KR20220066055A - 색 중립 투명 광전지를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에는 색 중립(color-neutral) 가시적으로 투명한 광전지 디바이스와 같은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스가 개시되어 있다. 색 중립(color-neutral) 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 가시적으로 투명한 기판 및 상기 가시적으로 투명한 기판에 결합된 제1 가시적으로 투명한 전극을 포함한다. 상기 디바이스는 또한 제2 가시적으로 투명한 전극 및 상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이의 가시적으로 투명한 광활성 층을 포함한다. 상기 가시적으로 투명한 광활성 층은 NIR 광 또는 UV 광 중 적어도 하나를 광전류로 변환하도록 구성되고 상기 NIR 또는 UV 스펙트럼에서 피크를 갖는 흡수 스펙트럼을 특성으로 한다. 상기 디바이스 상기 가시 스펙트럼에서 제2 피크를 갖는 제2 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 가시 흡수 물질을 더 포함하고, 이 때 상기 제2 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼에 상보적이다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 8월 16일자로 출원된 "Method And System For Color Neutral Transparent Photovoltaics(색 중립 투명 광전지를 위한 방법 및 시스템)"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제 62/887,942호를 기초로 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조에 의해 편입된다.
집, 고층 빌딩, 자동차 등의 창유리에 통합될 수 있는 저가의 가시적으로 투명하거나 반투명한 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스를 사용하여 태양 에너지 수확을 위한 표면적을 크게 늘릴 수 있다. 예를 들어, 빌딩 통합형 태양광(Photovoltaic: PV) 기술은 건물에 조사된 태양 에너지를 건물에서 사용 또는 저장하거나 전력 그리드에 피드백할 수 있는 전기 에너지로 변환하고 태양 에너지 통해 건물의 난방을 줄이는 데 사용할 수 있다.
그러나 이러한 PV 기술은 예를 들어, 기존 PV 셀와 관련된 비용, 불투명도 및 미적 문제로 인해 널리 사용되지 않았다.
본 출원은 일반적으로 광전지 물질 및 디바이스 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 색 중립 가시광 투과율(color-neutral visible light transmissivity)을 갖는 가시적으로 투명한(또는 반투명) 광전지 물질 및 디바이스에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 투명 또는 반투명 광전지 물질(photovoltaic material) 및 디바이스와 같은 광전지 물질 및 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로, 그리고 제한 없이, 색 중립(color-neutral) 가시적으로 투명한(또는 반투명) 광전지를 위한 물질의 조합, 및 물질의 조합을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스 및 시스템이 개시된다. 물질, 물질의 조합, 디바이스, 시스템, 모듈, 방법 등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시예가 여기에 설명된다.
본 발명의 요약은 예(example)들의 목록을 참조하여 제공된다. 아래에 사용된 바와 같이, 일련의 예에 대한 임의의 참조는 이러한 예 각각에 대한 참조로 분리되어 이해되어야 한다(예를 들어, "예 1-4"는 "예 1, 예 2, 예 3, 또는 예 4"로 이해되어야 함).
예 1은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(visibly transparent photovoltaic device)로서, 가시적으로 투명한 기판; 상기 가시적으로 투명한 기판에 결합된 제1 가시적으로 투명한 전극(first visibly transparent electrode); 제2 가시적으로 투명한 전극(second visibly transparent electrode); 상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이의 가시적으로 투명한 광활성 층(visibly transparent photoactive layer)으로서, 근적외선(near-Infrared: NIR) 또는 자외선(Ultraviolet: UV) 중 적어도 하나를 광전류(photocurrent)로 변환하도록 구성되고 NIR 또는 UV 스펙트럼에서 피크를 갖는 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)을 특성으로 하는 상기 가시적으로 투명한 광활성 층; 및 가시 스펙트럼(visible spectrum)에서 제2 피크를 갖는 제2 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 가시적으로 흡수성인 물질(visibly absorbing material)로서, 상기 제2 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼에 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질;을 포함하는 투명한 광전지 디바이스이다.
예 2는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는, 450 nm와 650 nm의 파장 사이에서 30% 미만의 투과율(transmission percentage)의 절대 변화(absolute variation)를 갖되 상기 가시 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 투과 프로파일(flat transmission profile)을 특성으로 한다.
예 3은 예(들) 2의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 투과율의 절대 변화가 10% 미만이다.
예 4는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(Commision on Illuination: CIE) L*a*b*(CIELAB) 색 공간에서 -10과 10 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 한다.
예 5는 예(들) 4의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 CIELAB 색 공간에서 -5와 5 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 한다.
예 6은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 음(negative)의 투과된 a* 및 음의 투과된 b* 값을 특성으로 한다.
예 7은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 40%보다 큰 평균 가시광 투과율(Average Visible Transmission: AVT)을 특성으로 한다.
예 8은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 투명한 광활성 층은 공여체 물질(donor material) 및 수용체 물질(acceptor material)을 포함한다.
예 9는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 가시적으로 투명한 광활성 층에 포함된다.
예 10은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 광학적 층(optical layer)에 포함된다.
예 11은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질이 삼원(ternary) 또는 사원(quaternary) 블렌드(blend)로 광활성 층과 블렌드된다.
예 12는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제1 전극과 광활성 층 사이에 배치된다.
예 13은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 광활성 층과 상기 제2 전극 사이에 배치된다.
예 14는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제2 전극 위에 배치된다.
예 15는 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시 스펙트럼에서 제3 피크를 갖는 제3 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함하고, 상기 제3 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼 및 상기 제2 흡수 스펙트럼에 상보적이며, 상기 제1 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제1 전극과 상기 광활성 층 사이에 배치되고 상기 제2 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 광활성 층과 상기 제2 전극 사이에 배치된다.
예 16은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시 스펙트럼에서 제3 피크를 갖는 제3 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함하고, 상기 제3 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼 및 상기 제2 흡수 스펙트럼에 상보적이며, 상기 제1 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 상기 제2 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제2 전극 위에 배치된다.
예 17은 예(들) 1의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이에 배치된 광활성 이원, 삼원, 또는 사원 블렌드에 포함된다.
예 18은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은, 가시적으로 투명한 기판을 제공하는 단계; 상기 가시적으로 투명한 기판에 결합된 제1 가시적으로 투명한 전극을 형성하는 단계; 제2 가시적으로 투명한 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이에 가시적으로 투명한 광활성 층을 형성하는 단계로서, 상기 가시적으로 투명한 광활성 층은 근적외선(near-infrared: NIR) 또는 자외선(ultraviolet: UV) 중 적어도 하나를 광전류(photocurrent)로 변환하도록 구성되고, NIR 또는 UV 스펙트럼에서 피크를 갖는 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 상기 가시적으로 투명한 광활성 층을 형성하는 단계; 및 상기 가시 스펙트럼에서 제2 피크를 갖되 상기 흡수 스펙트럼에 상보적인 제2 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 가시적으로 흡수성인 물질(visibly absorbing material)을 통합하는 단계를 포함한다.
예 19는 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는, 450 nm와 650 nm의 파장 사이에서 30% 미만의 투과율(transmission percentage)의 절대 변화(absolute variation)를 갖되 상기 가시 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 투과 프로파일(flat transmission profile)을 특성으로 한다.
예 20은 예(들) 19의 방법으로서, 상기 투과율의 절대 변화는 10% 미만이다.
예 21은 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 -10과 10 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 한다.
예 22는 예(들) 21의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 CIELAB 색 공간에서 -5와 5 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 한다.
예 23은 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 음(negative)의 투과된 a* 및 음의 투과된 b* 값을 특성으로 한다.
예 24는 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 25%보다 큰 평균 가시 광선 투과율(average visible transmission)을 특성으로 한다.
예 25는 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 투명한 광활성 층이 공여체 물질(donor material) 및 수용체 물질(acceptor material)을 포함한다.
예 26은 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 가시적으로 투명한 광활성 층에 포함된다.
예 27은 예(들) 18의 방법으로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 광학적 층(optical layer)에 포함된다.
예 28은 예(들) 8의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 이 때 상기 공여체 물질의 최대 점유 분자 오비탈(highest occupied molucular orbital: HOMO) 준위는 상기 수용체 물질의 HOMO 준위 이상이고; 또한 상기 공여체 물질의 최저 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital: LUMO) 준위는 수용체 물질의 LUMO 준위 이상이다.
예 29는 예(들) 8의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 공여체 물질에 인접하고 상기 공여체 물질의 HOMO 준위 이상인 HOMO 준위를 특성으로 한다.
예 30은 예(들) 29의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 공여체 물질의 LUMO 준위보다 낮은 LUMO 준위를 특성으로 한다.
예 31은 예(들) 8의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 수용체 물질에 인접하고 상기 수용체 물질의 LUMO 준위 이하인 LUMO 준위를 특성으로 한다.
예 32는 예(들) 31의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 수용체 물질의 HOMO 준위보다 높은 HOMO 준위를 특성으로 한다.
예 33은 예(들) 31의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 공여체 물질에 인접하고 상기 공여체 물질의 HOMO 준위 이상인 HOMO 준위를 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함한다.
예 34는 예(들) 8의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 공여체 물질과 상기 수용체 물질이 동일한 층에서 혼합된다.
예 35는 예(들) 34의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 공여체 물질의 HOMO 준위 이상인 HOMO 준위를 특성으로 한다.
예 36은 예(들) 35의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 수용체 물질의 LUMO 준위보다 높은 LUMO 준위를 특성으로 한다.
예 37은 예(들) 34의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 수용체 물질의 LUMO 준위 이하인 LUMO 준위를 특성으로 한다.
예 38은 예(들) 37의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 공여체 물질의 HOMO 준위보다 낮은 HOMO 준위를 특성으로 한다.
예 39는 예(들) 37의 가시적으로 투명한 광전지 디바이스로서, 상기 공여체 물질의 HOMO 준위보다 높은 HOMO 준위를 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함한다.
종래 기술에 비해 본 발명에서 설명된 기술을 사용하여 수많은 이점이 달성된다. 본 개시 내용의 실시예는 가시광에 대해 거의 균일하게 투명하거나 반투명하면서 광전지 전력 생성을 위한 근적외선 및/또는 자외선을 흡수하기 위한 물질 및 디바이스의 조합을 제공한다. 유리하게는, 이러한 광학 특성은 광전지 디바이스에서 입사 태양 복사로부터 전기를 생성하는 능력을 제공하는 동시에 가시광이 대략 균일하게 통과하도록 허용하고 관찰자가 색상 왜곡 없이 또는 감소된 상태로 광전지 디바이스를 통해 볼 수 있게 한다.
보다 구체적으로, 물질의 조합은 외부 회로에 DC 전압 및 전류를 제공하기 위해 광의 흡수를 통한 전자-정공 쌍의 분리를 위한 적절한 전자 공여체 및/또는 수용체를 제공하는 광활성 화합물을 포함한다. 유리하게는, 개시된 광활성 물질의 조합은 가시광선에 투명하거나 가시 밴드에서 상대적으로 적은 양의 빛, 예를 들어, 약 450 내지 약 650nm를 흡수하는 반면 근적외선(NIR) 밴드 예를 들어, 약 650 nm 내지 약 1400 nm, 또는 자외선(UV) 밴드 예를 들어, 약 280 nm 내지 약 450 nm에서 더 큰 흡수 강도를 나타내는 것을 포함한다.
또한, 물질의 조합은 NIR 및/또는 UV 광 흡수를 위한 물질의 결합된 가시광 흡수율에 상보적인 가시광 흡수율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 물질의 조합은 가시 밴드에서 실질적으로 균일한 흡수율(따라서 균일한 투과율)을 가질 수 있다. 따라서, 물질의 조합을 포함하는 투명 또는 반투명한 광전지 디바이스는 광전지 디바이스가 장착되는 빌딩의 미관에 영향을 미치지 않도록 회색으로 투명하게 보일 수 있다. 또한, 투명 또는 반투명 광전지 디바이스는 투명 또는 반투명 태양광 발전 장치를 통해 사람이 보는 물체의 색상을 왜곡하지 않을 수 있다.
개시된 유기 광활성 물질의 조합은 또한 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 제조 및 성능과 관련하여 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 본 발명에 기재된 유기 투명 광활성 물질을 포함하는 디바이스는 유기 광활성 물질이 진공 증착 기술을 사용하여 기판 상에 형성되는 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 진공 증착 기술을 사용하면 고순도 광활성 층을 형성할 수 있으므로 장치 효율성과 성능을 개선하고 제조 복잡성을 줄일 수 있다. 투명한 광전지 디바이스는 진공 열 증발 기술을 통해 또는 용액 처리 단계에 의해 개시된 광활성 물질을 활성 물질 층으로 통합할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 개시된 광활성 물질은 증발 및/또는 승화 기술에 의해 정제될 수 있다. 증발 및/또는 승화에 의한 정제는 고순도 광활성 물질 및 화합물을 생성하는 데 유용할 수 있으며, 이는 차례로 개선된 투명 광전지 디바이스 생산 및 성능을 허용할 수 있다.
많은 이점 및 특징과 함께 본 발명의 이들 및 다른 실시예 및 양상은 아래의 텍스트 및 첨부된 도면과 함께 더 상세히 설명된다.
이 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수 기능을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 결정하기 위해 별도로 사용하려는 것이 아니다. 주제는 본 개시의 전체 명세서의 적절한 부분, 임의의 또는 모든 도면, 및 각각의 청구 범위를 참조하여 이해되어야 한다. 전술한 내용은 다른 특징 및 예와 함께 하기 명세서, 청구 범위 및 첨부 도면에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도시적인 실시예는 다음 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1a는 특정 실시예에 따른 가시 밴드(visible band)에서 색 중립인 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 도시하는 단순화된 도면이다.
도 1b는 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 광활성 층(들)의 다양한 구성을 도시한다.
도 2는 광 파장의 함수로서 투명한 광전지 디바이스의 예에 대한 태양 스펙트럼, 인간의 눈 감도 및 흡수 스펙트럼을 도시하는 단순화된 플롯이다.
도 3은 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 단순화된 에너지 준위 도면이다.
도 4a 내지 도 4h는 상이한 전자 수용체 및 공여체 구성을 갖는 광활성 층의 예의 흡수 프로파일을 도시한다.
도 5는 색을 설명하기 위한 국제조명위원회(International Commission on Illumination: CIE) L*a*b*(CIELAB) 색 공간을 도시한다.
도 6은 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스에 사용되는 물질의 예에 대한 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 7은 투명 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV)의 예, 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 예, 그리고 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV를 생성하기 위한 디바이스에서 TPV 물질과 가시적으로 흡수성인 물질의 조합에 대한 투과 스펙트럼을 도시하는 단순화된 플롯이다.
도 8은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 대한 투과 스펙트럼의 예를 도시한다.
도 9는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예에서 물질의 흡수 스펙트럼의 예를 도시한다.
도 10은 특정 실시예에 따른 TPV 물질의 예 및 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 가시적으로 흡수성인 물질의 예를 도시한다.
도 11a 내지 도 11h는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 일부 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 12a 내지 도 12j는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 일부 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 14는 특정 실시예에 따른 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 도시한다.
도 15는 특정 실시예에 따른 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 16은 특정 실시예에 따른 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 통해 투과된 가시광의 색 좌표의 예를 도시한다.
도 17은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 실험적으로 측정된 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 18은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하기 위한 방법의 예를 도시한다.
도 19는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 방법을 도시한다.
