KR20220062297A - 태양 전지를 위한 버퍼 및 색 조정 층으로써의 파라페닐렌 - Google Patents

태양 전지를 위한 버퍼 및 색 조정 층으로써의 파라페닐렌 Download PDF

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마일즈 씨. 바르
리차 팬디
존 에이. 러브
메튜 이. 사이케스
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유비쿼터스 에너지 인코포레이티드
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Abstract

버퍼 층에 결합된 광활성 층을 갖는 광전지 디바이스가 개시된다. 이러한 디바이스는 가시광선에 투명할 수 있지만 근적외선 및/또는 자외선을 흡수한다. 광전지 디바이스는 버퍼 층으로서 작용하는 p-페닐렌 층을 포함할 수 있다. 광전지 디바이스는 하나 이상의 광활성 층을 포함할 수 있다. 하나 이상의 광활성 층은 다른 가능성 중에서 단일 평면 헤테로접합, 단일 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ), 또는 상보적 흡수 특성을 갖는 다중 스택형 BHJ를 포함할 수 있다.

Description

태양 전지를 위한 버퍼 및 색 조정 층으로써의 파라페닐렌
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 8월 16일자로 출원된 "Para-Phenylenes As Buffer And Color Tuning Layers For Solar Cells (태양 전지를 위한 버퍼 및 색 조정 층으로써의 파라페닐렌)"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제62/887,983호의 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조체 의해 편입된다.
광전지 디바이스는 일반적으로 광전지 효과를 사용하여 빛을 전기로 변환하는 데 사용되며, 여기서 흡수된 빛은 전자 또는 다른 전하 캐리어를 더 높은 에너지 상태로 여기시킨다. 반대 유형의 전하 캐리어를 분리하면 외부 회로에서 사용할 수 있는 전압이 생성된다. 광전지 태양 전지와 같은 광전지 디바이스는 함께 패키징되어 태양광 패널과 같은 더 큰 광전지 시스템의 광전지 어레이를 구성할 수 있다. 전기를 생성하기 위해 광전지 시스템을 사용하는 것은 전 세계적으로 계속해서 주류 전력원이 되는 중요한 재생 에너지 형태이다.
태양 에너지를 활용하는 데 필요한 표면적은 재생 불가능한 에너지 소비의 상당 부분을 상쇄하는 데 장애물로 남아 있다. 이러한 이유로 가정, 고층 빌딩 및 자동차의 창유리에 통합될 수 있는 저가의 투명 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스가 바람직하다. 예를 들어, 자동차 및 아키텍처에 사용되는 창유리는 일반적으로 가시 스펙트럼, 예를 들어, 약 450 nm 내지 650 nm의 파장을 갖는 빛에 대해 각각 70-80% 및 40-80% 투과율이다. 낮은 기계적 유연성, 높은 모듈 비용, 더 중요하게는 무기 반도체의 밴드와 같은 흡수가 투명 태양 전지에 대한 잠재적 유용성을 제한한다.
이러한 진전에도 불구하고, 투명 태양광 기술 분야에서 개선된 시스템, 방법 및 디바이스 구조가 당업계에 필요하다.
창유리에 통합될 수 있는 투명 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스는 태양 에너지를 활용하기 위해 넓은 표면적을 제공하는 데 바람직하다. 무기 반도체와 달리 유기 및 분자 반도체의 광학적 특성은 흡수 스펙트럼이 무기 반도체의 밴드 흡수와 고유하게 구별되는 최대 흡수와 최대 흡수로 고도로 구조화된 흡수 스펙트럼을 생성한다. 그러나 다양한 유기 및 분자 반도체가 존재하지만 많은 것이 가시광선 스펙트럼에서 강한 흡수를 나타내므로 창유리 기반 광전지에 사용하기에 최적이 아니다.
본 출원은 일반적으로 광학 활성 물질 및 장치 분야에 관한 것으로, 특히 가시적으로 투명하고 가시적으로 불투명한 광전지 디바이스 및 가시적으로 투명하고 가시적으로 불투명한 광전지 디바이스를 위한 물질에 관한 것이다.
본 발명의 요약은 하기에 주어진 다양한 실시예를 참조하여 제공된다. 아래에 사용된 바와 같이, 일련의 예에 대한 임의의 참조는 이러한 예 각각에 대한 참조로 분리되어 이해되어야 한다(예: "예 1-4"는 "예 1, 예 2, 예 3 또는 예 4"로 이해되어야 함).
예 1은 유기 광전지 디바이스로서, 기판; 상기 기판에 결합된 제1 전극; 상기 제1 전극에 결합된 버퍼 층(buffer layer) - 상기 버퍼 층은 p-페닐렌(phenylene) 물질을 갖는 p-페닐렌 층을 포함함 -; 상기 제1 전극 위에 배치된 제2 전극; 및 상기 버퍼 층과 상기 제2 전극 사이에 배치된 하나 이상의 광활성 활성 층(photoactive active layer) - 상기 하나 이상의 광활성 층은 적어도 하나의 전자 공여체 물질(electron donor material) 및 적어도 하나의 전자 수용체 물질(electron acceptor material)을 포함함 - ;을 포함한다.
예 2는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 p-페닐렌 물질은, p-셉티페닐 물질(p-septiphenyl material), p-섹시페닐 물질(p-sexiphenyl material), p-쿼터페닐 물질(p-quaterphenyl material) 또는 p-퀸퀴페닐 물질(p-quinquiphenyl material)을 포함한다.
예 3은 예(들)1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 p-페닐렌 물질은 하기 화학식을 갖는다:
Figure pct00001
여기서 각각의 X는 독립적으로 CR 또는 N이고, 여기서 n은 1, 2, 3, 4 또는 5이고, 여기서 각각의 R은 독립적으로 H, F, Cl, Br, CH3, OCH3, Si(CH3)3, NH2, OH, SH, CN 또는 CF3이다.
예 4는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 하나 이상의 광활성 층은 단일 헤테로접합(single heterojunction)을 포함한다.
예 5는 예(들) 4의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 단일 헤테로접합은 평면 헤테로접합(planar heterojunction)이다.
예 6은 예(들) 4의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 단일 헤테로접합은 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ)이다.
예 7은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 하나 이상의 광활성 층은 제1 전자 공여체 물질 및 제1 전자 수용체 물질의 제1 블렌드(blend)를 포함하는 제1 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층과 제2 전자 공여체 물질 및 제2 전자 수용체 물질의 제2 블렌드를 포함하되, 상기 제2 BHJ 활성 층이 상기 제1 BHJ 활성 층과 접촉한다.
예 8은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 하나 이상의 제1 광활성 층을 포함하는 제1 서브셀(subcell); 상기 제1 서브셀과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 하나 이상의 제2 광활성 층을 포함하는 제2 서브셀; 및 상기 제1 서브셀과 상기 제2 서브셀 사이에 배치된 전하 재결합 구역(charge recombination zone)을 더 포함한다.
예 9는 예(들) 8의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 버퍼 층은 상기 제1 전극과 상기 제1 서브셀 사이에 배치된다.
예 10은 예(들) 8의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 버퍼 층은 상기 전하 재결합 구역과 상기 제2 서브셀 사이에 배치된다.
예 11은 예(들) 8의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 버퍼 층은 상기 제1 전극과 상기 제1 서브셀 사이에 배치되고, 상기 전하 재결합 구역과 상기 제2 서브셀 사이에 배치된 제2 버퍼 층을 더 포함하되, 상기 제2 버퍼 층은 제2 p-페닐렌 물질을 갖는 제2 p-페닐렌 층을 포함한다.
예 12는 예(들) 11의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제2 p-페닐렌 물질은 상기 제1 p-페닐렌 물질과 상이하다.
예 13은 예(들) 11의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제2 p-페닐렌 물질은 상기 제1 p-페닐렌 물질과 동일하다.
예 14는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 하나 이상의 광활성 활성 층(photoactive active layers)이 열 증발(thermally evaporation)을 통해 증착(deposit)된다.
예 15는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 하나 이상의 광활성 활성 층은 용액 공정(solution processing)을 통해 증착된다.
예 16은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 유기 광전지 디바이스는 투명하다.
예 17은 예(들) 16의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 유기 광전지 디바이스는 -10 내지 10 사이의 유리 반사(glass-reflected) a*를 갖는다.
예 18은 예(들) 16의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 유기 광전지 디바이스는 -10 내지 10 사이의 유리 반사 b*를 갖는다.
예 19는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 유기 광전지 디바이스는 불투명하다.
예 20은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 전극과 상기 p-페닐렌 층 사이에 배치되는 정공 주입 층 - 상기 정공 주입 층은 화학량론적 및 비화학량론적 조성 모두에 해당하는 MoOx, NiOx, CuOx, VOx, WOx, CoOx, CrOx, Li:NiOx, Mg:NiOx, Cs:NiOx, Cu:CrOx, CryCuzOx, LiMgLiO, CuSCN, CuI, BiI3, 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), 또는 MoS2 중의 어느 하나임. - 을 더 포함한다.
예 21은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, p-페닐렌 층이 2 nm 내지 50 nm의 두께를 갖는다.
예 22는 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 유기 광전지 디바이스는 40% 내지 70% 사이의 평균 가시광선 투과율(Average Transmission: AVT)을 갖는다.
예 23은 유기 광전지 디바이스를 형성하는 방법으로서, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판에 결합된 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극에 결합된 버퍼 층 - 상기 버퍼 층은 p-페닐렌 물질을 갖는 p-페닐렌 층을 포함함 - 을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 위에 제2 전극을 형성하는 단계, 상기 버퍼 층과 상기 제2 전극 사이에 하나 이상의 광활성 활성 층 - 상기 하나 이상의 광활성 층은 하나 이상의 전자 공여체 물질 및 하나 이상의 전자 수용체 물질을 포함함. -; 을 형성하는 단계를 포함한다.
예 24는 예(들) 23의 방법으로서, 하나 이상의 광활성 층이 단일 헤테로접합을 포함한다.
