KR20150140282A - 광전자 소자 - Google Patents
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- Heterocyclic Compounds That Contain Two Or More Ring Oxygen Atoms (AREA)
- Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Oxygen Or Sulfur (AREA)
Abstract
본 발명은 전극과 상대 전극 사이에 배열되는 광활성층을 포함하는 광전자 소자에 관한 것이다. 도너-억셉터 시스템에 더하여, 광활성층은 도너-억셉터 시스템의 결정화에 영향을 주는 제3 재료를 포함한다. 제3 재료는 크라운 에테르류, 트리페닐류, 소르비톨류, 퀴나크리돈류, 비스(4-(테르트-부틸)벤조에이트-O)하이드록시알루미늄으로 구성되는 기로부터 선택된다. 크라운 에테르류가 특히 바람직하다.
Description
본 발명은 전극과 상대 전극 사이에 배치되는 광활성층을 갖는 광전자 소자에 관한 것이다.
광전자 소자 예를 들어, 태양 전지 또는 LED, TFT 등은 오늘날에 일상 생활에서 그리고 산업 분야에서 넓은 용도로 사용되고 있다.
예를 들어, 가요성 구성을 가지므로 곡면 상의 배열을 가능하게 하는 박막 태양 전지가 알려져 있다. 이러한 종류의 태양 전지는 바람직하게는 비정질 실리콘(a-Si) 또는 CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)2)으로 구성되는 활성층을 갖는다.
이러한 박막 태양 전지의 특정 단점은 재료들에 의해 야기되는 높은 생산 비용이다.
가요성 구성을 갖는 유기 활성층을 갖는 태양 전지(Konarka - 파워 플라스틱 시리즈)가 또한 부가적으로 알려져 있다. 유기 활성층들은 폴리머들(예를 들어 US7825326 B2) 또는 작은 분자들(예를 들어 EP 2385556 A1)로 형성될 수 있다. 폴리머들은 증발하기 쉽지 않으므로 용액들로부터만 적용될 수 있다는 것이 폴리머의 특징이지만, 작은 분자들은 증발하기 쉽다.
종래 무기계 소자들(실리콘, 갈륨 비소와 같은 반도체들)을 능가하는 그러한 유기계 소자들의 이점은 광 흡수 계수들 중 일부가 (2 x 105 cm-1까지) 극도로 높으므로, 낮은 재료 요건 및 에너지 소비로 매우 얇은 태양 전지들을 생산하는 것이 가능하다는 것이다. 추가의 기술적 측면들은 낮은 비용, 플라스틱 필름 상의 가요성 대면적 소자 생산 가능성, 그리고 유기 화학의 거의 제한되지 않은 변형 옵션들 및 제한되지 않은 이용 가능성이다. 추가의 이점은 예를 들어, 글래스 응용들에 사용될 수 있는 투명 소자를 생산할 수 있는 가능성이다.
태양 전지는 광 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 태양 전지의 경우에 "광활성"이란 용어는 광 에너지의 전기 에너지로의 변환을 지칭한다. 무기 태양 전지와 대조적으로, 광은 유기 태양 전지에서 자유 전하 캐리어들을 직접 생산하지 않으며; 대신에, 여기자들이 먼저 즉, 전기적으로 중성의 여기된 상태들(결속된 전자-정공 쌍들)로 형성된다. 제2 단계에서만 이러한 여기자들은 그 때 전류의 흐름에 기여하는 자유 전하 캐리어들로 분리된다.
문헌에서 이미 제안되었던 유기 태양 전지를 구현하는 가능한 방식은 이하의 층 구조를 갖는 pin 다이오드의 방식이다:
0. 캐리어, 기판,
1. 베이스 접촉, 통상적으로 투명,
2. p층(들),
3. i층(들),
4. n층(들),
5. 상단 접촉.
이 맥락에서, n 및 p는 열 평형 상태에서 자유 전자들 또는 정공들의 밀도의 증가로 이어지는 n- 및 p-도핑을 각각 의미한다. 그러나, 재료 특성들(예를 들어, 상이한 이동도들) 때문에, 알려지지 않은 불순물들(예를 들어, 층 생성 중에 합성, 분해 또는 반응 생성물들로부터 남은 잔류물들) 때문에, 또는 환경적인 영향들(예를 들어, 인접한 층들, 금속들 또는 다른 유기 재료들의 내부 확산, 주변 대기로부터의 가스 도핑) 때문에, n층(들) 및 p층(들)이 적어도 부분적으로 명목상으로 도핑되지 않고 우선적으로 n-전도성 또는 우선적으로 p-전도성 특성들만을 갖는 것이 또한 가능하다. 이 맥락에서, 이러한 종류의 층들은 주로 전송층들인 것으로 고려된다. "i층"이란 용어는, 그에 반해서, 명목상으로 도핑되지 않은 층(고유한 층)을 지칭한다. 하나 이상의 i층은 여기서 하나의 재료 또는 2개 이상의 재료의 혼합물의 층들(상호 침투 네트워크들 또는 벌크 이질 접합으로 불리는 것)로 이루어질 수 있다. 투명 베이스 접촉을 통해 진입하는 입사광은 i층 또는 n/p층에서 여기자들(결속된 전자-정공 쌍들)을 생성한다. 이러한 여기자들은 단지 매우 높은 전계들에 의해 또는 적절한 인터페이스들에서 분리될 수 있다. 유기 태양 전지들에서, 충분히 높은 필드들이 이용 불가능하므로, 유기 태양 전지들에 대한 모든 기대되는 설계들은 광활성 인터페이스들에서의 여기자 분리에 기반한다. 여기자들은 그러한 활성 인터페이스로 확산되며, 전자들 및 정공들은 서로 분리된다. 전자들을 수용하는 재료는 억셉터로 지칭되고, 정공을 수용하는 재료는 도너로 지칭된다. 분리 인터페이스는 p(n)층과 i층 사이에, 또는 2개의 i층 사이에 있을 수 있다. 태양 전지에 자리 잡힌 전계에서, 전자들은 그 때 n 영역으로 전송되어 버리고 정공들은 p 영역으로 전송되어 버린다. 바람직하게는, 전송층들은 예를 들어, WO 2004083958에서 설명된 바와 같이 큰 밴드갭(와이드갭)을 갖는 투명하거나 실질적으로 투명한 재료들이다. 와이드갭 재료들은 여기서 < 450 ㎚, 바람직하게는 < 400 ㎚의 파장 범위에서 흡수 최대치를 갖는 재료들을 지칭한다.
