페난트롤린 엑시톤 차단층을 갖는 유기 감광성 광전자 장치 document_id A220623052563

광전자 장치는 전자기 방사선을 전자적으로 생성 또는 검출하거나 주위의 전자기 방사선으로부터 전기를 발생시키는 물질의 광학적 및 전자적 특성에 의존한다. 감광성 전자기 장치는 전자기 방사선을 전기 신호 또는 전기로 변환시킨다. 광기전력("PV") 장치로도 불리는 태양 전지는 특히 전력을 발생시키는 데 사용되는 감광성 광전자 장치의 한 유형이다. 광전도체 전지는 장치의 저항을 모니터링하여 흡수광으로 인한 변화를 검출하는 신호 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 장치의 한 유형이다. 인가된 바이어스 전압을 받을 수 있는 광전도체는 광전도체가 전자기 방사선에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 장치의 한 유형이다. 이들 3가지 유형의 감광성 광전자 장치는 아래 정의되는 바와 같은 정류 접합점이 존재하는가 여부 및 장치가 바이어스 또는 바이어스 전압으로도 공지된 외부 인가 전압으로 작동되는가 여부에 따라 대별될 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합점을 가지지 않으며, 통상적으로는 바이어스로 작동된다. PV 장치는 하나 이상의 정류 접합점을 가지며 바이어스로 작동되지 않는다. 광검출기는 하나 이상의 정류 접합점을 가지며 항상은 아니나 통상적으로 바이어스로 작동된다. 본원에서 사용될 때, 용어 "정류"는 특히 경계면이 비대칭 전도 특성을 가짐을, 즉 경계면이 바람직하게는 한 방향으로 전자 전하 운반을 지지함을 의미한다. 용어 "반도체"는 전하 운반자가 열적 또는 전자기적 여기에 의하여 유도될 때 전기를 전도할 수 있는 물질을 의미한다. 용어 "광전도성"은 일반적으로 전자기 방사 에너지가 흡수되고 이로써 전기 전하 운반자의 여기 에너지로 변환되는 프로세스를 의미하며, 운반자는 물질 중에서 전기 전하를 전도(즉, 운반)할 수 있다. 용어 "광전도성 물질"은 전자기 방사선을 흡수하여 전기 전하 운반자를 발생시키는 특성에 사용되는 반전도체 물질을 의미한다. 본원에서 사용될 때, "탑"은 기판으로부터 가장 먼 것을 의미하는 반면, "바닥"은 기판에 가장 가까운 것을 의미한다. 제1층이 제2층과 "물리적으로 접촉한다"고 명시되어 있지 않는 한 개재 층이 존재할 수 있다. 적절한 에너지의 전자기 방사선이 유기 반도체 물질 상에 입사될 때, 광자가 흡수되어 여기된 분자 상태를 생성시킬 수 있다. 유기 광전도성 물질에서, 발생된 분자 상태는 일반적으로 "엑시톤", 즉 준입자로서 운반되는 결합 상태의 전자-정공 쌍이라고 믿어진다. 엑시톤은 본래의 전자 및 정공이 서로 조합하는 것(다른 쌍으로부터의 정공 또는 전자와 재조합하는 것과 반대)을 의미하는 쌍형성 재조합("퀀칭") 전에 상당한 수명을 가질 수 있다. 광전류를 생성하기 위하여, 엑시톤을 형성하는 전자 및 정공은 일반적으로 정류 접합부에서 분리된다. 광전자 장치의 경우, 정류 접합부는 광기전 헤테로접합부로서 언급된다. 유기 광기전 헤테로접합부의 유형은 공여체 물질 및 수용체 물질의 경계면에서 형성되는 공여체-수용체 헤테로접합부, 및 광전도성 물질 및 금속의 경계면에 형성되는 쇼트키-배리어 헤테로접합부를 포함한다. 도 1은 공여체-수용체 헤테로접합부의 예를 도시하는 에너지 레벨 다이어그램이다. 유기 물질의 맥락에서, 용어 "공여체" 및 "수용체"는 2개의 접촉하는 그러나 상이한 유기 물질의 최고 점유 분자 궤도 함수("HOMO") 및 최저 비점유 분자 궤도 함수("LUMO") 에너지 레벨의 상대적 위치를 의미한다. 또다른 물질과 접촉하는 한 물질의 LUMO 에너지 레벨이 낮을 경우, 그 물질은 수용체이다. 반대는 공여체이다. 외부 바이어스의 부재하에 공여체-수용체 접합부에서 전자가 수용체 물질로 이동하는 것이 에너지면에서 바람직하다. 