(57)【要約】  本発明は、光起電力デバイス、光起電力デバイスの使用方法、光起電力デバイスと回路の組合せ、及び光起電力デバイスを用いて、光から電気を発生する光起電力方法に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料を含む光起電力デバイス。
【請求項２】
上記カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料の一方の面に形成され、第１の仕事関数を有する第１の電極と、
上記カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料の他方の面に形成され、上記第１の仕事関数より高い仕事関数を有する第２の電極とを更に備える請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
上記正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物は、共役高分子又は少なくとも２つの共役高分子の混合物であることを特徴とする請求項１又は２記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
上記カーボンナノチューブは、金属カーボンナノチューブと半導体カーボンナノチューブの混合物又は単体の半導体カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
上記カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブと単層カーボンナノチューブの混合物又は単体の単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
上記カーボンナノチューブの直径は、０．５ｎｍ〜２ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
上記カーボンナノチューブのバンドギャップは、約０．５ｅＶ〜約１ｅＶであることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
上記正孔伝導体のバンドギャップは、約１ｅＶ〜約３ｅＶ、好ましくは約１．５ｅＶ〜約２．５ｅＶ、より好ましくは約１．７５ｅＶ〜約２．２５ｅＶであることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
上記正孔伝導体は、バンドギャップが１ｅＶよりも高く、且つ上記カーボンナノチューブの最高被占分子軌道よりもエネルギが高いπ軌道を有する半導体有機材料のグループから選択されることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
上記カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料は、カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の混合物を含むことを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
上記複合材料は、上記正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物を一方の層とし、上記カーボンナノチューブを他方の層とする二層構造を有することを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
上記複合材料は、上記正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の層と上記カーボンナノチューブの層が交互に配設された多層構造を有することを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
上記カーボンナノチューブは、上記電極の１つに垂直に成長されていることを特徴とする請求項２乃至１２いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
上記正孔伝導体は、上記カーボンナノチューブに直接成長されていることを特徴とする請求項２乃至１３いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
上記カーボンナノチューブは、上記電極の１つに水平方向に配向されていることを特徴とする請求項２乃至１２及び１４いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
上記正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物は、
ポリメタクリレート及びビス（ジアリルアミノ）ビフェニル官能化メタクリレートとその共重合体を含む誘導体、
ポリアニリン及び誘導体、
ポリフェニレン及び誘導体、
ポリフェニレンビニレン及びポリ（２−メトキシ，５−（３’，７’−ジメチルオクチロキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）を含む誘導体、
