(57)【要約】光電子素子は、第１の電極と、第１の電極上に配置される量子ドット層であって、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層であって、量子ドット層とフラーレン層とが電子的ヘテロ接合を形成する、フラーレン層と、フラーレン層上に配置される第２の電極とを含む。素子は、電子ブロッキング層を含んでもよい。量子ドット層は、向上した電荷キャリア移動度を呈するように、化学処置によって修飾されてもよい。
2013506302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子素子であって、
第１の電極と、
該第１の電極上に配置される電子ブロッキング層と、
該電子ブロッキング層上に配置され、複数の量子ドットを備える量子ドット層と、
該量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層であって、該量子ドット層と該フラーレン層とは電子的ヘテロ接合を形成する、フラーレン層と、
該フラーレン層上に配置される第２の電極と
を備える、素子。
【請求項２】
前記第１の電極または前記第２の電極は、導電性酸化物、金属、金属合金、金属含有化合物、ＣＮＴ、グラフェン、および導電性ポリマーから成る群から選択される、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項３】
前記量子ドットは、可視光感光性量子ドット、赤外線感光性量子ドット、および紫外線感光性量子ドットから成る群から選択される、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項４】
前記量子ドットは、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、ＩＶ−ＶＩ族、およびＶ−ＶＩ族材料から成る群から選択される組成物を有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項５】
前記量子ドットは、硫化鉛、セレン化鉛、テルル化鉛、テルル化水銀、またはそれらの合金から構成される、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項６】
前記量子ドット層は、５ｎｍ乃至５μｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項７】
前記複数の量子ドットは、複数の第１の量子ドットと、複数の第２の量子ドットとを備え、該第１の量子ドットは、第１の平均サイズを有し、該第２の量子ドットは、該第１の平均サイズとは異なる第２の平均サイズを有するか、または該第１の量子ドットは、第１の組成物を有し、該第２の量子ドットは、該第１の組成物と異なる第２の組成物を有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項８】
前記フラーレンは、ｎが２０以上であるＣｎフラーレン、内包フラーレン、フラーレン誘導体、および前述のもののうちの２つ以上の組み合わせから成る群から選択される、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項９】
前記フラーレン層は、３ｎｍ乃至３００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１０】
前記フラーレン層上に配置される正孔ブロッキング層をさらに備え、前記第２の電極は、正孔ブロッキング層上に配置される、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１１】
正孔ブロッキング層は、酸化チタン、酸化亜鉛、ＢＣＰ、ＢＰｈｅｎ、ＮＢＰｈｅｎ、金属キレート、ならびに前述のものの化学類縁体および誘導体から成る群から選択される組成物を有する、請求項１０に記載の光電子素子。
【請求項１２】
前記電子ブロッキング層は、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化銅、酸化ニッケル、フタロシアニン、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ、α−ＮＰＤ、量子ドット、ならびに前述のものの化学類縁体および誘導体から成る群から選択される組成物を有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１３】
前記電子ブロッキング層は、不連続層を備える、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１４】
前記電子ブロッキング層は、あるパターンの電子ブロッキング材料を備える、請求項１３に記載の光電子素子。
【請求項１５】
前記フラーレン層または前記第１の電極上に配置される励起子ブロッキング層をさらに備える、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１６】
前記量子ドット層は、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒よりも大きい電荷キャリア移動度を呈する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１７】
前記量子ドット層は、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒超乃至１０ｃｍ２／Ｖ−秒の範囲の電荷キャリア移動度を呈する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項１８】
前記量子ドット層は、未処置の量子ドット層と比較して、向上した電荷キャリア移動度を呈する、化学的に処置された量子ドット層である、請求項１、１６または１７のいずれかに記載の光電子素子。
【請求項１９】
前記量子ドット層は、２ｎｍ以下の粒子間間隔を呈する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項２０】
前記光電子素子は、１００ｍＷ／ｃｍ２の入射白色光ビームによって照射されるとき、少なくとも４．５％の電力変換効率を有する、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項２１】
光電子素子であって、
第１の電極と、
該第１の電極上に配置される量子ドット層であって、該量子ドット層は、複数の量子ドットを備え、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒よりも大きい電荷キャリア移動度を有する、量子ドット層と、
該量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層であって、該量子ドット層と該フラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する、フラーレン層と、
該フラーレン層上に配置される第２の電極と
を備える、素子。
【請求項２２】
光電子素子であって、
第１の電極と、
該第１の電極上に配置される量子ドット層であって、該量子ドット層は、複数の量子ドットを備え、２ｎｍ以下の粒子間間隔を有する、量子ドット層と、
該量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層であって、該量子ドット層と該フラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する、フラーレン層と、
該フラーレン層上に配置される第２の電極と
を備える、素子。
【請求項２３】
前記第１の電極と前記量子ドット層との間に挿入される電子ブロッキング層を備える、請求項２１または２２に記載の光電子素子。
【請求項２４】
前記量子ドット層は、未処置の量子ドット層と比較して、向上した電荷キャリア移動度を呈する化学的に処置された量子ドット層である、請求項２１−２３のいずれかに記載の光電子素子。
【請求項２５】
光電子素子を加工する方法であって、該方法は、
電極上に電子ブロッキング層を成膜することと、
該電子ブロッキング層上に量子ドット層を成膜することであって、該量子ドット層は、複数の量子ドットを備える、ことと、
該量子ドット層上に直接フラーレン層を成膜することであって、該量子ドット層と該フラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する、ことと
を含む、方法。
【請求項２６】
前記量子ドット層を成膜することは、前記複数の量子ドットおよび溶媒を備える溶液を成膜することを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記溶媒は、トルエン、アニソール、アルカン、ブチルアミン、および水から成る群から選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記量子層を成膜することは、前記フラーレン層上に第１の量子ドット膜を成膜した後に、該第１の量子ドット膜上に１つ以上の付加的な量子ドット膜を成膜することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記量子ドット層または１つ以上の付加的な量子ドット膜を成膜した後に、該量子ドット層の電荷キャリア移動度を向上させる化学物質によって、該量子ドット層または該付加的な量子ドット膜のうちの１つ以上を処置することを備える、請求項２５または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記化学物質は、エタンチオール、アルキルチオール、アルキルチオール、アルキニルチオール、アリールチオール、エタンジチオール、ベンゼンジチオール、アルキルポリチオール、アルケニルポリチオール、アルキニルポリチオール、アリールポリチオール、カルボン酸、ギ酸、メタノール、トルエン、イソプロピルアルコール、クロロホルム、アセトニトリル、酢酸、ブチルアミン、１，４ブチルジアミン、アルキルアミン、アルケニルアミン、アルキニルアミン、アリールアミンアルキルポリアミン、アルケニルポリアミン、アルキニルポリアミン、アリールポリアミンから成る群から選択される組成物を有する溶液または蒸気を備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記フラーレン層上に正孔ブロッキング層または励起子ブロッキング層を成膜することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記電極上に励起子ブロッキング層を成膜することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
