(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板を準備し；
前記金属基板の上に金属の反射電極を形成し；
前記反射電極上に、紫外オゾン（ＵＶ−Ｏ３）表面処理、酸素プラズマ表面処理、およびアルゴンプラズマ表面処理から選択される少なくともひとつの表面処理を施し；
前記反射電極の上に有機ドナー−アクセプターヘテロ接合を形成し；および
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合の上に透明電極を形成する、  
ことを含む、反転型有機光起電デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記金属基板が金属箔を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記紫外オゾン（ＵＶ−Ｏ３）表面処理を、酸素プラズマ表面処理およびアルゴンプラズマ表面処理の少なくとも一方と組み合わせて行う、請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記金属の反射電極が金属アノードである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記金属アノードが、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｉｎ、およびそれらの混合物または合金から選択される金属を含む、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーが、フタロシアニン、ポルフィリン、サブフタロシアニン、およびこれらの誘導体または遷移金属複合体から選択される材料を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項７】
前記ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーが、銅フタロシアニンを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、重合または非重合ペリレン、重合または非重合ナフタレン、および重合または非重合フラーレンから選択される材料を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項９】
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイミダゾールを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記透明電極が、透明酸化物および金属または金属置換体から選択される材料を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記透明電極が、少なくとも約５０％の周囲の電磁気放射を、前記電極を介して伝達する、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記透明電極が、インジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物、および亜鉛インジウムスズ酸化物から選択される材料を含む、請求項１０または１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
励起子阻止層を備える工程をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記励起子阻止層が、前記反射電極と前記透明電極との間に配置される、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記励起子阻止層が、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス−α−ナフチルベンジジン、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム、カルバゾールビフェニル、バトクプロイン、およびトリス（アセチルアセトナト）ルテニウム（ＩＩＩ）から選択される材料を含む、請求項１３または１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合が、平面ヘテロ接合、バルクヘテロ接合、ナノ結晶性バルクヘテロ接合、ハイブリッド平面混合ヘテロ接合、および混合ヘテロ接合から選択される構造を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００８年１０月２７日に出願された、「反転型有機太陽光発電（Inverted
Organic Photovoltaics）」と題する、米国仮特許出願第６１／１０８，８１７号、およ
び２００８年１０月２９日に出願された、「反転型有機太陽光発電（Inverted Organic P
hotovoltaics）」と題する、米国仮特許出願第６１／１０９，３０５号の優先権を主張す
るものであり、その全体の内容が本明細書に参照により組み込まれる。
【０００２】
連邦支援研究に関する声明  
本発明は、エネルギー省（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ）によって提供
された、ＤＥ−ＦＧ３６−０８ＧＯ１８０２２、および空軍科学研究局（Ａｉｒ  Ｆｏｒ
ｃｅ  Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）によって提供さ
れた、ＦＡ９５５０−０７−１−０３６４に基づく、政府の援助を伴ってなされたもので
ある。政府当局は、本発明について、一定の権利を有する。
【０００３】
共同研究契約
本発明は、以下：プリンストン大学、ザ  ユニヴァシティ  オブ  ミシガン、およびグ
ローバル  フォトニック  エナジー  コーポレーションの産学共同研究契約の代表として
、および／または連携してなされたものである。この契約は本発明がなされた日およびそ
れ以前に有効であり、本発明は契約の範疇の活動の結果である。
【０００４】
分野
本発明は、概して、有機感光性光電子デバイスに関する。より詳細には、逆転式に増大
する有機感光性光電子デバイスであり、反射基板と、透明上部電極を含む有機感光性光電
子デバイスである。
【背景技術】
【０００５】
背景
感光性デバイスは、物質の光学的および電子的性質に基づき、電子的に電磁放射を生成
もしくは検出する、または周囲の電磁放射（ambient electromagnetic radiation）から
電気を生成する。感光性光電子デバイスは電磁放射を電気に変換する。太陽電池は、光起
電（ＰＶ）デバイスとも呼ばれ、感光性光電子デバイスの一種であり、特に電力を生み出
すために使用される。太陽光以外の光源から電気エネルギーを発生しうるＰＶデバイスは
、たとえば、明るくしたり加熱したり、または電気回路もしくは計算機、ラジオ、コンピ
ュータもしくは遠隔モニターもしくはコミュニケーション装置のようなデバイスを駆動し
たりするような、電力消費するものを駆動するために使用されうる。これらの電力発生デ
バイスも、しばしば充電器または他のエネルギー貯蔵デバイスを含み、太陽もしくは他の
光源からの直接的な照射を利用できないときに作業を継続することができ、または特に利
用する必要のあるＰＶデバイスの出力のバランスをとることもできる。「負荷抵抗（resi
stive load）」との語は、本明細書に使用される場合、電力消費または貯蔵回路（storin
g circuit）、デバイス、設備もしくはシステムを意味する。
【０００６】
他の感光性光電子デバイスは光伝導性電池（photoconductor cell）である。この機構
において、信号検出回路は前記デバイスの抵抗を観測し、変化を検出して光を吸収する。
【０００７】
他の感光性光電子デバイスは光検出器である。光検出器は、電流検出回路と接合して使
用され、光検出器が電磁放射にさらされたときに発生する電流を測定し、また、応用的に
バイアス電圧を有していてもよい。通常本願に記載されている検出回路はバイアス電圧を
光検出器に供給することができ、光検出器の電磁放射への電子応答を測定する。
【０００８】
これらの３つのクラスの感光性光電子デバイスは以下に定義される整流の接合点が存在
するか否かの特徴を有し、また前記デバイスがバイアスまたはバイアス電圧としても知ら
れている外部印加電圧で操作されるか否かの特徴を有する。光伝導性電池は整流接合点を
有してなく、通常はバイアスを用いて操作される。ＰＶデバイスは少なくも一つの整流接
合点を有しておりデバイスなしで操作される。光検出器は、少なくとも一つの整流接合点
を有し、通常は、常ではないが、バイアスを用いて操作される。典型的には、ＰＶ電池は
、回路、デバイスまたは装置に電力を供給する（信号または電流を供給せず、検出回路ま
たは検出回路からの情報出力を制御しない）。対照的に、光検出器または光伝導体は、回
路、デバイスまたは装置に電力を供給しないが、信号または電流を供給し、検出回路また
は検出回路からの情報の出力を制御する。
【０００９】
伝統的に、感光性光電子デバイスは、たとえば、結晶性、多結晶性、および非晶質（ア
モルファス）のシリコン、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウムなどの多くの無機半導体か
ら構成される。本明細書において、「半導体」との語は、電荷キャリアが熱または電磁励
起により誘導されたときに、電気を伝導することができる物質を示している。「光伝導」
との語は、一般的に、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、当該キャリアは物質内で電荷を伝導させうる（すなわち、輸送しう
る）工程に関連する。「光伝導体」および「光伝導体物質」との語は、電磁放射を吸収し
、電荷キャリアを発生する性質の半導体物質を意味する。
【００１０】
ＰＶデバイスは、入射するソーラーパワーを有用な電力に変換させる効率によって特徴
づけられる。結晶性または非晶質のシリコンを利用しているデバイスは、商用製品を占め
ていて、２３％以上の効率を達成しているものもある。しかしながら、効率的な結晶性の
ものを用いたデバイス、特に、表面積の大きなものは、効率を悪化するような重大な欠陥
のない、大きな結晶を製造する点に本質的な問題があるため、製造するのが困難であり、
かつ高価である。一方、高効率の非晶質シリコンデバイスは未だ安定性の問題を抱えてい
