 물질로 이동시킨다. The electrode can be patterned, for example lithography. However, patterning may occur simultaneously with electrode deposition as in I. 3 shows a schematic diagram of a number of LHC composites sandwiched between silver and transparent indium tin oxide (photoelectric device). Electron beam lithography can be used to pattern the TIO by exposing a self assembled LHC monolayer, thereby changing the surface adhesion properties of the LHC composite. The dimensions of the stamped contacts are defined by electron beam lithography. Electron beam lithography defining embossed features in stamps is known to those skilled in the art. It involves exposing the resist (polymer, generally PMMA-polymethyl methacrylate) to a fine (~ lnm) electron beam. When the resist is exposed, it will dissolve in a weak solvent leaving the unexposed portion intact. The resist pattern is then transferred to the stamp material by wet or dry etching techniques.

실시예Example IIIIII

1-5개의 유기층을, 예를 들어, 전극의 상부 상에, 예를 들어, 열 증착에 의해 추가할 수 있다. LHC는 박막 유기 전하 수송 물질 사이에 끼워 넣어질 수 있다. LHC는 용액 공정을 필요로 하기 때문에, LHC에 인접한 지지 유기층은 소수성 전하 수송 중합체(예를 들어, PPV (폴리-(페닐렌 비닐렌)) 또는 PEDOT: PSS (폴리 에틸렌 디옥시티오펜:폴리스티렌-설포네이트))인 것이 바람직하다. LHC에 인접한 덧층(overlayer)을 진공 침적된 소분자 물질로부터 제조하여, 밑에 놓여진 중합체 및 LHC와의 용매 충돌을 제거할 수 있다. 유기층은 입사광에 대해 투명한 것이 바람직하다. 따라서, LHC가 없는 경우에 가시광선에 대한 헤테로 구조의 광전 작용은 무시할만 하다. 개별 활성 광학 분자는 예를 들어 유기 박막을 이용하여 접촉된다. 1 내지 다수(예를 들어, 5)개의 분자층의 유기막은 예를 들어 진공 기술을 이용하여 성막시킬 수 있다[S.R. Forrest, Chem . Rev . vol. 97, p. 1793 (1997)].One to five organic layers can be added, for example, on top of the electrode, for example by thermal evaporation. LHC can be sandwiched between thin film organic charge transport materials. Since LHC requires a solution process, the supporting organic layer adjacent to the LHC may be a hydrophobic charge transport polymer (eg PPV (poly- (phenylene vinylene)) or PEDOT: PSS (polyethylene dioxythiophene: polystyrene-sulfo). Nate)). Overlayers adjacent to the LHC can be prepared from vacuum deposited small molecule materials to eliminate solvent collisions with the underlying polymer and the LHC. It is preferable that an organic layer is transparent with respect to incident light. Thus, the photoelectric action of heterostructures on visible light in the absence of LHC is negligible. Individual active optical molecules are contacted using, for example, organic thin films. Organic films of one to many (eg 5) molecular layers can be deposited using vacuum techniques, for example [SR Forrest, Chem . Rev. vol. 97, p. 1793 (1997).

실시예Example IVIV

1 이상의 LHC, 예를 들어, PSI 또는 LH2를 상부 유기층 상에 침적시킨다. One or more LHCs, such as PSI or LH2, are deposited on the upper organic layer.

