(57)【要約】【課題】開放電圧およびＩｎＰ太陽電池の電力変換効率を向上する。【解決手段】本開示は、陰極、陽極、無機基板、および、陰極および無機基板との間；および／または陽極および無機基板との間に配置された少なくとも１つの有機窓層を含む装置に関する。陰極、陽極および無機基板を有する感光性装置の性能を向上する方法であって、陰極および陽極との間に少なくとも１つの有機窓層を配置することを含むことが開示される。一実施形態では、有機窓層は、光を吸収して、光電流に変換する無機部分に移動する励起子を生成することにより、装置の効率性を向上する。陰極、陽極および無機基板を含む感光性装置のショットキー障壁高さを向上する方法であって、上に定義された方法に実質的に類似の方法が開示される。ここで、それは、陰極および無機基板間；または陽極および無機基板間に、少なくとも１つの有機窓層を配置することに依存する。【選択図】図６
2013537366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と、
陽極と、
無機基板と、
前記陰極および無機基板との間、または前記陽極および無機基板との間の少なくとも一方に配置された、少なくとも１つの有機窓層と、
を有する装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置に比較して、以下の少なくとも１つの特性を示す請求項１に記載の装置：
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における上昇したＶOC；
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；
向上したショットキー障壁高さ；または
低減されたフォワード暗電流。
【請求項３】
前記無機基板上に配置された、少なくとも１つの無機エピ層をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記無機基板と前記少なくとも１つの無機エピ層との間に配置された、少なくとも１つの無機バッファ層をさらに含む請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記有機窓層は、
前記陰極および前記無機エピ層との間；および／または
前記陽極および前記無機エピ層との間において配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記陰極は、ｐ型またはｎ型半導体から選択された半導体材料を含む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記陰極は、ＩＴＯを含む請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記陽極は、半導体材料とオーミック接触を形成するのに十分な１つ以上の材料を含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
半導体材料とオーミック接触を形成するのに十分な前記材料は、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、その合金および積層から選択される請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記無機基板は、半導体材料を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記半導体材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）およびこれらの組合せから選択される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの無機エピ層は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）およびその組合せを含む請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの無機エピ層は、ＧａＡｓおよびＩｎＰから選択された少なくとも１つの材料を含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの無機バッファ層は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含む請求項３に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの無機バッファ層は、ＧａＡｓおよびＩｎＰから選択された少なくとも１つの材料を含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの有機窓層は、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、またはナフタレン四カルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの有機窓層は、２５ｎｍまでの厚さを有する請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置は、ショットキーバリア太陽電池である請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
陰極、陽極および無機基板を有する感光性装置の性能を向上する方法であって、
少なくとも１つの有機窓層を、
前記陰極および前記無機基板との間；および／または
前記陽極および前記無機基板との間に配置する方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置に比較して、前記装置が、以下の少なくとも１つの特性を示す請求項１９に記載の方法：
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における上昇したＶOC；
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；
向上したショットキー障壁高さ；または
低減されたフォワード暗電流。
【請求項２１】
前記無機基板上に配置された、少なくとも１つの無機エピ層をさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記無機基板と前記少なくとも１つの無機エピ層との間に配置された、少なくとも１つの無機バッファ層を配置することをさらに含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記陰極および前記無機エピ層との間；および／または