る。現在購入可能な非晶質シリコン電池は４〜８％の間で安定した効率をもつ。より最近
は、経済的な製造コストの面で許容されうる光起電力変化効率を達成することのできる有
機ＰＶ電池の使用に注目が集まっている。
【００１１】
ＰＶデバイスは標準の照明条件（standard illumination condition）（すなわち、１
０００Ｗ／ｍ２、ＡＭ１．５のスペクトル照明である標準試験条件）下、最大の光電流×
光起電力（photovoltage）を発生するため、最大の発電をするように最適化する。標準照
明条件下、そのような電池の電力変換効率は以下の３つのパラメータによる：（１）アン
ペアにおいて、ゼロバイアス下での電流、すなわち、短絡回路電流（short-circuit curr
ent）JＳＣ、（２）ボルトにおいて、開路状態での光起電力、すなわち、開路電圧ＶＯＣ
、ならびに（３）曲線因子（fill factor）ＦＦ。
【００１２】
ＰＶデバイスは、抵抗（load）に接続され、光を照射されたとき、光生成電流を生成す
る。無限抵抗の下、光を照射されたとき、ＰＶデバイスは最大限の電圧（maximum possib
le voltage）、またはＶＯＣを発生する。その電気接触を短くして光を照射されたとき、
ＰＶデバイスは最大限の電流、Ｉ短回路、またはＩＳＣを発生する。実際に電力を発生す
るために使用されたとき、ＰＶデバイスは有限の負荷抵抗（finite resistive load）に
接続され、電力出力は電流と電圧、Ｉ×Ｖの積によって得られる。ＰＶデバイスによって
発生した当該最大全電力は、本質的に積、ＩＳＣ×ＶＯＣを超えることはできない。抵抗
値（load value）は最大の電力抽出をするように最適化されたとき、電流および電圧は、
それぞれＩｍａｘとＶｍａｘの値を有する。
【００１３】
ＰＶデバイスの性能の指数は曲線因子（fill factor）、ＦＦ、であり、次のように定
義されている：
【００１４】
【数１】
0006327625.tif 000002
【００１５】
式中、ＦＦはいつも１未満であり、ＩＳＣとＶＯＣは実用的に同時に得られることはない
。それにもかかわらず、ＦＦが１に近づくにつれて、前記デバイスはより小さい直列（se
ries）または内部抵抗となり、ＩＳＣとＶＯＣの積のより大きな割合を運搬し、最適な条
件下で抵抗（load）となる。式中、Ｐｉｎｃはデバイスの電力入射（power incident）で
あり、デバイスの電力効率、ηｐ、は、
【００１６】
【数２】
0006327625.tif 000003
【００１７】
によって計算されうる。
【００１８】
適当なエネルギーの電磁放射が半導体有機材料（たとえば有機分子結晶（ＯＭＣ）材料
、または高分子）上に入射したとき、光子は吸収されて励起した分子状態を生み出す。こ
れは、Ｓ０＋ｈｖΨＳ０＊のようなシンボルで示される。ここで、Ｓ０とＳ０＊は、それ
ぞれ基底および励起分子状態を示す。このエネルギー吸収は、最高占有分子軌道（ＨＯＭ
Ｏ）エネルギー順位（Ｂ−結合）における束縛状態（bound state）から、最低非占有分
子軌道（ＬＵＭＯ）エネルギー順位（Ｂ＊結合）への電子の移動（promotion）、または
同等に、正孔をＬＵＭＯエネルギー順位からＨＯＭＯエネルギー順位へ移動することに関
連している。有機薄膜光伝導体において、生成した分子状態は一般的に励起子、すなわち
準粒子（quasi-particle）として輸送される束縛状態における電子−正孔の対であると考
えられている。当該励起子は対再結合（geminate recombination）（つまり、他の対から
の正孔または電子と再結合することに対して、もとの電子および正孔が、お互いに再結合
する過程を意味する）をする前に適当な寿命を有している。光電流を生み出すため、電子
−正孔の対は、典型的には、二つの異接触の有機薄膜の間のドナー−アクセプターの界面
（interface）で分離される。もし、電荷が分離しない場合、それらは、入射光よりもよ
り低いエネルギーの光を放出することにより放射的に、または発熱することにより非放射
的に、対再結合過程で再結合でき、またクエンチするとして知られている。これらの出力
はどちらも、感光性光電子デバイスにおいて望ましくない。
【００１９】
電界または接触においての不均等性は、励起子がドナー−アクセプターの界面で解離す
るよりもクエンチする原因となり、結果的に電流への正味の貢献はない。したがって、光
生成励起子を接触点から遠ざけるのが好ましい。これは励起子の接合点の近くへの拡散を
限定することの効果を有し、関連した電界は、接合点近くの励起子の解離によって、遊離
した電荷キャリアを分離する機会を増加する。
【００２０】
内部で発生した電界（この電界が実質的な体積を占める）を作るための通常の方法とし
ては、特に分子量子エネルギー状態の分配に関連して、適当に選択された導電性を有する
物質の二つの層を並置する。これらの二つの物質の界面はＰＶ接合点（PV heterojunctio
n）と呼ばれる。伝統的な半導体理論において、ＰＶ接合点を形成する材料は一般的にｎ
またはｐ型であることを意味する。ここで、ｎ型は主なキャリアの型が電子である。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している材料であると見られている
。ｐ型は、主なキャリアが正孔である。そのような材料は比較的自由なエネルギー状態に
おいて多くの正孔を持っている。バックグラウンドのタイプの、すなわち、光生成された
ものではない、主なキャリアの濃度は、主に、欠陥または不純物による意図的でないドー
プに依存する。その型および不純物の濃度は、ＨＯＭＯエネルギー準位とＬＵＭＯエネル
ギー準位の間のギャップ、いわゆるＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップ内に、フェルミエネルギ
ーまたは準位を決定する。前記フェルミエネルギーは、占有確率が１／２であるエネルギ
ーとされる分子量子エネルギー状態の統計的な占有と見なされている。ＨＯＭＯエネルギ
ー準位に近いフェルミエネルギーは正孔が重要な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、伝統的な半導体を第一に特徴づける特性であり、原型的なＰＶ
接合点は伝統的にｐ−ｎ界面（interface）である。
【００２１】
「整流」との語は、とりわけ、界面が非対称の導電性を有していること、すなわち、界
面は好ましくは一つの方向に電荷輸送されるのを補助することを意味する。整流は通常、
適当に選択された材料間のヘテロ接合点で発生する内蔵された電場に関係している。
【００２２】
本明細書に使用される場合、当業者に一般的に理解されるように、第１エネルギー準位
が真空エネルギー準位に近い場合、第１ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、第２
ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位「より大きい」または「より高い」。イオン化ポ
テンシャル（ＩＰ）が真空準位と比較して負のエネルギーとして測定されるので、より高
いＨＯＭＯエネルギー準位はより小さい絶対値（より負であるＩＰ）を有しているＩＰに
対応している。同様に、より高いＬＵＭＯエネルギー準位はより小さい絶対値（より負で
あるＥＡ）を有している電子親和力（ＥＡ）に対応している。従来のエネルギー準位図（
最上位に真空準位がある）において、物質のＬＵＭＯエネルギー準位は同じ物質のＨＯＭ
Ｏエネルギー準位より高い。「より高い」ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、「
より低い」ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位より、そのような図の最上位に近いと
ころにある。
【００２３】
有機物質との関係において、「ドナー」および「アクセプター」との語は二つの接して
はいるが異なる有機物質のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギー準位の相対的な位置を意味
する。無機系の関係におけるこれらの語の使用と対比すると、「ドナー」および「アクセ
プター」とは、無機ｎ−およびｐ−型層をそれぞれ形成するために使用されうるドーパン
トの型を意味しうる。有機系の関係において、仮に、他の物質と接している一つの物質の
ＬＵＭＯエネルギー準位が低ければ、その物質はアクセプターである。そうでなければ、
その物質はドナーである。エネルギー的に好ましいが、外部バイアスが無い場合、ドナー
−アクセプター接合点において電子はアクセプター物質に移動し、正孔はドナー物質に移
動する。
【００２４】
有機半導体において重要な性質はキャリア移動度である。移動度は、電荷キャリアが電
場に応じて伝導性物質を通って移動する容易さを評価する。有機感光性デバイスにおいて
、高い電子移動度の結果、電子をより優先的に伝導する物質を含む層は電子輸送層、また
はＥＬＴと称される。高い正孔移動度により正孔をより優先的に伝導する物質を含む層は
正孔輸送層、またはＨＴＬと称される。一実施形態において、アクセプター物質はＥＴＬ
であり、ドナー物質はＨＴＬである。
【００２５】
従来の無機半導体ＰＶ電池はｐ−ｎ接合を採用し、内部場（internal field）を構築す
る。しかしながら、ｐ−ｎ型接合の構築に加えて、ヘテロ接合のエネルギー準位の補正（
offset）はまた、重要である。有機ドナー−アクセプター（Ｄ−Ａ）ヘテロ接合における
エネルギー準位の補正は、有機物質において光生成工程の基本的な性質のため有機ＰＶ電
池の操作に重要であると考えられている。有機物質の光学的励起において、局在化（loca
lized）Ｆｒｅｎｋｅｌまたは電荷移動励起子が生成される。電気検出または電流発生の
ため、束縛励起子はそれらの構成電子および正孔に分離される。そのような工程は内部の
電場で誘起され、有機デバイス（Ｆ〜１０６Ｖ／ｃｍ）に通常見出される電場での効率は
低い。有機物質においてドナー−アクセプター（Ｄ−Ａ）接合で起こる励起子分離の効率
は最も高い。そのような接合において、低いイオン化ポテンシャルを有するドナー物質は
、高い電子親和力を有するアクセプター物質を伴ったヘテロ接合を形成する。ドナーおよ
びアクセプター物質のエネルギー準位の配列次第で、励起子の解離はそのような接合にお