예 25는 예(들) 23의 방법으로서, 상기 하나 이상의 광활성 층은 제1 전자 공여체 물질과 제1 전자 수용체 물질의 제1 블렌드를 포함하는 제1 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층 및 제2 전자 공여체 물질과 제2 전자 수용체 물질의 제2 블렌드를 포함하는 제2 BHJ 활성 층을 포함한다.
예 26은 예(들) 23의 방법으로서, 상기 하나 이상의 광활성 활성 층을 형성하는 단계는 열 증발을 통해 하나 이상의 광활성 층을 증착하는 단계를 포함한다.
예 27은 예(들) 23의 방법으로서, 상기 하나 이상의 광활성 활성 층을 형성하는 단계는 용액 공정을 통해 상기 하나 이상의 광활성 층을 증착하는 단계를 포함한다.
예 28은 예(들) 1의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 하나 이상의 광활성 층이 제1 전자 공여체 물질과 제1 전자 수용체 물질의 제1 블렌드를 포함하는 제1 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층을 포함한다.
예 29는 예(들) 28의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 하나 이상의 광활성 층이 제2 전자 공여체 물질과 제2 전자 수용체 물질의 제2 블렌드를 포함하는 제2 BHJ 활성 층을 더 포함하되, 상기 제1 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장은 상기 제2 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장에 대해서 적어도 부분적으로 상보적이다.
예 30은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 공여체 물질은 상기 제2 공여체 물질과 상이하고, 상기 제1 수용체 물질은 상기 제2 수용체 물질과 상이하다.
예 31은 예(들) 29의 유기 광기전 소자로서, 상기 제1 공여체 물질은 상기 제2 공여체 물질과 상이하고, 상기 제1 수용체 물질은 상기 제2 수용체 물질과 동일하다.
예 32는 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 공여체 물질은 상기 제2 공여체 물질과 동일하고, 상기 제1 수용체 물질은 상기 제2 수용체 물질과 상이하다.
예 33은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 공여체 물질은 상기 제2 공여체 물질과 동일하고, 상기 제1 수용체 물질은 상기 제2 수용체 물질과 동일하다.
예 34는 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 최저 비점유 분자 오비탈(Lowest Unopccupied Molecular Orbital: LUMO) 에너지 준위가 상기 제2 BHJ 활성 층의 LUMO 에너지 준위보다 더 크다.
예 35는 예(들) 34의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제2 BHJ 활성 층의 LUMO 에너지 준위가 상기 제2 전극의 에너지 준위보다 더 크다.
예 36은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제2 BHJ 활성 층의 최대 점유 분자 오비탈(Highest Occupied Molecular Orbital: HOMO) 에너지 준위가 상기 제1 BHJ 활성 층의 HOMO 에너지 준위보다 작다.
예 37은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 HOMO 에너지 준위가 상기 제1 전극의 에너지 준위보다 작다.
예 38은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 최저 비점유 분자 오비탈(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO) 에너지 준위가 상기 제2 BHJ 활성 층의 LUMO 에너지 준위의 300meV 이내이다.
예 39는 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 최고 점유 분자 오비탈(Highest Occupied Molecular Orbital: HOMO) 에너지 준위는 상기 제2 BHJ 활성 층의 HOMO 에너지 준위의 300meV 이내이다.
예 40은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층이 상기 제2 BHJ 활성 층에 결합(couple)된다.
예 41은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 블렌드는 추가 전자 공여체 물질 또는 추가 전자 수용체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 삼원(ternary), 사원(quaternary), 또는 고차(higer-order) 블렌드이다.
예 42는 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제2 블렌드는 추가 전자 공여체 물질 또는 추가 전자 수용체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 삼원, 사원, 또는 고차 블렌드이다.
예 43은 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층이 상기 제2 BHJ 활성 층에 결합된다.
예 44는 예(들) 29의 유기 광전지 디바이스로서, 상기 제1 BHJ 활성 층이 상기 p-페닐렌 층에 결합된다.
본 발명에 의해 종래 기술에 비해 많은 이점이 달성된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 가시광선에 투명하면서 광전지 능동적 발전을 위한 근적외선 및/또는 자외선을 흡수하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 유리하게는, 이러한 광학적 특성은 광전지 디바이스에서 입사 태양 복사로부터 전기를 생성하는 능력을 제공하는 동시에 유용한 가시광선이 통과하도록 허용하여 관찰자가 광전지 디바이스를 통해 볼 수 있게 한다.
양극 버퍼 층으로 단쇄 파라-페닐렌(p-페닐렌)을 사용하면 OPV의 성능과 색상이 향상되는 것이 입증되었다. 일부 실시예에서, p-쿼터페닐, p-퀸퀴페닐, 및 p-섹시페닐은 산화 몰리브덴(MoO3) 정공 주입 층과 접촉하는 버퍼 층으로서 성공적으로 사용된다. 다른 실시예에서, p-페닐렌 층은 양극에서 다른 정공 주입 층 또는 버퍼에 결합될 수 있다. p-페닐렌 층은 또한 다중접합 전지의 전하 재결합 층에 결합될 수 있다.
p-페닐렌 층의 주요 전기적 이점 중 하나는 특히 광전류 생성을 증가시켜 태양 전지의 효율을 향상시킨다는 것이다. 이것은 적어도 세 가지 다른 D:A 혼합 시스템의 경우인 것으로 나타난다. 양극/유기 계면에서 유도된 공간 전하와 광활성 층의 여기자는 공간적으로 분리하여 양극에서 엑시톤 재결합을 감소시켜 광전류를 향상시킨다. 또한, 버퍼 두께의 조정을 통해 광 미세 공간 효과를 통해 광전류를 향상시킬 수 있다. p-페닐렌의 높은 정공 이동도로 인해, 도핑되지 않은 버퍼 층은 성능의 상당한 손실 없이 두께가 최대 50 nm까지 기능하는 일부 실시예에서 입증된다.
짧은 사슬 p-페닐렌의 넓은 밴드 갭으로 인해 양극 버퍼로 사용될 때 활성 층에서 양극으로의 전자 재결합을 효과적으로 차단한다. 이는 양극의 향상된 전하 선택성을 초래하고, 일부 실시예에서 OPV의 개선된 충전 인자(Filter Factor: FF) 및 개방 회로 전압(Voc)을 초래한다.
투명 PV와 같은 응용 분야에서 반사 및 투과 색은 PV의 미적 품질에 큰 영향을 미친다. 활성 층 변화와 무관하게 반사되거나 투과된 색을 조정하는 능력은 미학적으로 바람직한 PV 시스템을 제조하는 데 중요하다. 짧은 사슬 p-페닐렌은 가시 스펙트럼에서 광학적으로 투명하며 투명한 PV에서 반사 및 투과 색상을 조작하기에 충분히 두꺼운 필름으로 증착될 수 있다. 가시광선 또는 근적외선 흡수의 부족으로 인해 버퍼 내에 기생 흡수를 도입하지 않고 활성 층 아래에 두꺼운 층이 증착될 수 있다. 또한 p-페닐렌 버퍼는 활성 층 구성과 PV 색을 분리하는 데 도움이 되므로 고유한 색 대신 성능을 기반으로 활성 층 혼합을 최적화할 수 있다. p-페닐렌 버퍼의 색 조정 효과는 광학적으로 두꺼운 금속 전극에 의해 미세 공동 효과가 크게 향상되는 불투명한 PV의 경우 훨씬 더 극적이어야 한다.
많은 이점 및 특징과 함께 본 발명의 이들 및 다른 실시예 및 양상은 아래의 텍스트 및 첨부된 도면과 함께 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 2는 광활성 층에 대한 다양한 예시적인 단일 접합 구성의 개요를 도시한다.
도 3은 파장의 함수로서 태양 스펙트럼, 인간의 눈 감도, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스 흡수의 단순화된 플롯을 도시한다.
도 4는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스와 같은 예시적인 유기 광전지 디바이스의 작동에 대한 개략적인 에너지 준위 개략도 개요를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 유용한 상이한 전자 공여체 및 전자 수용체 구성에 대한 예시적인 흡수 밴드를 보여주는 다양한 플롯을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 7a 및 7b는 p-페닐렌 층을 추가하는 것이 광전지 디바이스의 층에 걸친 광전계 강도에 미치는 영향을 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 p-페닐렌 층을 포함하는 광전지 디바이스를 개략적으로 보여주는 에너지 준위 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 특정 실시예에 따른 평면 디바이스 구조를 도시한다.
도 10은 전류 밀도-전압 곡선을 보여준다.
도 11a 내지 도 11d는 다양한 디바이스 구조를 보여준다.
도 12a 내지 도 12d는 p-섹시페닐 층의 두께의 함수로서 상이한 광활성 층에 대한 효율을 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 p-섹시페닐 층이 버퍼 층으로 포함될 때 상이한 광활성 층에 대한 색 매개변수를 보여주는 표를 도시한다.
도 14는 본 발명의 특정 실시예에 따른 직렬 디바이스 구조를 도시한다.
도 15는 p-섹시페닐 층의 두께에 따른 탠덤 디바이스 구조의 효율성을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 상이한 두께를 갖는 p-섹시페닐 층을 갖는 탠덤 디바이스에 대한 반사 및 투과 색 좌표를 도시한다.
도 17은 솔루션 처리된 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 디바이스 구조를 도시한다.
도 18은 p-섹시페닐 층의 두께에 따른 효율성을 도시한다.
도 19a 내지 도 19b는 상이한 두께를 갖는 p-페닐렌 층에 대한 반사 및 투과 색 좌표를 도시한다.
도 20은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 방법을 도시한다.
본 발명은 유기 광전지 디바이스(Organic Photovoltaic: OPV), 및 일부 실시예에서 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함하는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 관한 것이다. 가시적으로 투명한 광활성 화합물은 근적외선 및/또는 자외선 영역에서 더 강하게 빛을 흡수하고 가시 영역에서 덜 강하게 흡수하여 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 사용할 수 있다. 개시된 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 가시적으로 투명한 전극 사이에 위치된 가시적으로 투명한 광활성 물질을 갖는 가시적으로 투명한 전극을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)의 단순화된 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)는 아래에서 보다 충분히 논의되는 다수의 층 및 요소를 포함한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 가시적으로 투명하다는 것은 상기 광전지 디바이스가 예를 들어, 가시 파장 밴드 내에서 가시광을 실질적으로 투과시키면서 예를 들어, 450 nm 내지 650 nm의 가시 파장 밴드 밖의 파장에서 광학적 에너지를 흡수한다는 것을 나타낸다. 도 1에서 볼 수 있듯이 UV 및/또는 NIR 빛은 상기 광전지 디바이스의 층과 요소에서 흡수되는 반면 가시광은 상기 디바이스를 통해 투과된다. 따라서 여기에 제공된 투명성에 대한 논의는 가시적인 투명성으로 이해되어야 한다.
