(57)【要約】  複数の光活性材料を含むマルチカラーオプトエレクトロニック素子を作製するための方法およびこのようにして作製されるオプトエレクトロニック素子。マルチカラーのオプトエレクトロニック素子（１）を作製するための方法、ならびにその方法を用いて作製される素子が提供される。第１の部分（２１）と、第１の部分に隣接する第２の部分（２２）とを備える導電性基板（１０）が得られる。次いで、第１の周波数範囲に光学特性を有する第１の光活性材料（３０１）が、第１の部分に堆積され、第１の光活性材料とは異なっており第２の周波数範囲に光学特性を有する第２の光活性材料（３０２）が、第２の部分に堆積され、第１の光活性材料は、第２の光活性材料に接触し、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子の光活性層（３０）を形成する。
2020508583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチカラーのオプトエレクトロニック素子（１）を作製するための方法であって、
少なくとも１つの第１の部分（２１）と、前記第１の部分に隣接する第２の部分（２２）とを含む導電性基板（１０）を得るステップ、
第１の周波数範囲に光学特性を有する第１の光活性材料（３０１）を前記第１の部分に堆積するステップ
を含み、
前記第１の光活性材料とは異なっており第２の周波数範囲に光学特性を有する第２の光活性材料（３０２）を前記第２の部分に堆積するステップであって、前記第１の光活性材料が、前記第２の光活性材料に接触し、前記第１の光活性材料および前記第２の光活性材料が、前記マルチカラーのオプトエレクトロニック素子の光活性層（３０）を形成するステップをさらに含む方法。
【請求項２】
前記第１の部分が前記第２の部分に接触している領域（２３）において前記第１の光活性材料を前記第２の光活性材料に関連付けて、混合された光活性材料（３０３）を前記領域内に形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の光活性材料の量と第２の光活性材料の量との比率により、光電気パラメータについての所定の値を前記第１の光活性材料における前記光電気パラメータの値と前記第２の光活性材料における前記光電気パラメータの値との間の範囲に有する光活性層が生じるように、前記第１の部分および前記第２の部分のそれぞれの大きさを決定するステップ
をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記光活性層の前記光電気パラメータが、開放電圧、短絡回路電流密度、光／電気変換効率、電気／光変換効率の中から選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の光活性材料および前記第２の光活性材料が、ドロップキャスティング、ドクターブレーディング、スピンコーティング、インクジェット印刷、スプレーコーティングの中から選択された技法を用いて堆積される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の部分に前記第１の光活性材料を堆積して、第１の均一な層を形成するステップ、
前記第２の部分に前記第２の光活性材料を堆積して、前記第１の均一な層に接触する第２の均一な層を形成するステップ、
前記第１の均一な層および前記第２の均一な層を乾燥させるステップ
をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の部分に前記第１の光活性材料を堆積して、第１の均一な層を形成するステップ、
前記第１の均一な層を乾燥させるステップ（３１０）、
前記第２の部分に前記第２の光活性材料を堆積して、前記第１の均一な層に接触する第２の均一な層を形成するステップ、
前記第２の均一な層を乾燥させるステップ（３２０）
をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記光活性層についての所望の厚さおよび所望の光学特性を得るように、前記第１の光活性材料および前記第２の光活性材料の組成および／または粘度を選定するステップ
をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つの第１の部分（２１）と、前記第１の部分に隣接する第２の部分（２２）とを含む導電性基板（１０）、
前記導電性基板上の光活性層（３０）
を含み、
前記光活性層が、前記第１の部分において、第１の周波数範囲に光学特性を有する第１の光活性材料（３０１）と、前記第２の部分において、前記第１の光活性材料とは異なっており第２の周波数範囲に光学特性を有する第２の光活性材料（３０２）とを含み、前記第１の光活性材料が、前記第２の光活性材料に接触している、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子（１）。
【請求項１０】
前記光活性層が、前記第１の光活性材料と前記第２の光活性材料との混合の結果として生じる光活性材料を含む、前記第１の部分と前記第２の部分との間の接触部の上の領域（２３）をさらに含む、請求項９に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【請求項１１】
前記第１の光活性材料が、前記第２の光活性材料に少なくとも部分的に重なっている、請求項９または１０に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【請求項１２】