침적체(예를 들어, 집광 복합체)의 전착(electrodeposition)을 조절하기 위한 시스템은 겹쳐진 관계에 있는 두개의 전극을 포함하는 것이 바람직하다. 전착 조건 하에서 유도성 극성이거나 약한 극성 또는 무극성을 가지는 것은 적절한 하전된 캐리어에 공유적으로 결합하여 전극 상에 침적될 수 있는 하전된 복합체를 형성할 수 있다. 침적체(deposition entity)의 현탁액 또는 용액은 수용액일 수 있는데, 예를 들면 생리 식염수이고, 상당한 전류를 전도시킬 수 있다. 원래 침적 용액 또는 현탁액에서 방향, 이동 속도 및 침적 속도를 용액의 pH를 적절하게 조절함으로써 매우 민감하게 조절할 수 있다. 용액 또는 현탁액의 pH는 침적되는 침적체의 등전점(isoelectric point)보다 크거나 작게 조절된다. 이러한 조절은 원하는 공지의 산제 또는 알칼리제를 이용하여 달성될 수 있다. 또한, 기타 첨가물, 예를 들어 비이온성 계면활성제 및 소포제 또는 세제를 원하는 대로 용액에 첨가할 수 있다. 전극은 예를 들어 기판에 부착된 금속 또는 "금속 대체물"로 형성할 수 있다. 기판은 유기 또는 무기, 생물학적 또는 비생물학적이거나, 또는 이러한 물질들의 임의의 조합일 수 있다. 기판으로서 적절한 물질은 실리콘, 실리카, 석영, 유리, 조절된 다공성 유리(controlled pore glass), 카본, 알루미나, 티타늄 이산화물, 게르마늄, 실리콘 질화물, 제올라이트 및 갈륨 비소화물(gallium arsenide)을 포함한다. "금속"이라는 용어는 원소적으로 순수한 금속, 예를 들어 Ag 또는 Mg를 포함하는 물질과, 2 이상의 원소적으로 순수한 금속, 예컨대 Mg 및 Ag를 함께 포함하는 물질(Mg:Ag로 표시)인 금속 합금도 모두 포함하는 것으로 사용된다. 여기서, "금속 대체물"은 정상적인 정의 내에서 금속은 아니지만 특정 적절한 응용물에서 원하는 금속과 같은 특성을 가지는 물질을 말한다. 전극에 사용할 수 있는 적절한 금속 대체물은 도핑된 넓은 밴드갭 반도체, 예를 들어 인듐 주석 산화물 (ITO), 갈륨 인듐 주석 산화물 (GITO), 및 아연 인듐 주석 산화물 (ZITO)과 같은 투명한 전도성 산화물을 포함한다. 전극으로서 기타 적절한 물질은 폴리-스티렌설포네이트(PSS)로 도핑된 폴리에틸렌-디옥시티오펜(PEDOT)과 같은 중합체성 금속이다. 전극 중 하나와 연결된 양 리드와 나머지 전극과 연결된 음 리드를 가지는 전원 장치가 전극 사이에 실질적으로 일정한 전류의 흐름을 공급하도록 제공된다. 전극 사이의 거리 Di는 약 IO nm 내지 약 5.0 mm 범위일 수 있다. 기판의 나머지 면적이 절연된다면 나노스케일 전극 상 침적이 발생할 수 있다. 적절한 거리 Di는 약 1.0 mm 이다. 전극에 인가된 전압은 거리 Di에 의존한다. 예를 들어, 인가된 전압은 약 1 V/cm 내지 약 1,000 V/cm 범위일 수 있다. 약 10 V/cm 내지 약 200 V/cm의 적절한 전압 범위가 약 1mm인 전극 사이의 거리와 함께 사용될 수 있다. 전극 사이에 침적체의 용액 또는 현탁액을 제공한다. 전극 중 하나를 향해 침적체를 이동시키는 소정의 시간동안 전압을 연속적으로 인가하여 침적체 막의 침적을 제공한다. 예를 들어, 전압을 약 5분 내지 약 48시간 동안 연속적으로 인가할 수 있다. 인가된 전압은 침적체 막의 원하는 두께 및 침적체가 전착되는 용액의 농도에 근거한다. 필요 전압을 감소시키기 위해 전극 사이의 최소 거리를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 침적체의 용액 또는 현탁액에서의 침적체 농도와 용액의 부피를 선택하여 소정의 전압의 연속 인가로 침적되는 침적체 막의 두께를 제어한다. 용액 또는 현탁액에서의 침적체의 농도는 전극 중 하나 상에 단일층을 형성하도록 선택될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 약 lO㎍/ml 내지 약 Img/ml 범위인 침적체의 농도, 약 lmm3 내지 약 100mm3의 부피를 약 10 V/cm 내지 약 200 V/cm 범위인 전압을 사용하여 침적체의 100%를 전극 상에 침적시켜, 약 5nm 내지 약 IOnm의 두께를 가지는 단일층의 막을 얻을 수 있다. 용액 또는 현탁액 중의 침적체의 농도 및 용액의 부피를 변화시킴으로써 더 두꺼운 막을 침적시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 리테이너의 하우징은 침적체의 용액 또는 현탁액의 소정의 부피를 제공하도록 선택되는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 리테이너 하우징은 약 lmm3 내지 약 100mm3의 부피를 제공하는 크기를 가질 수 있다. 침적체의 이동은 침적체의 전하와는 반대 의미로 하전된 전극을 향해 발생한다. 침적체는 대부분 침적체와 전극 사이의 반 데르 발스 상호 작용으로 인해 전극에 부착될 수 있다. 고정된 침적체이 장치의 작동에 필수적인 임의의 장치에 고정된 침적체을 사용할 수 있다. 적절한 장치는 고체 상태의 장치, 메모리 장치 및 광전 장치를 포함한다. The system for controlling the electrodeposition of the deposit (eg, light collecting composite) preferably includes two electrodes in an overlapping relationship. Having inductive polarity, weak polarity or nonpolarity under electrodeposition conditions can covalently bind to a suitable charged carrier to form a charged complex that can be deposited on the electrode. Suspensions or solutions of deposition entities can be aqueous solutions, for example physiological saline, and can conduct significant currents. In the original deposition solution or suspension, the direction, movement speed and deposition rate can be very sensitively controlled by appropriately adjusting the pH of the solution. The pH of the solution or suspension is adjusted to be greater or less than the isoelectric point of the deposit being deposited. Such control can be achieved using any known known powder or alkali agent. In addition, other additives such as nonionic surfactants and antifoams or detergents may be added to the solution as desired. The electrode can be formed, for example, of a metal or “metal substitute” attached to a substrate. The substrate may be organic or inorganic, biological or abiotic, or any combination of these materials. Suitable materials