KR20100044865A - 광전 탠덤 전지 - Google Patents

광전 탠덤 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20100044865A
KR20100044865A KR1020107003968A KR20107003968A KR20100044865A KR 20100044865 A KR20100044865 A KR 20100044865A KR 1020107003968 A KR1020107003968 A KR 1020107003968A KR 20107003968 A KR20107003968 A KR 20107003968A KR 20100044865 A KR20100044865 A KR 20100044865A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar cell
electrode
dye
layer
materials
Prior art date
Application number
KR1020107003968A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101479803B1 (ko
Inventor
닐 그레고리 피스키러
펠릭스 아이케메이어
얀 쉐네붐
재형 황
마르틴 카를손
인크마르 브루더
Original Assignee
바스프 에스이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 바스프 에스이 filed Critical 바스프 에스이
Publication of KR20100044865A publication Critical patent/KR20100044865A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101479803B1 publication Critical patent/KR101479803B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2068—Panels or arrays of photoelectrochemical cells, e.g. photovoltaic modules based on photoelectrochemical cells
    • H01G9/2072—Panels or arrays of photoelectrochemical cells, e.g. photovoltaic modules based on photoelectrochemical cells comprising two or more photoelectrodes sensible to different parts of the solar spectrum, e.g. tandem cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • H10K30/151—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2004—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte
    • H01G9/2009—Solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
    • H10K85/215—Fullerenes, e.g. C60 comprising substituents, e.g. PCBM
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
    • H10K85/621—Aromatic anhydride or imide compounds, e.g. perylene tetra-carboxylic dianhydride or perylene tetracarboxylic di-imide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 탠덤 전지 구조를 보유하는, 전자기 방사선을 전기 에너지로 전환하기 위한 광전 부재(110)에 관한 것이다. 탠덤 전지 구조는
- 제1 전극(118), n형 반도체성 금속 산화물(120), 제1 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하는 염료(122) 및 고체 p형 반도체(124)를 보유하는 염료 태양 전지(126); 및
- 억셉터 물질(132) 및 도너 물질(134)을 보유하는 유기 태양 전지(130)로서, 억셉터 물질(132) 및/또는 도너 물질(134)은 유기 물질을 포함하고, 유기 태양 전지(130)는 염료 태양 전지(126)로부터의 대향 면 위에 제2 전극(138)을 추가로 포함하고, 유기 태양 전지는 제1 스펙트럼과 적어도 부분적으로 상이한 제2 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성되는 것인 유기 태양 전지,
- 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 제1 전극(118) 및/또는 제2 전극(138)
을 포함한다.