光電子素子を加工する方法であって、該方法は、
電極上に量子ドット層を成膜することであって、該量子ドット層は、複数の量子ドットを備える、ことと、
該量子ドット層内の電荷キャリア移動度を向上させる化学物質によって、該量子ドット層を処置することと、
該量子ドット層上に直接フラーレン層を成膜することであって、該量子ドット層と該フラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する、ことと
を含む、方法。
【請求項３４】
前記電極上に電子ブロッキング層を成膜することを含み、前記量子ドット層は、該電子ブロッキング層上に成膜される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記電子ブロッキング層を酸化または還元処置に曝すことを含む、請求項２７−３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
化学物質によって前記量子ドット層を処置することを含み、該化学物質は、量子ドット間の粒子間間隔を減少させる化学物質、該量子ドット層の成膜直後の状態の厚さを減少させる化学物質、または該量子ドット層の該粒子間間隔および該成膜直後の状態の厚さの両方を減少させる化学物質から選択される、請求項２７−３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記粒子間間隔を２ｎｍ以下まで減少させるか、または前記成膜直後の状態の厚さを２０乃至８０％だけ減少させることを備える、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／２４６，６７９号（名称「ＱＵＡＮＴＵＭ  ＤＯＴ−ＦＵＬＬＥＲＥＮＥ  ＪＵＮＣＴＩＯＮ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、２００９年９月２９日出願）、および米国仮特許出願第６１／３１２，４９４号（名称「ＱＵＡＮＴＵＭ  ＤＯＴ−ＦＵＬＬＥＲＥＮＥ  ＪＵＮＣＴＩＯＮ  ＢＡＳＥＤ  ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲＳ」、２０１０年３月１０日出願）の利益を主張し、これらの出願の内容は、両者ともその全体が本明細書に参照することによって援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、量子ドットとフラーレン層とによって形成するヘテロ接合、そのようなヘテロ接合に基づく光電子素子、ならびにそのようなヘテロ接合および光電子素子を加工するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光電子素子は、光起電（ＰＶ）素子（太陽電池）、光検出器、および同類素子、ならびに発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）等のエレクトロルミネセント（ＥＬ）素子を含む。ＰＶ素子は、光がその活性層に入射すると、電力を生成する。太陽光が入射電磁放射源として利用されるとき、ＰＶ素子は、太陽電池と称される場合がある。一般に、ＰＶ素子は、一対の２つの異なる種類の半導体（例えば、ｎ−型およびｐ−型材料、または電子アクセプタおよび電子ドナー材料）によって形成される接合に基づく。光子のエネルギーが、半導体のバンドギャップ値より高いとき、光子は、半導体中に吸収され、光子のエネルギーは、負電荷（電子）および正電荷（正孔）を励起させることができる。励起された電子−正孔の対が、外部電気回路内で正常に利用されるために、電子および正孔は、最初に、それぞれの対向電極によって収集および抽出される前に分離されなければならない。このプロセスは、電荷分離と呼ばれ、光起電効果が生じるために必要とされる。電荷が分離しない場合、再結合し、したがって、ＰＶ素子によって生成される電流に寄与することができない。光検出器は、ＰＶ素子と同様に動作するが、光の入射を感知するか、あるいは入射光の強度、減衰、または伝達を測定するように構成される。また、光検出器の動作は、外部バイアス電圧の印加を伴うが、ＰＶ素子の動作は、そうではない。さらに、光検出器は、多くの場合、狭い範囲の波長のみ検出するように意図される（例えば、ＩＲ検出器またはＵＶ検出器）一方、ＰＶ素子は、典型的には、電力の最大生成のために可能な限りの広い範囲の波長に応答するように所望される。
【０００４】
光電子素子はまた、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）等のエレクトロルミネセント（ＥＬ）素子を含む。一般的に、ＥＬ素子は、ＰＶ素子と逆に動作する。電子および正孔は、印加されたバイアス電圧の影響下、それぞれの電極から、半導体領域中に注入される。半導体層のうちの１つは、光吸収特性ではなく、その発光特性のために選択される。注入された電子および正孔の放射再結合は、この層内において光の放出を生じさせる。ＰＶ素子内において採用される同一種類の材料の多くは、同様に、ＥＬ素子内において採用されてもよいが、層厚および他のパラメータは、ＥＬ素子の異なる目標を達成するために適応されなければならない。
【０００５】
ＰＶおよび関連光電子素子では、光エネルギーが電力に変換される効率が、重要となる性能指数である。別の性能関連基準は、開回路電圧Ｖｏｃであって、これは、ＰＶ素子が、任意の外部負荷に接続されることなく照射されるときの最大可能電圧である。別の性能関連基準は、短絡回路電流Ｊｓｃであって、これは、ＰＶ素子が照射され、ゼロ抵抗負荷に電気的に接続されるときの最大可能電流である。別の性能関連基準は、量子効率であって、これは、外部量子効率（ＥＱＥ）および内部量子効率（ＩＱＥ）の両方を含む。ＥＱＥは、電流に変換される全入射光子の割合に対応し、ＩＱＥは、電流に変換されるすべての吸収された光子の割合に対応する。別の性能関連基準は、電力変換効率であって、これは、電力として使用可能な入射光電力の割合に対応する。
【０００６】
加えて、成分層内の電荷キャリア移動度は、素子の性能に影響を及ぼす、重要となる材料特性である。電荷キャリア移動度は、電場の存在下の電荷キャリアの速度を説明する材料特性である。ＰＶ素子では、移動度の値が大きいほど、電荷キャリアは、より自由に移動し、より効率的に素子から抽出されることができることを意味する。これは、より低い電荷キャリア移動度を伴う素子と比較して、より高い素子性能をもたらす。関連特性は、励起子拡散長である。これは、電荷キャリアが再結合する前に、励起子（電子−正孔の対）が進行する平均距離を説明する材料特性である。励起子が有意な役割を果たすＰＶ素子では、値が高いほど、光生成励起子が、再結合に先立って、電荷分離領域に到達する確率が高くなり、また、より低い励起子拡散長を伴うＰＶ素子より高い素子性能をもたらすことを意味する。
【０００７】
移動度および励起子拡散は、別個の特性であるが、その値は、類似材料属性によって影響を受ける。例えば、欠陥、電荷捕獲サイト、および粒界はすべて、キャリア輸送を妨害し、より低い移動度ならびにより低い励起子拡散長をもたらす。向上した移動度について、本書を通して論じられるが、類似結果が、向上した励起子拡散長に対しても得られることを理解されたい。
【０００８】
従来、ＰＶ素子および他の光電子素子は、バルク薄膜無機半導体材料を利用し、光子の吸収に応答して、電子および正孔を分離するために、ｐ−ｎ接合を提供していた。特に、電子的接合は、典型的には、固有のｐ−型ドープおよびｎ−型ドープシリコンの種々の組み合わせによって形成される。そのような無機半導体のための加工技法は、マイクロエレクトロニクスにおける長年にわたる経験および専門知識から導出され、周知である。とはいえ、これらの加工技法は、高価である。結晶成長の成功には、最小限の欠陥および望ましくない不純物、ならびに緊密に制御された動作条件下、高真空無汚染成膜チャンバ内で所望の機能を達成するために意図された不純物の精密なドーピングが要求される。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）およびＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）等のＩＩＩ−Ｖ族材料、ならびに炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等のＳｉ含有化合物もまた、利用されているが、同一問題に悩まされている。非晶質シリコン、多晶質シリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウム二セレン化物（ＣｕＩｎＳｅ２またはＣＩＳ）、および銅インジウム／ガリウム二セレン化物（ＣｕＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｓｅ２またはＣＩＧＳ）等の他の無機材料は、単結晶シリコンより加工が安価である場合があるが、あまり効率性ではなく、依然として、高価な半導体グレードの処理を要求し、従来の電源によるパリティに到達するために十分なコスト削減はまだ行われてない。
【０００９】
