(57)【要約】  本発明は、光起電性デバイスを含む有機光電デバイスを提供する。本発明のいくつかの態様において、有機光電デバイスは、ファイバーコアの側面または外周の一又は二以上の点で受け取った電磁エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
2011503849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバーコア；
該ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極；
該第一の電極を取り巻き且つ該第一電極と電気的に接続された、少なくとも一の感光性有機層；及び
該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された、輻射非透過性の第二電極；
を含む装置。
【請求項２】
ファイバーコアが、光ファイバーを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
光ファイバーがガラス光ファイバー、石英光ファイバー、又はプラスチック光ファイバーを含む、請求項２記載の装置。
【請求項４】
輻射透過性の第一電極が、輻射透過性導電性酸化物を含む、請求項１記載の装置。
【請求項５】
輻射透過性導電性酸化物が、インジウム錫オキサイド、ガリウムインジウム錫オキサイド、又は亜鉛インジウム錫オキサイドを含む、請求項４記載の装置。
【請求項６】
感光性有機層が、光活性領域を含む、請求項１記載の装置。
【請求項７】
光活性領域が、少なくとも一の、ドナー材料とアクセプター材料の間のバルクヘテロ接合を含む、請求項６記載の装置。
【請求項８】
ドナー材料がポリマー相を含み、アクセプター材料がナノ粒子相を含む、請求項７記載の装置。
【請求項９】
ポリマー相が共役系ポリマーを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
共役系ポリマーが、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）、又はこれらの混合物を含む、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
ナノ粒子相が、フラーレン、カーボンナノチューブ、又はこれらの混合物を含む、請求項８の装置。
【請求項１２】
輻射非透過性の第二電極が、金属を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約60％未満を覆う、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約50％未満を覆う、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約30％未満を覆う、請求項１記載の装置。
【請求項１６】
ファイバーコアが、或る角度で折り曲げられている、請求項１記載の装置。
【請求項１７】
該角度が約90度である、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
該角度が、約90度未満である、請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
該角度が、約90度超である、請求項１６記載の装置。
【請求項２０】
該装置が光起電性セルである、請求項１記載の装置。
【請求項２１】
少なくとも一の光起電性セルを含む、少なくとも一のピクセルを含む装置であって、該光起電性セルは、ファイバーコア；ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極；第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性有機層；及び該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む、装置。
【請求項２２】
ファイバーコアが、光ファイバーを含む、請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
光ファイバーがガラス光ファイバー、石英光ファイバー、又はプラスチック光ファイバーを含む、請求項２１記載の装置。
【請求項２４】
少なくとも一のピクセルが、複数の光起電性セルを含む、請求項２１記載の装置。
【請求項２５】
複数の光起電性セルが束ねられている、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
ピクセルアレイを含む、請求項２１記載の装置。
【請求項２７】
該装置が太陽光集光装置である、請求項２１記載の装置。
【請求項２８】
ファイバーコアが、或る角度で折り曲げられている、請求項２１記載の装置。
【請求項２９】
該角度が約90度である、請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
該角度が、約90度未満である、請求項２８記載の装置。
【請求項３１】
該角度が、約90度超である、請求項２８記載の装置。
【請求項３２】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約60％未満を覆う、請求項２１記載の装置。
【請求項３３】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約50％未満を覆う、請求項２１記載の装置。
【請求項３４】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約30％未満を覆う、請求項２１記載の装置。
【請求項３５】
光電デバイスを作る方法であって、ファイバーコアを用意すること；該コアの表面上に輻射透過性の第一電極を配置すること；少なくとも一の感光性有機層を第一電極と電気的に接続された状態に配置すること；及び、輻射非透過性の第二電極を有機層と電気的に接続された状態に配置すること；を含み、ここで、輻射非透過性の第二電極は、感光性層を部分的に覆う、方法。
【請求項３６】
ファイバーコアが、光ファイバーを含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
光ファイバーがガラス光ファイバー、石英光ファイバー、又はプラスチック光ファイバーを含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
輻射透過性の第一電極が、輻射透過性導電性酸化物を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３９】
感光性有機層が光活性領域を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項４０】
光活性領域が、少なくとも一の、ドナー材料とアクセプター材料の間のバルクヘテロ接合を含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
ドナー材料がポリマー相を含み、アクセプター材料がナノ粒子相を含む、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約60％未満を覆う、請求項３５記載の方法。
【請求項４３】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約50％未満を覆う、請求項３５記載の方法。
【請求項４４】
輻射非透過性の第二電極が、感光性有機層の約30％未満を覆う、請求項３５記載の方法。
【請求項４５】
ファイバーコアが、或る角度で折り曲げられている、請求項３５記載の方法。
【請求項４６】
該角度が約90度である、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
該角度が、約90度未満である、請求項４５記載の装置。
【請求項４８】
該角度が、約90度超である、請求項４５記載の装置。
【請求項４９】
電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、光ファイバーコアの側面で輻射を受け取ること；該輻射を少なくとも一の感光性有機層へと送ること；該有機層内で励起子を生成すること；及び、励起子を電子と正孔に分離すること；を含む方法。