도면은 단지 예시의 목적으로 본 발명의 실시예를 도시한다. 예를 들어, 일부 그림의 투과 또는 흡수 스펙트럼은 예시 용일 뿐이며 실제 TPV 장치에 사용되는 물질의 투과 또는 흡수 스펙트럼을 나타내지 않을 수 있다. 당업자는 다음의 설명으로부터 도시된 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 본 개시의 원리 또는 장점을 벗어나지 않고 채용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
첨부된 그림에서 유사한 구성 요소 및/또는 기능은 동일한 참조 레이블을 가질 수 있다. 또한, 동일한 유형의 다양한 구성 요소는 참조 레이블 다음에 대시 및 유사한 구성 요소를 구별하는 두 번째 레이블을 사용하여 구별할 수 있다. 본 명세서에서 첫 번째 참조 라벨만 사용되는 경우, 설명은 두 번째 참조 레이블과 상관없이 동일한 첫 번째 참조 레이블을 갖는 유사한 구성 요소 중 하나에 적용 가능하다.
도 1a는 특정 실시예에 따른 가시 밴드(visible band)에서 색 중립인 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 도시하는 단순화된 도면이다.
도 1b는 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 광활성 층(들)의 다양한 구성을 도시한다.
도 2는 광 파장의 함수로서 투명한 광전지 디바이스의 예에 대한 태양 스펙트럼, 인간의 눈 감도 및 흡수 스펙트럼을 도시하는 단순화된 플롯이다.
도 3은 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 단순화된 에너지 준위 도면이다.
도 4a 내지 도 4h는 상이한 전자 수용체 및 공여체 구성을 갖는 광활성 층의 예의 흡수 프로파일을 도시한다.
도 5는 색을 설명하기 위한 국제조명위원회(International Commission on Illumination: CIE) L*a*b*(CIELAB) 색 공간을 도시한다.
도 6은 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스에 사용되는 물질의 예에 대한 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 7은 투명 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV)의 예, 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 예, 그리고 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV를 생성하기 위한 디바이스에서 TPV 물질과 가시적으로 흡수성인 물질의 조합에 대한 투과 스펙트럼을 도시하는 단순화된 플롯이다.
도 8은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 대한 투과 스펙트럼의 예를 도시한다.
도 9는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예에서 물질의 흡수 스펙트럼의 예를 도시한다.
도 10은 특정 실시예에 따른 TPV 물질의 예 및 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 가시적으로 흡수성인 물질의 예를 도시한다.
도 11a 내지 도 11h는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 일부 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 12a 내지 도 12j는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 일부 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다.
도 14는 특정 실시예에 따른 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 도시한다.
도 15는 특정 실시예에 따른 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 16은 특정 실시예에 따른 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예를 통해 투과된 가시광의 색 좌표의 예를 도시한다.
도 17은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 예의 실험적으로 측정된 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 18은 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하기 위한 방법의 예를 도시한다.
도 19는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 방법을 도시한다.
도면은 단지 예시의 목적으로 본 발명의 실시예를 도시한다. 예를 들어, 일부 그림의 투과 또는 흡수 스펙트럼은 예시 용일 뿐이며 실제 TPV 장치에 사용되는 물질의 투과 또는 흡수 스펙트럼을 나타내지 않을 수 있다. 당업자는 다음의 설명으로부터 도시된 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 본 개시의 원리 또는 장점을 벗어나지 않고 채용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
첨부된 그림에서 유사한 구성 요소 및/또는 기능은 동일한 참조 레이블을 가질 수 있다. 또한, 동일한 유형의 다양한 구성 요소는 참조 레이블 다음에 대시 및 유사한 구성 요소를 구별하는 두 번째 레이블을 사용하여 구별할 수 있다. 본 명세서에서 첫 번째 참조 라벨만 사용되는 경우, 설명은 두 번째 참조 레이블과 상관없이 동일한 첫 번째 참조 레이블을 갖는 유사한 구성 요소 중 하나에 적용 가능하다.
본 발명은 일반적으로 투명 또는 반투명 광전지 물질 및 디바이스와 같은 광전지 물질 및 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로, 그리고 제한 없이, 색 중립 가시적으로 투명한(또는 반투명) 광전지 위한 물질 또는 물질의 조합, 및 물질 또는 물질의 조합을 포함하는 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 디바이스 및 시스템이 개시된다. 상기 색 중립 가시적으로 투명한 광활성 물질 조합은 근적외선 및/또는 자외선 밴드(ultraviolet band)의 빛을 우선적으로 흡수하고 가시 밴드(visible band)의 빛을 대략 균일하게 투과시켜 투명한 광전지 디바이스가 가시 밴드(visible band)에서 색 중립 되도록 한다. 예를 들어, 상기 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 물질은 상기 근적외선(Near-Infrared: NIR) 밴드 또는 자외선(Ultra Violet: UV) 밴드의 빛을 더 강하게 흡수할 수 있고, 일부 가시광을 흡수할 수 있는 광활성 물질을 포함할 수 있으며, 또한 NIR 및/또는 UV 광 흡수 활성 물질의 결합된 가시광 흡수율에 상보적인 결합된 가시광 흡수율을 갖는 하나 이상의 광활성 또는 수동 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 물질들의 조합은 가시 밴드에서 임의의 바람직한 투과율을 가질 수 있다.
결정질 실리콘 광전지 디바이스와 같은 기존의 광전지 디바이스는 일반적으로 가시광에 대해 불투명하므로 빌딩 또는 기타 구조물의 창유리에 사용하기에 적합하지 않을 수 있다. 일부 유기 투명 광활성 물질 기반 투명한 광전지 디바이스와 같은 일부 투명한 광전지 디바이스는 가시광에 투명하거나 반투명할 수 있다. 그러나 이러한 투명한 광전지 디바이스는 상기 가시 밴드에서 구조화된 흡수(또는 투과) 스펙트럼을 가질 수 있으므로 특정 색(예: 마젠타색, 노란색, 초록색 또는 파란색 음영)을 표시할 수 있으며 상기 빌딩의 색 또는 상기 투명한 광전지 디바이스를 통해 사람이 보는 상기 물체의 색을 변경할 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 투명 또는 반투명 광활성 및/또는 수동 물질의 다양한 조합이 투명 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스에서 사용되어 가시 밴드에서 색 중립 투과율을 달성한다. 일부 실시예에서, 상기 TPV 디바이스의 색 중립은 가시광 흡수가 없거나 매우 낮은 활성 물질을 사용하여 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 TPV 디바이스의 색 중립은 UV 및/또는 NIR 광 흡수에 대한 광활성 층의 가시 밴드 흡수 스펙트럼에 상보적인 가시 밴드 흡수 스펙트럼을 갖는 가시광 흡수 물질(visible light absorption material)(즉, 가시적으로 흡수성인 물질(visibly absorbing material))을 사용하여 달성될 수 있고, 이에 따라 가시 밴드에서 실질적으로 평평한 투과율이 달성될 수 있으며, 이는 색 중립으로 이어질 수 있다. 상기 가시적으로 흡수성인 물질은 광전류 생성에 기여하거나 기여하지 않을 수 있으며 평균 가시 투과율(Average Visible Transmittance: AVT)을 약간 감소시킬 수 있다.
종래 기술에 비해 본 개시에서 설명된 기술을 사용하여 수많은 이점이 달성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 가시광에 대해 거의 균일하게 투명하거나 반투명하면서 광전지 전력 생성을 위한 근적외선 및/또는 자외선을 흡수하기 위한 물질 및 디바이스의 조합을 제공한다. 유리하게는, 이러한 광학 특성은 광전지 디바이스에서 입사 태양 복사로부터 전기를 생성하는 능력을 제공하는 동시에 가시광이 대략적으로 균일하게 통과하도록 허용하고 상기 광전지 디바이스를 통해 관찰자가 최소한의 색 왜곡으로 볼 수 있게 합니다.
본 발명에 개시된 기술을 사용하여 특정 파장 또는 색에서 색 중립 투과 또는 우선 흡수를 포함하여 가시 밴드에서 임의의 원하는 투과 또는 흡수 특성(예를 들어, 적색 또는 청색 파장에서 더 높은 흡수)을 갖는 광전지 층 및 디바이스를 만들기 위해 다른 물질을 결합할 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어 및 구는 해당 분야에서 인정하는 의미를 가지며, 이는 표준 텍스트, 저널 참조 및 당업자에게 공지된 문맥을 참조하여 찾을 수 있다. 뒤따르는 정의는 본 발명의 맥락에서 이들의 특정 용도를 명확히 하기 위해 제공된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "가시광"은 약 380 nm 내지 약 750 nm, 약 400 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 450 nm 내지 약 650 nm의 파장 범위 내의 빛을 지칭할 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "가시적으로 투명한"(또는 간단히 "투명한") 및 "가시적으로 반투명한"(또는 간단히 "반투명한") 등은 전체 흡수를 나타내는 물질 또는 디바이스의 특성을 나타낼 수 있으며, 평균 흡수, 또는 가시 밴드의 최대 흡수는 예를 들어, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 약 60% 이하, 약 55% 이하, 약 50%, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 약 25% 이하, 또는 약 20% 이하와 같이 약 0% 내지 70% 이내이다. 달리 말하면, 가시적으로 투명한 물질은 입사 가시광의 약 80% 이상, 입사 가시광의 약 75% 이상, 입사 가시광의 약 70% 이상, 입사 가시광의 약 65% 이상, 입사 가시광의 약 60% 이상, 입사 가시광의 약 55% 이상, 입사 가시광의 약 50% 이상, 또는 입사 가시광의 약 45%, 입사 가시광의 약 40% 이상, 입사 가시광의 약 35% 이상, 또는 입사 가시광의 약 30% 이상과 같이 입사 가시광의 30%-100%를 투과할 수 있다. 물질 또는 디바이스를 통해 투과되지 않은 빛의 일부는 상기 물질에 의해 산란, 반사 또는 흡수될 수 있습니다. 가시적으로 투명한 물질은 일반적으로 사람이 볼 때 적어도 부분적으로 투명하게(즉, 완전히 불투명하지 않은) 것으로 간주된다. 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 단순히 투명 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스로 지칭될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "투과 계수" 또는 "투과율"은 가시 밴드와 같은 빛 파장, 파장의 범위 또는 밴드에 걸쳐 광 파장에 대한 광학적으로 가중된 투과율을 지칭할 수 있거나, 파장의 서브 밴드의 평균 또는 최저 투과율로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 평균 가시 투과율(Average Visible Transmissivity: AVT)은 모든 가시광에 대한 물질 또는 디바이스의 전체 투과율을 특성화하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "색 중립" 또는 "가시적으로 색 중립"은 흰색 또는 회색에 가까운 중립 톤의 색을 의미할 수 있으며, 여기서 회색은 흑색과 흰색 사이의 중립 톤의 색을 의미할 수 있다. 디바이스 또는 물질의 투과율, 흡수율 및/또는 반사율이 상기 가시광 밴드 내에서 예를 들어, 20% 이내, 10% 이내, 5% 이내, 또는 평균값 이내의 다양성과 같이 상당히 균일하다면 상기 디바이스 또는 물질은 색 중립일 수 있으며, 이에 따라 백색 빔(다른 색의 조합 포함)은 상기 디바이스 또는 물질을 통과한 후 색 중립(예를 들어, 백색 또는 회색)으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 가시 밴드(예를 들어, 약 400 nm 내지 약 700 nm)의 다른 파장에서 상기 디바이스 또는 물질의 투과율이 상기 디바이스 또는 물질의 AVT의 ±10% 이내인 경우 디바이스 또는 물질은 색 중립일 수 있다. 일부 실시예에서, 디바이스 또는 물질이 백색광에 의해 조명될 때, 상기 디바이스 또는 물질에 의해 투과된 빛이 아래에 자세히 설명된 것과 같이 예를 들어, [-5, 5] 또는 [-10, 10]와 같은 CIELAB b* 값 및 예를 들어, [-5, 5] 또는 [-10, 10], 또는 원하는 사분면에서 a* 및 b* 값과 같은 CIELAB b* 값을 갖는 경우에 상기 디바이스 및 물질은 색 중립일 수 있다. 일부 실시예에서, 디바이스 또는 물질이 백색광에 의해 조명될 때, 상기 디바이스 또는 물질에 의해 투과된 빛이 RGB 색 공간에서 실질적으로 동일한 r, g 및 b 값을 갖는 경우, 상기 디바이스 및 물질은 색 중립일 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "상보적(complementary)"이라는 용어는 상기 두 물질의 투과율 또는 흡수율과 같이 대조적이거나 반대되는 특성을 갖는 두 물질 사이의 관계를 지칭할 수 있으며, 여기서 상기 두 물질은, 적절한 비율로 결합될 때, 가시 밴드에서 전체적으로 일정한 투과율 또는 흡수율을 가질 수 있고, 따라서 앞서 설명한 바와 같이 색 중립(color neutral) 또는 가시적으로 색 중립(visibly color neutral)일 수 있다. 예를 들어, 두 물질의 투과율(또는 전체 투과율)의 곱이 상기 가시 밴드에서 거의 일정하게 유지될 때 상기 두 물질의 투과율(또는 흡수율)은 서로 상보적일 수 있다.
본 명세서에서 "최대 흡수 강도"라는 용어는 상기 자외선 밴드(200 nm 내지 450 nm 또는 280 nm 내지 450 nm), 상기 가시 밴드(450 nm 내지 650 nm), 또는 상기 근적외선 밴드(650 nm 내지 1400 nm)와 같은 특정 스펙트럼 영역에서 가장 큰 흡수 값을 의미한다. 일부 예에서, 최대 흡수 강도는 흡수 밴드 또는 피크와 같은 로컬 또는 절대 최대인 흡수 기능의 흡수 강도에 대응할 수 있고, 피크 흡수로 지칭될 수 있다. 일부 예에서, 특정 밴드의 최대 흡수 강도는 로컬 또는 절대 최대값에 해당하지 않을 수 있지만 대신 특정 밴드의 최대 흡수 값에 해당할 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어, 흡수 기능이 여러 밴드(예를 들어, 가시광선 및 근적외선)에 걸쳐 있고 흡수 기능의 피크가 자외선 밴드 내에 있지만 흡수 기능의 꼬리가 가시 밴드로 확장되는 경우와 같이 상기 가시 밴드 내에서 발생하는 흡수 기능의 흡수 값이 상기 근적외선 밴드 내에서 발생하는 흡수 값보다 작은 경우 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명에 개시된 가시적으로 투명한 광활성 화합물은 약 650 nm 초과의 파장(즉, 근적외선) 또는 약 450 nm 미만의 파장(즉, 자외선)에서 흡수 피크를 가질 수 있고, 상기 가시적으로 투명한 광활성 물질의 흡수 피크는 약 450 nm 내지 650 nm 사이의 임의의 파장에서 가시적으로 투명한 광활성 물질의 흡수보다 클 수 있다.
다음 설명에서, 설명의 목적을 위해, 본 발명의 예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 이러한 특정 세부사항 없이 다양한 예가 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 예를 들어, 디바이스, 시스템, 구조, 어셈블리, 방법 및 기타 구성 요소는 예시를 불필요한 세부 사항으로 모호하게 하지 않도록 블록 도면 형식의 구성 요소로 표시될 수 있습니다. 다른 예에서, 잘 알려진 디바이스, 프로세스, 시스템, 구조 및 기술은 예시를 모호하게 하는 것을 피하기 위해 필요한 세부 사항 없이 표시될 수 있다. 도면 및 설명은 제한하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로 사용되고 제한이 없으며, 이러한 용어 및 표현을 사용함에 있어 도시 및 설명된 특징 또는 그 일부의 등가물을 배제하려는 의도는 없다. "예시"라는 단어는 본 명세서에서 "예시, 사례 또는 도시로 작용하는"을 의미하는 데 사용됩니다. 본 발명에서 "예"로 설명된 임의의 실시예 또는 설계는 반드시 다른 실시예 또는 설계보다 선호되거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1a는 특정 실시예에 따른 가시 밴드에서 색 중립인 가시적으로 투명한 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스(100)의 예를 도시하는 단순화된 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)는 다수의 층 및 요소를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 가시적으로 투명하다는 것은 광전지 디바이스가 상기 가시 파장 밴드 밖의 파장, 예를 들어, 약 450 nm 내지 약 650 nm에서 광학 에너지를 흡수하고, 실질적으로 가시 파장 밴드 내부의 광을 투과시키는 것을 나타낸다. 예에 도시된 바와 같이, UV 및/또는 NIR 빛은 광전지 디바이스의 층 및 요소에 의해 강하게 흡수될 수 있는 반면 가시광은 디바이스를 통해 실질적으로 투과될 수 있다.
