光電素子用基板およびこれを含む光電素子

 

本発明は、光電素子用基板およびこれを含む光電素子に係り、より詳しくは、光電素子を構成する薄膜の平坦性を保証すると共に、光電素子の特性向上のために形成される機能性薄膜の構造的な安定性を確保することでその機能を保持することができる光電素子用基板およびこれを含む光電素子に関する。このために、本発明は、ベース基板と、前記ベース基板上に形成され、表面が凹凸構造をなす凹凸構造物、および前記凹凸構造物上に形成され、二次元物質(2−dimensional material)からなる平坦化層と、を含むことを特徴とする光電素子用基板およびこれを含む光電素子を提供する。

 

 

本発明は、光電素子用基板およびこれを含む光電素子に係り、より詳しくは、光電素子を構成する薄膜の平坦性を保証すると共に、光電素子の特性向上のために形成される機能性薄膜の構造的な安定性を確保することでその機能を保持することができる光電素子用基板およびこれを含む光電素子に関する。
近年、脚光を浴びている次世代技術および製品には、有機物(organic material)を基盤とした光電素子(optoelectronics)がある。例えば、代表的な光電素子としては、モバイル・ディスプレイおよびSSL(solid state lighting)に適用されている有機発光素子(organic light emitting diode)と有機物を光吸収層に適用した有機太陽電池(organic solar cell)が挙げられる。これらの光電素子に係る有機物それ自体について鋭意・研究が重ねられた結果、相当な性能を持つ有機物質が開発されている。
これらの光電素子は、有機物と無機素材とが結合されてなる有機・無機複合層からなる。このとき、光電素子に用いられる代表的な無機素材としては、透明電極、金属反射電極、ガラス基板などがある。しかしながら、無機素材の場合、屈折率の差などにより、光損失が大きくなり、そのため、光効率の向上に多くの制約が伴うようになる。
これを解決するために、従来は、光電素子の表側に凹凸形態をなすナノパターンを形成した。しかしながら、光電素子の有機・無機複合層上にナノパターンを形成すれば、ナノパターンの凹凸によって、有機・無機複合層を構成する薄膜の平坦性を保証できなくなる。すなわち、有機・無機複合層上にナノパターンを形成すれば、ナノパターンに接合される有機・無機複合層上に局部的に尖り状の部分が生じる可能性が高くなる。例えば、有機発光素子は、極めて薄い有機・無機薄膜の積層構造からなるものであって、ナノパターンに接合されるアノードにナノパターンが転写して尖り状の突出した部分ができると、その部分に電流が集中するようになり、これは、大きなリーク電流の原因になったり、電力効率の低下をもたらしたりする。
したがって、かかる電気的特性の低下を防止するためには平坦膜の使用を余儀なくされていた。
しかし、凸凹状のナノパターンを数百nmの薄い平坦膜にて完璧に平坦化するのは工程的に至難である。すなわち、従来は、平坦化膜をナノパターン上に蒸着したが、この場合、ナノパターンの凹部にも平坦化膜を構成する物質が埋め込まれながら、平坦化膜がナノパターンの形状に追従して形成されるため、平坦膜の平坦度の相当な低下が余儀なくされるという問題があった。
韓国登録特許第10−1176885号公報
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光電素子を構成する薄膜の平坦性を保証すると共に、光電素子の特性向上のために形成される機能性薄膜の構造的な安定性を確保することでその機能を保持することができる光電素子用基板およびこれを含む光電素子を提供することである。
このために、本発明は、ベース基板と、前記ベース基板上に形成され、表面が凹凸構造をなす凹凸構造物、および前記凹凸構造物上に形成され、二次元物質(2-dimensional material)からなる平坦化層と、を含むことを特徴とする光電素子用基板を提供する。
前記ベース基板と前記凹凸構造物とは、一体または別体で形成されていてよい。
ここで、前記二次元物質は、グラフェン(graphene)、MoS、MoSe、hBN、およびWSeのいずれかからなるものであってよい。
また、前記平坦化層は、シート状に形成されていてよい。
そして、前記平坦化層は、単層またはn個の前記単層が積層されてなる多層からなるものであってよい。ここで、前記nは自然数である。
このとき、前記単層は、0.3〜0.9nmの厚さを有していてよい。
また、前記多層は、5nm以下の厚さを有していてよい。
さらに、前記平坦化層は90%以上の透過率を有していてよい。
他方、本発明は、前記光電素子用基板、および前記光電素子用基板の平坦化層に接する有機・無機複合層を含むことを特徴とする光電素子を提供する。
ここで、前記光電素子は有機発光素子であってよい。
また、前記光電素子は光電池であってよい。
本発明によれば、光電素子の光学的特性の向上のために凹凸構造をなす機能性薄膜と光電素子を構成する有機・無機複合層との間に二次元物質からなる平坦化層を形成することによって有機・無機複合層の平坦性を保証でき、それにより、光電素子の電気的特性の低下を防止することができ、且つ、機能性薄膜の構造的な安定性を確保することができ、その光学的機能を保持し続けることができる。
また、本発明によれば、超薄膜からなる平坦化層を備えることによって、光電素子のデザイン設計上の精度を向上することができる。
本発明の一実施例に係る光電素子用基板およびこれを含む光電素子を概略的に示す断面模式図である。 本発明の他の実施例に係る光電素子用基板およびこれを含む光電素子を概略的に示す断面模式図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係る光電素子用基板およびこれを含む光電素子について詳細に説明する。
なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することとする。
図1に示すように、本発明の一実施例に係る光電素子用基板100は、例えば、有機発光素子(OLED)や光電池(photovoltaic cell)のような光電素子10の光学的特性を向上するための基板であって、光電素子10を構成する有機・無機複合層11の片面に配置される。
ここで、光電素子10が光電池である場合、有機・無機複合層11は、透明伝導性酸化物電極、光吸収層、裏面電極層、および絶縁膜を含んでなるものであってよい。ここで、光吸収層は、その材料に応じて単結晶または多結晶シリコン、CIGS(copper indium gallium selenide)または、テルル化カドミウム(CdTe)を用いる半導体化合物、多孔質膜のナノ粒子の表面に可視光の吸収で電子が励起する光感応染料分子が吸着した染料感応体、非晶質シリコンなどからなるものであってよい。
また、光電素子10が有機発光素子である場合、有機・無機複合層11は、アノード、有機発光層、およびカソードの積層構造からなるものであってよい。このとき、アノードは、正孔の注入が生じやすいように仕事関数(work function)の大きい金属のAu、In、Sn、またはITOのような金属、または酸化物からなるものであってよく、また、カソードは、電子の注入が生じやすいように仕事関数の小さいAl、Al:LiまたはMg:Agの金属薄膜からなるものであってよく、トップエミッション(top emission)構造である場合、有機発光層から発光した光が透過しやすいようにAl、Al:LiまたはMg:Agの金属薄膜の半透明電極(semitransparent electrode)とインジウムスズ酸化物(indium tin oxide;ITO)のような酸化物透明電極(transparent electrode)薄膜の多層構造からなるものであってよい。そして、有機発光層はアノード上に順次積層される正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、および電子注入層を含んでなる。このような構造により、アノードとカソードとの間に順方向電圧が印加されると、カソードから電子が電子注入層および電子輸送層を介して発光層へと移動し、アノードから正孔が正孔注入層および正孔輸送層を介して発光層へと移動する。そして、発光層内へ注入された電子と正孔は発光層で再結合して励起子(exciton)を生成し、このような励起子が励起状態(excited state)から基底状態(ground state)に遷移しながら光を放出し、このとき、放出される光の明るさはアノードとカソードとの間を流れる電流量に比例するようになる。
このような光電素子用基板100は、ベース基板110、凹凸構造物120、および平坦化層130を含んでなる。
ベース基板110は、光電素子10が光電池である場合、外部光を内部へと透過させる役割をし、光電素子10が有機発光素子である場合、内部光を外部へと透過させる役割をする。また、ベース基板110は、有機・無機複合層11、凹凸構造物120、および平坦化層130のような光電素子10の内部構成物を外部環境から保護する役割をする。
このようなベース基板110は、透明基板であつて、光透過率に優れ且つ機械的な物性に優れているものであればその種類は特に制限されない。例えば、ベース基板110としては、熱硬化またはUV硬化が可能な有機フィルムである高分子系の物質や化学強化ガラスであるソダライムガラス(SiO−CaO−NaO)またはアルミノシリケート系ガラス(SiO−Al−NaO)が用いられていてよい。ここで、本発明の実施例に係る光電素子用基板100を採用した有機発光素子が照明用である場合は、ベース基板110としてソダライムガラスを用いていてよく、有機発光素子がディスプレイ用である場合は、ベース基板110としてアルミノシリケート系ガラスを用いていてよい。また、ベース基板110としては、金属酸化物や金属窒化物からなる基板を用いていてもよい。そして、本発明の一実施例では、ベース基板110として厚さ1.5mm以下の薄板ガラスを用いていてよく、該薄板ガラスは、フュージョン(fusion)工法またはフローティング(floating)工法にて製造されるものであってよい。
凹凸構造物120は、ベース基板110上に形成される。このような凹凸構造物120は、光電素子10内で外部または内部へ透過する光を散乱させる光散乱層としての役割をする。すなわち、光電池の透明電極または有機発光素子のアノードの上部に光散乱機能を持つ凹凸構造物120が形成されていれば、換言すれば、ベース基板110と有機・無機複合層11との間に凹凸構造物120が形成されていれば、互いに異なる屈折率を有する媒質の界面を光が透過する際に多くの光が取り出され、光電池の光閉じ込め効率や有機発光素子の光取り出し効率のいずれもを向上することができる。
このとき、本発明の一実施例に係る凹凸構造物120は、ランダムな分布を有する凹凸構造からなるものであってよい。このように、凹凸構造物120がランダムな分布を有する凹凸構造からなるものであれば、互いに異なる屈折率を有する媒質界面を光が透過する際により多くの光が取り出され、光効率をより一層向上することができる。
このような凹凸構造物120は、平面を基準としてグリッド(grid)形態を有していてよい。
