(57)【要約】一つの側面において、高いＶｏｃ値を示す一方で単接合アーキテクチャを用いる単接合有機光電池デバイスが与えられる。ここに記載される単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ユニークなことに、ここに記載される高いＶｏｃの光電池デバイスは、いくつかの実施形態において、可視及び／又は赤外のスペクトル放射の大部分に対して透明となり得る。
2019503072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単接合有機光電池デバイスであって、
アノードと、
カソードと、
前記アノードとカソードとの間に存在する活性層と
を含み、
前記活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、
前記単接合光電池デバイスは、少なくとも１．４Ｖの開路電圧（Ｖｏｃ）を生成する単接合有機光電池デバイス。
【請求項２】
前記Ｖｏｃは少なくとも１．６Ｖである請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項３】
前記Ｖｏｃは１．４Ｖ〜４Ｖの範囲にある請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項４】
前記有機電子供与体の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と前記有機電子受容体の最低空軌道（ＬＵＭＯ）との差は１．７ｅＶ〜４ｅＶである請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項５】
前記ＨＯＭＯとＬＵＭＯとの差は２ｅＶ〜４ｅＶである請求項４の単接合有機光電池デバイス。
【請求項６】
前記活性層は、可視光領域の平均透過率が６０パーセント〜１００パーセントである請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項７】
前記活性層による電磁放射のピーク吸収率は、２５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲に存在する請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項８】
前記活性層は、３００ｎｍ〜６２０ｎｍの範囲にある電磁放射を吸収する請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項９】
前記有機電子供与体及び有機電子受容体の一方又は双方は置換コロネンから選択される請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１０】
前記置換コロネンは、ヘテロ芳香族部分により環化されたコロネンコアを含む請求項９の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１１】
前記ヘテロ芳香族部分は、ベンゾフラン、ベンゾチオフェン及びピリジンからなる群から選択される請求項１０の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１２】
前記置換コロネンは、ハロゲン化芳香族部分により環化されたコロネンコアを含む請求項９の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１３】
前記アノードと活性層との間に配置された正孔輸送層をさらに含む請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１４】
前記正孔輸送層は遷移金属酸化物を含む請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１５】
前記カソードと活性層との間に配置された電子輸送層をさらに含む請求項１３の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１６】
前記アノード若しくはカソード又はその双方が、８０パーセント〜１００パーセントの、可視光領域の平均透過率を示す請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１７】
前記アノード若しくはカソード又はその双方が、８０パーセント〜１００パーセントの、赤外光領域の平均透過率を示す請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１８】
前記活性層にはピン孔が存在しない請求項１の単接合有機光電池デバイス。
【請求項１９】
エレクトロクロミックデバイスであって、
エレクトロクロミックアセンブリと、
光起電力の印加により前記エレクトロクロミックアセンブリを明状態及び暗状態間で切り替えるべく、前記エレクトロクロミックアセンブリと電気通信する単接合有機光電池デバイスと
を含み、
前記単接合有機光電池デバイスは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードとカソードとの間に存在する活性層と
を含み、
前記活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、
前記単接合光電池デバイスは少なくとも１．４Ｖの開路電圧（Ｖｏｃ）を生成するエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２０】
前記Ｖｏｃは少なくとも１．６Ｖである請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２１】
前記有機電子供与体のＨＯＭＯと前記有機電子受容体のＬＵＭＯとの差は１．７ｅＶ〜４ｅＶである請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２２】
前記エレクトロクロミックアセンブリは、
単数のエレクトロクロミック層と、
電荷バランス層と
を含む請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２３】
前記エレクトロクロミックアセンブリは複数のエレクトロクロミック層を含む請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２４】
前記エレクトロクロミックアセンブリの一以上のエレクトロクロミック層がエレクトロクロミック高分子材料を含む請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２５】
前記エレクトロクロミックアセンブリの一以上のエレクトロクロミック層が金属酸化物又は混合金属酸化物を含む請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２６】
前記単接合有機光電池デバイスは、前記エレクトロクロミックアセンブリに垂直方向に統合される請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２７】
前記エレクトロクロミックアセンブリに垂直方向に統合された一以上の付加的な単接合有機光電池デバイスをさらに含む請求項２６のエレクトロクロミックデバイス。
【請求項２８】
前記単接合有機光電池デバイスは、前記エレクトロクロミックアセンブリから離間される請求項１９のエレクトロクロミックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電池装置に関し、詳しくは、高い開路電圧（Ｖｏｃ）を示す単接合有機光電池装置に関する。
