(57)【要約】【課題】  太陽電池用の高変換効率、低廉、製作容易のポリマー材料を開発する。【解決手段】  活性物質として高効率の薄膜プラスチック（ポリマー）を含む太陽電池。この活性物質は、半導体ポリマーとイオン電解質の混合物を含む。半導体ポリマーは、ｐ型ポリマーとｎ型電子アクセプタとでできている。イオン電解質は、前記混合物の中に０．０１〜５重量パーセントの範囲の量で存在する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ポリマーとイオン電解質との混合物を含んでなり、
前記半導体ポリマーは、ｐ型ポリマーとｎ型電子アクセプタとを含み、前記イオン電解質は、前記混合物の中に０．０１〜５重量パーセントの範囲の量で存在することを特徴とする
太陽電池での使用に適合した組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の組成物において、
前記半導体ポリマーが、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体と、ポリフルオレン誘導体と、ポリチオフェン誘導体とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項３】
請求項２に記載の組成物において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体が、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２−ブトキシ，５−２′−エチル−ヘキシルオキシ−ｐ−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２，５−ビス−コレステラノキシ(cheolestranoxy)−１，４−フェニレン  ビニレン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項４】
請求項２に記載の組成物において、
前記ポリフルオレン誘導体が、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−Ｎ，Ｎ′−（４−ブチルフェニル）−ビス−Ｎ，Ｎ′−フェニル−１，４−フェニレンジアミン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項５】
請求項２に記載の組成物において、
前記ポリチオフェン誘導体が、ポリ（３−アルキルチオフェン）と、ポリ（３−（４−オクチル−フェニール）−２，２−ビチオフェン）と、ポリ（３−（４′−（１″，４″，７″−トリオキサオクチル）チオフェン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項６】
請求項３に記載の組成物において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体が、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１、４−フェニレン  ビニレン）である
ことを特徴とする組成物。
【請求項７】
請求項１に記載の組成物において、
前記ｎ型電子アクセプタが、Ｃ60と、シアノ−ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）と、カーボンナノチューブからなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項８】
請求項７に記載の組成物において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする組成物。
【請求項９】
請求項６に記載の組成物において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１０】
請求項１に記載の組成物において、
前記イオン電解質が、ＬｉＣＦ3ＳＯ3と、ＬｉＰＦ6と、ＬｉＡｓＦ6と、ＬｉＳｂＦ6と、過塩素酸リチウムと、リチウムトリフラートと、トリフルオロメチルスルホンイミドリチウムとかなる群から選ばれる
ことを特徴とする組成物。
【請求項１１】
請求項１０に記載の組成物において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１２】
請求項９に記載の組成物において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１３】
請求項１に記載の組成物において、
前記混合物の中に存在する前記イオン電解質の量が、重量で０．２〜２．５パーセントの範囲である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１４】
請求項１に記載の組成物において、
前記イオン電解質が、ポリエチレンオキシドとクラウンエーテル含有化合物とからなる群から選ばれるポリマーと結合する前記イオン電解質を含むポリマーイオン電解質である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１５】
請求項１４に記載の組成物において、
前記ポリマーイオン電解質が、ポリエチレンオキシドと結合する前記イオン電解質を含む
ことを特徴とする組成物。
【請求項１６】
請求項１５に記載の組成物において、
前記ｐ型ポリマーがポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）であり、前記ｎ型電子アクセプタがＣ60であり、前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１７】
請求項１６に記載の組成物において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が、０．２重量パーセントと２．５重量パーセントの間である
ことを特徴とする組成物。
【請求項１８】
