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KR20080044233A - 일체형 광전지를 갖는 디스플레이 - Google Patents

일체형 광전지를 갖는 디스플레이 Download PDF

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KR20080044233A
KR20080044233A KR1020087001493A KR20087001493A KR20080044233A KR 20080044233 A KR20080044233 A KR 20080044233A KR 1020087001493 A KR1020087001493 A KR 1020087001493A KR 20087001493 A KR20087001493 A KR 20087001493A KR 20080044233 A KR20080044233 A KR 20080044233A
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KR
South Korea
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display
article
state
photovoltaic cell
transparent
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Application number
KR1020087001493A
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English (en)
Inventor
크리스토프 브라벡
랜돌프 더블유 찬
리처드 칠더스
다니엘 패트릭 맥간
케빈 피 올리버
Original Assignee
코나르카 테크놀로지, 인코포레이티드
레오나르트 쿠르츠 스티프퉁 운트 코. 카게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코나르카 테크놀로지, 인코포레이티드, 레오나르트 쿠르츠 스티프퉁 운트 코. 카게 filed Critical 코나르카 테크놀로지, 인코포레이티드
Publication of KR20080044233A publication Critical patent/KR20080044233A/ko
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Abstract

본 발명은 일체형 광전지를 갖는 디스플레이와, 관련 시스템, 구성요소 및 방법을 개시한다.

Description

일체형 광전지를 갖는 디스플레이{DISPLAYS WITH INTEGRATED PHOTOVOLTAIC CELLS}
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2005년 8월 22일 출원된 미국 가출원 제60/710,183호 및 2005년 9월 30일 출원된 미국 가출원 제60/722,885호를 기초로 우선권을 주장한다. 상기 두 가출원의 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
기술 분야
본 발명은 일체형 광전지를 갖는 디스플레이와, 관련 시스템, 구성요소 및 방법에 관한 것이다.
광전지는, 빛 형태의 에너지를 전기 형태의 에너지로 전환하는 데 통상적으로 사용된다. 전형적인 광전지는 2 개의 전극 사이에 배치되는 광활성 재료를 포함한다. 일반적으로, 빛은 전극의 한쪽 또는 양쪽을 통과하여 광활성 재료와 상호작용함으로써 빛 에너지를 전기 에너지로 전환한다.
발명의 개요
한 측면에서, 본 발명은 기판, 기판에 의해 지지된 광전지, 및 광전지에 의해 지지되고 광전지에 작동 가능하게 연결된 디스플레이를 포함하는 물품을 특징으로 한다. 상기 디스플레이는, 전기적으로 활성화되지 않은 경우에는 투명하거나 반투명하고 전기적으로 활성화된 경우에는 불투명하다.
다른 측면에서, 본 발명은 기판, 기판에 의해 지지된 광전지, 및 광전지에 의해 지지되고 광전지에 작동 가능하게 연결된 디스플레이를 포함하는 물품을 특징으로 한다. 상기 디스플레이는, 제1 상태인 경우에는 투명하거나 반투명하고, 제2 상태인 경우에는 불투명하다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 디스플레이가 투명하거나 반투명한 상태로 있는 제1 세트의 조건 하에서 디스플레이를 작동시키는 단계 및 디스플레이가 불투명한 상태로 있는 제2 세트의 조건 하에서 디스플레이를 작동시키는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다. 디스플레이는 1 이상의 광전지에 의해 전원을 공급받는다.
구체예들은 하기 측면들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
물품은 가요성일 수 있다.
물품은 두께가 약 5 mm 이하일 수 있다.
디스플레이는 광고, 종이, 명함, 잡지 또는 책의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 디스플레이는 고정 사진, 활동 사진, 표지(signage), 패턴, 텍스트 또는 로고를 도시하도록 구성될 수 있다. 다른 구체예에서, 디스플레이는 활동 사진, 표지, 패턴, 텍스트 또는 로고를 도시하도록 구성될 수 있다.
디스플레이는 패시브 매트릭스를 포함할 수 있다.
디스플레이는 전기 영동(electrophoretic) 디스플레이 또는 전기 변색(electrochromic) 디스플레이를 포함할 수 있다.
디스플레이는 광전지 상에 배치될 수 있다. 일부 구체예에서, 광전지는 디스플레이 상에 배치될 수 있다.
광전지는 광활성층을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성층은 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함할 수 있다.
전자 수용체 재료는 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 탄소 나노로드, 무기 나노로드, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 전자 수용체 재료는 치환된 풀러린을 포함할 수 있다.
전자 공여체 재료는 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌 및 폴리이소티아나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 전자 공여체 재료는 폴리(3-헥실티오펜)을 포함할 수 있다.
광전지는 2 개의 전극을 더 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광전지는 두 전 중 하나와 광활성층 사이에 정공 차단층 또는 정공 캐리어층을 더 포함할 수 있다.