HOMO들 및 LUMO들의 상이한 위치들의 에너지 레벨들을 갖는 매우 많은 유기 재료들이 알려져 있는 점에서, LUMO 레벨 또는 HOMO 레벨을 조정하는 수단이 당업자에게 알려져 있다. 그러므로, 조정은 HOMO 및 LUMO의 원하는 위치의 에너지 레벨들을 갖는 재료를 선택하고 사용함으로써 이루어진다. 게다가 예를 들어, 전자 구인성 또는 전자 공여성 기들을 포함하므로써, 유기 재료들의 HOMO 및 LUMO 레벨들을 낮추거나 증가시키고 따라서 요건들에 따라 재료를 조정하는 것이 가능하다.
광이 항상 우선 여기자들을 생성하고 아직 어떤 자유 전하 캐리어들도 생성하지 않으므로, 여기자들의 활성 인터페이스로의 낮은 재결합 확산은 유기 태양 전지들에서 중대한 역할을 한다.
i층이 혼합층이면, 광 흡수의 기능은 소자들 중 단지 하나 그렇지 않으면 둘 다에 의해 취해진다. 혼합층들의 이점은 생성되는 여기자들이 분리되는 영역 경계에 여기자들이 도달하기 전에 여기자들이 매우 짧은 거리만을 커버해야 한다는 것이다. 전자들 및 정공들은 각각의 재료들로 따로따로 전송되어 버린다. 재료들이 혼합층 전체에 걸쳐 접촉하므로, 분리된 전하들이 특정 재료 상에서 긴 수명을 갖고, 지속적인 여과 경로들이 임의의 지점으로부터 각각의 접촉까지 전하 캐리어 타입들 둘 다에 대해 존재한다는 것이 이러한 개념의 경우에 결정적이다.
지금까지는, 작은 분자들의 필드에서, 흡수층 두께들이 대략 30 내지 40 ㎚(최상의 경우에 60 ㎚)로 제한되었던데 반해, 200 ㎚까지가 양호한 충전율(FF)을 유지하면서 (> 60%) 폴리머 필드에서 가능하다. 그 이유는 폴리머들과 대조적으로 어떤 온체인(on-chain) 전송도 없으므로, SM-OPV들(작은 분자들을 포함하는 유기 태양 전지들)에서 전하 캐리어들의 전송이 더 열악하기 때문이다. 작은 분자들을 포함하는 유기 태양 전지들의 필드에서, 문제는 지금까지는 훨씬 더 높은 흡광 계수들(용액에서, 100000이상까지)에 의해 해결되었으며, 이는 양호한 FF와 조합되는 양호한 효율들로 이어졌다. 그러나, 시아닌 한계 때문에, 이는 무한한 개선이 가능하지 않다. 그러므로, 양자 수율을 증가시키기 위해 (벌크 이형 접합, BHJ로 불리는) 혼합된 도너-억셉터층이 더 두껍게 만들어질 수 있는 용액들에 대한 추구가 있다.
본 발명의 목적은 광전자 소자 및 개선된 양자 수율을 갖는 광전자 소자를 생산하는 과정을 구체화하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에서 청구되는 바와 같은 광전자 소자에 의해 달성된다. 바람직한 구성들은 종속항들에서 구체화된다.
광활성층의 층 두께의 증가를 통해 증가된 양자 수율을 달성하는 것이 가능할 것이다. 그러나, 여기서 문제는 올리고머 유닛들에서의 비틀림 및 과도한 결정화의 발생이며, 이는 흔히 단락을 야기한다.
그러므로 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 광전자 소자가 제안되며, 광활성층은 적어도 3개의 재료를 함유하는 혼합 다중층을 포함하며, 적어도 하나의 유기 재료는 작은 분자들로 구성되며, 적어도 하나의 재료는 도너이고 적어도 하나의 재료는 억셉터이며, 도너 및 억셉터는 도너 및/또는 억셉터가 결정화되는 성향에 영향을 주도록 정해지는 적어도 하나의 제3 재료를 갖는 도너-억셉터 시스템을 형성한다.
본 발명의 맥락에서, 작은 분자들은 100과 2000 사이의 단순 분산 몰 질량을 갖는 비폴리머 유기 분자들을 의미하는 것으로 이해되며, 비폴리머 유기 분자들은 표준압(주변 대기의 기압) 하에서 그리고 상온에서 고체상으로 존재한다. 보다 상세하게는, 이러한 작은 분자들은 광활성일 수도 있으며, 이 "광활성"은 에너지가 공급될 때, 분자들이 전하 상태의 변화를 겪는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 에너지 공급은 광 에너지 공급, 예를 들어, 가시광 또는 UV 광, 그렇지 않으면 전기 에너지 공급을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 재료는 LUMO의 크기 <= 억셉터의 LUMO이고, HOMO의 크기 >= 도너의 HOMO인 에너지 레벨을 갖는다. 그러므로, 제3 재료의 HOMO와 LUMO 사이의 차이는 도 30에 따라 도너의 HOMO와 억셉터의 LUMO 사이의 차이 이상이다.
