KR20140033363A

KR20140033363A - 광전 및 광검출기 용도를 위한 광 포획 구조

Info

Publication number: KR20140033363A
Application number: KR1020137029105A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 알. 포레스트; 리차드 알. 룬트; 마이클 슬루트스키
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간; 스티븐 알. 포레스트
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2014-03-18
Also published as: AU2011366192A1; JP2014514765A; TW201251044A; EP2700114A1; WO2012145012A1; CN103650193A; CA2833231A1; US20120261558A1; US9412960B2

Abstract

함유된 감광성 물질을 통해 들어온 광을 포획하고 리사이클링하여, 광흡수를 최대화하는 광전 장치 구조가 개시된다. 예를 들어, 열가소성 수지를 포함하는 제1 반사 층; 제1 반사 층에 실질적으로 평행한 제2 반사 층; 제1 반사 층 및 제2 반사 층 중 하나 이상의 층 상의 제1 투명 전극 층; 및 제1 전극에 인접한 감광성 영역을 포함하는 감광성 광전자 장치로서, 제1 투명 전극 층은 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 감광성 영역에 인접하며, 장치는 반사 층의 평면에 대해 횡단하는 외부 면을 갖고, 여기서 외부 면은 장치의 내부에 입사 방사선이 들어오도록 하는 개구를 가지는 것인 감광성 광전자 장치가 개시된다.

Description

광전 및 광검출기 용도를 위한 광 포획 구조{LIGHT TRAPPING ARCHITECTURE FOR PHOTOVOLTAIC AND PHOTODETECTOR APPLICATIONS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2011년 4월 18일자에 출원된 미국 가출원 제61/476,683에 대한 우선권을 주장하고, 이는 전문이 본원에 참조 인용된다.

연방 지원 연구에 관한 진술

본 발명은 미국 공군 과학 연구소(Air Force Office of Scientific Research)에 의해 허여된 계약 번호 제 FA9550-07-1-0364호 및 미국 에너지국에 의해 허여된 DE-FG36-08G018022 하에 미국 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 있어 소정의 권리를 가진다.

공동 연구 계약

청구된 본 발명은 공동 대학 합동 연구 계약에 대해, 미시간 대학(The University of Michigan) 및 글로벌 포토닉 에너지 코포레이션(Global Photonic Energy Corporation) 중 하나 이상의 당사자에 의해 및/또는 그 당사자를 대신하여 및/또는 그 당사자와 연계하여 이루어졌다. 본 계약은 청구된 본 발명이 이루어진 날에 또는 그 날 이전에 발효되었고, 청구된 본 발명은 본 계약의 범주 내에 수행된 활동의 결과로서 이루어졌다.

기술 분야

본 개시내용은 일반적으로 큰 분광 범위에 걸쳐 광 포획 성질을 증가시키고 손실을 감소시키는 구조적 설계를 가지는 박막 광전 장치(PV), 예컨대 태양 전지에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 상기 광전 장치를 저비용으로 제작하기 위한 공정에 관한 것이다.

광전자 장치는 전자기 방사선을 전자적으로 생성 또는 검출하거나, 주위 전자기 방사선으로부터 전기를 발생시키기 위한 물질의 광학적 특성 및 전자적 특성에 의존한다.

감광성 광전자 장치는 전자기 방사선을 전기로 변환한다. 광전(PV) 장치로도 불리는 태양 전지는 전기력을 발생시키기 위해 특별히 사용되는 한 유형의 감광성 광전자 장치이다. 태양광 이외의 광원으로부터 전기 에너지를 발생할 수 있는 PV 장치는 예를 들어 조명, 열을 제공하기 위해 전력을 소비하는 부하를 구동하거나, 전자 회로나 계산기, 라디오, 컴퓨터 또는 원격 조정 또는 통신 장비와 같은 장치에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 이 전력 발생 용도들은 또한 태양 또는 기타 광원에서의 직접적인 조사가 이용가능하지 않은 경우에 작동이 계속될 수 있도록 하거나, PV 장치의 전력 출력과 특정 응용 요건 간에 균형을 맞추기 위해 배터리나, 기타 에너지 저장 장치의 충전을 종종 수반한다. 본원에 사용되는 "저항 부하(resistive load)"라는 용어는 임의의 전력을 소비하거나 저장하는 회로, 장치, 장비 또는 시스템을 지칭한다.

다른 유형의 감광성 광전자 장치는 광전도체 전지이다. 이 기능에서, 신호 검출 회로는 장치의 저항을 모니터링하여, 광흡수로 인한 변화를 검출한다.

또 다른 유형의 감광성 광전자 장치는 광검출기이다. 작동 시에, 광검출기는 광검출기가 전자기 방사선에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되며, 인가 바이어스 전압을 가질 수 있다. 본원에 기재된 검출 회로는 바이어스 전압을 광검출기에 제공할 수 있고, 전자기 방사선에 대한 광검출기의 전자적 반응을 측정할 수 있다.

이 세 부류의 감광성 광전자 장치는 하기에 정의되는 바와 같은 정류 접합(rectifying junction)의 존재 여부 및 장치가 바이어스 또는 바이어스 전압으로도 알려져 있는 외부 인가 전압으로 작동하는 지의 여부에 따라 특정화될 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합을 가지지 않고 보통은 바이어스로 작동된다. PV 장치는 하나 이상의 정류 접합을 가지며 바이어스 없이 작동된다. 광검출기는 하나 이상의 정류 접합을 가지며 항상 그런 것은 아니지만 보통 바이어스로 작동된다. 일반적으로, 광전 전지는 회로, 장치 또는 장비에 전력을 제공하지만, 검출 회로를 제어하기 위한 신호 또는 전류, 또는 검출 회로로부터 정보의 출력을 제공하지는 않는다. 반면, 광검출기 또는 광전도체는 회로, 장치 또는 장비에 검출 회로를 제어하기 위한 신호 또는 전류, 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력은 제공하나, 전력은 제공하지 않는다.

종래, 감광성 광전자 장치는 다수의 무기 반도체, 예를 들어 결정성, 다결정성 및 비결정형 규소, 비화갈륨(gallium arsenide), 텔루르화카드뮴(cadmium telluride) 등으로 구성되어 왔다. 본원에서 "반도체"라는 용어는 전하 운반체가 열 또는 전자기 여기에 의해 유도되면 전기를 전도할 수 있는 물질을 의미한다. "광전도성"이라는 용어는 일반적으로 전자기 복사 에너지를 흡수하여 전하 운반체의 여기 에너지로 전환시켜, 전하 운반체가 물질에서 전하를 전도, 즉 수송할 수 있도록 하는 과정에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 "광전도체" 및 "광전도성 물질"이라는 용어는 전자기 방사선을 흡수하여, 전하 운반체를 발생시키는 성질로 인해 선택되는 반도체 물질을 지칭한다.