as substrates include silicon, silica, quartz, glass, controlled pore glass, carbon, alumina, titanium dioxide, germanium, silicon nitride, zeolites and gallium arsenide. The term "metal" is an elementally pure metal, eg, a material comprising Ag or Mg, and a metal comprising two or more elementally pure metals, such as Mg and Ag (denoted Mg: Ag). It is also used to include all alloys. Herein, "metal substitutes" refer to materials which are not metals within the normal definition but which have the same properties as the desired metals in certain suitable applications. Suitable metal substitutes that can be used in the electrode include doped wide bandgap semiconductors, for example transparent conductive oxides such as indium tin oxide (ITO), gallium indium tin oxide (GITO), and zinc indium tin oxide (ZITO). . Other suitable materials as electrodes are polymeric metals such as polyethylene-dioxythiophene (PEDOT) doped with poly-styrenesulfonate (PSS). A power supply having a positive lead connected to one of the electrodes and a negative lead connected to the other electrode is provided to supply a substantially constant flow of current between the electrodes. The distance Di between the electrodes can range from about IO nm to about 5.0 mm. If the remaining area of the substrate is insulated, deposition on the nanoscale electrode can occur. An appropriate distance Di is about 1.0 mm. The voltage applied to the electrode depends on the distance Di. For example, the applied voltage can range from about 1 V / cm to about 1,000 V / cm. Appropriate voltage ranges from about 10 V / cm to about 200 V / cm can be used with distances between electrodes about 1 mm. A solution or suspension of deposits is provided between the electrodes. A voltage is continuously applied for a predetermined time to move the deposit toward one of the electrodes to provide deposition of the deposit film. For example, the voltage can be applied continuously for about 5 minutes to about 48 hours. The applied voltage is based on the desired thickness of the deposit film and the concentration of the solution to which the deposit is electrodeposited. It has been found that it is desirable to use the minimum distance between the electrodes to reduce the required voltage. The deposit concentration in the solution or suspension of the deposit and the volume of the solution are selected to control the thickness of the deposited film deposited by continuous application of a predetermined voltage. The concentration of deposits in solution or suspension can be selected to form a monolayer on one of the electrodes. In one embodiment of the invention, the concentration of deposits in the range of about lOμg / ml to about Img / ml, the volume of about lmm 3 to about 100mm 3 , the voltage in the range of about 10 V / cm to about 200 V / cm 100% of the deposit can be deposited on the electrode to obtain a single layer film having a thickness of about 5 nm to about IOnm. It will be appreciated that thicker membranes can be deposited by varying the concentration of deposits in the solution or suspension and the volume of the solution. The housing of the retainer may be sized to provide a predetermined volume of solution or suspension of the deposit. For example, the retainer housing may be sized to provide a volume of about lmm 3 to about 100 mm 3 . The movement of the deposit occurs towards the charged electrode in the opposite direction of the charge of the deposit. Deposits can be attached to the electrodes mostly due to van der Waals interactions between the deposits and the electrodes. A fixed deposit may be used in any device for which the fixed deposit is essential to the operation of the device. Suitable devices include solid state devices, memory devices and optoelectronic devices.