Description

광전 탠덤 전지{PHOTOVOLTAIC TANDEM CELL}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 탠덤 전지 구조(tandem cell structure)를 보유하는 광전 부재(photovoltaic element)에 관한 것이다. 이러한 광전 부재는 전자기 방사선, 특히 태양광을 전기 에너지로 전환시키는데 사용된다.
태양 전지에서 태양 에너지의 전기 에너지로의 직접 전환은 일반적으로 반도체 물질의 소위 "내부 광전효과", 즉 p-n 접합부 또는 쇼트키(Schottky) 접촉부에서 광자 흡수 및 음전하 캐리어 및 양전하 캐리어의 분리에 의한 전자-정공 쌍의 발생을 기초로 한다. 이에 따라 광전압이 발생되며, 이 광전압은 외부 회로에서 태양 전지가 그 전력을 전달하는 광전류를 유도할 수 있다.
이러한 경우, 반도체는 일반적으로 밴드갭보다 큰 에너지를 보유하는 상기 광자만을 흡수한다. 따라서, 반도체 밴드갭의 크기는 전기 에너지로 전환될 수 있는 태양광의 비율을 결정한다.
결정질 규소를 기초로 하는 태양 전지는 이미 1950년대에 제조되었다. 이 기술은 그 시기에 태양 인공위성에 이용함으로써 증진되었다. 현재 규소를 기초로 하는 태양 전지가 현장에서 시장을 지배하고 있지만, 이 기술은 여전히 자본 집약적으로 남아있다. 따라서, 좀더 경제적인 새로운 접근법을 개발하려는 시도가 이루어지는 중이다. 본 발명의 기초가 되고 있는 이러한 접근법 중 일부를 하기 개설할 것이다.
염료 태양 전지
염료 태양 전지(DSC; dye solar cell)는 지금까지 알려진 가장 효율적인 대체 태양 전지 기술 중 하나이다. 이 기술의 액체 변형의 경우, 최근 11% 이하의 효율이 실현되고 있다(예, 문헌[Graetzel M. et al., J. Photochem. Photobio. C, 2003, 4, 145; Chiba et al., Japanese Journal of Appl. Phys., 2006, 45, L638-L640] 참조).
현재 수많은 변형들이 존재하고 있는 단일 부재로서 구성된 태양 전지는 일반적으로 2개의 전극을 포함하며 그 중 하나 이상은 투명하다. 2개의 전극은 "작동 전극" (또는 "애노드", 전자 발생) 및 "배면 전극" (또는 "캐소드")로서 이의 작용에 따라 지칭된다. n형 전도성 금속 산화물은 일반적으로 작동 전극 상에 또는 그 주변에 예를 들어 이산화티탄(TiO2)의 나노다공층이 대략 10∼20 ㎛ 두께로 적용된다. 이 표면 상에는 통상 광 흡광에 의해 여기된 상태로 전환될 수 있는 감광성 염료의 단층(예, 루테늄 착체)이 흡착된다. 배면 전극 상에 또는 이 전극에, 예를 들어 백금의 몇 ㎛ 두께의 촉매 층이 종종 존재한다. 2개의 전극들 사이의 영역이 산화환원 전해질, 예컨대 요오드(I2)와 요오드화칼륨(KI) 용액으로 충전된다.
염료 태양 전지의 작용은 염료에 의해 흡수되는 광을 기초로 한다. 전자는 여기된 염료에서 n형 반도체성 금속 산화물 반도체로 전달되고, 여기서 전자는 애노드로 이동하지만, 전해질은 캐소드를 통해 전하의 평형을 보장한다. 따라서, n형 반도체성 금속 산화물, 염료 및 전해질은 염료 태양 전지의 필수 부품이다.
하지만 많은 경우에 액체 전해질로 제조된 염료 태양 전지는 안정성 문제를 일으킬 수 있는 차선의 시일링(sealing)으로 곤란을 겪고 있다. 그럼에도 불구하고 액체 전해질은 고체 p형 반도체로 대체될 수 있다. 염료 태양 전지의 고체 변형의 효율은 최근 들어 약 4.6∼4.7%이다(Snaith, H., Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6413-6417).
다양한 무기 p형 반도체, 예컨대 CuI, CuBr·3(S(C4H9)2) 또는 CuSCN이 지금까지 고체 염료 태양 전지에 사용되어 왔다. 자연계에는, 제1 광계에서 또한 다시 산화된 엽록소 이량체를 감소시키는 Cu(I) 효소 플라스토시아닌이 존재한다. 그러한 p형 반도체는 적어도 3가지 상이한 방법, 즉 용액, 전착 또는 레이저 침착에 의해 처리될 수 있다.
하지만 실제로는 이것은 때때로 특히 과도하게 큰 반도체 결정 및 염료와의 불량한 접촉으로 인해 p형 반도체의 안정성 등의 문제를 수반할 수 있다. 이러한 문제를 방지하는 하나의 방법은 유기 용매 중의 CuI 용액을 수반하고, 결정화 억제제로서 이온 액체를 추가하는 것이다. 여기에는 각종 결정화 억제제가 사용될 수 있고(통상 SCN 염), 3.75% 이하의 효율이 실현된다. 또다른 방법 군은 CuI 및 1-메틸-3-에틸이미다졸륨 티오시아네이트(MEISCN)와 함께 ZnO로 피복된 나노다공성 TiO2 층을 사용하는 것이다. 이러한 염료 태양 전지는 3.8%의 효율을 나타낸다. (p형 도체로서) MgO 피복된 TiO2 및 CuI와 (결정화 억제제로서) 트리에틸 아민 히드로티오시아네이트를 함께 사용시, 4.7% 이하의 효율이 실현된다. 용액으로부터의 CuSCN은 또한 고체 p형 반도체로서 사용될 수 있고, 약 2%의 효율을 나타낸다. p형 반도체가 음 전위에서 침착될 수 있다면, 전기화학 침착은 더 우수한 메조다공성 기공으로의 투과가 가능해야 한다. 이 방법을 이용하면 고체 염료 태양 전지가 1.5%의 효율을 전달하지만, 일반적으로 비교적 얇은 ZnO 층으로 인해 입사 광의 약 12%만이 흡수된다. 마지막으로, 레이저 침착에 의하면, 대략 10 ㎛ 두께의 TiO2 층에도 불구하고 약 12.2 mA/cm2의 매우 우수한 단락 회로 ISC, 및 약 1 cm2의 활성 표면적의 경우 약 2.8%의 효율을 유도하는 비교적 작은 입자가 생성된다.
또한 고체 p형 반도체로서 유기 중합체가 이미 사용되었다. 이 중합체의 예로는 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 카르바졸계 중합체, 폴리아닐린, 폴리(4-운데실-2,2'-바이티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(트리페닐 디아민) 및 폴리(N-비닐 카르바졸)이 포함된다. 폴리(N-비닐 카르바졸)의 경우, 효율이 2%에 도달한다. 동일계 중합된 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)가 또한 0.53%의 효율을 나타낸 바 있다. 여기에 기술된 중합체는 통상 순수 형태가 아닌 첨가제와 함께 사용된다.
또한 저분자량 유기 p형 반도체가 사용될 수 있다. 고체 염료 태양 전지에서 저분자량 유기 p형 반도체의 첫번째 용도는 트리페닐 아민(TPD)의 증착된 층으로 액체 전해질을 대체하는 것이었다. 염료 태양 전지에서 유기 화합물 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디-p-메톡시페닐 아민)-9,9'-스피로바이플루오렌(스피로-MeOTAD)의 용도가 1998년에 보고되었다. 이것은 용액으로부터 도입될 수 있고 불필요한 결정화 및 염료와의 불량한 접촉을 방지하는 비교적 높은 유리 온도를 갖고 있다. 그 메톡시 기는 Ru 착체가 효율적으로 재생될 수 있도록 스피로-MeOTAD의 산화 전위를 조정한다. p형 도체로서 그 자체 상의 스피로-MeOTAD를 사용하여 5%의 최대 IPCE(전류 전환 효율에 대한 입사 광자)를 제공하였다. (도펀트로서) N(phBr)3SbCl6 및 Li[(CF3SO2)2N]을 함께 사용하였을 때, IPCE가 33%로 증가하고 효율은 0.74%였다. p형 반도체로서 tert-부틸 피리딘을 사용함으로써 효율이 2.56%로 증가될 수 있고 개회로 전압(VOC)은 약 910 mV이고 약 1.07 cm2의 활성 표면적의 경우 단략 회로 ISC는 약 5 mA이다(문헌[Krueger et al., Appl. Phys. Lett., 2001, 79, 2085] 참조). TiO2 층의 더 우수한 도포성(coverage)을 달성하고 스피로-MeOTAD 상에 우수한 습윤성을 제공하는 염료는 4% 이상의 효율을 나타낸다. 루테늄 착체에 옥시에틸렌 측쇄가 제공되었을 때 더욱 더 우수한 효율(약 4.6%)이 보고되었다.
문헌[Adv. Mater. 17, pp. 813-815 (2005)]에는 비정질 유기 p형 도체로서 스피로바이플루오렌을 갖는 염료 태양 전지용 인돌린 염료가 제안되어 있다. 상기 유기 염료는 소광 계수가 루테늄 착체의 것보다 4배 높으며 고체 염료 태양 전지에서 이의 높은 효율(4.1%(sun))을 나타낸다.
중합체 p형 반도체가 Ru 염료에 직접 결합된다는 개념이 추가로 제안된 바 있다(Peter, K., Appl. Phys. A 2004, 79, 65).
문헌[Durrant et al., Adv. Munc. Mater. 2006, 16, 1832-1838]에는 많은 경우에 광전류가 산화된 염료에서 고체 p형 반도체로 정공 전이시 수율에 직접 의존한다는 것이 기술되어 있다. 이것은 2가지 인자: 제1 인자로서 p형 도체의 산화물 기공으로의 투과 정도 및 제2 인자로서 전하 전달을 위한 열역학 구동력(즉, 구체적으로는 염료와 p형 도체 사이의 자유 엔트로피 차 ΔG)에 의존한다.
염료 태양 전지의 한 단점은 염료가 사용할 수 있는 광 분율이 사용되는 n형 및 p형 도체의 페르미 에너지들 사이의 에너지 차이에 의해 제한된다는 것이다. 또한 광전압이 그 차이에 의해 제한된다. 추가로, 필요한 전하 수송으로 인해, 염료 태양 전지는 일반적으로 입사 광의 사용이 일반적으로 최적이 아닐 정도로 비교적 얇게(예, 1∼2.5 ㎛) 제조되어야 한다.
유기 태양 전지
p-n 접합부를 기초로 하며 광활성 물질의 일부 또는 전부가 유기물인 광전 부재는 거의 50년 동안 공지되어 왔다(예, 문헌[Kearns, K, Calvin, M., J., Chem. Phys. 1958, 29, 950-951] 참조). 그러한 부재는 반도체(n형 반도체 및/또는 p형 반도체) 중 하나 이상이 광자를 흡수하고 그 결과로 생성된 엑시톤이 p-n 접합부로 수송되고 2개의 전하 중 하나 또는 둘 다가 p-n 접합부에서 전극으로 수송되도록 고안된다.
유기 태양 전지는 저분자량 화합물(또한 하기에 "저분자량 전지"로도 지칭됨), 중합체(또한, 하기에 "중합체 전지"로 지칭됨), 올리고머 또는 이러한 물질들의 몇몇 이상의 조합을 포함할 수 있다. 유기 태양 전지는 통상 n형 전하 수송(전자 수송)이 우세하고 이에 따라 n형 반도체의 유기 유사체를 나타내는 억셉터 물질 뿐만 아니라, p형 전하 수송(정공 수송)이 우세하고 이에 따라 p형 반도체의 유기 유사체를 나타내는 하나 이상의 도너 물질을 포함한다. 대안으로 또는 추가적으로, 억셉터로서 무기 나노입자가 또한 사용될 수 있다(예, 문헌[Alivisatos A., Science, 2002, 295, 2425-2427] 참조).
본 명세서의 목적을 위해, 유기 광전 개념의 다양성을 처리 방법에 따라 카테고리화될 수 있다. 그 물질은 통상 (예를 들어, 물리적 증착, PVD, 화학적 증착, CVD, 분자 빔 에피탁시 또는 다른 방법들, 또는 방법 조합에 의해) 진공에서 적용되고/되거나 (예를 들어, 스핀 코팅, 프린팅 또는 기타 습식 화학 기술에 의해) 용액으로부터 침착된다. 이러한 전지 유형과 침착 방법의 하이브리드, 예컨대 진공에서 적용된 저분자량 층을 지닌 전지 및 습식 화학 기술로 적용된 중합체 층을 지닌 전지가 또한 존재한다.
p형 및 n형 물질 둘 다가 진공 침착되는 저분자량 전지는 수년 동안 공지되어 왔다(예, 문헌[Tang, C.W., App. Phys. Lett. 1986, 48, 183] 참조). 이러한 전지는 지금까지 도너 물질로서 구리 프탈로시아닌(CuPc) 및 억셉터 물질로서 3,4,9,10-퍼릴렌 테트라카르복실산 비스이미드 벤즈이미다졸(PTCBI) 또는 풀러렌(예, C60)으로 통상 이루어지고 있다. 제1 Tang 전지는 약 1%의 효율을 나타내었다. 지금은 동일한 유기 물질로부터 제조된 전지가 개선되었으며 2.7%의 효율을 실현하고 있다(Peumans et al., Nature of Materials, 2005, 4, 37-41).
C60이 억셉터 물질로 사용되는 전지의 효율은 지금까지 5.0%로 증가되었다. 이는 2가지 접근법에 기인한다:
제1 접근법에서, 평활층 구조 대신에, 소위 "벌크 이종접합부"가 n형 물질과 p형 물질 사이에 계면을 발생시킨다. 따라서, 증가된 엑시톤 비율이 자유 정공 및 전자로 분리되고, 전류를 일으킬 수 있다.
제2 접근법에서, 억셉터 층과 캐소드 사이에 엑시톤 차단층(EBL)이 사용된다. 이 층은 엑시톤이 캐소드로 이동하는 것을 방지하고자 하는 것이고, 여기서 엑시톤은 금속과 유기층 사이의 접합부에서 비효과적으로 붕괴될 것이다. 추가적으로 이러한 차단층은 광활성 물질로의 전극 투과에 대한 확산 배리어로 작용한다.
Tang 전지에서 CuPc가 SubPc(서브프탈로시아닌)로 대체되는 경우, 심지어 더 높은 광전압 VOC가 실현될 수 있다(약 0.97 V 이하, 예를 들어 문헌[Mutolo, K., J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 8108]). 억셉터 물질로서 C60과 도너 물질로서 올리고티오펜(예, α,α'-비스(2,2-디시아노비닐)-퀸퀘티오펜, DCV5T)과 같은 기타 물질 조합은 또한 높은 효율을 나타낸다(예, 3.4∼3.8%, 예를 들어 문헌[Schulze et al., Adv. Mater., 2006, 18, 2872-2875; Schulze et al., Proc. of SPIE Vol. 6192, 61920C-1(2006)]). 좀 더 최근의 연구는 소위 "삼중" 흡수기를 사용하며, 이것은 연장된 엑시톤 확산 길이를 나타낸다(Yang, Y. Adv. Mater., 2005, 17, 2841).
저분자량 물질을 적용하기 위해 진공 방법의 이용에 대안적인 접근법은, 중합체 또는 올리고머와 유사하게, 마찬가지로 습식 화학 기술이 적용될 수 있는 가용성 저분자량 화합물을 사용하는 것이다. 이러한 방식으로 제조된 전지가 상기 기술된 저분자량 전지와 동일한 원리에 따라 작용한다. 이 경우, p형 및 n형 물질이 하나 이상의 용액 및/또는 분산액으로부터 처리된다. 이러한 유형의 다수의 분자가 이미 상기 전지에 사용된 바 있지만, 그 효율은 지금까지 비교적 낮았다. 그 효율에서의 향상은 접합부(즉, 벌크 이종접합부)의 열 처리(어닐링)에 의해 실현될 수 있는데, 그 이유는 그 열 처리가 분자의 배열을 개선시키기 때문이다. 이러한 효과는 특히 사용되는 분자가 써모트로픽 액체 결정인 경우에 주목할만하게 되었다(예, 문헌[Schmidt-Mende, L. et al., Science 2001, 293, 1119-1122]).
또다른 개념은 분자에서 도너 물질과 억셉터 물질은 공유 결합시키는 것에 있다. 하지만, 이러한 방식으로 구성된 전지 유형은 지금까지 비교적 낮은 효율만을 나타내었다(예, 문헌[Maggini, M., Chem. Commun., 2002, 2028-2029]).
중합체 전지는 상기 기술된 저분자량 전지와 동일한 원리에 따라 작용한다. 그 차이는 2가지 흡수기(즉, 억셉터 물질 및/또는 도너 물질) 중 하나 이상이 중합체이고 이에 따라 일반적으로 용액으로부터 처리된다는 것이다. 사용될 수 있는 중합체의 예로는 도너 물질 및 억셉터 물질 둘 다가 치환기에 따라 접하게 되는 것들 중에서 폴리(p-페닐렌-비닐렌)(PPV)의 유도체가 있다. 도너 물질로서 작용하는 중합체의 전형적 예로는 MEH-PPV(메틸헥실-치환된 PPV)가 있지만, 시아노-치환된 PPV(CN-PPV)가 억셉터 물질로서 작용할 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 중합체 전지의 효율은 1% 영역 내에 존재하였다. 지금까지 가장 우수한 성능을 나타내었던 시스템은 도너 물질로서 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)) 및 억셉터 물질로서 PCBM([6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르)로 이루어진다. 효율이 4.8∼5.0% 이하인 태양 전지가 공지되어 있다. 또한 낮은 밴드갭 중합체가 사용되고 이것은 태양 스펙트럼에 대하여 향상된 흡수 오버랩을 나타낸다. PCBM을 사용하면 약 3.2%의 효율이 실현될 수 있다. 이 경우에는 활성 층에서 흡수를 최대화시키는데 광학 스페이서가 또한 때때로 사용되었다. 문헌[App. Phys. Lett, 2001, 78, 841]에는 효율에 대한 효과가 처리(예, 사용된 용매 등)에 따라 달라진다는 것이 나타나 있다. 흡수된 광자의 분율을 개선시키기 위해서, C71-PCBM과 함께 새로운 물질, 예컨대 낮은 밴드갭 중합체, 예를 들어 PCPDTBT(폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)]을 사용하는데, 이는 5.5% 이하의 효율을 나타낸다. 특히 억셉터 물질로서 퍼릴렌 또는 무기 나노로드(nanorod)와 함께 중합체가 또한 도너 물질로서 사용되는데, 후자의 경우에는 효율이 1.7% 이하이다.
용액으로부터 처리된 유기 태양 전지는 높은 처리량에 적당한 다수의 경제적 제조 방법을 허용하는 이점을 갖고 있다. 예를 들면 프린팅 방법, 예컨대 또한 유기층의 구조화를 가능하게 하는 잉크젯 프린팅 방법이 제조에 사용될 수 있다.
탠덤 태양 전지
광자 에너지를 보다 잘 이용하기 위해서, 소위 "탠덤" 개념이 이용가능하다(예, 문헌[Meissner, D., Solarzellen [Solar Cells], pp. 129-136, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1993]). 무기 반도체를 포함하는 탠덤 전지가 공지되어 있으며, 이 전지는 지상 광도 하에 높은 효율을 나타낸다. 그러한 탠덤 태양 전지의 공지된 예로는 GalnP/GaAs/Ge(32%±1.5), GalnP/GaAs(30.3%), GaAs/ClS(25.8%±1.3) 및 a-Si/μc-Si(11.7%±0.4)가 있다(Green, M.A., Prog. Photovolt; Res. Appl. 2006, 14, 455-461).
탠덤 태양 전지는 다수의 경우에 유리한데, 그 이유는 특히 전지의 제조 비용이 일반적으로 표면적 의존성이기 때문이다. 따라서, 태양 전지의 효율은 가능한 한 높아야 하며 이것은 탠덤 전지를 사용하여 실현 가능하다.
2-접촉(two-contact) 및 4-접촉(four-contact) 탠덤 태양 전지가 존재한다. 4-접촉 탠덤 태양 전지의 경우, 2개의 서브전지는 광학 커플러(예, 유리 또는 투명 시트)를 통해 함께 접속되고, 각 태양 전지는 그 자체의 전기 단자를 포함한다. 이것의 이점은 서브전지 둘 다가 개별적으로 최적화될 수 있다는 점이다. 하지만, 이러한 유형의 탠덤 전지가 갖는 단점은 추가 반사 및 흡수가 추가 전기 단자 및 광학 커플러로 인해 발생할 수 있다는 점이다.
2-접촉 탠덤 태양 전지의 경우, 전류 테이크-오프(current take-off)를 위한 전기 접촉이 상부 서브전지의 상부 전면 접촉부 상에서 그리고 하부 서브전지의 하부 접촉부 상에서 수행되는데, 즉 2개의 서브전지가 전기적으로 직접 커플링된다. 보다 적은 층들이 여기에 필요하기 때문에, 반사 및 흡수의 보다 낮은 손실이 일어나게 된다. 추가적으로 이러한 개념은 보다 적은 수의 층으로 인해 더욱 더 경제적이다. 하지만, 2-접촉 탠덤 태양 전지에 있어서, 2개의 서브전지의 전류는 반드시 대응되어야 한다. 그제서야 2개의 서브전지의 개별 전압의 합이 (즉, 폐회로를 이용하여) 작동시 얻어질 수 있다.
지금은 중합체 물질을 기초로 하는 초기 탠덤 태양 전지, 특히 2-접촉 중합체 탠덤 전지가 공지되어 있다(Hadipour, A., Adv. Func. Mater., 2006, 16, 1897). 이러한 부품은 약 1.4 V의 개회로 광전압(VOC)을 나타낸다. 이러한 부품에 대해 개시된 측정값은 상부 태양 전지가 하부 태양 전지보다 적은 전류를 전달하는 것으로 나타낸다. 탠덤 전지의 총 전류는 이러한 불일치에 의해 제한된다. 탠덤 전지의 개회로 광전압이 2개 전지의 합이기 때문에, 효율은 각 개별 전지의 것보다 더 우수하다. 전지는 다음과 같이 구성되었다: 유리 기판/Cr(1 nm)/Au(15 nm)/PEDOT:PSS(60 nm)/PFDTBT(폴리((2,7-(9,9-디옥틸)-플루오렌)-alt-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조티아디아졸) 및 PCBM(1:4)/LiF(0.5 nm)/Al(0.5 nm)/Au(15 nm)/PEDOT:PSS(60 nm) PTBEHT(폴리{5,7-디-2-티에닐-2,3-비스(3,5-디(2-에틸헥실옥시)페닐)-티에노[3,4-b]피라진}) 및 PCBM(1:4)/LiF(1 nm)/Al(100 nm).
탠덤 구조는 또한 저분자량 전지에 대해 유리할 수도 있다. 2개의 저분자량 전지를 포함하는 2-접촉 탠덤 전지를 사용함으로써 효율은 약 5.0%∼약 5.7%로 증가할 수 있다.(문헌[Forrest et al., Applied Physics Letters, 2004, 85, 5757-5759] 및 WO 02/101838). 이 구조에서는 광전압이 1 V 이상인 것이 주목할 만하다. 그 전지는 다음과 같이 구성되었다: 유리 기판/인듐 주석 산화물(ITO)/CuPC/CuPC:C60/C60/PTCBI/Ag/m-MTDATA(4,4',4"-트리스((3-메틸페닐)-(페닐)아미노)트리페닐 아민)(5 몰%의 테트라플루오로테트라시아노퀴노디메탄으로 p-도핑됨/CuPc/CuPC:C60/C60/BCP(바소쿠프로인)/Ag(100 nm).
또한 CuPc 및 PTCBI를 사용하여 유사한 전지가 제조되었다(Triyana K., Jap. J. Appl. Phys., 2004, 43, 2352-2356). 여기서, Ag는 중간 전극으로서("부유" 전극, 즉 비접촉된 전극으로서) 그리고 상부 전극으로서 Au와 비교되었다. 가장 우수한 효율은 3개의 서브전지로부터 제조된 탠덤 전지를 사용하여 실현되었고, 1.35 V∼1.50 V의 VOC로 약 2.37%였다. 그 전지의 구조는 다음과 같았다: 유리/ITO/PEDOT:PSS/유기물/Ag/유기물/Ag(이때, 용어 "유기물"은 여기서 CuPc/PTCBI를 의미함).
메틸-퍼릴렌 테트라카르복실산 디이미드(Me-PTC) 및 금속 무함유 프탈로시아닌(H2Pc)을 갖는 탠덤 전지가 추가로 공지되어 있다(Hiramoto, M., Chem. Lett. 1990, 327, 1990). 하지만, 이 전지에서, 효율은 여전히 비교적 낮았다. 유기 서브전지가 중합체 서브전지 상에 침착되는 탠덤 태양 전지가 또한 공지되어 있다.
4-접촉 탠덤 염료 태양 전지가 또한 제조된 바 있으며, 10.5%의 효율을 나타내었다(문헌[Duerr, M. et al., App. Phys. Lett., 2004, 84, 3397] 참조). 이 경우, 전면 서브전지에서 적색 염료로서 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-바이피리딜-4,4'-디카르복실산)루테늄(II) 및 후면 서브전지에서 흑색 염료로서 트리(이소티오시아나토)(2,2':6',2"-터피리딜-4,4',4"-트리카르복실산)R(II)와 함께, I-/I3 -을 갖는 중합체-겔 전해질이 사용되었다. 서브전지가 전기적으로 커플링되지 않기 때문에, 단락 광전류가 첨가되었다.
n-p 탠덤 염료 태양 전지는 Hagfeldt 등(2000)(He, J., Jagfeldt, A., et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 2000, 62, 265)에 의해 최초로 기술되었다. 이 경우, 에틸렌 카르보네이트/프로필렌 카르보네이트 중의 Lil(0.5 M), I2(0.05 M)의 전해질이 감작화된 광애노드(TiO2, 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-바이피리딜-4,4'-디카르복실산)루테늄(II))와 감작화된 광캐소드(NiO, 에리스로신 B) 사이에 도입되었다. 보다 높은 광전압(732 mV)이 관찰되었지만, 그럼에도 불구하고 효율은 오히려 낮았다(0.39%).
유사한 연구에서는 광캐소드로서 NiO/3-카르복시메틸-5-[2-(3-옥타데실-2-벤조티아졸리닐리덴)에틸리덴]-2-티옥소-4-티아졸리딘을 사용하였다(Nakasa, A., Chem Lett., 2005, 34, 500; JP 2006147280). 이 경우, 효율이 0.78%로 증가하고 최대 관찰된 광전압은 0.918 V로 증가하였다. 따라서, 이러한 전지는 또한 여전히 비교적 낮은 효율 및 광전압을 나타내고 있다.
전반적으로, 감작화된 광애노드 및 감작화된 광캐소드를 사용하는 이중 감작화된 염료 전지를 기초로 하는 이러한 탠덤 전지의 개념은 구조상 복잡하다는 것에도 불구하고 실현된 효율과 관련한 향상에 대한 충분한 여지가 남아 있다. 액체 전해질을 사용하는 것은 또한 상당히 불리한 것으로 보여질 수 있다. 추가적으로, 지금까지 실현된 전압(개회로 전압, VOC)은 여전히 비교적 낮고(통상 1 V 미만), 충분히 효율적인 방식으로 감작화된 광캐소드는 여전히 아직도 공지되지 않고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술로부터 공지된 상기 기술된 부재의 단점을 방지하는 광전 부재를 제공하는 것이다. 광전 부재는 특히 높은 양자 효율을 가져야 하고 제조하기에 간편해야 한다.