請求項１７に記載の組成物において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が約１重量パーセントである
ことを特徴とする組成物。
【請求項１９】
第一の面および第二の面を有する光起電力フィルムの形態の請求項１に記載の組成物と、
前記光起電力フィルムの第一の面に置かれるアノードと、
前記光起電力フィルムの第二の面に置かれるカソードと、
を備えてなる太陽光を電気に変換するのに使用する太陽電池。
【請求項２０】
請求項１９に記載の太陽電池において、
前記半導体ポリマーが、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体と、ポリフルオレン誘導体と、ポリチオフェン誘導体とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２１】
請求項２０に記載の太陽電池において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体が、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２−ブトキシ，５−２′−エチル−ヘキシルオキシ−ｐ−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２，５−ビス−コレステラノキシ（ｃｈｅｏｌｅｓｔｒａｎｏｘｙ）−１，４−フェニレン  ビニレン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２２】
請求項２０に記載の太陽電池において、
前記ポリフルオレン誘導体が、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−Ｎ，Ｎ′−（４−ブチルフェニル）−ビス−Ｎ，Ｎ′−フェニル−１，４−フェニレンジアミン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２３】
請求項２０に記載の太陽電池において、
前記ポリチオフェン誘導体が、ポリ（３−アルキルチオフェン）と、ポリ（３−（４−オクチル−フェニル）−２，２−ビチオフェンと、ポリ（３−（４′−（１″，４″，７″−トリオキサオクチル）チオフェン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２４】
請求項２１に記載の太陽電池において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体がポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２５】
請求項１９に記載の太陽電池において、
前記ｎ型電子アクセプタが、Ｃ60と、シアノ−ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）と、カーボンナノチューブとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２６】
請求項２５に記載の太陽電池において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２７】
請求項２４に記載の太陽電池において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２８】
請求項１９に記載の太陽電池において、
前記イオン電解質が、ＬｉＣＦ3ＳＯ3と、ＬｉＰＦ6と、ＬｉＡｓＦ6と、ＬｉＳｂＦ6と、過塩素酸リチウムと、リチウムトリフラートと、トリフルオロメチルスルホンイミドリチウムとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２９】
請求項２８に記載の太陽電池において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３０】
請求項２７に記載の太陽電池において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３１】
請求項１９に記載の太陽電池において、
前記混合物の中に存在する前記イオン電解質の量が０．２〜２．５重量パーセントの範囲である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３２】
請求項１９に記載の太陽電池において、
前記イオン電解質が、ポリエチレンオキシドとクラウンエーテル含有化合物とからなる群から選ばれるポリマーと結合する前記イオン電解質を含むポリマーイオン電解質である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３３】
請求項３２に記載の太陽電池において、
前記ポリマーイオン電解質が、ポリエチレンオキシドと結合する前記イオン電解質を含む
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３４】
請求項３３に記載の太陽電池において、
前記ｐ型ポリマーがポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）であり、前記ｎ型電子アクセプタがＣ60であり、前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３５】
請求項３４に記載の太陽電池において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が０．２重量パーセントと２．５重量パーセントの間である
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３６】
請求項３５に記載の太陽電池において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が約１重量パーセントである
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３７】
