KR20180044434A - 유기층을 포함하는 광활성 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기층을 포함하고; 두 개의 전극(2, 9), 및 두 개의 전극(2, 9) 사이에 세 개 이상의 흡수 물질을 포함하는 광활성 억셉터-도너 층 시스템(4)으로 구성되는 광활성 부품에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 두 개 이상의 흡수 물질은 도너 또는 억셉터이고, 두 개의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 큰 파장을 흡수하는 도너 또는 억셉터로서 구성되고, 두 개의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 작은 스토크스 이동 및/또는 다른 흡수 물질보다 작은 흡수 폭을 지닌다.

Description

유기층을 포함하는 광활성 부품{PHOTOACTIVE COMPONENT COMPRISING ORGANIC LAYERS}
본 발명은 유기층을 포함하고, 두 개의 전극, 및 두 개의 전극 사이에 세 개 이상의 흡수 물질을 포함하는 광활성 억셉터(acceptor)-도너(donor) 층을 지니는 단일, 탠덤(tandem) 또는 다중 전지로 구성되는 광활성 부품(photoactive component)에 관한 것이다.
1986년에 탕 등 (Tang et al.)의 문헌 [C.W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986)]에 의해 퍼센트 범위의 효율성을 지니는 최초의 유기 태양 전지가 명시된 이후, 유기 물질은 다양한 전자 및 광전자 부품용으로 집중적으로 연구되어 왔다. 유기 태양 전지는 유기 물질의 일련의 박막층 (전형적으로 1 nm 내지 1 ㎛)으로 구성되고, 이들은 바람직하게는 감압 하에 기상 증착되거나(vapor deposited), 용액으로부터 스피닝(spinning)된다. 전기 접촉은 금속 층, 투명 전도성 산화물(TCO) 및/또는 투명 전도성 고분자(PEDOT-PSS, PANI)에 의해 수행될 수 있다.
태양 전지는 광 에너지를 전기 에너지로 전환시킨다. 본원에서 용어 "광활성"은 마찬가지로 광 에너지의 전기 에너지로의 전환을 의미한다. 무기 태양 전지들과 대조적으로, 유기 태양 전지에서 광은 자유 전하 캐리어들을 직접 생성하지 않고; 대신에, 먼저 여기자(exciton), 즉, 전기적으로 중성인 여기 상태(결합된 전자-정공 쌍들)가 형성된다. 두 번째 단계로 이러한 여기자들은 자유 전하 캐리어로 분리된 후, 전기 전류 흐름에 기여한다.
통상적인 무기-기반 부품(반도체, 예컨대, 규소, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide))에 비해 그러한 유기-기반 부품의 이점은 일부 경우에서 광 흡수 계수가 매우 높고(2×105 cm-1에 이르는), 이에 따라 낮은 물질 소모 및 에너지 소비를 지니는 매우 얇은 태양 전지를 생성시킬 수 있다는 점이다. 추가 기술적 양태는 저렴한 비용, 플라스틱 필름 상의 가요성 대면적 부품의 생산 가능성, 및 사실상 무제한의 가능한 변형예 및 유기 화학의 무제한 이용가능성이다.
문헌[Martin Pfeiffer, "Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications", PhD thesis TU-Dresden, 1999]에서 이미 제안된 유기 태양 전지의 한 가지 가능한 구현은 하기 층 구조를 지니는 핀 다이오드(pin diode)이다:
0. 캐리어, 기판,
1. 하부 접점, 보통 투명함,
2. p 층(들),
3. i 층(들),
4. n 층(들),
5. 상부 접점.
여기서, n 및 p는 열적 평형 상태에서 각각 자유 전자들과 정공들의 밀도의 증가를 초래하는 각각 n-도핑 및 p-도핑을 의미한다. 그러나, 또한 n 층(들) 및 p 층(들)이 단독으로 물질 특성(예, 상이한 이동도)으로 인해, 미지의 불순물(예, 합성으로부터 남아 있는 잔여물, 층 생성 동안 분해 또는 반응 생성물)로 인해 또는 환경적 영향(예, 인접한 층, 금속 또는 다른 유기 물질의 내부 확산, 주위 대기로부터의 가스 도핑)으로 인해, 적어도 일부 공칭상 도핑되지 않고, 우선적으로 n-전도 또는 우선적으로 p-전도 특성을 지니는 것이 가능하다. 이러한 맥락에서, 그러한 층들은 주로 수송층인 것으로 이해해야 한다. 대조적으로, 용어 "i-층"은 공칭상 도핑되지 않은 층(진성층(intrinsic layer))을 나타낸다. 이 경우에, 하나 이상의 i 층은 하나의 물질 또는 두 개의 물질들의 혼합물로 구성될 수 있다(상호침투 네트워크(interpenetrating network) 또는 벌크 이종접합(bulk heterojunction)이라 불림; 문헌[M. Hiramoto et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, pp. 33-40]). 투명한 하부 접점을 통해 입사된 광은 i 층 또는 n/p 층에서 여기자(결합된 전자-정공 쌍)를 생성한다. 상기 여기자는 오로지 매우 높은 전기장들에 의해 또는 적합한 인터페이스에서 분리될 수 있다. 유기 태양 전지에서는 충분히 높은 장이 이용가능하지 않아서 유기 태양 전지들에 대한 모든 유망한 개념들은 광활성 인터페이스에서의 여기자 분리를 기초로 한다. 확산 결과, 여기자는 그러한 활성 인터페이스에 도달하고, 여기서 전자와 정공이 서로로부터 분리된다. 전자를 흡수하는 물질은 억셉터로서 지칭되며, 정공을 흡수하는 물질은 도너로서 지칭된다. 분리하는 인터페이스는 p(n) 층과 i 층 사이 또는 두 개의 i 층들 사이에 있을 수 있다. 이후, 태양 전지에서 형성된 전기장에서, 전자는 n 영역으로 수송되고, 정공들은 p 영역으로 수송된다. 예를 들어, WO 2004083958호에 기재된 바와 같이, 수송층은 바람직하게는 투과성이거나, 실질적으로는 큰 밴드 갭을 지니는 투과성 물질이다. 본원에서 큰 밴드 갭 물질들은 물질의 흡수 최대치가 450 ㎚ 미만, 바람직하게는 400 ㎚ 미만의 파장 범위에 있음을 의미한다.
광은 항상 먼저 여기자를 생성하는데, 그 때까지 자유 전하 캐리어를 아직 생성하지 않았을 때에는 활성 인터페이스에 대한 여기자의 낮은 재조합 확산이 유기 태양 전지들에서 중요한 부분으로 작용한다. 따라서, 광전류에 기여하기 위해서, 양호한 유기 태양 전지에서 여기자 확산 길이가 광의 전형적인 투과 깊이를 상당히 초과하여 광의 많은 부분이 이용될 수 있어야 한다. 구조 면에서, 그리고 화학적 순도에 대해서 얇은 층 또는 유기 결정체는 이러한 기준에 실제로 부합한다. 그러나, 대면적 적용의 경우에는 단결정 유기 물질의 사용이 불가능하고, 충분한 구조적 완벽함을 지닌 다중층의 제조는 지금까지 여전히 매우 어렵다.
i 층이 혼합층인 경우에, 광 흡수의 임무는 부품들 중 단지 하나 또는 둘 모두에 의해 행해진다. 혼합층의 이점은 생성된 여기자가 이들이 분리되는 도메인 경계에 도달하기 전에 매우 짧은 거리만을 커버해야 한다는 점이다. 전자 및 정공은 각각의 물질들에서 별도로 전달된다. 물질이 혼합층 전체에 걸쳐 서로에 대해 접촉하기 때문에, 이러한 개념에서 분리된 전하가 각각의 물질 상에서 긴 수명을 지니고, 연속 투과 경로가 각각의 접점을 향하는 어떠한 부위로부터 둘 모두의 전하 캐리어 유형으로 존재하는 것이 중요하다.
