(57)【要約】安定な有機装置、ならびにそれに関連する構成要素、システム、および方法を開示する。
2009502028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電極と、
第１および第２の電極同士の間の光活性層と、光活性層は電子受容体材料および電子供与体材料を有することと、
光活性層と第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間に配置された材料と、前記材料は第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとは異なるとともに、半導体金属酸化物または半導体金属酸化物を形成し得る金属からなることとを備え、
光起電力電池である、物品。
【請求項２】
前記材料は半導体金属酸化物からなる請求項１に記載の物品。
【請求項３】
半導体金属酸化物は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化銅、酸化クロム、酸化銀、酸化ニッケル、酸化金、またはこれらの混合物からなる、請求項２に記載の物品。
【請求項４】
前記材料は半導体金属酸化物を形成し得る金属からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記金属は、チタン、金、銀、銅、クロム、スズ、ニッケル、亜鉛、タングステン、またはこれらの混合物からなる、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記材料は約１，０００Ω／ｓｑ以下の表面抵抗率を有する請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記材料は約１０Ω／ｓｑ以下の表面抵抗率を有する請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記材料は約０．１Ω／ｓｑ以下の表面抵抗率を有する請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記材料は約０．１ｎｍ以上の厚さを有する層を形成する、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記材料は約５０ｎｍ以下の厚さを有する層を形成する、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
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、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー、およびこれらの混合物から選択された材料からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
電子受容体材料は置換フラーレンからなる請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
電子供与体材料は、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの混合物から選択された材料からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項１４】
電子供与体材料はポリ（３−ヘキシルチオフェン）からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項１５】
第１および第２の電極のうちの少なくとも１つはメッシュ電極からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項１６】
第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは金属からなる、請求項１に記載の物品。
【請求項１７】
第１および第２の電極と、
第１および第２の電極同士の間の有機半導体層と、
有機半導体層と第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間に配置された材料と、前記材料は第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとは異なるとともに、半導体金属酸化物または半導体金属酸化物を形成し得る金属からなることとを備える装置。
【請求項１８】
前記材料は半導体金属酸化物からなる請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
半導体金属酸化物は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化銅、酸化クロム、酸化銀、酸化ニッケル、酸化金、またはこれらの混合物からなる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記材料は半導体金属酸化物を形成し得る金属からなる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記金属は、チタン、金、銀、銅、クロム、スズ、ニッケル、亜鉛、タングステン、またはこれらの混合物からなる、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記装置は、有機光起電力電池、有機光検知器、有機発光ダイオード、または有機電界効果トランジスタである、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
連続工程により、請求項１に記載の物品を形成する工程を含む方法。
【請求項２４】
前記連続工程はロール・ツー・ロール工程である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
連続工程により、請求項１７に記載の装置を形成する工程を含む方法。