"HOMO" 및 "LUMO"이란 용어들은 화학에서 통상적인 바와 같이, 최고 점유된 분자 궤도 함수 및 최저 비점유된 분자 궤도 함수를 의미하는 것으로 이해된다. 용어는 개별 분자들 및 고체들 또는 재료 필름들 둘 다에 관한 것이다. HOMO 및 LUMO의 에너지 레벨들은 당업자에게 알려진 방식으로 예를 들어, 순환 전압 전류법(CV) 또는 자외광 전자 분광법(UPS)을 통하여 결정될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 제3 재료의 LUMO의 크기가 바람직하게는 광활성층의 억셉터 재료의 LUMO보다 0.3 eV 더 낮고/낮거나 제3 재료의 HOMO의 크기가 광활성층(5)의 도너 재료의 HOMO의 에너지 레벨의 크기의 0.3 eV 더 높은 에너지 레벨을 갖는다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층에서 제3 재료의 비율은 < 10%이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층에서 제3 재료의 비율은 10%와 50% 사이이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층에서 제3 재료의 비율은 0.1 중량% < x < 30 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% < x < 20 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 중량% < x < 10 중량%이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 광활성층 내에서 전하 전송을 동시에 개선한다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층에서 적어도 하나의 도너 재료는 올리고머이다.
본 발명의 맥락에서, 올리고머들은 100과 2000 사이의 단순 분산 몰 질량을 갖고 표준압(주변 대기의 기압) 하에서 그리고 상온에서 고체상으로 존재하는 비폴리머 유기 분자들을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층에서 적어도 하나의 도너 재료 D1는 올리고머이며, 도너 재료 D1의 HOMO의 크기는 제3 재료의 HOMO의 크기와 동일하고 도너 재료 D1의 LUMO의 크기는 제3 재료의 LUMO의 크기와 동일하다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 올리고머이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 도너 및/또는 억셉터의 결정화를 방지하도록 정해진다. 동시에, 제3 재료는 정공 전도체, 전자 전도체 또는 양극성 전송 재료일 수 있으며, 양극성 전송 재료는 예를 들어, 전자 및 정공 전도체의 혼합물일 수도 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 제3 재료의 분자 구조 때문에, 도너 및/또는 억셉터 상의 결정화를 최소화한다. 도너 및 억셉터의 더 양호한 혼합의 덕택으로, 더 많은 여기자들이 분리 인터페이스에 도달하고 전하 캐리어들로 분리되고 따라서 전류에 기여하는 것이 가능하다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료의 분자 구조는 도너 재료 D1의 분자 구조와 실질적으로 유사하며, 그 결과로 제3 재료가 도너 재료 D1에서 격자 결함으로 작용하고, 따라서 도너 재료 D1이 순수 상으로서 너무 상당하게는 결정화되지 않는다.
격자 결함 (게다가 격자 결함 또는 결정체 결함)은 달리 주기적인 결정체 격자에서의 임의의 불규칙성을 지칭한다. 격자 결함들의 존재는 실존 결정체를 이상적 결정체의 이론적 모델과 구별한다. 격자 결함들은 결정체의 많은 특성들, 특히 결정체 내에서의 화학 반응, 물질 전달 및 확산, 그리고 결정체의 기계적 특성들에 대해 기본적으로 중요하다. 격자 결함들은 결함 면적의 공간적 범위를 참조하여 분류된다. 격자 결함이 한 원자 정도보다 더 많이 갖는 공간적 치수의 수가 식별된다. 이러한 방식으로, 영 내지 3차원 격자 결함들이 구별된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 재료의 분자 구조체는 제3 재료가 도너 및/또는 억셉터 재료에서의 격자 결함을 야기하도록 정해진다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 재료의 분자 구조는 억셉터 재료 A1의 구조와 실질적으로 유사하며, 그 결과로 제3 재료가 억셉터 재료 A1에서 격자 결함으로서 역할을 하고, 따라서 억셉터 재료 A1이 순수 상으로서 너무 상당하게는 결정화되지 않는다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 도너 재료 및/또는 억셉터 재료의 결정화가 개선되도록 정해진다. 이러한 경우에, 제3 재료는 상 분리를 확실하게 하므로 더 지속적인 전도 경로들을 생성함으로써 개별 상들에서의 전하 전송을 개선한다. 개선된 상 분리는 제3 재료 없는 상 분리와 비교하여 3중 혼합층에서의 감소된 광냉광 신호에 의해 입증될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 제3 재료가 억셉터와 도너 사이의 최소 분리를 확립하도록 선택되며, 제3 재료는 동시에 억셉터 및 도너의 상 분리에 기여한다. 따라서, "제미날(geminal) 재결합"의 문제가 감소될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 제미날 재결합은 서로와 이미 분리된 전하 캐리어들의 재결합을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는, 제3 재료의 분자 구조에서, 풀러리노필릭(fullerenophilic)이도록 정해지는 제1 영역 및 풀러리노포빅(fullerenophobic)이도록 정해지는 제2 영역을 가지며, 제1 및 제2 영역들은 공간적으로 분리되어 정해진다.