近年、有機材料（ポリマーおよび小分子）から形成される光電子素子について調査されているが、限られた成功に留まっている。これらの素子内の活性領域は、有機電子ドナー層および有機電子アクセプタ層によって形成される、ヘテロ接合に基づく。活性領域内に吸収される光子は、準粒子として輸送することができる束縛状態における電子−正孔対である、励起子を励起する。光生成励起子は、ヘテロ接合界面に拡散すると、分離（解離または「イオン化」）状態となる。無機ＰＶ素子の場合と同様に、可能な限り多くの光生成励起子として分離し、再結合する前に、それぞれの電極において収集することが望ましい。したがって、励起子を電荷分離領域に閉じ込めるのを支援する素子構造内に層を含めることが有利となる可能性がある。これらの層はまた、１種類の電荷キャリアを一方の電極に輸送するのを支援する一方、他の電荷キャリアをブロッキングし、それによって、電荷キャリア抽出の効率を改善する役割を果たす場合がある。
【００１０】
多くの種類の有機半導体層が、比較的に低コストで加工することができるが、その電力変換効率は、一部には、短い励起子拡散長のため、無機半導体より低い。さらに、ほとんどの有機半導体層は、赤外線（ＩＲ）光子を集光するためには効果がなく、これは、ＩＲ放射が、電気または他の色の光に変換するために利用可能な放射の有意な部分を構成するため、不利である。太陽放射の５０％以上は、７００ｎｍよりも大きい波長である。さらに、有機材料は、多くの場合、ＵＶ放射または熱によって劣化する傾向にある。
【００１１】
さらに近年、種々の種がＩＲ感度を呈し、その光電子特性（例えば、バンドギャップ）が、そのサイズを制御することによって調整可能であるため、量子ドット（ＱＤ）、すなわち、ナノ結晶が、光電子素子において利用するために調査されている。これまで、ＱＤは、ほとんどが、可視またはＩＲ放出、可視またはＩＲ吸収、あるいは赤方偏移等の具体的機能を果たす個々の層として、プロトタイプ光電子素子内で採用されていた。さらに、ＱＤを組み込む光電子素子は、典型的には、低キャリア移動度および短拡散長を呈する。
【００１２】
Ｄｉｓｓａｎａｙａｋｅらによる近年の報告である非特許文献１（参照することによって、全体として本明細書に援用される）は、ＰｂＳナノ結晶（ＰｂＳ−ＮＣｓ）とＣ６０フラーレンとの間のヘテロ接合を使用し、ＰｂＳ−ＮＣ層のバンドエネルギー整合の検証について説明している。本研究では、ＰｂＳ−ＮＣ層は、トルエンから、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のバッファ層上へと回転成形され、続いて、フラーレン層が、上部に蒸着されている。この後、バトクプロイン（ＢＣＰ）の層およびアルミニウム電極が続く。構造は、光起電モードで試験され、少量の〜２ｍＡ／ｃｍ２のＪｓｃ、〜２５０ｍＶのＶｏｃ、したがって、約０．２５％の全体的電力変換効率を提供している。本素子の性能を改良するための方法またはアプローチは提案されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｄｉｓｓａｎａｙａｋｅら、「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＰｂＳ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９３、０４３５０１（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
改良された材料特性ならびにより効率的な電荷分離、より大きな電荷キャリア移動度、より高い開回路電圧、より長い拡散長、より高い電力変換効率、および所望の範囲の電磁スペクトルに調整可能な感度等の性能関連パラメータを有する光電子素子の継続的な必要性が存在する。また、そのような光電子素子を加工するためのより低いコスト、より信頼性があり、かつより容易な方法の必要性も存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
全体的または部分的に、前述の問題および／または当業者によって観察され得る他の問題を解決するために、本開示は、後述の実装において、一例として説明される、方法、プロセス、システム、装置、器具、および／または素子を提供する。
【００１６】
一実装によると、光電子素子は、第１の電極と、第１の電極上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、量子ドット層上に直接配置され、量子ドット層と電子的ヘテロ接合を形成するフラーレン層と、フラーレン層上に配置される第２の電極とを含む。別の実装では、量子ドットまたは量子ドット層は、高電荷キャリア移動度を呈するように修飾されてもよい。
【００１７】
別の実装によると、電子ブロッキング層が、第１の電極と量子ドット層との間に挿入される。いくつかの実装では、電子ブロッキング層は、不連続層である。
【００１８】
別の実装によると、光電子素子は、量子ドット−フラーレン接合を含み、量子ドット層は、１ｘ１０−４Ｖ／ｃｍ２−秒よりも大きい電荷キャリア移動度を呈する。
【００１９】
別の実装によると、光電子素子は、量子ドット−フラーレン接合を含み、量子ドット層は、５ｘ１０−４Ｖ／ｃｍ２−秒よりも大きい電荷キャリア移動度を呈する。
【００２０】
別の実装によると、光電子素子は、量子ドット−フラーレン接合を含み、量子ドット層は、１ｘ１０−４Ｖ／ｃｍ２−秒超乃至１０Ｖ／ｃｍ２−秒の範囲の電荷キャリア移動度を呈する。
【００２１】
いくつかの実装では、量子ドットのうちの少なくともいくつかは、第１の組成物のコアと、第１の組成物と異なる第２の組成物のシェルとを含むコアシェル構成を有する。
【００２２】
いくつかの実装では、量子ドット層および／またはフラーレン層は、その中に、量子ドットが分散されるマトリクス材を含む。
【００２３】
いくつかの実装では、光電子素子は、その上に、第１の電極が配置される基板をさらに含む。種々の実装では、基板は、ガラス、セラミック、ポリマー、誘電材料、半導体、金属、金属含有化合物、または金属含有合金の組成物を有する。
【００２４】
別の実装によると、光電子素子は、第１の電極と、第１の電極上に配置される量子ドット層と、量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層と、フラーレン層上に配置される第２の電極とを含む。量子ドット層は、複数の量子ドットを含み、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒よりも大きい電荷キャリア移動度を有する。量子ドット層およびフラーレン層は、電子的ヘテロ接合を形成する。
【００２５】
別の実装によると、光電子素子は、第１の電極と、第１の電極上に配置される量子ドット層と、量子ドット層上に直接配置されるフラーレン層と、フラーレン層上に配置される第２の電極とを含む。量子ドット層は、複数の量子ドットを含み、２ｎｍ以下の粒子間間隔を有する。量子ドット層とフラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する。
【００２６】
別の実装によると、光電子素子を加工するための方法が提供される。量子ドット層は、電極上に配置され、量子ドット層は、複数の量子ドットを備える。フラーレン層は、量子ドット層上に直接配置され、量子ドット層とフラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する。
【００２７】
別の実装によると、電子ブロッキング層が、電極上に形成され、量子ドット層は、電子ブロッキング層上に形成される。いくつかの実装では、電子ブロッキング層の有効性は、電子ブロッキング層を種々の酸化または還元雰囲気中でアニーリングするか、あるいは電子ブロッキング層を酸化または還元プラズマに曝露することによる等、電子ブロッキング層を酸化または還元処置に曝すことによって改良されてもよい。
【００２８】
別の実装によると、量子ドットおよび／またはフラーレン層は、マトリクス内に分散される。
【００２９】
別の実装によると、付加的な電極が、フラーレン層上に形成される。
【００３０】
別の実装によると、光電子素子を加工するための方法が提供される。量子ドット層は、電極上に成膜（ｄｅｐｏｓｉｔ）され、量子ドット層は、複数の量子ドットを備える。量子ドット層は、電極上に成膜され、向上した電荷キャリア移動度を生成した後、化学的に処置される。電荷キャリア移動度は、１ｘ１０−４Ｖ／ｃｍ２−秒超であってもよい。フラーレン層は、量子ドット層上に直接成膜され、量子ドット層とフラーレン層とは、電子的ヘテロ接合を形成する。
【００３１】
別の実装によると、量子ドット層は、量子ドット間の粒子間間隔を減少させる化学物質によって処置される。いくつかの実装では、結果として生じる粒子間間隔は、２ｎｍ以下である。
【００３２】
別の実装によると、量子ドット層は、量子ドット層の成膜直後の状態の厚さを減少させる化学物質によって処置される。いくつかの実装では、厚さは、２０乃至８０％だけ減少される。
【００３３】
本発明の他の素子、装置、システム、方法、特徴、および利点は、当業者に明白である、または以下の図および発明を実施するための形態の検証によって、明白となるであろう。そのような付加的システム、方法、および利点はすべて、本説明内に含まれ、本発明の範囲内であって、付随の請求項によって保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
本発明は、以下の図面を参照することによって、より理解することができる。図中の構成要素は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理を例証する際、強調される。図中、同一参照番号は、異なる図を通して、対応する部品を指す。
【図１】図１は、本開示のある実装による、光電子素子の実施例の概略断面図である。
【図２】図２は、本開示のある実装による、光電子素子の別の実施例の概略断面図である。
【図３】図３は、本開示一実装による、加工された光起電素子の実施例の暗条件および照射条件下の電圧の関数としての電流密度のプロットである。
