서브프탈로시아닌 화합물을 사용한 유기 감광성 소자 document_id A220623073139

광전자 소자는 전자기 방사를 전자적으로 생성 또는 검출하거나 또는, 주변의 전자기 방사로부터 전기를 생성하는 물질의 광학적 및 전자적 성질에 의존한다. 감광성 광전자 소자는 전자기 방사를 전기적 신호 또는 전기로 전환시킨다. 또한 광기전("PV(phtovoltaic)") 소자로 지칭되는 태양 전지는 특히 전력을 생성하는데 사용되는 감광성 광전자 소자의 한 유형이다. 광전도체 전지는 흡수된 광으로 인한 변화를 검출하기 위하여 소자의 저항을 모니터하는 신호 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 소자의 한 유형이다. 인가된 바이어스 전압을 수신할 수 있는 광검출기는, 광검출기가 전자기 방사에 노출될 경우 생성되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 소자의 한 유형이다. 이들 3 가지 유형의 감광성 광전자 소자는 하기에서 정의된 정류 접합이 존재하는지의 여부에 의하여 그리고, 소자가 바이어스 또는 바이어스 전압으로 공지된 외부 인가된 전압으로 작동되는지의 여부에 따라 구별될 수 있다. 광전도체 전지는 정류 접합을 갖지 않으며, 통상적으로 바이어스로 작동된다. PV 소자는 1 이상의 정류 접합을 가지며, 바이어스로 작동되지 않는다. 광검출기는 1 이상의 정류 접합을 가지며, 항상은 아니지만 일반적으로 바이어스로 작동된다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "정류"는 특히 인터페이스가 비대칭 전도 특징을 가지며, 즉 인터페이스는 바람직하게는 한 방향으로 전자 전하 수송을 지지하는 것을 나타낸다. 용어 "반도체"는 전하 운반체가 열 또는 전자기 여기에 의하여 유발될 경우 전기를 전도시킬 수 있는 물질을 나타낸다. 용어 "광전도성"은 일반적으로 전자기 방사 에너지가 흡수된 후, 전기 전하 운반체의 여기 에너지로 전환되어 물질 중의 전기 전하를 전도(즉, 수송)할 수 있는 과정에 관한 것이다. 용어 "광전도성 물질"은 전기 전하 운반체를 생성하기 위하여 전자기 방사를 흡수하는 성질에 사용되는 반도체 물질을 지칭한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, "상부"는 기판으로부터 가장 멀리 떨어진 것을 의미하며, "하부"는 기판에 가장 가까운 것을 의미한다. 제1의 층이 제2의 층과 "물리적으로 접촉한다"라고 명시되지 않았다면 개재층이 존재할 수 있다. 적절한 에너지의 전자기 방사가 유기 반도체 물질에 입사될 경우, 광자는 흡수되어 여기된 분자 상태를 생성할 수 있다. 유기 광전도성 물질에서, 생성된 분자 상태는 일반적으로 "엑시톤", 즉 준-입자로서 수송되는 결합된 상태의 전자-정공 쌍인 것으로 알려져 있다. 엑시톤은 (다른 쌍으로부터의 정공 또는 전자와 재결합되는 것과는 반대로) 서로 재결합되는 초기의 전자 및 정공을 지칭하는 제짝 재결합("퀀칭") 이전에 상당한 수명을 가질 수 있다. 광전류를 생성하기 위하여, 엑시톤을 형성하는 전자-정공은 통상적으로 정류 접합에서 분리된다. 감광성 소자의 경우, 정류 접합은 광기전 이종접합으로 지칭된다. 유기 광기전 이종접합의 유형으로는 공여체 물질 및 수용체 물질의 계면에 형성된 공여체-수용체 이종접합 및, 광전도성 물질 및 금속의 계면에서 형성된 쇼트키(Schottky)-장벽 이종접합 등이 있다. 도 1은 공여체-수용체 이종접합의 예를 도시하는 에너지-레벨 도식이다. 유기 물질의 문맥에서, 용어 "공여체" 및 "수용체"는 2 가지의 접촉중이지만 상이한 유기 물질의 최고 점유 분자 궤도("HOMO") 및 최저 비점유 분자 궤도("LUMO") 에너지 레벨의 상대적 위치를 지칭한다. 다른 물질과 접촉하는 하나의 물질의 LUMO 에너지 레벨이 더 낮을 경우, 물질은 수용체가 된다. 반대의 경우는 공여체가 된다. 외부 바이어스가 존재하지 않을 경우 공여체-수용체 접합에서의 전자는 수용체 물질로 이동되는 것이 에너지면에서는 바람직하다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 제1의 에너지 레벨이 진공 에너지 레벨(10)에 더 가까울 경우 제1의 HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨은 제2의 HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 더 높은 HOMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 비하여 더 작은 절대 에너지를 갖는 이온화 전위("IP")에 해당한다. 