(57)【要約】  本発明は、有機光起電性デバイスを含めた有機光電子デバイスを提供する。１つの実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に対し電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に対し電気的に接続された第２の電極を含む有機光電子デバイスを提供する。
2009535841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバコアと、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲み、前記第１の電極に電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層と、
前記有機層を取り囲み、前記有機層に電気的に接続された第２の電極と、
を含む装置。
【請求項２】
前記ファイバコアが光ファイバを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバがガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記放射線透過性の第１の電極が放射線透過性伝導性酸化物を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記放射線透過性伝導性酸化物が、インジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記感光性有機層が光活性領域を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光活性領域が、ドナー材料とアクセプタ材料との間に少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ドナー材料がポリマー相を含み、前記アクセプタ材料がナノ粒子相を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ポリマー相が共役ポリマーを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記共役ポリマーがポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）またはこれらの混合物を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ナノ粒子相がフラーレン、カーボンナノチューブまたはこれらの混合物を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記フラーレンが１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ６１を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ドナー材料が有機金属化合物を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
前記有機金属化合物がフタロシアニン、ポルフィリンまたはこれらの誘導体を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記アクセプタ材料がペリレン、ナフタレン、フラーレンまたはナノチューブを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の電極が金属を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記金属がアルミニウム、金、銀または銅を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの遮断層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの遮断層がポリマー複合材を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記ポリマー複合材が、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）中に分散した複数のナノチューブまたはフラーレンを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記ポリマー複合材が、ポリ（ビニリデンフルオリド）中に分散した複数のナノチューブまたはフラーレンを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記第２の電極を取り囲む保護層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記保護層がポリマー複合材料を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ポリマー複合材料が、ポリ（ビニリデンクロリド）中に分散したカーボンナノ粒子を含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記光ファイバコアが少なくとも１つのアップコンバージョン材料を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのアップコンバージョン材料がランタニド系列元素を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのアップコンバージョン材料がエルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウムまたはこれらの混合物を含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記少なくとも１つのアップコンバージョン材料が、少なくとも１つのランタニド系列元素を含む少なくとも１つのナノ粒子を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記光ファイバコアが少なくとも１つの散乱剤を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項３０】
前記ファイバコアが約１００μｍ〜約２ｍｍの範囲内の直径を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記ファイバコアが約１０μｍ〜約１ｍｍの範囲内の長さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記放射線透過性の第１の電極が約１００ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記有機層が、約３０ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
前記第２の電極が少なくとも５ｍｍの厚みを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
前記装置が可撓性である、請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
前記装置が光起電性電池である、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
ファイバコアを提供する工程と、
前記コアの表面上に放射線透過性の第１の電極を配置する工程と、
前記第１の電極と電気的に連通する少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程と、
前記有機層と電気的に連通する第２の電極を配置する工程と、
を含む、光起電性電池の生産方法。
【請求項３８】
前記ファイバコアが光ファイバを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記放射線透過性の第１の電極が放射線透過性伝導性酸化物を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記放射線透過性伝導性酸化物がインジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記感光性有機層が、光活性領域を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記光活性領域がドナー材料とアクセプタ材料との間に少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記ドナー材料がポリマー相を含み、前記アクセプタ材料がナノ粒子相を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記ドナー材料が有機金属化合物を含み、前記アクセプタ材料がペリレン、ナフタレン、フラーレンまたはナノチューブを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記有機層内でナノウイスカを生産するべく前記感光性有機層をアニールする工程をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４６】
前記ナノウイスカが結晶質１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ６１を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
放射線透過性の第１の電極を配置する工程が、前記コアの前記表面上に放射線透過性伝導性酸化物をスパッタリングまたはディップコーティングする工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の電極と電気的に連通する有機層を配置する工程が、ディップコーティング、スピンコーティング、気相蒸着または真空熱蒸発により前記第１の電極上に前記有機層を被着させる工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４９】
前記有機層と電気的に連通する第２の電極を配置する工程が、気相蒸着、スピンコーティングまたはディップコーティングを通して前記有機層上に前記第２の電極を被着させる工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項５０】