PV 장치는 입사 태양력을 유용한 전력으로 변환할 수 있도록 하는 효율을 특징으로 할 수 있다. 결정형 또는 비결정형 규소를 이용하는 장치가 상업적 응용이 우세하며, 일부는 23% 이상의 효율을 달성한다. 그러나, 효율적인 결정질계 장치, 특히 큰 표면적의 것은 상당한 효율 붕괴의 결함 없이 큰 결정을 생성하는 데 고유의 문제점으로 인해 제작이 어렵고 생산에 비용이 많이 든다. 다른 한편으로, 고효율 비결정형 규소 장치는 여전히 안정성 문제를 가진다. 현재 시판중인 비결정형 규소 전지는 4 내지 8%의 안정화 효율을 가진다. 더욱 최근의 노력들은 경제적 생산 비용과 함께 허용가능한 광전 변환 효율을 달성하기 위해 유기 광전 전지를 사용하는데 집중되어 왔다.

PV 장치는 광전류×광전압의 최대 곱을 위해, 표준 조사 조건(즉, 1000 W/m²인 표준 시험 조건, AM1.5 분광 조명)하에 최대 전력 생성을 위해 최적화될 수 있다. 표준 조명 조건 하에서의 이러한 전지의 전력 변환 효율은 하기 세 가지 파라미터에 의존한다: (1) 제로 바이어스하의 전류, 즉, 단락 전류 I _SC (암페어), (2) 개방 회로 조건 하에 광전압, 즉, 개방 회로 전압 V_OC(볼트), 및 (3) 필 팩터(fill factor), ff.

PV 장치는 부하를 가로질러 연결되고 광이 조사되면 광-발생 전류를 생성한다. 무한 부하 하에서 조사되면, PV 장치는 그의 최대 가능한 전압, V 개방 회로, 또는 V_OC를 발생한다. 전기 접촉 단락과 함께 조사되면, PV 장치는 그의 최대 가능한 전류, I 단락, 또는 I_SC를 발생한다. 전력 발생을 위해 실제로 사용되는 경우, PV 장치는 유한 저항 부하에 연결되고 출력은 전류와 전압의 곱, I×V로 주어진다. PV 장치에 의해 발생된 최대 총 전력은 본래 곱 I_SC× V_OC를 초과할 수 없다. 부하값이 최대 전력 추출을 위해 최적화되면, 전류 및 전압은 각각 값 I_max 및 V_max를 가진다.

PC 장치에 대한 이점의 한 특징은 하기와 같이 정의되는 필 팩터(ff)이다:

ff = {I_max·V_max}/{I_SC·V_OC} (1)

(여기서, ISC 및 VOC는 실제 사용시 결코 동시에 얻어지는 일이 없기 때문에, ff는 항상 1 미만이다). 그래도, ff가 1에 가까워짐에 따라, 장치는 보다 약한 직렬 또는 내부 저항을 가지며, 이에 따라 최적의 조건하에서 더 큰 비율의 I_SC 및 V_OC의 곱을 부하에 전달한다. P_inc가 장치에 입사하는 전력인 경우, 장치의 전력 효율 γP는 하기에 의해 계산될 수 있다:

γP = ff*(I_SC*V_OC)/P_inc

적절한 에너지의 전자기 방사선이 반전도성 유기 물질, 예를 들어 유기 분자 결정(OMC) 물질, 또는 중합체 상에 입사하는 경우, 광자가 흡수되어 여기된 분자 상태를 생성할 수 있다. 이는 S₀+hνψS₀*로서 기호로 나타낸다. 여기서, S₀ 및 S₀*는 각각 기저 분자 상태 및 여기 분자 상태를 의미한다. 이러한 에너지 흡수는 B 결합일 수 있는 HOMO 에너지 준위의 속박 상태로부터 B* 결합일 수 있는 LUMO 에너지 준위로 전자를 촉진시키는 것, 또는 동등하게는 정공을 상기 LUMO 에너지 준위로부터 상기 HOMO 에너지 준위로 촉진시키는 것과 관련이 있다. 유기 박막 광전도체에서, 상기 발생된 분자 상태는 일반적으로 여기자, 즉, 준입자로서 전달되는 속박 상태의 전자-전공 쌍인 것으로 생각된다. 상기 여기자는 다른 쌍으로부터의 정공 또는 전자와의 재조합과는 대조적으로, 원래의 전자 및 정공이 서로 재조합하는 과정을 가리키는 제짝 재결합 전의 적절한 수명을 가질 수 있다. 광전류를 생성하기 위해서, 상기 전자-정공 쌍은 전형적으로 2개의 상이한 접촉 유기 박막 사이의 공여체-수용체 계면에서 분리되게 된다. 상기 전하들이 분리하지 않는 경우, 이들은 입사광보다 낮은 에너지의 발광에 의해 방사성으로, 또는 열 생성에 의해 비방사성으로, 켄칭이라 또한 알려져 있는 제짝 재결합 과정으로 재결합할 수 있다. 이러한 산출의 어떠한 것도 감광성 광전자 장치에서 바람직하지 않다.

접점에서의 전기장 또는 비균질성은 여기자를 공여체-수용체 계면에서 분리하기보다는 켄칭하도록 유도할 수 있고, 이에 따라 상기 전류에 대한 순수한 기여가 없다. 그러므로, 광발생된 여기자를 상기 접점으로부터 멀게 유지하는 것이 바람직하다. 이는 상기 접합 근처의 영역으로 여기자의 확산을 한정시킴으로써 관련 전기장은 상기 접합 부근의 여기자의 분리로 인해 유리된 전하 운반체를 분리할 가능성이 크다.