본 발명의 맥락에서, 풀러리노필릭은 풀러린들(C60, C70 등)에 근접함에 대한 선호를 갖는 분자 구조 또는 분자 구조의 적어도 일부를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 맥락에서, 풀러리노포빅은 풀러린들(C60, C70 등)로부터 멀리 떨어짐에 대한 선호를 갖는 분자 구조 또는 분자 구조의 적어도 일부를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광전자 소자는 전극과 상대 전극 사이에 하나 보다 많은 광활성층을 갖는다. 소자는 예를 들어, 적층형 전지 또는 3중 전지의 형태를 취할 수 있다. 이는 입사광이 소자 내에서 수개의 광활성층을 투과하므로, 특히 유리하다. 특히 유리하게, 다양한 흡수층들이 서로에 부합되며, 이 흡수층들은 상이한 흡수 최대치들을 갖는다. 이는 입사광의 효율적인 활용을 가능하게 한다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광활성층들 중 적어도 하나는 억셉터로서, 풀러린들 또는 풀러린 유도체들의 기로부터의 재료를 포함한다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 적어도 하나의 도핑되거나, 부분적으로 도핑되거나, 도핑되지 않은 전송층이 전극과 상대 전극 사이에 배치된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광전자 소자는 적어도 일정 광 파장 범위 내에서 반투명이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 광전자 소자는 유기 태양 전지이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 소자는 pin 단일, pin 적층형 전지, pin 다중 전지, nip 단일 전지, nip 적층형 전지 또는 nip 다중 전지이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 소자는 적어도 하나의 i층을 갖는 복수의 독립된 조합이 적층되는 nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin 또는 pipn 구조들의 조합으로 구성된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 크라운 에테르류, 트리페닐류, 소르비톨류, 퀴나크리돈류, 비스(4-(테르트-부틸)벤조에이트-O)하이드록시알루미늄으로 구성되는 기로부터 선택된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료로서, 일반식(Ⅰa 및 Ⅰb)의 크라운 에테르들이 선택된다.
여기서 Ar = 페닐, 비페닐, 트리페닐, 나프틸, 비나프틸, 3 내지 6개의 축합된 페닐 링(예를 들어 안트라세닐, 페난트레닐, 파이레닐)
Hetar = 티오펜, 피롤, 푸란, 옥사졸, 티아졸, 옥사디아졸, 티아디아졸, 트리아졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 벤조티오펜류, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤조티오펜, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤즈옥사졸, 벤조티아졸, 티에노티오펜류, 티에노피롤, 티에노푸란, 3 내지 6개의 축합된 헤테로사이클, 디티에노티오펜, 디티에노피롤, 디티에노벤젠, 디티에노사이클로펜타디엔류, 디피롤로벤젠,
특정 페닐 링(오르토, 메타 및 파라 위치들), 나프틸 링, 축합된 페닐 링, 및 헤테로아릴 링 및 축합된 헤테로아릴 링 상의 1,2, 1,3 및 1,4 위치들에서 접합된 에테르 가교들이며,
m 및 n은 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6이며,
o 및 p는 각각 독립적으로 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6이다.
보다 상세하게는, 디벤조-크라운 에테르들 및 디나프토-크라운 에테르류 및 혼합된 벤조-/나프토-크라운 에테르류가 사용된다. 이하의 구조들을 갖는 화합물이 바람직하다:
또는
또는
또는
또는
또는
여기서 각각의 경우에: n 및 m은 3, 4 및 5로부터 각각 독립적으로 선택되고,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 및 R12는 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C5H11, C6H13, 이소부틸, CF3, C2F5, C3F7, C4F9, C5F11, C6F13, OH, O-CH3, CH2-O-CH3, CH2-O-CH2-CH3, CN, 페닐, 티오펜으로부터 각각 독립적으로 선택된다.
본 발명의 일 실시예에서, 크라운 에테르들은 이하의 일반식(Ⅱ)를 갖는다:
(Ⅱ)
여기서 Ar = 페닐, 나프틸, 비페닐, 트리페닐, 나프틸, 비나프틸, 3 내지 6개의 축합된 페닐 링, 안트라세닐, 페난트레닐, 파이레닐,
Hetar = 티오펜, 피롤, 푸란, 티에노티오펜류, 옥사졸, 티아졸, 옥사디아졸, 티아디아졸, 트리아졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 벤조티오펜류, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤조티오펜, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤즈옥사졸, 벤조티아졸, 티에노티오펜류, 티에노피롤, 티에노푸란, 3 내지 6개의 축합된 헤테로사이클, 디티에노티오펜, 디티에노피롤, 디티에노벤젠, 디티에노사이클로펜타디엔류, 디피롤로벤젠,
특정 페닐 링(오르토, 메타 및 파라 위치들), 나프틸 링, 축합된 페닐 링, 및 헤테로아릴 링 및 축합된 헤테로아릴 링 상의 1,2, 1,3 및 1,4 위치들에서 접합된 에테르 가교들이며,
m 및 n은 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6이며,
p 및 q는 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6이다.