도시된 다른 층 및 구조에 충분한 기계적 지지를 제공하는 유리 또는 기타 가시적으로 투명한 물질일 수 있는 기판(105)은 광학적 층(110) 및 광학적 층(112)을 지지한다. 이러한 광학적 층은 반사 방지(Antireflection: AR) 특성, 파장 선택 반사 또는 분포된 브래그 반사 특성, 인덱스 매칭 특성, 캡슐화 등을 포함하는 다양한 광학 특성을 제공할 수 있다. 광학적 층은 유리하게는 가시적으로 투명할 수 있다. 추가 광학적 층(114)은 예를 들어 AR 코팅, 이후 인덱스 매칭, 수동 적외선 또는 자외선 흡수 층 등으로 사용될 수 있다. 선택적으로, 광학적 층은 자외선 및/또는 근적외선에 대해 투명하거나 또는 적어도 자외선 및/또는 근적외선 밴드에서 파장의 하위 집합에 대해 투명할 수 있습니다. 구성에 따라, 추가 광학적 층(114)은 또한 수동 가시 흡수 층일 수 있다. 예시적인 기판 물질은 다양한 유리 및 강성 또는 유연성 중합체를 포함한다. 라미네이트 등과 같은 다층 기판이 또한 이용될 수 있다. 기판은 다른 층 및 구조에 필요한 기계적 지지를 제공하기 위해 예를 들어 1mm 내지 20mm의 두께와 같은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 상기 기판은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)를 창유리, 디스플레이 디바이스 등과 같은 다른 구조에 적용할 수 있도록 하는 접착 필름이거나 이를 포함할 수 있다.
비록 상기 디바이스가 전체적으로 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 또는 최대 100%에 근접하는 450nm 내지 650 nm 범위의 투명도와 같은 가시적 투명도를 나타낼 수 있더라도 개별적으로 취한 특정 물질은 상기 가시 밴드의 일부에서 흡수를 나타낼 수 있다. 선택적으로, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 각각의 개별 물질 또는 층은 가시 범위에서 30% 초과(즉, 30% 내지 100%)와 같은 높은 투명도를 갖는다. 투과 또는 흡수는 백분율로 표시될 수 있고 물질의 흡광도 특성, 흡수 물질을 통한 두께 또는 경로 길이, 흡수 물질의 농도에 따라 달라질 수 있으므로 흡광도를 갖는 물질이 가시 스펙트럼 영역은 흡수 물질을 통한 경로 길이가 짧거나 흡수 물질이 낮은 농도로 존재하는 경우 여전히 낮은 흡수 또는 높은 투과율을 나타낼 수 있다.
본 명세서 및 아래 개시된 바와 같이, 다양한 광활성 층의 광활성 물질은 유리하게는 상기 가시 영역에서 최소 흡수를 나타낸다(예를 들어, 20% 미만, 30% 미만, 40% 미만, 50% 미만, 60% 미만, 70% 미만, 또는 그 미만), 대신 근적외선 및/또는 자외선 영역에서 높은 흡수를 나타낸다(예를 들어, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 또는 80% 초과의 흡수 피크). 일부 응용 분야의 경우 상기 가시 영역에서의 흡수가 70%만큼 클 수 있다. 기판, 광학적 층 및 버퍼 층과 같은 다른 물질의 다양한 구성은 물질이 어느 정도의 가시적 흡수를 나타낼 수 있음에도 불구하고 이러한 물질이 전체적인 가시적 투명도를 제공하도록 할 수 있다. 예를 들어, 금속의 얇은 필름은 Ag 또는 Cu와 같이 가시 흡수를 나타내는 금속과 같은 투명 전극에 포함될 수 있으나, 얇은 필름 구성으로 제공되는 경우, 필름의 전체 투명도가 높을 수 있다. 유사하게, 광학적 층 또는 버퍼 층에 포함되는 물질은 가시광선 영역에서 흡수를 나타낼 수 있지만, 가시광선 흡수의 전체량이 낮은 농도 또는 두께로 제공되어 가시광선 투명도를 제공할 수 있다.
가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)는 또한 전극(120) 및 전극(122) 사이에 위치된 광활성 층(140)을 갖는 투명 전극(120) 및 전극(122) 세트를 포함한다. ITO, 얇은 금속 필름 또는 기타 적절한 가시적으로 투명한 물질을 사용하여 제조될 수 있는 이러한 전극은 예시된 다양한 층 중 하나 이상에 전기 연결을 제공한다. 예를 들어, 구리, 은 또는 기타 금속의 얇은 필름은 이러한 금속이 가시 대역의 빛을 흡수할 수 있지만 가시적으로 투명한 전극으로 사용하기에 적합할 수 있다. 그러나, 1 nm 내지 200 nm(예를 들어, 약 5 nm, 약 10 nm, 약 15 nm, 약 20 nm, 약 25 nm, 약 30 nm, 약 30 nm)의 두께를 갖는 필름과 같은 얇은 필름으로 제공되는 경우 35 nm, 약 40 nm, 약 45 nm, 약 50 nm, 약 55 nm, 약 60 nm, 약 65 nm, 약 70 nm, 약 75 nm, 약 80 nm, 약 85 nm, 약 90 nm, 약 95 nm , 약 100 nm, 약 105 nm, 약 110 nm, 약 115 nm, 약 120 nm, 약 125 nm, 약 130 nm, 약 135 nm, 약 140 nm, 약 145 nm, 약 150 nm, 약 155 nm, 약 160 nm, 약 165 nm, 약 170 nm, 약 175 nm, 약 180 nm, 약 185 nm, 약 190 nm, 또는 약 195 nm), 상기 가시 밴드에서 얇은 필름의 전체 투과율이 예를 들어, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 또는 90% 초과와 같이 높게 유지될 수 있다. 유리하게는, 일부 반도체 투명 전도 산화물은 상기 자외선 밴드에서 밴드 갭을 나타내고 이에 따라 자외선을 잘 흡수하거나 불투명하기 때문에 금속 얇은 필름은 투명 전극으로 사용될 때 ITO와 같은 투명 전극으로 유용할 수 있는 다른 반도체 물질보다 자외선 대역에서 더 낮은 흡수를 나타낼 수 있다. 그러나 어떤 경우에는 자외선을 흡수하는 투명 전극이 사용될 수 있는데, 예를 들어, 자외선이 특정 물질을 분해할 수 있기 때문에 아래에 있는 구성 요소로부터 자외선의 적어도 일부를 차단할 수 있다.
원자 층 증착, 화학 기상 증착, 물리적 기상 증착, 열 증발, 스퍼터 증착, 에피택시 등과 같은 진공 증착 기술을 포함하는 다양한 증착 기술을 사용하여 투명 전극을 생성할 수 있다. 스핀 코팅, 슬롯 다이 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅 등과 같은 용액 기반 증착 기술이 일부 경우에 사용될 수도 있습니다. 또한, 투명 전극은 리소그래피, 리프트 오프, 에칭 등을 포함하는 미세 가공 분야에 공지된 기술을 사용하여 패턴화 될 수 있습니다.
버퍼 층(130) 및 층(132) 및 광활성 층(140)은 광전지 디바이스의 전기적 및 광학적 특성을 구현하기 위해 사용된다. 이러한 층은 단일 물질의 층일 수 있거나 특정 용도에 적합한 다중 서브 층을 포함할 수 있다. 따라서, "층"이라는 용어는 단일 물질의 단일 층을 나타내려는 것이 아니라 동일하거나 상이한 물질의 다중 서브 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 버퍼 층(130), 광활성 층(들)(140) 및 버퍼 층(132)은 스택형 구성으로 반복되어 다중 헤테로접합을 포함하는 것과 같은 탠덤 디바이스 구성을 제공한다. 일부 실시예에서, 광활성 층(들)은 전자 공여체 물질 및 전자 수용체 물질(공여체 및 수용체로도 지칭됨)을 포함한다. 이러한 공여체와 수용체는 가시적으로 투명하지만 가시 파장 대역 외부를 흡수하여 디바이스의 광활성 특성을 제공합니다.
유용한 버퍼 층은 전자 수송 층, 전자 차단 층, 정공 수송 층, 정공 차단 층, 여기자 차단 층, 광학 스페이서, 물리적 버퍼 층, 전하 재결합 층, 또는 전하 생성 층으로서 기능하는 것을 포함한다. 버퍼 층은 원하는 버퍼 효과를 제공하기 위해 임의의 적합한 두께를 나타낼 수 있고 선택적으로 존재하거나 부재할 수 있다. 유용한 버퍼 층은 존재하는 경우 1nm에서 1μm의 두께를 가질 수 있다. 풀러렌 물질, 탄소 나노튜브 물질, 그래핀 물질과 산화 몰리브덴, 산화 티타늄, 산화 아연 등과 같은 금속 산화물 등과 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리스티렌 설폰산, 폴리아닐린 등과 같은 중합체, 공중합체, 중합체 혼합물 및 바소쿠프로인과 같은 소분자를 포함하는 다양한 물질은 버퍼 층으로 사용될 수 있다. 버퍼 층은 증착 공정(예를 들어, 열 증발) 또는 용액 처리 방법(예를 들어, 스핀 코팅)을 사용하여 적용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 활성/버퍼(수송 층)/광학 물질로서 이용될 수 있는 물질의 예는 근적외선 흡수 물질, UV 흡수 물질 및/또는 전자기 스펙트럼의 근적외선 또는 UV 영역에서 강한 흡수 피크를 특성으로 하는 물질을 포함한다. 근적외선 흡수 물질은 프탈로시아닌, 포르피린, 나프탈로시아닌, 스쿠아레인, 붕소-디피로메텐, 나프탈렌, 릴렌, 페릴렌, 테트라시아노 퀴노이드 티오펜 화합물, 테트라시아노 인다센 화합물, 카르바졸 티아포르피린 화합물, 금속 디티오이아론, 벤조티아졸 함유 화합물, 디시아노메틸렌 인다논 함유 화합물, 이들의 조합 등을 포함한다. UV 흡수 물질은 풀러렌, 릴렌, 페릴렌, 벤즈이미다졸, 헥사카르보니트릴, 트리아릴아민, 비스트리아릴아민, 페난트롤린, 파라-페닐렌, 이들의 조합 등을 포함한다.