いてエネルギー的に好ましくなり、アクセプター物質における自由電子ポラロン（polaro
n）およびドナー物質内における自由正孔ポラロンに導入される。
【００２６】
伝統的なシリコンを用いたデバイスと比べたとき、有機ＰＶ電池は多くの潜在的な利点
を有している。有機ＰＶ電池は軽量であり、物質の利用において経済的であり、柔らかい
プラスチック箔のような低価格の基板に蒸着することができる。しかしながら、有機ＰＶ
デバイスは通常、相対的に低い量子収率（生成したキャリア対に対する吸収された光子の
比、または電気変換効率に対する電磁放射の比）を有しており、１％またはそれ以下であ
る。これは、部分的に、本質的な光伝導過程の二次的な性質のためであると考えられてい
る。つまり、キャリア発生は励起子生成、拡散およびイオン化または収集を必要とする。
これらの工程それぞれに関連した効率ηがある。下付き文字は以下のように使用される：
Ｐは電力効率を表し、ＥＸＴは外部量子効率を表し、Ａは光子吸収励起子発生を表し、Ｅ
Ｄは拡散を表し、ＣＣは収集を表し、およびＩＮＴは内部量子効率を表す。この表記を用
いると：
【００２７】
【数３】
0006327625.tif 000004
【００２８】
である。
【００２９】
励起子の拡散距離（ＬＤ）は、通常、光吸収長（〜５００Å）より小さく（ＬＤ〜５０
Å）、複数または高保持される界面を伴う電池での厚さの使用と、それによる抵抗との間
、または低光吸収効率を伴った薄い電池との間での相殺（trade off）を必要とする。
【００３０】
一般的に、有機ＰＶ電池は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような透明導電体でコ
ートされたガラスまたはプラスチックのような透明基板上に組み立てられる。これらの基
板は、高価であり、および／またはデバイスのすべてのコスト構造の重要な要素であるた
め、そのような透明導電性基板の使用は、すべてのデバイス、特に広範囲での適用におい
て、コストパフォーマンスを制限する可能性がある。反転型有機ＰＶ電池は、反射基板お
よび透明上部接触（transparent top contact）を有効にする。この構造は、比較的高コ
ストの透明基板の必要性を排除し、任意表面上での組み立てを可能とする。このデザイン
は、たとえば、金属箔などの柔軟で安価な不透明基板上に発電塗装（power-generating c
oating）または成長（growth）するような有機ＰＶ電池の適用にまで十分に拡張する。し
たがって、より有効な反転型有機感光性構造を開発する必要がある。
【発明の概要】
【００３１】
要約
本発明は、有機感光性光電子デバイス、すなわち、反転式（inverted manner）に形成
（grown）する有機ＰＶデバイスに関する。本発明の目的において、反転式の形成（growt
h in an inverted manner）とは、反射電極から始まり、透明上部電極を用いることを意
味する。本明細書中、いくつかの実施形態では、反転型有機ＰＶデバイス（Inverted org
anic PV device）は、反射電極；前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合
；および前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む。 
【００３２】
いくつかの実施形態において、反射電極は、金属アノードのような基板を含む。いくつ
かの実施形態において、電極は、スチール、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｉｎ、およびこれ
らの混合物または合金から選択される低作用機能の金属（a low work function metal）
を含む。
【００３３】
本明細書中、ある実施形態において、反転型有機ＰＶデバイスは、表面処理された反射
電極；前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合；および前記ドナー−アク
セプターヘテロ接合上の透明電極を含む。
【００３４】
いくつかの実施形態において、前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーは、
フタロシアニン、ポルフィリン、サブフタロシアニン、およびこれらの誘導体または遷移
金属複合体を含む。いくつかの実施形態において、前記有機ドナー−アクセプターヘテロ
接合のアクセプターは銅フタロシアニン（ＣｕＰＣ）を含む。いくつかの実施形態におい
て、前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターは、重合または非重合ペリ
レン（polymeric or non-polymeric perylene）、重合または非重合ナフタレン、および
重合または非重合フラーレンから選択される。いくつかの実施形態において、アクセプタ
ーは、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイミダゾール（3,4,9,
10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole）（ＰＴＣＢＩ）を含む。
【００３５】
いくつかの実施形態において、前記透明電極が、透明または半透明になるような厚さを
有する透明酸化物および金属または金属置換体より選択される。いくつかの実施形態にお
いて、前記透明電極は、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）、および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）のような透明導電性酸化
物から選択される。
【００３６】
本明細書のいくつかの実施形態において、反転型有機ＰＶデバイスは、反射電極および
透明電極との間に、１以上の励起子阻止層（ＥＢＬ）のような阻止層を含んでもよい。い
くつかの実施形態において、ＥＢＬは、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス−α−ナ
フチルベンジジン（N,N’-diphenyl-N,N’-bis-alpha-naphthylbenzidine）（ＮＰＤ）、
トリス（８ーヒドロキシキノリン）アルミニウム（aluminum tris (8-hydroxyquinoline)
）（Ａｌｑ３）、カルバゾールビフェニル（carbazole biphenyl）（ＣＢＰ）、バトクプ
ロイン（bathocuproine）（ＢＣＰ）、およびトリス（アセチルアセトナト）ルテニウム
（ＩＩＩ）（Ｒｕ（ａｃａｃ）３）から選択される。
【００３７】
また、本明細書は、反射電極；前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合
；および前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む有機ＰＶデバイスを少
なくともひとつ含む発電デバイス（power-generating device）について述べる。
【００３８】
いくつかの実施形態において、発電デバイスは、基板フィルムまたは箔（ｆｏｉｌ）の
上に形成される。他の実施形態において、発電デバイスは、デバイスの囲い（enclosure
）上に直接形成され、該デバイスの囲いが基板として機能し、反射電極が該基板上に形成
される。
【００３９】
また、有機ＰＶデバイスの製造方法としては、以下のことを含む：反射電極を備え；前
記反射電極上に、少なくともひとつの表面処理を施し；前記反射電極上に有機ドナー−ア
クセプターヘテロ接合を形成し；および前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合上に透
明電極を形成する。
【００４０】
また、電気を発生および／または測定する方法も本明細書に開示されている。いくつか
の実施形態においては、反射電極；前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接
合；および前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む有機ＰＶデバイスに
光（light）を提供することを含む方法である。
【００４１】
いくつかの実施形態において、基板はたとえば、金属箔のような反射性であり、前記反
射基板にもっとも近い電極は、本明細書に規定される好適な透明または半透明材料から形
成される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
（図面の簡単な説明）
【図１】図１は、基材上に形成された反射電極；前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合；および前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む反転型有機ＰＶデバイスを示す。
【図２ａ】図２ａは、ＰＴＣＢＩ厚さに対するエータ（ηＰ−電力変換効率）および応答速度（Ｊｓｃ／Ｐ０）のプロットを示す。ここで、Ａ／Ｗはワット（Ｗａｔ）に対するアンペア（Ａｍｐｓ）を意味し、「ｓｉｍ」は「シミュレート」を意味する。
【図２ｂ】図２ｂは、ＰＴＣＢＩ厚さに対するＶｏｃおよびＦＦのプロットを示す。
【図２ｃ】図２ｃは、ＰＴＣＢＩ厚さに対する直列抵抗（Ｒｓ）およびｎのプロットを示す。
【図２ｄ】図２ｄは、ＰＴＣＢＩ厚さに対する逆飽和電流（Ｊｓ）のプロットを示す。
【図３ａ】図３ａは、ＣｕＰｃ厚さに対するエータ（ηＰ−電力変換効率）および応答速度（Ｊｓｃ／Ｐ０）のプロットを示す。
【図３ｂ】図３ｂは、ＣｕＰｃ厚さに対するＶＯＣおよびＦＦのプロットを示す。
【図３ｃ】図３ｃは、ＣｕＰｃ厚さに対する直列抵抗（Ｒｓ）およびｎのプロットを示す。
【図３ｄ】図３ｄは、ＣｕＰｃ厚さに対する逆飽和電流（Ｊｓ）のプロットを示す。
