KR20140044786A - 광기전력 전지 - Google Patents

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KR20140044786A
KR20140044786A KR1020137023251A KR20137023251A KR20140044786A KR 20140044786 A KR20140044786 A KR 20140044786A KR 1020137023251 A KR1020137023251 A KR 1020137023251A KR 20137023251 A KR20137023251 A KR 20137023251A KR 20140044786 A KR20140044786 A KR 20140044786A
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케티니 지 치티바부
니루파마 카타무리
프란츠 레네 코글러
데이비드 피 월러
알레산드로 체다
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 개시는, 제 1 전극 및 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 광활성층, 및 제 1 전극과 광활성층 사이의 정공 캐리어층을 포함하는 물품을 특징으로 한다. 정공 캐리어층은 Cu(I) 함유 재료를 포함한다. 이 물품은 광기전력 전지로서 구성된다

Description

광기전력 전지{PHOTOVOLTAIC CELLS}
관련 출원의 상호 참조
35 U.S.C. §119(e) 에 따라, 본 출원은 2011년 2월 3일에 출원된 미국 가출원 일련번호 No. 61/439,122에 대해 우선권을 주장하며, 그 내용은 참조로써 본 명세서에서 원용된다.
기술 분야
본 개시는 광기전력 전지들 (photovoltaic cells), 그리고 관련 컴포넌트들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.
광기전력 전지들은 광 형태의 에너지를 전기 형태의 에너지로 전환하기 위해서 보통 사용된다. 통상적인 광기전력 전지는 2개의 전극들 사이에 배치된 광활성 재료를 포함한다. 일반적으로, 광은 전극들 중 하나 또는 양자를 통과하여 광활성 재료와 상호작용한다. 그 결과, 전극들 중 하나 또는 양자의 광 (예를 들어, 광활성 재료에 의해 흡수되는 하나 이상의 파장들에서의 광) 을 투과시키기 위한 능력은 광기전력 전지의 전반적인 효율을 제한할 수 있다. 다수의 광기전력 전지들에 있어서, 광이 통과하는 전극(들)을 형성하기 위해 반전도성 (semiconductive) 재료 (예를 들어, 인듐 주석 산화물) 의 막이 사용되는데, 그 이유는 비록 반전도성 재료가 전기 전도성 재료들보다 더 낮은 전기 전도율을 가질 수 있지만, 반전도성 재료가 다수의 전기 전도성 재료들보다 더 많은 광을 투과시킬 수 있기 때문이다.
본 개시는, 종래의 산성 정공 캐리어 재료 (예를 들어, 폴리스티렌술포네이트 (PSS) 로 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT)) 를 대체하기 위해서 Cu(I) 함유 재료를 사용하여, 광기전력 전지에 충분히 높은 에너지 변환 효율을 제공할 수 있다는 예기치 않은 발견에 기반한다. 이로써 형성된 광기전력 전지는 비산성 정공 캐리어 재료를 포함하고, 따라서 산성 정공 캐리어 재료를 포함하는 종래의 광기전력 전지에 비해 개선된 안정성 및 수명을 가질 수 있다.
일 양태에서, 본 개시는 제 1 전극 및 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 광활성층, 및 제 1 전극과 광활성층 사이의 정공 캐리어층을 포함하는 물품을 특징으로 한다. 정공 캐리어층은 Cu(I) 함유 재료를 포함한다. 물품은 광기전력 전지로서 구성된다.
다른 양태에서, 본 개시는 제 1 전극 및 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 층을 포함하는 물품을 특징으로 한다. 층은 Cu(I) 함유 재료를 포함한다. 물품은 광기전력 전지로서 구성된다.
실시형태들은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 Cu(I) 산화물을 포함한다. 예를 들어, Cu(I) 산화물은 Cu2O 또는 CuxO 를 포함할 수 있고, 여기서 x 는 1 초과 2 미만의 수이다.
몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 Cu(I) 염을 포함한다. Cu(I) 염은 Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, CuSCN, CuSeCN, 또는 그 조합물을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 나노입자들의 형태이다. 나노입자들은 평균 직경이 적어도 약 2 nm 및/또는 최대 약 200 nm 일 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층은 바인더를 더 포함한다. 바인더는 폴리머 또는 졸 겔을 포함할 수 있다. 폴리머는 아크릴 수지, 이온성 폴리머, 또는 전자 수용기를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다. 졸 겔은 p형 졸로부터 형성될 수 있고, p형 졸은 바나드산, 바나듐(V) 클로라이드, 바나듐(V) 알콕시드, 니켈(II) 클로라이드, 니켈(II) 알콕시드, 구리(II) 아세테이트, 구리(II) 알콕시드, 몰리브덴(V) 클로라이드, 몰리브덴(V) 알콕시드, 또는 그 조합물을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 바인더에서 실질적으로 균질하게 분산된다.
몇몇 실시형태들에서, 바인더는 정공 캐리어층의 적어도 약 1 체적% 및/또는 최대 약 50 체적% 이다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층은 일 함수가 적어도 약 -6.5 eV 및/또는 최대 약 -4.8 eV 이다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층은 두께가 적어도 약 5 nm 및/또는 최대 약 500 nm 이다.
몇몇 실시형태들에서, 광활성층은 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함한다. 전자 공여체 재료는 폴리티오펜들, 폴리아닐린들, 폴리카르바졸들, 폴리비닐카르바졸들, 폴리페닐렌들, 폴리페닐비닐렌들, 폴리실란들, 폴리티에닐렌비닐렌들, 폴리이소티아나프탄들, 폴리시클로펜타디티오펜들, 폴리실라시클로펜타디티오펜들, 폴리시클로펜타디티아졸들, 폴리티아졸로티아졸들, 폴리티아졸들, 폴리벤조티아디아졸들, 폴리(티오펜 산화물)들, 폴리(시클로펜타디티오펜 산화물)들, 폴리티아디아졸로퀴녹살린들, 폴리벤조이소티아졸들, 폴리벤조티아졸들, 폴리티에노티오펜들, 폴리(티에노티오펜 산화물)들, 폴리디티에노티오펜들, 폴리(디티에노티오펜 산화물)들, 폴리테트라히드로이소인돌들, 폴리플루오렌들, 및 그 코폴리머들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 공여체 재료는 폴리티오펜 또는 폴리시클로펜타디티오펜을 포함할 수 있다. 전자 수용체 재료는 풀러렌들, 무기 나노입자들, 옥사디아졸들, 디스코틱 액정들, 탄소 나노막대들, 무기 나노막대들, CN 기들을 포함하는 폴리머들, CF3 기들을 포함하는 폴리머들, 및 그 조합물들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 수용체 재료는 치환된 풀러렌을 포함할 수 있다.