ポリチオフェン及び誘導体、
トリフェニルジアンミンの共重合体の誘導体及びトリメトキシビニルシラン、
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ン酸）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、
ポリアセチレン及びその誘導体、
ポリパラフェニレン及びその誘導体、
ポリピロール及びその誘導体
硫化ポリパラフェニレン及びその誘導体、
ポリカルバゾール及びその誘導体、
ポリイソチアナフェン及びその誘導体、
ポリ（１，６−ヘプタジイン）及びその誘導体、
ポリキノリン及びその誘導体からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１乃至１５いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１７】
当該光起電力デバイスは、有機太陽電池であることを特徴とする請求項１乃至１６いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１８】
上記第１の電極及び／又は上記第２の電極は、透明材料の膜又は層であることを特徴とする請求項２乃至１７いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
上記第１又は第２の電極は、金属電極であることを特徴とする請求項２乃至１８いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
上記第１の電極及び／又は第２の電極は、ＬｉＦ、ＣｓＦ、ＣＨ３ＣＯＯＬｉを含むフッ化物又は酢酸塩、又はフッ化物及び酢酸塩の組合せの蒸着層によってコーティングされていることを特徴とする請求項２乃至１９いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
固体の無機結晶又はガラス質基板又は金属箔基板、好ましくはステンレススチール箔基板、又は上記第１又は第２の電極がプリコーティングされた高分子基板を更に備える請求項１８乃至２０いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項２２】
上記第１又は第２の電極がプリコーティングされたフレキシブル高分子基板を更に備える請求項１８乃至２０いずれか１項記載の光起電力デバイス。
【請求項２３】
請求項１乃至２２いずれか１項記載の光起電力デバイスと回路の組合せであって、該光起電力デバイスが内部電源として機能する装置。
【請求項２４】
請求項１乃至２２いずれか１項記載の光起電力デバイスを太陽電池として使用する使用方法。
【請求項２５】
光から電気を発生する光起電力方法において、
請求項１乃至２２いずれか１項記載の光起電力デバイス又は請求項２３記載の光起電力デバイスと回路の組合せに光を照射して、光誘起電荷分離プロセス及びこれに続く電荷輸送プロセスを起こさせ、該光起電力デバイス又は光起電力デバイスと回路の組合せから、電気を発生させる光起電力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力デバイス、光起電力デバイスの使用方法、光起電力デバイスと回路の組合せ、及び光起電力デバイスを用いて光から電気を発生する光起電力方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶Ｓｉ太陽電池は、最大で２５％と高いエネルギ変換効率を示す。Ｓｉベースの結晶が単結晶ではなく多結晶である場合、最大のエネルギ変換効率は１８％であり、アモルファスＳｉの場合は、エネルギ変換効率は１２％以下である。しかしながら、Ｓｉベースの太陽電池の製造コストは、アモルファスＳｉ太陽電池の場合であっても高い。このため、有機化合物及び／又は有機化合物と無機化合物の混合物ベースの代替の太陽電池が開発されており、後者の種類の太陽電池は、多くの場合、ハイブリッド太陽電池と呼ばれている。有機太陽電池は、有機化合物、すなわち炭素含有化合物のみをベースとしており、「プラスチック太陽電池」と呼ばれることもある。有機太陽電池及びハイブリッド太陽電池は、より安く製造できることが期待されているが、アモルファスＳｉ太陽電池と比べると、まだエネルギ変換効率が低い。プラスチック太陽電池は、軽量であり、大面積の製造コストが安く、地球にやさしい材料、又はフレキシブル基板上に形成できる等のその固有の優位性により、技術的にも商業的にも有益且つ有効な有機デバイスであると考えられている。色素増感ナノ結晶二酸化チタン（多孔質ＴｉＯ２）半導体と液体電解質ベースの太陽電池における近年の進歩は、それは無機太陽電池と有機太陽電池の中間のハイブリット太陽電池と見なすことができ、その代替材料中のエネルギ変換効率が高い可能性を示している［B. O'Regan and M. Gratzel, Nature 353 (1991) 737］。
【０００３】
