(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも三つの異なる染料を含む複数の染料を第一の材料上と結合して、前記複数の染料が一定のパターンで配置された光活性層を形成する工程と、
前記光活性層を二つの電極の間に配置して光起電力セルを提供する工程と、
を含む方法であって、
前記パターンは、迷彩柄のパターン、屋根タイルのパターン、屋根板のパターン、携帯用電子装置のハウジング上のパターン、自動車のボディ上のパターンからなる群より選択される少なくとも一つのパターンを含み、
前記複数の染料の少なくとも幾らかは異なる色を有し、かつ
前記染料は、その表面がポリ（ジメチルシロキサン）部分を用いて改質されたヒュームドシリカ粒子をさらに含む、方法。
【請求項２】
前記複数の染料の各々は異なる色を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記染料は、シルクスクリーニング、インクジェット印刷又はグラビア印刷からなる群より選択される少なくとも一つの方法を用いて前記第一の材料と結合される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第一の材料は、前記複数の染料と結合される半導体材料からなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体材料はチタニアを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体材料は焼結チタニアを含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体材料の少なくとも幾らかはナノ粒子の形態である請求項４に記載の方法。
【請求項８】
光起電力セルは前記光活性層を支持する基質を含み、前記基質はポリマーを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基質は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリメタクリレート、ポリカルボネート及びポリウレタンからなる群より選択される少なくとも一つのポリマーを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光起電力セルは色素増感太陽電池を含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン化された光起電力セル並びに関連した構成及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
時として太陽電池と称される光起電力セルは太陽光のような光を電気エネルギーに変換する。ある種の光起電力セルは色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）である。
図１を参照すると、ＤＳＳＣ１００は、電極１０１と対向電極１１１との間に配置された電荷担体層１４０（例えば、ヨウ化物／ヨウ化物溶液のような電解質を含む）及び光活性層１５０（例えば、ＴｉＯ２粒子のような半導体材料を含む）を含む。光活性層１５０はまた染料のような感光剤を含む。一般的に、感光剤は、稼動波長範囲内（例えば、太陽のスペクトル内）にて光子を吸収することができる。電極１０１は基質１７０（例えば、ガラス又はポリマー基質）と、該基質１７０の内面１７２に配置された導電層１６０（例えば、ＩＴＯ層又は酸化スズ層）とを含む。対向電極１１１は、基質１１０と、導電層１２０（例えば、ＩＴＯ層又は酸化スズ層）と、触媒層１３０（例えば白金を含む）とを含み、該触媒層１３０は電荷担体層１４０における酸化還元反応を触媒する。導電層１２０は基質１１０の内面１１２に配置される一方、触媒層１３０は導電層１２０の面１２２に配置される。電極１０１及び対向電極１１１は外部の電気負荷１８０を介してワイヤにより接続される。
【０００３】
動作時、放射（例えば、太陽光スペクトル内）による照度に応答して、ＤＳＳＣ１００は励起、酸化及び還元のサイクルを受け、負荷１８０を横切る電子の流れを生成する。入射光は光活性層１５０において感光剤分子を励起する。光励起された感光剤分子は次に、光活性層１５０の半導体の伝導帯中に電子を注入し、酸化された感光剤分子を残す。注入された電子は半導体材料を介して導電層１６０まで流れ、次いで外部負荷１８０まで流れる。外部負荷１８０を貫通して流れた後、電子は層１２０、次に層１３０、そして引き続いて層１４０へと流れ、触媒層１３０にて、電子は電荷担体層１４０中の電解質材料を還元する。還元された電解質は酸化された感光剤分子を元の中性状態に戻すべく還元する。層１４０中の電解質は、対向電極１１１から作用電極１０１までの電子の流れを制御する酸化還元メディエータとして作用する。励起、酸化及び還元のこのサイクルが繰り返され、連続的な電気エネルギーが外部負荷１８０へ提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、パターン化された光起電力セル並びに関連した構成及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある例において、特殊な外観を備えた光起電力セルが望ましいであろう。一例において、光起電力セルが軍服の一部として組み込まれる実施形態において、迷彩柄のパターンの外観を備える光起電力セルが望ましいであろう。別の例において、光起電力セルが屋根の部分に組み込まれる実施形態において、屋根タイルのパターン又は屋根板のパターンの外観を供えた光起電力セルが望ましいであろう。