【図４ａ】図４ａは、ガラス上に形成された：ＩＴＯ（１５５０Å）／ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００Å）  コントロールＰＶデバイスで実施された標準輸送−マトリックスシミュレーション（standard transfer-matrix simulation）の計算を示す。ＣｕＰｃの６２５ｎｍ（■）およびＰＴＣＢＩの５４０ｎｍ（★）のピーク吸収における光場を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、明細書に記載された本発明の実施形態である反転型ＰＶデバイス（クォーツ／Ａｇ（１０００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＰＴＣＢＩ（３００Å）／ＣｕＰｃ（１５０Å）／ＩＴＯ（４００Å））で実施された標準輸送−マトリックスシミュレーションの計算を示す。ＣｕＰｃの６２５ｎｍ（■）およびＰＴＣＢＩの５４０ｎｍ（★）のピーク吸収における光場を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、明細書に記載された本発明の実施形態である反転型ＰＶデバイス（クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å））で実施された標準輸送−マトリックスシミュレーションからの計算を示す。ＣｕＰｃの６２５ｎｍ（■）およびＰＴＣＢＩの５４０ｎｍ（★）のピーク吸収における光場を示す。
【図５ａ】図５ａは、ガラス上に形成された：ＩＴＯ（１５５０Å）／ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００Å）  コントロールＰＶデバイスの暗所（■）および模擬１  ＳＵＮ照射（simulated 1-sun illumination）下（○）での電流−電圧曲線を示す。図５ａは、また、明細書に記載された本発明の実施形態である反転型ＰＶデバイス（クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å））の暗所（▲）および模擬１  ＳＵＮ照射下（▽）での電流−電圧曲線を示す。直線（ｌｉｎｅ）は暗電流曲線とフィッティング（fit）したものである。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明の実施形態である反転型ＰＶデバイス（Ａｒプラズマで処理された、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å））の入射電力密度（incident power density）の関数として、ηｐ（■）、ＶＯＣ（★）およびＦＦ（▲）を示す。
【図６ａ】図６ａは、コントロールデバイス（ガラス／ＩＴＯ（１５５０Å）／ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００Å））の暗所（■）および模擬１  ＳＵＮ  ＡＭ１．５Ｇ照明下（点線）での電流−電圧特性、また、明細書に記載された本発明の実施形態である反転型ＰＶデバイス（クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（３５０Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å））の暗所（▲）および照明下（一点鎖線）での電流−電圧特性を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（３５０Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む反転型ＰＶデバイスのηＰ（●）、ＶＯＣ（▲）、およびＦＦ（■）を示す。
【図７ａ】図７ａは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（ｘÅ）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む構造において、ＣｕＰｃ厚さ（ｘ＝１００〜４００Å）を変化させた反転型ＰＶデバイスの１  ＳＵＮ強度における光電流のシミュレート（線）および測定値（■）を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（ｘÅ）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む構造において、ＣｕＰｃ厚さ（ｘ＝１００〜４００Å）を変化させた反転型ＰＶデバイスの１  ＳＵＮ  ＡＭ１．５Ｇ照射下でのηＰ（■）、ＶＯＣ（▲）、およびＦＦを示す。
【図８ａ】図８ａは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（ｙÅ）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む構造において、ＰＴＣＢＩ厚さ（ｙ＝０〜３００Å）を変化させる反転型ＰＶデバイスの１  ＳＵＮ強度における光電流のシミュレート（線）および測定値（■）を示す。
【図８ｂ】図８ｂは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（ｙÅ）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む構造において、ＣｕＰｃ厚さ（ｘ＝１００〜４００Å）を変化させる反転型ＰＶデバイスのＡＭ１．５Ｇの太陽光でのηＰ（■）、ＶＯＣ（▲）、およびＦＦを示す。
【図９ａ】図９ａは、ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩ厚さの関数として、Ｊｓｃのシュミレート等高線プロットを示す。
【図９ｂ】図９ｂは、ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩ厚さの関数として、ηＰのシミュレート等高線プロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
（詳細な説明）
反転型有機感光性光電子デバイスについて述べる。本明細書中、有機デバイスは、たと
えば、入射電磁放射（たとえば、ＰＶデバイス）からの有効な電流を発生するために用い
られたり、または入射電磁放射を検出するために用いられうる。いくつかの実施形態は、
アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に光活性領域を含む。光活性領域
は、感光性デバイスのうち、電流を発生するために、電磁照射を吸収し、解離する励起子
を発生する部分である。本明細書中、デバイスは、また、入射電磁放射がデバイス内で吸
収されるための透明電極を少なくともひとつ含む。いくつかのＰＶデバイス材料および形
状は米国特許第６，６５７，３７８号、第６，５８０，０２７号、および第６，３５２，
７７７号に開示されおり、ＰＶデバイス材料および形状の開示は、参照により本明細書中
に組み込まれる。
【００４４】
本明細書中、「層」という語とは、第１次元（primary dimension）が、その長さおよ
び幅に沿ったＸ−Ｙである感光性デバイスの構成（member）または要素（component）を
意味する。「層」という語は、単層または材料の薄板（sheet）であるかは制限されない
。さらに、他の材料または層との界面を含むある層の表面は不完全であると考えられ、そ
のような表面は、他の材料または層と浸透した、巻き込んだ、または入り組んだネットワ
ークが存在する。同様に、層は、非連続的でありうると考えられ、Ｘ−Ｙ次元に沿った層
の連続性は、他の層または材料によって妨げられ、遮断されうる。
【００４５】
本明細書中、「電極（electrode）」および「接触（contact）」という語は、光によっ
て発生した電流（photo-generated current）を外部回路に運搬するための、またはデバ
イスにバイアス電流もしくは電圧を供給するための媒体を提供する層を意味する。つまり
、電極、または接触は、有機感光性光電子デバイスの活性領域と、ワイヤー、リード（le
ad）、配線（trace）または外部回路に、もしくは外部回路から、電荷キャリアを輸送す
る他の手段と、の間の界面を与える。アノードまたはカソードは例である。感光性光電子
デバイスに用いられる電極、または接触の例として、本明細書に組み込まれる米国特許第
６，３５２，７７７号に開示された電極が参照される。感光性光電子デバイスにおいて、
デバイス外部からの周囲の電磁照射（ambient electromagnetic radiation）が、光伝導
的に活性な内部領域に、最大量に与えられることが望まれている。つまり、電磁照射は、
光伝導層に到達し、光伝導吸収により電気に変換されうる。このことは、電気的接触の少
なくともひとつが、入射電磁放射をわずかにでも吸収し、わずかにでも反射していること
を示唆している。このような場合、このような接触は、実質的に透明である。反対電極は
、反射物質であってもよく、そのため吸収されることなくセルを透過した光がセルを透過
して反射される。本明細書中、物質の層または異なる物質のいくつかの連続層は「透明」
であり、当該層または連続層は関連する波長の周囲の電磁放射の少なくとも５０％を、層
または連続層を透過して伝える。同様に、関連する波長の周囲の電磁放射を少しは透過す
るが、約５０％未満の透過である層を「半透明」であると称する。
【００４６】
「カソード」という語は、以下の様式に従って用いられる。周囲の放射下（under ambi
ent irradiation）、負荷抵抗と、および外部印加電圧がないものと、接続される（すな
わち、ＰＶデバイスである）非積層ＰＶデバイス（non-stacked PV device）または積層
ＰＶデバイスの一単位において、電子は光伝導物質からカソードに移動する。同様に、「
アノード」という語は、照明下（under illumination）のＰＶデバイスにおいて、正孔は
光伝導性物質からアノードに移動し、電子の移動と反対の形式で等価である。本明細書に
おいて、アノードおよびカソードは、電極または電荷輸送層であることを意味する。本明
細書において、「（最）上部（ｔｏｐ）」とは、基板構造（もしあったとすれば）からも
っとも離れた部分を意味し、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」とは、基板構造のもっとも近い距
離を意味する。デバイスが基板構造を有していない場合、「（最）上部」とは、反射電極
からもっとも離れた部分を意味する。たとえば、ふたつの電極を有するデバイスにおいて
、底部電極は、基板構造にもっとも近い電極であり、一般的に、最初に形成される電極で
ある。底部電極は、ふたつの表面、すなわち、基板にもっとも近い底部側、および基板か
らより離れた上部側のふたつを有する。第一の層が、「第二の層上に配置される（dispos
ed over）」または「第二の層の（最）上部の（on top of）」と記載されている場合、第