【０００２】
政府の権利に関する声明
本発明は、米国海軍研究局により授与された助成金第Ｎ０００１４−１１−１−０３２８号に基づく政府の支援によりなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
関連出願データ
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより、２０１５年１２月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／２６９，６０９号に基づく優先権を主張する。その全体がここに参照として組み入れられる。
【背景技術】
【０００４】
有機材料を使用した光電子デバイスが、一定数の理由により、様々なアプリケーションで益々望まれている。有機光電子デバイスを構築するのに使用される材料は、無機の対応デバイスと比べて比較的安価なので、無機材料により製造された光電子デバイスよりもコスト面での利点を与える。さらに、有機材料は、可撓性のような所望の物理特性を与えるので、剛性材料には不向きのアプリケーションにおいての使用が可能である。有機光電子デバイスの例には、有機光電池セル、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、及び有機光検出器が含まれる。
【０００５】
光電池デバイスは、負荷の両端に接続されて光にさらされるときに光生成電流をもたらすことにより、電磁放射を電気に変換する。無限負荷のもとで照射を受けると、光電池デバイスは、その最大可能電圧である開路電圧すなわちＶｏｃを生成する。その電気接点が短絡されたまま照射を受けると、光電池デバイスは、その最大電流であるＩ短絡すなわちＩｓｃを生成する。動作条件下では、光電池デバイスは有限負荷に接続され、その電力出力は電流と電圧との積に等しい。光電池デバイスにより生成される最大電力は、ＶｏｃとＩｓｃとの積を超えることができない。負荷値が最大発電量に最適化されると、電流及び電圧はそれぞれ、値Ｉｍａｘ及びＶｍａｘを有する。
【０００６】
現在の有機光電池装置に関する構造的な欠点は、高い光起電力を生成する能力がないことである。この能力がないことにより、エレクトロクロミック又は電気化学のアプリケーションのような高電圧アプリケーションでは有機光電池デバイスの使用が限られ又は妨げられ得る。この欠点に対処するべく、タンデム接合又は多接合の有機光電池デバイスが開発されている。多接合デバイスは、向上した性能を示す一方、製作するのが難しく、時間もかかる。かかる製作効率の悪さにより、多接合有機デバイスには、競合する無機光電池技術と比べて法外なコストがかかり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０２８００２５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００８】
一つの側面において、ここに記載される有機光電池デバイスは、単接合アーキテクチャを用いながらも高いＶｏｃ値を示す。高いＶｏｃ値により、有利なことに、デバイスの使用分野が広がる一方、単接合アーキテクチャにより効率的かつ再現性のある製造が容易になる。簡潔には、ここに記載される単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。いくつかの実施形態において、有機電子供与体の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と有機電子受容体の最低空軌道（ＬＵＭＯ）との差は１．７ｅＶから４ｅＶである。さらに、いくつかの実施形態において、活性層は、可視光及び／又は赤外光の高い透過率を必要とするアプリケーションにとって望ましい吸収曲線を示し得る。例えば、可視光及び／又は赤外光領域における活性層の平均透過率は、いくつかの実施形態において６０パーセントから１００パーセントの範囲となり得る。
【０００９】
ここに記載される単接合有機光電池デバイスは、エレクトロクロミックデバイスのような様々なアプリケーションに用途を見出し得る。いくつかの実施形態において、エレクトロクロミックデバイスは、エレクトロクロミックアセンブリと、光起電力のアプリケーションを介して当該エレクトロクロミックアセンブリを明状態と暗状態との間で切り替えるべく、当該エレクトロクロミックアセンブリと電気通信する単接合光電池デバイスとを含む。単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ここでさらに記載されるように、単接合光電池デバイスは、エレクトロクロミックアセンブリに垂直方向に統合することができる。いくつかの実施形態において、単接合光電池デバイスは、同じ設置面積においてエレクトロクロミックアセンブリに垂直方向に統合することができる。代替的に、光電池デバイスは、エレクトロクロミックアセンブリからは空間的に分離される。
【００１０】
ここに記載される単接合光電池デバイスはまた、ＵＶのフィルタリング及び／又は収穫にもアプリケーションを見出すことができる。いくつかの実施形態において、ここに記載されるＵＶ吸収単接合光電池デバイスは、既存のシリコン及び／又は他の光電池技術のＵＶ保護コーティングに取って代わる。ここに記載される単接合光電池デバイスは、日光照射のＵＶ部分のほとんどを吸収することにより、ＵＶによる劣化を受け易い一方でシリコン及び／又は他の光電池デバイスによる発電量のために可視光及び赤外光を透過させる有機活性層光電池を含むシリコン及び／又は他の光電池技術のためのＵＶ保護体として作用する。ここに記載される垂直方向に統合されたＵＶ吸収単接合太陽電池はまた、そうでなければ使用されないままとなる発電用ＵＶ光を収穫するべく外部のシリコン及び／又は他の光電池デバイスに接続することができる。
【００１１】
ここに記載される単接合光電池デバイスはまた、エネルギー貯蔵アーキテクチャにもアプリケーションを見出すことができる。いくつかの実施形態において、電池アーキテクチャは、電気化学アセンブリと、当該電気化学アセンブリと電気通信する単接合光電池デバイスとを含む。単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ここにさらに記載されるように、単接合光電池デバイスは、電気化学アセンブリに垂直方向に統合することができる。いくつかの実施形態において、単接合光電池デバイスは、同じ設置面積において電気化学アセンブリに垂直方向に統合することができる。他の実施形態において、単接合光電池デバイスは、電気化学アセンブリから空間的に分離又は別個にされる。
【００１２】
さらなる側面において、高いＶｏｃ値により、ここに記載される単接合光電池デバイスは、水分解のような太陽光燃料アプリケーションにとって適切となり得る。いくつかの実施形態において、例えば、水分解デバイスは、酸素（Ｏ２）発生触媒（ＯＥＣ）と、水素（Ｈ２）発生触媒（ＨＥＣ）と、単接合光電池デバイスとを含み、当該光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含む。活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、単接合光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。いくつかの実施形態において、水分解デバイスは配線なしであり、ＯＥＣ及びＨＥＣは単接合光電池デバイスに統合される。ＯＥＣが、例えば、光電池デバイスアノードに堆積され得る一方、ＨＥＣはカソードに堆積される。いくつかの実施形態において、光電池デバイスのアノード及びカソードはそれぞれ、ＯＥＣ触媒材料及びＨＥＣ触媒材料から製作され得る。代替的に、水分解デバイスは配線されてもよい。この場合、ＯＥＣ及び／又はＨＥＣは光電池デバイスに統合されない。