도 2는 광활성 층(140)에 대한 다양한 예시적인 접합 구성의 개요를 도시한다. 광활성 층(140)은 선택적으로 혼합 공여체/수용체(벌크 헤테로접합) 구성, 평면 공여체/수용체 구성, 평면 및 혼합 공여체/수용체 구성, 구배 공여체/수용체 구성, 또는 스택형 헤테로접합 구성에 해당할 수 있다. 자외선 밴드 또는 근적외선 밴드에서 흡수하지만 가시 밴드에서는 최소한으로만 흡수하는 물질과 같은 다양한 물질이 광활성 층(140)으로서 선택적으로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 광활성 물질은 자외선 및/또는 근적외선 흡수를 통해 외부 회로에 전력을 공급하기 위한 전자-정공 쌍을 생성하는 데 사용될 수 있으며, 가시광은 가시광 투명도를 제공하기 위해 상대적으로 교란되지 않는다. 예시된 바와 같이, 광활성 층(140)은 별개의 공여체 및 수용체 층을 포함하는 평면 헤테로접합을 포함할 수 있다. 광활성 층(140)은 대안적으로 별개의 수용체 및 공여체 층 및 혼합 공여체-수용체 층을 포함하는 평면 혼합 헤테로접합 구조를 포함할 수 있다. 광활성 층(140)은 대안적으로 완전히 혼합된 수용체-공여체 층을 포함하는 혼합 헤테로접합 구조 또는 다양한 상대 농도 구배를 갖는 혼합 공여체-수용체 층을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
광활성 층은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있고 원하는 수준의 투명도 및 자외선/근적외선 흡수 특성을 제공하기 위해 광활성 물질의 임의의 적절한 농도 또는 조성을 가질 수 있다. 광활성 층의 예시적인 두께는 약 1 nm 내지 약 1 ㎛, 약 1 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 100 nm의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 광활성 층은 도 2에 예시된 바와 같이 적절한 광전지 능동적 발전 특성을 제공하기 위해 개별 서브 층 또는 층의 혼합물로 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 다양한 구성이 사용될 수 있고 유리한 광전지 발전을 제공하기 위해 사용되는 특정 공여체 및 수용체 물질에 의존할 수 있다. 예를 들어, 일부 공여체 및 수용체 조합은 특정 구성으로부터 이익을 얻을 수 있는 반면, 다른 공여체 및 수용체 조합은 다른 특정 구성으로부터 이익을 얻을 수 있습니다. 공여체 물질 및 수용체 물질은 적절한 광전지 발전 특성을 제공하기 위해 임의의 비율 또는 농도로 제공될 수 있다. 혼합 층의 경우, 수용체에 대한 공여체의 상대 농도는 선택적으로 약 20:1 내지 약 1:20이다. 선택적으로, 공여체 대 수용체의 상대 농도는 선택적으로 약 5:1 내지 약 1:5이다. 선택적으로 공여체와 수용체는 1:1 비율로 존재합니다.
다양한 가시적으로 투명한 광활성 화합물이 전자 공여체 광활성 물질로서 유용하고, 일부 실시예에서, 광전지 디바이스에 유용한 광활성 층을 제공하기 위해 적합한 전자 수용체 광활성 물질과 쌍을 이룰 수 있다. 다양한 가시적으로 투명한 광활성 화합물이 전자 수용체 광활성 물질로서 유용하고, 광전지 디바이스에 유용한 광활성 층을 제공하기 위해 적합한 전자 공여체 광활성 물질과 쌍을 이룰 수 있다. 예시적인 공여체 및 수용체 물질은 2017년 6월 17일자로 출원된 미국 임시특허출원 제62/521,154, 제62/521,158, 제62/521,160, 제62/521,211, 제62/521,214, 및 제62/521,224에 기재되어 있으며, 그 개시 내용 전체가 본원에 참조에 의해 편입된다.
실시예에서, 다양한 광활성 화합물의 화학 구조는 물질에 바람직한 전기적 특성을 제공하기 위해 전자 공여 기, 전자 끄는 기 또는 코어 금속 원자에 대한 치환과 같은 하나 이상의 지향 기로 기능화 될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광활성 화합물은 아민 기, 페놀 기, 알킬 기, 페닐 기, 또는 다른 전자 공여 기로 기능화되어 광전지 디바이스에서 전자 공여체로서 기능하는 물질의 능력을 개선한다. 또 다른 예로서, 일부 실시예에서, 광활성 화합물은 광전지 디바이스에서 전자 수용체로서 기능하는 물질의 능력을 개선하기 위해 시아노 기, 할로겐, 설포닐 기, 또는 다른 전자 끄는 기로 기능화된다.
실시예에서, 광활성 화합물은 바람직한 광학 특성을 제공하도록 기능화된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광활성 화합물은 물질의 흡수 프로파일을 적색 편이시키기 위해 연장된 접합으로 기능화될 수 있다. 접합은 분자 내 파이 전자의 비편재화를 의미할 수 있고 분자 구조에서 단일 결합과 다중 결합이 교대로 나타나는 것을 특징으로 할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 전자 접합을 확장하는 기능화는 물질의 분자 구조에 하나 이상의 방향족 기를 융합하는 것을 포함할 수 있다. 연장된 접합을 제공할 수 있는 다른 기능화는 비닐 기에 의한 알켄 기능화, 방향족 또는 헤테로방향족 기능화, 아실기에 의한 카르보닐 기능화, 설포닐 기능화, 니트로 기능화, 시아노 기능화 등을 포함한다. 다양한 분자 기능화가 광활성 화합물의 광학적 및 전기적 특성 모두에 영향을 미칠 수 있음을 이해할 것이다.
디바이스 기능은 고체 상태에서 활성 층의 형태에 의해 영향을 받을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 여기자 확산 길이와 큰 계면 영역의 규모와 함께 전자 공여체와 수용체를 이산 범위로 분리하면 높은 디바이스 효율을 달성하는 데 유리할 수 있다. 유리하게는, 광활성 물질의 분자 구조는 물질의 형태를 제어하도록 맞춤화 될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 작용 기의 도입은 그러한 변형이 물질의 에너지 또는 전자 특성에 영향을 미치는지 여부와 상관없이 고체 상태에서 물질의 형태에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 형태학적 변화는 순수한 물질에서 그리고 특정 물질이 상응하는 공여체 또는 수용체와 혼합될 때 관찰될 수 있다. 형태를 제어하는 유용한 기능에는 과도한 결정화를 억제하기 위해 분자의 평면 밖 구조의 일부를 강요하기 위해 디자인된 복잡한 결합 절차와 마찬가지로 알킬 사슬, 공액 링커, 플루오르화 알칸, 부피가 큰 기(예를 들어, tert-부틸, 페닐, 나프틸 또는 시클로헥실)의 추가를 포함한다.
실시예에서, 다른 분자 구조적 특성은 광활성 화합물에 바람직한 전기적 및 광학적 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광활성 화합물은 전자 공여로 특징지어질 수 있는 분자의 부분을 나타낼 수 있는 반면, 분자의 다른 부분은 전자 수용으로 특징지어질 수 있다. 어떠한 이론에도 구속되지 않고, 교대 전자 공여 및 전자 수용 부분을 포함하는 분자는 교대 전자 공여 및 전자 수용 부분이 없는 유사한 분자와 비교하여 분자의 흡수 특성을 적색 편이시킬 수 있다. 예를 들어, 전자 공여 부분과 전자 수용 부분을 교대로 하면 가장 높은 점유 분자 궤도와 가장 낮은 비점유 분자 궤도 사이의 에너지 갭이 감소하거나 더 낮아질 수 있다. 유기 롱여체 및/또는 수용체 기는 가시적으로 투명한 광활성 화합물에서 임의의 아릴, 방향족, 헤테로아릴, 헤테로방향족, 알킬 또는 알케닐 기와 같은 R-기 치환체로서 유용할 수 있다.
공여체/수용체 물질이 전자 공여체 또는 전자 수용체로서 투명 광전지 디바이스에서 광활성 층으로 통합될 때, 층 두께는 디바이스 출력, 흡광도 또는 투과율을 변화시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 공여체 또는 수용체 층 두께를 늘리면 해당 층의 광 흡수가 증가할 수 있다. 일부 경우에, 공여체 또는 수용체 층에서 공여체/수용체 물질의 농도를 증가시키는 것은 그 층에서 광 흡수를 유사하게 증가시킬 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 활성 물질 층이 공여체/수용체 물질의 순수 또는 실질적으로 순수한 층 또는 공여체/수용체 물질의 순수 또는 실질적으로 순수한 혼합물을 포함하는 경우와 같이, 공여체/수용체 물질의 농도는 조정 가능하지 않을 수 있다. 선택적으로, 공여체/수용체 물질은 용매에 제공되거나 버퍼 층 물질과 같은 캐리어에 현탁될 수 있으며, 이 경우 공여체/수용체 물질의 농도가 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 전류가 최대화되는 공여체 층 농도가 선택된다. 일부 실시예에서, 생성된 전류가 최대화되는 수용체 층 농도가 선택된다.
그러나 전하 수집 효율은 전하 캐리어의 "이동 거리" 증가로 인해 공여체 또는 수용체 두께가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 따라서 층 두께가 증가함에 따라 증가된 흡수와 감소하는 전하 수집 효율 사이에 균형이 있을 수 있다. 따라서 두께 당 증가된 광 흡수를 허용하기 위해 높은 흡수 계수 및/또는 농도를 갖는 물질을 선택하는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 전류가 최대화되는 곳에서 공여체 층 두께가 선택된다. 일부 실시예에서, 생성된 전류가 최대화되는 수용체 층 두께가 선택된다.