본원에서 사용될 때, 제1 에너지 레벨이 진공 에너지 레벨 10에 더 근접할 경우, 제1 HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨은 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨보다 "크거나 또는 높다". 더 높은 HOMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 대한 절대 에너지가 더 작은 이온화 전위("IP")에 상응한다. 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 대한 절대 에너지가 더 작은 전자 친화도("EA")에 상응한다. 진공 레벨이 위에 있는 종래의 에너지 레벨 다이어그램에서, 물질의 LUMO 에너지 레벨은 동일한 물질의 HOMO 에너지 레벨보다 더 높다. 공여체(152) 또는 수용체(154)에서 광자(6)의 흡수로 엑시톤(8)이 발생한 후, 엑시톤(8)은 정류 경계면에서 분해된다. 공여체(152)는 정공(개방 원)을 운반하고 수용체(154)는 전자(검은 원)를 운반한다. 유기 반도체에서 중요한 특성은 운반자 이동성이다. 이동성은 전기장에 대한 응답으로 전하 운반자가 전도성 물질을 통해 이동할 수 있는 용이성을 측정한다. 유기 감광성 장치의 맥락에서, 전자 이동성이 높아 전자를 우선적으로 전달하는 물질은 전자 운반 물질이라 불릴 수 있다. 정공 이동성이 높아 정공을 우선적으로 전달하는 물질은 정공 운반 물질이라 불릴 수 있다. 이동성 및/또는 장치에서의 위치로 인하여 전자를 우선적으로 전달하는 층은 전자 운반 층("ETL")이라 불릴 수 있다. 이동성 및/또는 장치에서의 위치로 인하여 정공을 우선적으로 전달하는 층은 정공 운반 층("HTL")이라 불릴 수 있다. 반드시는 아니지만 바람직하게는, 수용체 물질은 전자 운반 물질이고 공여체 물질은 정공 운반 물질이다. 운반자 이동성 및 상대적인 HOMO 및 LUMO 레벨에 기초하여 광기전 헤테로접합부에서 공여체 및 수용체로 작용하는 두 유기 광전도성 물질을 쌍으로 형성하는 방법은 업계에 널리 공지되어 있으므로 여기서는 거론하지 않는다. 본원에서 사용될 때, 용어 "유기"는 중합체 물질 및 유기 광전자 장치를 제조하는 데 사용될 수 있는 소분자 유기 물질을 포함한다. "소분자"란 중합체가 아닌 임의의 유기 물질을 의미하며, "소분자"는 실제로 매우 클 수 있다. 소분자는 일부 환경에서 반복 단위를 포함할 수 있다. 예컨대, 치환기로서 장쇄 알킬기를 사용한다고 해서 분자가 "소분자"로부터 제외되지 않는다. 소분자는 또한 예컨대 주쇄의 일부로서 또는 중합체 주쇄 상의 현수기로서 중합체에 포함될 수 있다. 소분자는 또한 코어 부분에 형성된 일련의 화학 셸로 이루어지는 덴드리머의 코어 부분의 역할을 할 수도 있다. 덴드리머의 코어 부분은 형광성 또는 인광성 소분자 방출체일 수 있다. 덴드리머는 "소분자"이 수 있다. 일반적으로, 소분자는 분자마다 동일한 분자량을 갖는 정의된 화학식을 가지는 반면, 중합체는 분자마다 상이할 수 있는 분자량을 갖는 정의된 화학식을 가진다. 본원에서 사용될 때, "유기"는 히드로카르빌 및 헤테로원자로 치환된 히드로카르빌 리간드의 금속 착물을 포함한다. 그 일반 구조, 특성, 물질 및 특징을 비롯한 유기 감광성 장치의 기술 상태에 관한 기재 및 추가의 배경 설명에 대해서는, Forrest 등의 미국 특허 6,657,378호, Forrest 등의 미국 특허 6,580,027호, 및 Bulovic 등의 미국 특허 6,352,777호가 본원에 참고 문헌으로 인용되어 있다. 발명의 개요 본 발명은 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이의 유기 차단층을 포함하는 유기 감광성 광전자 장치에 관한 것이며, 상기 차단층은 페난트롤린 유도체를 포함하며 하나 이상의 엑시톤, 전자 및 정공을 적어도 부분적으로 차단한다. 바람직하게는, 차단층은 엑시톤 차단층이다. 