US 5,093,698에는 유기 물질의 도핑이 개시되어 있다. 억셉터형 또는 도너형 도핑 물질의 첨가는 층에서 등가의 전하 캐리어 농도를 증가시키고 전도도를 향상시킨다. US 5,093,698에 따라, 도핑된 층은 전자발광 부품에서 접촉 물질에 대한 인터페이스에서 주입 층으로서 사용된다. 유사한 도핑 접근법이 또한 태양 전지의 경우에 유사하게 적절하다.
광활성 i 층을 구현하는 다양한 가능한 방식이 문헌에 개시되어 있다. 예를 들어, 이는 이중 층[EP 0000829] 또는 혼합층[문헌: Hiramoto, Appl, Phys. Lett. 58, 1062(1991)]일 수 있다. 또한, 이중층과 혼합층의 조합이 공지되어 있다[문헌: Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991); US 6,559,375]. 마찬가지로, 혼합 비율은 혼합층의 여러 영역에서 상이하고[US 20050110005], 혼합 비율은 증감율(gradient)을 지님이 공지되어 있다.
또한, 문헌[Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990); DE　102004014046)]에는 탠덤 또는 다중 태양 전지가 공지되어 있다.
추가적으로, 문헌[DE 102004014046]에는 유기 핀 탠덤 전지가 공지되어 있다: 그러한 탠덤 전지의 구조는 두 개의 개별 핀 전지로 구성되고, 그러한 층 배열 "핀"은 p-도핑된 층 시스템, 도핑되지 않은 광활성 층 시스템 및 n-도핑된 층 시스템의 배열을 나타낸다. 도핑된 층 시스템은 바람직하게는 큰 갭 물질/층이라 불리는 투과성 물질로 구성되고, 이러한 경우에 이들은 또한 일부 또는 전부 도핑되지 않거나, 위치의 함수로서 상이한 도펀트 농도를 지니거나, 도펀트 농도의 연속 구배를 지닐 수 있다. 특히, 매우 낮은 도핑 또는 높은 도핑을 지니는 영역은 또한 전극에 대한 경계 영역에서, 또 다른 도핑되거나 도핑되지 않은 투과성 층에 대한 경계 영역에서, 활성층에 대한 경계 영역에서, 탠덤 또는 다중 전지의 경우에, 인접한 핀 또는 닙(nip) 하부전지에 대한 경계 영역에서, 즉, 재조합 구역의 영역에서 가능하다. 모든 이러한 특징의 어떠한 요망되는 조합이 또한 가능하다. 물론, 그러한 탠덤 전지는 또한 반전된 구조(예, 닙 탠덤 전지)라 불리는 것일 수 있다. 모든 이러한 가능한 탠덤 전지 구현 형태는 이하에서 용어 "핀 탠덤 전지"라 지칭된다.
본 발명의 문맥에서, 소분자는 표준압(주위 대기의 공기압)하에서, 그리고 실온에서 고체상으로 존재하는, 100 내지 2000의 단분산 몰질량을 지니는 비고분자성 유기 분자를 의미하는 것으로 이해된다. 더욱 특히, 이러한 소분자는 또한 광활성일 수 있고, "광활성"은 분자가 광의 입사 하에 전하 상태를 변화시킴을 의미하는 것으로 이해된다.
현재 유기 태양 전지의 문제는 지금까지 실험실에서 달성된 가장 높은 효율이 6 내지 7%로 아직까지 매우 낮다는 점이다. 대부분의 적용의 경우, 특히 대면적 적용의 경우, 대략 10%의 효율이 필요한 것으로 여겨진다. 유기 반도체(무기 반도체와 비교하는 경우)의 상대적으로 불량한 수송 특성 및 유기 태양 전지에서 사용가능한 흡수제의 층 두께의 관련된 제한으로 인해, 일반적으로 그러한 효율은 탠덤 전지의 도움으로 최상으로 구현될 수 있는 것으로 추측된다[문헌: Tayebeh Ameri et al., Organic tandem solar cells: A review, Energy Environ. Sci., 2009, 2, 347-363; DE　10　2004　014　046.4]. 특히, 장래에는 탠덤 전지의 도움만으로 15%에 이르는 효율이 아마도 가능할 것이다. 그러한 탠덤 태양 전지의 통상적인 구조에서는 다양한 흡수 시스템이 두 하부전지에 사용되고, 이들은 최대 범위를 이용하기 위해 태양 스펙트럼의 상이한 부분(가능하게는 심지어 중복)을 흡수한다. 여기서, 하나의 하부전지의 흡수 시스템은 더 짧은 파장의 스펙트럼 범위(바람직하게는 가시선 범위를)를 흡수하고, 다른 하부전지의 흡수 시스템은 더 긴 파장의 스펙트럼 범위(바람직하게는 적외선 범위)를 흡수한다. 도 1은 통상적인 구조의 탠덤 전지의 두 하부전지에서의 흡수 스펙트럼의 개략적 분포를 나타낸 것이다.
이러한 탠덤 전지의 단점은 적외선 흡수제를 지니는 하부전지가 다른 하부전지보다 낮은 개 회로 전압을 전달하여 이러한 하부전지가 부품의 효율에 비교적 적게만 기여할 수 있다는 점이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 나타낸 단점을 극복하는 유기 광활성 부품을 명시하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은 독립항에 따른 유기 광활성 부품에 의해 달성된다. 유리한 구성이 종속항에서 명시된다.
단일, 탠덤 또는 다중 전지의 형태를 지니는 본 발명의 부품은 하나의 전극이 기판 상에 배열되고, 또 다른 전극이 상부 상대전극으로서 배열되는 두 개의 전극을 지닌다. 전극들 사이에는 세 개 이상의 흡수 물질을 지니는 흡수 시스템으로서 광활성 억셉터-도너 층 시스템이 있다. 두 개 이상의 흡수 물질은 도너 또는 억셉터이며, 도너 또는 억셉터의 형태를 지니는 두 개의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 더 큰 파장을 흡수하고, 두 개의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 작은 스토크스 이동(Stokes shift) 및/또는 다른 흡수 물질보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
스토크스 이동은 본 발명의 문맥에서 최대 흡수도와 최대 광발광도 사이의 거리(nm)로서 정의된다.
도너는 전자를 방출하는 물질을 지칭한다. 억셉터는 전자를 흡수하는 물질을 지칭한다.
흡수 물질은 400 nm 초과의 파장 범위를 흡수하는 물질을 의미하는 것으로 이해된다.