前記陽極および前記無機エピ層との間に、前記有機窓層を配置することをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記陰極は、ｐ型またはｎ型半導体材料から選択された半導体材料を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記陰極は、ＩＴＯを含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記陽極は、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、その合金および積層から選択される請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記無機基板は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）およびこれらの組合せから選択された材料を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも一つの無機エピ層は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）およびその組合せを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの無機バッファ層は、ＧａＡｓおよびＩｎＰから選択された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの有機窓層は、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、またはナフタレン四カルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの有機窓層は、２５ｎｍまでの厚さを有する請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記有機窓層は、光を吸収して、前記装置の無機部分に移動する励起子を生成する請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
前記生成された励起子は、光電流に変換する請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
陰極、陽極および無機基板を含む感光性装置のショットキー障壁高さを向上する方法であって、
少なくとも１つの有機窓層を、
前記陰極および前記無機基板との間；および／または
前記陽極および前記無機基板との間に配置することを含み、
前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置に比較して、前記装置が、以下の少なくとも１つの特性を示す方法：
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における上昇したＶOC；
１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；
向上したショットキー障壁高さ；または
低減されたフォワード暗電流。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１０年９月１４日出願のＵ．Ｓ．仮出願番号６１／３８２，８８５の利益を主張し、その開示は、参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
連邦政府によって資金援助された研究に関する声明
本発明の題目は、エネルギー省によって授与された契約番号第ＤＥ−ＳＣ０００１０１１に基づくＵ．Ｓ．政府援助を伴って準備されたものである。政府は、本出願の題目について、一定の権利を有する。
【０００３】
共同研究についての同意
本出願の主題は、産学共同研究についての同意に参画する１以上の以下の当事者を代表しておよび／またはそれに関連してなされたものである：ユニバーシティ・オブ・ミシガンおよびグローバル・フォトニック・エネルギー・コーポレーション。当該同意は、特許請求される発明がなされた日またはその前に有効であり、特許請求される発明は、同意範囲内で企図された活動の結果としてなされた。
【背景技術】
【０００４】
光電子工学装置は、電気的に電磁放射を発生または検出するため、若しくは大気中の電磁放射から電気を生成するための、部材の光学的および電気的な性質に依存する。
【０００５】
感光性の光電子工学装置は、電磁放射を電気に変換する。光起電（ＰＶ）装置とも呼ばれる太陽電池は、電力を生成するように特に使用される感光性光電子工学装置の一種である。太陽光以外の光源から電気的エネルギーを生成するＰＶ装置は、たとえば照明、暖房用等の電力を消費する負荷を駆動するために、または計算機、ラジオ、コンピュータ、並びに、遠隔監視または通信設備等の電子回路または装置に電源供給するために、使用することができる。太陽または他の光源からの直接的な照射が利用可能ではない時に動作が継続するように、または特定用途の必要性に伴うＰＶ装置の電力出力のバランスを維持するために、これらの電力を生成する応用装置もまた、電池またはその他のエネルギー保存装置の充電を伴う。ここで用いられる用語「抵抗性負荷」は、いかなる電力消費または保存回路、装置、設備またはシステムを指す。
【０００６】
その他の種類の感光性光電子工学装置は、光導電体セルである。この機能において、信号検出回路は、光吸収に起因する変化を検出するために、装置の抵抗を監視する。
【０００７】
その他の種類の感光性光電子工学装置は、光検出器である。動作中、光検出器は、光検出器が電磁放射下に置かれる時に生成される電流を計測する電流検出回路と共に使用され、印加されるバイアス電圧を有することがある。ここに記載される検出回路は、光検出器にバイアス電圧を提供でき、光検出器の電磁放射への電気的反応を計測できる。
【０００８】
これら３区分の感光性光電子工学装置は、以下に定義される整流接合があるか否かによって、そして装置がバイアスまたはバイアス電圧としても知られる外部印加電圧を伴って作動されるか否かによっても特徴付けられる。光導電体は整流接合を有さず、通常バイアスを伴って作動される。ＰＶ装置は、少なくとも一つの整流接合を有し、バイアスを伴うことなく作動される。光検出器は、少なくとも一つの整流接合を有し、通常しかし常にではないが、バイアスを伴って作動される。一般原則として、光電池は、回路、装置または設備に電力を提供するが、検出回路を制御する信号や電流、または検出回路からの出力情報を提供しない。反対に、光検出器または光導電体は、検出回路を制御する信号や電流、または検出回路からの出力情報を提供するが、回路、装置または設備に電力を提供しない。
【０００９】
典型的に、感光性光電子工学装置は、たとえば、結晶質、多結晶質および非晶質のシリコン、ガリウムヒ素、テルル化カドミウムおよびその他等、いくつかの無機半導体から形成されていた。ここで、用語「半導体」は、電荷キャリアが熱的または電磁的励磁によって誘起される時に電気を通すことのできる材料を示す。用語「光導電性」は、一般的に、キャリアが材料中において導電、すなわち電荷を移送できるように、電磁放射エネルギーが吸収され、それにより電荷キャリアの励起エネルギーに変換される工程に関連する。用語「光導電性」および「光導電性材料」は、ここでは、電荷キャリアを生成するために、電磁放射を吸収するその特性のために選択される半導体材料を指すように用いられる。
【００１０】