前記光ファイバ内に少なくとも１つのアップコンバータを提供する工程をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項５１】
前記光ファイバ内に少なくとも１つの散乱剤を提供する工程をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項５２】
ファイバコアと、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
を含む少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素と、
を含む光活性装置。
【請求項５３】
前記ファイバコアが光ファイバを含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記光ファイバがガラス光ファイバ、石英光ファイバ、またはプラスチック光ファイバを含む、請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記少なくとも１つの画素が複数の光起電性電池を含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５６】
前記複数の光起電性電池が束になっている、請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】
画素アレイを含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５８】
前記アレイの各画素が複数の光起電性電池を含む、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記装置が可撓性である、請求項５２に記載の装置。
【請求項６０】
前記装置が太陽光収集装置である、請求項５２に記載の装置。
【請求項６１】
前記太陽光収集装置が６％超の変換効率を有する、請求項６０に記載の装置。
【請求項６２】
光ファイバの前記長手軸に沿って放射線を受ける工程と、
前記光ファイバを取り囲む放射線透過性電極を通して少なくとも１つの感光性有機層内に前記放射線を通過させる工程と、
前記有機層内で励起子を発生させる工程と、
前記有機層内のヘテロ接合において前記励起子を電子と正孔とに分離する工程と、
を含む、光子エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法。
【請求項６３】
前記光ファイバがガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバである、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記放射線透過性電極が放射線透過性伝導性酸化物を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記放射線透過性伝導性酸化物がインジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物を含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記ヘテロ接合がドナー材料とアクセプタ材料とを含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６７】
前記ドナー材料がポリマー相を含み、前記アクセプタ材料がナノ粒子相を含む、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記ヘテロ接合が複数のバルクヘテロ接合を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６９】
前記放射線が可視放射線を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７０】
前記放射線が赤外放射線を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７１】
前記光ファイバ内に少なくとも１つの散乱剤を提供する工程をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７２】
前記光ファイバ内に少なくとも１つのアップコンバータを提供する工程をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７３】
電子を外部回路内に取り出す工程をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７４】
ファイバコアと、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
を含む光起電性電池。
【請求項７５】
６％超の変換効率を有する、請求項７４に記載の光起電性電池。
【請求項７６】
１０％超の変換効率を有する、請求項７４に記載の光起電性電池。
【請求項７７】
ファイバコアと、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に対して電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
を含む光起電性電池を少なくとも１つ含む、少なくとも１つの画素を含む太陽電池。
【請求項７８】
６％超の変換効率を有する請求項７７に記載の太陽電池。
【請求項７９】
ファイバコアと、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている複数の感光性有機層と、
前記複数の有機層を取り囲み前記複数の有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
を含む装置。
【請求項８０】
前記複数の感光性有機層の間に配置された少なくとも１つのバッファ層をさらに含む、請求項７９に記載の装置。
【請求項８１】
前記少なくとも１つのバッファ層が電荷移動層を含む、請求項８０に記載の装置。
【請求項８２】
前記電荷移動層が励起子遮断層を含む、請求項８１に記載の装置。
【請求項８３】
ファイバコアと、
複数の感光性領域であって、各々が、
前記ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
前記第１の電極を取り囲む少なくとも１つの感光性有機層と、
前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
を含む、前記ファイバコアの長手軸に沿って配置された複数の感光性領域と、
を含む装置。
【請求項８４】
前記ファイバコアが光ファイバを含む、請求項８３に記載の装置。
【請求項８５】
電磁波を受ける工程と、および感光性層内に放射線を透過させるように電磁波を導く工程とを含む、波形の電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機光電子デバイスそして特に有機光起電性デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機材料を用いた光電子デバイスは、数多くの理由から多様な利用分野において増々望ましいものになってきている。有機光電子デバイスを構築するために用いられる材料は、その無機対応物に比べて相対的に安価であり、かくして無機材料で製造される光電子デバイスに優るコスト面の利点を提供する。その上、有機材料は可撓性といったような所望の物理的特性を提供し、剛性材料に適さない利用分野におけるこれらの使用を可能にしている。有機光電子デバイスの例には、有機光起電性電池、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）および有機光検出器が含まれる。
【０００３】
光起電性デバイスは、負荷を横断して接続され光に曝露された場合に光生成電流を生成することによって、電磁放射線を電気に変換する。光起電性電池により生成された電力は、照明、加熱、バッテリ充電および電気エネルギーを必要とする動力供給デバイスを含む数多くの利用分野で使用可能である。
【０００４】
無限の負荷の下で照射された場合、光起電性デバイスは、その可能最大電圧、開回路電圧、つまりＶｏｃを生成する。電気接点が短絡した状態で照射された場合に光起電性デバイスはその最大電流Ｉ短絡、つまりＩｓｃを生成する。作動条件下で、光起電性デバイスは有限負荷に接続され、電力出力は電流と電圧との積に等しい。光起電性デバイスにより生成される最大電力は、ＶｏｃとＩｓｃの積を上回ることはできない。負荷値が最大電力生成のために最適化されている場合、電流と電圧は、それぞれＩｍａｘとＶｍａｘの値を有する。
【０００５】
光起電性電池の性能を評価する上での主な特性は、曲線因子ｆｆである。曲線因子は、光起電性電池の実際の電力の、電流および電圧の両方がその最大にある場合のその電力に対する比率である。光起電性電池の曲線因子は、以下の等式（１）に従って提供される。
ｆｆ＝（ＩｍａｘＶｍａｘ）／（ＩｓｃＶｏｃ）  （１）
光電池の曲線因子は、作動条件下でＩｓｃおよびＶｏｃが決して同時に得られないことから、つねに１よりも小さい。それでも、曲線因子が１という値に近づくにつれて、デバイスは、より低い内部抵抗しか示さず、従って最適な条件下で負荷に対しより大きい百分率の電力を送出する。
【０００６】
光起電性デバイスはさらに、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するその効率によって特徴づけされる。光起電性デバイスの変換効率ηｐは、以下の等式（２）に従って求められ、式中Ｐｉｎｃは光電池に入射する光の電力である。
ηｐ＝ｆｆ*（ＩｓｃＶｏｃ）／Ｐｉｎｃ  （２）
【０００７】
結晶質またはアモルファスシリコンを用いたデバイスが商業的利用分野では優勢であり、一部は、２３％以上の効率を達成した。しかしながら、特に大きい表面積をもつ、効率の良い結晶質ベースのデバイスは、励起子再結合を促進する結晶質欠陥を含まない大きな結晶を製造する上での問題に起因して、製造が難しくかつ高価である。市販されているアモルファスシリコン光起電性電池は、約４〜１２％の範囲内の効率を示す。
