(57)【要約】      （修正有）【課題】ハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池、並びに関連するシステム及び方法を提供する。【解決手段】複数の有機材料１０２、１０４（少なくとも１つのドナー材料と少なくとも１つのアクセプタ材料とを含む）と、複数の非有機材料とを含む。有機材料及び非有機材料は、全体として複数のハイブリッドヘテロ接合構造を形成する。非有機材料のうちの第１の非有機材料がナノワイヤ及び／又はナノチューブ１１４ａ、１１６ａを含むことができ、非有機材料のうちの第２の非有機材料がナノ粒子及び／又は量子ドット１１４ｂ、１１６ｂを含むことができる。ナノ粒子又は量子ドットの少なくとも一部が異なるサイズを有することができ、異なる吸収帯ギャップに関連付けられる。有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された励起子は、正孔と電子とに解離することができ、非有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された電子及び正孔は分離することができる。【選択図】図１Ａ
2010056497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのドナー材料と少なくとも１つのアクセプタ材料とを含む複数の有機材料（１０２〜１０４、２０２ａ〜２０２ｂ、２０４ａ〜２０４ｂ、３０２ａ〜３０２ｂ、３０４ａ〜３０４ｂ）と、
複数の非有機材料（１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂ、２１４〜２１６、３１４〜３１６）と、
を備え、
前記有機材料及び非有機材料が全体として複数のハイブリッドヘテロ接合構造を形成し、各ハイブリッドヘテロ接合構造が前記有機材料の少なくとも２つと前記非有機材料の少なくとも１つとを備える、
ことを特徴とする太陽電池（１００、２００、３００）。
【請求項２】
前記非有機材料のうちの第１の非有機材料がナノワイヤ及びナノチューブの少なくとも１つを含み、
前記非有機材料のうちの第２の非有機材料がナノ粒子及び量子ドットの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記ナノ粒子又は量子ドットの少なくとも一部が、異なる吸収帯ギャップに関連付けられた異なるサイズを有する、
請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記有機材料が、
前記有機材料のうちの第１の有機材料を有する第１の層（２０２ｂ、３０２ｂ）と、
前記有機材料のうちの第２の有機材料を有する第２の層（２０４ｂ、３０４ｂ）と、
前記第１及び第２の層間の第１及び第２の有機材料のブレンド（２０２ａ、２０４ａ、３０２ａ、３０４ａ）と、
を含む、
請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記太陽電池への電気的接続を提供する複数の電極（１１０〜１１２、２１０〜２１２、３１０〜３１２）と、
少なくとも１つのドナー材料と前記電極の１つとの間のバッファ層（２０９）と、
を更に備え、
前記少なくとも１つのドナー材料が正孔を当該電極に輸送し、前記バッファ層が当該電極上への正孔注入を改善する、
請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
太陽電池（４０２）と、該太陽電池から電力を受け取るように構成された回路（４０４）とを備えたシステム（４００）であって、
前記太陽電池が、
少なくとも１つのドナー材料と少なくとも１つのアクセプタ材料とを含む複数の有機材料（１０２〜１０４、２０２ａ〜２０２ｂ、２０４ａ〜２０４ｂ、３０２ａ〜３０２ｂ、３０４ａ〜３０４ｂ）と、
複数の非有機材料（１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂ、２１４〜２１６、３１４〜３１６）と、
前記太陽電池への電気的接続を提供する複数の電極（１１０〜１１２、２１０〜２１２、３１０〜３１２）と、
を有し、
前記有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された励起子が、（ｉ）２つの有機材料の間の界面及び（ｉｉ）有機材料と非有機材料との間の界面で正孔と電子とに解離され、
前記非有機材料の１つ又はそれ以上が電子の少なくとも一部を前記電極のうちの第１の電極に向けて輸送する、
ことを特徴とするシステム（４００）。
【請求項７】
前記非有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された電子及び正孔が、（ｉ）非有機材料と有機材料との間の界面及び（ｉｉ）２つの非有機材料の間の界面で分離される、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記太陽電池において有機材料と非有機材料とが全体として複数のハイブリッドヘテロ接合構造を形成し、各ハイブリッドヘテロ接合構造が、前記有機材料の少なくとも２つと前記非有機材料の少なくとも１つを含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
太陽電池（１００、２００、３００）において１つ又はそれ以上の第１の非有機材料（１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂ、２１４〜２１６、３１４〜３１６）の複数の第１の構造を形成する段階と、
