(57)【要約】有機太陽電池素子は、溶液処理法により堆積する少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、真空蒸着法により堆積する少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルとを備える。また当該有機太陽電池素子を作製する方法では、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を溶液処理法により堆積させるステップと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を真空蒸着法により堆積させるステップとを含む。【選択図】図１
2015526901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１）溶液処理法により堆積する少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、
２）真空蒸着法により堆積する少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルと、
を備える、有機太陽電池素子。
【請求項２】
２つ以上のサブセルを備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項３】
各サブセルは、少なくとも１つのドナー／アクセプターヘテロ接合を備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項４】
前記溶液処理法は、スピン塗布法、ドクターブレード法、スプレー塗布法、インクジェット印刷法、または転写印刷法である、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項５】
前記真空蒸着法は、真空加熱蒸着法または有機気相成長法である、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項６】
前記素子は、２つの端子の直列構造を備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項７】
前記素子は、３つの端子の並列構造を備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項８】
前記素子は、４つの端子構造を備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項９】
前記素子は、２つの端子の直列構造を有する２つのヘテロ接合を備える、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１０】
前記素子の電力変換効率（ＰＣＥ）は、前記第１のサブセルおよび／または前記第２のサブセルと比較して高い、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１１】
前記少なくとも１種類の第１の低分子量材料および／または前記少なくとも１種類の第２の低分子量材料は、少なくとも１種類のドナー材料を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１２】
前記少なくとも１種類のドナー材料は、ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、クロロアルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、ペンタセン、テトラセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、およびスクアライン（ＳＱ）から選択される、請求項１１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１３】
前記少なくとも１種類のドナーは、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ）またはＳｕｂＰｃを含む、請求項１１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１のサブセルは更に、真空蒸着法により堆積する材料を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１５】
真空蒸着法により堆積する前記材料は、アクセプター層を含む、請求項１４に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの第２のサブセルは更に、溶液処理法により堆積する材料を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１７】
前記少なくとも１種類の第１の低分子量材料および／または前記少なくとも１種類の第２の低分子量材料は更に、少なくとも１種類のアクセプター材料を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１８】
前記少なくとも１種類のアクセプターは、フラーレン、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）、フェニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＰＣＢＭ）、フェニル−Ｃ７１−酪酸−メチルエステル（［７０］ＰＣＢＭ）、チエニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＴｈＣＢＭ）、およびヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ１６ＣｕＰｃ）から選択される、請求項１７に記載の有機太陽電池素子。
【請求項１９】
前記少なくとも１種類のアクセプターはＣ７０を含む、請求項１８に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２０】
前記少なくとも１種類の第２の材料は低分子：フラーレン層を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２１】
前記少なくとも１種類の第２の材料はＳｕｂＰｃ：フラーレン層を含む、請求項２０に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２２】
前記ヘテロ接合はＳｕｂＰｃ：Ｃ７０を含む、請求項２０に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの第１のサブセルおよび／または前記少なくとも１つの第２のサブセルは更に、電子阻止層を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２４】
前記電子阻止層は、ＢＣＰ、ＢＰｈｅｎ，ＰＴＣＢＩ，ＴＰＢｉ，Ｒｕ（ａｃａｃ）３，Ａｌｑ２ＯＰＨを含む、請求項２３に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの第１のサブセルおよび／または前記少なくとも１つの第２のサブセルは更に、緩衝層を含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２６】