ＰＶ装置は、入射太陽光による電力を有用な電力に変換できる効率によって特徴付けられる。結晶質または非晶質のシリコンを使用する装置は、商業的な応用を席巻し、そのいくつかは、２３％またはこれより大きな効率を達成している。しかしながら、特に大きな表面面積を有する、効率的な結晶質ベースの装置は、大きな結晶を製造することの本来的な問題に起因して、著しく効率を低減する欠陥なしに製造することが難しく、コスト高である。一方、高効率の非晶質シリコン装置は、依然安定性の問題を有する。今日商業的に利用可能な非晶質シリコンセルは、４から８％の安定的な効率性能を有する。
【００１１】
ＰＶ装置は、光電流と光電圧との積の最大値に関連して、標準的な照明条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ2、ＡＭ１．５スペクトル照明の標準試験条件）下における最大電力の生成に最適化される。標準的な照明条件の下におけるそのようなセルの電力変換効率は、次の３つのパラメータに依存する：（１）ゼロバイアス下の電流、すなわち、アンペア単位の短絡電流ＩSC  （２）開路条件下における光電圧、すなわち、ボルト単位の開放電圧ＶOC  （３）曲線因子、ｆｆ。
【００１２】
ＰＶ装置は負荷に接続され、光に照射される時に、光発生により電流を発生する。無限負荷の下で照射される場合、ＰＶ装置は、その最大可能電圧、Ｖ開路またはＶOCを生成する。その電気的接触がショートされた状態で照射される場合、ＰＶ装置は、最大可能電流、Ｉ短絡またはＩSCを生成する。電力を生成するための実際の使用時、ＰＶ装置は、有限の抵抗負荷に接続され、電力出力は、電流と電圧との積、Ｉ×Ｖによって与えられる。ＰＶ装置によって生成される最大合計電力は、本質的に積ＩSC×ＶOCを超えることはできない。負荷値が最大電力抽出に最適化される場合、電流および電圧は、それぞれＩmaxおよびＶmaxの値を有する。
【００１３】
ＰＶ装置の性能指数は、
【００１４】
【数１】
2013537366.tif 000003
【００１５】
と定義される曲線因子ｆｆである。ここで、ＩSCおよびＶOCは実用時には決して同時に取得されず、ｆｆは常に１より小さい。それにもかかわらず、ｆｆが１に近づくに連れて、装置は直列的でなくなり、またはより低い内部抵抗を有し、最適条件下でＩSCとＶOCとの積に対する負荷の大部分を提供する。Ｐincを装置において発生する電力とすると、装置の電力効率ηPは、下記によって算出される。
【００１６】
【数２】
2013537366.tif 000004
【００１７】
特に層の分子的量子エネルギー状態の分布という観点で、半導体の相当容量を占める、内的に生成された電界を発生するための通常の方法は、適切に選択された導電性を有する材料からなる２層を並置することである。これら２つの材料の接合部分は、光起電接合と呼ばれている。従来の半導体理論では、ＰＶ接合を形成するための材料は、一般的に、ｎまたはｐ型であるものとして示されてきた。ここで、ｎ型は、大多数のキャリアタイプが電子であることを示す。これは、比較的自由なエネルギー状態にある電子を多く有する材料として見ることができる。ｐ型は、大多数のキャリアタイプが正孔であることを示す。そのような材料は、比較的自由なエネルギー状態にある正孔を多く有する材料として見ることができる。背景、すなわち光によって発生されない大多数キャリア濃度のタイプは、欠陥または不純物による意図しないドーピングに主に依存する。不純物のタイプおよび濃度は、伝導帯最小エネルギーおよび価電子帯最大エネルギー間のギャップ内において、フェルミエネルギーまたは準位の値を決定付ける。フェルミエネルギーは、占有確率が１／２に等しいエネルギー値によって示される分子的量子エネルギー状態の統計的な占有を特徴付ける。伝導帯の最小エネルギー近くのフェルミエネルギーは、電子が優勢キャリアであることを示す。価電子帯の最大エネルギー近くのフェルミエネルギーは、正孔が優勢キャリアであることを示す。したがって、フェルミエネルギーは、従来の半導体の主な特徴的性質であり、典型的なＰＶ接合は、伝統的にｐ−ｎ接合である。
【００１８】
用語「整流」は、とりわけ、接合が非対称的導電特性を有する、すなわち、接合が電荷を一方向に好ましく移送することに寄与する。整流は、適切に選択された材料間の接合において発生する、内在電界に通常関連する。
【００１９】
従来の無機半導体ＰＶセルは、内部の場を確立するために、ｐ−ｎ接合を具備する。タン（Ｔａｎｇ），Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ．４８，１８３（１９８６）に報告されるように、初期の有機薄膜電池（セル）は、従来の無機ＰＶセルに実装されたものに類似のヘテロ接合を含む。しかしながら、ｐ−ｎ型接合の確立に加えて、ヘテロ接合のエネルギー準位オフセットも重要な役割を果たすことが今日では確認されている。
【００２０】
有機Ｄ−Ａヘテロ接合におけるエネルギー準位オフセットは、有機材料内の光生成工程の基本的性質に起因して、有機ＰＶ装置の動作に重要であると信じられている。有機材料の光学的励起によって、局所化されたフレンケルまたは電荷移動励起子が生成される。電気的検出または電流生成が起こるためには、拘束された励起子が、それらを構成する電子または正孔に分離されなくてはならない。そのような工程は、内在する電界によって誘発され、しかし有機装置内に典型的に観られる電界（Ｆ〜１０6Ｖ／ｃｍ）における効率は低い。有機材料中の最も効率的な励起子分離は、ドナー‐アクセプタ（Ｄ−Ａ）接合において発生する。そのような接合では、低いイオン化電圧を有するドナー材料は、高い電子親和力を有するアクセプタ材料とヘテロ接合を形成する。ドナーおよびアクセプタ材料のエネルギー準位の配向によっては、励起子の分離は、そのような結合においてエネルギーの観点から好ましくなりうる。これにより、アクセプタ材料中の自由電子ポラロンおよびドナー材料中の自由正孔ポラロンを生じる。
【００２１】
有機ＰＶセルは、従来のシリコンをベースにした装置に比較すると、多くの潜在的な利点を有する。有機ＰＶセルは、軽量で、使用される材料は経済的であり、柔軟なプラスチックはく等の低コスト基板上に配置されうる。しかしながら、有機ＰＶ装置は、典型的に、１％以下のオーダーの、比較的低い外部量子効率（電磁放射から電気への変換効率）を有する。一つには、これは、光伝導工程本来の二次特性によるものと考えられる。すなわち、キャリアの生成は、励起子の生成、拡散およびイオン化または収集を必要とする。これらの各工程に関する効率ηがある。添字は以下のように使用される：Ｐは電力効率、ＥＸＴは外部量子効率、Ａはフォトン吸収、ＥＤは拡散、ＣＣは収集、ＩＮＴは内部量子効率。この表記を用いて：
【００２２】
【数３】
2013537366.tif 000005
【００２３】
励起子の拡散距離（ＬD）は、典型的に光吸収長（〜５００Å）よりもずっと小さい（ＬD〜５０Δ）。したがって、厚くそれゆえ抵抗性の、複数または高度に折り重ねられた結合を有するセル、または、低光吸収効率の薄いセル間のトレードオフを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
無機太陽電池の性能は、シリコン太陽電池に用いられるＧａＡｓおよびＩｎＰの太陽電池の上面に成長された格子整合したＩＩＩ−Ｖ合成物、または酸化物および他のアモルファス材料から形成されうる、大きなバンドギャップ窓層またはヘテロ接触層を用いることによって向上されうる。これらの層は、太陽電池の光電流と、ショットキーバリアおよびＰＮ接合タイプの装置における開放電圧とを改善できる。