이러한 목적은 독립항인 제1항의 특징을 보유하는 광전 부재에 의해 구현된다. 별도로 또는 함께 실시될 수 있는 유리한 개량 부재(refinement)는 종속항에 제시된다. 모든 청구항의 용어는 이로써 본 명세서의 내용에 인용된다.
전자기 방사선의 전기 에너지로의 전환을 위한 광전 부재가 제공되며, 이것은 탠덤 전지 구조를 보유한다. 탠덤 전지 구조는 다음을 포함한다:
- 제1 전극, n형 반도체성 금속 산화물, 제1 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하는 염료 및 고체 p형 반도체를 보유하는 염료 태양 전지; 및
- 억셉터 물질 및 도너 물질을 보유하는 유기 태양 전지로서, 억셉터 물질 및/또는 도너 물질은 유기 물질을 포함하고, 유기 태양 전지는 염료 태양 전지로부터의 대향 면 위에 제2 전극을 추가로 포함하고, 유기 태양 전지는 제1 스펙트럼 범위와 적어도 부분적으로 상이한 제2 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성되는 것인 유기 태양 전지,
- 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 제1 전극 및/또는 제2 전극.
본문에서 용어 "투명 전극"은 특히 가시 스펙트럼 범위 내 및/또는 태양 스펙트럼 범위 내(약 300 nm∼2000 nm)에서 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 전도율이 있는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명은 2개의 주요 유형의 유기 태양 전지, 즉 염료 감작화된 금속 산화물을 갖는 염료 태양 전지 및 유기 단량체, 올리고머 또는 중합체 (및 경우에 따라 또한 무기 나노입자 또는 기타 첨가제)를 포함하는 유기 태양 전지, 유기 물질을 포함하는 하나 이상의 억셉터 물질(n형 반도체) 또는 도너 물질(p형 반도체)의 조합물에 관한 것이다. 추가로, 전지에는 또한 이러한 기본 구조 대신에 예를 들어 언급된 염료 태양 전지 및 유기 태양 전지의 조합물 이외에 하나 이상의 추가 전지가 존재하는 구조, 즉 예컨대 삼중 전지 구조가 존재할 수도 있다. 하지만, 본 발명과 관련하여, 일반적으로 서로 위에 적층된 2개의 전지를 갖는 구조가 바람직한데, 즉 상기 기술된 부품(염료 태양 전지 및 유기 태양 전지)이 층으로서 서로 위에 배치되거나 배열되는 구조가 바람직하다.
바람직하게는, 사용된 모든 물질은 고체 물질이다. 추가적으로, 염료 태양 전지는 바람직하게는 전면 서브전지, 즉 노출 면을 대면하는 것으로서 사용되고, 유기 태양 전지는 후면 서브전지로서 사용된다. 유기 태양 전지에서 억셉터 물질은 또한 바람직하게는 염료 태양 전지를 대면하는 서브전지의 면 위에 배열되고, 도너 물질은 염료 태양 전지로부터 떨어져 대면하는 면 위에 배열된다. 염료 태양 전지로부터 보았을 때, 이것은 바람직하게는 (반도체 기술로 표현된) 유기 태양 전지 내부에 p-n 접합부 대신에 n-p 접합부를 유도한다. 그러나, 다른 구조물도 가능하다.
원칙적으로, 탠덤 전지 구조는 추가적으로 4-접촉 구조로 제조될 수 있다. 하지만, 좀더 유리한 제조 때문에, 바람직하게는 2개의 전극만을 갖는 2-접촉 구조가 바람직하다. 이 경우에 염료 태양 전지와 접촉하는 전극(염료 태양 전지의 작동 전극)은 바람직하게는 투명하다. 제1 (투명) 전극은 바람직하게는 적어도 부분적으로 투명한 지지체(예, 강성 또는 투명한 유리 기판 및/또는 플라스틱 기판) 위에 적용될 수 있다. 이것은 염료 태양 전지로 이어지고, 그 다음은 차례대로 커버 전극 또는 상부 전극으로서 (반드시 투명하지는 않은) 제2 전극인 유기 태양 전지로 이어진다. 그 다음에 전기 에너지로 전환시키고자 하는 광은 우선 투명 지지체를 통해 염료 태양 전지로 진입하고, 여기서 그 광은 (특히 염료에 의해) 부분적으로 흡수된 후, 유기 태양 전지로 진입하며, (바람직하게는, 적어도 부분적으로 상이한 스펙트럼 범위에서) (유기 물질, 즉 억셉터 물질 및/또는 도너 물질 및/또는 별개의 흡수기, 예컨대 도핑인(doped-in) 흡수기 중 하나 이상에 의해) 다시 적어도 부분적으로 흡수된다. 하지만, 역위 구조와 같은 다른 층 구조 또한 가능하다.
제안된 구조는 공지된 광전 부재보다 일정 범위의 이점을 갖는다. 특히, 도너 및 억셉터 물지의 적당한 선택이 이루어질 경우 유기 태양 전지에 의해 장파 광은 보다 양호하게 사용될 수 있다. 특히, 도너 및/또는 억셉터 물질은 근적외선 범위(NIR)에서 흡수되도록 선택될 수 있다. 이것은 태양 스펙트럼의 보다 우수한 이용을 유도할 수 있고 이에 따라 보다 우수한 효율을 유도할 수 있다. 특히, 2개의 서브전지는 상호보완적으로 흡수되도록 선택될 수 있으므로 매우 높은 효율이 실현될 수 있다. 염료 태양 전지의 염료는 400 nm∼700 nm 범위에서 흡수를 나타내는 것이 특히 바람직하지만, 유기 전지의 억셉터 물질 및/또는 도너 물질은 이들이 600 nm∼1000 nm 범위에서 흡수를 나타내도록 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 선택은 염료 태양 전지가 일반적으로 전부는 아닌 입사광이 항상 완전하게 사용될 수 있도록 매우 얇게(통상, 1∼2.5 ㎛) 제조되는 것이 필요하기 때문에 특히 바람직하다. 이것은 정확히 적은 정도로만 사용되는 스펙트럼의 장파 부품이며, 유기 태양 전지의 흡수의 상기 선택을 이용한 탠덤 전지 구조에 의해 효율적으로 사용될 수 있고, 그 구조의 전체 효율은 상당히 증가할 수 있다.
특히, 액체 또는 겔 형태의 전해질 대신에 p형 반도체를 갖는 "고체 전해질"을 사용하는 경우, 제안된 구조의 또다른 이점은 2개 서브전지의 전류 성분이 비교적 간단하게 서로 대응될 수 있다는 점이다. 상기 기술된 바와 같이, 공지된 2-접촉 탠덤 전지의 단점은 보다 적은 전류를 갖는 서브전지가 총 전류를 한정한다는 점이다. 하지만, (예를 들어, 물질 매개변수를 조정하고/하거나, 적당한 흡수기를 선택하고/하거나 층 두께를 조정함으로써) 제안된 구조를 이용하여, 2개 서브전지의 전류는 비교적 쉽게 조정될 수 있다. 이에 따라, 효과적인 부재가 제조될 수 있으며, 2개 서브전지의 광전압을 추가하여 높은 총 전압을 형성한다. 추가적으로, 제안된 전지 구조는, 또한 염료로 이중 감작화되고 액체 전해질을 사용하는 종래 기술에 공지된 He, Hagfeldt 등 및 von Nakasa 등의 탠덤 전지 개념의 전술된 단점을 방지하며, 그리고 제안된 전지 구조는 예를 들어 단일 연속 선에서 제조 기술에 의해 제조될 수 있는 상당히 간편화된 전지 구조가 가능하다. 특히, 이중 염료 감작화(감작화된 산화물 애노드 및 감작화된 산화물 캐소드)를 필요로 하는 Hagfeldt 등에 의해 기술된 구조를 방지하는 것이 가능하다.
상기 제안된 기본 구조는 유리하게도 다양한 방식으로 구성되거나 개발될 수 있다. 이러한 개발 중 일부는 종속항에 제시되어 있고, 바람직한 선택 사항 중 일부는 하기 기술될 것이다. 추가의 가능한 상세 사항의 경우, 다음의 실시예와 도입부에 기술된 종래 기술에 제시된 물질 및 기술을 참조할 수 있다.
1. 염료 태양 전지
제1 전극 및 n형 반도체성 금속 산화물
단일 금속 산화물 또는 상이한 산화물들의 혼합물이 염료 태양 전지의 n형 반도체성 금속 산화물로서 사용될 수 있다. 또한 혼합된 산화물을 사용하는 것도 가능하다. n형 반도체성 금속 산화물은 특히 나노미립자 산화물로서 사용될 수 있으며, 본원에서 나노미립자란 0.1 ㎛ 미만의 평균 입도를 갖는 입자를 의미하고 있다.
나노미립자 산화물은 전도성 기판(즉, 제1 전극으로서 전도층을 보유하는 지지체) 상에 넓은 표면적으로 갖는 얇은 다공성 막으로서 소결 공정에 의해 통상적으로 적용된다.
금속 호일 외에, 특히 (또한 지지체로 하기 지칭되는) 플라스틱 판 또는 시트 및 특히 유리판이 기판으로 적당하다. 상세하게는, 전도성 물질, 예를 들어 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent conducting oxide), 예컨대 불소 및/또는 인듐으로 도핑된 주석 산화물(각각, FTO 및 ITO) 및/또는 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 탄소 나노튜브 또는 금속 막이, 특히 상기 기술된 바람직한 구조에 따른 제1 전극의 경우, 전극 물질로서 적당하다. 하지만, 대안으로서, 또는 추가적으로, 여전히 충분한 투명도를 보유하는 얇은 금속 막이 또한 사용될 수도 있다. 기판이 이러한 전도성 물질로 피복되거나 코팅될 수 있다.
일반적으로 단일 기판만이 제안된 구조를 요구하기 때문에, 연성 전지를 구성하는 것도 또한 가능하다. 강성 기판을 이용하여 수행될 수 없거나, 또는 어려움만을 갖고 수행될 수 있는 다수의 적용 테스크, 예를 들어 은행 카드, 의류 물품 등에 사용이 가능하다.
추가적으로 제1 전극, 특히 TCO 층은 고체 버퍼 층, 특히 금속 산화물 버퍼 층(예, 10∼200 nm 두께)으로 피복되거나 코팅되어 p형 반도체와 TCO 층과의 직접 접촉이 방지된다(문헌[Peng et al., Coord. Chem. Rev. 248, 1479(2004)] 참조). 버퍼 층에 사용될 수 있는 버퍼 금속 산화물은, 예를 들어 다음의 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 산화바나듐; 산화아연; 산화주석; 산화티탄. 하지만, 액체 또는 겔 형태의 전해질과 비교시 상당히 전해질과 제1 전극과의 접촉이 감소하는 고체 p형 반도체 전해질의 발명 용도는, 많은 경우에 전류 한정 효과를 갖고 또한 n형 반도체성 금속 산화물과 제1 전극과의 접촉이 저하될 수 있는 버퍼 층이 방지될 수 있도록 많은 경우에 상기 버퍼 층을 불필요하게 한다. 이것이 부품의 효율을 증가시킨다. 한편, 그러한 버퍼 층은 결국에 편의적으로 사용되어 염료 태양 전지의 전류 부품을 유기 태양 전지의 전류 부품에 대응시킬 수 있다. 버퍼 층이 방지된 전지의 경우, 특히 고체 전지에서 추가적으로 전하 캐리어의 불필요한 재조합이 일어나는 문제가 발생한다. 이 정도로, 구체적으로는 고체 전지에서, 많은 경우에 버퍼 층은 유리하다.
금속 산화물의 얇은 층 또는 막은 일반적으로 경제적인 고체 반도체 물질(n형 반도체)을 나타내는 것으로 공지되지만, 큰 밴드갭으로 인해 이의 흡수율은 통상 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내에 있지 않고 대부분 자외선 스펙트럼 범위에 있다. 태양 전지의 적용 경우, 염료 태양 전지를 이용하는 경우에서와 같이, 금속 산화물은 일반적으로 태양광의 파장 범위, 즉 300∼2000 nm에서 흡수하고 전자적 여기 상태에서 반도체의 전도성 밴드로 전자를 주입하는 감작화제로서의 염료와 배합되어야 한다. 전해질로서 전지에서 추가적으로 사용되어 결과적으로 배면 전극에서 (또는 탠덤 태양 전지에서 제2 서브전지와의 접합부에서) 감소되는 고체 p형 반도체에 의해, 전자가 재생되도록 감작화제로 배면에 공급될 수 있다.
반도체 산화아연, 산화주석, 이산화티탄 또는 이러한 금속 산화물들의 혼합물은 태양 전지에 적용을 위해 특히 중요하다. 금속 산화물은 나노결정질 당공성 층의 형태로 사용될 수 있다. 이러한 층은 감작화제로 코팅되는 넓은 표면적을 보유하므로, 태양광의 높은 흡수가 실현된다. 구조화된 금속 산화물 층, 예를 들어 나노로드는 보다 높은 전자 이동도 또는 염료에 의한 향상된 기공 충전과 같은 이점을 제공한다.
금속 산화물 반도체는 개별적으로 또는 혼합물의 형태로 사용될 수 있다. 또한 하나 이상의 금속 산화물로 금속 산화물을 코팅하는 것도 가능하다. 추가적으로, 금속 산화물은 또다른 반도체, 예컨대 GaP, ZnP 또는 ZnS 상에 코팅으로서 적용될 수 있다.
나노결정질 형태로 바람직하게 사용되는 아나타제 변형물의 산화아연 및 이산화티탄이 특히 바람직한 반도체이다.
감작화제는 더욱 유리하게도 그러한 태양 전지에 통상적으로 사용되는 모든 n형 반도체와 조합될 수 있다. 세라믹에 사용된 금속 산화물, 예컨대 이산화티탄, 산화아연, 산화주석(IV), 산화텅스텐(VI), 산화탄탈륨(V), 산화니오븀(V), 산화세슘, 티탄산스트론튬, 스탄산아연, 페로스카이트형의 착체 산화물, 예컨대 티탄산바륨, 및 또한 나노결정질 또는 비정질 형태로 존재할 수 있는 2원 및 3차 산화철이 바람직한 예로서 언급될 수 있다.
통상적인 유기 염료와, 프탈로시아닌 및 포르피린에 의해 나타나는 강한 흡수로 인해, 심지어 n형 반도체성 금속 산화물의 얇은 층 또는 막조차도 요구된 염료의 양을 수용하는데 충분하다. 결국, 얇은 금속 산화물 막은 불필요한 재조합 공정의 가능성이 낮아진다는 것과 염료 태양 전지의 내부 저항이 감소한다는 이점을 갖는다. 바람직하게는, 100 nm∼20 ㎛의 층 두께, 특히 바람직하게는 500 nm∼약 3 ㎛ 범위 내의 층 두께가 n형 반도체성 금속 산화물에 사용될 수 있다.
염료
본 발명의 범위에서 사용될 수 있는 다수의 염료는 종래 기술에 공지되어 있으므로, 또한 가능한 물질 예에 대한 염료 태양 전지와 관련된 종래 기술의 상기 설명을 참조할 수 있다. 언급 및 청구된 모든 염료는 원칙적으로 안료로서도 또한 존재할 수 있다. 반도체 물질로서 이산화티탄을 기초로 하는 염료 감작화된 태양 전지는, 예를 들어 US-A-4 927 721, 문헌[Nature 353, pp. 737-740(1991)] 및 US-A-5 350 644와, 문헌[Nature 395, pp. 583-585(1998)] 및 EP-A-1 176 646에 기술되어 있다. 상기 문헌들에 기술된 염료는 또한 원칙적으로 본 발명의 범위 내에서 유리하게 사용될 수 있다. 그러한 염료 태양 전지는 감작화제로서 이산화티탄 층에 산 기를 통해 결합하는 전이 금속 착체, 특히 루테늄 착체의 단분자 막을 포함한다.
특히 비용의 이유로, 감작화제로서 금속 무함유 유기 염료가 반복적으로 제안되고 있고, 또한 본 발명의 범위 내에서 사용될 수도 있다. 특히 고체 염료 태양 전지에서, 예를 들어 인돌린 염료와 함께, 4% 이상의 높은 효율이 실현될 수 있다(예, 문헌[Schmidt-Mende et al., Adv. Mater. 2005, 17, 813] 참조). US-A-6 359 211에는 또한 본 발명의 범위 내에서 사용될 수도 있는 시아닌, 옥사진, 티아진 및 아크리딘 염료의 용도가 기재되어 있고, 이 염료는 이산화티탄 반도체에 고정하기 위해 알킬렌 라디칼을 통해 결합되는 카르복실 기를 포함한다.
JP-A-10-189065, 2000-243463, 2001-093589, 2000-100484 및 10-334954에는 반도체 태양 전지에 사용하기 위한 퍼릴렌 주쇄에 치환된 각종 퍼릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 유도체가 기술되어 있다. 구체적으로는, 이미드 질소 원자 상에 카르복실알킬, 카르복실아릴, 카르복시아릴알킬 또는 카르복시알킬아릴 라디칼을 보유하고/하거나 p-디아미노벤졸 유도체로 이미드화되는 퍼릴렌 테트라카르복실산 디이미드로서, 여기서 p-위치에서 아미노기의 질소 원자가 2개의 추가 페닐 라디칼로 치환되거나 헤테로방향족 삼환계의 일부인 것인 퍼릴렌 테트라카르복실산 디이미드; 이미드 질소 원자 상에 전술된 라디칼 또는 추가 작용기화되지 않은 알킬 또는 아릴 라디칼을 보유하는 퍼릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 일무수물 모노이미드, 또는 1차 아민과의 추가 반응에 의해 해당 디이미드 또는 이중 축합물로 전환되는 퍼릴렌-3,4,9,10-테트라카르복실산 이무수물과 1,2-디아미노벤졸 또는 1,8-디아미노나프탈렌과의 반축합물; 카르복실 또는 아미노 라디칼에 의해 작용기화되는 퍼릴렌-3,4,9,10-테트라카르복실산 이무수물과 1,2-디아미노벤졸과의 축합물; 및 지방족 또는 방향족 디아민으로 이미드화되는 퍼릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 디이미드가 존재한다.
문헌[New J. Chem. 26, pp. 1155-1160(2002)]에는 퍼릴렌 주쇄(베이 위치)에 치환되지 않은 퍼릴렌 유도체를 이용한 이산화티탄의 감작화가 연구되어 있다. 구체적으로 언급된 것은 디알킬아미노 또는 카르복시메틸아미노로 9-위치에서 치환되고 이미드 질소 원자 상에 카르복시메틸 또는 2,5-디(tert.-부틸)페닐 라디칼을 보유하는 9-디알킬아미노퍼릴렌-3,4-디카르복실산 무수물, 퍼릴렌-3,4-디카르복실산 이미드, 및 n-도데실아미노퍼릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 일무수물 모노이미드이다. 하지만, 이러한 퍼릴렌 유도체를 기초로 하는 액체 전해질 전지는 루테늄 착체와 비교시 감작화된 태양 전지보다 실질적으로 낮은 효율을 나타내고 있다.
제안된 염료 태양 전지에서 감작화제 염료로서 특히 바람직한 것은 DE 10 2005 053 995 A1 또는 WO 2007/054470 A1에 기술된 퍼릴렌 유도체, 터릴렌 유도체 및 쿼터릴렌 유도체이다. 이러한 염료의 용도는 광전 부재에 높은 효율성 및 동시에 높은 안정성을 초래한다.
릴렌은 태양광의 파장 범위 내 흡수를 나타내고, 이 경우에는 컨쥬게이트 시스템의 길이에 따라 약 400 nm(DE 10 2005 053 995 A1에서 퍼릴렌 유도체 I)∼약 900 nm(DE 10 2005 053 995 A1에서 쿼터릴렌 유도체 I) 범위를 포괄할 수 있다. 이러한 조성물에 따라, 이산화티탄 상에 흡착된 고상에서 터릴렌을 기초로 하는 릴렌 유도체 I은 약 400∼800 nm 범위 내에서 흡수된다. 가시 범위에서 적외선 범위까지의 입사 태양광을 최대한 폭넓게 사용하기 위해, 상이한 릴렌 유도체 I의 혼합물을 사용하는 것이 유리하다. 또한 이 경우에는 상이한 릴렌 동족체를 사용하는 것이 때때로 권장될 수 있다.
릴렌 유도체 I은 금속 산화물 막 상에 용이하게 그리고 영구적으로 고정될 수 있다. 이 경우, 무수물 작용(x1) 또는 동일계 형성된 카르복실 기 -COOH 또는 -COO-를 통해, 또는 이미드 또는 축합물 라디칼((x2) 또는 (x3)) 내에 함유된 산 기 A를 통해 결합이 일어난다. DE 10 2005 053 995 A1에 기술된 릴렌 유도체 I은 본 발명의 범위에서 염료 감작화된 태양 전지로 사용하기에 상당히 적합하다.
염료는 한쪽 분자 말단에 앵커 기를 포함하는 것이 특히 바람직하고, 이것은 염료를 n형 반도체 막에 고정시키게 된다. 다른 쪽 분자 말단에서, 염료는 바람직하게는 n형 반도체로 전자를 전달한 후 염료의 재생을 용이하게 하고 추가적으로 이미 반도체로 전달된 전자의 재조합을 방지하는 전자 도너 Y를 포함한다.
적당한 염료의 선택 가능성과 관련한 추가 상세 사항의 경우, 예를 들어 DE 10 2005 053 995 A1이 참조될 수 있다. 특히, 루테늄 착체, 포르피린, 다른 유기 감작화제 및 바람직하게는 릴렌이 상기 문헌에 기술된 탠덤 전지에 사용될 수 있다.
금속 산화물 막 위에 염료의 고정은 간단한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, n형 반도체성 금속 산화물 막은 새롭게 소결된(여전히 가온된) 상태에서 적당한 유기 용매 중의 염료의 용액 또는 현탁액과 충분한 시간(예, 0.5∼24시간) 동안 접촉시킬 수 있다. 이것은, 예를 들어 금속 산화물로 코팅된 기판을 염료 용액에 침지시킴으로써 실시될 수 있다.
상이한 염료의 조합을 사용하고자 하는 경우, 예를 들어 하나 이상의 염료를 함유하는 하나 이상의 용액 또는 현탁액으로부터 연속적으로 적용될 수 있다. 예컨대, CuSCN의 층에 의해 분리되는 2가지 염료를 사용하는 것도 또한 가능하다(이러한 점에 있어서, 예를 들면 문헌[Tennakone, K. J., Phys. Chem. B. 2003, 107, 13758]). 가장 편리한 방법은 각 경우에 따라 쉽게 비교에 의해 결정될 수 있다.
염료 선택 및 산화물 입자의 크기를 고려하여, 태양 전지는 가능한 한 많은 광이 2개의 서브전지에 의해 흡수되도록 구성되어야 한다. 이러한 이유로, 상기 이미 기술된 바와 같이, 염료는 가능한 한 상보적으로 선택되어야 한다. 산화물 층은 이 경우 고체 p형 반도체가 기공을 잘 충전할 수 있도로 구조화되어야 한다.
원칙적으로, 염료는 별도의 부재로서 존재할 수 있거나 또는 별도의 단계에서 적용되고 남은 층에 별도로 적용될 수 있다. 하지만, 대안적으로 또는 추가적으로, 염료는 또한 다른 부재 중 하나 이상, 예를 들어 고체 p형 반도체와 함께 조합되거나 적용될 수도 있다. 예를 들면, p형 반도체 성질과 흡수성 염료, 또는 예를 들어 흡수성 및 p형 반도체 성질을 갖는 안료를 포함하는 염료-p형 반도체 조합물이 사용 가능하다.
상기 기술된 바와 같이, 제안된 탠덤 전지의 개념은 하나 이상의 고체 p형 반도체의 용도를 포함하고 있다. 유사 성질을 갖는 추가 물질이 또한 자연적으로 고체 p형 반도체 또는 고체 전해질과 같은 반도체 이외에 존재할 수도 있지만 하나 이상의 p형 반도체를 단독으로 사용하는 것이 바람직하다. n형 반도체성 금속 산화물 내 전자와 고체 p형 반도체의 재조합을 방지하기 위해, 부동태화(passivation) 물질을 포함하는 일종의 부동태화 층이 사용될 수 있다. 그 층은 가능한 한 얇아야 하며, 가능한 한 n형 반도체성 금속 산화물의 이전에 미피복된 위치만을 피복해야 한다. 특정 환경 하에서, 부동태화 층은 또한 염료 전에 연대순으로 금속 산화물 상에 적용될 수도 있다. 다음의 물질들이 특히 부동태화 물질로 바람직하다: Al2O3; 알루미늄 염; 실란, 예컨대 CH3SiCl3; 유기금속 착체, 특히 Al3 + 착체; Al3 +, 특히 Al3 + 착체; 4-tert-부틸피리딘(TBP); MgO; 4-구아니디노부틸산(GBA); 알킬 산; 헥사데실말론산(HDMA).
p형 반도체
상기 기술된 바와 같이, 고체 p형 반도체가 본원에 제안된 탠덤 개념의 범위 내에서 사용된다. 심지어 전지 저항에서 큰 증가 없이, 특히 염료가 강력하게 흡수되고 이에 따라 얇은 n형 반도체 층만이 필요한 경우에 고체 p형 반도체가 본 발명에 따른 염료 감작화된 서브전지에 사용될 수 있다. 특히, p형 반도체는 (특히, 나노다공성 형태로) n형 반도체성 금속 산화물 사이에 제2 전극 또는 제2 서브전지와 접촉을 야기할 수 있는 불필요한 재조합 반응을 피하도록 연속 조밀 층을 실질적으로 포함해야 한다.
p형 반도체의 선택에 영향을 줄 수 있는 필수량은 정공 이동도인데, 그 이유는 그 정동 이동도가 공동으로 정공 확산 길이를 결정하기 때문이다(예, 문헌[Kumara, G., Langmuir, 2002, 18, 10493-10495]). 각종 스피로 화합물에서 전하 캐리어 이동도의 비교는, 예를 들어 문헌[Saragi, T., Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 966-974]에서 찾아볼 수 있다.
고체 p형 반도체의 예로는 무기 고체, 예컨대 요오드화구리(I) 및 티오시안산구리(I)가 있다. 하지만, 유기 반도체(즉, 저분자량, 올리고머 또는 중합체 반도체 또는 그러한 반도체들의 혼합물)를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 예로는 폴리티오펜 및 폴리아릴 아민과 같은 중합체, 또는 가역적 산화성 비정질 비중합체 유기 화합물, 예컨대 도입부에서 언급한 스피로바이플루오렌을 기초로 하는 p형 반도체가 있다(예, US 2006/0049397 및 p형 반도체로서 이 문헌에 개시되고, 또한 본 발명의 범위에 사용될 수도 있는 스피로 화합물). 이러한 고체 p형 반도체는 비도핑 및 도핑 형태 둘 다로 사용될 수 있다.
추가적으로, 종래 기술의 설명에서 p형 반도체 물질과 관련한 주해들이 또한 참조될 수 있다. 염료 태양 전지의 다른 가능한 부재 및 가능한 구조에 대한 상기 설명이 또한 실질적으로 참조될 수 있다.
2. 염료 태양 전지와 유기 태양 전지 사이의 선택적 전하 재조합 구역
본원에 제안된 광전 부재가 탠덤 개념에 따른 부재이기 때문에, 이것은 최소의 에너지 손실을 가지고서 유기 태양 전지의 n형 반도체로부터의 전자가 염료 태양 전지의 p형 반도체로부터의 정공과 재조합되는 것을 보장해야 한다. 그렇지 않은 경우, 전하 캐리어는 서로 재조합될 수 없어서 상당히 억제된 광전류를 초래할 수 있거나, 전압 손실이 상당히 커지게 된다.
