KR20200142125A - 전자/정공 차단 층 및 엑시톤 차단 층을 사용하는 유기 광기전력 전지 개방 회로 전압의 강화 - Google Patents

전자/정공 차단 층 및 엑시톤 차단 층을 사용하는 유기 광기전력 전지 개방 회로 전압의 강화 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 전자 차단 층 또는 정공 차단 층 중 하나 이상을 포함하는 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본원에는 전자 차단 층 또는 정공 차단 층 중 하나 이상을 사용하여 감광성 광전자 디바이스에서 전력 전환 효율을 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 본원에 개시된 전자 차단 층 및 정공 차단 층은 광기전력 전지의 암 전류 성분을 감소시킴으로써 전자 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 이러한 작동은 광기전력 전지의 전력 전환 효율을 개선시키기 위해서 암 전류를 감소시키는 중요도를 입증해 보여준다.

Description

전자/정공 차단 층 및 엑시톤 차단 층을 사용하는 유기 광기전력 전지 개방 회로 전압의 강화{ENHANCEMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELL OPEN CIRCUIT VOLTAGE USING ELECTRON/HOLE BLOCKING EXCITON BLOCKING LAYERS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본원에 참고 인용되어 있는, 2009년 1월 12일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/144,043을 우선권 주장의 기초 출원으로 하여 특허 청구한 것이다.
연방 정부 지원 연구에 관한 진술
본 출원은 미국 공군 과학 연구소(AFOSR)에 의해 승인된 FA9550-07-1-0364 및 미국 에너지부에 의해 승인된 DE-FG36-08G018022 하에 미국 정부 지원에 의해 이루어진 것이다. 미국 정부는 본 출원에 있어서 특정 권리를 갖는다.
공동 연구 계약
특허 청구된 발명은 산학 공동 연구 계약의 당사자들: 유니버시티 오브 미시간 및 글로벌 포토닉 에너지 코포레이션 중 하나 이상에 의해, 그 하나 이상을 위해 및/또는 그 하나 이상과의 협력에 의해 이루어진 것이다. 그 계약은 본 발명이 이루어진 당일 및 그 이전 유효한 것이고, 특허 청구된 발명은 그 계약의 영역 내에서 수행한 활동의 결과로서 이루어진 것이다.
개시내용의 분야
본 개시내용은 일반적으로 전자 차단 층 및 정공 차단 층으로부터 선택된 하나 이상의 차단 층을 포함하는 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용은 본원에 기술된 하나 이상의 차단 층을 사용하여 감광성 광전자 디바이스에서 전력 전환 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 개시된 디바이스의 전자 차단 층 및 정공 차단 층은 감소된 암 전류(dark current)를 제공할 수 있고 개방 회로 전압을 증가시킬 수 있다.
광전자 디바이스는 전자기 방사선을 전기적으로 생성 또는 검출시키거나, 또는 주위 전자기 방사선으로부터 전기를 발생시키는 물질의 광학 및 전자 특성에 따라 좌우된다.
감광성 광전자 디바이스는 전자기 방사선을 전기로 전환시킨다. 태양 전지(또한 광기전력(PV) 디바이스라고도 칭함)는 전력을 발생시키는데 특수하게 사용되는 감광성 광전자 디바이스의 유형이다. 태양광 이외의 광원으로부터 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 PV 디바이스는 예를 들어 조명, 난방을 제공하는 전력 소비 부하(power consuming load)를 구동하는데 사용될 수 있거나, 또는 전자 회로 또는 장치, 예컨대 계산기, 라디오, 컴퓨터 또는 원거리 모니터링 또는 통산 장비에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 전력 발생 용도들은 또한, 태양 또는 다른 광원으로부터 유래된 직접적인 조명이 이용가능하지 않을 때 작동이 지속될 수 있도록, 또는 PV 디바이스의 전력 출력을 특수한 용도의 요건으로 조정하도록, 배터리 또는 다른 에너지 저장 디바이스의 충전을 수반한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "저항 부하(resistive load)"는 임의의 전력 소비 또는 저장하는 회로, 디바이스, 장비 또는 시스템을 의미한다.
감광성 광전자 디바이스의 다른 유형은 광전도체 전지이다. 이 기능에서, 신호 검출 회로가 디바이스의 저항을 모니터링하여 광의 흡수로 인한 변화를 검출한다.
감광성 광전자 디바이스의 또다른 유형은 광검출기이다. 작동시, 광검출기는 이 광검출기가 전자기 방사선에 노출될 때 발생된 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되며 그리고 인가된 바이어스 전압을 가질 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 검출 회로는 광검출기에 바이어스 전압을 제공할 수 있으며 그리고 전자기 방사선에 대한 광검출기의 전자 반응을 측정할 수 있다.
이러한 3가지 부류의 감광성 광전자 디바이스는 하기 정의된 바와 같은 정류 접합(rectifying junction)이 존재하는지의 여부에 따라 그리고 또한 그 디바이스가 외부 인가된 전압(또한 바이어스 또는 바이어스 전압이라고도 칭함)에 의해 작동되는지의 여부에 따라 특성화될 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합을 갖지 않고, 일반적으로 바이어스에 의해 작동된다. PV 디바이스는 하나 이상의 정류 접합을 갖고, 어떤 바이어스에 의해서도 작동되지 않는다. 광검출기는 하나 이상의 정류 접합을 갖고, 일반적으로 바이어스에 의해 작동되지만 항상 그런 것이 아니다. 일반적인 규칙으로서, 광기전력 전지는 회로, 디바이스 또는 장비에 전력을 제공하지만, 검출 회로에 신호 또는 전류를 제공하지 않거나 검출 회로로부터 정보의 출력을 제공받지 않는다. 이와 대조적으로, 광검출기 또는 광전도체는 신호 또는 전류를 전자 회로에 제공하거나, 또는 검출 회로부터 정보의 출력을 제공받지만 회로, 디바이스 또는 장비에 전력을 제공하지 않는다.
전형적으로, 감광성 광전자 디바이스는 다수의 무기 반도체, 예를 들면 결정질, 다결정질 및 비결정질 규소, 비화갈륨, 텔루르화카드뮴 등으로 구성되고 있다. 본원에서 용어 "반도체"는 전하 캐리어가 열적 또는 전자기적 여기에 의해 유도될 때 전기를 유도할 수 있는 물질을 지칭한다. 용어 "광전도성"은 일반적으로 전자기 방사선 에너지가 흡수되고, 이로써 전기 전하 캐리어의 여기 에너지로 전환되어, 그 캐리어가 전기 전하를 임의 물질 내에 전도, 즉 수송할 수 있도록 한 과정을 의미한다. 본원에서 용어 "광전도체" 및 "광전도성 물질"은 전자기 방사선을 흡수하여 전기 전하 캐리어를 발생시키는 특성을 위해 선택되는 반도체 물질을 의미한다.
PV 디바이스는 입사하는 태양 전력을 유용한 전기 전력으로 전환시킬 수 있는 효율에 의해 특성화될 수 있다. 결정질 또는 비결정질 규소를 사용하는 디바이스는 상업적인 용도에 우위를 점하고 있고, 일부는 23% 이상의 효율을 달성하고 있다. 그러나, 효율적인 결정질 기초 디바이스, 특히 큰 표면적을 지닌 것은 현저한 효율 열화 결점 없이 큰 결정을 제조할 때 고유한 문제에 기인하여 제조하기 어렵고 비싸다. 다른 한편, 고효율 비결정질 규소 디바이스는 여전히 안정성으로 인한 문제로부터 어려움을 겪고 있다. 현재 상업적으로 이용가능한 비결정질 규소 전지는 4 내지 8%의 안정화된 효율을 갖고 있다. 보다 최근 시도들은 경제적인 제조 비용으로 허용가능한 광기전력 전환 효율을 달성하기 위해서 유기 광기전력 전지를 사용하는 것에 집중하고 있다.
PV 디바이스는 광전류 × 광전압의 최대 곱을 위한, 표준 조명 조건(즉, AMI.5 스펙트럼 조명 하에 1000 W/m2인 표준 시험 조건) 하에 최대 전기 전력 발생에 최적화될 수 있다. 표준 조명 조건 하에 그러한 전지의 전력 전환 효율은 다음의 3가지 파리미터: (1) 제로 바이어스 하의 전류, 즉 단락 회로 전류 ISC, 암페어, (2) 개방 회로 조건 하의 광전압, 즉 개방 회로 전압 VOC, 볼트 및 (3) 필 팩터(fill factor), ff에 따라 좌우된다.
PV 다비이스는 이 디바이스가 부하를 가로 질러 연결되고 광에 의해 조사될 때 광 발생된 전류를 생성한다. 무한한 부하 하에 조사될 때, PV 디바이스는 그의 최대 가능한 전압, V 개방 회로 또는 VOC를 발생시킨다. 단락된 전기 콘택트에 의해 조사될 때, PV 디바이스는 그의 최대 가능한 전류, I 단락 회로 또는 ISC를 발생시킨다. 전력을 발생시키는데 실제적으로 사용될 때, PV 디바이스는 유한한 저항 부하에 연결되고, 전력 출력은 전류와 전압의 곱, I × V에 의해 주어진다. PV 디바이스에 의해 발생된 최대 전체 전력은 고유하게도 곱, ISC × VOC을 초과할 수 없다. 부하 값이 최대 전력 추출에 최적화될 때, 전류 및 전압은 값, Lmax 및 Vmax를 각각 갖는다.