이하의 구조들을 갖는 화합물들이 특히 바람직하다:
본 발명의 일 실시예에서, 크라운 에테르류는 아릴 및 헤테로아릴 크라운 에테르류 및 축합된 아릴 및 축합된 헤테로아릴 크라운 에테르류, 바람직하게는 디아릴 및 디헤테로아릴 크라운 에테르류 및 혼합된 아릴 및 헤테로아릴 크라운 에테르류, 보다 바람직하게는 디벤조-크라운 에테르류, 디나프토-크라운 에테르류 및 혼합된 벤조-나프토-크라운 에테르류로 구성되는 기로부터 선택된다. 아릴 크라운 에테르는 적어도 하나의 아릴기로 구성되지만, 바이-, 트리- 및 폴리사이클릭 방향족 하이드로카빌기를 가질 수도 있다. 그 안에 아릴 염기 골격의 2개의 탄소 원자는 모노에톡시기, 디에톡시기, 트리에톡시기, 테트라에톡시기, 펜타에톡시기 및 헥사에톡시기를 갖는 링을 형성하도록 접합된다. 축합된 아릴 크라운 에테르는 적어도 하나의 바이사이클릭 방향족 하이드로카빌기로 구성되지만, 트리- 및 폴리사이클릭 방향족 하이드로카빌기를 가질 수도 있다. 그 안에 축합된 염기 골격의 2개의 탄소 원자는 모노에톡시기, 디에톡시기, 트리에톡시기, 테트라에톡시기, 펜타에톡시기 및 헥사에톡시기를 갖는 링을 형성하도록 접합된다. 축합된 헤테로아릴 크라운 에테르는 적어도 하나의 벤젠 링을 갖는 적어도 하나의 헤테로아릴 링 또는 거기에 축합된 추가의 헤테로아릴 링으로 구성되지만, 트리- 및 폴리사이클릭 헤테로방향족 하이드로카빌기를 가질 수도 있다. 그 안에 축합된 염기 골격의 2개의 탄소 원자는 모노에톡시기, 디에톡시기, 트리에톡시기, 테트라에톡시기, 펜타에톡시기 및 헥사에톡시기를 갖는 링을 형성하도록 접합된다. 디아릴 크라운 에테르는 크라운의 형태로 알콕시 가교들을 통하여 서로에 접합되는 2개의 비축합된 (별도의) 아릴기로 구성된다. 이러한 알콕시 유닛들은 하나 내지 6개의 에톡시기로 구성된다. 축합된 디아릴 크라운 에테르는 크라운의 형태로 2개의 알콕시 가교를 통하여 서로에 접합되는 2개의 축합된 아릴기로 구성된다. 이러한 알콕시 유닛들은 하나 내지 6개의 에톡시기로 구성된다. 축합된 디헤테로아릴 크라운 에테르는 크라운의 형태로 2개의 알콕시 가교를 통하여 서로에 접합되는 2개의 축합된 헤테로아릴기로 구성된다. 이러한 알콕시 유닛들은 하나 내지 6개의 에톡시기로 구성된다. 아릴-헤테로아릴 크라운 에테르는 크라운의 형태로 2개의 알콕시 가교를 통하여 서로에 접합되는 아릴기 및 헤테로아릴기 둘 다로 구성된다. 이러한 알콕시 유닛들은 하나 내지 6개의 에톡시기로 구성된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 소르비톨이다. 이하의 구조들을 갖는 화합물들이 바람직하다:
여기서 R1 및 R2는 H, CH3, C2H5로부터 각각 독립적으로 선택되고
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 퀴나크리돈이다. 이하의 구조들을 갖는 화합물들이 바람직하다:
또는
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 이하의 구조를 갖는 비스(4-테르트-부틸)벤조에이트-O)하이드록시알루미늄이다:
본 발명의 추가의 실시예에서, 제3 재료는 이하의 구조를 갖는 트리페닐이다:
여기서 R1 내지 R6은 H, OH, OCH3, OOCH3으로부터 각각 독립적으로 선택되며, 여기서 적어도 3개의 산소가 분자에 존재한다.
이하의 구조들을 갖는 화합물들이 바람직하다:
본 발명의 바람직한 발전들이 청구항들 또는 청구항들의 개별 특징들의 조합들로부터 명백하다.
본 발명이 일부 작업예들 및 도면들을 참조하여 이하에 상세히 예시될 것이다. 작업예들은 본 발명을 제한하지 않고 본 발명을 설명하도록 의도된다. 도면들은 이하를 도시한다:
도 1은 본 발명 소자의 개략도이다.
도 2는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 4는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 5는 도 4에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 6은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 7은 도 6에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 8은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅱ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 10은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 11은 도 10에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅴ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 12는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 13은 도 12에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅵ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 14는 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 15는 도 14에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅲ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 16은 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 17은 도 16에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 18은 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 19는 도 18에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅵ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 20은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 21은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 22는 일사량에 따른 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 충전율 특성들 및 개회로 전압을 나타낸다.
도 23은 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 전류-전압 특성이다.
도 24는 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 25는 일사량에 따른 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 충전율 특성들 및 개회로 전압을 나타낸다.
도 26은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 27은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 28은 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 전류-전압 특성이다.
도 29는 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 30은 3개의 재료를 갖는 에너지 방식의 개략도이다.
도 1은 본 발명 소자의 개략도이다.
도 2는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 4는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 5는 도 4에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 6은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 7은 도 6에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 8은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅱ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 10은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 11은 도 10에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅴ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 12는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 13은 도 12에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅵ)을 사용하여 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 14는 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 15는 도 14에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅲ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 16은 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 17은 도 16에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅰ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 18은 기판 온도 70 ℃에서 증착되는 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 19는 도 18에 도시된 바와 동일한 층 구조를 갖지만, 제3 재료로서 화합물(Ⅵ)을 사용하여 그리고 상온에서 증착된 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 전류-전압 특성이다.
도 20은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 21은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 22는 일사량에 따른 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 충전율 특성들 및 개회로 전압을 나타낸다.
도 23은 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 전류-전압 특성이다.
도 24는 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 25는 일사량에 따른 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 충전율 특성들 및 개회로 전압을 나타낸다.
도 26은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 전류-전압 특성이다.
도 27은 광활성층에서 2개의 재료를 갖는 비교 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 28은 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 본 발명의 소자의 전류-전압 특성이다.
도 29는 광활성층에서 3개의 재료를 갖는 소자의 외부 양자 효율을 나타낸다.
도 30은 3개의 재료를 갖는 에너지 방식의 개략도이다.