【請求項２６】
前記連続工程はロール・ツー・ロール工程である、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定な有機装置、ならびにそれに関連する構成要素、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー光起電力電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用され得る。このような電池は一般に、２つの電極の間に配置され、かつ電子供与体材料と電子受容体材料とを備える光活性層を有する。通常は、光は片方または両方の電極を通過し、光活性層と相互作用をし、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【発明の開示】
【０００３】
一態様において、本発明は、第１および第２の電極と、第１および第２の電極の間の光活性層と、光活性層と第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間に配置された材料とを備える物品を特徴とする。前記材料は、第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとは異なり、半導体金属酸化物または半導体金属酸化物を形成し得る金属からなる。光活性層は、電子受容体材料と電子供与体材料とを有する。前記物品は光起電力電池である。
【０００４】
別の態様において、本発明は、第１および第２の電極と、第１および第２の電極の間の有機半導体層と、同半導体層と第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間に配置された材料とを備える装置を特徴とする。前記材料は、第１および第２の電極のうちの少なくとも１つとは異なり、半導体金属酸化物または半導体金属酸化物を形成し得る金属からなる。
【０００５】
別の態様において、本発明は、連続工程により上記の前記物品または前記装置を形成する工程を含む方法を特徴とする。
実施形態は、下記の１つ以上の態様を含むことができる。
【０００６】
前記材料は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化銅、酸化クロム、酸化銀、酸化ニッケル、酸化金、またはこれらの混合物などの半導体金属酸化物からなることができる。
【０００７】
前記材料は、チタン、金、銀、銅、クロム、スズ、ニッケル、亜鉛、タングステン、またはこれらの混合物などの、半導体金属酸化物を形成することが可能な金属からなることができる。
【０００８】
前記材料は、約１，０００Ω／ｓｑ以下（例えば、約１０Ω／ｓｑ以下、約０．１Ω／ｓｑ以下）の表面抵抗率を有することができる。
前記材料は、約０．１ｎｍ以上、または約５０ｎｍ以下の厚さを有する層を形成することができる。
【０００９】
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、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー、およびこれらの混合物から選択された材料からなることができる。一実施形態において、電子受容体材料は置換フラーレンからなることができる。
【００１０】
電子供与体材料は、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフ
ェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの混合物から選択された材料からなることができる。一実施形態において、電子供与体材料はポリ（３−ヘキシルチオフェン）からなることができる。
【００１１】
第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、メッシュ電極であることができる。一実施形態において、第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは金属からなる。
前記装置は、有機光起電力電池、有機光検知器、有機発光ダイオード、または有機電界効果トランジスタであることができる。
【００１２】
前記連続工程は、ロール・ツー・ロール工程であることができる。
実施形態は、下記の１つ以上の利点を有することができる。
有機装置（例えば有機光起電力電池）の電極は、水または酸素の存在下で酸化されて、大きな接触抵抗率を生じ得る。理論に束縛されることなく言えば、前記有機装置中に用いられる電極と半導体ポリマーとの間に、半導体金属酸化物、またはこのような金属酸化物を形成し得る金属を含有する保護層を備えることにより、電極に対する酸化または損傷を防止し、それにより電極の安定性を著しく向上させることができる。さらに、金属酸化物は半導体であるので、保護層は接触抵抗率の増大を最小限とし、それにより前記有機装置の性能を維持することができる。
【００１３】
本発明の他の特徴、目的、および利点は、明細書の記載、図面、および請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
複数の図面における類似の参照符号は、類似の要素を示す。
図１は光起電力電池１００の断面図である。光起電力電池１００は、透明基板１１０、メッシュ電極１２０、保護層１２５、正孔キャリア層１３０、光活性層（電子受容体材料と電子供与体材料とを含有する）１４０、正孔阻止層１５０、保護層１５５、アノード１６０、および基板１７０からなる。通常は使用時には、光は基板１１０の表面に衝突し、基板１１０、カソード１２０の開口、保護層１２５、および正孔キャリア層１３０を通過する。その後光は、光活性層１４０と相互作用を行い、電子を層１４０中の電子供与体材料から層１４０中の電子受容体材料へと移動させる。その後電子受容体材料は電子を正孔阻止層１５０および保護層１５５を介してアノード１６０に伝達するとともに、電子受容体材料は正孔を、正孔キャリア層１３０および保護層１２５を介してメッシュカソード１２０に移動させる。アノード１６０とメッシュカソード１２０とは外部負荷を介し電気的に接続されており、そのため電子はアノード１６０から負荷を介してカソード１２０へと通過する。