【請求項５０】
ファイバーコアが、光ファイバーを含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
光ファイバーがガラス光ファイバー、石英光ファイバー、又はプラスチック光ファイバーを含む、請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
感光性有機層が、光活性領域を含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５３】
光活性領域が、少なくとも一の、ドナー材料とアクセプター材料の間のバルクヘテロ接合を含む、請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
ドナー材料は、ポリマー相を含み、及び、アクセプター材料はナノ粒子相を含む、請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
ファイバーコアが、或る角度で折り曲げられている、請求項４９記載の方法。
【請求項５６】
該角度が約90度である、請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
該角度が、約90度未満である、請求項５５記載の装置。
【請求項５８】
該角度が、約90度超である、請求項５５記載の装置。
【請求項５９】
電子を外部回路へと取り去ることをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願データ
本出願は、35 U. S. C. $ 119(e)に基き、2007年11月1日に出願された米国仮出願シリアル番号61/001,700に基く優先権を主張し、該出願は引用することによってその内容の全体が本明細書に包含される。
【０００２】
政府のライセンス権利
本発明は、米国国防総省、米国空軍科学研究所(AFOSR)許可番号FA9550-04  -1-0161の補助により為された。連邦政府は、本発明に関しライセンス権を有する。
【０００３】
本発明は、有機光電子デバイス、及び、特に、有機光起電性デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
有機物質を用いる光電子デバイスは、多くの理由から、種々の用途において益々必要とされている。有機光電子デバイスを構成する材料は、同じ用途向けの無機材料に比べて比較的安価であるので、無機材料から製造される光電デバイスよりもコストの点で有利である。さらに、有機材料は好ましい物理特性、例えば可撓性、を備え、硬い材料には適しない用途に使用することができる。有機光電デバイスの例としては、有機光起電性セル、有機発光デバイス（ＯＬＤＥ）及び有機光検知器などがある。
【０００５】
光電デバイスは、負荷を通して接続されて光に暴露されたときに、光起電流を生成することによって電磁輻射を電流に転換する。光起電性セルにより生成された電力は、照明、加熱、電池の充填、及び電気エネルギーを要する発電デバイス等の多くの用途に使用することができる。
【０００６】
無限大の負荷の元で照射されたときに、光起電性デバイスはその最大電圧、即ち開路電圧VOCを生成する。電気コンタクトを短絡して照射されたときには、光起電性デバイスはその最大電流、即ち短絡電流ISCを生成する。稼動条件下では、光起電性デバイスは有限の負荷に接続され、出力電力は電流と電圧の積に等しい。光起電性デバイスにより発生される最大電力は、VOCとISCの積を超えることはできない。電力発生が最大になるよう負荷を最適化すると、電流及び電圧は、最大電流Imax及び最大電圧Vmaxを夫々有する。
【０００７】
光起電性セルを評価する上で重要な特性は、曲線因子ffである。該曲線因子は、電流及び電圧の両者がそれらの最大であると仮定した場合の出力に対する、光起電性セルの実出力の比である。該曲線因子は、以下の式（１）により求められる。
【数１】
2011503849.tif 000003
光起電性セルの該曲線因子は、常に１未満である。何故なら、稼動条件下で、Isc及びVocは決して同時に得られないからである。しかしながら、曲線因子が１に近づくにつれて、デバイスはより小さい内部抵抗を示し、従って、最適条件下での負荷に、より高い電力率（％）を与える。
【０００８】
光起電性デバイスは、電磁エネルギーの電気エネルギーへの転換効率によっても特徴付けられる。光起電性デバイスの転換効率ηｐは、式（２）によって与えられ、該式において、Pincは光起電性デバイスへの入射光強度である。
【数２】
2011503849.tif 000004
【０００９】
結晶又はアモルファスシリコンを用いたデバイスが市場を独占しており、そのうちの一部のものは、２３％以上の効率を達成している。しかし、結晶を用いた効率的なデバイス、特に表面積の大きいものは、励起子の再結合を促進する結晶欠陥の無い大きな結晶を作る上での問題に拠り、製造するのが困難であり、高価である。市販のアモルファスシリコンの光起電セルは、約４〜１２％の効率を示す。
【００１０】
無機デバイスと同等の効率の有機光起電性デバイスを作ることは、技術的な挑戦である。一部の有機光起電性デバイスは、１％以下の効率しか示さない。有機光起電性デバイスにおける低効率は、励起子の拡散長（ＬＤ）と有機層厚みの間の、長さの重大なミスマッチが原因である。可視電磁輻射の効率的な吸収のためには、有機フィルムは訳500 nmの厚みを有しなければならない。該厚みは、典型的には50 nmである励起子の拡散長を大幅に超え、励起子の再結合を起こしてしまう。
【００１１】
電磁エネルギーから電気エネルギーへの転換において、向上された効率を示す有機光起電性デバイスを提供することが望まれる。本明細書で議論される有機光起電性デバイスの利点として、無機光起電性デバイスと同等、或いは場合によっては、より高い効率を示す有機光起電性デバイスを提供することが望まれる。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、ファイバー構造を有する有機光起電性デバイスを含む有機光電デバイス及びその製法を提供する。
【００１３】
一の態様において、本発明はファイバーコア、該ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、該第一電極を取り巻き且つ該第一電極と電気的に接続された、少なくとも一の感光性有機層、及び該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された、輻射非透過性の第二電極、を含む光電デバイスを提供する。有機層を部分的に覆う、いくつかの態様において、輻射非透過性の第二電極は有機層を完全には覆わない。
【００１４】
いくつかの態様において、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約95％未満を覆う。他の態様において、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約90％未満、約80％未満、又は約70％未満を覆う。他の態様において、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約60％未満を覆う。他の態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約50％未満を覆う。いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約30％未満又は約20％未満を覆う。いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約10％未満を覆う。
【００１５】
いくつかの態様において、本発明の光電デバイスは光起電性セルを含む。
【００１６】
いくつかの態様において、光電デバイスのファイバーコアは、折り曲げられてV-型構造を形成する。一の態様において、光電デバイスのファイバーコアは、例えば90度の角度で折り曲げられる。他の態様において、光電デバイスのファイバーコアは、90度未満の角度で折り曲げられる。さらに他の態様では、光電デバイスのファイバーコアは、約90度超の角度で折り曲げられる。