정공 차단층은 LiF, 금속 산화물 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
정공 캐리어층은 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리비닐카르바졸, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐렌비닐렌, 폴리이소티아나프타넨 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
제1 상태 및 제2 상태는 모두 전기적 상태일 수 있다. 일부 구체예에서, 디스플레이의 전기적 상태를 변화시키는 것은 디스플레이를 투명하거나 반투명한 상태에서 불투명한 상태로 변화시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 디스플레이의 전기적 상태를 변화시키는 것은 디스플레이를 불투명한 상태에서 투명하거나 반투명한 상태로 변화시킬 수 있다.
물품은, 디스플레이의 작동을 위해 추가의 전원 공급 장치 또는 전자 디바이스가 필요하지 않도록 구성될 수 있다.
구체예들은 하기 장점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다.
물품을 수명이 짧은 상품(즉, 잡지 또는 신문)에 사용하는 구체예에서, 상기 물품은 비교적 짧은 작동 수명(예를 들면, 몇 시간 또는 며칠) 및/또는 비교적 짧은 보관 수명(예를 들면, 한 달)을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 하기 상세한 설명 및 도면, 그리고 청구의 범위에서 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 디스플레이 상에 배치된 광전지를 갖는 물품의 횡단면도이다.
도 2는 광전지 상에 배치된 디스플레이를 갖는 물품의 횡단면도이다.
도 3은 활동 디스플레이(animated display) 또는 블링킹 디스플레이(blinking display)를 갖는 물품의 개략도이다.
도 4는 유기 광전지의 횡단면도이다.
도 5는 염료 감응형 태양 전지의 횡단면도이다.
도 6은 직렬로 전기적으로 연결된 다수의 광전지를 함유하는 시스템의 개략도이다.
도 7은 병렬로 전기적으로 연결된 다수의 광전지를 함유하는 시스템의 개략도이다.
여러 가지 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.
상세한 설명
일반적으로, 본 개시 내용은 일체형 광전지를 갖는 디스플레이에 관한 것이다. 도 1은 기판(101), 디스플레이(102) 및 광전지(103)를 갖는 물품(100)을 도시한다. 광전지(103)는 디스플레이(102) 상에, 디스플레이(102)는 기판(101) 상에 차례로 배치된다. 광전지(103) 및 디스플레이(102)는 전기적 연결부(A 및 B)를 통해 작동 가능하게 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 빛(예를 들면 실내광, 실외광)이 광전지(103)에 부딪치고, 광전지(103)는 전류를 생성하며, 전류는 연결부(A 및 B)를 통해 디스플레이(102)에 전달된다. 이는, 이어서 디스플레이(102)를 활성화한다. 도 1에서는 광전지(103)에 부딪치는 것으로 도시되어 있긴 하나, 일부 구체예에서, 빛은 기판(101)에 부딪칠 수 있다. 특정 구체예에서, 빛은 기판(101)과 광전지(103) 모두에 부딪칠 수 있다.
도 2는, 디스플레이(102)가 광전지(103) 상에, 광전지(103)가 기판(101) 상에 차례로 배치되도록 구성된, 기판(101), 디스플레이(102) 및 광전지(103)를 갖는 물품(200)을 도시한다. 물품(200)에서, 광전지(103) 및 디스플레이(102)는 전기적 연결부(C 및 D)를 통해 작동 가능하게 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 빛(예를 들면 실내광, 실외광)은 디스플레이(102)에 부딪친다. 빛의 적어도 일부는 디스플레이(102)를 통과하고 광전지(103)에 부딪쳐서 전류를 생성하며, 전류는 연결부(C 및 D)를 통해 디스플레이(102)로 전달된다. 이는, 이어서 디스플레이(102)를 활성화한다. 도 2에서는 먼저 디스플레이(102)에 부딪치는 것으로 도시되어 있긴 하나, 물품(200)의 일부 구체예에서, 빛은 광전지(200)에 부딪치기 전에 물품(200)의 기판(101)에 부딪칠 수 있다. 물품(200)의 특정 구체예에서, 빛은 광전지(103)에 부딪치기 전에 기판(101)과 디스플레이(102) 모두에 부딪칠 수 있다.
일반적으로, 디스플레이(102)는 업계에 공지된 적합한 재료로 형성될 수 있다. 물품(100)에서, 디스플레이(102)는 일반적으로 불투명한 재료, 반투명한 재료 또는 투명한 재료로 형성될 수 있다. 물품(200)에서, 디스플레이(102)는 일반적으로 반투명한 재료 또는 투명한 재료로 형성된다. 특정 구체예에서, 디스플레이(102)는 착색되거나 연하게 착색될 수 있다. 일부 구체예에서, 디스플레이(102)는 디자인되거나, 패턴화되거나, 줄무늬가 넣어지거나, 그림이 그려질 수 있다. 상기 옵션들의 조합이 사용될 수 있다. 특정 구체예에서, 디스플레이(102)의 상이한 영역은 상이한 재료로 형성될 수 있다.