PV 디바이스에 대한 가치 있는 특색은 다음과 같이 정의되는 필 팩터, ff이다:
ff = {Imax Vmax}/{ISC VOC}
여기서, ff는, ISC 및 VOC가 실제 사용시 동시적으로 결코 얻어지지 않기 때문에, 항상 1 미만이다. 그럼에도 불구하고, ff가 1에 근접함에 따라, 그 디바이스는 보다 적은 직렬 또는 내부 저항을 가지며, 따라서 최적 조건 하에 ISC과 VOC의 곱의 보다 높은 백분율을 부하에 전달하게 된다. Pinc가 디바이스에 입사되는 전력인 경우, 그 디바이스의 전력 효율은 다음과 같이 계산될 수 있다:
ηp = ff*(ISC*VOC)/Pinc
적당한 에너지의 전자기 방사선이 반전도성 유기 물질, 예를 들면 유기 분자 결정(OMC) 물질 또는 중합체에 입사될 때, 광자가 흡수될 수 있어서 여기된 분자 상태를 생성한다. 이는 So + hv => So*로서 기호적으로 표시된다. 여기서, So 및 So*는 바닥 및 여기 분자 상태를 각각 지칭한다. 이러한 에너지 흡수는 B-결합일 수 있는 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 준위에 있는 바닥 상태로에서 B*-결합일 수 있는 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 준위로의 전자의 승격(promotion), 또는 동등하게 LUMO 에너지 준위에서 HOMO 에너지 준위로의 정공의 승격과 관련되어 있다. 유기 박막 필름 광전도체에서, 발생된 분자 상태는 일반적으로 엑시톤, 즉 준입자로서 수송되는 바닥 상태의 전자-정공 쌍인 것으로 생각된다. 그 엑시톤은 제짝 재결합(geminate recombination) 전에 상당한 수명 시간을 가질 수 있으며, 그 제짝 재결합은 다른 쌍으로부터 유래된 정공 또는 전자와 재결합하는 것과는 반대되는 바와 같이, 원래 전자 및 정공이 서로 재결합하는 과정을 의미한다. 광전류를 생성하기 위해서, 전자-정공 쌍은, 전형적으로 2개의 비유사한 접촉 유기 박막 필름 사이의 도너-억셉터 계면에서, 분리된다. 전하가 분리되지 않는다면, 그 전하는, 제짝 재결합 과정(또한 소광(quenching)이라고도 공지되어 있음)에서, 방사적으로 입사 광보다 더 낮은 에너지의 광의 방출에 의해 또는 비방사적으로 열의 생성에 의해, 재결합할 수 있다. 이러한 결과들 중 어느 하나는 감광성 광전자 디바이스에서 바람직하지 않다.
전기장, 또는 콘택트에서의 불균일성은 도너-억셉터 계면에서 해리되기보다는 오히려 소광되는 엑시톤을 야기할 수 있으며, 이는 결과적으로 전류에 대한 순 기여(net contribution)를 전혀 생성하지 않는다. 그러므로, 광 발생된 엑시톤을 콘택트로부터 멀리 유지하는 것이 바람직하다. 이는, 관련된 전기장이 접합 부근에서 엑시톤의 해리에 의해 유리된 전하 캐리어를 분리할 수 있는 증가된 기회를 갖도록, 접합 부근 영역으로의 엑시톤의 확산을 제한하는 효과를 갖는다.
실질적인 부피를 점유하는 내부 발생된 전기장을 생성하기 위해서, 일반적인 방법은 적당히 선택된 전도성 특성, 특히 분자 양자 에너지 상태의 분포에 관한 특성을 지닌 물질의 2개 층을 병치하는 것이다. 이들 2개 물질의 계면은 광기전력 헤테로접합이라고 칭한다. 전형적인 반도체 이론에서, PV 헤테로접합을 형성하기 위한 물질은 일반적으로 n형 또는 p형이라고 칭한다. 본원에서, n형은 대다수 캐리어 유형이 전자임을 지칭한다. 이는 상대적 자유 에너지 상태로 많은 전자를 갖는 물질로서 고려될 수 있다. p형은 대다수 캐리어 유형이 정공임을 지칭한다. 그러한 물질은 상대적 자유 에너지 상태로 많은 정공을 갖는다. 배경의 유형, 즉 광 발생되지 않은 대다수 캐리어 농도는 결함 또는 불순물에 의한 비고의적 도핑에 따라 주로 좌우된다. 불순물의 유형 및 농도는 페리미 에너지 또는 준위의 값을, 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 준위와 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 준위 간의 갭(일명 HOMO-LUMO 캡이라고 칭함) 내에서 결정한다. 페르미 에너지는 점유 확률이 1/2에 해당하는 에너지 값에 의해 표시된 분자 양자 에너지 상태의 통계적 점유를 특성화할 수 있다. LUMO 에너지 준위 부근에 있는 페르미 에너지는 전자가 우세한 캐리어임을 나타낸다. HOMO 에너지 준위 부근에 있는 페르미 에너지는 정공이 우수한 캐리어임을 나타낸다. 따라서, 페르미 에너지는 전형적인 반도체의 주요 특징화 특성이고, 전형적인 PV 헤테로접합은 전형적으로 p-n 계면이 되어 오고 있다.
용어 "정류"는, 그 중에서도, 계면이 비대칭적인 전도 특징을 갖는다는 것, 즉 계면이 바람직하게는 한 방향으로 전자 전하 수송을 지원한다는 것을 나타낸다. 정류는 일반적으로 적당히 선택된 물질들 간의 헤테로접합에서 발생하는 내부 전기장(built-in electric field)과 관련이 있다.
본원에 사용된 바와 같이 그리고 해당 기술 분야의 당업자에 의해 이해되고 있는 바와 같이, 제1 "최고 점유 분자 오비탈(HOMO)" 또는 "최저 비점유 분자 오비탈(LUMO)" 에너지 준위는, 이 제1 에너지 준위가 진공 에너지 준위에 보다 근접해 있다면, 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 이온화 전위(IP)가 진공 에너지 준위에 비하여 음의 에너지로서 측정되기 때문에, 보다 높은 HOMO 에너지 준위는 보다 작은 절대 값을 갖는 IP(보다 덜 음성인 IP)에 해당한다. 유사하게, 보다 높은 LUMO 에너지 준위는 보다 작은 절대 값을 갖는 전자 친화도(EA)(보다 덜 음성인 EA)에 해당한다. 진공 준위가 정상부에 있는 통상적인 에너지 준위 디아그램에서, 물질의 LUMO 에너지 준위가 동일 물질의 HOMO 에너지 준위보다 더 높다. "보다 높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 "보다 낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 그러한 디아그램의 정상부에 더 근접하게 나타난다.
유기 물질의 문맥에서, 용어 "도너" 및 "억셉터"는 2가지의 접촉하지만 상이한 유기 물질의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위의 상대적 위치를 의미한다. 이는 "도너" 및 "억셉터"가 무기 n형 및 p형 층을 각각 형성하는데 사용될 수 있는 도펀트의 유형을 의미할 수 있는 무기 문맥에서의 그들 용어를 사용하는 것과는 대조적이다. 유기 문맥에서, 나머지 다른 물질과 접촉한 상태로 있는 하나의 물질의 LUMO 에너지 준위가 보다 낮다면, 그 물질은 엑셉터이다. 이와 다르다면, 그 물질은 도너이다. 외부 바이어스의 부재 하에, 도너-억셉터 접합에서 전자가 억셉터 물질 내로 이동하고, 정공이 도너 물질 내로 이동하는 것이 에너지적으로 바람직하다.
무기 반도체에서 유의적인 특성은 캐리어 이동도이다. 이동도는 전하 캐리어가 전기장에 반응하여 전도성 물질을 통과하여 이동할 수 있는 용이성을 측정하는 것이다. 유기 감광성 디바이스의 문맥에서, 높은 전자 이동도에 기인하여 우선적으로 전자에 의해 전도하는 물질을 포함하는 층은 전자 수송 층 또는 ETL이라고 칭할 수 있다. 고 정공 이동도에 기인하여 우선적으로 전도하는 물질을 포함하는 층은 정공 수송 층 또는 HTL이라고 칭할 수 있다. 바람직하나 반드시 그런 것이 아니지만, 억셉터 물질은 ETL이고, 도너 물질은 HTL이다.
통상적인 무기 반도체 PV 전지는 p-n 접합을 사용하여 내부 전기장을 달성한다. 문헌[Tang, Appl. Phys Lett. 48, 183 (1986)]에 의해 보고된 바와 같은 초기 박막 필름 전지는 통상적인 무기 PV 전지에서 사용되는 것과 유사한 헤테로접합을 함유한다. 그러나, p-n형 접합의 정립 이외에도, 헤테로접합의 에너지 준위 오프셋이 또한 중요한 역할을 하는 것으로 현재 인식되고 있다.