상당한 부피를 차지하는 내부 발생 전기장을 생성시키기 위해, 통상의 방법은 특히 분자 양자 에너지 상태의 이의 분산과 관련하여 적절하게 선택된 전도 특성을 가진 물질의 2개 층을 병치하는 것이다. 이러한 2개의 물질들의 계면은 광전 이종접합이라 불린다. 전형적인 반도체 이론에서, PV 이종접합을 형성하기 위한 물질은 일반적으로 n형 또는 p형의 물질인 것으로 의미되었다. 여기서, n형은 대부분의 운반체 유형이 전자인 것을 의미한다. 이는 상기 물질이 상대적으로 자유로운 에너지 상태의 많은 전자를 가진 것으로 보여질 수 있다. p형은 대부분의 운반체 유형이 정공인 것을 의미한다. 이러한 물질은 상대적으로 자유로운 에너지 상태의 많은 정공을 가진다. 배경, 즉, 광발생되지 않은 대부분의 운반체 농도의 유형은 주로 결함물 또는 불순물에 의한 비고의적 도핑에 의존한다. 불순물의 유형 및 농도는 최고 점유 분자 궤도(HOMO) 에너지 준위 및 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 에너지 준위 간의 갭, 소위 HOMO-LUMO 갭 내의 페르미 에너지(Fermi energy)의 수치, 또는 수준을 결정한다. 페르미 에너지는 점유 확률이 1/2과 동일한 에너지 수치가 의미하는 분자 양자 에너지 상태의 통계적 점유를 특징으로 한다. LUMO 에너지 준위에 근접하는 페르미 에너지는 전자가 주요 운반체라는 것을 나타낸다. HOMO 에너지 준위에 근접하는 페르미 에너지는 정공이 주요 운반체라는 것을 나타낸다. 따라서, 페르미 에너지는 종래 반도체의 주요 특성화 특성이며, 원형의 PV 이종접합은 통상적으로 p-n 계면이었다.

"정류(rectifying)"라는 용어는 무엇보다도 계면이 비대칭 전도 특성을 가지는 것, 즉 상기 계면이 한 방향으로 전자 전하 전달을 지지한다는 것을 나타낸다. 정류는 일반적으로 적절하게 선택된 물질들 사이의 이종접합에서 발생하는 내부 전기장과 관련이 있다.

본원에서 사용되고 당업자에게 일반적으로 이해되게 되는 바와 같이, 제1 "최고 점유 분자 궤도"(HOMO) 또는 "최저 비점유 분자 궤도"(LUMO) 에너지 준위는 그 제1 에너지 준위가 상기 진공 에너지 준위에 근접하는 경우에 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위에 대해 "보다 크거나", 혹은 "보다 높다". 이온화 전위(IP)는 진공 수준에 대한 음성 에너지로서 측정되기 때문에, 보다 높은 HOMO 에너지 준위는 보다 작은 절대치를 가진 IP(음성이 보다 작은 IP)에 해당한다. 유사하게는, 보다 높은 LUMO 에너지 준위는 보다 작은 절대치를 가진 전자 친화도(EA)(음성이 보다 작은 EA)에 해당한다. 상기 진공 수준이 정상부에 있는 통상의 에너지 준위 디아그램에서, 물질의 LUMO 에너지 준위는 동일한 물질의 HOMO 에너지 준위보다 높다. "보다 높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 "보다 낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 상기 도표의 정상부에 근접하는 것으로 나타났다.

유기 물질과 관련하여, "공여체" 및 "수용체"라는 용어는 접촉하나 상이한 2개의 유기 물질의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위의 상대적 위치를 지칭한다. 이는 무기와 관련한 상기 용어의 사용과 대조적이며, 여기서 "공여체" 및 "수용체"는 각각 무기 n형 및 p형 층을 생성하는 데 사용될 수 있는 도판트의 유형을 의미할 수 있다. 유기와 관련하여, 다른 물질과 접촉하는 한 물질의 LUMO 에너지 준위는 보다 낮은 경우, 이어서 그 물질은 수용체이다. 다른 경우에 이는 공여체이다. 외부 바이어스가 부재한 경우에, 공여체-수용체 접합에서의 전자는 수용체 물질로 이동하고, 정공은 공여체 물질로 이동하는 것이 특히 바람직하다.

유기 반도체의 한 주된 특성은 운반체 이동도이다. 이동도는 전하 운반체가 전기장에 반응하여 전도성 물질을 통해 이동할 수 있는 용이성을 측정한다. 유기 감광성 장치와 관련하여, 높은 전자 이동도로 인해 전자에 의해 주로 전도하는 물질을 포함하는 층은 전자 수송층, 또는 ETL로서 언급될 수 있다. 높은 정공 이동도로 인해 정공에 의해 주로 전도하는 물질을 포함하는 층은 정공 수송층, 또는 HTL로서 언급될 수 있다. 반드시 그런 것은 아니나, 바람직하게는 수용체 물질은 ETL이고, 공여체 물질은 HTL이다.

통상의 무기 반도체 PV 전지는 p-n 접합을 이용하여 내부 전기장을 구축한다. 초기의 유기 박막 전지, 예컨대 문헌[Tang, Appl. Phys Lett. 48, 183 (1986)]에 보고된 유기 박막 전지는 통상의 무기 PV 전지에 사용된 것과 유사한 이종접합을 함유한다. 그러나, p-n형 접합의 구축 이외에, 상기 이종접합의 에너지 준위의 오프셋은 또한 중요한 역할을 하는 것으로 현재 인식되고 있다.

유기 D-A 이종접합에서의 에너지 준위 오프셋은 유기 물질 중 광발생 과정의 기본 특성으로 인해 유기 PV 장치의 작동에 중요한 것으로 생각된다. 유기 물질의 광학 여기 시, 국부 프렌켈(Frenkel) 또는 전하 수송 여기자가 발생된다. 전기 검출 또는 전류 발생이 일어나도록 하기 위해서, 속박 여기자는 이의 구성 성분인 전자 및 정공으로 분리되어야 한다. 이러한 과정은 내부 전기장에 의해 유도될 수 있으나, 유기 장치에서 전형적으로 확인되는 전기장에서의 효율(F ~10⁶ V/cm)은 낮다. 유기 물질 중 가장 효율적인 여기 분리는 공여체-수용체(D-A) 계면에서 일어난다. 계면에서, 이온화 전위가 낮은 공여체 물질은 전자 친화도가 높은 수용체 물질과의 이종접합을 형성한다. 공여체 및 수용체 물질의 에너지 준위의 정렬에 따라, 여기자의 분리는 계면에서 더욱 바람직하게 되며, 수용체 물질에서의 자유 전자 폴라론 및 공여체 물질에서의 자유 정공 폴라론을 유도한다.