【００１７】
いくつかの態様において、本発明は、少なくとも一の光起電性セルを含む、少なくとも一のピクセルを含む光電デバイスを提供し、該光起電性セルはファイバーコア、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性有機層及び該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む。いくつかの態様において、ピクセルは、複数の光起電性セルを含む。他の態様において、光電デバイスは、ピクセルのアレイを含む。さらに他の態様において、光電デバイスは、ピクセルのアレイを含み、各ピクセルは、複数の光起電性セルを含む。
【００１８】
他の側面として、本発明は光電デバイスを作る方法を提供する。本発明の態様に従い、光電デバイスを作る方法は、ファイバーコアを用意すること、該コアの表面上に輻射透過性の第一電極を配置すること、少なくとも一の感光性有機層を第一電極と電気的に接続された状態に配置すること、及び、輻射非透過性の第二電極を有機層と電気的に接続された状態に配置することを含み、ここで、輻射非透過性の第二電極は、感光性層を部分的に覆う。いくつかの実施態様において、光電デバイスは光起電性セルを含む。
【００１９】
本発明は電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法をさらに提供する。一の態様において、本発明の方法は、電磁エネルギーから電気エネルギーへの変換を高めるために、導波（Wave- guiding）を利用する。ここに記載される、本発明の光電デバイスは、該効率を高めるために導波を利用し得る。
【００２０】
一の態様において、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、光電デバイスの一側面または外周で、輻射を受け取ることを含み、該光電デバイスは、ファイバーコア、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性層、及び、有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む。光電デバイスの側面に沿う１又は２以上の点で輻射が受け取られると、ファイバーコアの長軸に沿う伝送のために、デバイスの端面で受け取られるのと反対に、該輻射が少なくとも一の感光性有機層へと伝送されて、有機層中に励起子を生成する。生成された励起子は、次いで、有機層中の１又は２以上のヘテロ接合で、正孔と電子とに分離され、電子が光電デバイスと接続されている外部回路へと取り去られる。
【００２１】
いくつかの態様において、輻射は光電デバイスの一側面に任意の所望の角度で入射する。一の態様において、輻射は、光電デバイスによって、ファイバーコアの長軸に直角な面で、受け取られる。いくつかの態様において、光電デバイスのファイバー構造は、入射輻射を、広い角度で受け取り及び集めることを可能とする。いくつかの態様において、本発明の光電デバイスは、光電デバイスの側面又は外周への入射角度が約0〜約180度の輻射を受け取り及び／又は集めることができる。他の態様において、光電デバイスは入射角度が約0度〜約90度の輻射を受け取り及び／又は集めることができる。
【００２２】
広い角度の入射輻射を受け取ることができる、本発明の光電デバイスは、いくつかの態様において、輻射の受け取り及び／又はキャプチャを最大にするために特定の向きにしなければならないという制限が無い。従って、本発明の光電デバイスは輻射コレクターまたはコンセントレーターが一体化されていると考えることができる。
【００２３】
電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法の態様は、光電デバイスの側面への入射角度を変調することをさらに企図する。いくつかの態様において、入射角の変調は、入射輻射源、例えば太陽、に対して、光電デバイスの方向もしくは場所を変更することを含む。他の態様は、入射角の変調は、輻射を提供する光源の、光電デバイスに対する相対的な位置を変更することを含む。
【００２４】
本発明のこれらの及び他の態様が、以下の発明の詳細な説明において、より詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一態様に従う光電デバイスの断面図である。
【図２】本発明の一態様に従う光電デバイスを示す。
【図３】本発明の一態様に従う光電デバイスの短絡電流を示す。
【図４】本発明の一態様に従う光電デバイスの開放電圧を示す。
【図５】本発明の一態様に従う光電デバイスの短絡電流を示す。
【図６】本発明の一態様に従う光電デバイスの開放電圧を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、ファイバー構造を有する有機光起電性デバイスを含む有機光電デバイスを提供する。一態様において、本発明はファイバーコア、該ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、該第一電極を取り巻き且つ該第一電極に電気的に接続された少なくとも一の感光性有機層、及び該有機層を部分的に覆い且つ該有機層に電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む光電デバイスを提供する。いくつかの態様において、該光電デバイスは光起電性セルを含む。
【００２７】
いくつかの態様において、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約95％未満を覆う。他の態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約90％未満、約80％未満、又は約70％未満を覆う。さらに他の態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約60％未満を覆う。他の態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約50％未満を覆う。いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約30％未満又は約20％未満を覆う。いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約10％未満を覆う。
【００２８】
本発明の光電デバイスの種々の態様において含まれるコンポーネントについて見ると、本発明の光電デバイスはファイバーコアを含む。該ファイバーコアは、本発明の態様に従い、光ファイバーを含む。本発明で使用するのに適した光ファイバーは、ガラス光ファイバー、石英光ファイバー、及びプラスチック光ファイバー(POF)を包含する。プラスチック光ファイバーは、いくつかの態様において、ポリメチルメタクリレートで構成され得る。他の態様において、プラスチック光ファイバーは、パーフロロシクロブタン(PFBC)を含むポリマー、例えばパーフロロシクロブタンポリ（アリールエーテル）、であってよい。光ファイバーは、本発明のいくつかの態様に従い、シングルモード光ファイバー及びマルチモード光ファイバーを包含する。本発明で使用される光ファイバーは、フレキシブルであることができる。
【００２９】
いくつかの態様において、ファイバーコアは、インジウム錫オキサイド(ITO)ファイバーを含む。光ファイバーコアがITOファイバーを含む場合には、離隔され且つ別体の第一電極は任意である。ITOファイバーは、いくつかの態様において、ファイバーコアと第一電極との双方として作用する。本明細書で示されるように、他の態様では、輻射透過性の導電性酸化物を含む第一電極が、ITOファイバーの表面上に配置される。
【００３０】
いくつかの態様において、本発明の光電デバイスのファイバーコアは約１μｍ〜約２ｍｍの直径を有することができる。他の態様では、ファイバーコアは約90μｍ〜約１ｍｍの直径を有することができる。さらに他の態様では、ファイバーコアは約20μｍ〜約800μｍの直径を有することができる。
【００３１】