【０００８】
無機デバイスに匹敵する効率をもつ有機光起電性デバイスを構築することは、技術的課題を提起する。一部の有機光起電性デバイスは、およそ１％以下の効率を示す。有機光起電性デバイスに見られる低い効率は、励起子拡散長（ＬＤ）と有機層の厚みとの間の重大な長さスケールの不整合の結果である。可視電磁放射線を効率的に吸収するためには、有機フィルムは約５００ｎｍの厚みを有していなくてはならない。この厚みは、一般的に約５０ｎｍである励起子拡散長を大幅に上回り、往々にして励起子結合をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する上で高い効率を示す有機光起電性デバイスを提供することが望ましいと思われる。本明細書に論述されている有機光電子デバイスの利点を考慮すると、無機光起電性デバイスに匹敵し、一部のケースではそれよりも高い効率を提供する有機光起電性デバイスを提供することが望ましいと思われる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスを含む有機光電子デバイスおよびその製造方法を提供する。
【００１１】
一実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層、有機層を取り囲み、有機層に電気的に接続された第２の電極を含む光電子デバイスを提供している。一部の実施形態においては、光電子デバイスは光起電性電池を含む。
【００１２】
もう１つの実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素、を含む光電子デバイスを提供する。いくつかの実施形態においては、画素は、複数の光起電性電池を含む。他の実施形態においては、光電子デバイスは画素アレイを含む。さらなる実施形態においては、光電子デバイスは、各々複数の光起電性電池を含む画素アレイを含む。
【００１３】
本発明の一実施形態に従った光電子デバイスの生産方法は、ファイバコアを提供する工程、前記コアの表面上に放射線透過性の第１の電極を配置する工程、第１の電極と電気的に連通する少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および有機層と電気的に連通する第２の電極を配置する工程を含む。いくつかのの実施形態においては、光電子デバイスは光起電性電池を含む。
【００１４】
本発明はさらに、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法を提供する。一実施形態においては、本発明の方法は、変換効率を増大させるために導波を用いる。本明細書に記述されている本発明の光電子デバイスの実施形態は、その効率を増大させるために導波を利用してもよい。
【００１５】
一実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法には、光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程、光ファイバを取り囲む放射線透過性電極を通して少なくとも１つの感光性有機層内に放射線を透過させる工程、有機層内で励起子を発生させる工程、および励起子を電子と正孔とに分離する工程が含まれる。電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法は、一部の実施形態においては、さらに、電子を外部回路内に除去する工程も含んでいる。
【００１６】
もう１つの実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法には、光ファイバの表面上に配置された感光性有機層と隣接層との界面において、全内部反射を生成するのに充分な入射角で光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程が含まれる。
【００１７】
本発明のこれらのおよび他の実施形態は、以下の本発明の詳細な説明においてさらに詳細に記述されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、ファイバ構造を有する有機光起電性デバイスを含む有機光電子デバイスを提供する。一実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み、第１の電極に対して電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に対して電気的に接続された第２の電極を含む有機光電子デバイスを提供している。一部の実施形態においては、有機光電子デバイスは光起電性電池を含む。
【００１９】
ここで、本発明の光電子デバイスのさまざまな実施形態の中に組み入れることのできる構成要素を見てみると、本発明の光電子デバイスはファイバコアを含む。本発明の実施形態によれば、ファイバコアは光ファイバを含む。本発明の中で使用するのに適した光ファイバとしては、ガラス光ファイバ、石英光ファイバおよびプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）が含まれ得る。いくつかの実施形態においては、プラスチック光ファイバは、ポリメチルメタクリレートで構築され得る。他の実施形態においては、プラスチック光ファイバは、ペルフルオロシクロブタンポリ（アリールエチル）などのポリマーを含むペルフルオロシクロブタン（ＰＦＢＣ）で構築され得る。本発明のいくつかの実施形態に従った光ファイバは、単一モード光ファイバと多モード光ファイバを含み得る。本発明において使用するための光ファイバは可撓性であり得る。
【００２０】
一部の実施形態においては、本発明の光電子デバイスのファイバコアは、約１μｍ〜約２ｍｍの範囲内の直径を有する。他の実施形態においては、ファイバコアは、約９０μｍ〜約１ｍｍの範囲内の直径を有することができる。さらなる実施形態においては、ファイバコアは、約２０μｍ〜約８００μｍの範囲内の直径を有する。
【００２１】
いくつかの実施形態に従ったファイバコアは、約５００ｎｍ〜約１００ｍｍの範囲の長さを有し得る。他の実施形態においては、ファイバコアは約１μｍ〜約１ｍｍの範囲内の長さを有し得る。さらなる実施形態においては、ファイバコアは約１０μｍ〜約１００μｍの範囲内の長さを有し得る。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態に従ったファイバコアはさらに１つ以上のアップコンバータを含むことができる。当業者であれば理解できるように、アップコンバータは、励起状態を作り出すために材料が吸収する電磁放射線のエネルギーよりも大きいエネルギーをもつ電磁放射線を放出するように操作可能な材料である。本発明において使用するのに適したアップコンバータは、いくつかの実施形態において、本発明の光電子デバイスの感光性有機層により吸収されるように操作可能な波長で、赤外放射線を吸収し可視放射線を放出することができる。
【００２３】
アップコンバータは、いくつかの実施形態において、少なくとも１つのランタニド系列元素を含む材料を含み得る。いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料は、少なくとも１つのランタニド系列元素を含むナノ粒子を含むことができる。本発明の一部の実施形態に従ったアップコンバータ材料の中で使用するのに適したランタニド系列元素には、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロジウム、ホルミウムまたはそれらの混合物が含まれる。いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料は、エルビウム、イッテルビルム、ジスプロジウム、ホルミウムまたはそれらの混合物のイオンでドープされた金属酸化物および金属硫化物を含む。他の実施形態においては、光ファイバは、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロジウム、ホロミウム、またはそれらの混合物のイオンで直接ドープされていてよい。
【００２４】
他の実施形態においては、アップコンバータ材料は、有機化学種を含み得る。有機アップコンバータ材料は、Ｈ２Ｃ６Ｎおよび４−ジアルキルアミノ−１，８−ナフタルイミドならびにおよび多分岐ナフタルイミド誘導体ＴＰＡ−ＮＡ１、ＴＰＡ−ＮＡ２、およびＴＰＡ−ＮＡ３などの１，８−ナフタルイミド誘導体および化合物を含む。有機アップコンバータ材料は同様に、４−（ジメチルアミノ）シンナモニトリル（シスおよびトランス）、ヨウ化トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−１−メチルピリジニウム、４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］ピリジン、４−（ジエチルアミノ）ベンズアルデヒドジフェニルヒドラゾン、トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−１−メチルピリジニウムｐ−トルエンスルホン酸塩、２−［エチル［４−［２−（４−ニトロフェニル）エテニル］フェニル］アミノ］エタノ−ル、４−ジメチルアミノ−４’−ニトロスチルベン、ディスパースオレンジ２５、ディスパースオレンジ３およびディスパースレッド１も含み得る。
【００２５】
さらなる実施形態においては、アップコンバータ材料は、量子ドットを含み得る。量子ドットはいくつかの実施形態によれば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）およびセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのＩＩＩ／ＶおよびＩＩ／ＶＩ半導体材料を含むことができる。アップコンバータ材料は同様に、量子ドットのコア・シェルアーキテクチャも含み得る。
【００２６】
本明細書に提供されているものに加えて、本発明の実施形態は、クロムなどの遷移金属を含む追加的なアップコンバータ材料を企図している。
【００２７】