第一の面および第二の面を有する光起電力フィルムの形態の請求項１に記載の組成物を用意するステップと、
前記光起電力フィルムの第一の面に、前記光起電力フィルムと電気接触するアノードを取り付けるステップと、
前記光起電力フィルムの第二の面に、前記光起電力フィルムと電気接触するカソードを取り付けるステップと、
を含んでなる太陽電池の製造方法。
を備えてなる太陽光を電気に変換するのに使用する太陽電池。
【請求項３８】
請求項３７に記載の太陽電池の製造方法において、
前記半導体ポリマーが、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体と、ポリフルオレン誘導体と、ポリチオフェン誘導体とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３８に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体が、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２−ブトキシ，５−２′−エチル−ヘキシルオキシ−ｐ−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２，５−ビス−コレステラノキシ（ｃｈｅｏｌｅｓｔｒａｎｏｘｙ）−１，４−フェニレン  ビニレン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３８に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ポリフルオレン誘導体が、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−Ｎ，Ｎ′−（４−ブチルフェニル）−ビス−Ｎ，Ｎ′−フェニル１，４−フェニレンジアミン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３８に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ポリチオフェン誘導体が、ポリ（３−アルキルチオフェン）と、ポリ（３−（４−オクチル−フェニール）−２，２−ビチオフェン）と、ポリ（３−（４′−（１″，４″，７″−トリオキサオクチル）チオフェン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３９に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体がポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）である
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３７に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｎ型電子アクセプタが、Ｃ60と、シアノ−ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）と、カーボンナノチューブとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４３に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４２に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項３７に記載の太陽電池の製造方法において、
前記イオン電解質が、ＬｉＣＦ3ＳＯ3と、ＬｉＰＦ6と、ＬｉＡｓＦ6と、ＬｉＳｂＦ6と、過塩素酸リチウムと、リチウムトリフラートと、トリフルオロメチルスルホンイミドリチウムとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の太陽電池の製造方法において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の太陽電池の製造方法において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項３７に記載の太陽電池の製造方法において、
前記混合物の中に存在する前記イオン電解質の量が０．２〜２．５重量パーセントの範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項３７に記載の太陽電池の製造方法において、
前記イオン電解質が、ポリエチレンオキシドとクラウンエーテル含有化合物とからなる群から選ばれるポリマーと結合する前記イオン電解質を含むポリマーイオン電解質である
ことを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項５０に記載の太陽電池の製造方法において、
前記イオン電解質が、ポリエチレンオキシドと結合する前記イオン電解質を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｐ型ポリマーがポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）であり、前記ｎ型電子アクセプタがＣ60であり、前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５２に記載の太陽電池の製造方法において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が０．２重量パーセントと２．５重量パーセントの間である
ことを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の太陽電池の製造方法において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が約１重量パーセントである
ことを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項３７に従って太陽電池を製造するステップと、