다른 특징, 목적, 및 이점들은 상세한 설명, 도면, 및 특허청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1 은 광기전력 전지의 실시형태의 단면도이다.
도 2 는 직렬로 전기적으로 접속되는 다중 광기전력 전지들을 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 3 은 병렬로 전기적으로 접속되는 다중 광기전력 전지들을 포함하는 시스템의 개략도이다.
여러 도면들에서 유사 참조 부호들은 유사 엘리먼트들을 나타낸다.
일반적으로, 본 개시는 Cu(I) 함유 재료를 갖는 층을 포함하는 광기전력 전지에 관한 것이다. 그 층은 광기전력 전지에서 정공 캐리어층으로서 사용될 수 있다.
도 1은 기판 (110), 전극 (120), 선택적인 정공 차단층 (130), (예를 들어, 전자 수용체 재료 및 전자 공여체 재료를 포함하는) 광활성층 (140), 정공 캐리어층 (150), 전극 (160), 및 기판 (170) 을 포함하는 예시적인 광기전력 전지 (100) 의 단면도를 나타낸다.
일반적으로, 사용 동안, 광은 기판 (110) 의 표면 상에 침입하고, 그리고 기판 (110), 전극 (120), 및 선택적인 정공 차단층 (130) 을 통과할 수 있다. 이후 광은 광활성층 (140) 과 상호작용하여, 전자들이 전자 공여체 재료 (예를 들어, 공액 폴리머) 로부터 전자 수용체 재료 (예를 들어, 치환된 풀러렌) 로 전달되게 한다. 이후 전자 수용체 재료는 전자들을 선택적인 정공 차단층 (130) 을 통해 전극 (120) 으로 전송하고, 전자 공여체 재료는 정공들을 정공 캐리어층 (150) 를 통해 전극 (160) 으로 전달한다. 전극들 (120 및 160) 은 외부 부하 (load) 를 통해 전기 접속되어 있어, 전자들이 전극 (120) 으로부터 부하를 통해 전극 (160) 으로 지나간다.
정공 캐리어층 (150) 은 일반적으로 Cu(I) 함유 재료를 포함한다. Cu(I) 함유 재료는 Cu(I) 산화물, Cu(I) 염, 또는 그 조합물을 포함할 수 있다. 예시적인 Cu(I) 산화물들은 Cu2O 및 CuxO 를 포함하며, 여기서 x 는 1 초과 2 미만의 수이다. 예시적인 Cu(I) 염들은 Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, CuSCN, CuSeCN, 및 그 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 p형 반도체이다.
이론에 구속되지 않고, 종래의 산성 정공 캐리어 재료 (예를 들어, PSS 로 도핑된 PEDOT) 를 대체하기 위해서 Cu(I) 함유 재료를 사용하여, 광기전력 전지에 충분히 높은 에너지 변환 효율을 제공할 수 있는 것으로 여겨진다. 이로써 형성된 광기전력 전지는 비산성 정공 캐리어 재료를 포함하고, 따라서 산성 정공 캐리어 재료를 포함하는 종래의 광기전력 전지에 비해 개선된 안정성 및 수명을 가질 수 있다. 또한, 이론에 구속되지 않고, Cu(I) 함유 재료는 충분히 큰 정공 이동도를 가질 수 있고, 이것은 큰 막 두께 (예를 들어, 약 50 nm ~ 약 400 nm) 를 갖는 정공 캐리어층을 형성할 수 있게 하는 것으로 여겨진다. 이러한 정공 캐리어층은 광기전력 전지들을 큰 스케일로 제조하는 동안 (단락을 야기시킬 수 있는) 션팅 (shunting) 을 최소화할 수 있다. 또한, Cu(I) 함유 재료는 일반적으로 종래의 정공 캐리어 재료 (예를 들어, PSS 로 도핑된 PEDOT) 보다 물에 덜 민감하고 덜 고가이다. 즉, Cu(I) 함유 재료는 공지된 정공 캐리어 재료들보다 우수한 것으로 여겨진다.
몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료는 나노입자들의 형태이다. 나노입자들은 평균 직경이 적어도 약 2 nm (예를 들어, 적어도 약 5 nm, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 또는 적어도 약 30 nm) 및/또는 최대 약 200 nm (예를 들어, 최대 약 150 nm, 최대 약 100 nm, 최대 약 50 nm, 또는 최대 약 30 nm) 일 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 나노입자들의 평균 직경이 너무 작은 경우라면, Cu(I) 함유 재료는 효과적인 정공 캐리어층으로서 기능하기에 충분한 정공 전도율을 가지지 않은 것으로 여겨진다. 또한, 이론에 구속되지 않고, 나노입자들의 평균 직경이 너무 큰 경우라면, Cu(I) 함유 재료는 큰 기공들을 포함할 수도 있고, 따라서 광기전력 전지의 제조 동안 기저층에 대해 효과적인 용매 배리어로서 기능하지 않을 수도 있는 것으로 여겨진다. 바람직하게, 나노입자들은 평균 직경이 약 10 nm ~ 약 30 nm 일 수 있다.
일반적으로, Cu(I) 함유 재료가 선택적으로 하나 이상의 도펀트들로 도핑되어 정공 캐리어층 (150) 의 일 함수를 조절할 수 있다. 적합한 도펀트들의 예들은 금속들 (예를 들어, Ba, Be, Sr, Li, 및 Y, La, 및 Ln 과 같은 희토류 금속들), C60 및 그 유도체들, C70 및 그 유도체들, 단일벽 및 다중벽 나노튜브들, 및 금속 산화물들 (예를 들어, 아연 산화물들 또는 티타늄 산화물들) 을 포함한다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 은 선택적으로 바인더를 포함할 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 바인더는 정공 캐리어층에서 나노입자들 사이의 기공들을 충전할 수 있고 정공 캐리어층의 기계적 안정성을 개선할 수 있는 것으로 여겨진다. 일반적으로, Cu(I) 함유 재료는 정공 캐리어층 (150) 내의 바인더에서 실질적으로 균질하게 분산된다. 또한, 바인더는 일반적으로 그 이웃 층들의 일 함수와 매칭되지 않는 방식으로 정공 캐리어층 (150) 의 일 함수에 영향을 주지 않는다 (예를 들어, 광활성층 내의 전자 공여체 재료의 일 함수와 상당히 상이함). 몇몇 실시형태들에서, 바인더를 포함하는 정공 캐리어층 (150) 은 일 함수가 약 -6.5 eV ~ 약 -4.8 eV 일 수 있다 (예를 들어, 약 -5.0 eV).