【０００６】
一態様において、本発明は複数の染料を材料（例えば、半導体）と結合して光活性層を形成することを含む方法により特徴付けられ、該光活性層において複数の染料が一定のパターンで配置され、該光活性層は光起電力セルを提供するために二つの電極の間に配置される。
【０００７】
別の態様において、本発明は、二つの電極と、該電極の間に光活性層と、を含む光起電力セルを特徴とする。光活性層は、一定のパターンで配置される複数の染料を含む。
更なる態様において、本発明は電気的に接続された複数の光起電力セルを含む（例えば、直列に接続された幾らかのセル及び／又は並列に接続された幾らかのセルを含む）モジュールを特徴とする。光起電力セルの少なくとも幾らかは、二つの電極と、該電極の間に光活性層とを含み、光活性層は一定のパターンで配置される複数の染料を含む。
【０００８】
実施形態は以下の特徴を一つ又はそれ以上含む。
例えば、パターンは迷彩柄のパターン、屋根タイルのパターン、屋根板のパターンであり得る。幾らかの実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは携帯可能な電子装置（例えば、ラップトップ型コンピュータ、携帯電話）のハウジングのパターンを定義する。ある実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは自動車のボディのパターンを定義する。
【０００９】
光活性層は少なくとも二つ（例えば、少なくとも三つ、少なくとも四つ、少なくとも五つ、少なくとも六つ、少なくとも七つ、少なくとも八つ）の異なる染料を含み得る。染料の少なくとも幾らか（例えば、少なくとも二つの染料、少なくとも三つの染料、少なくとも四つの染料）は異なる色を有する。例えば、染料の各々は異なる色を有する。
【００１０】
染料は、シルクスクリーン、インクジェット印刷又はグラビア印刷を用いて材料（例えば、半導体材料）に塗布される。
染料が結合される材料は半導体材料であり得る。幾らかの実施形態において、半導体材料は、焼結チタニアのようなチタニアであり得る。一般的に、半導体材料はナノ粒子の形態である。
【００１１】
光起電力セルは更に、光活性層を支持するポリマー基質のような基質を含む。ある実施形態において、該基質はポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリメタクリレート、ポリカルボネート及び／又はポリウレタンから形成され得る。
【００１２】
光起電力セルは色素増感太陽電池であり得る。
別の態様において、本発明は複数のポリマー組成物を材料（例えば、電子受容体）と結合して該複数のポリマー組成物が一定のパターンで配置された光活性層を形成する工程と、該光活性層を二つの電極の間に配置して光起電力セルを提供する工程と、からなる方法を特徴とする。
【００１３】
更なる態様において、本発明は二つの電極と、該電極の間に光活性層とを含む光起電力セルを特徴とする。光活性層は一定のパターンで配置される複数のポリマー組成物を含む。
更なる態様において、本発明は電気的に接続された複数の光起電力セルを含む（例えば、直列に接続された幾らかのセル及び／又は並列に接続された幾らかのセルを含む）モジュールを特徴とする。光起電力セルの少なくとも幾らかは、二つの電極と、該電極の間に光活性層とを含み、光活性層は一定のパターンで配置される複数のポリマー組成物を含む。
【００１４】
実施形態は以下の特徴を一つ又はそれ以上含む。
例えば、パターンは迷彩柄のパターン、屋根タイルのパターン、屋根板のパターンであり得る。幾らかの実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは携帯可能な電子装置（例えば、ラップトップ型コンピュータ、携帯電話）のハウジングのパターンを定義する。ある実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは自動車のボディのパターンを定義する。
【００１５】
光活性層は少なくとも二つ（例えば、少なくとも三つ、少なくとも四つ、少なくとも五つ、少なくとも六つ、少なくとも七つ、少なくとも八つ）の異なるポリマー組成物を含み得る。ポリマー組成物の少なくとも幾らか（例えば、少なくとも二つのポリマー組成物、少なくとも三つのポリマー組成物、少なくとも四つのポリマー組成物）は異なる色を有し得る。例えば、ポリマー組成物の各々は異なる色を有し得る。
【００１６】
ポリマー組成物は、シルクスクリーン、インクジェット印刷又はグラビア印刷を用いて材料（例えば、電子受容体）に塗布され得る。
幾らかの実施形態において、光活性層中に含まれるポリマー組成物は一つ以上のディスコティック液晶ポリマー、一つ以上のポリチオフェン、一つ以上のポリフェニレン、一つ以上のポリ（フェニレンービニレン）、一つ以上のポリチエニルビニレン及び／又は一つ以上のポリイソチアナフタレンを含み得る。
【００１７】
ポリマー組成物が結合される材料は電子受容体材料であり得る。電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を含むポリマー、及び／又はＣＦ３基を含むポリマーから形成され得る。
【００１８】