一の層は基板から離れて配置されている。第一の層が第二の層と「物理的に接触している
」と特定されていない場合は、第一および第２の層の間に他の層が存在しうる。たとえば
、さまざまな有機層が間に存在している場合であっても、カソードは「アノード上に配置
される（disposed over）」または「アノード上の（on top of）」と記載されている。
【００４７】
図１は、反転型有機感光性光電子デバイス１００を示す。図は、必ずしも基準ではない
。デバイス１００は、反射基板１１０、ドナー層１１５、アクセプター層１２０、任意に
阻止層１２５、および透明電極１３０を含む。デバイス１００は、上述の層を順に堆積（
depositing）して製造される。いくつかの実施形態において、図１に記載されるデバイス
は、任意に、阻止層１２５および透明電極１３０の間に非常に薄い、損傷誘導金属層（da
mage inducing metal layer）を含み、透明性は影響されない。デバイス１００は、また
、任意に、基板構造１３５を含む。いくつかの実施形態において、基板構造は、反射電極
１１０を直接支持する。
【００４８】
図１に図示される層の特定の配列は単なる例示であり、これに制限されない。たとえば
、いくつかの層（たとえば、阻止層）は省略されうる。他の層（たとえば、反射電極また
は付加的なアクセプターおよびドナー層）も追加されうる。層の順序は、変更しうる。こ
れらの特に記載された配列以外の配列も用いられうる。さらに、有機ＰＶデバイスは、１
以上のさらなるドナー−アクセプター層を含むタンデムデバイス（tandem device）でも
ありうる。タンデムデバイスは、タンデムドナー−アクセプター層間に、電荷輸送層、電
極、または電荷再結合層（charge recombination layers）を有することができる。基板
および反射電極は結合して、基板は反射および透明電極となりうる。
【００４９】
基板１３５は、その上にデバイスが形成（grown）しうるまたは設置（placed）されう
るものであり、所望の構造的な性質を与えうる任意の適した物質でありうる。基板は柔軟
でも剛性があってもよく、平面でも非平面状（non-planar）でもよい。基板は透明、半透
明または不透明でありうる。剛体の基板物質としては、プラスチック、ガラスおよびクォ
ーツが挙げられる。プラスチックおよび金属箔は柔軟な基板物質の例である。基板の物質
および厚さは所望の構造および光学特性を得るために選択されうる。
【００５０】
いくつかの実施形態において、反射電極１１０は金属アノードなどの電極を含みうる。
いくつかの実施形態において、反射電極１１０は、スチール、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、
Ｉｎ、およびそれらの混合物または合金から選択される低作用性金属（low work functio
n metal）を含む。いくつかの実施形態において、電極は、ベースとしてひとつの金属を
含み、電極物質としてひとつの金属、たとえば、上部にＡｇを有しているか有していない
かに関わらず、Ｔｉ、ステンレス、スチール、またはＡｌシートを含む。
【００５１】
いくつかの実施形態において、反射電極１１０および基板物質１３５は、ふたつの金属
を結合または形成してもよい。いくつかの実施形態において、基板１３５は反射性であり
、電極１１０は透明である。
【００５２】
いくつかの実施形態において、本明細書中、「電極」は、「金属」または「金属置換体
」で構成される。ここで「金属」の語は、単体の金属で構成される物質（たとえば、Ｍｇ
）および二以上の単体金属で構成される物質である金属合金（たとえば、ＭｇおよびＡｇ
をともに用いて、Ｍｇ：Ａｇで示される）をも包含して用いられる。「金属置換体」の語
は、通常の定義の金属ではなく、任意の適当な適用において所望の金属様の性質を有する
物質を意味する。一般的には、電極および電荷輸送層における金属置換体としては、ドー
プされたワイドバンドギャップ半導体、たとえば、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）、および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ
）などの透明導電性酸化物である。特に、ＩＴＯは、約３．２ｅＶの光学バンドキャップ
を有する、ドープされた縮退ｎ＋半導体（a highly doped degenerate n+ semiconductor
）であり、約３９００Åよりも大きな波長で透過することができる。他の好適な金属置換
体は、透明導電性ポリマーポリアニリン（ＰＡＮＩ）およびその化学的関連体（chemical
relative）である。
【００５３】
金属置換体は、さらに、広範囲の非金属物質から選択されうる。ここで、「非金属」と
いう語は、広範囲の物質を包含し、化学的に非結合体（chemically uncombined form）の
金属フリーの物質も含まれる。単独または合金として１以上の他の金属との併用のどちら
かで、金属が化学的に非結合体で存在する場合、金属は、その金属形態（metallic form
）中または「遊離金属（free metal）」として存在することを意味する。それゆえに、本
明細書中、金属置換体電極は、しばしば、「遊離金属」を意味する。このとき、「遊離金
属」との語は、化学的に非結合体における金属フリーの物質も明らかに含まれる。遊離金
属は、通常、金属格子内の電子伝導バンド（electronic conduction band）を自由に移動
する大量の価電子から得られる金属結合の形態を有する。一方、金属置換体は、様々な塩
基上で「非金属性」である金属成分を含みうる。それらは純粋な遊離金属でも遊離金属の
合金でもない。金属が金属形態にあるとき、その電子伝導バンドは、他の金属特性の中で
も、光学的放射の高反射性を与えるのとともに、高い電気伝導性を与える。
【００５４】
透明電極１３０は、透明酸化物および透明であるような厚さを有する金属または金属置
換体から選択される。電極および電荷輸送層用として一般的に用いられる金属置換体は、
たとえば、透明導電酸化物などのドープされたワイドバンドギャップ半導体を含む。いく
つかの実施形態において、透明電極１３０は、ＩＴＯ、ＧＩＴＯ、およびＺＩＴＯから選
択される。他の例となる電極としては、Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ  ｅｔ  ａｌ．米国
特許第６，４２０，０３１に開示されている高透明性の非金属で抵抗の低いカソード、ま
たはＦｏｒｒｅｓｔ  ｅｔ  ａｌ．米国特許第５，７０３，４３６号に開示されている高
い効率で、低抵抗性の金属／非金属化合物カソードが挙げられ、それらのカソードは、参
照により本明細書に組み込まれる。それぞれのカソードのタイプは、高い透明性で、非金
属、抵抗の低いカソードを形成するためのＣｕＰｃのような有機物質上、または高い効率
で、抵抗の低い金属／非金属化合物カソードを形成するために薄いＭｇ：Ａｇ層上のどち
らかに、ＩＴＯ層をスパッタ蒸着（sputter depositing）する段階を含む製造工程をもっ
て、製造される。
【００５５】
本明細書中、デバイスは、光を吸収して励起状態または「励起子」を形成し、続いて、
電子および正孔に解離する、「光活性領域（photoactive region）」を少なくともひとつ
含む。励起子の解離は、通常、ドナー層およびアクセプター層の並置により形成されるヘ
テロ接合を引き起こす。たとえば、図１のデバイスにおいて、「光活性領域」は、ドナー
層１１５およびアクセプター層１２０を含む。電荷分離（charge separation）は、ドナ
ー層１１５およびアクセプター層１２０の間の有機ヘテロ接合において優先的に生じる。
ヘテロ接合での内蔵電位（built-in potential）は、ヘテロ接合を形成するふたつの物質
間のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギー準位差により決定される。ドナーとアクセプター物質
間のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップオフセット（offset）は、反対の符号のキャリア（正孔
および電子）において、界面の励起子拡散長内に形成される励起子の解離を促進するドナ
ーアクセプター界面に電場（electric field）を形成する。
【００５６】
アクセプター層１２０を含む好適な物質としては、たとえば、重合または非重合ペリレ
ン、ナフタレン、フラーレンまたはナノチューブを含む。いくつかの実施形態において、
アクセプター層１２０は、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイ
ミダゾール（ＰＴＣＢＩ）を含む。他の実施形態において、アクセプター層１２０は、全
体の参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，５８０，０２７号に開示されてい
るフラーレン物質を含む。いくつかの実施形態において、ドナー層１１５は、スクアライ
ン（squaraines）、フタロシアニン、ポルフィリン、サブフタロシアニン、銅フタロシア
ニン、またはそれらの誘導体もしくは遷移金属複合物（たとえば、アルミニウムフタロシ
アニンクロライド（ＡｌＣｌＰｃ）（aluminum phthalocyanine chloride））を含む。
【００５７】
光活性層（photoactive layers）に使用するための他の好適な有機物質としては、シク
ロメタル化有機金属化合物（cyclometallated organometallic compounds）を含む。本明
細書中、「有機金属」という語は、一般的に、当業者に公知であり、たとえば、Ｇａｒｙ
Ｌ．  ＭｉｅｓｓｌｅｒおよびＤｏｎａｌｄ  Ａ．  Ｔａｒｒによる「無機化学」（第
２版  Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ（１９９８））に記載されている。よって、「有機金
属」という語は、炭素−金属結合を通じて金属と結合する有機基を有する化合物を意味す
る。有機金属化合物は、さらに、有機種と結合する１以上の炭素−金属結合、ヘテロ原子
からの１以上のドナー結合を含む。有機種と結合する１以上の炭素−金属結合とは、たと
えば、金属と有機基の炭素原子（たとえば、フェニル、アルキル、アルケニルなど）との