前記太陽電池において１つ又はそれ以上の第２の非有機材料（１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂ、２１４〜２１６、３１４〜３１６）の複数の第２の構造を形成する段階と、
前記太陽電池において前記第１及び第２の構造の少なくとも一部の周辺に複数の有機材料（１０２〜１０４、２０２ａ〜２０２ｂ、２０４ａ〜２０４ｂ、３０２ａ〜３０２ｂ、３０４ａ〜３０４ｂ）を堆積し、該複数の有機材料が前記太陽電池においてドナー−アクセプタバルクヘテロ接合構造を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項１０】
前記有機材料の少なくとも１つにおいて励起子を生成する段階と、
前記励起子を正孔と電子とに解離する段階と、
前記非有機材料の少なくとも１つにおいて正孔及び電子を生成する段階と、
前記正孔及び電子を分離する段階と、
前記電子の少なくとも一部を複数の電極（１１０〜１１２、２１０〜２１２、３１０〜３１２）の１つに向けて輸送する段階と、
前記有機材料の１つ又はそれ以上を用いて前記正孔の少なくとも一部を前記複数の電極のうちの別の電極に向けて輸送する段階と、
を更に含む、
請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に太陽電池に関し、より具体的にはハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池及び関連するシステム並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたり種々のタイプの太陽電池が開発されてきた。太陽電池の１つのタイプは、ドナー−アクセプタ（ＤＡ）有機太陽電池であり、２つの異なるプラスチック又は他のポリマーを用いて形成される。これらのタイプの太陽電池では、光吸収により励起子（結合された電子−正孔ペア）が形成されることになり、励起子は、ドナー−アクセプタヘテロ接合界面を拡散する。この界面は、異なる価電子帯（ＶＢ）及び伝導帯（ＣＢ）を有する２つの有機半導体間の接触部分で形成される。
【０００３】
励起子は、この界面で正孔と電子とに解離される。励起子がドナー材料中で生成されてドナー／アクセプタ界面に到達すると、正孔はドナー材料に移動され、電子はアクセプタ材料に引き込まれる。正孔はドナー材料を通って第１電極に進み、電子は、アクセプタ材料を通って第２電極に進む。このように、正孔及び電子は、電極に結合された外部構成部品に電気を供給するのに使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池、並びに関連するシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の実施形態において、太陽電池は、少なくとも１つのドナー材料及び少なくとも１つのアクセプタ材料を有する複数の有機材料を含む。太陽電池はまた、複数の非有機材料を含み、ここで有機材料と非有機材料とは全体として複数のハイブリッドヘテロ接合構造を形成する。各ハイブリッドヘテロ接合構造が有機材料の少なくとも２つと非有機材料の少なくとも１つとを含む。
【０００６】
特定の実施形態において、非有機材料の各々は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、及び／又は量子ドットを含む。一例として、非有機材料のうちの第１の非有機材料は、ナノワイヤ及び／又はナノチューブを含むことができ、非有機材料のうちの第２の非有機材料は、ナノ粒子及び／又は量子ドットを含むことができる。ナノ粒子又は量子ドットの少なくとも一部が異なるサイズを有することができ、ここで異なるサイズは異なる吸収帯ギャップに関連付けられる。
【０００７】
他の特定の実施形態において、有機材料は、有機材料のうちの第１の有機材料で形成された第１の層と、有機材料のうちの第２の有機材料で形成された第２の層と、第１及び第２の層間の第１及び第２の有機材料のブレンドとを含む。
【０００８】
更に他の特定の実施形態において、太陽電池は更に、太陽電池への電気的接続を提供する複数の電極を含む。太陽電池はまた、ドナー材料と電極のうちの１つとの間のバッファ層を含む。ドナー材料は、正孔を当該電極に輸送することができ、バッファ層は、当該電極上への正孔注入を改善することができる。
【０００９】
更に他の特定の実施形態において、有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された励起子は、（ｉ）２つの有機材料の間の界面及び（ｉｉ）有機材料と非有機材料との間の界面で正孔と電子とに解離される。また、非有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された電子及び正孔は、（ｉ）非有機材料と有機材料との間の界面及び（ｉｉ）２つの非有機材料の間の界面で分離される。電子は、非有機材料の１つ又はそれ以上を通って電極の１つに向けて輸送される。正孔は、有機材料の１つ又はそれ以上を通って電極の別のものに向けて輸送される。
【００１０】
別の特定の実施形態において、有機材料は、（ｉ）ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＰ３ＨＴの少なくとも１つと、（ｉｉ）ＣＮ−エーテル−ＰＰＶ及びＰＣＢＭの少なくとも１つとを含む。また、非有機材料は、（ｉ）酸化チタン及び酸化亜鉛の少なくとも１つと、（ｉｉ）セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウム、銅酸化物、銅インジウムジセレニド、及び／又は銅インジウムガリウムジセレニドの少なくとも１つとを含む。