平坦化層130は、凹凸構造物120上に形成される。具体的に、平坦化層130は、有機・無機複合層11と凹凸構造物120との間に形成される。このような平坦化層130は、有機・無機複合層11の表面に凹凸構造物120により凹凸が形成され、このような凹凸部分に電流が集中する現象を防止するために形成される。すなわち、平坦化層130は、凹凸構造物120の表面を平坦化させるために、凹凸構造物120と有機・無機複合層11との間に形成されるバッファー層(buffer layer)として働くようになる。
ここで、このようにバッファー層としての役割をする平坦化層130により光電素子10の光学的特性が低下することを防止するために、平坦化層130は、90%以上の透過率を有する物質からなるものである必要がある。
また、平坦化層130の厚さが厚すぎると、凹凸構造物120と有機・無機複合層11とが離れすぎて光散乱効果が減少することがある。したがって、平坦化層130は、高平坦度を有する超薄膜からなるものである必要がある。そこで、本発明の一実施例に係る平坦化層130は、二次元物質(2−dimensional material)からなる。例えば、平坦化層130は、グラフェン(graphene)、MoS、MoSe、hBN、およびWSeのいずれかからなるものであってよい。ここで、グラフェンは炭素原子の単層からなり、世の中で最も薄い物質でありながら熱的、電気的、機械的特性に優れている物質である。したがって、二次元物質であるグラフェンで平坦化層130を形成すれば、高平坦度を有する超薄膜で平坦化層130を形成することが可能になる。また、グラフェンで平坦化層130を形成すれば、シート状に平坦化層130を形成することが可能になる。このように、凹凸構造物120上にシート状の平坦化層130を形成すれば、凹凸構造物120の凹部は気孔として残るようになり、凹凸構造物120の光散乱効果を最大化させることができるようになる。さらに、従来は、平坦膜を形成するために平坦膜を構成する物質を蒸着し、または溶液として用意してコーティングしていたが、本発明の一実施例のように、シート状に平坦化層130を形成すれば、従来よりも製造工程を簡素化させることができ、且つ平坦化層130の厚さの調節もより容易に行うことができる。すなわち、シート状のグラフェンで平坦化層130を形成すれば、平坦化層130が超薄膜で形成されるようにその厚さを調節することができる。
一方、このような平坦化層130は、有機・無機複合層11とファンデルワールス力によって結合されていてよい。また、このようなシート状の平坦化層130は、単層またはn(自然数)個の単層が積層されてなる多層からなるものであってよい。このとき、平坦化層130が単層からなる場合は0.3〜0.9nmの厚さを有していてよい。また、平坦化層130が単層が積層されてなる多層構造からなるものである場合であっても、超薄膜をなしている必要があるため、全層の厚さは5nm以下になるよう制御されることが好ましい。
上述したように、本発明の一実施例に係る光電素子用基板100は、有機・無機複合層11と凹凸構造物120との間にシート状の二次元物質からなる、高平坦度を有する超薄膜の平坦化層130を備えることによって、有機・無機複合層11の平坦性を保証でき、その結果、光電素子10の電気的特性の低下を防止することができ、且つ凹凸構造物120の光学的機能を保持し続けることができる。
また、本発明の一実施例に係る光電素子用基板100は、シート状からなる単層または複層の平坦化層130を備え、このように、平坦化層130をシート状にすれば、平坦化層130の形成厚さが予測可能になるため、光電素子10のデザイン設計上の精度を向上することができる。
以下、本発明の他の実施例に係る光電素子用基板について、図2を参照して説明することにする。
図2は、本発明の他の実施例に係る光電素子用基板およびこれを含む光電素子を概略的に示す断面模式図である。
図2に示すように、本発明の他の実施例に係る光電素子用基板200もまた、ベース基板210、凹凸構造物211、および平坦化層130を含んでなる。
本発明の他の実施例は、本発明の一実施例に比較して、凹凸構造物がベース基板に一体で形成されることに違いがあるだけで、それ以外の構成要素は同一であることから、同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付し、それらについての詳細な説明は省略することにする。
本発明の他の実施例に係るベース基板210の片面には、凹凸構造物211が一体で形成されている。このような凹凸構造物211は、本発明の一実施例に係る凹凸構造物210と同様に光電素子20内において、光電素子20が有機発光素子である場合は外部へ透過される光を散乱させる光散乱層としての役割をし、または光電素子20が光電池である場合は内部へ透過される光を散乱させる光散乱層としての役割をする。すなわち、本発明の他の実施例に係る凹凸構造物211は、本発明の一実施例に係る凹凸構造物120と同様にランダムな分布を有し且つ同様な役割をする。
このとき、本発明の他の実施例に係る凹凸構造物211は、ベース基板210の表面をリソグラフィなどの工程によりパターニングして形成される。その結果、本発明の他の実施例に係る光電素子20は、本発明の一実施例に係る光電素子10よりも構造的な安定性を確保することができ、且つコンパクト化を達成することができる。
以上のように、本発明を限定された実施例や図面に基づいて説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。
したがって、本発明の範囲は前述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲や特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。
100、200 光電素子用基板
110、210 ベース基板
120 凹凸構造物
130 平坦化層
211 凹凸構造物
10、20 光電素子
11 有機・無機複合層