【００１３】
以下の詳細な説明に、これらの及び他の実施形態がさらに記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】いくつかの実施形態により活性層の電子供与体及び電子受容体が選択可能なｃＨＢＣ、及び様々な置換ｃＨＢＣを例示する。
【図１Ｂ】いくつかの実施形態により活性層の電子供与体及び電子受容体が選択可能なｃＨＢＣ、及び様々な置換ｃＨＢＣを例示する。
【図１Ｃ】いくつかの実施形態により活性層の電子供与体及び電子受容体が選択可能なｃＨＢＣ、及び様々な置換ｃＨＢＣを例示する。
【図２】いくつかの実施形態に係る単接合光電池デバイスを例示する。
【図３】いくつかの実施形態に係る単接合光電池デバイスのエレクトロクロミックアセンブリへの垂直方向統合を例示する。
【図４】開路かつオフ状態にある、いくつかの実施形態に係るエレクトロクロミックデバイスを例示する。
【図５】暗状態になるように電力供給された、図４のエレクトロクロミックデバイスを例示する。
【図６】透明すなわち脱色状態になるように電力供給された、図５のエレクトロクロミックデバイスを例示する。
【図７】いくつかの実施形態に係る、ここに記載される単接合光電池デバイスを垂直方向に統合した電池アーキテクチャを例示する。
【図８】図８Ａ及び８Ｂは、いくつかの実施形態に係る、配線なしの水分解デバイスを例示する。
【図９】図９Ａは、８Ｃｌ−ｃＨＢＣ（Ａ１）及び１２Ｃｌ−ｃＨＢＣ（Ａ２）の化学構造を例示する。図９Ｂは、Ａ１及びＡ２のＨＯＭＯ及びＬＵＭＯそれぞれの、紫外光電子分光法（ＵＰＳ）及び逆光電子放出分光法（ＩＰＥＳ）により決定されたエネルギー準位を例示する。図９Ｃは、いくつかの実施形態に係る活性層の有機電子供与体化学種及び有機電子受容体化学種の薄膜に対する吸収スペクトルを例示する。
【図１０】いくつかの実施形態に係るＤ／Ａ１活性層を有する光電池デバイス１の両端間のＶｏｃのヒストグラムである。
【図１１】いくつかの実施形態に係る光電池デバイス活性層による可視光及び近赤外光のパーセント透過率を例示する。
【図１２】図１２Ａは、いくつかの実施形態に係る光電池デバイスのＪ−Ｖ特性を例示する。図１２Ｂは、いくつかの実施形態に係る光電池デバイスの電力密度曲線を例示する。図１２Ｃは、いくつかの実施形態に係る光電池デバイス発電量と活性面積との直線関係を例示する。
【図１３】いくつかの実施形態に係る、同じ光電池構造を有する１ｃｍ２デバイス及び１０ｃｍ２デバイスのＪ−Ｖ特性を例示する。
【図１４】いくつかの実施形態に係るエレクトロクロミックアセンブリを例示する。
【図１５】図１４のエレクトロクロミックアセンブリの、±１．２Ｖ間のサイクル時の暗状態及び明状態の光透過率を例示する。
【図１６】図１４のエレクトロクロミックアセンブリの、±１．２Ｖ間のサイクル時の透過率コントラストの安定性を例示する。
【図１７】いくつかの実施形態に係るＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡ及びＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さを変えることによるエレクトロクロミックアセンブリの透過率コントラストのチューニング性能を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここに記載される複数の実施形態は、以下の詳細な説明及び例並びにその前後の記載を参照することにより容易に理解することができる。しかしながら、ここに記載される要素、装置及び方法は、詳細な説明及び例に提示される特定の実施形態に限られない。認識すべきことだが、これらの実施形態は、本発明の原理の単なる例示にすぎない。当業者にとって、本発明の要旨及び範囲から逸脱することのない多くの修正例及び適合例も容易に明らかとなる。
【００１６】
Ｉ．単接合光電池デバイス
【００１７】
一つの側面において、高いＶｏｃ値を示す一方で単接合アーキテクチャを用いる単接合有機光電池デバイスが与えられる。ここに記載される単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは、少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。いくつかの実施形態において、光電池デバイスは、表Ｉから選択される値を有するＶｏｃを生成する。
【表１】
2019503072.tif 000003
特定の部材に目を向けると、光電池デバイスの活性層は、有機電子供与体及び有機電子受容体を含む。活性層においては、ここに記載される光電池デバイスの性能評価指標に整合する電子構造を有する任意の化学種の有機電子供与体及び有機電子受容体を用いることができる。性能評価指標は、Ｖｏｃ、並びに電磁スペクトルの一以上の領域における吸収率及び／又は透過率曲線を含むがこれらに限られない。いくつかの実施形態において、有機電子供与体のＨＯＭＯと有機電子受容体のＬＵＭＯとの差は１．７ｅＶ〜４ｅＶである。さらに、活性層の有機電子供与体及び受容体間のＨＯＭＯ／ＬＵＭＯの差すなわちオフセットは、表ＩＩから選択することができる。
【表２】
2019503072.tif 000004
活性層の有機電子供与体及び有機電子受容体は、本発明の目的に矛盾しない任意の電磁放射吸収曲線を示し得る。いくつかの実施形態において、有機電子供与体及び受容体は、２５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲においてピーク吸収率を示す。かかる実施形態において、活性層は、可視及び近赤外の領域の光に対してほぼ透明である。例えば、活性層は一般に、６０パーセント〜１００パーセントの可視光領域平均透過率を示す。ここに記載される活性層の平均可視光透過率はまた、表ＩＩＩから選択される値を有し得る。
【表３】
2019503072.tif 000005
ここでさらに記載されるように、前述の透過率値を有する活性層により、光電池デバイスは、商業及び産業建屋、家庭、並びに車、バス、トラック、列車及び航空機を含む輸送車両の窓のような、可視光領域及び／又は赤外光領域の透明性が重要な要件となるアプリケーションにとって特に適するようになる。
【００１８】
可視光領域の透過率がそれほど重要とはならないいくつかの実施形態において、有機電子供与体及び有機電子受容体は、３００ｎｍ〜６２０ｎｍの吸収率を示す。この吸収曲線は、可視光領域のピーク強度を捕捉しており、高電圧の電力を必要とし又は当該電力から利益を得る電池及び／又は水分解アプリケーションに対する光電池デバイス性能を向上させ得る。いくつかの実施形態において、活性層の電子供与体及び電子受容体は、１．７ｅＶ〜４ｅＶのＨＯＭＯ／ＬＵＭＯオフセット又は表ＩＩから選択されるオフセットとともに、ここに記載される吸収率／透過率曲線のいずれか一つを示す。
【００１９】