【００１１】
第２の実施形態において、システムは、太陽電池と、該太陽電池から電力を受け取るように構成された回路とを含む。太陽電池は、少なくとも１つのドナー材料と少なくとも１つのアクセプタ材料とを含む複数の有機材料を含む。太陽電池はまた、複数の非有機材料と、太陽電池への電気的接続を提供する複数の電極とを含む。有機材料の少なくとも１つにおいて光生成された励起子は、（ｉ）２つの有機材料の間の界面及び（ｉｉ）有機材料と非有機材料との間の界面で正孔と電子とに解離される。非有機材料の１つ又はそれ以上は、電子の少なくとも一部を電極のうちの第１の電極に向けて輸送する。
【００１２】
第３の実施形態において、方法は、太陽電池において１つ又はそれ以上の第１の非有機材料の複数の第１の構造を形成する段階を含む。本方法はまた、太陽電池において１つ又はそれ以上の第２の非有機材料の複数の第２の構造を形成する段階を含む。本方法は更に、太陽電池において第１及び第２の構造の少なくとも一部の周辺に複数の有機材料を堆積する段階を含む。複数の有機材料は、太陽電池においてドナー−アクセプタバルクヘテロ接合構造を形成する。
【００１３】
他の技術的特徴は、当業者であれば添付図面、明細書及び請求項から容易に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本開示をより完全に理解するために、添付図面と共に以下の詳細な説明について述べる。
【００１５】
以下で検討する図１〜図５、並びに本特許文献において本発明の原理を説明するのに用いられる種々の実施形態は例証に過ぎず、本発明の範囲をどのようにも限定するものと解釈すべきではない。当業者であれば、本発明の原理はあらゆるタイプの好適に配置された装置又はシステムにおいて実施することができる点を理解するであろう。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂは、本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第１の例示的な太陽電池１００を示している。図１Ａ及び１Ｂに示す太陽電池１００の実施形態は単に例証に過ぎない。太陽電池１００の他の実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく用いることができる。
【００１７】
図１Ａに示すように、太陽電池１００は、２つの有機材料１０２〜１０４を含む。有機材料１０２〜１０４は、太陽電池１００においてドナー材料とアクセプタ材料とをそれぞれ表している。例えば、有機材料１０２〜１０４の１つ又はそれ以上において、光吸収により励起子が生成される可能性があり、励起子は、有機材料１０２〜１０４の境界部に拡散する。境界部では、励起子は解離されて正孔１０６と電子１０８とを生成する。正孔１０６の少なくとも一部はドナー有機材料１０２を通って電極１１０に進み、電子１０８の少なくとも一部は、アクセプタ有機材料１０４を通って電極１１２に進む。
【００１８】
有機材料１０２は、太陽電池におけるドナー材料として使用されるあらゆる好適な有機材料又は有機材料の組み合わせに相当する。例えば、有機材料１０２は、ポリ（メトキシ−エチルエキシロキシ−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶとも呼ばれる）又は８ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴとも呼ばれる）を含むことができる。有機材料１０４は、太陽電池におけるアクセプタ材料として使用されるあらゆる好適な有機材料又は有機材料の組み合わせに相当する。例えば、有機材料１０４は、ポリ［オキサ−１，４−フェニレン−１，２−（１−シアノ）−エテニレン−２，５ジオクチルオキシ−１，４−フェニレン−１，２−（２−シアノ）−エテニレン−１，４−フェニレン］（ＣＮ−エーテル−ＰＰＶとも呼ばれる）又は１−（３−メトキシカルボニル）−プロピル−１−（６，６）Ｃ６１（ＰＣＢＭとも呼ばれる）を含むことができる。
【００１９】
この実施例では、太陽電池１００において異なる有機材料１０２〜１０４が使用されているので、太陽電池１００は「ヘテロ接合」構造を有すると呼ばれる。また、有機材料１０２〜１０４は、不規則な（非平面の）境界部を有して堆積又は他の方法で形成されるので、太陽電池１００は、「バルク」構造を有すると呼ばれる。有機材料１０２〜１０４間の境界部の不規則な性質は、有機材料１０２〜１０４が互いに接触する面積を増大させる一助となる。
【００２０】
２つの電極１１０〜１１２は、太陽電池１００に電気的接続を可能にする。例えば、１つ又はそれ以上の付加的な電気構成要素を電極１１０〜１１２に結合し、太陽電池１００により給電することができる。この実施例では、電極１１０は正孔１０６を集め、電極１１２は電子１０８を集める。電極１１０〜１１２の各々は、電気的接続を提供するあらゆる好適な材料又は材料の組み合わせを含む。種々の例示的な材料には、チタニウム、銀、金、銅、酸化スズ（ＳｎＯ２）、又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）が挙げられる。
【００２１】
従来の一部の太陽電池は、（とりわけ）太陽スペクトルのカバレージが不十分なこと、励起子拡散長が短いこと、及び電荷輸送特性が不十分であることに起因して低効率である。これら又は他の問題を軽減もしくは排除するのを助けるために、この実施例における太陽電池１００は、少なくとも２つの非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂを含む。