間で直接結合することを意味する。「シクロメタル化」という語は、金属の結合において
、員環（ring members）のひとつとして金属を含む環構造を形成することのできる二座配
位の有機金属配位子を含む化合物を意味する。
【００５８】
「層」という語に関して上述のように、アクセプター層１２０およびドナー層１１５の
境界は、図１に図示されるように、不完全であり、不連続であり、および／またはドナー
およびアクセプター物質の浸透し、もつれて、複雑なネットワークが存在する。たとえば
、いくつかの実施形態において、有機ドナー−アクセプターヘテロ接合が平面状ヘテロ接
合を形成し、他の形態では、バルクヘテロ接合、ナノ結晶性バルクヘテロ接合、ハイブリ
ット平面混合ヘテロ接合、または混合ヘテロ接合を形成しうる。いくつかの実施形態にお
いて、２以上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合は、タンデム反転型ＰＶデバイスを
形成するために用いられる。
【００５９】
有機層は、真空蒸着、スピンコーティング、有機気相蒸着、インクジェットプリンティ
ング、および他の公知の方法を用いて製造される。
【００６０】
本発明の実施形態である有機感光性光電子デバイスは、ＰＶデバイス、光検出器または
光伝導体（photoconductor）として機能する。本明細書に記載の有機感光性光電子デバイ
スがＰＶデバイスとして機能する場合は、光伝導性有機層において用いられる物質および
それらの厚さは、たとえば、デバイスの外部量子効率を最適化するように選択される。本
明細書に記載の有機感光性光電子デバイスが光検出器または光伝導体として機能する場合
は、光伝導有機層において用いられる物質およびその厚さは、デバイスの検出感度が所望
のスペクトル領域で最大になるよう選択される。
【００６１】
層の厚さの選択において、いくつかのガイドラインを用いて検討することにより、所望
の結果に到達しうる。ほとんどの励起子の解離は、ドナー−アクセプター接合の拡散長内
で生じると考えられているため、層の厚さＬは、励起子拡散長ＬＤよりも小さいまたは類
似であることが好ましい。本明細書中、Ｌは励起子生成サイトおよびドナー−アクセプタ
ー界面からの距離である。ＬがＬＤより大きい場合、多量の励起子が解離前に再結合する
。光伝導層の厚さの合計が電磁照射吸収長１／α（αは吸収係数）と同程度であるのがさ
らに好ましい。これにより、ＰＶデバイス上のほとんどすべての放射入射が吸収されて励
起子を生成することができる。さらに、光伝導層の厚さは、できるだけ薄くすることで、
有機半導体の高いバルク抵抗率のための過剰な直流抵抗（excess series resistance）を
回避する。
【００６２】
したがって、そのような競合するガイドラインは、本質的に、トレードオフを必要とし
、感光性光電子セルの光伝導有機層の厚さを選択して作られる。一方、このように、吸収
長に相当するまたはより大きい厚さは、入射放射を最大量吸収するため好ましい。一方、
光伝導層の厚さが大きくなるにつれて、二つの望ましくない効果が大きくなる。一つは、
有機半導体の高い直流抵抗のせいで、増加した有機層の厚さがデバイスの抵抗値を増加し
、効率を低下させることである。もう一つの望ましくない効果は、光伝導性層の厚さを増
加することにより、励起子が電荷−分離界面から離れて生成し、その結果、対再結合の可
能性が大きくなり、また、効率が低下する。したがって、デバイスの形態は、デバイス全
体にわたって外部量子効率を高める方法で、これらの競合する効果間の均衡をとることが
望ましい。
【００６３】
図１のデバイスは、さらに、１以上の阻止層１２５を含む。励起子阻止層（ＥＢＬ）と
しては、Ｐｅｕｍａｎｓ  ｅｔ  ａｌの米国特許第６，０９７，１４７号、Ａｐｐｌｉｅ
ｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２０００，７６，２６５０−５２、およびＦｏｒ
ｒｅｓｔ  ｅｔ  ａｌ米国特許第６，４５１，４１５号に記載されている阻止層が、参照
により本発明に組み込まれる。ある実施形態において、高い内部および外部量子効率が、
ＥＢＬの含有により達成され、解離界面（dissociating interface）の近くの領域に光生
成励起子（photogenerated excitons）を閉じ込めて、感光性有機／電極界面での寄生励
起子（parasitic exciton）クエンチングを防ぐことができる。励起子の拡散より大きい
体積を限定するのに加えて、ＥＢＬは電極の蒸着の間に誘導される基板への拡散障壁とし
て働く。ある環境において、ＥＢＬは、有機ＰＶデバイスを機能しないようにするピン正
孔または短絡欠陥を満たすのに十分な厚さに作られる。ＥＢＬはそれゆえに、電極が有機
物質上に蒸着されるときに生じるダメージから、脆弱な有機層を保護するのを助ける。
【００６４】
どんな特定の理論に基づいてなくとも、ＥＢＬは、励起子が抑制された隣接の有機半導
体よりも実質的に大きいＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギーギャップを有することから、それ
らの励起子阻止特性が得られる。よって、閉じ込められた励起子は、エネルギー的な判断
のためＥＢＬ内に存在することを禁じられる。一方、ＥＢＬは励起子を抑制するのが好ま
しく、ＥＢＬがすべての電荷を抑制するのは好ましくない。しかしながら、隣接のエネル
ギー準位の性質のため、ＥＢＬはひとつの符号（sign）の電荷キャリアを抑制する。意図
的に、ＥＢＬは２つの他の層、通常は、有機感光性半導体層および電極、電荷輸送層また
は電荷再結合層間に存在する。隣接の電極または電荷輸送層は、カソードまたはアノード
のどちらかに置かれる（in context）。それゆえに、デバイス中の与えられた配置におけ
るＥＢＬの物質は、所望の符号（sign）のキャリアが電極または電荷輸送層の輸送を妨げ
られないように選択される。適当なエネルギー準位配列により、キャリア輸送の障壁がな
く、直列抵抗の増大を抑制することができる。ある実施形態では、カソード側のＥＢＬに
用いられる物質が、不要な電子の障壁を最小化するために、隣接するアクセプター物質の
ＬＵＭＯエネルギー準位により適合したＬＵＭＯエネルギー準位を有するのが好ましい。
【００６５】
当然のことなら、物質の励起子阻止の性質は、そのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギー準位
の固有の性質である必要はない。与えられた物質が、隣接する有機感光性物質の関連のＨ
ＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギー準位に依存して励起子阻止体として作用する。それゆえ
に、励起子阻止体として分離において、用いられるデバイス・コンテキスト（device con
text）に関係なく、化合物の分類を識別するのは可能ではない。しかしながら、本明細書
の技術によれば、当業者は、与えられた物質が、有機ＰＶデバイスの構築のために選択さ
れた一組の物質とともに用いた場合に、励起子阻止層として作用するかどうかを識別でき
る。
【００６６】
いくつかの実施形態によれば、阻止層１２５は、アクセプター層１２０と透明電極１３
０との間に配置されたＥＢＬを含む。好適なＥＢＬ物質の例としては、これに制限されな
いが、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（2,9-dime
thyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline）（バトクプロイン（bathocuproin）またはＢ
ＣＰとも称される）（該化合物は、約３．５ｅＶのＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー準位分
離を有すると思われる）、またはビス（２−メチル−８−ヒドロキノリノアト）−アルミ
ニウム（ＩＩＩ）フェノレート（bis(2-methyl-8-hydroxyquinolinoato) aluminum(III)p
henolate）（ＡＩｑ２ＯＰＨ）が挙げられる。ＢＣＰは、アクセプター層からカソードへ
容易に電子を輸送することのできる効果的な励起子阻止体である。他の実施形態において
、ＥＢＬは、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス−α−ナフチルベンシジン（ＮＰＤ
）、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）、カルバゾールビフェ
ニル（ＣＢＰ）、およびトリス（アセチルアセトナト）ルテニウム（ＩＩＩ）（Ｒｕ（ａ
ｃａｃ）３）から選択される。
【００６７】
いくつかの実施形態において、阻止層１２５は、これに制限されないが、３，４，９，
１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、３，４，９，１０−ペリレン
テトラカルボン酸ジイミド（ＰＴＣＤＩ）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン
酸ビス−ベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボ
ン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）およびそれらの誘導体から選択される、好適なドーパント（
dopant）でドープされたＥＢＬを含む。本明細書に記載されたデバイスに蒸着されるＢＣ
Ｐは、アモルファスでありうる。アモルファスＢＣＰ励起子阻止層は、高い光強度下にお
いて特に、速やかにフィルム再結晶性を示す。ポリ結晶性物質への結果的な形態変化は、
短絡、ボイド（voids）または電極物質の侵入のような欠陥などのより低い品質のフィル
ムへとつながる。したがって、この効果を示す好適な、相対的に大きく安定な分子といく
つかのＥＢＬ物質（たとえば、ＢＣＰ）とのドーピングは、ＥＢＬ構造を安定化し、形態
変化が分解するパフォーマンスを抑制することがわかっている。また、当然のことながら
、ＥＢＬのＬＵＭＯエネルギーに近いＬＵＭＯエネルギーを有する物質を含むデバイスに
おいて、電子を輸送するＥＢＬのドーピングは、空間電荷（space charge）積層（build-
up）を生産し、性能を低下するような電子トラップが形成されないことを保証するのを助
ける。さらに、当然のことながら、相対的に低いドーピング密度は、分離されたドーパン