가시적으로 투명한 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스(100)는 유리 또는 도시된 다른 층 및 구조에 충분한 기계적 지지를 제공하는 다른 가시적으로 투명한 물질일 수 있는 기판(105)을 포함할 수 있다. 예시적인 기판 물질은 다양한 유리와 강성 또는 유연성 중합체를 포함한다. 라미네이트와 같은 다층 기판도 사용될 수 있다. 기판은 다른 층 및 구조에 필요한 기계적 지지를 제공하기 위해 예를 들어, 0.5mm 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 필름을 포함할 수 있다. 기판(105)은 광학적 층(110, 112)을 지지할 수 있다. 이러한 광학적 층은 반사 방지(Anti-Reflection: AR) 특성, 파장 선택 반사 또는 분포된 브래그 반사 특성, 인덱스 매칭 특성, 캡슐화 등을 포함하는 다양한 광학 특성을 제공할 수 있다. 광학적 층(110, 112)은 유리하게는 가시적으로 투명할 수 있다. 추가적인 광학적 층(114)은 예를 들어, AR 코팅, 나중에 인덱스 매칭, 수동 가시광, 적외선 또는 자외선 흡수 층 등으로 활용될 수 있다. 선택적으로, 광학적 층(110) 내지 광학적 층(114)은 가시광, 자외선 및/또는 근적외선에 투명하거나 가시광, 적어도 자외선 및/또는 근적외선 밴드의 파장의 서브 세트에 대해 투명할 수 있다. 구성에 따라, 추가적인 광학적 층(114)은 또한 수동 가시광 흡수 층일 수 있다.
비록 상기 디바이스가 전체적으로 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 또는 최대 또는 100%에 근접하는 450-650 nm 범위의 투명도와 같은 가시적 투명도를 나타낼 수 있지만, 개별적으로 취한 특정 물질은 가시 스펙트럼의 적어도 일부 부분에서 흡수를 나타낼 수 있다. 선택적으로, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 각 개별 물질 또는 층은 가시 범위에서 30% 초과(예를 들어, 30% 내지 100%)와 같은 높은 투명도를 가질 수 있다. 투과 또는 흡수는 백분율로 표시될 수 있으며 상기 물질의 흡수 특성, 흡수 물질을 통한 두께 또는 경로 길이, 상기 흡수 물질의 농도에 따라 달라질 수 있으므로 상기 가시 밴드에서 흡수를 갖는 물질이 상기 흡수 물질을 통한 경로가 짧거나 상기 흡수 물질의 농도가 낮을 경우 높은 투과율을 보인다.
본 명세서 및 아래에 묘사된 바와 같이, 다양한 광활성 층의 광활성 물질은 유리하게는 상기 가시 밴드(예를 들어, 20% 미만, 30% 미만, 40% 미만, 50% 미만, 60% 미만, 또는 70% 미만)에서는 최소한의 흡수를, 근적외선 및/또는 자외선 밴드에서의 높은 흡수(예를 들어, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 또는 80% 초과의 흡수 피크)를 나타낼 수 있다. 일부 응용 분야의 경우 상기 가시 밴드의 흡수가 70%까지 높을 수 있다. 상기 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, Ag 또는 Cu와 같은 금속 얇은 필름이 투명 전극에 포함될 수 있다. 금속은 가시광선을 흡수할 수 있으나, 얇은 필름 구성으로 제공되는 경우, 필름의 전체 투명도가 높을 수 있다. 유사하게, 광학적 층 또는 버퍼 층에 포함되는 물질은 가시 영역에서 흡수를 나타낼 수 있지만, 가시광 흡수의 전체량이 낮도록 농도 또는 두께로 제공되어 가시 투명도를 제공할 수 있다.
가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)는 전극(120) 및 전극(122) 사이에 위치된 광활성 층(140)을 갖는 투명 전극(120) 및 전극(122) 세트를 포함할 수 있다. ITO, 얇은 금속 필름, 또는 다른 적절한 가시적으로 투명한 물질을 사용하여 제조될 수 있는 전극(120, 122)은 예시된 다양한 층 중 하나 이상에 대한 전기적 연결을 제공한다. 예를 들어, 구리, 은 또는 기타 금속의 얇은 필름은 이러한 금속이 가시 밴드의 빛을 흡수할 수 있지만 가시적으로 투명한 전극으로 사용하기에 적합할 수 있다. 약 1 nm 내지 약 200 nm(예를 들어, 약 5 nm, 약 10 nm, 약 15 nm, 약 20 nm, 약 25 nm, 약 30 nm, 약 35 nm)의 두께를 갖는 필름과 같은 박막으로 제공되는 경우 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), 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, 얇은 금속 필름은 투명 전극으로 사용될 때, 일부 반도체 투명 전도성 산화물이 상기 자외선 밴드에서 밴드 갭을 가질 수 있고 이에 따라 자외선을 잘 흡수하거나 자외선에 불투명할 수 있기 때문에 예를 들어, ITO와 같은 투명 전극으로 유용할 수 있는 일부 반도체 물질보다 상기 자외선 밴드에서 더 낮은 흡수를 나타낼 수 있다. 그러나 어떤 경우에는 자외선을 흡수하는 투명 전극을 사용하여 예를 들어, 하부 구성 요소로부터 자외선의 적어도 일부를 차단할 수 있는데, 그 이유는 자외선이 특정 물질을 분해할 수 있기 때문이다.
원자 층 증착, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 열 증발, 스퍼터 증착, 에피택시 등과 같은 진공 증착 기술을 포함하는 다양한 증착 기술이 투명 전극을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 스핀 코팅과 같은 용액 기반 증착 기술도 일부 경우에 사용될 수 있다. 또한, 투명 전극은 리소그래피, 리프트 오프, 에칭 등을 포함하는 미세 가공 기술을 사용하여 패턴화될 수 있다.
버퍼 층(130)과 버퍼 층(132) 및 광활성 층(140)은 상기 광전지 디바이스의 전기적 및 광학적 특성을 달성하기 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-접합 전지와 같은 직렬 디바이스 구성을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 광활성 층(들)(140)은 전자 공여체 물질 및 전자 수용체 물질(공여체 및 수용체로도 지칭됨)을 포함할 수 있다. 이러한 공여체 및 수용체는 가시적으로 투명하지만 상기 가시 파장 밴드 외부를 흡수하여 광전류를 생성할 수 있다.
버퍼 층(130)과 버퍼 층(132)은 전자 수송 층, 전자 차단 층, 정공 수송 층, 정공 차단 층, 여기자 차단 층, 광학 스페이서, 물리적 버퍼 층, 전하 재결합 층, 전하 생성 층 등으로 기능할 수 있다. 버퍼 층(130, 132)은 원하는 버퍼 효과를 제공하기 위해 임의의 적절한 두께를 가질 수 있고 선택적으로 존재하거나 부재할 수 있다. 버퍼 층(130)과 버퍼 층(132)은 존재하는 경우 약 1 nm 내지 약 100 nm의 두께를 가질 수 있다. 추가로, 버퍼 층(130)과 버퍼 층(132)은 일부 실시예에서 광활성 층에 상보적인 흡수율을 가질 수 있다. 풀러렌 물질, 탄소 나노튜브 물질, 그래핀 물질, 산화 몰리브덴, 산화 티타늄, 산화 아연 등과 같은 금속 산화물, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리스티렌 술폰산, 폴리아닐린 등과 같은 중합체, 공중합체, 중합체 혼합물, 바소쿠프로인과 같은 소분자를 비롯한 다양한 물질이 버퍼 층으로 사용될 수 있다. 버퍼 층은 증착 프로세스(예를 들어, 열 증착) 또는 용액 프로세싱 방법(예를 들어, 스핀 코팅)을 사용하여 형성될 수 있으며, 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)는 투명 전극(120), 광활성 층(140), 및 투명 전극(122)을 포함할 수 있는 반면, 기판(105), 광학적 층(110), 광학적 층(112), 광학적 층(114), 및 버퍼 층(130), 버퍼 층(132) 중 임의의 하나 이상은 선택적으로 포함되거나 제외될 수 있다.
도 1b는 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 광활성 층(들)(예를 들어, 광활성 층(140))의 다양한 구성을 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 공여체/수용체 구성에 해당할 수 있습니다. 상기 자외선 밴드 또는 상기 근적외선 밴드를 흡수하지만 상기 가시 밴드에서는 최소한으로만 흡수하는 물질과 같은 다양한 물질이 광활성 층(140)으로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 광활성 물질은 가시광을 가시광 투명도를 제공하기 위해 상대적으로 영향을 받지 않으면서 자외선 및/또는 근적외선 흡수를 통해 외부 회로에 전력을 공급하기 위한 전자-정공 쌍을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 광활성 물질은 광전류를 생성하기 위해 가시 스펙트럼에서 상당히 흡수할 수 있다. 예시된 바와 같이, 광활성 층(140)은 별개의 공여체 및 수용체 층을 포함하는 평면 헤테로접합을 포함할 수 있다. 광활성 층(140)은 대안적으로 별도의 공여체 및 수용체 층 및 혼합 공여체-수용체 층을 포함하는 평면 혼합 헤테로접합 구조를 포함할 수 있다. 광활성 층(140)은 대안적으로 완전히 혼합된 공여체-수용체 층 또는 다양한 상대 농도 구배를 갖는 혼합 공여체-수용체 층을 포함하는 것을 포함하는 혼합 헤테로접합 구조를 포함할 수 있다. 광활성 층(140)은 또한 서로 인접한 두 개의 벌크 헤테로접합을 포함하는 스택형 헤테로접합과 같은 두 개의 공여체/수용체 시스템을 포함하는 스택형 헤테로접합을 포함할 수 있다. 상기 벌크 헤테로접합은 동일한 공여체 물질 또는 동일한 수용체 물질 또는 상이한 공여체 및 수용체 물질을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 광활성 층(140)은 도 1b에 예시된 바와 같이 적절한 광전지 전력 생성 특성을 제공하기 위해 개별 서브 층 또는 층의 혼합물을 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 다양한 구성은 광전지 전력 생성에 사용되는 특정 공여체 및 수용체 물질에 기초하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 공여체와 수용체 조합은 특정 구성으로부터 이익을 얻을 수 있는 반면, 다른 공여체 및 수용체 조합은 다른 특정 구성으로부터 이익을 얻을 수 있다. 공여체 물질 및 수용체 물질은 적절한 광전지 전력 생성 특성을 제공하기 위해 임의의 비율 또는 농도로 제공될 수 있다. 혼합 층의 경우, 수용체에 대한 공여체의 상대 농도는 약 20:1 내지 약 1:20일 수 있다. 선택적으로, 공여체에 대한 수용체의 상대 농도는 약 10:1 내지 약 1:10일 수 있다. 선택적으로 공여체와 수용체는 1:1 비율일 수 있다.
테트라시아노 퀴노이드 티오펜 화합물, 테트라시아노 인다센 화합물, 카바졸 티아포르피린 화합물 및/또는 디티오펜 스쿠아린 화합물과 같은 다양한 화합물이 버퍼 층, 광학적 층 및/또는 광활성 층 중 하나 이상으로 사용될 수 있다. 이러한 화합물은 코어 구조의 전기적 및/또는 광학적 특성의 수정을 위해 적절하게 기능화 된 버전을 포함할 수 있다. 예로서, 개시된 화합물은 약 450 nm에서 약 650 nm로 가시 파장 밴드에서 흡수를 감소시키고 약 650 nm보다 큰 파장에서 NIR 밴드에서 흡수를 증가시키는 기능기를 포함할 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 흡수 피크를 특성으로 하는 물질을 포함한다. 근적외선 흡수 물질의 예는 프탈로시아닌, 포르피린, 나프탈로시아닌, 스쿠아레인, 붕소-디피로메텐, 나프탈렌, 릴렌, 페릴렌, 파라-페닐렌, 테트라시아노 퀴노이드 티오펜 화합물, 테트라시아노 인다센 화합물, 티오피린산 화합물, 메탈 디티올레이트, 벤조티아디아졸 함유 화합물, 디시아노메틸렌 인다논 함유 화합물, 이들의 조합 등을 포함한다. UV 흡수 물질의 예는 풀러렌, 릴렌, 페릴렌, 벤즈이미다졸, 헥사카르보니트릴, 트리아릴아민, 비스트리아릴아민, 페난트롤린, 이들의 조합 등을 포함한다.
본 명세서에 기술된 물질이 전자 공여체 또는 전자 수용체로서 투명한 광전지 디바이스에서 광활성 층으로서 혼입될 때, 층 두께는 전력 출력, 흡광도 또는 투과율을 변화시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 공여체 또는 수용체 층 두께를 늘리면 해당 층의 광 흡수가 증가할 수 있다. 광활성 층(140)은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있고 원하는 수준의 가시광 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, 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 조정가능하지 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, 여체 층 농도는 생성된 전류가 최대화되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 수용체 층 농도는 생성된 전류가 최대화되도록 선택된다.
일부 실시예에서, 전하 수집 효율은 전하 캐리어에 대한 증가된 "이동 거리" 뿐만 아니라 장치에 걸친 감소된 유효 필드로 인해 공여체 또는 수용체 두께가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 따라서 층 두께가 증가함에 따라 흡수를 증가시키는 것과 전하 수집 효율을 감소시키는 것 사이에 트레이드 오프가 있을 수 있다. 따라서, 단위 두께 당 증가된 광 흡수를 허용하기 위해 높은 흡수 계수 및/또는 농도를 갖는 본 명세서에 기재된 바와 같은 물질을 선택하는 것이 유리할 수 있다.
본 명세서에 기재된 물질로부터 형성된 개별 광활성 층 두께에 더하여, 투명한 광전지 디바이스에서 다른 층의 두께 및 조성은 또한 광활성 층 내의 흡수를 향상시키기 위해 선택될 수 있다. 다른 층(예를 들어, 버퍼 층, 전극 등)은 상기 얇은 필름 디바이스 스택 및 결과적인 광학 공동의 맥락에서 광학 특성(굴절률 및 소광 계수)에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 근적외선 흡수 광활성 층은 장치에 의해 생성되는 흡수 및 결과적인 광전류를 최대화하기 위해 흡수하는 근적외선 파장에 대한 광학 필드의 피크에 위치할 수 있다. 이것은 제2 광활성 층 및/또는 광학적 층을 스페이서로 사용하여 상기 광활성 층을 상기 전극으로부터 적절한 거리로 이격시킴으로써 달성될 수 있다. 유사한 방식을 자외선 흡수 광활성 층에 사용할 수 있다. 많은 경우에, 상기 더 긴 파장의 광학 필드의 피크는 상기 더 짧은 파장의 광학 필드의 피크와 비교하여 두 개의 투명 전극 중 더 반사적인 전극으로부터 더 멀리 위치될 수 있다. 따라서, 별도의 공여체 및 수용체 광활성 층을 사용할 때 공여체 및 수용체는 더 많은 반사성 전극에서 더 멀리 적색 흡수(더 긴 파장) 물질을 배치하고 더 많은 반사성 전극에 더 가까운 청색 흡수(더 짧은 파장) 물질을 배치하도록 선택할 수 있다. 대안적으로, 상기 공여체 및 수용체 층은 광전류 생성을 희생시키면서 보다 중성적인 색상을 달성하기 위해 전체 흡수를 조절하기 위해 반대 방향으로 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 광 흡수를 증가시키기 위해 공여체가 공여체 층에서 흡수하는 파장에서 광학 필드의 세기를 증가시키고, 따라서 공여체 층에 의해 생성된 전류를 증가시키기 위해 광학적 층이 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 흡수를 증가시키기 위해 수용체가 수용체 층에서 흡수하는 파장에서 광학 필드의 세기를 증가시키고, 따라서 수용체 층에 의해 생성된 전류를 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. 일부 실시예에서, 광학적 층은 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 가시 밴드에서 투과율의 균일성을 개선하기 위해 사용되는 가시적으로 흡수성인 물질을 포함할 수 있다.