【図４】図４Ａは、本開示に従って加工された量子ドット／フラーレンヘテロ接合を含む、複合構造のＳＥＭ画像である。図４Ｂは、図４Ａに類似するＳＥＭ画像であるが、量子ドットは、本明細書に開示される技法に従って処置されている。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本開示の目的のために、ある層（または、膜、領域、基板、構成要素、素子等）が、別の層「上」またはそれを「覆って」いると言及されるとき、その層は、直接または実際に、他の層上に（または、それを覆って）存在してもよく、あるいは代替として、挿入層（例えば、バッファ層、遷移層、中間層、犠牲層、エッチング停止層、マスク、電極、相互接続、接点等）もまた、存在してもよいことを理解されたい。別の層「上に直接」存在する層は、別様に示されない限り、挿入層が存在しないことを意味する。また、ある層が、別の層「上」に（または、それを「覆って」）存在すると言及されるとき、その層は、他の層の表面全体または他の層の一部のみ被覆してもよいことを理解されたい。さらに、「上に形成される」または「上に配置される」等の用語は、材料輸送、成膜、加工、表面処置、あるいは物理的、化学的、またはイオン的結合もしくは相互作用の特定の方法に関連する何らかの制限を導入することを意図するものではないことを理解されたい。
【００３６】
本明細書で使用されるように、用語「光電子素子」は、概して、光／電気変換器または電気／光変換器として作用する任意の素子を指す。故に、用語「光電子素子」は、例えば、光起電（ＰＶ）素子（例えば、太陽電池）、光検出器、熱起電電池、あるいはＬＥＤまたはＬＤ等のエレクトロルミネセント（ＥＬ）素子を指してもよい。
【００３７】
本明細書で使用されるように、用語「フラーレン」は、バックミンスターフラーレンＣ６０、ならびにＣ７０、Ｃ８４、および類似ケージ状炭素構造等の他の形態の分子炭素を指し、より一般的には、２０乃至数百個の炭素原子、すなわち、Ｃｎ（ｎは、２０以上）の範囲であってもよい。フラーレンは、例えば、溶解度または分散性を改善するか、あるいはフラーレンの電気特性を修飾する等の具体的目的のために所望されるように、官能化もしくは化学的に修飾されてもよい。用語「フラーレン」はまた、非炭素原子または原子群が、炭素ケージ内に封入される内包フラーレンを指してもよい。用語「フラーレン」はまた、フラーレン誘導体を指してもよい。フラーレン誘導体のいくつかの非限定的実施例は、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）およびフェニル−Ｃ６１−酪酸コレステロールエステル（ＰＣＢＣＲ）である。用語「フラーレン」はまた、フラーレンの前述の形態の混成物を指してもよい。
【００３８】
本明細書で使用されるように、用語「量子ドット」または「ＱＤ」は、その中に励起子が、量子細線（２次元においてのみの量子閉じ込め）、量子井戸（１次元においてのみの量子閉じ込め）、およびバルク半導体（非閉じ込め）に区別されるように、全３つの空間次元において閉じ込められる半導体ナノ結晶材料を指す。また、量子ドットの多くの光学、電気、および化学特性は、そのサイズに大きく依存する場合があり、故に、そのような特性は、そのサイズを制御することによって修飾または調整されてもよい。量子ドットは、概して、粒子として特徴付けられてもよく、その形状は、球状、楕円系、または他の形状であってもよい。量子ドットの「サイズ」は、その形状の寸法特性またはその形状の近似を指してもよく、したがって、直径、主軸、主要長等であってもよい。量子ドットのサイズは、約数ナノメートルであって、すなわち、概して、１−１０００ｎｍの範囲であるが、より典型的には、１−１００ｎｍ、１−２０ｎｍ、または１−１０ｎｍの範囲である。複数の量子ドットまたは量子ドット集合では、量子ドットは、平均サイズを有するように特徴付けられてもよい。複数の量子ドットのサイズ分布は、単分散であってもよく、またはそうでなくてもよい。量子ドットは、コアシェル構成を有してもよく、その中で、コアおよび囲繞シェルは、固有の組成物を有してもよい。量子ドットはまた、その外側表面に付着されるリガンドを含んでもよく、または具体的目的のために、他の化学部分によって官能化されてもよい。
【００３９】
本明細書で使用されるように、用語「電子的ヘテロ接合」は、並列され、相互に直接接触する異なる材料の２つの層を指す。一方の層は、電子ドナーとしての役割を果たす一方、他方の層は、電子アクセプタとしての役割を果たす。用語「電子的ヘテロ接合」は、用語「光起電ヘテロ接合」を包含するだけではなく、また、１つの層が、励起子減衰または励起子のその非励起状態への復帰に応答して、光放出層としての役割を果たす、ＥＬ素子において使用され得るようなヘテロ接合も指す。
【００４０】
図１は、本開示のある実装による、光電子素子１００の実施例の概略断面図である。この具体的実施例では、光電子素子１００は、光起電（ＰＶ）素子（例えば、太陽電池）として動作するが、当業者は、光電子素子１００が、別の種類の光電子素子として機能するように適応され得ることを理解するであろう。概して、光電子素子１００は、フラーレン層１１２と直接界面接触する量子ドット（ＱＤ）層１０８によって形成される電子的ヘテロ接合１０４に基づく任意の光電子素子である。このＱＤ−フラーレンヘテロ構造では、ＱＤ層１０８は、電子ドナー（または、正孔輸送）層としての役割を果たし、フラーレン層１１２は、電子アクセプタ（または、電子輸送）層としての役割を果たす。ＱＤ層１０８は、感光性であって、光１１６の吸収に応答して励起子を形成する。フラーレン層１１２もまた、感光性であって、光１１６の吸収に応答して励起子を形成する。ＰＶ素子または他の種類の光吸収素子の場合、ＱＤ層１０８は、電極１２０（アノードとしての役割を果たす）上に配置されてもよく、フラーレン層１１２は、ＱＤ層１０８上に直接配置され、電極１２４（カソードとしての役割を果たす）は、フラーレン層１１２上に配置されてもよい。典型的な実装では、電極１２０は、入射光１１６を伝達するように意図され、したがって、透明材料から構成される。この場合、電極１２０は、正面電極（入射光１１６を受光）と称され、他の電極１２４は、後面電極と称されてもよい。典型的には、電極１２０は、好適な基板１２８上に配置される、薄膜または塗膜として提供される。基板１２８が、透明材料から構成される場合、基板１２８は、保護層として  最終素子内に留保されてもよい。代替として、基板１２８は、例えば、ドライエッチング、ウェットエッチング、（化学）機械的研磨、レーザリフトオフ等、好適な除去プロセスによって除去されてもよい。素子１００の別の実施形態では、導体１２４は、公称上、透明であって、電極１２０は、透明であってもよく、またはそうでなくてもよい。本実施形態では、基板１２８は、透明であってもよく、またはそうでなくてもよい。
【００４１】
光電子素子１００は、それぞれ、適切な取着手段によって、電極１２０および電極１２４に接続される送電線（電線等）を介して、電力消費負荷または貯蔵素子１３２（例えば、バッテリ、回路、電気素子等）、または代替として、光検出器、ＥＬ素子等の場合の電源と電気連通状態に置かれてもよい。光吸収素子として動作の際、電極１２０を通過する光１１６（または、より一般的には、電磁エネルギー）は、ＱＤ層１０８内の励起子（電子−正孔対）の光生成を誘発する。光はまた、フラーレン層１１２内に吸収され、フラーレン１１２層内の光生成励起子を誘発してもよい。励起子は、ＱＤ層１０８とフラーレン層１１２との間の接合またはその近傍において電子および正孔に分離される。正孔は、ＱＤ層１０８を通して、電極１２０に輸送され、電子は、フラーレン層１１２を通して電極１２４に輸送される。その結果、電流は、負荷または貯蔵素子１３２を通って流動する。当業者によって理解されるように、光電子素子１００は、正孔および電子のそのそれぞれの電極１２０および１２４への高速伝播を促進するか、および／または電子−正孔再結合の確率を低減させる付加的層（図１に図示せず）を含んでもよい。また、光電子素子１００または多くのそのような素子１００の相互接続されたアレイは、当業者に周知の任意の好適な手段によって必要とされるように、パッケージ化または封入されてもよい（図示せず）。
【００４２】
ＱＤ層１０８は、複数の量子ドット（ＱＤ）を含む。ＱＤ層１０８は、５ｎｍ乃至５μｍの範囲の長さを有してもよい。この文脈において、厚さは、図１の斜視図から垂直方向に定義されるが、任意の特定の基準フレームに対して、光電子素子１００の特定の配向に限定されるものではないことを理解されたい。この教示に典型的な実装では、ＱＤは、無機半導体材料から構成される。一特定の有利であるが非限定的な実施例では、ＱＤは、硫化鉛（ＰｂＳ）結晶または粒子である。より一般的には、ＱＤは、種々のＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、ＩＶ−ＶＩ族、およびＶ−ＶＩ族材料から選択されてもよい。実施例として、ＩＩ−ＶＩ族材料、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＨｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＭｇＯ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＣａＯ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＳｒＯ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、およびＢａＯ；Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料、例えば、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ２、ＣｕＩｎＳｅ２、およびＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＩＩＩ−Ｖ族材料、例えば、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、およびＩｎＳｂ；ＩＶ族材料、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＣ；ＩＶ−ＶＩ族材料、例えば、ＧｅＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＰｂＯ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、およびＳｎＳ；ならびにＶ−ＶＩ族材料、例えば、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３、およびＢｉ２Ｓｅ３が挙げられるが、それらに限定されない。Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｕの酸化物、硫化物、ならびにリン化物等の遷移金属化合物が、適用可能であり得る。ＱＤの実施例としてさらに、前述の種を含む二元、三元、四元等の合金または化合物（例えば、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰ等）が挙げられる。他のＱＤは、他の種類の半導体材料（例えば、ある有機およびポリマー材料）を含んでもよい。コアシェル構造を有するＱＤの場合、シェルは、前述の種または他の種のうちの１つから構成されてもよく、コアおよびシェルのそれぞれの組成物は、異なってもよく、例えば、コアシェル組成物は、ＣｄＳｅ−ＺｎＳである場合がある。
【００４３】
当業者によって理解されるように、ＱＤのために選択される組成物は、バンドギャップエネルギーまたは波長感度等の所望の特性に基づいてもよい。実施例として、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｉＧｅ等のＱＤが、ＩＲ感度のために選択されてもよい一方、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、またはＣｄＴｅ等のＱＤは、可視感度のために、ＺｎＳまたはＺｎＳｅ等のＱＤは、ＵＶ感度のために選択されてもよい。ＰｂＳおよび他のＩＲ感光性ＱＤは、太陽エネルギーの大部分が、ＩＲ領域内の光電子素子線による変換に対して利用可能であるので、光起電素子において特に有用である。青色、ＵＶ、および近ＩＲ吸収（または、放出）ＱＤもまた、選択されてもよい。さらに、ＱＤのサイズは、所望の範囲の電磁放射を吸収または放出するように選択されてもよい。概して、臨界サイズを下回る所与の種のＱＤの場合、サイズが小さいほど、より短い（より青い）波長に対してより敏感であって、サイズが大きいほど、より長い（より赤い）波長に対してより敏感である。さらに、ＱＤの光電子挙動は、ＱＤ層１０８内のその形状およびそのサイズ分布に応じて、カスタマイズされてもよい。加えて、ＱＤ層１０８は、２つ以上の異なる種（組成物）および／または２つ以上の異なる具体的サイズのＱＤを含んでもよい。これは、ＱＤ層１０８の特性、挙動、または性能の範囲を拡大することが所望されるときに有用である。例えば、ＱＤ層１０８内のＱＤの混合物は、ＱＤ層１０８が、異なる帯域の電磁スペクトル（例えば、可視およびＩＲ放射、可視およびＵＶ放射等）に対して、向上した応答性を有するように選択されてもよい。代替として、または加えて、２つ以上の個別のＱＤ層１０８が提供されてもよく、それぞれ、異なる組成物またはサイズのＱＤを有する。２つ以上のＱＤ層１０８は、光電子素子１００内に、対応する数の別個のＱＤ−フラーレン接合の一部を形成してもよい。
【００４４】
ＱＤは、例えば、コロイド合成、プラズマ合成、蒸着、エピタキシャル成長、およびナノリソグラフィ等の種々の周知の技法によって形成されてもよい。ＱＤのサイズ、サイズ分布、形状、表面化学物質、または他の属性は、現在周知または後に開発される任意の好適な技法によって、所望の特性（例えば、光子吸収および／または放出）を有するように設計または調整されてもよい。ＱＤ層１０８は、任意の好適な方法、特に、種々の周知の塗膜および印刷方法またはドクターブレーディング等の溶液ベースの方法によって、下層（例えば、電極１２０または挿入層）上に形成されてもよい。一実施例では、ＱＤは、マトリクス材または母材の有無を問わず、アニソール、オクタン、ヘキサン、トルエン、ブチルアミン、水等の有機キャリア溶媒の溶液中に提供され、スピンコーティングによって、所望の厚さに成膜される。その後、過剰溶媒は、蒸発、真空、または熱処置によって排除されてもよい。形成後、ＱＤ層１０８は、残留溶媒を含んでもよく、またはそうでなくてもよい。成膜直後の状態のＱＤ層１０８は、複数のＱＤの集合またはアレイを含むように特徴付けられ得る。ＱＤは、マトリクス材を含有せず、緊密に、但し、多少独立してパックされてもよい。マトリクス材がない場合、ＱＤ層１０８は、ロンドンの力またはファン・デル・ワールス力によって安定化され得る。代替として、ＱＤは、ポリマー、ゾルゲル、または意図された下層表面上に膜を容易に形成することができる他の材料から構成され得るマトリクス材内に、所望の密度または濃度で分散されてもよい。概して、選択されるマトリクス材は、光／電気または電気／光変換、あるいはＱＤおよび全体的光電子素子１００の想定される他の性能パラメータを向上させるように選定される。そのようなマトリクス材の一実施例は、ポリ−３−ヘキシルチオフェン等の半導体ポリマーである。代替として、ＱＤは、後述のように処置して、膜を低溶解性にすることによって安定化されてもよい。
【００４５】
本教示の側面によると、ＱＤ層１０８は、低い欠陥密度をもたらすように形成され、それによって、ＱＤ層１０８内の局所ピンホールおよび短絡を減少させる。一実施例として、ＱＤは、比較的低い揮発性（例えば、アニソール等）または下層基板に対する改良された湿潤性（例えば、オクタンまたは他のアルカン等）を有する少なくとも１つの溶媒構成要素を含む溶液中に提供される。別の実施例では、ＱＤ含有溶液は、膜厚を増加させるか、および／またはピンホールを減少させるための多重塗膜として適用される。別の実施例では、ＱＤ膜は、第１の塗膜として成膜され、次いで、後述のように、成膜後処置に曝され、膜を低溶解性にする。次いで、付加的ＱＤ膜が、処置された第１の塗膜上の第２の塗膜として成膜され、ＱＤ層１０８内の任意の欠陥／ピンホールを不動態化することを支援する。ＱＤ含有膜の成膜反復後の各膜の成膜後処置は、所望の層厚を達成するか、または欠陥密度を減少させるための必要に応じて、ある回数だけ反復されてもよい。
【００４６】
本教示の側面によると、形成直後の状態のＱＤ層１０８は、ＱＤの電子的輸送特性を改善し、その結果、光電子素子１００の性能を改良する成膜後プロセスまたは処置に曝されてもよい。これは、ＱＤ層１０８／透明導体１２０／基板１２８構造を化学溶液中に浸漬することによる等、ＱＤを選択された化学物質に曝露することによって達成される。代替として、形成直後の状態のＱＤ層１０８は、選択された化学物質または複数の化学物質を含む気相雰囲気に曝露することによって、処置を受けてもよい。ＱＤ層１０８を処置するために利用される化学物質は、電荷キャリア移動度を改善し、ＱＤ層１０８内の欠陥または不飽和表面結合を不動態化してもよい。ＱＤの電子的特性の改善に加え、化学処置は、膜形態の実質的修飾をもたらしてもよい。化学処置後、ＱＤ層１０８は、向上した光密度、向上したドット比質量偏差、および／または向上した機械的および化学的ロバスト性を示してもよい。ＱＤ膜形態におけるこれらの変化はさらに、電荷キャリア移動度の有意な増加および素子性能の改良に寄与する。成膜後処置のために利用され得る化学物質の実施例として、以下のうちの１つ以上が挙げられる：エタンチオール、アルキルチオール、アルキルチオール、アルキニルチオール、アリールチオール、エタンジチオール、ベンゼンジチオール、アルキルポリチオール、アルケニルポリチオール、アルキニルポリチオール、アリールポリチオール、カルボン酸、ギ酸、メタノール、トルエン、イソプロピルアルコール、クロロホルム、アセトニトリル、酢酸、ブチルアミン、１，４ブチルジアミン、アルキルアミン、アルケニルアミン、アルキニルアミン、アリールアミンアルキルポリアミン、アルケニルポリアミン、アルキニルポリアミン、およびアリールポリアミン。
【００４７】
成膜後プロセスに先立って、ＱＤ層１０８は、例えば、１０−６乃至１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒の範囲内の電荷キャリア移動度を有してもよい。成膜後プロセスの結果として、ＱＤ層１０８は、例えば、１０−４乃至１０ｃｍ２／Ｖ−秒の範囲内の電荷キャリア移動度を有してもよい。本明細書では、成膜後化学処置を受け、移動度＞１０−４ｃｍ２／Ｖ−秒を達成するＱＤ層は、高移動度ＱＤ層と見なされることを理解されたい。高移動度ＱＤ層の特色の１つは、２つの隣接するＱＤの表面間の距離がより短いことであり得る。この距離は、粒子間間隔と呼ばれ、成膜直後の状態のＱＤ層の場合、３ｎｍ以上であり、高移動度ＱＤ層の場合、２ｎｍ以下であってもよい。高移動度ＱＤ層の厚さは、粒子間間隔の減少のため、成膜直後の状態のＱＤ層と比較して、２０％乃至８０％だけ減少されてもよい。別の実施例では、移動度ＱＤ層の厚さは、成膜直後の状態のＱＤ層と比較して、４０％乃至７０％だけ減少されてもよい。ＱＤ層の処置の結果としての厚さの減少の実施例は、図４Ａおよび４Ｂと併せて後述される。
【００４８】
フラーレン層１１２は、複数のフラーレンを含む。フラーレン層１１２は、３ｎｍ乃至３００ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。フラーレンは、黒鉛電極間の有機複合またはアーク放電等の種々の周知の技法によって形成されてもよい。フラーレン層１１２はさらに、ポリマー膜またはその中にフラーレンが分散される他の好適なマトリクス材を含んでもよい。フラーレン層１１２は、例えば、熱蒸発、スピンコーティング、あるいは所望の厚さのフラーレン含有層を提供するために好適な任意の他の成膜または膜形成技法によって、ＱＤ層１０８上に形成されてもよい。
