유기 감광 장치 document_id A220623051795

광전 장치는 전자적으로 전자기 방사를 생성 또는 검출하기 위해 또는 주변 전자기 방사로부터 전기를 발생하기 위해 물질의 광학적 및 전기적 특성에 의존한다. 감광 광전 장치는 전자기 방사를 전기로 변환한다. 광기전력 장치(photovoltaic(PV) device)라고도 하는 태양 전지는 구체적으로는 전기 전력을 발생하는 데 사용되는 일종의 감광 광전 장치이다. 태양광 이외의 광원으로부터 전기 에너지를 발생할 수 있는 PV 장치는, 예를 들어, 조명, 난방을 제공하는 전력 소모 부하를 구동하는 데 또는 계산기, 무선기, 컴퓨터 또는 원격 모니터링 또는 통신 장비 등의 전자 회로 또는 장치에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이들 전력 발생 응용은 또한 종종, 태양 또는 다른 광원으로부터의 직접 조명이 없을 때 작동을 계속할 수 있도록 또는 PV 장치의 전력 출력을 특정 응용의 요구 사항과 균형을 이루도록 하기 위해, 배터리 또는 다른 에너지 저장 장치의 충전을 필요로 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "저항성 부하(resistive load)"는 임의의 전력 소모 또는 저장 회로, 장치, 장비 또는 시스템을 말한다. 다른 유형의 감광 광전 장치는 광 전도체 전지(photoconductor cell)이다. 이 기능에서, 신호 검출 회로는 광의 흡수로 인한 변화를 검출하기 위해 장치의 저항을 모니터링한다. 다른 유형의 감광 광전 장치는 광 검출기(photodetector)이다. 작동을 설명하면, 광 검출기는 광 검출기가 전자기 방사에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 관련하여 사용되며, 인가된 바이어스 전압을 가질 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 검출 회로는 광 검출기에 바이어스 전압을 제공할 수 있고 또한 전자기 방사에 대한 광 검출기의 전자 응답을 측정할 수 있다. 이들 3가지 부류의 감광 광전 장치는 이하에서 정의되는 정류 접합(rectifying junction)이 존재하는지 여부에 따라 또한 장치가 바이어스 또는 바이어스 전압이라고도 하는 외부 인가 전압으로 작동되는 지 여부에 따라 특징지워질 수 있다. 광 전도체 전지는 정류 접합을 갖지 않으며, 통상 바이어스로 작동된다. PV 장치는 적어도 하나의 정류 접합을 가지며, 바이어스 없이 작동된다. 광 검출기는 적어도 하나의 정류 접합을 가지며, 보통은 바이어스로 작동되지만, 항상 그러한 것은 아니다. 일반적으로, 광기전력 전지는 회로, 장치 또는 장비에 전력을 제공하지만, 검출 회로를 제어하는 신호나 전류 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지 않는다. 이와 달리, 광 검출기 또는 광 전도체는 검출 회로를 제어하는 신호나 전류 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지만, 회로, 장치 또는 장비에 전력을 제공하지 않는다. 전통적으로, 감광 광전 장치는 다수의 무기 반도체, 예를 들어, 결정질, 다결정질 및 비정질 실리콘, 비소화갈륨, 텔루르화카드륨 화합물 및 기타로 구성되어 있다. 본 명세서에서, 용어 "반도체"는 열적 여기 또는 전자기 여기에 의해 전하 캐리어가 유발될 때 전기를 전도할 수 있는 물질을 나타낸다. 용어 "광 전도성(photoconductive)"은 일반적으로 전자기 방사 에너지가 흡수되고 그에 따라 전기 전하 캐리어가 물질 내의 전기 전하를 전도, 즉 전송할 수 있도록 그 캐리어의 여기 에너지로 변환되는 프로세스와 관련되어 있다. 용어 "광 전도체" 및 "광 전도성 물질"은 본 명세서에서 전자기 방사를 흡수하여 전기 전하 캐리어를 발생하는 그 특성 때문에 선택되는 반도체 물질을 말하는 데 사용된다. PV 장치는 PV 장치가 입사하는 태양 전력(solar power)을 유용한 전기 전력으로 변환할 수 있는 효율로 특징지워질 수 있다. 결정질 또는 비정질 실리콘을 이용하는 장치가 상업적 응용에서 우위를 차지하고 있으며, 어떤 것은 23% 이상의 효율을 달성하였다. 