특정 구체예에서, 디스플레이(102)는 패시브 매트릭스를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 디스플레이(102)는 전기 영동 디스플레이 또는 전기 변색 디스플레이를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구체예에서, 디스플레이(102)는, 예를 들어 고정 사진, 활동 사진, 표지, 패턴, 텍스트 또는 로고를 도시하도록 구성될 수 있다.
일부 구체예에서, 물품(100)은 다수의 디스플레이(102) 및 다수의 광전지(103)를 포함한다.
일반적으로, 물품(100)은 두께가, 약 1 마이크론 이상(예를 들면, 약 5 마이크론 이상, 약 10 마이크론 이상) 및/또는 약 5,000 마이크론 이하(예를 들면, 약 1,000 마이크론 이하, 약 500 마이크론 이하, 약 300 마이크론 이하, 약 200 마이크론 이하, 약 100 마이크론 이하, 약 50 마이크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 물품(100)은 광고, 종이, 명함, 정기 간행물, 잡지 또는 책의 일부로 사용될 수 있다. 특정 구체예에서, 물품(100)은 추가의 전원 공급 장치(예를 들면, 배터리) 또는 다른 전자 디바이스(예를 들면, 트랜지스터)를 필요로 하지 않는다.
도 3은 일체형 광전지(203)를 구비한 활동 디스플레이 또는 블링킹 디스플레이(202)를 갖는, 도 2에 도시된 물품(200)의 개략도이다. 도 3에 도시된 구체예에서, 디스플레이(202)는 반투명한 재료 또는 투명한 재료로 형성되며, 상기 재료는 전기에 의한 활성화에 따라 불투명한 재료로 변형될 수 있다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 빛은 반투명하거나 투명한 디스플레이(202)를 통과하고 광전지(203)에 진입한다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 이어서 광전지(203)는 태양 에너지를 전기로 전환할 수 있으며, 이 전기는 디스플레이(202)로 전달된다. 전기에 의한 활성화에 따라, 디스플레이(202)는 불투명해질 수 있다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 불투명한 디스플레이(202)는 빛이 광전지(203)에 도달하는 것을 차단하며, 이는 결과적으로 전기의 생성을 중단시킨다. 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 전기가 불투명한 디스플레이(202)로 전달되지 않는 경우, 디스플레이(202)는 다시 반투명해지거나 투명해진다. 이 순환은 자체적으로 반복될 수 있는데, 일단 디스플레이(202)가 빛을 통과시키면 광전지(203)가 다시 활성화되어 전기를 생성할 수 있기 때문이다. 이 순환은 활동 또는 블링킹의 효과를 제공할 수 있다. 일부 구체예에서, 물품(200)은 활동 또는 블링킹에 추가의 전원 공급 장치(예를 들면, 배터리) 또는 추가의 전자 디바이스(예를 들면, 트랜지스터)를 필요로 하지 않는다.
일부 구체예에서, 기판(101)은 불투명한 재료, 반투명한 재료 또는 투명한 재료로 형성될 수 있다. 본원에서 가리킨 바와 같이, 투명한 재료는, 물품(100)에 사용되는 두께에서, 작동 중에 사용되는 파장 또는 파장 범위의 입사광 약 60% 이상(예를 들면, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상)을 전도하는 재료이다. 예시적 파장 또는 파장 범위는 약 300 나노미터∼약 850 나노미터이다. 불투명한 재료는, 물품(100)에 사용되는 두께에서, 작동 중에 사용되는 파장 또는 파장 범위의 입사광 약 20% 이하(예를 들면, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 약 1% 이하)를 전도하는 재료이다. 반투명한 재료는, 물품(100)에 사용되는 두께에서, 투명한 재료가 전도하는 양과 불투명한 재료가 전도하는 양 사이의 양의 입사광을 전도하는 재료이다. 기판(101)을 형성할 수 있는 예시적 재료로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 중합체 탄화수소, 셀룰로스 중합체, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르 및 폴리에테르 케톤이 있다. 특정 구체예에서, 중합체는 플루오르화 중합체일 수 있다. 일부 구체예에서, 중합체 재료들의 조합이 사용된다. 특정 구체예에서, 기판(101)의 상이한 영역은 상이한 재료로 형성될 수 있다.
일반적으로, 기판(101)은 가요성, 반경질(semi-rigid) 또는 경질(예를 들면, 유리)일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(101)은 굴곡률(flexural modulus)이 약 5,000 메가파스칼 미만(예를 들면, 약 2,500 메가파스칼 미만, 약 1,000 메가파스칼 미만)이다. 특정 구체예에서, 기판(101)의 상이한 영역들은 가요성, 반경질, 또는 비가요성(예를 들면, 가요성인 1 이상의 영역과 반경질인 1 이상의 상이한 영역, 가요성인 1 이상의 영역과 비가요성인 1 이상의 상이한 영역)일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(101), 디스플레이(102) 및 광전지(103)는 전부 가요성 재료로 형성된다.