유기 필름의 흡수 폭 또는 흡수 범위는 국부적 흡수 최대치의 절반 높이의 폭(nm)(국부적 흡수 최대치의 50%에서의 폭), 또는 국부적 흡수 최대치의 20% 값에서의 흡수 스펙트럼의 폭(nm)을 의미하는 것으로 본원에서 이해된다. 두 정의 중 적어도 하나가 적용되는 경우는 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 광활성 층 시스템은 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 도너이고, 흡수 물질(3)이 억셉터인 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 지닌다. 이러한 경우에, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 광활성 층 시스템은 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 억셉터이고, 흡수 물질(3)이 도너인 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 지닌다. 이러한 경우에, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 광활성 층 시스템은 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 도너이고, 흡수 물질(3)이 억셉터인 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 지닌다. 이러한 경우에, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템에서 도너 또는 억셉터의 형태를 지니는 두 개 이상의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 광활성 층 시스템은 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 억셉터이고, 흡수 물질(3)이 도너인 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 지닌다. 이러한 경우에, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템은 흡수 시스템의 흡수 폭이 200 nm 이상 내지 250nm의 폭을 지니는, 도너-억셉터 시스템으로 구성된다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템은 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 지니는 광활성 억셉터-도너 층 시스템으로 구성된다. 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)은 둘 모두 도너이거나 둘 모두 억셉터이며, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 더 큰 파장을 흡수하고, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동 및/또는 흡수 물질(1)보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 흡수 시스템은 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 포함하는 광활성 억셉터-도너 층 시스템으로 구성된다.
흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)은 둘 모두 도너이거나 둘 모두 억셉터이고, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 더 작은 파장을 흡수하고, 흡수 물질(2)은 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동 및/또는 흡수 물질(1)보다 작은 흡수 폭을 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템에서 도너 또는 억셉터의 형태를 지니는 두 개 이상의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 큰 파장을 흡수한다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템은 제 2 흡수 물질(2)이 흡수 물질(1)보다 큰 파장을 흡수하는, 두 개 이상의 흡수 물질(1, 2)을 포함한다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 시스템에서 도너 또는 억셉터의 형태를 지니는 두 개 이상의 흡수 물질 중 하나는 다른 흡수 물질보다 작은 파장을 흡수한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 제 2 흡수 물질(2)은 제 1 흡수 물질(1)보다 좁은 흡수 범위를 지닌다.
본 발명의 구성의 이점은 태양 전지가 종래 기술과 비교할 때 동일한 흡수 범위에 대해서 더 높은 개 회로 전압을 전달할 수 있다는 점이다.
태양 전지의 효율이 10% 또는 그 이상이 될 수 있기에 충분한 전체 전력을 발생시키기 위해서, 탠덤 또는 다중 전지에서의 각각의 흡수 시스템의 흡수 폭은 200 nm 이상 내지 250 nm의 폭을 지녀야 한다. 예를 들어, 하나의 하부전지는 400　nm 내지 650　nm를 흡수할 수 있고, 다른 하부전지는 650　nm 내지 900　nm를 흡수할 수 있다(도 2).
추가의 구체예에서, 부품은 유기 핀 태양 전지 또는 유기 핀 탠덤 태양 전지로서 구성된다. 탠덤 태양 전지는 두 개의 직렬 연결된 태양 전지의 수직 적층으로 구성된 태양 전지를 지칭한다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 제 1 흡수 물질(1)과 제 2 흡수 물질(2)은 둘 모두 도너이거나 둘 모두 억셉터이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 제 2 흡수 물질(2)은 제 1 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동을 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 제 1 흡수 물질(1) 및/또는 제 2 흡수 물질(2)은 혼합층에 적어도 일부 존재한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 흡수 시스템의 두 개 이상의 흡수 물질은 혼합층에 적어도 일부 존재한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 흡수 시스템에서 도너 또는 흡수제의 형태를 지니는 두 개 이상의 흡수 물질 중 하나의 HOMO 수준은 다른 흡수 물질과 0.2 eV 이하, 바람직하게는 0.1 eV 이하 다르다. 예를 들어, 흡수 물질(2)의 HOMO 수준 및 흡수 물질(1)의 HOMO 수준은 0.2 eV 이하, 바람직하게는 0.1 eV 이하 다르다. 흡수 물질(2)이 흡수 물질(1)보다 긴 파장을 흡수하는 경우, 흡수 물질(2)은 일반적으로 개 회로 전압을 제한할 것이고, 흡수 물질(2)의 HOMO 수준은 불필요하게 전압을 손실하지 않기 위해 흡수 물질(1)의 HOMO 수준보다 훨씬 더 높아야 한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 하나 이상의 도핑되지 않은, 부분적으로 도핑되거나 전부 도핑된 수송층이 또한 부품에 존재한다. 이러한 수송층은 바람직하게는 450 nm 미만, 매우 바람직하게는 400 nm 미만의 흡수 최대치를 지닌다.
본 발명의 추가 구체예에서, 하나 이상의 추가의 흡수 물질(흡수 물질(3))은 흡수 시스템에 존재하고, 둘 또는 그 이상의 흡수 물질(1, 2 및 3)은 최대 폭의 스펙트럼 범위를 포함하기 위해 서로를 보완하는 상이한 임의의 흡수 스펙트럼을 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 흡수 물질(1, 2 및 3) 중 하나 이상의 흡수 범위는 700 nm 초과 내지 1500 nm의 파장 범위의 적외선 범위로 확장된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 흡수 물질(1, 2 및 3) 중 하나 이상은 풀러렌 또는 풀러렌 유도체, 프탈로시아닌, 페릴렌 유도체, TPD 유도체 또는 올리고티오펜 유도체로 구성된 부류로부터 선택된 흡수 물질이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 부품은 탠덤 또는 다중 전지로 구성된다. 부품은 바람직하게는 하나 이상의 i 층을 함유하는 둘 또는 그 이상의 독립적인 조합이 또 다른 층의 상부에 적층된 층인 nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin 또는 pipn 구조의 조합으로 구성된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 부품의 층 시스템의 층이 입사광의 광학 경로를 연장하는 광 트랩(light trap)의 형태를 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 사용된 유기 물질은 소분자이다. 본 발명의 문맥에서, 소분자는 표준압(주위 대기의 공기압)하에서, 그리고 실온에서 고체상으로 존재하는, 100 내지 2000의 단분산 몰질량을 지니는 비고분자성 유기 분자를 의미하는 것으로 이해된다. 더욱 특히, 이러한 소분자는 또한 광활성일 수 있고, "광활성"은 분자가 광의 입사 하에 전하 상태를 변화시키는 것으로 의미된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 사용되는 유기 물질은 적어도 일부 고분자이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 유기층은 적어도 일부 소분자, 적어도 일부 고분자 또는 소분자와 폴리머의 조합물로 구성된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 부품은 적어도 특정 광 파장 범위 내에서 반투과성이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 부품은 플랫형, 곡선형 또는 가요성 캐리어 표면 상에서 사용된다. 이러한 캐리어 표면은 바람직하게는 플라스틱 필름 또는 금속 호일(예, 알루미늄, 스틸) 등이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 부품은 탠텀 전지의 형태로 구현된다. 탠덤 전지에서, 하부전지 둘 모두가 동일한 정도로 흡수하고/거나 동일한 양의 전력을 발생시키는 것이 중요하다. 이는 하나의 하부전지에서의 흡수가 너무 좁으면 고려되는 하부전지는 충분한 전력을 발생시키지 않고, 탠덤 전지에 더 낮은 전류가 제한됨에 따라 전체 부품이 더 낮은 효율을 지니게 되기 때문이다. 그러나, 더 넓은 흡수를 지니는 유기 흡수제의 문제점은 이후 광발광이 또한 추가로 변환되고, 스토크스 이동이 더 커진다는 것이다. 그러나, 더 큰 스토크스 이동은 물질에서의 더 큰 에너지 손실을 의미한다(재조직화 공정(reorganization process)으로 인해; 광발광 수준은 시스템에 존재하는 에너지의 양의 지시자임). 이는 궁극적으로 단지 더 낮은 개 회로 전압이 비교적 넓은 흡수(동일한 최대 흡수 파장의 경우)를 지니는 물질에 의해 달성가능함을 의미한다. 이는 직접적으로 적외선 흡수제에 대하여 하기와 같은 문제를 야기한다: 작은 밴드 갭으로 인해 달성가능한 개 회로 전압은 어떠한 경우에 이미 더 낮다. 그러나, 현재 적외선 흡수 시스템을 지니는 하부전지가 다른 하부전지만큼만 큰 전류를 발생시키게 하기 위해서, 적외선 흡수제가 또한 전체적인 매우 작은 개 회로 전압을 야기하는 큰 흡수를 지녀야 한다. 이러한 효과는 그러한 시스템에 의해서 적어도 간신히 10% 효율의 목표가 달성가능하다는 것이다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 이러한 문제는 더 짧은 파장(바람직하게는 VIS)을 흡수함에 따라 비교적 높은 개 회로 전압을 전달할 수 있는 물질(물질(1))과 더 긴 파장(바람직하게는 적외선)을 흡수하지만 작은 스토크스 이동으로 인해 마찬가지로 물질(1)과 동일한 개 회로 전압을 전달할 수 있는 좁은-흡수 물질의 조합물로 구성되는 흡수 시스템에 의해 해결된다(도 3).