前記有機太陽電池素子は更に、電荷再結合層または電荷移動層を、前記少なくとも１つの第１のサブセルと前記少なくとも１つの第２のサブセルとの間に含む、請求項１に記載の有機太陽電池素子。
【請求項２７】
少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルとを備える有機太陽電池素子を作製する方法であって、該方法は：
少なくとも１種類の第１の低分子量材料を溶液処理法により堆積させるステップと、
少なくとも１種類の第２の低分子量材料を真空蒸着法により堆積させるステップと
を含む、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、２０１２年７月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／６７３，６０４号の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、本明細書で参照することにより、この仮特許出願の内容全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
本発明は、Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ（空軍科学研究局）から授受した助成金第ＦＡ９５５０−１０−１−０３３９号、およびＵ．Ｓ．Ｄｅｐｅａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ（米国エネルギー省）から授受した助成金第ＤＥ−ＥＥ０００５３１０号の下で、連邦政府による支援を受けて為されたものである。米国政府は本発明において一定の権利を有している。
【０００３】
（共同研究合意（ＪＯＩＮＴ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＡＧＲＥＥＭＥＮＴ））
本開示の主題は、共同の大学企業研究契約（ｊｏｉｎｔ  ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ−ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）に関わる以下の当事者：ミシガン大学およびＧｌｏｂａｌ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのうちの１つ以上の当事者によって、これらの当事者のために、かつ／またはこれらの当事者と共同で実現された。上記契約は、本開示の主題が実施された日以前に、かつ本開示の主題が、この契約の範囲内で行われた活動の結果として実現された日以前に発効している。
【０００４】
開示されるのは、溶液処理法により堆積する少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、真空蒸着法により堆積する少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルと、を備える有機太陽電池素子（ｏｒｇａｎｉｃ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ：ＯＰＶ）である。本明細書において更に開示されるのは、当該有機太陽電池素子を形成する方法である。
【背景技術】
【０００５】
光電変換素子は、電磁波を電子的に生成または検出する材料、あるいは電力を周囲の電磁波により発生させる材料の光特性および電子特性を利用している。
【０００６】
光応答型の光電変換素子は、電磁波を電力に変換する。太陽電池セル群は、光起電性（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）素子とも表記され、一種の光応答型の光電変換素子であり、特に、電力を発生させるために使用される。電気エネルギーを太陽光以外の光源から発生させることができるＰＶ素子は、例えば照明、加熱を提供するために、または計算機、無線機、コンピュータ、遠隔監視機器、通信機器などの電子回路若しくは電子装置に給電するために、電力消費負荷物の駆動に使用することができる。また、これらの電力発生用途には、多くの場合、太陽または他の光源からの直接照射を利用することができないときに動作を継続させるために、または、ＰＶ素子の電力出力と特定用途の要求出力とのバランスをとるために、バッテリまたは他のエネルギー蓄積装置を充電することが含まれる。本明細書において使用されるように、「ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｌｏａｄ（抵抗性負荷）」という用語は、電力消費回路または電力蓄積回路、電力消費装置または電力蓄積装置、電力消費機器または電力蓄積機器、あるいは電力消費システムまたは電力蓄積システムを指す。
【０００７】
別の種類の光応答型の光電変換素子が光伝導セルである。光伝導セルの機能は、信号検出回路が当該素子の抵抗をモニタリングして、光の吸収に起因する変化を検出することである。
【０００８】
別の種類の光応答型の光電変換素子が光検出器である。動作状態では、光検出器は、電流検出回路に接続して使用され、この電流検出回路は、光検出器が電磁波に曝され、かつ、光検出器にバイアス電圧が印加されているときに発生する電流を測定する。本明細書において記載される検出回路は、バイアス電圧を光検出器に印加して、電磁波に対する当該光検出器の電子応答を測定することができる。
【０００９】
これらの３種類の光応答型の光電変換素子は、以下に定義される整流接合が形成されるかどうかに応じて、更には当該素子が、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で動作するかどうかに応じて特徴付けることができる。光伝導セルは、整流接合を有することがなく、通常、バイアスにおいて動作を行う。ＰＶ素子は、少なくとも１つの整流接合を有し、無バイアスにおいて動作を行う。光検出器は、少なくとも１つの整流接合を有し、通常、必ずではないが、バイアスにおいて動作を行う。原則として、太陽電池セルは、電力を回路、装置、または機器に供給するが、検出回路を制御するための、または当該検出回路からの情報の出力を制御するための信号または電流を供給しない。これとは異なり、光検出器または光伝導体は、検出回路を制御するための、または当該検出回路からの情報の出力を制御するための信号または電流を供給するが、電力を回路、装置、または機器に供給しない。
【００１０】
従来から、光応答型の光電変換素子は、いくつかの種類の無機半導体により形成されており、例えば結晶シリコン、多結晶シリコン、およびアモルファスシリコン、砒化ガリウム、テルル化カドミウム、および他の材料により形成されている。本明細書では、「ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（半導体）」という用語は、電荷キャリア群が、熱的に励起されるかまたは電磁波で励起されることにより発生すると電流を流すことができる材料を指す。「ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ（光伝導性）」という用語は通常、電磁波エネルギーが吸収されることにより電荷キャリア群の励起エネルギーに変換されて、これらのキャリアで電荷輸送を材料内で行うことができる、すなわち電荷を材料内で輸送することができる過程を指す。「ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（光伝導体）」および「ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ（光伝導性材料）」という用語は本明細書では、電磁波を吸収して電荷キャリア群を発生させる材料特性に合わせて選択される半導体材料を指すために使用される。