ファイバーコアは、いくつかの態様に従い、任意の所望の長さを有することができる。いくつかの態様において、ファイバーコアは、約500 nm〜約100 mmの長さを有する。他の態様では、ファイバーコアは、約１μｍ〜約１ｍｍの長さを有する。さらに、他の態様では、ファイバーコアは、約10μｍ〜約100μｍの長さを有する。
【００３２】
ファイバーコアは、本発明のいくつかの態様に従い、１又は２以上のアップコンバータをさらに含むことができる。当業者には理解できるように、アップコンバータは、該物質が吸収した電磁輻射よりも大きいエネルギーの電磁輻射を発生して、励起状態を形成できる物質である。本発明において使用するのに適するアップコンバータは、いくつかの態様において、赤外輻射を吸収して、本発明の光起電性デバイスの感光性有機層によって吸収される波長の可視輻射を発生することができる。
【００３３】
アップコンバータは、いくつかの態様において、少なくとも一のランタノイド系元素を含む材料を含むことができる。いくつかの態様において、アップコンバータは少なくとも一のランタノイド系元素を含むナノ粒子を含むことができる。本発明のいくつかの態様に従い、アップコンバータ中に使用するのに適したランタノイド系元素は、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、又はこれらの組み合わせを包含する。いくつかの態様において、アップコンバータ材料は、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、又はこれらの組み合わせのイオンでドープされた、金属酸化物及び金属硫化物を含む。他の態様において、光ファイバーが、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、又はこれらの組み合わせのイオンによって直接ドープされてもよい。
【００３４】
他の実施態様において、アップコンバータ材料は、有機化学種を含むことができる。有機アップコンバータ材料は、H2C6N、4-ジアルキルアミノ- 1 ,8-ナフタルイミド、並びに1 ,8-ナフタルイミド誘導体及び化合物、例えば多分岐ナフタルイミド誘導体TPA-NAl、TPA-NA2、及びTPA-NA3、を含むことができる。有機アップコンバータ材料は、４−（ジメチルアミノ）シンナモニトリル  （シス及びトランス）、トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−ｌ−メチルピリジニウイムアイオダイド、４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］ピリジン、４−（ジエチルアミノ）ベンズアルデヒド  ジフェニルヒドラゾン、  トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−１−メチルピリジニウイム  ｐ−トルエンスルホネート、２−［エチル［４−［２−（４−ニトロフェニル）エテニル］フェニル］アミノ］エタノール、４−ジメチルアミノ−４’−ニトロスチルベン、ディスパースオレンジ２５、ディスパースオレンジ３、  及びディスパースレッド１を含むこともできる。
【００３５】
いくつかの態様において、アップコンバータ材料は、アンチストークス材料、レーザ色素、偽造防止色素、又はこれらの組み合わせを含む。アンチストークス材料、レーザ色素、偽造防止色素は、いくつかの態様において、置換されたベンゾフェノン、ビフェニル類、ジフェニル類、赤外色素、例えばポリメチン、及びスペクトル感光剤、例えばシアニン類、メロシアニン類を含む。いくつかの態様において、偽造防止色素は、フォスファ、フロロファ、サーモクロミック及び／又はフォトクロミック化学種を含む。
【００３６】
さらに他の態様において、アップコンバータ材料は、量子ドットを含むことができる。量子ドットは、いくつかの態様によれば、III/V及びII/VI半導体材料、例えば、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、及びセレン化亜鉛(ZnSe)を含むことができる。アップコンバータ材料は、コアシェル構造量子ドットも含むことができる。
【００３７】
上述のものに加え、本発明の態様は、遷移金属類、例えばクロム、を含む、追加のアップコンバータ材料を企図する。
【００３８】
他の態様において、ファイバーコアは、本発明のいくつかの態様に従い、１又は２以上のダウンコンバータをさらに含むことができる。当業者に理解されるように、ダウンコンバータは、該材料により吸収された電磁輻射よりも小さいエネルギーの電磁輻射を放出して励起状態を形成することができる材料である。いくつかの態様において、ダウンコンバータは硫化鉛及びセレン化鉛量子ドットを包含する量子ドットを含む。
【００３９】
アップコンバータ及び／又はダウンコンバータは、いくつかの態様において、光ファイバーコアの内部に配置され得る。他の態様では、アップコンバータ及び／又はダウンコンバータは、光ファイバーコアの表面及び光ファイバーコアと輻射透過性第一電極との界面に配置することができる。
【００４０】
ファイバーコアは、いくつかの態様において、少なくとも一の散乱剤をさらに含むことができる。他の態様では、ファイバーコアは複数の散乱剤を含むことができる。散乱剤は、本発明の態様に従い、ファイバーコアの長軸に垂直な面において受信した電磁輻射を散乱することができる。いくつかの態様において、散乱剤は、放射線状にファイバーコアから外に向かって電磁輻射を散乱することができ、ファイバーコアを取り巻く１又は２以上の感光性有機層が、散乱された輻射を吸収することを可能とする。
【００４１】
散乱剤は、いくつかの態様において、遷移金属のナノ粒子を含むことができる。散乱剤として使用するのに適する遷移金属は、一の態様において、金、銀、銅、ニオビウム、パラジウム、及び白金を包含する。いくつかの態様に従い、遷移金属のナノ粒子は、ロッド又はワイヤを構成する。一の態様では、例えば、遷移金属ナノロッド又はナノワイヤは、約２nm〜約５０nmの直径を有し得る。
【００４２】
本発明の光電デバイスは、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極を含む。本明細書において、輻射透過性とは電磁波スペクトルの可視領域の輻射を少なくとも部分的に透過する能力を意味する。いくつかの態様において、輻射透過性材料は最小の、吸収もしくは妨害で、可視電磁輻射を透過させる。さらに、本明細書において電極は、光起動電流を外部回路に送る又は光電デバイスにバイアス電圧を与える、媒体となる層を意味する。電極は、有機光電デバイスの光活性領域と、外部回路へ又は外部回路から電荷キャリアを運ぶワイヤ、リード、配線、又は他の手段との界面になる。
【００４３】
輻射透過性の第一電極は、本発明のいくつかの態様に従い、輻射透過性導電性酸化物を含む。輻射透過性導電性酸化物は、いくつかの態様において、インジウム錫オキサイド (ITO)、ガリウムインジウム錫オキサイド (GITO)、 アンチモン錫オキサイド (ATO)、 インジウムアンチモンオキサイド(IAO)、 及び亜鉛インジウム錫オキサイド (ZITO)を包含する。他の態様において、輻射透過性の第一電極は、輻射透過性ポリマー材料、例えば、ポリアナリン及びその化学的誘導体を含むことができる。
【００４４】
いくつかの態様において、3,4-ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)は、第一電極用の好適な輻射透過性ポリマー材料である。他の態様において、輻射透過性第一電極は、可視電磁輻射を少なくとも部分的に透過することができる厚みの、カーボンナノチューブ層を含むことができる。
【００４５】
他の態様において、輻射透過性の第一電極は、ポリマー相中に分散されたナノ粒子相を含む複合材料を含むことができる。ナノ粒子相は、一の態様において、カーボンナノチューブ、フラーレン、又はこれらの混合物を含むことができる。さらに他の態様において、輻射透過性の第一電極は、可視電磁輻射を少なくとも部分的に透過することができる厚みの金属層を含むことができる。いくつかの態様において、金属層は元素として純粋な金属又は合金を含むことができる。輻射透過性の第一電極として好適な金属は、高い仕事関数を有する金属を包含する。一の態様において、例えば、高い仕事関数の金属は、少なくとも４．７eVの仕事関数を有する。