ト部位において励起子生成を最小化する。そのような励起子は、周囲のＥＢＬ物質によっ
て効果的に拡散を抑制されるため、そのような吸収はデバイス光変換効率を減少させる。
【００６８】
いくつかの実施形態において、図１のデバイスは、１以上の透明電荷輸送層または電荷
再結合層をさらに含む。明細書に記載のように、電荷輸送層は、必ずしも必須ではないが
、しばしば、無機物（しばしば金属である）であり、それらは光伝導的に活性ではないこ
とを選択されるという事実により、電荷輸送層と、アクセプターおよびドナー層とは区別
される。本明細書中、「電荷輸送層」との語は、電荷輸送層が、光電子デバイスの小区分
の１つから隣接小区分に電荷キャリアを運搬するのみである点において、電荷輸送層と電
極とは異なっているが、電極と同様の層を意味する。本明細書において、「電荷再結合層
」との語は、電荷再結合層が、タンデム感光性デバイス間の電子と正孔との再結合を可能
とし、１以上の活性層の近くの内部光場強度（internal optical field strength）を強
めるという点で電荷再結合層と電極とは異なるが、電極と同様の層を意味する。電荷再結
合層は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる米国特許第６，６５７，３７８号
に記載される半透明な金属ナノクラスター、ナノ粒子またはナノロッドから構成されうる
。
【００６９】
他の実施形態において、平滑化層（smoothing layer）が、反射電極１１０（たとえば
、アノード）およびドナー層１１５の間に配置されてもよい。平滑化層の物質の例として
は、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ
：ＰＳＳ）（3,4-polyethylenedioxythiophene:polystyrenesulfonate）のフィルムが挙
げられる。反射電極１１０（たとえば、ＩＴＯを含むアノード）とドナー層１１５（たと
えば、ＣｕＰｃ）との間のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の導入により、製造収率を大きく改善す
る。特定の理論に基づくことなく、改善された製造収率は、ＩＴＯを平坦化するためのス
ピンコーティングされたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳフィルム性能の結果であり、そうでなければ
薄い分子層を通して粗い表面が短絡（shorts）をもたらす。
【００７０】
さらに他の実施形態において、図１のデバイスの１以上の層は、表面処理を受ける。た
とえば、１以上の層は、次の層を堆積（deposite）する前にプラズマ処理される。当該層
は、たとえば、軽度のアルゴンまたは酸素プラズマで処理される。この処理は直流抵抗を
減少するのに有効である。追加的なＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層を、次の層を堆積（deposite）
する前に軽くプラズマ処理されることも効果的である。代わりに、１以上の層が紫外オゾ
ン処理（ultra-violet ozone）（ＵＶ−Ｏ３）をされうる。少なくともひとつの実施形態
において、反射電極（たとえば、アノード層）が表面処理を受ける。
【００７１】
本発明の実施形態では、また、反射電極１１０を備え、前記反射電極上に、少なくとも
ひとつの表面処理を施し、前記反射電極１１０の上に有機ドナー−アクセプターヘテロ接
合（たとえば、ドナー層１１５およびアクセプター層１２０）を形成し、および前記有機
ドナー−アクセプターヘテロ接合の上に透明電極１３０を形成する、ことを含む、図１の
有機ＰＶデバイスを製造する方法を含む。
【００７２】
また、本発明の実施形態は、また、電力を発生および／または測定する方法も含む。い
くつかの実施形態において、反射電極１１０、前記反射電極１１０の上の有機ドナー−ア
クセプターヘテロ接合（たとえば、ドナー層１１５およびアクセプター層１２０）、およ
び前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合の上に透明電極１３０を含む、図１のデバイ
スに光を供給することを含む。
【００７３】
いくつかの実施形態において、電力発生デバイスが記載されており、該デバイスは、反
射電極１１０、前記反射電極の上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合（たとえば、ド
ナー層１１５およびアクセプター層１２０）、および前記有機ドナー−アクセプターヘテ
ロ接合の上に透明電極１３０を含む、少なくとも１つの図１のデバイスを含む。いくつか
の実施形態において、デバイスは、塗料（paint）、フィルム、または箔（foil）の形態
でありうる。たとえば、ひとつの実施形態において、デバイス１００は、フィルム、箔な
どを含む基板構造１３５上に形成され、または、たとえば塗料を適用したデバイスの囲い
（enclosure）上に直接形成される。いくつかの実施形態において、デバイスは、約０．
３〜約０．４の範囲のηＰを示す。いくつかの実施形態において、デバイスは、約０．２
〜約１．５、たとえば約０．４〜約０．５の範囲のＶＯＣを示す。いくつかの実施形態に
おいて、デバイスは、約０．４〜約０．８５の範囲、たとえば、０．５のＦＦを示す。い
くつかの実施形態において、デバイスは、約０．００２〜約０．０２５Ａ／Ｗの範囲、た
とえば０．０２のＪＳＣ／ＰＯを示す。いくつかの実施形態において、デバイスは、約５
〜約１２の範囲のＲＳＡを示す。いくつかの実施形態において、デバイスは、約２×１０
―７〜約７×１０―７の範囲のＪＳを示す。いくつかの実施形態において、デバイスは、
約２よりも小さい、たとえば、約１に近いηを示す。
【００７４】
さらに他の実施形態において、本発明の有機感光性光電子デバイスは、光検出器として
機能する。この実施形態において、デバイス１００は多層有機デバイスであり、たとえば
、米国特許第６，９７２，４３１号に記載されており、その全体が参照により本明細書に
組み込まれる。この場合、外部電場は、分離した電荷の抽出を分離電荷の抽出を容易にす
るのに一般的に利用されうる。
【００７５】
コーティングは、光学エネルギーをデバイス１００の所望の領域に集中させるために用
いてもよい。たとえば、米国特許第７，１９６，８３５号、米国特許出願第１０／９１５
，４１０号にそのコーティングの例が開示されており、参照により本明細書に組み込まれ
る。
【００７６】
図１に図示された簡略の層構造は、実施例の方法に限定されないが、本発明の実施形態
は様々な他の構造に関連して使用されうる。記載されている具体的な物質および構造は、
実質的に典型的なものであり、他の物質および構造が使用されうる。機能的な有機感光性
光電子デバイスは異なる方法で記載されている様々な層または全体において省略されうる
層を、デザイン、性能および原価要素に基づいて結びつけることで達することができる。
特に記載されていない他の層も含まれる。特に記載されていない物質も使用されうる。本
明細書における多くの実施例が一つの物質を含む様々な層を記載しているが、ホストおよ
びドーパントの混合物、またはより一般的な混合物のような物質の組み合わせを使用する
ことができると理解できる。また、前記層は様々な補助層を有しうる。本明細書における
様々な層に付与されている名前は厳格に限定するものでもない。光活性領域の部分、すな
わち、主に光電流に貢献する一般的な光子を吸収しない有機層は「光活性層でない」とい
われている。光活性でない層の例は、ＥＢＬおよび陽極平滑化層を含む。他の種類の光活
性でない層も使用されうる。
【００７７】
本発明のデバイスは、以下に述べる実施例でさらに説明されるが、これに限られるもの
ではなく、単なる例示である。
【実施例】
【００７８】
（実施例）
実施例１
反転構造は、ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩによって形成されたアーキタイプ（archetype
）ドナー−アクセプター二層を用いて実施された。光学シミュレーションを用いて、デバ
イス性能を予測して反転構造を最適化した。標準輸送−マトリックス計算（Standard tra
nsfer- matrix calculations）を用いて、ＪＳＣを予測した（たとえば、Ａｐｐｌ．  Ｐ
ｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  ９３，  ３６９３  （２００３）およびＪ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙ
ｓ．  ８６，  ４８７  （１９９９）に輸送−マトリックス計算が開示されており、参照
により本明細書に組み込まれる）。厚さの検討結果を図２および３に示す。
【００７９】
実施例２
Ｓｉ基板上に形成された有機フィルムの光学定数（Optical constants）を、偏光解析
法（ellipsometry）を用いて測定した。Ｎｉ上の有機フィルムの光学定数は、文献から引
用した。参照により本明細書に組み込まれるＪ．  Ｐｈｙｓ．  Ｆ：  Ｍｅｔａｌ  Ｐｈ
ｙｓ．  ９，  ２４９１  （１９７９）を参照。ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩの励起子拡散
長は、それぞれ８０Åおよび４０Åで、２ｎｓの寿命だった。参照により本明細書に組み
込まれるＡｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  ９３，  ３６９３  （２００３）を参照。
このシミュレーションにおいて、これらの構造：ひとつのコントロールＰＶおよびふたつ
の反転型ＰＶを調べた。コントロールＰＶデバイスは、ガラス／ＩＴＯ（１５５０Å）／
ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００
Å）であった。このコントロールＰＶの結果を、図４ａに示す。第一の反転型ＰＶデバイ
スは、クォーツ／Ａｇ（１０００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＰＴＣＢＩ（３００Å）／
ＣｕＰｃ（１５０Å）／ＩＴＯ（４００Å）であった。このＰＶの結果を、図４ｂに示す
。第二の反転型ＰＶデバイスは、クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）