선택적으로, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 스펙트럼 적용 범위를 향상시키는 것은 도 1a를 참조하여 설명된 바와 같이, 버퍼 층(130), 광활성 층(140), 버퍼 층(132)의 다중 스택형 인스턴스로서 포함될 수 있는 탠덤 셀(tandem cell)로 지칭되는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 다중 셀 직렬 스택의 사용에 의해 달성된다. 이 아키텍처는 예를 들어, 버퍼 층(들), 전하 재결합 층, 및/또는 얇은 금속 층의 조합에 의해 분리될 수 있는 하나 이상의 광활성 층을 포함한다. 이 아키텍처에서 각 서브 셀에서 생성된 전류는 대향 전극에 직렬로 흐르므로 셀의 순 전류는 예를 들어, 특정 서브 셀에서 생성된 가장 작은 전류에 의해 제한된다. 상기 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: VOC)은 서브 셀의 VOC의 합과 같다. 광전류를 생성하기 위해 태양 스펙트럼의 다른 영역에서 흡수하는 다른 공여체-수용체 쌍으로 제작된 서브 셀을 결합함으로써, 단일 셀의 VOC를 추가함으로써 단일 접합 셀에 비해 효율이 크게 향상될 수 있다.
도 2는 광 파장의 함수로서 투명한 광전지 디바이스의 예의 상기 태양 스펙트럼(210), 인간의 눈 감도(230), 및 상기 흡수 스펙트럼(220)을 도시하는 단순화된 플롯(200)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 약 450 nm 내지 약 650 nm 사이의 상기 가시 파장 밴드에서 낮고 균일한 흡수를 갖지만 UV 및 NIR 밴드, 즉 가시 파장 외부에서 강하게 흡수하여 가시작으로 투명한 광전지 작동을 가능하게 하는 투명 광전지 구조를 이용한다. 실시예에서 상기 자외선 밴드는 약 200 nm와 약 450 nm 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 지상에서 유용한 태양 복사는 약 280nm 미만의 파장을 가진 제한된 양의 자외선을 가질 수 있으며, 따라서 일부 실시예에서 상기 자외선 밴드 또는 자외선 영역은 약 280nm와 450nm 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 근적외선 밴드는 실시예에서 약 650 nm와 약 1400 nm 사이의 빛의 파장으로 설명될 수 있다. 본 명세서에 기재된 다양한 조성물은 UV 피크(222) 및/또는 NIR 피크(224)를 포함하는 흡수, 및 NIR 영역 또는 UV 영역에서의 것보다 작은 가시 밴드에서의 최대 흡수 강도를 나타낼 수 있다.
도 3은 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100)와 같은 특정 실시예에 따른 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(300)의 예의 단순화된 에너지 준위 도면이다. 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(300)는 투명 양극(310), 광활성 층(320), 및 투명 음극(330)을 포함할 수 있다. 광활성 층(320)은 적어도 공여체 물질(322) 및 수용체 물질(324)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 다양한 광활성 물질은 분자적 특성과 버퍼 층, 전극 등에 사용되는 물질의 종류에 따라 전자 공여체 또는 전자 수용체 특성을 나타낼 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 공여체 물질(322) 및 수용체 물질(324) 각각은 최고 점유 분자 궤도(Highest Occupied Molecular Orbital: HOMO) 준위 및 최저 비점유 분자 궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO) 준위를 가질 수 있다. 상기 HOMO 준위에서 상기 LUMO 준위로 전자의 전이는 광자의 흡수로 인해 발생할 수 있다. 물질의 상기 HOMO 준위와 상기 LUMO 준위 사이의 에너지 차이(즉, HOMO-LUMO 갭)는 대략 물질의 광학 밴드 갭의 에너지를 나타낸다. 본 명세서에 제공된 상기 투명 광전지 다비이스용 전자 공여체 및 전자 수용체 물질의 경우, 상기 전자 공여체 및 전자 수용체 물질에 대한 HOMO-LUMO 갭은 바람직하게는 상기 가시 범위에서 광자의 에너지 밴드 밖에 있다. 예를 들어, HOMO-LUMO 갭은 광활성 물질에 따라 상기 자외선 밴드 또는 상기 근적외선 밴드에 있을 수 있다. HOMO는 종래의 전도체 또는 반도체의 가전자 밴드(valence band)에 필적하는 반면, LUMO는 종래의 전도체 또는 반도체의 전도 밴드(conduction band)에 필적한다는 것이 이해될 것이다.
유기 반도체와 같은 많은 유기 분자의 좁은 흡수 스펙트럼은 단일 분자 종을 사용하여 전체 흡수 스펙트럼을 흡수하기 어렵게 만들 수 있다. 따라서 전자 공여체와 수용체 분자는 일반적으로 상보적인 흡수 스펙트럼을 제공하기 위해 쌍을 이루어 광 흡수의 스펙트럼 적용 범위를 증가시킨다. 또한, 상기 공여체 및 수용체 분자는 에너지 준위(HOMO 및 LUMO)가 서로에 대해 유리하게 놓이도록 선택된다. 공여체와 수용체의 LUMO 수준의 차이는 상기 공여체에서 생성된 전자-정공 쌍(여기자)의 해리에 대한 추진력을 제공하는 반면, 공여체와 수용체의 HOMO 수준의 차이는 상기 수용체에서 생성된 전자-정공 쌍(여기자)의 해리에 대한 추진력을 제공합니다. 일부 실시예에서, 수용체는 전자를 인접한 버퍼 층 또는 전극으로 효율적으로 수송하기 위해 높은 전자 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 도너는 인접한 버퍼 층 또는 전극으로 정공을 효율적으로 수송하기 위해 높은 정공 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: VOC)은 수용체의 LUMO 준위와 공여체의 HOMO 준위 사이의 차이에 정비례하는 것으로 나타났기 때문에, VOC를 증가시키기 위해 수용체의 LUMO 준위와 공여체의 HOMO 준위의 차이를 증가시키는 것이 유용할 수 있다. 광활성 층 내의 이러한 공여체-수용체 쌍은 본 발명에 기재된 물질 중 하나를 본 발명에에 기재된 상이한 가시적으로 투명한 광활성 화합물 또는 완전히 별개의 물질 시스템일 수 있는 상보적 물질과 적절하게 짝지음으로써 달성될 수 있다.
일반적으로 상기 양극 버퍼 층 또는 정공 수송 층 또는 전자 차단 층이라고 하는 상기 공여체에 인접한 버퍼 층은 버퍼 층의 HOMO 준위 또는 가전자 밴드(무기 물질의 경우)가 상기 공여체로부터 양극(310)(투명 전극)으로 정공을 수송하기 위해 상기 공여체의 HOMO 준위와 정렬되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 얕은 LUMO 준위를 갖는 것이 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 높은 정공 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다. 일반적으로 음극 버퍼 층 또는 전자 수송 층 또는 정공 차단 층이라고 하는 상기 수용체에 인접한 버퍼 층은 버퍼 층의 LUMO 준위 또는 전도 밴드(무기 물질의 경우)가 상기 수용체로부터 음극(330)(투명 전극)으로 전자를 수송하기 위해 상기 수용체의 LUMO 준위와 정렬되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 깊은 HOMO 레벨을 갖는 것이 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 버퍼 층이 높은 전자 이동도를 갖는 것이 유용할 수 있다.
도 4a 내지 도 4h는 상이한 전자 수용체 및 공여체 구성을 갖는 광활성 층의 예의 흡수 프로파일을 도시한다. 예를 들어, 도 4a에 표시된 예에서 상기 공여체 물질은 상기 NIR 밴드에서 흡수를 나타내는 반면, 상기 수용체 물질은 상기 UV 밴드에서 흡수를 나타낸다. 도 4b는 공여체 물질이 상기 UV 밴드에서 흡수를 나타내는 반면, 수용체 물질은 상기 NIR 밴드에서 흡수를 나타내는 도 4a에 도시된 구성과 반대의 구성을 도시한다.
도 4c는 공여체와 수용체 물질이 모두 상기 NIR 밴드에서 흡수를 나타내는 추가 구성을 보여준다. 도면에 도시된 바와 같이, 태양 스펙트럼은 상기 NIR 밴드에서 상당한 양의 복사를 나타내고 상기 자외선 밴드에서는 상대적으로 적은 양만 나타내므로 도 4c에 묘사된 구성은 태양 스펙트럼에서 많은 양의 에너지를 포착하는 데 유용하다. 상기 공여체가 상기 수용체에 대해 청색 편이된 도 4c에 도시된 구성과 반대로 상기 수용체가 상기 공여체에 대해 청색 편이된 도 4d에 도시된 예와 같이 공여체 및 수용체 물질 둘 모두가 상기 NIR 밴드에서 흡수를 나타내는 다른 실시예가 고려된다는 것이 이해될 것이다.
도 4e는 상기 공여체 물질이 상기 가시 밴드에서 흡수되는 반면, 상기 수용체는 상기 UV 밴드에서 흡수하는 구성을 묘사한다. 도 4f는 상기 수용체 물질이 상기 가시 밴드에서 흡수되는 반면, 상기 공여체가 상기 UV 밴드에서 흡수하는 반대 구성을 나타낸다.
도 4g는 상기 공여체 물질이 상기 가시 밴드에서 흡수되는 반면, 상기 수용체는 상기 NIR 밴드에서 흡수하는 구성을 묘사한다. 도 4h는 상기 수용체 물질이 상기 가시 밴드에서 흡수되는 반면, 상기 공여체가 상기 NIR 밴드에서 흡수하는 반대 구성을 나타낸다.
다양한 화합물이 위와 아래에 설명된 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 상기 광활성 화합물로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광활성 화합물은 선택적으로 상기 근적외선 밴드에서 피크 흡수를 나타낼 수 있다. 선택적으로, 상기 광활성 화합물은 상기 자외선 밴드에서 피크 흡수를 가질 수 있다. 원하는 광학 특성을 달성하기 위해 가시적으로 투명한 광활성 화합물은 자외선 또는 근적외선의 광자를 흡수하기 위한 분자 전자 구조를 가질 수 있으며, 이는 전자를 더 낮은 분자 궤도 수준에서 더 높은 분자 궤도 수준으로 촉진할 수 있으며, 이 때 상기 더 낮은 분자 궤도 준위와 상기 더 높은 분자 궤도 준위 사이의 에너지 차이는 상기 흡수된 광자의 에너지와 일치할 수 있다. 연장된 방향족성 또는 연장된 접합을 나타내는 화합물은 연장된 방향족성 또는 연장된 접합을 갖는 화합물이 자외선 및/또는 근적외선 광자와 일치하는 에너지로 전자 흡수를 나타낼 수 있기 때문에 유익하다. 그러나 일부 경우에 확장된 방향족성 또는 확장된 접합은 상기 가시 밴드(즉, 약 450 nm 내지 약 650 nm)에서도 흡수를 유발할 수 있다. 접합 및 방향족성 외에도 질소 또는 황 원자와 같은 가시적으로 투명한 광활성 화합물의 상기 유기 구조에 헤테로원자를 포함시켜 흡수 특성을 조절할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 흡수 특징은 금속 원자 및 유기 금속 결합의 존재 및 위치에 의해 조절될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 흡수 특징은 가시적으로 투명한 광활성 화합물의 코어 또는 서브 구조에 결합된 할로겐 원자, 알킬 기, 알콕시 기 등과 같은 전자 공여 또는 전자 끄는 기의 존재 및 위치에 의해 조절될 수 있다. 또한, 흡수 특징은 광활성 화합물 내의 전자 공여체 기 또는 전자 수용체 기의 존재에 의해 임의로 조절될 수 있다.
가시적으로 투명한 광전지 디바이스에서 광활성 층에 사용될 수 있는 광활성 화합물의 예는 퀴노이드 구조, 테트라시아노 퀴노이드 티오펜 구조, 테트라시아노 인다센 구조, 카르바졸 티아포르피린 구조 및 디티오펜 스쿠아린 구조를 포함하는 것을 포함한다.
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 사용되는 다른 층은 상기 투명한 광전지 디바이스의 작동에 적합한 조성 및 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 투명 유리, 투명 중합체 등을 포함하는 것과 같은 다양한 가시적으로 투명한 기판이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 가시적으로 투명한 기판는 근적외선(예를 들어, 650 nm보다 큰 파장을 갖는 빛) 및/또는 자외선(예를 들어, 450 nm보다 작은 파장을 갖는 빛)에 대해 투명할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 가시적으로 투명한 기판은 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 의한 광전지 에너지 생성에 적합한 근적외선 및/또는 자외선을 흡수하지 않을 수 있다. 그러나, 일부 실시예서, 상기 가시적으로 투명한 기판은 적외선 및/또는 자외선을 흡수할 수 있으며, 이는 예를 들어, 상기 가시적으로 투명한 기판이 전반적인 자외선 및/또는 적외선 투과를 방지하거나 감소시키기 위해 상기 광활성 층(들)을 통과한 후 과도한 적외선 또는 가시광선 입사 방사선을 차단하는 역할을 하는 구성에 유용할 수 있다. 유용한 가시적으로 투명한 기판은 약 50 nm 내지 약 30 mm의 두께를 갖는 것을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
가시적으로 투명한 전극의 예는 인듐 주석 산화물(Indume Tin Oxide: ITO) 또는 구리, 금, 은, 알루미늄 등과 같은 전도성 금속 또는 관련 금속 합금의 얇은 투명 필름을 포함한다. 상기 가시적으로 투명한 전극이 전도성 금속을 포함하는 경우, 상기 가시적으로 투명한 전극의 두께는 전도성 금속이 벌크에서 불투명할 수 있지만 얇은 필름으로 사용될 때 전도성 금속이 여전히 가시광의 투과를 허용할 수 있는 정도일 수 있다. 유용한 가시적으로 투명한 전극은 약 1 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 개시된 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스에 다른 층이 또한 존재할 수 있다. 예를 들어, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 제1 가시적으로 투명한 전극과 제1 가시적으로 투명한 광활성 층 사이에 배치된 제1 버퍼 층 및/또는 제1(또는 제2) 가시적으로 투명한 광활성 층 및 제2 가시적으로 투명한 전극과 같은 하나 이상의 버퍼 층을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 버퍼 층은 다양한 목적을 수행할 수 있고 다양한 조성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 상기 버퍼 층은 본 명세서에 기재된 광활성 물질 또는 화합물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 버퍼 층은 약 1 nm 내지 약 500 nm의 두께를 가질 수 있다.
태양 스펙트럼의 UV 및/또는 NIR 밴드에서 빛을 흡수하는 광활성 물질을 사용하여 제작된 TPV 디바이스는 주로 상기 UV 및/또는 NIR 밴드에서 흡수할 수 있으며, 상기 UV 또는 NIR 밴드에서 상기 태양 스펙트럼의 가시 밴드로 확장되는 흡수를 가질 수도 있다. 그 결과, 상기 TPV 물질 또는 디바이스는 불균일한 가시광 흡수로 인해 특정 색상을 나타낼 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 가시적으로 투명한 광전지 물질 및 디바이스가 구조 및 외부 세계의 외양에 덜 영향을 미칠 수 있도록 상기 가시적으로 투명한 광전지 물질 및 디바이스에 대해 중립 색을 달성하는 것이 종종 바람직하다.
