KR20150037974A - 용액 및 진공 침착된 활성층을 포함하는 다중접합 유기 광전변환 소자 - Google Patents

용액 및 진공 침착된 활성층을 포함하는 다중접합 유기 광전변환 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액 공정에 의해 침착된 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 진공 증발에 의하여 침착된 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자에 관한 것이다. 또한, 하나 이상의 제1 소분자 물질을 용액 공정에 의해 침착시키는 단계; 및 하나 이상의 제2 소분자 물질을 진공 증발에 의해 침착시키는 단계를 포함하는, 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자의 제조 방법이 개시된다.

Description

용액 및 진공 침착된 활성층을 포함하는 다중접합 유기 광전변환 소자{MULTIJUNCTION ORGANIC PHOTOVOLTAICS INCORPORATING SOLUTION AND VACUUM DEPOSITED ACTIVE LAYERS}
관련 출원 교차 참조
본 출원은 그 전문이 본원에 참고로 포함된 2012년 7월 19일자 출원된 미국 가출원 61/673,604호를 우선권 주장한다.
연방정부 지원 연구에 대한 진술
본 발명은 미국 에너지국에 의해 부여된 DE-EE0005310 및 미국 공군 과학연구소에 의해 부여된 FA9550-10-1-0339호 계약하에 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.
공동 연구 협약
당해 발명은 합동 산학 연구 협약에 따라 유니버시티 오브 미시간 및 글로벌 포토닉 에너지 코포레이션 당사자 중 하나 이상에 의하여, 이를 대신하여 및/또는 이와 연계하여 완성되었다. 협약은 당해 발명이 완성된 일자에 및 상기 일자 이전에 발효되었으며, 당해 발명은 협약서의 범주내에서 수행된 활동의 결과로서 완성되었다.
용액 공정(solution processing)에 의해 침착된 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 진공 증발에 의하여 침착된 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자(OPV)가 개시된다. 또한, 이의 제조 방법이 본원에 개시된다.
광전변환 소자는 전자기 방사선을 전자적으로 생성 또는 검출하거나 또는 주위 전자기 방사선으로부터 전기를 발생시키는 물질의 광학적 특성 및 전자적 특성에 의존한다.
감광 광전변환 소자는 전자기 방사선을 전기로 변환시킨다. 광전변환(PV) 소자로도 불리는 태양 전지는 특별히 전력을 발생시키기 위해 사용되는 감광 광전변환 소자의 한 유형이다. 태양광 이외의 광원으로부터 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 PV 소자는 예컨대 조명, 난방을 제공하는 전력 소모 로드를 구동하기 위해 또는 계산기, 라디오, 컴퓨터 또는 원격 모니터링 또는 통신 장비와 같은 전력 전자 회로 또는 소자에 사용될 수 있다. 이들 전력 발생 제품은 또한 특정 제품의 요건과 PV 소자의 전력 출력의 균형을 맞추거나 태양 또는 다른 광원으로부터의 직접 조명을 이용할 수 없을 경우 작동이 계속될 수 있도록 종종 배터리 또는 다른 에너지 저장 소자의 충전을 수반한다. 본원에서 사용될 때 "저항 로드(resistive load)"는 임의의 전력 소모 또는 저장 회로, 소자, 장비 또는 시스템을 의미한다.
다른 유형의 감광 광전변환 소자는 광전도체 전지이다. 이러한 기능에서, 신호 검출 회로는 광흡수로 인한 변화를 검출하기 위하여 소자의 저항을 모니터링한다.
다른 유형의 감광 광전변환 소자는 광검출기이다. 작동시, 광검출기는 광검출기가 전자기 방사선에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되며 인가된 바이어스 전압을 가질 수 있다. 본원에 개시된 바와 같은 검출 회로는 광검출기에 바이어스 전압을 제공할 수 있고 전자기 방사선에 대한 광검출기의 전자적 반응을 측정할 수 있다.
이들 세 부류의 감광 광전변환 소자는 하기 정의된 바와 같은 정류 접합이 존재하는지 여부에 따라 그리고 소자가 바이어스 또는 바이어스 전압으로서도 공지된 외부 인가 접압으로 작동하는지 여부에 따라 특징지어질 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합을 갖지 않으며 통상 바이어스로 작동된다. PV 소자는 적어도 하나의 정류 접합을 가지며 바이어스 없이 작동된다. 광검출기는 적어도 하나의 정류 접합을 가지며 항상은 아니지만 통상 바이어스 없이 작동된다. 일반적으로, 광전변환 전지는 회로, 소자 또는 장비에 전력을 제공하지만, 검출 회로를 제어하기 위한 신호 또는 전류 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지 않는다. 대조적으로, 광검출기 또는 광전도체는 검출 회로를 제어하기 위한 신호 또는 전류 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지만 회로, 소자 또는 장비에 전력을 제공하지 않는다.
종래, 감광 광전변환 소자는 다수의 무기 반도체, 예컨대 결정질, 다결정질 및 무정질 실리콘, 비소화갈륨, 텔루르화카드뮴 등으로 제조되었었다. 본원에서 "반도체"라는 용어는 전하 캐리어가 열 또는 전자기 여기에 의하여 유도될 때 전기를 전도할 수 있는 물질을 의미한다. "광전도성"이라는 용어는 일반적으로 전자기 방사선 에너지가 흡수되고 이로써 전기 전하 캐리어의 여기 에너지로 변환되어 캐리어가 물질 중의 전기 전하를 전도, 즉 운반할 수 있는 과정을 의미한다. "광전도체" 및 "광전도성 물질"이라는 용어는 본원에서 전자기 방사선을 흡수하여 전기 전하 캐리어를 발생시키는 특성을 위해 선택되는 반도체 물질을 의미하는 것으로 사용된다.