일반적으로, 기판(101)은 두께가 약 1 마이크론 이상(예를 들면, 약 5 마이크론 이상, 약 10 마이크론 이상) 및/또는 약 5,000 마이크론 이하(예를 들면, 약 1,000 마이크론 이하, 약 500 마이크론 이하, 약 300 마이크론 이하, 약 200 마이크론 이하, 약 100 마이크론 이하, 약 50 마이크론 이하)이다.
일반적으로, 기판(101)은 착색되거나 착색되지 않을 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(101)의 1 이상의 부분은 착색되는 반면, 기판(101)의 1 이상의 상이한 부분은 착색되지 않는다.
일반적으로 광전지(103)는 임의의 적합한 광전지, 예컨대 유기 광전지, 염료 감응형 광전지 또는 하이브리드 광전지일 수 있다. 이러한 광전지의 다른 예로는, 비정질 규소, 셀렌화카드뮴, 카드뮴 텔루르화물, 구리 인듐 황화물 및 구리 인듐 갈륨 셀렌화물로 형성된 광활성 재료를 갖는 광활성 전지가 있다.
일부 구체예에서, 광전지(103)는 유기 광전지이다. 도 4는 기판(310), 캐소드(320), 정공 캐리어층(330), (전자 수용체 재료 및 전자 공여체 재료를 함유하는) 광활성층(340), 정공 차단층(350), 애노드(360) 및 기판(370)을 포함하는 유기 광전지(300)의 횡단면도를 도시한다.
일반적으로, 사용 중에, 빛은 기판(310)의 표면에 부딪치고, 기판(310), 캐소드(320) 및 정공 캐리어층(330)을 통과한다. 이어서, 상기 빛은 광활성층(340)과 상호작용하여, 전자가 전자 공여체 재료에서 전자 수용체 재료로 이송되도록 한다. 이어서, 상기 전자 수용체 재료는 정공 차단층(350)을 통해 전자를 애노드(360)로 이송하고, 상기 전자 공여체 재료는 정공 캐리어층(330)을 통해 정공을 캐소드(320)로 이송한다. 애노드(360) 및 캐소드(320)는, 전자가 애노드(360)로부터 외부 로드를 통해 캐소드(320)로 이송되도록, 상기 로드에 의해 전기적으로 연결된다.
광활성층(340)의 전자 수용체 재료는 풀러린을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성층(340)은 1 이상의 비치환된 풀러린 및 1 이상의 치환된 풀러린을 포함할 수 있다. 비치환된 풀러린의 예로는 C60, C70, C76, C78, C82, C84 및 C92가 있다. 치환된 풀러린의 예로는 C61-페닐-부티르산 메틸 에스테르(C61-phenyl-butyric acid methyl ester; PCBM) 및 C61-페닐-부티르산 글리시돌 에스테르(C61-phenyl-butyric acid glycidol ester; PCBG)가 있다.
본원에서 사용한 바와 같이, 용어 "풀러린"은 화합물, 예를 들면 다수의 탄소 원자를 갖는 3차원 탄소 골격을 포함하는 분자를 의미한다. 이러한 풀러린의 탄소 골격은 일반적으로, 예를 들면 형태가 구형 또는 반구형일 수 있는 폐각을 형성한다. 대안으로, 상기 탄소 골격은, 예를 들면 관형상(tubular shape)과 같은 불완전 폐각을 형성할 수 있다. 풀러린의 탄소 원자는 일반적으로, 4면 망상(tetrahedral network)에서 가장 가까운 세 이웃에 결합된다. 용어 "풀러린"은 치환된 풀러린 및 비치환된 풀러린 모두를 포함한다.
비치환된 풀러린은 Cj로 나타낼 수 있으며, 여기서 j는 탄소 골격의 탄소 원자의 수에 관한 정수이다. 예를 들어, C60는 32면(그 중 12면은 5각형이고 20면은 6각형임)을 포함하는 절두 20면체를 정의한다. 다른 적합한 풀러린은, 예를 들면 j가 50 이상∼약 250 미만일 수 있는 Cj를 포함한다. 비치환된 풀러린은 일반적으로, 탄소원, 예컨대 원소 탄소 또는 탄소 함유 종의 고온 반응에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 충분히 높은 온도는 레이저 증발(laser vaporization), 전기 아크(electric arc) 또는 화염(flame)을 사용하여 생성할 수 있다. 탄소원에 높은 온도를 가하면, 여러 가지 비치환된 풀러린이 얻어지는 탄소질 침전물이 형성된다. 일반적으로, 비치환된 풀러린은 용매 추출 및 크로마토그래피의 조합을 사용하여 정제할 수 있다.