【００４６】
いくつかの態様において、輻射透過性の第一電極は、約１０nm〜１μｍの厚みを有することができる。他の態様において、輻射透過性の第一電極は、約１００nm〜９００nmの厚みを有することができる。別の態様において、輻射透過性の第一電極は、約２００nm〜８００nmの厚みを有することができる。さらに他の態様において、輻射透過性の第一電極は、１μｍ超の厚みを有することができる。
【００４７】
本発明の光電子デバイスは、少なくとも一の感光性有機層を含む。光電子デバイスは、いくつかの態様に従い、複数の感光性有機層を含むことができる。
【００４８】
いくつかの態様において、感光性有機層は、約３０nm〜約１μｍの厚みを有する。他の態様において、感光性有機層は、約８０nm〜約８００nmの厚みを有する。別の態様において、感光性有機層は、約１００nm〜約３００nmの厚みを有する。
【００４９】
感光性有機層は、本発明の態様に従い、電磁輻射が吸収されて、やがて電子と正孔とに解離し得る励起子を生じる、少なくとも一の光活性領域を有する。いくつかの態様において、光活性領域は、ポリマーを含む。感光性有機層の光活性領域中で使用するのに好適なポリマーは、一の態様において、共役ポリマー、例えばポリ（3−ヘキシルチオフェン） (P3HT)、ポリ (3−オクチルチオフェン) (P3OT)、及びポリチオフェン (PTh)等のチオフェンを包含する。
【００５０】
いくつかの態様において、感光性有機層の光活性領域中で使用するのに好適なポリマーは、半導体ポリマーを含むことができる。一の態様において、半導体ポリマーは、フェニレンビニレン、例えば、ポリ（フェニレンビニレン）及びポリ(p-フェニレンビニレン) (PPV)及びこれらの誘導体を包含する。他の態様において、半導体ポリマーはポリフルオレン、ナフタレン、及びこれらの誘導体を含むことができる。さらに他の態様において、感光性有機層の光活性領域に使用される半導体ポリマーは、ポリ(2−ビニルピリジン) (P2VP)、ポリアミド、ポリ (N−ビニルカルバゾール) (PVCZ)、ポリピロール (PPy)、及び ポリアニリン(PAn)を含むことができる。 
【００５１】
光活性領域は、いくつかの態様に従い、小さい分子を含むことができる。一の態様において、感光性有機層の光活性領域における使用に適する小さい分子は、クマリン 6、クマリン 30、クマリン102、クマリン110、クマリン153、及びクマリン 480 Dを包含する。他の態様において、小さい分子は、メロシアニン540を包含する。さらに他の態様において、小さい分子は、9,10−ジヒドロベンゾ [a]ピレン−7(8H)−オン、7−メチルベンゾ [a]ピレン、 ピレン、ベンゾ [e]ピレン、3,4−ジヒドロキシ−3−シクロブテン−l,2−ジオン、及び l,3−ビス[4−(ジメチルアミノ)フェニル−2,4−ジヒドロキシシクロブテンジイリウムジハイドロオキサイドを包含する。
【００５２】
本発明のいくつかの態様において、励起子の解離は、隣接するドナー材料とアクセプター材料の間に形成されたヘテロ接合で促進される。有機層は、本発明のいくつかの態様において、ドナー材料とアクセプター材料の間に形成された少なくとも一のバルクヘテロ接合を含む。他の態様において、有機層は、ドナー材料とアクセプター材料の間に形成された複数のバルクヘテロ接合を含む。
【００５３】
本明細書における有機材料において、ドナー及びアクセプターは、各最高被占分子軌道(HOMO)と最低空分子軌道(LUMO)のエネルギーレベルの相対的な位置関係で決まる、二つの接触しているが異なる有機材料を意味する。これは、ドナー及びアクセプターが、無機n-型 及び p-型層を形成するのに使用されるドーパントのタイプを意味する、無機物に関するこれらの用語の使用とは異なる。有機物に関しては、他の材料と接しているある材料のLUMOエネルギーレベルがより低ければ、その物質はアクセプターであり、そうでなければドナーである。これは外部バイアスが無い状態で、ドナー・アクセプター接合部位において、電子がアクセプター物質へと動き、正孔がドナー物質へと動くために、エネルギー的に好都合である。
【００５４】
感光性有機層の光活性領域は、本発明のいくつかの態様に従い、ポリマーコンポジット材料を含む。該ポリマーコンポジット材料は、一の態様において、ポリマー相に分散されたナノ粒子相を含むことができる。光活性領域のポリマー相を形成するのに適したポリマーは、共役ポリマー、例えばポリ(3−ヘキシルチオフェン) (P3HT) 及びポリ (3−オクチルチオフェン) (P3OT)等のチオフェンを包含する。
【００５５】
いくつかの態様において、ポリマーコンポジット材料中に分散されたナノ粒子相は、少なくとも一のカーボンナノ粒子を含む。カーボンナノ粒子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。ナノ粒子相中で使用するのに適したフラーレンは、一の態様において、l−(3− メトキシカルボニル)プロピル-l-フェニル (6,6)C61 (PCBM)を含むことができる。ナノ粒子相中で使用されるカーボンナノチューブは、いくつかの態様に従い、単層ナノチューブ、複層ナノチューブ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。
【００５６】
本発明のいくつかの態様において、ポリマーコンポジット材料におけるポリマー対ナノ粒子の比は、約1：4 〜約 1：0.4の範囲である。他の態様において、ポリマーコンポジット材料におけるポリマー対ナノ粒子の比は、約1：2 〜約 1：0.6である。一の態様において、例えば、ポリ(3−ヘキシルチオフェン) 対 PCBMの比は、約1：1 〜約1：0.4である。
【００５７】
別の態様において、ポリマー相中に分散されたナノ粒子相は、少なくとも一のナノウィスカーを含む。ナノウィスカーは、本明細書において、複数のカーボンナノ粒子から形成された結晶性カーボンナノ粒子を意味する。ナノウィスカーは、いくつかの態様において、ポリマーコンポジット材料を含む感光性有機層をアニールすることによって生成され得る。ナノウィスカーを形成し得るカーボンナノ粒子は、いくつかの態様に従い、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、及びフラーレンを包含する。一の態様において、ナノウィスカーは、結晶性PCBMを含む。感光性有機層のアニーリングは、いくつかの態様において、ポリマー相におけるナノ粒子相の分散性をさらに増大する。
【００５８】
ポリマー相及びナノ粒子相を含む光活性領域の態様において、ポリマー相はドナー材料として作用し、ナノ粒子相はアクセプター材料として作用し、それによって、励起子が正孔と電子とに解離するためのヘテロ接合を形成する。ナノ粒子がポリマー相全体に分散されている態様では、有機層の光活性領域は、複数のバルクヘテロ接合を含む。
【００５９】
更に別の態様において、感光性有機層の光活性領域におけるドナー材料は、ポルフィリン、フタロシアニン、及びこれらの誘導体を包含する有機金属化合物を含むことができる。これらの材料を含む感光性デバイスは、トリプレット励起子を効率的に利用し得る。有機金属化合物はシングレット−トリプレットミキシングが強く、吸収がシングレットの基底状態からトリプレットの励起状態への直接的励起を伴い、それによってシングレットの励起状態からトリプレットの励起状態へと移る際に伴う損失が避けられると信じられている。トリプレット励起子のシングレット励起子に比べた、より長い寿命と拡散長は、トリプレット励起子がより長い距離を拡散してドナー−アクセプターヘテロ接合に到達するので、デバイス効率を犠牲にすることなく、より厚い光活性領域の使用を可能とする。
【００６０】
更に別の態様において、感光性有機層中の光活性領域におけるアクセプター材料は、ペリレン、ナフタレン及びこれらの混合物を含むことができる。
【００６１】
いくつかの態様において、光電デバイスの感光性有機層は、１又は２以上のアップコンバータ及び／又はダウンコンバータ材料をさらに含む。感光性有機層は、いくつかの態様において、ここに記載されるアップコンバータ及び／又はダウンコンバータ材料の任意の物を含むことができる。