アップコンバータは一部の実施形態において、光ファイバコア内に配置することができる。他の実施形態においては、アップコンバータを、光ファイバコアの表面上およびファイバコアと放射線透過性の第１の電極との界面に配置することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態においては、ファイバコアは、少なくとも１つの散乱剤を含むことができる。もう１つの実施形態においては、ファイバコアは複数の散乱剤を含むことができる。散乱剤は、もう１つの実施形態によれば、ファイバコアの長手軸に沿って伝播する電磁放射線を散乱させることができる。いくつかの実施形態においては、散乱剤は電磁放射線をファイバコアから半径方向外向きに散乱させて、ファイバコアを取り囲む１つ以上の感光性有機層による散乱放射線の吸収を可能にする。
【００２９】
いくつかの実施形態において、散乱剤は遷移金属ナノ粒子を含むことができる。１つの実施形態において散乱剤として使用するのに適した遷移金属としては、金、銀、銅、ニオブ、パラジウムおよび白金が含まれ得る。いくつかの実施形態に従った遷移金属ナノ粒子は、ロッドまたはワイヤを含むことができる。一実施形態においては、例えば遷移金属ナノロッドまたはナノワイヤは約２ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲内の直径を有し得る。
【００３０】
本発明の光電子デバイスは、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極を含む。本明細書で使用する「放射線透過性の」という用語は、電磁スペクトルの可視領域内の放射線を少なくとも部分的に通過させる能力を意味する。いくつかの実施形態においては、放射線透過性材料は、最小限の吸収または他の干渉しか伴わずに、可視電磁放射線を通過させることができる。その上、本明細書で使用される電極は、外部回路に対して光生成電流を送出するかまたは光電子デバイスにバイアス電圧を提供するための媒体を提供する層を意味する。電極は、外部回路へまたは外部回路から電荷担体を搬送するための電線、リード線、トレースまたは他の手段と有機光電子デバイスの光活性領域との間の界面を提供する。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態に従った放射線透過性の第１の電極は、放射線透過性伝導性酸化物を含む。放射線透過性伝導性酸化物は、いくつかの実施形態において、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）を含み得る。もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、ポリアナリン（ＰＡＮＩ）およびその化学的類縁体などの放射線透過性のポリマー材料を含み得る。いくつかの実施形態においては、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が第１の電極のための適切な放射線透過性ポリマー材料であり得る。他の実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、少なくとも部分的に可視電磁放射線を通過させるように操作可能な厚みをもつカーボンナノチューブ層を含み得る。
【００３２】
もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、ポリマー相内に分散されたナノ粒子相を含む複合材料を含み得る。１つの実施形態において、ナノ粒子相は、カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。さらなる実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、少なくとも部分的に可視電磁放射線を通過させるように操作可能な厚みをもつ金属層を含み得る。いくつかの実施形態においては、金属層は、元素的に純粋な金属または合金を含み得る。放射線透過性の第１の電極として使用するのに適切な金属は、高い仕事関数の金属を含み得る。
【００３３】
いくつかの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、約１０ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有し得る。他の実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、約１００ｎｍ〜約９００ｎｍの範囲内の厚みを有し得る。もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有し得る。さらなる実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は１μｍ超の厚みを有し得る。
【００３４】
本発明の光電子デバイスは、少なくとも１つの感光性有機層を含む。光電子デバイスは、いくつかの実施形態によれば、複数の感光性有機層を含み得る。
【００３５】
いくつかの実施形態においては、感光性有機層は約３０ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する。他の実施形態においては、感光性有機層は、約８０ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有する。さらなる実施形態においては、感光性有機層は約１００ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲内の厚みを有する。
【００３６】
本発明の実施形態に従った感光性有機層は、内部に電磁放射線が吸収されて、後で電子と正孔とに解離し得る励起子を生成する少なくとも１つの光活性領域を含む。いくつかの実施形態においては、光活性領域はポリマーを含み得る。感光性有機層の光活性領域内で使用するのに適したポリマーは、１つの実施形態において、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）、およびポリチオフェン（ＰＴｈ）を含むチオフェンなどの共役ポリマーを含み得る。
【００３７】
いくつかの実施形態においては、感光性有機層の光活性領域において使用するのに適したポリマーは、半導体ポリマーを含み得る。一実施形態においては、半導体ポリマーには、ポリ（フェニレンビニレン）およびポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）などのフェニレンビニレンおよびその誘導体が含まれる。他の実施形態においては、半導体ポリマーは、ポリフルオレン、ナフタレンおよびこれらの誘導体を含み得る。さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内で使用するための半導体ポリマーは、ポリ（２−ビニルピリジン）（Ｐ２ＶＰ）、ポリアミド、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）（ＰＶＣＺ）、ポリピロール（ＰＰｙ）およびポリアニリン（ＰＡｎ）を含み得る。
【００３８】
いくつかの実施形態に従った光活性領域は、小分子を含み得る。一実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内で使用するのに適した小分子は、クマリン６、クマリン３０、クマリン１０２、クマリン１１０、クマリン１５３およびクマリン４８０Ｄを含み得る。もう１つの実施形態においては、小分子はメロシアニン５４０を含み得る。さらなる実施形態においては、小分子は、９，１０−ジヒドロベンゾ［ａ］ピレン−７（８Ｈ）−オン、７−メチルベンゾ［ａ］ピレン、ピレン、ベンゾ［ｅ］ピレン、３，４−ジヒドロキシ−３−シクロブテン−１，２−ジオン、および１，３−ビス［４−ジメチルアミノ］フェニル−２，４−ジヒドロキシシクロブテンジイリウムジヒドロキシドを含み得る。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態においては、励起子の解離は、隣接するドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された有機層内のヘテロ接合において誘起される。本発明のいくつかの実施形態において、有機層は、ドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む。他の実施形態においては、有機層は、ドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された複数のバルクヘテロ接合を含む。
【００４０】
有機材料に関連して、ドナーおよびアクセプタという用語は、２つの接触するものの異なる有機材料の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）および最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベルの相対的位置を意味する。これは、ドナーおよびアクセプタが、それぞれ無機ｎ型およびｐ型層を作り出すことが可能なドーパントの型を意味し得る、無機関連でのこれらの用語の使用と対照的である。有機関連では、もう１つの材料と接触状態にある１つの材料のＬＵＭＯエネルギーレベルがより低いものである場合には、その材料はアクセプタである。そうでなければ、それはドナーである。外部バイアスが存在しない場合、ドナー・アクセプタ接合における電子がアクセプタ材料内に移動し、正孔がドナー材料内に移動することがエネルギー的に有利である。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態に従った感光性有機層内の光活性領域は、ポリマー複合材料を含む。ポリマー複合材料は、一実施形態において、ポリマー相内に分散したナノ粒子相を含み得る。光活性領域のポリマー相を生産するのに適したポリマーは、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）およびポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）を含めたチオフェンなどの共役ポリマーを含み得る。
【００４２】