PV 소자는 입사하는 태양력을 유용한 전력으로 변환시킬 수 있는 효율을 특징으로 할 수 있다. 결정질 또는 무정질 실리콘을 이용하는 소자는 시판 제품 중에서 가장 많고 일부는 23% 이상의 효율을 달성하였다. 그러나, 특히 큰 표면적의 효율적인 결정질계 소자는 현저한 효율 저하 결함 없이 큰 결정을 제조하는 데 있어서의 본질적인 문제로 인하여 제조가 어렵고 고가이다. 한편, 고효율 무정질 실리콘 소자는 여전히 안정성 문제가 있다. 현재 시판되는 무정질 실리콘 전지는 4∼8%의 안정된 효율을 갖는다. 더 최근에는 경제적인 제조 비용으로 허용가능한 광전변환 효율을 달성하기 위하여 유기 광전변환 전지의 사용에 노력이 집중되어 왔다.
PV 소자는 광전류와 광전압의 최대 곱을 위해 표준 조사 조건(즉, 1000 W/m2인 표준 테스트 조건, AM1.5 스펙트럼 조사)하에서 최대 전력 발생을 위해 최적화될 수 있다. 표준 조사 조건하에서 이러한 전지의 전력 전환 효율은 이하의 세가지 파라미터에 의존한다: (1) 암페어로 제로 바이어스 하에서의 전류, 즉 단락 전류(short-circuit current)(ISC) (2) 볼트로 개방 회로 조건하에서의 광전압, 즉 개방 회로 전압(VOC) 및 (3) 충전율(FF).
PV 소자는 이들이 로드를 가로질러 연결되고 빛에 의해 조사될 때 광발생 전류를 생성한다. 무한 로드하에 조사될 때, PV 소자는 그 최대 가능 전압, V 개방 회로, 또는 VOC를 발생시킨다. 그 전기 접점이 단락된 상태에서 조사될 때, PV 소자는 그 최대 가능 전류, I 단락 회로, 또는 ISC를 발생시킨다. 실제로 전력을 발생시키기 위하여 사용될 때, PV 소자는 유한 저항 로드에 연결되고 전력 출력은 전류와 전압의 곱, I × V에 의하여 주어진다. PV 소자에 의하여 발생되는 최대 총 전력은 본질적으로 ISC × VOC의 곱을 초과할 수 없다. 부하 값이 최대 전력 추출을 위해 최적화될 때, 전류 및 전압은 각각 Imax 및 Vmax의 값을 가진다.
PV 소자의 이점은 하기와 같이 정의되는 충전율(FF)이다:
　　　 FF = { Imax Vmax }/{ ISC VOC } (1)
여기서, FF는 실제 사용에서 ISC 및 VOC가 동시에 얻어지지 않으므로 항상 1 미만이다. 그럼에도 불구하고, FF가 1에 근접함에 따라, 소자는 더 작은 직렬 또는 내부 저항을 가지므로 최적 조건에서 로드에 더 큰 백분율의 ISC 및 VOC의 곱을 전달한다. Pinc가 소자에 입사되는 전력인 경우, 소자의 전력 효율(ηP)은 이하에 의하여 계산될 수 있다:
　　　 ηP = FF* (ISC * VOC) / Pinc
반도체의 실질적인 부피를 차지하는　내부적으로 발생되는 전계를 생성하기 위하여, 통상의 방법은 특히 분자 양자 에너지 상태의 분포와 관련하여 적절히 선택된 전도성을 갖는 두 재료층을 병치하는 것이다. 이들 두 재료의 계면은 광전지 접합(photovoltaic junction)이라 불린다. 종래의 반도체 이론에서, PV 접합을 형성하는 재료는 일반적으로 n형 또는 p형으로서 명명되었다. 여기서 n형은 대부분의 캐리어 유형이 전자임을 의미한다. 이것은 다수의 전자가 비교적 자유 에너지 상태에 있는 재료로서 고찰될 수 있다. p형은 대부분의 캐리어 유형이 정공임을 의미한다. 이러한 재료는 다수의 정공이 비교적 자유 에너지 상태에 있다. 배경의, 즉 광비생성의 다수의 캐리어 농축물의 유형은 주로 결함 또는 불순물에 의한 의도하지 않은 도핑에 따라 달라진다. 불순물의 유형 및 농도는 HOMO-LUMO 갭으로서도 알려진 전도대 최소 에너지 및 가전자대 최대 에너지 사이의 갭 내에서 페르미 에너지 또는 레벨의 값을 결정한다. 페르미 에너지는 점유 확률이 1/2인 에너지값에 의하여 나타내어지는 분자 양자 에너지 상태의 통계적 점유를 특징짓는다. 전도대 최소(LUMO) 에너지 근처의 페르미 에너지는 전자가 지배적인 캐리어임을 나타낸다. 가전자대 최대(HOMO) 에너지 근처의 페르미 에너지는 정공이 지배적인 캐리어임을 나타낸다. 따라서, 페르미 에너지는 종래의 반도체의 일차적인 특징적 특성이고 원형(prototypical) PV 접합은 전형적으로 p-n 계면이었다.
"정류"라는 용어는 특히 계면이 비대칭 전도 특성을 가짐을, 즉,계면이 바람직하게는 한 방향으로 전자 전하 운반을 지원함을 의미한다. 정류는 통상적으로 접합에서 적절히 선택된 물질 사이에서 일어나는 내부 전계와 관련이 있다.
유기 헤테로접합의 전류-전압 특징은 흔히 무기 다이오드에 대하여 유도된 일반화된 쇼클리(Shockley) 방정식을 이용하여 모델링된다. 그러나, 쇼클리 방정식은 엄밀히 유기 반도체 공여체-수용체(D-A) 헤테로접합(HJ)에 적용되지 않으므로, 추출된 파라미터는 명확한 물리적 의미를 갖지 않는다.