光起電力セルは更に光活性層を支持するポリマー基質のような基質を含む。該基質はポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリメタクリレート、ポリカルボネート及び／又はポリウレタンから形成され得る。
【００１９】
別の態様において、本発明は、シス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２と有機溶媒を含む処方物を特徴としており、Ｌは第一の２，２'−ビピリジルを含み、かつＬ'は第二の２，２'−ビピリジルを含む。有機溶媒は、ｇ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、１−メトキシ−２−プロパノール（ＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセタミド、プロピレングリコールフェニルエーテル及びそれらの混合物からなる群より選択される。
【００２０】
更に別の態様において、本発明は染料及び増粘剤を含む処方物を特徴とする。
付随的な態様において、本発明は、シス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２及び第一の有機溶媒からなる処方物を第一の材料上に配置して光活性層を形成する工程と、二つの電極の間に光活性層を配置して光起電力セルを提供する工程とを含む方法を特徴とする。Ｌは第一の２，２'−ビピリジルを含み、Ｌ'は第二の２，２'−ビピリジルを含む。第一の有機溶媒はｇ−ブチロラクトン、１−メトキシ−２−プロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセタミド、プロピレングリコールフェニルエーテル及びそれらの混合物からなる群より選択される。
【００２１】
更なる態様において、本発明は染料と増粘剤とを含む処方物を第一の材料上に配置して光活性層を形成する工程と、二つの電極の間に光活性層を配置して光起電力セルを提供する工程とを含む方法を特徴とする。
【００２２】
実施形態は以下の特徴の一つ又はそれ以上を含む。
第一の２，２'−ビピリジルは第二の２，２'−ビピリジルと同一である。
Ｌは４，４'−ジカルボン酸−２，２'−ビピリジルを含み、かつＬ'は４，４'−ジノニル−２，２'−ビピリジルを含む。
処方物は更に、約１重量％乃至約２０重量％（例えば、約５重量％乃至約１５重量％又は約１２重量％）の増粘剤を含む。例示的な増粘剤はヒュームドシリカ粒子及びポリ（プロピレングリコール）（ＰＰＧ）を含む。ヒュームドシリカ粒子は疎水性であり得る。例えば、ヒュームドシリカ粒子の表面は疎水基で改質され得る（例えば、ポリ（ジメチルシロキサン）部分）。
【００２３】
有機溶媒はｇ−ブチロラクトン及び１−メトキシ−２−プロパノールの混合物を（例えば、約１：５ｖｏｌ．／ｖｏｌ．乃至約１：１０ｖｏｌ．／ｖｏｌ．の比率にて）含む。
処方物は、ｇ−ブチロラクトン、１−メトキシ−２−プロパノール及びポリ（プロピレングリコール）の混合物を（例えば、約１：５：２ｖｏｌ．／ｖｏｌ．／ｖｏｌ．の比率にて）含む。
【００２４】
処方物は、少なくとも約５ｍＭのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２（例えば、少なくとも約２０ｍＭのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２、少なくとも約３０ｍＭのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２、少なくとも約４０ｍＭのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２、又は少なくとも約６０ｍＭのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２）を含み得る。
【００２５】
該方法は更に、光活性層を第二の有機溶媒（例えば、アルコール）を用いて洗浄することにより増粘剤を実質的に除去する工程を含み得る。
６５ｍｇのシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２、は最大でも約５分（例えば、最大でも約４分、最大でも約３分、最大でも約２分、又は最大でも約１分）にて１ｇの第一の材料上に吸収され得る。
【００２６】
第一の材料は、半導体材料又は電子受容体材料を含み得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明のその他の特徴及び利点は、詳細な記載、図面及び請求の範囲から明らかであろう。
【００２８】
種々の図面における同様の符号は同様の部材を示す。
パターン化された光起電力セルは任意の所望のパターンの外観を有する。例えば、パターンは迷彩柄のパターン、屋根タイルのパターン、屋根板のパターンであり得る。幾らかの実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは携帯可能な電子装置（例えば、ラップトップ型コンピュータ、携帯電話）のハウジングのパターンを定義する。ある実施形態において、光起電力セルにより提供されるパターンは自動車のボディのパターンを定義する。一般的に、パターンはＤＳＳＣの光活性層において異なる色の複数の感光剤（又は感光性の染料）を用いて形成され得る。
【００２９】