いくつかの実施形態においては、ポリマー複合材料のポリマー相内に分散されたナノ粒子相は、少なくとも１つのカーボンナノ粒子を含む。カーボンナノ粒子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、またはこれらの混合物を含み得る。１つの実施形態においてナノ粒子相中で使用するのに適したフラーレンは、１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ６１（ＰＣＢＭ）を含み得る。いくつかの実施形態に従ったナノ粒子相内で使用するためのカーボンナノチューブは、単一壁ナノチューブ、多重壁ナノチューブまたはこれらの混合物を含み得る。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態においては、ポリマー複合材料中のポリマー対ナノ粒子の比率は約１：４〜約１：０．４の範囲内にある。他の実施形態においては、ポリマー複合材料中のポリマー対ナノ粒子の比率は約１：２〜約１：０．６の範囲内にある。例えば、一実施形態においては、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）対ＰＣＢＭの比率は約１：１〜約１：０．４の範囲内にある。
【００４４】
さらなる実施形態においては、ポリマー相中に分散したナノ粒子相は少なくとも１つのナノウイスカを含む。本明細書で使用するナノウイスカという用語は、複数のカーボンナノ粒子から形成された結晶質カーボンナノ粒子を意味する。いくつかの実施形態においては、ナノウイスカは、ポリマー複合材料を含む感光性有機層をアニールすることにより生産され得る。いくつかの実施形態によれば、ナノウイスカを形成するように操作可能なカーボンナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブおよびフラーレンを含み得る。１つの実施形態においては、ナノウイスカは結晶質ＰＣＢＭを含む。いくつかの実施形態において、感光性有機層をアニールすることによって、ポリマー相中のナノ粒子相の分散をさらに増大させることができる。
【００４５】
ポリマー相とナノ粒子相とを含む光活性領域の実施形態においては、ポリマー相はドナー材料の役目を、およびナノ粒子相はアクセプタ材料の役目をすることで正孔および電子への励起子の分離のためのヘテロ接合を形成する。ナノ粒子がポリマー相全体を通して分散させられている実施形態においては、有機層の光活性領域は、複数のバルクヘテロ接合を含む。
【００４６】
さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域中のドナー材料は、ポルフィリン、フタロシアニンおよびこれらの誘導体を含む有機金属化合物を含み得る。光活性領域中での有機金属材料の使用を通して、かかる材料を取込んだ感光性デバイスは、三重項励起子を効率良く利用し得る。一重項〜三重項の混合は有機金属化合物にとって非常に強力であるため、吸収には一重項基底状態から直接三重項励起状態への励起が関与し、一重項励起状態から三重項励起状態への変換に付随する損失が無くなる可能性があると考えられている。一重項励起子に比べ三重項励起子の寿命および拡散長が長いことは、三重項励起子はデバイスの効率を犠牲にすることなくドナー・アクセプタヘテロ接合に達するようにさらに長い距離にわたり拡散しうるため、より厚い光活性領域での使用が可能となるかもしれない。
【００４７】
さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内のアクセプタ材料は、ペリレン、ナフタレンおよびこれらの混合物を含み得る。
【００４８】
本発明の光電子デバイスは、有機層を取り囲む第２の電極を含む。いくつかの実施形態においては、第２の電極は金属を含むことができる。本明細書で使用されている金属とは、例えば金などの元素的に純粋な金属で構成された材料、および２つ以上の元素的に純粋な材料からなる材料を含む金属合金で構成された材料の両方を意味している。いくつかの実施形態においては、第２の電極は金、銀、アルミニウムまたは銅を含む。いくつかの実施形態に従った第２の電極は、約１０ｎｍ〜約１０μｍの範囲内の厚みを有することができる。他の実施形態においては、第２の電極は、約１００ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有することができる。さらなる実施形態においては、第２の電極は約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態によれば、感光性有機層と第２の電極との間に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を含む層を配置することができる。ＬｉＦ層は、約５オングストロームから約１０オングストロームの範囲内の厚みを有することができる。
【００５０】
本発明の光電子デバイスは、いくつかの実施形態において、１つ以上の励起子遮断層などの追加的な層をさらに含むことができる。本発明の実施形態においては、励起子遮断層（ＥＢＬ）は、解離界面近くの領域に光生成励起子を閉じ込め、感光性有機／電極界面での寄生励起子クエンチング（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｅｘｃｉｔｏｎ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を防ぐように作用することができる。励起子が上を通って拡散しうる径路を制限することに加えて、ＥＢＬはさらに、電極の被着中に導入される物質に対する拡散障壁として作用することができる。いくつかの実施形態においては、ＥＢＬは、そうしなければ有機光起電性デバイスを操作不能にする可能性のあるピンホールまたは短絡欠陥を埋めるのに充分な厚みを有し得る。
【００５１】
ＥＢＬは、本発明のいくつかの実施形態によれば、ポリマー複合材料を含むことができる。１つの実施形態においては、ＥＢＬは、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。もう１つの実施形態においては、ＥＢＬは、ポリ（ビニリデンクロリド）およびそのコポリマーの中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳおよびポリ（ビニリデンクロリド）を含むポリマー相中に分散されたカーボンナノ粒子は、単一壁ナノチューブ、多重壁ナノチューブ、フラーレン、またはこれらの混合物を含み得る。さらなる実施形態においては、ＥＢＬは、電子の通過を妨げながら正孔の輸送を可能にするべく操作可能な仕事関数エネルギーを有するあらゆるポリマーを含むことができる。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、ＥＢＬは、放射線透過性の第１の電極と光電子デバイスの感光性有機層との間に配置されてよい。光電子デバイスが複数の感光性有機層を含むいくつかの実施形態においては、ＥＢＬは感光性有機層の間に配置されてよい。
【００５３】
本発明の光電子デバイスは、いくつかの実施形態において、第２の電極を取り囲む保護層をさらに含むことができる。保護層は、本明細書で提供されている光電子デバイスに高い耐久性を付与することによって、光起電性の用途を含めた多様な用途でのこれらの使用を可能にできる。いくつかの実施形態においては、保護層は、ポリマー複合材料を含んでいる。一実施形態においては、保護層は、ポリ（ビニリデンクロリド）中に分散されたナノ粒子を含む。いくつかの実施形態に従ったポリ（ビニリデンクロリド）中に分散したナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。
【００５４】
本発明の光電子デバイスは、いくつかの実施形態において、さらに外部金属接点を有することができる。１つの実施形態においては、外部金属接点は第２の電極を取り囲み、第２の電極と電気的に連通する。外部金属接点は、いくつかの実施形態においては、ファイバ光電子デバイスの周囲および長さの少なくとも一部分にわたり電流を抽出するように操作可能であり得る。他の実施形態においては、外部金属接点は、ファイバ光電子デバイスの長さおよび周囲全体にわたり電流を抽出するように操作可能であり得る。いくつかの実施形態では、外部金属接点は、金、銀または銅を含めた金属を含むことができる。さらなる実施形態においては、外部金属接点は、さらなる吸収のため少なくとも１つの感光性有機層に未吸収の電磁放射線を反射し戻すように操作可能であり得る。
【００５５】
本発明のいくつかの実施形態に従った光電子デバイスはさらに電荷移動層を含むことができる。本明細書で使用する電荷移動層は、単に光電子デバイスの１つの区分からもう１つの区分へと電荷担体を送出するだけである層を意味する。１つの実施形態においては、例えば電荷移動層は、励起子遮断層を含み得る。
【００５６】
いくつかの実施形態において、電荷移動層は感光性有機層と放射線透過性の第１の電極との間および／または感光性有機層と第２の電極との間に配置することができる。他の実施形態においては、電荷移動層を、第２の電極と光電子デバイスの保護層との間に配置してもよい。いくつかの実施形態に従った電荷移動層は光活性を有していない。
【００５７】
図１は、本発明の一実施形態に従ったファイバ構造をもつ光電子デバイスの切断図を示している。図１に示された光電子デバイス（１００）は、光ファイバコア（１０２）を含む。本明細書で論述されている通り、ファイバコア（１０２）は、ガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバを含み得る。
【００５８】
光ファイバコア（１０２）は、放射線透過性の第１の電極（１０４）により長手方向に取り囲まれている。放射線透過性の第１の電極（１０４）は、インジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物などの放射線透過性伝導性酸化物を含み得る。放射線透過性の第１の電極（１０４）は、励起子遮断層（１０６）により取り囲まれる。いくつかの実施形態においては、ＥＢＬ（１０６）は、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリ（ビニリデンクロリド）などのポリマー相の中に分散されたカーボンナノ粒子を含むことができる。
【００５９】