유기 반도체에서 유의적인 특성은 캐리어 이동도이다. 이동도는 전계에 대한 반응으로 전도성 물질을 통해 전하 캐리어가 이동할 수 있는 용이성을 측정한다. 유기 감광 소자의 상황에서, 높은 전자 이동도로 인해 우선적으로 전자에 의하여 전도되는 물질을 포함하는 층은 전자 전달층 또는 ETL이라 일컬어질 수 있다. 높은 정공 이동도로 인해 우선적으로 정공에 의하여 전도되는 물질을 포함하는 층은 정공 전달층 또는 HTL이라 일컬어질 수 있다. 일부 경우, 수용체 물질은 ETL일 수 있고 공여체 물질은 HTL일 수 있다.
종래의 무기 반도체 PV 전지는 내부 전계를 설정하는 p-n 접합을 이용할 수 있다. 그러나, p-n형 접합의 설정에 더하여 헤테로접합의 에너지 레벨 오프셋도 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 인식되었다.
유기 공여체-수용체(D-A) 헤테로접합에서 에너지 레벨 오프셋은 유기 물질에서의 광발생 과정의 기본적인 성질로 인하여 유기 PV 소자의 작동에 중요한 것으로 생각된다. 유기 물질의 광학적 여기시, 편재된 프렌켈(Frenkel) 또는 전하 전달 엑시톤이 발생된다. 전기 검출 또는 전류 발생이 일어나기 위하여, 결합된 엑시톤은 그 구성 전자 및 정공으로 분리되어야 한다. 이러한 과정은 내부 전계에 의하여 유도될 수 있으나, 유기 소자에서 일반적으로 발견되는 전계에서의 효율은 낮다(F~106 V/cm). 유기 물질에서 가장 효율적인 엑시톤 분리는 D-A 계면에서 일어난다. 이러한 계면에서, 낮은 이온화 전위를 갖는 공여체 물질은 높은 전자 친화도를 갖는 수용체 물질과 헤테로접합을 형성한다. 공여체 및 수용체 물질의 에너지 준위의 배열에 따라, 이러한 계면에서 엑시톤의 분리가 에너지 면에서 유리하게 될 수 있어, 수용체 물질에서 자유 전자 폴라론 및 공여체 물질에서 자유 정공 폴라론을 유도한다.
유기 PV 전지는 종래의 실리콘계 소자에 비하여 많은 잠재적 이점을 갖는다. 유기 PV 전지는 경량이고, 재료 사용이 경제적이고, 가요성 플라스틱 호일과 같은 저가 기판에 침착될 수 있다. 그러나, 유기 PV 소자는 일반적으로 1% 이하 정도인 상대적으로 낮은 양자 수율(발생되는 캐리어 쌍에 대한 흡수된 광자의 비, 또는 전기 변환 효율에 대한 전자기 방사선의 비)을 갖는다. 이것은 부분적으로 고유의 광전도 과정의 부차적 성질로 인한 것으로 생각된다. 즉, 캐리어 발생은 엑시톤 생성, 확산 및 이온화 또는 수집을 필요로 한다. 이들 과정 각각과 과련된 효율(η)이 존재한다. 하첨자는 다음과 같이 사용될 수 있다: 전력 효율에 대하여 P, 외부 양자 효율에 대하여 EXT, 광자 흡수에 대하여 A, 확산에 대하여 ED, 수집에 대하여 CC, 내부 양자 효율에 대하여 INT. 이 기호를 사용하여:
　　　 ηP ~ ηEXT = ηA * ηED * ηCC
　　　 ηEXT = ηA * ηINT
엑시톤의 확산 길이(LD)는 광학 흡수 길이(~500 Å)보다 일반적으로 훨씬 작아(LD ~ 50 Å), 다수회 또는 많이 접힌 계면을 갖는 두꺼운 저항 전지 또는 광학 흡수 효율이 낮은 얇은 전지를 이용하는 것 사이에 균형 유지가 필요하다.
개요
용액 공정에 의해 침착된 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 진공 증발에 의하여 침착된 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자(OPV)가 개시된다.
또한, 본원에는 하나 이상의 제1 분자량 물질을 용액 공정에 의해 침착시키는 단계 및 하나 이상의 제2 분자량 물질을 진공 증발에 의해 침착시키는 단계를 포함하는, 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자의 제조 방법이 개시된다.
일부 실시양태에서, OPV는 2 이상의 서브셀을 포함한다. 한 실시양태에서, OPV는 2개의 서브셀을 포함한다. 한 실시양태에서, OPV는 3개의 서브셀을 포함한다. 다른 실시양태에서, OPV는 4개의 서브셀을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, OPV는 4개 초과의 서브셀을 포함한다.
한 실시양태에서, 각각의 서브셀은 하나 이상의 공여체-수용체 헤테로접합을 포함한다.
한 실시양태에서, 용액 공정은 스핀 코팅, 닥터 블레이딩 또는 분무 코팅 공정이다. 한 실시양태에서, 진공 증발은 진공 열증발 또는 유기 증기상 침착이다.
한 실시양태에서, 소자는 2 단자 직렬 아키텍처를 포함한다. 다른 실시양태에서, 소자는 3-단자 병렬 아키텍처를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 소자는 4-단자 아키텍처를 포함한다.
한 실시양태에서, 소자는 2 단자 직렬 아키텍처를 갖는 2개의 헤테로접합을 포함한다.