前記光活性層が、少なくとも１つの強誘電材料をさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【請求項１３】
太陽電池、光起電パネル（１１）、発光ダイオード、発光ダイオードアレイ、ペロブスカイトベースの太陽電池、ペロブスカイトベースの発光ダイオード、量子ドットベースのハイブリッド太陽電池、有機発光ダイオードの中から選択される、請求項９から１２のいずれか一項に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【請求項１４】
前記導電性基板上の前記第１の光活性材料および前記第２の光活性材料の配置とは形状が無関係である電池を備える光起電パネルである、請求項９から１３のいずれか一項に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【請求項１５】
透明な導電性基板を含む、請求項９から１４のいずれか一項に記載のマルチカラーのオプトエレクトロニック素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラーの光活性層を有する太陽電池または発光ダイオードなどのオプトエレクトロニック素子の分野に関する。具体的には、このカラーの光活性層は、有機材料、無機材料、またはハイブリッド有機／無機材料に基づき、光起電パネルまたは発光素子の外面を改善するように機能することができ、これらの素子がそれらの環境により良く調和することを可能にする。カラーの光活性層はまた、たとえば窓もしくはスクリーン内の残留光エネルギーを取り入れるため、または従来のオプトエレクトロニック素子よりも人目につきにくい目立たない光源を提供するための新奇な用途にも使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
オプトエレクトロニック素子は、多用途に使用されて、光を吸収または放出する。発光ダイオードは、電気エネルギーを光子に変換するのに光活性層を使用する効率的で安価な光源の例である。太陽電池は、光吸収オプトエレクトロニック素子の例であり、光吸収オプトエレクトロニック素子は、光活性層を使用して、光子を電流として収集される電荷担体に変換する。
【０００３】
オプトエレクトロニック素子、具体的には太陽電池の近年の開発は、それらの製造費用を削減し、より広範囲の用途にそれらを使用できるようにすることを目的とする。
【０００４】
従来型の太陽電池は、濃い青色のパネルの形態で見られる。これらの素子は、非常に人目につきやすく、都市環境に調和するのは容易ではない。
【０００５】
カラーの太陽電池および半透明の太陽電池は、太陽電池のそれらの環境への調和を改善し、それらの用途可能性を拡大するように開発されている。カラーの太陽電池は、それらの環境により良く溶け込み、特に都市圏において、より広い表面範囲にわたって使用されるようにパターンまたはカラーを用いて設計され得る。半透明の太陽電池は、スクリーンによって放出される、または窓を通る残留光を取り入れるのにさらに使用可能でありながら、なおも目立たず、ほとんど人目にもつかない。
【０００６】
カラーの太陽電池は、具体的には、光活性層に有機材料を使用して製造され得る。これらの有機材料は、典型的には、ポリマーおよび小さいドナー分子が、バルクヘテロ接合で、アクセプタ分子（通例は、フラーレン）と混合される形態で見られる。この有機材料は、一般に、「ブレンド（ｂｌｅｎｄ）」と呼ばれる。他のアーキテクチャもまた、無機材料またはハイブリッド有機／無機材料に依存するカラーの太陽電池を作製するのに利用できる。
【０００７】
光が有機太陽電池に照射されると、励起子と呼ばれる電子／正孔対が光活性層に生成される。正孔および電子は、光活性層の上および下に層を分離するように運ばれて、電流を生み出す。
【０００８】
有機太陽電池の典型的なアーキテクチャは、ガラス層、インジウムスズ酸化物層（上部透明電極）、正孔抽出層（典型的には、Ｐｅｄｏｔ：ＰＳＳすなわちポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸）、光活性層、電子抽出層（典型的には、ＺｎＯ）、および導電性基板を含む。導電性基板は、アルミニウムなどの半透明材料または金属とすることができる。
【０００９】
反転させた素子構造では、太陽電池における電子抽出層（ＺｎＯ）と正孔抽出層（Ｐｅｄｏｔ：ＰＳＳ）のそれぞれの位置を交換することができる。
【００１０】
有機太陽電池は、光活性層に使用される有機半導体の可視スペクトルにおける吸収帯が固有であることに起因して、様々なカラーを光起電パネルに伝えることができる。結果として、有機太陽電池が所望のカラーを有すると考えるための１つの可能性は、ブレンドに適切な組成を選定すること、または可視スペクトルにおけるブレンドの吸収帯、したがって素子のカラーを変更するのに関係する割合で金属などの添加物を加えることである。カラーの太陽電池はまた、たとえば光学フィルタまたは反射コーティングを用いることによって無機材料を使用して作製することもできる。
【００１１】
材料に適切な組成を選定することにより、有機太陽電池のより広い範囲のカラーの作製が可能になったとしても、添加物を含めること、およびカラーごとに固有の化合物を作製する必要性があることにより、これらの電池の製作はより複雑になる。
【００１２】