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 물질(2)의 흡수 폭은 흡수 물질(1)의 흡수 폭보다 20 nm 내지 250nm, 더욱 바람직하게는 50 nm 내지 100 nm 더 좁다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 제 2 흡수 물질(2)은 제 1 흡수 물질(1)보다 높거나 매우 높은 흡수도(최대 광학 밀도 값)를 지닌다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품의 바람직한 구조는 비교적 짧은 파장(바람직하게는 VIS)을 흡수하는 넓은-흡수 물질(broad-absorbing material)(물질(1))과 더 긴 파장(바람직하게는 적외선)을 흡수하는 좁은-흡수 물질(narrow-absorbing material)(물질(2))의 조합을 포함한다. 이러한 경우에, 물질(1)과 물질(2)은 개별 층으로서, 혼합층으로서, 또는 어떠한 요망되는 조합물로서 존재할 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2) 둘 모두는 도너 또는 억셉터이다. 흡수 시스템은 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 억셉터인 경우에 흡수 물질(3)이 도너이고, 또는 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 도너인 경우에 흡수 물질(3)이 억셉터인 세 개 이상의 흡수 물질로 구성된다.
단일 전지로서 구현되는 경우에 본 발명의 광활성 부품의 흡수 시스템은 하기 구조 중 하나를 지닐 수 있다(구조에서, IL = 개별 층이고, ML = 혼합 층임):
IL 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(1) / ML 물질(2)
ML 물질(1) / ML 물질(2) / IL 물질(3)
ML 물질(2) / ML 물질(1) / IL 물질(3)
세 개의 부품 혼합층은 물질(1, 2 및 3)로 구성된다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품이 탠덤 또는 다중 전지로서 구현되는 경우에는 하기와 같이 구현된다:
제 1 하부전지는 넓은-흡수 물질(물질(1))과 물질(1)보다 긴 파장을 흡수하는 좁은-흡수 물질(물질(2))의 조합물을 포함하고,
제 2 하부전지는 넓은-흡수 물질(물질(4))과 물질(4)보다 긴 파장을 흡수하는 좁은-흡수 물질(물질(5))의 조합물을 포함한다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 물질(1)과 물질(2)은 가시선 파장 범위(VIS)를 흡수하고, 물질(4)과 물질(5)은 적외선 범위(IR)를 흡수한다.
따라서, 탠덤 전지는 각각의 하부전지에서 VIS 및 IR 범위 둘 모두를 흡수하고, 따라서 결과적으로 통상적인 탠덤 구조에서와 같이, 넓은 범위의 태양 스펙트럼(바람직하게는 400 nm 내지 900 nm)을 포함하고, 이에 따라 큰 전류를 전달한다. 그러나, 이러한 탠덤 전지의 특이한 본 발명의 구조로 인해, 하부전지 둘 모두는 큰 개 회로 전압을 전달할 수 있고, 이에 따라서 효율은 통상적인 구조를 지니는 탠덤 전지에 비해 더 높다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 본 발명의 탠덤 전지에서는 두 개의 물질(1)과 물질(2) 또는 물질(4)과 물질(5)은 각각 도너 또는 억셉터이다. 예를 들어, 하부전지(1)의 흡수 시스템(1)은 하기 구조 중 하나를 지닐 수 있다(IL = 개별층; ML = 혼합층; 물질):
IL 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(1) / ML 물질(2)
ML 물질(1) / ML 물질(2) / IL 물질(3)
ML 물질(2) / ML 물질(1) / IL 물질(3)
세 개의 부품 혼합 층은 물질(1, 2 및 3)로 구성된다.
하부전지(2)의 흡수 시스템(2)은 하기 구조를 지닐 수 있다:
IL 물질(4) / IL 물질(5) / IL 물질(6)
IL 물질(5) / IL 물질(4) / IL 물질(6)
ML 물질(4) / IL 물질(5)
ML 물질(4) / IL 물질5 / IL 물질(6)
IL 물질(6) / ML 물질(4) / IL 물질(5)
ML 물질(5) / IL 물질(4)
ML 물질(5) / IL 물질(4) / IL 물질(6)
IL 물질(6) / ML 물질(5) / IL 물질(4)
ML 물질(4) / ML 물질(5)
ML 물질(4) / ML 물질(5) / IL 물질(6)
ML 물질(5) / ML 물질(4) / IL 물질(6)
세 개의 성분 혼합 층은 물질(4, 5 및 6)로 구성된다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 물질(4)과 물질(5)이 억셉터인 경우에 물질(6)은 도너이고, 물질(4)과 물질(5)이 도너인 경우에 물질(6)은 억셉터이다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 물질(3)과 물질(6)은 동일할 수도 있다. 또한, 물질(1, 2, 4 및 5) 중 하나 이상이 동일할 수도 있다.
둘 이상의 하부 전지로 구성된 탠덤 전지 또는 다중 전지는 이후에 하부전지(1 및 2)의 상기 구조 중 어떠한 조합일 수 있다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광활성 혼합층 중 적어도 하나는 억셉터로서 풀러렌 또는 풀러렌 유도체 (C60, C70 등)의 군으로부터의 물질을 포함한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광활성 혼합층 중 적어도 하나는 도너로서 프탈로시아닌, 페릴렌 유도체, TPD 유도체, 올리고티오펜 또는 WO2006092134에 기재된 물질의 부류로부터의 물질을 포함한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광활성 혼합층 중 적어도 하나는 억셉터로서 물질 풀러렌 C60와 억셉터로서 물질 4P-TPD를 포함한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 접점은 금속, 전도성 산화물, 특히 ITO, ZnO:Al 또는 다른 TCO 또는 전도성 폴리머, 특히 PEDOT:PSS 또는 PANI로 구성된다.