完全有機太陽電池及びその基本的メカニズムに関する数多くの研究が進められている。これらの研究の主な課題は、特別な種類の複合材料（composition）、例えば共役高分子（conjugated polymer）と、所謂バックミンスターフラーレン、すなわちＣ６０と、これらの誘導体との混合物を見つけることにある。主な原理は、文献「Sariciftci et al., Science 258, 1474 (1992); Yu et al., Science 270, 1789 (1995); Brabec et al., Adv.Func.Mat., 11, 15 (2001)」に記載されており、これを図１に示す。電子は、共役高分子中で励起され、フラーレンの伝導帯に注入される。このプロセスにより、効果的な電荷分離を確実にする。しかしながら、主に、混合物中の電荷輸送が不十分であるために、電力変換効率は、約３％に限られる（Shaheen et al. , Appl. Phys. Lett. 78 (2001)）。カーボンナノチューブの機械的及び電気的な性質が独特であるので、この１０内に、カーボンナノチューブに関する出版物が多数刊行されている（Dresselhaus et al., Academic Press, San Diego, ISBN 0-12-221820-5 (1996); Wilder et al., Nature 391,59 (1998); Odom et al., Nature 391,62 (1998)）。カーボンナノチューブは、継ぎ目がない円筒状に丸められた六角格子構造のグラファイトシートと見なすことができる。カーボンナノチューブは、その構造に応じて、金属又は半導体の性質を示す。更に、カーボンナノチューブは、単層チューブ（single-walled tube）又は多層チューブ（multi-walled tube）として現れ、両方の種類も束（bundle）を形成することができる。カーボンナノチューブをうまく用いて、単一チューブの電界効果トランジスタ（single tube field effect transistor）を構成している（Tans et al., Nature 393, 49 (1998); Wind et al., APL 80,3817 (2002)）。近年、半導体カーボンチューブから金属を分離する方法も提案されている（Collins et al., Science 292,706 (2001); Avouris et al.、国際特許出願第０２／０５４５０５号; Avouris et al.、米国特許第６，４２３，５８３  Ｂｌ号; Avouris et al.、米国特許出願第２００２／０１７３０８３号）。ごく最近では、単層の金属カーボンナノチューブ（metallic carbon nanotube）と半導体カーボンナノチューブ（semiconducting carbon nanotube）を定量的に分離できることが示されている（Cattopadhyay et al., JACS 125, 3370 (2003)）。なお、カーボンナノチューブベースの完全に有機的な太陽電池は、これまで実現も提案もされていない。スモーリー（Smalley）他による国際特許出願第９８／３９２５０号、スモーリー他による米国特許出願第２００２／０１２７１６２Ａｌ号、スモーリー他による米国特許出願第２００２／０１２７１６９Ａｌ号、スモーリー他による米国特許出願第２００２／０１５９９４３Ａｌ号には、グレッチェル（Gratzel）型ハイブリッド太陽電池（O'Regan and Gratzel, Nature 353,737 (1991)）の原理に基づく太陽電池が提案されているが、このような太陽電池は、未だ実現されていない。
【０００４】
無機太陽電池の安価な代替品として、溶液から製作可能な高分子を用いた有機太陽電池が研究されているが、この太陽エネルギ変換効率は、最大でも２．５％程度である（Shaheen et al., Appl.Phys.Lett.78 (2001)）。一方、従来の無機太陽電池の太陽エネルギ変換効率は、通常１０％程度であり、最も先進且つ最も高価なモデルでも、３０％の効率までしか達成できない（Green et al., Photovoltaics 9,287 (2001)）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、簡単且つ安価に製造でき、エネルギ変換効率が高い光起電力デバイスを提供することである。更に、本発明の目的は、無機光起電力デバイスに匹敵するエネルギ変換効率を有する光起電力デバイスを提供することである。更に、本発明の目的は、有機光起電力デバイスの可塑性及び柔軟性と、無機光起電力デバイスの効率の高さとを兼ね備えた光起電力デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光起電力デバイスは、カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料（composition）を含む。
【０００７】