유기 D-A 헤테로접합에서 에너지 준위 오프셋은 유기 물질에서 광발생 과정의 기본 성질에 기인하여 유기 PV 디바이스의 작동에 중요한 것으로 여겨지고 있다. 유기 물질의 광학 여기시, 편재화된 프렌켈 또는 전하 이동 여기가 발생된다. 전기 검출 또는 전류 발생이 일어나기 위해서, 구속된 엑시톤이 이의 구성성분인 전자 및 정공으로 해리되어야 한다. 그러한 과정은 내부 전기장에 의해 유도될 수 있지만, 유기 디바이스에서 전형적으로 발견된 전기장의 효율(F ~ 106 V/cm)이 낮다. 유기 물질에서 대부분 효율적인 엑시톤 해리가 도너-억셉터(D-A) 계면에서 발생한다. 그러한 계면에서, 낮은 이온화 전위를 지닌 도너 물질은 높은 전자 친화도를 지닌 억셉터 물질과 헤테로접합을 형성한다. 도너 및 억셉터 물질의 에너지 준위의 정렬에 따라, 엑시톤의 해리가 그러한 계면에서 에너지적으로 바람직하게 될 수 있으며, 이는 억셉터 물질 내에서 자유 전자 폴라론을 그리고 도너 물질 내에서 자유 정공 폴라론을 유도하게 된다.
유기 PV 전지는 전형적인 규소 기초 디바이스와 비교하여 수 많은 잠재적 이점을 갖는다. 유기 PV 전지는 무게가 경량이고 물질 사용이 경제적이며, 저비용 기판, 예컨대 가요성 플라스틱 호일 상에 침착될 수 있다. 그러나, 유기 PV 디바이스는 전형적으로, 1% 이하의 크기를 갖는, 비교적 낮은 외부 양자 효율(전자기 방사선에서 전기로의 전환 효율)을 갖는다. 이는, 부분적으로, 고유 광전도성 과정의 제2 순서 성질에 기인되는 것으로 생각된다. 즉, 캐리어 발생은 엑시톤 발생, 확산 및 이온화 또는 수집을 필요로 한다. 이러한 과정 각자와 관련된 효율이 존재한다. 아랫 첨자는 다음과 같이 사용될 수 있다: P는 전력 효율이고, EXT는 외부 양자 효율이며, A는 광자 흡수이고, ED는 확산이며, CC는 수집이고, INT는 내부 양자 효율이다. 이러한 표시를 사용하면, 하기 수식이 얻어진다.
Figure pat00001
Figure pat00002
엑시톤의 확산 길이(LD)는 전형적으로 광학 흡수 길이(~ 500Δ)보다 훨씬 더 작으며(LD ~ 50Δ), 이는 두껍고 따라서 저항이 있는 다중으로 또는 고도로 중첩된 계면을 지닌 전지, 또는 낮은 광학 흡수 효율일 지닌 얇은 전지 간의 트레이드 오프(trade-off)를 필요로 한다.
전력 전환 효율은
Figure pat00003
로서 표시될 수 있으며, 여기서 VOC는 개방 회로 전류이고, FF는 필 팩터이며, JSC는 단락 회로 전류이고, Po는 입력 광학 전력이다. ηP를 개선시키는 한가지 방식은 대부분 유기 PV 전지에서 흡수된 광자 에너지보다 여전히 3-4배 작은 VOC의 강화를 통해 실시하는 것이다. 암 전류와 VOC의 관계식은 하기 수학식으로부터 추정될 수 있다:
Figure pat00004
(1)
상기 식 중, J는 전체 전류이고, JS는 역 암 포화 전류(reverse dark saturation current)이며, n은 이상 인자이고, RS는 직렬 저항이며, RP는 병렬 저항이고, V는 바이어스 전압이며, Jph는 광전류이다(Rand et al., Phys. Rev. B, vol. 75, 115327 (2007)). J=O를 설정하면, 하기의 수학식이 얻어진다:
Figure pat00005
(2)
Jph/Js ≫ 1일 때, VOC는 In(Jph/Js)에 비례하고, 이는 큰 암 전류, Js가 VOC의 감소를 결과로 생성한다는 점을 제시하여 보여준다.
본원에 기술된 바와 같이, PV 전지에서 높은 암 전류는 결과적으로 전력 전환 효율의 현저한 감소를 유발할 수 있다. 유기 PV 전지에서 암 전류는 몇가지 공급원으로부터 유래할 수 있다. 순방향 바이어스에서, 암 전류는 (1) 도너/억셉터 계면에서 전자-정공 재결합에 기인한 발생/재결합 전류 Igr, (2) 외부 공급원에서 아니라 전지의 활성 도너-억셉터 영역에서 애노드에 이르는 전자에 기인한 전자 누설 전류 Ie, 및 (3) 캐소드로 이동하는 전지의 도너-억셉터 영역에서 형성된 정공에 기인한 정공 누설 전류 Ih로 구성된다. 도 2는 암 전류의 다양한 성분 및 관련된 에너지 준위를 예시한 것이다. 이러한 전류 성분의 크기는 에너지 준위에 따라 강력하게 좌우된다. 도너-억셉터 계면 에너지 갭이 증가함에 따라 Igr이 증가하며, 그 갭은 억셉터의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO)과 도너의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)의 차이(AEg)이다. ΔEL이 감소함에 따라 Ie가 증가하며, ΔEL은 도너 및 억셉터의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 간의 차이이다. ΔEH가 감소함에 따라 Ih가 증가하며, ΔEH는 도너 및 억셉터의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 간의 차이이다. 이들 3가지 전류 성분 중 어느 것이든지 도너 및 억셉터 물질의 에너지 준위에 따라 좌우되는 우세한 암 전류일 수 있다.
예를 들면, 주석 프탈로시아닌(SnPC)/C60 PV 전지에서, ΔEL은 0.2 eV이다. 전자가 엑섹터에서 도너에 이르는 에너지 배리어는 낮고, 이는 암 상태에서 우세한 전자 누설 전류 Ie를 유도하게 된다. 구리 프탈로시아닌(CuPc)/C60 전지에서, ΔEL은 0.8 eV이고, 이는 발생/재결합 전류 Igr이 우세한 암 전류 공급원이 되도록 미미한 전자 누설 전류 Ie를 유도하게 된다. 정공 누설 전류 Ih는 일반적으로 작으며, 이는 대부분 일반적으로 사용되는 도너/억셉터 쌍에서 비교적 큰 ΔEH에 기인하기 때문이다.
소분자 유기 물질 중에서, 주석(II) 프탈로시아닌(SnPc)은 컷 오프 λ=1000 nm으로 하여 λ= 600 nm 내지 900 nm의 파장에서 현저한 흡수를 갖는 것으로 입증되어 있다. 실제로, 전체 양자 플렉스의 대략 50%가 λ= 600 nm 내지 lOO nm의 파장으로 적외선 및 근적외선(NIR) 스펙트럼 내에 존재한다. 그러나, SnPc와 같은 장파장 흡수 물질은 일반적으로 결국 낮은 VOC를 지닌 전지를 생성하게 된다. SnPc의 50Å 두께의 불연속 층은 달리 단파장(λ< 700 nm) 민감성 광기전력 전지의 흡수 스펙트럼 범위를 확장하는 CuPc/C60 헤테로접합 사이에 포함되어 있다(Rand et al., Appl. Phys. Lett., 87, 233508 (2005)). 대안으로, SnPc는 장파장 감도를 달성하도록 CuPc와 C60 사이의 불연속 섬상으로 성장되어 있다(Yang et al., Appl. Phys. Lett. 92, 053310 (2008)). 억셉터 물질로서 C70을 사용하는 SnPc 탠덤 전지가 또한 보고되어 있다(Inoue et al., J. Cryst. Growth, 298, 782-786 (2007)).
또한 전자 차단 층으로서 작용을 하는 엑시톤 차단 층은 중합체 벌크형 헤테로접합(BHJ) PV 전지용으로 개발되어 있다(Hains et al., Appl. Phys. Lett, vol. 92, 023504 (2008)). 중합체 BHJ PV 전지에서, 도너 물질과 억셉터 물질의 블렌딩된 중합체가 활성 영역으로서 사용된다. 이러한 블렌드는 하나의 전극에서 나머지 다른 하나의 전극으로 연장되는 도너 또는 억셉터 물질의 영역을 가질 수 있다. 그러므로, 한 유형의 중합체 분자를 통해 전극들 사이에는 전자 또는 정공 전도 경로가 존재할 수 있다.
중합체 BHJ PV 전지 이외에도, 플래너형 PV 디바이스를 비롯한 다른 구조물은, 이들 필름이 2개의 전극 사이의 단일 물질(도너 또는 억셉터) 경로를 갖지 않는다고 할지라도, ΔEL 또는 ΔEH가 작을 때 도너/억셉터 헤테로접합을 가로 질러 현저한 전자 또는 정공 누설 전류를 나타낸다.
본 개시내용은 전자를 차단하는 전자 차단 층 및/또는 정공을 차단하는 정공 차단 층을 사용하는 것을 통해 이루어지는 감강성 광전자 디바이스의 증가된 전력 전환 효율에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용은 PV 전지의 암 전류 성분, 및 플래너 필름을 포함하는 PV 전지의 에너지 준위 정렬에 대한 그 성분의 의존성에 관한 것이다. 또한, 본 발명에는 전자 차단 층 및/또는 정공 차단 층을 사용함으로써 전력 전환 효율 감광성 광전자 디바이스를 증가시키는 방법이 개시되어 있다.