다중 혼합층 시스템에서, 전하 캐리어의 경우에 증가된 수준의 수송 문제가 발생한다. 이러한 수송은 핀 구조의 형성된 장에 의해 상당히 촉진된다. 또한, 핀 구조 내의 다중 혼합층은 최적의 흡수를 달성하기 위해 도핑된 와이드-갭(wide-gap) 수송층으로 변환될 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 핀 구조는 닙 구조로 변화되는 것이 매우 유리할 수도 있다. 특히, 다중 흡수층에서 상이한 물질이 상이한 파장 범위를 흡수하는 경우에 구조의 적합한 선택(핀 또는 닙) 또는 수송층의 층 두께의 적합한 선택은 상이한 물질 각각이 부품 내의 광 세기 분포에 대해 최적의 위치에 위치되게 한다. 특히, 탠덤 전지의 경우에 이러한 최적화는 개별 전지의 광전류의 균형화를 달성하고, 그에 따라서 최대 효율을 달성하기 위해 매우 중요하다.
본 발명의 부품의 추가의 구체예에서, p-도핑된 층은 또한 구조가 pnip 또는 pni 구조가 되도록 기판 상에 존재하는 제 1 전자-전도 층(n 층)과 전자 사이에 존재하고, 도핑은 바람직하게는 직접적인 pn 접점이 배리어 효과(barrier effect)를 지니지 않으나, 바람직하게는 터널링 공정을 통해 저-손실 재조합을 유발하는 수준에서 선택된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, p-도핑된 층은 또한 부품에서 구조가 pip 또는 pi 구조가 되도록 기판 상에 존재하는 광활성 i 층과 전극 사이에 존재할 수 있고, 추가 p-도핑된 층은 이러한 p 층 내의 i 층으로부터 저-손실 전자 여기가 존재할 수 있도록 i 층의 전자 수송층 수준 미만의, 0.4 ev 이하, 바람직하게는 0.3 eV 미만인 페르미 수준(Fermi level)을 지닌다.
본 발명의 부품의 추가의 구체예에서, n-층 시스템은 또한 구조가 nipn 또는 ipn 구조가 되도록 p-도핑된 층과 대향 전극 사이에 존재하고, 도핑은 바람직하게는 직접적인 pn 접점이 배리어 효과를 지니지 않으나 바람직하게는 터널링 공정을 통해 저-손실 재조합을 유발하는 수준에서 선택된다.
추가의 구체예에서, n 층 시스템은 또한 구조가 부품에서 nin 또는 in 구조가 되도록 진성 광활성 층과 대향 전극 사이에 존재할 수 있고, 추가의 n-도핑된 층은 i 층으로부터 이러한 n 층으로 저-손실 정공 여기가 존재할 수 있도록 i 층의 정공 수송 수준 초과의, 0.4 eV 이하, 바람직하게는 0.3 eV 미만인 페르미 수준을 지닌다.
본 발명의 부품의 추가의 구체예에서, 부품은 구조가 pnipn, pnin, pipn 또는 p-i-n 구조가 되도록 n-층 시스템 및/또는 p-층 시스템을 포함하고, 모든 경우에 ― 전도 유형에 관계없이 ― 광발생된 전자가 바람직하게는 외부 전압이 부품에 가해지지 않을 때 기판을 향해 수송되도록 기판 면 상의 광활성 i 층에 인접한 층이 기판으로부터 떨어진 면 상의 i 층에 인접하는 층보다 낮은 열적 일 함수를 지닌다.
상기 기재된 구조의 바람직한 전개에 있어서, 이들은 유기 탠덤 태양 전지 또는 다중 태양 전지로서 실행된다. 예를 들어, 부품은 nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin, 또는 pipn 구조들의 조합으로 구성된 탠덤 전지일 수 있고, 여기서 하나 이상의 i 층을 포함하는 여러 독립적인 조합이 또 다른 층의 상부 상에 적층된 층이다(교차 조합).
상기 기재된 구조의 특히 바람직한 구체예에서, 이는 pnipnipn 탠덤 전지로서 구성된다.
추가의 구체예에서, 혼합층에서의 억셉터 물질은 적어도 일부 결정질 형태이다.
추가의 구체예에서, 혼합층에서의 도너 물질은 적어도 일부 결정질 형태이다.
추가의 구체예에서, 혼합층에서의 억셉터 물질과 도너 물질 둘 모두는 적어도 일부 결정질 형태이다.
추가의 구체예에서, 억셉터 물질은 450 nm 초과의 파장 범위의 흡수 최대치를 지닌다.
추가의 구체예에서, 도너 물질은 450 nm 초과의 파장 범위의 흡수 최대치를 지닌다.
추가의 구체예에서, 언급된 혼합층에 더하여 광활성 i 층 시스템은 또한 추가의 광활성 개별층 또는 혼합층을 포함한다.
추가의 구체예에서, n 물질 시스템은 하나 이상의 층으로 구성된다.
추가의 구체예에서, p 물질 시스템은 하나 이상의 층으로 구성된다.
추가의 구체예에서, 도너 물질은 올리고머, 특히 WO2006092134에 따른 올리고머, 포르피린 유도체, 펜타센 유도체 또는 페릴렌 유도체, 예컨대, DIP(디인데노페릴렌), DBP(디벤조페릴렌)이다.
추가의 구체예에서, p 물질 시스템은 TPD 유도체 (트리페닐아민 이량체), 스피로 화합물, 예컨대, 스피로피란, 스피록사진, MeO-TPD (N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)벤지딘), 디-NPB (N,N'-디페닐-N,N'-비스(N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민), MTDATA (4,4',4''-트리스-(N-3-메틸페닐-N-페닐아미노)트리-페닐아민), TNATA (4,4',4''-트리스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민), BPAPF (9,9-비스{4-[디(p-바이페닐)아미노페닐]}플루오렌), NPAPF (9,9-비스[4-(N,N'-비스나프탈렌-2-일아미노)페닐]-9H-플루오렌), 스피로-TAD (2,2',7,7'-테트라키스(디페닐아미노)-9,9'-스피로-비스플루오렌), PV-TPD (N,N-디-4-(2,2-디페닐에텐-1-일)페닐-N,N-디-4-메틸페닐페닐벤지딘), 4P-TPD (4,4'-비스(N,N-디페닐아미노)테트라페닐), 또는 DE102004014046에 기재된 p 물질을 포함한다.
추가의 구체예에서, n 물질 시스템은 풀러렌, 예를 들어, C60, C70; NTCDA (1,4,5,8-나프탈렌테트라카복실 이무수물), NTCDI (나프탈렌테트라카복실 디이미드) 또는 PTCDI (페릴렌-3,4,9,10-비스(디카복시미드))를 포함한다.
추가의 구체예에서, p 물질 시스템은 p-도펀트를 포함하고, 이러한 p-도펀트는 F4-TCNQ, DE10338406, DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320, DE102006054524 및 DE102008051737에 기재된 바와 같은 p-도펀트, 또는 전이 금속 산화물 (VO, WO, MoO 등)이다.