색 중립인 가시적으로 투명한 광전지 물질 또는 디바이스를 특성화하는 몇 가지 방법이 있을 수 있다. 디바이스 또는 물질의 투과율 또는 흡수율이 30% 미만, 20% 미만, 10% 미만, 5% 미만 또는 평균 가시 투과율보다 낮은 다양성과 같이 상기 가시광 밴드 내에서 실질적으로 균일한 경우 상기 디바이스 또는 물질은 색 중립일 수 있다. 디바이스 또는 물질을 통과한 흰색 광선(다른 색상의 빛 조합 포함)이 흰색 또는 회색인 경우 디바이스 또는 물질은 색 중립일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 백색광에 의해 조명될 때, 디바이스 또는 물질에 의해 투과된 빛이 국제조명위원회(International Commission on Illumination, CIE) L*a*b*(CIELAB) 색 공간 또는 RGB 색 공간과 같은 색 공간의 특정 영역에 있는 경우, 디바이스 또는 물질은 색 중립일 수 있다.
도 5는 색을 설명하기 위한 CIELAB 색 공간을 도시한다. CIE L*a*b* (CIELAB) 색 공간은 사람의 눈에 보이는 색을 설명하며 디바이스 독립적인 모델이다. CIELAB 색 공간의 세 좌표는 색의 명도, 빨강/마젠타와 녹색 사이의 색 위치, 노랑과 파랑 사이의 색 위치를 나타낸다. CIELAB는 CIELAB 값의 동일한 수치적 변화량이 시각적으로 인지되는 변화량과 거의 동일하게 대응하도록 설계되었다. RGB 및 CMYK 색 모델과 달리 CIELAB 색 공간은 사람의 시각에 가깝게 설계되었다.
도 5와 같이 CIELAB 색 공간의 세 가지 좌표는 L*, a*, b*로 L*, a*, b*를 Hunter의 L, a, b와 구분하기 위해 “*”를 사용하였다. 명도 값 L*은 L* = 0에서 가장 어두운 검정색부터 L* = 100에서 가장 밝은 흰색까지의 범위에서 색의 밝기를 나타낸다. 상기 a* 축은 상기 녹색-적색 구성 요소를 나타내며 녹색은 음의 방향, 빨간색은 양의 방향이다. 상기 b* 축은 파란색-노란색 구성 요소를 나타내며 파란색은 음의 방향, 노란색은 양의 방향이다. 진정한 중립 회색 색상은 a* = 0 및 b* = 0으로 나타내어진다. 상기 a* 및 b* 축의 크기 조정 및 제한은 상기 특정 구현에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 일부 구현에서, a* 및 b* 값은 ±100 또는 -128 내지 +127(부호 있는 8비트 정수)의 범위에 있을 수 있다. L*, a* 및 b*에 대한 비선형 관계는 눈의 비선형 반응을 모방하기 위한 것이다.
일부 실시예에서, 색 중립 가시적으로 투명한 광전지 물질 또는 디바이스를 통한 투과 후 백색광의 a* 및 b* 값은 예를 들어, -5와 5 사이, -10과 10 사이, 또는 도 5에 표시된 a*-b* 평면의 특정 사분면(예를 들어, a* 및 b*이 모두 음수인 사분면 III)에 있을 수 있고, 이에 따라 상기 광전지 디바이스의 색 또는 상기 광전지 물질 또는 디바이스를 투과한 상기 백색광의 색 결과는 흰색 또는 회색에 가깝다.
일부 실시예에서, 투명 광전지 디바이스는 상기 UV 및/또는 NIR 밴드에서만 거의 광을 흡수하고 상기 가시 밴드에서는 전혀 또는 거의 흡수하지 않는 광활성 물질을 사용함으로써 색 중립 성능을 달성할 수 있다.
도 6은 유기 광전지(Organic Photovoltaic: OPV) 디바이스에 사용되는 물질의 예에 대한 투과 스펙트럼(또는 곡선)을 도시한다. 도 6의 스펙트럼(610) 내지 스펙트럼(650)는 각각 샘플 1 내지 샘플 5의 투과 계수를 보여준다. 도 6에 보여진 바와 같이, 샘플 1 및 샘플 4는 태양 스펙트럼의 가시 밴드에서 상대적으로 높고 평평한 투과 계수를 가질 수 있는 반면, 샘플 2, 샘플 3 및 샘플 5의 투과 계수는 상기 가시 밴드에서 큰 변동을 가질 수 있다. 따라서, 샘플 1 및 샘플 4는 주로 상기 UV 밴드에서 흡수할 수 있고 상기 가시 밴드에서 거의(및 상대적으로 균일) 흡수하지 않거나 전혀 흡수하지 않을 수 있다.
표 1은 도 6에 표시된 상기 OPV 디바이스에 사용된 물질 샘플에 대한 해당 L*, a* 및 b* 값을 보여준다. 표 1은 또한 물질 샘플에 대한 해당 R, G 및 B 값을 보여준다. 표 1과 같이 샘플 1과 샘플 4는 CIELAB 색 공간에서 [-5, 5] 이내, (0,0)에 가까운 a* 및 b* 값을 가지며 각각 r, g, b 값이 상기 RGB 색 공간에서 거의 동일하다. 샘플 2, 샘플 3 및 샘플 5는 a* 및 b* 값이 크므로 상기 CIELAB 색 공간에서 상기 L* 축(색 중립을 나타냄)에서 멀리 떨어져 있다. 샘플 2, 샘플 3 및 샘플 5는 각각 상기 r, g 및 b 값 중 적어도 두 개 사이에 큰 차이가 있을 수도 있다.
표 1 OPV 물질 샘플(Sample)의 색상 값
특정 실시예에 따르면, 투명 PV 물질 또는 디바이스에 대해 색 중립을 달성하기 위한 기술은 UV 및/또는 NIR 흡수를 위한 물질의 투과(흡수) 스펙트럼에 상보적인 투과(흡수) 스펙트럼을 갖는 가시적으로 흡수성인 물질을 사용하여 상기 가시 밴드의 전체 투과 스펙트럼 평탄도를 달성하는 것이다. 일부 실시예에서, 색 중립은 상기 가시 밴드의 적어도 일부 파장에서 감소된 투과율 및 그에 따른 감소된 AVT를 희생시키면서 달성될 수 있다.
도 7은 투명 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 물질의 예, 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 예, 그리고 특정 실시예에 따른 상기 TPV 물질과 가시적으로 흡수성인 물질의 조합에 대한 투과 스펙트럼(또는 곡선)을 도시하는 단순화된 플롯(700)이다. 도 7의 스펙트럼(710)은 약 450 nm 내지 약 650 nm와 같은 상기 가시 밴드에서 더 높은 투과율을 가질 수 있는 TPV 물질의 투과 스펙트럼에 대응한다. 그러나, 스펙트럼(710)에 의해 도시된 TPV 물질의 투과 스펙트럼은 가시 밴드에서 평평하지 않고, 따라서 TPV 물질은 중성색 이외의 색상을 나타낼 수 있다.
스펙트럼(720)은 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 원하는 투과 스펙트럼에 해당한다. 스펙트럼(720)은 상기 가시 밴드에서 스펙트럼(710)과 상보적일 수 있다. 예를 들어, 상기 TPV 물질은 450 nm에서 더 낮은 투과율(또는 더 높은 흡수율)을 가질 수 있는 반면, 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질은 450 nm에서 더 높은 투과율(또는 더 낮은 흡수율)을 가질 수 있다. 따라서, 450 nm에서, 상기 TPV 물질과 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 조합의 전체 투과율은 상기 TPV 물질의 투과율보다 약간 낮을 수 있다. 550nm에서, 상기 TPV 물질은 더 높은 투과율(또는 더 낮은 흡수율)을 가질 수 있는 반면, 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질은 더 낮은 투과율(또는 더 높은 흡수율)을 가질 수 있다. 따라서, 550 nm에서, 상기 TPV 물질과 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 조합의 전체 투과율은 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 투과율보다 약간 낮을 수 있다. 이와 같이, 상기 TPV 물질과 상기 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질의 조합의 투과 스펙트럼(730)은 각각의 개별 파장에서 스펙트럼(710)과 스펙트럼(720)의 곱일 수 있고 상기 가시 밴드에서 실질적으로 평평할 수 있다.
도 8은 특정 실시예에 따른 색 중립(color-neutral) 가시적으로 투명한 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스에 대한 투과 스펙트럼(810)의 예를 도시한다. 상기 색 중립 TPV 디바이스는 상기 UV 밴드에서 흡수하는 제1 광활성 물질, 상기 NIR 밴드에서 흡수하는 제2 광활성 물질을 포함할 수 있다. 색 중립 TPV 디바이스는 또한 상기 가시 밴드에서 흡수하는 제3 물질을 포함할 수 있다. 상기 제3 물질은 수동 또는 광활성일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제3 물질은 또한 상기 NIR 또는 UV 밴드에서 흡수율일 수 있다. 상기 제3 물질은 원점 (0,0)에서 상기 TPV 디바이스에 대한 a* 및 b* 값의 거리를 줄이기 위해 상기 색 중립 TPV 디바이스에 추가되어 상기 TPV 장치에 대한 상기 a* 및 b* 값을 a*-b* 평면에서 보다 바람직한 사분면(예를 들어, 음의 값의 a* 및 b*)으로 변경하거나, 예를 들어, 도 8에 보여진 바와 같이 약 450 nm 내지 약 650 nm의 값을 갖는 상기 AVT의 ±10% 이내와 같이 상기 가시 밴드 내에 상기 투과 스펙트럼의 변동을 줄일 수 있다. 또한 도 8에 보여진 바와 같이, 상기 물질 조합의 AVT는 상기 제3 물질에 의한 가시광선의 흡수로 인해 상기 제3 물질이 없는 경우보다 낮을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 또는 제2 물질은 둘 이상의 물질의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제3 물질은 둘 이상의 물질의 조합을 포함할 수 있다.
도 9는 특정 실시예에 따른 색 중립 가시적으로 투명한 광전지(Transparent Photovoltaic: TPV) 디바이스의 예에서 물질의 흡수 스펙트럼(또는 곡선)의 예를 도시한다. 상기 도시된 흡수 스펙트럼은 또한 물질의 파장 의존적 흡수 계수로 지칭될 수 있다. 상기 색 중립 TPV 디바이스는 예를 들어, 물질 1 내지 물질 n을 포함할 수 있으며, 이들의 흡수 스펙트럼은 도 9에 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 물질 1 및 물질 2는 상기 TPV 디바이스에서 활성 물질(예를 들어, 공여체 및 수용체 물질)일 수 있다. 예를 들어, 물질 1은 전자 수용체 물질일 수 있고 스펙트럼(910)에 의해 도시된 바와 같은 상기 UV 밴드 및/또는 스펙트럼(915)에 의해 도시된 바와 같은 상기 NIR 밴드에서 흡수할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 수용체 물질은 물질 1.1(예를 들어, 상기 UV 밴드에서 광활성) 및 물질 1.2(예를 들어, 상기 NIR 밴드에서 광활성)와 같은 두 개 이상의 물질의 조합을 포함할 수 있다. 물질 2는 전자 공여체 물질일 수 있고 스펙트럼(920)에 의해 도시된 바와 같이 태양 스펙트럼의 상기 NIR 밴드에서 흡수할 수 있다. 물질 3, 물질 4, ..., 및 물질 n은 가시적으로 흡수성인 물질일 수 있으며, 여기서 물질 3 내지 물질 n의 물질 또는 둘 이상의 물질 조합은 상기 가시 밴드에서 물질 1 및 물질 2의 결합된 흡수 스펙트럼에 상보적인 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 상기 물질 1 및 물질 2와 물질 3 내지 물질 n 중 적어도 하나의 조합은 태양 스펙트럼의 상기 가시 밴드에서 실질적으로 평평한 투과 스펙트럼을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 물질 3 내지 물질 n은 또한 상기 NIR 또는 UV 밴드에서 흡수율일 수 있다.
도 10은 특정 실시예에 따른 TPV 물질의 예 및 색 중립 TPV 디바이스에서 가시적으로 흡수성인 물질의 예의 흡수 스펙트럼(또는 곡선)을 도시한다. 상기 도시된 흡수 스펙트럼은 또한 물질의 파장 의존적 흡수 계수로 지칭될 수 있다. 스펙트럼(1010)은 TPV 물질 1에 대한 흡수 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼(1020) 및 스펙트럼(1030)은 각각 가시적으로 흡수성인 물질 2 및 물질 3의 흡수 스펙트럼을 보여준다.
도 10에 도시된 예에서, TPV 물질 1은 상기 활성 물질 중 하나(예: 도너 또는 억셉터 물질)가 상기 NIR 밴드에서 흡수할 수 있고 상기 다른 활성 물질(예를 들어, 공여체 또는 수용체 물질)이 상기 UV 밴드에서 흡수할 수 있는 투명 활성 물질이다. 상기 활성 물질 중 적어도 하나는 상기 태양 스펙트럼의 상기 가시 밴드의 빛을 적어도 부분적으로 흡수할 수 있다. TPV 물질 1의 예에는 UE-D-100 및 벅민스터풀러렌(buckminsterfullerene)(C60)과 같은 활성 물질이 포함된다. 도 10에 도시된 실시예 및 본 명세서에 포함된 다른 도면에서는 D-100이 예시적인 공여체로 도시되어 있지만, 본 발명의 실시예는 특정 예 및 다른 공여체 및/또는 이들의 조합으로 제한되지 않으며, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 활용될 수 있고 본 발명의 범위 내에 포함된다. 유사하게, 본 발명은 본 도면에 도시된 예시적인 수용체에 제한되지 않으며, 다른 수용체 및 수용체의 조합이 본 발명의 범위 내에 포함된다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. TPV 물질 1은 상기 가시 밴드에서 TPV 물질의 흡수 스펙트럼에 상보적인 결합된 흡수 스펙트럼을 갖는 하나 이상의 물질(예를 들어, C70 또는 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 비스벤즈이미다졸(Perylenetetracarboxylic Bisbenzimidazole: PTCBI))과 쌍을 이룰 수 있다. 예를 들어, C70은 상기 UV 밴드와 상기 가시 밴드에서 흡수할 수 있고, PTCBI는 상기 가시 밴드와 상기 NIR 밴드에서 흡수할 수 있다.
도 11a 내지 도 11h는 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV 디바이스의 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다. 도 11a 내지 도 11h에 도시된 예에서, 색 중립 TPV 디바이스는 각각 적어도 공여체 물질, 수용체 물질, 및 가시광 흡수 색 중립화 물질을 포함할 수 있는 세 개 이상의 물질을 포함한다. 상이한 디바이스에서, 세 개 이상의 물질의 조성 및 에너지 준위, 및 디바이스에서 세 개 이상의 물질 층의 구성 또는 스택 업이 상이할 수 있다. 도 11a 내지 도 11h에 도시된 예에서, 제1 및 제2 물질은 상기 UV 밴드 및 NIR 밴드에서 빛을 흡수할 수 있는 공여체 및 수용체 물질일 수 있고, 물질 3은 상기 가시 밴드에서 흡수일 수 있다. 일부 실시예에서, 물질 3 및 물질 4는 또한 전자 공여체 또는 수용체로서 작용할 수 있다. 도 11a 내지 도 11h에 도시되지 않았지만, 도 11a 내지 도 11h에 도시된 상기 색 중립 TPV 디바이스는 도 1a 및 도 3과 관련하여 도시되고 논의된 바와 같은 하나 이상의 버퍼 층과 같은 물질의 일부 다른 층을 포함할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 에너지 준위 정렬 및 색 중립 TPV 디바이스(1100)의 예의 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1100)는 제1 전극(1102)(예를 들어, 양극), 제1 물질(1104)(예를 들어, 공여체 물질), 제2 물질(1106)(예를 들어, 수용체 물질), 제2 전극(1108)(예를 들어, 음극) 및 제3 물질(1110)을 포함한다. 제2 물질(1106)은 제1 물질(1104)의 HOMO 준위보다 더 깊은(즉, 더 낮은) HOMO 준위 및 물질 1 및 물질 2에서 생성된 여기자의 해리를 용이하게 하기 위해 제1 물질(1104)의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1100)에서, 제3 물질(1110)는 제1 전극(1102)과 제2 전극(1108) 사이에 있지 않다. 제3 물질(1110)은 색 중립 TPV 디바이스(1100)의 색을 중화시키기 위한 광학적 층으로 사용될 수 있지만, 광전류에는 기여하지 않을 수 있다. 제3 물질(1110)은 광전류에 기여하지 않기 때문에, 그 에너지 준위는 제1 물질(1104) 및 제2 물질(1106)의 에너지 준위에 관계없이 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 물질(1110)은 가시광을 흡수할 수 있지만 광전류를 생성하지 않을 수 있는(예를 들어, 대신에 열을 생성할 수 있는) 수동 물질일 수 있다.