前記太陽電池を十分な太陽光に暴露して前記アノードと前記カソードとの間に電位差を生じさせるステップと、
を含んでなる太陽光を電気に変換する方法。
【請求項５６】
請求項５５に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記半導体ポリマーが、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体と、ポリフルオレン誘導体と、ポリチオフェン誘導体とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５６に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体が、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２−ブトキシ，５−２′−エチル−ヘキシルオキシ−ｐ−フェニレン  ビニレン）と、ポリ（２，５−ビス−コレステラノキシ（ｃｈｅｏｌｅｓｔｒａｎｏｘｙ）−１，４−フェニレン  ビニレン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５６に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ポリフルオレン誘導体が、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール）と、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−Ｎ，Ｎ′−（４−ブチルフェニル）−ビス−Ｎ，Ｎ′−フェニル１，４−フェニレンジアミン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５６に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ポリチオフェン誘導体が、ポリ（３−アルキルチオフェン）と、ポリ（３−（４−オクチル−フェニル）−２，２−ビチオフェンと、ポリ（３−（４′−（１″，４″，７″−トリオキサオクチル）チオフェン）とからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５７に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体がポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）である
ことを特徴とする方法。
【請求項６１】
請求項５５に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ｎ型電子アクセプタが、Ｃ60と、シアノ−ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）と、カーボンナノチューブとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項６１に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする方法。
【請求項６３】
請求項６０に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ｎ型電子アクセプタがＣ60である
ことを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項５５に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記イオン電解質が、ＬｉＣＦ3ＳＯ3と、ＬｉＰＦ6と、ＬｉＡｓＦ6と、ＬｉＳｂＦ6と、過塩素酸リチウムと、リチウムトリフラートと、トリフルオロメチルスルホンイミドリチウムとからなる群から選ばれる
ことを特徴とする方法。
【請求項６５】
請求項６４に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項６６】
請求項６３に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項６７】
請求項５５に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記混合物の中に存在する前記イオン電解質の量が０．２〜２．５重量パーセントの範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項６８】
請求項５５に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記イオン電解質が、ポリエチレンオキシドとクラウンエーテル含有化合物とからなる群から選ばれるポリマーと結合する前記イオン電解質を含むポリマーイオン電解質である
ことを特徴とする方法。
【請求項６９】
請求項６８に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ポリマーイオン電解質が、ポリエチレンオキシドと結合する前記イオン電解質を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項７０】
請求項６９に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記ｐ型ポリマーがポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）であり、前記ｎ型電子アクセプタがＣ60であり、前記イオン電解質がＬｉＣＦ3ＳＯ3である
ことを特徴とする方法。
【請求項７１】
請求項７０に記載の太陽光を電気に変換する方法において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が０．２重量パーセントと２．５重量パーセントの間である
ことを特徴とする方法。