몇몇 실시형태들에서, 바인더는 폴리머를 포함할 수 있다. 적합한 폴리머들의 예들은 아크릴 수지, 이온성 폴리머들, 및 전자 수용기를 포함하는 폴리머들을 포함한다. 일반적으로, 폴리머는 유기 용매 (예를 들어, 알코올, 니트릴, 또는 지방족 탄화수소 용매) 에 가용성이다.
예시적인 아크릴 수지들은 메틸 메타크릴레이트 호모폴리머들 및 코폴리머들, 에틸 메타크릴레이트 호모폴리머들 및 코폴리머들, 부틸 메타크릴레이트 (예를 들어, n-부틸 메타크릴레이트 또는 이소-부틸 메타크릴레이트) 호모폴리머들 및 코폴리머들을 포함한다. 이러한 아크릴 수지들의 상업적인 예들은 Lucite International (Cordova, TN) 로부터 입수 가능한 폴리머들 중 ELVACITE 시리즈를 포함한다.
일반적으로, 바인더로서 사용하기에 적합한 이온성 폴리머들은 양성 및/또는 음성 기들을 포함할 수 있다. 예시적인 양성 기들은 암모늄 기들 (예를 들어, 테트라메틸암모늄), 포스포늄, 및 피리디늄을 포함한다. 예시적인 음성 기들은 카르복실레이트, 술포네이트, 포스페이트, 및 보로네이트를 포함한다.
일반적으로, 전자 수용기를 포함하는 폴리머들은 플루오로 함유 폴리머들 및 시아노 함유 폴리머들일 수 있다. 플루오로 함유 폴리머들은 완전 또는 부분 불소화 폴리머들일 수 있다. 완전 불소화 폴리머들의 예들은 폴리(헥사플루오로프로필렌), 폴리(퍼플루오로알킬 비닐 에테르), 폴리(퍼플루오로-(2,2-디메틸-1,3-디옥솔), 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)을 포함한다. 부분 불소화 폴리머들의 예들은 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 부분 불소화 폴리실록산, 부분 불소화 폴리아크릴레이트, 및 부분 불소화 폴리메타크릴레이트, 부분 불소화 폴리스티렌, 및 부분 불소화 폴리(테트라플루오로에틸렌) 코폴리머들을 포함한다. 플루오로 함유 폴리머들의 상업적인 예들은 E.I. du Pont de Nemours and Company (Wilmington, DE) 로부터 입수 가능한 폴리머들의 TEFLON, TEFLON AF, NAFION, 및 TEDLAR 시리즈, Atochem (Philadelphia, PA) 로부터 입수 가능한 폴리머들의 KYNAR 시리즈, 및 Bellex International Corporation (Wilmington, DE) 로부터 입수 가능한 폴리머들의 CYTOP 시리즈를 포함한다. 불소화된 이온성 폴리머들 (예를 들어, 카르복실, 술폰산, 포스폰산을 포함하는 폴리머들) 은 또한 바인더에 적합한 플루오로 함유 폴리머로서 사용될 수 있다. 다른 적합한 전자 수용기들은 π-전자 수용기들 (예를 들어, 펜타플루오로 페닐 및 펜타플루오로 벤조일) 및 보로네이트 기들 (예를 들어, 펜타플루오로 페닐 보로네이트) 을 포함한다.
몇몇 실시형태들에서, 바인더는 졸 겔을 포함할 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 바인더로서 졸 겔을 포함하는 정공 캐리어층이 우수한 기계적 특성들을 나타내고 매우 딱딱한 막을 형성할 수 있는 것으로 여겨진다. 이러한 층은 광기전력 전지의 제작 동안 기저층에 대해 효과적인 용매 배리어로서의 역할을 한다.
몇몇 실시형태들에서, 졸 겔은 p형 반도체 (즉, p형 졸 겔) 일 수 있다. p형 졸 겔은 p형 졸로부터 형성될 수 있으며, 예컨대, 바나드산, 바나듐(V) 클로라이드, 바나듐(V) 알콕시드, 니켈(II) 클로라이드, 니켈(II) 알콕시드, 구리(II) 아세테이트, 구리(II) 알콕시드, 몰리브덴(V) 클로라이드, 몰리브덴(V) 알콕시드, 또는 그 조합물을 포함하는 것들이 있다. 이론에 구속되지 않고, 이로써 형성된 정공 캐리어층이 이웃 층들의 일 함수와 매칭되지 않는 방식으로, p형 졸 겔이 Cu(I) 함유 재료의 일 함수를 상당히 변화시키지는 않을 것으로 여겨진다.
몇몇 실시형태들에서, 바인더는 정공 캐리어층 (150) 의 적어도 약 1 vol% (예를 들어, 적어도 약 2 vol%, 적어도 약 5 vol%, 적어도 약 10 vol%, 또는 적어도 약 20 vol%) 및/또는 최대 약 50 vol% (예를 들어, 최대 약 40 vol%, 최대 약 30 vol%, 최대 약 25 vol%, 또는 최대 약 15 vol%) 일 수 있다.
일반적으로, 정공 캐리어층 (150) 의 일 함수는 (예를 들어, 광기전력 전지 (100) 에서 그 이웃 층들의 일 함수에 따라) 원하는 대로 달라질 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 은 일 함수가 적어도 약 -6.5 eV (예를 들어, 적어도 약 -6.3 eV, 적어도 약 -6.1 eV, 적어도 약 -5.9 eV, 또는 적어도 약 -5.7 eV) 및/또는 최대 약 -4.8 eV (예를 들어, 최대 약 -5.0 eV, 최대 약 -5.2 eV, 최대 약 -5.4 eV, 또는 최대 약 -5.6 eV) 일 수 있다.
일반적으로, 정공 캐리어층 (150) 의 두께 (즉, 광활성층 (140) 과 접촉하는 정공 캐리어층 (150) 의 표면과 정공 캐리어층 (150) 과 접촉하는 전극 (160) 의 표면 사이의 거리) 가 원하는 대로 달라질 수 있다. 통상적으로, 정공 캐리어층 (150) 의 두께는 적어도 약 5 nm (예를 들어, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 100 nm, 또는 적어도 약 200 nm) 및/또는 최대 약 500 nm (예를 들어, 최대 약 400 nm, 최대 약 300 nm, 또는 최대 약 250 nm) 일 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 충분히 큰 두께 (예를 들어, 약 50 nm ~ 약 400 nm) 를 갖는 정공 캐리어층 (150) 은 광기전력 전지들을 큰 스케일로 제조하는 동안 션팅을 최소화할 수 있는 것으로 여겨진다.