한 실시양태에서, 소자의 전력 변환 효율(PCE)은 제1 서브셀 또는 제2 서브셀 또는 제1 및 제2 서브셀 조합에 비하여 개선된다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 제1 소분자량 물질 또는 하나 이상의 제2 소분자량 물질은 하나 이상의 공여체 물질을 포함한다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 공여체 물질은 붕소 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 펜타센, 테트라센, 디인데노페릴렌(DIP), 및 스쿠아레인(SQ)에서 선택된다. 한 실시양태에서, 공여체는 2,4-비스[4-(N,N-디페닐아미노)-2,6-디히드록시페닐] 스쿠아레인(DPSQ) 및 SubPc에서 선택된다.
한 실시양태에서, 적어도 제1 서브셀은 진공 증발에 의하여 침착되는 물질을 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 진공 증발에 의하여 침착되는 물질은 수용체 층을 포함한다.
한 실시양태에서, 적어도 제2 서브셀은 용액 공정에 의하여 침착되는 물질을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 제1 소분자량 물질 및/또는 하나 이상의 제2 소분자량 물질은 하나 이상의 수용체 물질을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 수용체는 풀러렌, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭비스-벤즈이미다졸(PTCBI), 페닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]PCBM), 페닐-C71-부티르산-메틸 에스테르([70]PCBM), 티에닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]ThCBM), 및 헥사데카플루오로프탈로시아닌(F16CuPc)에서 선택된다. 풀러렌은 예컨대 C60 및 C70을 포함한다. 풀러렌은 예컨대 C60 및 C70을 포함한다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 제2 물질은 소분자:풀러렌 층을 포함한다. 한 실시양태에서, 하나 이상의 헤테로접합은 SubPc:풀러렌 층을 포함한다. 한 실시양태에서, 헤테로접합은 SubPc:C70 층을 포함한다.
한 실시양태에서, 제1 서브셀 및/또는 제2 서브셀은 전자 차단층을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 전자 차단층은 BCP, BPhen, PTCBI, TPBi, Ru(acac)3, 및 Alq2OPH를 포함한다.
한 실시양태에서, 제1 서브셀 및/또는 제2 서브셀은 버퍼층을 추가로 포함한다. 다른 실시양태에서, 버퍼층은 MoO3를 포함한다.
한 실시양태에서, 광전변환 소자는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 서브셀 사이에 전하 재조합층 또는 전하 전달층을 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 전하 재조합층 또는 전하 전달층은 Al, Ag, Au, MoO3, 및 WO3에서 선택된 물질을 포함한다.
하나 이상의 제1 소분자량 물질을 용액 공정에 의해 침착시키는 단계 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 진공 증발에 의해 침착시키는 단계를 포함하는, 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자(OPV)의 제조 방법이 또한 개시된다.
한 실시양태에서, 하나 이상의 제1 서브셀은 소자의 기판에 더 가깝고 프론트 서브셀이라 일컬어지며, 하나 이상의 제2 서브셀은 기판에서 더 떨어져 있고 백 서브셀이라 일컬어진다. 다른 실시양태에서, 하나 이상의 제1 서브셀은 백 서브셀이고 하나 이상의 제2 서브셀은 프론트 서브셀이다.
도 1은 a) 프론트-온니(front-only), b) 백-온니(back-only), 및 c) 탠덤의 세 소자의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도면은 실제 축척은 아니다.
도 2는 a) 원-썬 시뮬레이션된 조명하에서 도 1에 대응하는 소자의 J-V 특성의 선형 플롯 및 b) 프론트-온니 및 백-온니 소자에 대한 EQE를 도시한 것이다.
상세한 설명
용액 공정에 의해 침착된 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 진공 증발에 의하여 침착된 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자(OPV)가 개시된다.
또한, 본원에는 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 용액 공정에 의해 침착시키는 단계 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 진공 증발에 의해 침착시키는 단계를 포함하는, 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자의 제조 방법이 개시된다.
본원에 개시된 실시양태의 유기 감광 광전변환 소자는 PV 소자, 광검출기 또는 광전도체로서 기능할 수 있다.
유기 광전변환 소자(OPV)의 전력 변환 효율(PCE)을 증가시키기 위하여, 다수의 공여체-수용체 헤테로접합을 포함시킬 수 있다. 본원에서 사용될 때 "공여체-수용체 헤테로접합," "헤테로접합," 및 "광활성 영역"은 서로 바꿔쓸 수 있다. 한 실시양태에서, OPV는 2 이상의 헤테로접합을 포함한다. 한 실시양태에서, OPV는 2개의 헤테로접합을 포함한다. 다른 실시양태에서, OPV는 3개의 헤테로접합을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, OPV는 4 이상의 헤테로접합을 포함한다. 각각의 서브셀은 하나 이상의 헤테로접합을 포함한다.
예컨대 (1) 하나의 서브셀의 애노드가 다른 서브셀의 캐소드에 인접하는 2-단자 직렬; (2) 각 서브셀의 애노드 또는 각 서브셀의 캐소드가 공통인 3-단자 병렬; 또는 (3) 서브셀이 인접층에 의하여 연결되지 않은 4-단자와 같은 2-접합 OPV의 몇가지 공통 아키텍처가 존재한다. 다른 실시양태에서는, 3, 4 또는 그 이상의 헤테로접합이 스택된다. 본원에 개시된 실시양태는 모든 유형의 아키텍처에 적용된다.
2-단자 직렬 소자는 탠덤 소자로서 공지되어 있다. 유기 PV 소자(OPV)는 하나 이상의 공여체-수용체 헤테로접합을 포함하는 탠덤 소자로서 존재할 수 있다. 탠덤 소자는 탠덤 공여체-수용체 헤테로접합 사이에 전하 전달 물질, 전극 또는 전하 재조합 물질을 포함할 수 있다.