도 11c 및 도 11d는 에너지 준위 정렬 및 색 중립 TPV 디바이스(1120)의 예의 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1120)는 또한 제1 전극(1122)(예를 들어, 양극), 제1 물질(1126)(예를 들어, 공여체 물질), 제2 물질(1128)(예를 들어, 수용체 물질), 제2 전극(1130)(예를 들어, 음극), 및 제1 전극(1122)과 제1 물질(1126) 사이의 제3 물질(1124)을 포함한다. 제2 물질(1128)는 물질 1 및 물질 2에서 생성된 여기자의 해리를 용이하게 하기 위해 제1 물질(1126)의 HOMO 준위보다 더 깊은(즉, 더 낮은) HOMO 준위 및 제1 물질(1126)의 LUMO 준위보다 더 깊은(즉, 더 낮은) LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1120)에서, 제3 물질(1124)은 제1 전극(1122)(예를 들어, 양극)과 제1 물질(1126)(예를 들어, 공여체 물질) 사이에 평면 층을 형성할 수 있다. 제3 물질(1124)은 양호한 정공 수송 물질일 수 있고, 제3 물질(1124)의 HOMO 준위는 제1 물질(1126)의 HOMO 준위보다 더 얕거나 같을 수 있으므로 제1 물질(1126)로부터 제3 물질(1124) 및 제1 전극(1122)으로 정공을 수송하기 위한 에너지 장벽이 없다. 일부 실시예에서, 제3 물질(1124)은 정공 터널링을 허용하기에 충분히 얇을 수 있다. 따라서, 제1 물질(1126) 옆에 배치될 때, 제3 물질(1124)은 광 발생 정공을 양극(예를 들어, 제1 전극(1122))으로 수송할 수 있다. 일부 실시예에서, 색 중립화 층이 도핑될 수 있다.
일부 실시예에서, 제3 물질(1124)의 LUMO 준위는 도 11c에 도시된 바와 같이 제1 물질(1126)의 LUMO 준위보다 더 깊을 수 있다(즉, 더 낮을 수 있다). 일부 실시예에서, 제3 물질(1124)의 방출 스펙트럼은 제1 물질(1126) 또는 제2 물질(1128)의 흡수 스펙트럼과 중첩될 수 있고, 따라서 제3 물질(1124)은 광전류에 기여할 수 있다.
도 11e 및 도 11f는 색 중립 TPV 디바이스(1140)의 예의 에너지 준위 정렬 및 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1140)는 또한 제1 전극(1142)(예를 들어, 양극), 제1 물질(1144)(예를 들어, 공여체 물질), 제2 물질(1146)(예를 들어, 수용체 물질), 제2 전극(1150)(예를 들어, 음극), 및 제2 전극(1150)과 제2 물질(1146) 사이의 제3 물질(1148)을 포함한다. 제2 물질(1146)은 물질 1 및 물질 2에서 생성된 여기자의 해리를 용이하게 하기 위해 제1 물질(1144)의 HOMO 준위보다 더 깊은 HOMO 준위 및 제1 물질(1144)의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1140)에서, 제3 물질(1148)은 우수한 전자 수송 물질일 수 있고, 제2 물질(1146)로부터 제3 물질(1148) 및 제2 전극(1150)으로의 전자 수송을 위한 에너지 장벽이 없도록 제2 물질의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 물질(1148)은 정공 터널링을 허용하기에 충분히 얇을 수 있다. 따라서, 제3 물질(1148)이 제2 물질(1146)(예를 들어, 수용체 물질) 옆에 배치될 때, 제3 물질(1148)은 에너지 장벽 없이 광 생성 전자를 음극(예를 들어, 제2 전극(1150))로 수송할 수 있다. 일부 실시예에서, 색 중립화 층이 도핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 물질(1148)의 상기 방출 스펙트럼은 제1 물질(1144) 또는 제2 물질(1146)의 상기 흡수 스펙트럼과 중첩될 수 있고, 따라서 제3 물질(1148)은 광전류에 기여할 수 있다.
도 11g 및 도 11h는 색 중립 TPV 디바이스(1160)의 예의 상기 에너지 준위 정렬 및 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1160)는 또한 제1 전극(1162)(예를 들어, 양극), 제1 물질(1166)(예를 들어, 공여체 물질), 제2 물질(1168)(예를 들어, 수용체 물질), 제2 전극(1170)(예를 들어, 음극), 제1 전극(1162)과 제1 물질(1164) 사이의 제3 물질(1164), 및 제2 전극(1170)과 제2 물질(1168) 사이의 제4 물질(1172)을 포함할 수 있다. 제3 물질(1164) 및 제4 물질(1172)은 공여체 및 수용체의 어느 한 면에서 평면 층으로서 사용되어 전체 색 중립 TPV를 달성할 수 있다. 제3 물질(1164)은 에너지 장벽 없이 양극으로 정공을 수송하기 위해 제1 물질(1166)과 유사하거나 더 얕은 HOMO 준위를 가질 수 있다. 제4 물질(1172)은 에너지 장벽 없이 음극으로 전자를 효율적으로 수송하기 위해 제2 물질(1168)과 비교하여 유사하거나 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
도 12a 내지 도 12j는 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV 디바이스의 일부 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다. 도 12a 내지 도 12j에 도시된 예에서, 색 중립 TPV 디바이스는 각각 적어도 공여체 물질, 수용체 물질, 및 가시광 흡수 색 중립 물질을 포함할 수 있는 세 개 이상의 물질을 포함한다. 상이한 장치에서, 세 개 이상의 물질의 조성 및 에너지 준위, 및 디바이스에서 세 개 이상의 물질 층의 구성 또는 스택 업이 상이할 수 있다. 도 12a 내지 도 12j에 도시된 예에서, 상기 제1 및 제2 물질은 상기 UV 밴드 및 NIR 밴드의 광을 흡수할 수 있는 공여체 및 수용체 물질일 수 있고, 도 1b와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이 혼합 헤테로접합, 벌크 헤테로접합 또는 구배 헤테로접합을 형성하도록 혼합될 수 있다. 상기 제3 물질은 상기 가시 밴드에서 흡수율일 수 있고, 일부 실시예에서 상기 NIR 또는 UV 밴드에서도 흡수율일 수 있다. 도 12a 내지 12j에 도시되지 않았지만, 도 12a 내지 12j에 도시된 상기 색 중립 TPV 디바이스는 도 1a 및 도 3과 관련하여 도시되고 논의된 바와 같은 하나 이상의 버퍼 층과 같은 물질의 일부 다른 층을 포함할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 상기 에너지 준위 정렬 및 색 중립 TPV 디바이스(1200)의 예의 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1200)는 제1 전극(1202)(예를 들어, 양극), 제2 물질(1208)과 혼합된 제1 물질(1206), 제2 전극(1210)(예를 들어, 음극), 및 제1 전극(1202) 사이의 제3 물질(1204) 및 제1 물질(1206) 및 제2 물질(1208)에 의해 형성된 혼합 헤테로접합을 포함할 수 있다. 제2 물질(1208)은 제1 물질(1206)의 HOMO 준위보다 더 깊은 HOMO 준위를 가질 수 있고 제1 물질(1206)의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1200)에서, 제3 물질(1204)은 평면 층을 형성할 수 있고 우수한 정공 수송 물질일 수 있다. 제3 물질(1204)의 HOMO 준위는 제1 물질(1206)의 HOMO 준위로부터 제3 물질(1204)의 HOMO 준위 및 상기 양극(예를 들어, 제1 전극(1202))으로의 정공 수송을 위한 에너지 장벽이 없도록 제1 물질(1206)의 HOMO 준위보다 얕거나 같을 수 있다. 따라서, 제1 물질(1206)(예를 들어, 공여체 물질) 옆에 배치될 때, 제3 물질(1204)은 양극(예를 들어, 제1 전극(1202))로 광 발생 정공을 수송할 수 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이 제3 물질(1204)의 LUMO 준위가 제2 물질(1208)(예를 들어, 수용체 물질)의 LUMO 준위보다 얕은 실시예에서, 제3 물질(1204)에서 생성된 여기자는 제2 물질(1208)과 제2 물질(1208)과 제3 물질(1204) 사이의 표면에서 해리될 수 있고 이에 따라 제3 물질(1204)은 광전류에 기여할 수 있다. 제3 물질(1204)의 LUMO 준위가 제2 물질(1208)의 LUMO 준위보다 더 깊거나 같으면, 제3 물질(1204)은 광전류에 기여하지 않을 수 있다.
도 12c 및 도 12d는 에너지 준위 정렬 및 색 중립 TPV 디바이스(1220)의 예의 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1220)는 또한 제1 전극(1222)(예를 들어, 양극), 제2 물질(1226)과 혼합된 제1 물질(1224), 제2 물질(1230)(예를 들어, 음극), 및 제2 전극(1230) 사이의 제3 물질(1228)과 제1 물질(1224) 및 제2 물질(1226)에 의해 형성된 혼합 헤테로접합 포함할 수 있다. 제2 물질(1226)는 제1 물질(1224)의 HOMO 준위보다 더 깊은 HOMO 준위을 가질 수 있고 제1 물질(1224)의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1220)에서, 제3 물질(1228)은 평면 층을 형성할 수 있고 우수한 전자 수송 물질일 수 있다. 제3 물질(1228)의 LUMO 준위는 제2 물질(1226)의 LUMO 준위로부터 제3 물질(1228)의 LUMO 준위 및 음극(예를 들어, 제2 전극(1230))으로의 전자 수송을 위한 에너지 장벽이 없도록 제2 물질(1226)의 LUMO 준위보다 더 깊거나 같을 수 있다. 따라서, 제2 물질(1226)(예를 들어, 수용체 물질) 옆에 배치될 때, 제3 물질(1228)은 광 발생 전자를 음극(예를 들어, 제2 전극(1230))으로 수송할 수 있다. 제3 물질(1228)의 HOMO 준위가 제1 물질(1224)(예를 들어, 공여체 물질)의 HOMO 준위보다 더 깊은 실시예에서, 제3 물질(1228)에서 생성된 여기자는 제1 물질(1224)과 제3 물질(1228) 사이의 표면에서 해리될 수 있고, 따라서 제3 물질(1228)은 광전류에 기여할 수 있다. 제3 물질(1228)의 HOMO 준위가 제1 물질(1224)의 HOMO 준위보다 얕거나 같으면, 제3 물질(1228)은 광전류에 기여하지 않을 수 있다.
도 12e 및 도 12f는 색 중립 TPV 디바이스(1240)의 예의 에너지 준위 정렬 및 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1240)는 제1 전극(1242)(예를 들어, 양극), 제2 물질(1246)과 혼합된 제1 물질(1244), 제4 물질(1250)과 혼합된 제3 물질(1248) 및 제2 전극(1252)(예를 들어, 음극)을 포함할 수 있다. 제2 물질(1246)은 제1 물질(1244)의 HOMO 준위보다 더 깊은 HOMO 준위 및 제1 물질(1244)의 LUMO 준위보다 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1240)에서, 제1 물질(1244)의 HOMO 준위는 제3 물질(1248)로부터 양극(예를 들어, 제1 전극(1242))으로의 정공 수송에 대한 장벽이 없도록 제3 물질(1248)의 HOMO 준위보다 얕거나 같을 수 있다. 유사하게, 제4 물질(1250)의 LUMO 준위는 제2 물질(1246)로부터 양극(예를 들어, 제2 전극(1252))으로의 전자 수송에 대한 장벽이 없도록 제2 물질(1246)의 LUMO 준위보다 더 깊거나 같을 수 있다. 따라서, 모든 네 가지 물질은 색 중립 TPV 디바이스(1240)에서 광전류에 기여할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 물질(1244) 및 제3 물질(1248)은 동일한 공여체 물질일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 물질(1246) 및 제4 물질(1250)은 동일한 공여체 물질일 수 있다. 네 가지 물질은 색 중립 TPV 디바이스(1240)에 대한 전체 중립 색을 달성하기 위해 상기 가시 밴드에서 상보적 흡수 스펙트럼을 가질 수 있도록 선택될 수 있다.
도 12g 및 도 12h는 색 중립 TPV 디바이스(1260)의 예의 에너지 준위 정렬 및 구조를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1260)는 제1 전극(1262)(예를 들어, 양극), 제2 물질(1266)과 혼합된 제1 물질(1264), 제3 물질(1268), 제4 물질(1270), 및 제2 전극(1272)(예를 들어, 음극)을 포함할 수 있다. 제3 물질(1268) 및 제4 물질(1270)은 공여체 및 수용체의 어느 한 면에서 평면 층으로서 사용되어 전체적인 색 중립 TPV를 달성할 수 있다. 제3 물질(1168)은 에너지 장벽 없이 양극으로 정공을 수송하기 위해 제1 물질(1164)과 유사하거나 더 얕은 HOMO 준위를 가질 수 있다. 제4 물질(1270)은 에너지 장벽 없이 음극으로 전자를 효율적으로 수송하기 위해 제2 물질(1266)과 비교하여 유사하거나 더 깊은 LUMO 준위를 가질 수 있다.
도 12i 및 도 12j는 색 중립 TPV 디바이스(1280)의 예의 에너지 준위 정렬 및 구조를 예시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1280)는 제1 전극(1282)(예를 들어, 양극), 제2 물질(1286)과 혼합된 제1 물질(1284), 제3 물질(1290), 및 제2 전극(1290)(예를 들어, 음극)을 포함할 수 있다. 색 중립 TPV 디바이스(1280)에서, 제3 물질(1290)은 제1 전극(1282)과 제2 전극(1288) 사이에 있지 않다. 제3 물질(1290)은 색 중립 TPV 디바이스의 색상을 중화시키기 위한 광학적 층으로 사용될 수 있으나, 광전류에는 기여하지 않을 수 있다. 제3 물질(1290)은 광전류에 기여하지 않기 때문에, 그 에너지 준위는 제1 물질(1284) 및 제2 물질(1286)의 에너지 준위에 관계없이 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 물질(1290)은 가시광을 흡수할 수 있지만 광전류를 생성하지 않을 수 있는(예를 들어, 대신에 열을 생성할 수 있는) 수동 물질일 수 있다.
도 13a 내지 도 13b는 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV 디바이스(1300)의 예의 디바이스 구성 및 에너지 준위 정렬을 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1300)는 적어도 공여체 물질, 수용체 물질 및 가시광 흡수 색 중립화 물질을 포함할 수 있는 세 개 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 물질은 상기 UV 밴드 및 NIR 밴드의 광을 흡수할 수 있는 공여체 물질 및 수용체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제3 물질은 상기 가시 밴드에서 흡수율일 수 있고, 일부 실시예에서 상기 NIR 및/또는 UV 밴드에서도 흡수율일 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 물질은 도 1b와 관련하여 묘사한 바와 같이 삼원 블렌드를 형성하기 위해 혼합될 수 있다.