본 발명의 바람직한 구성에 있어서, 전하 재조합 구역은 이에 따라 2개의 서브전지들 사이에 사용되어 염료 태양 전지의 정공 및 유기 태양 전지의 전자가 포획된다. 유사한 개념이 WO 02/101838에 기술되어 있다. 전하 재조합 구역은 적어도 발생 방향에서 하류로 제2 서브전지에 의해 주로 흡수되는 스펙트럼 범위에서 적어도 부분적으로 투명해야 하므로, 제2 서브전지(예, 유기 태양 전지)는 또한 충분하게 노출되게 된다. 따라서, 이러한 전하 재조합 구역은 바람직하게는 가능한 한 얇게, 바람직하게는 20 Å(2.0 nm)보다 얇게, 바람직하게는 약 5 Å(0.5 nm)의 두께여야 한다. 이 경우, 균일한 층은 형성되는 것이 카테고리적으로 필요하지 않고, 오히려 전하 제조합 구역은, 예를 들어 또한 단리된 금속 나노입자의 형태로 아일랜드 성장 등이 될 수도 있다. 전하 재조합 구역에서 금속 나노입자의 용도는 또한 공진 상승 및 이에 따른 근접 활성 물질에 의한 증가된 흡수의 긍정적인 효과를 가질 수 있다(예, 문헌[Rand, B., J. Appl. Phys. 2004, 96, 7519] 참조). 금속은 바람직하게는 전하 재조합 구역을 위한 물질, 예컨대 Ag, Au, Li, Al, Ti, Sn 또는 이러한 금속들 및/또는 다른 금속들의 조합물 또는 합금과, 경우에 따라 Al과 같은 금속과 함께 (또한 도핑될 수 있는) 금속 산화물 및/또는 금속 플루오르화물, 예컨대 LiF로서 사용될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 전도성 중합체, 예컨대 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)폴리(스티렌 설포네이트))가 또한 사용될 수 있다. 금속 산화물 중, WO3이 특히 바람직하다. 금속 중에서, 은 및/또는 금의 사용이 바람직하며, 은의 사용이 특히 바람직하다. 상이한 금속 및/또는 금속 할라이드의 조합이 또한 사용될 수 있다.
재조합 물질, 예를 들어 상기 기술된 물질의 고의적인 도입에 대한 대안으로서 또는 그 이외에, 다른 개념이 또한 사용되어 전하 재조합 구역을 생성할 수도 있다. 예를 들어 전하 재조합 구역에서 전자-정공 재조합을 초래하는 전기 활성 결함(defect)이 사용될 수 있다. 이로 인해, 예를 들어 전하 재조합 구역의 영역에서 결함은 제한된 방식으로 고의적으로 층 구조로 또는 염료 태양 전지와 유기 태양 전지 사이의 계면으로 도입될 수 있다. 전자 활성 결함으로서 작용하는 이러한 결함은 불순물의 제한된 도입을 초래하고, 각 유기 층을 침착시키는 동안 또는 다른 기술로부터 높은 에너지 입자 방사선에 노출시킬 수 있다. 마이크로파 조사, 플라즈마 처리 또는 마이크로파에 의해 여기된 입자 처리가 또한 가능하다. 상응한 처리에 의한 결함을 고의적으로 도입시키는 방법은 공지되어 있으며, 예를 들어 무기 반도체 제조 기술로부터 채택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전하 재조합 구역은 또한 고도로 도핑된 p/n 접합부를 포함할 수 있는데, 즉 사용된 물질이 남아 있는 층에서 보다 더욱 더 도핑되는 구역을 포함할 수 있다.
3. 유기 태양 전지
상기 기술된 바와 같이, 유기 태양 전지는 바람직하게는 전하 재조합 구역을 직접적으로 또는 이 구역을 통해 염료 태양 전지를 따른다. 바람직하게는, 상기 기술된 바와 같이, 우선 염료 태양 전지가 지지체 상에 침착되고 이후 유기 태양 전지가 적용된다. 유기 태양 전지는 이 경우 이미 존재하는 염료 태양 전지 상에 (전하 재조합 구역의 직접 적용/도입 또는 적용/도입 후) 침착되게 된다.
유기 태양 전지와 관련하여, 본 발명의 탠덤 전지 구조가 특히 유리한 것으로 밝혀졌는데 그 이유는 유기 태양 전지는 통상 층 내부로 전하 및/또는 엑시톤 수송의 필요에 의해 매우 얇게 제조되기 때문이다. 하지만, 감소하는 두께로 인해 흡수의 효율 또한 감소된다. 이러한 불리한 효과는 결국 탠덤 전지 개념에 의해 완화될 수 있다.
유기 태양 전지는 하나 이상의 억셉터 물질(n형 반도체) 및 하나 이상의 도너 물질(p형 반도체)를 포함하며, 이 물질들은 p-n 접합부에서 서로 직간접적으로 접촉되지만, 또한 (유사하게 p-i-n 접합부로서) 간층이 존재할 수도 있다. 상기 그리고 하기 기술되는 층 및 다층 구조 대신에, 대안으로서 또는 추가적으로, 상기 물질들의 혼합 층이 일반적으로 또한 전부하게 또는 부분적으로 사용될 수 있고, 즉 예를 들면 2개 층 구조 대신에 단일 혼합 물질 층이 2개의 별도의 물질들(예, 억셉터 물질 층 및 도너 물질 층)을 보유하게 된다. 2개의 별도의 층들 사이에 전이부 층은 또한, 예를 들어 억셉터 물질 층, 억셉터 물질과 도너 물질의 혼합물을 보유하는 간층(이것은 또한 이론상 벌크 이종접합부를 수반함, 하기 참조) 및 후속으로 도너 물질 층으로서 가능하다. 소위 "벌크 이종접합부"는, 즉 2개의 층, 예컨대 억셉터 물질 층 및 도너 물질 층 사이에 상당히 확장된 표면적을 갖는 경계 층이 존재하는 태양 전지 기술의 분야로부터 공지된 구조로서 추가적으로 사용될 수 있다. 각 층은 이 경우 매우 불균일한 계면을 따라 다수의 "리지(ridge)" 및 "트로프(trough)"를 갖고 서로 맞물리게 된다. 이러한 벌크 이종접합부는 특히 유기 태양 전지의 억셉터-도너 물질 구조에 유리하게 사용될 수 있다.
따라서, 유기 태양 전지는 바람직하게는 억셉터 물질 층 및 도너 물질 층 사이의 전이부를 포함할 수 있으며, 억셉터 물질 층은 염료 태양 전지에 대면하는 면 위에 배열되고 도너 물질 층은 염료 태양 전지로부터 떨어져서 대면하는 전이부의 면 위에 배열된다(n/p 접합부). 이러한 전이부는 n형 층과 p형 층 사이에 직접적인 전이부로서 배열될 수 있지만, 이는 억셉터 물질 층과 도너 물질 층 사이의 하나 이상의 억셉터 물질 및 하나 이상의 도너 물질의 혼합 층을 추가적으로 포함할 수 있다(즉, 벌크 이종접합부). 전이부 및 이 전이부의 층은, 예를 들어 (예컨대, 용액 또는 분산액으로부터 제조된) 중합체 층의 형태 및/또는 (바람직하게는, 기상 증착되고/되거나 분산액으로부터 제조된) 안료 또는 (바람직하게는, 용액 또는 분산액으로부터 제조된) 염료의 형태, 즉 저분자량 유기 물질의 형태로 완전히 또는 부분적으로 생성될 수 있다.
2개의 물질(억셉터 물질 및/또는 도너 물질) 중 하나 이상은 적어도 부분적으로 전자기 방사선, 즉 특히 광을 흡수해야 한다. 이러한 흡수는 특히 염료 태양 전지에 의해 흡수가 "상보적", 즉 적어도 일치하지 않도록 선택되어야 한다. 예를 들어, 염료 태양 전지는 유기 태양 전지보다 짧은 (즉, 더욱 강력한) 파장 범위에서 이의 우세한 흡수(예, 흡수 최대값)를 나타내는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 기술된 바와 같이, 유기 태양 전지는 600 nm∼1000 nm 사이 범위에서 흡수하는 것이 바람직한 반면, (이 파장 범위는 자연적으로 완전하게 커버되는 것이 필요하지 않고, 자연적으로 또한 다른 범위에서 흡수될 수 있지만) 염료 태양 전지는 바람직하게는 400 nm∼700 nm 사이 범위에서 흡수한다(다시 여기서, 자연적으로 이 범위의 불완전한 도포성 및/또는 또한 또다른 범위의 흡수일 수 있음). 하지만, 원칙적으로 역 배열이 또한 가능하며, 즉 여기서 역 배열은 염료 태양 전지가 유기 태양 전지보다 긴 파장에서 주요 흡수를 갖는 배열이다.
유기 태양 전지를 적용시, 예를 들어 염료 태양 전지에 가장 근접하게 위치한 물질 위에 기술된 구조에서 우선 억셉터 물질을 적용하는 것이 바람직하다. 유기 태양 전지를 전자적으로 효율적인 방식으로 전하 재조합 구역에 커플링시키기 위해, 하나 이상의 전자 수송 층(ETL; electron transport layer)을 후자와 유기 태양 전지으 억셉터 물질 사이에 도입시킬 수 있다. 전자 수송 층은 일반적으로 전자 전도성 또는 전자 수송성을 보유하는 하나 이상의 물질 층을 의미하는 것으로 이해된다. 필요하다면, 상기 ETL은 또한 n-도핑될 수 있다. 유기 태양 전지의 도너 물질(p형 물질)이 이어서 억셉터 물질에 도입되며, n형 및 p형의 혼합 층이 종종 접합부에서 형성되거나 고의적으로 도입된다.
복수의 전자 수송 층이 또한 상응한 방식으로 제공될 수 있는 전자 수송 층은 특히 다음의 물질들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:트리페닐렌 유도체; 1,3-비스(4-tert-부틸페닐-1,3,4-옥사디아조일)페닐렌(OXD7); 1,3-비스(4-(N,N-디메틸아미노)페닐-1,3,4-옥사디오조일)페닐렌(OXD8); 2-(1-나프틸)-5-(p-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(t-Bu-PNF); 산화티탄(TiOx); 바토페난트롤린(BPhen); 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP); 3-(바이페닐-4-일)-4-페닐-5-(4-tert-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ); 루테늄 착체.
특히 가용성 물질을 사용시, 억셉터 및 도너 물질의 순차적인 침착에 대한 대안으로서, 완전히 또는 부분적으로 동시에 상기 물질들을 침착시킨 후 예를 들어 이 물질들을 어닐링시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 안료는 분산액으로부터 기상 증착되고/되거나 적용되고 염료 또는 중합체는 용액으로부터 적용될 수 있다. 2개의 증착된 물질들 또는 2개의 가용성 물질들이 사용될 수 있지만, 예를 들어 이것은 가용성 그리고 증착된 물질들의 조합물을 사용하는 것도 고려할 수 있다.
원칙적으로, 종래 기술에 기술되고, 도입부에 부분적으로 제시되고 있는 유기 반도체는 유기 태양 전지에 사용될 수 있다. 일부 바람직한 예는 하기에 나열할 것이다.
n형 반도체 및 p형 반도체의 층 두께 및 접합부를 조정하는 경우, 한편으로는 엄청난 양의 광이 이전에 자연 붕괴 없이 동시에 대부분이 엑시톤이 p-n 접합부에 도달할 때까지 흡수되는 것을 보장하는 것이 필요하다. 여기서, 일반적으로 분자 태양 전지로부터 공지된 요구 사항 및 원리가 적용된다.
억셉터 물질
억셉터 물질은 주요 전하 캐리어가 전자인 물질이다. 이 물질은 바람직하게는 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital; 최저 비점유 분자 궤도)에서 전자에 대한 높은 전도성, 적당한 에너지 범위에서 음 과잉 전하(환원), LUMO 준위 또는 전자 친화력과 관련된 높은 안정성 및 적당한 캐소드 전극으로 전자를 주입시키는 우수한 성질을 보유한다. 적당한 n형 물질 또는 억셉터 물질의 추가 성질의 경우, 예를 들어 WO 02/101838 A1를 참조할 수 있다.
치환 패턴 및 용해도에 따라, 복수의 예시 물질들이 용액 및/또는 분산액으로부터 또는 진공으로부터 적용될 수 있다. 특히 여기서 로다민 및 트리페닐 메탄이 언급되고 있다. 여기 그리고 하기에 언급되고 있는 모든 물질은 염료 및/또는 안료로서 완전하게 또는 부분적으로 제시될 수 있으며, 염료는 일반적으로 용액으로부터 적용되는 반면 다수의 경우에 안료는 진공 하에 적용된다.
추가적으로, 대안으로서 또는 추가적으로 풀러렌이 또한 사용될 수도 있다. 풀러렌은 다중 크기(분자 당 탄소 원자 갯수)로 선택될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "풀러렌"은 Buckminster 풀러렌(C60) 및 관련된 "구형" 풀러렌을 비롯한 순수 탄소의 각종 케이지형 분자와, 탄소 나노튜브를 포함한다. 원칙적으로 풀러렌은 C20∼C2000 범위에서 사용될 수 있고, C60∼C96이 바람직하며, 특히 C60 및 C70이 바람직하다. 또한 사용될 수 있는 화학적으로 변형된 풀러렌, 예컨대 PCBM([6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르), 비스-모르폴린-C60(BM-C60), C71-PCBM, C60-P N-메틸풀러렌 피롤리돈 또는 이러한 풀러렌들의 혼합물(예, C60)은 긴 엑시톤 확산 길이에 의해 구별된다(예, C60의 경우 약 80 Å, 예, 문헌[Petterson et al., J. Appl. Phys., 1999, 86, 487]).
무기 나노로드 및/또는 양자점 물질, 예컨대 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), CdS, HgTe, PbS, CulnS2 또는 유사 물질 또는 물질 조합물이 추가적으로 사용될 수 있다.
기타 무기 반도체 물질, 바람직하게는 유기 물질과 함께 기타 무기 반도체 물질이 추가적으로 사용될 수 있다. 특히, 파트너 물질로서 유기 물질에서 바람직하게 사용되는 산화아연, 산화주석 및 TiO2를 사용하는 것이 가능하다. 이 물질은 나노미립자 형태 및/또는 나노로드로 제시될 수 있다.
탄소 나노튜브(NT; carbon nanotube)는 억셉터 물질로서 또는 억셉터 물질에서 사용될 수 있다. 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNT; single wall carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT; multiwall carbon nanotube)가 이 경우에 사용될 수 있다.
n형 반도체성 중합체, 및 (대안적으로 또는 추가적으로) LBG 중합체, 즉 "낮은 밴드갭 중합체", 즉 적은 밴드갭을 가진 중합체, 예컨대 CN-PPV가 또한 사용될 수 있다.
하지만, 릴렌 염료 및 릴렌 테트라카르복실산 염료 또는 릴렌 모노이미드, 예컨대 나프탈렌, 퍼릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 펜타릴렌, 헥사릴렌, 헵타릴렌 및 옥타릴렌, 또는 안료, 예컨대 나프탈렌, 퍼릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 펜타릴렌, 헥사릴렌, 헵타릴렌 및 옥타릴렌 또는 이러한 물질들의 혼합물, 화합물 또는 유도체를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 추가적으로, 퍼릴렌 테트라카르복실산 비스이미다졸(PTCBI) 및 피리미딘을 또한 사용할 수 있다. 액체 결정질 유도체, 예컨대 퍼릴렌, 터릴렌 또는 쿼터릴렌의 상응한 유도체, 문헌[Muellen et al. Chem. Mater. 2006, 18, 3715-3725]에 기술된 화합물 등이 추가적으로 사용될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, WO 2007/006717 A1에 기술되어 있는 치환된 릴렌 유도체, WO 2006/117383 A1에 기술되어 있는 터릴렌 및/또는 쿼터릴렌 및/또는 WO 2006/111511 A1에 기술되어 있는 펜타릴렌 및/또는 헥사릴렌 유도체를 사용하는 것이 또한 특히 바람직하다.
특히, 다음의 안료가 사용될 수 있다: 3,4,9,10-퍼릴렌 테트라카르복실산 비스이미드 벤즈이미다졸(PTCBI), 퍼릴렌 테트라카르복실산 비스이미드 비스무수물(PTCBA), Me-PTCDI, 에틸 페닐-PTCBI, 또는 이러한 물질들 및/또는 다른 물질들의 조합. 테트라브롬- 및 테트라염소 치환된 퍼릴렌 테트라카르복실산 디이미드가 또한 적당한 억셉터 물질 또는 n형 반도체이다.
도너 물질
도너 물질(p형 반도체)은 주요 전하 캐리어가 정공 또는 결함 전자 (또는 이의 유기 전도성 측쇄)인 물질이다. 이 물질은 바람직하게는 HOMO(최고 점유 분자 궤도; highest occupied molecular orbital)에서 정공 대한 높은 전도성, 적당한 에너지 범위에서 양 과잉 전하(산화), HOMO 준위 또는 이온화 전위와 관련된 높은 안정성 및 적당한 애노드 전극으로 정공을 주입시키는 우수한 성질을 보유한다. 적당한 p형 물질 또는 도너 물질의 추가 성질의 경우, 예를 들어 WO 02/101838 A1를 참조할 수 있다.
펜타센, 및 또한 프탈로시아닌(Pc) 안료가 특히 도너 물질로서 사용될 수 있다. 프탈로시아닌은 이 경우 치환 또는 비치환될 수 있다. 대칭적으로 치환되는, 즉 비치환되거나, 8배 치환되거나 16배 치환되는 프탈로시아닌이 특히 바람직하지만, 4배 치환된 Pc 또한 특정 환경 하에서 적당할 수 있다. 프탈로시아닌은 금속 함유 또는 금속 무함유일 수 있다. CuPc, ZnPc, 4F-ZnPc, SnPc, 바나딜 프탈로시아닌(VOPc), HaPc, TiOPc 도는 이러한 Pc의 혼합물 또는 유도체가 특히 바람직하다. 서브프탈로시아닌, 예컨대 문헌[Forrest, Thompson, JACS 2006, 128, 8108-8109]에 기술된 것이 또한 특정 환경 하에서 사용될 수 있다.
(용매 중에서 적어도 실질적으로는 불용성인) 프탈로시아닌 안료 이외에, 애안으로서 또는 추가적으로, 용액으로부터 처리될 수 있는 프탈로시아닌 염료를 사용하는 것도 또한 가능하다. 예를 들어, 문헌[Chem. Commun., 2006, 3107] 또는 WO 2005/076383에 기술된 바와 같이, 액체 결정 에티닐 치환된 Ni(II)Pc가 여기에 일례로서 언급될 수 있다. LC-Pc 염료가 또한 사용될 수 있다.
포르피린, 예컨대 5,10,15,20-테트라(3-피리딜)포르피린(TpyP)과, 메소시아닌이 추가적으로 사용될 수 있다.
액정 물질, 예컨대 헥사벤조코로넨(HBC-PhC12) 또는 다른 고로넨, 코로넨 디이미드, 또는 트리페닐렌, 예컨대 2,3,6,7,10,11-헥사헥실 티오트리페닐렌(HTT6) 또는 2,3,6,7,10,11-헥사-(4-n-노닐페닐)-트리페닐렌(PTP9), 2,3,6,7,10,11-헥사-(운데실옥시)-트리페닐렌(HAT11)을 또한 사용할 수 있다. 특히, 원반형인 액정 물질을 사용할 수 있다. 2,3,9,10,16,17,23,24-옥타(2-벤질옥시에틸설파닐)프탈로시아나토 구리(II)(DL-CuPc) 또는 원반형 액정 물질인 알킬, 알콕시 또는 티오알킬 쇄와 다른 Pc가 또한 사용될 수 있다.
따라서, 티오펜과, 티오펜 함유 화합물 및 티오펜 유도체를 추가로 사용할 수 있다. 특히, 티오펜 함유 저분자량의 소정의 화합물, (용해도에 영향을 주는 측쇄 포함 또는 불포함) 티오펜 함유 올리고머 또는 티오펜 기를 함유하는 중합체, 예컨대 폴리-3-헥실티오펜 또는 α,α'-비스(2,2-디시아노비닐)퀸쿼티오펜(DCV5T), P3HT, (3-(4-옥틸페닐)-2,2'바이티오펜)(PTOPT), (PEOPT), (폴리(3-(2'메톡시-5'-옥틸페닐)티오펜))(POMeOPT), 폴리(3-옥틸티오펜)(P3OT), EHH-PpyPz 유형의 화합물, 공중합체, 예컨대 PTPTB 또는 PCPDTBT(예, 문헌[Brabec C., Adv. Mater., 2006, 18, 2884] 참조) 또는 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)]을 사용할 수 있다.
파라페닐렌 비닐렌의 유도체 및 올리고머 또는 중합체는 도너 물질로서 추가로 사용될 수 있다. 특히, 파라페닐렌 비닐렌을 함유하는 올리고머 또는 중합체, 예컨대 폴리파라페닐렌 비닐렌(PPV), 폴리(2-메톡시-5-(2'에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌(MEH-PPV), 폴리(2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌)(MDMO-PPV), 및 CN-PPV, 경우에 따라 다양한 알콕시 유도체, PPE-PPV 또는 또한 하이브리드 중합체와 함께, 본원에 제시되어 있다.
폴리플루오렌 및 교번(alternating) 폴리플루오렌 공중합체, 예컨대 4,7-디티엔-2'-일-2,1,3-벤조티아디아졸과, F8BT(폴리플루오렌 공중합체) 및/또는 PFB와의 공중합체가 추가적으로 사용될 수 있다.
또한, (2,7) 및 (3,6) 폴리카르바졸 또는 카르바졸을 함유하는 올리고머 및 중합체가 또한 사용될 수 있다.
또한, (2,7) 및 (3,6) 폴리아닐린 및/또는 폴리아닐린 함유 올리고머 및 중합체가 또한 사용될 수 있다.
트리아릴 아민 부류의 화합물, 예컨대 TPD(트리페닐 디아민) 또는 스피로-MeOTAD, 또는 유사 화합물, 벤지딘 유도체, CBP, 폴리트리아릴 아민, 폴리시클로펜타디엔, 폴리피롤, 폴리푸란, 폴리실롤, 폴리포스폴이 또한 사용될 수 있다.
릴렌 유도체는 이들이 해당 치환기로 인해 도너 성질이 제시되는 한 또한 사용될 수도 있다.
추가적으로, 풀러렌, 예컨대 C60 및 이의 유도체, 예컨대 [6,6]-페닐-C61 부티르산 메틸 에스테르(PCBM)를 다시 사용할 수 있다. 이 경우, 풀러렌 유도체는 정공 도체로서 사용하게 된다.
요오드화구리(I) 및 티오시안산구리(I)가 추가적으로 사용될 수 있다.
도너 물질 및/또는 억셉터 물질이 또한 도핑된 형태로 제시되거나 사용될 수도 있다. p-도펀트의 예로는 특히 Br2, WO3, MoO3, F4-TCNQ(테트라-플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄)가 있다. n-도펀트의 예로는 특히 Cs, Cs2CO3, 피로닌 B가 있다.
상기 기술된 바와 같이, 혼합 p-n 물질은, 특히 간층으로서 추가적으로 사용될 수 있다. 따라서, 도너 물질 및 억셉터 물질은 단일 물질, 즉 예를 들어 단량체, 올리고머, 중합체, 블럭 중합체, C60, C60-아조 염료, 카로테노이드-포르피린-퀴논 트리아드 등으로 존재할 수 있다. 액정 도너-억셉터 시스템은, 예컨대 문헌[Kelly, S., Adv. Mater. 2006, 18, 1754]에 기술된 바와 같이 사용될 수 있다.
선택적 차단 층
유기 태양 전지는 하나 이상의 차단 층을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 이 차단 층은, 예를 들어 (층이 부재의 작업 동안 적용되거나 이후에 적용되는 경우) 물질이 혼합하여 이에 따라 부품 성질이 열화하는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 범위에서,전극 물질, 특히 제2 전극(예, 상부 전극)의 전극 물질과 유기 태양 전지의 추가 물질 사이에 그러한 하나 이상의 차단 층을 도입시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 차단 층은 제2 전극과 유기 태양 전지의 도너(p형 흡수기, p형 반도체) 사이에 도입될 수 있어서 구체적으로는 전극 물질이 도너 물질로 침투하는 것을 방지한다. 그러한 효과 및 차단 층은, 예를 들어 WO 02/101838에 공지되어 있다. 그러한 차단 층, 특히 엑시톤 차단 층, 또는 정공 수송 층에 가능한 물질은, 예를 들어 다음의 물질들 중 하나 이상이다: N,N'-디-1-나프틸-N,N'-디페닐-1,1'-바이페닐-4,4'-디아민(NPD), N,N'-디페닐-N,N'-비스(m-톨릴)벤지딘(TPD), N,N'-비스-(1-나프틸)-N,N'-디페닐-1,1'-바이페닐-4,4'-디아민(NPB), 4,4',4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐아미노)트리페닐아민(MTDATA), 디페닐벤즈이미다졸카르벤-이리듐 착체(Ir(DPBIC)3), 스피로-MeOTAD; 벤지딘 유도체, 특히 α-NPD. 또한 원칙적으로는 다른 물질들을 사용하는 것도 가능하다. 그러한 물질들이 부분적으로 투명하기 때문에, 태양 전지와 상부 전극 사이에 "광학 스페이서"로서 또한 사용될 수도 있다.
제2 전극
마찬가지로 종래 기술로부터 공지된 다수의 개념이 특히 상부 전극(상기 기술된 바람직한 구조의 예)으로 구성될 수 있는 제2 전극으로서 사용될 수 있다. 그러한 상부 전극의 예로는 WO 02/101838(특히, pp. 18-20)에 언급되고 있다.
특히, 순수 형태의 하나 이상의 금속 또는 금속/합금, 특히 알루미늄 또는 은으로서 포함할 수 있는 금속 전극이 사용될 수 있다. 또한 무기/유기 혼합 전극 또는 다층 전극, 예를 들어 LiF/Al 전극을 사용하는 것이 가능하다.
또한, 부품의 양자 효율이 적당한 반사에 의해 흡수된 층을 통해 2배 이상 이동하도록 광자를 압박함으로써 증가되는 전극 개념을 사용하는 것도 바람직하다. 그러한 층 구조는 "집신기(concentrator)"로서 언급되고 있으며, 이는 마찬가지로 WO 02/101838(특히, pp. 23-24)에 기술되어 있다.
제시된 구체예 중 하나에서 기술된 탠덤 태양 전지 이외에, 광전 부재를 제조하는 방법이 또한 제공된다. 이 방법은 특히 상기 기술된 구체예 중 하나에서 광전 부재를 제조하는데 사용될 수 있다. 특히, 상기 제안된 물질 및 층 그리고 특히 본 발명의 종속항에 따른 광전 부재의 배치는 상응한 선택적이고 바람직한 방법의 단계로 변경될 수 있고, 제안된 방법의 특정 구체예로서 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 광전 부재가 또한 제안된 제조 방법 이외의 방법으로도 제조될 수 있으므로, 일반적으로 제안된 광전 부재의 배치와 관련된 제한이 제조 방법에서 추론될 수 없다는 것을 지적하여야 한다.
본 발명에 따른 방법은 다음의 단계를 포함하지만, 이 단계는 제시된 순서로 반드시 수행할 필요는 없다. 추가적인 방법의 단계, 예를 들어 상기 기술된 바람직한 광전 부재의 특정 배치를 제조하는 방법의 단계를 추가로 수행할 수 있다. 각 방법의 단계 또는 여러 방법의 단계를 동시에 연대순으로 또는 그 단계를 연대순으로 중복하도록 수행될 수 있고/있거나 그 단계를 수 회 반복할 수 있다.
제안된 방법의 단계는:
- 염료 태양 전지를 제조하는 단계로서,
- 제1 전극(118) 상에 하나 이상의 n형 반도체성 금속 산화물을 적용하는 단계;
- n형 반도체성 금속 산화물 상에 제1 스펙트럼 범위에서 하나 이상의 염료 흡수 전자기 방사선을 적용하는 단계;
- n형 반도체성 금속 산화물 상에 하나 이상의 고체 p형 반도체를 적용하는 단계