유기 PV 전지는 전형적인 규소계 장치에 비해 많은 잠재적인 이점을 보유한다. 유기 PV 전지는 경량이고, 물질 사용에 경제적이며, 낮은 비용의 기재, 예컨대 가요성 플라스틱 호일에 침착시킬 수 있다. 그러나, 유기 PV 장치는 전형적으로 1% 이하 정도의 상대적으로 낮은 외부 양자 수율(전자기 방사선의 전기로의 변환 효율)을 가진다. 이는 부분적으로는 고유의 광전도 과정의 2차 성질로 인한 것으로 생각된다. 즉, 운반체 발생은 여기자 발생, 확산 및 이온화 또는 수집을 필요로 한다. 상기 과정들 각각과 연관된 효율 η이 존재한다. 첨자는 하기와 같이 사용될 수 있다: P 전력 효율, EXT 외부 양자 효율, A 광자 흡수, ED 확산, CC 수집 및 INT 내부 양자 효율. 상기 표기법을 이용하면, 이하와 같다:

γP ~ γEXT = γA*γED*γCC

γEXT=γA*γINT

여기자의 분산 길이(L_D)는 전형적으로 광학 흡수 길이(~500□)보다 전형적으로 훨씬 더 짧아(L_D ~50□), 다중으로 또는 높게 접혀진 계면을 가진 두꺼운, 따라서 저항성의 전지, 또는 광학 흡수 효율이 낮은 얇은 전지 간의 상충(trade-off)을 필요로 한다.

균질 흡수 매체를 통한 전자기 방사선의 입사 플럭스의 강도 감소는 일반적으로 I=I₀e^-αx(여기서, I₀은 초기 위치(X-0)에서의 강도이고, α는 흡수 상수이며, x는 x=0로부터의 깊이임)로 제시된다. 따라서, 플럭스가 매체를 통과하여 진행됨에 따라 강도는 기하급수적으로 감소한다. 따라서, 흡수성 매체의 두께가 커질수록, 또는 흡수 상수가 증가할 수 있을 경우에 더 많은 광이 흡수된다. 일반적으로, 소정의 광전도성 매체에 대한 흡수 상수는 조정가능하지 않다. 특정의 광전도성 물질, 예를 들어, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭-비스-벤즈이미다졸(PTCBI) 또는 구리 프탈로시아닌(CuPc)에 대해, 매우 두꺼운 층은 높은 벌크 저항율로 인해 바람직하지 않다.

광전도성 물질의 소정의 박막을 통해 광을 수회 적당하게 재반사하거나 리사이클링함으로써, 소정의 광전도성 물질을 통한 광로는 부가적 벌크 내성을 초래하지 않으면서 실질적으로 증가할 수 있다. 전자기 플럭스가 집중되어 광전도성 물질을 함유하는 동공에 전달하도록 효율적으로 허용하면서 또한 전달된 플럭스는 흡수될 수 있도록 동공에 속박하는 용액이 필요하다.

태양력을 현재 더 저렴한 화석 연료와 경쟁적이 되도록 하기 위한 전력의 광발생을 위한 보다 저렴하고 보다 효율적인 장치가 모색되었다. 유기 광전도체, 예컨대 CuPc 및 PTCBI는 잠정적 비용 절감으로 인해 유기 광전 장치(OPV)용 물질로서 모색되었다. 상기 언급된 벌크 저항율로 인해, 상기 물질의 비교적 얇은 필름의 이용이 바람직하다. 그러나, 매우 얇은 유기 감광성 층의 사용은 효율적인 장치의 생산에 다른 장애를 제공한다. 상기 설명된 바와 같이, 매우 얇은 감광성 층은 작은 분율의 입사 방사선을 흡수하여, 외부 양자 효율을 저감시킨다.

또 다른 문제는, 매우 얇은 필름이 전극 물질을 동반함에 다른 단락과 같은 결함에 처하기 더욱 쉬워진다는 것이다. 본원에 참조 인용되는 미국 특허 제6,333,458호는 매우 얇은 필름 OPV의 문제들 중 일부를 해소하는 하나 이상의 여기자 차단 층이 혼입된 감광성 이종구조를 기재하고 있다. 그러나, 필름이 유기 광전도체인지 혹은 무기 광전도체인 지의 여부에 따라, 매우 얇은 필름에 의한 낮은 광흡수 문제를 해소하기 위해 다른 해결책이 필요하다.

윈스턴(Winston) 채광기로 알려진 광학 집광기(optical concentrator)의 사용은 태양 에너지 변환 분야에 통상적이다. 그러한 집광기는 주로 높은 열 구배가 요망되는 열 태양 집광 장치에서 사용되어 왔다. 그 보다 적은 정도로는, 상기 집전기가 광전 태양 변환 장치와 함께 사용되어 왔다. 그러나, 그러한 용도들은 광이 활성 광전도성 매체에 처음 입사할 때 광흡수가 예상되는 장치에 지정되어 온 것으로 사료된다. 매우 얇은 광전도체 층이 사용된 경우, 집적된 방사선 중 상당 부분이 흡수되지 않기 쉽다. 그것은 장치 환경 내로 되반사되거나, 기판에 의해 흡수되거나, 기판이 투명할 경우에는 단지 통과할 수 있다. 따라서, 집광기의 단독 사용만로는 얇은 광전도성 층에 의한 낮은 광흡수의 문제를 해결하지 못한다. 방사선 검출을 위한 광학 집광기도 또한 광전배증관(photomultiplier("PM") tubes)과 함께, 체렌코프(Cerenkov) 또는 기타 방사선의 검출에 사용되어 왔다. PM 관은 본 발명의 OPV와 같은 고상 검출기로부터, 완전히 상이한 원리, 즉 광전기 효과로 작동한다. PM 관에서, 광흡수 매체, 즉 금속성 전극 내에서의 내 낮은 광흡수는 관건이 아니나, PM 관은 본원에 개시된 OPV와 달리 높은 작동 전압을 요한다.

집광 및 광 포획은 박막 광전 태양 전지 및 광검출기의 성능의 증가를 가져오는 중요 수단이다. 그러나, 그러한 계획에 통상 사용되는 거울은 거울의 분광 흡수로 인한 입사 광자의 유의적 손실을 초래할 수 있는 금속, 예컨대 은 또는 금을 이용한다. 따라서, 큰 분광 범위에 걸친 감소된 손실과 함께 박막 광전 태양 전지 또는 광검출기에서의 광 포획을 증가시키기 위한 구조를 제공하는 것이 유리할 것이다.