추가의 구체예에서, n 물질 시스템은 n- 도펀트를 포함하고, 이러한 n-도펀트는 TTF 유도체(테트라티아풀발렌 유도체) 또는 DTT 유도체(디티에노티오펜), DE10338406, DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320, DE102006054524 및 DE102008051737에 기재된 바와 같은 n-도펀트, 또는 Cs, Li 또는 Mg이다.
추가의 구체예에서, 하나의 전극은 80% 초과의 투과인 경우에 투과성이고, 다른 전극은 50% 초과의 반사인 경우에 반사성이다.
추가의 구체예에서, 부품은 10 내지 80%의 투과를 지니는 반투과성이다.
추가의 구체예에서, 전극은 금속(예, Al, Ag, Au 또는 이들의 조합물), 전도성 산화물, 특히 ITO, ZnO:Al 또는 또 다른 TCO (투과 전도성 산화물), 전도성 고분자, 특히 PEDOT/PSS (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)) 또는 PANI (폴리아닐린), 또는 이러한 물질들의 조합물로 구성된다.
추가의 구체예에서, 광 트랩은 부품이 주기적으로 미세구조화된 기판 상에서 형성되고, 부품의 균일한 기능, 즉, 단락-자유 접점 접속 및 전체 면적에 걸쳐 전기장의 균일한 분포가 도핑된 와이드-갭 층의 사용을 통해 확실해짐으로써 구현된다. 극박 부품은 구조화된 기판 상에 국부적 단락 형성의 증가된 위험성을 지녀서 그러한 분명한 불균일성은 궁극적으로 전체 부품의 기능을 손상시킨다. 이러한 단락 위험성은 도핑된 수송층의 사용에 의해 감소된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광 트랩은 부품이 주기적으로 미세구조화된 기판 상에 형성되고, 부품의 균일한 기능, 즉, 단락-자유 접점 접속 및 전체 면적에 걸쳐 전기장의 균일한 분포가 도핑된 와이드-갭 층의 사용에 의해 확실해짐으로써 구현된다. 특히 광이 적어도 2회 흡수제 층을 통과하여 광 흡수의 증가를 유발하고, 그에 따라서, 태양 전지의 효율을 개선시킬 수 있는 것이 이점이다. 이는, 예를 들어, 기판이 표면 상에서 높이(h) 및 폭(w) 각각이 일 마이크로미터에서 수백 마이크로미터에 이르는 범위에 있는 피라미드-유사 구조를 지님으로써 달성될 수 있다. 높이와 폭은 동일하거나 상이하게 선택될 수 있다. 또한, 피라미드는 대칭 또는 비대칭 구조를 지니는 것이 가능하다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광 트랩은 도핑된 와이드-갭 층이 i 층에 대해 부드러운 인터페이스를 지니고, 반사성 접점에 대해 거친 인터페이스를 지님으로써 구현된다. 거친 인터페이스트는, 예를 들어, 주기적인 미세구조화에 의해 달성될 수 있다. 거친 인터페이스는 확산식으로 빛을 반사하는 경우에 광활성 층 내로 광 경로의 확장을 초래하여 특히 유리하다.
추가의 구체예에서, 광 트랩은 부품이 주기적으로 미세구조화된 기판 상에 형성되고, 도핑된 와이드-갭 층이 i 층에 대해 부드러운 인터페이스를 지니고 반사성 접점에 대해 거친 인터페이스를 지님으로써 구현된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 전체 구조에 투과성 하부 접점 및 상부 접점이 제공된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 광활성 성분, 특히 유기 태양 전지는 전극 및 대향 전극, 및 전극들 사이의 둘 이상의 유기 광활성 혼합층으로 구성되고, 각각의 혼합층은 둘 이상의 물질을 포함하고, 각각의 혼합층의 두 개의 주요 물질은 도너 억셉터 시스템으로 구성된 하나 이상의 흡수 시스템을 지니고, 흡수 시스템의 흡수 폭은 200 nm 이상 내지 250nm의 폭을 지닌다. 흡수 시스템은 물질(1)보다 큰 파장을 흡수하는 물질(2)과 물질(1)보다 좁은 흡수 범위를 지니는 물질(2)의 두 개 이상의 흡수 물질(물질(1) 및 물질(2))을 포함한다.
추가의 구체예에서, 두 개의 혼합층은 직접적으로 서로에 인접하며, 하나의 혼합층의 두 개의 주요 물질 중 하나 이상은 또 다른 혼합층의 두 개의 주요 물질이 아닌 유기 물질이다.
상기 기재된 구체예의 개선에 있어서, 혼합층의 여러 또는 모든 주요 물질은 서로 상이하다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 세 개 또는 그 이상의 혼합층은 전극과 대향 전극 사이에 배열된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 언급된 혼합층에 더하여 추가의 광활성 개별층 또는 혼합층이 존재한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 하나 이상의 추가의 유기층이 또한 혼합층 시스템과 하나의 전극 사이에 존재한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 하나 이상의 추가의 유기층이 또한 혼합층 시스템과 대향 전극 사이에 존재한다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 추가의 유기층 중 하나 이상은 흡수 최대치가 450 nm 미만인, 도핑된 와이드-갭 층이다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 혼합층 중 두 개 이상의 주요 물질은 상이한 광학 흡수 스펙트럼을 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 혼합층의 주요 물질은 최대 스펙트럼 범위를 포함하기 위해 서로를 보완하는 상이한 광학 흡수 스펙트럼을 지닌다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 혼합층의 주요 물질 중 하나 이상의 흡수 범위는 적외선 영역으로 연장된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 혼합층의 주요 물질 중 하나 이상의 흡수 범위는 700 nm 초과 내지 1500 nm의 파장 범위의 적외선 영역으로 연장된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 주요 물질의 HOMO와 LOMO 수준은 시스템이 최대 개 회로 전압, 최대 단락 회로 및 최대 충전율이 가능하도록 매칭된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 전체 구조에 투과성 하부 및 상부 접점이 제공된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 곡선형 표면, 예를 들어, 콘크리트, 기와, 점토, 자동차용 유리 등에 사용된다. 본 발명의 유기 태양전지는 통상적인 무기 태양 전지에 비교해 볼때, 가요성 캐리어, 예컨대, 필름, 직물 등에 적용될 수 있다는 이점이 있다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 본 발명의 유기층 시스템의 반대면 상에 접착 수단, 예를 들어, 접착제를 지니는 필름 또는 직물에 적용된다. 이는 어떠한 요망되는 표면 상에 필요에 따라 배열될 수 있는 태양전지용 접착제 필름을 생산가능하게 한다. 따라서, 자가-접착 태양 전지를 얻는 것이 가능하다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 후크-앤-루프 연결(hook-and-loop connection) 형태의 접착제의 또 다른 수단을 지닌다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 부하 또는 장치로의 연결을 위한 에너지 완충제 또는 에너지 저장 매체, 예를 들어, 어큐뮬레이터(accumulator), 커패시터(capacitor) 등과 함께 사용된다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 박막 배터리와 조합되어 사용된다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 광활성 부품은 본 발명의 유기층 시스템의 밤대면 상에 접착 수단, 예를 들어, 접착제를 지니는 필름 또는 직물에 적용된다. 이는 어떠한 요망되는 표면 상에 필요에 따라 배열될 수 있는 태양전지용 접착제 필름을 생산가능하게 한다. 따라서, 자가-접착 태양 전지를 얻는 것이 가능하다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 유기 태양 전지는 후크-앤-루프 연결 형태의 접착제의 또 다른 수단을 지닌다.