【００２２】
太陽電池１００における非有機材料は、あらゆる好適な形態を有することができる。例えば、非有機材料は、ナノワイヤ又はナノチューブ（非有機材料１１４ａ及び１１６ａ）を含むことができる。非有機材料はまた、量子ドット又はナノ粒子（非有機材料１１４ｂ及び１１６ｂ）を含むことができる。これらは非有機材料の例示的形態である点に留意されたい。各非有機材料は、これらの形態又はあらゆる他の形態若しくは付加的な形態の１つ又はそれ以上を有することができる。
【００２３】
非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂは、励起子を正孔１０６と電子１０８とに解離するのを助ける。非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂはまた、電子１０８を電極１１２に輸送するのを助ける。有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂは更に、光吸収体として機能し、太陽電池１００の太陽スペクトルカバレージの改善を助ける。
【００２４】
太陽電池１００の種々の機能は、図１Ｂに図示され、太陽電池１００のエネルギ帯図を示す。より具体的には、図１Ｂは、有機材料１０２〜１０４及び非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂの各々のエネルギ帯ギャップを示している。各エネルギ帯ギャップは、図１Ｂの上縁に沿った伝導帯端と、図１Ｂの下縁に沿った価電子帯端とを有する。伝導帯端と価電子帯端との間の領域がエネルギ帯ギャップを意味する。
【００２５】
有機材料１０２内に生成された励起子は、
（ｉ）電子が有機材料１０４に移動され（プロセス１２１を意味する）且つ正孔が有機材料１０２内に引き込まれた状態にある、有機材料１０２と有機材料１０４との間の界面、
（ｉｉ）電子が非有機材料１１４ａ〜１１４ｂに移動され（プロセス１２２を意味する）且つ正孔が有機材料１０２に引き込まれた状態にある、有機材料１０２と非有機材料１１４ａ〜１１４ｂとの間の界面、
及び（ｉｉｉ）電子が非有機材料１１６ａ〜１１６ｂに移動され（プロセス１２３を意味する）て、次いで非有機材料１１４ａ〜１１４ｂに移動され（プロセス１２４を意味する）且つ正孔が有機材料１０２に引き込まれた状態にある、有機材料１０２と非有機材料１１６ａ〜１１６ｂとの間の界面、
で解離することができる。
【００２６】
有機材料１０４内に生成された励起子は、
（ｉ）正孔が有機材料１０２に移動され（プロセス１２５を意味する）且つ電子が有機材料１０４に引き込まれて、次いで電極１１２に直接移動され（プロセス１２６を意味する）又は非有機材料１１４ａ〜１１４ｂを介して間接的に移動され（プロセス１２７を意味する）た状態にある、有機材料１０４と有機材料１０２との間の界面、
（ｉｉ）電子が非有機材料１１４ａ〜１１４ｂに移動され（プロセス１２７を意味する）且つ正孔が有機材料１０４に引き込まれて有機材料１０２に移動され（プロセス１２５を意味する）た状態にある、有機材料１０４と非有機材料１１４ａ〜１１４ｂとの間の界面、
及び（ｉｉｉ）電子が非有機材料１１６ａ〜１１６ｂに移動され（プロセス１２８を意味する）、次いで非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ（プロセス１２４を意味する）又は電極１１２に移動され且つ正孔が有機材料１０４に引き込まれて、有機材料１０２に移動され（プロセス１２５を意味する）た状態にある、有機材料１０４と非有機材料１１６ａ〜１１６ｂとの間の界面、
で解離することができる。
【００２７】
非有機材料１１４ａ〜１１４ｂにおいて光生成された電子及び正孔は、有機材料１０２〜１０４との界面で分離される。電子は電極１１２に移動される（プロセス１２９を意味する）。正孔は、直接有機材料１０２に移動され（プロセス１３０を意味する）、或いは有機材料１０４に（プロセス１３１を意味する）、次いで有機材料１０２に移動される（プロセス１２５を意味する）。
【００２８】
非有機材料１１６ａ〜１１６ｂ内で光生成された電子及び正孔は、有機材料１０２〜１０４との界面、及び非有機材料１１４ａ〜１１４ｂとの界面で分離される。電子は、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂに移動される（プロセス１２４を意味する）。
正孔は、直接有機材料１０２に移動され（プロセス１３２を意味する）、或いは有機材料１０４に（プロセス１３３を意味する）、次いで有機材料１０２に移動される（プロセス１２５を意味する）。
【００２９】
非有機材料１１４ａ〜１１４ｂにより引き寄せられ及び／又は集められた電子は、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂを通って電極１１２に流れることができる（プロセス１２９を意味する）。また、有機材料１０２により引き寄せられ及び／又は集められた正孔は、有機材料１０２を通って電極１１０に流れることができる（プロセス１３４を意味する）。
【００３０】