일반적으로, 정공 캐리어층 (150) 을 제조하는 방법은 원하는대로 달라질 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 은 기상 기반의 코팅 프로세스, 예컨대, 화학적 또는 물리적 기상 증착 프로세스들을 통해 제조될 수 있다. 기상 기반의 코팅 프로세스는 일반적으로 (예를 들어, 진공으로) 코팅된 재료들을 증발시키고 (예를 들어, 스퍼터링에 의해) 증발된 재료들을 표면에 공급하는 것을 수반한다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 은 액체 기반의 코팅 프로세스를 통해 제조될 수 있다. 본 명세서에서 언급된 용어 "액체 기반의 코팅 프로세스"는 액체 기반의 코팅 조성물을 사용하는 프로세스를 말한다. 액체 기반의 코팅 조성물의 예들은 용액, 분산액, 및 현탁액을 포함한다. 액체 기반의 코팅 프로세스는 하기의 프로세스들 중 적어도 하나를 사용함으로써 실행될 수 있다: 용액 코팅, 잉크 제트 프린팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 나이프 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 롤러 코팅, 슬롯 코팅, 그라비아 코팅, 플렉소그래픽 프린팅, 또는 스크린 프린팅. 액체 기반의 코팅 프로세스들의 예들은, 예를 들어, 공동 소유의 공동 계류중인 미국 출원 공개공보 No. 2008-0006324에 기재되어 있다. 이론에 구속되지 않고, 액체 기반의 코팅 프로세스에 의해 정공 캐리어층 (150) 을 형성하여 충분히 큰 두께를 갖는 막을 얻을 수 있을 것으로 여겨진다. 이러한 정공 캐리어층은 광기전력 전지들을 큰 스케일로 제작하는 동안 션팅을 최소화할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 이 바인더 없이 Cu(I) 함유 재료를 포함하는 경우, 액체 기반의 코팅 프로세스는 Cu(I) 함유 재료 (예를 들어, Cu2O 나노입자들) 를 용매와 함께 혼합함으로써 분산액을 형성하고, (2) 분산액을 기판 상에 코팅하며, 그리고 (3) 코팅된 분산액을 건조함으로써 실행될 수 있다. 예시적인 용매들은 알코올성 용매들 (예를 들어, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, i-프로판올, n-부탄올, i-부탄올, t-부탄올, 및 메톡시프로판올), 니트릴 용매들 (예를 들어, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 및 부티로니트릴), 케톤 용매들 (예를 들어, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 시클로부타논, 및 환형 락톤), 및 지방족 탄화수소 용매들 (예를 들어, 헥산, 헵탄 및 옥탄) 을 포함한다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 이 Cu(I) 함유 재료 및 바인더로서의 폴리머를 포함하는 경우, 액체 기반의 코팅 프로세스는 (1) Cu(I) 함유 재료 (예를 들어, Cu2O 나노입자들) 및 폴리머 (예를 들어, 아크릴 수지) 를 용매와 함께 혼합함으로써 분산액을 형성하고, (2) 분산액을 기판 상에 코팅하며, 그리고 (3) 코팅된 분산액을 건조함으로써 실행될 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, Cu(I) 함유 재료를 폴리머와 혼합하기 이전에, Cu(I) 함유 재료는 제 1 용매에서 분산될 수 있고 폴리머는 (제 1 용매와 동일하거나 또는 상이할 수 있는) 제 2 용매에서 용해될 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 캐리어층 (150) 이 Cu(I) 함유 재료 및 바인더로서의 졸 겔을 포함하는 경우, 액체 기반의 코팅 프로세스는 (1) Cu(I) 함유 재료 (예를 들어, Cu2O 나노입자들) 및 졸 겔 전구체 (예를 들어, 바나듐(V) 알콕시드) 를 적합한 용매에서 혼합하여 분산액을 형성하고, (2) 분산액을 기판 상에 코팅하고, (3) 분산액을 가수분해하여 Cu(I) 함유 재료를 포함하는 졸 겔층을 형성하며, 그리고 (4) 졸 겔층을 건조함으로써 실행될 수 있다.
광기전력 전지 (100) 의 다른 컴포넌트들로 전환하면, 기판 (110) 은 일반적으로 투명한 재료로 형성된다. 본 명세서에서 언급한 바와 같이, 투명한 재료는, 광기전력 전지 (100) 에서 사용되는 두께에서, 광기전력 전지의 동작 동안 사용되는 파장 또는 파장의 범위에서 입사광의 적어도 약 60% (예를 들어, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%) 를 투과시키는 재료이다. 기판 (110) 이 형성될 수 있는 예시적인 재료들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리머 탄화수소, 셀룰로오스 폴리머들, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르, 및 폴리에테르 케톤을 포함한다. 소정의 실시형태들에서, 폴리머는 불소화된 폴리머일 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폴리머 재료들의 조합이 사용된다. 소정의 실시형태들에서, 기판 (110) 의 상이한 영역들은 상이한 재료들로 형성될 수 있다.
일반적으로, 기판 (110) 은 가요성, 반강성 (semi-rigid) 또는 강성 (예를 들어, 유리) 일 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 기판 (110) 은 굴곡 모듈러스 (flexural modulus) 가 약 5,000 메가파스칼 미만 (예를 들어, 약 1,000 메가파스칼 미만 또는 약 500 메가파스칼 미만) 이다. 소정의 실시형태들에서, 기판 (110) 의 상이한 영역들은 가요성, 반강성, 또는 비가요성 (예를 들어, 가요성인 하나 이상의 영역들 및 반강성인 하나 이상의 상이한 영역들, 가요성인 하나 이상의 영역들 및 비가요성인 하나 이상의 상이한 영역들) 일 수 있다.
통상적으로, 기판 (110) 은 두께가 적어도 약 1 미크론 (예를 들어, 적어도 약 5 미크론 또는 적어도 약 10 미크론) 및/또는 최대 약 1,000 미크론 (예를 들어, 최대 약 500 미크론, 최대 약 300 미크론, 최대 약 200 미크론, 최대 약 100 미크론, 또는 최대 약 50 미크론) 이다.
일반적으로, 기판 (110) 은 착색되거나 또는 비착색될 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 기판 (110) 의 하나 이상의 부분들은 착색되는 한편, 기판 (110) 의 하나 이상의 상이한 부분들은 비착색된다.
기판 (110) 은 하나의 평면 (예를 들어, 광이 침입하는 표면), 2개의 평면들 (예를 들어, 광이 침입하는 표면 및 반대면) 을 가질 수 있거나, 또는 어떠한 평면들도 가지지 않을 수 있다. 기판 (110) 의 비평면은, 예를 들어, 만곡되거나 또는 단차가 형성될 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 기판 (110) 의 비평면은 패터닝된다 (예를 들어, 프레넬 (Fresnel) 렌즈, 렌티큘라 렌즈 또는 렌티큘라 프리즘을 형성하기 위해서 패터닝된 단차들을 갖는다).