有機太陽電池に利用できるカラーのスペクトルを拡大するための異なる手法は、光活性層の厚さ、および／または正孔抽出層および電子抽出層の厚さを変更することにある。実際、層の厚さが、電池の光吸収効率にだけでなく、それらのカラーにも影響を及ぼすことがわかっている。光活性層の厚さを変更するためには、ブレンド中のポリマーの濃度またはブレンドが堆積される前に調合される溶液の粘度を変更することが可能である。
【００１３】
カラーオプトエレクトロニック素子を製造するための上記の方法のすべてでは、多数の太陽電池、具体的には、光起電パネル（または発光ダイオードアレイ）において存在するカラーごとに１つの太陽電池を作製する必要がある。各タイプの光活性層の電気特性の違いにより、パネル上のそのような電池の電気接続には、複雑な設計が必要であり、それにより、同じカラーを有する太陽電池は、一緒に接続されるが、異なるカラーを有する電池には接続されない。これにより、光起電パネルまたは発光ダイオードアレイにおいてカラーパターンを製造することが複雑になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
カラーオプトエレクトロニック素子の製造および設計に関連する上記の弱点を考慮して、カラーオプトエレクトロニック素子を作製するための単純な方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従来技術の上に挙げた不具合を克服するために、本発明は、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子を作製するための方法を提供し、この方法は、
少なくとも１つの第１の部分と、第１の部分に隣接する第２の部分とを含む導電性基板を得るステップ、
第１の周波数範囲に光学特性を有する第１の光活性材料を第１の部分に堆積するステップ
を含み、
この方法は、
第１の光活性材料とは異なっており第２の周波数範囲に光学特性を有する第２の光活性材料を第２の部分に堆積するステップであって、第１の光活性材料は、第２の光活性材料に接触し、第１の光活性材料および第２の光活性材料は、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子の光活性層を形成するステップをさらに含む。
【００１６】
少なくとも２つの異なる光活性材料を同じ導電性基板に配置することによって、本発明は、たとえば、同じ基板において、様々なカラーを有する太陽電池または発光ダイオードなどのオプトエレクトロニック素子を作製することを可能にする。従来技術の方法では、素子にわたって均一なカラー（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｃｏｌｏｕｒ）を維持することによって素子のカラーを変更するための手段しか与えられていない。従来技術の方法では、マルチカラーを有する、もしくはパターンを示すパネルまたはアレイを作製するためには、複雑な配置および形状設計が必要である。本発明の方法は、この要件を克服し、任意のパターンにより１つの素子の１つの単一基板にわたって配置され得る複数のカラーの作製を可能にする。
【００１７】
それによって、本発明の方法では、パネルまたはアレイにおいて存在するカラーのタイプごとに複雑な形状または固有の電気接触部を有する素子（太陽電池など）を作製する必要性を克服することによって、カラーパターンの製造を単純になる。実際、導電性基板上の各光活性材料が別の光活性材料と確実に接触するようにすることによって、結果的に得られるオプトエレクトロニック素子は、太陽電池において各光活性材料によって生成された電流を首尾良く運び、モジュールまたはパネルの他の隣接する電池に、それらの光活性層のカラーが１つであるかまたは複数であるかにかかわらず接続され得る。
【００１８】
上で使用された「周波数範囲における光学特性（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｉｎ  ａ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）」という用語は、光活性材料のカラーに寄与する特徴である光活性材料のスペクトル吸収帯／放出帯を示している。「周波数範囲（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）」が、オプトエレクトロニック素子に可視スペクトルにおける人目につきやすいカラーを与える少なくとも１つの周波数に沿う可視スペクトルの一部分を含むことが仮定される。
【００１９】
本発明は、同じ基板に堆積された２つの異なる光活性材料の使用について教示しているが、これらの光活性材料は、それらの厚さによって異なる場合がある（つまり、光活性材料は、同様の組成を有することができるが、それらの厚さにより生じる固有のオプトエレクトロニック特性により、異なるカラーにつながる可能性がある）。また、２つの光活性材料が、同じ厚さであっても、組成が非常に異なり、同様に２つの異なるカラーにつながる可能性もある。
【００２０】
「導電性基板（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」が、オプトエレクトロニック素子の電極として使用される金属もしくは半透明層（たとえば、アルミニウム層）を示す場合も、またはこの電極層の上に見つけることができる抽出層（正孔抽出層もしくは電子抽出層）のうちの一方を示すこともあることに留意されたい。
【００２１】