【００６２】
本発明の光電デバイスは、感光性有機層を部分的に覆う輻射非透過性の第二電極を含む。いくつかの態様において、該輻射非透過性の第二電極は、金属を含むことができる。本明細書において、金属は、元素的に純粋な金属、例えば金と、２以上の元素的に純粋な金属の合金との双方を意味する。いくつかの態様において、第二電極は、金、銀、アルミニウム、又は銅を含む。第二電極は、いくつかの態様に従い、約10nm〜約10μmの厚みを有することができる。他の態様において、第二電極は、約100nm〜約1μmの厚みを有することができる。さらに他の態様において、第二電極は、約200nm〜約800nmの厚みを有することができる。
【００６３】
感光性有機層を部分的に覆う際、いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は感光性有機層を完全には覆わない。いくつかの態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約95%未満を覆う。他の態様では輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約90%未満、約80%未満、又は約70%未満を覆う。別の態様では輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約60%未満を覆う。さらに他の態様では、輻射非透過性の第二電極は、感光性有機層の約50%未満を覆う。
【００６４】
フッ化リチウム(LiF)を含む層を、いくつかの態様に従い、感光性有機層と第二電極の間に配置することができる。LiF層は、約5オングストロームから約10オングストロームの厚みを有することができる。
【００６５】
いくつかの態様において、LiF層は少なくとも部分的に酸化されることができ、酸化リチウム(Li2O)とLiFを含む層となる。他の態様において、LiF層は完全に酸化されることができ、LiFの無い、もしくは実質的に無い層となる。いくつかの態様において、LiF層は、LiF層を酸素、水蒸気、又はこれらの混合物に曝すことによって酸化される。一の態様において、例えば、LiF層は10−６トール未満の分圧の、水蒸気及び／又は酸素に曝すことによって酸化リチウムへと酸化される。他の態様において、LiF層は10−７トール未満又は10−８トール未満の分圧の、水蒸気及び／又は酸素に曝すことによって酸化リチウムへと酸化される。
【００６６】
いくつかの態様において、LiF層は、水蒸気及び／又は酸素を含む雰囲気に約１時間〜約１５時間曝される。他の態様において、LiF層は、水蒸気及び／又は酸素を含む雰囲気に約１５時間超曝される。さらに他の態様において、LiF層は、水蒸気及び／又は酸素を含む雰囲気に約１時間未満曝される。LiF層を水蒸気及び／又は酸素を含む雰囲気に曝す時間は、本発明のいくつかの態様に従い、雰囲気中の水蒸気及び／又は酸素の分圧に依存する。水蒸気又は酸素分圧が高い程、暴露時間は短くなる。
【００６７】
本発明の光電デバイスは、いくつかの態様において、追加の層、例えば１又は２以上の励起子ブロッキング層、をさらに含むことができる。本発明の態様において、励起子ブロッキング層(EBL)は、光により生成された励起子を、解離する界面付近の部位に閉じ込めて、感光性有機層／電極界面での寄生の励起子クエンチングを防ぐことができる。励起子が拡散する経路を制限することに加え、EBLは電極蒸着の際に導入される物質の拡散バリアとして作用し得る。いくつかの態様において、EBLは有機光電デバイスを作動不能にし得るピンホール又は短絡欠陥を埋めるのに十分な厚みを有することができる。
【００６８】
EBLは、本発明のいくつかの態様において、ポリマーコンポジット材料を含むことができる。一の態様において、EBLは、3,4-ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルフォネート (PEDOT:PSS)中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。他の態様において、EBLは、ポリ(ビニリデンクロライド)及びそのコポリマー中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。PEDOT:PSS及びポリ(ビニリデンクロライド)を包含するポリマー相中に分散されたカーボンナノ粒子は、単層ナノチューブ、複層ナノチューブ、フラーレン、又はこれらの組み合わせを含むことができる。他の態様において、EBLは、電子の経路を阻害しつつ、正孔の移動を許すような仕事関数エネルギーを有する何らかのポリマーを含むことができる。
【００６９】
いくつかの態様において、EBLは光電デバイスの輻射透過性の第一電極と感光性有機層の間に配置され得る。光電デバイスが複数の感光性層を含む、いくつかの態様において、EBLは感光性層の間に配置され得る。
【００７０】
本発明の光電デバイスは、いくつかの態様において、外部金属コンタクトをさらに含むことができる。一の態様において、外部金属コンタクトは、第二電極と接触し、第二電極と電気的に接続される。外部金属コンタクトは、いくつかの態様において、外周及び光電デバイスの長さの、少なくとも一部に亙って、電流を取り出すことができる。外部金属コンタクトは、いくつかの態様において、金属、例えば金、銀、又は銅を含むことができる。他の態様において、外部金属コンタクトは、吸収されなかった電磁輻射を、さらに吸収されるように、少なくとも一の感光性有機層へと反射することができる。
【００７１】
光電デバイスは、本発明のいくつかの態様に従い、電荷移動層をさらに含むことができる。電荷移動層は、本明細書において、電荷キャリアのみを光電デバイスの一の部位から他の部位へと運ぶ層を意味する。一の態様において、例えば、電荷移動層は、励起子ブロッキング層を含むことができる。
【００７２】
電荷移動層は、いくつかの態様において、感光性有機と輻射透過性の第一電極との間及び／又は感光性有機層と輻射非透過性の第二電極との間に置かれ得る。他の態様において、電荷移動層は光電デバイスの輻射非透過性の第二電極と、光電デバイスの保護層との間に置かれてもよい。電荷移動層は、いくつかの態様に従い、光活性ではない。
【００７３】
いくつかの態様において、本発明の光電デバイスの層は、好ましくない内部全反射を防ぐ又は減らすために、エッチングされ得る。一の態様において、感光性有機層に隣接する励起子ブロッキング層は、有機層との界面を形成する側でエッチングされ得る。PEDOTを含む励起子ブロッキング層が、例えばP3HT/PCBM感光性有機層との界面を形成する側でエッチングされ得る。
【００７４】
いくつかの態様において、光電デバイスの層は、光リソグラフィーを含むリソグラフィーによりエッチングされ得る。一の態様において、光リソグラフィーレジストが、エッチングされる層の表面上に施与される。光リソグラフィーレジストは、本発明の態様に従い、ポジティブレジスト又はネガティブレジストを含む。光リソグラフィーレジストが施与されると、レジストは輻射に暴露され、適当な溶剤で現像される。光起電性デバイスの層にパターンが残る。光リソグラフィーレジストは、任意のパターンで施与され得る。一のパターンは、例えば、一定間隔の複数の平行線である。レジストを現像した後、光電デバイスの該層はアセトン等の何らかの適切な有機溶媒でエッチングされる。光リソグラフィーレジストは、次いで、光電デバイスから剥離され、エッチングされた層が残る。
【００７５】