개별 광활성 층 두께에 더하여, 투명 광전지 디바이스의 다른 층의 두께 및 조성은 또한 광활성 층 내의 흡수를 향상시키기 위해 선택될 수 있다. 다른 층(버퍼 층, 전극 등)은 일반적으로 얇은 필름 디바이스 스택 및 결과적인 광학 공동의 맥락에서 광학 특성(굴절률 및 소광 계수)을 기반으로 선택된다. 예를 들어, 근적외선 흡수 광활성 층은 흡수를 최대화하고 장치에 의해 생성된 전류를 흡수하는 근적외선 파장에 대한 광학 필드의 피크에 위치할 수 있다. 이것은 제2 광활성 층 및/또는 광학적 층을 스페이서로 사용하여 광활성 층을 전극으로부터 적절한 거리로 이격시킴으로써 달성될 수 있다. 유사한 방식을 자외선 흡수 광활성 층에 사용할 수 있다. 많은 경우에, 더 긴 파장의 광학 필드의 피크는 더 짧은 파장의 광학 필드의 피크에 비해 두 개의 투명 전극의 더 많은 반사로부터 더 멀리 위치될 것이다. 따라서, 별도의 공여체 및 수용체 광활성 층을 사용할 때 공여체 및 수용체는 더 많은 적색 흡수(장파장) 물질을 더 많은 반사 전극으로부터 더 멀리, 그리고 더 많은 청색 흡수(단파장) 물질을 더 많은 반사 전극으로부터 더 가깝게 배치하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 광 흡수를 증가시키고 이에 따라 공여체 층에 의해 생성된 전류를 증가시키기 위해 공여체가 공여체 층에서 흡수하는 파장에서 광학 필드의 강도를 증가시키기 위해 광학적 층이 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 흡수를 증가시키고 이에 따라 억셉터 층에 의해 생성된 전류를 증가시키기 위해 억셉터가 억셉터 층에서 흡수하는 파장에서 광학 필드의 강도를 증가시키기 위해 광학적 층이 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 가시 흡수 또는 가시 반사를 감소시킴으로써 스택의 투명도를 개선하기 위해 광학적 층이 사용될 수 있다. 또한, 전극 물질 및 두께는 광활성 층 내에서 가시 범위 외부의 흡수를 향상시키고 가시 범위 내의 광을 우선적으로 투과시키도록 선택될 수 있다.
선택적으로, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 스펙트럼 적용 범위를 향상시키는 것은 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이 버퍼 층(130), 광활성 층(140) 및 버퍼 층(132)의 다중 스택형 인스턴스로서 포함될 수 있는 탠덤 셀(tandem cell)로 지칭되는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 다중 셀 시리즈 스택의 사용에 의해 달성된다. 이 아키텍처는 예를 들어 버퍼 층(들) 및/또는 얇은 금속 층의 조합에 의해 일반적으로 분리되는 하나 이상의 광활성 층을 포함한다. 이 아키텍처에서, 예를 들어, 각 서브셀에서 생성된 전류는 대향 전극에 직렬로 흐르고, 따라서 셀의 순 전류는 특정 서브셀에서 생성된 가장 작은 전류에 의해 제한된다. 개방 회로 전압(Voc)은 서브셀의 Voc의 합과 같다. 태양 스펙트럼의 다른 영역에서 흡수하는 다른 공여체-수용체 쌍으로 제작된 서브셀을 결합함으로써 단일 접합 셀에 비해 효율성이 크게 향상될 수 있다.
공여체 층 및/또는 수용체 층을 포함하는 하나 이상의 버퍼 층 및 광활성 층에 사용되는 재료에 관한 추가 설명이 아래에 제공된다.
도 3은 파장의 함수로서 태양 스펙트럼, 인간의 눈 감도, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스 흡수의 단순화된 플롯을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 약 450 nm 내지 약 650 nm 사이의 가시 파장 밴드에서는 낮은 흡수를 갖지만 UV 및 NIR 밴드, 즉, 가시적으로 투명한 광전지 작동을 가능하게 하는 가시 밴드 바깥에서 흡수하는 광전지 구조를 사용한다. 자외선 밴드 또는 자외선 영역은 실시예에서 약 200 nm 내지 약 450 nm 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 일부 실시예에서, 지상에서 유용한 태양 복사는 약 280 nm 미만의 제한된 자외선 양을 가질 수 있으며, 이에 따라 자외선 밴드 또는 자외선 영역은 일부 영역에서 약 280 nm 내지 약 450 nm 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 근적외선 밴드 또는 근적외선 영역은 실시예에서 약 650 nm 내지 약 1400 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 본 명세서에 기재된 다양한 조성물은 NIR 영역 또는 UV 영역에서보다 작은 가시 영역에서 최대 흡수 강도를 갖는 UV 피크 및/또는 NIR 피크를 포함하는 흡수를 나타낼 수 있다.
도 4는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)와 같은 예시적인 유기 광전지 디바이스의 작동에 대한 개략적인 에너지 준위 개략도 개요를 도시한다. 예를 들어, 이러한 광전지 디바이스에서 다양한 광활성 물질은 분자적 특성과 버퍼 층, 전극 등에 사용되는 물질의 종류에 따라 전자 공여체 또는 전자 수용체 특성을 나타낼 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 공여체 및 수용체 물질은 HOMO 및 LUMO를 갖는다. HOMO에서 LUMO로의 전자의 전이는 광자의 흡수에 의해 부여될 수 있다. 물질의 HOMO와 LUMO 사이의 에너지(HOMO-LUMO 갭)는 대략 물질의 광학 밴드 갭 에너지를 나타낸다. 본 명세서에 제공된 투명 광전지 디바이스와 함께 유용한 전자 공여체 및 전자 수용체 물질의 경우, 전자 공여체 및 전자 수용체 물질에 대한 HOMO-LUMO 갭은 바람직하게는 가시 범위에서 광자의 에너지 밖에 있다. 예를 들어, HOMO-LUMO 갭은 광활성 물질에 따라 자외선 영역 또는 근적외선 영역에 있을 수 있다. HOMO는 종래의 전도체 또는 반도체의 가전자 밴드에 필적하는 반면, LUMO는 종래의 전도체 또는 반도체의 전도 밴드에 필적한다는 것이 이해될 것이다.
일반적으로 양극 버퍼 층 또는 정공 수송 층이라고 하는 공여체에 인접한 버퍼 층은 버퍼 층의 HOMO 준위 또는 원자가 밴드(무기 물질의 경우)가 공여체로부터 양극으로 정공을 수송하기 위한 공여체의 HOMO 준위를 갖는 에너지 랜드스케이프에서 정렬되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 높은 정공 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다. 일반적으로 음극 버퍼 층 또는 전자 수송 층이라고 하는 수용체에 인접한 버퍼 층은 버퍼 층의 LUMO 준위 또는 전도 밴드(무기 물질의 경우)가 수용체로부터 음극으로 정공을 수송하기 위한 수용체의 LUMO 준위를 갖는 에너지 랜드스케이프에서 정렬되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 높은 전자 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 유용한 상이한 전자 공여체 및 전자 수용체 구성에 대한 예시적인 흡수 밴드를 보여주는 다양한 플롯을 도시한다. 도 5a에서 공여체 물질은 NIR에서 흡수를 나타내는 반면 수용체 물질은 UV에서 흡수를 나타낸다. 도 5b는 공여체 물질이 UV에서 흡수를 나타내는 반면 수용체 물질은 NIR에서 흡수를 나타내는 반대 구성을 묘사한다.
도 5c는 공여체와 수용체 물질이 모두 NIR에서 흡수를 나타내는 추가 구성을 묘사한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 태양 스펙트럼은 NIR에서 상당한 양의 유용한 복사를 나타내고 자외선에서는 상대적으로 적은 양만 나타나므로 도 5c에 묘사된 구성은 태양 스펙트럼에서 많은 양의 에너지를 포착하는 데 유용하다. 공여체 및 수용체 물질 모두가 NIR에서 흡수를 나타내는 다른 실시예가 고려될 수 있으며, 예를 들어, 도 5d에 묘사된 바와 같이 수용체는 공여체에 대해 청색 편이되고, 공여체는 수용체를 기준으로 청색편이되는 도 5c에 묘사된 구성과 반대이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(600)의 개략도를 도시한다. 광전지 디바이스는 앞서 설명된 구성요소와 유사할 수 있는 기판(605), 광학적 층(610) 및 광학적 층(612), 투명 전극(620), 버퍼 층(들)(630), 광활성 층(들)(640), 버퍼 층(들)(632), 투명 전극(622), 및 광학적 층(들)(614)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광활성 층(640)은 제1 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층 및 제2 BHJ 활성 층을 포함할 수 있다.
광활성 층(640)과 투명 전극(622) 사이에서, 다양한 유형의 버퍼 층(630) 및 버퍼 층(632)이 광학적, 전자적 또는 형태학적 이점을 제공하여 개선된 태양 전지 성능, 미학, 제조 또는 안정성을 유도하는 데 사용될 수 있다. 이상적으로는 이러한 중간 층이 이러한 모든 이점을 제공한다. 유기 태양 전지는 매우 다양한 물질을 포함하는 단일 또는 다층 버퍼를 사용할 수 있다. 양극에서 사용할 수 있는 중간 층에는 전도성 투명 고분자 혼합물인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)와 MoO3가 포함된다. 도핑된 및 도핑되지 않은 유기 반도체를 비롯한 다양한 기타 물질은 다양한 광활성 층 스택에 다양한 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, p-페닐렌 물질은 투명 태양 전지에서 개선된 성능 및 색상을 위한 양극 버퍼 층으로서 이용된다. 구체적으로, 얇은 2-50 nm 두께의 p-페닐렌 층(631)(p-페닐렌 물질 함유)은 MoO3 또는 다른 양극 버퍼 층과 광활성 층(640) 사이의 열 증발에 의해 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, p-페닐렌 층은 HAT-CN과 같은 다른 유기 HTL 물질(비-무기 산화물)과 쌍을 이룰 수 있다. p-페닐렌 층의 주요 전기적 이점 중 하나는 특히 광전류 생성을 증가시켜 전지의 효율을 향상시킨다는 것이다. 이것은 도 12a 내지 도 12d 및 도 13a 내지 도 13c를 참조하여 도시된 바와 같이 세 개의 상이한 D:A 블렌드 시스템, 세 개의 상이한 p-페닐렌 물질 및 두 개의 상이한 버퍼로 입증될 수 있다.