いくつかの実施形態において、活性層の有機電子供与体及び有機電子受容体は、前述のＨＯＭＯ／ＬＵＭＯオフセット及び／又は透過率の要件を満たす多環芳香族化合物から選択される。適切な多環芳香族化合物は、置換コロネンを含み得る。コロネンのコアは、例えば、ベンゾフラン、ベンゾチオフェン、ピリジン及び／又は同様の芳香族置換基のような、ハロゲン化フェニル基及び／又は拡張ヘテロ芳香族基を含むがこれらに限られない周辺芳香族置換基によって環化することができる。いくつかの実施形態において、有機電子供与体及び有機電子受容体は、ねじ曲げられた（ｃｏｎｔｏｒｔｅｄ）ヘキサベンゾコロネン（ｃＨＢＣ）および置換ｃＨＢＣから選択される。図１Ａ〜１Ｃは、いくつかの実施形態に係るｃＨＢＣ及び様々な置換ｃＨＢＣを例示する。これらから、活性層の電子供与体及び電子受容体が選択され得る。図１Ｂの非限定的な実施形態Ａ〜Ｈは、コロネンコアについての様々な置換又は削除を例示する。同様に、図１Ｃの非限定的な実施形態１〜１２は、コロネンコアについての様々なハロゲン化置換又は複素環置換を例示する。多くの先行技術の有機活性層構造とは対照的に、有機電子受容体は、いくつかの実施形態において、フラーレンＣ６０若しくはフラーレンＣ７０又はフラーレン誘導体のようなフラーレンではない。
【００２０】
様々な有機電子供与体及び有機電子受容体の化学種に加え、活性層は、本発明の目的に矛盾しない任意のアーキテクチャを有し得る。いくつかの実施形態において、有機電子供与体及び有機電子受容体の隣接層間には平面ヘテロ接合部が形成される。かかる実施形態において、有機電子供与体層及び有機電子受容体層の厚さは、活性層による十分な光の吸収率、及び励起子拡散経路長を含むいくつかの考慮に従って選択することができる。有機電子供与体層及び有機電子受容体層は一般に、１〜４５０ｎｍの個別厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、有機電子供与体層及び有機電子受容体層のそれぞれの厚さは１ｎｍ〜４００ｎｍとすることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態において、活性層は、傾斜ヘテロ接合部アーキテクチャを示す。かかるアーキテクチャにおいて、有機電子供与体は、活性層のアノード側での１００パーセントからカソード側でのゼロパーセントまで次第に減少する。同様に、有機電子受容体は、活性層のカソード側での１００パーセントからアノード側でのゼロパーセントまで次第に減少する。他の実施形態において、活性層は、混合ヘテロ接合部アーキテクチャを示し得る。ここで、有機電子供与体及び有機電子受容体は、互いに混合又は分散し合う。いくつかの実施形態において、有機電子供与体及び有機電子受容体は、溶液中で混合され、活性層を形成するように堆積される。活性層はその後、アニーリングがされて活性層のスピノーダル分解すなわち相分離が誘発されることにより、混合ヘテロ接合部アーキテクチャを形成する。いくつかの実施形態において、有機供与体及び有機電子受容体は、別々の溶液から又はその気相から同時堆積されて混合活性層を形成する。さらなる実施形態において、活性層は、平面ヘテロ接合部アーキテクチャ、傾斜ヘテロ接合部アーキテクチャ及び／又は混合ヘテロ接合部アーキテクチャの任意の組み合わせを有し得る。加えて、活性層はピン孔なしとすることができるので、デバイスの面積拡張性及び製作歩留まりが改善される。
【００２２】
活性層に加え、ここに記載される光電池デバイスは、一以上の電荷輸送層及び／又は励起子ブロッキング層を含み得る。いくつかの実施形態において、アノードと活性層との間には、正孔輸送層（ＨＴＬ）すなわち励起子ブロッキング層が配置される。例えば、ＨＴＬは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート）ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン−ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパン−スルホン酸）ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡ及び／又は遷移金属酸化物のような、一以上の有機層又は無機層を含み得る。適切な遷移金属酸化物は、酸化モリブデンＭｏＯｘを含み得る。ここで、ｘは任意のＭｏ対Ｏ比を表す。付加的な遷移金属酸化物は、酸化バナジウム、酸化ニッケル、又は同様の電子構造の酸化物を含む。
【００２３】
電子輸送層（ＥＴＬ）すなわち励起子ブロッキング層は、いくつかの実施形態において、カソードと活性層との間に配置される。ＥＴＬは、バソクプロイン（ＢＣＰ）、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、ポリ［（９，９−ビス（３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）プロピル）−２，７−フルオレン）−ａｌｔ−２，７−（９，９−ジオクチルフルオレン）］ＰＦＮ、及び／又は遷移金属酸化物のような、一以上の有機層又は無機層を含み得る。ＥＴＬにとって適切な遷移金属酸化物は、酸化チタン（ＴｉＯｘ）及び／又は酸化亜鉛を含み得る。ＨＴＬ層及び／又はＥＴＬ層は、本発明の目的に矛盾しない任意の方法によって堆積することができる。ＨＴＬ層及び／又はＥＴＬ層は、スパッタリング又は熱蒸着によって堆積することができる。他の実施形態において、ＨＴＬ層及び／又はＥＴＬ層は、スピンコーティング、ブレードコーティング、ナイフコーティング、スロットダイコーティング、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷又はスプレーコーティングのような、溶液ベースの技術によって堆積させることができる。さらなる実施形態において、ＨＴＬ層及び／又はＥＴＬ層は、積層によって堆積することもできる。
【００２４】
ここに記載される光電池デバイスのアノード及び／又はカソードは、いくつかの実施形態において、放射線透過性材料から形成される。アノード及び／又はカソードは、放射線透過性である場合、太陽光スペクトル放射の電磁スペクトル特性の複数部分に対して透明又は実質的に透明となる。いくつかの実施形態において、アノード及び／又はカソードは、放射線透過性金属酸化物から形成される。適切な放射線透過性金属酸化物は、酸化スズ（ＩＴＯ）、酸化ガリウムインジウムスズ（ＧＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウムスズ（ＺＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）及び酸化銀亜鉛（ＡＺＯ）、並びにフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）のような酸化金属の化学的機能化バージョンを含み得る。他の実施形態において、アノード及び／又はカソード用の放射線透過性材料は、導電性高分子種又は半導電性高分子種のような有機材料を含み得る。適切な高分子種は、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）及びその化学的関連物、例えばＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡを含み得る。いくつかの実施形態において、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が、アノード及び／又はカソード用の適切な放射線透過性高分子材料となり得る。ナノワイヤ構造物も、アノード及び／又はカソード用の放射線透過性材料として使用することができる。いくつかの実施形態において、例えば、放射線透過性アノード及び／又はカソードは、高分子マトリクス内に分散された銀ナノワイヤのような、金属−ナノワイヤメッシュとすることができる。有意な近紫外、可視及び／又は赤外の放射を透過させるのに十分な薄さの金属膜も、アノード及び／又はカソードとして用いることができる。いくつかの実施形態において、アノード及び／又はカソードは、可視光領域において８０パーセント〜１００パーセントの平均透過率を示す。他の実施形態において、アノード又はカソードは不透過性でよい。アノード又はカソードは、例えば、光を反射するか又は光の透過をブロックするのに十分な厚さのアルミニウム、銀又は銅のような金属から形成され得る。さらに、酸化モリブデン又はＬｉＦの薄膜層は、可視領域及び／又は赤外領域における光電池デバイス性能又はデバイス透明性を改善するべく、透過性又は不透過性のアノードアーキテクチャ及び／又はカソードアーキテクチャに隣接させ又はこれらと混合させて用いることができる。