ＥＢＬ（１０６）は、感光性有機層（１０８）により取り囲まれている。感光性有機層（１０８）は、いくつかの実施形態において、Ｐ３ＨＴカーボンナノ粒子ポリマー複合材を含む。感光性有機層（１０８）は、いくつかの実施形態において、放射線透過性の第１の電極（１０４）と直接電気的連絡状態にあり得る。他の実施形態においては、励起子遮断層を含む電荷移動層が、放射線透過性の第１の電極（１０４）と感光性有機層（１０８）との間に配置されて、放射線透過性の第１の電極（１０４）と感光性有機層（１０８）との間に間接的な電気的連絡状態を提供していてもよい。
【００６０】
感光性有機層（１０８）は第２の電極（１１０）により取り囲まれている。感光性有機層（１０８）は、いくつかの実施形態において、第２の電極（１１０）と直接電気的に連通する。他の実施形態では、励起子遮断層などの電荷移動層（図示せず）を感光性有機層（１０８）と第２の電極（１１０）との間に配置して、感光性有機層（１０８）と第２の電極（１１０）との間に間接的な電気的連絡状態を提供してもよい。いくつかの実施形態においては、第２の電極（１１０）はアルミニウム、金、銀、ニッケルまたは銅などの金属を含むことができる。
【００６１】
第２の電極（１１０）は、ポリマー複合材料を含む保護層（１１２）により取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、保護層のポリマー複合材料は、ポリ（ビニリデンクロリド）および／またはその共重合体の中に分散したカーボンナノ粒子を含む。カーボンナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。
【００６２】
保護層（１１２）は、ファイバ光電子デバイスの長さおよび周囲全体にわたり電流を抽出するように操作可能な外部金属接点（１１４）に取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、外部金属（１１４）接点は、金、銀または銅を含めた金属を含むことができる。
【００６３】
図２は、本発明のもう１つの実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスの横断面図を示している。図２に表示された光電子デバイス（２００）は、光ファイバコア（２０２）およびそれを取り囲む放射線透過性の第１の電極（２０４）を含む。励起子遮断層（２０６）は放射線透過性の第１の電極（２０４）を取り囲み、感光性有機層（２０８）は励起子遮断層（２０６）を取り囲む。第２の電極（２１０）は感光性有機層（２０８）を取り囲んでいる。光ファイバコア（２０２）および取り囲む層（２０４〜２１０）の組成は、本明細書で記述されているさまざまな実施形態において提供されている組成と一致するものである。
【００６４】
図２に示されている実施形態においては、光ファイバコア（２０２）および放射線透過性の第１の電極（２０４）は、光電子デバイス（２００）に存在する層を超えて長手方向に延びている。いくつかの実施形態における光ファイバコア（２０２）および放射線透過性の第１の電極（２０４）が長手方向に延びていることから、外部電気回路に対する光電子デバイス（２００）の付着が容易になる可能性がある。
【００６５】
図３は、本発明のもう１つの実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスの横断面図を示しており、ここで光電子デバイスは複数の感光性有機層を含む。光電子デバイス（３００）は、光ファイバコア（３０２）を含む。ファイバコア（３０２）は、ガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバを含み得る。
【００６６】
光ファイバコア（３０２）は、放射線透過性の第１の電極（３０４）により取り囲まれる。放射線透過性の第１の電極（３０４）は、インジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物などの放射線透過性伝導性酸化物を含み得る。放射線透過性の第１の電極は第１の励起子遮断層（３０６）によって取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、第１のＥＢＬ（３０６）は、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリ（ビニリデンクロリド）などのポリマー相の中に分散したカーボンナノ粒子を含み得る。
【００６７】
第１のＥＢＬ（３０６）は、第１の感光性有機層（３０８）により取り囲まれている。第１の感光性有機層（３０８）は、いくつかの実施形態においては、Ｐ３ＨＴ−カーボンナノ粒子ポリマー複合材を含むことができる。第１の感光性有機層（３０８）は、第２の励起子遮断層（３１０）により取り囲まれている。第２のＥＢＬは、いくつかの実施形態において、同様に、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリ（ビニリデンクロリド）中に分散したカーボンナノ粒子をも含むことができる。
【００６８】
第２のＥＢＬは、第２の感光性有機層（３１２）により取り囲まれている。第２の感光性有機層（３１２）は、いくつかの実施形態において、第１の有機層（３０８）のプロファイルと大部分が重複する電磁放射線吸収プロファイルを有するポリマー複合材を含めたポリマー材料を含み得る。他の実施形態においては、第２の感光性有機層（３１２）は、第１の有機層（３０８）のプロファイルと重複しないかまたは最小限しか重複しない電磁放射線吸収プロファイルを有するポリマー複合材を含めたポリマー材料を含むことができる。
【００６９】
第２の有機層（３１２）は、感光性有機層（３０８）、（３１２）により吸収されなかった電磁放射線をさらなる吸収のために有機層内に反射し戻すことのできる第２の電極（３１４）によって取り囲まれている。第２の電極（３１４）は、いくつかの実施形態において、アルミニウム、金、銀、ニッケルまたは銅などの金属を含む。
【００７０】
図３に示されている実施形態においては、光ファイバコア（３０２）、放射線透過性の第１の電極（３０４）および第２の励起子遮断層（３１０）は、光電子デバイスに存在する層を超えて長手方向に延びている。光ファイバコア（３０２）、放射線透過性の第１の電極（３０４）および第２の励起子遮断層（３１０）が長手方向に延びていることにより、外部電気回路に対する光電子デバイス（３００）の付着が容易になる可能性がある。
【００７１】
図３は２層の感光性有機層を有する光電子デバイスを示しているが、本発明の実施形態は、３、４、５および６層以上の感光性有機層を有する光電子デバイスを含む、３層以上の感光性有機層を含む光電子デバイスを企図している。いくつかの実施形態においては、光電子デバイスは、少なくとも１０層の感光性有機層を含む可能性がある。
【００７２】
いくつかの実施形態においては、感光性有機層の間に励起子遮断層を配置することにより、複数の感光性有機層を互いに緩衝させることができる。各層が異なる吸収プロファイルを有する複数の感光性有機層を提供することにより、本発明の光電子デバイスは電磁スペクトルを横断した励起子の生成を増大させるかまたは最大限にすることができる。
【００７３】
いくつかの実施形態においては、光電子デバイスは、その長手軸に沿って位置設定された複数の感光性領域を有するファイバコアを含むことができ、この複数の感光性領域の各々は、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲みかつ第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層および、有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む。複数の有機層の各々は、さらに、図３で提供されているような追加的な感光性有機層および励起子遮断層を含めた、本明細書で説明されている追加的な層を含んでいてよい。
【００７４】
図４は、その長手軸に沿って配置された複数の感光性領域（４０４、４０６、４０８）を有するファイバコア（４０２）を含む光電子デバイス（４００）を示す。いくつかの実施形態においては、各領域（４０４、４０６、４０８）の１層または複数層の感光性有機層は、他の領域の吸収プロファイルと重複しないかまたは最小限しか重複しない、異なる電磁放射線吸収プロファイルを有するように選択され得る。本実施形態においては、例えば、領域４０４の感光性有機層は、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲内の吸収プロファイルを有することができ、一方領域４０６の感光性有機層は約６００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の吸収プロファイルを有することができる。領域４０８の感光性有機層は、約８００ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲内の吸収プロファイルを有することができる。
【００７５】
各領域が異なる吸収プロファイルを有する少なくとも１つの感光性有機層を含んでいる複数の感光性領域を提供することにより、本発明の光電子デバイスは、電磁スペクトル全体にわたる励起子の生成を増大させるかまたは最大限にすることができる。
【００７６】
いくつかの実施形態においては、複数の感光性領域を含む光電子デバイスのファイバコアは、ファイバの長手軸に沿って伝播する電磁放射線がファイバから漏出するのを妨げる非放射線透過性材料で部分的にコーティングされ得る。適切なコーティング材料は、金属クラッドまたは内部反射を促進する他のあらゆる材料を含む。図４に示されているように、光ファイバコア（４０２）は、感光性領域（４０４、４０６、４０８）間で金属クラッド（４１０）でコーティングされ得る。光ファイバコアは、感光性領域中では金属クラッドまたは他の非放射線透過性材料でコーティングされていない。
【００７７】
いくつかの実施形態においては、ファイバ構造を有する光電子デバイスは光起電性電池を含む。１つの実施形態においては、光起電性電池はファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に対し電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に対し電気的に接続された第２の電極を含む。もう１つの実施形態においては、光起電性電池は、本明細書で提供されている通りの複数の感光性有機層を含む。