본원에서 사용될 때, 소분자량 물질은 고분자 물질과 대조적으로 5000 달톤 이하, 예컨대 4500 달톤 이하, 4000 달톤 이하, 3500 달톤 이하, 3000 달톤 이하, 2500 달톤 이하, 2000 달톤 이하, 1500 달톤 이하, 또는 1000 달톤 이하의 분자량을 갖는 물질을 의미한다. 본원에서 사용될 때 "소분자량 물질"은 "소분자"와 상호교체적으로 사용된다.
본원에서 사용될 때, "물질" 및 "층"은 상호교체적으로 사용되며 1차원이 X-Y, 즉 그 길이와 폭을 따른 것인 감광 소자의 부재 또는 부품을 의미한다. 층이라는 용어는 반드시 물질의 단일 층 또는 시트로 한정되는 것은 아니다. 또한, 특정 층과 다른 물질(들) 또는 층(들)과의 계면(들)을 포함하는 특정 층의 표면이 불완전하여 상기 표면이 다른 물질(들) 또는 층(들)과 상호침투적, 얽힌 또는 포선형 네트워크를 나타내는 것이 이해되어야 한다. 마찬가지로, X-Y 차원을 따른 상기 층의 연속성이 다른 층(들) 또는 물질(들)에 의하여 교란되거나 개재될 수 있도록 층은 또한 불연속일 수 있음이 이해되어야 한다.
본원에서 사용될 때, 서브셀은 하나 이상의 공여체-수용체 헤테로접합을 포함하는 광전변환 소자의 부품을 의미한다. "공여체-수용체 헤테로접합," "헤테로접합," 및 "광활성 영역"은 본원에서 사용될 때 상호교체적이다. 헤테로접합은 평면형, 벌크형, 혼합형, 하이브리드-평면-혼합형 또는 나노결정 벌크 헤테로접합으로 형성될 수 있다. 예컨대, 헤테로접합은 붕소 서브프탈로시아닌(SubPc), C60, C70, 스쿠아레인, 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 및 디인데노페릴렌(DIP)에서 선택되는 2 이상의 물질의 혼합물을 포함할 수 있다.
본원에서 사용될 때, "프론트" 또는 "프론트 서브셀"은 기판 구조에 가장 가까운 서브셀을 의미하며, 반면에 "백" 또는 "백 서브셀"은 기판 구조에서 가장 떨어진 서브셀을 가리킨다.
일부 실시양태에서, 유기 물질 또는 유기 층 또는 유기 박막은 예컨대 스핀 코팅, 스핀 캐스팅, 분무 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩, 잉크젯 인쇄 또는 전사 인쇄에서 선택되는 하나 이상의 기술에 의하여 용액 공정을 통해 적용될 수 있다. 증발 전에 분해되는 분자에 대해서는, 용액 공정 기술을 이용하여 전자제품 목적의 균일한 고품질의 박막을 달성할 수 있다.
다른 실시양태에서, 유기 물질은 진공 열증발과 같은 진공 증발, 유기 증기상 침착 또는 유기 증기젯 인쇄를 이용하여 침착시킬 수 있다.
본 개시에 사용될 수 있는 공여체 물질과 관련하여, 붕소 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 펜타센, 테트라센, 디인데노페릴렌(DIP), 및 스쿠아레인(SQ)에서 선택되는 것들이 비제한적으로 언급된다.
사용될 수 있는 스쿠아레인 화합물의 비제한적 실시양태는 2,4-비스[4-(N,N-디프로필아미노)-2,6-디히드록시페닐] 스쿠아레인, 2,4-비스[4-(N,N-디이소부틸아미노)-2,6-디히드록시페닐] 스쿠아레인, 2,4-비스[4-(N,N-디페닐아미노)-2,6-디히드록시페닐] 스쿠아레인(DPSQ) 및 이의 염에서 선택되는 것들이다.
한 실시양태에서, 공여체 물질은 펜타센 또는 금속 나노입자를 포함하는 것과 같은 고이동도 물질로 도핑될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 개시에 사용될 수 있는 수용체 물질은 중합체 또는 비중합체 페릴렌, 중합체 또는 비중합체 나프탈렌, 및 중합체 또는 비중합체 풀러렌을 포함한다. 풀러렌(예컨대, C60, C70), 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭비스-벤즈이미다졸(PTCBI), 페닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]PCBM), 페닐-C71-부티르산-메틸 에스테르([70]PCBM), 티에닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]ThCBM), 및 헥사데카플루오로프탈로시아닌(F16CuPc)에서 선택되는 것들이 비제한적으로 언급된다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 서브셀은 엑시톤 차단층(EBL)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 서브셀은 전하 전달층 또는 전하 재조합층을 추가로 포함할 수 있다. 일부 다른 실시양태에서, 하나 이상의 서브셀은 임의로 버퍼층을 포함할 수 있다.
엑시톤 차단층으로서 사용될 수 있는 물질과 관련하여, 바소쿠프로인(BCP), 바소페난트롤린(BPhen), 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭비스-벤즈이미다졸(PTCBI), 1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(TPBi), 트리스(아세틸아세토네이토)루테늄(III)(Ru(acac)3), 및 알루미늄(III)페놀레이트(Alq2OPH), N,N'-디페닐-N,N'-비스-알파-나프틸벤지딘(NPD), 알루미늄 트리스(8-히드록시퀴놀린)(Alq3), 및 카르바졸 비페닐(CBP)에서 선택되는 것이 비제한적으로 언급된다.
한 실시양태에서, 전하 전달층 또는 전하 재조합층은 Al, Ag, Au, MoO3, Li, LiF, Sn, Ti, WO3, 인듐 주석 산화물(ITO), 주석 산화물(TO), 갈륨 인듐 주석 산화물(GITO), 아연 산화물(ZO), 또는 아연 인듐 주석 산화물(ZITO)에서 선택될 수 있다. 다른 실시양태에서, 전하 전달층 또는 전하 재조합층은 금속 나노클러스터, 나노입자 또는 나노로드로 이루어질 수 있다.