LHC의 단일층을, 예를 들어 수용액 중에서 통상적인 스피닝 기술을 사용하여 침적시킬 수 있다. Monolayers of LHC can be deposited using conventional spinning techniques, for example in aqueous solution.

빛 자극은 LHC의 하부 (루멘) 표면 상에 정공을, 상부 (스트로마) 표면 상에 전자를 생성하므로, LHC의 기능성 배향이 중요하다. 따라서, 기판 상에 침적시키는 경우 (의도되는 응용물에 의존하는) 적절한 배향으로 존재하여야 한다. 양 측은 상이한 전하 밀도 또는 전혀 다른 전하 극성을 가질 것이므로, 이것은 정전기적 침적에 의해 달성될 수 있다. 다른 가능성은 단백질 상의 특정기(이러한 기들은 천연적으로 존재하거나 재조합 DNA 기술에 의해 삽입됨)에 대한 공유적인 결합 또는 친화성이다. 미국특허 제6,231,983호, Method of Orienting Molecular Electronic Components, Lee, et al., May 15, 2001은, 예를 들어, 기판 상의 PSI 반응 중심의 방향을 맞추는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 기판의 표면이 미리 선택된 배향에서 PSI 반응 중심을 고정시킬 수 있도록 기판의 표면의 화학적 변형을 포함한다. 그런 다음, PSI 반응 중심을 포함하는 용액을 첨가하고, PSI를 미리 정해진 배향으로 방향을 맞춘다. 미리 정해진 배향은 기판의 표면과 평행하거나, "위" 위치에서 표면과 수직이거나, "아래" 위치에서 표면과 수직일 수 있다. 미리 정해진 배향의 결정은 기판의 원하는 용도에 근거되어야 한다. Light stimulation produces holes on the lower (lumen) surface of the LHC and electrons on the upper (stromal) surface, so the functional orientation of the LHC is important. Thus, when deposited on a substrate, it must be present in the proper orientation (depending on the intended application). Since both sides will have different charge densities or completely different charge polarities, this can be achieved by electrostatic deposition. Another possibility is the covalent binding or affinity for specific groups on the protein (these groups exist naturally or are inserted by recombinant DNA techniques). US Pat. No. 6,231,983, Method of Orienting Molecular Electronic Components, Lee, et al., May 15, 2001, for example, relates to a method of orienting a PSI reaction center on a substrate. The method includes chemical modification of the surface of the substrate such that the surface of the substrate can fix the PSI reaction center in a preselected orientation. Then, a solution containing the PSI reaction center is added and the PSI is oriented in a predetermined orientation. The predetermined orientation may be parallel to the surface of the substrate, perpendicular to the surface in the "up" position, or perpendicular to the surface in the "down" position. The determination of the predetermined orientation should be based on the desired use of the substrate.