【００７８】
さらなる実施形態においては、光起電性電池は、ファイバコアの長手軸に沿って配置された複数の感光性領域を含むファイバコアを含み、各感光性領域は、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に対し電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層および有機層を取り囲み有機層に対し電気的に接続された第２の電極を含んでいる。
【００７９】
本発明の実施形態に従ったファイバ光起電性電池は、光ファイバコアの長手軸に沿って電磁放射線を受けるように操作可能である。いくつかの実施形態においては、光ファイバコアの長手軸に沿って受理された電磁放射線は、放射線透過性の第１の電極を通して、エバネッセンス場を通って感光性有機層内へと透過される。他の実施形態においては、受理された電磁放射線は、光ファイバ内部で散乱剤により感光性有機層に散乱され得る。さらなる実施形態においては、受理された電磁放射線の少なくとも一部分がアップコンバージョンを受け、感光性有機層内に放出され得る。
【００８０】
本発明のいくつかの実施形態に従ったファイバ光起電性デバイスは、０．２超の曲線因子を示し得る。他の実施形態では、ファイバ光起電性デバイスは、０．５超の曲線因子を示し得る。さらなる実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスは、０．７超の曲線因子を示し得る。
【００８１】
いくつかの実施形態においては、本発明のファイバ光起電性デバイスは、約６％超の変換効率ηｐを示し得る。他の実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスは約１０％超の変換効率を示し得る。もう１つの実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスは約１５％超の変換効率を示し得る。さらなる実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスは、３５％超の変換効率を示し得る。
【００８２】
いくつかの実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極、を含む少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素、を含む光電子デバイスを提供している。いくつかの実施形態においては、１つの画素の１つの光起電性電池は、複数の感光性有機層を含む。
【００８３】
さらなる実施形態においては、画素の光起電性電池は、長手軸に沿って配置された複数の感光性領域を含むファイバコアを含み、各感光性領域は、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に対し電気的に接続された少なくとも１つの感光性有機層、および少なくとも１つの有機層を取り囲み有機層に対し電気的に接続された第２の電極を含んでいる。
【００８４】
いくつかの実施形態においては、画素は複数の光起電性電池を含む。他の実施形態においては、光電子デバイスは画素アレイを含む。さらなる実施形態においては、光電子デバイスは画素アレイを含み、各画素は複数の光起電性電池を含む。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態においては、画素の利用分野で使用するためのファイバ光起電性電池は、互いに独立した形で構築される。かかる実施形態においては、１つのファイバ光起電性電池のための構成要素材料は、もう１つのファイバ光起電性電池のために選択された構成要素材料とは無関係に選択される。１つの実施形態においては、例えば１つのファイバ光起電性電池がガラス光ファイバコアを含むことができる一方でもう１つの光起電性電池はプラスチック光ファイバコアを含むことができる。その結果として、いくつかの実施形態においては、画素および画素アレイが同一の構造のファイバ光起電性電池を含む必要はない。ファイバ光起電性電池の構造は、広範囲の利用分野に適した画素および画素アレイを生産するため本明細書で記述された材料および方法と一致する任意の方法で変更可能である。
【００８６】
いくつかの実施形態においては、複数の光起電性電池を束にすることができる。かかる実施形態においては、各ファイバ光起電性電池が単一の画素または、複数のファイバ光起電性電池が集合的に単一の画素を構成することができる。
【００８７】
図５は、本発明の実施形態に従ったファイバ光起電性電池（５０２）の束（５００）を示している。ファイバ光起電性電池（５０２）は、外部電気回路（５０６）内に内蔵するための接続板（５０４）上に配置され得る。各ファイバ光起電性電池（５０２）は、光ファイバコアの長手方向の拡張部分（５０８）を通して接続板（５０４）上に配置される。
【００８８】
図２および３に示されているように、ファイバ光起電性電池（５０２）の長手方向拡張部分（５０８）は、光ファイバコア、放射線透過性の第１の電極および感光性有機層内で生成された所望の励起子を放射線透過性の第１の電極に輸送するように操作可能な任意の励起子遮断層を含み得る。外部回路（５０６）への接続は、ファイバ光起電性電池（５０２）の外部金属接点（５１０）を通して完成させることができる。
【００８９】
いくつかの実施形態においては、複数のファイバ光起電性電池をその中で束にするためのマトリクスとして感光性材料を使用することができる。ファイバ光起電性電池を束にするための感光性材料はポリマー材料を含むことができる。結束マトリクスとして使用するのに適したポリマー材料は、いくつかの実施形態においては、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）およびポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）を含めたチオフェンなどの共役ポリマーを含み得る。他の実施形態においては、結束マトリクスとして使用するのに適したポリマー材料は、ＰＰＶ、ＰＰｙおよびＰＡｎを含めた、上記で提供されている半導体ポリマーを含み得る。
【００９０】
図５では、例えば、接続板（５０４）上およびファイバ光起電性電池（５０２）間の空間内に、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）などの感光性ポリマーを配置することができる。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）は、光ファイバコアの長手方向拡張部分（５０８）および各ファイバ光起電性電池（５０２）の外部金属接点（５１０）と接触状態であり得る。電磁放射線に曝露された場合、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）マトリクスは、ファイバ光起電性電池（５０２）により生成されたものに加えて励起子を生成することができる。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）マトリクスは、光ファイバコアの長手方向拡張部分（５０８）および外部金属接点（５１０）を通してファイバ光起電性電池（５０２）まで追加の励起子を移送することができる。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）マトリクスにより生成された励起子を受けるファイバ光起電性電池（５０２）はその後、励起子を外部電気回路（５０６）内に輸送することができる。
【００９１】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つのファイバ光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスには、太陽電池が含まれる。いくつかの実施形態においては、ソーラーパネルを生産するため、任意の適切な基板上に画素および画素アレイを設置することができる。本発明のファイバ光起電性電池を含む太陽電池およびソーラーパネルは、６％超の変換効率を有することができる。
【００９２】
本発明は同様に、ファイバコアを提供する工程、ファイバコアの表面上に放射線透過性の第１の電極を配置する工程、第１の電極と電気的に連通する少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および有機層と電気的に連通する第２の電極を配置する工程を含むファイバ光電子デバイスの生産方法を提供する。本発明の方法の実施形態におけるファイバコア、放射線透過性の第１の電極、１層または複数層の感光性有機層、第２の電極、保護層および外部金属接点に適した材料は、本明細書で記述されているファイバ構造を有する光電子デバイスのために提供されるものと一致する。
【００９３】
いくつかの実施形態においては、光ファイバコア上の放射線透過性の第１の電極を配置する工程には、光ファイバコアの表面上に放射線透過性伝導性酸化物をスパッタリングまたはディップコーティングする工程が含まれている。いくつかの実施形態においては、第１の電極と電気的に連通する感光性有機層を配置する工程には、ディップコーティング、スピンコーティング、気相蒸着または真空熱アニーリングにより第１の電極上に有機層を被着させる工程が含まれている。いくつかの実施形態によれば、感光性有機層と電気的に連通する第２の電極を配置する工程には、気相蒸着、スピンコーティングまたはディップコーティングを通して有機層上に第２の電極を被着させる工程が含まれる。
【００９４】
いくつかの実施形態においては、光電子デバイスを生産する方法はさらに、１層または複数層の感光性有機層をアニールする工程を含んでいる。感光性有機層が、ポリマー相およびナノ粒子相を含む複合材料を含むいくつかの実施形態においては、有機相をアニールすることで、ポリマー相およびナノ粒子相の両方の中により高い結晶度を生成し、かつポリマー相内でのナノ粒子相のより大きな分散を結果としてもたらすことができる。フラーレン、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブまたはこれらの混合物を含むナノ粒子相は、アニーリングの結果としてポリマー相内にナノウイスカを形成することができる。いくつかの実施形態に従って感光性有機層をアニールする工程には、約８０℃〜約１５５℃の範囲の温度下、約１分から約３０分の時間の範囲で有機層を加熱する工程が含まれ得る。いくつかの実施形態においては、感光性有機層を約５分間加熱することができる。