일부 실시예에서, p-페닐렌 물질은 하기 화학식을 갖는다:
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여기서 각각의 X는 독립적으로 C-R 또는 N이고, 여기서 n은 1, 2, 3, 4 또는 5이고, 각 R은 독립적으로 H, F, Cl, Br, CH3, OCH3, Si(CH3)3, NH2, OH, SH, CN 또는 CF3이다.
일부 실시예에서, 버퍼 층(630)은 투명 전극(620)과 p-페닐렌 층(631) 사이에 배치된 정공 주입 층을 포함할 수 있다. 가능한 정공 주입 층에는 화학량론적 및 비화학량론적 조성 모두에 해당하는 MoOx, NiOx, CuOx, VOx, WOx, CoOx, CrOx, Li:NiOx, Mg:NiOx, Cs:NiOx, Cu:CrOx, CryCuzOx, LiMgLiO, CuSCN, CuI, BiI3, 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide) 및 MoS2을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
도 7a 및 7b는 p-페닐렌 층을 추가하는 것이 광전지 디바이스의 층에 걸친 광전계 강도에 미치는 영향을 도시한다. 도 7a를 참조하면, 광전계 강도는 버퍼 층 내에서 최대값을 가지며, 광전지 층을 가로질러 꾸준히 감소한다. 도 7a의 광전지 디바이스의 이전 버퍼 층과 광전지 층 사이에 p-페닐렌 층이 추가되면 버퍼 층과 p-페닐렌 층을 가로질러 광전계 강도가 증가하고, 도 7b를 참조하여 보여지는 것과 같이 광전지 층이 최댓값을 가진다. 따라서, p-페닐렌 층을 추가하는 효과는 최대 광전계 강도가 광전지 층으로 이동하는 것이다.
광전계 강도의 변화는 p-페닐렌 층을 추가하여 태양 전지에서 볼 수 있는 효율 향상을 담당하는 여러 메커니즘 중 하나이며, 이는 전류의 10% 증가만큼 중요한 것으로 입증될 수 있다. 일부 메커니즘은 이 투명 층을 스택에 추가하는 광학 효과와 관련이 있다. 얇은 필름 태양 전지는 캐비티 효과에 의존하고 층을 추가하면 스택 내의 광전계 분포가 변경된다. p-페닐 층의 두께를 조절함으로써 적절한 파장에서 광전계 강도의 공간적 분포를 변화시켜 활성 층 내의 광생성을 향상시킬 수 있다. 광학 효과 외에도 p-섹시페닐은 활성 층에서 전극을 정전기적으로 분리하여 재결합을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 전극 경계면 근처의 이미지 전위의 영향을 줄이고 유기/전극 경계면에 존재하는 상태의 밀도를 확장하는 동시에 효율적인 전하 수집을 위한 페르미 준위 정렬을 허용함으로써 달성된다. 이 효과는 도 8a 내지 도 8d를 참조하여 표시된 대로 물질의 HOMO 및 LUMO 준위로 인한 것이다. 마지막으로, p-페닐렌 층은 p-페닐렌 층 위에 증착된 물질의 방향을 정하는 데 도움이 된다. 막대 모양의 p-페닐렌 분자의 강한 정렬과 고도로 배향된 입자의 성장은 후속 층의 우선적인 배향으로 이어진다. 이 템플릿은 디바이스의 광학 품질을 개선하고 전하 생성 및 전송을 개선할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 p-페닐렌 층을 포함하는 광전지 디바이스를 개략적으로 보여주는 에너지 준위 개략도를 도시한다. 도 8a는 p-페닐렌 층(802A) 및 전자 공여체 층 및 전자 수용체 층을 포함하는 평면 광활성 층(804a)을 갖는 광전지 디바이스에 대한 에너지 준위 다이어그램을 도시한다. 도 8b는 p-페닐렌 층(802B) 및 BHJ 광활성 층(804B)을 갖는 광전지 디바이스에 대한 에너지 준위 다이어그램을 도시한다. 도 8c의 광전지 디바이스는 광활성 층(804C)이 상이한 전자 공여체 물질을 갖는 두 개의 BHJ 층을 함유하는 스택형 BHJ를 포함한다는 점에서 도 8b와 상이하다. 도 8d는 각각의 서브셀 내에 p-페닐렌 층(802D) 및 BHJ 광활성 층(804D)을 갖는 탠덤 광전지 디바이스에 대한 에너지 준위 개략도를 도시한다.
모든 디바이스에서 양극에서의 여기자 및 전하 재결합은 활성 층에서 전극의 정전기적 분리를 통해 p-페닐렌 층을 추가함으로써 감소된다. 이 효과는 광활성 층의 HOMO 준위보다 더 깊은 물질의 낮은 HOMO 준위 때문이다. 또한, 얕은 LUMO 준위는 물질이 효과적인 전자 차단 층 역할을 하는 데 도움이 된다.
도 9는 p-섹시페닐 층을 포함하는 평면 헤테로접합 디바이스 구조(900)를 도시한다. 활성 층은 전자 공여체(SubPc) 전자 수용체(Cl6SubPc)로 구성된다. 5nm p-섹시페닐 층이 MoO3와 공여체 층 사이에 삽입되어 전하 캐리어와 여기자가 MoO3/SubPc 계면에서 재결합하는 것을 방지한다.
도 10은 시뮬레이션된 AM1.5G 조명 하에서 테스트된 p-섹시페닐 두께의 함수로서 SubPc/Cl6SubPc 평면 헤테로접합 디바이스에 대한 전류 밀도-전압 곡선을 보여준다. 도 10에서 볼 수 있듯이 모든 디바이스 매개변수(Jsc, Voc, FF 및 PCE)는 얇은 p-섹시페닐 층을 포함하여 향상되었다. 가장 주목할 만한 것은 MoO3/SubPc 공여체 인터페이스에서 여기자 및 전하 재결합의 제거로 인해 Jsc가 1.6에서 2.2mA cm-2로 증가하여 PCE가 1.7%에서 2.2%로 향상되었다는 것이다. 이것은 p-페닐렌 버퍼와 높은 Voc 디바이스의 호환성을 더욱 강조한다.
도 11a 내지 도 11d는 다양한 두께의 p-페닐렌 층을 포함하는 상이한 BHJ 및 스택형 BHJ 디바이스에 대한 디바이스 구조(1100)를 도시한다. 각각의 경우에, p-페닐렌 층은 특정 실시예에 따라 p-쿼터페닐, p-퀸퀴페닐, 또는 p-섹시페닐로 구성될 수 있다. 도 11b의 BHJ 디바이스는 활성 층의 선택에 의해 도 11a의 BHJ 디바이스와 상이한 반면, 도 11d의 스택형 BHJ 디바이스는 양극 버퍼 층(각각 HAT-CN vs. MoO3)의 선택에 의해 도 11c의 스택형 BHJ 디바이스와 상이하다.
도 12a 내지 도 12d는 p-페닐렌 층이 없는 것에 대한 p-페닐렌 층(631)의 두께의 함수로서 상이한 BHJ 및 스택형 BHJ 광활성 층에 대한 효율을 도시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, D-100:C60 광활성 층은 p-섹시페닐 층이 없는 단위의 정규화 효율과 비교하여 10 nm의 층 두께에서 약 1.1의 최대 정규화 효율을 갖는다. 두 번째 예에서, 디바이스는 9nm p-퀸퀴페닐 층을 삽입하여 1의 정규화 효율에서 1.1로 개선되었다. 세 번째 예에서는 6nm p-쿼터페닐 층을 삽입하여 디바이스의 정규화 효율을 개선했다. 도 12b에 도시된 바와 같이, D-310:C60 광활성 층은 p-섹시페닐 층이 없는 단위의 정규화 효율과 비교하여 30 nm의 층 두께에서 1.2의 최대 정규화 효율을 갖는다. 두 번째 예에서, 소자는 24nm p-퀸퀴페닐 층을 삽입함으로써 20% 개선되었다. 세 번째 예에서, 소자는 18nm p-쿼터페닐 층을 삽입하여 1.1의 정규화 효율로 개선되었다.
도 12c에 도시된 바와 같이, 결합된 D-310:C70 및 D-300:C70 BHJ 광활성 층을 포함하는 스택형 BHJ는 p-섹시페닐 층이 없는 단일 정규화 효율과 비교하여 MoO3 층에 증착된 24 nm의 층 두께에서 1.3의 최대 정규화 효율을 갖는다. 두 번째 예에서, 소자는 18nm p-퀸퀴페닐 층을 삽입함으로써 10% 개선되었다. 도 12d에 도시된 바와 같이, 대체 양극 버퍼 층 HAT-CN을 사용하는 D-310:C70 및 D-300:C70 BHJ 광활성 층을 포함하는 스택형 BHJ는 p-섹시페닐 층이 없는 단일 정규화 효율과 비교하여 24nm의 층 두께에서 최대 효율이 약 3이다. 0 nm의 층 두께(예를 들어, p-페닐 층(631)을 포함하지 않음)에서의 효율을 각각의 페닐렌 층의 최대 효율과 비교함으로써 도 12a 내지 도 12d 각각에서 개선된 효율을 관찰할 수 있다. 각각의 개별적인 예에서, 개선이 구체적으로 p-페닐렌 층의 삽입에 기인하도록 모든 다른 층은 일정하게 유지된다.