本発明に係る光起電力デバイスは、好ましくは、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の複合材料の一方の面に形成され、第１の仕事関数を有する第１の電極と、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の複合材料の他方の面に形成され、第１の仕事関数より高い仕事関数を有する第２の電極とを更に備える。
【０００８】
一実施の形態においては、少なくとも１つの正孔伝導体は、共役高分子（conjugated polymer）又は少なくとも２つの共役高分子の混合物である。
【０００９】
本明細書では、用語「共役高分子」は、単結合と二重結合及び／又は三重結合とが交互に存在する拡張電子系、すなわち拡張π電子系を有する高分子を意味する。
【００１０】
一実施の形態においては、カーボンナノチューブは、金属カーボンナノチューブ（metallic carbon nanotube）と半導体カーボンナノチューブ（semiconducting carbon nanotube）の混合物であり、好ましくは、半導体カーボンナノチューブである。一実施の形態においては、カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nanotube）と単層カーボンナノチューブ（single-walled carbon nanotube）の混合物であり、好ましくは、単体の単層カーボンナノチューブである。
【００１１】
一実施の形態においては、カーボンナノチューブの直径は、０．５ｎｍ〜２ｎｍである。
【００１２】
一実施の形態においては、カーボンナノチューブは、束（bundle）又は単体として生成され、あるいは束と単体の混合体として生成される。なお、カーボンナノチューブは、好ましくは、単体のカーボンナノチューブである。一実施の形態においては、カーボンナノチューブの長さは、２ｎｍ〜１０００ｎｍであり、好ましくは５０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、最も好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００１３】
カーボンナノチューブのバンドギャップは、好ましくは、約０．５ｅＶ〜約１ｅＶである。
【００１４】
一実施の形態においては、少なくとも１つの正孔伝導体のバンドギャップは、約１ｅＶ〜約３ｅＶ、好ましくは約１．５ｅＶ〜約２．５ｅＶ、より好ましくは約１．７５ｅＶ〜約２．２５ｅＶである。
【００１５】
一実施の形態においては、正孔伝導体は、バンドギャップが１ｅＶよりも高く、且つカーボンナノチューブの最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）よりもエネルギが高いπ軌道を有する半導体有機材料のグループから選択される。
【００１６】
カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の複合材料は、好ましくは、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の混合物を含む。
【００１７】
一実施の形態においては、複合材料は、少なくとも１つの正孔伝導体を一方の層とし、カーボンナノチューブを他方の層とする二層構造を有する。
【００１８】
一実施の形態においては、複合材料は、少なくとも１つの正孔伝導体の層とカーボンナノチューブの層が交互に配設された多層構造を有する。
【００１９】
カーボンナノチューブは、好ましくは、電極の１つに垂直に成長されている。
【００２０】
このようなカーボンナノチューブの成長方法は、例えば、文献「Li et al., 1996, Science 274,1701」に記載されており、この記載内容は引用により本願に援用される。
【００２１】
一実施の形態においては、垂直に成長されたカーボンナノチューブは、正孔伝導体に埋め込まれている（immersed）。
【００２２】
なお、本明細書では、用語「埋め込まれる（immersed）」は、「によって取り囲まれる（surrounded by）」と同義である。
【００２３】
一実施の形態においては、正孔伝導体は、カーボンナノチューブ上に直接成長される。このようなカーボンナノチューブの成長方法は、例えば、文献「Dai, 2001, Australian Journal of Chemistry, 54,11」に記載されている。
【００２４】
一実施の形態においては、正孔伝導体がその上に直接成長されたカーボンナノチューブ（「オーバグローンナノチューブ（overgrown nanotube）」）は、それらのカーボンナノチューブ上に直接成長された同じ正孔伝導体に埋め込んでもよく、あるいは異なる正孔伝導体又はこれらの混合物に埋め込んでもよい。
【００２５】
一実施の形態においては、オーバグローンナノチューブは、好ましくは、電極の１つに垂直に成長される。
【００２６】