본 개시내용의 요약
본 개시내용은
애노드 및 캐소드를 중첩된 관계(superposed relation)로 포함하는 2개의 전극;
하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질로서, 상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 2개의 전극 사이에 광 활성 영역을 형성하는 것인 하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질;
2개의 전극 사이에 위치하는 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층으로서, 상기 전자 차단 층 및 정공 차단 층은 유기 반도체, 무기 반도체, 중합체, 금속 산화물 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층
을 포함하는 유기 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다.
본원에 사용된 전자 차단 층의 비제한적인 예는 하나 이상의 반전도성 물질, 예컨대 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 펜타센, 스쿠아레인, 구리 프탈로시아(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3)로부터 선택된 것들을 포함한다.
전자 차단 층으로서 사용될 수 있는 하나 이상의 금속 산화물의 비제한적인 예는 Cu, Al, Sn, Ni, W, Ti, Mg, In, Mo, Zn, 및 이들 조합의 산화물, 예컨대 NiO, MoO3, CuAlO2를 포함한다. 전자 차단 층으로서 사용될 수 있는 다른 무기 물질은 탄소의 동소체, 예컨대 다이아몬드 및 탄소 나노튜브, 및 MgTe를 포함한다.
전자 차단 층으로서 사용될 수 있는 하나 이상의 무기 반도체 물질의 비제한적인 예는 Si, II-VI 및 III-V 반도체 물질을 포함한다.
하나 이상의 정공 차단 층의 비제한적인 예는 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼필렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA), 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함한다.
정공 차단 층은 또한 무기 물질을 포함할 수 있으며, 그 물질의 비제한적인 예는 TiO2, GaN, ZnS, ZnO, ZnSe, SrTiO3, KaTiO3, BaTiO3, MnTiO3, PbO, WO3, SnO2를 포함한다.
본 개시내용은
애노드 및 캐소드를 충첩된 관계로 포함하는 2개의 전극;
하나 이상의 도너 물질, 예컨대, CuPc, SnPc 및 스쿠아레인으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질, 예컨대 C60 및/또는 PTCBI로서, 상기 도너 물질 및 엑셉터 물질은 2개의 전극 사이에 광 활성 영역을 형성하는 것인 하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질;
2개의 전극 사이에 위치한 하나 이상의 전자 차단 EBL 또는 정공 차단 EBL
을 포함하는 유기 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다.
하나의 실시양태에서,
하나 이상의 전자 차단 EBL이 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(l,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 크롤로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3), 및 MoO3으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하고,
하나 이상의 정공 차단 EBL이 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼필렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA) 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는
유기 감광성 광전자 디바이스이 개시되어 있다.
개시된 차단 층의 위치에 관하여, 전자 차단 EBL은 도너 영역에 인접할 수 있고, 정공 차단 EBL은 억셉터 영역에 인접할 수 있다. 또한, 전자 차단 EBL 및 정공 차단 EBL을 둘 다 포함하는 디바이스를 제조하는 것이 가능한 것으로 이해된다.
하나의 실시양태에서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 가시 스펙트럼에서 스펙트럼 감도를 갖도록 선택된다. 제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 적어도 부분적으로 혼합될 수 있는 것으로 이해된다.
하나의 실시양태에서, 도너 영역은 CuPc 및 SnPc로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하고, 억셉터 영역은 C60을 포함하며, 전자 차단 EBL은 MoO3을 포함한다.
본원에 기술된 디바이스는 유기 광전도체 또는 유기 태양 전지일 수 있다.
또한, 본 개시내용은 복수의 감광성 광전자 서브전지를 포함하는 적층형(stacked) 유기 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이며, 하나 이상의 서브전지는 애노드 및 캐소드를 중첩된 관계로 포함하는 2개의 전극; 하나 이상의 도너 물질, 예컨대 CuPc, SnPc 및 스쿠아레인으로부터 선택된 하나 이상의 물질, 및 하나 이상의 억셉터 물질, 예컨대 C60 및/또는 PTCBI로서, 상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 2개의 전극 사이에 광활성 영역을 형성하는 것인 하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질; 2개의 전극 사이에 위치한 하나 이상의 전자 차단 EBL 및 정공 차단 EBL을 포함한다.
상기 기술된 바와 같이, 본원에 기술된 적층형 유기 감광성 디바이스에서, 하나 이상의 전자 차단 EBL은 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(l,l'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3), 및 MoO3으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하고, 하나 이상의 정공 차단 EBL은 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼필렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA) 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함한다.
또한, 본 개시내용은 감광성 광전자 디바이스의 전력 전환 효율을 증가시키는 방법으로서, 본원에 개시된 전자 차단 EBL 및 정공 차단 EBL 중 하나 이상을 혼입하여 그 디바이스의 암 전류를 감소시키고 그 디바이스의 개방 회로 전압을 증가시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
상기 논의된 주제와는 별도로, 본 개시내용은 다수의 다른 예시적 특색, 예컨대 이후에 기술된 것들을 포함한다. 전술한 설명 및 후술한 설명은 둘 다 단지 예시적으로 이해되어야 한다.
상세한 설명
도시되어 있는 바와 같이, 본원에 기술된 차단 층은 하나 이상의 유기 물질 또는 무기 물질을 포함할 수 있다. 양자의 경우에서, 차단 층의 요건은 동일하다. 유일한 차이는 경우에 따라 사용된 용어에서만 발생한다. 예를 들면, 유기 물질의 에너지 준위는 전형적으로 HOMO 및 LUMO 준위의 용어로 기술되고, 반면에 무기 물질에서 에너지 준위는 전형적으로 (HOMO 준위에 상응하는) 원자가 밴드 및 (LUMO 준위에 상응하는) 전도 밴드의 용어로 기술된다.
본 개시내용은 하나 이상의 차단 층, 예컨대 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층을 포함하는 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다. 전자 차단 층 또는 정공 차단 층은 또한 엑시톤을 차단할 수 있고, 따라서 엑시톤 차단 층(EBL)으로서 작용하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에 기술된 바와 같이, 용어 "전자 차단" 또는 "정공 차단"은 단독으로, 또는 "EBL"과 조합으로 상호 교환가능하게 사용될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 본 개시내용은 애노드 및 캐소드를 중첩된 관계로 포함하는 2개의 전극; 2개의 전극 사이에 있는 도너 영역으로서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질로 형성된 도너 영역; 억셉터 영역으로서, 제2 광전도성 유기 반도체 물질로부터 형성된 억셉터 영역; 및 2개의 전극 사이에 존재하고 도너 영역 및 억셉터 영역 중 하나 이상에 인접한 하나 이상의 전자 차단 EBL 및 정공 차단 EBL을 포함하는 유기 감광성 광전자 디바이스에 관한 것이다. PV 전지 구조에서 전자 차단 EBL 및/또는 정공 차단 EBL를 삽입함으로써, 전지 암 전류가 억제될 수 있으며, 이는 수반되는 VOC 증가를 유도한다. 따라서, 그 PV 전지의 전력 전환 효율이 개선될 수 있다.
본 개시내용은 일반적으로 헤테로접합 PV 전지에서 전자 차단 EBL 및/또는 정공 차단 EBL의 용도에 관한 것으로 이해된다. 하나 이상의 실시양태에서, PV 전지는 플래너형 헤테로접합 전지(planar heterojunction cell)이다. 다른 실시양태에서, PV 전지는 플래너-혼합형(planar-mixed) 헤테로접합 전지이다. 본 개시내용의 다른 실시양태에서, PV 전지는 비플래너형이다. 예를 들면, 광 활성 영역은 혼합형(mixewd) 헤테로접합, 플래너형(planar) 헤테로접합, 벌크형(bulk) 헤테로접합, 나노결정-벌크형(nanocrytalline-bulk) 헤테로접합, 및 하이브리드-혼합형(hybrid-mixed) 헤테로접합 중 하나 이상을 형성할 수 있다.
본원에 개시된 디바이스는 애노드 및 캐소를 포함하는 2개의 전극을 포함한다. 전극 또는 콘택트가 일반적으로 금속 또는 "금속 대체물"이다. 본원에서 용어 금속은 원소적으로 순수한 금속, 예를 들면 Al으로 구성되는 물질, 및 또한 2개 이상의 원소적으로 순수한 금속으로 구성된 물질인 금속 합금을 둘 다 포함하는 것으로 사용된다. 본원에서, 용어 "금속 대체물"은 정상적인 범위 내에 속하는 금속이 아니지만, 특정 적당한 용도에서 필요로 하는 금속 유사 특성을 갖는 물질을 의미한다. 전극 및 전하 이동 층에 있어서 통상적으로 사용된 금속 대체물은 도핑된 넓은 밴드갭 반도체, 예를 들면 투명 전도성 산화물, 예컨대 인듐 주석 산화물(ITO), 갈륨 인듐 주석 산화물(GITO), 및 아연 인듐 주석 산화물(ZITO)을 포함한다. 특히, ITO는 대략 3900Å보다 큰 파장에서 투명하도록 한 대략 3.2 eV의 광학 밴드갭을 지닌 고도로 도핑된 축퇴형 n+ 반도체이다.