예시적 비영상 집광기의 단면 프로파일이 도 1에 나와 있다. 이 단면은 원뿔형 집광기, 예컨대 절단형 포물면 형상 및 홈통형(trough) 형상의 집광기 모두에 적용된다. 원뿔형 형상에 있어, 장치는 ±8max(허용각의 절반) 내의 직경 d1의 원형 입구에 들어가는 방사선을 수집하여, 그 방사선을 경미한 손실로 직경 d2의 보다 작은 출구로 보내며, 소위 열역학 한도에 접근할 수 있다. 이 한도는 소정의 각진 시계에 대한 최대의 수락가능한 농도이다. y 축이 동서 방향으로 하여 정렬된, 도 1의 단면을 가지는 한 홈통형 형상의 집광기는 태양 이동에 잘 적합화된 수락 시계를 가지고, 주행 추적없이 보통의 농도를 달성한다. 홈통형 말단에 있는 수직 반사 벽은 음영 및 말단 손실을 회복할 수 있다. 원뿔형 집광기는 홈통형 형상의 집광기보다 더 높은 농도 비를 제공하나, 작은 수락 각으로 인해 주행 태양 추적을 요한다. 본원에 참조 인용되는 문헌 [High Collection Nonimaging Optics by W. T. Welford and R. Winston, pp 172-175, Academic Press, 1989]을 참조한다.

발명의 개요

상기 내용에서 볼 때, 본 발명에는 함유된 감광성 물질을 통해 들어온 광을 포획하고 리사이클링하여, 광흡수를 최대화하는 광전 장치 구조가 개시된다. 이 장치 구조는 광학 집광기와 조합하여 사용하기에 적합하게 될 수 있다.

또한, 본 발명에는 집광을 증가시키기 위해 광학 집광기를 임의적으로 포함하는, 입사광을 포획하여 이를 전기 에너지로 전환하기 위한 고효율 광변환 구조(high efficiency photoconversion structure)도 개시된다. 본 개시내용에 따라 사용될 수 있는 광학 집광기의 비제한적 예에는 원뿔형 형상 및 홈통형 형상의 포물선 광학 집광기가 포함된다.

한 실시양태에서, 입사광이 감광성 물질 층의 평면에 일반적으로 수직하게 들어오는 고효율 광변환 구조가 개시된다. 또 다른 실시양태에서, 입사광이 감광성 물질 층의 평면에 일반적으로 평행하게 들어오는 고효율 광변환 구조가 개시된다.

상기 논의된 요지와 별도로, 본 개시내용은 이후 설명된 것들과 같은 다수의 다른 예시적 특성들을 포함한다. 상기 설명 및 하기 설명 모두는 단지 예시적인 것으로 이해된다.

도 1은 (a) 금속 거울 및 (b) 윈스턴 채광기를 사용한 광 포획을 도시한 것이다.
도 2는 종래의 금속 거울을 사용한 각 의존성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시양태와 일관되는 반사체(reflector)를 사용한 각 의존성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시양태와 일관되는 반사체를 사용한 반사율 대 두께를 도시한 것이다.
도 5는 (a) 1개의 스펙트랄론 반사체(Spectralon Reflector) 및 1개의 금속 거울; 및 (b) 2개의 스펙트랄론 반사체를 포함하는, 본 발명의 실시양태와 일치하는 감광성 광전자 장치의 구조적 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 스펙트랄론 반사체를 사용한 흡수의 개선을 도시한 것이다. 도 6은 대면적에 걸쳐 포획은 채광기의 어레이를 도시하며, 윈스턴 채광기를 옵션으로서 포함한다.
도 7은 선택적으로 윈스턴 채광기를 포함하는 대면적에 걸친 포획을 위한 채광기의 어레이를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 한 실시양태에 따른 미세발포형 반사성 시트의 영상 도면이다.
도 9(a)는 도 8의 미세발포형 반사성 시트의 총 반사율을 도시하고, 반면에 도 9(b)는 도 8의 미세세포형 반사성 시트의 확산 반사율을 도시한 것이다.

발명의 상세한 설명

도 1에는, 2개의 상이한 장치 구조에 상응할 수 있는 단면도가 도시되어 있다. 양 구조 모두는 광이 감광성 층의 평면에 일반적으로 수직인 방향으로 초기에 입사하도록 하는 감광성 층을 포함하는, 반사성 동공 또는 도파관에 광이 도입되도록 한다. 결과적으로, 이 유형의 구조는 일반적으로 "수직형 구조"로 칭해진다.

따라서, 이 실시양태의 상단으로부터 입사하는 광은 (원뿔형) 또는 (홈통형 형상의) 하나 이상의 집광기 구조 내로 들어간다. 이어서, 각 집광기에 들어오는 광은 개구 또는 상단 반사 층 내로 반사된다. 개구는 원뿔형 집광기와 함께 사용하기 위한 일반적으로 원형 형상의 입구이고, 개구는 홈통형 형상의 집광기와 함께 사용하기 위한 일반적으로 직사각형인 형상의 입구이다. 하단 표면층이 반사성이기 때문에, 상단 표면은 비반사성이고/이거나, 예를 들어 내후성을 증진시키기 위한 보호층으로 임의적으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 부동화 산화물 또는 중합체 코팅은 적당한 보호층일 수 있다. 개구를 통과한 후, 들어온 방사선은 상단 층과 하단 반사 층과의 사이에 형성된 도파관 구조 내에 포획된다. 두 층 사이의 공간은 본원에 전문에 참조 인용되는 하기 미국 특허 제6,352,777호; 제6,297,495호; 제6,278,055호; 제6,198,092호; 제6,198,091호; 및 제6,333,458호에 개시된 것들과 같은 유형의 박막 광전 장치를 포함하는 수개의 층이 차지하고 있을 수 있다.

광학 집광기의 기하 구조를 가지는 박막 PV 전지의 한 예시적 실시양태가 도 1에 의해 제공된다. 상단 층 아래에는 집광 개구에 의해 들어온 광이 처음으로 횡단하게 되는, 예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 된 투명 단열 층이 있다. 또한 처음으로 들어온 광이 횡단한다. 이의 초기 통과 시에, 광은 예를 들어, 축퇴 도핑된 산화인듐주석(ITO)으로 된 투명 전극, 및 하나 이상의 활성 층을 통해 횡단한다. 그러한 활성 층의 비제한적 예에는 하나 이상의 정류 접합, 또는 광학 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 여기자 차단 층이 포함된다. 이 초기 통과 시에 흡수되지 않은 임의의 광은 상단 층의 반사되는 활성 층, 투명 전극 및 투명 단열층을 통해 되반사되어, 광이 완전히 흡수될 때까지 다시 사이클을 반복한다.