図２はＤＳＳＣ２００の光活性層２５０の平面図であり、図３はＤＳＳＣ２００の断面図である。光活性層２５０はパターンを形成する領域２５１−２５６を含む。パターンは領域の少なくとも幾つかが異なる色であることに由来する。一例として、幾らかの実施形態において、領域２５１−２５６の各々は異なる色を有する。しかしながら、より一般的には、領域２５１−２５６の少なくとも二つ（例えば、領域の少なくとも三つ、領域の少なくとも四つ、領域の少なくとも五つ）は異なる色を有する。
【００３０】
一般的に、各領域２５１−２５６の色は所定の領域内に含まれる特定の染料（又は染料の組み合わせ）により決定される。染料の例は、黒色の染料（例えば、トリス（イソチオシアナト）−ルテニウム（ＩＩ）−２，２'：６'，２''−テルピリジン−４，４'，４''−トリカルボン酸、トリスーテトラブチルアンモニウム塩）、オレンジ色の染料（例えば、トリス（２，２'−ビピリジル−４，４'−ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ジクロライド）、紫色の染料（例えば、シスービス（イソチオシアナト）ビス−（２，２'−ビピリジル−４，４'−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ））、赤色の染料（例えば、エオシン）、緑色の染料（例えば、メロシアニン）及び青色の染料（例えば、シアニン）を含む。更なる染料の例は、シアニン類、キサンテン類、アントラキノン類、メロシアニン類、フェノキサジノン類、インドリン類、チオフェン類、クマリン類、アントシアニン類、ポルフィリン類、フタロシアニン類、スクアレート類、スクアリリウム染料及びある種の金属含有染料を含む。染料の組み合わせもまた所定の領域内において使用され、それにより所定の領域は一つ以上（例えば、二つ、三つ、四つ、五つ、六つ、七つ）の異なる染料を含む。
【００３１】
幾らかの実施形態において、光活性層２５０はシス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２の式を有する染料を含み、ここでＬは第一の２，２'−ビピリジルを含み、かつＬ'は第二の２，２'−ビピリジルを含む。第一の２，２'−ビピリジルは第二の２，２'−ビピリジルと同一であり得るか、或いは異なる。本明細書において記載されている用語「２，２'−ビピリジル」は置換部分及び非置換部分の両方を含む。置換基の例は、Ｃ１−Ｃ１０アルキル、Ｃ２−Ｃ１０アルケニル、Ｃ２−Ｃ１０アルキニル、Ｃ３−Ｃ８シクロアルキル、Ｃ５−Ｃ８シクロアルケニル、Ｃ１−Ｃ１０アルコキシ、アリール、アリールオキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、アミノ、Ｃ１−Ｃ１０アルキルアミノ、Ｃ１−Ｃ２０ジアルキルアミノ、アリールアミノ、ジアリールアミノ、ヘテロアリールアミノ、ジヘテロアリールアミノ、Ｃ１−Ｃ１０アルキルスルホニル、アリールスルホニル、ヘテロアリールスルホニル、Ｃ１−Ｃ１０アルキルスルホナミド、アリールスルホナミド、ヘテロアリールスルホナミド、ヒドロキシル、ハロゲン、メルカプト、Ｃ１−Ｃ１０アルキルメルカプト、アリールメルカプト、シアノ、ニトロ、アシル、アシルオキシ、カルボキシル、アミド、カルバモイル及びカルボン酸エステルを含む。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール及びヘテロアリールはまた溶融された群を含む。
【００３２】
シス−ＲｕＬＬ'（ＮＣＳ）２の例は、シス−Ｒｕ（４，４'−ジカルボン酸−２，２'−ビピリジル）（４，４'−ジノニル−２，２'−ビピリジル）（ＮＣＳ）２（Ｚ９０７）である。ある実施形態において、Ｚ９０７は最初に適切な有機溶媒中に溶解され、染料溶液を形成する。有機溶媒は典型的には低い蒸気圧（例えば、２０℃において１０ｍｍＨｇ未満）、良好な染料溶解性（例えば、５ｍＭ以上の染料を溶解する）、高い誘電率、光活性層（例えば、ＴｉＯ２ナノ粒子）における半導体材料に対する濡れ特性を有し、それにより半導体材料に対する染料の吸収が促進されるとともに染色時間が低減される。そのような有機溶媒の例は、ｇ−ブチロラクトン、１−メトキシ−２−プロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセタミド、プロピレングリコールフェニルエーテル及びそれらの混合物を含む。次いで、染料溶液が本明細書に開示された一つ以上の方法により半導体材料に適用される。そのような染料溶液を用いた染料方法は、比較的短い染色時間を有する。ある実施形態において、上述の染料溶液を使用することにより、６５ｍｇのＺ９０７が最大でも約５分（例えば、最大でも約４分、最大でも約３分、最大でも約２分、又は最大でも約１分）で１ｇの半導体材料上に吸収され得る。
【００３３】
幾らかの実施形態において、増粘剤は染料（例えば、Ｚ９０７のようなルテニウムベースの染料又は有機染料）を含む溶液に加えられ得る。増粘剤は染色時間を低減可能である。また、異なる濃度を使用することにより染料溶液のレオロジー（例えば、粘度）を調整するためにも使用され得る。例示的な増粘剤は分散したヒュームドシリカ粒子及びポリ（プロピレングリコール）を含む。染料が半導体材料上に吸収された後に、該増粘剤は該半導体材料を有機溶媒（例えば、エタノール又は１−メトキシ−２−プロパノール）にて洗浄することにより選択的に除去され得る。