또다른 적합한 금속 대체 물질은 투명한 전도성 중합체 폴리아날린(PANI) 및 이의 화학적 상관물이다. 금속 대체물은 광범위한 비금속성 물질로부터 추가로 선택될 수 있으며, 여기서 용어 "비금속성"은 물질이 금속을 화학적으로 비결합된 형태로 함유하지 않는 것을 전제로 한 광범위한 물질을 의미한다. 금속이 화학적으로 비결합된 형태로서 단독으로 또는 하나 이상의 다른 금속과의 조합으로, 예컨대 합금으로 존재할 때, 그 금속은 대안적으로 금속 형태로 존재하거나 또는 "자유 금속"으로 존재하는 것이라고 칭할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 금속 대체물 전극은 경우에 따라 "금속 무함유"인 것이라고 칭할 수 있으며, 여기서 용어 "금속 무함유"는 금속을 화학적으로 비결합된 형태를 함유하지 않는 물질을 포함하는 것으로 명백하게 의미한다. 자유 금속은 전형적으로 금속 격자의 전반에 걸친 원자가 전자의 바다로부터 결과로 생성되는 화학 결합의 유형으로서 간주될 수 있는 금속성 결합의 형태를 갖는다. 금속 대체물이 몇가지 근거로 인하여 "비금속성"인 금속 구성성분을 함유할 수 있다. 그 대체물은 순수한 자유 금속이 아니며 또한 자유 금속의 합금도 아니다. 금속이 금속성 형태로 존재할 때, 전자 전도 밴드는 다른 금속성 특성 중에서도 광학적 방사선에 대하여 고 전기 전도도 뿐만 아니라 고 반사도를 제공하는 경향이 있다.
본워에서, 용어 "캐소드"는 다음과 같은 방식으로 사용된다. 주위 조사 하에 있고 저항 부하와 접속되어 있으며, 그리고 외부 인가된 전압이 없는 비적층형 PV 디바이스 또는 적층형 PV 디바이스의 단일 유닛에서, 예를 들면 태양 전지에서, 전자는 인접한 광전도성 물질로부터 캐소드로 이동한다. 유사하게도, 용어 "애노드"는 조명 하에 태양 전지에서 정공이 인접한 광전도성 물질로부터 애노드로 이동하도록 본원에서 사용되며, 이는 반대 방식으로 이동하는 전자와 동등한 것이다. 본원에서 사용된 용어 애노드 및 캐소드는 전극 또는 전하 이동 영역을 수 있다는 점을 유의해야 한다.
하나 이상의 실시양태에서, 유기 감광성 광전자 디바이스는 광이 흡수되어 여기 상태 또는 "엑시톤"을 형성하는 하나 이상의 광활성 영역을 포함하고, 상기 엑시톤은 후속적으로 전자 및 정공으로 해리될 수 있다. 엑시톤의 해리는 전형적으로 광활성 영역을 포함하는 억셉터 층 및 도너 층의 병치(juxtaposition)에 의해 형성된 헤테로접합에서 발생한다.
도 2는 이중층 도너/억셉터 PV 전지의 에너지 준위 디아그램을 도시한 것이다.
제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 가시 스펙트럼에서 스펙트럼 감도를 갖도록 선택될 수 있다.
본 개시내용에 따른 광전도성 유기 반도체 물질은, 예를 들면 C60, 3,4,9,10-퍼필렌테트라카르복실산 비스벤즈이미다졸(PTCBI), 스쿠아레인, 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 또는 붕소 서브프탈로시아닌(SubPc)을 포함할 수 있다. 해당 기술 분야의 당업자라면, 본 개시내용에 적합한 다른 광기전력 유기 반도체 물질을 인식할 수 있을 것이다. 일부 실시양태에서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 혼합형, 벌크형, 나노결정-벌크형 또는 하이브리드 플래너-혼합형 또는 벌크형 헤테로접합을 형성하도록 적어도 부분적으로 혼합된다.
PV 전지가 조명 하에 작동할 때, 출력 광전류는 광발생된 전자를 캐소드에서 그리고 광 발생된 정공을 애노드에서 수집함으로써 형성된다. 암 전류는 유도된 전위 강하 및 전기장에 기인하여 반대 방향으로 흐른다. 전자 및 정공은 캐소드 및 애노드로부터 각각 주입되고 이들이 현저한 에너지 배리어를 만나지 않는다면 반대 전극으로 이동할 수 있다. 그들은 또한 계면에서 재결합할 수 있어서 재결합 전류를 형성한다. 활성 영역 내부에서 열적으로 발생된 전자 및 정공은 또한 암 전류에 기여할 수 있다. 태양 전지가 역 바이어스로 될 때 그러한 최종 성분이 우세하다고 해도, 그것은 순방향 바이어스 조건 하에 미미하다.
기술된 바와 같이, 작동하는 PV 전지의 암 전류는 주로 다음의 공급원: (1) 전자-정공 계면에서 전자-정공 재조합에 기인한 발생/재결합 전류 Igr, (2) 도너/억셉터 계면을 통과하여 캐소드에서 애노드에 이르는 전자에 기인한 전자 누설 전류 Ie, 및 (3) 도너/억셉터 계면을 통과하여 애노드에서 캐소드에 이르는 정공에 기인한 정공 누설 전류 Ih로부터 주로 유래한다. 작동시, 태양 전지는 외부 인가된 바이어스를 갖지 않는다. 이러한 전류 성분의 크기는 에너지 준위에 따라 좌우된다. 계면 갭 ΛEg이 감소함에 따라, Igr이 증가한다. ΛEL이 감소함에 따라, Ie가 증가하고, 그 ΛEL은 도너 및 억셉터의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지의 차이이다. ΛEH가 감소함에 따라, Ih가 증가하고, 그 ΛEH는 도너 및 억셉터의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 차이이다. 이들 3가지 전류 성분 중 어느 것이든지 도너 및 억셉터 물질의 에너지 준위에 따라 좌우되는 우세한 암 전류일 수 있다.
전자 차단 BBL
본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 전자 차단 EBL은 유기 또는 무기 물질을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 전자 차단 EBL은 애노드에 인접한다. 다른 실시양태에서, 중합체 분자는 PV 전지에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시양태에서, 애노드에서 전자 차단 EBL은 PV 전지를 구성하는 중합체 분자와 양쪽 전극 간의 접촉을 방지한다. 따라서, 사용될 때, PV 전지를 구성하는 중합체는 양쪽 전극과 접촉하지 않을 것이고, 이는 전자 전도 경로를 제거할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 실시양태에서, 전지는 낮은 암 전류 및 높은 VOC를 갖는다.
하나의 실시양태에서, 광활성 영역은 혼합형 헤테로접합, 벌크형 헤테로접합, 나노결정-벌크형 헤테로접합 및 하이브리드 플래너-혼합형 헤테로접합 중 하나 이상을 형성한다.
전자 누설 전류 Ie가 PV 전지에서 우세할 때, 전자 차단 층은 전지 암 전류를 감소시키고 VOC를 증가시키도록 사용될 수 있다. 도 3(a)은 전자 차단 EBL을 포함하는 구조의 에너지 준위 디아그램을 도시한 것이다. 정공 수집 효율에 영향을 미치는 일 없이 전자 누설 전류Ie를 효율적으로 억제하기 위해서, 전자 차단 EBL은 다음의 기준:
(1) 전자 차단 EBL이 도너 물질보다 더 높은 LUMO 에너지 준위, 예컨대 0.2 eV 이상을 가져야 한다는 점;
(2) 전자 차단 EBL이 전자 차단 EBL/도너 계면에서 정공 수집을 위해 큰 에너지 베리어를 도입하지 않아야 한다는 점; 및
(3) 전자 차단 EBL이, 도너와 억셉터 사이의 발생/재결합 전류보다 더 작은 발생/재결합 전류에 의해 나타난 바와 같이, 도너 물질을 지닌 계면에서 큰 계면 갭을 유지해야 한다는 점(그렇지 않을 경우, 전자 차단 EBL/도너 계면에서 발생/재결합 전류가 디바이스 암 전류를 현저하게 기여할 수 있음)
을 충족해야 한다.
예를 들면, SnPc는 진공 준위 아래에 3.8 eV의 LUMO 에너지를 갖고, 5.2 eV의 HOMO 에너지를 갖는다. SnPC/C60에서 적합한 전자 차단 EBL 물질은 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 4,4',4"-트리스(N-(3-메틸페닐)N-페닐아미노)트리페닐아민(MTDATA), 서브프탈로시아닌(SubPc), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(Ir(ppy)3), 및 MoO3을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 이들 물질에 대한 에너지 준위는 도 3(b)에 도시되어 있다.
추가로, 예를 들면 2,4-비스[4-(N,N-디이소부틸아미노)-2,6-디히드록시페닐](스쿠아레인)은 3.7 eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.4 eV의 HOMO 에너지 준위를 갖는다. 도 3(b)에 열거된 물질은 또한 스쿠아레인/C60 전지 내에 전자 차단 EBL를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 일부 실시양태에서, 전자 차단 EBL 두께는 약 10Å 내지 약 1000Å 범위, 예컨대 약 20Å 내지 약 500Å 범위, 또는 심지어는 약 30Å 내지 약 100Å이다. 특정 실시양태에서, 전자 차단 EBL 두께는 10Å 증분으로 약 10Å 내지 100Å 범위일 수 있다.