「光活性材料（ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」という用語は、任意のタイプの構造を有する有機化合物（ポリマーブレンド）または無機化合物の両方に帰属し得る。
【００２２】
一実施形態によれば、方法は、
第１の部分が第２の部分に接触している領域において第１の光活性材料を第２の光活性材料に関連付けて、混合された光活性材料を前記領域内に形成するステップ
をさらに含むことができる。
【００２３】
混合された光活性材料が両方の光活性材料間の接触部における領域内に存在することにより、光活性層に見られる電気短絡または空隙の恐れが低減する。その領域内の混合された光活性材料は、両方の光活性材料間のより良い電気接触を確実にする。有機太陽電池の場合には、２つの光活性ブレンドを液体の形態で混合してから、乾燥させることができる。
【００２４】
両方の光活性材料の混合の品質を改善し、シャープな界面を創出しないようにするためには、プレート上の各光活性材料を加熱してから、それらを導電性基板に堆積することがさらに可能である。これにより、両方の材料が、導電性基板において接触し合う領域において混合する速度も上げることができる。
【００２５】
一実施形態によれば、方法は、
第１の光活性材料の量と第２の光活性材料の量との比率により、光電気パラメータについての所定の値を第１の光活性材料における前記光電気パラメータの値と第２の光活性材料における前記光電気パラメータの値との間の範囲に有する光活性層が生じるように、第１の部分および第２の部分のそれぞれの大きさを決定するステップ
をさらに含むことができる。
【００２６】
素子のオプトエレクトロニック特性全体が、導電性基板上に存在する各光活性材料のオプトエレクトロニック特性の組合せの結果として生じることが観察されている。したがって、使用されている光活性材料のそれぞれの光電気特性間の範囲に元の光電気特性を置くオプトエレクトロニック素子を設計することが可能である。オプトエレクトロニック素子において使用される各光活性材料の量は、導電性基板上の各対応する部分の大きさを制御することによって制御され得る。
【００２７】
一実施形態によれば、光活性層の光電気パラメータは、開放電圧、短絡回路電流密度、光／電気変換効率、電気／光変換効率の中から選択することができる。
【００２８】
一実施形態によれば、第１の光活性材料および第２の光活性材料は、ドロップキャスティング、スロットダイコーティング、ドクターブレーディング、スピンコーティング、インクジェット印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷およびフレキソ印刷、スプレーコーティングの中から選択された技法を用いて堆積され得る。
【００２９】
一実施形態によれば、方法は、
第１の部分に第１の光活性材料を堆積して、第１の均一な層を形成するステップ、
第２の部分に第２の光活性材料を堆積して、第１の均一な層に接触する第２の均一な層を形成するステップ、
第１の均一な層および第２の均一な層を乾燥させるステップ
をさらに含むことができる。
【００３０】
代替の実施形態によれば、方法は、
第１の部分に第１の光活性材料を堆積して、第１の均一な層を形成するステップ、
第１の均一な層を乾燥させるステップ、
第２の部分に第２の光活性材料を堆積して、第１の均一な層に接触する第２の均一な層を形成するステップ、
第２の均一な層を乾燥させるステップ
をさらに含むことができる。
【００３１】
導電性基板の両側から光活性材料を堆積することは有利であり、それにより、光活性材料は、導電性基板のそれらのそれぞれの部分にわたって移動して、光活性材料がともに混合して、混合された光活性層を形成する領域に到達することができる。この方法は、有機太陽電池に特に適しており、その製造には、ポリマーブレンドが使用される。ポリマーブレンドを液体の形態で混合してから、乾燥させることができる。
【００３２】
第１の光活性ブレンドおよび第２の光活性ブレンドが、導電性基板において異なる厚さを有するように調合される場合、各光活性ブレンドを別個に乾燥させ、それらを順次、基板に堆積することが有利である。
【００３３】
一実施形態によれば、方法は、
光活性層についての所望の厚さおよび所望の光学特性を得るように、第１の光活性材料および第２の光活性材料の組成および／または粘度を選定するステップ
をさらに含むことができる。
【００３４】
本発明の方法は、光活性層のカラーを適合させるのに使用される他の技法、その厚さおよび組成を制御することなどと組合せ可能である。
【００３５】
本発明はまた、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子を対象とし、このマルチカラーオプトエレクトロニック素子は、
少なくとも１つの第１の部分と、第１の部分に隣接する第２の部分とを含む導電性基板、
導電性基板上の光活性層
を含み、
光活性層は、第１の部分において、第１の周波数範囲に光学特性を有する第１の光活性材料と、第２の部分において、第１の光活性材料とは異なっており第２の周波数範囲に光学特性を有する第２の光活性材料とを含み、第１の光活性材料は、第２の光活性材料に接触している。
【００３６】
一実施形態によれば、光活性層は、第１の光活性材料と第２の光活性材料との混合の結果として生じる光活性材料を含む、第１の部分と第２の部分との間の接触部の上の領域をさらに含むことができる。
【００３７】
一実施形態によれば、第１の光活性材料は、第２の光活性材料に少なくとも部分的に重なっている。