【００２５】
図２は、ここに記載されるいくつかの実施形態に係る単接合光電池デバイスを例示する。図２に例示されるように、光電池デバイス２０は、近紫外、可視及び赤外の放射に対して透明なガラス又は高分子基板２１を含む。放射線透過性アノード２２が基板２１上に堆積され、続いてＨＴＬ２３が堆積される。活性層２４は、ＨＴＬ２３の上に存在する。図２の実施形態において、活性層２４は、有機電子供与体（Ｄ）及び有機電子受容体（Ａ）により形成された平面ヘテロ接合部を含む。ここに記載されるように、有機電子供与体（Ｄ）及び有機電子受容体（Ａ）は、少なくとも１．７ｅＶ又は少なくとも２ｅＶのＨＯＭＯ／ＬＵＭＯオフセットを有し得る。代替実施形態において、活性層２４は、傾斜又は混合ヘテロ接合部アーキテクチャを示し得る。ＥＴＬ２５は、カソード２６と活性層２４との間に配置される。
【００２６】
ＩＩ．エレクトロクロミックデバイス
【００２７】
ここに記載される単接合有機光電池デバイスは、高いＶｏｃ値ゆえに、エレクトロクロミックデバイスに用途を見出すことができる。照明／遮光の必要性を増やすべく及び／又はプライバシーを与えるべく建物又は輸送車両の中への可視光の伝送を変調することに加え、ここに記載される太陽光による電力供給を受けるエレクトロクロミックデバイスはまた、暖房／冷房の必要性を増やすべく、建物又は輸送車両の中への赤外光の伝送を変調することもできる。単接合光電池デバイスにより与えられるＶｏｃ値は、エレクトロクロミックアセンブリにおいて用いられる様々な酸化還元化学反応を駆動するのに十分である。いくつかの実施形態において、エレクトロクロミックデバイスは、エレクトロクロミックアセンブリ及び単接合光電池デバイスを含む。単接合光電池デバイスは、光起電力の印加によりエレクトロクロミックアセンブリを明状態及び暗状態間で切り替えるべく、エレクトロクロミックアセンブリと電気通信する。単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ここに記載されるエレクトロクロミックデバイスにおいて用いられる単接合光電池デバイスは、セクションＩにおいて上述した任意のアーキテクチャ、特性及び／又は性能評価指標を有し得る。
【００２８】
さらに、エレクトロクロミックアセンブリは、単数のエレクトロクロミック層を含む。いくつかの実施形態において、エレクトロクロミックアセンブリは、複数のエレクトロクロミック層を含む。アセンブリの一以上のエレクトロクロミック層は、ここに記載される光電池デバイスにより得られる光起電力により、明／透明及び暗／不透明状態間で切り替え可能な酸化還元特性を示す。
【００２９】
いくつかの実施形態において、例えば、エレクトロクロミックアセンブリは、単数のエレクトロクロミック高分子（ＥＣＰ）材料を含む。ＥＣＰは、酸化又は還元されると色変化を示し得る。例えば、ＥＣＰは、酸化されると脱色又は透明状態になり、還元されると着色状態になる。代替的に、ＥＣＰは、還元されると脱色又は透明状態になり、酸化されると着色状態になる。単数のＥＣＰ層が用いられる場合、エレクトロクロミックアセンブリはさらに、酸化状態及び還元状態双方において脱色又は透明になる電荷バランス層を含み得る。電荷バランス層とＥＣＰとの間には電解質が配置される。
【００３０】
いくつかの実施形態において、エレクトロクロミックアセンブリは、電解質を介して分離された２つのＥＣＰ材料を含む。かかる実施形態において、２つのＥＣＰ材料は、第１のＥＣＰ材料が酸化状態において脱色又は透明となり、第２のＥＣＰ材料が還元状態において脱色又は透明となる点で相補的である。引き続き還元されると第１のＥＣＰ材料が着色となり、引き続き酸化されると第２のＥＣＰも着色となる。一つの実施形態において、例えば、エレクトロクロミックアセンブリは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ及びＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡが電解質を介して分離されたエレクトロクロミック層を含み得る。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ及びＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡは、前者が酸化かつ後者が還元されると透明となる。同様に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが還元かつＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡが酸化されると、双方の高分子が暗又は着色となる。
【００３１】
エレクトロクロミックアセンブリは、いくつかの実施形態において、イオンを介在させて色変化を生じさせる一以上のエレクトロクロミック層を用いる。例えば、エレクトロクロミックアセンブリは、酸化タングステン（ＷＯ３）及び／又は酸化モリブデン（ＭｏＯ３）のような一以上の金属酸化物層を含み得る。バナジア・セリア混合酸化物のような混合遷移金属酸化物もまた、アセンブリにおけるエレクトロクロミック層として用いることができる。介在されるイオン種は一般に、Ｈ＋、並びにＬｉ＋、Ｎａ＋及びＫ＋のアルカリ金属イオンを含み得る。セリアのような、色変化を示すことが皆無かそれに近い金属酸化物を、エレクトロクロミックアセンブリにおける電荷バランス層として用いることができる。
【００３２】
いくつかの実施形態において、エレクトロクロミックアセンブリは、液晶の再集合を介して光を散乱又は透過させる一以上のエレクトロクロミック層を用いる。例えば、エレクトロクロミックアセンブリは、光硬化性高分子ＮＯＡ６５（Ｎｏｒｌａｎｄ（登録商標）製品）において分散された液晶Ｅ７のような、一以上の高分子分散液晶層を含み得る。かかる実施形態において、エレクトロクロミック層は、高分子マトリクスに液晶がランダムに配向されたオフ状態において光を散乱させ、印加電圧による液晶の選択的配向ゆえにオン状態において光を透過させる。
【００３３】
エレクトロクロミックアセンブリは、いくつかの実施形態において、可視光及び赤外光を独立的に吸収し又は透過させる一以上のエレクトロクロミック層を用いる。かかる実施形態は、酸化ニオブ（ＮｂＯｘ）ガラスマトリクスに埋め込まれたＩＴＯナノ結晶のような、別個の可視及び赤外光変調材料を含み得る。かかる実施形態はまた、異なる酸化状態において可視光及び／又は赤外光を吸収し及び透過させる、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡのようなＥＣＰ層を含み得る。
【００３４】