한 실시양태에서, 본원에 개시된 OPV는 WO3, V2O5, MoO3, 및 기타 산화물과 같은 버퍼층을 추가로 포함한다.
제1층이 제2층과 "물리적으로 접촉"하다고 명시하지 않는 한 제1층 및 제2층 사이에 다른 층이 있을 수 있다. 예컨대, 캐소드는 애노드 "위에" 또는 애노드 "상에 배치되는" 것으로 개시될 수 있으나, 그 사이에 여러가지 유기층이 존재한다.
유기 광전변환 소자는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 전극은 반사성 또는 투과성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 주석 산화물(TO), 갈륨 인듐 주석 산화물(GITO), 아연 산화물(ZO), 또는 아연 인듐 주석 산화물(ZITO)과 같은 투과성 전도성 산화물 또는 폴리아닐린(PANI)과 같은 투과성 전도성 중합체일 수 있다. 다른 실시양태에서, 전극은 Ag, Au, Ti, Sn, 및 Al과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 다른 실시양태에서, 하나 이상의 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함하는 애노드이다. 다른 실시양태에서, 전극은 Ag, Au, 및 Al에서 선택되는 물질을 포함하는 캐소드이다.
일부 실시양태에서, 유기 광전변환 소자는 기판을 추가로 포함한다. 소자가 성장 또는 배치될 수 있는 기판은 원하는 구조적 특성을 제공하는 임의의 적당한 물질일 수 있다. 기판은 가요성 또는 강성, 평면형 또는 비평면형일 수 있다. 기판은 투명, 반투명 또는 불투명일 수 있다. 플라스틱, 유리 및 석영은 강성 기판 재료의 예이다. 플라스틱 및 금속 호일은 가요성 기판 재료의 예이다. 기판의 재료 및 두께는 원하는 구조적 및 광학적 특성을 얻도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판은 스테인레스 스틸 호일(SUS)과 같은 스테인레스 스틸이다. SUS 기판은 종래의 재료에 비하여 비교적 비용이 저렴하며 층 성장 동안 더 양호한 방열(heat sink)을 제공한다.
실시예 이외에서 또는 달리 언급하지 않는 한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 성분, 반응 조건, 분석 측정 등의 양을 표현하는 모든 수치는 모든 경우 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 달리 언급하지 않는 한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 개시된 수치 파라미터는 본 원에 의해 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 적어도 청구범위의 범위와 등가인 원리의 적용을 제한하려는 시도가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 유의적인 숫자의 수 및 통상의 어림법에 비추어 이해되어야 한다.
본 원의 광범위를 설정하는 수치 범위 및 파라미터는 근사치이지만, 달리 언급되지 않는 한 구체적인 실시예에 개시된 수치 값은 가능한 한 정확하게 보고되어 있다. 그러나, 임의의 수치 값은 반드시 그 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차에서 유래하는 어떤 오차를 본질적으로 포함한다.
본원에 개시된 실시양태의 유기 감광 광전변환 소자는 PV 소자, 광검출기, 또는 광전도체로서 기능할 수 있다. 본원에 개시된 유기 감광 광전변환 소자가 PV 소자로서 기능할 때, 광전도체 유기층에 사용되는 재료 및 이의 두께는 예컨대 소자의 외부 양자 효율을 최적하도록 선택될 수 있다. 본원에 개시된 유기 감광 광전변환 소자가 광검출기 또는 광전도체로서 기능할 때, 광전도체 유기층에 사용되는 재료 및 이의 두께는 예컨대 원하는 스펙트럼 영역까지 소자의 감도를 최대화하도록 선택될 수 있다.
예컨대, 탠덤 유기 광전변환 소자는 먼저 예컨대 ITO와 같은 애노드와 같이 기판에 미리 코팅된 전극에 프론트 서브셀을 성장시킴으로써 제조될 수 있다. 한 실시양태에서, 프론트 서브셀은 ITO로 미리 코팅된 기판을 고진공 챔버에 장입하여 진공 열증발 공정에 의하여 MoO3와 같은 임의의 버퍼층 상에 침착시킴으로써 제조할 수 있다. 이어서 기판을 스핀 코팅 공정에 의해 용액으로부터 DPSQ 막으로 침착시켰다. 이후 기판을 진공 증발에 의하여 유기 물질로 침착시켰다. 이것을 이후 클로로포름과 같은 포화 용매 증기에 노출시켜 적합한 막 모폴로지를 형성할 수 있다. 진공 챔버로 다시 옮긴 후, Ag와 같은 전하 재조합층 및/또는 MoO3와 같은 전자 전달층을 진공 공정에 의해 기판에 침착시킬 수 있다.
다른 실시양태에서, 백 서브셀은 SubPc 및 C70의 혼합막을 증발시킴으로써 제조할 수 있다. 한 실시양태에서, BCP와 같은 전자 차단층의 막은 진공 증발로 침착시킬 수 있다. 최종적으로, Ag와 같은 캐소드와 같은 제2 전극을 동일한 방식으로 침착시킬 수 있다.　