상단 및/또는 하단 층은 당업계에 공지된 금속성 물질 또는 유전성 적층물로 이루어질 수 있다. 하단 층은 하부 전극으로도 작용할 수 있는, 은 또는 알루미늄과 같은 금속성 필름일 수 있다. 대안적으로, 하부 전극은 전체적으로 또는 부분적으로, 반사성 금속성 필름과 함께 축퇴 도핑된 ITO와 같은 투명 전도성 물질일 수 있고, 상기 반사성 금속성 필름은 다시 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 기판 상에 임의적으로 침착될 수 있다. 도 1은 2개의 전형적 입사 광선을 나타낸다. 당업계의 통상의 당업자라면, 입사 방사선에 대한 다수의 다른 가능한 다른 궤적들이 있고, 나타낸 광선은 단지 예시적인 것임을 인식할 것이다.

들어온 광이 흡수될 때까지 그 들어온 광을 포획하는 공정은 광변환의 효율을 증진시키고, "광학 리사이클링(optical recycling)" 또는 "광자 리사이클링(photon recycling)"으로 칭해질 수 있다. 광을 내부에 포획하도록 고안된 구조는 일반적으로 "도파관 구조(waveguide structutre)"로, 혹은 "광학 동공(optical cavity)" 또는 "반사성 동공(refective cavity)"으로도 칭해질 수 있다. 그러한 광학 동공 또는 도파관 구조 내에 가능한 광학 리사이클링은, 더욱 더 얇은 광활성 층이 변환 효율의 희생없이 사용될 수 있기 때문에, 비교적 높은 내성의 유기 감광성 물질을 이용하는 장치에서 유리할 수 있다.

도 2는 금속 거울, 예컨대 Ag 거울과 관련된 각 의존성을 도시한 것이다.

도 2와 대조적으로, 도 3은 본 발명에 따른 스펙트랄론 반사체를 사용한 각 의존성이 본질적으로 없음을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 스펙트랄론 반사체의 두께의 함수로서의 반사율을 도시한 것이다.

도 5은 금속 거울이 없는 2개의 반사체 (5b)와 대비하여, 1개의 반사체 및 1개의 금속 거울(5a)을 사용한 광 포획 및/또는 산란의 차이를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 스펙트랄론 반사체로부터 거울 반사가 거의 없고 단지 확산 산란만이 있기 때문에, 광 포획은 2개의 스펙트랄론 반사체를 포함한, 도 5b에 도시된 실시양태에 더욱 효율적이다.

도 5에 도시된 실시양태에 대해, 상단 층은, 예를 들어 스펙트랄론 반사체와 같은 투명 단열층을 포함한다. 집광 개구에 의해 들어온 광은 초기에, 상단 층 아래에 위치한, 예를 들어 유리 또는 플라스틱의 투명 단열 층을 횡단한다. 그 광은 또한 초기에, 예를 들어 축퇴 도핑된 산화인듐주석(ITO)의 투명 전극, 및 하나 이상의 활성 층을 횡단한다.

하나 이상의 활성 층의 비제한적 예에는 광학 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하기 위한 하나 이상의 정류 접합 또는 여기자 차단 층이 포함된다. 이 통과 시에 흡수되지 않은 임의의 광은 상단 층의 반사되는 활성 층, 투명 전극 및 투명 단열층을 통해 되반사되어, 광이 완전히 흡수될 때까지 다시 사이클을 반복한다. 상단 및/또는 하단 층은 금속성 물질 또는 열가소성 수지로 이루어질 수 있다. 하단 층은 하부 전극으로도 작용할 수 있는, 은 또는 알루미늄과 같은 금속성 필름 또는 열가소성 수지일 수 있다.

대안적으로, 하부 전극은 전체적으로 또는 부분적으로, 반사성 금속성 필름과 함께 축퇴 도핑된 ITO와 같은 투명 전도성 물질일 수 있고, 상기 반사성 금속성 필름은 다시 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 기판 상에 임의적으로 침착될 수 있다. 도 5는 금속성 필름 또는 열가소성 수지, 또는 양자 모두를 가지는 상단 및/또는 하단 층을 포함하는 2개의 감광성 광전자 장치를 나타낸다.

한 실시양태에서, 열가소성 수지로부터 선택된 상단 층 및 하단 층 모두를 포함하는, 도 5에 나타낸 감광성 광전자 장치는 거울 반사를 거의 가지지 않고 단지 광의 확산 산란만을 나타낸다.

도 6에는, 도 5에 나타낸 바와 같은 스펙트랄론 반사체를 사용한 흡수 향상에 대한 설명이 제공되어 있다.

도 7은 큰 면적에 걸친 포획을 위한 채광기의 어레이를 포함하는 한 실시양태를 도시한 것이다. 이 실시양태는 윈스턴 채광기를 옵션으로서 포함할 수 있다.

도 8은 본 발명의 한 실시양태에 사용된 미세발포형 반사성 시트의 SEM 현미경 사진이다. 이 물질은 표 1에 나타낸 하기 특성들을 포함한다.

성질	설명
물질	백색 발포 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)
두께(내인성)	0.94 mm(-0.08, +0.08 mm)
폭(내인성)	600 mm(-0, +5 mm)
길이(내인성)	1,000 mm, 1,200 mm, 1,500 mm(-0, +20 mm)
밀도(내인성)	345 kg/m³(-30, +30 kg/m³)
총 반사도	99%(550 nm에서 BaSO₄를 사용한 상대 반사도)
확산 반사도	96%(550 nm에서 BaSO₄를 사용한 상대 반사도)
인장 강도(방향)	13.5 MPa(MD) 13.5 MPa(TD)
휨 강도(방향)	900 MPa(MD) 750 MPa(TD)
내화염성 확인	UL 94-HBF(파일 No. E99693)
글로우 와이어 시험	IEC 60695 GWFI 960/0.95, GWIT 850/0.95

상기 기재된 미세발포형 반사성 시트(microcelluar reflective sheet)는 우수한 반사력, 99% 이상의 총 반사도, 96% 이상의 확산 반사도를 가지고, 경량이며, 높은 내충격 강도를 가지고, < 160℃의 형상 유지 온도를 가지고, 비유해성 물질로 이루어지며, 평활한 표면을 포함하고, 10 μm 이하의 직경을 의미하는 마이크로미터 크기의 발포체로 되어 있다.

파장(nm)의 함수로서의, 상기 기재된 미세발포형 반사성 시트의 총 반사율 및 확산 반사율이 각각 도 9(a) 및 9(b)에 도시되어 있다.