【００１１】
ＰＶ素子は、これらのＰＶ素子が、入射太陽光パワーを有効電力に変換することができる際の変換効率により特徴付けることができる。結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを利用する素子は、商業用のアプリケーションがほとんどを占め、そしていくつかの素子は、２３％以上の変換効率を達成している。しかしながら、高い変換効率の結晶系太陽電池素子、特に大きな表面積を持つ結晶系太陽電池素子は、大きな結晶を、大幅に変換効率を低下させる欠陥を伴うことなく形成する際に特有の問題が生じるので生産するのが難しく、かつコストが高く付く。これとは異なり、高い変換効率のアモルファスシリコン太陽電池素子は依然として、安定性に問題がある。現在市販されているアモルファスシリコンセルは、４〜８％の間の変換効率を有するように安定して製造することができている。最近、有機太陽電池セルを使用して、許容できる太陽光変換効率を低い製造コストで実現することに努力が注がれている。
【００１２】
ＰＶ素子は、光起電力発生効率が標準照射条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２，ＡＭ１．５の分光照度の標準試験条件）下で最大となり、かつ光電流と光起電力との積が最大となるように最適化することができる。標準照射条件下におけるこのようなセルの電力変換効率は以下の３つのパラメータ：（１）ゼロバイアスでの電流、すなわちアンペア単位の短絡電流ＩＳＣ、（２）開回路での光起電力、すなわちボルト単位の開回路電圧ＶＯＣ、および（３）フィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ、ＦＦ）、に応じて変化する。
【００１３】
ＰＶ素子には、これらのＰＶ素子が負荷の両端に接続され、かつ光照射されると光発生電流が流れる。無限大の負荷が接続された状態で光照射される場合、ＰＶ素子は、当該ＰＶ素子の最大限の電圧、Ｖ開回路電圧、またはＶＯＣを発生する。当該ＰＶ素子の電気接点群を短絡させた状態で光照射される場合、ＰＶ素子は、当該ＰＶ素子の最大限の電流、Ｉ短絡電流、またはＩＳＣを発生する。電力を発生するために実際に使用される場合、ＰＶ素子は、有限の負荷抵抗に接続され、そして電力出力は、電流と電圧との積Ｉ×Ｖで与えられる。ＰＶ素子から放電される合計最大電力量は本質的に、積ＩＳＣ×ＶＯＣを上回ることはできない。負荷値が、取り出し電力量が最大となるように最適化される場合、電流および電圧は、値Ｉｍａｘおよび値Ｖｍａｘをそれぞれ有する。
【００１４】
ＰＶ素子の性能指数は、
ＦＦ＝｛Ｉｍａｘ  Ｖｍａｘ｝／｛ＩＳＣ  ＶＯＣ｝                      （１）
によって定義されるフィルファクタ，ＦＦである。式中、ＦＦは、ＩＳＣおよびＶＯＣが実際の使用状態で同時に得られることは決してあり得ないので、常に１未満である。そうではあるものの、ＦＦが１に近づくと、当該素子は、より小さな直列抵抗または内部抵抗を有するようになるので、ＩＳＣとＶＯＣとの積のより大きな比率を負荷に最適な条件下で供給する。Ｐｉｎｃが素子に入射するパワーであるとする場合、当該素子の電力変換効率ηＰは、
ηＰ＝ＦＦ＊（ＩＳＣ＊ＶＯＣ）／Ｐｉｎｃ
により計算することができる。
【００１５】
半導体の大部分の容積を占める内部発生電界を生成するために、通常の方法では、適切に選択される導電性を有する、特にこれらの層の分子内の価電子のとる量子エネルギー状態の分布に関連する導電性を有する２つの材料層を隣り合って積層する。これらの２種類の材料の界面は光起電性接合（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。従来の半導体理論では、ＰＶ接合を形成する材料群は普通、ｎ型またはｐ型のいずれかであるとして表記されてきた。この場合、ｎ型とは、電子を多数キャリアとする導電型を指す。これは、材料が、比較的自由なエネルギー状態にある多数の電子を有していると考えることができる。ｐ型とは、正孔を多数キャリアとする導電型を指す。このような材料は、比較的自由なエネルギー状態にある多数の正孔を有している。母材の導電型は、すなわちキャリアが光によって励起されない多数キャリア濃度は、不所望な欠陥ドーピングまたは不純物ドーピングにより主として生じる。不純物の導電型および濃度は、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップとしても知られている伝導帯の最小値エネルギーと価電子帯の最大値エネルギーとの間のエネルギーギャップ内のフェルミエネルギーまたはフェルミ準位の値を決定する。フェルミエネルギーは、統計力学において分子内の価電子のとる量子エネルギー状態の離散的な占有を特徴付けることができ、これらの量子エネルギー状態は、占有確率が、１／２に等しくなるときのエネルギー値によって表わされる。フェルミエネルギーが、伝導帯の最小（ＬＵＭＯ）エネルギーの近傍に位置する場合、これは、電子が多数キャリアであることを表わしている。フェルミエネルギーが、価電子帯の最大（ＨＯＭＯ）エネルギーの近傍に位置する場合、これは、正孔が多数キャリアであることを表わしている。従って、フェルミエネルギーは、従来の半導体を主として特徴付ける特性であり、典型的なＰＶ接合は、従来よりｐ−ｎ界面であった。
【００１６】
「ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ（整流）」という用語は、とりわけ、界面が非対称な伝導特性を有している状態、すなわち界面が、好適には１方向の電荷輸送を受け持つ状態を指している。整流性は普通、適切に選択される材料と材料との間の接合で生じる内蔵電界に関連している。
【００１７】
有機ヘテロ接合の電流−電圧特性は多くの場合、無機ダイオードについて導出される基本的なショックレー方程式を用いてモデル化される。しかしながら、ショックレー方程式は、有機半導体ドナー／アクセプター（Ｄ／Ａ）ヘテロ接合（ＨＪ）に厳密には適用することができないことから、抽出されるパラメータ群は、明確な物理的意味に欠ける。
【００１８】
有機半導体の重要な特性はキャリア移動度である。移動度とは、電界の印加に対応して、電荷キャリアが導電性材料中を移動することができる容易さの度合いを表わす。有機光応答素子について記述すると、電子移動度が高いために電子を優先的に輸送する材料を含む層は、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｌａｙｅｒ）またはＥＴＬと表記することができる。正孔移動度が高いために正孔を優先的に輸送する材料を含む層は、正孔輸送層（ｈｏｌｅ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｌａｙｅｒ）またはＨＴＬと表記することができる。いくつかの場合では、アクセプター材料はＥＴＬとすることができ、ドナー材料はＨＴＬとすることができる。