도 1에 도시된 단일층 구조는 비제한적 예로 제공된 것이며, 본원에 개시된 실시양태는 매우 다양한 다른 구조와 함께 사용될 수 있다. 개시된 구체적인 재료 및 구조는 예시이며 다른 재료 및 구조가 사용될 수 있다. 기능적인 유기 감광 광전변환 소자는 상이한 방식으로 개시된 다양한 층들을 조합하여 달성될 수 있거나 또는 디자인, 성능 및 비용 요인에 의거하여 층들을 전체적으로 생략할 수 있다. 구체적으로 개시되지 않은 다른 층들도 포함될 수 있다. 구체적으로 개시된 것 이외의 재료를 사용할 수 있다. 본원에 제공된 실시예는 여러 층들을 단일 물질을 포함하는 것으로서 개시하였으나, 호스트 및 도펀트의 혼합물과 같은 물질의 조합 또는 더 일반적으로 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 층들은 여러 서브층들을 가질 수 있다. 여러 층들에 주어지는 이름은 엄격하게 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 광활성 영역의 일부가 아닌 유기 층, 즉 일반적으로 광전류에 유의적인 공헌을 하는 광자를 흡수하지 않는 유기 층은 "비광활성 층"으로서 일컬어질 수 있다. 비광활성 층의 예는 EBL 및 애노드 평탄화 층(anode-smoothing layer)을 포함한다. 다른 유형의 비광활성화 층도 사용될 수 있다.
본원에 개시된 방법 및 소자를 순수하게 예시적으로만 의도되는 이하의 비제한적인 실시예에 의하여 더 설명한다.
실시예 1
증발된 소분자:풀러렌 백 서브셀 및 프론트 서브셀을 위해 용액 가공된 소분자 공여체층 및 증발된 풀러렌 수용체층을 갖는 탠덤 유기 광전변환 소자를 제조하였다. 앞서 기재한 바와 같이, 여기서는 2-단자 직렬 아키텍처의 2-헤테로접합 소자가 입증되지만, 다른 유형의 아키텍처에도 적용된다.
탠덤 유기 광전변환 소자를 유리 기판 상에 미리 코팅된 150 nm 두께의 인듐 주석 산화물(ITO)의 층 위에서 성장시켰다. 증착 전에, ITO 표면을 계면활성제 및 일련의 용매 중에서 세정한 후 10분 동안 자외선-오존에 노출한 다음 고진공 챔버(기본압 < 10-7 Torr)에 로딩하고 여기서 MoO3를 ~0.1 nm/s로 열증착하였다. 이어서 기판을 N2 글로브박스로 옮기고 여기서 2,4-비스[4-(N,N-디페닐아미노)-2,6-디히드록시페닐]스쿠아레인(DPSQ) 막을 클로로포름 중 여과된 1.6 mg/ml 용액으로 스핀 코팅하였다.
기판을 다시 한번 고진공 챔버로 옮겨 0.1 nm/s에서 정제된 유기물을 증착시킨 후, 글로브박스로 다시 옮기고 10분 동안 포화 클로로포름 증기에 노출시켜 적합한 막 모폴로지를 생성하였다. 기판을 진공 챔버로 다시 옮기고, 0.1 nm Ag 은 나노클로스터 재조합층 및 MoO3 전달층을 침착하였다. 백 셀에 대하여, 붕소 서브프탈로시아닌 클로라이드(SubPc) 및 C70의 혼합막을 증발시켰는데, 여기서 SubPc 침착 속도는 0.012 nm/s이고 C70 침착 속도는 0.02에서 0.08 nm/s로 변화하였다.
BCP 막을 0.1 nm/s로 증발시킨 후, 100 nm 두께의 Ag 캐소드를 1 mm 직경 개공의 어레이를 갖는 섀도우 마스크를 통해 0.1 nm/s로 침착시켰다. 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성을 초순수 N2 분위기에서 암실에서 그리고 필터링된 300 W Xe 램프로부터 시뮬레이션된 AM1.5G 태양 조명하에서 측정하였다. 램프 강도는 뉴트럴 필터(neutral density filter)를 이용하여 변화시켰다. 광학 강도는 NREL-보정 Si 검출기를 이용하여 참조되었고, 스펙트럼 불일치에 대하여 광전류 측정을 수정하였다. 언급된 오차는 동일한 기판 상의 3 이상의 소자의 평균 값으로부터의 편차에 상응한다.
실시예 2
탠덤 OPV의 전력 변환 효율(PCE)을 개개의 서브셀과 비교한다. 투명 기판에 가장 가까운 서브셀은 "프론트 서브셀"이라 일컬어지고 다른 것은 "백 서브셀"이라 일컬어진다.
이하의 구조를 갖는 탠덤 OPV를 제조하였다: 유리/150 nm ITO/20 nm MoO3/13 nm DPSQ/10 nm C70/5 nm PTCBI/0.1 nm Ag/5nm MoO3/29 nm SubPc:C70/3 nm C70/7 nm BCP/100 nm Ag. 구조는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
또한, 각각의 서브셀을 위한 개개의 소자를 제조하였다. "프론트-온니" 셀은 유리/150 nm ITO/20 nm MoO3/13 nm DPSQ/10 nm C70/5 nm PTCBI/0.1 nm Ag/30 nm MoO3/100 nm Ag로 이루어졌고, "백-온니" 셀은 유리/150 nm ITO/5 nm MoO3/29 nm SubPc:C70/3 nm C70/7 nm BCP/100 nm Ag로 이루어졌다. 또한, 구조는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
소자 특성은 도 2에 나타나 있으며 각 소자의 성능은 표 I에 요약되어 있다.
표 I
Figure pct00001
탠덤 소자의 개방 회로 전압(VOC)은 1.96 V인데, 이것은 거의 백-온니 및 프론트-온니 소자(각각 1.04 및 0.94 V)의 합이다. 이것은 각각의 헤테로접합이 단일 헤테로접합 소자에서와 같이 탠덤 소자에서 유사하게 기능하고 Ag 재조합 구역에서 효율적인 재조합이 존재함을 나타낸다. 또한, 탠덤 소자의 단락 전류(JSC)는 서브셀 JSC(각각 5.8 및 6.1 mA/cm2)의 작은 값과 거의 동일하였는데, 이것은 소자에서 광학적 손실이 거의 없음을 나타낸다.