【００３４】
幾らかの実施形態において、ヒュームドシリカ粒子は疎水性表面を形成するために改質され得る。例えば、ヒュームドシリカ粒子の表面はポリ（ジメチルシロキサン）部分を用いて改質され得る。そのような疎水性シリカの例は、カボット社（ＣＡＢＯＴ  ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ）により製造された、ＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ  ＴＳ−７２０である。疎水性シリカ粒子は光起電力セルの熱的安定性を改善する。理論により結びつけることを望むわけではないが、疎水性シリカ粒子は、光起電力セル中の染料と電解質との間の接触を最小限にして、染料の離脱を低減すると考えられる。
【００３５】
光活性層２５０はまた染料と結合される半導体材料のような更なる材料を含む。半導体材料の例は、ＭｘＯｙの式を有する材料を含み、ここでＭは、例えば、チタン、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム又はスズであり、かつｘ及びｙはゼロより大きい整数である。その他の適切な材料は、チタン、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム又はスズの硫化物、セレン化物、テルル化物及び酸化物、又はそれらの組み合わせを含む。例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｎＯ２、チタン酸ナトリウム、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム及びニオブ酸カリウムが適切な材料である。
【００３６】
典型的には、層２５０の内部に含まれる半導体材料はナノ粒子の形態である。幾らかの実施形態において、ナノ粒子は約２ｎｍ乃至約１００ｎｍの間（例えば、約２０ｎｍのような約１０ｎｍ乃至４０ｎｍの間）の平均径を有する。
【００３７】
ナノ粒子は例えば、高温の焼結、又はポリ（ｎ−チタン酸ブチル）のような反応性高分子結合剤により相互に連結され得る。高分子結合剤は比較的低温（例えば、約３００℃未満）、そして、幾らかの実施形態においては室温にて、相互に連結されたナノ粒子層の製造を可能にする。比較的低温における相互連結工程は、ポリマー基質を用いる連続的な製造工程に適している。
【００３８】
相互に連結されたナノ粒子は、染料により一般的には感光される。染料は、所望の光起電力効果を生成するために入射光を電気に変換することを促進する。染料は入射光を吸収し、該染料中の電子の励起を生ずると考えられる。励起された電子のエネルギーは染料の励起レベルから相互に連結されたナノ粒子の伝導帯に移される。この電子の移動は電荷の効果的な分離と所望の光起電力効果とを生ずる。従って、相互に連結されたナノ粒子の伝導帯における電子は外部負荷を駆動することを可能にする。
【００３９】
染料は、ナノ粒子上に吸着される（例えば、化学的吸着及び／又は物理的吸着）。染料は、例えば、光子を動作範囲の波長（例えば、可視スペクトル内）に吸着する能力、ナノ粒子の伝導帯のフリーな電子（又は正孔）を生成する能力、ナノ粒子と複合体化又はナノ粒子に吸着される効果、及び／又はその色に基づいて選択される。
【００４０】
ＤＳＳＣ２００のその他の成分について述べると、導電層２２０の組成及び厚みは、所望の導電性、光学特性及び／又は層の機械的特性に基づいて一般的には選択される。幾らかの実施形態において、層２２０は透明である。そのような層を形成するのに適した透明な材料の例は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ及びフッ素でドープされた酸化スズのようなある種の金属酸化物を含む。幾らかの実施形態において、導電層２２０はフォイル（例えば、チタンフォイル）から形成され得る。導電層２２０は、例えば約１００ｎｍ乃至５００ｎｍの間の厚みであり得る（例えば、約１５０ｎｍ乃至３００ｎｍ）。
【００４１】
対向電極２１１が透明ではない実施形態において、導電層２２０は不透明である（即ち、その内部に入射する可視スペクトルエネルギーの約１０％未満を伝達可能である）。例えば、層２２０は銅、アルミニウム、インジウム又は金のような不透明な金属の連続層から形成され得る。
【００４２】
幾らかの実施形態において、導電層２２０は導電性材料の不連続層を含む。例えば、導電層２２０は導電性のメッシュを含む。適切なメッシュ材料は、パラジウム、チタン、白金、ステンレス鋼及びそれらの合金のような金属を含む。幾らかの実施形態において、メッシュ材料は金属ワイヤを含む。導電性のメッシュ材料はまた、金属のような導電性材料でコーティングされた電気的絶縁材料を含む。電気的絶縁材料は、織物用繊維又はモノフィラメントのような繊維を含み得る。繊維の例は、合成高分子繊維（例えば、ナイロン）及び天然繊維（例えば、亜麻、綿、羊毛及び絹）を含む。メッシュ電極は、例えば連続製造工程によりＤＳＳＣの形成を容易にするべく可撓性であり得る。メッシュ電極を有する光起電力セルは、例えば、同時に係属する米国特許出願公開第２００３／０２３０３３７号、米国特許出願公開第２００４／０１８７９１１号及び国際特許出願公開第ＷＯ０３／０４１１７号に開示されており、それらの各々は参照として援用される。
【００４３】