【００２５】
窓層またはヘテロ接触層のために現在用いられている材料は、無機半導体および誘電体に限られていた。ここでは、無機太陽電池のための窓層としての導電有機材料を用いることが開示される。従前、無機基板上における有機分子の成長速度論および接合特性が、くまなく調査された。また、有機材料は無機材料の表面を不動態化でき、光検出器の暗電流を低減でき、トランジスタのゲート誘電体として機能できることが示される。研究者らはまた、太陽電池の応用のために、無機ハイブリッド接合を用いることを試している。しかしながら、目標は、励起子分離および電荷収集を支援する無機材料を有機マトリックスに追加することである。無機太陽電池の性能を向上するための窓層としての有機材料を用いることは、示されていない。
【００２６】
有機材料の表面不動態化効果および広範なエネルギー準位のため、それらは、無機太陽電池の窓層の応用に非常に適している。ここに議論されるように、ＩｎＰショットキーバリア太陽電池の窓層として、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）が開示される。従前、ＰＴＣＤＡ分子は、平坦にならされ、無機半導体表面上において均一な薄膜に成長でき、また多くの場合にショットキーバリアの障壁高さを高めることができることが示された。以下より詳細に議論されるように、ＰＴＣＤＡの薄い層は、開放電圧およびＩｎＰ太陽電池の電力変換効率を向上できる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本開示は、陰極と、陽極と、無機基板と、少なくとも１つの有機窓層とを有する装置に関する。一実施形態では、前記装置は、少なくとも１つの無機エピ層を含む。ここに開示される前記有機窓層は、無機半導体層および接触間等、前記陰極および前記少なくとも１つの無機エピ層間を含む、陰極および陽極間に配置される。一実施形態では、開示される装置は、前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置に比較して、以下の少なくとも１つの特性を示す：１サンＡＭ１．５Ｇ照明における上昇したＶOC；１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；向上したショットキー障壁高さ；または低減されたフォワード暗電流。
【００２８】
また、陰極、陽極、無機基板、および少なくとも１つの無機エピ層を有する感光性装置の性能を向上する方法であって、少なくとも１つの有機窓層を、前記陰極および前記無機基板との間に配置する方法が開示される。さらに、陰極、陽極、無機基板、および少なくとも１つの無機エピ層を含む感光性装置のショットキー障壁高さを向上する方法であって、少なくとも１つの有機窓層を、前記陰極および前記無機エピ層との間に配置することを含む方法が開示される。
【００２９】
本開示の前述およびその他の特徴は、添付の図面と共に、以下の例示的な実施形態の詳細な記載からより容易に明らかであろう。便宜のため、装置の全ての図は、高さ寸法が幅に対して誇張されていることに留意される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、４μｍの厚さで軽度にドープされた吸収領域を有し、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）接触界面層（ａ）を有さない、およびＰＴＣＤＡ界面層（ｂ）を有する、ｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池の層構造を示す概略図である。
【図２】図２は、３ｎｍのＰＴＣＤＡ接合界面層を有する方と有しない方との、ＩｎＰショットキーバリア太陽電池の計測外部量子効率（ＥＱＥ）を示すグラフである。
【図３】図３は、暗条件および１サンＡＭ１．５Ｇ条件下における、異なるＰＴＣＤＡ層厚さを有するＩｎＰショットキーバリア太陽電池の計測電流‐電圧特性を示すグラフである。
【図４】図４は、異なるＰＴＣＤＡ層厚さを有するＩｎＰショットキーバリア太陽電池の、様々な直射日光照度電力強度での計測開放電圧を示すグラフである。
【図５】図５は、異なるＰＴＣＤＡ層厚さを有するＩｎＰショットキーバリア太陽電池の、様々な直射日光照度電力強度での電力変換効率を示すグラフである。
【図６】図６は、２：ｍ厚さにＩｎＰが軽度にドープされた吸収領域を有するｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池の層構造（ａ）および電流‐電圧特性を示すグラフ（ｂ）を示す概略図である。
【図７】図７は、紫外線光子放出分光法によるＩｎＰ−ＰＴＣＤＡ接合における計測エネルギー準位ダイヤグラムを示すグラフである。付された数値のエネルギー単位は、ｅＶである。
【図８】図８は、様々な厚さのＰＴＣＤＡキャッピング層を有しない方と有する方の、ｐ−ＩｎＰ基板の計測光ルミネセンスを示すグラフである。
【図９】図９は、ｐ−ＩｎＰエピタキシャルウェハ、および様々な厚さ（δ）の３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）キャッピング層を有する同ウェハの、光ルミネセンス（λ＝４０９ｎｍでの励起）および励起（λ＝９３０ｎｍでの発光）を示すグラフである。差し込み図：紫外線光子放出分光法から推測されたＰ−ＩｎＰおよびＰＴＣＤＡのエネルギー準位。単位ｅＶが差し込み図における数値に適用される。
【図１０】図１０は、δ＝０，１ｎｍ，２ｎｍ，４ｎｍおよび８ｎｍの厚さのＰＴＣＤＡ窓層を有するＰ−ＩｎＰ／ＰＴＣＤＡ太陽電池の電流密度‐電圧（Ｊ−Ｖ）特性を示すグラフである。差し込み図：δ＝０，３ｎｍおよび３０ｎｍを有するＰ−ＩｎＰ／ＰＴＣＤＡ太陽電池の計測（シンボル）および近似（線）された暗Ｊ−Ｖ特性。
【図１１】図１１は、δ＝０（実線），３ｎｍ（破線）および１０ｎｍ（点線）のＰＴＣＤＡ層厚さを有するｐ−ＩｎＰ／ＰＴＣＤＡ太陽電池の、外部量子効率（ＥＱＥ）ｖｓ．波長を示すグラフである。ＰＴＣＤＡ吸収スペクトルが参考として示されている。ＰＴＣＤＡおよびＩＴＯ間に、２４ｎｍ厚バトクプロイン（ＢＣＰ）（一点鎖線）および３０ｎｍＭｏＯ3（２点鎖線）の励起子障壁層（ＥＢＬ）を有する装置のＥＱＥも示されている。差し込み図：ＥＢＬを有さない（実線）、１２ｎｍＢＣＰ（破線）および３０ｎｍＭｏＯ3（２点鎖線）を有する、クォーツ／ＰＴＣＤＡ／励起子障壁層（ＥＢＬ）／ＩＴＯ構造におけるＰＴＣＤＡの光ルミネセンス。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
ここで用いられるように、感光性光電子工学装置は、太陽電池、特にショットキーバリア太陽電池でありうる。
【００３２】