도 13a 내지 도 13c는 p-섹시페닐 층이 포함된 경우(하단 행) 및 p-섹시페닐 층이 포함되지 않은 경우에 대한 상이한 광활성 층에 대한 CIELAB 색 매개변수 및 평균 가시광선 반사(Average Visible Reflection: AVR)를 보여주는 표를 도시한다(중간 행). 전기적 성능을 향상시키는 것 외에도 p-섹시페닐 층은 투명 태양 전지의 유리면 반사 색을 조정하는 데 사용할 수도 있다. 유리면 반사 색은 창 제조업체에서 중요한 디바이스 매개변수이다. 일반적으로 유리면 반사 색상의 경우 더 음의 b* 값이 바람직하다. 여기에 설명된 일부 D:A 시스템의 경우, p-섹시페닐을 통합하면 D-100:C60 디바이스(도 13a) 및 D-310:C60 및 D-300:C60 BHJ(도 13c)를 포함하는 스택형 BHJ에 대해 표시된 것처럼 더 음의 b* 값이 생성된다.
도 13a 내지 도 13c에 표시된 색 매개변수는 p-섹시페닐 층의 두께에 따라 달라질 수 있다. 따라서, p-섹시페닐 층은 버퍼 층에 추가하여 색 조정 층으로 작용할 수 있어 층 두께가 보정되어 원하는 효율(도 12a 내지 12d 참조) 및/또는 원하는 색 특성(도 13a 내지 도 13c 참조)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현에서 -10과 0 사이의 a* 및/또는 b* 값이 바람직할 수 있다. 이러한 구현에서, 색상 선호도를 추가로 만족시키면서 두께를 변화시킴으로써 최대 효율이 발견될 수 있다.
도 14는 다양한 두께의 p-섹시페닐 층을 갖는 두 개의 서브셀을 포함하는 탠덤 디바이스 구조(1400)를 도시한다. 두 서브셀의 활성 층은 D-310:C70 BHJ로, 중앙 전하 재결합 구역(Charge Recombination Zone: CRZ)을 통해 전기적으로 직렬로 연결된다. CRZ는 TPBi:C60, Ag 및 MoO3의 층 구조로 형성되어 하부 서브셀의 음극 및 상부 서브셀의 양극 역할을 한다. p-섹시페닐 층은 두 서브셀의 양극과 활성 층 사이에 삽입된다.
도 15는 하단 서브셀(x) 또는 상단 서브셀(y)에 대한 p-섹시페닐 두께의 함수로서 탠덤 디바이스 구조의 PCE를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 두 서브셀에서 p-섹시페닐 층을 제거하면 피크 값과 비교하여 최대 10~20%의 성능 손실이 발생한다. 하단 서브셀에 대한 최적의 p-섹시페닐 두께는 10nm이고, 상단 서브셀에 대한 최적 두께는 5nm이며, 결과적으로 최대 PCE는 3.7%이다. 이 최적값에서 벗어나면 특히 최상위 서브셀의 경우 성능이 크게 저하된다.
도 16a 내지 도 16b는 하부 서브셀(x) 또는 상부 서브셀(y)에 대한 p-섹시페닐 두께의 함수로서 탠덤 디바이스 구조에 대한 반사 및 투과 CIELAB 색 매개변수를 도시한다. 도 16a에서 볼 수 있듯이, 반사된 색은 두 서브셀 모두에서 p-섹시페닐 두께에 매우 민감하며, 이는 조사된 20nm 범위에 걸쳐 반사된 a*에서 최대 7까지 이동한다. 유사하게 반사된 b*는 상위 서브셀의 p-페닐렌에서 최대 7까지 음으로 이동할 수 있다. 도 16b에서 볼 수 있듯이 투과된 a* 및 b* 값은 p-페닐렌 두께 범위에 걸쳐 1 이상 변하지 않으며, 이는 p-페닐렌 층이 투과된 색에 있어서 무시해도 될 정도의 유리 반사 색의 독립적인 조정을 허용하는 것을 나타낸다.
도 17은 용액 처리된 활성 층 및 다양한 두께의 p-섹시페닐 층을 사용하는 BHJ 디바이스 구조(1700)를 도시한다. PCE10:COi8DFIC:PC71BM 활성 층은 p-섹시페닐 코팅된 기판의 용액에서 스핀 코팅하여 적용된다.
도 18은 p-섹시페닐 층 두께에 따른 용액 처리 디바이스 효율을 보여준다. PCE는 최대 20nm의 p-섹시페닐 두께로 상대적으로 안정적(편차 5% 이내)이며, 상당한 성능 손실 없이 색 조정이 가능하다. p-섹시페닐 및 기타 p-페닐렌의 낮은 용해도와 용액 처리 OPV에 사용되는 가장 일반적인 유기 용매에 대한 직교성으로 인해 p-섹시페닐 층은 스핀 코팅 과정에서 제거되지 않는다. 따라서 p-페닐렌 버퍼 층은 용액 및 진공 처리 장치와 호환된다.
도 19a 및 도 19b는 p-섹시페닐 두께의 함수로서 용액 처리 디바이스에 대한 반사 및 투과 CIELAB 색 매개변수를 도시한다. 도 19a에서 볼 수 있는 바와 같이, 반사된 a*는 조사된 20nm 범위에 걸쳐 7 이상만큼 이동될 수 있다. 도 19b에서 볼 수 있듯이 투과된 a* 및 b* 값은 p-페닐렌 두께 범위에 걸쳐 1 이상 변하지 않으며, 이는 p-페닐렌 층이 용액 처리 장치의 색 투과에 미치는 무시할 정도의 영향을 가진 유리 반사 색을 독립적으로 제어할 수 있음을 보여준다.
도 20은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)와 같은 광전지 디바이스를 제조하기 위한 방법(2000)을 도시한다. 다양한 실시예에서, 광전지 디바이스는 가시적으로 투명할 수 있거나 비가시적으로 투명하거나 불투명할 수 있다. 예를 들어, 방법(2000)을 참조하여 설명된 광전지 디바이스의 임의의 구성요소는 불투명한 제1 전극(블록 2006에서) 또는 불투명한 제2 전극(블록 2014에서)과 같이 비가시적으로 투명할 수 있다. 게다가, 가시적으로 투명한 것으로 방법(2000)을 참조하여 설명된 임의의 구성요소는 일부 실시예에서 비가시적으로 투명하거나 불투명할 수 있다. 방법(2000)은 도 20에 예시된 것보다 추가 또는 더 적은 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(2000)의 하나 이상의 단계는 도 20에 예시된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다.
방법(2000)은 예를 들어, 투명 기판과 같은 기판이 제공되는 블록(2002)에서 시작한다. 유용한 투명 기판은 유리, 플라스틱, 석영 등과 같은 가시적으로 투명한 기판을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 유연성 및 강성 기판은 다양한 실시예에서 유용하다. 선택적으로, 투명 기판에는 상부 및/또는 하부 표면에 미리 형성된 하나 이상의 광학적 층이 제공된다.
블록(2004)에서, 하나 이상의 광학적 층이 투명 기판의 상부 및/또는 하부 표면과 같은 투명 기판 상에 또는 그 위에 선택적으로 형성된다. 선택적으로, 하나 이상의 광학적 층은 투명 전도체와 같은 물질 또는 중간 층과 같은 다른 물질 상에 형성된다. 선택적으로, 하나 이상의 광학적 층은 가시적으로 투명한 기판에 인접하여 및/또는 이와 접촉하여 위치한다. 광학적 층의 형성은 선택적이며, 일부 실시 형태는 투명 기판에 인접하고/하거나 투명 기판과 접촉하는 광학적 층을 포함하지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 광학적 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 슬롯 다이 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 화학 기상 증착과 같은 하나 이상의 화학적 증착 방법과 열 증발, 전자 빔 증발, 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 이온 빔 증착, 전자 분무 증착과 같은 하나 이상의 물리적 증착 방법을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 형성되지만, 이에 국한되지 않는다. 유용한 광학적 층은 가시적으로 투명한 광학적 층을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 유용한 광학적 층은 예를 들어 반사 방지 특성, 파장 선택 반사 또는 분포된 브래그 반사 특성, 인덱스 매칭 특성, 캡슐화 등을 포함하는 하나 이상의 광학 특성을 제공하는 것을 포함한다. 유용한 광학적 층은 선택적으로 자외선 및/또는 근적외선에 투명한 광학적 층을 포함할 수 있다. 그러나 구성에 따라 일부 광학적 층이 선택적으로 수동 적외선 및/또는 자외선 흡수를 제공할 수 있다. 선택적으로, 광학적 층은 본 명세서에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함할 수 있다.
블록(2006)에서, 예를 들어, 제1 투명 전극과 같은 제1(예를 들어, 하부) 전극이 형성된다. 전술한 바와 같이, 투명 전극은 ITO 얇은 필름 또는 금속 얇은 필름(예를 들어, Ag, Cu 등), 금속 얇은 필름(예를 들어, Ag, Cu 등)을 포함하는 다층 스택, 유전 물질과 같은 다른 투명 전도성 필름, 또는 전도성 유기 물질(예를 들어, 전도성 폴리머)에 해당할 수 있다. 투명 전극은 가시적으로 투명한 전극을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 투명 전극은 원자 층 증착, 화학 기상 증착, 물리적 기상 증착, 열 증발, 스퍼터 증착, 에피택시 등과 같은 진공 증착 기술을 포함하는 하나 이상의 증착 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 스핀 코팅과 같은 용액 기반 증착 기술도 일부 경우에 사용될 수 있다. 또한, 투명 전극은 리소그래피, 리프트 오프, 에칭 등과 같은 미세 가공 기술을 통해 패턴화될 수 있다.