색 중립 TPV 디바이스(1300)는 제1 전극(1302)(예를 들어, 양극), 제2 전극(1310), 및 제1 물질(1304), 제2 물질(1306), 및 제3 물질(1308)의 삼원 혼합물을 포함할 수 있다. 삼원 혼합에서는 세 가지(또는 그 이상) 물질이 모두 함께 혼합된다. 제1 물질(1304) 및 제2 물질(1306)은 투명 PV의 활성 물질이며 광전류에 기여할 수 있다. 제3 물질(1308)은 전술한 바와 같이 제1 물질(1304) 및 제2 물질(1306)과의 에너지 준위 정렬에 따라 광전류에 기여하거나 기여하지 않을 수 있다. 도 13a 및 도 13b에 도시되지 않았지만, 색 중립 TPV 디바이스(1300)는 도 1a 및 도 3과 관련하여 도시되고 논의된 바와 같은 하나 이상의 버퍼 층과 같은 물질의 일부 다른 층을 포함할 수 있다.
도 11a 내지 도 13의 상기 색 중립 TPV 디바이스와 관련하여 위에서 설명한 물질의 다양한 조합은 전기적으로 반전된 디바이스 및 탠덤 디바이스에서도 사용될 수 있다. 위에서 설명한 구조에 따른 디바이스의 몇 가지 예가 만들어지고 측정된다.
도 14는 특정 실시예에 따른 가시광 흡수 광학적 층(1470)을 포함하는 색 중립 TPV 디바이스(1400)의 예를 도시한다. 색 중립 TPV 디바이스(1400)는 도 11a 및 도 11b와 관련하여 위에서 설명된 색 중립 TPV 디밥이스(1100)의 특정 예일 수 있다. 도시된 바와 같이, 색 중립 TPV 디바이스(1400)는 또한 투명 기판(1410)(예를 들어, 유리 기판), 제1 전극(1420), 정공 수송 층(1430), 혼합 전자 공여체 및 수용체 층(예를 들어, Donor:C60)을 포함하는 광전지 물질 층(1440), 전자 수송(또는 버퍼) 층(1450), 및 예를 들어, 얇은 ITO 층 및/또는 Ag 층을 포함할 수 있는 제2 전극(1460)(예를 들어, 음극)을 포함할 수 있다. 상기 광전지 물질 층은 상기 UV 및 NIR 밴드의 빛을 흡수하여 광전류를 생성할 수 있다.
가시광 흡수 광학적 층(1470)은 예를 들어, 페릴렌테트라카르복실산 비스벤즈이미다졸(Perylenetetracarboxylic Bisbenzimidazole: PTCBI)를 포함할 수 있다:
PTCBI는 가시광과 근적외선을 흡수할 수 있다. 가시광 흡수 광학적 층(1470)은 색 중립 TPV 디바이스(1400)의 색을 중화시키기 위한 광학적 층으로 사용될 수 있으나, 광전류에는 기여하지 않을 수 있다. 가시광 흡수 광학적 층(1470)은 광전류에 기여하지 않기 때문에 그 에너지 준위는 어디에나 있을 수 있다. 가시광 흡수 광학적 층(1470)의 두께는 색 중립 TPV 디바이스(1400)의 전체 광 흡수 스펙트럼을 조정하도록 조정될 수 있다.
도 15는 특정 실시예에 따라 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 TPV 디바이스(예를 들어, 색 중립 TPV 디바이스(1400))의 예의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 도시한다. 예를 들어, 스펙트럼(1510)은 색 중립 TPV 디바이스(1400)에 PTCBI 층(예를 들어, 가시광 흡수 광학적 층(1490))이 없을 때 색 중립 TPV 디바이스(1400)의 투과 스펙트럼을 나타낸다. 스펙트럼(1520) 내지 스펙트럼(1560)은 PTCBI 층(예를 들어, 가시광 흡수 광학적 층(1490))이 각각 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40, nm 및 50 nm의 두께를 가질 때 색 중립 TPV 디바이스(1400)의 투과 스펙트럼을 보여줍니다. 도시된 바와 같이, PTCBI 층의 두께를 증가시키면 상기 가시 및 NIR 밴드에서 색 중립 TPV 디바이스의 흡수가 증가할 수 있다. 도 15에 도시된 예에서, PTCBI 층이 약 50nm일 때, 색 중립 TPV 디바이스(1400)는 상기 가시 밴드에서 실질적으로 평평한 투과 스펙트럼을 가질 수 있다.
도 16은 특정 실시예에 따른 상이한 두께를 갖는 가시광 흡수 광학적 층을 포함하는 색 중립 TPV 디바이스(예를 들어, 색 중립 TPV 디바이스(1400))의 예를 통해 투과되는 가시광의 색 좌표의 예를 도시한다. 예를 들어, 스펙트럼(1610)은 서로 다른 두께(예를 들어, 0 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm 및 50 nm)의 PTCBI 층을 갖는 색 중립 TPV 디바이스를 통해 투과한 후 백색광의 시뮬레이션된 a* 값을 보여주고 이에 따라 다른 AVT 값이 도 15에 표시되어 있다. 스펙트럼(1620)은 서로 다른 두께(예를 들어, 0 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm 및 50 nm)의 PTCBI 층을 갖는 색 중립 TPV 디바이스를 통해 투과한 후 백색광의 시뮬레이션된 b* 값을 보여주고 이에 따라 같은 AVT 값이 도 15에 표시되어 있다. 도시된 바와 같이, PTCBI 층이 약 50 nm일 때, 색 중립 TPV 디바이스를 투과한 백색광의 a* 및 b* 값은 [-5, 5] 이내와 같이 (0, 0)에 가까울 수 있으며, 이는 또한 장치가 색 중립임을 나타낸다.
도 17은 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV 디바이스의 예의 실험적으로 측정된 투과 스펙트럼(1710)을 도시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 색 중립 TPV 디바이스는 상기 색 중립 TPV 디바이스의 층 스택에서 상기 UV/NIR 흡수 물질에 상보적인 흡수 스펙트럼을 갖는 가시적으로 흡수성인 물질을 포함할 수 있다. 상기 가시적으로 흡수성인 물질과 상기 UV/NIR 흡수 물질은 평평한 투과 스펙트럼을 생성하고 중립 투과 색(neutral transmitted color)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이 상기 가시 밴드에서 UE-D-100:C60에 대한 PTCBI의 상보적 흡수 특성으로 인해 상기 가시 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 투과 스펙트럼(1710)이 달성될 수 있으며, 이는 중립 투과 색을 초래할 수 있다.
도 18은 특정 실시예에 따른 색 중립 TPV 디바이스를 제조하기 위한 방법의 예를 도시하는 단순화된 흐름도(1800)이다. 흐름도(1800)는 투명 기판이 제공되는 블록(1805)에서 시작할 수 있다. 유용한 투명 기판은 유리, 플라스틱, 석영 등과 같은 가시적으로 투명한 기판을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 유연성 및 강성 기판은 다양한 실시예에서 유용하다. 선택적으로, 상기 투명 기판에는 상부 및/또는 하부 표면에 적용된 하나 이상의 광학적 층이 제공된다.
블록(1810)에서, 하나 이상의 광학적 층이 상기 투명 기판의 상부 및/또는 하부 표면과 같은 상기 투명 기판 상에 또는 그 위에 선택적으로 형성된다. 선택적으로, 상기 하나 이상의 광학적 층은 투명 전도체와 같은 물질또는 중간 층과 같은 다른 물질 위에 형성된다. 선택적으로, 상기 하나 이상의 광학적 층은 가시적으로 투명한 기판에 인접하여 및/또는 이와 접촉하여 위치된다. 상기 광학적 층의 형성은 선택적이며, 일부 실시예는 상기 투명 기판에 인접하고/하거나 상기 투명 기판과 접촉하는 광학적 층을 포함하지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 광학적 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 및 원자 층 증착, 또는 열 증착, 전자 빔 증착, 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 이온 빔 증착, 그리고 전자 분무 증착과 같은 더 물리적인 증착 방법을 포함하여 형성될 수 있다. 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 여기에 설명된 가시적으로 흡수성인 물질을 포함할 수 있다.
블록(1815)에서, 투명 전극이 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 예를 들어, 얇은 금속 필름(예를 들어, Ag, Cu 등), 얇은 금속 필름(예를 들어, Ag, Cu 등)으로 구성된 다중 스택, 유전 물질, 또는 전도성 유기 물질(예를 들어, 전도성 폴리머 등)과 같은 상기 투명 전극은 인듐 주석 산화물 얇은 필름 또는 다른 투명 전도 필름을 포함할 수 있다. 상기 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(1820)에서, 상기 투명 전극과 같이 하나 이상의 버퍼 층이 선택적으로 형성된다. 버퍼 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 및 원자 층 증착과 같은 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 제한되지는 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 완충 층, 전하 재결합 층, 또는 전하 생성 층으로서 기능하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 버퍼 층은 본 발명에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 임의로 포함할 수 있다.
블록(1825)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 층(예를 들어, UE-D-100:C60)을 포함할 수 있다. 유용한 광활성 층은 본 명세서에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함하는 것을 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 일부 실시예에서, 상기 광활성 층은 또한 중립 투과 색을 달성하기 위해 상기 가시 밴드에서 가시적으로 투명한 광활성 화합물의 투과 스펙트럼에 상보적인 투과 스펙트럼을 가질 수 있는 가시적으로 흡수성인 물질(예를 들어, PTCBI 또는 C70)을 포함할 수 있다. 광활성 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 및 원자 층 증착과 같은 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 통해 형성될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
일부 예에서, 광활성 층에 유용한 가시적으로 투명한 광활성 화합물은 열 증발과 같은 진공 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 진공 증착은 약 10-5 Torr와 약 10-8 Torr 사이의 압력과 같은 진공 챔버에서 일어날 수 있다. 일 실시예에서, 진공 증착은 약 10-7 Torr의 압력에서 일어날 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 다양한 증착 기술이 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 증발이 사용된다. 열 증발은 증착될 물질(즉, 가시적으로 투명한 광활성 화합물)의 소스를 200°C와 1800°C 사이의 온도로 가열하는 것을 포함할 수 있다. 상기 물질 소스의 온도는 약 0.01 nm/s 내지 약 1 nm/s의 얇은 막 성장 속도를 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 0.1 nm/s의 얇은 막 성장 속도가 사용될 수 있다. 이러한 성장 속도는 몇 분에서 몇 시간에 걸쳐 약 1 nm와 1800 nm 사이의 두께를 갖는 박막을 생성하는 데 유용합니다. 상기 증착되는 물질의 다양한 특성(예를 들어, 분자량, 휘발성, 열적 안정성)이 소스 온도 또는 최대 유용한 소스 온도에 영향을 미치거나 영향을 미칠 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 상기 증착되는 물질의 열분해 온도는 소스의 최대 온도를 제한할 수 있다. 다른 예로서, 고도로 휘발성인 증착되는 물질은 목표 증착 속도를 달성하기 위해 더 높은 소스 온도가 필요할 수 있는 덜 휘발성인 물질과 비교하여 타겟 증착 속도를 달성하기 위해 더 낮은 소스 온도를 요구할 수 있다. 상기 증착되는 물질이 소스에서 증발됨에 따라 더 낮은 온도에서 표면(예를 들어, 기판, 광학적 층, 투명 전극, 버퍼 층 등)에 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 표면은 약 10°C 내지 약 100°C의 온도를 가질 수 있다. 어떤 경우에는 상기 표면의 온도가 능동적으로 제어될 수 있다. 경우에 따라 상기 표면의 온도가 능동적으로 제어되지 않을 수 있다.
블록(1830)에서, 하나 이상의 버퍼 층이 선택적으로, 예를 들어, 상기 광활성 층 상에 형성된다. 블록(1830)에서 형성된 버퍼 층은 블록(1820)에서 형성된 것과 유사하게 형성될 수 있다. 블록(1820), 블록(1825), 블록(1830)은 광활성 층 및 선택적으로 다양한 버퍼 층을 포함하는 물질의 다층 스택을 형성하는 것과 같이 1회 이상 반복될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
블록(1835)에서, 버퍼 층 또는 광활성 층과 같은 제2 투명 전극이 형성된다. 제2 투명 전극은 블록(1815)에서 상기 제1 투명 전극의 형성에 적용 가능한 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
블록(1840)에서, 예를 들어, 제2 투명 전극 상에 하나 이상의 추가 광학적 층이 선택적으로 형성된다. 도 11a, 도 11b, 및 도 14 내지 도 16과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 상기 광학적 층은 광전류에 기여하지 않을 수 있지만 중립 투과 색을 달성하기 위해 상기 가시 밴드에서 가시적으로 투명한 광활성 물질의 광전류에 상보적인 투과 스펙트럼을 가질 수 있는 가시적으로 흡수성인 물질(예를 들어, PTCBI)을 포함할 수 있다.
도 18에 예시된 특정 단계는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 대안적인 실시예에 따라 단계의 다른 시퀀스가 또한 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 대안적인 실시예는 다른 순서로 위에 요약된 단계를 수행할 수 있다. 더욱이, 도 18에 도시된 개별 단계는 개별 단계에 적절한 다양한 순서로 수행될 수 있는 다중 하위 단계를 포함할 수 있다. 또한 특정 응용 프로그램에 따라 추가 단계가 추가되거나 제거될 수 있다. 많은 변형, 수정 및 대안이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 18에 도시된 방법은 선택적으로 전기 에너지를 생성하는 방법으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 생성하기 위한 방법은 방법에 따라 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 만드는 것과 같이 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전기 에너지를 생성하는 방법은 예를 들어, 전기 에너지 생성을 위해 위에서 설명한 바와 같이 전자-정공 쌍의 형성 및 분리를 구동하기 위해 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 가시광, 자외선 및/또는 근적외선 광에 노출시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 광활성 물질, 버퍼 물질, 및/또는 광학적 층으로서 본 명세서에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 명세서에서 논의되고 도면에 예시된 하나 이상의 디바이스 구조는 광활성 층과 투명 전극 사이에 다양한 유형의 버퍼 층을 이용할 수 있다. 이러한 버퍼 층은 개선된 태양 전지 성능, 미학, 제조 및/또는 안정성으로 이어지는 광학적, 전자적 또는 형태학적 이점을 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 19는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(100), 디바이스 구조(600, 800, 1000, 1200, 1400, 1700), 또는 이들의 임의의 조합과 같은 광전지 디바이스를 제조하기 위한 방법(1900)을 도시한다. 다양한 실시예에서, 상기 광전지 디바이스는 가시적으로 투명할 수 있거나 불투명할 수 있다. 예를 들어, 가시적으로 투명한 것으로 방법(1900)을 참조하여 설명된 구성 요소 중 임의의 구성 요소는 일부 실시예에서 불투명할 수 있다. 방법(1900)은 도 19에 도시된 것보다 추가적인 또는 더 적은 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(1900)의 하나 이상의 단계는 도 19에 도시된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다.
방법(1900)은 예를 들어, 투명 기판과 같은 기판이 제공되는 블록(1902)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, 상기 투명 기판에는 상부 및/또는 하부 표면에 미리 형성된 하나 이상의 광학적 층이 제공된다.
블록(1904)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 상기 가시적으로 투명한 기판에 인접하여 및/또는 이와 접촉하여 위치된다. 광학적 층의 형성은 선택적이며, 일부 실시예는 상기 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 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 및 원자 층 증착 같은 하나 이상의 화학적 증착 방법, 또는 열 증발, 전자 빔 증발, 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 있으나, 이에 제한되지는 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(1906)에서, 예를 들어, 제1 투명 전극과 같은 제1(예를 들어, 하부) 전극이 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 투명 전극은 ITO 얇은 필름 또는 예를 들어, 금속 얇은 필름(예를 들어, Ag, Cu 등), 또는 금속 얇은 필름(예를 들어, Ag, Cu 등)을 포함하는 다층 스택 및 유전 물질과 같은 다른 투명 전도성 필름, 또는 전도성 유기 물질(예를 들어, 전도성 중합체 등)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 패턴화 될 수 있다.