【請求項７２】
請求項５４に記載の太陽光を電気に変換するの方法において、
前記混合物の中に存在するイオン電解質の量が約１重量パーセントである
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、概して、シリコンに代わりポリマーベースの材料を利用した太陽電池（光起電力セル）を使用して光を電気エネルギに変換することに関する。より詳しくは、この発明は、低価格で効率的なプラスチック太陽電池を提供するために、プラスチック光起電力材料の変換効率を改善することに絡むものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明の背景技術を説明するため及びこの発明の実施に関する追加の詳細を提供するためここに引用する出版物その他の参考資料を、ここに援用する。便宜のため、参考資料は、著者名で特定し、文献の項目に集めて示す。
【０００３】
化石燃料が無尽蔵でないことは、一般に認められている。化石燃料の使用は、また、温室効果、大気汚染及び酸性雨など、深刻な環境問題を引き起こす。したがって、化石燃料に代わるものとして、クリーンな廉価で再生可能なエネルギ源を求めての広範な研究がなされて来ている。選択肢の一つは、太陽電池であり、それは太陽光を電気に変換するものである。これは、再生可能なエネルギ源で、遠隔地での電源として使用することができる。残念ながら、太陽エネルギのコストは、未だに伝統的エネルギより遙かに高い。例えば、現在のシリコン太陽電池により発生されるエネルギのコストは、従来のエネルギ源では１キロワット時当たり約８セントであるのに比べて、１キロワット時当たり２０〜２５セントである。したがって、光起電力システムの費用効果を改善することが急務である。この問題を解決する取組みの一つに、現在の太陽電池に使用される比較的高価なシリコンに代わる新規材料の開発が絡んできている。有機（又はポリマ）材料が、太陽電池を実用エネルギ源として開発するのに使用可能な候補として提案されてきた。ポリマ（又はプラスチック）材料には、優れた機械的特性（柔軟性）、軽量そして低価格という長所がある。ポリマを光起電力材料として使用することにより、軽量、広面積の素子を比較的廉価で製作することが可能となる。
【０００４】
高効率の光起電力セルは、（ａ）光励起による強力な光子吸収と自由キャリア（電子と正孔）の生成、及び（ｂ）これら自由キャリアの効率的な収集、という基準を満たさなければならない。有機半導体においては、光子が有機半導体により吸収され、その結果、強力に結合した電子・正孔対（励起子）を生成する。これは、自由電子と自由正孔とを生成するシリコンなどの非有機材料と対照的である。有機半導体内で電荷を集めるには、励起子解離が必要である。励起子解離は、電子親和力とイオン化ポテンシャルの差が大きい物質間の界面で効率が良いことが知られている。しばしば、励起子解離は、強力な電子ドナー／アクセプタ系において１００％まで達することがある。したがって、有機（ポリマー）太陽電池にとっての障壁は、（ｐ−ｎ）界面から金属電極へのキャリア輸送である。
【非特許文献１】Energy Information Administration, "Electricity Prices for Households," http://www.eia.doe.gov/emeu/international/elecprih.html
【非特許文献２】J.J.M.Halls, C.A.Walsh, N.C.Greenham, E.A.Marseglia, R.H.Friend, S.C.Morattl, and A.B.Holmes, Nature, 376, 498 (1995)
【非特許文献３】C.W.Tang, Appl.Phys.Lett. 48, 183 (1986)
【非特許文献４】P.Peumans and S.R.Forrest, Appl.Phys.Lett. 79, 126 (2001)
【非特許文献５】G.Yu, J.Gao, J.C.Hummelen, F.Wudl, and A.J.Heeger, Science, 270, 1789 (1995)
【非特許文献６】Qibing Pei, Gang Yu, C.Z., Y.Yang and Alan J.Heeger, Science, 269, 1086 (1995)
【非特許文献７】Y.Yang and Qibing Pei, J.Appl.Phys., 81, 3294 (1997)
【非特許文献８】Y.Shi, J.Liu, and Y.Yang, J.Appl.Phys. 87, 4254 (2000)
【非特許文献９】J.Liu, Y.Shi, L.Ma, and Y.Yang, J.Appl.Phys. 88, 605 (2000)
【非特許文献１０】J.Liu, T.F.Guo, and Y.Yang, J.Appl.Phys. 91, 1595 (2002)
【非特許文献１１】J.Liu, Y.Shi, and Y.Yang, Adv.Funt.Mater. 11, 420 (2001)
【非特許文献１２】T.F.Guo and Y.Yang, Appl.Phys.Lett., 80, 148 (2002)
【非特許文献１３】S.E.Shaheen, C.J.Brabee, N.S.Sariciftci, F.Padinger, T.Fromherz, J.C.Hummelen, Appl.Phys.Lett. 78, 841 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機（ポリマー）材料の難点は、キャリア移動度の低さとキャリア寿命の短さである。これは、キャリア（電子と正孔）が欠陥又はトラップに捉えられる前に長距離を移動する妨げになる。典型的なキャリア拡散距離は、殆どの有機（ポリマー）材料で数ｎｍ程度である。これは、太陽電池層の典型的な厚みである１００ｎｍ程度より遙かに小さい。したがって、収集効率を上げるためには、素子の厚みを減少させなければならない。残念ながら、素子の厚みを減少させると、光吸収が著しく低下するとともに素子製作の複雑さが増大する。