【００４９】
電極１２０は、電気的に伝導性である任意の材料であってもよく、電極１２０が、入射光１１６を受光するように意図される場合、光学的に透明である。この文脈において、電気的に伝導性である材料は、概して、商業または産業グレード、すなわち、容認可能な低レベルの抵抗損失を伴う回路内に電流を通過させるための電極または接点として使用するために容認可能であると見なされるであろうものである。光学的に透明な材料は、概して、十分な量の入射光１１６が、その厚さを通って通過し、ＱＤ層１０８のＱＤを照射する、すなわち、光子の有意な反射および吸収を伴わないものである。一非限定的な実施例として、透明材料は、（所望の波長または波長の範囲の）入射電磁放射１１６の少なくとも５０％を材料の厚さを通して伝達させるものであってもよい。加えて、電極１２０の材料は、ＱＤの成膜のために好適な表面を提供し、概して、信頼性があり、かつ低コストでの光電子素子１００の加工を容易にするものであるべきである。故に、電極１２０の材料は、基板（すなわち、基板１２８）上の薄膜として成膜することができる種類であってもよい。
【００５０】
電極１２０の実施例として、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、透明金属、および透明導電性ポリマーが挙げられるが、それらに限定されない。ＴＣＯは、例えば、酸化スズ（ＴＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、亜鉛インジウム酸化物（ＺＩＯ）、亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）、ガリウムインジウム酸化物（ＧＩＯ）、および前述の合金または誘導体をさらに含んでもよい。酸化スズはまた、フッ素（Ｆ）によってドープされてもよい。ＺｎＯは、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）等の第ＩＩＩ族元素によってドープされてもよく、したがって、より一般的には、ＺｎｘＡｌｙＧａｚＯ（式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、および０≦ｚ≦１）として化学量論的に表されてもよい。他の金属酸化物ならびに非酸化物薄膜半導体も好適であり得る。金属の場合、種々の金属（例えば、銀、金、白金、チタン、リチウム、アルミニウム、マグネシウム、銅、ニッケル、およびその他）、金属含有合金（多層または２つ以上の異なる金属を含む、タングステン等の接着促進層の有無を問わず）、あるいは金属含有化合物が、金属電極１２０が、透明であるために十分に薄く、すなわち、「透明厚」を有する限り、電極１２０として採用されてもよい。光電子素子１００が、ＩＲ範囲内で敏感であるように所望される場合、電極１２０は、ＩＲ波長に対して十分に透明であるべきである。電極１２０は、典型的には、例えば、化学気相成膜（ＣＶＤ）、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、高周波（ＲＦ）またはマグネトロンスパッタリング、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、イオンビームエピタキシ、レーザＭＢＥ、パルスレーザ成膜（ＰＬＤ）等の真空成膜技法によって、基板１２８上に加工される。組成物に応じて、熱蒸発または凝華等の他の成膜技法が好適であり得る。導電性ポリマーは、十分に透明である場合、代替として、電極１２０として採用されてもよく、溶液ベースのプロセス、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング等によって成膜されてもよい。透明導電性ポリマーの一非限定的実施例は、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ナート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ならびにその化学類縁体および誘導体である。導電性カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはナノシート（例えば、グラフェン）の層は、電極１２０として採用されてもよく、ＣＮＴまたはナノシートを囲繞するマトリクス材を含んでもよいか、またはそうでなくてもよい。電極材料はまた、複合電極１２０を形成するように組み合わせられてもよい。一実施例は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ等の界面の質を改善するように導電性ポリマーと組み合わせられたＩＴＯ等のＴＣＯの使用である。別の実施形態では、導体１２０は、透明である必要はなく、金属、金属含有合金、または金属含有化合物から選択されてもよい。電極１２０または１２４の一方あるいは両方が、透明であるべきである。
【００５１】
電極１２４はまた、電極１２０に関する前述の説明に従って提供されてもよい。光電子素子の典型的実装では、電極１２４は、透明である必要はなく、したがって、その組成物は、典型的には、金属、金属含有合金、または金属含有化合物から選択される。電極１２４は、オーム接点としてのその仕事関数またはその可用性に基づいて選択されてもよい。電極１２４は、その上に成膜される下層の表面全体（例えば、本実施例では、フラーレン層１１２）または下層表面の一部を被覆してもよい。さらに、伝導性材料の層を提供し、続いて、任意の好適な技法によって、伝導性層から電極１２４を形成することによる等、２つ以上の物理的に別個の電極１２４が提供されてもよい。一好ましい実施例では、電極１２４は、アルミニウムから構成される。
【００５２】
基板１２８は、概して、電極１２０を加工するために好適な任意の組成物を有してもよく、利用される種類の成膜技法、基板１２８が透明である必要があるかどうか、基板１２８が、加工後、電極１２０から除去される必要があるかどうか、光電子素子１００の最終用途等の要因に依存してもよい。したがって、基板１２８の組成物は、概して、種々のガラス（光学グレードを含む）、セラミック（例えば、サファイア）、金属、誘電材料、電気的に伝導性または絶縁ポリマー、半導体、半絶縁材料等を含んでもよい。
【００５３】
図２は、本開示のある実装による、光電子素子２００の別の実施例の概略断面図である。この実装において、材料の１つ以上の付加的層が提供され、量子効率または電力変換効率等の性能関連属性を改善する。例えば、正孔ブロッキング層２４２は、フラーレン層１１２と電極１２４との間に挿入され、正孔が電極に向かって進行し、可能性として、電極表面近傍の自由電子と結合するのを防止してもよい。正孔ブロッキング層２４２は、正孔ブロッキング機能を提供するために好適な任意の有機または無機材料から構成されてもよい。実施例として、無機化合物、例えば、ＴｉＯ２またはＺｎＯ、有機化合物、例えば、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（バトクプロインまたはＢＣＰ）、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（バトフェナントロリンまたはＢＰｈｅｎ）、２，９−ビス（ナフタレン−２−ｙｌ）−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（ＮＢＰｈｅｎ）、あるいは金属キレート錯体、例えば、トリス−８−ヒドロキシキノリナトアルミニウム（Ａｌｑ３）、ならびに前述の化学類縁体および誘導体が挙げられるが、それらに限定されない。有機光電子素子内で電子輸送または正孔ブロッキング層として従来利用されているいくつかの有機化合物は、この実装において、正孔ブロッキング層２４２として有効であってもよい。正孔ブロッキング層２４２はまた、向上したキャリア濃度を提供するドープ層を含んでもよい。ドーパントは、有機分子あるいはリチウムまたはセシウム等のアルカリ金属を含んでもよい。正孔ブロッキング層２４２の厚さは、概して、その組成物に依存するであろう。いくつかの実施例では、正孔ブロッキング層２４２の厚さは、１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲である。
【００５４】
他の実装では、正孔ブロッキング層２４２に加えて、またはその代替として、光電子素子２００は、電極１２０とＱＤ層１０８との間に挿入されることにより、電子が電極１２０に向かって進行し、可能性として正孔と結合することを防止する電子ブロッキング層２４４を含んでもよい。電子ブロッキング層２４４は、電子ブロッキング機能を提供するために好適な任意の有機または無機材料から構成されてもよい。実施例として、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化銅（ＣｕＯｘ）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）、フタロシアニン、例えば、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）またはフタロシアニンスズ（ＳｎＰｃ）（しかしながら、金属−Ｐｃ化合物に限定されない）、４，４’，４”−トリス（３−メチルフェニルフェニルアミノ）−トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（１−ナフチル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（α−ＮＰＤ）、ならびに前述の化学的類縁体および誘導体が挙げられるが、それらに限定されない。加えて、層１０８内におけるＱＤとは異なる電位エネルギーを有するＱＤが、電子ブロッキング層２４４として採用されてもよい。電荷再結合は、これらの層内またはそれに隣接して生じ得るので、高伝導性を有する材料が、概して好適であるわけではない。成膜後、電子ブロッキング層２４４の特性を修飾し、その有効性を改善することが望ましい場合がある。これらの処置は、種々の酸化または還元雰囲気中におけるアニーリングあるいは酸化または還元プラズマへの曝露を含むことができる。適切な酸化または還元種および反応チャンバは、当業者に周知であって、したがって、本明細書で詳細に説明される必要はない。有機光電子素子内で正孔輸送または電子ブロッキング層として従来利用されるいくつかの有機化合物は、本実装では、電子ブロッキング層２４４として有効であってもよい。電子ブロッキング層２４４の厚さは、概して、その組成物に依存するであろう。いくつかの実施例では、電子ブロッキング層２４４の厚さは、１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲である。