전극 (120) 은 일반적으로 전기 전도성 재료로 형성된다. 예시적인 전기 전도성 재료들은 전기 전도성 금속들, 전기 전도성 합금들, 전기 전도성 폴리머들, 및 전기 전도성 금속 산화물들을 포함한다. 예시적인 전기 전도성 금속들은 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐, 백금, 및 티타늄을 포함한다. 예시적인 전기 전도성 합금들은 스테인리스 강 (예를 들어, 332 스테인리스 강, 316 스테인리스 강), 금의 합금들, 은의 합금들, 구리의 합금들, 알루미늄의 합금들, 니켈의 합금들, 팔라듐의 합금들, 백금의 합금들, 및 티타늄의 합금들을 포함한다. 예시적인 전기 전도성 폴리머들은 폴리티오펜들 (예를 들어, 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (도핑된 PEDOT)), 폴리아닐린들 (예를 들어, 도핑된 폴리아닐린들), 폴리피롤들 (예를 들어, 도핑된 폴리피롤) 을 포함한다. 예시적인 전기 전도성 금속 산화물들은 인듐 주석 산화물, 불소화된 주석 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 전기 전도성 재료들의 조합물들이 사용된다.
몇몇 실시형태들에서, 전극 (120) 은 메시 전극을 포함할 수 있다. 메시 전극들의 예들은 공동 계류중인 미국 특허 출원 공개공보 Nos. 2004-0187911 및 2006-0090791에 기재되어 있다.
몇몇 실시형태들에서, 상술된 재료들의 조합물을 사용하여 전극 (120) 을 형성할 수 있다.
선택적으로, 광기전력 전지 (100) 는 정공 차단층 (130) 을 포함할 수 있다. 정공 차단층은 일반적으로, 광기전력 전지 (100) 에서 사용되는 두께에서, 전자들을 전극 (120) 으로 수송하고 정공들이 전극 (120) 으로 수송되는 것을 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 정공 차단층이 형성될 수 있는 재료들의 예들은 LiF, 금속 산화물들 (예를 들어, 아연 산화물 또는 티타늄 산화물), 및 아민들 (예를 들어, 1차, 2차, 또는 3차 아민들) 을 포함한다. 정공 차단층에서 사용하기에 적합한 아민들의 예들은, 예를 들어, 공동 계류중인 미국 출원 공개공보 No. 2008-0264488에 기재되어 있다.
이론에 구속되지 않고, 광기전력 전지 (100) 가 아민으로 제조되는 정공 차단층을 포함하는 경우, 정공 차단층은 UV 광에 노출되지 않고 광활성층 (140) 과 전극 (120) 사이의 오믹 콘택의 형성을 용이하게 하여, UV 노출으로부터 초래되는 광기전력 전지 (100) 에 대한 손상을 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다.
몇몇 실시형태들에서, 정공 차단층 (130) 은 두께가 적어도 약 1 nm (예를 들어, 적어도 약 2 nm, 적어도 약 5nm, 또는 적어도 약 10 nm) 및/또는 최대 약 50 nm (예를 들어, 최대 약 40 nm, 최대 약 30 nm, 최대 약 20 nm, 또는 최대 약 10 nm) 일 수 있다.
광활성층 (140) 은 일반적으로 전자 수용체 재료 (예를 들어, 유기 전자 수용체 재료) 및 전자 공여체 재료 (예를 들어, 유기 전자 공여체 재료) 를 포함한다.
전자 수용체 재료들의 예들은 풀러렌들, 무기 나노입자들, 옥사디아졸들, 디스코틱 액정들, 탄소 나노막대들, 무기 나노막대들, 전자들을 수용하거나 또는 안정적인 음이온들을 형성할 수 있는 모이어티들을 포함하는 폴리머들 (예를 들어, CN 기들을 포함하는 폴리머들 또는 CF3 기들을 포함하는 폴리머들), 및 그 조합물들을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 전자 수용체 재료는 치환된 풀러렌 (예를 들어, 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르 (PCBM-C60) 또는 페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르 (PCBM-C70)) 이다. 몇몇 실시형태들에서, 전자 수용체 재료들의 조합물이 광활성층 (140) 에 사용될 수 있다.
전자 공여체 재료들의 예들은 공액 폴리머들, 예컨대, 폴리티오펜들, 폴리아닐린들, 폴리카르바졸들, 폴리비닐카르바졸들, 폴리페닐렌들, 폴리페닐비닐렌들, 폴리실란들, 폴리티에닐렌비닐렌들, 폴리이소티아나프탄들, 폴리시클로펜타디티오펜들, 폴리실라시클로펜타디티오펜들, 폴리시클로펜타디티아졸들, 폴리티아졸로티아졸들, 폴리티아졸들, 폴리벤조티아디아졸들, 폴리(티오펜 산화물)들, 폴리(시클로펜타디티오펜 산화물)들, 폴리티아디아졸로퀴녹살린들, 폴리벤조이소티아졸들, 폴리벤조티아졸들, 폴리티에노티오펜들, 폴리(티에노티오펜 산화물)들, 폴리디티에노티오펜들, 폴리(디티에노티오펜 산화물)들, 폴리플루오렌들, 폴리테트라히드로이소인돌들, 및 그 코폴리머들을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 전자 공여체 재료는 폴리티오펜들 (예를 들어, 폴리(3-헥실티오펜)), 폴리시클로펜타디티오펜들, 및 그 코폴리머들일 수 있다. 소정의 실시형태들에서, 전자 공여체 재료들의 조합물이 광활성층 (140) 에서 사용될 수 있다.
광활성층 (140) 에서 사용하기에 적합한 다른 폴리머들의 예들은, 예를 들어, 미국 특허 Nos. 7,781,673 및 7,772,485, PCT 출원 No. PCT/US2011/020227, 및 미국 출원 공개공보 Nos. 2010-0224252, 2010-0032018, 2008-0121281, 2008-0087324, 2007-0020526, 및 2007-0017571 에 기재되어 있다.
전극 (160) 은 일반적으로 전기 전도성 재료, 예컨대, 전극 (120) 과 관련하여 상술된 전기 전도성 재료들 중 하나 이상으로 형성된다. 몇몇 실시형태들에서, 전극 (160) 은 전기 전도성 재료들의 조합물로 형성된다. 소정의 실시형태들에서, 전극 (160) 은 메시 전극으로 형성될 수 있다.