メッシュ電極は、例えば、ワイヤ（又は繊維）の直径及びメッシュの密度（即ち、メッシュの単位面積当たりのワイヤ（又は繊維）の数）に関して多様な形態をとり得る。例えば、メッシュは任意の数の開口の形状が規則的又は不規則であり得る。メッシュの形態の要素（例えば、ワイヤの直径及びメッシュの密度のような）は、例えば、メッシュのワイヤ（又は繊維）の導電性、所望の光透過率、可撓性及び／又は機械的強度に基づき選択され得る。典型的には、メッシュ電極は、約１ミクロン乃至約４００ミクロンの範囲である平均ワイヤ（又は繊維）径と、約６０％乃至約９５％の範囲であるワイヤ（又は繊維）間の平均開口領域を備えたワイヤ（又は繊維）メッシュを含む。
【００４４】
触媒層２３０は通常、その下方に配置される電荷担体層における酸化還元反応を触媒する材料から形成される。触媒層を形成する材料の例は、白金及びポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）を含む。ＰＥＤＯＴ層は米国特許出願第６０／４９５，３０２号に記載されており、該出願は本明細書において参照として援用される。材料は、例えば、製造工程に対する適合性、長期間にわたる安定性及び光学特性のような基準に基づいて選択され得る。一般的に、触媒層はほぼ透明である。しかしながら、ある実施形態（例えば、カソードが実質的に透明である実施形態）において、触媒層は実質的に不透明であり得る。
【００４５】
基質２１０は可撓性ポリマーのような機械的に可撓性の材料又はガラスのような剛性の材料から形成され得る。可撓性基質を形成するために使用され得るポリマーの例は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカルボネート及び／又はポリウレタンを含む。可撓性基質は、ウェブベースのコーティング及び積層化のような連続的な製造工程を容易にする。
【００４６】
基質２１０の厚みは所望に応じて変更され得る。典型的に、基質の厚み及びタイプは、製造、展開及び使用の厳しさに耐え得るために、ＤＳＳＣに対して十分な機械的支持を提供するべく選択される。基質２１０は約６ミクロン乃至約５０００ミクロン（例えば、約６ミクロン乃至約５０ミクロン、約５０ミクロン乃至約５０００ミクロン、約１００ミクロン乃至約１０００ミクロン）の厚みを有する。
【００４７】
対向電極が透明である実施形態において、基質２１０は透明材料から形成される。例えば、基質２１０は、シリカベースのガラス若しくはポリマーのような透明なガラス若しくはポリマー、或いは上記したようなポリマーから形成され得る。そのような実施形態において、導電層２２０はまた透明であるべきである。
【００４８】
基質２７０及び導電層２６０は、基質２１０及び導電層２２０にそれぞれ類似する。例えば、基質２７０は基質２１０と同一の材料から形成されるとともに同一の厚みを有する。しかしながら、幾らかの実施形態において、基質２７０は一つ以上の態様において基質２１０と異なることが望ましい。例えば、ＤＳＳＣが異なる基質上に異なったストレスを及ぼす方法を用いて製造される場合、基質２７０は基質２１０よりも機械的に強固であるか又はそうでなないことが望ましい。従って、基質２７０は、基質２１０とは異なる材料から形成されるか、又は該基質２１０とは異なる厚みを有する。更に、一つの基質のみが使用時に光源にさらされる実施形態において、両方の基質及び／又は両方の導電層が必ずしも透明である必要はない。したがって、基質及び／又は対応する導電層の一方は不透明であり得る。
【００４９】
上記のように、電荷担体層２４０は、接地電位又は電流源から活性層２６０までの電荷の移動を容易にする材料を含む。一般的なクラスの適切な電荷担体材料は、溶媒ベースの液体電解質、多価電解質、ポリマー電解質、固体電解質、ｎ型及びｐ型輸送材料（例えば、導電ポリマー）及びゲル電解質を含む。電荷担体媒体のその他の選択肢も可能である。例えば、電荷担体層は式ＬｉＸであるリチウム塩を含み、ここでＸは、ヨウ化物、臭化物、塩化物、過塩化物、チオシアネート、トリフルオロメチルスルフォネート又はヘキサフルオロホスフェートである。
【００５０】
電荷担体媒体は典型的には酸化還元システムを含む。適切な酸化還元システムは、有機及び／又は無機酸化還元システムを含み得る。そのようなシステムの例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋及びビオロゲンを含む。更に、電解質溶液は、式ＭｉＸｊを有し、ここで、ｉ及びｊは１以上であり、Ｘはアニオンであり、Ｍはリチウム、銅、バリウム、亜鉛、ニッケル、ランタニド、コバルト、カルシウム、アルミニウム又はマグネシウムである。適切なアニオンは、塩化物、過塩化物、チオシアネート、トリフルオロメチルスルフォネート又はヘキサフルオロホスフェートを含む。
【００５１】
幾らかの実施形態において、電荷担体媒体はポリマー電解質を含む。例えば、ポリマー電解質は、ポリ（ビニルイミダゾリウムハライド）及びヨウ化リチウム及び／又はポリビニルピリジニウム塩を含む。実施形態において、電荷担体媒体はヨウ化リチウム、ヨウ化ピリジウム及び／又は置換されたヨウ化イミダゾリウムのような固体電解質を含む。
【００５２】