【００１９】
従来の無機半導体ＰＶセルは、ｐ−ｎ接合を用いて内部電界を形成することができる。しかしながらここで、ｐ−ｎ型接合を形成する他に、ヘテロ接合のエネルギー準位のずれが、重要な役割を果たしていることも認識されたい。
【００２０】
有機ドナー／アクセプター（Ｄ／Ａ）ヘテロ接合のエネルギー準位のずれは、有機材料における光励起が基本的な性質であることから、有機ＰＶ素子の動作にとって重要であると考えられる。有機材料が光励起されると、フレンケル励起子または電荷移動励起子が局所的に誘起される。電流検出または電流生成が行われるためには、結合励起子群を解離して、これらの励起子を構成する電子群および正孔群とする必要がある。このような過程は、内蔵電界によって引き起こすことができるが、有機素子に通常現われる電界（Ｆ≒１０６Ｖ／ｃｍ）における効率は低い。有機材料内の最も高い効率の励起子の解離は、Ｄ／Ａ界面で行われる。このような界面では、イオン化電位が低いドナー材料は、電子親和性が高いアクセプター材料とヘテロ接合を形成する。ドナー材料およびアクセプター材料のエネルギー準位の配置によって異なるが、励起子の解離は、このような界面においてエネルギー的に優先的に行われるようになり、電子ポーラロンがアクセプター材料内を自由に運動することができ、かつ正孔ポーラロンがドナー材料内を自由に運動することができるようになる。
【００２１】
有機ＰＶセルは、従来のシリコン系素子と比較した場合に、多くの潜在的な利点を有している。有機ＰＶセルは、軽量であり、材料使用に伴うコストが割安であり、可撓性プラスチック薄板などの低価格基板の上に堆積形成することができる。しかしながら、有機ＰＶ素子は通常、約１％以下の非常に低い量子収率（吸収光子と誘起されるキャリアペアとの比、または電磁波と電力変換効率との比）を有する。これは一部には、真性光導電過程の２次的自然法則に起因するものと考えられる。すなわち、キャリア生成には、励起子の生成、拡散、およびイオン化または収集が必要とされる。これらの過程の各過程に関連する効率ηが存在する。添字は、以下の通り：電力変換効率Ｐ、外部量子効率ＥＸＴ，光子吸収効率Ａ、拡散係数ＥＤ、収集効率ＣＣ、および内部量子効率ＩＮＴを使用することができる。この表記を使用して、
ηＰ〜ηＥＸＴ＝ηＡ＊ηＥＤ＊ηＣＣ
ηＥＸＴ＝ηＡ＊ηＩＮＴ
が得られる。
【発明の概要】
【００２２】
励起子の拡散長（ＬＤ）は通常、光吸収長（約５００Å）よりもずっと短い（ＬＤ≒５０Å）ため、厚膜の、それ故に抵抗を有し、複数回折り返した界面、または高密度で折り返した界面を有するセル、あるいは光吸収効率が低い薄膜セルを使用することについてトレードオフを必要とする。
【００２３】
開示されるのは、溶液処理法により堆積する少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、真空蒸着法により堆積する少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルとを備える、有機太陽電池素子（ｏｒｇａｎｉｃ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ：ＯＰＶ）である。
【００２４】
本明細書において更に開示されるのは、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルとを備える有機太陽電池素子を作製する方法であり、該方法は、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を溶液処理法により堆積させるステップと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を真空蒸着法により堆積させるステップとを含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、前記ＯＰＶは、２つ以上のサブセルを備える。１つの実施形態では、前記ＯＰＶは、２つのサブセルを備える。１つの実施形態では、前記ＯＰＶは、３つのサブセルを備える。別の実施形態では、前記ＯＰＶは、４つのサブセルを備える。更に別の実施形態では、前記ＯＰＶは、４つよりも多くのサブセルを備える。
【００２６】
１つの実施形態では、各サブセルは、少なくとも１つのドナー／アクセプターヘテロ接合を備える。
【００２７】
１つの実施形態では、前記溶液処理法は、スピンコーティング法、ドクターブレード法、またはスプレー塗布法である。１つの実施形態では、前記真空蒸着法は、真空加熱蒸着法または有機気相成長法である。
【００２８】
１つの実施形態では、前記素子は、２つの直列端子構造を備える。別の実施形態では、前記素子は、３つの並列端子構造を備える。更に別の実施形態では、前記素子は、４つの端子構造を備える。
【００２９】
１つの実施形態では、前記素子は、２つの接合を直列に接続した構造の２つのヘテロ接合を備える。
【００３０】
１つの実施形態では、前記素子の電力変換効率（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＰＣＥ）は、前記第１のサブセルまたは前記第２のサブセルと比較して高い、あるいは前記第１のサブセルおよび前記第２のサブセルを合わせた全体のサブセルと比較して高い。
【００３１】
１つの実施形態では、前記少なくとも１種類の第１の低分子量材料または前記少なくとも１種類の第２の低分子量材料は、少なくとも１種類のドナー材料を含む。
【００３２】
１つの実施形態では、前記少なくとも１種類のドナー材料は、ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、クロロアルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、ペンタセン、テトラセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、およびスクアライン（ＳＱ）から選択される。１つの実施形態では、前記ドナーは、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ）およびＳｕｂＰｃから選択される。
【００３３】
１つの実施形態では、前記少なくとも１つの第１のサブセルは更に、真空蒸着法により堆積する材料を含む。１つの実施形態では、真空蒸着法により堆積する前記材料は、アクセプター層を含む。
【００３４】
１つの実施形態では、前記少なくとも１つの第２のサブセルは更に、溶液処理法により堆積する材料を含む。
【００３５】
１つの実施形態では、前記少なくとも１種類の第１の低分子量材料および／または前記少なくとも１種類の第２の低分子量材料は更に、少なくとも１種類のアクセプター材料を含む。
【００３６】
１つの実施形態では、前記少なくとも１種類のアクセプターは、フラーレン、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）、フェニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＰＣＢＭ）、フェニル−Ｃ７１−酪酸−メチルエステル（［７０］ＰＣＢＭ）、チエニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＴｈＣＢＭ）、およびヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ１６ＣｕＰｃ）から選択される。フラーレンは、例えばＣ６０およびＣ７０を含む。フラーレンは、例えばＣ６０およびＣ７０を含む。