그렇지만, 효율적인 다결정-기초 장치, 특히 표면적이 큰 것은, 효율을 저하시키는 결함이 그다지 없이 큰 결정을 생성하는 데 본질적인 문제로 인해 생산하기가 어렵고 비용이 많이 든다. 반면에, 고효율 비정질 실리콘 장치는 여전히 안정성에 문제가 있다. 현재 상업적으로 이용가능한 비정질 실리콘 전지는 4 내지 8%의 안정된 효율을 갖는다. 보다 최근의 노력은 경제적인 생산 비용으로 타당한 광 기전력 변환 효율을 달성하기 위해 유기 광 기전력 전지의 사용에 집중하고 있다. PV 장치는 광 전류 x 광 전압의 최대 곱을 얻기 위해 표준의 조명 조건(즉, 1000 W/m2, AMI1.5 스펙트럼 조명인 표준 테스트 조건) 하에서 최대 전기 전력 발생을 위해 최적화될 수 있다. 표준 조명 조건 하에서의 이러한 전지의 전력 변환 효율은 이하의 3가지 파라미터, (1) 영 바이어스 하에서의 전류, 즉 단락 회로 전류 ISC, (2) 개방 회로 조건 하에서의 광 전압, 즉 개방 회로 전압 VOC, 및 (3) 필 팩터(fill factor) ff에 의존한다. PV 장치는, 부하 양단에 연결되고 광에 의해 조사될 때, 광-발생 전류를 생성한다. 무한의 부하 하에서 조사(irradiate)될 때, PV 장치는 그의 최대 가능 전압, V 개방-회로, 즉 VOC를 발생한다. 그의 전기 접점이 단락되어 있는 상태에서 조사될 때, PV 장치는 그의 최대 가능 전력, I 단락-회로, 즉 ISC를 발생한다. 전력을 발생하기 위해 실제로 사용될 때, PV 장치는 유한의 저항성 부하에 연결되고, 전력 출력은 전류와 전압의 곱, I x V에 의해 주어진다. PV 장치에 의해 발생되는 최대 총 전력은 본질적으로 곱 ISC x VOC를 초과할 수 없다. 부하 값이 최대 전력 추출을 위해 최적화될 때, 전류 및 전압은 각각 값, Imax 및 Vmax을 갖는다. PV 장치에 대한 감도 지수(figure of merit)는 이하의 식으로 정의되는 필 팩터(ff)이며, 여기서, ff는 항상 1보다 작은데, 그 이유는 ISC 및 VOC가 실제 사용에서 결코 동시에 얻어지지 않기 때문이다. 그럼에도 불구하고, ff가 1에 가까와짐에 따라, 장치는 더 적은 직렬 또는 내부 저항을 가지며, 따라서 최적의 조건 하에서 ISC와 VOC의 곱의 더 많은 비율을 부하로 전달한다. 가 장치에 입사하는 전력인 경우, 장치의 전력 효율 은 다음의 식에 의해 계산될 수 있다. 적절한 에너지의 전자기 방사가 반도체 유기 물질, 예를 들어, 유기 분자 결정(organic molecular cryatal, OMC) 물질, 또는 폴리머에 입사하는 경우, 여기된 분자 상태를 생성하기 위해 광자가 흡수될 수 있다. 이것은 기호로 로 표현된다. 여기서, 및 는, 각각, 기저(ground) 및 여기(excited) 분자 상태를 나타낸다. 이 에너지 흡수는 결합일 수 있는 HOMO 에너지 준위에서의 구속 상태(bound state)로부터, 결합일 수 있는 LUMO 에너지 준위로의 전자의 승격(promotion), 또는 이와 동등하게, LUMO 에너지 준위로부터 HOMO 에너지 준위로의 정공의 승격과 연관되어 있다. 유기 박막 광 전도체에서, 발생된 분자 상태는 일반적으로 엑시톤(exciton), 즉 준입자(quasi-particle)로서 전송되는 구속 상태에 있는 전자-정공쌍인 것으로 생각된다. 이 엑시톤은, 정공 또는 전자의 다른 쌍과 결합과는 달리, 원래의 전자 및 정공이 서로 재결합하는 프로세스를 말하는 제짝 재결합(geminate recombination) 이전에 상당한 수명을 가질 수 있다. 광 전류를 생성하기 위해, 전자-정공쌍이 일반적으로 2개의 이질적인 접촉하는 유기 박막 사이의 도너-억셉터 계면에서 분리되어진다. 전하가 분리하지 않는 경우, 이들 전하는 소광(quenching)이라고도 하는 제짝 재결합 프로세스(geminant recombination processs)에서 방사적으로, 입사광보다 낮은 에너지의 광을 방사함으로써 또는 비방사적으로, 열을 생성함으로써 재결합할수 있다. 이들 결과 어느 것이라도 감광 광전 장치에서는 바람직하지 않다. 접점(contact)에서의 전계 또는 비균질성은 엑시톤이 도너-억셉터 계면에서 해리(dissociate)하기 보다는 소광하게 할 수 있으며, 그 결과 전류에의 순 기여가 없게 된다. 따라서, 광 발생된 엑시톤을 접촉부로부터 멀리 떨어지게 하는 것이 바람직하다. 