図１は、本発明の一態様に従う光電デバイスの断面を示す。図１中に描かれた光電デバイス(100)は、光ファイバーコア(102)を含む。光ファイバーコア(102)は、輻射透過性の第一電極(104)により取り巻かれている。輻射透過性の第一電極(104)は、輻射透過性導電性酸化物、例えばインジウム錫オキサイド、ガリウムインジウム錫オキサイド、又は亜鉛インジウム錫オキサイド、を含む。輻射透過性の第一電極(104)は、励起子ブロッキング層(106)に取り巻かれている。いくつかの態様において、EBL (106)はポリマー相、例えば3,4- ポリエチレンジオキシチオフェン又はポリ (ビニリデンクロライド)、中に分散されたカーボンナノ粒子を含むことができる。EBL (106)は、感光性有機層(108)に取り巻かれている。感光性有機層(108)は、いくつかの態様において、P3HT-カーボンナノ粒子ポリマーコンポジットを含む。感光性有機層(108)は、いくつかの態様において、輻射透過性の第一電極(104)と直接電気的に接続され得る。他の態様において、励起子ブロッキング層を包含する、電荷移動層が、輻射透過性の第一電極(104)と感光性有機層(108)の間に置かれ、輻射透過性の第一電極(104)と感光性有機層(108)の間の間接的な電気接続を与える。感光性有機層(108)。輻射非透過性の第二電極(110)は感光性有機層(108)を部分的に覆う。図に示すように、輻射非透過性の第二電極(110)で覆われていない感光性有機層(108)及び光電デバイス(100) の一部は、電磁輻射を受け取り、電気エネルギーに変えることができる。図１に示す態様において、輻射非透過性の第二電極(110)は、感光性有機層(108)の約50%を覆う。
【００７６】
いくつかの態様において、光電デバイスのファイバーコアは、折り曲げられてV-型構造を形成する。一の態様において、光電デバイスのファイバーコアは、90度の角度で折り曲げられる。他の態様において、光電デバイスのファイバーコアは、90度未満の角度で折り曲げられる。さらに他の態様では、光電デバイスのファイバーコアは、約90度超の角度で折り曲げられる。
【００７７】
図２は本発明の一態様に従う光電デバイスを示し、該態様において、光電デバイスのファイバーコアは折り曲げられている。図２の光電デバイス(200)は、図１に示すデバイスと同じ構造を有する。しかし、図１の光電デバイスは、角度θで折り曲げられている。いくつかの態様において、θは約90度である。他の態様においてθは約90度超である。さらに他の態様において、θは約90度未満である。図２に示される光電デバイス(200)は、デバイスの一の側で反射された輻射が反対側でキャプチャされ、それによって輻射吸収及び転換効率を高めることが可能である。
【００７８】
いくつかの態様において、一又は複数の本発明の光電デバイスは、織布及び不織布等の織布にアセンブルされることができる。該態様において、本発明の光電デバイスは、衣類、テント、バックパック及び他の物品に組み込まれることができ、そして、本明細書に示すように、電磁エネルギーを電気エネルギーに転換するのに使用され得る。
【００７９】
いくつかの態様において、ファイバー構造を有する光電デバイスは、光起電性セルを含む。一の態様において、光起電性セルは、ファイバーコア、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性有機層及び、該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む。
【００８０】
ファイバー光起電性セルは、本発明の態様に従い、光ファイバーコアの長軸方向に直角な面で電磁輻射を受け取る。光ファイバーコアの長軸方向に直角な面で受け取られた電磁輻射は、いくつかの態様において、輻射透過性の第一電極を通って、感光性有機層へと近接場を通って、伝播され得る。他の態様において、受け取られた電磁輻射は、光ファイバー中の散乱剤によって感光性有機層中へと散乱され得る。さらに他の態様において、受け取られた電磁輻射の少なくとも一部は、アップコンバージョンを通って、感光性有機層中へと発光される。
【００８１】
ファイバー光起電性デバイスは、本発明のいくつかの態様に従い、0.2超の曲線因子を示し得る。他の態様において、ファイバー光起電性デバイスは0.5超の曲線因子を示し得る。さらに他の態様において、0.7超の曲線因子を示し得る。
【００８２】
いくつかの態様において、本発明のファイバー光起電性デバイスは、約6％超の変換効率ηＰを示し得る。他の態様において、ファイバー光起電性デバイスは、約10％超の変換効率を示し得る。他の態様において、ファイバー光起電性デバイスは、約15％超の変換効率を示し得る。さらに他の態様において、ファイバー光起電性デバイスは、約35％超の変換効率を示し得る。
【００８３】
いくつかの態様において、本発明は、少なくとも一の光起電性セルを含む、少なくとも一のピクセルを含む光電デバイスを提供し、該光起電性セルはファイバーコア、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性有機層及び、該有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む。いくつかの態様において、ピクセルの光起電性セルは、複数の感光性有機層を含む。
【００８４】
いくつかの態様において、ピクセルは、複数の光起電性セルを含む。他の態様において、光電デバイスは、ピクセルのアレイを含む。さらに他の態様において、光電デバイスは、ピクセルのアレイを含み、各ピクセルは、複数の光起電性セルを含む。
【００８５】
ピクセル用途に使用されるファイバー光起電性セルは、本発明のいくつかの態様において、一つずつ独立に構成される。該態様において、一のファイバ光起電性セル用の構成材料は、他の光起電性セル用に選択された成分材料を参照することなく選択され得る。一の態様では、例えば、一のファイバー起電セルは、ガラス光ファイバーコアを含むことができ、一方、他の光起電性セルは、プラスチック光ファイバーコアを含むことができる。即ち、いくつかの態様では、ピクセル及びピクセルアレイは、同一構造のファイバー光起電性セルを含むことは必要ない。ファイバー光起電性セル構造は、ここに記載される材料及び方法に従う限り如何なる様式にも変更可能であり、広い用途に適したピクセル及びピクセルアレイを構成する。
【００８６】
いくつかの態様において、複数の光起電性セルを束ねることができる。該態様において、各ファイバー光起電性セルが単一のピクセルを構成し、又は複数のファイバー光起電性セルが一緒に単一のピクセルを構成することができる。
【００８７】
他の側面として、本発明は光電デバイスを作る方法を提供する。本発明の態様に従い、光電デバイスを作る方法は、ファイバーコアを用意すること、該コアの表面上に輻射透過性の第一電極を配置すること、少なくとも一の感光性有機層を第一電極と電気的に接続された状態に配置すること、及び、輻射非透過性の第二電極を有機層と電気的に接続された状態に配置することを含み、ここで、輻射非透過性の第二電極は、感光性層を部分的に覆う。いくつかの実施態様において、光電デバイスは光起電性セルを含む。
【００８８】
ファイバーコア上に第一電極を配置することは、いくつかの態様において、ファイバーコアの表面上に、輻射透過性の導電性酸化物をスパッタリングし又はディップコーティングすることを含む。いくつかの態様において、感光性有機層を第一電極と電気的に接続された状態に配置することは、第一電極の上に有機層をディップコーティング、スピンコーティング、気相蒸着、又は真空熱アニーリングすることを含む。第二電極を感光性有機層と電気的に接続された状態に配置することは、有機層上に第二電極を、気相蒸着、スピンコーティング、又はディップコーティングすることを含む。
【００８９】
光電デバイスを作る方法は、いくつかの態様において、一又は複数の感光性有機層をアニールすることさらに含む。感光性有機層がポリマー相とナノ粒子の複合材料を含むいくつかの態様において、有機層のアニーリングは、ポリマー及びナノ粒子相の双方において結晶度を高めると共にポリマー相中でのナノ粒子相のより高度の分散をもたらす。フラーレン、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、又はこれらの組合わせを含むナノ粒子相は、アニーリングによってポリマー相中にナノウィスカーを形成することができる。感光性有機層のアニーリングは、いくつかの態様に従い、約80℃〜約155℃で、約1分〜約30分の加熱を含む。いくつかの態様において、感光性有機層は、約5分加熱することができる。
【００９０】
いくつかの態様において、光電デバイスを作る方法は、ファイバーコア中にアップコンバータ及び／又は散乱剤を配置することをさらに含む。
【００９１】
光電デバイスを作る方法に加えて、本発明は電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法を提供する。変換効率を高めるために、導波を利用してよい。