【００３７】
１つの実施形態では、前記少なくとも１種類の第２の材料は低分子：フラーレン層を含む。１つの実施形態では、前記少なくとも１つのヘテロ接合はＳｕｂＰｃ：フラーレン層を含む。１つの実施形態では、前記ヘテロ接合はＳｕｂＰｃ：Ｃ７０層を含む。
【００３８】
１つの実施形態では、前記第１のサブセルおよび／または前記第２のサブセルは更に、電子阻止層を含む。
【００３９】
１つの実施形態では、前記電子阻止層は、ＢＣＰ、ＢＰｈｅｎ，ＰＴＣＢＩ，ＴＰＢｉ，Ｒｕ（ａｃａｃ）３，およびＡｌｑ２ＯＰＨを含む。
【００４０】
１つの実施形態では、前記第１のサブセルおよび／または前記第２のサブセルは更に、緩衝層を含む。別の実施形態では、前記緩衝層はＭｏＯ３を含む。
【００４１】
１つの実施形態では、前記太陽電池素子は更に、電荷再結合層または電荷移動層を、前記少なくとも１つの第１のサブセルと前記少なくとも１つの第２のサブセルとの間に含む。１つの実施形態では、前記電荷再結合層または電荷移動層は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＭｏＯ３，およびＷＯ３から選択される材料を含む。
【００４２】
更に記載されるのは、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルとを備える有機太陽電池素子（ＯＰＶ）を作製する方法であって、該方法は、
少なくとも１種類の第１の低分子量材料を溶液処理法により堆積させるステップと、
少なくとも１種類の第２の低分子量材料を真空蒸着法により堆積させるステップと、
を含む。
【００４３】
１つの実施形態では、前記少なくとも１つの第１のサブセルは、前記素子の基板により近接して位置しているので、フロントサブセルと表記され、そして前記少なくとも１つの第２のサブセルは、前記基板から遠く離れて位置しているので、バックサブセルと表記される。別の実施形態では、前記少なくとも１つの第１のサブセルがバックサブセルであり、かつ前記少なくとも１つの第２のサブセルがフロントサブセルである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】３つの素子の構造：ａ）フロント側のみ、ｂ）バック側のみ、およびｃ）タンデム型の模式図である。これらの図は寸法通りに描かれていない。
【図２】ａ）１ｓｕｎを模擬した照射時の図１に対応する素子のＪ−Ｖ特性の線形プロット、およびｂ）フロント側のみ、およびバック側のみのＥＱＥ（外部量子効率）である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
開示されるのは、有機太陽電池素子（ＯＰＶ）であり、この有機太陽電池素子は、溶液処理法により堆積する少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、真空蒸着法により堆積する少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルと、を備える。
【００４６】
本明細書において更に開示されるのは、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を含む少なくとも１つの第１のサブセルと、少なくとも１種類の第２の低分子量材料を含む少なくとも１つの第２のサブセルと、を備える有機太陽電池素子を形成する方法であり、当該方法では、少なくとも１種類の第１の低分子量材料を溶液処理法により堆積させるステップ、および少なくとも１種類の第２の低分子量材料を真空蒸着法により堆積させるステップを含む。
【００４７】
本明細書において記載される種々実施形態の光応答型の光電変換素子は、ＰＶ素子、光検出器、または光伝導体として機能することができる。
【００４８】
有機太陽電池（ＯＰＶ）の電力変換効率（ＰＣＥ）を向上させるために、多接合型ドナー／アクセプターヘテロ接合を用いることができる。本明細書において使用される「ｄｏｎｏｒ−ａｃｃｅｐｔｏｒ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ（ドナー／アクセプターヘテロ接合）」、「ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ（ヘテロ接合）」、および「ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ  ｒｅｇｉｏｎ（光活性領域）」は、同じ意味に用いられる。１つの実施形態では、ＯＰＶは、２つ以上のヘテロ接合を備える。１つの実施形態では、ＯＰＶは、２つのヘテロ接合を備える。別の実施形態では、ＯＰＶは、３つのヘテロ接合を備える。更に別の実施形態では、ＯＰＶは、４つ以上のヘテロ接合を備える。各サブセルは、少なくとも１つのヘテロ接合を備える。
【００４９】
２接合型ＯＰＶにはいくつかの共通する構造が存在し、例えば（１）１つのサブセルのアノードが他方のサブセルのカソードに隣接する２つの端子の直列構造、（２）各サブセルのアノード群または各サブセルのカソード群のいずれか一方が共通となる３つの端子の並列構造、または（３）サブセル群が、隣接する層によって接続されない４つの端子構造が存在する。他の実施形態では、３つ、４つ、またはそれよりも多くのヘテロ接合を積層させる。本明細書において記載される種々実施形態は、全ての種類の構造に適用される。
【００５０】
２つの端子を直列に接続した素子は、タンデム型素子として知られている。有機ＰＶ素子（ＯＰＶ）は、１つ以上のドナー／アクセプターヘテロ接合を備えるタンデム型素子として用いることができる。タンデム型素子は、電荷輸送材料、電極群、または電荷再結合材料をタンデム型ドナー／アクセプターヘテロ接合とタンデム型ドナー／アクセプターヘテロ接合との間に備えることができる。
【００５１】
本明細書において使用されるように、「ｓｍａｌｌ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｗｅｉｇｈｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ（低分子量材料）」とは、高分子材料とは対照的に、５０００ダルトン以下、例えば４５００ダルトン以下、４０００ダルトン以下、３５００ダルトン以下、３０００ダルトン以下、２５００ダルトン以下、２０００ダルトン以下、１５００ダルトン以下、または１０００ダルトン以下の分子量を有する材料を指す。本明細書において使用されるように、「ｓｍａｌｌ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｗｅｉｇｈｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ（低分子量材料）」は、「ｓｍａｌｌ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ（低分子）」と同じ意味に使用される。
【００５２】