【００３８】
そのような重なりを使用して、特に、第１の部分と第２の部分との接合部に対応するところに、第３のカラーを生み出すことができる。
【００３９】
一実施形態によれば、第１の光活性材料および第２の光活性材料は、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ、ＰＴＢ７：ＰＣＢＭ、ＰＴＢ７−Ｔｈ：ＰＣＢＭ、ＰＢＤＢ−Ｔ：ＰＣＢＭ、ＰＢＤＢ−Ｔ：ＩＴＩＣの中から選択され得る。
【００４０】
これらの材料は、特に、それらの厚さまたは正確な組成が固有のニーズを満たすように調節されるとき、可視スペクトルのかなりの部分をカバーする。
【００４１】
一実施形態によれば、光活性層は、少なくとも１つの強誘電材料をさらに含むことができる。
【００４２】
強誘電材料を加えることにより、オプトエレクトロニック素子の開放電圧が上昇し、それによって、その電気特性が改善される。
【００４３】
一実施形態によれば、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子は、太陽電池、光起電パネル、発光ダイオード、発光ダイオードアレイ、ペロブスカイトベースの太陽電池、ペロブスカイトベースの発光ダイオード、量子ドットベースのハイブリッド太陽電池、有機発光ダイオードの中から選択され得る。
【００４４】
本発明は、光起電電池などの光吸収素子、または発光ダイオードなどの光放出素子において、それらが正確な構造であるかにかかわらず使用され得る。
【００４５】
一実施形態によれば、マルチカラーのオプトエレクトロニック素子は、導電性基板上の第１の光活性材料および第２の光活性材料の配置とは形状が無関係である電池を備える光起電パネルである。
【００４６】
各太陽電池においてカラーが存在するかにかかわらず、任意の形状を有するパネルの設計は、パネルおよび電池の製造、ならびにそれらの電気接触部の製造を容易にする。
【００４７】
一実施形態によれば、オプトエレクトロニック素子は、透明な導電性基板を含むことができる。
【００４８】
透明な導電性基板により、オプトエレクトロニック素子を窓またはスクリーンなどのより広い範囲の用途に使用して、残留光を吸収し、または透明な支持表面から光を放出することが可能になる。
【００４９】
本発明の方法は、以下に提示されている例示的な実施形態の詳細な説明を読むことによってより良く理解されよう。これらの実施形態は、例示的であり、決して限定的ではない。それらの実施形態には、添付の図および図面が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１ａ】光活性層に使用される材料（ブレンド）がＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭに基づいているとき、光活性層の厚さおよび電子抽出層の厚さを変えることによって、有機太陽電池について得ることができるカラーを表す図である。
【図１ｂ】光活性層に使用される材料（ブレンド）がＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭに基づいているとき、光活性層の厚さおよび正孔抽出層の厚さを変えることによって、有機太陽電池について得ることができるカラーを表す図である。
【図２ａ】光活性層に使用される材料（ブレンド）がＰＴＢ７：ＰＣＢＭに基づいているとき、光活性層の厚さおよび電子抽出層の厚さを変えることによって、有機太陽電池について得ることができるカラーを表す図である。
【図２ｂ】光活性層に使用される材料（ブレンド）がＰＴＢ７：ＰＣＢＭに基づいているとき、光活性層の厚さおよび正孔抽出層の厚さを変えることによって、有機太陽電池について得ることができるカラーを表す図である。
【図３ａ】第１の実施形態による、導電性基板に２つの光活性ブレンドを堆積するための方法の概略図である。
【図３ｂ】第２の実施形態による、導電性基板に２つの光活性ブレンドを堆積するための方法の概略図である。
【図４ａ】側面から見た有機太陽電池の形態のマルチカラーオプトエレクトロニック素子の概略図である。
【図４ｂ】側面から見た有機太陽電池の形態のマルチカラーオプトエレクトロニック素子の概略図である。
【図４ｃ】上面から見た有機太陽電池の形態のマルチカラーオプトエレクトロニック素子の概略図である。
【図５ａ】光活性層において使用される２つの材料間の比率に応じた、本発明によるマルチカラー太陽電池における光電特性（開放電圧Ｖｏｃ）の変遷を表すグラフである。
【図５ｂ】光活性層において使用される２つの材料間の比率に応じた、本発明によるマルチカラー太陽電池における光電特性（光電流密度Ｊｓｃ）の変遷を表すグラフである。
【図５ｃ】光活性層において使用される２つの材料間の比率に応じた、本発明によるマルチカラー太陽電池における光電特性（変換効率ＰＣＥ）の変遷を表すグラフである。
【図６ａ】各太陽電池が、単一のカラーで作られており、所望のパターンに合うように特定の形状を有する従来技術の方法を使用して製造された上面から見た太陽パネルの概略図である。
【図６ｂ】本発明の方法を使用して製造された上面から見た太陽パネルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
明瞭にするために、これらの図および図面において表されている特徴の寸法は、対応する要素の実寸比に必ずしも対応するとは限らない場合がある。図および図面上の同様の参照数字は、同様の要素または品目に対応する。