블록(1908)에서, 투명 전극과 같이 하나 이상의 버퍼 층이 선택적으로 형성된다. 버퍼 층은 도금, 화학 용액 증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 및 원자 층 증착과 같은 하나 이상의 화학점 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 사용해 형성될 수 있다. 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.
블록(1910)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 및 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 있다.
일부 실시예에서, 블록(1910)은 하나 이상의 벌크 헤터로접합(Bulk Heterojunction: BHJ) 활성 층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 블록(1918)에서, 제1 BHJ 활성층이 형성된다. 일부 실시예에서, 제1 BHJ 활성 층은 블록(1906)에서 형성된 제1 투명 전극 상에 또는 블록(1908)에서 형성된 버퍼층 상에 형성된다. 상기 제1 BHJ 활성 층은 전자 공여체 물질(즉, 제1 전자 공여체 물질)과 전자 수용체 물질(즉, 제1 전자 수용체 물질)의 블렌드(즉, 제1 블렌드)를 포함할 수 있다. 상기 제1 BHJ 활성 층은 상기 제1 전자 공여체 물질의 HOMO 에너지 준위(즉, 제1 HOMO 에너지 준위)를 특성으로 하는(예를 들어, 이와 동일한) HOMO 에너지 준위 및 상기 제1 전자 수용체 물질의 LUMO 에너지 준위(즉, 제1 LUMO 에너지 준위)를 특성으로 하는(예를 들어, 이와 동일한) LUMO 에너지 준위를 가질 수 있다.
상기 제1 BHJ 활성 층은 전자 공여체 물질(상기 제1 전자 공여체 물질 포함) 및 전자 수용체 물질(상기 제1 전자 수용체 물질 포함)의 이원, 삼원, 사원 또는 고차 블렌드일 수 있다. 상기 제1 BHJ 활성 층은 여기자-차단 층, 정공-차단 층 또는 전자-차단 층으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 여기자-차단 층, 정공-차단 층, 또는 전자-차단 층이 상기 제1 BHJ 활성 층과 상기 제1 투명 전극 사이에 배치(예를 들어, 증착)된다.
다른 예로서, 블록(1920)에서, 제2 BHJ 활성 층이 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 제2 BHJ 활성 층은 블록(1918)에서 형성된 제1 BHJ 활성층 상에 형성된다. 상기 제2 BHJ 활성 층은 전자 공여체 물질(즉, 제2 전자 공여체 물질)과 전자 수용체 물질(즉, 제2 전자 수용체 물질)의 블렌드(즉, 제2 블렌드)를 포함할 수 있다. 상기 제2 BHJ 활성 층은 상기 제2 전자 공여체 물질의 HOMO 에너지 준위를 특성으로 하는(예를 들어, 이와 동일한) HOMO 에너지 준위 및 상기 제1 전자 수용체 물질의 LUMO 에너지 준위를 특성으로 하는 LUMO 에너지 준위를 특성으로 하는(예를 들어, 이와 동일한) LUMO 에너지 준위를 가질 수 있다.
상기 제2 BHJ 활성 층은 전자 공여체 물질(상기 제2 전자 공여체 물질 포함)과 전자 수용체 물질(상기 제2 전자 수용체 물질 포함)의 이원, 삼원, 사원 또는 고차 블렌드일 수 있다. 상기 제2 BHJ 활성 층은 여기자-차단 층, 정공-차단 층 또는 전자-차단 층으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 여기자-차단 층, 정공-차단 층, 또는 전자-차단 층이 상기 제2 BHJ 활성 층과 제2 투명 전극 사이에 배치된다.
일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층은 상기 제2 BHJ 활성 층과 별개의 전자 공여체 물질을 가질 수 있다(예를 들어, 상기 제1 전자 공여체 물질은 상기 제2 전자 공여체 물질과 상이할 수 있다). 일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층은 전자 공여체 물질을 상기 제2 BHJ 활성 층과 공유할 수 있다(예를 들어, 상기 제1 전자 공여체 물질은 상기 제2 전자 공여체 물질과 동일할 수 있다). 일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층은 상기 제2 BHJ 활성 층과 별개의 전자 수용체 물질을 가질 수 있다(예를 들어, 상기 제1 전자 수용체 물질은 상기 제2 전자 수용체 물질과 상이할 수 있다). 일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층은 전자 수용체 물질을 상기 제2 BHJ 활성 층과 공유할 수 있다(예를 들어, 상기 제1 전자 수용체 물질은 상기 제2 전자 수용체 물질과 동일할 수 있다).
다양한 실시예에서, 상기 제1 LUMO 에너지 준위 및 상기 제2 LUMO 에너지 준위는 서로 100meV, 200meV, 300meV, 400meV, 또는 500meV 이내일 수 있다. 다양한 실시예에서, 상기 제1 HOMO 에너지 준위 및 상기 제2 HOMO 에너지 준위는 서로 100meV, 200meV, 300meV, 400meV, 또는 500meV 이내일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층은 상기 제1 BHJ 활성 층에 의한 방사선의 흡수가 피크를 나타내는 파장인 하나 이상의 피크 흡수 파장을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제2 BHJ 활성 층은 상기 제2 BHJ 활성 층에 의한 방사선의 흡수가 피크를 나타내는 파장인 하나 이상의 피크 흡수 파장을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장은 상기 제2 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장에 적어도 부분적으로 상보적이다. 이러한 실시예에서, 상기 제1 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장은 상기 제2 BHJ 활성 층의 피크 흡수 파장으로부터 적어도 파장 오프셋 양만큼 오프셋되어 더 넓은 스펙트럼 적용 범위를 제공한다. 다양한 실시예에서, 파장 오프셋 양은 50 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 또는 그 사이의 임의의 값일 수 있다.
블록(1912)에서, 하나 이상의 버퍼 층이 선택적으로, 예를 들어, 광활성 층 상에 형성된다. 블록(1912)에서 형성된 버퍼 층은 블록(1908)에서 형성된 것과 유사하게 형성될 수 있다.
블록(1914)에서, 예를 들어, 제2 투명 전극과 같은 제2(예를 들어, 상부) 전극이 형성된다. 상기 제2 투명 전극은 버퍼층 또는 광활성 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 투명 전극은 블록(515)에서 제1 투명 전극의 형성에 적용 가능한 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 블록(1916)에서, 예를 들어 제2 투명 전극 상에 하나 이상의 추가 광학적 층이 선택적으로 형성된다.
방법(1900)은 전기 에너지를 생성하기 위한 방법에 대응하도록 선택적으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 생성하는 방법은 방법(1900)에 따라 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 만드는 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 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스를 가시광, 자외선 및/또는 근적외선 광에 노출시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 광활성 물질, 버퍼 물질, 및/또는 광학적 층으로서 본 발명에 기재된 가시적으로 투명한 광활성 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명 전반에 걸친 모든 참조, 예를 들어, 등록되거나 특허 결정된 특허 또는 그 동등물을 포함하는 특허 문서; 공개 특허 공보; 및 비특허 문헌 문서 또는 기타 출전 자료; 등은 개별적으로 참조로 포함된 것처럼 그 전체가 여기에 참조로 포함된다.
본 발명에 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가의 기술 수준을 나타낸다. 본 발명에 인용된 참고 문헌은 일부 경우에 출원일 현재의 기술 상태를 나타내기 위해 그 전체가 참조로 여기에 포함되며, 이 정보는 필요한 경우 선행 기술에 있는 특정 실시예를 제외(예를 들어, 부인)하기 위해 여기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 화합물이 청구되는 경우, 본 발명에 개시된 참고 문헌(특히 참조된 특허 문헌에서)에 개시된 특정 화합물을 포함하여 선행 기술에 알려진 화합물은 청구 범위에 포함되도록 의도되지 않음을 이해해야 한다.
치환기의 그룹이 본원에 개시될 때, 그 그룹의 모든 개별 구성원 및 치환기를 사용하여 형성될 수 있는 모든 하위그룹 및 부류가 별도로 개시되는 것으로 이해된다. Markush 그룹 또는 기타 그룹화가 본 발명에서 사용될 때, 그룹의 모든 개별 구성원 및 그룹의 가능한 모든 조합 및 하위 조합은 본 개시 내용에 개별적으로 포함되도록 의도된다. 여기에서 사용된 "및/또는"은 "및/또는"으로 구분된 목록의 항목 중 하나, 모두 또는 임의의 조합이 예를 들어, "1, 2 및/또는 3"은 "'1' 또는 '2' 또는 '3' 또는 '1 및 2' 또는 '1 및 3' 또는 '2 및 3' 또는 '1, 2 및 3'"과 같이 목록에 포함됨을 의미한다.
달리 언급되지 않는 한, 기재되거나 예시된 성분의 모든 제형 또는 조합을 사용하여 본 발명을 실시할 수 있다. 물질의 특정 명칭은 예시를 위한 것이며, 이는 당업자가 동일한 물질을 다르게 명명할 수 있음이 알려져 있기 때문이다. 구체적으로 예시된 것 이외의 방법, 디바이스 요소, 출발 물질 및 합성 방법이 과도한 실험에 의존하지 않고 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 임의의 그러한 방법, 디바이스 요소, 출발 물질 및 합성 방법의 모든 공지된 기능적 등가물이 본 발명에 포함되도록 의도된다. 범위가 명세서에 제공될 때마다, 예를 들어 온도 범위, 시간 범위 또는 조성 범위, 모든 중간 범위 및 하위 범위, 뿐만 아니라 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다 .
본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는"은 "포함하는", "함유하는", "갖는" 또는 "특성화 된"과 동의어이며 포괄적이거나 개방형이며 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않다. 본 발명에 사용된 바와 같이, "구성되는"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 물질 또는 단계를 배제하지 않는다. 특히 조성물의 구성요소에 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 명세서에 사용된 바와 같이, 부정관사("a", "an") 또는 정관사("the") 등의 용어 및 개시된 실시예를 설명하는 맥락에서(특히 다음 청구범위의 맥락에서) 유사한 지시(referent)는 단수 및 여기에 달리 표시되지 않거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한 복수를 모두 아우르는 용어이다. "연결된"이라는 용어는 중간에 무언가가 있더라도 부분적으로 또는 전체적으로 내부에 포함되거나 부착되거나 함께 연결된 것으로 해석되어야 한다. 본 발명에서 값의 범위에 대한 언급은 단지 본 발명에서 달리 지시되지 않는 한 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 참조하는 속기 방법으로서 역할을 하도록 의도되고 각각의 개별 값은 본 발명에 개별적으로 인용된 것처럼 본 발명에 통합된다. 본 발명에 제공된 임의의 모든 예 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 개시의 실시예를 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실행에 필수적인 것으로 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
"X, Y, 또는 Z 중 적어도 하나"라는 구와 같은 접속 언어는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 맥락 안에서 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z, 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, X, Y 및/또는 Z)을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 그러한 분리 언어는 일반적으로 특정 실시예가 각각 존재하기 위해 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나, 또는 Z 중 적어도 하나가 필요하다는 것을 의미하는 것으로 의도되지 않았으며 암시해서는 안 된다.
본 발명에서 사용될 수 있는 일부 물질(예를 들어, 일부 NIR 또는 UV 흡수 물질)에 대한 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
PTCBI: 비스벤즈이미다조[2,1-a:1',2-b']anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']디이소기놀린-10,21-디온
ITO: 인듐 주석 산화물
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 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 고려된다는 것을 이해해야 한다.
Claims (19)
- 가시적으로 투명한 광전지 디바이스(visibly transparent photovoltaic device)에 있어서,
가시적으로 투명한 기판;
상기 가시적으로 투명한 기판에 결합된 제1 가시적으로 투명한 전극(first visibly transparent electrode);
제2 가시적으로 투명한 전극(second visibly transparent electrode);
상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이의 가시적으로 투명한 광활성 층(visibly transparent photoactive layer)으로서, 근적외선(near-Infrared: NIR) 또는 자외선(Ultraviolet: UV) 중 적어도 하나를 광전류(photocurrent)로 변환하도록 구성되고 NIR 또는 UV 스펙트럼에서 피크를 갖는 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)을 특성으로 하는 상기 가시적으로 투명한 광활성 층; 및
가시 스펙트럼(visible spectrum)에서 제2 피크를 갖는 제2 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 가시적으로 흡수성인 물질(visibly absorbing material)로서, 상기 제2 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼에 상보적인 가시적으로 흡수성인 물질;
을 포함하는 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는, 450 nm와 650 nm의 파장 사이에서 30% 미만의 투과율(transmission percentage)의 절대 변화(absolute variation)를 갖되 상기 가시 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 투과 프로파일(flat transmission profile)을 특성으로 하는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제2항에 있어서,
투과율의 절대 변화가 10% 미만인, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(Commision on Illuination: CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 -10과 10 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 하는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 CIELAB 색 공간에서 -5와 5 사이의 투과된 a* 및 b* 값을 특성으로 하는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스 - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 국제 조명 위원회(CIE) L*a*b* (CIELAB) 색 공간에서 음(negative)의 투과된 a* 및 음의 투과된 b* 값을 특성으로 하는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는 40%보다 큰 평균 가시광 투과율(Average Visible Transmission: AVT)을 특성으로 하는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광활성 층은 공여체 물질(donor material) 및 수용체 물질(acceptor material)을 포함하는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 가시적으로 투명한 광활성 층에 포함되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 광학적 층(optical layer)에 포함되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 삼원(ternary) 또는 사원(quaternary) 블렌드(blend)로 상기 광활성 층과 블렌드되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 제1 전극과 상기 광활성 층 사이에 배치되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 광활성 층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 제2 전극 위에 배치되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시 스펙트럼에서 제3 피크를 갖는 제3 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함하고, 상기 제3 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼 및 상기 제2 흡수 스펙트럼에 상보적이며, 상기 제1 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제1 전극과 상기 광활성 층 사이에 배치되고 상기 제2 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 광활성 층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시 스펙트럼에서 제3 피크를 갖는 제3 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 제2 가시적으로 흡수성인 물질을 더 포함하고, 상기 제3 흡수 스펙트럼은 상기 흡수 스펙트럼 및 상기 제2 흡수 스펙트럼에 상보적이며, 상기 제1 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 상기 제2 가시적으로 흡수성인 물질은 상기 제2 전극 위에 배치되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가시적으로 흡수성인 물질이 상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이에 배치된 광활성 이원, 삼원, 또는 사원 블렌드에 포함되는, 가시적으로 투명한 광전지 디바이스. - 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 제조 방법에 있어서,
가시적으로 투명한 기판을 제공하는 단계;
상기 가시적으로 투명한 기판에 결합된 제1 가시적으로 투명한 전극을 형성하는 단계;
제2 가시적으로 투명한 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 가시적으로 투명한 전극과 상기 제2 가시적으로 투명한 전극 사이에 가시적으로 투명한 광활성 층을 형성하는 단계로서, 상기 가시적으로 투명한 광활성 층은 근적외선(near-infrared: NIR) 또는 자외선(ultraviolet: UV) 중 적어도 하나를 광전류(photocurrent)로 변환하도록 구성되고, NIR 또는 UV 스펙트럼에서 피크를 갖는 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 상기 가시적으로 투명한 광활성 층을 형성하는 단계; 및
상기 가시 스펙트럼에서 제2 피크를 갖되 상기 흡수 스펙트럼에 상보적인 제2 흡수 스펙트럼을 특성으로 하는 가시적으로 흡수성인 물질(visibly absorbing material)을 통합하는 단계를 포함하는,
가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 제조 방법. - 제18항에 있어서,
상기 가시적으로 투명한 광전지 디바이스는, 450 nm와 650 nm의 파장 사이에서 30% 미만의 투과율(transmission percentage)의 절대 변화(absolute variation)를 갖되 상기 가시 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 투과 프로파일(flat transmission profile)을 특성으로 하는 가시적으로 투명한 광전지 디바이스의 제조 방법.
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