를 포함하여 수행하는 단계;
- 제1 스펙트럼 범위와 적어도 부분적으로 상이한 제2 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성되는 유기 태양 전지를 제조하는 단계로서,
- 염료 태양 전지 상에 하나 이상의 억셉터 물질을 적용하는 단계;
- 염료 태양 전지 상에 하나 이상의 도너 물질을 적용하는 단계;
- 염료 태양 전지로부터의 대향 면 상에 하나 이상의 제2 전극을 적용하는 단계로서, 제1 전극 및/또는 제2 전극이 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 것인 단계
를 포함하여 수행하는 것이다.
상기 기술된 바와 같이, 각 공정 단계들은 완전하게 또는 부분적으로 조합되는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 염료 태양 전지의 제조시, 상기 기술된 바와 같이, 염료의 적용 및 p형 반도체의 적용의 제조 단계는, 예를 들어 적당한 흡수제 염료 또는 안료를 사용함으로써 또한 조합될 수 있다.
본 발명의 추가 상세 사항 및 특징은 종속항과 함께 다음의 바람직한 실시예의 상세 설명에서 찾을 수 있다. 각 특징은 별도로 실시될 수 있거나, 특징의 여러개를 서로 조합하여 실시할 수 있다. 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예는 도면에 개략적으로 도시된다. 각 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 부재 또는 동일한 기능을 보유하는 부재를 의미하는데, 즉, 이 번호는 이의 기능과 서로 상응한다.
구체적으로는,
도 1에는 본 발명에 따른 탠덤 태양 전지의 제2 예의 구조가 도시되어 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 탠덤 태양 전지의 단순화된 준위 도표가 도시되어 있다.
도 3A 내지 도 3E에는 도 1에 도시된 탠덤 태양 전지를 위한 물질 조합의 각종 예가 도시되어 있다.
도 4에는 도 3A에 따른 구조를 보유하는 본 발명에 따른 탠덤 태양 전지의 일례의 전압-전류 특징부가 도시되어 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 탠덤 태양 전지의 제2 예의 구조가 도시되어 있다.
도 6에는 도 5에 따른 예의 전압-전류 특징부가 도시되어 있다.
실시예 1
도 1에는 탠덤 태양 전지(110)의 제1 예를 나타내고 있다. 탠덤 태양 전지(110)는 광(112)(바람직하게는, 태양 방사선)에 대해 실질적으로 투명한 지지체(114)를 포함한다. 이미 부분적으로 상기 언급된 바와 같이, 이 지지체(114)는, 예를 들어 유리 기판, 투명 플라스틱 기판(예, 폴리에틸렌 시트, PET 시트, PTFE 시트 또는 다른 유형의 플라스틱) 또는 그러한 물질들 또는 다른 물질들의 라미네이트일 수 있다. 도 1에 도시된 예시적 구조 이외의 구조에서, 예를 들어 도 1에서 태양 입사가 상기 투명 지지체(114)로부터 발생하는 구조는 다른 유형의 지지체가 또한 이것을 사용할 수 있을 정도로 필요하지 않을 수 있다는 점이 지적되어야 한다. 하지만, 도 1에 도시된 예에서는, 지지체(114)의 투명도가 요구된다.
이 예에서, 투명 전도성 산화물(TCO)(116)을 지지체(114) 상에 적용시킨다. 이 예에서 TCO(116)가 FTO(불소-도핑된 산화주석)인 것을 하기 나타낼 것이다. 따라서, 이 TCO(116)는 도 1에 도시된 예에서 탠덤 태양 전지(110)의 제1 전극(118)을 형성한다. 탠덤 태양 전지(110)를 사용하기 위해, 예를 들어 상응한 전극 접촉을 통해 그 제1 전극(118)을 접촉시킬 수 있다(도 1에 도시하지 않음).
경우에 따라, 정공이 제1 전극(118)에 도달하는 것을 적어도 실질적으로 방지하는 버퍼 층(119)을 초기에 제1 전극(118) 상에 적용시킨다. 여기에, (바람직하게는, 나노다공성이 아닌) 이산화티탄의 단일 층을 버퍼 층(119)으로서 사용할 수 있다는 것을 하기 나타낼 것이다. 그 버퍼 층은 (본 발명의 본 실시예 또는 다른 실시예에서) 바람직하게는 10 nm∼500 nm에 있을 수 있는 두께를 보유한다. 그러한 층은, 바람직하게는 스퍼터링(sputtering) 및/또는 스프레이 열분해에 의해 제조할 수 있다.
염료(122)로 상기 상세한 설명에 따라 감작화된 n형 반도체성 금속 산화물(120)을 버퍼 층(199) 상에 적용시킨다. 그 n형 반도체성 금속 산화물(120)은 이산화티탄이지만, 그에 따른 본 발명의 범위를 한정하는 일이 없다는 것을 하기 나타낼 것이다.
고체 p형 반도체(124)를 염료(122)로 감작화된 n형 반도체성 금속 산화물(120) 상에 적용시킨다. 그러한 p형 반도체 물질(124)에 대한 배치 및 물질 선택과 관련한 가능성의 경우, 다음의 예를 참조할 수 있다.
염료(122) 및 p형 반도체(124) 층에 의한 그 감작화를 함께 갖는 n형 반도체성 금속 산화물(120)은 여기서 탠덤 태양 전지(110)의 하부 서브전지로서 작용하는 염료 태양 전지(126)를 형성한다.
도 1에 도시되는 바람직한 예에서, 그 염료 태양 전지(126)는 전하 재조합 구역(128)으로 이어진다. 그 전하 재조합 구역(128)은, 예를 들어 부유 전극(즉, 전기 비접속된 전극)으로 구성될 수 있고, 이러한 문맥에서, 염료 태양 전지(126)용 상부 전극 및 동시에 근접 유기 태양 전지(130)용 하부 전극으로 구성될 수 있다(하기 상세 설명 참조). 이 대표예는 특히 도 1에 도시된 바람직한 예가 2-접촉 탠덤 태양 전지임을 예시하고 있다.
상기 기술된 바와 같이, 인접 층 중 하나에서 결함 구역의 형태로, 예를 들어 p형 반도체 (124)의 최상층의 내부의 결함 구역의 형태로 또한 제조될 수도 있는 전하 재조합 구역(128)은 유기 태양 전지(130)에 의해 도 1에 도시된 예로 이어진다. 이러한 유기 태양 전지(130)는 탠덤 태양 전지(110)의 제2 서브전지를 형성하고, 바람직하게는 장파 파장 범위에서 광(112)을 흡수한다. 그 흡수 범위는 바람직하게는 염료 태양 전지(126)의 흡수 범위와 상보적이 되도록 선택된다.
유기 태양 전지(130)는 우선 n형 반도체 층으로서 억셉터 물질(132)을 포함한다. 그 억셉터 물질(132)은 p형 반도체 층으로서 도너 물질(134)로 이어진다. 층들(132 또는 134) 중 하나 이상은 반드시 도 1에 도시된 예에서 광(112)의 흡수 성질을 보유하여야만 한다. 용어 "n형 흡수기"(132) 또는 "p형 흡수기"(134)가 상응하게 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 구조에 있어서, 억셉터 물질(132) 및 도너 물질(134)은 별개의 층으로 도시되어 있다. 하지만, 상기 언급한 바와 같이, 이것은 단지 거의 유기 태양 전지(130)를 제조하기 위한 하나의 선택 사항을 나타낸다. 억셉터 및 도너 물질의 혼합 층이 또한 가능하다. 예를 들어, 단일 층의 범위에서 및/또는 억셉터 물질 층, 도너 물질 층 및 이러한 층들 사이의 혼합 층(즉, n-벌크 이종접합부-p 층 구조)의 범위에서 억셉터 또는 도너 물질의 혼합 층이 또한 가능하거나 또는 완전한 벌크 이종접합부, 즉 억셉터 물질(132) 및 도너 물질(134)가 매우 불균일한 계면을 따라 광범위한 경계 영역(몇 ㎛ 이하)의 내부로 서로 맞물리는 구조를 또한 제조할 수 있다. 상기 가능성의 대안으로서, 또는 그 가능성 이외에, 추가적으로 각각 다수의 억셉터 물질(132) 및/또는 다수의 도너 물질(134)을 사용하는 것이 가능하며, 그 결과 별개의 층 및/또는 혼합 층으로서 사용할 수 있다. 매우 통상적인 바와 같이, 모든 층 및 물질은 순수한 비도핑된 형태 및 도핑된 형태 둘 다가 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 예에 있어서, 도너 물질(134)은 (선택적인) 차단 층(136)으로 이어진다. 여기에 구체예화된 2-접촉 탠덤 태양 전지(110)의 제2 전극으로서 작용할 수 있는 제2 전극(138)은 그 차단 층(136) 상에 상부 접촉부로서 적용된다. 따라서, 그러한 제2 전극(138)은 광전압이 제1 전극(118)과 제2 전극(138) 사이에서 제거될 수 있도록 해당 전극 접촉부에 의해 접촉할 수 있다. 도 1에 도시된 예에 있어서, 차단 층(136)은 특히 제2 전극(138)의 물질이 도너 물질(134)의 층으로 침투할 수 있는 것을 방지하는 작용을 한다.
도 2에는 도 1에 도시된 탠덤 태양 전지(110)의 층 구조의 준위 도표가 도시되어 있다. 이상적인 경우에 임의의 필수 전기 기능을 충족시키지 않는 차단 층(136)은 단순성을 위해 생략되었다.
제1 전극(118) 및 제2 전극(138)은 페르미 준위(210 및 212)에 의해 도 2에 도시된 구조에서 확인된다. 예를 들어 부유 금속 전극을 포함할 수 있고 그에 따라 진공 준위와 대략 상응하는 비접촉된 전하 재조합 구역의 준위가 도 2에서 214에 의해 지칭된다.
염료 태양 전지(126) 층 및 유기 태양 전지(130) 층의 개별 준위는 또한 각각 도 2에서 기호로서 제시되어 있다. 각 직사각형의 하부 수평 가장자리는 (무기 반도체인 경우) 해당 준위의 원자가 밴드 준위, 또는 분자 궤도 모델에서, 최고 점유 분자 궤도(HOMO)의 준위를 나타낸다. 각 직사각형의 상부 수평 가장자리는 전도성 밴드의 에너지 위치 또는 (분자 궤도 모델에서) 최저 비점유 분자 궤도(LUMO)의 준위를 나타낸다.
이미 상기 기술된 탠덤 태양 전지(110)의 작용가는 도 2에 도시된 준위 도표로부터 인지될 수 있다. 따라서, 제1 파장에서 광(112)의 광자는 염료(122)에서 흡수되므로, 염료(122)에서 여기된 분자 상태가 형성된다. 그 광자는 n형 반도체성 금속 산화물(120)의 전도성 밴드로 전자를 방출하며, 이 전자는 상기 밴드의 외부에서 제1 전극(118)으로 유동할 수 있다.
염료(122)의 전하 평형을 위해, p형 반도체 물질(124)은 p형 반도체(124)에서 정공이 형성되도록 염료(122)로 전자를 전달한다. 그 결과, 전하 재조합 구역(128)이 절충된다. 정공(h+) 및 전자(e-)의 수송은 전하 재조합 구역(128)과 제1 전극(118) 사이에 전위차 △U1를 초래하며, 이는 염료 태양 전지(126)의 전압 VOC1과 상응한다. 태양 전지 구조가 염료 태양 전지(126)만을 포함하는 경우, 전극 접촉부에서 전압이 추출가능할 것이다.
하지만, 상기 기술된 바와 같이, 탠덤 태양 전지(110)는 유기 태양 전지(130)를 추가로 포함한다. 광(112)의 제2의 장 파장을 갖는 광자는 이 유기 태양 전지(130)에서 흡수된다. 흡수된 광의 파장은 그 특정 밴드갭에서 억셉터 물질(132) 및/또는 도너 물질(134)의 성질에 따라 달라진다. 그에 따라, 억셉터 물질(132) 및/또는 도너 물질(134)에 엑시톤이 형성되고, 엑시톤은 물질들(132, 134) 사이의 접촉부에서 전자 및 정공으로 분해된다. 전자는 전하 재조합 구역(128)으로 이동하고, 정공은 제2 전극(138)으로 이동한다. 이에 따라 제2 전극(138)과 전하 재조합 구역(128) 사이에 전위차 △U2가 형성되고, 이는 광전압 VOC2와 상응한다. 이러한 광전압 VOC2는 오직 유기 태양 전지(130)만을 포함하는 경우 태양 전지의 개방 전극 접촉부에서 추출 가능한 광전압이 될 것이다.
전체적으로, 전극(118 및 138)이 분리되고 탠덤 태양 전지(110)를 통해 전류가 유동하지 않는 한, 탠덤 태양 전지(110)의 총 광전압은 이에 따라 2개의 광전압 VOC1 및 VOC2의 합에 의해 형성된다.
신규한 탠덤 전지 개념을 테스트하기 위해, 도 1 및 도 2와 유사하게 구성된 층 구조를 갖는 탠덤 태양 전지(110)는 다음과 같이 제조된다. 그 층 구조는 도 3A에 도시된다.
불소 도핑된 산화주석(FTO)로 코팅된 25 mm x 15 mm x 3 mm 크기 코팅 유리판(Nippon Sheet Glass)을 기본 물질로 사용하고, 그 유리를 각 경우에 초음파조에서 5분 동안 유리 클리너(RBS 35), 완전하게 탈이온화된 물 및 아세톤으로 연속 처리한 후 이소프로판올 중에서 10분 동안 소성시키고 질소 유동 하에 건조시켰다.
스퍼터링 방법을 사용하여 고체 TiO2 버퍼 층(119)을 제조하였다. 하지만, 또한 대안으로서 또는 추가적으로 다른 방법, 예컨대 스프레이 열분해 방법도 사용할 수 있다. 분산액 중에 직경이 25 nm인 TiO2 입자를 함유하는 TiO2 페이스트(제조자 Catalysts & Chemicals IND. CO., LTD(CCI))를 4500 rpm에서 스핀 코터를 이용하여 그 위에서 스핀코팅시키고 90℃에서 30분 동안 건조하였다. 45분 동안 450℃로 가열하고 450℃에서 30분 소결 단계 후, 대략 0.5 ㎛의 TiO2 층 두께가 얻어지지만, 이는 척도에 의해 확인된 것은 아니었다.
작동 전극으로부터 금속 배면 전극의 전기 절연의 경우, 폴리이미드 스트립(피롤린 폴리이미드 코팅, 제조자 Supelco)을 TiO2 층 가장자리 위에 길이식으로 각각 적용하고 건조 캐비넷에서 15분 동안 200℃에서 경화시켰다.
건조 캐비넷으로부터 제거 후, 그 견본을 80℃로 냉각시키고 MeCN/t-BuOH(1:1)에서 염료의 5 x 10-4 mM 용액 중에서 12시간 동안 침지시켰다. 문헌[Schmidt-Mende et al., Adv. Mater. 2005, 17, 813]에 기술된 바와 같이, 이 경우 염료 D102를 염료로서 사용하였다. 용액으로부터 제거 후, 그 견본을 동일한 용매에서 후속 세척하고 질소 유동 하에 건조시켰다. 이어서 이러한 방식으로 제조된 견본을 40℃에서 진공 건조시켰다.
다음으로 p형 반도체 용액을 스핀 코팅시켰다. 이를 위해, 클로로벤젠에서 0.16 M 스피로-MeOTAD(Merck, SHT-263), 15 mM LiN(SO2CF3)2(Aldrich), 0.12 M 4-t-부틸피리딘(Aldrich) 용액을 사용하였다. 이 용액 150 ㎕를 상기 견본 위에 적용하고 60초 동안 작용시켰다. 이어서 2000 rpm에서 30초 동안 상청액 용액을 스핀 분리시키고 진공 오븐에서 4시간 동안 40℃에서 건조시켰다.
얇은 전하 재조합 구역을 후속 적용하였다. 이를 위해, 5 x 10-5 mbar 압력으로 0.1 nm/s의 속도에서 진공 하에 열 금속 증발에 의해 Ag를 증발시키고, 대략 1 nm 두께의 Ag 층을 얻었다. 그러한 층은 여전히 가시 스펙트럼 범위에서 우수한 투명도 성질을 보유한다.
다음 순서로 추가 활성 유기 층을 그 위에 증착시켰다. 우선 이성질체 혼합물로서 퍼릴렌-테트라카르복실산-비스-벤즈이미다졸(PTCBI, 2회 구배-승화됨)을 억셉터 물질로 적용한 후, 구리 프탈로시아닌(CuPc, 1회 구배-승화됨)을 도너 물질로 적용하였다. 이 실시예에서는 차단 층(136)을 사용하지 않았지만, 경우에 따라 가능하다. 8 x 10-6 mbar의 압력에서 작업을 수행하였다. 440℃ 온도에서 그리고 0.2∼1.0 nm/s의 증착 속도로 PTCBI를 증발시키고, 380℃ 온도에서 0.2∼1.0의 증착 속도로 CuPc를 증착시켰다. 그 결과 생성된 층 두께는 PTCBI 층의 경우 50 nm였고 CuPc 층의 경우도 마찬가지로 50 nm였다.
열 금속 증발에 의해 진공 하에서 금속 배면 전극(제2 전극)을 적용하였다. 이를 위해, 샘플에 마스크를 제공하여 활성 영역 상에 약 4 mm x 3 mm의 치수를 갖는 4개 상호 분리된 직사각형 배면 전극을 증발 코팅시키며, 이의 각각을 상기 기술된 폴리이미드 층 위에 대략 3 mm x 2 mm 크기의 접촉 표면과 접속시켰다. 금속으로 Au를 사용하고, 이를 약 50 nm의 층 두께를 얻도록 약 5 x 10-5 mbar의 압력에서 0.2∼1.0 nm/s의 속도로 증발시켰다.
효율 η을 측정하기 위해, 태양 시뮬레이터로서 할로겐 램플 어레이(Xenophot®64629; Osram)에의 노출 하에 Source Meter Model 2400(Keithley Instruments Inc.)으로 각 전류/전압 특징부를 측정하였다.
조사 강도가 100 mW/cm2인 전류/전압 특징부를 얻었으며, 이를 도 4에 도시하고 있다. 광전압 Uph를 가로좌표 상에 mV로 플롯팅하고, 이 축 상의 우측으로 탠덤 태양 전지(110) 상에 로드를 증가시켰다. 측정된 전류 밀도 j는 세로좌표 상에 mA/cm2으로 플롯팅하였다.
단락 전류(즉, 로드 저항이 0인 전류 밀도)는 1.93 mA/cm2이었으며, 개회로 전압 VOC(즉, 전류 밀도가 0으로 감소하는 로드)는 1103 mV였고, 필 팩터는 57%였고 효율은 1.2%였다.
도 3B 내지 도 3E에는 도 3A에 대한 대안예가 도시되어 있다. 도 3B에 도시된 구조에 있어서, 억셉터 물질(132)의 PTCBI는 물질 QDI로 대체된다. 억셉터 물질 QDI(쿼터릴렌 디이미드)는, 예를 들어 문헌[K. Muellen et al., Chem. Mater. 18, 3715-3725(2006)]에 공지되어 있다(이 문헌에서 "화합물 3"으로 지칭됨).
도 3C의 염료(122)로서, 도 3B의 구조와 비교하였을 때, 염료 D102는 염료 Z907로 대체된다(문헌[M. Graetzel et al., Appl. Phys. Lett. 86, 013504(2005)]와 관련하여 참조). 추가적으로, QTCBI 또는 QDI는 억셉터 물질(132)로서 풀러렌 C60으로 대체된다.
도 3D는 도 3B의 구조와 비교하였을 때 이 경우 도 3B의 층 구조의 변형을 차례로 도시하고 있으며, CuPc는 도너 물질(134)로 P3HT로 대체된다.
도 3E는 도 3D의 구조와 상응하지만, QDI는 억셉터 물질(132)로서 C71-PCBM으로 대체되고 P3HT는 도너 물질로서 PCPDTBT로 대체된다.
모든 경우에 있어서, 전자 볼트(eV)의 HOMO 및 LUMO 준위는 각각 이들이 공지되어 있는 한 태양 전지(110)를 위한 것을 가리킨다. 전하 재조합 구역(128)은 도 3A 내지 도3E에서 LRZ를 나타낸다.
실시예 2
도 5 및 도 6에는 본 발명의 탠덤 태양 전지(110)의 추가예가 도시되어 있다. 도 5에는 도 1과 유사한 층 구조의 개략적인 도표가 도시되어 있다. 도 6에는 도 4의 도표와 유사하게 이 구조의 테스트 데이타가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 층 구조는 도 1에 따른 층 구조와 우선 실질적으로 상응하고, 따라서 도 1의 설명에 도시된 층의 작용을 참조할 수 있다. 물질 선택 및 층 순서의 생성이 하기 기술된다. 도 5에 따른 예에 있어서 도 1로부터의 층 구조와의 상당한 차이점은 전자 수송 층(129)이 전하 재조합 구역(128)과 유기 태양 전지(130) 사이, 여기서는 유기 태양 전지(130)의 억셉터 물질(132)에 삽입되어 전하 재조합 구역(128)의 유기 태양 전지(130)와의 전기 커플링을 향상시켰다.
도 5에 도시된 층 구조는 다음과 같이 제조하였다.
사용된 기본 물질, 즉 사용된 지지체(114) 및 TCO 층 및 제1 전극(118)은 치수가 25 mm x 15 mm x 3 mm(Nippon Sheet Glass)인 불소 도핑된 산화주석(FTO)으로 코팅된 유리판이며, 이는 각 5분 동안 초음파조에서 유리 클리너(RBS 35), 탈염수 및 아세톤으로 연속 처리된 후 10분 동안 이소프로판올 중에서 비등시키고 질소 스트림 하에서 건조시켰다.
도 1과 유사하게, 고체 TiO2 버퍼 층의 형태로 선택적 버퍼 층(119)를 또한 다시 사용하였다. 이 고체 TiO2 버퍼 층(119)을 제조하기 위해, 스프레이 열분해 방법을 사용하였다.
이어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)의 층을 버퍼 층(119)에 적용하였다. 이 경우, 4500 rpm에서 스핀 코터를 이용하여 스핀 코팅에 의해 TiO2 페이스트(Dyesol, DSL 18NR-T)를 적용하고 30분 동안 90℃에서 건조시켰다. 45분 동안 450℃로 가열하고 450℃에서 30분 소결 단계를 거친 결과 TiO2 층 두께가 대략 1.8 ㎛가 생성되었다.
이어서 이러한 방식으로 제조된 중간물질은 Graetzel에 의해, 예를 들어 문헌[Graetzel M. et al., Adv. Mater. 2006, 18, 1202]에 기술된 바와 같이 경우에 따라 TiCl4로 처리하였다.
제1 전극(118)(작동 전극)으로부터 후에 적용시키고자 하는 제2 전극(138)(금속 배면 전극)의 전기 절연을 위해 각 경우에 폴리이미드 스트립(피롤린 폴리이미드 코팅, 제조자: Supelco)을 TiO2 층의 종단 가장자리로 적용시키고, 15분 동안 200℃에서 건조 캐비넷 내에서 경화시켰다.
염료(122) 적용 경우, 건조 캐비넷으로부터 제거한 후, 샘플을 80℃로 냉각시키고 2시간 동안 1:1 MeCN/t-BuOH에서 염료의 5 x 10-4 mM 용액으로 침지시켰다. 사용된 염료(122)는 문헌[Schmidt-Mende et al., Adv. Mater. 2005, 17, 813]에 기술된 바와 같이 염료 D102였다. 용액으로부터 제거 후, 동량의 용매로 샘플을 후속 세척하고 질소 스트림 하에서 건조시켰다. 이어서 이러한 방식으로 얻은 샘플을 감압 하에 40℃에서 건조시켰다.
p-반도체 층(124)을 얻기 위해, 다음으로 p-반도체 용액을 스핀코팅으로 적용하였다. 이를 위해, 클로로벤젠 중의 0.12 M 스피로-MeOTAD(Merck, SHT-263), 15 mM LiN(SO2CF3)2(Aldrich), 0.06 M 4-t-부틸피리딘(Aldrich) 용액을 제조하였다. 이 용액의 75 ㎕를 샘플에 적용하고 60초 동안 작용시켰다. 그후, 30초 동안 2000 rpm에서 상청액 용액을 스핀 분리시키고 암실에서 밤새 저장하였다.
그후, 또한 도 1에 따른 예에서와 같이, 얇은 전하 재조합 구역(128)이 적용되었다. 이를 위해, 약 2 nm 두께의 Ag 층이 발생하도록, 3 x 10-6 mbar의 압력에서 0.1 A/s의 속도로 감압 하에 열 금속 증발에 의해 Ag를 증발시켰다. 그러한 층은 여전히 가시 스펙트럼 범위에서 우수한 투명도 특성을 보유한다.
이렇게 다음의 순서로 추가 활성 유기 층을 적용하였다. 따라서, 상기 기술된 바와 같이, 도 5에 따른 예에서, 전하 재조합 구역(128)과 유기 태양 전지(130) 사이에 전자 수송 층(129)을 삽입하였다. 이를 위해, 0.7 A/s의 속도 및 140℃의 온도에서 증착에 의해 층 두께가 5 nm인 전자 수송 층(129)으로서의 Bphen 층을 전하 재조합 구역(128)으로서 작용하는 은 층에 우선 적용하였다. 이 Bphen 층은 억셉터 물질(132)의 다음 C60 층을 위해 엑시톤 차단체로서 작용하고 풀러렌과 전하 재조합 구역(128) 사이의 우수한 전기 접촉을 보장한다.
전자 수송 층(129)의 Bphen 층은 억셉터 물질(132) 및 전자 전도체로서 작용하고 층 두께가 20 nm인 C60 층으로 이어졌다. 이것은 2 A/s의 속도 및 400℃의 온도에서 증착에 의해 적용되었다.
도너 물질(134)로서, 실질적인 도너 물질(매트릭스)로서 작용하는 40 nm 두께 층의 동시증발된 아연 프탈로시아닌(ZnPc, 이중 구배 승화) 및 억셉터 C60이 뒤따른다. ZnPc는 380℃에서 증발시켰다. 2개의 물질의 증착 속도는 1 A/s였다. 이렇게 동시증발된 층은 억셉터 물질(132)과 도너 물질(134) 사이의 접합부에서 엑시톤의 전하 캐리어로의 효율적인 전환을 보장한다. 2 x 10-6 mbar의 압력을 사용하였다.
감압 하에 열 금속 증발에 의해 적용된 제2 전극(138)은 금속 배면 전극이었다. 사용된 금속은 Ag였고, 이는 약 100 nm의 층 두께를 형성하도록 대략 2 x 10-6의 압력에서 3 A/s의 속도로 증발시켰다.
이러한 방식으로 얻은 탠덤 태양 전지(110)를 이의 전기광학 성질에 대해 후속 분석하였다. 이는 도 4와 유사하게 전류 밀도 j가 광전압 Uph에 대해 다시 플롯팅하는 도 6에서 특징부로 예시된다. 하지만, 분석 이유를 위해 그리고 기본적인 물리적 차이로 유도되지 않는 도 4의 것과 상이한 신호를 사용하여 플롯을 실시하였다.
효율 η을 측정하기 위해, 태양 시뮬레이터로서 할로겐 램플 필드(Xenophot® 64629; Osram)를 조사하면서 Source Meter Model 2400(Keithley Instruments Inc.)을 이용하여 특정 전류/전압 특징을 측정하였다.
단락 전류(즉, 로드 저항이 0인 전류 밀도)는 8.25 mA/cm2이었고, 개회로 전압 VOC(즉, 전류 밀도가 0로 감소하는 로드)가 1370 mV였고, 필 팩터가 54%였고 효율이 6.14%였다. 이러한 결과는 본 발명의 구조가 높은 효율을 갖는 광전 부재를 생성한다는 것을 보여주고 있다.
110 탠덤 태양 전지
112 광
114 지지체
116 투명 전도성 산화물, TCO
118 제1 전극
119 버퍼 층
120 n형 반도체성 금속 산화물
122 염료
124 p형 반도체
126 염료 태양 전지
128 전하 재조합 구역
129 전자 수송 층
130 유기 태양 전지
132 억셉터 물질
134 도너 물질
136 차단 층
138 제2 전극, 상부 접촉부
210 제1 전극의 페르미 준위
212 제2 전극의 페르미 준위
214 진공 준위