いくつかの実施形態において、単接合光電池デバイスは可視及び／又は赤外において透明であり、ひいてはエレクトロクロミックアセンブリに垂直方向に統合することができる。いくつかの実施形態において、単接合光電池デバイスは、エレクトロクロミックアセンブリと同じ設置面積上に垂直方向に統合される。図３は、単接合光電池デバイスの、ここに記載されるいくつかの実施形態に係るエレクトロクロミックアセンブリとの垂直方向統合を例示する。単接合光電池デバイスのエレクトロクロミックアセンブリとの垂直方向統合により、エレクトロクロミックデバイスを、商業用及び工業用の建物、家屋、並びに車、バス、トラック、列車及び航空機を含む輸送用車両を含む様々な製品に適用することが、大幅に簡略化され得る。例えば、エレクトロクロミックデバイスは、環境的な隔離を目的として窓ガラスに配置することができる。光電池装置の垂直方向統合により、エレクトロクロミックデバイスを独立型とすることができるので、先行技術のエレクトロクロミック装置の設置を複雑にする電気配線を大幅に簡略化することができる。
【００３５】
代替的に、ここに記載される単接合光電池デバイスは、エレクトロクロミックアセンブリから空間的に分離し又は外部に置かれる。図４〜６が例示するのは、いくつかの実施形態に係る回路又はエネルギー貯蔵部材を介してエレクトロクロミックアセンブリと電気通信する、ここに記載されるアーキテクチャを有する単接合有機光電池デバイスを含むエレクトロクロミックデバイスである。図４が、開路かつオフ状態のエレクトロクロミックデバイスを例示する一方、図５は、暗状態になるように電力供給されたエレクトロクロミックデバイスを例示する。図６は、透明又は脱色状態になるように電力供給されたエレクトロクロミックデバイスを例示する。
【００３６】
ＩＩＩ．エネルギー貯蔵アーキテクチャ
【００３７】
ここに記載される単接合光電池デバイスはまた、電池及びキャパシタを含むがこれらに限られないエネルギー貯蔵アーキテクチャにアプリケーションを見出すことができる。いくつかの実施形態において、電池アーキテクチャは、電気化学アセンブリと、当該電気化学アセンブリと電気通信する単接合光電池デバイスとを含む。単接合光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含み、当該活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、当該光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ここにさらに記載されるように、単接合光電池デバイスは、電気化学アセンブリに垂直方向に統合することができる。他の実施形態において、単接合光電池デバイスは、電気化学アセンブリから空間的に分離し又は外部に置かれる。ここに記載される電池設計に用いられる単接合光電池デバイスは、セクションＩにおいて上述した任意のアーキテクチャ、特性及び／又は性能評価指標を有し得る。図７は、ここに記載される単接合光電池デバイスを垂直方向に統合した電池アーキテクチャを例示する。この実施形態によれば、電極１と３との間に、及び電極１と２との間に付加回路群を含めることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態において、ここに記載される単接合光電池デバイスは、グーグル（登録商標）グラスのような様々な光電子デバイスに電力供給又は電力供給補助をするべく使用することができる。可視光及び／又は赤外光の透過率が高程度であることを前提とすれば、ここに記載される単接合光電池デバイスは、タブレット、電話機及びコンピュータを含む電子デバイスの表示画面に統合することもできる。単接合光電池デバイスは、いくつかの実施形態において、表示画面の面積に整合する設置面積を有し得る。他の実施形態において、単接合光電池デバイスは、表示画面の面積の一部分となる設置面積を有し得る。これらの実施形態において、単接合光電池デバイスにより生成される光電流が、電子デバイスに電力供給又は電力供給補助をすることができる。例えば、単接合光電池デバイスは、電子デバイス電源の一部となり得る。一つの実施形態において、単接合光電池デバイスは、電池の充電を与えることができる。
【００３９】
ＩＶ．太陽光の電力供給を受ける電気化学デバイス
【００４０】
さらなる側面において、高いＶｏｃ値により、ここに記載される単接合光電池デバイスは、水分解のような太陽光燃料アプリケーションにとって適切となり得る。いくつかの実施形態において、例えば、水分解デバイスは、酸素（Ｏ２）発生触媒（ＯＥＣ）と、水素（Ｈ２）発生触媒（ＨＥＣ）と、単接合光電池デバイスとを含み、当該光電池デバイスは、アノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に存在する活性層とを含む。活性層は有機電子供与体及び有機電子受容体を含み、単接合光電池デバイスは少なくとも１．４ＶのＶｏｃを生成する。ここに記載される水分解デバイスにおいて用いられる単接合光電池デバイスは、セクションＩにおいて上述した任意のアーキテクチャ、特性及び／又は性能評価指標を有し得る。
【００４１】
いくつかの実施形態において、水分解デバイスは配線なしであり、ＯＥＣ及びＨＥＣが単接合光電池デバイスに統合される。例えば、ＯＥＣが光電池デバイスアノードに堆積され得る一方、ＨＥＣはカソードに堆積される。いくつかの実施形態において、光電池デバイスのアノード及びカソードはそれぞれ、ＯＥＣ材料及びＨＥＣ材料から製作することができる。代替的に、水分解デバイスは配線されてもよい。この場合、ＯＥＣ及び／又はＨＥＣは光電池デバイスに統合されない。適切なＯＥＣ材料は、酸化コバルトのようなコバルト触媒を含み得る。Ｃｏ−ＯＥＣはＣｏ２＋へと酸化されると自己組織化するので自己回復し、室温で純水又は天然水とともに緩衝電解質において動作することができる。リン酸コバルトもＯＥＣとして用いることができる。他の金属酸化物及び／又は水酸化物も、ニッケル酸化物及び水酸化物Ｎｉ（ＯＨ）２を含むＯＥＣとしての役割を果たし得る。適切なＨＥＣ材料は、ニッケルと、ＮｉＭｏ及びＮｉＭｏＺｎのようなニッケル合金とを含み得る。いくつかの実施形態において、Ｎｉ（ＯＨ）２もまたＨＥＣ材料としての役割を果たし得る。さらに、ここに記載される水分解デバイスとともに用いられる水性電解質は、中性ｐＨ又はわずかに塩基性のｐＨを有し得る。図８Ａ及び８Ｂは、いくつかの実施形態に係る配線なしの水分解デバイスを例示する。
【００４２】
いくつかの実施形態において、個々の単接合有機光電池デバイスを互いに積層させ、水分解アプリケーションのための性能を上げることができる。光電池デバイスの積層はまた、ここに記載されるエレクトロクロミックデバイス及び電池アーキテクチャにも当てはめることができる。
【００４３】
これらの及び他の実施形態がさらに、以下の非限定的な例を介して示される。
【００４４】
例１−単接合有機光電池デバイス
【００４５】
図２のアーキテクチャを有する単接合有機光電池デバイスが、以下の方法に従って作られた。各クラスの単接合光電池デバイスに対する活性層の組成及びアーキテクチャが表ＩＶに与えられる。比較例の単接合光電池デバイスも調製された。比較例のデバイスクラスの活性層組成及びアーキテクチャも表ＩＶに与えられる。
【表４】
2019503072.tif 000006