このように、太陽電池１００は、ヘテロ接合構造（有機材料１０２〜１０４により形成された）と、２つ又はそれ以上の非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂとを含むような「ハイブリッド」太陽電池に相当する。実際、太陽電池１００は、一方が有機材料１０２〜１０４及び非有機材料１１４ａ〜１１４ｂで形成され、他方が有機材料１０２〜１０４及び非有機材料１１６ａ〜１１６ｂで形成された２つのハイブリッドヘテロ接合を含むと考えることができる。非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂを使用することにより、電荷の分離及び伝導性をより効率的及び効果的にすることが可能になる。更に、吸光体として別の非有機材料を用いて、太陽スペクトルのカバレージを拡大し、より広い周波数範囲の光を得る太陽電池の能力を高めることができる。更にまた、太陽電池１００は、必要に応じた形状にすることができる融通性のある構造を示すことができる。加えて、太陽電池１００は、低コストで且つ大規模に製造することができる。
【００３１】
非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂの各々は、太陽電池における吸光性、電荷分離、及び伝導性を高めるあらゆる好適な非有機材料又は材料の組み合わせを含む。実施形態によっては、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂは、ＴｙｐｅＩＩヘテロ構造を形成する非有機材料など、異なるレベルの価電子及び異なる伝導帯を有する非有機材料に相当することができる。特定の実施例として、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂは、酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むことができる。他の特定の実施例として、非有機材料１１６ａ〜１１６ｂは、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡＳ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、酸化銅（Ｉ）（ＣｕＯ）又は酸化銅（ＩＩ）（Ｃｕ２Ｏ）などの銅酸化物、銅インジウムジセレニド（ＣｕＩｎＳｅ２）すなわち「ＣＩＳ」、或いは銅インジウムガリウムジセレニド（ＣｕＩｎＧａＳｅ２）すなわち「ＣＩＧＳ」のナノ粒子又は量子ドットを含むことができる。非有機材料１１６ｂはまた、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂへの電子注入をサポート又は助けるような好適な大きさを有することができる。
【００３２】
この実施例では、光は、図１Ａの太陽電池１００の上部で太陽電池１００に衝突する。この実施形態では、電極１１０は、酸化スズ、インジウムスズ酸化物、又は他の光透過材料から形成することができる。光１１８は、あらゆる他の又は付加的な場所で太陽電池１００に衝突することができると示すことができる。例えば、光１１８は、図１Ａの太陽電池１００の下部で太陽電池１００に衝突することができる。当該実施形態において、電極１１２は、酸化スズ、インジウムスズ酸化物、又は他の光透過材料から形成することができる。
【００３３】
図１Ａ及び１Ｂはハイブリッドヘテロ接合構造を有する第１の実施例の太陽電池１００を示しているが、図１Ａ及び１Ｂに対して種々の変更を加えることができる。例えば、太陽電池１００は、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂの１つの形式だけ、又は２つよりも多い形式を含むことができ、更に太陽電池１００は、非有機材料１１６ａ〜１１６ｂの１つの形式だけ、又は２つよりも多い形式を含むことができる。また、有機材料１０２〜１０４は、あらゆる好適な境界部を有することができ、非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ及び１１６ａ〜１１６ｂは、太陽電池１００においてあらゆる好適な分布を有することができる。更に、太陽電池１００においてあらゆる数の有機及び非有機材料を用いることができる。加えて、図１Ｂは、太陽電池１００において正孔及び電子を移動させるのに用いることができるプロセスの種々の実施例を示している。太陽電池１００は、正孔及び電子を移動させるための他の又は付加的なプロセス（太陽電池１００内の非有機材料１１４ａ〜１１４ｂ、１１６ａ〜１１６ｂの構成に基づいて変えることができる）をサポートすることができる。
【００３４】
図２は、本開示によるハブリッドヘテロ接合構造を有する第２の例示的な太陽電池２００を示している。図２に示す太陽電池２００の実施形態は単に例証に過ぎない。太陽電池２００の他の実施形態は、本開示の範囲を逸脱することなく用いることができる。
【００３５】
図２に示すように、太陽電池２００は、図１Ａ及び１Ｂに示す太陽電池１００と同じように又は類似的に動作する。例えば、太陽電池２００は２つの有機材料２０２ａ及び２０４ａを含む。この実施例では、有機材料２０２ａ及び２０４ａは、太陽電池２００の領域２０３に形成された境界部に沿って接触する、この領域２０３は、融合されていない又は純粋な有機材料の２つの層、すなわち有機層２０２ｂ及び２０４ｂの間に位置付けられる。特定の実施例として、有機材料２０２ａ及び有機層２０２ｂは、ＭＥＨ−ＰＰＶ又はＰ３ＨＴに相当することができ、有機材料２０４ａ及び有機層２０４ｂは、Ｃｎ−エーテル−ＰＰＶ又はＰＣＢＭに相当することができる。
【００３６】