Claims (36)

  1. 전자기 방사선을 전기 에너지로 전환하기 위한, 탠덤 전지 구조를 갖는 광전 부재(photovoltaic element)(110)로서, 탠덤 전지 구조는
    - 제1 전극(118), n형 반도체성 금속 산화물(120), 제1 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하는 염료(122) 및 고체 p형 반도체(124)를 보유하는 염료 태양 전지(126); 및
    - 억셉터 물질(132) 및 도너 물질(134)을 보유하는 유기 태양 전지(130)로서, 억셉터 물질(132) 및/또는 도너 물질(134)은 유기 물질을 포함하고, 유기 태양 전지(130)는 염료 태양 전지(126)로부터의 대향 면 위에 제2 전극(138)을 추가로 포함하고, 유기 태양 전지는 제1 스펙트럼 범위와 적어도 부분적으로 상이한 제2 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성되는 것인 유기 태양 전지(130),
    - 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 제1 전극(118) 및/또는 제2 전극(138)
    을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  2. 제1항에 있어서, 탠덤 전지 구조는 2-접촉 탠덤 전지 구조(two-contact tandem cell structure)이고, 광전 부재(110)는 제1 전극(118)에 전기 접속된 제1 전기 접촉부 및 제2 전극(138)에 전기 접속된 제2 전기 접촉부를 포함하는 것인 광전 부재(110).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광전 부재(110)는 염료 태양 전지(126)와 유기 태양 전지(130)의 유기 억셉터 물질(132) 사이에 하나 이상의 전하 재조합 구역(128)을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  4. 제3항에 있어서, 전하 재조합 구역(128)은 다음 물질들: 금속, 특히 Ag, Au, Li, Al, Ti 또는 Sn; 금속 할라이드, 특히 LiF; 금속 산화물, 특히 WO3; 도핑된 금속 산화물; 결함(defect)으로 도핑된 영역, 특히 결함이 층 구조로 도입되도록 유기 태양 전지(130)의 층 구조가 변형된 영역; 고도로 도핑된 p/n 접합부 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 전하 재조합 구역(128)은 2.0 nm 이하의 층 두께를 보유하는 것인 광전 부재(110).
  6. 제5항에 있어서, 전하 재조합 구역(128)은 0.5 nm의 층 두께를 보유하는 것인 광전 부재(110).
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전하 재조합 구역(128)과 유기 태양 전지(130) 사이에는 또한 하나 이상의 전자 수송 층(129)이 도입되는 것인 광전 부재(110).
  8. 제7항에 있어서, 전자 수송 층(129)은 다음의 물질들: 트리페닐렌 유도체, 1,3-비스(4-tert-부틸페닐-1,3,4-옥사디아조일)페닐렌(OXD7); 1,3-비스(4-(N,N-디메틸아미노)페닐-1,3,4-옥사디아조일)페닐렌(OXD8); 2-(1-나프틸)-5-(p-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(t-Bu-PNF); 산화티탄(TiOx); 바토페난트롤린(BPhen); 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP); 3-(바이페닐-4-일)-4-페닐-5-(4-tert-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ); 루테늄 착체 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유기 태양 전지(130)는 억셉터 물질(132)의 층과 도너 물질(134)의 층 사이의 전이부를 포함하며, 억셉터 물질(132)의 층은 염료 태양 전지(126)를 대면하는 면 위에 배열되고 도너 물질(134)의 층은 염료 태양 전지(126)로부터 떨어져서 대면하는 전이부의 면 위에 배열되는 것인 광전 부재(110).
  10. 제9항에 있어서, 전이부는 억셉터 물질(132)의 층과 도너 물질(134)의 층 사이에 배열된 하나 이상의 억셉터 물질(132)과 하나 이상의 도너 물질(134)의 혼합 층을 추가로 포함하는 것인 광전 부재(110).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 전극(118)과 n형 반도체성 금속 산화물(120) 사이에는 하나 이상의 버퍼 층(119), 특히 버퍼 금속 산화물, 특히 투명 버퍼 금속 산화물을 포함하는 버퍼 층(119)이 도입되는 것인 광전 부재(110).
  12. 제11항에 있어서, 버퍼 금속 산화물은 다음의 금속 산화물들: 산화바나듐; 산화아연; 산화주석; 산화티탄 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 버퍼 층은 10 nm∼200 nm의 두께를 보유하는 것인 광전 부재(110).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 전극(118) 및/또는 제2 전극(138)은 다음의 물질들: 금속 호일, 특히 알루미늄 호일 또는 은 호일; 금속 막, 특히 알루미늄 막 또는 은 막; 투명 전도성 산화물, 특히 불소 및/또는 인듐으로 도핑된 산화주석 또는 알루미늄 도핑된 산화지르코늄; 탄소 나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 및 제2 전극(118, 138) 중 하나 및 하나만은 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 제1 및 제2 전극(118, 138) 중 나머지 하나는 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 반사하는 것인 광전 부재(110).
  16. 제15항에 있어서, 제1 전극(118)은 투명 전극인 것인 광전 부재(110).
  17. 제16항에 있어서, 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 지지체(114)를 포함하고, 지지체(114) 위에는 제1 전극(118)이 적용되는 것인 광전 부재(110).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 다음의 물질들: 산화아연; 이산화주석; 이산화티탄; 산화주석(IV); 산화텅스텐(VI); 산화탄탈륨(V); 산화니오븀(V); 산화세슘; 티탄산스트론튬; 스탄산아연; 페로스카이트 유형의 착체 산화물, 특히 티탄산바륨; 2원 산화철; 3원 산화철 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  19. 제18항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 다음의 물질들: 아나타제 변형물(anatase modification)의 산화아연; 아나타제 변형물의 이산화티탄 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 나노미립자 또는 비정질 형태로 하나 이상의 n형 반도체성 금속 산화물(120)을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 하나 이상의 나노다공성 층을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 2가지 n형 반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 혼합물을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 하나 이상의 제2 금속 산화물로 코팅된 하나 이상의 제1 금속 산화물을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 하나의 항에 있어서, n형 반도체성 금속 산화물(120)은 비산화성 반도체 물질, 특히 GaP, ZnP 또는 ZnS 위에 코팅된 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  25. 제24항에 있어서, 반도체 물질은 다음의 물질들: GaP; ZnP; ZnS 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서, 염료(122)는 다음의 감작화제 물질들: 전이 금속 착체, 특히 루테늄 착체; 인돌린 화합물; 시아닌 화합물; 메로시아닌 화합물; 옥사진 화합물; 티아진 화합물; 아크리딘 화합물; 포르피린 화합물; 릴렌 유도체; 퍼릴렌 화합물; 터릴렌 화합물; 쿼터릴렌 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 염료(122)는 400 nm∼700 nm 범위에서 흡수, 특히 최대 흡수를 나타내는 것인 광전 부재(110).
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 하나의 항에 있어서, 염료 태양 전지(126)는 n형 반도체성 금속 산화물(120)과 p형 반도체(124) 사이에 부동태화(passivation) 물질을 포함하고, 이 물질은 n형 반도체성 금속 산화물(120)과 p형 반도체(124) 사이에 전자 이동을 방지하도록 적합하게 된 것인 광전 부재(110).
  29. 제28항에 있어서, 부동태화 물질은 다음의 물질들: Al2O3; 알루미늄 염; 실란, 특히 CH3SiCl3; 유기금속 착체, 특히 Al3 + 착체; Al3 +, 특히 Al3 + 착체; 4-tert-부틸피리딘; MgO; 4-구아니디노부틸산(GBA); 알킬 산; 헥사데실말론산 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 하나의 항에 있어서, p형 반도체(124)는 다음의 물질들: 무기 고체, 특히 요오드화구리(I) 및/또는 티오시안산구리(I); 전도성 유기 물질, 특히 폴리티오펜, 폴리아릴아민; 유기 p형 반도체, 특히 가역적 산화성 유기 물질, 특히 비중합체 유기 화합물, 특히 스피로바이플루오렌 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 하나의 항에 있어서, 억셉터 물질(132)은 다음의 물질들: 로다민; 트리페닐 메탄; 풀러렌, 특히 C60 또는 C70; 화학적으로 변형된 풀러렌; 나노튜브 물질; 나노로드 물질; 양자점 물질, 특히 다음의 물질들: CdSe, CdTe, CdS, HgTe, PbS, CuInS2 중 하나 이상을 기초로 하는 양자점 물질; 무기 반도체 물질, 특히 나노입자 또는 나노로드 형태의 무기 반도체 물질, 특히 다음의 물질들: 산화아연, 산화주석, TiO2 중 하나인 것; n형 반도체성 중합체, 특히 폴리(p-페닐렌-비닐렌)을 기초로 하는 중합체, 특히 CN-PPV 또는 MEH-PPV; 릴렌 디이미드 염료, 특히 다음의 화합물들: 나프탈렌, 퍼릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 펜타릴렌, 헥사릴렌, 헵타릴렌, 옥타릴렌 중 하나를 기초로 하는 염료, 특히 착색된 형태 또는 액정 유도체 형태인 것; 릴렌 모노이미드 화합물, 특히 다음의 화합물들: 나프탈렌, 퍼릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 펜타릴렌, 헥사릴렌, 헵타릴렌, 옥타릴렌 중 하나를 기초로 하는 염료; 비스이미다졸 유도체, 특히 PTCBI 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상을 포함하고, 상기 모든 물질은 바람직하게는 착색된 형태 또는 액정 유도체의 형태로 전부 또는 일부 존재하는 것인 광전 부재(110).
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 도너 물질(134)은 다음의 물질들: 펜타센; 프탈로시아닌; 서브프탈로시아닌; 프탈로시아닌 화합물; 포르피린 화합물; 메로시아닌 화합물; 액정 물질, 특히 원반형 액정 물질; 티오펜; 티오펜 함유 저분자량 화합물; 티오펜 함유 올리고머; 티오펜 기 함유 중합체; p-페닐렌-비닐렌을 기초로 하는 중합체; p-페닐렌-비닐렌을 기초로 하는 올리고머; 폴리플루오렌; 교번(alternating) 폴리플루오렌 공중합체; 폴리카르바졸; 카르바졸 함유 올리고머; 카르바졸 함유 중합체; 폴리아닐린을 기초로 하는 중합체; 아닐린 함유 올리고머; 아닐린 함유 중합체; 트리아릴 아민 부류의 화합물; 폴리트리아릴아민 부류의 화합물; 폴리시클로펜타디엔 부류의 화합물; 폴리피롤 부류의 화합물; 폴리푸란 부류의 화합물; 폴리실롤 부류의 화합물; 폴리포스폴 부류의 화합물; 벤지딘, 특히 TPD, TAD 또는 NPD; 카르바졸, 특히 CBP; 스피로 화합물, 특히 MeOTAD; 릴렌 유도체, 풀러렌 또는 풀러렌 유도체; 요오드화구리(I); 티오시안산구리(I) 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유기 태양 전지(130)는 하나 이상의 혼합 p-n 물질, 특히 다음의 물질들: 중합체, 특히 블럭 중합체; 중합체-풀러렌 화합물 또는 중합체-풀러렌 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것인 광전 부재(110).
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유기 태양 전지(130)는 600 nm∼1000 nm 범위에서 흡수, 특히 최대 흡수를 나타내는 것인 광전 부재(110).
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유기 태양 전지(130)는 하나 이상의 차단 층(136)을 포함하고, 이 차단 층(136)은 제2 전극(138)과 유기 태양 전지(130)의 하나 이상의 추가 물질 사이에 배열되고 바람직하게는 다음의 다른 정공 전도성 물질들: NPD; TPD; NPB; MTDATA; DPBIC; 스피로-MeOTAD; 벤지딘 유도체, 특히 α-NPD 중 하나 이상 포함하는 것인 광전 부재(110).
  36. 광전 부재(110), 특히 제1항 내지 제35항 중 어느 하나의 항에 따른 광전 부재(110)의 제조 방법으로서,
    - 염료 태양 전지를 제조하는 단계로서,
    - 제1 전극(118) 상에 하나 이상의 n형 반도체성 금속 산화물(120)을 적용하는 단계;
    - n형 반도체성 금속 산화물(120) 상에 제1 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하는 하나 이상의 염료(122)를 적용하는 단계;
    - n형 반도체성 금속 산화물(120) 상에 하나 이상의 고체 p형 반도체(124)를 적용하는 단계
    를 포함하여 수행하는 단계; 및
    - 제1 스펙트럼 범위와 적어도 부분적으로 상이한 제2 스펙트럼 범위에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성되는 유기 태양 전지(130)를 제조하는 단계로서,
    - 염료 태양 전지(126) 상에 하나 이상의 억셉터 물질(132)을 적용하는 단계;
    - 염료 태양 전지(126) 상에 하나 이상의 도너 물질을 적용하는 단계;
    - 염료 태양 전지(126)으로부터의 대향 면 상에 하나 이상의 제2 전극(138)을 적용하는 단계로서, 제1 전극(118) 및/또는 제2 전극(138)은 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 것인 단계
    를 포함하여 수행하는 단계를 포함하는 제조 방법.
KR1020107003968A 2007-07-23 2008-07-22 광전 탠덤 전지 KR101479803B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07112948.0 2007-07-23
EP07112948 2007-07-23
PCT/EP2008/059565 WO2009013282A1 (de) 2007-07-23 2008-07-22 Photovoltaische tandem-zelle