【０００６】
現在のポリマー（同じく有機も）太陽電池の主要な障壁の一つは、キャリア輸送能力が低いことで、その結果、短絡電流密度がかなり低くなる。太陽電池の場合、変換効率は、主として短絡電流（Ｊsc）と開放電圧（Ｖoc）により決定される。素子効率を改善するためには、プラスチック太陽電池のキャリア輸送を向上させて、Ｊscを増加させることが主たる目標となる。図１は、１９８６年に実証された最初の小型有機分子光起電力セルのＩ−Ｖ（電流密度対電圧）曲線を示すもので、その効率は１％であった。典型的なシリコン太陽電池と比較すると、Ｊsc（短絡電流密度）が約３０〜４０倍も低い。ＡＭ２（７５ｍＷ／ｃｍ2）照射下での電力変換効率は、約１％である。素子の厚みを減少させアノードの仕事関数を変えることにより、最新の有機太陽電池のＪscは、おおよそ６ｍＡ／ｃｍ2まで改善されてきている。電力変換効率は、３．６％である。この改善は、キャリア輸送の低さにより抑えられている。
【０００７】
改善された変換効率を有し、低コストで、太陽電池の製作が容易な新規のポリマー（プラスチック）光起電力材料を開発することの、現在の及び今後継続する要求がある。そのような材料は、現存のシリコン太陽電池に代わる廉価な代替品を提供するために必須である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、光起電力材料として使用されるポリマーのキャリア輸送を改善することにより、プラスチック（ポリマー）太陽電池の変換効率を向上させる。この発明の一実施例においては、ポリマーに少量の電解質を添加することによって、プラスチック太陽電池の効率を倍増させた。これは、主に、キャリア輸送の改善に起因すると考えられる。しかしながら、この改善の理由は、完全には分かっていない。別の実施例では、ポリマー内のキャリア輸送は、特定のポリマー形態を選択することにより、劇的に改善できることもまた判明した。この発明のこれら二つの面を組み合わせることにより、現在のプラスチック太陽電池の効率を著しく改善することができる。現在の変換効率記録２．５％（Sariciftci他により実証）から判断して、この発明によると５％の効率が達成可能である。この発明は、低コストの連続ポリマーコーティングプロセスで高効率の安定したプラスチック太陽電池を製作する技術を提供する。
【０００９】
この発明は、（ａ）ポリマーフィルム中に少量の電解質を混入することにより材料の導電率を改善する、（ｂ）ポリマー形態を微調整して、キャリア移動度を高める、という方法によってキャリア輸送能力を改善することにより、高効率のプラスチック太陽電池を製造することを含んでいる。我々の予備的結果に基づいて、５％の電力効率を達成することができる。この数字（５％）は、アモルファスシリコン太陽電池により達成できる効率と同等又はそれを上回るものである。
【００１０】
我々の発明は、プラスチック太陽電池のＪscを著しく向上させる。プラスチック太陽電池にごく少量（０．０１〜５重量％）のイオン電解質を添加することにより、Ｊscが倍増することが判明した。我々の発明は、典型的なポリマー太陽電池であるデバイス構造体で使用され、透明アノード（インジウムスズ酸化物、ＩＴＯ）とカソードとの間に挟まれたポリマー薄膜の層からなっている。
【００１１】
この発明の上述その他の多くの特徴とそれに付随する利点は、付属の図面と併せて見ながら、以下の詳細な説明を参照することによりさらによく理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明による代表的な太陽電池を、図７において全体的に１０で示す。太陽電池１０は、活性物質を光起電力フィルム１２の形で含む。光起電力フィルム１２は、第一の面２０と第二の面１８を有する。光起電力フィルム１２は、透明アノード１６とカソード１４の間に挟まれている。太陽光又は別の光源からの光が、矢印２２で表されているように、透明アノード１６を通過する。太陽電池１０の構造と用法は、光起電力フィルムとして有機材料を使用する既存の太陽電池と基本的に同様である。主要な相違は、この発明により提供される活性物質が、今まで有機材料を使って可能であったよりも遙かに高い変換効率を有することである。この発明による活性物質は、半導体ポリマーとイオン電解質との混合物である。イオン電解質は、当該混合物の中に０．０１〜５重量パーセントの範囲で存在する。
【００１３】
当分野で知られているように、半導体ポリマーは、ｐ型ポリマーとｎ型電子アクセプタとでできている。この発明は、主として様々な導電性範囲を有する諸ｐ型半導体ポリマーに関する。例としては、これらに限られるものではないが、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）（ＰＰＶ）、ポリフルオレン（ＰＦ）、及びポリチオフェン（ＰＴ）の各誘導体が含まれる。以下のリストは、模範例である。ＰＰＶ誘導体としては、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（２−ブトキシ、５−２′−エチル−ヘキシルオキシ−ｐ−フェニレン  ビニレン）（ＢＥＨ−ＰＰＶ）及びポリ（２，５−ビス−コレストラノキシ(cheolestranoxy)−１，４−フェニレン  ビニレン）（ＢＣＨＡ−ＰＰＶ）、ＰＦ誘導体としては、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）（ＤＯｃ−ＰＦ）、ポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール）（Ｆ８ＢＴ）、及びポリ（９，９′−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−Ｎ，Ｎ′−（４−ブチルフェニル）−ビス−Ｎ，Ｎ′−フェニル−１，４−フェニレンジアミン）、そしてＰＴ誘導体としては、ポリ（３−アルキルチオフェン）（ＰＡＴｓ）、ポリ（３−（４−オクチル−フェニル）−２，２−ビチオフェン（ＰＴＯＰＴ）、及びポリ（３−（４′−（１″，４″，７″−トリオキサオクチル）チオフェン）（ＰＥＯＰＴ）が挙げられる。チオフェンオリゴマー及びチオフェンデンドリマーも使用してよい。