본 발명의 작업예에서, 도 1은 예로서, 무기 태양 전지로서 수행되는 소자(1)의 개략도를 도시한다. 소자(1)는 바람직하게는 가요성 방식으로 예를 들어, 필름으로서 수행되는 투명 기판(2) 상에 배치된다. 금속, 전도성 산화물, 특히 ITO, ZnO:Al 또는 다른 TCO들 또는 전도성 폴리머 예를 들어, PEDOT:PSS 또는 PANI로 제작되는 전극(3)은 기판(2) 맨 위에 배치된다. 예를 들어, 전자 전송층 또는 정공 전송층으로서 수행되는 전하 캐리어 전송층(4)은 전극(3) 맨 위에 배치된다. 도너-억셉터 시스템을 함께 형성하는 적어도 하나의 도너 재료 및 하나의 억셉터 재료를 포함하는 광활성층(5)은 이러한 전하 캐리어 전송층(4) 맨 위에 배치된다. 게다가, 광활성층은 0.1 중량% < x < 10 중량%의 비율을 갖는 제3 재료를 포함한다. 이러한 제3 재료는 크라운 에테르류, 트리페닐류, 소르비톨류, 퀴나크리돈류, 비스(4-(테르트-부틸)벤조에이트-O)하이드록시알루미늄으로 구성되는 기로부터 선택된다. 추가의 전하 캐리어 전송층(6)은 광활성층(5) 맨 위에 배치된다. 이러한 전하 캐리어 전송층(6)은 마찬가지로 전자 전송층 또는 정공 전송층의 형태를 취하며, 전하 캐리어 전송층(6)은 전하 캐리어 전송층(4)에 상호 보완적이도록 정해진다. 예를 들어, 금속 예를 들어, Al으로 형성되는 상대 전극(7)은 이러한 전하 캐리어 전송층(6) 맨 위에 배치된다.
제2 작업예에서, 본 발명의 소자(1)는 3개의 재료를 포함하는 광활성층(5)을 가지며, 도너 재료 D1 및 억셉터 재료 A1은 도너-억셉터 시스템을 형성한다. 도너 재료 D1은 예를 들어, 프탈로시아닌, 페릴렌 유도체들, TPD 유도체들, 올리고티오펜류 또는 WO2006092134 A1, WO2011161262 또는 WO2011161170A1에 개시된 재료의 부류로부터의 재료이다. 억셉터 재료 A1은 예를 들어, 풀러린 또는 풀러린 유도체(C60, C70 등)이다. 광활성층(5)은 추가의 도너 재료 D2의 형태를 취하는 제3 재료를 더 포함한다. 제3 재료 D2는 도너 재료 D1이 결정화되는 성향에 영향을 준다. 대안적 구성에서, 제3 재료는 억셉터 재료 A1이 결정화되는 성향에 영향을 주는 억셉터 재료 A2이다.
추가의 작업예에서, 광활성 소자(1)는 예를 들어, 이하의 구조를 갖는다:
ITO / C60 / 광활성 혼합층 / BPAPF (9,9-비스[4-[N,N-비스(비페닐-4-일)아미노]페닐]-9H-플루오렌) / BPAPF:NDP9 / NDP9 / Au
여기서 광활성 혼합층은 7% 미만 부가된 이하의 화합물들 중 하나를 제3 재료로서 포함한다:
화합물(Ⅲ)
추가의 작업예에서, 도 2 및 도 3은 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서 광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 2는 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 3은 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅰ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅰ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅰ)의 부가에 의해 야기되는 46%에서 58.6%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
제3 재료의 부가가 생성되는 전류에 상당한 영향을 준다는 것이 충전율들(FF)의 비교로부터 추론될 수 있다.
추가의 작업예에서, 도 4 및 도 5는 상이한 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서 광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 4는 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 5는 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅰ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅰ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅰ)의 부가에 의해 야기되는 48.8%에서 65.7%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 6 및 도 7은 제3 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 6은 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 7은 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅰ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅰ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅰ)의 부가에 의해 야기되는 50.7%에서 62.7%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 8 및 도 9는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 8은 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 9는 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅱ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅱ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅱ)의 부가에 의해 야기되는 46%에서 50.6%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 10 및 도 11은 추가의 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 10은 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 11은 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅴ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅴ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅴ)의 부가에 의해 야기되는 48.8%에서 60.2%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 12 및 도 13은 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 추가의 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 12는 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 13은 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅵ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅵ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅵ)의 부가에 의해 야기되는 48.8%에서 60.3%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 14 및 도 15는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 추가의 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 70 ℃의 기판 온도로 증착되었다. 도 14는 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 15는 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅲ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅲ)의 부가의 면에서만 다르다. 이러한 경우에, 화합물(Ⅲ)의 부가에 의해 야기되는 60.0%에서 65.2%로의 충전율(FF)의 상승이 발견된다.
추가의 작업예에서, 도 16 및 도 17은 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 도 16의 경우에 70 ℃의 기판 온도로 그리고 도 17의 경우에 상온에서 증착되었다. 도 16은 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 17은 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅰ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅰ)의 부가 및 광활성층(5)의 증착에서의 기판 온도의 면에서 다르다. 이러한 경우에, 충전율들이 64%(도 16) 및 63.6%(도 17)로 거의 동일한 것이 발견된다. 화합물(Ⅰ)의 부가를 통해, 따라서, 부가하지 않고 가열된 기판들의 경우에서와 더 낮은 기판 온도들에서 동일한 충전율을 달성하는 것이 가능하다. 부가를 통해, 따라서, 증착에서 더 간략화된 조건들을 달성하는 것이 가능하다.
추가의 작업예에서, 도 18 및 도 19는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 30 ㎚의 층 두께를 갖는다. 광활성층(5)은 도 18의 경우에 그리고 도 19의 경우에 상온에서 증착되었다. 도 18은 도너-억셉터 시스템을 갖는 소자(1)의 전류-전압 특성을 도시하고, 도 19는 도너-억셉터 시스템 및 화합물(Ⅵ)을 포함하는 광활성층을 갖는 소자에 대한 전류-전압 특성을 도시한다. 소자들의 광활성층(5)은 본원에서 화합물(Ⅵ)의 부가 및 광활성층(5)의 증착에서의 기판 온도의 면에서 다르다. 이러한 경우에, 55.1%(도 18) 및 60.9%(도 19)로의 충전율들이 화합물(Ⅵ)의 부가에 의해 증가된다는 것이 발견된다.