【００１５】
保護層１２５，１５５は、半導体金属酸化物、または半導体金属酸化物を形成可能な金属を有することができる。半導体金属酸化物の例には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化銅、酸化クロム、酸化銀、酸化ニッケル、酸化金、またはこれらの混合物がある。半導体金属酸化物を形成可能な金属の例には、チタン、金、銀、銅、クロム、スズ、ニッケル、亜鉛、タングステン、またはこれらの混合物がある。理論に束縛されることなく言えば、保護層１２５，１５５は、電極１２０，１６０が酸化または損傷を受ける（例えば、正孔キャリア層１３０または正孔阻止層１５０により酸化される）ことを防止することができ、それにより、電極および光起電力電池の安定性を著しく向上させることができる。一実施形態において、光起電力電池に保護層を備えることにより、光起電力電池の安定性を１００倍またはそれ以上向上させることができる。
【００１６】
保護層１２５，１５５のそれぞれは、ｐ型またはｎ型半導体金属酸化物、あるいはｐ型またはｎ型半導体金属酸化物を形成できる金属を有することができる。一実施形態におい
て、保護層１２５はｐ型半導体金属酸化物（例えば酸化銅）、またはｐ型半導体金属酸化物を形成できる金属を有する。一実施形態において、保護層１５５はｎ型半導体金属酸化物（例えば酸化チタン）、またはｎ型半導体金属酸化物を形成できる金属を有する。
【００１７】
一実施形態において、保護層１２５，１５５は、本来半導体である金属酸化物を有することができる。一実施形態において、保護層１２５，１５５は、ドープされた半導体金属酸化物を有することができる。
【００１８】
一実施形態において、半導体金属酸化物は約２ｅＶ以上（例えば、約２．５ｅＶ以上、約３ｅＶ以上、約３．５ｅＶ以上、約４ｅＶ）のバンドギャップを有することができる。
一実施形態において、半導体金属酸化物は約１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上（例えば、約１０−５ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１０−４ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上）の電子移動度を有することができる。
【００１９】
一実施形態において、半導体金属酸化物は約１０−９Ｓ／ｃｍ以上（例えば、約１０−８Ｓ／ｃｍ以上、約１０−７Ｓ／ｃｍ以上、約１０−６Ｓ／ｃｍ以上、約１０−５Ｓ／ｃｍ以上、約１０−４Ｓ／ｃｍ以上、約１０−３Ｓ／ｃｍ以上、約１０−２Ｓ／ｃｍ以上）の導電率を有することができる。
【００２０】
一実施形態において、半導体金属酸化物は約３．０ｅＶから約５．０ｅＶ（例えば約４．０ｅＶ）の伝導帯を有することができる。
一実施形態において、保護層１２５，１５５のそれぞれは、約０．１ｎｍ以上（例えば、約１ｎｍ以上、約５ｎｍ以上）、または５０ｎｍ以下（例えば、２５ｎｍ以下、約１０ｎｍ以下）の厚さを有することができる。一実施形態において、保護層１２５，１５５のそれぞれは、保護層が紫外光／可視光／近赤外光領域において５０％の吸収率を呈する厚さを有することができる。
【００２１】
一実施形態において、保護層１２５，１５５のそれぞれは、約１，０００Ω／ｓｑ以下（例えば、約１００Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、約１Ω／ｓｑ以下、約０．１Ω／ｓｑ以下）の表面抵抗率を有することができる。
【００２２】
保護層１２５は、保護層１５５を形成するために用いられる材料と同一な材料または異なる材料により形成されてよい。一実施形態において、光起電力電池１００は一層のみの保護層を有することができる。
【００２３】
図１において、保護層１２５は（例えば、メッシュ電極１２０の酸化を最小にすることにより）メッシュ電極１２０の安定性を向上させるために用いられるが、一実施形態において、保護層１２５は非メッシュ電極（例えばＩＴＯ電極）の安定性を向上させるために用いられ得る。
【００２４】
保護層１２５，１５５は、当業者に周知の方法により形成され得る。一実施形態において、保護層１２５，１５５に半導体金属酸化物を含ませるときには、保護層１２５，１５５は真空成膜により形成したり、溶液成膜から（例えば、ナノ粒子分散物またはゾル・ゲル前駆体から）形成したりできる。溶液成膜の例は、例えばＷＯ２００４／１１２１６２に記載されている。一実施形態において、保護層１２５，１５５が半導体金属酸化物を形成できる金属を有する場合、保護層１２５，１５５は真空成膜により形成され得る。
【００２５】
光起電力電池１００の他の構成要素に関して説明する。図２，３に示すように、メッシュ電極１２０は、中実領域１２２と開口領域１２４とを有する。通常、領域１２２は導電性材料により形成されるので、メッシュ電極１２０は光を領域１２４を介して通過させる
とともに、電子を領域１２２を介して伝導させる。
【００２６】
開口領域１２４が占めるメッシュカソード１２０の面積（メッシュカソード１２０の開口面積）は、所望により選択され得る。通常、メッシュカソード１２０の開口面積は、メッシュカソード１２０の全面積の約１０％以上（例えば、約２０％以上、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、約６０％以上、約７０％以上、約８０％以上）、および／または約９９％以下（例えば、約９５％以下、約９０％以下、約８５％以下）である。
【００２７】