一実施の形態においては、カーボンナノチューブは、好ましくは、電極の１つに水平方向に配向される。このような構造は、例えば、文献「Huag et al., 2001, Science 291,630」に記載されており、この記載内容全体は、引用により本願に援用される。
【００２７】
一実施の形態においては、垂直に成長されたカーボンナノチューブ又は水平方向に配向されたカーボンナノチューブは、更に、上述のように、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の混合物に結合（combined）される。
【００２８】
本明細書では、用語「結合（combined with）」は、垂直に成長された又は水平方向に配向されたカーボンナノチューブが、本発明に係る光起電力デバイス内で、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の混合物と共に生成（occur）されることを意味する。光起電力デバイスは、好ましくは、２つの電極を備え、カーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の混合物は、これらの電極間に挟み込まれる。このカーボンナノチューブと少なくとも１つの正孔伝導体の混合物は、電極間の凝集相（bulk phase）を形成することができる。更に、一方又は両方の電極は、水平方向に配向された又は垂直に成長されたカーボンナノチューブを備えていてもよい。
【００２９】
一実施の形態においては、少なくとも１つの正孔伝導体とカーボンナノチューブの混合物にフラーレンを加え、フラーレンと、少なくとも１つの正孔伝導体とカーボンナノチューブのと混合物を形成する。この混合物は、先に説明した２つの電極間に直接配設して（apply）もよく、又は電極の１つに垂直に成長され又は水平方向に配向されたカーボンナノチューブと共に配設してもよく、この垂直に成長されたカーボンナノチューブ及び水平方向に配向されたカーボンナノチューブは、好ましくは、電極の１つに対して、垂直に成長され又は水平方向に配向される。
【００３０】
一実施の形態においては、少なくとも１つの正孔伝導体にフラーレンを加え、フラーレンと、少なくとも１つの正孔伝導体との混合物を形成する。この混合物は、電極の１つに垂直に成長され又は水平方向に配向されたカーボンナノチューブと共に配設してもよく、この垂直に成長されたカーボンナノチューブ及び水平方向に配向されたカーボンナノチューブは、好ましくは、電極の１つに対して、垂直に成長され又は水平方向に配向される。
【００３１】
一実施の形態においては、カーボンナノチューブと正孔伝導体として機能する少なくとも１つの有機化合物の複合材料は、１つのカーボンナノチューブ（すなわち１つの単一のカーボンナノチューブ）、単一のカーボンナノチューブのアレー、カーボンナノチューブの１つの束又はカーボンナノチューブの束のアレーと、少なくとも１つの正孔伝導体との混合物を含む。
【００３２】
この場合、すなわち、複合材料が、１つのカーボンナノチューブ（すなわち１つの単一のカーボンナノチューブ）、単一のカーボンナノチューブのアレー、カーボンナノチューブの１つの束又はカーボンナノチューブの束のアレーと、少なくとも１つの正孔伝導体との混合物を含む場合、得られる光起電力デバイスは、「ナノ光起電力デバイス」又は「ナノ太陽電池」とも呼ばれる。
【００３３】
好ましくは、少なくとも１つの正孔伝導体、すなわち正孔伝導体として機能する少なくとも１つ有機化合物（本明細書では、用語「正孔伝導体（hole conductor）」と「正孔伝導体として機能する有機化合物（organic compound acting as a hole conductor）」は、置き換え可能に用いており、これらは同義であると解釈される。）は、ポリメタクリレート及び誘導体、例えばビス（ジアリルアミノ）ビフェニル官能化メタクリレート（bis (diarylamino) biphenyl functionalised methacrylates）及びその共重合体、ポリアニリン及び誘導体、ポリフェニレン及び誘導体、ポリフェニレンビニレン及び誘導体、例えばポリ（２−メトキシ，５−（３’，７’−ジメチルオクチロキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）、ポリチオフェン及び誘導体、トリフェニルジアンミンの共重合体の誘導体及びトリメトキシビニルシラン、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ン酸）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、硫化ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリカルバゾール及びその誘導体、ポリイソチアナフェン（polyisothianaphene）及びその誘導体、ポリ（１，６−ヘプタジイン）及びその誘導体、ポリキノリン及びその誘導体からなるグループから選択される。
【００３４】