추가의 작업예에서, 본 발명의 소자(1)는 3개의 재료를 포함하는 광활성층(5)을 가지며, 도너 재료 D1 및 억셉터 재료 A1은 도너-억셉터 시스템을 형성한다. 도너 재료 D1은 예를 들어, 프탈로시아닌류, 페릴렌 유도체들, TPD 유도체들, 올리고티오펜류 또는 WO2006092134 A1, WO2011161262 또는 WO2011161170A1에 개시된 재료의 부류로부터의 재료이다. 억셉터 재료 A1은 예를 들어, 풀러린 또는 풀러린 유도체(C60, C70 등)이다. 광활성층(5)은 추가의 도너 재료 D2의 형태를 취하는 제3 재료를 더 포함한다. 제3 재료 D2는 도너 재료 D1이 결정화되는 성향에 영향을 준다. 대안적 구성에서, 제3 재료는 억셉터 재료 A1이 결정화되는 성향에 영향을 주는 억셉터 재료 A2이다.
추가의 작업예에서, 도 20 및 도 22는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 20 ㎚(11) 또는 30 ㎚(12)의 층 두께를 갖는다. 도 20은 소자(1)의 전류-전압 특성들을 도시하고, 도 21은 외부 양자 효율의 표현을 나타내고, 도 22는 방사 조도에 대한 충전율(FF) 및 개회로 전압(Uoc)의 도표를 도시한다.
추가의 작업예에서, 도 23 내지 도 25는 제3 재료로서 추가의 도너 D2를 갖는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 20 ㎚(13) 또는 30 ㎚(14)의 층 두께를 갖고 각각의 경우에 1:1:1의 비율로 부가되었다. 도 23은 본 발명 소자(1)의 전류-전압 특성들을 도시하고, 도 24는 외부 양자 효율의 표현을 나타내고, 도 25는 방사 조도에 대한 충전율(FF) 및 개회로 전압(Uoc)의 도표를 도시한다.
제3 재료의 부가가 생성되는 전류에 대해 상당한 영향을 갖는다는 것이 충전율(FF) 및 생성되는 전류의 특성값들의 비교로부터 추론될 수 있다. 특히, 도 21 및 도 24의 비교는 외부 양자 효율에 대한 제3 재료의 영향을 도시하며, 외부 양자 효율에 대한 제3 재료의 영향은 도 21과 비교하여 도 24에서 훨씬 더 두드러진다.
추가의 작업예에서, 도 26 및 도 27은 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 20 ㎚(15) 또는 30 ㎚(16)의 층 두께를 갖는다. 도 26은 소자(1)의 전류-전압 특성들을 도시하고 도 27은 외부 양자 효율의 표현을 나타낸다.
추가의 작업예에서, 도 28 및 도 29는 제3 재료로서 추가의 도너 D2를 갖는 도너-억셉터 시스템을 갖는 광활성층(5)을 갖는 소자(1)에 대한 테스트 결과들을 그래프의 형태로 도시하며, 여기서광활성층(5)은 20 ㎚(17) 또는 30 ㎚(18)의 층 두께를 갖는다. 층(5)은 억셉터:도너 D1:도너 D2 = 1:1:0.1의 비율을 갖는다. 도 28은 본 발명 소자(1)의 전류-전압 특성들을 도시하고 도 29는 외부 양자 효율의 표현을 나타낸다.
제3 재료 도너 D2의 부가가 충전율에 상당한 영향을 준다는 것이 충전율(FF)의 특성값의 비교로부터 추론될 수 있다. 특히, 도 26 및 도 28의 비교는 충전율에 대한 제3 재료의 영향을 도시하며, 충전율에 대한 제3 재료의 영향은 도 26에 비하여 도 28에서 더 높다.
추가의 작업예에서, 도 30은 도너 재료, 억셉터 재료 및 제3 재료를 갖는 광활성층을 갖는 소자의 에너지 체계를 도시한다. 도너 재료의 HOMO 위치(10) 및 도너 재료의 LUMO 위치(11)는 도 30으로부터 추론될 수 있다. 게다가, 도 30은 억셉터의 HOMO 위치(20) 및 억셉터의 LUMO 위치(21)를 도시한다. 게다가, 도 30은 제3 재료의 HOMO 위치(30) 및 제3 재료의 LUMO 위치(31)를 도시한다. 도 30으로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 이는 도너 재료의 HOMO 위치 이상의 크기의 순위의 HOMO 위치(30), 및 억셉터의 LUMO 위치 이하의 즉, 억셉터의 LUMO 위치와 진공 레벨 사이의 크기의 순위의 LUMO 위치(31)를 갖는다. 에너지의 진공 레벨은 참조 번호 40으로 나타내어진다.
1 광전자 소자
2 기판
3 전극
4 전하 캐리어 전송층(ETL 또는 HTL)
5 광활성층
6 전하 캐리어 전송층(ETL 또는 HTL)
7 상대 전극
10 도너 재료의 HOMO 위치
11 도너 재료의 LUMO 위치
20 억셉터 재료의 HOMO 위치
21 억셉터 재료의 LUMO 위치
30 제3 재료의 HOMO 위치
31 제3 재료의 LUMO 위치
40 에너지의 진공 레벨
2 기판
3 전극
4 전하 캐리어 전송층(ETL 또는 HTL)
5 광활성층
6 전하 캐리어 전송층(ETL 또는 HTL)
7 상대 전극
10 도너 재료의 HOMO 위치
11 도너 재료의 LUMO 위치
20 억셉터 재료의 HOMO 위치
21 억셉터 재료의 LUMO 위치
30 제3 재료의 HOMO 위치
31 제3 재료의 LUMO 위치
40 에너지의 진공 레벨
Claims (18)
- 전극(3)과 상대 전극(7) 사이에 배치되는 하나 이상의 광활성층(5)을 포함하며, 상기 광활성층(5)은 3개 이상의 재료를 함유하는 혼합 다중층을 포함하며, 하나 이상의 재료는 작은 분자들로 구성되는 유기 재료이며, 하나 이상의 재료는 도너이고 하나 이상의 재료는 억셉터이며, 상기 도너 및 상기 억셉터는 도너-억셉터 시스템 및 상기 도너 및/또는 억셉터가 결정화되는 성향에 영향을 주도록 정해지는 하나 이상의 제3 재료를 형성하는, 광전자 소자(1).