メッシュカソード１２０は多様な方法により調製できる。一実施形態において、メッシュカソード１２０は中実領域１２２を形成する材料を製織したワイヤにより形成された製織メッシュである。例えば平織り、畳織り、綾織り、畳綾織り、またはこれらの混合を用いて、ワイヤを織ることができる。一実施形態において、メッシュカソード１２０は溶接ワイヤメッシュにより形成される。一実施形態において、メッシュカソード１２０は延伸メッシュである。延伸金属メッシュは、例えば、シート材料（例えば、金属などの導電性材料）から領域１２４を（例えば、レーザー除去、化学腐食、打ち抜きにより）除去し、該シートを延伸（例えば、２方向への延伸）を行うことにより調製できる。一実施形態において、メッシュカソード１２０は該シートを延伸することをせず、領域１２４を（例えば、レーザー除去、化学腐食、打ち抜きにより）除去することにより形成される金属シートである。
【００２８】
一実施形態において、中実領域１２２は全体が導電性材料により形成される（例えば、領域１２２は、導電性を有するほぼ均一な材料から形成される）。領域１２２に用いられ得る導電性材料の例には、導電性金属、導電性合金、および導電性ポリマーがある。導電性金属の例には、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、およびチタンがある。導電性合金の例には、ステンレススチール（例えば、３３２ステンレススチール、３１６ステンレススチール）、金合金、銀合金、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、パラジウム合金、白金合金、およびチタン合金がある。導電性ポリマーの例には、ポリチオフェン（例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ））、ポリアニリン（例えば、ドープしたポリアニリン）、ポリピロール（例えば、ドープしたポリピロール）がある。一実施形態において、導電性材料の組合せが用いられる。一実施形態において、中実領域１２２は約３Ω／ｓｑ未満の抵抗率を有することができる。
【００２９】
図４に示すように、一実施形態において、中実領域１２２は異種材料３０４を（例えば、メッキ、真空成膜により）被覆した材料３０２よりなる。通常、材料３０２は任意の所望の材料（例えば、電気絶縁性材料、導電性材料、または半導体材料）により形成され、材料３０４は導電性材料からなる。材料３０２を形成し得る電気絶縁性材料の例には、織物、光ファイバー材料、ポリマー材料（例えばナイロン）、および天然材料（例えば、亜麻、綿、羊毛、絹）がある。材料３０２を形成し得る導電性材料には、前記の導電性材料がある。材料３０２を形成し得る半導体材料には、インジウムスズ酸化物、フッ素化酸化スズ、酸化スズ、および酸化亜鉛がある。一実施形態において、材料３０２は繊維の形状をなし、材料３０４は材料３０２上に被覆される導電性材料である。一実施形態において、材料３０２はメッシュの形状（前記説明参照）をなし、メッシュの形状に成形された後、材料３０４により被覆される。一実施例として、材料３０２は延伸金属メッシュであり、材料３０４は延伸金属メッシュ上に被覆されるＰＥＤＯＴであることができる。
【００３０】
一般に、メッシュカソード１２０の最大厚さ（すなわち、メッシュカソード１２０の、メッシュカソード１２０と接触する基板１１０の表面に対してほぼ垂直をなす方向の最大厚さ）は、正孔キャリア層１３０の全厚よりも小さい必要がある。通常は、メッシュカソード１２０の最大厚さは、０．１ミクロン以上（例えば、約０．２ミクロン以上、約０．３ミクロン以上、約０．４ミクロン以上、約０．５ミクロン以上、約０．６ミクロン以上
、約０．７ミクロン以上、約０．８ミクロン以上、約０．９ミクロン以上、約１ミクロン以上）、および／または約１０ミクロン以下（例えば、約９ミクロン以下、約８ミクロン以下、約７ミクロン以下、約６ミクロン以下、約５ミクロン以下、約４ミクロン以下、約３ミクロン以下、約２ミクロン以下）である。
【００３１】
図２において、開口領域１２４を長方形の形状を有するものとして図示しているが、開口領域１２４は通常、任意の所望の形状（例えば、正方形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形、不規則な形状）を有することができる。一実施形態において、メッシュカソード１２０の異なる開口領域１２４は、異なる形状を有することができる。
【００３２】
図３において、中実領域１２２を正方形の断面形状を有するものとして図示しているが、中実領域１２２は通常、任意の所望の形状（例えば、長方形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形、不規則な形状）を有することができる。一実施形態において、メッシュカソード１２０の異なる中実領域１２２は、異なる形状を有することができる。中実領域１２２が円形断面を有する一実施形態において、断面は約５ミクロンから約２００ミクロンの直径を有することができる。中実領域１２２が台形断面を有する一実施形態において、断面は約０．１ミクロンから約５ミクロンの高さと、約５ミクロンから約２００ミクロンの幅とを有することができる。
【００３３】
一実施形態において、メッシュカソード１２０は可撓性を有する（例えば、連続的なロール・ツー・ロール製造工程を用いて、光起電力電池１００に組み込まれる程度に可撓性を有する）。一実施形態において、メッシュカソード１２０はやや剛直であるか、または可撓性を有していない。一実施形態において、メッシュカソード１２０の異なる領域は、可撓性を有したり、やや剛直であったり、可撓性を有していなかったり（例えば、１つ以上の領域は可撓性を有し、１つ以上の別の領域はやや剛直であり、１つ以上の別の領域は可撓性を有していない）することができる。
【００３４】
通常は、メッシュカソード１２０は基板１１０上に配置され得る。一実施形態において、メッシュカソード１２０は基板１１０中に一部が埋設され得る。