【００５５】
いくつかの実装では、電子ブロッキング層２４４が電極１２０を部分的にのみ被覆するように加工されることが有利であり得る。部分的被覆を提供する電子ブロッキング層２４４は、不連続層または膜と称されてもよい。不連続な電子ブロッキング層２４４は、励起子および／または電子ブロッキング能力の最良の組み合わせを提供する一方、電極１２０への正孔の効率的輸送を可能にし得る。この部分的被覆は、周知のパターン化技法によって、または部分的被覆のみもたらすような好適な条件下で膜を成膜することによって形成されてもよい。パターン化技法の実施例として、マスクの使用、インクジェット印刷による成膜等が挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの実装では、不連続電子ブロッキング層２４４は、その中で、電子ブロッキング材料の島または領域が、電子ブロッキング材料を含有しない（すなわち、電子ブロッキング層２４４の平面レベルにおける電子ブロッキング材料の欠如）領域によって分離または囲繞される構成を有する。他の実装では、不連続電子ブロッキング層２４４は、その中に電子ブロッキング材料を含有しない領域が、電子ブロッキング材料によって囲繞される構成を有する。故に、不連続電子ブロッキング層２４４において、電子ブロッキング層２４４の平面領域の大部分は、電子ブロッキング材料によって占有されてもよく、またはそうでなくてもよい。不連続電子ブロッキング層２４４が、パターンとして提供されるとき、パターンは、規則的または不規則的であってもよい。パターンの実施例として、一連のストライプ、多角形のアレイ、円形またはドットのアレイ等が挙げられるが、それらに限定されない。
【００５６】
前述のもの等の正孔ブロッキング層２４２および／または電子ブロッキング層２４４はまた、それが界面接触される半導体層のその組成物および特性に応じて、励起子ブロッキング層としての役割を果たし、それらが、電極／半導体界面から解離され、遠ざけられている必要がある場合、光生成励起子をヘテロ接合の領域に閉じ込めてもよい。アノード側および／またはカソード側の励起子ブロッキング層もまた、正孔ブロッキング層２４２および／または電子ブロッキング層２４４に加えて、提供されてもよい。当業者によって理解されるように、励起子ブロッキング層の組成物は、励起子ブロッキング層が、関連方向における正孔輸送または電子輸送を害することがないように、アノード（例えば、電極１２０）またはカソード（例えば、電極１２４）に隣接して位置付けられるかどうかによって決定されてもよい。また、正孔ブロッキング層、電子ブロッキング層、および励起子ブロッキング層は、移動度を向上させる、またはその構造を安定化させる等の種々の目的のために必要とされるような他の化合物によってドープされてもよいことを理解されたい。さらに、これらの種類の層はまた、加工プロセスの際、成膜直後の状態の下層を保護するための保護層として望ましい場合がある。当業者は、前述の材料の実施例の化学的誘導体または類縁体の可用性、ならびに正孔ブロッキング層、電子ブロッキング層、および励起子ブロッキング層として利用され得る、そのような材料の同様に挙動する代替を理解するであろう。
【００５７】
有機組成物が、正孔ブロッキング層２４２、電子ブロッキング層２４４、および／または任意の付加的励起子ブロッキング層のために選択される場合、そのような有機層は、電極１２０および／または１２４を成長あるいは成膜するために利用されるのと同一成膜チャンバ内で成膜されてもよい。この場合、有機層は、有機気相成膜（ＯＰＶＤ）、有機分子ビーム成膜、または任意の他の好適な成膜技法によって成膜されてもよい。代替として、有機層は、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、インクジェット印刷、グラビア印刷、蒸発、凝華等によって成膜されてもよい。
【００５８】
別の実装では、素子は、ＱＤ層１０８がフラーレン層１１２上に成膜されるように、本明細書に説明される層の順番を逆にすることによって加工されてもよい。ヘテロ接合の特性および成分層の機能は、同一のままであることを理解されたい。
【００５９】
独特のＱＤ−フラーレンヘテロ接合は、周知のヘテロ接合に勝る実質的改良を構成する。特に、ＱＤ−フラーレンヘテロ接合は、向上した光吸収および他のヘテロ接合によってアクセス可能ではない波長における光吸収を呈する。改良された光吸収の結果、より高い光電流密度がもたらされる。ヘテロ接合は、エネルギーギャップに対して、効率的電荷分離および高開回路電圧を呈し、他の種類のヘテロ接合に基づく素子と比較して、より高い電力変換効率をもたらす。別の改良は、本層の電荷輸送特性を改善するためのＱＤ層１０８の成膜後処置を含む。本技法は、電荷分離効率を増加させ、電荷抽出効率を増加させ、直列抵抗を低下させ、効率を低減させることなく、より厚いＱＤ層１０８の使用を可能にする。別の改良は、前述のような電子ブロッキング層２４４の使用であって、電極−ＱＤ層界面における励起子再結合を低下させることによって、電荷分離効率を増加させ、ＱＤ層１０８内の欠陥の悪影響を制限するのを支援する。
【００６０】
本明細書に説明されるように、ＱＤ−フラーレンヘテロ接合を実装する光電子素子は、本ヘテロ接合の利点のうちのいくつかを実証する性能特色を呈している。一実施例では、光起電素子は、図１に例証される構造に基づいて加工され、図２に例証される電子ブロッキング層２４４を含んでいる。２ｎｍ厚のＭｏＯ３電子ブロッキング層２４４が、ＩＴＯ電極１２０によって塗膜されたガラス基板１２８上に成膜された。ＱＤ層１０８は、５０ｍｇ／ｍｌの濃度を伴うオクタン中、ブチルアミン被膜ＰｂＳ  ＱＤの溶液をスピンコーティングすることによって、電子ブロッキング層２４４上に形成された。過剰な溶媒を蒸発させた後、結果として生じるＱＤ層１０８は、約８０ｎｍの厚さを有していた。次いで、ＱＤ層１０８は、５分間、アセトニトリル中５％ギ酸に浸漬することによって処置された。次いで、フラーレン層１１２は、３０ｎｍ層のＣ６０フラーレンの熱蒸発によって、ＱＤ層１０８上に形成された。次いで、５ｎｍ層のＢＣＰが、正孔ブロッキング層２４２としての役割を果たすために、熱蒸発によって、フラーレン層１１２上に形成された。次いで、電極１２４が、１００ｎｍ厚層のＡｌに続いて、１００ｎｍ厚層のＡｇから構成されるＢＣＰ上に成膜された。ＡＭ１．５Ｇの太陽スペクトルに近似するフィルタを伴うＸｅ光源を、ＮＩＳＴ追跡可能Ｓｉ基準セルを使用して較正し、１００ｍＷ／ｃｍ２放射照度をもたらした。光起電素子のガラス側は、本源を使用して照射された（試料は、周囲温度であって、周囲酸素および湿度からの保護を伴わない）。電極１２４の面積は、較正された顕微鏡を使用して測定され、〜０．７５ｍｍ２であった。電流は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２４００  ＳｏｕｒｃｅＭｅｔｅｒ電源／計測器を使用して、印加された電圧の関数として測定され、図３におけるＩ−Ｖデータをもたらした。本光起電素子は、式ＰＣＥ＝ＩＳＣ×ＶＯＣ×ＦＦ（式中、それぞれ、その標準的定義に従って、ＰＣＥは、電力変換効率であって、ＩＳＣは、短絡電流であって、ＶＯＣは、開回路電圧であって、ＦＦは、曲線因子である）に従って、４．５％の電力変換効率を呈した。
【００６１】
ＱＤ層の電荷キャリア移動度は、電界効果移動度法を使用して測定した。ＱＤ膜は、別個の基板上に加工されたが、ＰＶ素子内のものと等しいＱＤ層のためのプロセスステップを採用する。本方法では、薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、ＱＤを使用して加工され、ＦＥＴ移動度は、素子のゲート電圧対ドレイン電流伝達曲線の測定から抽出される。電荷キャリア移動度が、他の技法によって、またはＱＤ層の異なる物理的実装を使用して、あるいは異なる温度等の異なる条件下、測定される場合、異なる測定値が得られてもよい。したがって、用語「移動度」は、本文脈では、電界効果法および本明細書に説明される素子構造を使用して測定された値を指し、測定は、周囲温度において行われ、ＰＶ素子において使用されたＱＤ層と同じ方法で処理されるＦＥＴ素子内のＱＤ層を使用する。さらに、ある材料系における移動度は、印加電圧に対して依存性を有することが知られている。本明細書に説明される移動度値はすべて、−２０Ｖ乃至＋２０Ｖの範囲に及ぶ、ソース−ゲートおよびソース−ドレイン電圧を伴う素子に対するものである。
【００６２】
ＦＥＴ素子は、以下のように加工される。最初に、５０ｎｍ厚のＳｉＯ２層が、伝導性結晶性シリコン基板の熱酸化によって成長される。基板は、ゲート電極としての役割を果たし、ＳｉＯ２は、ゲート誘電体としての役割を果たす。Ａｕソースおよびドレイン電極は、パターン化され、ＳｉＯ２上に成膜される。ソースおよびドレイン電極は、ＦＥＴチャネル長である５μｍ幅の空隙およびＦＥＴチャネル幅である２．５ｍｍ幅によって分離される。ＱＤ層は、ＱＤの溶液をＦＥＴ基板上にスピンコーティングし、ゲート誘電体の上部にあって、ソースおよびドレイン電極を接続する、材料の膜を形成することによって成膜される。ゲート電極、ゲート誘電体、ソースおよびドレイン電極、ならびにＱＤ膜の組み合わせは、ＦＥＴ素子を形成する。