本明細書において使用されるように、「ｍａｔｅｒｉａｌ（材料）」および「ｌａｙｅｒ（層）」は同じ意味に使用され、素子の長さおよび幅に沿う基本寸法がＸ−Ｙ平面にある、光応答素子の構成部材または構成要素を指している。「ｌａｙｅｒ（層）」という用語は、必ずしも単層またはシート状の材料に限定されるのではないことを理解されたい。更に、特定の層群の表面であって、他の材料（群）または層（群）とのこのような層群の界面（群）を含むこれらの表面は、不完全になる可能性があり、前記表面群は、他の材料（群）または層（群）と互いに入り込んだ、もつれ合った、または入り組んだ網状構造を呈することを理解されたい。同様に、１つの層は、Ｘ−Ｙ平面における前記層の連続性が、他の層（群）または材料（群）によって妨げられるか、またはその他には、中断されて不連続となる可能性があることも理解されたい。
【００５３】
本明細書において使用されるＳｕｂｃｅｌｌ（サブセル）とは、少なくとも１つのドナー／アクセプターヘテロ接合を備える太陽電池素子の構成要素を指している。本明細書において使用される「ｄｏｎｏｒ−ａｃｃｅｐｔｏｒ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ（ドナー／アクセプターヘテロ接合）」、「ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ（ヘテロ接合）」、および「ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ  ｒｅｇｉｏｎ（光活性領域）」は、同じ意味に用いられる。ヘテロ接合は、プレーナ型ヘテロ接合、バルクヘテロ接合、混合ヘテロ接合、ハイブリッド型／プレーナ型混合ヘテロ接合、またはナノ結晶バルクヘテロ接合により形成することができる。例えば、ヘテロ接合は：ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、Ｃ６０、Ｃ７０、スクアライン、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、クロロアルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、およびジインデノペリレン（ＤＩＰ）から選択される２種類以上の材料からなる混合物を含むことができる。
【００５４】
本明細書において使用されるように、「ｆｒｏｎｔ（フロント）」または「ｆｒｏｎｔ  ｓｕｂｃｅｌｌ（フロントサブセル）」とは、基板構造に最も近接するサブセルを指しているのに対し、「ｂａｃｋ（バック）」または「ｂａｃｋ  ｓｕｂｃｅｌｌ（バックサブセル）」とは、基板構造から最も遠く離れて位置するサブセルを指している。
【００５５】
いくつかの実施形態では、有機材料または有機層、あるいは有機薄膜は溶液処理法で塗布することができ、例えばスピン塗布法、スピンキャスティング法、スプレー塗布法、浸漬塗布法、ドクターブレード法、インクジェット印刷法、または転写印刷法から選択される１つ以上の方法で塗布することができる。分子を蒸発させる前に分子が劣化してしまう場合、溶液処理法を用いて、均一な高品質薄膜を形成して電子素子とすることができる。
【００５６】
他の実施形態では、有機材料は、真空加熱蒸着法などの真空蒸着法、有機気相成長法、または有機気相インクジェット印刷法を用いて堆積させることができる。
【００５７】
本開示において使用することができるドナー材料に関しては、非限定的な例として、ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、クロロアルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、ペンタセン、テトラセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、およびスクアライン（ＳＱ）から選択される複数種類の材料を挙げることができる。
【００５８】
使用することができるスクアライン化合物の非限定的具体例として、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジプロピルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジイソブチルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ）、およびこれまでに挙げた化合物の塩から選択される複数種類の材料を挙げることができる。
【００５９】
１つの実施形態では、ドナー材料には、ペンタセンナノ粒子または金属ナノ粒子を含む材料などの移動度の高い材料をドープすることができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、本開示において使用することができるアクセプター材料として、高分子ペリレンまたは非高分子ペリレン、高分子ナフタレンまたは非高分子ナフタレン、および高分子フラーレンまたは非高分子フラーレンを挙げることができる。非限定的な例として、フラーレン（例えば、Ｃ６０、Ｃ７０）、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）、フェニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＰＣＢＭ）、フェニル−Ｃ７１−酪酸−メチルエステル（［７０］ＰＣＢＭ）、チエニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（［６０］ＴｈＣＢＭ）、およびヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ１６ＣｕＰｃ）から選択される複数種類の材料を挙げることができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのサブセルは更に、励起子阻止層（ｅｘｃｉｔｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ：ＥＢＬ）を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのサブセルは更に、電荷移動層または電荷再結合層を備えることができる。いくつかの他の実施形態では、少なくとも１つのサブセルは選択的に、緩衝層を備えることができる。
【００６２】
励起子阻止層として使用することができる材料に関しては、非限定的な例として、バトクプロイン（ＢＣＰ）、バトフェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）、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）、１，３，５−トリス（Ｎ−フェニルベンズイミダゾール−２−イル）ベンゼン（ＴＰＢｉ）、トリス（アセチルアセトナート）ルテニウム（ＩＩＩ）（Ｒｕ（ａｃａｃ）３）、およびアルミニウム（ＩＩＩ）フェノラート（Ａｌｑ２ＯＰＨ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス−アルファ−ナフチルベンジジン（ＮＰＤ）、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）、およびカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）から選択される複数種類の材料を挙げることができる。