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 비하여 더 작은 절대 에너지를 갖는 전자 친화도("EA")에 해당한다. 통상의 에너지 레벨 도식에서, 상부에서의 진공 레벨의 경우, 이들 물질의 LUMO 에너지 레벨은 동일한 물질의 HOMO 에너지 레벨보다 더 높다. 공여체(152) 또는 수용체(154)에서의 광자(6)의 흡수가 엑시톤(8)을 생성한 후, 엑시톤(8)은 정류 인터페이스에서 분해된다. 공여체(152)는 정공(흰색 원)을 수송하며, 수용체(154)는 전자(검은색 원)를 수송한다. 유기 반도체에서의 중요한 성질은 운반체 이동성이다. 이동성은 용이하게 측정되며, 여기서 전하 운반체가 전기장에 반응하여 전도성 물질을 통하여 이동될 수 있다. 유기 감광성 소자에서, 높은 전자 이동성으로 인하여 전자에 의하여 선택적으로 전도되는 물질은 전자 수송 물질로서 지칭될 수 있다. 높은 정공 이동성으로 인하여 정공에 의하여 선택적으로 전도되는 물질은 정공 수송 물질로서 지칭될 수 있다. 소자에서의 이동성 및/또는 위치로 인하여 전자에 의하여 선택적으로 전도되는 층은 전자 수송 층("ETL")으로서 지칭될 수 있다. 소자에서의 이동성 및/또는 위치로 인하여 정공에 의하여 선택적으로 전도되는 층은 정공 수송층("HTL")으로서 지칭될 수 있다. 수용체 물질은 전자 수송 물질이며, 공여체 물질은 정공 수송 물질인 것이 바람직하기는 하나, 반드시 그러한 것은 아니다. 운반체 이동도 및 상대적 HOMO 및 LUMO 레벨에 기초하여 광기전 이종접합에서 공여체 및 수용체로서 작용하도록 2 개의 유기 광전도성 물질을 접합시키는 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 설명하지 않는다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "유기"는 유기 광전자 소자를 제조하는데 사용될 수 있는 소분자 유기 물질뿐 아니라, 중합체 물질을 포함한다. "소분자"는 중합체가 아닌 임의의 유기 물질을 지칭하며, "소분자"는 실질적으로 꽤 클 수 있다. 소분자는 특정의 상황에서는 반복 단위를 포함할 수 있다. 예를 들면, 치환체로서 장쇄 알킬 기를 사용하면 "소분자" 유형으로부터 분자를 제거하지 않는다. 또한, 소분자는 중합체에 예를 들면 중합체 주쇄상에서의 측쇄로서 또는 주쇄의 일부로서 혼입될 수 있다. 또한, 소분자는 코어 부분에 형성된 일련의 화학적 셸로 이루어진 덴드리머의 코어 부분으로서 작용할 수 있다. 덴드리머의 코어 부분은 형광 또는 인광 소분자 방출체가 될 수 있다. 덴드리머는 "소분자"가 될 수 있다. 일반적으로, 소분자는 분자마다 분자량이 동일한 소정의 화학식을 갖는 반면, 중합체는 분자마다 분자량이 상이할 수 있는 소정의 화학식을 갖는다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, "유기"는 히드로카르빌 및 이종원자-치환된 히드로카르빌 리간드의 금속 착체를 포함한다. 문헌[Padinger, et al., Adv. Funct. Mater., 2003, 13, 85-88]에는 평균 3 내지 4%의 전력 전환 효율을 갖는 것으로 보고된 중합체-풀러렌 이종접합을 포함하는 광기전 전지가 보고되어 있다. 또한, 5%에 근접하는 효율은 처리 기술에서의 변형에 의하여 얻을 수 있는 것으로 보고되었다. 금속 캐쏘드로서 Ag를 갖는 2중-헤테로구조 구리 프탈로시아닌(CuPc)/C60 박막 전지에서의 4 태양(sun) 모사된 AM1.5G 조명하에서의 4% 정도의 효율은 문헌[Xue, et al., Appl. Phys. Lett., 2004, 84, 3013-3015]에 보고되어 있다. 또한, 직렬로 연결된 2 개의 전지를 적층시키고, 5.5%를 초과하는 효율을 산출하여 향상된 PV 전지가 보고되어 있다. 문헌[Xue, et al., Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 5757-5759]. 유기 감광성 소자의 일반적인 구조, 특징, 물질 및 성질을 비롯한 유기 감광성 소자에 대한 당업계의 추가의 배경 설명 및 기재의 경우, 미국 특허 제6,657,378호(Forrest et al.), 미국 특허 제6,580,027호(Forrest et al.) 및 미국 특허 제6,352,777호(Bulovic et al.)를 본 명세서에서 참고로 인용한다. 유기 감광성 소자의 효율에서의 추가의 개선은 명백하게 이로울 것이다. 본 발명은 개선된 효율을 갖는 유기 감광성 소자를 제공한다.