본 발명은 이하에서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 통상적인 구조를 지니는 탠덤 전지의 두 하부 전지에서 흡수 스펙트럼 분포의 개략도이다.
도 2는 200 nm 이상 내지 250 nm의 각각의 흡수 시스템의 흡수 폭을 지니는 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부전지에서 흡수 스펙트럼 분포의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 단일 전지에서 물질(1)과 물질(2)의 흡수 스펙트럼의 가능한 프로파일의 예시적 개략도이다.
도 4는 본 발명의 단일 전지에서 물질(1)과 물질(2)의 흡수 및 광발광 스펙트럼의 가능한 프로파일의 예시적 개략도이다.
도 5는 본 발명의 단일 전지에서 물질(1)과 물질(2)의 흡수 스펙트럼의 가능한 프로파일의 예시적 개략도이고, 물질(2)은 물질(1)에 비해 더 높거나 매우 높은 흡수도(최대 광학 밀도 값)를 지닌다.
도 6은 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부 전지에서 네 개의 물질의 흡수 스펙트럼 분포의 예시적 개략도이다.
도 7은 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부전지에서 네 개의 물질의 흡수 스펙트럼 분포의 예시적 계략도이고, 물질(4)과 물질(5)은 물질(1)과 물질(2)보다 높은 흡수도를 지닌다.
도 8은 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부전지에서 네 개의 물질의 흡수 스펙트럼 분포의 추가의 예시적 개략도이다.
도 9는 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부전지에서 네 개의 물질의 흡수 스펙트럼 분포의 추가의 예시적 개략도이고, 물질(2)과 물질(5)은 물질(1)과 물질(4)보다 높은 흡수도를 지닌다.
도 10은 본 발명의 탠덤 전지의 두 하부전지에서 네 개의 물질의 흡수 스펙트럼 분포의 추가의 예시적 개략도이고, 네 개의 물질은 태양 스펙트럼의 넓은 범위를 포함한다.
도 11은 미세구조화된 기판 상의 예시적 광활성 부품 구조의 개략도이다.
도 12는 예시적 광활성 부품 구조의 개략도이다.
첫 번째 실시예에서, 도 4에 본 발명의 배열의 예시를 위하여 물질(1)과 물질(2)의 흡수 및 광발광 스펙트럼이 도시된다.
추가의 실시예에서, 도 5에서의 물질(2)는 물질(1)에 비해 더 높거나 매우 높은 흡수도(최대 광학 밀도 값)를 지닌다.
추가의 실시예에서, 본 발명의 광활성 부품의 구조는 가시선 범위의 비교적 짧은 파장을 흡수하는 넓은-흡수 물질(1)과 적외선 범위의 비교적 긴 파장을 흡수하는 좁은-흡수 물질(2)의 조합물을 포함한다. 물질(1)과 물질(2)은 본원에서 개별층으로서 존재한다.
상기 실시예의 한 가지 구성에서, 물질(1)과 물질(2)은 혼합층의 형태로 존재한다. 그러나, 어떠한 요망되는 조합물이 존재할 수 있다.
추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(2) 둘 모두는 도너이다.
추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(2) 둘 모두는 억셉터이다.
추가의 실시예에서, 물질(2)의 흡수 범위는 물질(1)의 흡수 범위보다 20 nm 내지 150 nm, 더욱 바람직하게는 50 nm 내지 100 nm 더 좁다.
추가의 실시예에서, 흡수 시스템은 물질(1)과 물질(2)이 억셉터이고 물질(3)이 도너인 세 개의 물질로 구성된다.
추가의 실시예에서, 흡수 시스템은 물질(1)과 물질(2)이 도너이고 물질(3)이 억셉터인 세 개의 물질로 구성된다.
추가의 실시예에서, 구현에 있어서 단일 전지로서 본 발명의 광활성 부품의 흡수 시스템은 하기 구조 중 하나를 지닌다(구조에서, IL = 개별층이고 ML = 혼합층임):
IL 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(1) / ML 물질(2)
ML 물질(1) / ML 물질(2) / IL 물질(3)
ML 물질(2) / ML 물질(1) / IL 물질(3)
세 개의 부품 혼합층은 물질(1, 2 및 3)로 구성된다.
추가의 실시예에서, 제 1 하부전지는 넓은-흡수 물질(물질(1))과 물질(1)보다 긴 파장을 흡수하는 좁은-흡수 물질(물질(2))의 조합물을 포함하고,
제 2 하부전지는 넓은-흡수 물질(물질(4))과 물질(4)보다 긴 파장을 흡수하는 좁은-흡수 물질(물질(5))의 조합물을 포함한다.
도 6의 추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(2)은 가시선 파장 영역(VIS)을 흡수하고, 물질(4)과 물질(5)은 적외선 영역(IR)을 흡수한다.
도 7의 추가의 실시예에서, 물질(4)과 물질(5)은 물질(1)과 물질(2)보다 높은 흡수도를 지닌다.
도 8의 추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(4)은 가시선 파장 영역(VIS)을 흡수하고, 물질(2)과 물질(5)은 적외선 영역(IR)을 흡수하고, 물질(1)과 물질(4), 그리고 물질(2)와 물질(5)의 흡수 스펙트럼은 중복 분포를 지닌다.
도 9의 추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(4)은 가시선 파장 영역(VIS)을 흡수하고, 물질(2)과 물질(5)은 적외선 영역(IR)을 흡수하고, 물질(1)과 물질(4), 그리고 물질(2)과 물질(5)의 흡수 스펙트럼은 중복 분포를 지니고, 물질(4)과 물질(5)은 물질(1)과 물질(2)보다 높은 흡수도를 지닌다.
도 10의 추가의 실시예에서, 물질(1)과 물질(4)은 가시선 파장 영역(VIS)을 흡수하고, 물질(2)과 물질(5)은 적외선 영역(IR)을 흡수하고, 물질(2)과 물질(5)은 물질(1)과 물질(4)보다 높은 흡수도를 지니고, 물질(1)과 물질(4), 그리고 물질(2)과 물질(5)은 약간 중복된 흡수 범위를 나타낸다.
추가의 실시예에서, 본 발명의 탠덤 전지에서는 물질(1)과 물질(2), 그리고 물질(4)과 물질(5) 둘 모두는 도너이다.
추가의 실시예에서, 본 발명의 탠덤 전지에서는 물질(1)과 물질(2), 그리고 물질(4)과 물질(5) 둘 모두는 억셉터이다.
추가의 실시예에서, 본 발명의 유기 부품은 탠덤 전지의 형태를 지니고, 이러한 경우에 각각의 하부전지는 제 1 하부전지의 경우에 흡수 시스템(1)을 지니고, 제 2 하부전지의 경우에 흡수 시스템(2)을 지닌다. 하부전지(1)의 흡수 시스템(1)은 하기 구조 중 하나를 지닌다(IL = 개별층; ML = 혼합층):
IL 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(1) / IL 물질(2) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(1) / IL 물질(2)
ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(2) / IL 물질(1) / IL 물질(3)
IL 물질(3) / ML 물질(2) / IL 물질(1)
ML 물질(1) / ML 물질(2)
ML 물질(1) / ML 물질(2) / IL 물질(3)
ML 물질(2) / ML 물질(1) / IL 물질(3)
세 개의 부품 혼합층은 물질(1, 2 및 3)로 구성된다.