이것은, 연관된 전계가 접합 근방에서의 엑시톤의 해리에 의해 해방된 전하 캐리어를 분리시킬 기회를 더 많이 갖도록, 접합에 가까운 영역으로의 엑시톤의 확산을 제한하는 효과를 갖는다. 상당한 부피를 차지하는 내부적으로 발생된 전계를 생성하기 위해, 통상의 방법은, 특히 그의 분자 양자 에너지 상태의 분포에 대해, 적절히 선택된 전도성 특성을 갖는 2개의 물질층을 나란히 배치하는 것이다. 이들 2개의 물질의 계면은 광 기전력 헤테로 접합(photovoltaic heterojunction)이라고 한다. 종래의 반도체 이론에서, PV 헤테로접합을 형성하는 물질은 일반적으로 n 또는 p형인 것으로 나타내어져 있다. 여기서, n형은 다수 캐리어 유형이 전자임을 나타낸다. 이것은 물질이 비교적 자유 에너지 상태에 있는 많은 전자를 갖는 것으로 볼 수 있다. p형은 다수 캐리어 유형이 정공임을 나타낸다. 이러한 물질은 비교적 자유 에너지 상태에 있는 많은 정공을 갖는다. 백그라운드, 즉 광 발생되지 않은 다수 캐리어 농도의 유형은 주로 결함 또는 불순물에 의한 의도하지 않은 도핑에 의존한다. 불순물의 유형 및 농도는, HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 준위와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위 사이의 간극(HOMO-LUMO 간극이라고 함) 내에서, 페르미 에너지 또는 준위의 값을 결정한다. 페르미 에너지는 점유 확률이 1/2인 에너지의 값으로 표현되는 분자 양자 에너지 상태의 통계적 점유를 특징지운다. LUMO 에너지 준위 근방에서의 페르미 에너지는 전자가 우세 캐리어(predominant carrier)임을 나타낸다. HOMO 에너지 준위 근방에서의 페르미 에너지는 정공이 우세 캐리어임을 나타낸다. 따라서, 페르미 에너지는 종래의 반도체를 특징지우는 주요 특성이고, 전형적인 PV 헤테로접합은 전통적으로 p-n 계면이었다. 용어 "정류"는, 그 중에서도 특히, 계면이 비대칭 전도 특성을 가짐을 나타낸다, 즉 계면이 양호하게는 한쪽 방향으로의 전자 전하 전송을 지원한다. 정류는 통상적으로 적절히 선택된 물질들 사이의 헤테로접합에서 발생되는 내장 전계(built-in electric field)와 연관되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 또 당업자라면 일반적으로 잘 알 것인 바와 같이, 제1 에너지 준위가 진공 에너지 준위(vacuum energy level)에 더 가까운 경우, 제1 "HOMO" 또는 "LUMO" 에너지 준위는 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 "크거나" "높다". 이온화 전위(ionization potential, IP)가 진공 준위에 대한 음의 에너지(negative energy)로서 측정되기 때문에, 더 높은 HOMO 에너지 준위는 더 작은 절대값을 갖는 IP(0에 더 가까운 음수인(less negative) IP)에 대응한다. 이와 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 준위는 더 작은 절대값을 갖는 전자 친화성(electron affinity, EA)(0에 더 가까운 음수인 EA)에 대응한다. 종래의 에너지 준위 다이어그램에서, 진공 준위가 최상단에 있는 경우, 물질의 LUMO 에너지 준위는 동일 물질의 HOMO 에너지 준위보다 더 높다. "더 높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 "더 낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 이러한 다이어그램의 최상단에 더 가깝게 나타난다. 유기 물질과 관련하여, 용어 "도너" 및 "억셉터"는 2개의 접촉하지만 서로 다른 유기 물질의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위의 상대적 위치를 말한다. 이것은, "도너" 및 "억셉터"가 각각 무기물 n형층 및 p형층을 생성하는 데 사용될 수 있는 도펀트의 유형을 말할 수 있는 무기 물질과 관련한 이들 용어의 사용과 반대이다. 유기 물질과 관련하여, 다른 물질과 접촉하는 한 물질의 LUMO 에너지 준위가 더 낮은 경우, 그 물질은 억셉터이다. 