페난트롤린 유도체는 바람직하게는 모노-t-BBP, 모노-PBP, 모노-o-TBP, 모노-XYBP, n-BBP, t-BBP, PBP, o-TBP, m-TBP, 및 P(o-T)BP로 이루어지는 군에서 선택된다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 바람직하게는 태양 스펙트럼 광검출기 또는 가시광선 스펙트럼 광검출기와 같은 태양 전지 또는 광검출기이다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 스택형 유기 감광성 광전자 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 감광성 헤테로접합부, 더 바람직하게는 공여체/수용체 헤테로접합부를 더 포함한다. 바람직하게는, EBL은 애노드 및 캐소드 중 하나와 감광성 헤테로구조 사이에 위치된다. 바람직한 구체예에서, 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 감광성 헤테로구조, 감광성 헤테로구조와 애노드 사이의 제1 EBL, 및 감광성 헤테로구조와 캐소드 사이의 제2 EBL을 더 포함한다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치의 EBL은 애노드 또는 캐소드에 인접할 수 있다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 또한 애노드에 인접한 제1 EBL 및 캐소드에 인접한 제2 EBL을 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 ETL을 더 포함할 수 있으며, 여기서 차단층은 ETL 및 애노드와 캐소드 중 하나의 사이에 위치된다. 예컨대, 차단층은 ETL 및 캐소드 사이에 위치될 수 있으며, 상기 장치는 애노드와 ETL 사이에 HTL을 더 포함할 수 있는데, 여기서 차단층은 바람직하게는 엑시톤 차단층이다. 바람직한 ETL 물질은 C60을 포함한다. 바람직하게는 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치의 페난트롤린 유도체는 하기 구조를 가진다: 상기 화학식에서, R1 내지 R16은 수소, 알킬, 페닐 또는 치환된 페닐이며, 단 R1 및 R2는 R3 내지 R16이 모두 수소일 때 둘다 메틸이 아니고 둘다 수소가 아니다. 한 구체예에서, 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 도파관을 형성하는 2개의 평행한 평면 반사면 사이에 배치된 전자 수송층, 정공 수송층 및 차단층을 포함한다. 바람직하게는, 두 반사면 중 하나에, 장치에 입사광을 도입하기 위한 천공이 마련되어 있다. 이 구체예의 유기 감광성 광전자 장치는 빛이 반사 표면의 평면에 실질적으로 평행한 방향으로부터 장치에 도입되도록 두 반사 표면 사이에 투명한 부분을 더 포함할 수 있다. 복수개의 본 발명 유기 감광성 광전자 장치는 또한 적층되어 스택형 유기 감광성 광전자 장치를 형성할 수 있다. 본 발명은 유기 감광성 광전자 장치 또는 서브셀의 내부 양자 효율을 증가시키기 위하여 하나 이상의 페난트롤린 유도체 엑시톤 차단층을 포함하는 유기 감광성 광전자 장치 및 유기 감광성 광전자 장치 서브셀을 제공한다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 높은 외부 양자 효율에서 작동할수 있고 스택형 서브셀을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 최적 서브셀의 최대 내부 양자 효율에 근접한 외부 양자 효율로 작동할 수 있다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치는 액시톤 차단층을 포함하지 않는 장치에 비하여 개선된 Voc 및 Isc를 가진다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치의 기판은 전도성 또는 절연성일 수 있고 강성 또는 가요성일 수 있다.