基板１１０は通常透明材料から形成される。本発明において、透明材料とは、光起電力電池１００に用いられる厚さにおいて、光起電力電池の稼動中に用いられる波長範囲において、約６０％以上（例えば、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上）の入射光を透過させる。基板１１０が形成される材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、炭化水素ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、およびポリエーテルケトンがある。一実施形態において、ポリマーはフッ素化ポリマーであることができる。一実施形態において、ポリマー材料の組合せが用いられる。一実施形態において、基板１１０の異なる領域は、異なる材料から形成され得る。
【００３５】
通常、基板１１０は可撓性を有したり、やや剛直であったり、剛直であったり（例えばガラス）することができる。一実施形態において、基板１１０は約５，０００メガパスカル未満の曲げ弾性率を有する。一実施形態において、基板１１０の異なる領域は可撓性を有したり、やや剛直であったり、可撓性を有していなかったり（例えば、１つ以上の領域は可撓性を有し、１つ以上の別の領域はやや剛直であり、１つ以上の別の領域は可撓性を有し、１つ以上の別の領域は可撓性を有していない）することができる。
【００３６】
通常は、基板１１０は約１ミクロン以上（例えば、約５ミクロン以上、約１０ミクロン以上）の厚さ、および／または約１，０００ミクロン以下（（例えば、約５００ミクロン以下、約３００ミクロン以下、約２００ミクロン以下、約１００ミクロン以下、約５０ミクロン以下）の厚さを有する。
【００３７】
一般に、基板１１０は着色されていても、無色であってもよい。一実施形態において、基板１１０の１つ以上の部分は着色されており、基板１１０の１つ以上の別の部分は着色されていない。
【００３８】
基板１１０は１つの平面（例えば、光が衝撃する面）、２つの平面（例えば、光が衝撃する面、およびその対抗面）を有することができるし、平面を有しないことができる。基板１１０の平面ではない面は、例えば、湾曲していたり、段差を有していたりすることができる。一実施形態において、基板１１０の平面ではない面は、パターンを有している（例えば、フレネルレンズ、レンティキュラレンズ、またはレンティキュラプリズムを形成するパターン化された段差を有している）。
【００３９】
正孔キャリア層１３０は通常、光起電力電池１００に用いられる厚さにおいて、正孔をメッシュカソード１２０に搬送するとともに、電子のメッシュカソード１２０への運搬をほぼ阻止する。層１３０を形成する材料の例には、ポリチオフェン（例えばＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、および／またはポリイソチアナフタレンがある。一実施形態において、正孔キャリア層１３０は複数の正孔キャリア材料の組み合わせであることができる。
【００４０】
一般には、正孔キャリア層１３０の上面（すなわち、光活性層１４０と接する正孔キャリア層１３０の面）と基板１１０の上面（すなわち、メッシュ電極１２０と接する基板１１０の面との間の距離は、所望により変更可能である。通常は正孔キャリア層１３０の上面とメッシュカソード１２０の上面との間の距離は、０．０１ミクロン以上（例えば、約０．０５ミクロン以上、約０．１ミクロン以上、約０．２ミクロン以上、約０．３ミクロン以上、約０．５ミクロン以上）、および／または約５ミクロン以下（例えば、約３ミクロン以下、約２ミクロン以下、約１ミクロン以下である。一実施形態において、正孔キャリア層１３０の上面とメッシュカソード１２０の上面との間の距離は、約０．０１ミクロンから約０．５ミクロンである。
【００４１】
光活性層１４０は通常、電子受容体材料と電子供与体材料とを含有する。
電子受容体材料の例には、フラーレン、オキサジアゾール、炭素ナノロッド、ディスコティック液晶、無機ナノ粒子（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、インジウムリン、セレン化カドミウム、および／または硫化鉛から形成されたナノ粒子）、無機ナノロッド（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、インジウムリン、セレン化カドミウム、および／または硫化鉛から形成されたナノロッド）、あるいは電子受容性または安定陰イオン形成性の基を含有するポリマー（例えば、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー）がある。一実施形態において、電子受容体材料は置換フラーレン（例えば、ＰＣＢＭ）である。一実施形態において、活性層１４０は複数の電子受容体材料の組合せを有し得る。
【００４２】
電子供与体材料の例には、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、およびポリイソチアナフタレンがある。一実施形態において、電子供与体材料はポリ（３−ヘキシルチオフェン）である。一実施形態において、光活性層１４０は複数の電子供与体材料の組合せを有し得る。
【００４３】
一般に光活性層１４０は、光活性層１４０に衝突する光子を吸収して、対応する電子と正孔とを形成する効率が充分に良いように充分に厚く、かつ層１３０，１５０に対してそれぞれ正孔と電子とを運搬する効率が良いように充分に薄い。一実施形態において、光活性層１４０は、０．０５ミクロン以上（例えば、約０．１ミクロン以上、約０．２ミクロ
ン以上、約０．３ミクロン以上）の厚さ、および／または約１ミクロン以下（例えば、約０．５ミクロン以下、約０．４ミクロン以下）の厚さである。一実施形態において、光活性層１４０は、厚さ約０．１ミクロンから約０．２ミクロンである。
【００４４】