正孔伝導体として機能する好適な化合物の他の具体例は、２０００年５月２９日に出願された欧州特許出願ＥＰ００１１１４９３．３号及び２００１年９月４日に出願された欧州特許出願ＥＰ０１１２１１７９．４号に記載されており、これらの記載内容は引用により本願に援用される。
【００３５】
一実施の形態においては、光起電力デバイスは、有機太陽電池である。
【００３６】
第１の電極及び／又は第２の電極は、好ましくは、透明材料の膜又は層である。
【００３７】
一実施の形態においては、第１の電極及び／又は第２の電極は、金属電極又は金属で被覆された（metallised）電極である。
【００３８】
本明細書に用いる用語「金属で被覆された（metallised）」は、「スパッタリング又は蒸着された、半透明の金属層を有する」と同義である。
【００３９】
好ましい実施の形態においては、第１又は第２の電極は、金属電極である。
【００４０】
一実施の形態においては、第１の電極及び／又は第２の電極は、ＬｉＦ、ＣｓＦ、ＣＨ３ＣＯＯＬｉを含むフッ化物又は酢酸塩、又はフッ化物及び酢酸塩の組合せの蒸着層によってコーティングされている。
【００４１】
一実施の形態においては、このフッ化物又は酢酸塩の蒸着層の厚さは、０．１ｎｍ〜１５ｎｍ、好ましくは０．１ｎｍ〜２ｎｍである。
【００４２】
一実施の形態においては、本発明に係る光起電力デバイスは、固体の無機結晶又はガラス質基板又は金属箔基板、好ましくはステンレススチール箔基板又は第１又は第２の電極がプリコーティングされた高分子基板を更に備える。一実施の形態においては、本発明に係る光起電力デバイスは、第１又は第２の電極がプリコーティングされたフレキシブル高分子基板を更に備える。
【００４３】
好ましい実施の形態においては、本発明に係る光起電力デバイスは、間層（intermediate layer）を設けてもよいが、以下の順序で、好ましくは互いに隣接して、第１の仕事関数を有する金属電極と、カーボンナノチューブ及び正孔伝導体のアレーと、第１の仕事関数より高い第２の仕事関数を有し、好ましくは透明である第２の導電性電極とを備える。
【００４４】
本明細書では、用語「カーボンナノチューブ及び正孔伝導体のアレー」は、カーボンナノチューブ及び正孔伝導体のあらゆる配列を表すことを意味する。これらは、例えば、単に混ぜ合わせて、電極間の凝集相を形成してもよく、又は、カーボンナノチューブを１つの層とし、正孔伝導体を他の層として、別々の層に形成してもよく、又は、多層構造内の互層として形成してもよい。当業者は、この他の構造も容易に想到できる。例えば、多層構造において、カーボンナノチューブを複数の層として形成し、各層の濃度を変化させてもよい。正孔伝導体に同様の構成を適用してもよい。
【００４５】
また、本発明の目的は、上述の光起電力デバイスと回路の組合せによって達成され、この場合、光起電力デバイスは、内部電源として機能する。
【００４６】
一実施の形態においては、内部電源は、ナノスケールの寸法を有し、好ましくは１０ｎｍ〜１００００ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍ〜１０００ｎｍ、更に好ましくは２５０ｎｍ〜７５０ｎｍの寸法を有する。
【００４７】
また、本発明の目的は、本発明に係る光起電力デバイスを太陽電池として使用することによって達成される。
【００４８】
更に、本発明の目的は、光から電気を発生する光起電力方法において、本発明に係る光起電力デバイスに光を照射して、光誘起電荷分離プロセス及びこれに続く電荷輸送プロセスを起こさせ、本発明に係る光起電力デバイスから、電気を発生させる光起電力方法によって達成される。
【００４９】
本明細書では、用語「正孔伝導体」は、化合物又は複合材料によって及び／又は化合物又は複合材料内で正孔を受け取り、その後、正孔を移動させることができるあらゆる化合物又は複合材料を表すこと意味する。このような「正孔伝導体」は、「正孔アクセプタ」又は「正孔アクセプタ／伝導体」とも呼ばれる。「有機正孔伝導体」の場合、化合物又は複合材料が、その性質において、有機的であることを意味する。用語「有機」は、一般的に理解されている意味で用いており、無機材料、すなわち炭素及び炭素含有化合物ベースの材料から識別して区別されるために用いている。
【００５０】
特に、本明細書では、「有機」は、一般的に理解されている意味で用いており、すなわち炭素含有化合物である化合物を指す。また、本明細書では、少なくともフラーレン形内の炭素元素も含まれる。更に、用語「有機」は、特定の炭素含有化合物、例えばＣＯ、ＣＯ２、ＣＳ２等の水素を含まない炭素のカルコゲナイド、及び例えばＨ２ＣＯ３、ＫＳＣＮ等の誘導体、更には、水又は希酸中で炭化水素に分解される、炭素を有する二元化合物である塩類似炭化物（salt-like carbide）を除外することを意味する。塩類似炭化物は、１価又は２価の金属イオンをＭＩ又はＭＩＩで表すと、一般式ＭＩ２Ｃ２又はＭＩＩＣ２で表される。アルミニウムの塩類似炭化物（Ａｌ４Ｃ３）は、メタンに分解される。更に、合金の特性を有する不定比化合物である金属炭化物も、ここで用いる用語「有機」から除外される炭素含有化合物である。これらは、酸性に対して耐性を示し、電気的に導体である。更に、本明細書では、用語「有機」から除外される物質としては、一酸化炭素分子が元素金属の原子に配位結合された金属カルボニル、例えば鉄カルボニル（例えばＦｅ２（ＣＯ）９、Ｆｅ３（ＣＯ）１２）、クロムカルボニル（例えばＣｒ（ＣＯ）６）、コバルトカルボニル（例えばＣｏ２（ＣＯ）８）、カルボニルニッケル（例えばＮｉ（ＣＯ）４）等がある。