하부전지(2)의 흡수 시스템 중 하나를 지닌다(IL = 개별층; ML = 혼합층):
IL 물질(4) / IL 물질(5) / IL 물질(6)
IL 물질(5) / IL 물질(4) / IL 물질(6)
ML 물질(4) / IL 물질(5)
ML 물질(4) / IL 물질5 / IL 물질(6)
IL 물질(6) / ML 물질(4) / IL 물질(5)
ML 물질(5) / IL 물질(4)
ML 물질(5) / IL 물질(4) / IL 물질(6)
IL 물질(6) / ML 물질(5) / IL 물질(4)
ML 물질(4) / ML 물질(5)
ML 물질(4) / ML 물질(5) / IL 물질(6)
ML 물질(5) / ML 물질(4) / IL 물질(6)
세 개의 부품 혼합층은 물질(4, 5 및 6)로 구성된다.
추가의 실시예에서, 물질(4)과 물질(5)은 억셉터이고, 물질(6)은 도너이다.
추가의 실시예에서, 물질(4)과 물질(5)은 도너이고, 물질(6)은 억셉터이다.
추가의 실시예에서, 물질(3)과 물질(6)은 동일하다.
추가의 실시예에서, 물질(1,2, 4 및 5) 중 하나 이상은 동일하다.
추가의 실시예에서, 하부전지 중 하나에서 광활성 혼합층의 적어도 하나는 억셉터로서 물질 풀러렌 C60과 도너로서 물질 4P-TPD를 포함한다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 도 11에서는 광 트랩이 활성 시스템에서 입사 광의 광학 경로를 연장시키는데 사용된다.
광 트랩은 부품이 주기적으로 미세구조화된 기판 상에서 형성되고, 부품의 균일한 기능, 이의 단락 회로-자유 접점 접속 및 전체 면적에 걸쳐 전기장의 균일한 분포가 도핑된 와이드-갭 층의 사용에 의해 확실해짐으로써 구현된다. 특히, 광은 적어도 2회 흡수제 층을 통과하여 증가된 광 흡수도, 그 결과 태양 전지의 개선된 효율을 유발할 수 있는 것이 유리하다. 이는, 예를 들어, 도 11에서와 같이, 기판이 표면 상에서 높이(h) 및 폭(w) 각각이 일 마이크로미터에서 수백 마이크로미터에 이르는 범위에 있는 피라미드-유사 구조를 지님으로써 달성될 수 있다. 높이와 폭은 동일하거나 상이하게 선택될 수 있다. 또한, 피라미드는 대칭 또는 비대칭 구조를 지니는 것이 가능하다. 본원에서 피라미드-유사 구조의 폭은 1 μm 내지 200 μm이다. 피라미드-유사 구조의 높이는 1 μm 내지 1 mm일 수 있다.
1.) 도 11에서의 정의
1 μm < d < 200 μm
1 μm < h < 1 mm
11: 기판
12: 전극; 예, ITO 또는 금속 (10 내지 200 nm)
13: HTL 또는 ETL 층 시스템 (10 내지 200 nm)
14: 혼합층 1 (10 내지 200 nm)
15: 혼합층 2 (10 내지 200 nm)
16: HTL 또는 ETL 층 시스템 (10 내지 200 nm)
17: 전극; 예, ITO 또는 금속 (10 내지 200 nm)
18: 입사광 경로
추가의 실시예에서, 도 12에서의 본 발명의 광활성 부품은 하기 층 배열을 지닌다:
1.) 유리 기판 1,
2.) ITO 하부 접점 2,
3.) 전자 수송층 (ETL) 3,
4.) 혼합된 흡수제 층 1 (10 내지 200 nm) 4,
5.) 혼합된 흡수제 층 2 (10 내지 200 nm) 5,
6.) 정공 수송층 (HTL) 6,
7.) 상부 접점 (예, 금) 9.
참조 부호 목록
1 기판
2 하부 접점(전극)
3 수송층 시스템(ETL 또는 HTL)
4 광활성 층 시스템 1
5 광활성 층 시스템 2
6 수송층 시스템(HTL 또는 ETL)
9 상부 접점(전극)
11 기판
12 전극
13 HTL 또는 ETL 층 시스템
14 혼합된 흡수제 층 1
15 혼합된 흡수제 층 2
16 HTL 또는 ETL 층 시스템
17 전극
18 입사광 경로

Claims (11)

  1. 유기층을 포함하고; 두 개의 전극(2, 9), 및 두 개의 전극(2, 9) 사이에 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 도너(donor)이고 흡수 물질(3)이 억셉터(acceptor)이거나, 흡수 물질(1)과 흡수 물질(2)이 억셉터이고 흡수 물질(3)이 도너인 세 개 이상의 흡수 물질(1, 2, 3)을 포함하는 광활성 억셉터-도너 층 시스템(4)을 지니는 단일, 탠덤(tandem) 또는 다중 전지로 구성되는 광활성 부품(photoactive component)으로서,
    (i) 흡수 물질(2)이 흡수 물질(1)보다 큰 파장을 흡수하고,
    (ii) 흡수 물질(2)이 흡수 물질(1)보다 작은 스토크스 이동(Stokes shift) 및/또는 흡수 물질(1)보다 작은 흡수 폭을 지님을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  2. 제 1항에 있어서, 광활성 억셉터-도너 층 시스템(4)의 두 개 이상의 흡수 물질이 혼합층에 적어도 일부 존재함을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 흡수 물질 중 적어도 하나의 흡수 범위가 700 nm 초과 내지 1500 nm의 파장 범위의 적외선 범위로 연장됨을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 수송층(3, 6)이 도핑되지 않거나, 일부 도핑되거나, 전부 도핑된 층임을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 수송층(3, 6) 중 하나 이상이 450 nm 미만의 최대 흡수도를 지니는, 도핑되지 않거나, 일부 도핑되거나, 전부 도핑된 와이드-갭(wide-gap) 층임을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 부품의 층 시스템의 층이 입사 광의 광학 경로를 연장하는 광 트랩(light trap)의 형태를 지님을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 광활성 억셉터-도너 층 시스템(4)의 흡수 물질 중 적어도 하나가 풀러렌 또는 풀러렌 유도체, 프탈로시아닌, 페릴렌 유도체, TPD 유도체 또는 올리고티오펜 유도체 부류로부터의 물질임을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 광활성 억셉터-도너 층 시스템(4)에서 도너 또는 억셉터의 형태를 지니는 두 개 이상의 흡수 물질 중 하나의 HOMO 수준이 다른 흡수 물질과 0.2 eV 이하, 바람직하게는 0.1 eV 이하 상이함을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 부품이, 하나 이상의 i 층을 함유하는 둘 또는 그 이상의 독립적인 조합이 또 다른 층의 상부에 적층된 층인 nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin 또는 pipn 구조의 조합으로 구성됨을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 부품이 적어도 특정 광 파장 범위 내에서 반투과성임을 특징으로 하는, 광활성 부품.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 광활성 부품의, 플랫형, 곡선형 또는 가요성 캐리어 표면 상에서의 용도.
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