正孔阻止層１５０は通常光起電力電池１００に用いられる厚さにおいて、電子をアノード１６０に運搬するとともに、正孔のアノード１６０への運搬をほぼ阻止する材料により形成される。層１５０を形成することができる材料の例には、ＬｉＦおよび金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化チタン）がある。
【００４５】
通常、正孔阻止層１５０は、０．０２ミクロン以上（例えば、約０．０３ミクロン以上、約０．０４ミクロン以上、約０．０５ミクロン以上）の厚さ、および／または厚さ０．５ミクロン以下（例えば、約０．４ミクロン以下、約０．３ミクロン以下、約０．２ミクロン以下、約０．１ミクロン以下）の厚さである。
【００４６】
アノード１６０は、通常、前記の１つ以上の導電性材料などの導電性材料により形成される。一実施形態において、アノード１６０は複数の導電性材料の組合せにより形成される。
【００４７】
基板１７０は、透明材料または非透明材料により形成され得る。例えば、使用に際して光起電力電池がアノード１６０を通過する光を用いる実施形態において、基板１７０は透明材料により形成することが好ましい。
【００４８】
基板１７０を形成することができる材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、炭化水素ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、およびポリエーテルケトンがある。一実施形態において、ポリマーはフッ素化ポリマーであることができる。一実施形態において、ポリマー材料の組合せが用いられる。一実施形態において、基板１１０の異なる領域は、異なる材料から形成され得る。
【００４９】
通常、基板１７０は可撓性を有したり、やや剛直であったり、剛直であったりすることができる。一実施形態において、基板１７０は約５，０００メガパスカル未満の曲げ弾性率を有する。一実施形態において、基板１７０の異なる領域は可撓性を有したり、やや剛直であったり、可撓性を有していなかったり（例えば、１つ以上の領域は可撓性を有し、１つ以上の別の領域はやや剛直であり、１つ以上の別の領域は可撓性を有し、１つ以上の別の領域は可撓性を有していない）することができる。一般には、基板１７０はほぼ非光散乱性である。
【００５０】
通常は、基板１７０は約１ミクロン以上（例えば、約５ミクロン以上、約１０ミクロン以上）の厚さ、および／または約２００ミクロン以下（（例えば、約１００ミクロン以下、約５０ミクロン以下）の厚さを有する。
【００５１】
一般に、基板１７０は着色されていても、着色されていなくてもよい。一実施形態において、基板１７０の１つ以上の部分は着色されており、基板１７０の１つ以上の別の部分は着色されていない。
【００５２】
基板１７０は１つの平面（例えば、使用の際には、光起電力電池１００はアノード１６０を通過する光を用いる実施形態において、光が衝撃する基板１７０の表面）、２つの平面（例えば、使用の際には、光起電力電池１００はアノード１６０を通過する光を用いる実施形態において、光が衝撃する基板１７０の表面、および基板１７０の対抗面）を有することができるし、平面を有しないことができる。基板１７０の平面ではない面は、例え
ば、湾曲していたり、段差を有していたりすることができる。一実施形態において、基板１７０の平面ではない面は、パターンを有している（例えば、フレネルレンズ、レンティキュラレンズ、またはレンティキュラプリズムを形成するパターン化された段差を有している）。
【００５３】
図５には、基板１１０と正孔キャリア層１３０との間に接着層４１０を有する光起電力電池４００の断面図を示す。一実施形態において、光起電力電池４００はカソード１２０と正孔キャリア層１３０との間に保護層を有したり（図５には図示せず）、アノード１６０と正孔阻止層１５０との間に保護層を有したり（図５には図示せず）することができる。保護層は、金属酸化物またはこのような金属酸化物を形成することができる金属を有することができる。
【００５４】
一般に、メッシュカソード１３０を保持することができる任意の材料は、接着層４１０に用いられ得る。一般に接着層４１０は光起電力電池４００に用いられる厚さにおいて、透明である材料により形成される。接着層材料の例には、エポキシおよびウレタンがある。接着層４１０に用いることができる市販されている材料の例としては、バイネル（Ｂｙｎｅｌ、商標）接着剤（デュポン社）および６１５接着剤（３Ｍ社）がある。一実施形態において、層４１０はフッ素化接着剤を有することができる。一実施形態において、層４１０は導電性接着剤を有することができる。導電性接着剤は、例えば前記の導電性ポリマー（例えばＰＥＤＯＴ）などの内因的に導電性であるポリマーにより形成することができる。導電性接着剤はまた、１つ以上の導電性材料（例えば導電性粒子）を含有するポリマー（例えば内因的には導電性を有しないポリマー）により形成することができる。一実施形態において、層４１０は、１つ以上の導電性材料を含有する内因的に導電性であるポリマーを含む。
【００５５】
一実施形態において、層４１０の厚さ（すなわち、層４１０の、層４１０と接する基板１１０の面にほぼ垂直な方向における厚さ）は、メッシュカソード１２０の最大厚さ未満である。一実施形態において、層４１０の厚さは、メッシュカソード１２０の最大厚さの約９０％以下（例えば、約８０％以下、約７０％以下、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、約２０％以下）である。しかし一実施形態において、層４１０の厚さはメッシュカソード１２０の最大厚さとほぼ同じであったり、メッシュカソード１２０の最大厚さよりも厚かったりする。
【００５６】
通常、光起電力電池は所望にしたがって製造することができる。