【００６３】
１つの実施形態では、電荷移動層または電荷再結合層は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＭｏＯ３，Ｌｉ，ＬｉＦ，Ｓｎ，Ｔｉ，ＷＯ３，インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、スズ酸化物（ＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）、亜鉛酸化物（ＺＯ）、亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）から選択することができる。別の実施形態では、電荷移動層または電荷再結合層は、金属ナノクラスター、金属ナノ粒子、または金属ナノロッドにより構成することができる。
【００６４】
１つの実施形態では、本明細書において記載されるこれらのＯＰＶは更に、ＷＯ３，Ｖ２Ｏ５，ＭｏＯ３、および他の酸化物などの緩衝層を備える。
【００６５】
他の層を第１の層と第２の層との間に、当該第１の層が当該第２の層に「物理的に接触している」という指定がなされない限り設けることができる。例えば、カソードは、アノードの「上に配置される」、またはアノードの「上部に配置される」ものとして記載することができるが、種々の有機層をカソードとアノードとの間に設けることができる。
【００６６】
有機太陽電池素子は、少なくとも１つの電極を備えることができる。電極は反射電極または透明電極とすることができる。いくつかの実施形態では、当該電極は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、スズ酸化物（ＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）、亜鉛酸化物（ＺＯ）、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とすることができる、またはポリアナリン（ＰＡＮＩ）などの透明導電性ポリマーとすることができる。他の実施形態では、これらの電極は、Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｓｎ，およびＡｌなどの金属により構成することができる。他の実施形態では、少なくとも１つの電極は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含むアノードである。別の実施形態では、当該電極は、Ａｇ，Ａｕ，およびＡｌから選択される材料を含むカソードである。
【００６７】
いくつかの実施形態では、有機太陽電池素子は更に、基板を備える。当該基板は、その上に当該素子を成長または堆積させることができ、所望の構造特性を実現することができる任意の適切な材料とすることができる。当該基板は、可撓性基板または剛性基板、平面基板または非平面基板とすることができる。当該基板は、透明基板、半透明基板、または不透明基板とすることができる。プラスチック、ガラス、および石英が、剛性基板材料の例である。プラスチック薄板および金属薄板は、可撓性基板材料の例である。基板の材料および厚さは、所望の構造特性および光特性を実現するように選択することができる。いくつかの実施形態では、基板は、ステンレススチール薄板（ＳＵＳ）などのステンレススチールである。ＳＵＳ基板は、従来の材料と比較して価格が非常に低く、かつ複数層を成長させている間の良好なヒートシンクとなる。
【００６８】
これらの例ではそれ以外に、またはそれ以外の他のことが指示される場合、本明細書および請求項において使用される成分の量、反応状態、分析測定値などを表わす全ての数値は、全ての例において、「ａｂｏｕｔ（約）」という用語によって修飾されるものとして理解されたい。従って、特にそれとは反対の指示がない限り、本明細書、および添付の請求項において説明される数値パラメータは、本開示によって実現するように開発される所望の特性に応じて変化し得る近似値である。少なくとも、かつ請求項の範囲への均等論の適用を制限しようとするのではないが、各数値パラメータは、有効数字の有効桁、および通常の四捨五入による丸め処理に鑑みて考慮される必要がある。
【００６９】
本開示の広範な範囲を説明している数値範囲およびパラメータ群が近似値であるにも拘わらず、それ以外の他のことが指示されていない限り、特定の例において説明されるこれらの数値は、できる限り正確に伝えられる。しかしながら、いずれの数値も本質的に、これらの数値をそれぞれ検証するときに現われる標準偏差による特定の誤差を本質的に含んでいる。
【００７０】
本明細書において記載される種々の実施形態の光応答型有機光電変換素子は、ＰＶ素子、光検出器、または光伝導体として機能することができる。本明細書において記載される光応答型有機光電変換素子がＰＶ素子として機能する場合には必ず、有機光伝導層に使用される材料、および有機光伝導層の厚さは、例えば当該素子の外部量子効率を最適化するように選択することができる。本明細書において記載される光応答型有機光電変換素子が光検出器または光伝導体として機能する場合には必ず、有機光伝導層に使用される材料、および有機光伝導層の厚さは、例えば所望のスペクトル範囲での当該素子の感度を最大にするように選択することができる。
【００７１】
例えば、タンデム型有機太陽電池素子は、最初にフロントサブセルを、基板上に予め被覆されている電極の上に、例えばガラス基板上のＩＴＯなどのアノードの上に成長させることにより作製することができる。１つの実施形態では、フロントサブセルは、ＩＴＯで予め被覆されている基板を高真空チャンバに搬入して、当該基板の上にＭｏＯ３などの選択的な緩衝層を真空加熱蒸着法により堆積させることにより形成することができる。次に、当該基板にＤＰＳＱ膜を、溶液をスピン塗布法によりより堆積させることができる。次に、当該基板に有機材料を真空蒸着法により堆積させることができる。次に、当該基板を、クロロホルムなどの飽和溶媒蒸気に曝露して、好適な膜表面形状を形成することができる。真空チャンバに戻す方向に搬送した後、Ａｇなどの電荷再結合層、および／またはＭｏＯ３などの電子輸送層を基板の上に、真空プロセスにより堆積させることができる。
【００７２】
別の実施形態では、バックサブセルは、ＳｕｂＰｃおよびＣ７０の混合膜を蒸着することにより作製することができる。１つの実施形態では、ＢＣＰなどの膜状の電子阻止層は、真空蒸着法により堆積させることができる。最後に、Ａｇなどから成るカソードなどの第２の電極は、同じ方法で堆積させることができる。
【００７３】
図１に示す簡易層状構造は、非限定的な例として与えられ、本明細書において記載される種々実施形態は、非常に広範な種類の他の構造と結び付けて使用することができることを理解されたい。記載される特定の材料および構造は、本質的に例示であり、他の材料および構造を使用することができる。機能的な光応答型有機光電変換素子は、異なる態様で記述される種々の層を組み合わせることにより実現することができる、または複数層は、構造、性能、およびコスト要因に応じて完全に省略してもよい。具体的には説明されていない他の層を含めることもできる。具体的に説明されている材料以外の材料を使用してもよい。本明細書において提供されるこれらの例では、種々の層を、これらの層が１種類の材料を含むものとして説明しているが、ホスト材料およびドーパント材料の混合物などの組み合わせ材料、または更に広い意味の混合物を使用してもよい。また、これらの層は、種々の副層を有することができる。本明細書における種々の層に付与される名称は、厳密な限定を意味するものではない。光活性領域の一部ではない有機層、すなわち光電流に大きく寄与する光子をほとんど吸収しない有機層は、「ｎｏｎ−ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒｓ（非光活性層）」と表記することができる。非光活性層の例として、ＥＢＬ（励起子阻止層）およびアノード平滑化層を挙げることができる。他の種類の非光活性層を使用してもよい。