치환된 풀러린은 1 이상의 치환기를 함유하는 풀러린, 예컨대 PCBM 및 PCBG를 포함한다. 적합한 치환기의 예로는 알킬, 알케닐, 알키닐, 시클로알킬, 시클로알케닐, 알콕시, 아릴, 아릴옥시, 헤테로아릴, 헤테로아릴옥시, 아미노, 알킬아미노, 디알킬아미노, 아릴아미노, 디아릴아미노, 히드록실, 할로겐, 티오, 알킬티오, 아릴티오, 알킬술포닐, 아릴술포닐, 시아노, 니트로, 아실, 아실옥시, 카르복실 및 카르복실산 에스테르가 있다. 이 치환기들은 1 이상의 적합한 치환기로 더 치환될 수 있다. 치환된 풀러린은 임의의 적합한 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 알킬풀러린 유도체는, 풀러린과 유기 알킬 리튬 또는 알킬 Grignard 시약을 반응시킨 다음 할로겐화알킬과 반응시켜 제조할 수 있다. 다른 예로서, PCBM은 염기의 존재 하에 C60과 메틸 4-벤조일부티레이트 p-토실히드라존을 반응시켜 제조할 수 있다. PCBM을 더 개질시켜 다른 치환된 풀러린(예를 들면, PCBG)을 얻을 수 있다.
임의의 이론에 구속되고자 하는 바는 아니나, 광활성층(340) 내에 1 이상의 비치환된 풀러린 및 1 이상의 치환된 풀러린의 혼합물을 함유하는 광전지는 향상된 열안정성을 나타낼 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들어, 고온에서 소정의 시간 동안 가열된 후, 1 이상의 비치환된 풀러린 및 1 이상의 치환된 풀러린의 혼합물을 함유하는 광전지는 효율의 변화가 비교적 작을 수 있다.
일반적으로, 비치환된 풀러린 대 치환된 풀러린의 중량비는 필요한 만큼 변화시킬 수 있다. 특정 구체예에서, 비치환된 풀러린 대 치환된 풀러린의 중량비는 약 1:20 이상(예를 들면, 약 1:10 이상, 약 1:5 이상, 약 1:3 이상, 또는 약 1:1 이상) 및/또는 약 10:1 이하(예를 들면, 약 5:1 이하 또는 약 3:1 이하)일 수 있다.
일부 구체예에서, 약 50℃ 이상(예를 들면, 약 100℃ 이상, 약 150℃ 이상, 약 170℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 225℃ 이상)의 온도에서 약 5 분 이상(예를 들면, 약 10 분 이상, 약 15 분 이상, 약 20 분 이상, 약 30 분 이상, 약 60 분 이상, 약 120 분 이상) 동안 가열된 후의 광전지(300)의 효율은, 가열되기 전의 효율의 약 50% 이상(예를 들면, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 98% 이상)이다.
광전지(300)는 약 0.5% 이상(예를 들면, 약 1% 이상, 약 2% 이상, 약 3% 이상, 또는 약 4% 이상)의 효율을 가질 수 있다. 광전지의 효율은, 전지에 도달하는 태양 에너지 대 전지에 의해 생성되는 전기 에너지의 비율에 관련한다. 광전지의 효율은 업계에 공지된 방법으로 구할 수 있다. 예를 들어, 광전지의 효율은 광전지를 기준으로 유도한 전류 전압 곡선으로부터 측정할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성층(140) 내의 비치환된 풀러린 및 치환된 풀러린은 실질적으로 상 분리되지 않을 수 있다.
일부 구체예에서, 광활성층(340)은 1 이상의, 풀러린이 아닌 전자 수용체 재료를 포함할 수 있다. 적합한 전자 수용체 재료의 예로 옥사디아졸, 탄소 나노로드, 디스코틱 액정, 무기 나노입자(예를 들면, 산화아연, 산화텅스텐, 인화인듐, 셀렌화카드뮴 및/또는 황화납으로 형성되는 나노입자), 무기 나노로드(예를 들면, 산화아연, 산화텅스텐, 인화인듐, 셀렌화카드뮴 및/또는 황화납으로 형성되는 나노로드), 또는 전자를 수용할 수 있거나 안정된 음이온을 형성할 수 있는 부분을 함유하는 중합체(예를 들면, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체)가 있다.
광활성층(340)의 전자 공여체 재료는, 일반적으로 공액 부분을 갖는 전도성 중합체(예를 들면, 공액 유기 중합체)를 포함할 수 있다. 공액 중합체는 중첩 π 오비탈을 갖는 것을 특징으로 하며, 이는 전도 특성에 기여한다. 또한, 공액 중합체는 2 이상의 공명 구조를 지닐 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 공액 유기 중합체는 공액 성질을 보유하고 있는 한, 예를 들면 선형 또는 분지형일 수 있다.