한 실시양태에서, 본 발명은

- 열가소성 수지를 포함하는 제1 반사 층;

- 제1 반사 층에 실질적으로 평행한 제2 반사 층;

- 제1 반사 층 및 제2 반사 층 중 하나 이상의 층 상의 제1 투명 전극 층; 및

- 제1 전극에 인접한 감광성 영역

을 포함하는 감광성 광전자 장치(photosensitive optoelectronic device)로서,

제1 투명 전극 층은 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고 감광성 영역에 인접하며,

장치는 반사 층의 평면에 대해 횡단하는 외부 면(exterior face)을 가지며, 여기서 외부 면은 장치의 내부에 입사 방사선이 들어오도록 하는 개구(aperture)를 가지는 것인 감광성 광전자 장치에 관한 것이다.

한 실시양태에서, 감광성 광전자 장치는 제2 투명 전극 층을 추가로 포함하고, 여기서 제1 투명 전극 층은 제1 반사 층에 인접하고, 제2 투명 전극 층은 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극에 대해 간격을 두고 대향하여 감광성 영역에 인접한다.

제1 투명 전극 층 및 제2 투명 전극 층은 각각 독립적으로 전도성 산화물, 전도성 탄소 나노튜브, 전도성 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

제1 반사 층 및 제2 반사 층의 두께는 독립적으로 그리고 일반적으로 1 mm 내지 10 mm, 예컨대 4 mm 내지 6 mm의 범위이다.

한 실시양태에서, 제1 반사 층의 열가소성 수지는 불소중합체 수지, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다.

본원에 개시된 감광성 광전자 장치와 함께 사용될 수 있는 개구는 실질적으로 원형, 다각형 또는 직사각형인 형상을 가질 수 있다.

한 실시양태에서, 제1 반사 층 및 제2 반사 층은 실질적으로 평면이다.

제2 반사 층은 금속 또는 열가소성 수지, 예컨대 불소중합체 수지를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 불소중합체 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다.

본원에 기재된 감광성 광전자 장치는 입구(etrance opening) 및 출구(exit opening)를 가지는 광학 집광기(optical cocentrator)를 추가로 포함할 수 있고, 여기서 출구는 개구에 부착된다. 한 실시양태에서, 광학 집광기는 입구와 출구와의 사이에 실질적으로 포물선으로 경사진 측면(parabolically sloped side)을 가진다. 또 다른 실시양태에서, 광학 집광기는 입구와 출구와의 사이에 실질적으로 원뿔형인 형상을 가진다. 또 다른 실시양태에서, 광학 집광기는 절단형 포물면 형상(truncated paraboloid shape) 또는 홈통형 형상(trough shape)을 가진다.

본원에 기재된 광학 집광기는 집광기의 성질을 증진시키는 상이한 내면들을 가질 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 광학 집광기는 총괄적으로 원뿔형인 형상에 근접하는 복수개의 평면 영역을 포함하는 내면을 가진다. 또 다른 실시양태에서, 광학 집광기는 총괄적으로 홈통형인 형상에 근접하는 복수개의 평면 영역을 포함하는 내면을 가진다.

본원에 기재된 감광성 광전자 장치는 요망되는 상이한 층들, 예컨대 제1 전극 층에 인접하게 배치된 여기자 차단 층을 형성하는 유기 물질을 포함하는 감광성 영역도 또한 포함할 수 있다. 감광성 광전자 장치는 또한 여기자 차단 층 및 제2 전극 층을 포함할 수 있고, 여기서 여기자 차단 층은 제1 전극 층 및 제2 전극 층 및 제1 반사 층과 인접하게 배치된다.

본원에 기재된 감광성 광전자 장치는 전자 수송 층에 인접한 정공 수송 층을 포함하는 감광성 영역을 추가로 포함할 수 있다. 정공 수송 층의 비제한적 예는 CuPc이고, 전자 수송 층은 PTCBI 또는 C60이다.

한 실시양태에서, 감광성 광전자 장치는 전자 수송 층과 제1 전극 층 및 제2 전극 및 제1 반사 층 중 하나와의 사이에 배치된 여기자 차단 층을 포함하고, 여기서 제2 전극 및 제1 반사 층은 캐소드이다.

여기자 차단 층의 비제한적 예에는 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린, 바쏘쿠프로인 또는 루테늄(III) 아세틸아세토네이트가 포함된다.

한 실시양태에서, 감광성 광전자 장치는 적층(stacked) 유기 감광성 광전자 장치인 감광성 영역을 포함한다.

유기 감광성 물질에 부가하여, 본원에 기재된 감광성 영역은 무기 감광성 물질, 예컨대 규소계 광전 구조(silicon based photovoltaic structure)를 포함할 수 있다.

또 다른 실시양태는

- 열가소성 수지를 포함하는 제1 반사 층;

- 전도성 산화물 또는 전도성 중합체를 임의적으로 포함하고 제1 반사 층에 인접한 제1 투명 전극 층;

- 제1 전극에 인접한 감광성 영역;

- 전도성 산화물 또는 전도성 중합체를 임의적으로 포함하는 제2 투명 전극으로서, 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극에 대해 간격을 두고 대향하여 감광성 영역에 인접한 제2 투명 전극; 및

- 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극 및 감광성 영역에 대해 간격을 두고 대향하여 제2 전극에 인접한 열가소성 수지를 포함하는 제2 반사 층

을 포함하는 감광성 광전자 장치로서,

장치는 반사 층의 평면에 대해 횡단하는 외부 면을 가지며, 여기서 외부 면은 장치의 내부에 입사 방사선이 들어오도록 하는 개구를 가지는 것인 감광성 광전자 장치를 제공한다.

제1 반사 층 또는 제2 반사 층 중 하나 이상의 열가소성 수지는 불소중합체 수지, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다.

한 실시양태에서, 제1 반사 층 또는 제2 반사 층 중 하나 이상의 열가소성 수지는 그 위에 코팅되거나 또는 그 안에 도핑된 황산바륨을 추가로 포함한다.

본원에 사용될 수 있는 전도성 산화물의 비제한적 예에는 산화인듐주석(ITO), 산화주석(TO), 산화갈륨인듐주석(GITO), 산화아연(ZO) 및 산화아연인듐주석(ZITO)이 포함되고, 투명 전도성 중합체는 폴리아날린(PANI)을 포함한다.

한 실시양태는 상호 인접하게 정렬된 2개 이상의 감광성 광전자 장치를 포함하는, 채광기의 정렬된 어레이를 제공한다.

본 발명의 구체적 실시예들이 본원에 예시 및/또는 설명되어 있다. 그러나, 본 발명의 변형예 및 변경예는 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나는 일 없이 상기 교시내용에 의해 포함되고 또한 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 이해된다.