【００５２】
本発明は、任意のタイプのアーキテクチャに基づくことができる太陽電池、光起電パネル、発光ダイオード、または発光ダイオードアレイなどのオプトエレクトロニック素子を製造するための方法を提供する。たとえば、オプトエレクトロニック素子は、有機太陽電池、ペロブスカイトベースの太陽電池、ペロブスカイトベースの発光ダイオード、量子ドットベースのハイブリッド太陽電池、有機発光ダイオードとすることができる。この方法では、均一な光活性層、つまりたった１つだけのカラーそれぞれの光活性層を有するオプトエレクトロニック素子を作製する必要性を克服する。本発明は、そうではなく、マルチカラー光活性層を有するオプトエレクトロニック素子、およびそのような素子を製造するための方法を提供する。
【００５３】
オプトエレクトロニック素子、具体的には、太陽電池を製造するための既存の方法は、光活性層を作るのに使用される「光活性材料（ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」についての固有の組成の選定に依存し、ブレンドの厚さに適合する。
【００５４】
次の説明においては、諸例が有機太陽電池に関連して与えられる。しかしながら、本発明は、必ずしも「光活性材料」に有機化合物を使用するとは限らない他のタイプの太陽電池または発光構造を使用して実施され得る。
【００５５】
有機太陽電池では、「光活性材料」は、ｐｎ接合の均等物である相互浸透型（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ）バルクヘテロ接合を創出するためのポリマーならびにドナー分子およびアクセプタ分子で作られたブレンドである。
【００５６】
図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂは、カラー範囲を概略的に示し、このカラー範囲は、図１ａおよび図１ｂの場合では、固有のタイプの光活性ブレンド（ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）とフェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）とのブレンドの略であるＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ、および図２ａおよび図２ｂの場合では、ポリ［［４，８−ビス［（２−エチルヘキシル）オキシ］ベンゾ［１，２−ｂ：４，５−ｂ’］ジチオフェン−２，６−ジイル］［３−フルオロ−２−［（２−エチルヘキシル）カルボニル］チエノ［３，４−ｂ］チオフェンジイル］］とフェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）とのブレンドの略であるＰＴＢ７：ＰＣＢＭ）を選定することによって、ならびに光活性ブレンドの厚さと抽出層（図１ａおよび図２ａの場合では電子抽出ＺｎＯ層、ならびに図１ｂおよび図２ｂの場合では正孔抽出Ｐｅｄｏｔ：ＰＳＳ層）のうちの一方の厚さを変更することによって得ることができる。
【００５７】
図１ａおよび図２ａは、オプトエレクトロニック素子１（太陽電池）が、導電性基板１０と、電子抽出層２０と、光活性層３０と、正孔抽出層４０と、典型的にはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で作られている上部伝導層とを含む通常の素子構造の例を提供している。図１ａおよび図２ａのグラフは、ＺｎＯ電子抽出層２０について３つの異なる厚さ、すなわち、そのような層がない場合（太線１０１）、４０ｎｍ厚さのＺｎＯ層の場合（点線１０２）、または９０ｎｍ厚さのＺｎＯ層の場合（細線１０３）を使用して得ることができる可能なカラーをカラーパレットにおいて示している。パレットのカラーは、濃い青色１１０、紫色１１１、赤色１１２、黄色１１３、緑色１１４、明るい青色１１５の領域を含む。
【００５８】
図１ａは、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭに基づくブレンドが、４０ｎｍと２００ｎｍとの間でブレンドの厚さを変更することによって、黄色、緑色、または明るい青色の太陽電池を得るためには使用できないことを示している。四角と星とをつなぐ線は、光活性ブレンドの厚さが（星の印が付けられているパレットの場所における）４０ｎｍから（四角の印が付けられているパレットの場所における）２００ｎｍに変更されたとき、ＺｎＯの所与の厚さに利用可能なカラーをすべて表している。正孔抽出層４０と電子抽出層２０が交換されている反転させた素子構造の場合における同じ情報を示している図１ｂから、同様の結論を引き出すことができる。図１ｂは、光活性層の厚さが４０ｎｍから２００ｎｍに変更されたとき、正孔抽出層がない場合（太線１０４）、４０ｎｍ厚さの正孔抽出層の場合（点線１０５）、および９０ｎｍ厚さの正孔抽出層の場合（細線１０６）に得られる可能なカラーを示している。
【００５９】
図２ａは、光活性層の厚さが４０ｎｍから２００ｎｍに変更されたとき、電子抽出層がない場合（太線２０１）、４０ｎｍ厚さの電子抽出層の場合（点線２０２）、および９０ｎｍ厚さの電子抽出層の場合（細線２０３）に得られる可能なカラーを示している。ＰＴＢ７：ＰＣＢＭポリマーブレンドが、黄色、赤色、または紫色の太陽電池を製造するのには適していないことが図２ａにおいてわかり得る。反転させた素子構造の場合における同じ情報を示す図２ｂのカラーパレットから、同様の結論を引き出すことができる。図２ｂは、光活性層の厚さが４０ｎｍから２００ｎｍに変更されたとき、正孔抽出層がない場合（太線２０４）、４０ｎｍ厚さの正孔抽出層の場合（点線２０５）、および９０ｎｍ厚さの正孔抽出層の場合（細線２０６）に得られる可能なカラーを示している。