ここで用いられるように、用語「有機」は、有機感光性光電子工学装置を作成するために使用される高分子材料および小分子有機材料を含む。「小分子」は、高分子ではないいかなる有機材料を指し、「小分子」は、実際には非常に大きいこともある。小分子は、ある状況では反復単位を含む。たとえば、代替として長鎖アルキル基を使用することは、「小分子」区分から分子を除外しない。小分子はまた、たとえば高分子の主鎖上の側基または主鎖の一部として、高分子に組み込まれうる。小分子は、核部分上に構築された一連のケミカルシェルからなるデンドリマーの核部分としても機能する。デンドリマーの核部分は、蛍光性またはリン光性小分子発光体である。デンドリマーは、「小分子」である場合がある。一般的に、小分子は、分子毎に同一の分子量を有する規定の化学式を有する一方、高分子は、分子毎に変化する分子量を有する規定の化学式を有する。ここで用いられるように、「有機」は、ヒドロカルビルおよびヘテロ原子置換型ヒドロカルビルリガンドの金属錯体を含む。
【００３３】
また、ここに記載される有機材料は、高分子材料または小分子有機材料化に関わらず、ｐ型またはｎ型の有機半導体を含むものと解される。
【００３４】
ここで用いられるように、用語「層」は、その主な次元がＸ−Ｙ、すなわちその長さおよび幅である、感光性装置の部材または要素を指す。用語「層」は、必ずしも単一の層またはシート状材料に限定されるものではないと解されるべきである。さらに、他の材料または層を伴うそのような層の接触面を含む、所定の層の表面は、不完全な場合もあると解されるべきである。ここで、そのような表面は、他の材料または層と相互に貫通したり、絡み合っていたり、巻き込まれていたりするネットワークを表す。また、同様に、Ｘ−Ｙ次元に沿った前記層の連続性が他の層または材料によって阻害またはさもなければ遮られる等、層は、連続的ではない可能性があると解されるべきである。
【００３５】
用語「電極」および「接触」は、ここでは、外部回路に光発生された電流を搬送するため、または装置にバイアス電流や電圧を提供するための媒体を提供する層を指す。すなわち、電極または接触は、有機感光性光電子工学装置の活性領域と、外部回路からまたは外部回路に電荷キャリアを移送するための配線、リード線、基板配線またはその他の手段との間の接合部分を提供する。陰極および陽極は、その例である。電極の開示のため、ここに組み込まれる米国特許第６，３５２，７７７号は、感光性光電子工学装置に使用される電極または接触を提供する。
【００３６】
感光性光電子工学装置では、装置外部からの大気中電磁放射線の最大量が、光起電的に活性な内部領域に受け入れられることを可能にすることが望ましい。すなわち、電磁放射線は、それが光導電吸収によって電気に変換されることのできる光導電層に到達しなくてはならない。これは、しばしば、少なくとも一つの電気的接触が、入射電磁放射線を最小限に吸収しており、最小限に反射していることを決定付ける。いくつかの場合では、そのような接触は、実質的に透明であるべきである。反対電極は、吸収されることなくセルを通過した光がセルを通して反射され返すように、反射性材料からなる。ここで用いられるように、材料の層または異なる材料のいくつかの層の連続は、１または複数の層が当該層を通して透過される関連波長の大気放射線のうち少なくとも約５０％を許容する場合、「透明」であると言われる。同様に、いくらかしかし約５０％より少ない関連波長の大気放射線を許容する層は、「半透明」であると言える。
【００３７】
用語「陽極」は、以下のように使用される。大気放射下で抵抗性負荷に接続され、ＰＶ装置等の外部印加電圧を有さない、非積層ＰＶ装置または積層ＰＶ装置の１つのユニット内において、電子は、光導電性材料から陽極に移動する。同様に、用語「陰極」は、ここでは、照射下におけるＰＶ装置内において、正孔が光導電材料から陰極に移動することを指す。これは、電子が反対方向に移動することに相当する。ここで用いられるように、陰極および陽極は、電極または電荷移送層であるものとして述べられる。
【００３８】
ここで用いられるように、「頂部」は（存在する場合は）基板構造から最も離れた部分を意味し、「底部」は基板構造から最も近い部分を意味する。装置が基板構造を含まない場合、「頂部」は、反射電極から最も離れた部分を意味する。たとえば、２つの電極を有する装置について、底部電極は、基板構造に最も近い電極であり、一般的に最初に作成される電極である。底部電極は、基板に最も近い底面および基板からより離れた方の上面の２つの表面を有する。第１層が、第２層「上に」またはその「上面にわたって配置される」と記載されるところ、第１層は、基板から離れて配置される。第１層が第２層と「物理的に接触して」いると特定されない限り、第１層および第２層の間にその他の層がある場合もある。たとえば、陽極は、間に様々な有機層がある場合にも、陰極「上に」またはその「上面にわたって配置される」と記載される。
【００３９】
光は、必ずしも表面から入射するわけではないと解される。むしろ、開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ）（窓）が背部金属接触に在る場合、光は、基板側から入射できる。換言すると、上部接触は、装置が逆構造を有するように、不透明でありうる。本実施形態では、基板は、エピ層に吸収される光に透過的でなくてはならない。上部接触は、光が上面上に入射する場合、半透明な薄い金属でもありうる。それは、あらゆる透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）の一つでもありうる。いくつかの実施形態では、透明な導電性酸化物は、透明な酸化物および金属、または透明または半透明となるほど十分な薄さを有する金属または金属代替物から選択される。いくつかの実施形態では、透明な電極は、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）、フッ素ドープされたスズ酸化物（ＳｎＯ2：ＦまたはＦＴＯ）、および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）等の透明な導電性酸化物から選択される。本開示は、典型的に陰極および陽極として参照される２つの接触と、半導体基板等の無機基板と、１つの接触および無機基板の間に位置する、少なくとも１つの有機窓層とを含む。有機窓層は、基板上に直接、または基板の頂部上の無機エピ層上に配置されると解される。
【００４０】
したがって、有機窓層が、陰極および陽極の間に配置されるものと概して記載される一方、それは、陰極および無機基板の間、または陽極および無機基板の間に配置されるものとして特に記載されうる。無機エピ層が在る時、有機窓層は、前述の接触（陰極または陽極）および無機エピ層の間に配置される。
【００４１】
一実施形態では、有機窓層は、光を吸収し、無機物に移動して光電流に変換される励起子を生成する。この仕組みにより、装置の効率はさらに上昇する。
【００４２】
図１は、本発明に係るｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池を示す。本実施形態では、ｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池の層構造は、断面状に、４μｍ厚で軽度にドープされた吸収領域を有し、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）接触界面層を有さず（ａ）、ＰＴＣＤＡ界面層を有して（ｂ）示されている。