【００９５】
いくつかの実施形態においては、光電子デバイスを生産するための方法には、ファイバコア内に少なくとも１つのアップコンバータおよび／または散乱剤を配置する工程がさらに含まれる。
【００９６】
光電子デバイスを生産する方法に加えて、本発明は同様に、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法を提供する。変換の効率を増大させるために導波を利用することができる。
【００９７】
一実施形態においては、本発明は電磁波を受ける工程、および感光性層内に放射線を透過させるように電磁波を導く工程を含む、波形の電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法を提供している。いくつかの実施形態においては、感光性有機層内に放射線を透過させるように電磁波を導く工程には、感光性有機層内にエバネセント波または場を生成するべく感光性有機層と隣接層との界面において電磁波の全内部反射を作り出す工程が含まれ得る。
【００９８】
一実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法には、光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程、光ファイバを取り囲む放射線透過性電極を通して少なくとも１つの感光性有機層内に放射線を透過させる工程、感光性有機層内で励起子を生成する工程および有機層内のヘテロ接合で励起子を電子と正孔とに分離する工程が含まれる。
【００９９】
いくつかの実施形態においては、ヘテロ接合には複数のバルクヘテロ接合が含まれる。本明細書で論述されている通り、ドナー材料とアクセプタ材料との界面でバルクヘテロ接合が形成される。いくつかの実施形態においては、ドナー材料がポリマー相を含み、アクセプタ材料はナノ粒子相を含む。本発明の方法において使用するためのドナー材料およびアクセプタ材料は、光電子デバイスについて本明細書で提供されているものと一致する。
【０１００】
いくつかの実施形態においては、光ファイバの長手軸に沿って受理された電磁放射線には、可視放射線が含まれる。他の実施形態においては、光ファイバの長手軸に沿って受理される放射線は、赤外放射線を含む。
【０１０１】
いくつかの実施形態においては、感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程には、エバネッセンス場を通して放射線を透過させる工程が含まれる。他の実施形態においては、感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程には、光ファイバの長手軸に沿って受理した電磁放射線の少なくとも一部分をアップコンバージョンする工程が含まれる。本発明の実施形態に従ったアップコンバージョン工程には、励起状態を作り出すべくアップコンバージョン材料で光ファイバの長手軸に沿って受理した放射線を吸収する工程、そして励起状態を緩和させるべく放射線を少なくとも１つの有機層内に放出する工程が含まれ、ここで放出された放射線は吸収された放射線よりも短い波長を有する。いくつかの実施形態においては、アップコンバージョン材料により吸収された放射線の部分は、赤外放射線を含む。
【０１０２】
さらなる実施形態においては、感光性有機層内に光ファイバの長手軸に沿って受理した放射線を透過させる工程には、散乱剤で有機層内に放射線を散乱させる工程が含まれる。
【０１０３】
本発明の実施形態に従った、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法はさらに、電子を外部回路内に取り出す工程を含み得る。
【０１０４】
本発明について、ここで、以下の非限定的な実施例により例示する。
【実施例】
【０１０５】
実施例１
ファイバ光起電性電池
以下の手順に従って、ファイバ光起電性電池の非限定的な実施例を準備した。
【０１０６】
多モードファイバ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ製１．５ｍｍ〜０．６ｍｍ、ＢＦＨ３７、高ＯＨ）のジャケットをかみそりで剥ぎ取った。トーチの炎で硬質ポリマークラッドを焼き落とした。その後ファイバのコアを超音波浴中で２０分間連続して脱イオン水、アセトン、イソプロピルアルコールで清浄し、１００℃で１５分間、オーブン内で乾燥させた。その後、清浄済みファイバを、ディップコーティングによりインジウムスズ酸化物（Ｉｎ／Ｓｎ＝９０：１０）でコーティングした（１０層超）。「金属塩を用いたゾル−ゲルプロセスを通したディップコーティング済みのＩＴＯ薄膜（Ｄｉｐ  Ｃｏａｔｅｄ  ＩＴＯ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｏｌ−ｇｅｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｓａｌｔｓ）」、Ｓｕｔａｐａ  Ｒｏｙ  Ｒａｍａｎａｎ、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、第３８９号（２００１年）、２０７頁、を参照のこと。
【０１０７】
ＩＴＯ被覆されたファイバを超音波浴中で２０分間連続してアセトンおよびイソプロピルアルコールで徹底的に清浄し、１００℃のオーブン内で乾燥させた。次にファイバを９０分間オゾンに曝露した（３０分毎にファイバを３回回転させた）。その後ディップコーティングによりファイバ上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液（Ｂａｙｅｒ製Ｂａｙｔｒｏｎ  Ｐ）を被着させ、１５分間１００℃で乾燥させた（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳフィルムの厚みは約１５０ｎｍであった）。
【０１０８】
その後、クロロベンゼン中のＰ３ＨＴ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｄｙｅ）：ＰＣＢＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｄｙｅ）＝１：０．８の溶液を、ディップコーティングを通してファイバ上に被着させた（ポリマーフィルムの厚みは約３００ｎｍであった）。最終工程において、１０−６トールの圧力で熱蒸発を介してＬｉＦおよびＡｌ電極を被着させた。ＬｉＦの厚みは、約０．３〜０．４ｎｍであり、Ａｌフィルムの厚みは約１００ｎｍであった。活性領域を伴うファイバの長さは約１．４ｃｍである。
【０１０９】
準備の後、ファイバ光起電性電池を、電流密度、開回路電圧、短絡電流および効率に関して特徴づけした。図６は、放射結合角度との関係におけるファイバ光起電性電池についての電流−電圧プロットを表示している。図６（ａ）は、感光性有機層をアニールする前のファイバ光起電性電池についての電流−電圧プロットを、図６（ｂ）は、感光性有機層をアニールした後のファイバ光起電性電池についての電流−電圧プロットを表示している。
【０１１０】
図７は、感光性有機層をアニールする前と感光性有機層をアニールした後とのファイバ光起電性電池についての開回路電圧（Ｖｏｃ）と放射結合角度の関係を示している。プロット中に表示されている通り、感光性有機層をアニールすることで、ファイバ光起電性電池の開回路電圧は増大する。
【０１１１】
図８は、感光性有機層をアニールする前と感光性有機層をアニールした後とのファイバ光起電性電池についての短絡電流（Ｉｓｃ）と放射結合角度の関係を示す。開回路電圧の場合と同様に、ファイバ光起電性電池の短絡電流は、感光性有機層をアニールした後に増大する。
【０１１２】
図９は、感光性有機層をアニールする前と感光性有機層をアニールした後とのファイバ光起電性電池についての変換効率と放射結合角度の関係を表示する。先の各図で表示されているパターンと一致して、図５は、アニーリングの後のファイバ光起電性電池について増大した変換効率を示している。
【０１１３】
本発明のさまざまな実施形態が、本発明のさまざまな目的の実現の中で記述されてきた。これらの実施形態は本発明の原理をあくまでも例示しているにすぎないということを認識すべきである。その数多くの修正および適合は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者には直ぐに明白となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスの切断図である。
【図２】本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスの横断面図を示す。
【図３】本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスの横断面図を示す。
【図４】本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光電子デバイスを示す。
【図５】本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性電池の束を示す。
【図６】本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイスの電流−電圧プロットを表示する。
【図７】本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイスについての開回路電圧を表示する。
【図８】本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイスについての短回路電流を表示する。
【図９】本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイスについての変換効率を表示する。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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