【００６０】
図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂでは、たった１つの光活性ブレンド組成しか使用しないことにより、概して、ブレンドの厚さまたは界面層の厚さを変更することだけでは、広範な可視スペクトルをカバーすることはできないことが教示されている。
【００６１】
本発明は、同じ導電性基板に２つの異なる光活性材料を堆積するための方法を提供する。
【００６２】
図３ａおよび図３ｂは、本発明によるマルチカラーオプトエレクトロニック素子を製造するための２つの実施形態を示している。
【００６３】
図３ａでは、第１の光活性材料３０１が、第１の部分２１に堆積され、第２の光活性材料３０２が、太陽電池の電子抽出層２０の第２の部分２２に堆積されている。同様に、図３ａおよび図３ｂの例におけるように、光活性材料を導電性基板１０に直接、堆積すること、または光活性材料を導電性基板上に「間接的に（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」堆積させることも可能である。
【００６４】
光活性材料は、図３ａおよび図３ｂの例においてはブレンドである。これらのブレンドは、堆積される際には液体であり、図３ａにおいて示されている両方の縁部から導電性基板にわたって移動して、第１の部分２１が第２の部分２２に接触する領域２３において接触し合うことができる。この領域２３では、第１の光活性材料３０１は、第２の光活性材料３０２と混合して、第３の光活性材料３０３を形成する。液体ブレンドは、オプトエレクトロニック素子の光活性材料間の継続的で均一な電気接続を創出するために、この混合を促進させるように有利に混和することができる。また、光活性材料を加熱してから、それらを導電性基板に堆積して、それらの移動または堆積、ならびにより均一な堆積および混合の促進を容易にすることも可能である。この加熱段階により、両方の光活性材料が、最適な性能に向けて同じ温度になるので好ましい。
【００６５】
光活性材料が定位置にあるとき、基板をスピンして（３００）光活性材料を乾燥させて、光活性層３０が形成される。熱処理など、光活性材料を乾燥させるための他の方法が実施されてもよい。
【００６６】
図３ａの例では、両方の光活性材料は、同時に堆積され、同じスピン段階の間に乾燥される。
【００６７】
特定の実施形態では、図３ｂに示されているように、各光活性材料を順に堆積することが有利である。そのような状況は、たとえば、光活性材料のうちの一方に、堆積後、熱的処理段階が必要であるときに生じる（このとき、まず、この材料を堆積して、乾燥させ、熱処理し、次いで、もう一方の光活性材料を堆積することが有利である）。順次、堆積するのに適している別の状況は、両方の光活性層の厚さが異なっているときに生じる。
【００６８】
図３ｂの実施形態は、（たとえば、スピンコーティング、ドロップキャスティング、またはインクジェット印刷によって）第１の部分２１において第１の光活性材料３０１を堆積すること、次いで、基板をスピンすること（３００）によってこの材料を乾燥させて、第１の均一な層３１０を形成することにある。第２の光活性材料３０２は、その後、同じやり方で、第２の均一な層３２０を得るために堆積され、処理され、両方の層は、領域２３において接触し、混合される。
【００６９】
他の実施形態では、第１の光活性材料および第２の光活性材料を、一方の光活性材料が他方の光活性材料に少なくとも部分的に重なるように配置することが可能である。これにより、オプトエレクトロニック素子において、異なる電気特性が生じ、カラーグラデーションを生むことができる。
【００７０】
図４ａ、図４ｂ、および図４ｃは、本発明の方法によって作製されるオプトエレクトロニック素子の例を表している。図４ａは、２つの異なる光活性材料によってもたらされる２つの異なるカラーを含む太陽電池の側面図を示している。図４ａの例では、第１の光活性材料は、第２の光活性材料に少なくとも部分的に重なっている。そのような重なりに加えて、両方の光活性材料が混合して、第３の光活性材料を形成する領域が見られる場合がある。また、第１の光活性材料３０１が第２の光活性材料３０２に、両方の材料が接合する領域において第３の光活性材料を形成せずに接触することも可能である。
【００７１】
図４ｂの例では、両方の光活性材料は、領域２３において接合して、領域２３における第１の光活性材料と第２の光活性材料との混合の結果として生じる第３の均一な層３３０を形成する。
【００７２】
図４ｃは、本発明の方法を使用して作製される太陽電池の上面から見た１つの例示を与えている。図４ｃにおいて示されているように、２つ以上の光活性材料が、オプトエレクトロニック素子１に存在してもよい。図４ｃにおいては、第１の均一なカラー層４１０、第２の均一なカラー層４２０、第３の均一なカラー層４３０、および第４の均一なカラー層４４０が、オプトエレクトロニック素子１の光活性層を構成している。これらのカラーの配置によるパターンは、適切な堆積法を用いて制御され得る。
【００７３】