図９Ａは、有機電子受容体８Ｃｌ−ｃＨＢＣ（Ａ１）及び１２Ｃｌ−ｃＨＢＣ（Ａ２）の化学構造を例示する。図９Ｂは、紫外光電子（ＵＰＳ）分光法及び逆光電子放出（ＩＰＥＳ）分光法それぞれによって決定されたＡ１及びＡ２のＨＯＭＯ及びＬＵＭＯのエネルギー準位を例示する。Ｄのエネルギー準位が既に報告され（Ｌｏｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２８，６７３−６８１  ２０１６を参照）、Ｃ６０のエネルギー準位が、文献（Ｂｅｎｎｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．４５，６８９９−６９１３  １９９２を参照）から取得されている。図９Ｃは、Ｄ、Ａ１、Ａ２及びＣ６０の吸収スペクトルを例示する。
【００４６】
材料及び方法
【００４７】
分子性半導体Ｄ、Ａ１、Ａ２
【００４８】
Ｄ（すなわちｃＴＢＦＤＢＣ；ねじ曲げられたテトラベンゾフラニルジベンゾコロネン；ジベンゾ（３，４：９，１０）ベンゾ（４’，５’）フラン（３’，２’：５，６）−ベンゾ（４’，５’）フラン（２’，３’：７，８）ベンゾ（４’，５’）フラン−（３’，２’：１１，１２）コロネノ（１，２−ｂ）ベンゾフラン）が、Ｌｏｏ，ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔ．２８，６７３−６８１（２０１６）により記載された方法に従って合成された。Ａ１（すなわち８Ｃｌ−ｃＨＢＣ；１，３，６，８，１３，１５，１８，２０−オクタクロロトリナフト［１，２，３，４−ｆｇｈ：１’，２’，３’，４’−ｐｑｒ：１”，２”，３”，４”−ｚａ１ｂ１］トリナフチレン）及びＡ２（すなわち１２Ｃｌ−ｃＨＢＣ；１，３，６，７，８，１３，１４，１５，１８，１９，２０−ドデカクロロトリナプト［１，２，３，４−ｆｇｈ：１’，２’，３’，４’−ｐｑｒ：１”，２”，３”，４”−ｚａ１ｂ１］トリナプチレン）が、Ｌｏｏ，ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔ．２７，１８９２−１９００（２０１５）により記載される方法に従って合成された。
【００４９】
薄膜の調製及び特性評価
【００５０】
Ｃ６０及びＤが一度、Ａｒを不活性搬送ガスとする水平方向の物理的蒸気輸送を使用して精製された。Ａ１及びＡ２が、トルエン中の再結晶化により精製された。Ｃ６０、Ｄ、Ａ１及びＡ２の薄膜が、２×１０−６Ｔｏｒｒ（２．７×１０−４Ｐａ）未満の圧力のチャンバにおいて１Å／ｓの速度で熱蒸着された。ガラススライド上のＣ６０、Ｄ、Ａ１及びＡ２の薄膜の吸収スペクトルが、Ａｇｉｌｅｎｔ（登録商標）Ｃａｒｙ（登録商標）５０００ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ分光光度計上で収集された。図９Ｃ及び図１１に対する膜厚は、以下のデバイスで使用された厚さ、すなわち２３ｎｍ（Ｄ）、１７ｎｍ（Ａ１、Ａ２）及び４０ｎｍ（Ｃ６０）に一致した。紫外光電子分光法（ＵＰＳ）及び逆光電子分光法（ＩＰＥＳ）による測定が、２×１０−１０Ｔｏｒｒ（２．７×１０−８Ｐａ）未満のベース圧力の超高真空チャンバにおいて室温で行われた。Ａ１又はＡ２の１０ｎｍ厚の膜が、窒素充填グローブボックス内に配置された熱蒸発器において蒸発させられ、窒素中の測定真空システムへと輸送された。ヘリウムにより動作して２１．２２ｅＶのヘリウムＩ光子をもたらすＳｐｅｃｓ（登録商標）ガス放電ランプを使用してＵＰＳが行われた。自作セットアップを使用した等色曲線モードでＩＰＥＳが行われた（Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２７２，４３−４７を参照）。
【００５１】
太陽電池の製作及び試験
【００５２】
ＭｏＯ３及びバソクプロイン（ＢＣＰ）が、受け入れられたままの状態で使用された。幅７．５ｍｍ及び長さ２３ｍｍ（２０Ω／スクエア）のＩＴＯストリップによりパターニングされたガラス基板（２３ｍｍ×２７ｍｍ）が、脱イオン水、アセトン及びイソプロピルアルコールにおける超音波処理により洗浄され、窒素により乾燥された。その直後に基板は、デバイス層の連続蒸発を目的として窒素グローブボックスへと送られた。ＭｏＯ３層及びＢＣＰ層はいずれも５ｎｍ厚さであり、１Å／ｓで堆積された。ＢＣＰの堆積後、パターニングされたマスクを通して６０ｎｍのＡｌが１〜３Å／ｓの速度で蒸発させられ、活性面積が画定された。デバイスは、窒素充填グローブボックスにおいて１００ｍＷ／ｃｍ２のＡＭ１．５Ｇ照明下に置かれ、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ（登録商標）２４００ソース測定ユニットにより電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）特性が取得された。Ｃｏｒｎｅｒｓｔｏｎｅ（登録商標）２６０  １／４Ｍ二重格子モノクロメーター（Ｎｅｗｐｏｒｔ（登録商標）７４１２５）からのフィルタリングされた単色光を有する３００Ｗキセノンアーク灯（Ｎｅｗｐｏｒｔ（登録商標）Ｏｒｉｅｌ（登録商標））を使用して外部量子効率（ＥＱＥ）測定が行われた。
【００５３】
Ａ１、Ａ２及びＣ６０をそれぞれが受容体として含む５７個、２８個及び２４個のデバイスが製作及び試験された。これらの実験のための各デバイスの活性面積は０．１８ｃｍ２であった。機能デバイスに関する歩留まりは、３つの受容体すべてに対して１００％であった。関連デバイス特性の平均及び標準偏差値が表Ｖにまとめられている。
【表５】
2019503072.tif 000007
【００５４】
表Ｖに与えられるように、ここに記載される組成及びアーキテクチャを有する光電池デバイス１及び２はそれぞれ、１．６３Ｖ及び１．４６Ｖという高いＶｏｃを示した。重要なことであるが、この高いＶｏｃは、製作された複数のデバイスにわたり再現可能であった。図１０は、Ｄ／Ａ１活性層を有する光電池デバイス１の両端間のＶｏｃのヒストグラムを例示する。図１０に与えられるように、製作された光電池デバイスは５７個すべてが、１．６０Ｖ〜１．６５Ｖの範囲のＶｏｃを示した。加えて、デバイス１及び２を含む光電池活性層は、図１１に例示されるように、電磁スペクトルの可視領域光の、７０％を超える平均透過率を示した。
【００５５】
例２−光電池デバイス活性面積の拡張性
【００５６】
大きな活性面積を有するセルを製造するべく、寸法２３ｍｍ×２７ｍｍのＩＴＯ被覆ガラス基板（２０Ω／スクエア）が、寸法１２ｍｍ×２７ｍｍのＩＴＯストリップによってパターニングされた。アルミニウム頂部電極の堆積の間、様々なサイズのフォトマスクが使用されて０．２４、０．４８、０．９６及び２．２２ｃｍ２のデバイス活性面積が画定された。光電池デバイスの製作は、例１に記載されるように達成された。図１２Ａ及び１２Ｂは、０．２４、０．４８、０．９６及び２．２２ｃｍ２として活性面積が増加するにつれてのＤ／Ａ１平面ヘテロ接合セルのＪ−Ｖ特性及びパワー密度曲線を例示する。光電池デバイスは、活性面積に伴い拡張する光電流をもたらす。図１２Ｃに例示されるように、一定の光起電力及び曲線因子では、発電量は、光電池セルの活性面積に対して線形的に増加する。
【００５７】