적합한 전자 공여체 재료의 예는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리티에닐비닐렌, 폴리티오펜, 폴리포르피린, 포르피린 마크로사이클, 폴리메탈로센, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리프탈로시아닌, 디스코틱 액정 중합체, 및 이의 유도체 또는 조합 중 하나 이상을 포함한다. 전자 공여체 재료의 예시적 유도체는 측쇄기(pendant group)를 갖는 유도체, 예를 들면 환형 에테르, 예컨대 에폭시, 옥세탄, 푸란, 또는 시클로헥센 옥시드를 포함한다. 이 재료들의 유도체는 대안으로 또는 추가로 다른 치환기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 공여체의 티오펜 성분은, 예컨대 각각의 티오펜 부분의 3 위치에 페닐기를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 알킬, 알콕시, 시아노, 아미노 및/또는 히드록시 치환기들은 폴리페닐아세틸렌, 폴리디페닐아세틸렌, 폴리티오펜 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌) 공액 중합체 중 임의의 것에 존재할 수 있다. 일부 구체예에서, 전자 공여체 재료는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)이다. 특정 구체예에서, 광활성층(340)은 전자 공여체 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 광활성층(340)은 배향된 전자 공여체 재료[예를 들면, 액정(Liquid crystal; LC) 재료], 전기활성 중합체 결합제 캐리어(예를 들면, P3HT), 및 다수의 나노 결정(예를 들면, ZnO, WO3 또는 TiO2 중 하나 이상을 포함하는 배향된 나노로드)을 포함한다. 액정 재료는, 예를 들어, 다수의 디스코틱 메소젠 단위(mesogen unit)를 포함하는 디스코틱 네마틱 LC 재료일 수 있다. 각각의 단위는 중심기(central group) 및 다수의 전기활성 팔(arm)을 포함할 수 있다. 중심기는 1 이상의 방향족 고리(예를 들면, 안트라센 기)를 포함할 수 있다. 각각의 전기활성 팔은 다수의 티오펜 부분 및 다수의 알킬 부분을 포함할 수 있다. 광활성층 내에서, 상기 단위들은 층 및 컬럼으로 정렬할 수 있다. 인접한 컬럼 내의 단위의 전기활성 팔은 서로 맞물려서 단위 간의 전자 이송을 용이하게 할 수 있다. 또한, 전기활성 중합체 캐리어는, 전자 이송을 더 용이하게 하기 위해 LC 재료 사이에 분포될 수 있다. 각각의 나노 결정의 표면은, LC 재료 및 중합체 캐리어에서 나노 결정으로의 전자 이송을 용이하게 하기 위해 다수의 전기활성 계면활성제 군(surfactant group)을 포함할 수 있다. 각각의 계면활성제 군은 다수의 티오펜기를 포함할 수 있다. 각각의 계면활성제는, 예를 들어 포스폰산 말단기를 통해 나노 결정에 결합될 수 있다. 또한, 각각의 계면활성제 군은 다수의 알킬 부분을 포함하여 광활성층에서의 나노 결정의 용해도를 증대시킬 수 있다.
다른 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료는 2006년 7월 14일 출원된, 공동 계류중인 미국 특허 출원 제11/486,536호에 개시되어 있으며, 그 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
이제 광전지(300)의 다른 구성요소들을 살펴보면, 기판(310) 및 기판(370)은 상기에 설명한 기판(101 또는 201)과 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 구체예에서, 광전지(300)가 상기에 설명한 물품에 사용되는 경우, 기판들(310 및 370) 중 하나 또는 모두는 제거되거나 물품 내의 기판 또는 디스플레이에 일체화될 수 있다.
캐소드(320) 및 애노드(360) 중 하나 또는 모두는, 그 위에 부딪치는 빛의 일부 이상을 전도하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(320) 및 애노드(360) 중 하나 이상은 투명한 재료로 형성될 수 있다. 예시적인 투명한 재료는 투명한 산화물, 예컨대 산화주석, 예를 들면 인듐 도핑된 산화주석(Indium-doped Tin Oxide; ITO)을 포함한다. 투명한 재료의 대안으로 또는 투명한 재료와 함께, 캐소드(320)는 빛을 통과시키는 개방 영역 및 전자를 전도하는 전도성 재료로 규정되는 폐쇄 영역으로 구성될 수 있다. 한 구체예에서, 캐소드(320) 및 애노드(360) 중 하나 이상은 메시이다. 메시 전극을 갖는 광전지는, 예를 들어 공동 계류중이고 공유된 미국 실용신안 출원 10/395,823호, 10/723,554호 및 10/494,560호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 본원에 참고로 인용되어 있다.