블록(2008)에서, 투명 전극과 같이 하나 이상의 버퍼층이 선택적으로 형성된다. 버퍼 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 원자 층 증착과 같은 하나 이상의 화학적 증착 방법 또는 열 증착, 전자빔 증착, 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 이온 빔 증착 및 전자 분무 증착과 같은 하나 이상의 물리적 증착 방법을 포함하는 방법을 사용하여 형성되지만, 이에 국한되지 않는다. 유용한 버퍼 층은 가시적으로 투명한 버퍼 층을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 유용한 버퍼 층은 전자 수송 층, 전자 차단 층, 정공 수송 층, 정공 차단 층, 광학 스페이서, 물리적 버퍼 층, 전하 재결합 층, 또는 전하 생성 층으로서 기능하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 개시된 가시적으로 투명한 광활성 화합물은 버퍼 층 물질로서 유용할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 층은 선택적으로 본 명세서에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, p-페닐렌 층이 블록(2008)에서 형성된다. p-페닐렌 층은 투명 전극 또는 다른 버퍼 층에 p-페닐렌을 증착하여 형성할 수 있다. 예를 들어, p-페닐렌 층은 본 명세서에 기재된 임의의 실시예에서 MoO3 층 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 물질은 용액으로부터 증착되거나, 표면 상에서 전기화학적으로, 또는 반응적으로 성장할 수 있다. 일부 실시예에서, 유사한 효율 향상을 달성하는 다른 관련 물질이 사용될 수 있다. 관련 물질은 개시된 p-페닐렌(예를 들어, 다른 올리고-페닐렌 또는 치환된 p-페닐렌)과 유사한 분자 특성을 가질 수 있으며 ITO 및/또는 MoO3 층 대신 다른 양극 층 또는 버퍼 층과 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, p-페닐렌 층은 탠덤 아키텍처로 사용되며, 여기서 p-페닐렌은 상호 연결하는 재결합 층의 상부, 양극 또는 둘 다에 증착되며, 각 서브셀에 대해 동일한 일반 효과를 갖는다. 일부 실시예에서, p-페닐렌 층은 양극이 동일한 일반 효과로 광활성 층의 상부에 증착되는 역 구조로 사용된다. p-페닐렌 층의 이점을 얻을 수 있는 다른 유형의 태양 전지에는 납-할로겐화물 및 기타 페로브스카이트, 양자점 및 염료 감응 전지가 포함될 수 있다.
블록(2010)에서, 버퍼 층 또는 투명 전극과 같은 하나 이상의 광활성 층이 형성된다. 전술한 바와 같이, 광활성 층은 전자 수용체 층 및 전자 공여체 층 또는 전자 공여체 및 수용체의 동시 증착된 층을 포함할 수 있다. 광활성 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 원자 층 증착과 같은 하나 이상의 화학적 증착 방법 또는 열 증착, 전자 빔 증착, 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 이온 빔 증착 및 전자 분무 증착과 같은 하나 이상의 물리적 증착 방법을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 형성될 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
블록(2012)에서, 하나 이상의 버퍼 층이 선택적으로 예를 들어, 광활성 층 상에 형성된다. 블록(2012)에서 형성된 버퍼 층은 블록(2008)에서 형성된 것과 유사하게 형성될 수 있다.
블록(2014)에서, 예를 들어, 제2 투명 전극과 같은 제2(예를 들어, 상부) 전극이 형성된다. 제2 투명 전극은 버퍼 층 또는 광활성 층 상에 형성될 수 있다.
블록(2016)에서, 예를 들어 제2 투명 전극 상에 하나 이상의 추가 광학적 층이 선택적으로 형성된다.
방법(2000)은 전기 에너지를 생성하기 위한 방법에 대응하도록 선택적으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 생성하는 방법은 방법(2000)에 따라 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 것과 같이 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제공하는 단계를 포함할 수 있습니다. 전기 에너지를 생성하는 방법은 예를 들어, 전기 에너지 생성을 위해 전자-정공 쌍의 형성 및 분리를 구동하기 위해 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 가시광선, 자외선 및/또는 근적외선 광에 노출시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 광활성 물질, 버퍼 물질, 및/또는 광학적 층으로서 본 명세서에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는"은 "포함하는", "함유하는" 또는 "~에 의해 특성화되는"과 동의어이며 포괄적이거나 개방형이며 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "~로 구성된"은 청구항 요소에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "본질적으로 구성되는"은 청구 범위의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 믈질 또는 단계를 배제하지 않는다. 특히 조성물의 구성 요소에 대한 설명 또는 장치의 요소에 대한 설명에서 "포함하는"이라는 용어의 인용은 인용된 구성 요소 또는 요소들로 본질적으로 구성되고 구성되는 그러한 구성 및 방법을 포함하는 것으로 이해된다. 여기에 적절하게 예시적으로 설명된 본 발명은 여기에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한의 부재 하에 실시될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 수 있는 약어는 다음을 포함한다:
TPBi: 2,2',2"-(1,3,5-벤진트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미다졸)
HAT-CN: 디피라지노[2,3-f:2',3'-h]퀴녹살린-2,3,6,7,10,11-헥사카르보니트릴
ITO: 인듐 주석 산화물
MoO3: 삼산화몰리브덴
SubPc: 붕소 서브프탈로시아닌 클로라이드
Cl6SubPc: 2,3,9,10,16,17-헥사클로로 붕소 서브프탈로시아닌 클로라이드
PCE10: 폴리[4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)벤조[1,2-b;4,5-b']디티오펜-2,6-디일-알트-(4 -(2-에틸헥실)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜-)-2-카르복실레이트-2-6-디일)]
COi8DFIC: 2,2'-[[4,4,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-4,11-디하이드로티에노[2',3':4,5]티에노[2,3-d]티에노[ 2'''',3'''':4''',5''']티에노[2''',3''':4'',5'']피라노[2'',3' ':4',5']티에노[2',3':4,5]티에노[3,2-b]피란-2,9-디일]비스[메틸리딘(5,6-디플루오로)]]
PC71BM: [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르
사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로 사용되며, 이러한 용어 및 표현을 사용함에 있어 도시 및 설명된 특징 또는 그 일부의 등가물을 배제하려는 의도는 없지만 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예 및 선택적인 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형은 당업자에 의해 의지될 수 있고 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 수정 및 변형은 범위 내에서 고려된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 유기 광전지 디바이스(organic photovoltaic device)에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 결합(couple)된 제1 전극;
    상기 제1 전극에 결합된 버퍼 층(buffer layer) - 상기 버퍼 층은 p-페닐렌(phenylene) 물질을 갖는 p-페닐렌 층을 포함함 -;
    상기 제1 전극 위에 배치된 제2 전극; 및
    상기 버퍼 층과 상기 제2 전극 사이에 배치된 하나 이상의 광활성 활성 층(photoactive active layer) - 상기 하나 이상의 광활성 층은 적어도 하나의 전자 공여체 물질(electron donor material) 및 적어도 하나의 전자 수용체 물질(electron acceptor material)을 포함함 - ;
    을 포함하는 유기 광전지 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p-페닐렌 물질은, p-셉티페닐 물질(p-septiphenyl material), p-섹시페닐 물질(p-sexiphenyl material), p-쿼터페닐 물질(p-quaterphenyl material) 또는 p-퀸퀴페닐 물질(p-quinquiphenyl material)을 포함하는, 유기 광전지 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p-페닐렌 물질은 하기 화학식을 갖는, 유기 광전지 디바이스:
    Figure pct00003

    여기서 각각의 X는 독립적으로 CR 또는 N이고, 여기서 n은 1, 2, 3, 4 또는 5이고, 여기서 각각의 R은 독립적으로 H, F, Cl, Br, CH3, OCH3, Si(CH3)3, NH2, OH, SH, CN 또는 CF3이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광활성 층은 단일 헤테로접합(single heterojunction)을 포함하는, 유기 광전지 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단일 헤테로접합은 평면 헤테로접합(planar heterojunction)인, 유기 광전지 디바이스.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단일 헤테로접합은 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ)인 유기 광전지 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광활성 층은 제1 전자 공여체 물질 및 제1 전자 수용체 물질의 제1 블렌드(blend)를 포함하는 제1 벌크 헤테로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층과, 제2 전자 공여체 물질 및 제2 전자 수용체 물질의 제2 블렌드를 포함하는 제2 BHJ를 포함하되, 상기 제2 BHJ 활성 층이 상기 제1 BHJ 활성 층과 접촉하는, 유기 광전지 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 제1 광활성 층을 포함하는 제1 서브셀(subcell);
    상기 제1 서브셀과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 하나 이상의 제2 광활성 층을 포함하는 제2 서브셀; 및
    상기 제1 서브셀과 상기 제2 서브셀 사이에 배치된 전하 재결합 구역(charge recombination zone)을 더 포함하는,
    유기 광전지 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 층은 상기 제1 전극과 상기 제1 서브셀 사이에 배치되는, 유기 광전지 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 층은 상기 전하 재결합 구역과 상기 제2 서브셀 사이에 배치되는 유기 광전지 디바이스.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 층은 상기 제1 전극과 상기 제1 서브셀 사이에 배치되고,
    상기 전하 재결합 구역과 상기 제2 서브셀 사이에 배치된 제2 버퍼 층을 더 포함하되, 상기 제2 버퍼 층은 제2 p-페닐렌 물질을 갖는 제2 p-페닐렌 층을 포함하는, 유기 광전지 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 p-페닐렌 물질은 상기 제1 p-페닐렌 물질과 상이한, 유기 광전지 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 p-페닐렌 물질은 상기 제1 p-페닐렌 물질과 동일한, 유기 광전지 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 광활성 활성 층(photoactive active layer)이 열 증발(thermal evaporation)을 통해 증착(deposit)된 유기 광전지 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광활성 활성 층은 용액 공정(solution processing)을 통해 증착되는 유기 광전지 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광전지 디바이스는 투명한 유기 광전지 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유기 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 -10 내지 10 사이의 유리 반사(glass-reflected) a*를 갖는, 유기 광전지 디바이스.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 유기 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 -10 내지 10 사이의 유리 반사 b*를 갖는, 유기 광전지 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광전지 디바이스는 불투명한, 유기 광전지 디바이스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 p-페닐렌 층 사이에 배치되는 정공 주입 층(hole injection layer) - 상기 정공 주입 층은 화학량론적 및 비화학량론적 조성 모두에 해당하는 MoOx, NiOx, CuOx, VOx, WOx, CoOx, CrOx, Li:NiOx, Mg:NiOx, Cs:NiOx, Cu:CrOx, CryCuzOx, LiMgLiO, CuSCN, CuI, BiI3, 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide) 및 MoS2 중의 어느 하나임. - 을 더 포함하는 유기 광전지 디바이스.
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