１０ｃｍ２デバイスを調製するべく使用された基板は、マルチステップパターニングプロセスにより得られた。ＩＴＯ被覆ガラスシート（２０Ω／スクエア）が切断されて５ｃｍ×５ｃｍの正方形にされ、セッケン及び脱イオン水における超音波処理により、引き続いて脱イオン水、アセトン、イソプロパノールにより洗浄され、窒素により乾燥された。その後、フォトリソグラフィが行われて底部電極及び３０ｎｍ厚さのＡｇグリッド集電器が画定された。デバイス層の滑らかな表面を作るべく、Ａｇグリッド基板が、文献（Ｍｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．７，１０２１４，２０１６を参照）に従い、５体積％のジメチルスルホキシドがドープされたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層により増強された。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層は、パターニングされた基板の頂部に、４０００ｒｐｍ（１０００ｒｐｍのランプ）で４０秒間スピンコーティングされ、次に、グローブボックスにおいて１４０  ℃で３０分間アニーリングされ、その後、例１に概略が説明されるデバイス層の堆積を目的として蒸発器チャンバへと移送された。図１３は、同じ光電池構造を有する１０ｃｍ２デバイス及び１ｃｍ２デバイスのＪ−Ｖ特性を例示する。図１３に与えられるように、１ｃｍ２及び１０ｃｍ２のデバイスのＪ−Ｖ特性は、性能が喪失されることのない拡張性を示す点で同じである。図１３の結果はまた、ピン孔が存在しない活性層の性質も示し、これにより面積拡張性が許容される。
【００５８】
例３-エレクトロクロミックデバイス
【００５９】
図１４に例示されるアーキテクチャを有するエレクトロクロミックアセンブリが、以下のように製作され、以下のように特性評価された。Ｌｏｏ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．１７，１２６８（２００７）に記載されるように、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡが、脱イオン水における単量体対酸モル比が１：１のＰＡＡＭＰＳＡに沿ったアニリンのテンプレート重合により合成された。Ｓｃｈｗａｒｔｚ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２５，１６０７４−１６０８０（２００３）に記載されるテザリング・バイ・アグリゲーション・アンド・グロース法により、１２−（ホスホノドデシル）ホスホン酸（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（登録商標）、９７％）の単分子層が、事前洗浄済みＩＴＯ／ガラスに共有結合された。少なくとも１０日間撹拌されたＰＡＮＩ-ＰＡＡＭＰＳＡの５重量％水性分散液、又は購入されたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｈｅｒａｅｕｓ（登録商標）、Ｃｌｅｖｉｏｓ（登録商標）ｐＨ１０００）が、ホスホン酸で修飾されたＩＴＯ／ガラス基板にスピンコーティングされた。エレクトロクロミック高分子厚さが、スピンコーティング速度及び堆積層数を変えることにより変化した。これらの膜は、Ｌｏｏ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｕ．Ｓ．Ａ．１０７，５７１２−７（２０１０）に記載されるように、ジクロロ酢酸（ＤＣＡ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、９９％）において溶媒アニーリングがされた。ＤＣＡ処理は、イオン輸送の制限ゆえのエレクトロクロミック切り替えにおける任意のヒステリシスを排除するために行われる。膜厚は、Ｄｅｋｔａｋ（登録商標）３．２１表面形状測定装置を使用して測定された。
【００６０】
エレクトロクロミックデバイスを組み立てる前に、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡとＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとが反対の酸化状態となるように、ｐＨ８の１００ｍＭリン酸緩衝液において、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが０．９Ｖ（対Ａｇ／ＡｇＣｌ）で２００秒間酸化され、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡが−０．６Ｖ（対Ａｇ／ＡｇＣｌ）で２００秒間還元された。５重量％のヒュームドシリカ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、０．００７μｍ）と混合された１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭ  ＴＦＳＩ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、９７％超過）を、ゲル電解質として使用した。エレクトロクロミックアセンブリの透明状態及び暗状態を特性評価するべく、分光電気化学実験が行われた。
【００６１】
２．２５ｃｍ２エレクトロクロミックアセンブリが、上述したように調製された。エレクトロクロミックアセンブリの切り替えを駆動するべく、Ｄ／Ａ１を活性層として有する１．３８ｃｍ２太陽電池が使用された。エレクトロクロミックアセンブリの暗状態を達成するべく、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡ電極及びＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ電極がそれぞれ、太陽電池のカソード及びアノードに接続された。透明状態にアクセスするべく、当該接続は反転された。
【００６２】
図１５は、±１．２Ｖ間のサイクル時のエレクトロクロミックアセンブリの、暗状態及び明状態の光透過率を例示する。図１６は、±１．２Ｖ間のサイクル時のエレクトロクロミックアセンブリの、透過率コントラストの安定性を例示する。図１７は、ＰＡＮＩ−ＰＡＡＭＰＳＡ及びＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さを変えることによる（すべての場合において印加電圧は±１．２Ｖ）、エレクトロクロミックアセンブリの透過率コントラストのチューニング性能を例示する。
【００６３】
本発明の様々な実施形態が、本発明の様々な目的を達成するべく記載されてきた。これらの実施形態が、本発明の原理の単なる例示にすぎないことを認識するべきである。その多数の修正例及び適応例は、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、当業者にとって容易に明らかとなる。
【図１Ａ】
2019503072.tif 000008
【図１Ｂ】
2019503072.tif 000009
【図１Ｃ】
2019503072.tif 000010
【図２】
2019503072.tif 000011
【図３】
2019503072.tif 000012
【図４】
2019503072.tif 000013
【図５】
2019503072.tif 000014
【図６】
2019503072.tif 000015
【図７】
2019503072.tif 000016
【図８】
2019503072.tif 000017
【図９】
2019503072.tif 000018
【図１０】
2019503072.tif 000019
【図１１】
2019503072.tif 000020
【図１２】
2019503072.tif 000021
【図１３】
2019503072.tif 000022
【図１４】
2019503072.tif 000023
【図１５】
2019503072.tif 000024
【図１６】
2019503072.tif 000025
【図１７】
2019503072.tif 000026
【国際調査報告】
2019503072.tif 000027
2019503072.tif 000028