정공 차단 EBL
본 개시내용의 하나 이상의 실시양태에서, 정공 차단 EBL은 억셉터 영역에 인접한다. 일반적으로, 정공 누설 전류 Ih는, 대부분 통상적으로 사용된 도너/억셉터 쌍에서 비교적 큰ΔEH에 기인하여, 작다. 그러나, 정공 누설 전류 Ih가 PV 전지에서 우세할 때, 정공 차단 EBL은 전지 암 전류를 감소시키고 VOC를 증가시키도록 사용될 수 있다. 본 개시내용에 따른 정공 차단 EBL를 포함하는 구조의 에너지 준위 디아그램이 도 4(a)에 도시되어 있다. 전자 수집 과정에 영향을 미치는 일 없이 정공 누설 전류 Ih를 효율적으로 억제하기 위해서, 정공 차단 EBL은 다음의 기준:
(1) 정공 차단 EBL이 억셉터 물질보다 더 낮은 HOMO 에너지 준위를 가져야 한다는 점;
(2) 정공 차단 EBL이 억셉터/정공 차단 EBL 계면에서 전자 수집을 위해 큰 에너지 배리어를 도입하지 않는다는 점, 예를 들면 차단 층의 LUMO가 억셉터의 LUMO와 거의 동등하거나 그 LUMO보다 더 낮아야 한다는 점; 및
(3) 정공 차단 EBL이, 도너와 억셉터 간의 발생/재결합 전류보다 더 작은 발생/재결합 전류에 의해 나타내는 바와 같이, 억셉터 물질을 지닌 계면에서 큰 계면 갭을 유지해야 한다는 점(그렇지 않을 경우, 억셉터/정공 차단 EBL 계면에서 발생/재결합 전류가 전지 암 전류에 현저히 기여할 수 있음)
을 충족해야 한다.
본 개시내용에 따른 억셉터 물질은, C60 및 3,4,9,10-퍼릴렌테트라카르복실산 비스벤즈이미다졸(PTCBI)을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. C60 및 PTCBI 양자는 4.O eV의 LUMO 에너지 및 6.2 eV의 HOMO 에너지를 갖는다.
본 개시내용에 따른 C60 및 PTCBI 전지에서 정공 차단 EBL에 적합한 물질은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-펜안트롤린(바쏘쿠프로인 또는 BCP), 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼릴렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA), 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)(도 4(b))을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 예를 들어 캐소드 침착이 전자 수송을 위한 결함 에너지를 도입한다면, 정공 차단 EBL의 LUMO 에너지 준위가 높을 수 있다. 본 개시내용에 따른 정공 차단 EBL은 또한 억셉터 영역과 캐소드 사이에 엑시톤 차단 층으로서 작용을 한다.
본 개시내용의 일부 실시양태에서, 정공 차단 EBL 두께는 약 10 Å 내지 약 1000Å 범위, 예컨대 약 20Å 내지 약 500Å, 또는 심지어는 약 30Å 내지 약 100Å 범위이다. 특정 실시양태에서, 정공 차단 EBL 두께는 10Å 증분으로 10Å 내지 약 150Å 범위일 수 있다.
본원에 개시된 디바이스는 현저한 전력 전환 효율 강화를 제공할 수 있다. 예를 들면, ITO/주석(II) 프탈로시아닌(SnPc)/C60/바쏘쿠프로인(BCP)/Al 전지는 큰 스펙트럼 범위에서 높은 흡수 계수로 인하여 높은 Jsc를 갖지만, 낮은 개방 회로 전압으로 인하여 낮은 전력 전환 효율을 갖는다. 따라서, SnPc/C60 전지에서 전자 차단 EBL를 사용하는 것은 VOC를 증가시킬 수 있다. 본 개시내용의 일부 실시양태에서, 그 전지는 낮은 암 전류 및 높은 VOC를 갖는다. 일부 실시양태에서, VOC는 전자 차단 EBL를 사용함으로써 약 2배 커질 수 있다. 다른 실시양태에서, VOC는 전자 차단 EBL를 사용함으로써 2배 이상으로 더 커질 수 있다.
적층형 유기 감광성 광전자 디바이스가 본원에서 추가로 고려된다. 본 개시내용에 따른 그 적층형 디바이스는 복수의 감광성 광전자 서브전지를 포함할 수 있고, 하나 이상의 서브전지는 애노드 및 캐소드를 중첩된 관계로 포함하는 2개의 전극; 2개 전극 사이의 도너 영역으로서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질에 의해 형성된 도너 영역; 2개 전극 사이에 있고 도너 영역에 인접한 억셉터 영역으로서, 제2 광활성 유기 반도체 물질에 의해 형성된 억셉터 영역; 및 2개 전극 사이에 있고 도너 영역 및 억셉터 영역 중 하나 이상에 인접한 하나 이상의 전자 차단 층 및 정공 차단 층을 포함한다. 그러한 적층형 디바이스는 본 개시내용에 따라 구성될 수 있어서 높은 내부 및 외부 양자 효율을 달성한다.
용어 "서브전지"가 이후 사용될 때, 그 용어는 본 개시내용에 따른 전자 차단 EBL 및 정공 차단 EBL 중 하나 이상을 포함할 수 있는 유기 감광성 광전자 구성물을 의미한다. 서브전지가 감광성 광전자 디바이스로서 개별적으로 사용될 때, 그것은 전형적으로 전극의 완전 세트, 즉 양극 및 음극을 포함한다. 본원에 개시된 바와 같이, 일부 적층형 구성에서, 인접한 서브전지가 공통적인, 즉 공유된 전극, 전하 이동 영역 또는 전하 재결합 영역을 이용하는 것이 가능하다. 다른 경우에서, 인접한 서브전지는 공통적인 전극 또는 전하 이동 영역을 공유하지 않는다. 용어 "서브전지"는 본원에서 각 서브유닛이 그 자신의 개별 전극을 갖는지 또는 인접한 서브유닛과 전극 또는 전하 이동 영역을 공유하는지와는 상관 없이 서브유닛 구성을 포함하도록 개시되어 있다. 본원에서 용어 "전지", "서브전지", "유닛", "서브유닛", "섹션" 및 "서브섹션"은 광전도성 영역 또는 영역 세트 및 인접 전극 또는 전하 이동 영역을 상호 교환 가능하게 사용된다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "적층", "적층된(또는 적층형)", "다중섹션" 및 "다중전지"는 하나 이상의 전극 또는 전하 이동 영역에 의해 분리된 광전도성 물질의 다중 영역을 지닌 임의의 광전자 디바이스를 의미한다.
태양 전지의 적층형 서브전지가 서브 전지를 분리하는 전극에 외부 전기 접속을 허용하는 진공 침착 기법을 이용하여 제조될 수 있기 때문에, 디바이스내 서브전지 각각은, PV 전지에 의해 발생된 전력 및/또는 전압이 최대화될 수 있는지의 여부에 따라, 병렬로 또는 직렬로 전기적으로 접속될 수 있다. 본 개시내용의 적층형 PV 전지 실시양태에 대하여 달성될 수있는 개선된 외부 양자 효율은 또한, 병렬의 전기적 구성이 서브전지를 직렬로 연결할 때보다 실질적으로 더 높은 필 팩터를 실현할 수 있기 때문에, 적층형 PV 전지의 서브전지가 병렬로 전기적으로 접속될 수 있다는 사실에서도 기인될 수 있다.
PV 전지가 보다 높은 전압 디바이스를 제조하도록 직렬로 전기적으로 접속된 서브전지들로 구성될 때인 경우에서, 그 적층형 PV 전지는 비효율을 감소시키기 위해서 동일 전류를 대략적으로 생성하는 각각 서브전지를 갖도록 제조할 수 있다. 예를 들면, 입사 방사선이 단지 하나의 방향으로 통과하여 지나간다면, 적층형 서브전지는 입사 방사선에 대부분 직접 노출되는, 가장 얇은 최외곽 서브전지에 대하여 증가하는 두께를 가질 수 있다. 대안으로, 서브전지가 반사 표면 상에 중첩된다면, 개별 서브전지의 두께는 원래 방향 및 반사된 방향으로부터 각 서브전지에 유입된 전체 조합 방사선에 상응하도록 조정될 수 있다.
추가로, 다수의 상이한 전압을 생성할 수 있는 직류 전력 공급원을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 적용을 위해서, 중간 전극에 대한 외부 접속은 매우 큰 이용성을 가질 수 있다. 따라서, 서브전지의 전체 세트를 가로 질러 발생되는 최대 전압을 제공할 수 있는 것 이외에도, 본 개시내용의 적층형 PV 전지의 예시적 실시양태는 또한 서브전지의 선택된 서브세트로부터 선택된 전압을 태핑함으로써 단일 전력 공급원으로부터 다중 전압을 개성하도록 사용될 수 있다.
본 개시내용의 대표적인 실시양태는 또한 투명한 전하 이동 영역을 포함할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 전하 이동 층은, 이 전하 이동 영역이 빈번하지만 반드시 꼭 그런 것이 아니지만, 무기이고 일반적으로 광전도성으로 활성이지 않는다는 사실에 의해, 억셉터 및 도너 영역/물질과는 구별된다.
본원에 개시된 유기 감광성 광전자 디바이스는 다수의 광기전력 용도에서 유용할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 그 디바이스는 유기 광전도체이다. 하나 이상의 실시양태에서, 그 디바이스는 유기 태양 전지이다.