一実施形態において、光起電力電池１００は以下のように調製され得る。従来技術を用いて基板１７０上に電極１６０を形成する。引き続き、保護層１５５および正孔阻止層１５０を電極１６０上に（例えば、真空成膜工程または溶液塗布工程を用いて）形成する。その後、光活性層１４０を正孔阻止層１５０上に（例えば、スロット塗布、スピン塗布、またはグラビア塗布などの溶液塗布工程を用いて）形成する。正孔キャリア層１３０を光活性層１４０上に（例えば、スロット塗布、スピン塗布、またはグラビア塗布などの溶液塗布工程を用いて）形成する。その後、保護層１２５を正孔キャリア層１３０上に（例えば、真空成膜工程または溶液塗布工程を用いて）形成する。メッシュカソード１２０を保護層１２５上に配置する。その後基板１１０をメッシュカソード１２０および正孔キャリア層１３０上に、従来方法を用いて形成する。
【００５７】
一実施形態において、光起電力電池は以下のように調製され得る。従来技術を用いて基板１７０上に電極１６０を形成する。さらに、正孔阻止層１５０を電極１６０上に（例えば、真空成膜工程または溶液塗布工程を用いて）形成する。光活性層１４０を正孔阻止層１５０上に（例えば、スロット塗布、スピン塗布、またはグラビア塗布などの溶液塗布工程を用いて）形成する。正孔キャリア層１３０を光活性層１４０上に（例えば、スロット
塗布、スピン塗布、またはグラビア塗布などの溶液塗布工程を用いて）形成する。接着層４１０を、従来方法を用いて正孔キャリア層１３０上に配置する。メッシュカソード１２０を接着層４１０および正孔キャリア層１３０中に（例えば、メッシュカソード１２０を接着層４１０の表面上に配置し、メッシュカソード１２０を押圧することにより）部分的に配置する。その後、従来方法を用い、メッシュカソード１２０および接着層４１０上に基板１１０を形成する。一実施形態において、保護層を電極１６０または正孔キャリア層１３０上に（例えば、真空成膜、または溶液塗布工程を用いて）形成する。
【００５８】
前記の工程は正孔キャリア層１３０中にメッシュカソード１２０を部分的に配置する工程を有するが、一実施形態において、メッシュカソード１２０キャリア層１３０または接着層４１０の表面にカソード材料を印刷する工程により形成し、図面に示す開口を有する電極を付与する。例えば、メッシュカソード１２０はディップ塗布、押し出し塗布、噴霧塗布、インクジェット印刷、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を用いて印刷され得る。カソード材料を、加熱または放射線照射（例えば、紫外線、可視光線、赤外線、電子ビーム放射線）により固化するペースト中に配置することができる。カソード材料は、例えば、スクリーンを介してメッシュパターンとして真空成膜されたり、成膜後にフォトリソグラフィーによりパターン形成されたりされ得る。
【００５９】
複数の光起電力電池を電気的に接続し、光起電システムを形成することができる。一実施例として、図６は、複数の光起電力電池５２０からなるモジュール５１０を備える光起電システム５００の概略図である。電池５２０は電気的に直列に接続され、システム５００は負荷に電気的に接続されている。別の実施例として、図７は、複数の光起電力電池６２０からなるモジュール６１０を備える光起電システム６００の概略図である。電池６２０は電気的に並列に接続され、システム６００は負荷に電気的に接続されている。一実施形態において、光起電システムにおける複数（例えば、すべて）の光起電力電池は、１つ以上の共通の基板を有することができる。一実施形態において、光起電システムにおける複数の光起電力電池は、電気的に直列に接続され、複数の光起電力電池は電気的に並列に接続されている。
【００６０】
一実施形態において、複数の光起電力電池を備える光起電システムは、ロール・ツー・ロール工程などの連続製造工程を用いて製造され得る。一実施形態において、連続製造工程は、前進する第１の基板上に一群の光起電力電池を形成する工程と、第１の基板上の２つ以上の電池部分同士の間に電気絶縁材料を配置する工程と、第１の基板上の２つ以上の電池部分同士の間に配置された電気絶縁材料中にワイヤを埋設する工程と、前進する第２の基板上に一群の光起電力電池を形成する工程と、第１および第２の基板と光起電力電池部分とを組合せて複数の光起電力電池を形成し、２つ以上の光起電力電池をワイヤにより接続する工程とからなる。一実施形態において、第１および第２の基板は連続的に前進したり、周期的に前進したり、不規則的に前進したりされ得る。
【００６１】
一実施形態において、前記保護層はタンデム型電池の電極の安定性を向上するために用いられ得る。タンデム型光起電力電池は、米国特許出願番号第１０／５５８，８７８号明細書、米国仮出願番号第６０／７９０，６０６号明細書、同第６０／７９２，６３５号明細書、同第６０／７９２，４８５号明細書、同第６０／７９３，４４２号明細書、同第６０／７９５，１０３号明細書、同第６０／７９７，８８１号明細書、同第６０／７９８，２５８号明細書において検討されている。
【００６２】
一実施形態において、光起電力電池は前記の層に加えてさらに層を有することができる。例えば、光起電力電池は１つ以上のバリア層を有し、光起電力電池への空気および湿気の浸透を最小限にすることができる。バリア層は、金属（例えばアルミニウム）またはポリマー（例えば、ＯＲＭＯＣＥＲなどの有機無機混成ポリマー）により形成することがで
きる。一実施形態において、バリア層は、電極と同電極を支持し、かつ隣接する基板との間に配置することができる。別の実施例として、光起電力電池は一つ以上の誘電体層を有することができる。理論に束縛されることなく言えば、誘電体層は、光起電力電池の界面の電気的および／または光学的特性を制御するために使用され得ると考えられる。一実施形態において、誘電体層は酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化亜鉛、またはフッ化マグネシウムを有することができる。
【００６３】
種々の実施形態を開示してきたが、別の実施形態もまた可能である。