실시예Example V V

유기층은 III에서와 같이, 예를 들어 침적된 집광 복합체의 상부 상에 열 증기에 의해 첨가시킬 수 있다. The organic layer can be added by thermal steam, for example, on top of the deposited light collecting composite, as in III.

실시예Example VIVI

상부 전극을, 예를 들어 I에서와 같이 나노메타 스탬핑 공정에 의해 추가시킬 수 있다 The upper electrode can be added by a nanometa stamping process, for example as in I.

상기 발명의 상세한 설명에 언급된 모든 공개문헌 및 특허문헌은 본 명세서에 참조로써 통합된다. 상술한 본 발명의 조성물 및 방법의 다양한 변형 및 변화는 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 당업자에게 자명해질 수 있다. 본 발명이 특정 바람직한 구체예와 관련하여 기재되었지만, 청구하고 있는 발명은 그러한 특정 구체예에 과도하게 한정되어서는 안된다는 점을 이해하여야 한다. 실제로, 본 발명을 수행하기 위하여 상술한 조성물 및 모드의 다양한 변형은 당업계 또는 관련된 기술 분야의 기술자들에게 자명하며 후술하는 특허청구범위 내에 존재하도록 의도된다. All publications and patents mentioned in the above detailed description are incorporated herein by reference. Various modifications and variations of the compositions and methods of the invention described above may be apparent to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention. While the present invention has been described in connection with certain preferred embodiments, it should be understood that the claimed invention should not be unduly limited to such specific embodiments. Indeed, various modifications of the above-described compositions and modes for carrying out the invention are intended to be apparent to those skilled in the art or in the related art and are within the scope of the following claims.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

도 1은 본 발명의 고체 상태의 감광성 장치의 일 실시예를 나타낸다. 1 shows one embodiment of a solid state photosensitive device of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 고체 상태의 감광성 장치를 나타낸다. 2 shows another solid state photosensitive device of the present invention.

도 3A는 본 발명의 개략적인 구체예를 나타낸다. 3A shows a schematic embodiment of the invention.

도 3B는 은과 투명한 인듐 주석 산화물 사이에 끼인 다수의 LHC 복합체의 개략적인 다이어그램을 나타낸다(광전 장치).3B shows a schematic diagram of a number of LHC composites sandwiched between silver and transparent indium tin oxide (photoelectric device).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 상태의 감광성 장치에 의해 광전류의 생성을 도시한다. 4 shows the generation of a photocurrent by a solid state photosensitive device according to one embodiment of the invention.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 상태의 감광성 장치에 의해 광전류의 생성을 도시한다. 5 shows the generation of a photocurrent by a solid state photosensitive device according to another embodiment of the invention.

도 6은 분자 스위치에 대한 LHC를 기재로 하는 분자 센서의 확장을 도시한다. 6 shows an extension of a molecular sensor based on LHC to a molecular switch.

도 7은 금속 콘택트를 LHC로 이동시키는 직접 초고분해능, 무손상 스탬핑 공정(non-damaging stamping process)의 일 구체예를 도시한다. FIG. 7 illustrates one embodiment of a direct ultra high resolution, non-damaging stamping process for moving metal contacts to LHC.

도 8은 금속 콘택트를 LHC로 직접 이동시키는 초고분해능, 무손상 스탬핑 공정의 단계를 도시한다.8 shows the steps of an ultra high resolution, intact stamping process that moves metal contacts directly to LHC.