電荷担体媒体は種々のタイプのポリマー多価電解質を含む。例えば、適切な多価電解質は、約５重量％乃至約９５重量％（例えば、５−６０％、５−４０％又は５−２０％）の例えばイオン伝導性ポリマーのようなポリマーと、約５重量％乃至約９５重量％（例えば、３５−９５％、６０−９５％又は８０−９５％）の可塑剤と、約０．０５Ｍ乃至約１０Ｍ（例えば、約０．０５−２Ｍ、０．０５−１Ｍ、又は０．０５−０．５Ｍ）の有機又は無機ヨウ化物の酸化還元電解質と、約０．０１Ｍ乃至約１Ｍ（例えば、約０．０５−０．５Ｍ、０．０５−０．２Ｍ、又は０．０５−０．１Ｍ）のヨウ素と、を含む。イオン伝導性ポリマーは、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテル及びポリフェノールを含み得る。適切な可塑剤の例は、炭酸エチル、炭酸プロピレン、炭酸塩の混合物、有機リン酸塩、ブチロラクトン及びジアルキルフタレートを含む。
【００５３】
複数の光起電力セルは、光起電力システムを形成するために電気的に接続されている。一例として、図４は光起電力セル５２を含むモジュール５１を有する光起電力システム５０の概略図である。セル５２は直列に電気接続されており、システム５０は負荷に電気的に接続される。別の例として、図５は光起電力セル６２を含むモジュール６１を有する光起電力システム６０の概略図である。セル６２は並列に電気接続されており、システム６０は負荷に電気的に接続される。幾らかの実施形態において、光起電力システムの光起電力セルの幾らか（例えば、全て）は一つ以上の共通の基質を有する。ある実施形態において、光起電力システムにおける幾らかの光起電力セルは直列に電気接続されており、かつ光起電力システムにおける幾らかの光起電力セルは並列に接続されている。
【００５４】
図６はローラ３１５間に基質３１０を前進させることによりパターン化された光起電力セルを製造するための方法３００（ロールツーロール法）を示す。基質３１０は、製造工程時に、ローラ３１５の間を連続的に、周期的に、又は不規則に進められる。
【００５５】
導電層３２０（例えば、チタンフォイル）は位置３１２付近にて基質３１０に取り付けられる。
相互に連結されたナノ粒子材料は、位置３１３付近にて導電層上に形成される。相互に連結されたナノ粒子材料はポリマー結合剤（例えば、ポリ（ｎ−チタン酸ブチル）及び金属酸化物ナノ粒子（例えば、チタニア）を含む溶液を適用することにより形成され得る。幾らかの実施形態において、ポリマー結合剤及び金属酸化物ナノ粒子は、相互に連結されたナノ粒子材料を形成するために別々に適用される。ポリマー結合剤及び金属酸化物ナノ粒子は、相互に連結されたナノ粒子材料を形成するために、加熱され得る（例えば、ロールツーロール法にて使用されるシステム中に存在するオーブン中にて）。
【００５６】
複数の染料が位置３３５付近にて相互に連結されたナノ粒子材料に適用され、パターン化された光活性層が形成される。染料は上述のものを含む周知の方法を用いて適用される。幾らかの実施形態において、異なる染料が相互に連結されたナノ粒子材料に（例えば、インクジェット印刷を用いて）同時に適用される。ある実施形態において、複数のステーションが使用され、各ステーションにおいて異なる染料が相互に連結されたナノ粒子材料に（例えば、インクジェット印刷を用いて）適用される。これらの方法の組み合わせもまた使用され得る。
【００５７】
電荷担体層は位置３１６付近にてパターン化された光活性層上に堆積される。電荷担体層は上述のものを含む周知の方法を用いて堆積される。
導電層３６０（例えば、ＩＴＯ）は、位置３１９付近にて基質３７０に取り付けられる。
【００５８】
触媒層前駆体が位置３１８付近にて導電層３６０上に堆積される。触媒層前駆体は、例えば、電気化学セル中の塩化白金酸を用いる電気化学析出、又は白金化合物（例えば、塩化白金酸）を含むコーティング剤の熱分解を用いて導電層３６０に堆積され得る。一般的に、触媒前駆体は、スピン・コーティング、ディップ・コーティング、ナイフ・コーティング、バー・コーティング、スプレー・コーティング、ローラ・コーティング、スロット・コーティング、グラビア・コーティング、スクリーン・コーティング及び／又はインクジェット印刷のような周知のコーティング技術を用いて堆積され得る。触媒層前駆体は次に、触媒層を形成するために加熱される（例えば、ロールツーロール法にて使用されるシステム中に存在するオーブン中にて）。幾らかの実施形態において、導電性材料３６０は、その先にある基質３７０に結合される前に触媒層にて少なくとも部分的にコーティングされる。ある実施形態において、触媒層は（例えば、前駆体が存在することなく）導電層３６０に直接適用される。
【００５９】
ある実施形態について記載してきたがその他の実施形態も可能である。
一例として、パターン化されたＤＳＳＣの実施形態を記載してきたが、その他のタイプのパターン化された光起電力セル（例えば、パターン化されたポリマー有機光起電力セル）もまた可能である。例えば、図７はポリマー有機光起電力セル５００の光活性層５５０の平面図であり、かつ図８はセル５００の断面図である。セル５００は透明な基質５１０と、カソード５２０と、ホール担体層５３０と、光活性層（電子受容体材料と電子供与体材料とを含む）５４０と、ホール遮断層５５０と、アノード５６０と、基質５７０とを含む。
【００６０】
光活性層５４０は複数の領域５４１−５４６を含む。光活性層５４０の二つ以上の異なる領域の各々が、その領域内に電子供与体材料として異なるポリマー組成物を含む。ポリマー組成物の少なくとも二つ（例えば、少なくとも三つ、少なくとも四つ、少なくとも五つ）は、セル５００がパターン化されるように異なる色を備える（例えば、上述のようなパターンの一つを有する）。ポリマー組成物の例は、ディスコティック液晶ポリマー、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリ（フェニレン−ビニレン）、ポリチエニルビニレン、ポリイソチアナフタレン及びそれらの組み合わせを含む。