別の実施例としては、メッシュからなるカソードは既に説明したが、一実施形態においてメッシュアノードが用いられ得る。これは例えば、アノードを透過した光が用いられる場合には好ましい。一実施形態において、メッシュカソードとメッシュアノードとが用いられる。これは、カソードとアノードとを透過した光が用いられる場合には好ましい。
【００６４】
別の実施例としては、実施形態は電池のカソード側を介して透過する光を用いる場合を一般的として説明してきたが、一実施形態において、電池のアノード側を介して透過する光は用いられる（例えば、メッシュアノードが用いられる場合）。一実施形態において、電池のカソードとアノードとの双方を透過した光も用いられる（メッシュカソードとメッシュアノードとが用いられる場合）。
【００６５】
さらに別の実施例としては、電極（例えば、メッシュ電極、非メッシュ電極）は導電性材料により形成されると説明したが、一実施形態において、光起電力電池は半導体からなる１つ以上の電極（例えば、１つ以上のメッシュ電極、１つ以上の非メッシュ電極）を有してもよい。半導体材料の例には、インジウムスズ酸化物、フッ素化酸化スズ、酸化スズ、および酸化亜鉛がある。
【００６６】
さらに別の実施例として、一実施形態において、１つ以上の半導体材料を、メッシュ電極の開口領域（例えば、メッシュカソードの開口領域、メッシュアノードの開口領域、メッシュカソードおよびメッシュアノードの開口領域）に配置することができる。半導体材料の例には、酸化スズ、フッ素化酸化スズ、酸化スズ、および酸化亜鉛がある。部分的に透明な半導体ポリマーなどの他の半導体材料もまた、メッシュ電極の開口領域に配置され得る。例えば、部分的に透明なポリマーとしては、光起電力電池に用いられる厚さにおいて、光起電力電池が稼動する際に用いられる波長の入射光の約６０％以上（例えば、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上）を透過させるポリマーが用いられる。通常、メッシュ電極の開口領域に配置される半導体材料は、光起電力電池に用いられる厚さにおいて透明である。
【００６７】
他の実施例として、一実施形態において、保護層は基板の一方または双方に付与され得る。例えば、保護層は汚染物質（例えば、ほこり、水、酸素、化学物質）を光起電力電池から遠ざけたり、電気の耐久性を高めたりする。一実施形態において、保護層はポリマー（例えばフッ素化ポリマー）からなることができる。
【００６８】
さらに別の実施例として、１つ以上のメッシュ電極を有する光起電力電池について説明してきたが、１つ以上のメッシュ電極（メッシュカソード、メッシュアノード、メッシュカソードおよびメッシュアノード）は、別の種類の光起電力電池にも同様に用いることができる。このような光起電力電池の例には、非晶質ケイ素、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、硫化銅インジウム、および銅インジウムガリウムセレン化物からなる活性材料を有する光起電力電池がある。
【００６９】
さらに別の実施例として、一実施形態において、材料３０２，３０４は、前記においては異なる材料よりなると説明したが、同一の材料からなる。
別の実施例として、図４には一材料上に異なる材料を被覆することにより形成したものとして図示しているが、一実施形態において、中実領域１２２は、２つを超える被覆材料（例えば、３つの被覆材料、４つの被覆材料、５つの被覆材料、６つの被覆材料）により形成されてよい。
【００７０】
さらに別の実施例として、１層以上の保護層を有する光起電力電池を説明してきたが、他の有機装置（例えば、電極が酸化される装置）において１層以上の保護層が用いられ得る。このような有機装置の例には、有機光検知器、有機発光ダイオード、または有機電界効果トランジスタがある。
【００７１】
以下の実施例は例示的なものであり、限定することを意図するものではない。
【実施例】
【００７２】
下記の構成要素からなる光起電力電池を調製した。
ガラス／ＩＴＯ／約５０ｎｍ  ＰＥＤＯＴ  ＰＨ／１ミクロン超のＯＣＤＢからの混合物／１０ｎｍ  Ｔｉ／７０ｎｍ  Ａｌ
Ｔｉは、Ａｌアノードのための保護層として選択した。それは、（１）ＴｉはＰＣＢＭのＬＵＭＯ（すなわち約４．３ｅＶ）に良く適合する伝導帯を有していること、および（２）ＴｉはＰＣＢＭのＬＵＭＯに良く適合する伝導帯を有する導電性酸化物を形成するため、これらより電位上の利点があるからである。
【００７３】
上記により調製した光起電力電池を、ＵＶフィルタを備えたチャンバ内での光照射テストに供した。光起電力電池は被覆層を有してはいなかった。テスト開始時点および光照射テスト１６時間後のテスト結果を、表１にまとめて示す。
【００７４】
【表１】
2009502028.tif 000003
【００７５】
実験結果は、光起電力電池の効率が１６時間後においても、わずかしか劣化していないことを示した。また光起電力電池のＪ−Ｃ曲線をプロットした。その曲線によれば、光起電力電池において、Ｔｉ層はＡｌ電極と組み合わせて使用可能であることを示した。
【００７６】
他の実施形態は、請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】光起電力電池の一実施形態の断面図。
【図２】メッシュ電極の一実施形態の正面図。
【図３】図２のメッシュ電極の断面図。
【図４】メッシュ電極の一部の断面図。
【図５】光起電力電池の別の実施形態の断面図。
【図６】電気的に直列に接続された複数の光起電力電池からなるシステムの概略図。
【図７】電気的に並列に接続された複数の光起電力電池からなるシステムの概略図。
【図１】
2009502028.tif 000004
【図２】
2009502028.tif 000005
【図３】
2009502028.tif 000006
【図４】
2009502028.tif 000007
【図５】
2009502028.tif 000008
【図６】
2009502028.tif 000009
【図７】
2009502028.tif 000010
【国際調査報告】
2009502028.tif 000011