도 9는 금속 콘택트를 LHC로 직접 이동시키는 초고분해능, 무손상 스탬핑 공정의 또 다른 단계를 도시한다.9 shows yet another step of an ultra high resolution, intact stamping process that moves metal contacts directly to LHC.

Claims (29)

겹쳐진 관계에 있는 제1 전극 및 제2 전극; 및 A first electrode and a second electrode in an overlapping relationship; And 상기 전극 사이에 1 이상의 절연된 집광 복합체(LHC)를 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.A photosensitive device in a solid state comprising at least one insulated light collecting composite (LHC) between the electrodes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 제1 전극과 LHC 사이에 배치되고 LHC에 인접하며, 제1 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 전자 수송층; 및An electron transport layer disposed between the first electrode and the LHC and adjacent to the LHC and formed of the first photoconductive organic semiconductor material; And 제2 전극과 LHC 사이에 배치되고 LHC에 인접하며, 제2 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 정공 수송층A hole transport layer disposed between the second electrode and the LHC and adjacent to the LHC and formed of a second photoconductive organic semiconductor material 을 더 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.Solid state photosensitive device further comprising. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 제1 전극과 전자 수송층 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광도전성 유기 반도체 물질층을 더 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.And further comprising at least one additional layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the first electrode and the electron transport layer. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 제2 전극과 정공 수송층 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층을 더 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.And at least one additional layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the second electrode and the hole transport layer. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 제2 전극과 정공 수송층 사이에 배치되는 1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층을 더 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.And at least one additional layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the second electrode and the hole transport layer. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 제2 전극과 정공 수송층 사이에 배치되는 광전도성 유기 반도체 물질층이 엑시톤 블록킹층인 고체 상태의 감광성 장치.The photosensitive device in the solid state, wherein the photoconductive organic semiconductor material layer disposed between the second electrode and the hole transport layer is an exciton blocking layer. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 제1 전극은 LHC로 빛을 허용하는 개구(aperture)를 가지는 것인 고체 상태의 감광성 장치.And the first electrode has an aperture that allows light to LHC. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 1 이상의 추가적인 광전도성 유기 반도체 물질층이 LHC로 빛을 허용하는 개구를 가지는 것인 고체 상태의 감광성 장치.At least one additional photoconductive organic semiconductor material layer has an opening to allow light to the LHC. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, LHC로 빛을 허용하는 광 집신기(optical concentrator)를 더 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.A solid state photosensitive device further comprising an optical concentrator that allows light to LHC. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 전극은 입사광(λ~800nm)에 대해서 실질적으로 투명한 것인 고체 상태의 감광성 장치.And the first electrode is substantially transparent to incident light (λ to 800 nm). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 전극은 입사광(λ~800nm)에 대해서 실질적으로 반사하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.And the second electrode substantially reflects incident light (λ to 800 nm). 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 전극 사이의 광전도성 유기 반도체 물질은 입사광(λ~800nm)에 대해 실질적으로 투명한 것인 고체 상태의 감광성 장치.Wherein the photoconductive organic semiconductor material between the electrodes is substantially transparent to incident light (λ-800 nm). 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 제1 전극은 축퇴 도핑된(degenerately doped) ITO를 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.And said first electrode comprises degenerately doped ITO. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 제2 전극은 Al(알루미늄), Ag(은), 또는 Au(금)과 같은 금속 필름을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.Wherein said second electrode comprises a metal film such as Al (aluminum), Ag (silver), or Au (gold). 