기판 (170) 은 기판 (110) 과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 기판 (170) 은 하나 이상의 적합한 폴리머들, 예컨대, 상술된 기판 (110) 에서 사용되는 폴리머들로 형성될 수 있다.
일반적으로, 광기전력 전지 (100) 에서 층들 (120, 130, 140, 및 160) 각각을 제조하는 방법들은 원하는대로 달라질 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 층 (120, 130, 140, 또는 160) 은 기상 기반의 코팅 프로세스 또는 액체 기반의 코팅 프로세스, 예컨대 상술된 것들에 의해 제조될 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 층 (예를 들어, 층 120, 130, 140, 또는 160) 이 무기 반도체 재료를 포함하는 경우, 액체 기반의 코팅 프로세스는 (1) 무기 반도체 재료를 용매 (예를 들어, 수성 용매 또는 무수 알코올) 와 혼합하여 분산액을 형성하고, (2) 분산액을 기판 상에 코팅하며, 그리고 (3) 코팅된 분산액을 건조함으로써 실행될 수 있다. 소정의 실시형태들에서, 무기 금속 산화물 나노입자들을 포함하는 층을 제조하기 위한 액체 기반의 코팅 프로세스는 (1) 전구체 (예를 들어, 티타늄 염) 를 적합한 용매 (예를 들어, 무수 알코올) 에 분산시켜 분산액을 형성하고, (2) 분산액을 기판 상에 코팅하고, (3) 분산액을 가수분해하여 금속 산화물 나노입자들 층 (예를 들어, 티타늄 산화물 나노입자들 층) 을 형성하며, 그리고 (4) 금속 산화물 나노입자들 층을 건조함으로써 실행될 수 있다. 소정의 실시형태들에서, 액체 기반의 코팅 프로세스는 졸 겔 프로세스에 의해 실행될 수 있다.
일반적으로, 유기 반도체 재료를 포함하는 층 (예를 들어, 층 120, 130, 140, 또는 160) 을 제조하기 위해 사용되는 액체 기반의 코팅 프로세스는 무기 반도체 재료를 포함하는 층을 제조하기 위해서 사용되는 것과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 유기 반도체 재료를 포함하는 층을 제조하기 위해서, 액체 기반의 코팅 프로세스는 유기 반도체 재료를 용매 (예를 들어, 유기 용매) 와 혼합하여 용액 또는 분산액을 형성하고, 용액 또는 분산액을 기판 상에 코팅하며, 그리고 코팅된 용액 또는 분산액을 건조함으로써 실행될 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 광기전력 전지 (100) 는 연속 제작 프로세스, 예컨대, 롤 투 롤 프로세스로 제조될 수 있고, 이로써 제작 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 롤 투 롤 프로세스들의 예들은, 예를 들어, 공동 소유의 공동 계류중인 미국 특허 No. 7,476,278 및 미국 출원 공개공보 No. 2007-0295400 에 기재되어 있다.
소정의 실시형태들이 개시되는 동안, 다른 실시형태들이 또한 가능하다.
몇몇 실시형태들에서, 광기전력 전지 (100) 는 하부 전극 (즉, 전극 (120)) 으로서의 캐소드 및 상부 전극 (즉, 전극 (160)) 으로서의 애노드를 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 광기전력 전지 (100) 는 하부 전극으로서의 애노드 및 상부 전극으로서의 캐소를 포함한다.
몇몇 실시형태들에서, 광기전력 전지 (100) 는 도 1에 도시된 층들을 반대 순서로 포함할 수 있다. 즉, 광기전력 전지 (100) 는 이 층들을 하부에서 상부로 하기의 순서로 포함할 수 있다: 기판 (170), 전극 (160), 정공 캐리어층 (150), 광활성층 (140), 선택적인 정공 차단층 (130), 전극 (120), 및 기판 (110).
몇몇 실시형태들에서, 기판들 (110 및 170) 중 하나는 투명할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 기판들 (110 및 170) 의 양자가 투명할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 상술된 Cu(I) 함유 재료는, 2개의 광기전력 전지들이 공통 전극을 공유하는 시스템에 있어서 정공 캐리어층에 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 또한 텐덤 광기전력 전지로 알려져 있다. 예시적인 텐덤 광기전력 전지들은, 예를 들어, 공동 계류중인 미국 출원 공개공보 Nos. 2009-0211633, 2007-0181179, 2007-0246094, 및 2007-0272296 에 기재되어 있다.
몇몇 실시형태들에서, 다중 광기전력 전지들은 광기전력 시스템 (photovoltaic system) 을 형성하기 위해서 전기적으로 접속될 수 있다. 예로써, 도 2는 복수의 광기전력 전지들 (220) 을 포함하는 모듈 (210) 을 갖는 광기전력 시스템 (200) 의 개략도이다. 전지들 (220) 은 직렬로 전기적으로 접속되고, 시스템 (200) 은 부하 (230) 에 전기적으로 접속된다. 다른 예로서, 도 3은 복수의 광기전력 전지들 (320) 을 포함하는 모듈 (310) 을 갖는 광기전력 시스템 (300) 의 개략도이다. 전지들 (320) 은 병렬로 전기적으로 접속되고, 시스템 (300) 은 부하 (330) 에 전기적으로 접속된다. 몇몇 실시형태들에서, 광기전력 시스템에서 광기전력 전지의 일부 (예를 들어, 전부) 는 하나 이상의 공통 기판들 상에 배치될 수 있다. 소정의 실시형태들에서, 광기전력 시스템에서 일부 광기전력 전지들은 직렬로 전기적으로 접속되고, 광기전력 시스템에서 광기전력 전지들의 일부는 병렬로 전기적으로 접속된다.
유기 광기전력 전지들이 설명되고 있지만, 다른 광기전력 전지들도 또한 본 명세서에 기재된 Cu(I) 함유 재료에 기초하여 제조될 수 있다. 이러한 광기전력 전지들의 예들은 비정질 실리콘, 카드뮴 셀레나이드, 카드뮴 텔루라이드, 구리 인듐 셀레나이드, 및 구리 인듐 갈륨 셀레나이드로 형성된 광활성 재료를 갖는 무기 광활성 전지들 및 염료 증감형 광기전력 전지들을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 하이브리드 광기전력 전지가 본 명세서에 기재된 Cu(I) 함유 재료와 통합될 수 있다.