【００４３】
図２は、計測ＥＱＥに対する、３ｎｍのＰＴＣＤＡ層を有するおよびＰＴＣＤＡ層を有しない装置のための波長は、４００ｎｍから８５０ｎｍの範囲のスペクトルにわたって非常に類似していることを示す。図３は暗条件および１サン照射条件下における、様々な厚さのＰＴＣＤＡ層を有するＩｎＰ太陽電池の電流‐電圧特性を示す。全ての装置は、非常に似た光電流を示しており、同様の計測されたＥＱＥプロファイルと一貫している。しかしながら、ＰＴＣＤＡ窓層を有しない装置およびそれを有する装置の間には、開放電圧（ＶOC）において明確な差異がある。１サン照射において、ＰＴＣＤＡを有しない装置のＶOCは０．６５Ｖである一方、４ｎｍＰＴＣＤＡを有する装置のＶOCは０．７５Ｖに向上している。開放電圧ｖｓ．照射光強度は、図４に示される。図４は、ＰＴＣＤＡを有する装置のＶOCは、ＰＴＣＤＡ層を有さない装置と比べると、全ての照射強度において高い。ＰＴＣＤＡ窓層を有する全ての装置において曲線因子には劣化がないので、電力変換効率は、ＰＴＣＤＡを有さない装置の１３．２±０．５％から、１サンＡＭ１．５Ｇ照射における４ｎｍＰＴＣＤＡ（図５）を有する装置の１５．４±０．４％に付随的に向上されている。
【００４４】
より薄く（２μｍ）軽度にドープされた吸収層（図６（ａ））を有するＩｎＰショットキーバリア太陽電池の電流‐電圧曲線の他の組が、図６（ｂ）に示されている。装置の開放電圧は、１サン照射下において、ＰＴＣＤＡを有さない装置の０．６２Ｖから、３ｎｍＰＴＣＤＡ窓層を有する装置の０．７８Ｖに向上されている。
【００４５】
窓層によるＶOCの向上の理由は、多様である。ＰＴＣＤＡ層の機能を理解するために、紫外線光電子分光法（ＵＰＳ）を用いて、ＩｎＰ−ＰＴＣＤＡ接触面におけるエネルギー準位を計測した。図７は、計測されたエネルギー準位ダイヤグラムを示す。真空準位は、小さい界面双極子に起因して、ＩｎＰ−ＰＴＣＤＡ接触面において０．３ｅＶだけずれている。ＰＴＣＤＡの最も低い未占有の分子軌道（ＬＵＭＯ）エネルギー準位と、ＩｎＰの伝導帯端（Ｅｃ）との差は、０．１ｅＶよりも小さい。ＩｎＰの価電子帯端（Ｅｖ）とＰＴＣＤＡの最も高い占有分子軌道（ＨＯＭＯ）エネルギー準位との差は、０．８ｅＶである。
【００４６】
この計測されたエネルギー準位配置により、正孔は、ＩｎＰからＰＴＣＤＡに到達するために、大きなエネルギーバリアを克服しなくてはならない一方、電子伝導は、ＩｎＰ−ＰＴＣＤＡ接触面において妨げられない。その結果、ＩｎＰからＩＴＯへのショットキー障壁を超える正孔熱イオン放射のため、ショットキーダイオードのフォワードバイアスされた暗電流が抑制される。そうではなく、フォワードバイアスされた暗電流は、ＩｎＰ内の正孔およびＩＴＯから注入された電子の、主にバルクおよび接触面の再結合電流である。フォワード暗電流の抑制は、ＶOCの向上を招来する。
【００４７】
ＰＴＣＤＡ層によって導入された正孔エネルギーバリアはまた、正しい電極において、光発生されたキャリアを収集することを助ける、すなわち、光発生された正孔をＩＴＯ電極ではなくｐ+‐ＩｎＰ基板に導く。この効果は、電荷キャリアを収集する装置内には大きなビルトイン電場があるので、ゼロバイアスにおいて顕著ではない。しかしながら、ＶOC辺りの電圧では、装置内のビルトイン電場がずっと低い場合、光発生された正孔は、ＩＴＯ接触に拡散でき、光電流の損失という結果となる。ＰＴＣＤＡ正孔エネルギーバリアは、電流−電圧特性に見られるようにＶOC辺りの光電流を向上する、ｐ+−ＩｎＰ基板への正孔の拡散を誘導できる。それはまた、Ｉ−Ｖ曲線を第４象限に引き込み、ＶOCの増大に貢献する。
【００４８】
太陽電池のその他の重要なパラメータは、表面再結合速度またはキャリア寿命である。キャリア表面再結合と寿命を量的に比較するために、ＰＴＣＤＡキャッピング層を有さないおよびそれを有するＩｎＰフィルムに対し、正確に同一条件において、光ルミネセンス（ＰＬ）を計測した。結果は、図８に描かれている。ＰＴＣＤＡキャッピング層を有するウェハのＰＬは、それを有しないウェハよりも著しく高く、ずっと長いキャリア寿命であることを示すことが観察される。キャリア再結合およびキャリア寿命の向上は、高い開放電圧を達成するには重要である。
【００４９】
ショットキー障壁高さの変化も、ＶOCの増大に貢献する。効果的なショットキー障壁高さは、ｐ−ＩｎＰショットキーダイオード上のＰＴＣＤＡ界面層を使用する場合に高められることが示されている。我々の分析から、ＰＴＣＤＡ窓層を有するｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池のＶOC増大は、複数要素の結果である。
【００５０】
最も広い意味では、ショットキーバリア太陽電池のような装置が開示される。当該装置は、陰極と、陽極と、無機基板と、陰極および陽極間に配置される少なくとも１つの有機窓層とを含む。
【００５１】
一実施形態では、前記少なくとも一つの有機窓層を有さない装置と比較される場合、ここに記載された装置は、以下の１つ以上の特徴を示す：１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増加したＶOC；１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；向上したショットキー障壁高さ；そして、低減されたフォワード暗電流。
【００５２】
一実施形態では、ここに記載された装置は、無機基板と少なくとも１つの無機エピ層との間に配置された、少なくとも１つの無機バッファ層をさらに含む。
【００５３】
一実施形態では、記載された装置の陰極は、透明な導電性酸化インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明な導電性材料を含む。いくつかの実施形態では、透明な導電性酸化物は、透明または半透明であるほど十分な薄さを有する透明な酸化物および金属または金属代替物から選択される。いくつかの実施形態では、透明電極は、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）、フッ素ドープされたスズ酸化物（ＳｎＯ2：ＦまたはＦＴＯ）および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）等の透明な導電性酸化物から選択される。
【００５４】
一実施形態では、記載された装置の陽極は、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、これらの合金および積層から選択された１つ以上の材料を含む。たとえば、陽極は、Ｚｎ／Ａｕを含む。
【００５５】
その他の実施形態では、無機基板は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅ、およびこれらの組合せから選択された材料を含む。使用可能なその他の材料は、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）を含む。一実施形態では、無機基板は、ｐ型ＩｎＰを含む。
【００５６】