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147018313A Division KR20140091077A (ko) 2007-07-23 2008-07-22 광전 탠덤 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100044865A true KR20100044865A (ko) 2010-04-30
KR101479803B1 KR101479803B1 (ko) 2015-01-06

Family

ID=39832245

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147018313A KR20140091077A (ko) 2007-07-23 2008-07-22 광전 탠덤 전지
KR1020107003968A KR101479803B1 (ko) 2007-07-23 2008-07-22 광전 탠덤 전지

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147018313A KR20140091077A (ko) 2007-07-23 2008-07-22 광전 탠덤 전지

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8563855B2 (ko)
EP (1) EP2174329B1 (ko)
JP (1) JP5615174B2 (ko)
KR (2) KR20140091077A (ko)
CN (1) CN101802948B (ko)
AT (1) ATE498203T1 (ko)
DE (1) DE502008002569D1 (ko)
WO (1) WO2009013282A1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101223615B1 (ko) * 2010-12-31 2013-01-17 서울대학교 산학협력단 인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 평판 표시 장치
KR20140007416A (ko) * 2011-02-01 2014-01-17 바스프 에스이 광기전력 소자
KR101364446B1 (ko) * 2012-08-09 2014-02-19 서강대학교산학협력단 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
US9660207B2 (en) 2012-07-25 2017-05-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Organic solar cell
KR20200112531A (ko) * 2019-03-22 2020-10-05 한국화학연구원 태양전지용 투명 전극 및 이를 포함하는 태양전지
KR20210049207A (ko) * 2013-11-26 2021-05-04 히 솔라, 엘.엘.씨. 페로브스카이트 및 다른 태양 전지 물질
US11239437B2 (en) 2017-05-11 2022-02-01 Lg Chem, Ltd. Photoactive layer and organic solar cell including same