광기전력 전지들이 상술되고 있지만, 몇몇 실시형태들에서는, 본 명세서에 기재된 Cu(I) 함유 재료가 다른 디바이스들 및 시스템들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, Cu(I) 함유 재료는 적합한 유기 반전도성 디바이스, 예컨대 전계 효과 트랜지스터들, 광검출기들 (예를 들어, IR 검출기들), 광기전력 검출기들 (photovoltaic detectors), 촬상 디바이스들 (예를 들어, 의료 촬상 시스템들 또는 카메라들용 RGB 촬상 디바이스들), 광 방출 다이오드들 (LEDs) (예를 들어, 유기 LEDs (OLEDs) 또는 IR 또는 근 IR LEDs), 레이징 (lasing) 디바이스들, 변환층들 (예를 들어, 가시선 방출을 IR 방출로 변환하는 층들), 증폭기들 및 텔레커뮤니케이션용 에미터들 (예를 들어, 파이버들용 도펀트들), 스토리지 엘리먼트들 (예를 들어, 홀로그래픽 스토리지 엘리먼트들), 및 일렉트로크로믹 (electrochromic) 디바이스들 (예를 들어, 일렉트로크로믹 디스플레이들) 에서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 인용된 모든 공보들의 내용들 (예를 들어, 특허들, 특허 출원 공보들, 기사들) 은 그 전체가 참조로써 원용된다.
하기의 실시예는 예시적이며 한정되는 것으로 의도되지 않는다.
실시예 1: Cu2O 나노입자들 및 ELVACITE 폴리머를 포함하는 정공 캐리어층을 갖는 광기전력 전지들의 제조
(제어로서의) PEDOT 또는 Cu2O 나노입자들 및 ELVACITE 폴리머의 조합물 중 어느 것을 포함하는 정공 캐리어층을 갖는 광기전력 전지들은 다음과 같이 제조되었다:
인듐 주석 산화물 코팅된 플라스틱 기판들을 2"×2" 크기의 정사각형으로 절단하고 전도성 전극 스트라이프들로 구조화하였다. 기판들을 10 분 동안 이소프로판올에서 초음파 처리함으로써 세정하였다. 후속하여 기판들을 에어건을 사용하여 건조하고, 80℃ 에서 블레이드 코팅을 이용하여 (이소프로판올 중의 0.1 M 티타늄 테트라부톡시드를 포함한) 티타늄 알콕시드 졸로 코팅하였다. 다음, 티타늄 알콕시드 막을 80℃ 에서 2 분 동안 건조하고 120℃ 에서 10 분 동안 어닐링하여 정공 차단층으로서의 TiOx 층을 형성하였다. TiOx 층 상에, o-크실렌 중에 1:1 중량비의 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함하는 2.5% 용액을 65℃ 에서 블레이드 코팅함으로써 광활성층을 형성하였다. 전자 공여체 재료는 2:1 중량비의 폴리(3-헥실 티오펜) (P3HT) (BASF, Basel, Switzerland 로부터 입수 가능) 및 폴리(시클로펜타디티오펜-코-실라시클로펜타디티오펜-코-벤조티아디아졸) (Konarka Technologie, Inc., Lowell, MA 로부터 입수 가능) 의 혼합물이었다. 전자 수용체 재료는 C60-PCBM (Solenne BV (Groningen, Netherlands) 로부터 입수 가능) 이었다. 이후 막을 65℃ 에서 5 분 동안 건조하여 광활성층을 형성하였다. 광활성층 상에, 상이한 블레이딩 온도 및 상이한 코팅 속도에서 블레이드 코터를 사용하여 정공 캐리어층을 코팅하였다. 건조 이후, 코팅의 전체 적층체를 140℃ 에서 5 분 동안 어닐링하였고, 그리고 정공 캐리어층 상에 진공 증발 (vacuum evaporation) 을 이용하여 100Å 은층을 코팅하여 전극을 형성하였다.
상기 절차를 이용하여 7 종류의 광기전력 전지들을 제조하였다: 광기전력 전지들 (1) 및 (2) 는, 각각 80℃ 에서의 코팅 속도 40 mm/sec 및 65℃ 에서의 코팅 속도 7.5 mm/sec 에서 PEDOT/PSS 를 코팅함으로써 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (3) 은, 80℃ 에서의 코팅 속도 10 mm/sec 에서 부탄올 중에 0.5 wt% Cu2O 나노입자들 및 0.25 wt% ELVACITE-2013 폴리머 (Lucite Internation, Cordova, TN) 를 포함하는 분산액을 코팅함으로써 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (4) 는, 80℃ 에서의 코팅 속도 20 mm/sec 에서 부탄올 중에 1 wt% Cu2O 나노입자들 및 0.5 wt% ELVACITE-2013 폴리머를 포함하는 분산액을 코팅함으로써 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (5) 는, 65℃ 에서의 코팅 속도 40 mm/sec 에서 1:1 부탄올-IPA 중에 0.5 wt% Cu2O 나노입자들 및 0.25 wt% ELVACITE 폴리머를 포함하는 분산액을 코팅함으로써 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다.
이로써 형성된 광기전력 전지들의 성능을 솔라 시물레이터 (solar simulator) 를 사용하여 AM 1.5 조건들 하에서 측정하였다. 결과들은 표 1에 요약된다. 표 1에 열거된 값들은 2-4 개의 전지들로부터의 측정들에 기초한 평균 결과들이다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 광기전력 전지들 (3)-(7) 은 광기전력 전지들 (1) 및 (2) 과 유사한 효율성을 나타냈다.
실시예 2: 폴리머 없이 또는 상이한 종류의 폴리머들과 함께 Cu2O 나노입자들을 포함하는 정공 캐리어층을 갖는 광기전력 전지들의 제조
실시예 1에 기재된 절차들 이후에 4종류의 광기전력 전지들을 제조하였다: 광기전력 전지들 (1) 은, 제어로서 PEDOT/PSS 을 포함하는 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (2) 는, IPA 중에 0.5 wt% Cu2O 나노입자들만을 포함하는 (즉, 임의의 폴리머도 포함하지 않은) 분산액으로부터 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (3) 은, 메톡시프로판올 중에 2.0 wt% Cu2O 나노입자들 및 0.2 wt% 의 ELVACITE 폴리머를 포함하는 분산액으로부터 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 광기전력 전지들 (4) 는, 메톡시프로판올 중에 2.0 wt% Cu2O 나노입자들 및 0.33 wt% 의 NAFION 폴리머를 포함하는 분산액으로부터 제조된 정공 캐리어층을 포함하였다. 모든 종류의 광기전력 전지들이 65℃ 및 80℃ 양자의 블레이딩 온도에 제조되었다.
이로써 형성된 광기전력 전지들의 성능을 솔라 시물레이터를 사용하여 AM 1.5 조건들 하에서 측정하였다. 결과들은 표 2에 요약된다. 표 2에 열거된 값들은 4 개의 전지들로부터의 측정들에 기초한 평균 결과들이다.