無機エピ層は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅおよびこれらの組合せを含む、無機基板について上記された同じ材料を含む。使用可能なその他の材料は、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）を含む。
【００５７】
その他の実施形態では、少なくとも１つの無機バッファ層は、ＧａＡｓおよびＩｎＰから選択される少なくとも１つの材料等、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含む。
【００５８】
前述されたように、少なくとも１つの有機窓層は、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、または、ナフタレン四カルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）を含む。いくつかの実施形態では、これらの結晶有機物は、所望の波長に半透明であるいかなる有機半導体（ポリマーを含む）でもよく、ｐ型またはｎ型導電性であり、および／またはｐまたはｎ型基板のバリア高さを向上する。制限されない例としては、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、フェニル‐Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、スクエアレイン（ｓｑｕａｒａｉｎｅ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）を含む。
【００５９】
最小の１の有機層は、たとえば、１０ｎｍ、２５ｎｍまでの厚さを有する。
【００６０】
また、陰極、陽極、無機基板および少なくとも１つの無機エピ層を有する感光性装置の性能を向上する方法が開示される。当該方法は、陰極と少なくとも１つの無機エピ層との間に少なくとも１つの有機窓層を配置することを含む。
【００６１】
感光性装置性能を向上する方法は、前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置と比較して、１つ以上の以下の特徴を示す装置によって確証される：１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増加したＶOC；１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；向上したショットキー障壁高さ；そして、低減されたフォワード暗電流。
【００６２】
ここに開示された方法は、無機基板と少なくとも１つの有機エピ層との間に配置された、少なくとも１つの無機バッファ層を含む。
【００６３】
一実施形態では、陰極は、ＩＴＯ、その合金および積層から選択された１つ以上の材料を含む。
【００６４】
その他の実施形態では、陽極は、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｌ、その合金および積層から選択された金属等、半導体材料とオーミック接触を形成するのに十分ないかなる材料も含む。
【００６５】
一実施形態では、無機基板は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｄＴｅおよびこれらの組合せから選択された材料を含む。無機基板に使用しうるその他の材料は、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）を含む。
【００６６】
一実施形態では、少なくとも１つの無機エピ層は、ＧａＡｓおよびＩｎＰから選択された少なくとも１つの材料等、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含む。
【００６７】
一実施形態では、少なくとも１つの無機バッファ層は少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含み、少なくとも１つの無機バッファ層はＧａＡｓおよびＩｎＰから選択された少なくとも１つの材料を含む。
【００６８】
一実施形態では、少なくとも１つの有機窓層は、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、またはナフタレン四カルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）を含む。
【００６９】
当該少なくとも１つの有機層は、１０ｎｍまでの厚さを有する。
【００７０】
ここでは、陰極、陽極、無機基板および少なくとも１つの無機エピ層を含む感光性装置のショットキー障壁高さを向上する方法であって、当該方法は、陰極と少なくとも１つの無機エピ層との間に、少なくとも１つの有機窓層を配置し、ここで、前記装置は、前記少なくとも１つの有機窓層を有さない装置と比較して、１つ以上の以下の特徴を示す：１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増加したＶOC；１サンＡＭ１．５Ｇ照明における増大した電力変換；そして、低減されたフォワード暗電流。ここに記載の本願発明の実施形態は、以下の限定的ではない例によってさらに示される。
実施例
エピタキシャル太陽電池構造は、ｐ型、Ｚｎドープされた（１００）ＩｎＰ基板上に、ガス源分子ビームエピタキシー法によって成長された。エピタキシャル構造は、０．１μｍ厚でＢｅドープされた（３×１０18ｃｍ-3）ｐ型ＩｎＰバッファ層、および４μｍ厚で軽度にＢｅドープされた（３×１０16ｃｍ-3）ｐ型ＩｎＰ吸収層から構成された。
【００７１】
その後、エピタキシャルウェハは、ＰＴＣＤＡ窓層を有しないショットキーバリア太陽電池と、ＰＴＣＤＡ窓層を有するショットキーバリア太陽電池とに形成された。装置処理の直前に、ＩｎＰエピウェハの表面には、自然酸化物を除去するために、１分間ＮＲ4ＯＨ浸漬が施された。
【００７２】
従来のＩｎＰショットキーバリア太陽電池を作成するために、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）電極が、表面処理されたＩｎＰエピウェハ上にスパッタされ、図１（ａ）に示した構造が形成された。ＰＴＣＤＡ窓層を有する装置を作成するために、ＰＴＣＤＡの薄い層が、表面処理されたＩｎＰエピウェハ上に真空熱蒸着によりまず堆積された。その後、ＩＴＯ電極が、図１（ｂ）に示される装置構造を形成するために、ＰＴＣＤＡ層上にスパッタされた。装置に使用されたＰＴＣＤＡ材料は、堆積の前に昇華連続精製により３度浄化された。
【００７３】
成長に続き、エピタキシャルウェハは、自然酸化物を除去するために、５分間アセトン、１４０℃に維持されたイソプロパノール、そして、１分間２５％ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏでの連続的な浸漬により洗浄された。背部接触は、２０ｎｍ  Ｐｄ／５ｎｍ  Ｚｎ／２０ｎｍ  Ｐｄ／２００ｎｍ  Ａｕからなり、１分間４００℃で合金化された。従来のＩｎＰショットキーバリア太陽電池は、１ｍｍ径の円形開口を有するシャドーマスクを介したＩＴＯスパッタ堆積により作成された。堆積率は、初めの１００Åについては０．１Å／ｓｅｃ、その後合計厚さ１０００Åに到達するまでは０．３Å／ｓｅｃに上昇された。ＰＴＣＤＡ原材料は、堆積前に昇華により３度浄化された。δ＝１ｎｍから３０ｎｍの厚さの窓層は、１Å／ｓｅｃの率、＜２×１０-6トールの基底圧で、高真空チャンバにおいて真空熱蒸着により堆積された。窓層装置のＩＴＯスパッタ堆積率および厚さは、ＩＴＯ／ＩｎＰダイオードについて用いられた厚さと同様であった。