【００１４】
ポリマーの可能な電気化学的ウインドウは、通常、ポリマーの第一還元反応電位に対する第一酸化電位として定義される。例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌに対するＤＯｃ−ＰＦの還元電位及び酸化電位のピークは、それぞれ−２．５４Ｖ及び＋１．６０Ｖである。したがって、ＤＯｃ−ＰＦのウインドウは、約４Ｖである。しかしながら、ウインドウは、具体的ポリマーの個々の特性に依然として左右される。
【００１５】
ｎ型電子アクセプタは、太陽電池の用途に使用されてきたアクセプタのいずれでもよい。代表的なｎ型電子アクセプタには、シアノ基−ＰＰＶ（−ＣＮ側基を有するＰＰＶ）、Ｃ60、カーボンナノチューブ、及び強力な電子引出し能力を有する有機化合物が含まれる。Ｃ60は、好ましいｎ型電子アクセプタである。混合物の中でのｐ型半導体ポリマーと電子アクセプタの相対的量は、使用する個々の組合せに依存して変化する。二つの成分の適切な量を確定するには、既存の調合を参照してもよいし、通常の実験をしても良い。一般的に、ｐ型半導体ポリマーが、この混合物の大部分を占める。
【００１６】
イオン電解質は、好ましくはイオン塩である。好適なイオン塩は、イオン導電性が高いリチウム塩である。代表的なリチウム塩には、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6が含まれる。しかしながら、過塩素酸リチウム、リチウムトリフラート、トリフルオロメチルスルホンイミドリチウムなど、他の塩の使用も可能である。活性物質中のイオン電解質の好ましい量は、０．２〜２．５重量パーセントである。約１．０重量パーセントのイオン電解質を含む活性物質が、特に好適である。電解質は、半導体ポリマー混合物の中に直接組み入れてもよいし、又はポリマーイオン電解質として添加してもよい。先ずイオン電解質をイオン電解質のキャリアとして機能するポリマーと結合する（組み合わせる）ことによりポリマーイオン電解質が作られる。ポリマーイオン電解質を形成するのに使用する適切なポリマーには、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）及びその誘導体とともにクラウンエーテル含有化合物が含まれる。代表的なクラウンエーテルには、１８−クラウン−６、１５−クラウン−５及び１２−クラウン−４が含まれる。ポリマーイオン電解質の使用が好ましい。
【００１７】
半導体ポリマー（ＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60など）とイオン電解質ポリマー（ＰＥＯ：リチウム塩など）との間の相分離を防止するために、電気導電性及びイオン導電性を兼ね備えたポリマーを作るのが望ましい。そのような場合、ポリマーイオン電解質の使用は、必ずしも必要ではない。そのような例の一つがＢＤＯＨ−ＰＦであり、それは発光電気化学セルへの適用で成功している。あるいはまた、イオン電解質を直接半導体ポリマーのポリマー鎖に付けることにより、ポリマーイオン電解質の使用を回避することができる。図４は、この発明による光起電の用途に有用なＰＰＶ誘導体の化学構造の例を示す。この化学構造においては、ｎは５より多い繰返し単位である。この構造、及びその類似の構造は、イオン電解質を直接ポリマーの鎖に連結している。
【００１８】
好適な代表的活性物質は、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレン  ビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）とＣ60の混合物である。図２は、ＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60素子で、イオン電解質のないもの（素子Ｉ）と、ポリマーイオン電解質（ＰＥＯ：ＬｉＣＦ3ＳＯ3）の形態のイオン電解質のあるもの（素子ＩＩ）の各Ｉ−Ｖ曲線を示す。光源は、１２０ｍＷ／ｃｍ2の白色光源である。素子Ｉの開放電圧（Ｖoc）と短絡電流密度（Ｊsc）は、それぞれ０．８３Ｖ及び８．３ｍＡ／ｃｍ2である。最大電力(ＩＶ)maxをＶocとＪscの積で除した値と定義される充填率(fill factor)（ＦＦ）は、約０．２６である。したがって、電力変換エネルギは、１．５％と算出される。ポリマー電解質を添加後、その場合、活性ポリマー層の重量比は、ＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60：ＰＥＯ：ＬｉＣＦ3ＳＯ3＝３：１：０．２５：０．０５であるが、素子ＩＩのＪscが７３％増加して、１４．４ｍＡ／ｃｍ2に上昇していることがはっきりわかる。充填率は、３８％増加して、０．２６から０．３６に上昇した。ＦＦが高くなったことは、イオン電解質の添加により電荷輸送が改善されたことを示している。電解質の量は、所望レベルの電力変換が過度の相分離なしに達成できるならば、変更してもよい。ポリマー素子内への電解質の添加を、Pei他がポリマー発光電気化学セル（ＬＥＣ）で実証したことは、言及の価値がある。ＬＥＣは、素子効率において最高記録を幾つか達成している。ポリマーと電解質との間の相分離（又は形態構造）の制御が、素子性能の決定に重要な役割を果たすことは、PeiとYangにより発見された。
【００１９】