정공 캐리어층(330)은 일반적으로, 광전지(300)에 사용되는 두께에서, 정공을 전극(320)으로 이송하고 전자가 전극(320)으로 이송되는 것을 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 정공 캐리어층(330)을 형성할 수 있는 재료의 예로 폴리티오펜[예를 들면, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)], 폴리아닐린, 폴리비닐카르바졸, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐렌비닐렌 및/또는 폴리이소티아나프타넨이 있다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어층(330)은 정공 캐리어 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 정공 캐리어층(330)의 상부 표면[즉, 광활성층(340)과 접촉하는 정공 캐리어층(330)의 표면]과 전극(320)의 상부 표면[즉, 정공 캐리어층(330)과 접촉하는 전극(320)의 표면] 사이의 거리는 필요한 만큼 변화될 수 있다. 일반적으로, 정공 캐리어층(330)의 상부 표면과 전극(320)의 상부 표면 사이의 거리는 0.01 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.05 마이크론 이상, 약 0.1 마이크론 이상, 약 0.2 마이크론 이상, 약 0.3 마이크론 이상, 또는 약 0.5 마이크론 이상) 및/또는 약 5 마이크론 이하(예를 들면, 약 3 마이크론 이하, 약 2 마이크론 이하, 또는 약 1 마이크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어층(330)의 상부 표면과 전극(320)의 상부 표면 사이의 거리는 약 0.01 마이크론∼약 0.5 마이크론이다.
일반적으로, 광활성층(340)은, 이에 부딪치는 광자를 흡수하는 데 비교적 효율적이라서 해당 전자 및 정공을 형성하기에 충분히 두껍고, 정공 및 전자를 디바이스의 전극에 이송하는 데 비교적 효율적이게 충분히 얇다. 특정 구체예에서, 광활성층(340)은 두께가, 0.05 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.1 마이크론 이상, 약 0.2 마이크론 이상, 또는 약 0.3 마이크론 이상) 및/또는 약 1 마이크론 이하(예를 들면, 약 0.5 마이크론 이하 또는 약 0.4 마이크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 광활성층(340)은 두께가 약 0.1 마이크론∼약 0.2 마이크론이다.
정공 차단층(350)은 일반적으로, 광전지(300)에서 사용되는 두께에서, 전자를 애노드(360)로 이송하고 정공이 애노드(360)로 이송되는 것을 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 정공 차단층(350)을 형성할 수 있는 재료의 예로 LiF 및 금속 산화물(예를 들면, 산화아연, 산화티타늄)이 있다.
일반적으로, 정공 차단층(350)은 두께가, 0.02 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.03 마이크론 이상, 약 0.04 마이크론 이상, 또는 약 0.05 마이크론 이상) 및/또는 약 0.5 마이크론 이하(예를 들면, 약 0.4 마이크론 이하, 약 0.3 마이크론 이하, 약 0.2 마이크론 이하, 또는 약 0.1 마이크론 이하)이다.
일부 구체예에서, 광전지는 하기와 같이 제조할 수 있다. 애노드(360)는 종래의 기술을 사용하여 기판(370) 상에 형성하며, 정공 차단층(350)은 애노드(360) 상에 형성한다(예를 들면, 진공 증착 공정 또는 용액 코팅 공정을 이용함). 광활성층(340)은 적합한 공정, 예컨대 잉크제트 인쇄, 스핀 코팅, 딥 코팅(dip coating), 나이프 코팅(knife coating), 바 코팅(bar coating), 분무 코팅, 롤러 코팅, 슬롯 코팅, 그라비어 코팅, 또는 스크린 인쇄를 사용하여 정공 차단층(350) 상에 형성한다. 정공 캐리어층(330)은, 예를 들어 용액 코팅 공정을 사용하여 광활성층(340)에 형성한다. 캐소드(320)는 정공 캐리어층(330)에 부분적으로 배치된다[예를 들면, 정공 캐리어층(330)의 표면에 캐소드(320)를 배치하고 캐소드(320)를 압착함에 의함]. 이어서, 기판(310)은 종래의 방법을 이용하여 캐소드(320) 및 정공 캐리어층(330) 상에 형성한다.
일부 구체예에서, 상기에 설명한 스탬핑 방법은 DSSC에 사용하는 기판상에 전극을 인쇄하는 데 사용될 수 있다. 도 5는 기판(410), 전극(420), 촉매층(430), 충전 캐리어층(440), 광활성층(450), 전극(460), 기판(470) 및 외부 로드(480)를 포함하는 DSSC(400)의 횡단면도이다. DSSC의 예는, 미국 특허 출원 제11/311,805호(2005년 12월 19일 출원됨) 및 제11/269,956호(2005년 11월 9일 출원됨)에 논의되어 있으며, 이의 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
물품 내의 디스플레이에 전원을 공급하는 데 광전지를 사용하는 구체예들을 설명하였으나, 일부 구체예에서는, 다수의 광전지를 포함하고 그 광전지들의 적어도 일부가 전기적으로 연결된 광전지 모듈을 사용할 수 있다. 예로서, 도 6은 광전지(520)를 포함하는 모듈(510)을 갖는 광전지 시스템(500)의 개략도이다. 전지(520)들은 직렬로 전기적으로 연결되고, 시스템(500)은 로드(530)에 전기적으로 연결된다. 다른 예로서, 도 7은 광전지(620)를 포함하는 모듈(610)을 갖는 광전지 시스템(600)의 개략도이다. 전지(620)들은 병렬로 전기적으로 연결되고, 시스템(600)은 로드(630)에 전기적으로 연결된다. 일부 구체예에서, 광전지 시스템 내의 광전지의 일부(예를 들면, 전부)는 1 이상의 공통 기판을 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 광전지 시스템 내의 일부 광전지는 직렬로 전기적으로 연결되고, 광전지 시스템 내의 광전지의 일부는 병렬로 전기적으로 연결된다.