【００６１】
光活性層５４０に使用される電子受容体材料の例は、フラーレン、無機ナノ粒子（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウム及び／又は硫化鉛）、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウム及び／又は硫化鉛から形成されるナノロッド）又は電子を受容するか、若しくは安定なアニオンを形成することができる部分を含むポリマー（例えば、ＣＮ基を含むポリマー若しくはＣＦ３基を含むポリマー）、或いはそれらの組み合わせを含む。幾らかの実施形態において、光活性層２５０のポリマー染料の少なくとも幾らかは異なる色を有する。例えば、光活性層２５０は少なくとも三つのポリマー染料を含み、各々が異なる色である。ある実施形態において、ポリマー染料の各々は異なる色を有する。
【００６２】
ポリマー有機光起電力セルの例は、例えば、米国特許出願公開第２００４／０１８７９１１号及び同時に係属する共通に所有された米国特許出願第６０／５７６，０３３号に記載されており、両出願は本明細書において参照として援用される。
【００６３】
複数のポリマー有機光起電力セルは電気的に接続される（例えば、上述のように）。
以下の実施例は例示的なものであり、制限することを意図していない。
【実施例１】
【００６４】
三つの染料溶液を調整して、それらのＰＶ特性を試験した：（１）ＧＢＬ／ＭＰ中の２４ｍＭのＺ９０７（１：１０ｖｏｌ．／ｖｏｌ．）、（２）ＧＢＬ／ＭＰ／ＰＰＧ中の４０ｍＭのＺ９０７（１：５：２ｖｏｌ．／ｖｏｌ．／ｖｏｌ．）及び（３）１２重量％のヒュームドシリカを含んだＧＢＬ／ＭＰ中の４０ｍＭのＺ９０７（１：５ｖｏｌ．／ｖｏｌ．）。より詳細には、染料溶液は、Ｚ９０７を分散し、選択的に、上述の濃度にて溶媒の混合物中にヒュームドシリカ粉末を加えて調製した。次に、全ての固体が溶液中に十分に分散されるまで、該溶液を８０℃に加熱及び／又は超音波処理した。約１２μｍの厚みを有するとともに約７０ｍ２／ｇの表面積を有する焼結ＴｉＯ２コーティングを、室温にて所定の時間、上述の三つの染料溶液を用いて染色し、エタノールにてすすいだ。染色時間は、染料溶液をＴｉＯ２コーティング上に適用してからエタノールにてＴｉＯ２コーティングをすすぐまでの時間を測定した。染色されたＴｉＯ２コーティングは次に光起電力セルを調製するために使用された。
【００６５】
結果は、これら３つの染料溶液の各々に対して、６５ｍｇのＺ９０７が約５分又はそれ以下にて１ｇのＴｉＯ２上に吸収されたことを示している。特に、染料溶液（３）の６５ｍｇのＺ９０７は約１分にて１ｇのＴｉＯ２上に吸収された。更に、結果は、染料溶液に増粘剤（即ち、ＰＰＧ又はヒュームドシリカ）を含むことは光起電力セルの効率に好ましくない変化を与えないことを示した。上述の三つの染料溶液から調製された光起電力セルの全てが約３．０％の効率を示した。
【実施例２】
【００６６】
二つの染料溶液を調製して、それらの熱的安定性を試験した：（１）ＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ  ＴＳ−７２０シリカを含まないＧＢＬ／ＭＰ中の２４ｍＭのＺ９０７（１：１０ｖｏｌ．／ｖｏｌ．）及び（２）１重量％のＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ  ＴＳ−７２０シリカを含むＧＢＬ／ＭＰ中の４０ｍＭのＺ９０７（１：５ｖｏｌ．／ｖｏｌ．）。次に染料溶液は、実施例１に記載されたものと類似した様式にて光起電力セルを調製するために使用された。従って、得られた光起電力セルは７０℃にて５００時間維持された。
【００６７】
結果は、ＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ  ＴＳ−７２０シリカを含んでいない光起電力セルは効率において約２４％の損失を示す一方で、１重量％のＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ  ＴＳ−７２０シリカを含む光起電力セルが約１５％のみの損失を示すことが明らかとなった。
【００６８】
その他の実施形態は特許請求の範囲中に存在する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】光起電力セルの一実施形態の断面図である。
【図２】光起電力セルのパターン化された光活性層の一実施形態の平面図である。
【図３】図２の光起電力セルの断面図である。
【図４】電気的に直列に接続された複数の光起電力セルを含むシステムの概略図である。
【図５】電気的に並列に接続された複数の光起電力セルを含むシステムの概略図である。
【図６】パターン化された光起電力セルを製造するための方法の一実施形態を示す。
【図７】光起電力セルのパターン化された光活性層の一実施形態の平面図である。
【図８】図７の光起電力セルの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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