【００５１】
本明細書では、用語「無機」は、上で定義した「有機」化合物ではない化合物を意味する。
【００５２】
また、用語「単一のカーボンナノチューブ」及び「ナノチューブの束」又は単に「単一」及び「束」は、一般的に理解されている意味で用いおり、「単一」は、個々のチューブとして現れる個体のカーボンナノチューブを意味し、一方、「束」は、それぞれの側壁を介して互いに接触し、長軸が略平行となるように配列されたナノチューブのアレーを意味する。
【００５３】
本発明は、ドナーからアクセプタに優れた電荷キャリア輸送と回路（network）の成分内における優れたキャリア移動性とを組み合わせた電子と正孔アクセプタ（及び正孔と電子ドナー）の回路を提供する。
【００５４】
本発明に係る光起電力デバイスは、例えば、フラーレンベースの有機太陽電池等の従来の光起電力デバイスに比べて、可視光及び近赤外線の領域でより効果的に光を吸収する。従来の光起電力デバイスの吸収スペクトルは、可視スペクトルの短波長帯を中心とし、したがって、そのメカニズムを理論的に示すまでもなく、太陽エネルギ変換効率が劣っている。
【００５５】
本発明は、有機正孔伝導体にカーボンナノチューブの利点を組み合わせた光起電力デバイスを提案する。このような光起電力デバイスは、既存の光起電力デバイスの安価な代替品となる。本発明に係る光起電力デバイスは、カーボンナノチューブ自体におけるより優れた電荷キャリア移動度により、フラーレンベースの有機電池の限界を打破する。更に、カーボンナノチューブを用いることによって、カーボンナノチューブの吸収特性により、太陽光照射を含む一般的に利用可能な光源のスペクトルをより有効に利用することができる。
【００５６】
発明者は、現在、本発明の作用の基底にあるメカニズムを、あらゆる特定のメカニズムに縛られることなく、以下のように考えている。すなわち、光は、多くの場合、共役高分子である有機正孔アクセプタ／伝導体のいずれかで、電子を励起し、又はカーボンナノチューブ内で電子を励起する（図２に示す）。光が有機正孔アクセプタ／伝導体のいずれかで電子を励起する場合、光励起電子は、電子アクセプタ及び伝導体として機能するカーボンナノチューブの伝導帯に移動され、一方、光により生成された正孔は、有機正孔アクセプタ／伝導体の価電子帯に残る。効果的に分離された荷電キャリアは、電極があれば電極に移動され、これにより、光起電力作用が生じる。光がカーボンナノチューブ内で電子を励起させる場合、光励起正孔は、有機正孔アクセプタ／伝導体に移動され、同様の結果が生じる。カーボンナノチューブの通常、約０．５ｅＶ〜約１ｅＶのバンドギャップと、有機正孔アクセプタ／伝導体、例えば共役高分子の通常、約２ｅＶのバンドギャップとをそれぞれ調整することによって、太陽スペクトル又は通常長い波長にシフトした屋内の光源のスペクトルを有する光源にかかわらず、有機正孔アクセプタ／伝導体又はカーボンナノチューブを介して、光を有効に吸収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
図１に示す従来の構成では、短波長の光は、高分子中で電子を励起し（垂直の矢印）、これに続いて、バックミンスターフラーレンのＬＵＭＯへの電子移動によって、電荷が分離される。正孔及び電子は、それぞれＦＴＯ及びＡｌ電極から集められる。電子は、ホッピング輸送メカニズムによって電極に移動される。より長い波長の光は吸収されない。
【００５８】
本発明に係る光起電力デバイスの一実施の形態を示す図２の構成では、短波長の光は、高分子中で電子を励起し（実線の直線的な矢印）、これに続いて、カーボンナノチューブのＬＵＭＯへの電子移動（実線の曲線的な矢印）により、電荷が分離される。より長い波長の光は、カーボンナノチューブ内で吸収され（点線の直線的な矢印）、高分子の軌道への正孔注入（点線の曲線的な矢印）により、効率的に電荷が分離される。正孔及び電子は、それぞれＦＴＯ及びＡｌ電極から集められる。
【００５９】
明細書、特許請求の範囲及び図面に開示した本発明の特徴は、それぞれ個別に又は任意に組み合わせて、様々な形式で、本発明を実現する材料を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来から知られているバックミンスターフラーレンベースの太陽電池の概略的なエネルギバンド及び異なる励起プロセスを示す図である。
【図２】本発明に係るカーボンナノチューブを用いた光起電力デバイスの概略的なエネルギバンド及び異なる励起プロセスを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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