첨부되는 도면은 본 명세서의 부분으로 혼입되어 있고, 본 명세서의 부분을 구성한다.
도 1은 0.2 태양 및 1 태양, AMI.5 조명의 조명 수준 하에 그리고 암 상태 하에 ITO/SnPc(400Å)/C60(400Å)/BCP(100Å)/Al 광기전력(PV) 전지(오픈형 정사각형), 및 ITO/CuPc(200Å)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al PV 전지(오픈형 삼각형)의 전류 밀도 대 전압 특징을 도시한 것이다. 암 전류 피팅 결과가 또한 도시되어 있다(굵은 선).
도 2는 2(a) 및 2(b)는 이중층 유기 광기전력 전지의 에너지 준위 디아그램을 도시한 것이다.
도 3은 (a) 전자 차단 EBL을 포함하는 광기전력(PV) 전지의 구조 및 (b) SnPc 및 스쿠아렌 PV 전지에서 전자 차단 EBL에 적합한 물질의 에너지 준위를 예시하는 개략적 에너지 준위 디아그램을 도시한 것이다.
도 4는 (a) 정공 차단 EBL을 포함하는 광기전력(PV) 전지의 구조, 및 (b) C60 및 PTCBI PV 전지에서 정공 차단 EBL에 적합한 물질의 에너지 준위를 예시하는 개략적 에너지 준위 디아그램을 도시한 것이다.
도 5는 전자 차단 EBL를 지니지 않는 것(점선), MoO3 전자 차단 EBL을 지닌 것(오픈형 정사각형), SuPc 전차 차단 EBL을 지닌 것(오픈형 삼각형) 및 CuPc 전자 차단 EBL를 지닌 것(오픈형 원형)의 ITO/SnPc(1OOÅ)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al 광기전력 전지의 전류 밀도 대 전압 특징을 도시한 것이다. 전자 차단 EBL을 지닌 디바이스에 있어서 에너지 준위 디아그램은 인세트(inset)로 도시되어 있다. 광전류는 1태양, AM1.5 조명 하에 측정된다. 암 전류 피팅 결과가 또한 도시되어 있다(굵은 선).
도 6은 차단 층을 지니지 않는 것, MoO3 전자 차단 EBL을 지닌 것, SuPc 전자 차단 EBL를 지닌 것, 및 CuPC 전자 차단 EBL을 지닌 것의 ITO/CuPc(200Å)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al(1OOOÅ) 광기전력(PV) 전지, 및 ITO/SnPc(1OOÅ)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al PV 전지의 외부 양자 효율(EQE) 대 파장을 도시한 것이다.
실시예
본 개시내용은 예시적인 실시양태 및 작용 실시예의 하기 상세한 설명을 참조하면 보다 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 다른 실시양태는 본 명세서에서 개시된 상세한 설명 및 실시예를 비추어 볼 때 해당 기술의 당업자에 의해 명백하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예 1
유리 기판 상에 예비 코팅된 ITO의 1500Å 두께 층(시이트 저항 15 Ω/cm2) 상에 디바이스를 제조하였다. 용매 세정된 ITO 표면을 자외선/O3 - 중에서 5 분 동안 처리한 직후에 고진공 챔버(기본 압력 ＜ 4 x 10-7Torr) 내로 로딩하고, 여기서 유기 층 및 100Å 두께 Al 캐소드를 열적 증발을 통해 순차적으로 침착시켰다. 정제된 유기 층의 침착 속도는 ~lÅ/s이었다(Laudise et al., J, Cryst. Growth, 187, 449 (1998)). Al 캐소드를 1 mm 직경 개구를 지닌 쉐도우 마스크를 통해 증발시켜서 디바이스 활성 영역을 한정하였다. 전류 밀도 대 전압(J-V) 특징을 암 부분에서 그리고 모의 AM1.5G 태양 조명 하에 측정하였다. 조명 강도 및 양자 효율 측정은 NREL 보정된 Si 검출기를 사용하는 표준 방법을 이용하여 수행하였다(ASTM Standards E 1021, E948, and E973, 1998),
도 1은 ITO/SnPc(1OOÅ)/C60(400Å)/바쏘쿠프로인(BCP, 1OOÅ)/Al PV 전지, ITO/CuPc(200Å)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al PV 대조 전지의 전류 밀도-전압(J-V) 특징, 및 암 J-V 피팅 결과를 도시한 것이다. CuPc 전지와 비교하여, SnPc 기초 디바이스는 보다 높은 암 전류를 갖고 있으며, 이는 2개 구조 간의 에너지 준위의 차이의 관점에서 이해될 수 있다. SnPc 및 CuPc 둘 다의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지는 진공 준위 아래에 5.2 eV이다(Kahn et al., J. Polymer ScL B, 41, 2529-2548 (2003); Rand et al., Appl. Phys. Lett, 87, 233508 (2005)). CuPc의 경우 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지는, 역 발광 분광계(IPES)에 의해 측정된 바와 같이 3.2 eV이다. SnPc의 경우, LUMO 에너지는 광학 밴드 갭으로부터 3.8 eV인 것으로 추정된다. C60의 LUMO 에너지가 4.O eV이기 때문에(Shirley et al., Phys. Rev. Lett., 71(1), 133 (1993), 이는 CuPc/C60 전지의 경우 C60 억셉터에서 애노드에 이르는 전자 수송에 대하여 0.8 eV 배리어를 결과적으로 생성하고, 하지만 그러한 배리어는 SnPc/C60 디바이스의 경우 단지 0.2 eV에 불과하다. 결과로서, CuPc/C60 전지에서 암 전류가 주로 CuPc/C60 헤테로접합에서 발생/재결합으로부터 야기되고, 반면에 SnPc/C60 전지에서 캐소드에서 애노드로의 전자 누설 전류가 우세하게 된다.
수학식 (1)로부터, 도 1에서 암 J-V 특징에 대한 피팅은 SnPc 기초 전지의 경우 n = 1.5 및 Js = 5.1 x 10-2 mA/cm2를 산출하고, 도너로서 CuPc를 사용하는 전지의 경우 n = 2.0 및 Js = 6.3 x 10-4 mA/cm2를 산출한다. VOC는 상수 Jph(V) = Jsc(단락 회로 전류)를 가정하여 수학식(2)으로부터 계산할 수 있다. 1 태양 조명에서, 작은 병렬 저항 항목을 무시하면, SnPc의 경우 VOC = 0.19 V이고, CuPc 전지의 경우 VOC = 0.46 V이다. 암 전류 피팅 파라미터으로부터 계산된 VOC 및 JSC는 측정된 값 0.16 ± 0.01 V 및 0.46 ± 0.01 V 각각 일정하다.
실시예 2
SnPc/C60 전지에서 JS를 감소시키고 이에 따라 VOC를 증가시키기 위해서, 전자 차단 EBL를 실시예 1에서 기술된 애노드와 SnPc 도너 층 사이에 삽입하였다. 도 2의 인세트에서 에너지 준위 디아그램에 따르면, 전자 차단 EBL은 도너 LUMO보다 더 높은 LUMO 에너지를 가져야 하고, (ii) 비교적 높은 정공 이동도를 가져야 하며, 그리고 (iii) 작은 전자 차단 EBL로부터 생성되는 도너(HOMO)와의 계면에서 발생 및 재결합에 기인한 암 전류를 도너(LUMO) "계면 갭" 에너지로 한정해야 한다. 이들 고려사항을 따라, 무기 물질 MoO3, 및 붕소 서브프탈로시아닌 클로라이드(SubPc) 및 CuPc를 전자 차단 EBL로서 사용하였다(Mutolo et al., J. Am. Chem. Soc, 128, 8108 (2006)). 그들 각각의 에너지 준위(도 2)에 따르면, 그들은 모두 도너에서 애노드 콘택트에 이르는 전자 전류를 효과적으로 방해한다. MoO3은 ITO와 중합체 PV 활성 층 간의 반응을 방지하기 위해서 중합체 PV 전지에서 이미 사용되어 오고 있다(Shrotriya et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073508 (2006)).
실험은 ITO/SnPc(1OOÅ)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al PV 전지에서 전자 차단 EBL을 사용하여 수행하였다. 도 5는 1OOÅ 두께 MoO3 전자 차단 EBL, a 40Å 두께 SubPc EBL, 및 40Å 두께 CuPc 전자 차단 EBL을 지닌 전지의 J-V 특징을 도시한 것이다. 블록커를 지니지 않은 SnPC/C60의 특징이 비교를 위해 도시되어 있다. 전자 차단 EBL들은 암 전류를 현저하게 억제하는 것으로 밝혀졌다. 1 태양 조명 하에 측정된 VOC는 전자 차단 EBL를 포함하는 모든 디바이스에서 > 0.40 V로 증가하였다.
모든 디바이스의 성능을 하기 표 1에 요약하였다. VOC, JSC, 필 팩터(FF), 및 전력 전환 효율(ηp)에 대한 값들을 1 태양 표준 AM1.5G 태양 조명에서 측정하였다. 높은 VOC는 SnPc 디바이스에 있어서 전자 차단 EBL를 지니지 않은 경우 (0.45 ± 0.1)%에서 전자 차단 EBL를 지닌 경우 최대 (2.1 ± 0.1)%로의 수반되는 전력 전환 효율의 증가를 유도한다. SuPc 전자 차단 EBL은 전자 이외에도 정공에 대한 에너지 배리어를 도입한다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 두께를 20Å에서 40Å로 증가시키는 것은, 아마도 정공 전도에 대한 작은 배리어(0.4 eV; 도 5 인서트 참조)로 기인하여, 필 팩터의 증가를 유도하고, 이로써 전력 전환 효율의 약간의 증가를 유도한다.