Families Citing this family (111)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008042859A2 (en) 2006-09-29 2008-04-10 University Of Florida Research Foundation, Inc. Method and apparatus for infrared detection and display
WO2009110618A1 (ja) * 2008-03-07 2009-09-11 国立大学法人東京大学 複合材料、光電変換材料、色素増感太陽電池、色素増感太陽電池素子、光電変換素子製造方法、及び、酸化チタン結晶構造分析方法
JP2012503320A (ja) * 2008-09-19 2012-02-02 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア 有機太陽電池におけるジベンゾテトラフェニルペリフランテンの使用
JP5759669B2 (ja) 2008-12-01 2015-08-05 株式会社半導体エネルギー研究所 発光素子、発光装置、電子機器、および照明装置
KR20120002583A (ko) * 2009-03-06 2012-01-06 유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크. 공기 중에 안정한 유-무기 나노입자 하이브리드 태양전지
TW201041158A (en) * 2009-05-12 2010-11-16 Chin-Yao Tsai Thin film solar cell and manufacturing method thereof
EP2256839B1 (en) * 2009-05-28 2019-03-27 IMEC vzw Single junction or a multijunction photovoltaic cells and method for their fabrication
DE102009051142B4 (de) * 2009-06-05 2019-06-27 Heliatek Gmbh Photoaktives Bauelement mit invertierter Schichtfolge und Verfahren zu seiner Herstellung
GB0909818D0 (en) * 2009-06-08 2009-07-22 Isis Innovation Device
KR20110003169A (ko) * 2009-07-03 2011-01-11 삼성전자주식회사 컬러유닛 및 이를 포함한 촬상소자
KR101206758B1 (ko) 2009-10-16 2012-11-30 주성엔지니어링(주) 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법
EP2365556B1 (en) * 2010-03-08 2014-07-23 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Light-emitting element, light-emitting device, electronic device, and lighting device
JP2011187626A (ja) * 2010-03-08 2011-09-22 Sony Corp 薄膜トランジスタおよび電子機器
CN102201541B (zh) 2010-03-23 2015-11-25 株式会社半导体能源研究所 发光元件、发光装置、电子设备及照明装置
TWI506121B (zh) 2010-03-31 2015-11-01 Semiconductor Energy Lab 發光元件，發光裝置，電子裝置以及照明裝置
JP5801579B2 (ja) 2010-03-31 2015-10-28 株式会社半導体エネルギー研究所 発光素子、発光装置、電子機器、及び照明装置
AU2011250653B2 (en) * 2010-05-05 2014-09-11 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Improved oligothiophenes
MX2012013643A (es) 2010-05-24 2013-05-01 Univ Florida Metodo y aparato para proporcionar una capa de bloqueo de carga en un dispositivo de conversion ascendente de infrarrojo.
KR101758866B1 (ko) * 2010-06-18 2017-07-17 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층
WO2012012238A1 (en) * 2010-07-21 2012-01-26 First Solar, Inc Back contact formation
US9595678B2 (en) * 2010-07-23 2017-03-14 Basf Se Dye solar cell with improved stability
WO2012011023A2 (en) * 2010-07-23 2012-01-26 Basf Se Dye solar cell with improved stability
KR101117127B1 (ko) 2010-08-06 2012-02-24 한국과학기술연구원 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지
CN101938229A (zh) * 2010-09-07 2011-01-05 西安信唯信息科技有限公司 一种利用太阳热能控制太阳能光电转换效率的方法
KR20140007357A (ko) 2010-12-22 2014-01-17 바스프 에스이 반도체 구조물 및 이의 제조 방법
CN102122581B (zh) * 2010-12-28 2012-07-04 福州大学 量子点敏化的锡酸锌纳米晶薄膜太阳能电池的制备方法
US9087991B2 (en) 2011-02-01 2015-07-21 Basf Se Photovoltaic element
US9001029B2 (en) 2011-02-15 2015-04-07 Basf Se Detector for optically detecting at least one object
EP3029485B1 (en) 2011-02-15 2019-12-11 Basf Se Detector for optically detecting at least one object
JP5649716B2 (ja) * 2011-03-10 2015-01-07 パナソニック株式会社 光電気素子
EP2695205A4 (en) * 2011-04-05 2014-10-08 Univ Florida METHOD AND APPARATUS FOR INTEGRATING INFRARED PHOTOVOLTAIC CELL (IR) ON THIN-FILM PHOTOVOLTAIC CELL
SG193602A1 (en) 2011-04-05 2013-10-30 Univ Florida Method and apparatus for providing a window with an at least partially transparent one side emitting oled lighting and an ir sensitive photovoltaic panel
US20120279566A1 (en) * 2011-05-02 2012-11-08 Basf Se Photovoltaic element with increased long-term stability
TW201251077A (en) * 2011-06-07 2012-12-16 Kuo-Ching Chiang Solar cell having non-planar junction and the method of the same
MX2013015214A (es) 2011-06-30 2014-03-21 Nanoholdings Llc Metodo y aparato para detectar radiacion infrarroja con ganancia.
US9871216B2 (en) * 2011-08-09 2018-01-16 Konica Minolta, Inc. Organic photoelectric conversion element and organic solar cell using the same
US8686430B2 (en) * 2011-09-07 2014-04-01 Toshiba Techno Center Inc. Buffer layer for GaN-on-Si LED
EP2777084A1 (en) * 2011-11-01 2014-09-17 The Regents of The University of Michigan Method of preparing the surface of metal substrates for organic photosensitive devices
US9345268B2 (en) 2012-04-17 2016-05-24 R.J. Reynolds Tobacco Company Method for preparing smoking articles
ES2707296T3 (es) 2012-09-18 2019-04-03 Univ Oxford Innovation Ltd Dispositivo optoelectrónico
CN103824940A (zh) * 2012-11-19 2014-05-28 海洋王照明科技股份有限公司 太阳能电池器件及其制备方法
EP2936052B1 (en) 2012-12-19 2021-04-28 Basf Se Detector for optically detecting at least one object
US9385326B2 (en) 2013-01-15 2016-07-05 Basf Se Triangulene oligomers and polymers and their use as hole conducting material
WO2014145609A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 University Of South Florida Mask-stack-shift method to fabricate organic solar array by spray
KR101434327B1 (ko) * 2013-03-29 2014-08-27 (주)알에프트론 투명 화합물 반도체 및 그의 ｐ-타입 도핑 방법
CN105452894B (zh) 2013-06-13 2019-04-30 巴斯夫欧洲公司 用于光学地检测至少一个对象的检测器
KR102252336B1 (ko) 2013-06-13 2021-05-14 바스프 에스이 광학 검출기 및 그의 제조 방법
KR20160019067A (ko) 2013-06-13 2016-02-18 바스프 에스이 적어도 하나의 물체의 배향을 광학적으로 검출하기 위한 검출기
WO2014204696A1 (en) * 2013-06-17 2014-12-24 University Of South Florida Transparent contacts organic solar panel by spray
KR102191139B1 (ko) 2013-08-19 2020-12-15 바스프 에스이 광학 검출기
WO2015024870A1 (en) 2013-08-19 2015-02-26 Basf Se Detector for determining a position of at least one object
AU2014310681B2 (en) * 2013-08-23 2018-08-02 Basf Se Compounds with terminal heteroarylcyanovinylene groups and their use in organic solar cells
CN112876504A (zh) 2013-09-03 2021-06-01 巴斯夫欧洲公司 无定形材料及其用途
CN103839687B (zh) * 2013-10-16 2017-06-06 中国科学院等离子体物理研究所 一种叠层染料敏化太阳电池
CN103681886B (zh) * 2013-12-26 2017-09-22 中国科学院物理研究所 用于钙钛矿基薄膜太阳电池的支架层及其制备方法
WO2015184197A2 (en) 2014-05-28 2015-12-03 Alliance For Sustainable Energy, Llc Methods for producing and using perovskite materials and devices therefrom
CN104022225B (zh) * 2014-06-20 2016-10-05 苏州柯利达集团有限公司 一种全溶液法制备的高效低成本铜铟镓硒/钙钛矿双结太阳能光电池
WO2016005893A1 (en) 2014-07-08 2016-01-14 Basf Se Detector for determining a position of at least one object
WO2016023064A1 (en) * 2014-08-11 2016-02-18 Newsouth Innovations Pty Limited A photovoltaic cell and a method of forming a photovoltaic cell
KR102345977B1 (ko) * 2014-08-26 2021-12-30 삼성전자주식회사 유기 광전 소자 및 이미지 센서
WO2016035832A1 (ja) * 2014-09-02 2016-03-10 国立大学法人東京大学 カーボンナノチューブ膜を有する透光性電極、太陽電池およびそれらの製造方法
US9627576B2 (en) 2014-09-19 2017-04-18 International Business Machines Corporation Monolithic tandem chalcopyrite-perovskite photovoltaic device
KR102452393B1 (ko) 2014-09-29 2022-10-11 바스프 에스이 적어도 하나의 물체의 포지션을 광학적으로 결정하기 위한 방법 및 검출기 및 이를 이용한 휴먼 머신 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템, 스캐닝 시스템, 입체 시스템 및 카메라
CN105655422A (zh) * 2014-11-12 2016-06-08 东莞日阵薄膜光伏技术有限公司 双节钙钛矿/铜铟镓硒太阳能电池
US11125880B2 (en) 2014-12-09 2021-09-21 Basf Se Optical detector
US20180019283A1 (en) * 2015-01-28 2018-01-18 The Regents Of The University Of California Tandem organic-inorganic photovoltaic devices
CN107438775B (zh) 2015-01-30 2022-01-21 特里纳米克斯股份有限公司 用于至少一个对象的光学检测的检测器
US9701696B2 (en) 2015-02-27 2017-07-11 Alliance For Sustainable Energy, Llc Methods for producing single crystal mixed halide perovskites
WO2016146725A1 (en) 2015-03-17 2016-09-22 Basf Se Optical data reader
JP2018529214A (ja) 2015-06-11 2018-10-04 ユニバーシティー オブ フロリダ リサーチ ファウンデーション, インコーポレイテッドUniversity Of Florida Research Foundation, Inc. 単分散ｉｒ吸収ナノ粒子及び関連する方法及びデバイス
KR101688222B1 (ko) * 2015-06-29 2016-12-22 한국기계연구원 태양전지용 정공수송층 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지
CN108027239B (zh) 2015-07-17 2020-07-24 特里纳米克斯股份有限公司 用于光学检测至少一个对象的检测器
US20180231376A1 (en) * 2015-08-10 2018-08-16 Trinamix Gmbh Detector for an optical detection of at least one object
JP6755316B2 (ja) 2015-09-14 2020-09-16 トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 少なくとも１つの物体の少なくとも１つの画像を記録するカメラ
WO2017089553A1 (en) 2015-11-25 2017-06-01 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
KR20180086198A (ko) 2015-11-25 2018-07-30 트리나미엑스 게엠베하 적어도 하나의 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기
JP2019516097A (ja) 2016-04-06 2019-06-13 トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 少なくとも１個の対象物を光学的に検出するための検出器
US20190140129A1 (en) * 2016-04-06 2019-05-09 Trinamix Gmbh Detector for an optical detection of at least one object
WO2017186851A1 (en) 2016-04-28 2017-11-02 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
KR20190002488A (ko) 2016-04-28 2019-01-08 트리나미엑스 게엠베하 적어도 하나의 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기
JP2019523562A (ja) 2016-07-29 2019-08-22 トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 光学的検出のための光センサおよび検出器
WO2018068720A1 (en) * 2016-10-11 2018-04-19 He Yan Materials and facbrication methods for tandem organic photovoltaic cells
WO2018077870A1 (en) 2016-10-25 2018-05-03 Trinamix Gmbh Nfrared optical detector with integrated filter
JP7241684B2 (ja) 2016-10-25 2023-03-17 トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 少なくとも１個の対象物の光学的な検出のための検出器
US11860292B2 (en) 2016-11-17 2024-01-02 Trinamix Gmbh Detector and methods for authenticating at least one object
US11635486B2 (en) 2016-11-17 2023-04-25 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
KR20180074577A (ko) * 2016-12-23 2018-07-03 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 발광 소자, 발광 장치, 전자 기기, 표시 장치, 및 조명 장치
JP2020510820A (ja) 2017-03-16 2020-04-09 トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 少なくとも１つの物体を光学的に検出するための検出器
KR102332239B1 (ko) * 2017-03-31 2021-11-29 피퍼울 솔라 파워 에이비 초박형 플라즈몬 태양 전지, 그의 제조 방법 및 용도
FR3065583B1 (fr) * 2017-04-20 2019-06-28 Isorg Dispositif de detection d'un rayonnement comprenant des photodiodes organiques
EP3612805A1 (en) 2017-04-20 2020-02-26 trinamiX GmbH Optical detector
CN107123738B (zh) * 2017-05-02 2020-10-30 浙江红绿蓝纺织印染有限公司 一种超高开路电压有机光伏电池
US11067692B2 (en) 2017-06-26 2021-07-20 Trinamix Gmbh Detector for determining a position of at least one object
WO2019011803A1 (en) 2017-07-10 2019-01-17 Trinamix Gmbh DETECTOR FOR OPTICALLY DETECTING AT LEAST ONE OBJECT
US11448762B2 (en) 2017-08-28 2022-09-20 Trinamix Gmbh Range finder for determining at least one geometric information
KR102681300B1 (ko) 2017-08-28 2024-07-04 트리나미엑스 게엠베하 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 검출기
EP3714493A4 (en) * 2017-11-26 2021-09-08 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. DEVICE AND METHOD FOR NEUROSTIMULATION
WO2019139337A1 (ko) * 2018-01-11 2019-07-18 엘지전자 주식회사 모기판, 상기 모기판을 이용한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법, 및 화합물 반도체 태양전지
WO2019143751A2 (en) * 2018-01-18 2019-07-25 The Regents Of The University Of Michigan Organic photovoltaic cells and compositions thereof
US20210320270A1 (en) * 2019-09-30 2021-10-14 The Regents Of The University Of Michigan Near-infrared ternary tandem solar cells
KR102378184B1 (ko) 2019-11-13 2022-03-23 고려대학교 산학협력단 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈
US20210159022A1 (en) * 2019-11-26 2021-05-27 Hunt Perovskite Technologies, L.L.C. 2d perovskite tandem photovoltaic devices
CN111430547B (zh) * 2020-03-19 2023-10-17 电子科技大学 一种基于虾青素阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法
CN111341915B (zh) * 2020-05-19 2020-09-01 季华实验室 有机晶体太阳能电池器件的制备方法和光电设备
CN111564560B (zh) * 2020-07-14 2020-10-23 杭州纤纳光电科技有限公司 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
EP4012794A1 (en) * 2020-12-11 2022-06-15 Julius-Maximilians-Universität Würzburg Emission of electromagnetic radiation and control of properties of the emitted electromagnetic radiation
WO2023172645A2 (en) * 2022-03-08 2023-09-14 The Regents Of The University Of California Modulating heterointerface energetics for operationally stable perovskite solar cells
CN114937717B (zh) * 2022-05-30 2023-09-01 江苏日托光伏科技股份有限公司 一种钙钛矿-hbc叠层双面电池制备方法
CN115101632B (zh) * 2022-07-18 2023-06-23 扬州大学 一种新型hbc太阳能电池的制备方法
CN116887652B (zh) * 2023-09-07 2023-11-24 南开大学 一种两端钙钛矿有机叠层太阳电池及其制备方法
CN117156875B (zh) * 2023-10-31 2024-01-23 电子科技大学 一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH674596A5 (ko) * 1988-02-12 1990-06-15 Sulzer Ag
AU650878B2 (en) * 1990-04-17 1994-07-07 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Photovoltaic cells
JP3968809B2 (ja) 1996-12-19 2007-08-29 富士ゼロックス株式会社 湿式太陽電池用光半導体電極、湿式太陽電池及び光電変換方法
JP3968819B2 (ja) 1997-06-02 2007-08-29 富士ゼロックス株式会社 湿式太陽電池用光半導体電極、湿式太陽電池及び光電変換方法
JP4024942B2 (ja) * 1998-09-16 2007-12-19 株式会社東芝 色素増感型光化学電池
JP2000100484A (ja) 1998-09-24 2000-04-07 Fuji Xerox Co Ltd 光半導体電極、光電変換装置及び光電変換方法
JP4211120B2 (ja) 1999-02-19 2009-01-21 富士ゼロックス株式会社 光半導体電極、光電変換装置及び光電変換方法
JP4521737B2 (ja) * 1999-03-24 2010-08-11 富士フイルム株式会社 太陽光発電装置
US6359211B1 (en) * 1999-06-17 2002-03-19 Chemmotif, Inc. Spectral sensitization of nanocrystalline solar cells
JP4624512B2 (ja) * 1999-12-28 2011-02-02 日揮触媒化成株式会社 光電気セルおよび該光電気セルの半導体膜形成用塗布液
JP2001093589A (ja) 1999-09-21 2001-04-06 Fuji Xerox Co Ltd 光半導体電極、光電変換装置及び光電変換方法
EP1176646A1 (en) 2000-07-28 2002-01-30 Ecole Polytechnique Féderale de Lausanne (EPFL) Solid state heterojunction and solid state sensitized photovoltaic cell
JP4639481B2 (ja) 2001-01-30 2011-02-23 住友金属鉱山株式会社 複合型太陽電池
CN100426529C (zh) 2001-06-11 2008-10-15 普林斯顿大学理事会 有机光生伏打器件
DE10326547A1 (de) * 2003-06-12 2005-01-05 Siemens Ag Tandemsolarzelle mit einer gemeinsamen organischen Elektrode
EP2631014A3 (en) * 2003-06-25 2014-01-01 The Trustees of Princeton University Improved solar cells
EP1513171A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-09 Sony International (Europe) GmbH Tandem dye-sensitised solar cell and method of its production
JP4243237B2 (ja) * 2003-11-10 2009-03-25 淳二 城戸 有機素子、有機ｅｌ素子、有機太陽電池、及び、有機ｆｅｔ構造、並びに、有機素子の製造方法
EP1564826A1 (en) 2004-02-10 2005-08-17 Université Libre De Bruxelles Phthalocyanine derivative layer in electronic multilayer devices and method for the manufacturing thereof
US7375370B2 (en) * 2004-08-05 2008-05-20 The Trustees Of Princeton University Stacked organic photosensitive devices
US7540978B2 (en) * 2004-08-05 2009-06-02 Novaled Ag Use of an organic matrix material for producing an organic semiconductor material, organic semiconductor material and electronic component
US7196366B2 (en) * 2004-08-05 2007-03-27 The Trustees Of Princeton University Stacked organic photosensitive devices
US8592680B2 (en) * 2004-08-11 2013-11-26 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive devices
US8357849B2 (en) * 2004-09-22 2013-01-22 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive devices
JP3997305B2 (ja) 2004-11-18 2007-10-24 国立大学法人信州大学 ｎｐタンデム型色素増感太陽電池
MX2007006651A (es) * 2004-12-02 2008-10-24 Univ Princeton Dispositivos fotosensibles de estado solido que emplean complejos fotosinteticos aislados.
DE102005018241A1 (de) 2005-04-19 2006-10-26 Basf Ag Hexarylen- und Pentarylentetracarbonsäurediimide
DE102005021362A1 (de) * 2005-05-04 2006-11-09 Basf Ag Terrylen- und Quaterrylenderivate
EP1724838A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-22 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Tandem photovoltaic conversion device
DE102005032583A1 (de) * 2005-07-11 2007-01-25 Basf Ag Substituierte Rylenderivate
JP2007087854A (ja) * 2005-09-26 2007-04-05 Toppan Printing Co Ltd 色素増感太陽電池
JP4755882B2 (ja) * 2005-10-24 2011-08-24 ペクセル・テクノロジーズ株式会社 色素増感型太陽電池ブラインド
DE102005053995A1 (de) * 2005-11-10 2007-05-24 Basf Ag Verwendung von Rylenderivaten als Photosensibilisatoren in Solarzellen
EP1964144B1 (en) * 2005-12-21 2010-09-08 Konarka Technologies, Inc. Tandem photovoltaic cells

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101223615B1 (ko) * 2010-12-31 2013-01-17 서울대학교 산학협력단 인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 평판 표시 장치
KR20140007416A (ko) * 2011-02-01 2014-01-17 바스프 에스이 광기전력 소자
US9660207B2 (en) 2012-07-25 2017-05-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Organic solar cell
KR101364446B1 (ko) * 2012-08-09 2014-02-19 서강대학교산학협력단 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR20210049207A (ko) * 2013-11-26 2021-05-04 히 솔라, 엘.엘.씨. 페로브스카이트 및 다른 태양 전지 물질
US11239437B2 (en) 2017-05-11 2022-02-01 Lg Chem, Ltd. Photoactive layer and organic solar cell including same
KR20200112531A (ko) * 2019-03-22 2020-10-05 한국화학연구원 태양전지용 투명 전극 및 이를 포함하는 태양전지

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009013282A1 (de) 2009-01-29
CN101802948A (zh) 2010-08-11
CN101802948B (zh) 2014-01-15
KR101479803B1 (ko) 2015-01-06
KR20140091077A (ko) 2014-07-18
EP2174329A1 (de) 2010-04-14
EP2174329B1 (de) 2011-02-09
US8563855B2 (en) 2013-10-22
US20100282309A1 (en) 2010-11-11
JP5615174B2 (ja) 2014-10-29
DE502008002569D1 (de) 2011-03-24
JP2010534409A (ja) 2010-11-04
ATE498203T1 (de) 2011-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101479803B1 (ko) 광전 탠덤 전지
Hains et al. Molecular semiconductors in organic photovoltaic cells
Siddiki et al. A review of polymer multijunction solar cells
Li et al. Polyphenylene-based materials for organic photovoltaics
EP3751629B1 (en) Organic photovoltaic cell incorporating electron conducting exciton blocking layers
EP2926387B1 (en) Organic photovoltaic device with hybrid heterojunction between a planar and a graded layer
US11329241B2 (en) Exciton-blocking treatments for buffer layers in organic photovoltaics
JP7281216B2 (ja) 有機光起電装置のためのハイブリッド平面混合ヘテロ接合
US10978654B2 (en) Exciton management in organic photovoltaic multi-donor energy cascades
US20210288261A1 (en) Polymer photovoltaics employing a squaraine donor additive
Lane et al. Solid-state organic photovoltaics: a review of molecular and polymeric devices
WO2017135705A1 (ko) 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지
KR102167415B1 (ko) 금속칼코지나이드 화합물로 개질된 n형 반도체를 갖는 태양전지의 제조방법 및 이로 부터 수득되는 태양전지
CN101882664B (zh) 功能层为单层有机材料的有机太阳能电池
EP2538452A2 (en) All-solid-state heterojunction solar cell
McLeskey Jr et al. Nanostructured organic solar cells
KR20230159925A (ko) 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
A107 Divisional application of patent
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171213

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191219

Year of fee payment: 6