ポリマーの形態構造は、また、規則性ポリマー電子素子において重要な役割を果たす。我々は、素子の電子的及び光学的特性が、ポリマー薄膜の形態構造に密接に関連していることを実証した。その形態構造は、異なる有機溶剤、濃度、スピン速度、及び熱アニールを使用して操作することができる。形態構造とポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）の性能との相関関係も、我々のグループによりすっかり解明された（過去２年間に６件の論文が発行された）。この知識に基づいて、最適の製作パラメータが得られるだけでなく、より良好な素子構造を設計することも可能である。例えば、ポリマー薄膜の後アニール処理の効果で、ポリマーダイオード内のキャリア注入が著しく向上することが示されている。図３に示す別の例は、異なるポリマー形態をもたらす異なる有機溶剤を使用するだけで、プラスチック太陽電池のＶocを操作できることを示している。
【００２０】
間に活性物質を挟むアノードとカソードは、ポリマー（プラスチック）太陽電池に使用されてきたアノード／カソードの組合せであれば、どのようなものでもよい。アノード材料としては、インジウムスズ酸化物が広く使用されており、そして好適である。カソードは、当技術分野において知られている適切な金属又は他の導電性材料の如何なるものから作られてもよい。多層又は多重素子電極が典型的に使用される。
【００２１】
この発明により太陽電池を製作ずる手順は、他のポリマー薄膜太陽電池を作るのに使用される手順と同じである。これは、概して、半導体ポリマー／イオン電解質混合物をアノード又はカソードのいずれかの上にスピンコーティングした後、そのポリマーフィルムの露出している表面上に他方の電極を付けることを含む。
【００２２】
実際に行った例を以下に示す。
【００２３】
この発明による光起電力デバイスは、先ずＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60混合物（重量比３：１）を、１，２−ジクロロベンゼン溶液から、８０ｎｍの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ン酸（ＰＥＤＯＴ）でプリコートしたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）ガラス基板の上にスピンコートすることにより製作する。得られた合成ポリマーフィルムの厚みは、約０．１μｍであった。次いで、１００ｎｍ（１０００Å）アルミニウムでオーバーコートされた５０ｎｍ（５００Å）カルシウムからなる二層カソードを、そのポリマーフィルム上に熱的に蒸着する。ポリマー電解質を有するデバイスについては、スピンコートを施す前に、シクロヘキサノン中のポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とトリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）を重量比５：１の割合で、ＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60混合物内に添加して、活性ポリマー層を形成する。光源としてタングステンランプを使用して、デバイスの光応答を測定する（図５参照）。
【００２４】
活性ポリマーブレンド内のＰＥＯ／Ｌｉ+の濃度がＩscに及ぼす影響を図６に示す。Ｉscは、まず、ＰＥＯ／Ｌｉ+の量とともに先ず増加し、次いで、さらにポリマーイオン電解質を添加していくと、減少する。最適のＰＥＯ濃度は、Ｃ60の約２０重量％で、これは、ＭＥＨ−ＰＰＶの６．７重量％、そしてＬｉＣＦ3ＳＯ3の約１重量パーセントに相当する。一方、Ｖocは、イオン電解質の量とともに減少し、９０％のＰＥＯ／Ｌｉ+を添加したところで０．７５Ｖまで低下する。電解質の好ましい範囲は、０．２重量％〜２．５重量％である。
【００２５】
我々の予備的結果及び従来技術のプラスチック太陽電池の２．５％という効率（別グループにより報告）に基づいて、この発明による太陽電池を使用すると５％の電力変換効率を達成することが期待できる。この比較的高い変換効率は、プラスチック太陽電池にとっておよび太陽エネルギの分野にとって、重大な意味を持つ。この発明による太陽電池を使用することにより、太陽エネルギのコストは、劇的に削減され、太陽エネルギの受入れが大幅に改善される。
【００２６】
この発明の代表的な実施例を以上のように説明したので、当業者は、ここでの開示は代表例にすぎず、この発明の範囲内でこの他の種々の代替案、適合案および変更案が可能であることに注目すべきである。したがって、この発明は、上述の好適な実施態様および例に限定されるものではなく、前掲の請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】１９８６年における最初の高効率有機太陽電池のＩ−Ｖ（電流密度−電圧）曲線である。
【図２】１２０ｍＷ／ｃｍ2白色光照射下でのＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60素子のＩ−Ｖ曲線である。
【図３】キシレンとテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いて製作されたＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60（１２．５重量％）複合素子のＩ−Ｖ特性である。
【図４】この発明による光起電力用途に有用なＰＰＶ誘導体の化学構造の例を示す。
【図５】照明下のＭＥＨ−ＰＰＶ：Ｃ60素子のＩ−Ｖ曲線である。
【図６】異なる量のポリマー電解質を有するこの発明によるデバイスの短絡電流のグラフである。短絡電流は、８０ｍＷ／ｃｍ2の白色光照明下で測定した。
【図７】この発明による代表的な太陽電池の概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…太陽電池、１２…光起電力フィルム、１４…カソード、１６…透明アノード、１８…第二の面、２０…第一の面、２２…光。
【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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【国際調査報告】
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