【００７４】
本明細書において記載されるこれらの方法および素子について、純粋に例示として捉えられるべきである以下の非限定的な実施例により詳細に説明する。
【００７５】
（実施例１）
フロントサブセルについて溶液処理法により堆積させた低分子ドナー層、および蒸着法により堆積させたフラーレンアクセプター層と、蒸着法により堆積させた低分子フラーレンバックセルとを有するタンデム型有機太陽電池素子を作製した。前に説明したように、本明細書において明示されるのは、２つの端子を直列に接続した構造のダブルヘテロ接合素子であるが、当該作用原理は、他の種類の構造に適用することもできる。
【００７６】
これらのタンデム型有機太陽電池素子は、ガラス基板に予め被覆された１５０ｎｍ厚さのインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層の上に成長させた。堆積前に、ＩＴＯ表面を界面活性剤および一連の溶媒で洗浄し、次に高真空チャンバ内でＭｏＯ３を約０．１ｎｍ／ｓの速度で加熱蒸着させる当該高真空チャンバ（ベース圧力＜１０−７Ｔｏｒｒ）に搬入する前に、紫外線オゾンに１０分間かけて曝した。次に、基板をＮ２グローブボックスに搬送し、このグローブボックスでは、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ）膜を、１．６ｍｇ／ｍｌの濾過済みクロロホルム溶液からスピン塗布した。
【００７７】
基板を再度、高真空チャンバに搬入して、精製有機材料を０．１ｎｍ／ｓの速度で堆積させ、続いてグローブボックスに戻して、飽和クロロホルム蒸気に１０分間かけて曝すことにより、好適な膜表面形状を形成した。これらの基板を真空チャンバに戻した後、０．１ｎｍ厚さのＡｇ銀ナノクラスター再結合層、およびＭｏＯ３輸送層を堆積させた。バックセルの場合、塩化ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）およびＣ７０の混合膜を、ＳｕｂＰｃ堆積速度が０．０１２ｎｍ／ｓであるのに対して、Ｃ７０堆積速度が０．０２〜０．０８ｎｍ／ｓの間で変化するように蒸着させた。
【００７８】
ＢＣＰ膜を０．１ｎｍ／ｓの速度で蒸着した後、１００ｎｍ厚さのＡｇカソードを、１ｍｍ直径の複数開口部が配列されたシャドウマスクを介して０．１ｎｍ／ｓの速度で堆積させた。電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性を、暗くした超高純度Ｎ２雰囲気中で測定し、かつフィルタリングされた３００Ｗキセノンランプ光でＡＭ１．５Ｇの模擬太陽光照射により測定した。ランプ光強度は、ニュートラルフィルタを用いて変化させた。光強度の測定では、ＮＲＥＬ（Ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ：米国の国立再生可能エネルギー研究所）−ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ  Ｓｉ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＮＲＥＬで較正が実施されたシリコン検出器）を測定の基準として用いており、光電流測定値をスペクトルの不一致について補正した。見積もられる誤差は、同じ基板上の３つ以上の素子の平均値からの偏差に対応する。
【００７９】
（実施例２）
タンデム型ＯＰＶの電力変換効率（ＰＣＥ）を個々のサブセルについて比較する。透明基板に最も近いサブセルは「ｆｒｏｎｔ  ｓｕｂｃｅｌｌ（フロントサブセル）」と表記され、そして他方のサブセルは「ｂａｃｋ  ｓｕｂｃｅｌｌ（バックサブセル）」と表記される。
【００８０】
形成されるのは、以下の構造：ガラス／１５０ｎｍ厚のＩＴＯ／２０ｎｍ厚のＭｏＯ３／１３ｎｍ厚のＤＰＳＱ／１０ｎｍ厚のＣ７０／５ｎｍ厚のＰＴＣＢＩ／０．１ｎｍ厚のＡｇ／５ｎｍ厚のＭｏＯ３／２９ｎｍ厚のＳｕｂＰｃ：Ｃ７０／３ｎｍ厚のＣ７０／７ｎｍ厚のＢＣＰ／１００ｎｍ厚のＡｇを備えるタンデム型ＯＰＶであった。これらの構造は、図１に模式的に図示されている。
【００８１】
更に形成されるのは、各サブセルに対応する個々の素子であった。「ｆｒｏｎｔ−ｏｎｌｙ（フロント側のみ）」のセルが、ガラス／１５０ｎｍ厚のＩＴＯ／２０ｎｍ厚のＭｏＯ３／１３ｎｍ厚のＤＰＳＱ／１０ｎｍ厚のＣ７０／５ｎｍ厚のＰＴＣＢＩ／０．１ｎｍ厚のＡｇ／３０ｎｍ厚のＭｏＯ３／１００ｎｍ厚のＡｇにより構成されていたのに対し、「ｂａｃｋ−ｏｎｌｙ（バック側のみ）」のセルは、ガラス／１５０ｎｍ厚のＩＴＯ／５ｎｍ厚のＭｏＯ３／２９ｎｍ厚のＳｕｂＰｃ：Ｃ７０／３ｎｍ厚のＣ７０／７ｎｍ厚のＢＣＰ／１００ｎｍ厚のＡｇにより構成されていた。これらの構造も図１に模式的に図示されている。
【００８２】
素子特性を図２に示し、そして各素子の性能を表Ｉに要約する。
【００８３】
【表１】
2015526901.tif 000003
【００８４】
タンデム型素子の開回路電圧（ＶＯＣ）は１．９６Ｖであり、この値は、バック側のみの素子、およびフロント側のみの素子（それぞれ、１．０４Ｖおよび０．９４Ｖ）の合計にほぼ等しい。これは、各ヘテロ接合が、これらのタンデム型素子において、シングルヘテロ接合素子の場合と同様に機能し、かつＡｇ再結合領域で十分な再結合が行われていることを示唆している。更に、タンデム型素子の短絡電流（ＪＳＣ）は、サブセル電流ＪＳＣ（それぞれ、５．８ｍＡ／ｃｍ２および６．１ｍＡ／ｃｍ２）のうちの小さい方の電流とほぼ同一であり、当該素子に光損失がほとんど生じないことを示唆している。
【００８５】
総合的には、タンデム型素子は、ＰＣＥ＝６．５±０．１を実現し、フロント側のみを取り出した素子、およびバック側のみを取り出した素子と比較して、５０％超の改善が見られる。
【００８６】
従って、タンデム型ＯＰＶの新規構造が明示された。溶液処理法で塗布した低分子量材料を含む１つのサブセル、および真空蒸着法で堆積させた低分子量材料を含む１つのサブセルを組み込むことにより、シングルヘテロ接合素子より格段に向上した性能を実現している。
【００８７】
本開示は、特定の実施例および実施形態について記載されているが、本明細書において記載される素子は、これらの実施例および実施形態に限定されないことを理解されたい。従って、請求する実施形態は、この技術分野の当業者には明らかなことであるが、本明細書において記載される特定の実施例、および好適な実施形態からの変形を含むことができる。
【図１】
2015526901.tif 000004
【図２】
2015526901.tif 000005
【国際調査報告】
2015526901.tif 000006
2015526901.tif 000007
2015526901.tif 000008