この実施形態において、バッファ層２０９は、有機層２０２ａと電極２１０との間に形成される。とりわけ、バッファ層２０９は、電極２１０上への正孔注入を改善するのを助けることができる。バッファ層２０９は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホン酸）（「ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとも呼ばれる」）などのあらゆる好適な材料又は材料の組み合わせから形成することができる。電極２１０は、酸化スズ又は他の透過性材料などのあらゆる好適な材料又は材料の組み合わせから形成することができる。カバー２１１は、電極２１０を覆って形成され、太陽電池２００に対する保護を提供することができる。カバー２１１は、ガラス、プラスチック、又は他の透過性材料などのあらゆる好適な材料又は材料の組み合わせから形成することができる。有機層２０４ｂの下には別の電極２１２が形成される。電極２１２は、チタニウムなどのあらゆる好適な材料又は材料の組み合わせから形成することができる。
【００３７】
太陽電池２００は、少なくとも２つの非有機材料２１４〜２１６を含む。この実施例における非有機材料２１４は、ナノワイヤ又はナノチューブに相当することができ、非有機材料２１６は、量子ドット又はナノ粒子に相当することができる。特定の実施例として、有機材料２１４は、酸化チタン又は酸化亜鉛ナノワイヤ又はナノチューブに相当することができ、非有機材料２１６は、非有機材料２１４への電子注入に好適な大きさを有する、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウム、酸化銅、銅インジウムジセレニド、或いは銅インジウムガリウムジセレニドのナノ粒子又は量子ドットに相当することができる。しかしながら、あらゆる他の又は付加的な形式、及びあらゆる他の又は付加的なサイズを用いることができる点に留意されたい。
【００３８】
図２に図示するように、非有機材料２１６によって形成された量子ドット又はナノ粒子は、異なるサイズを有する。とりわけ、異なるサイズは異なる帯ギャップと関連付けられるので、量子ドット又はナノ粒子のサイズが異なることにより、太陽スペクトルの大部分の取り込みを容易にするのを助けることができる。しかしながら、太陽電池２００には同じ又は同様のサイズを有する量子ドット又はナノ粒子を用いることもできる。
【００３９】
この実施例では、光２１８は、図２の太陽電池２００の上部にある太陽電池２００に衝突する。この実施形態では、カバー２１１、電極２１０、及びバッファ層２０９は、１つ又はそれ以上の透明材料で互いに形成することができる。
【００４０】
特定の実施形態において、太陽電池２００は以下のように作製することができる。チタン箔（基板）にアノード酸化プロセスを受けさせ、箔の上に酸化チタンナノチューブを形成する。箔は図２における電極２１２に相当し、ナノチューブは図２における非有機材料２１４に相当する。セレン化カドミウムナノ粒子又は量子ドット（図２の非有機材料２１６に相当）は、ナノチューブに付加することができる。最大のＣｄＳｅナノ粒子又は量子ドットは直径が約３．５ｎｍとすることができる。ポリマーブレンド（ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣｎ−エーテル−ＰＰＶ或いはＰ３ＨＴ及びＰＣＢＭなど）が構造体上にキャストされ、領域２０３に有機材料２０２ａ及び２０４ａを形成する。ポリマーブレンドは、有機層２０２ｂ及び２０４ｂ間に「サンドイッチ」され、これらは純粋なドナー及びアクセプタ材料で形成することができる。バッファ層２０９（ＰＥＤＯＴ層など）は、セル構造を覆って形成される。電極２１０（ＳｎＯ２層など）を形成する透過導電層を備えた透過カバー２１１（ガラス又はプラスチック）は、バッファ層２０９の上部に付加される。或いは、電極２１０を形成する導電層は、バッファ層２０９の上部に堆積することができ、カバー２１１は、電極２１０の上に形成するか、該電極２１０に付加することができる。本明細書で説明される材料の各層は、あらゆる好適な方法で形成することができる点に留意されたい。また、この作製技法は例証に過ぎず、太陽電池２００は他のあらゆる好適な方法で形成することができる点に留意されたい。
【００４１】
図２は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有する第２の例示的な太陽電池２００を示しているが、図２に対して種々の変更を加えることができる。例えば、太陽電池２００は、非有機材料２１４の１つよりも多い形態と、非有機材料２１６の１つよりも多い形態とを含むことができる。また、有機材料２０２ａ〜２０４ａは、何らかの好適な境界部を有することができ、非有機材料２１４及び２１６は、太陽電池２００内で何らかの好適な分布を有することができる。更にまた、太陽電池２００においてあらゆる数の有機及び非有機材料を用いることができる。加えて、非有機材料２１６では、ナノ粒子又は量子ドットのあらゆる好適なサイズ数を用いることができる。
【００４２】
図３は、本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第３の例示的な太陽電池３００を示す。図３に示す太陽電池３００の実施形態は例証に過ぎない。本開示の範囲から逸脱することなく、太陽電池３００の他の実施形態を用いることができる。
【００４３】
図３に示すように、太陽電池３００は、図２に示す太陽電池２００と同じ又は同様に動作する。例えば、太陽電池３００は、境界部に沿って接触する２つの有機材料３０２ａ及び３０４ａ、並びに２つの付加的な有機層３０２ｂ及び３０４ｂを含む。太陽電池３００はまた、有機層３０２ｂ上に形成された電極３１０と、有機層３０４ｂ上に形成された電極３１２とを含む。特定の実施形態において、電極３１０は、金で形成することができ、電極３１２は酸化スズで形成することができる。太陽電池３００は更に、非有機材料３１４（ナノチューブ又はナノワイヤなど）及び３１６（量子ドット又はナノ粒子）を含む。カバー３１１（ガラス又はプラスチックなど）は電極３１２を保護する。