[표 1]
1 태양, AM1.5 조명에서 블록커/SnPc/C60/BCP 태양 전지의 성능
Figure pat00006
수학식(1)을 이용하여 모든 디바이스의 암 전류를 표 1에 열거된 최종 피팅 파라미터로 피팅하였다. MoO3 층 두께가 100Å를 초과하거나 SuPc 층 두께가 ＞ 20Å이었을 때, JS는 차단 층을 결여한 디바이스 JS의 단지 1%이었다. 전자 차단 EBL 두께가 더 증가하면, JS의 추가적 감소가 한계적이고, 이는 그러한 박층이 전자 누설을 효과적으로 제거하였다는 점을 나타내 보여준다. 표 1이 나타낸 바와 같이, 계산된 VOC 값은 모든 디바이스에 대하여 측정된 값과 일치하였다.
도 6은 전자 차단 EBL를 지니지 않는 것, MoO3 전자 차단 EBL를 지닌 것, SubPc 전자 차단 EBL를 지닌 것, 및 CuPc 전자 차단 EBL를 지닌 것의 ITO/CuPc(200Å)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al(1OOOÅ) 광기전력(PV) 전지 및 ITO/SnPc(1OOÅ)/C60(400Å)/BCP(1OOÅ)/Al PV 전지의 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼을 도시한 것이다. CuPc 전지의 EQE는 λ > 730 nm에서 < 10%로 감소하였고, 반면에 모든 SnPc 전지의 EQE 값은 λ < 900 nm에서 > 10%이었다. MoO3 전자 차단 EBL를 사용하는 디바이스의 효율은 전자 차단 EBL를 지니지 않은 것과 동일하였으며, 이는 증가된 전력 전환 효율이 감소된 누설 전류에 기인하였다는 점을 나타내 보여준다. 또한, SubPc 전자 차단 EBL를 지닌 디바이스는 녹색 스펙트럼 영역에서 증가된 흡수 및 SnPc로부터 유래된 후속적인 엑시톤 발생에 기인하여 MoO3을 지닌 것보다 더 높은 효율을 보유하였다.
본원에 개시된 명세서 및 실시예는 단지 예시적으로만 고려되길 의도한 것이고, 본 발명의 실제 영역 및 사상은 첨부된 특허청구범위에 제시되어 있다.
실시예 또는 달리 지시된 곳 이외에서도, 명세서 및 특허청구범위에 사용된 성분의 정량, 반응 조건, 분석 측정치 등을 표시하는 모든 수치는 모든 실제 예에서 용어 "약"에 의해 변형되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 반대 지시가 없는 한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 설정된 수치 파라미터는 본 개시내용에 의해 얻고자 하는 소정의 특성에 따라 좌우되어 변할 수 있다. 각각 수치 파라미터는, 유효 숫자 및 일반적인 반올림 접근법의 측면에서, 특허청구범위의 영역에 대한 균등론의 적용을 제한하기 위한 시도로서, 적어도 그리고 전혀 해석되지 않아야 한다.
본 개시내용의 넓은 영역을 설정하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 달리 지시되어 있지 않는 한, 특정 예로 설정된 수치는 가능한 정확하게 기재되어 있다. 그러나, 임의의 수치는 각각의 시험 측정에서 발견된 표주 편차로부터 반드시 결과로 생성되는 특정한 오차를 고유하게 함유한다.

Claims (31)

  1. 유기 감광성 광전자 디바이스로서,
    애노드 및 캐소드를 중첩된 관계(superposed relation)로 포함하는 2개 전극;
    하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질로서, 상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 2개 전극 사이에 광 활성 영역을 형성하는 것인 하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질;
    2개 전극 사이에 위치한 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층으로서, 상기 전자 차단 층 및 정공 차단 층은 유기 반도체, 무기 반도체, 중합체, 금속 산화물 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층
    을 포함하는 유기 감광성 광전자 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 펜타센, 스쿠아레인, 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Cu, Al, Sn, Ni, W, Ti, Mg, In, Mo, Zn 및 이들 조합의 금속 산화물 중 하나 이상을 포함하는 것인 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Si, II-VI, 및 III-V 반도체 물질 중 하나 이상을 포함하는 것인 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼릴렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA), 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 TiO2, GaN, ZnS, ZnO, ZnSe, SrTiO3, KaTiO3, BaTiO3, MnTiO3, PbO, WO3, 및 SnO2로부터 선택된 하나 이상의 무기 물질을 포함하는 것인 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 도너 영역과 접촉한 상태로 있는 것인 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 억셉터 영역과 접촉 상태로 있는 것인 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 전자 차단 층 및 정공 차단 층을 둘 다 포함하는 것인 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 도너 영역은 CuPc, SnPc, 및 스쿠아레인으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 억셉터 영역은 C60 및 PTCBI로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 가시 스펙트럼에서 스펙트럼 감도를 갖도록 선택되는 것인 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 제1 광전도성 유기 반도체 물질 및 제2 광전도성 유기 반도체 물질은 적어도 부분적으로 혼합되는 것인 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 광 활성 영역은 혼합형 헤테로접합(mixed heterojunction), 플래너형(planar) 헤테로접합, 벌크형(bulk) 헤테로접합, 나노결정-벌크형(nanocrystalline-bulk) 헤테로접합, 및 하이브리드 플래너-혼합형(hybrid planar-mixed) 헤테로접합 중 하나 이상을 형성하는 것인 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 SubPc, CuPc 또는 MoO3을 포함하고, 약 30Å 내지 약 100Å 범위의 두께를 갖는 것인 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 20Å 내지 500Å 범위의 두께를 갖는 것인 디바이스.
  17. 제1항에 있어서, 상기 도너 영역은 CuPc 및 SnPc로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하고, 상기 억셉터 영역은 C60을 포함하며, 그리고 상기 전자 차단 층은 MoO3을 포함하는 것인 디바이스.
  18. 제1항에 있어서, 상기 디바이스가 유기 광검출기인 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 상기 디바이스가 유기 태양 전지인 디바이스.
  20. 복수개의 감광성 광전자 서브전지를 포함하는 적층형(stacked) 유기 감광성 광전자 디바이스로서,
    하나 이상의 서브전지는
    애노드 및 캐소드를 중첩된 관계로 포함하는 2개 전극;
    하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질로서, 상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 2개 전극 사이에 광 활성 영역을 형성하는 것인 하나 이상의 도너 물질 및 하나 이상의 억셉터 물질;
    2개 전극 사이에 위치한 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층으로서, 상기 전자 차단 층 및 정공 차단 층은 유기 반도체, 무기 반도체, 중합체, 금속 산화물 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층
    을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 펜타센, 스쿠아레인, 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  22. 제20항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Cu, Al, Sn, Ni, W, Ti, Mg, In, Mo, Zn 및 이들 조합의 금속 산화물 중 하나 이상을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  23. 제20항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Si, II-VI, 및 III-V 반도체 물질 중 하나 이상을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  24. 제20항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼릴렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA), 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  25. 제20항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 TiO2, GaN, ZnS, ZnO, ZnSe, SrTiO3, KaTiO3, BaTiO3, MnTiO3, PbO, WO3, 및 SnO2로부터 선택된 하나 이상의 무기 물질을 포함하는 것인 적층형 유기 감광성 광전자 디바이스.
  26. 암 전류(dark current)를 감소시켜서 감광성 광전자 디바이스의 전력 전환 효율을 증가시키는 방법으로서, 상기 방법은 하나 이상의 전자 차단 층 또는 정공 차단 층을 디바이스 내에 혼입하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 전자 차단 층 또는 정공 차단 층은 유기 반도체, 무기 반도체, 중합체, 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 트리스-(8-히드록시퀴놀린에이토)알루미늄(III)(Alq3), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4'-디아민(TPD), 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(NPD), 서브프탈로시아닌(SubPc), 펜타센, 스쿠아레인, 구리 프탈로시아닌(CuPc), 아연 프탈로시아닌(ZnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 트리스(2-페닐피리딘)(Ir(ppy)3)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Cu, Al, Sn, Ni, W, Ti, Mg, In, Mo, Zn 및 이들 조합의 금속 산화물 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 전자 차단 층은 Si, II-VI, 및 III-V 반도체 물질 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
  30. 제26항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 나프탈렌 테트라카르복실산 무수물(NTCDA), p-비스(트리페닐실릴)벤젠(UGH2), 3,4,9,10-퍼릴렌테트라카르복실산 이무수물(PTCDA), 및 7,7,8,8-테트라시아노네퀴노디메탄(TCNQ)으로부터 선택된 하나 이상의 유기 반전도성 물질을 포함하는 것인 방법.
  31. 제26항에 있어서, 상기 정공 차단 층은 TiO2, GaN, ZnS, ZnO, ZnSe, SrTiO3, KaTiO3, BaTiO3, MnTiO3, PbO, WO3, 및 SnO2로부터 선택된 하나 이상의 무기 물질을 포함하는 것인 방법.
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