【００９２】
一の態様において、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、光電デバイスの一側面または外周で、輻射を受け取ることを含み、該光電デバイスは、ファイバーコア、ファイバーコアを取り巻く輻射透過性の第一電極、第一電極を取り巻き且つ第一電極と電気的に接続された少なくとも一の感光性層、及び、有機層を部分的に覆い且つ該有機層と電気的に接続された輻射非透過性の第二電極を含む。光電デバイスの側面に沿う１又は２以上の点で輻射が受け取られると、ファイバーコアの長軸に沿う伝送用のデバイスの端面で受け取られるのと反対に、該輻射が少なくとも一の感光性有機層へと伝送されて、有機層中に励起子を生成する。生成された励起子は、次いで、有機層中の１又は２以上のヘテロ接合で、正孔と電子とに分離され、電子が光電デバイスと接続されている外部回路へと取り去られる。
【００９３】
いくつかの態様において、電磁輻射の感光性有機層への伝送は、近接場を通して、輻射を伝送することを含む。他の態様において、電磁輻射の感光性有機層への伝送は、光ファイバの長軸と直角な面で受けた電磁輻射の少なくとも一部をアップコンバーティングすることを含む。本発明のいくつかの態様に従い、アップコンバーティングは、光電デバイスの側面で受け取られた輻射をアップコンバージョン材料によって吸収して励起状態を生成すること及び少なくとも一の有機層中へと輻射を放出して、該励起状態を緩和することを含み、ここで、放出された輻射は、吸収された輻射よりも短い波長を有する。いくつかの態様において、アップコンバージョン材料によって吸収された輻射の一部は、赤外輻射を含む。
【００９４】
別の態様において、受け取った輻射の感光性有機層中への伝送は、散乱剤による輻射の感光性有機層中への散乱を含む。
【００９５】
いくつかの態様において、ヘテロ接合は、複数のバルクヘテロ接合を含む。本明細書において、バルクヘテロ接続は、ドナー材料とアクセプター材料との界面で形成される。いくつかの態様において、ドナー材料はポリマー相を含み、アクセプター材料はナノ粒子相を含む。本発明の方法で使用されるドナー及びアクセプター材料は、光電デバイス用に提示されたものと同様である。
【００９６】
いくつかの態様において、輻射は光電デバイスの一側面に任意の所望の角度で入射する。一の態様において、輻射は、光電デバイスによって、ファイバーコアの長軸に直角な面で、受け取られる。いくつかの態様において、光電デバイスのファイバー構造は、入射輻射を、広い角度で受け取り及び集めることを可能とする。いくつかの態様において、本発明の光電デバイスは、光電デバイスの側面又は外周への入射角度が約0〜約180度の輻射を受け取り及び／又は集めることができる。他の態様において、光電デバイスは入射角度が約0度〜約90度の輻射を受け取り及び／又は集めることができる。
【００９７】
広い角度の入射輻射を受け取ることができる、本発明の光電デバイスは、いくつかの態様において、輻射の受け取り及び／又はキャプチャを最大にするために、特定の方向付けをする制限が無い。従って、本発明の光電デバイスは輻射コレクターまたはコンセントレーターが一体化されていると考えることができる。
【００９８】
電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法の態様は、光電デバイスの側面への入射角度を変調することをさらに企図する。いくつかの態様において、入射角の変調は、入射輻射源、例えば太陽、に対して、光電デバイスの方向もしくは場所を変更することを含む。他の態様は、入射角の変調は、輻射を提供する光源の、光電デバイスに対して相対的な位置を変更することを含む。
【００９９】
本発明の方法のいくつかの態様において、本発明の光電デバイスに受け取られた輻射は、可視輻射、紫外輻射、赤外輻射又はこれらの組み合わせを含む。
【０１００】
本発明を以下の非限定的な実施例によって説明する。
【実施例１】
【０１０１】
［実施例１］ラテラル型有機光電デバイス
以下の手順に従い、ファイバー光電デバイスの非限定的な例を作った。
【０１０２】
マルチモードファイバー（BFH37、高OH、1.5 mm 〜 0.6mm、Thorlabs製）の被覆を刃物により剥がした。硬いポリマークラッドをトーチの炎で焼失させた。ファイバーのコアを超音波洗浄器内で、脱イオン水、アセトン、イソプロピルアルコールで順次２０分間洗浄し、１００℃のオーブン中で１５分間乾燥させた。次いで、洗浄したファイバーをディップコーティング（10層超）により、インジウム錫オキサイド（In/Sn=90:10）で被覆した。Sutapa Roy Ramanan著、「金属塩を用いたゾルゲル法によりディップコートされたITO薄膜」、Thin Solid Films、第389巻、2001年、第207頁を参照されたい。
【０１０３】
ITO被覆されたファイバーを超音波浴中でアセトンとイソプロピルアルコールで順次20分間、十分に洗浄し、100℃のオーブン中で乾燥した。次いで、ファイバーをオゾンに90分間暴露した（30分毎にファイバーを３回回転した）。PEDOT:PSS溶液(Baytron P、バイエル社製)を、次いで、ディップコーティングによりファイバー上に塗布し、100℃で15分間乾燥した（PEDOT:PSSフィルムの厚みは約150nmであった）。
【０１０４】
次いで、クロロベンゼン中のP3HT (American Dye社製)：PCBM (American Dye社製)=l：0.8の溶液をディップコーティングによりファイバ上に施与した（ポリマーフィルムの厚みは300 nmであった）。最終工程で、Al電極を10-6トールの圧力で、熱蒸発によって、蒸着した。Al電極は、P3HT:PCBM有機層を部分的に覆い、感光性P3HT:PCBM有機層の約50％を覆った。Al電極の厚みは約100 nmであった。ファイバーの長さは約1 cmであった。
【０１０５】
作成後、ファイバー光電デバイスの光起電特性を、ファイバー光電デバイスの側面又は外周面を、約400 nm〜約800 nmのバンドパス及び強度100 mW/cm2で照射することによって、開路電圧及び短絡電流で評価した。
【０１０６】
図３は、作成した光電デバイスの短絡電流を、ファイバー側面で受け取った輻射の入射角の関数として示す。図３に示すように、短絡電流はファイバー側面で受け取った輻射の入射角によって変わる。その結果、光電効果の特性は、光電デバイスの側面での輻射入射角の関数として変わる。
【０１０７】
図４は、作成した光電デバイスの開路電圧を、ファイバー側面で受け取った輻射の入射角の関数として示す。図４に示すように、開路電圧はファイバー側面で受け取った輻射の入射角によって変わる。その結果、光電効果の特性は、光電デバイスの側面での輻射入射角の関数として変わる。
【０１０８】
図５は、作成した光電デバイスの短絡電流を、ファイバーの外周付近で受け取った輻射の入射角の関数として示す。図５に示すように、短絡電流は、ファイバーの外周囲で受け取った輻射の入射角によって変わる。その結果、光電効果の特性は、光電デバイス外周囲の輻射入射角度の関数として変わる。
【０１０９】
図６は、作成した光電デバイスの開路電圧を、ファイバー外周囲で受け取った輻射の入射角の関数として示す。図６に示すように、開路電圧はファイバー外周囲で受け取った輻射の入射角によって変わる。その結果、光電効果の特性は、光電デバイスの外周囲での輻射入射角の関数として変わる。
【０１１０】
本発明の種々の目的を満たす、種々の発明の態様を記載してきた。これの態様は、本発明の原理の単なる例示であることが認められるべきである。本発明の精神と範囲から離れることなく、これらの態様の多くの修飾及び応用が、当業者には明らかである。
【図１】
2011503849.tif 000005
【図２】
2011503849.tif 000006
【図３】
2011503849.tif 000007
【図４】
2011503849.tif 000008
【図５】
2011503849.tif 000009
【図６】
2011503849.tif 000010
【国際調査報告】
2011503849.tif 000011
2011503849.tif 000012
2011503849.tif 000013