【００４４】
この実施例において、光３１８は、図３の太陽電池３００の底部で太陽電池３００に衝突する。この実施形態では、カバー３１１及び電極３１２は各々、１つ又はそれ以上の透過性材料で形成することができる。
【００４５】
特定の実施形態において、太陽電池３００は以下のように作製することができる。チタン箔にアノード酸化プロセスを受けさせ、箔の上に酸化チタンナノチューブを形成する。箔は図３における電極３１２に相当し、ナノチューブは図３における非有機材料３１４に相当する。セレン化カドミウムナノ粒子又は量子ドット（図３の非有機材料３１６に相当）は、ナノチューブに付加することができる。最大のＣｄＳｅナノ粒子又は量子ドットは直径が約３．５ｎｍとすることができる。ポリマーブレンド（ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣｎ−エーテル−ＰＰＶ或いはＰ３ＨＴ及びＰＣＢＭなど）が構造体上にキャストされ、有機材料３０２ａ及び３０４ａを形成する。ポリマーブレンドは、有機層３０２ｂ及び３０４ｂ間に「サンドイッチ」され、これらは純粋なドナー及びアクセプタ材料で形成することができる。金又は他の導電材料が堆積されて電極３１０を形成し、或いは、導電材料は、基板上に堆積することができ、導電材料／基板組み合わせをセル構造に付加することができる。同様にして、電極３１２（ＳｎＯ２層など）を形成する透過導電層を備えた透過カバー３１１（ガラス又はプラスチック）は、セル構造の下部に付加することができ、又は電極３１２を形成する導電層は、セル構造上に堆積してカバー３１１で覆うことができる。本明細書で説明される材料の各層は、あらゆる好適な方法で形成することができる点に留意されたい。また、この作製技法は例証に過ぎず、太陽電池３００は他のあらゆる好適な方法で形成することができる点に留意されたい。
【００４６】
他の特定の実施形態において、非有機材料３１４はＺｎＯナノワイヤに相当する。ＺｎＯナノワイヤは透過基板上に成長することができ、基板は、ＳｎＯ２のような透過導電性酸化物で覆うことができる（この場合、透過導電性酸化物は、電極３１２を形成する）。次いで、同じ又は同様のプロセスを行い、太陽電池３００の形成を完了することができる。
【００４７】
図３は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有する第３の例示的な太陽電池３００を示すが、図３に対して種々の変更を加えることもできる。例えば、太陽電池３００は、非有機材料３１４の１つよりも多い形態と、非有機材料３１６の１つよりも多い形態とを含むことができる。また、有機材料３０２ａ〜３０４ａは、何らかの好適な境界部を有することができ、非有機材料３１４及び３１６は、太陽電池３００内で何らかの好適な分布を有することができる。更にまた、太陽電池３００においてあらゆる数の有機及び非有機材料を用いることができる。加えて、非有機材料３１６では、ナノ粒子又は量子ドットのあらゆる好適なサイズ数を用いることができる。
【００４８】
図４は、本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を含む例示的な回路４００を示す。図４に示す回路４００は例証に過ぎない。本開示の範囲から逸脱することなく、他の回路が上述の太陽電池を使用することもできる。
【００４９】
この実施例において、太陽電池４０２は、外部回路４０４に結合される。太陽電池４０２は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有するあらゆる好適な太陽電池に相当することができ、ここで有機及び非有機材料を用いて電荷分離及び伝導性を促進させる。太陽電池４０２は、例えば、上述の太陽電池１００〜３００の１つ又はそれ以上に相当することができる。
【００５０】
外部回路４０４は、太陽電池４０２により供給される電力を使用するためのあらゆる好適な回路に相当する。例えば、外部回路４０４は、無線資産タグにおいて監視又はレポート機能を実行する回路に相当することができる。外部回路４０４はまた、生産加工環境において監視又はレポート機能を実行する回路に相当することができる。外部回路４０４は更に、太陽電池４０２からの電力を使用してバッテリ又は他の電源を再充電する回路に相当することができる。外部回路４０４は、特定の要求に応じたあらゆる他の又は付加的な機能を実行することができる。外部回路４０４により使用される電力の少なくとも１部は太陽電池４０２が供給してもよい。
【００５１】
図４は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を含む例示的な回路４００を示しているが、図４に対し種々の変更を加えることができる。例えば、回路４００は、いずれかの数の太陽電池４０２及び外部回路４０４を含むことができる。また、上述の太陽電池１００〜３００は、他のあらゆる方式で使用することができる。
【００５２】
図５は、本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を形成するための例示的な方法５００を示す。図５に示す方法５００は例証に過ぎない。本開示の範囲から逸脱することなく、太陽電池は他のあらゆる好適な方法で製造することができる。
【００５３】
ステップ５０２で、第１の非有機材料又は非有機材料の組み合わせから１つ又はそれよりも多い第１の構造体が形成される。本ステップは、例えば、酸化チタン又は亜鉛酸化物からナノチューブ又はナノワイヤを形成する段階を含むことができる。特定の実施例として、本ステップは、チタン膜上でアノード酸化プロセスを実行して酸化チタンナノチューブを形成する段階、又は基板上で酸化亜鉛ナノワイヤを成長させる段階を含むことができる。