Claims

- 열가소성 수지를 포함하는 제1 반사 층;
- 제1 반사 층에 실질적으로 평행한 제2 반사 층;
- 제1 반사 층 및 제2 반사 층 중 하나 이상의 층 상의 제1 투명 전극 층; 및
- 제1 전극에 인접한 감광성 영역
을 포함하는 감광성 광전자 장치(photosensitive optoelectronic device)로서,
제1 투명 전극 층은 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고 감광성 영역에 인접하며,
장치는 반사 층의 평면에 대해 횡단하는 외부 면(exterior face)을 가지며, 여기서 외부 면은 장치의 내부에 입사 방사선이 들어오도록 하는 개구(aperture)를 가지는 것인
감광성 광전자 장치.
제1항에 있어서, 제2 투명 전극 층을 추가로 포함하고, 제1 투명 전극 층은 제1 반사 층에 인접하며, 제2 투명 전극 층은 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극에 대해 간격을 두고 대향하여 감광성 영역에 인접하는 것인 장치.
제2항에 있어서, 제1 투명 전극 층 및 제2 투명 전극 층은 각각 독립적으로 전도성 산화물, 전도성 탄소 나노튜브, 전도성 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 제1 반사 층 및 제2 반사 층의 두께는 독립적으로 1 mm 내지 10 mm의 범위인 것인 장치.
제4항에 있어서, 제1 반사 층 및 제2 반사 층의 두께는 독립적으로 4 mm 내지 6 mm의 범위인 것인 장치.
제1항에 있어서, 제1 반사 층의 열가소성 수지는 불소중합체 수지를 포함하는 것인 장치.
제6항에 있어서, 불소중합체 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 개구는 실질적으로 원형, 다각형 또는 직사각형인 형상을 가지는 것인 장치.
제1항에 있어서, 제1 반사 층 및 제2 반사 층은 실질적으로 평면인 것인 장치.
제1항에 있어서, 제2 반사 층은 금속 또는 열가소성 수지를 포함하는 것인 장치.
제10항에 있어서, 제2 반사 층의 열가소성 수지는 불소중합체 수지를 포함하는 것인 장치.
제11항에 있어서, 불소중합체 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 입구(entrance opening) 및 출구(exit opening)를 가지는 광학 집광기(optical concentrator)를 추가로 포함하고, 여기서 출구는 개구에 부착되는 것인 장치.
제13항에 있어서, 광학 집광기는 입구와 출구와의 사이에 실질적으로 포물선으로 경사진 측면(parabolically sloped side)을 가지는 것인 장치.
제13항에 있어서, 광학 집광기는 입구와 출구와의 사이에 실질적으로 원뿔형인 형상을 가지는 것인 장치.
제13항에 있어서, 광학 집광기는 절단형 포물면 형상(truncated paraboloid shape) 또는 홈통형 형상(trough shape)을 가지는 것인 장치.
제13항에 있어서, 광학 집광기는 총괄적으로 원뿔형인 형상에 근접하는 복수개의 평면 영역을 포함하는 내면을 가지는 것인 장치.
제13항에 있어서, 광학 집광기는 총괄적으로 홈통형인 형상에 근접하는 복수개의 평면 영역을 포함하는 내면을 가지는 것인 장치.
제1항에 있어서, 감광성 영역은 유기 물질을 포함하는 것인 장치.
제19항에 있어서, 제1 전극 층에 인접하게 배치된 여기자 차단 층을 추가로 포함하는 장치.
제20항에 있어서, 여기자 차단 층 및 제2 전극 층을 추가로 포함하고, 여기서 여기자 차단 층은 제1 전극 층 및 제2 전극 층 및 제1 반사 층에 인접하게 배치되는 것인 장치.
제20항에 있어서, 감광성 영역은 전자 수송 층에 인접한 정공 수송 층을 포함하는 것인 장치.
제22항에 있어서, 정공 수송 층은 CuPc를 포함하고, 전자 수송 층은 PTCBI 또는 C60을 포함하는 것인 장치.
제21항에 있어서, 전자 수송 층과 제1 전극 층 및 제2 전극 및 제1 반사 층 중 하나와의 사이에 배치된 여기자 차단 층을 추가로 포함하고, 여기서 제2 전극 및 제1 반사 층은 캐소드인 것인 장치.
제24항에 있어서, 여기자 차단 층은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린, 바쏘쿠프로인 또는 루테늄(III) 아세틸아세토네이트를 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 감광성 영역은 적층(stacked) 유기 감광성 광전자 장치인 것인 장치.
제1항에 있어서, 감광성 영역은 무기 감광성 물질을 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 감광성 영역은 규소계 광전 구조(silicon based photovoltaic structure)인 것인 장치.
상호 인접하게 정렬되는 2개 이상의 제1항에 따른 장치를 포함하는, 채광기(light collector)의 정렬된 어레이.
- 열가소성 수지를 포함하는 제1 반사 층;
- 전도성 산화물 또는 전도성 중합체를 임의적으로 포함하고 제1 반사 층에 인접한 제1 투명 전극 층;
- 제1 전극에 인접한 감광성 영역;
- 전도성 산화물 또는 전도성 중합체를 임의적으로 포함하는 제2 투명 전극으로서, 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극에 대해 간격을 두고 대향하여 감광성 영역에 인접한 제2 투명 전극; 및
- 제1 반사 층에 실질적으로 평행하고, 제1 전극 및 감광성 영역에 대해 간격을 두고 대향하여 제2 전극에 인접한 열가소성 수지를 포함하는 제2 반사 층,
를 포함하는 감광성 광전자 장치로서,
장치는 반사 층의 평면에 대해 횡단하는 외부 면을 가지며, 여기서 외부 면은 장치의 내부에 입사 방사선이 들어오도록 하는 개구를 가지는 것인 감광성 광전자 장치.
제30항에 있어서, 제1 반사 층 또는 제2 반사 층 중 하나 이상의 열가소성 수지는 불소중합체 수지를 포함하는 것인 장치.
제31항에 있어서, 불소중합체 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌인 것인 장치.
제30항에 있어서, 제1 반사 층 또는 제2 반사 층 중 하나 이상의 열가소성 수지는 그 위에 코팅되나 그 내에 도핑된 황산바륨을 추가로 포함하는 것인 장치.
제30항에 있어서, 전도성 산화물은 산화인듐주석(ITO), 산화주석(TO), 산화갈륨인듐주석(GITO), 산화아연(ZO) 및 산화아연인듐주석(ZITO)으로부터 선택되고, 투명 전도성 중합체는 폴리아날린(PANI)을 포함하는 것인 장치.
상호 인접하게 정렬된 2개 이상의 제30항에 따른 장치를 포함하는, 채광기의 정렬된 어레이.