- 제1항에 있어서,
상기 제3 재료는 LUMO의 크기가 상기 억셉터의 LUMO의 크기 이하이고, HOMO의 크기가 상기 도너의 HOMO 이상인 에너지 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제3 재료는 상기 제3 재료의 LUMO의 크기가 상기 광활성층(5)의 상기 억셉터 재료의 LUMO의 크기보다 0.3 eV 더 낮고/낮거나 상기 제3 재료의 HOMO의 크기가 상기 광활성층(5)의 상기 도너 재료의 HOMO의 에너지 레벨의 크기보다 0.3 eV 더 큰 에너지 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광활성층(5)에서 상기 제3 재료의 비율은 0.1 중량% < x < 30 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% < x < 20 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 중량% < x < 10 중량%인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광활성층(5)에서의 하나 이상의 도너 재료가 올리고머인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는 올리고머인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는 제3 재료의 분자 구조 때문에, 상기 제3 재료가 상기 도너 및/또는 억셉터 상의 결정화를 최소화하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
도너 및/또는 억셉터의 결정화가 방지되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료의 분자 구조는 상기 제3 재료가 상기 도너 및/또는 억셉터 재료에서의 격자 결함을 야기하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는 상기 제3 재료가 상기 억셉터와 도너 사이의 최소 분리를 확립하도록 선택되며, 상기 제3 재료는 동시에 상기 억셉터 및 도너의 상 분리에 기여하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는 제3 재료의 분자 구조 때문에, 상기 제3 재료가 상기 도너 및/또는 억셉터 상의 결정화를 촉진하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는, 제3 재료의 분자 구조에서, 풀러리노필릭이도록 정해지는 제1 영역 및 풀러리노포빅이도록 정해지는 제2 영역을 가지며, 상기 제1 및 제2 영역들은 공간적으로 분리되어 정해지는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 재료는 크라운 에테르류, 트리페닐류, 소르비톨류, 퀴나크리돈류, 비스(4-(테르트-부틸)벤조에이트-O)하이드록시알루미늄으로 구성되는 기로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제13항에 있어서,
상기 크라운 에테르류는 일반식(Ⅰa) 또는 (Ⅰb)의 기로부터 선택되며
여기서 Ar = 페닐, 비페닐, 트리페닐, 나프틸, 비나프틸, 3 내지 6개의 축합된 페닐 링, 안트라세닐, 페난트레닐, 파이레닐
Hetar = 티오펜, 피롤, 푸란, 옥사졸, 티아졸, 옥사디아졸, 티아디아졸, 트리아졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 벤조티오펜류, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤조티오펜, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤즈옥사졸, 벤조티아졸, 티에노티오펜류, 티에노피롤, 티에노푸란, 3 내지 6개의 축합된 헤테로사이클, 디티에노티오펜, 디티에노피롤, 디티에노벤젠, 디티에노사이클로펜타디엔류, 디피롤로벤젠,
특정 페닐 링(오르토, 메타 및 파라 위치들), 나프틸 링, 축합된 페닐 링, 및 헤테로아릴 링 및 축합된 헤테로아릴 링 상의 1,2, 1,3 및 1,4 위치들에서 접합된 에테르 가교들이며,
m 및 n은 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6이며,
o 및 p는 각각 독립적으로 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제14항에 있어서,
상기 크라운 에테르류는 이하의 구조들의 화합물들이며:
또는
또는
또는
또는
또는
여기서 각각의 경우에: n 및 m은 3, 4 및 5로부터 각각 독립적으로 선택되고,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 및 R12는 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C5H11, C6H13, 이소부틸, CF3, C2F5, C3F7, C4F9, C5F11, C6F13, OH, O-CH3, CH2-O-CH3, CH2-O-CH2-CH3, CN, 페닐, 티오펜으로부터 각각 독립적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제13항에 있어서,
상기 크라운 에테르류는 이하의 일반식(Ⅱ)을 가지며:
(Ⅱ)
여기서 Ar = 페닐, 비페닐, 트리페닐, 나프틸, 비나프틸, 3 내지 6개의 축합된 페닐 링(안트라세닐, 페난트레닐, 파이레닐, ...),
Hetar = 티오펜, 피롤, 푸란, 옥사졸, 티아졸, 옥사디아졸, 티아디아졸, 트리아졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 벤조티오펜류, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤조티오펜, 벤조피롤, 벤조푸란, 벤즈옥사졸, 벤조티아졸, 티에노티오펜류, 티에노피롤, 티에노푸란, 3 내지 6개의 축합된 헤테로사이클, 디티에노티오펜, 디티에노피롤, 디티에노벤젠, 디티에노사이클로펜타디엔류, 디피롤로벤젠,
특정 페닐 링(오르토, 메타 및 파라 위치들), 나프틸 링, 축합된 페닐 링, 및 헤테로아릴 링 및 축합된 헤테로아릴 링 상의 1,2, 1,3 및 1,4 위치들에서 접합된 에테르 가교들이며,
m 및 n은 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6이며,
p 및 q는 각각 독립적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전자 소자 (1)는 유기 태양 전지인 것을 특징으로 하는 광전자 소자. - 광전자 소자들의 광활성층들에서 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 크라운 에테르류의 용도.
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