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전자 수송층은 PTCBI, BCP, AIq3, CBP, Fi6CuPc, C60, 및 PTCDA로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.Wherein said electron transport layer comprises a material selected from the group consisting of PTCBI, BCP, AIq 3 , CBP, Fi 6 CuPc, C 60 , and PTCDA. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 정공 수송층은 αNPD, TPD, CuPc, CoPc, 및 ZnPc로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.Wherein said hole transport layer comprises a material selected from the group consisting of αNPD, TPD, CuPc, CoPc, and ZnPc. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 제1 전극 및 전자 수송층 사이에 배치되는 1 이상의 광전도성 유기 반도체 물질층은 PTCBI, BCP, AIq3, CBP, F16CuPc, C60, 및 PTCDA로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.The at least one layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the first electrode and the electron transport layer comprises a material selected from the group consisting of PTCBI, BCP, AIq 3 , CBP, F 16 CuPc, C 60 , and PTCDA. Photosensitive device in state. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 제2 전극 및 정공 수송층 사이에 배치되는 1 이상의 광전도성 유기 반도체 물질층은 oNPD.TPD, CuPc, CoPc, 및 ZnPc로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.At least one layer of photoconductive organic semiconductor material disposed between the second electrode and the hole transport layer comprises a material selected from the group consisting of oNPD.TPD, CuPc, CoPc, and ZnPc. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 엑시톤 블록킹층은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP); 4,4',4"-트리스 {N,-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노}트리페닐아민(m-MTDATA); 및 폴리에틸렌 디옥시티오펜(PEDOT)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 고체 상태의 감광성 장치.The exciton blocking layer is 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP); 4,4 ', 4 "-tris {N,-(3-methylphenyl) -N-phenylamino} triphenylamine (m-MTDATA); and polyethylene dioxythiophene (PEDOT) Photosensitive device in the solid state. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 집광 복합체(LHC)는 PSI 및 LH2로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 고체 상태의 감광성 장치.The light converging composite (LHC) is selected from the group consisting of PSI and LH2 solid state photosensitive device. 제2항 또는 제5항에 있어서,The method according to claim 2 or 5, LHC와 각각의 전극 사이의 거리는 약 λ/4n (여기서, λ는 LHC가 흡수하는 빛의 주요 파장이고, n은 LHC와 각각의 전극 사이의 물질의 굴절률임)인 고체 상태의 감광성 장치. The distance between the LHC and each electrode is about λ / 4n, where λ is the main wavelength of light absorbed by the LHC and n is the refractive index of the material between the LHC and each electrode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 전극은 회로에 의해 상기 제2 전극과 더 연결되어 있는 것인 고체 상태의 감광성 장치.And said first electrode is further connected with said second electrode by a circuit. 제22항에 있어서, 광전 장치(photovoltaic device)인 고체 상태의 감광성 장 치.23. The photosensitive device of claim 22, wherein the photosensitive device is a photovoltaic device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 집광 복합체(LHC) 단층을 포함하는 고체 상태의 감광성 장치.A solid state photosensitive device comprising a light collecting composite (LHC) monolayer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 하나의 집광 복합체(LHC)를 포함하는 고체 상태의 감광성 장치. A solid state photosensitive device comprising one light collecting composite (LHC). 빛에 대하여 제23항의 광전 장치를 노출시키는 단계를 포함하는, 광전류를 발생시키는 방법.A method of generating a photocurrent, comprising exposing the photovoltaic device of claim 23 to light. 빛에 대하여 제23항의 광전 장치를 노출시키는 단계를 포함하는, 회로에 전력을 공급하는 방법.A method for powering a circuit comprising exposing the photovoltaic device of claim 23 to light. 제22항에 따른 고체 상태의 감광성 장치를 포함하는 전자 장치. An electronic device comprising the photosensitive device in solid state according to claim 22. 태양 전지, 광학 컴퓨팅 및 로직 게이트, 광전자 스위치, 프로세싱 소자, 전자 광센서, 센서, 및 광자 A/D 컨버터로 이루어진 군으로부터 선택되는 제28항에 따른 고체 상태의 감광성 장치를 포함하는 전자 장치.An electronic device comprising the solid state photosensitive device according to claim 28 selected from the group consisting of solar cells, optical computing and logic gates, optoelectronic switches, processing elements, electronic light sensors, sensors, and photon A / D converters.
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