그렇지 않은 경우, 그 물질은 도너이다. 외부 바이어스가 없는 경우, 도너-억셉터 접합에 있는 전자가 억셉터 물질 내로 이동하고 정공이 도너 물질 내로 이동하는 것이 에너지적으로는 유리하다. 유기 반도체에서의 중요한 특성은 캐리어 이동도(carrier mobility)이다. 이동도는 전하 캐리어가 전계에 응답하여 전도성 물질을 통해 이동할 수 있는 용이성의 척도이다. 유기 감광 장치와 관련하여, 높은 전자 이동도로 인해 주로 전자에 의해 전도되는 물질을 포함하는 층은 전자 전달층(electron transport layer, ETL)이라고 말할 수 있다. 높은 정공 이동도로 인해 주로 정공에 의해 전도되는 물질을 포함하는 층은 정공 전달층(hole transport layer, HTL)이라고 말할 수 있다. 꼭 그럴 필요는 없지만, 양호하게는, 억셉터 물질은 ETL이고, 도너 물질은 HTL이다. 종래의 무기 반도체 PV 전지는 내부 전계를 확립하기 위해 p-n 접합을 이용한다. Tang에 의해 보고된 것 등의 초기 유기 박막 전지(Appl. Phys Lett. 48, 183(1986년))는 종래의 무기 PV 전지에서 이용된 것과 유사한 헤테로접합을 이용한다. 그렇지만, 현재 p-n형 접합의 확립에 부가하여, 헤테로접합의 에너지 준위 오프셋도 역시 중요한 역할을 한다는 것이 잘 알려져 있다. 유기 D-A 헤테로접합에서의 에너지 준위 오프셋은 유기 물질에서의 광 발생 프로세스의 기본적인 특성으로 인해 유기 PV 장치의 작동에 중요한 것으로 생각된다. 유기 물질의 광학적 여기 시에, 국부화된 Frenkel 또는 전하-전달 엑시톤이 발생된다. 전기 검출 또는 전류 발생이 행해지기 위해, 구속 엑시톤(bound exciton)은 그를 구성하는 전자 및 정공들로 해리되어야만 한다. 이러한 프로세스는 내장 전계에 의해 유발될 수 있지만, 유기 장치에서 일반적으로 발견되는 전계 에서의 효율이 낮다. 유기 물질에서의 가장 효율적인 엑시톤 해리는 도너-억셉터(D-A) 계면에서 일어난다. 이러한 계면에서, 낮은 이온화 전위를 갖는 도너 물질은 높은 전자 친화성을 갖는 억셉터 물질과 헤테로접합을 형성한다. 도너 및 억셉터 물질의 에너지 준위의 정렬에 의존하여, 엑시톤의 해리가 이러한 계면에서 에너지적으로 유리하게 될 수 있으며, 이에 따라 억셉터 물질에 자유 전자 폴라론(free electron polaron)이 생기고 도너 물질에 자유 정공 폴라론(free hole polaron)이 생긴다. 유기 PV 전지는, 종래의 실리콘-기초 장치와 비교할 때, 많은 잠재적인 이점을 갖는다. 유기 PV 전지는 경량이고, 물질 사용에서 경제적이며, 또 가요성 플라스틱 박(foil) 등의 저렴한 기판 상에 증착될 수 있다. 그렇지만, 어떤 유기 PV 장치는 일반적으로 비교적 낮은 외부 양자 효율(약 1% 이하임)을 갖는다. 이것은 부분적으로 본질적인 광 전도성 프로세스의 2차 특성으로 인한 것으로 생각된다. 즉, 캐리어 발생은 엑시톤 발생, 확산 및 이온화 또는 수집(collection)을 필요로 한다. 이들 프로세스 각각과 연관된 효율 이 있다. 첨자는 다음과 같이 사용될 수 있다. P는 전력 효율에, EXT는 외부 양자 효율에, A는 광자 흡수에, ED는 엑시톤 확산에, CC는 전하 수집에, 그리고 INT는 내부 양자 효율에 사용될 수 있다. 이 표기법을 사용하면, 엑시톤의 확산 길이(LD)는 일반적으로 광학적 흡수 길이(~500Å)보다 훨씬 더 작으며,(LD ~50Å), 다수의 또는 고도로 굴곡된 계면을 갖는 두꺼운, 따라서 저항성 전지를 사용하는 것과 낮은 광학적 흡수 효율을 갖는 얇은 전지 간의 절충이 필요하다. 일반적으로, 유기 박막에 엑시톤을 형성하기 위해 광이 흡수될 때, 단일항 엑시톤(singlet exciton)이 형성된다. 계간 교차(intersystem crossing)의 메카니즘에 의해, 단일항 엑시톤은 삼중항 엑시톤(triplet exciton)으로 붕괴될 수 있다. 이 프로세스에서, 에너지가 손실되며, 그 결과 장치의 효율이 더 낮아진다. 계간 교차로 인한 에너지 손실이 없다면, 삼중항 엑시톤을 발생하는 물질을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 삼중항 엑시톤이 일반적으로 단일항 엑시톤보다 더 긴 수명, 따라서 더 긴 확산 길이를 갖기 때문이다.