전체적으로, 탠덤 소자는 프론트-온니 및 백-온니 소자에 비하여 50% 이상 개선된 PCE = 6.5 ± 0.1을 달성한다.
따라서, 탠덤 OPV에 대한 새로운 구조가 입증된다. 용액 가공된 소분자량 물질을 함유하는 하나의 서브셀 및 진공 침착된 소분자량 물질을 함유하는 하나의 서브셀을 포함시킴으로써, 단일 헤테로접합 소자에 비하여 실질적으로 개선된 성능이 달성되었다.
본 원은 구체적인 실시예 및 실시양태에 관하여 개시되어 있으나, 본원에 개시된 소자는 이들 실시예 및 실시양태에 한정되지 않는다. 따라서, 청구된 바와 같은 실시양태는 당업자에게 명백한 바와 같이 본원에 개시된 구체적인 실시예 및 바람직한 실시예로부터의 변형을 포함할 수 있다.

Claims (27)

1) 용액 공정(solution processing)에 의해 침착된 하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀; 및
2) 진공 증발에 의하여 침착된 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀
을 포함하는 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 2 이상의 서브셀을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 각각의 서브셀이 하나 이상의 공여체-수용체 헤테로접합을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 용액 공정이 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 분무 코팅, 잉크젯 인쇄 또는 전사 인쇄인 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 진공 증발이 진공 열증발 또는 유기 증기상 침착인 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 2 단자 직렬 아키텍처를 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 3-단자 병렬 아키텍처를 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 4-단자 아키텍처를 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 2-단자 직렬 아키텍처를 갖는 2개의 헤테로접합을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 소자의 전력 변환 효율(PCE)이 제1 서브셀 및/또는 제2 서브셀에 비하여 향상된 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 소분자량 물질 및/또는 하나 이상의 제2 소분자량 물질이 하나 이상의 공여체 물질을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제11항에 있어서, 하나 이상의 공여체 물질이 붕소 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 펜타센, 테트라센, 디인데노페릴렌(DIP), 및 스쿠아레인(SQ)에서 선택되는 것인 유기 광전변환 소자.
제11항에 있어서, 하나 이상의 공여체가 2,4-비스[4-(N,N-디페닐아미노)-2,6-디히드록시페닐]스쿠아레인(DPSQ) 또는 SubPc를 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 서브셀이 진공 증발에 의하여 침착되는 물질을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제14항에 있어서, 진공 증발에 의하여 침착되는 물질이 수용체층을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 서브셀이 용액 공정에 의하여 침착되는 물질을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 소분자량 물질 및/또는 하나 이상의 제2 소분자량 물질이 하나 이상의 수용체 물질을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제17항에 있어서, 하나 이상의 수용체는 풀러렌, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭비스-벤즈이미다졸(PTCBI), 페닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]PCBM), 페닐-C71-부티르산-메틸 에스테르([70]PCBM), 티에닐-C61-부티르산-메틸 에스테르([60]ThCBM), 및 헥사데카플루오로프탈로시아닌(F16CuPc)에서 선택되는 것인 유기 광전변환 소자.
제18항에 있어서, 하나 이상의 수용체는 C70을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 물질은 소분자:풀러렌 층을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제20항에 있어서, 하나 이상의 제2 물질은 SubPc:풀러렌 층을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제20항에 있어서, 헤테로접합은 SubPc:C70을 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 서브셀 및/또는 하나 이상의 제2 서브셀은 전자 차단층을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제23항에 있어서, 전자 차단층은 BCP, BPhen, PTCBI, TPBi, Ru(acac)3, 및 Alq2OPH를 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 서브셀 및/또는 하나 이상의 제2 서브셀은 버퍼층을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 서브셀 사이에 전하 재조합층 또는 전하 전달층을 추가로 포함하는 것인 유기 광전변환 소자.
하나 이상의 제1 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제1 서브셀 및 하나 이상의 제2 소분자량 물질을 포함하는 하나 이상의 제2 서브셀을 포함하는 유기 광전변환 소자의 제조 방법으로서,
하나 이상의 제1 소분자량 물질을 용액 공정에 의해 침착시키는 단계; 및
하나 이상의 제2 소분자량 물질을 진공 증발에 의해 침착시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120248419A1 (en) * 2011-02-09 2012-10-04 Mark Thompson Organic photosensitive devices comprising aryl squaraines and methods of making the same
KR102258497B1 (ko) 2015-02-04 2021-05-28 삼성전자주식회사 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
CN104953032A (zh) * 2015-07-01 2015-09-30 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 基于多吡咯共轭大环的三结叠层太阳能电池
CN106410037A (zh) * 2016-11-03 2017-02-15 南开大学 一种基于有机小分子给体材料的双结太阳能电池器件及其制备方法
CN109950402A (zh) * 2019-03-26 2019-06-28 华南师范大学 叠层有机薄膜太阳能电池及其制备方法
WO2021145052A1 (ja) * 2020-01-16 2021-07-22 コニカミノルタ株式会社 発光部材、発光性化合物及び光電変換部材

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
EP1815544A2 (en) * 2004-11-24 2007-08-08 The Trustees of Princeton University Organic photosensitive optoelectronic device having a phenanthroline exciton blocking layer
US20090126779A1 (en) * 2006-09-14 2009-05-21 The Regents Of The University Of California Photovoltaic devices in tandem architecture
WO2010036963A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 The Regents Of The University Of Michigan Organic tandem solar cells
KR20140072830A (ko) 2010-10-15 2014-06-13 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 광전변환 디바이스에서 광활성 층의 에피택셜 성장을 제어하기 위한 물질

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