／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）であった。このＰ
Ｖの結果を、図４ｃに示す。
【００８０】
実施例３
３つの異なる型の第二の反転型ＰＶデバイス（クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰ
ｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å））
を、クォーツ基板を溶媒洗浄（solvent cleaning）により調製して形成した。参照により
本明細書に組み込まれるＯｒｇａｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ６，  ２４２  （２００５
）を参照。クォーツのベース構造として、電子ビーム減圧中、１０００ÅのＮｉを１０Å
／ｓの速度で蒸着（deposite）して積層（load）した。参照により本明細書に組み込まれ
るＡｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８６，  ２６３５０２  （２００５））を参照
。Ｎｉアノードは、３つの相違する表面処理を行った。第１としては、３０分間の紫外オ
ゾン（UV-O3）処理を行った。第２としては、１２０Ｗの電力で８０秒間Ｏ２プラズマを
行った。第３としては、７０Ｗの電力で２分間のＡｒプラズマを行い、続いてＵＶ−Ｏ３
処理を３０分間行った。構造としては、ベース気圧５×１０−７トール（Ｔｏｒｒ）の高
い真空熱蒸着（vacuum thermal deposition）チャンバー中で積層した。精製された有機
ソース（Purified organic sources）を、１×１０トールの圧力で、２Å／ｓで形成（gr
own）させた。参照により本明細書に組み込まれるＯｒｇａｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  
６，  ２４２  （２００５））を参照。形成された平面二重ヘテロ接合太陽電池ＰＶ構造
は、４００Åの薄いＣｕＰｃドナー層、１００Åの薄いＰＴＣＢＩアクセプター層、およ
び１０００Åの薄いＢＣＰ励起子阻止層（参照により本明細書に組み込まれるＡｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７６，  ２６５０  （２０００）を参照。）、およびダメー
ジ吸収層（damage absorbing layer）から構成される。真空を破壊し、空気へ露出させた
後、窒素雰囲気中でシャドーマスク（shadow mask）を付けた。１ｍｍ孔径のシャドーマ
スクを通して１５Ｗおよび１３．５６ＭＨｚで、４００Åの薄いＩＴＯカソード層をスパ
ッタ蒸着させて、上部接触（top contact）を形成した。
【００８１】
１５０Ｗキセノンアークランプを用いて、暗所またはＡＭ１．５Ｇ太陽光照射下（unde
r simulated AM1.5G solar illumination）（太陽スペクトル不一致は修正されていない
）の電流−電圧測定により電池の性能を確認した。Ａｒプラズマ処理されたデバイスの性
能データを図５に示す。暗電流（▲）および１  ＳＵＮ照明（△）の電流−電圧曲線（暗
電流（線）にフィッティング（fit）させた）を図５ａに示す。この電池の照射強度の機
能性能を図５ｂに示す。
【００８２】
溶媒洗浄をして、１０分間のＵＶ−Ｏ３処理をしたＩＴＯコートされたガラス上に、同
様な条件で、同じチャンバー内で、同じ有機物質を用いて、コントロールＰＶ：ＩＴＯ（
１５５０Å）／ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０Å）／ＢＣＰ（１００Å）／
Ａｇ（１０００Å）を形成した。ＡＭ１．５Ｇ  １  ＳＵＮ太陽光下、コントロールデバ
イスは、０．４４ＶのＶＯＣ、０．６４のＦＦ、０．４４Ａ／ＷのＪＳＣ／ＪＯを示し、
１．２±０．１％のηＰとなった。暗電流−電圧電流曲線は、修正された理想的なダイオ
ード方程式（modified ideal diode equation）：
【００８３】
【数４】
0006327625.tif 000005
【００８４】
式中、ｎは１．６６、ＲＳＡは０．７５Ω−ｃｍ２、Ｊｓは９．８×１０−８Ａ／ｃｍ２
である、
にフィッティング（fit）させた。図５ａは、暗所（■）および１  ＳＵＮ照明下（○）
でのデバイス電流を示す。暗電流にフィッティング（fit）させたものを表す。
【００８５】
表１（下記）は、上述のように３つの異なる表面処理を行った基板上に形成したデバイ
スの暗曲線フィットパラメータ（dark curve fit parameters）およびＡＭ１Ｇ  １  Ｓ
ＵＮ性能データを示す。
【００８６】
【表１】
0006327625.tif 000006
【００８７】
実施例４
厚さを変動させたＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩ層を含む反転型ＰＶデバイスを以下のよう
に準備した。クォーツ基板を溶媒洗浄した後、電子ビーム減圧中で、１０００Åの薄さの
Ｎｉ層を５Å／ｓの速度で蒸着させて積層させた。Ｎｉアノードを３０分間紫外オゾン処
理を行い、その後、高真空熱蒸着チャンバー内で、ベース気圧５×１０―７トールで積層
した。精製した有機ソースを５×１０―７トールおよび２Å／ｓの速度で形成した。真空
を破壊して、シャドーマスクを付けて、層および基板高い純度のＮ２下で（＜１ｐｐｍ  
Ｈ２ＯおよびＯ２）で蒸着した。上部接触（top contact）は、１ｍｍ直径の円形カソー
ドのアレイシャドーマスクを通して２０Ｗ、０．１Å／ｓの速度で、スパッター蒸着され
た４００ÅのＩＴＯ層で構成された。この方法で製造されたデバイスの性能データは下記
に示す。
【００８８】
クォーツ／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（３５０Å）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／Ｂ
ＣＰ（１００Å）／ＩＴＯ（４００Å）を含む反転型ＰＶデバイスの性能を図６に示す。
図６ａは、暗所（□）および１  ＳＵＮ  ＡＭ１．５Ｇ照明下（破線）でのコントロール
デバイス（ガラス／ＩＴＯ（１５５０Å）／ＣｕＰｃ（２００Å）／ＰＴＣＢＩ（２５０
Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００Å））、および暗所（△）および照明下（一
点鎖線）での反転型デバイスの電流−電圧特性を示す。図６ｂは、反転型デバイスの電力
変換効率（○）、開回路電圧（△）、および曲線因子（□）を示す。
【００８９】
図７および８は、厚さを変動させたＣｕＰｃ層（ｘ＝１００〜４００Å）およびＰＴＣ
ＢＩ層（ｙ＝０〜３００Å）を含む反転型デバイス性能を示す。図７の構造は、クォーツ
／Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（ｘÅ）／ＰＴＣＢＩ（１００Å）／ＢＣＰ（１００Å
）／ＩＴＯ（４００Å）を示す。図７ａは、１  ＳＵＮ強度における該デバイスの光電流
のシミュレート（線）および測定値（■）を示す。図７ｂは、１  ＳＵＮ  ＡＭ１．５Ｇ
照明におけるηＰ（□）、ＶＯＣ（△）、およびＦＦを示す。図８の構造は、クォーツ／
Ｎｉ（１０００Å）／ＣｕＰｃ（４００Å）／ＰＴＣＢＩ（ｙÅ）／ＢＣＰ（１００Å）
／ＩＴＯ（４００Å）を含む。図８ａは、１  ＳＵＮ強度における該デバイスの光電流の
シミュレート（線）および測定値（■）を示す。図８ｂは、１  ＳＵＮ  ＡＭ１．５Ｇ照
明におけるηＰ（□）、ＶＯＣ（△）、およびＦＦを示す。
【００９０】
図９は、ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩの厚さを変動させたデバイスのシミュレート等高線
図（contour plot）を示す。図９ａは、ＪＳＣのシミュレート等高線図を示し、図９ｂは
、ηＰのシミュレート等高線図を示す。図９において、ＣｕＰｃおよびＰＴＣＢＩの厚さ
（ｔＣｕＰｃおよびｔＰＴＣＢＩ）の機能として、理想的な因子ｎ＝１．７８、逆飽和電
流Ｊｓ＝１．４６×１０−７Å／ｃｍ２、および直列抵抗は、ＲＳＡ＝０．０５×［（ｔ
ＣｕＰｃ＋ｔＰＴＣＢＩ）／Å］Ωｃｍ２へとつながるものと考えられる。ＣｕＰｃおよ
びＰＴＣＢＩの拡散長は、２ｎｓの寿命で、８０±２０および３０±５Åである。Ｎｉア
ノード、ＩＴＯカソード、およびＢＣＯ層の厚さの値は、それぞれ、シミュレーションで
、１０００、４００、および１００Åであった。
【００９１】
本発明の開示は、特定の例示と実施形態に関連して開示されているが、本明細書中に開
示されたデバイスは、これらの例示と実施形態に制限されるものではないことが理解され
る。限られないことは理解されうる。それゆえに、当業者に明らかなように、特許請求の
範囲によって示される実施形態としては、ここで説明される特定の例および好適な実施形
態からの変更を含む。
【図１】
0006327625.tif 000007
【図２ａ】
0006327625.tif 000008
【図２ｂ】
0006327625.tif 000009
【図２ｃ】
0006327625.tif 000010
【図２ｄ】
0006327625.tif 000011
【図３ａ】
0006327625.tif 000012
【図３ｂ】
0006327625.tif 000013
【図３ｃ】
0006327625.tif 000014
【図３ｄ】
0006327625.tif 000015
【図４ａ】
0006327625.tif 000016
【図４ｂ】
0006327625.tif 000017
【図４ｃ】
0006327625.tif 000018
【図５ａ】
0006327625.tif 000019
【図５ｂ】
0006327625.tif 000020
【図６ａ】
0006327625.tif 000021
【図６ｂ】
0006327625.tif 000022
【図７ａ】
0006327625.tif 000023
【図７ｂ】
0006327625.tif 000024
【図８ａ】
0006327625.tif 000025
【図８ｂ】
0006327625.tif 000026
【図９ａ】
0006327625.tif 000027
【図９ｂ】
0006327625.tif 000028