【００５４】
ステップ５０４で、第２の非有機材料又は非有機材料の組み合わせから１つ又はそれ以上の第２の構造体が形成される。本ステップは、例えば、予め形成されたナノチューブ又はナノワイヤ上でセレン化カドミウムナノ粒子又は量子ドットを堆積させる段階を含むことができる。特定の実施例として、本ステップは、ナノチューブ又はナノワイヤ上に異なるサイズのセレン化カドミウムナノ粒子又は量子ドットを堆積させる段階を含むことができる。
【００５５】
ステップ５０６で、有機材料が非有機材料の周りに堆積される。本ステップは、例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ粒子、又は量子ドットの周りにＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣｎ−エーテル−ＰＰＶ或いはＰ３ＨＴ及びＰＣＢＭを堆積させる段階を含むことができる。これはまた、最初に異なる有機材料の２つの純粋な層を形成し、次いで２つの層間に異なる有機材料のブレンドを挟む段階を含むことができる。
【００５６】
ステップ５０８で、太陽電池の電気接触部が形成される。本ステップは、例えば、金属又は他の伝導材料の１つ又はそれ以上の層を堆積させて各電気接触部を形成する段階を含むことができる。これはまた、電気接触部を太陽電池の他の構造体に保持するカバー、基板、又は他の構造体を取り付ける段階を含む。電気的接触部の少なくとも１つは、導電箔を用いてナノチューブ又はナノワイヤが形成されるときなど、前の段階中に形成されている（ここで箔は電気的接触部を形成する）点に留意されたい。
【００５７】
ステップ５１０で、何らかの付加的な層が形成される。本ステップは、例えば、太陽電池内に透過性カバー又は他の保護層を形成する段階を含むことができる。１つ又はそれ以上の付加的な層は、バッファ層が電気的接触部の形成の前に形成されるときなど、方法５００においてより早期に形成されてもよい。
【００５８】
図５は、ハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を形成するための例示的な方法５００を示すが、図５に対して種々の変更を加えることができる。例えば、一連のステップが図示されているが、図５の種々のステップは、重複して、並行して、異なる順番で、又は複数回実行ことができる。
【００５９】
本特許文献全体を通じて使用される特定の用語及び語句の定義を記載することが有利とすることができる。用語「結合」及びその派生語は、２つ又はそれ以上の要素が互いに物理的に接触しているか否かに関わらず、この２つ又はそれ以上の要素間で何らかの直接又は間接的な連動を意味する。用語「含む」及び「備える」並びにその派生語は、非限定的に包含することを意味する。用語「又は」は、包括的すなわち及び／又はであることを意味する。用語「〜の上」及び「〜の下」などは、図中の相対的位置を指し、製造又は使用中の所要の方向を意味するものではない。語句「関連する」及び「共に関連する」並びにその派生語は、含む、内部に含まれる、〜と相互接続される、収容する、内部に収容される、〜に接続する又は〜と接続する、〜に結合する又は〜と結合する、〜と連動する、〜と協働する、交互配置する、並置する、〜に近接させる、〜に固定する又は〜と共に固定する、有する、〜の特性を有する、又は同様のことを意味することができる。
【００６０】
本開示は、特定の実施形態及び全体的に関連する方法、これらの実施形態及び方法の代替形態並びに置き換えは、当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態の上記の説明は、本開示を定義又は制約するものではない。他の変更、代用、及び代替形態はまた、添付の請求項により定義される本開示の技術的思想及び範囲から逸脱せずに実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第１の例示的な太陽電池を示す図である。
【図１Ｂ】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第１の例示的な太陽電池を示す図である。
【図２】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第２の例示的な太陽電池を示す図である。
【図３】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する第３の例示的な太陽電池を示す図である。
【図４】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を含む例示的な回路を示す図である。
【図５】本開示によるハイブリッドヘテロ接合構造を有する太陽電池を形成するための例示的な方法を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  太陽電池
１０２、１０４  有機材料
１０６  正孔
１０８  電子
１１０、１１２  電極
１１４、１１６  非有機材料
１１８  光
【図１Ａ】
2010056497.tif 000003
【図１Ｂ】
2010056497.tif 000004
【図２】
2010056497.tif 000005
【図３】
2010056497.tif 000006
【図４】
2010056497.tif 000007
【図５】
2010056497.tif 000008
【外国語明細書】
2010056497000001.pdf