本発明の方法を使用して作製された太陽電池は、それらの活性層にいくつかの光活性材料を含む。結果として、これらの電池の光電特性は、電池に存在する光活性材料のそれぞれの光電特性の値に概ね含まれている範囲に調節され得る。本発明において提示されているものなどの複合太陽電池の光電パラメータは、電池における各光活性材料の相対量によってほとんどが決まる。この量は、典型的には、光活性材料が堆積される各部分の大きさに適合させることによって制御され得る。
【００７４】
図５ａ、図５ｂ、図５ｃは、両方の光電材料間の比率に応じた、２つの光電材料で作られている太陽電池における３つの光電パラメータの変遷を表すグラフである（光活性材料のうちの一方が占める表面全体の百分率として表されている）。
【００７５】
図５ａは、そのような太陽電池における開放電圧の変遷を表している。図５ｂは、そのような太陽電池における光電流密度の変遷を表している。図５ｃは、そのような太陽電池における変換効率の変遷を表している。両方の光電材料間の比率による光電流密度の変遷は直線状であり、それにより、この所望の値が両方の光活性材料の光電流密度間に含まれている範囲にあるとき、太陽電池が所望の光電流密度を有すると考えることが可能になる。複合太陽電池における光電パラメータについての値の同様の選定は、各光活性材料の量に対するこのパラメータの依存関係の知識に基づいて行うことができる。
【００７６】
マルチカラーオプトエレクトロニック素子の光電特性をさらに調整するためには、たとえば、強誘電材料を加えることなど、光電材料に添加物を含んで、素子の開放電圧を上昇させることが可能である。
【００７７】
本発明の方法では、マルチカラーオプトエレクトロニック素子の製造を単純になるだけでなく、これらの素子をアレイまたはパネルに組み立てることもより単純になる。
【００７８】
図６ａは、従来技術の技法を用いて作製されたマルチカラー太陽パネルを示している。この太陽パネル１１は、それらの光活性層にたった１つの光活性材料をそれぞれ有する電池で作られている。これにより、電池１は、固有の形状を有することが必要になり、パネルにわたる必要以上の電気抵抗の出現を避けるために、同じカラーの電池のみに電気的に直列に接続されなくてはならない。図６ａにおいては、第１のタイプの電池６１０、第２のタイプの電池６２０、第３のタイプの電池６３０、第４のタイプの電池６４０、および第５のタイプの電池６５０が表され、各タイプは、固有のカラーに関連付けられる。
【００７９】
本発明の方法を使用すると、図６ｂにおいて示されているように、所望のカラーパターンを有する太陽パネルまたは発光ダイオードアレイを製造することがはるかにより容易になる。パネル１２の各電池２は、いくつかの光活性材料を含むことができ、電池は、それらの光活性層の組成にかかわらず、直列に接続され得る。図６ｂにおいては、パネル１２は、第１のタイプの光活性材料６１０、第２のタイプの光活性材料６２０、第３のタイプの光活性材料６３０、第４のタイプの光活性材料６４０、および第５のタイプの光活性材料６５０を含み、これらのタイプは、固有のカラーに関連付けられる。
【００８０】
本発明は、光起電用途に限定するものではない。上述したように、方法は、発光ダイオード、発光ダイオードアレイ、ナノ結晶または量子ドットベースの素子、ハイブリッド光放出または光吸収素子など、様々な種類のオプトエレクトロニック素子を製造するのに使用され得る。
【符号の説明】
【００８１】
１  オプトエレクトロニック素子、電池
２  電池
１０  導電性基板
１１  太陽パネル
１２  パネル
２０  電子抽出層
２１  第１の部分
２２  第２の部分
２３  領域
３０  光活性層
４０  正孔抽出層
１０１、１０４、２０１、２０４  太線
１０２、１０５、２０２、２０５  点線
１０３、１０６、２０３、２０６  細線
１１０  濃い青色
１１１  紫色
１１２  赤色
１１３  黄色
１１４  緑色
１１５  明るい青色
３０１  第１の光活性材料
３０２  第２の光活性材料
３０３  第３の光活性材料
３００  スピンする
３１０  第１の均一な層
３２０  第２の均一な層
３３０  第３の均一な層
４１０  第１の均一なカラー層
４２０  第２の均一なカラー層
４３０  第３の均一なカラー層
４４０  第４の均一なカラー層
６１０  第１のタイプの電池
６２０  第２のタイプの電池
６３０  第３のタイプの電池
６４０  第４のタイプの電池
６５０  第５のタイプの電池
Ｊｓｃ  光電流密度
ＰＣＥ  変換効率
Ｖｏｃ  開放電圧
【図１ａ】
2020508583.tif 000003
【図１ｂ】
2020508583.tif 000004
【図２ａ】
2020508583.tif 000005
【図２ｂ】
2020508583.tif 000006
【図３ａ】
2020508583.tif 000007
【図３ｂ】
2020508583.tif 000008
【図４ａ】
2020508583.tif 000009
【図４ｂ】
2020508583.tif 000010
【図４ｃ】
2020508583.tif 000011
【図５ａ】
2020508583.tif 000012
【図５ｂ】
2020508583.tif 000013
【図５ｃ】
2020508583.tif 000014
【図６ａ】
2020508583.tif 000015
【図６ｂ】
2020508583.tif 000016
【国際調査報告】
2020508583.tif 000017
2020508583.tif 000018
2020508583.tif 000019