다른 구체예들은 청구의 범위에 있다.

Claims (28)

  1. 기판,
    기판에 의해 지지된 광전지, 및
    광전지에 의해 지지되고 광전지에 작동 가능하게 연결된 디스플레이
    를 포함하는 물품으로서,
    상기 디스플레이는, 전기적으로 활성화되지 않는 경우에는 투명하거나 반투명하고 전기적으로 활성화된 경우에는 불투명한 것인 물품.
  2. 제1항에 있어서, 가요성인 물품.
  3. 제1항에 있어서, 두께가 약 5 mm 이하인 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 광고, 종이, 명함, 잡지 또는 책의 적어도 일부를 포함하는 것인 물품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 고정 사진, 표지(signage), 패턴, 텍스트 또는 로고를 도시하도록 구성되는 것인 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 활동 사진, 표지, 패턴, 텍스트 또는 로 고를 도시하도록 구성되는 것인 물품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 패시브 매트릭스를 포함하는 것인 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 전기 영동(electrophoretic) 디스플레이 또는 전기 변색(electrochromic) 디스플레이를 포함하는 것인 물품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광전지는 광활성층을 포함하는 것인 물품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광활성층은 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함하는 것인 물품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전자 수용체 재료는 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 탄소 나노로드, 무기 나노로드, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 물품.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전자 수용체 재료는 치환된 풀러린을 포함하는 것인 물품.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전자 공여체 재료는 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌 및 폴리이소티아나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 물품.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전자 공여체 재료는 폴리(3-헥실티오펜)을 포함하는 것인 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 광전지는 2 개의 전극을 더 포함하는 것인 물품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광전지는 상기 2 개의 전극 중 하나와 광활성층 사이에 정공 차단층을 더 포함하는 것인 물품.
  17. 제16항에 있어서, 상기 정공 차단층은 LiF, 금속 산화물 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 물품.
  18. 제15항에 있어서, 상기 광전지는 상기 2 개의 전극 중 하나와 광활성층 사이에 정공 캐리어층을 더 포함하는 것인 물품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 정공 캐리어층은 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리비닐 카르바졸, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐렌비닐렌, 폴리이소티아나프타넨 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 물품.
  20. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이의 작동을 위해 추가의 전원 공급 장치 또는 전자 디바이스가 필요하지 않도록 구성되는 것인 물품.
  21. 기판,
    기판에 의해 지지된 광전지, 및
    광전지에 의해 지지되고 광전지에 작동 가능하게 연결된 디스플레이
    를 포함하는 물품으로서,
    상기 디스플레이는, 제1 상태인 경우에는 투명하거나 반투명하고 제2 상태인 경우에는 불투명한 것인 물품.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 상태 및 제2 상태는 둘 다 전기적 상태인 물품.
  23. 제21항에 있어서, 상기 디스플레이의 작동을 위해 추가의 전원 공급 장치 또는 전자 디바이스가 필요하지 않도록 구성되는 것인 물품.
  24. 디스플레이가 투명하거나 반투명한 상태로 있는 제1 세트의 조건 하에서 디 스플레이를 작동시키는 단계, 및
    디스플레이가 불투명한 상태로 있는 제2 세트의 조건 하에서 디스플레이를 작동시키는 단계
    를 포함하는 방법으로서,
    상기 디스플레이는 1 이상의 광전지에 의해 전원을 공급받는 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 디스플레이의 전기적 상태를 변화시키는 것은 상기 디스플레이를 투명하거나 반투명한 상태에서 불투명한 상태로 변화시키는 것인 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 디스플레이의 전기적 상태를 변화시키는 것은 상기 디스플레이를 불투명한 상태에서 투명하거나 반투명한 상태로 변화시키는 것인 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 디스플레이의 전기적 상태를 변화시키는 것은 상기 디스플레이를 불투명한 상태에서 투명하거나 반투명한 상태로 변화시키는 것인 방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 디스플레이의 작동을 위해 추가의 전원 공급 장치 또는 전자 디바이스가 필요하지 않도록 구성되는 것인 물품.
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