【００６３】
ＱＤ膜の移動度を測定するために、固定電圧が、ソースとドレイン電極との間に印加され、それらの間の電流が測定される。固定電圧は、線形領域として一般的に知られる、ソース−ドレイン電流が、ドレイン電圧に伴って、線形に変動する、ＦＥＴ応答の部分内にあるように選定される。次いで、ゲート電圧は、変化し、ソース−ドレイン電流が、ゲート電圧の各値に対して測定される。ゲート電圧対ソースドレイン電流のプロットは、ＦＥＴ素子の伝達曲線である。ＱＤ移動度は、伝達曲線の勾配、ソースとドレイン電極との間に印加される電圧の値、および式
【００６４】
【数１】
2013506302.tif 000003
（式中、ｇｍ（相互コンダクタンス）は、伝達曲線の勾配であり、Ｗは、トランジスタ幅であり、Ｃｉは、ゲート酸化物容量であり、Ｌは、トランジスタ長であり、Ｖｄｓは、印加されたドレイン−ソース電圧であり、およびμは、ＦＥＴ移動度である）に従う素子構造の幾何学形状を使用して、抽出される。
【００６５】
ＱＤ電荷キャリア移動度がＱＤ−フラーレン接合ＰＶ素子の電力変換効率に及ぼす影響を例証するために、前述に引用したＤｉｓｓａｎａｙａｋｅらによって説明されたものに類似する、低キャリア移動度を伴う素子を加工した。次いで、本明細書に説明されるように、高キャリア移動度ＱＤ層を伴う素子を加工し、その性能を低移動度ＱＤを含有するものと比較した。
【００６６】
低移動度ＱＤ材料は、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓの測定されたＦＥＴ移動度を有していた。低移動度ＱＤ層を伴って加工されたＱＤ−フラーレン素子は、０．４％の電力変換効率を有していた。対照的に、高ＱＤ移動度を伴って加工された素子は、４．５ｘ１０−３ｃｍ２／Ｖｓの測定されたＦＥＴ移動度を有していた。高移動度ＱＤ層を伴って加工されたＱＤ−フラーレン素子は、４．５％の電力変換効率を有していた。
【００６７】
本実験は、ＱＤ−フラーレン接合素子において、４％を上回る電力変換効率を得るためには、ＱＤ層内の移動度が、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓを上回らなければならないことを実証する。本実施例において、ＱＤ膜の加工において採用されるギ酸処置は、１ｘ１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓを超える移動度を伴うＱＤ膜を得るための方法の１つであるが、しかしながら、前述に示されるように、他の方法および変形例もまた、可能である。
【００６８】
図３における素子によって呈されたこの電力変換効率は、本実施形態における改良によって、Ｄｉｓｓａｎａｙａｋｅらによって報告された素子よりも〜２０倍高くなる。素子構造および加工プロセスのさらなる精緻化によって、改良された電力変換効率が期待される。
【００６９】
図４Ａは、目的を試験するために、本開示に従って加工された量子ドット／フラーレンヘテロ接合を含む、複合構造４００のＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）画像である。図４Ｂは、図４Ａに類似する複合構造４０５のＳＥＭ画像であるが、量子ドットは、本明細書に開示される技法に従って処置された。いずれの場合も、材料系は、以下のようになる：シリコン基板４２８／硫化鉛（ＰｂＳ）ＱＤ層４０８／Ｃ６０および正孔ブロッキング層４１２／金属接点４２４。２つの複合構造４００および４０５は、ＱＤ層４０８以外、同様に加工された。図４Ａの複合構造４００では、ＰｂＳ  ＱＤは、未処置であって、ＱＤ層４０８は、９２ｎｍの厚さを有していた。対照的に、図４Ｂの複合構造４０５では、成膜後のＰｂＳ  ＱＤは、ギ酸の処置によって修飾された。本処置は、複合構造４０５のＱＤ層４０８内の粒子間間隔を減少させ、それによって、膜厚の減少をもたらした。複合構造４０５内の結果として生じるギ酸処置されたＱＤ層４０８の厚さは、５２ｎｍであった。
【００７０】
他の実装では、光電子素子は、多数の活性電子接合またはサブセルを含んでもよく、これは、効率を改善させ得る。例えば、光電子素子は、交互または周期的ＱＤ層１０８およびフラーレン層１１２を含む、積層構成を有してもよい。随意に、伝導性（電荷輸送）層が、各ＱＤ−フラーレン二重層ヘテロ構造間に挿入されてもよい。別の代替として、光電子素子は、少なくとも１つのＱＤ−フラーレン二重層ヘテロ構造と、他の種類の電子ドナーおよび電子アクセプタ材料（例えば、有機ヘテロ接合、無機ヘテロ接合）によって形成される、１つ以上の付加的ヘテロ接合と、を含む、積層構成を有してもよい。本後者の場合、ＱＤ−フラーレン二重層ヘテロ構造は、具体的目的（例えば、ＩＲ感度）のために提供されてもよい一方、他の種類のヘテロ構造は、異なる目的（例えば、可視光感度）のために提供される。
【００７１】
他の実装では、図１および２に例証される層のシステムは、光検出器として利用されてもよい。当業者によって理解されるように、これは、外部バイアスを印加し、光検出用途のために適切な付加的回路を提供することによって達成されてもよい。
【００７２】
なおも他の実装では、図１および２に例証される層のシステムは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいは他の種類のエレクトロルミネセント、もしくは光源として、または情報の伝達のために有用な光輝性素子を生成するために利用され、あるいは必要に応じて、修飾され、省略または追加されてもよい。ほとんどの事例では、ＥＬ素子の活性半導体構造は、概して、伝導性正孔輸送層および光放出電子輸送層の接合を含む。光放出層内に発生される光は、正孔輸送層および電極（アノード）を通過する。加えて、または代替として、カソードは、光放出層から光を直接通過させるように、透明であってもよい。当業者によって理解されるように、適切な材料のうちの１つ以上の層が、反射体として機能するように、活性接合の両側に提供されてもよい。図式的に、図１に描写される負荷１３２は、ＥＬ素子のための電圧源と交換されてもよい。ＱＤは、前述のように、１つ以上の所望の波長またはスペクトル範囲に特異的ルミネッセンスを提供するために利用されてもよい。効率を改善するために、半導体構造は、２つ以上の活性発光ＱＤ−フラーレン接合を含んでもよい。代替として、別個のＱＤ層は、異なる種類またはサイズのＱＤを備えてもよい。例えば、１つのＱＤ層は、応答して可視光を放出するように別のＱＤ層を活性化する光電流を提供する、ＩＲまたはＵＶ吸収あるいは（検出）層であってもよい。代替として、吸収／検出および放出機能は、異なるＱＤの混合物を含有する単一ＱＤ層内に統合されてもよい。
【００７３】
材料の種々の層は、平面であるように、図１および２に図式的に描写される。しかしながら、本明細書に開示される光電子素子は、任意の特定の幾何学形状に限定されないことを理解されたい。光電子素子は、湾曲プロファイルまたはある他の形状を有してもよい。さらに、利用される材料に応じて、光電子素子は、可撓性であってもよい。
【００７４】
ＱＤ層１０８とフラーレン層１１２との間の界面は、平面であるように、図１および２に図式的に描写される。しかしながら、接合は、平滑または切形でなくてもよいことを理解されたい。接合は、量子ドットおよびフラーレンの両方を含有する、混合領域を含むことが可能である。また、量子ドットおよびフラーレンの領域が、それぞれ、主に量子ドットおよび主にフラーレンである、相互貫入領域の網状体を形成するように、層が形成されることも可能である。加えて、単位基板面積あたりの向上したヘテロ接合面積を提供する、ピラー、孔、メサ、あるいは他のマイクロスケールまたはナノスケール構造等の垂直構造を使用して、光吸収を向上もしくは操作してもよい。そのような構造は、平面構造と同一ヘテロ接合を採用してもよいが、これらの他の実施例では、接合は、３次元に拡張されてもよい。
【００７５】
ＱＤ−フラーレン接合ベースの素子の実施例が、主に、光電子機器の文脈において、本明細書に説明されたが、当業者は、本明細書で教示されたＱＤ−フラーレンヘテロ構造が、一般に、マイクロ電子素子に適用されてもよいことを理解するであろう。すなわち、電子的接合としてのＱＤ−フラーレンヘテロ構造の使用は、光特異的用途に限定されない。非限定的実施例として、ＱＤ−フラーレン構造は、ディスプレイ素子（例えば、フラットパネルディスプレイ）、トランジスタ、光学ＭＥＭＳ素子、マイクロ流体素子、ラボチップ、外科的に埋入される素子等において利用されてもよい。
【００７６】
一般に、「連通する」および「連通している」（例えば、第１の構成要素は、第２の構成要素と「連通する」または「連通している」）等の用語は、本明細書では、２つ以上の構成要素または要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、信号的、光学的、磁気的、電磁気的、イオン的、または流体的関係を指すために使用される。したがって、１つの構成要素が、第２の構成要素と連通すると言われる場合、付加的構成要素が、第１と第２の構成要素との間に存在する、および／または動作可能に関連付けられる、あるいは係合され得る可能性を排除することを意図するものではない。
【００７７】
本発明の種々の側面または詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく、変更されてもよいことを理解されたい。さらに、前述の説明は、例証の目的にすぎず、制限の目的のためではなく、本発明は、請求項によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013506302.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2013506302.tif 000008
【国際調査報告】
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