  1. ベース基板と、
    前記ベース基板上に形成され、表面が凹凸構造をなす凹凸構造物、および
    前記凹凸構造物上に形成され、二次元物質(2-dimensional material)からなる平坦化層と、
    を含むことを特徴とする光電素子用基板。

  2. 前記ベース基板と前記凹凸構造物とは、一体または別体で形成されることを特徴とする請求項1に記載の光電素子用基板。

  3. 前記二次元物質は、グラフェン(graphene)、MoS、MoSe、hBN、およびWSeのいずれかからなることを特徴とする請求項1に記載の光電素子用基板。

  4. 前記平坦化層は、シート状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光電素子用基板。

  5. 前記平坦化層は、単層またはn個の前記単層が積層されてなる多層からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の光電素子用基板。
    ただし、前記nは自然数である。

  6. 前記単層は、0.3〜0.9nmの厚さを有することを特徴とする請求項5に記載の光電素子用基板。

  7. 前記多層は、5nm以下の厚さを有することを特徴とする請求項6に記載の光電素子用基板。

  8. 前記平坦化層は、90%以上の透過率を有することを特徴とする請求項1に記載の光電素子用基板。

  9. 請求項1に記載の光電素子用基板、および
    前記光電素子用基板の平坦化層に接する有機・無機複合層、
    を含むことを特徴とする光電素子。

  10. 前記光電素子は有機発光素子であることを特徴とする請求項9に記載の光電素子。

  11. 前記光電素子は光電池であることを特徴とする請求項9に記載の光電素子。

 

 

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