Figure pct00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 광기전력 전지들 (2)-(4) 은 광기전력 전지 (1) 과 유사한 광기전력 특성들을 나타냈다.
실시예 3: Cu2O 나노입자들 및 여러가지 상이한 폴리머 바인더들을 포함하는 정공 캐리어층들
정공 캐리어층들로서 사용될 수 있는 코팅들을, 부탄올 중에 Cu2O 나노입자들을 단독으로 포함하거나 또는 20/3 중량비로 하기의 바인더들의 존재하에서 포함하는 분산액을 사용함으로써 제조하였다: (1) BYK-Chemie GmbH (Wesel, Germany) 로부터 입수 가능한 Disperbyk-190, (2) Lubrizol Advanced Materials (Cleveland, Ohio) 로부터 입수 가능한 Solplus D540, (3) AB 111446 로부터 제조된 졸 겔 (즉, ABCR GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Germany 로부터 입수 가능한 퍼플루오로옥틸트리에톡시-실란), 및 (4) Zusoplast 9002 (즉, Zschimmer & Schwarz, Lahnstein, Germany 로부터 입수 가능한 폴리에틸렌 글리콜 200). 건조된 코팅들의 두께, 전도율, 및 일 함수를 측정하였고 표 3에 요약하였다.
Figure pct00003
이 결과들은, 샘플들 (V) 및 (VII) 가 P3HT 의 일 함수와 유사한 일 함수 (즉, 약 -5 eV) 를 발휘함을 나타냈다.
실시예 4: 실시예 3 에서의 정공 캐리어층들을 포함하는 광기전력 전지들의 제조
실시예 1 에 기재된 절차 이후에, 실시예 3 에 기재된 Disperbyk-190 및 AB 111446 졸 겔에 기반하는 정공 캐리어층들을 포함하는 광기전력 전지들을 제조하였다. 이로써 형성된 광기전력 전지들의 성능을 솔라 시물레이터를 사용하여 AM 1.5 조건 하에서 측정하였다.
이 결과들은, AB 111446 졸 겔에 기반한 정공 캐리어층을 포함하는 광기전력 전지들이 Disperbyk-190 에 기반한 정공 캐리어층을 포함하는 광기전력 전지들에 비해 우수한 성능을 발휘함을 나타냈다. 이론에 구속되지 않고, 전자의 종류의 광기전력 전지들에 의해 나타난 우수한 성능은, AB 111446 졸 겔을 포함하는 정공 캐리어층의 일 함수가 Disperbyk-190 을 포함하는 정공 캐리어층보다 광활성층에서의 P3HT 의 일 함수에 더 가까운 것에 기인하는 것으로 여겨진다.
다른 실시형태들은 특허청구범위 내에 존재한다.

Claims (27)

  1. 물품으로서,
    제 1 전극 및 제 2 전극,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 광활성층, 및
    상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이에서, Cu(I) 함유 재료를 포함하는 정공 캐리어층을 포함하고,
    상기 물품이 광기전력 전지 (photovoltaic cell) 로서 구성되는, 물품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 함유 재료는 Cu(I) 산화물을 포함하는, 물품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 산화물은 Cu2O 또는 CuxO 를 포함하고, 여기서 x 는 1 초과 2 미만의 수인, 물품.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 함유 재료는 Cu(I) 염을 포함하는, 물품.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 염은 Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, CuSCN, 또는 CuSeCN 을 포함하는, 물품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 함유 재료는 나노입자들의 형태인, 물품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노입자들은 평균 직경이 적어도 약 2 nm 인, 물품.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노입자들은 평균 직경이 최대 약 200 nm 인, 물품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 캐리어층은 바인더를 더 포함하는, 물품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리머를 포함하는, 물품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 폴리머는 아크릴 수지, 이온성 폴리머, 또는 전자 수용기를 포함하는 폴리머를 포함하는, 물품.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 바인더는 졸 겔을 포함하는, 물품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 졸 겔은 p형 졸로부터 형성되는, 물품.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 p형 졸은 바나드산, 바나듐(V) 클로라이드, 바나듐(V) 알콕시드, 니켈(II) 클로라이드, 니켈(II) 알콕시드, 구리(II) 아세테이트, 구리(II) 알콕시드, 몰리브덴(V) 클로라이드, 몰리브덴(V) 알콕시드, 또는 그 조합물을 포함하는, 물품.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 Cu(I) 함유 재료는 상기 바인더에서 실질적으로 균질하게 분산되는, 물품.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 정공 캐리어층의 최대 약 50 체적% 인, 물품.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 정공 캐리어층의 적어도 약 1 체적% 인, 물품.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 캐리어층은 일 함수가 적어도 약 -6.5 eV 인, 물품.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 캐리어층은 일 함수가 최대 약 -4.8 eV 인, 물품.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 캐리어층은 두께가 적어도 약 5 nm 인, 물품.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 캐리어층은 두께가 최대 약 500 nm 인, 물품.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함하는, 물품.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전자 공여체 재료는 폴리티오펜들, 폴리아닐린들, 폴리카르바졸들, 폴리비닐카르바졸들, 폴리페닐렌들, 폴리페닐비닐렌들, 폴리실란들, 폴리티에닐렌비닐렌들, 폴리이소티아나프탄들, 폴리시클로펜타디티오펜들, 폴리실라시클로펜타디티오펜들, 폴리시클로펜타디티아졸들, 폴리티아졸로티아졸들, 폴리티아졸들, 폴리벤조티아디아졸들, 폴리(티오펜 산화물)들, 폴리(시클로펜타디티오펜 산화물)들, 폴리티아디아졸로퀴녹살린들, 폴리벤조이소티아졸들, 폴리벤조티아졸들, 폴리티에노티오펜들, 폴리(티에노티오펜 산화물)들, 폴리디티에노티오펜들, 폴리(디티에노티오펜 산화물)들, 폴리플루오렌들, 폴리테트라히드로이소인돌들, 및 그 코폴리머들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 폴리머를 포함하는, 물품.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전자 공여체 재료는 폴리티오펜 또는 폴리시클로펜타디티오펜을 포함하는, 물품.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 전자 수용체 재료는 풀러렌들, 무기 나노입자들, 옥사디아졸들, 디스코틱 액정들, 탄소 나노막대들, 무기 나노막대들, CN 기들을 포함하는 폴리머들, CF3 기들을 포함하는 폴리머들, 및 그 조합물들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는, 물품.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전자 수용체 재료는 치환된 풀러렌을 포함하는, 물품.
  27. 물품으로서,
    제 1 전극 및 제 2 전극, 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서, Cu(I) 함유 재료를 포함하는 층을 포함하고,
    상기 물품이 광기전력 전지로서 구성되는, 물품.

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