【００７４】
ＯＩ接触面におけるエネルギー準位配置は、紫外線光子放出分光法（ＵＰＳ）およびＸ線光子放出分光法（ＸＰＳ）を用いて計測された。光ルミネセンス（ＰＬ）データは、４５°の入射および検出角度での蛍光分光計を用いて取得された。ダイオードの外部量子効率（ＥＱＥ）は、単色光分光器、ロックイン増幅器、および、強度がキャリブレーションされたＳｉ光検出器にタングステン‐ハロゲン照明源を用いて取得された。電流密度（Ｊ）ｖｓ．電圧（Ｖ）特性は、暗条件かつシミュレートされたＡＭ１．５Ｇ照明下において、半導体パラメータ分析器を用いて計測された。照明強度は、国立再生エネルギー研究所Ｓｉ標準太陽電池を用いて補正された。
【００７５】
【数４】
2013537366.tif 000006
【００７６】
【数５】
2013537366.tif 000007
【００７７】
ＰＴＣＤＡが表面再結合を低減するという結論は、特にδ＝５ｎｍＰＴＣＤＡが短い波長領域において励起信号を減衰することに留意すると、ＰＬ強度向上が短い（λ＜４２０ｎｍ）よりも長い波長（λ＞５８０ｎｍ）において十分により大きいことを示す励起子スペクトルによって確証付けられる。また、ＰＴＣＤＡによって覆われたサンプルのＰＬ強度は、時間経過とともに照度をわずかに上昇し、最も深い準位の表面トラップの中身は、完了するのに数分かかることを示すことが見て取れる。
【００７８】
【数６】
2013537366.tif 000008
【００７９】
【数７】
2013537366.tif 000009
【００８０】
【表１】
2013537366.tif 000010
【００８１】
図１１は、様々なδについてのＥＱＥｖｓ．λを示す。δ＜３ｎｍでは、ＥＱＥは、λ＞５００ｎｍにおけるＩＴＯ／ＩｎＰ太陽電池のそれに近い。しかしながら、より短い波長では、ＰＴＣＤＡにより覆われたセルのＥＱＥは、増加したＰＴＣＤＡの透明性および減少した表面再結合のため上昇する。δ＝１０ｎｍの時、ＥＱＥは、λ＝４２０ｎｍおよび５８０ｎｍ間のＰＴＣＤＡ吸収領域において顕著に減少する。ＰＴＣＤＡ内に生成された励起子が、図１１の差し込み図内のこれらのサンプルについてのＰＬスペクトルから推測されるように、その表面上に堆積されたＩＴＯによって抑制されることを、クオーツ基板上におけるＰＴＣＤＡ  ＰＬの計測は示す。抑制を減少するために、バクトプロイン（ＢＣＰ）またはＭｏＯ3励起子抑止層（ＥＢＬ）がＰＴＣＤＡおよびＩＴＯ陽極間に挟み込まれ、ＰＴＣＤＡ  ＰＬ強度の顕著な上昇の結果となる。ＢＣＰが窓層太陽電池内に実装される場合、λ＝４８０ｎｍにおけるＥＱＥ損失は消滅する一方、ＭｏＯ3の使用は、ＰＴＣＤＡ吸収最大値に対応する、この波長におけるピークをもたらす。これらの結果は、有機物（たとえばＰＴＣＤＡ）内の励起子が無機半導体（ＩｎＰ）との接合において解離でき、究極的に、従来の「不活性な」窓層により取得される効率を超越した、上昇した太陽電池効率に寄与することを示す。
【００８２】
ＰＴＣＤＡ−ＩｎＰ装置の安定性は、数日間の空気への露出後でも性能劣化が見られなかったが、体系的には試験されていない。これは、ＰＴＣＤＡが、高度に安定的な有機化合物であるという観測と一貫する。
【００８３】
以上のように、ＰＴＣＤＡは、ＩＴＯ／ＰＴＣＤＡ／ＩｎＰ太陽電池内のＩｎＰ表面における励起子解離に起因して光電流を生成する一方、再結合率を減少する窓層として使用されうることが発見された。ＩｎＰ表面状態の中和に起因する、付随するＶOCの上昇を主たる理由として、４ｎｍ厚のＰＴＣＤＡ窓層を用いることにより、太陽電池電力変換率は１３．２±０．５％から１５．４±０．４％に上昇される。
【００８４】
ここに全般的に述べられ、上記例において特に例示されたように、有機材料が、無機太陽電池の窓層として使用されうる。ｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池のＶOCは、窓層としてのＰＴＣＤＡを使用することによって向上される。いかなる理論によって拘束されることなく、効果は、少なくとも以下に起因する：１）ＰＴＣＤＡは、フォワード正孔熱イオン放出暗電流を抑制するために正孔エネルギーバリアを生成する、２）ＰＴＣＤＡは、ＶOC辺りの電圧において、ｐ＋−ＩｎＰ基板に光生成された正孔を導くことを助ける、３）ＰＴＣＤＡ窓層は、キャリア再結合を低減し、キャリア寿命を向上する、そして、４）ＰＴＣＤＡ接合層は、ショットキー障壁を高める。
【００８５】
無機窓層と比較すると、有機材料は、いくつかの利点を有する。有機材料は、熱蒸着または溶解処理を利用することでより容易に堆積されうる。また、有機材料は、無機半導体および誘電体が時には満たすことのできない、異なる材料および構造の太陽電池の必要性に適合できる、広範なエネルギー準位を有する。たとえば、ｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池用の良好な窓層は存在しない。Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓは、わずかに大きなバンドギャップを有するが、ＩｎＰとの接合において電子エネルギー障壁および正孔シンクを形成するので、ｐ−ＩｎＰショットキーバリア太陽電池には適していない。ＰＴＣＤＡは、この場合、窓層としてずっとより適したエネルギー準位を有する。
【００８６】
示される場合を除き、本明細書に使用された内容物の量、反応条件およびその他の特性またはパラメータを表す全ての数字は、全ての場合において「約」という用語によって変更されうると解されるべきである。したがって、示される場合を除き、以下の明細書および添付の特許請求の範囲において説明された数値パラメータは、近似値であると解されるべきである。最低限でも、特許請求の範囲への均等論の適用を制限する試みとしてではなく、数値パラメータは、報告された有効桁数および通常の丸め技法を踏まえて読まれるべきである。
【００８７】
本発明のその他の発明は、本明細書の考慮およびここに開示された発明の実施から当業者には明らかである。明細書および例は、例示としてのみ考慮され、本発明の真の範囲および思想は、以下の特許請求により示される。
【図１】
2013537366.tif 000011
【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】
2013537366.tif 000019
【図１０】
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【図１１】
2013537366.tif 000021
【国際調査報告】
2013537366.tif 000022
2013537366.tif 000023
2013537366.tif 000024