JP2009510790A - 純粋な有機材料に基づいた高移動度、高効率有機膜 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図10
Description
本出願は、2005年9月30日に出願された暫定的な米国出願第60/721,975号に関し、その優先権を主張するものであり、その内容は、これによって参照して全体的に併合されている。
本発明は、米国空軍科学研究局により交付された契約番号339−6002と、米国エネルギー省再生可能エネルギー研究所により交付された契約番号339−4012とに基づき米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有する。
特許請求されている発明は、大学−企業の共同研究契約の以下の当事者の代表によって、および/または1以上の当事者が結びついてなされたものである:プリンストン大学、南カリフォルニア大学、およびグローバル フォトニック エナジー コーポレイション(Global Photonic Energy Corporation)。特許請求されている発明がなされた日以前に当該契約は発効しており、かつ、特許請求されている発明は、当該契約の範囲内でなされた活動の結果としてなされたものである。
本発明は、概して言えば、有機感光性の光電子デバイスに関する。より詳細には、少なくとも一つの高純度感光材料を含む有機感光性の光電子デバイスと、材料を精製する方法とに向けられている。
光電子デバイスは、材料の光学および電子特性に依存して、電子的に電磁放射を生成または検知、あるいは周囲の電磁放射から電気を発生させる。
本発明の実施の形態による方法は、有機小分子材料(organic small molecule material)の第1の試料で始まる一連の操作を実行することを含む。第1の段階は、有機小分子材料を温度勾配昇華(thermal gradient sublimation)によって精製することである。第2の段階は、精製された有機小分子材料からの少なくとも一つの試料の純度を分光法によって試験することである。第3の段階は、もし、分光試験が、目標有機小分子の特性ピークの大きさの閾値パーセント(threshold percentage)を超すいずれかのピークを明らかにすれば、精製された小分子材料について第1から第3の段階を繰り返すことである。段階は少なくとも2回実行される。閾値パーセントは、最大で10%である。好適には、閾値パーセントは、5%であり、さらに好適には2%である。閾値パーセントは、いくつかある方法の中で、完成したデバイスにおける目標動作特性が達成された過去の試料のスペクトルに基づいて選択することができる。
図1は、ドナー−アクセプタヘテロ接合を説明するエネルギー準位図である。
図19は、高真空において精製されていなかったソース材料、高真空において精製されたソース材料、および、超高真空において精製されたソース材料を用いた太陽電池の3つの連続する成長の平均外部電力変換効率(ηEQE)の比較である。
有機感光デバイスは、後に電子と正孔に分離しうる励起子を生成するために光が吸収される少なくとも一つの光活性領域を含む。図2は、光活性領域150がドナー−アクセプタヘテロ接合を含む有機感光性光電子デバイス100の例を示す。「光活性領域」は、電流を生成するために分離する励起子を生成するために電磁放射を吸収する感光デバイスの一部である。デバイス100は、基板110の上に、アノード120、アノード平滑化(smoothing)層122、ドナー152、アクセプタ154、励起子ブロック層(EBL)156およびカソード170を含む。
図10は、図9の方法を発展させて、第1の試料について実施した昇華の累積的な繰り返しに基づいてバルク材料の追加的な試料を精製する。段階(908)が精製サイクルに加えられて、第1の試料を精製するために必要とされた昇華の累積的な量を追跡する。第2の試料は、第1の試料に対して必要とされた昇華の総量に基づいて、試験なしで精製(924)することができる。デバイスは、それから、精製された第2のサンプルからの材料を用いて、第1の試料に対して上で参照した(912)ように、製造される(926)。
実験結果
以下に説明されるように、小分子量有機二重ヘテロ接合ドナー−アクセプタ二重層太陽電池の性能が、ドナー材料、銅フタロシアニン(CuPc)の純度の関数として研究された。この研究での1つの発見は、AM1.5G、1太陽照明(sun illumination)模擬実験の条件下において、CuPc層の純度が増加するにつれて、電力変換効率が(0.26±0.01)%から(1.4±0.1)%に増加することである。
Claims (19)
- (a)温度勾配昇華により有機小分子材料を精製する段階、
(b)精製された前記有機小分子材料から、少なくとも一つの試料の純度を分光法により試験する段階、および、
(c)分光試験が、目標有機小分子の特性ピークの大きさの閾値パーセントを超すいずれかのピークを明らかにする場合、精製された前記有機小分子材料について段階(a)から段階(c)を繰り返す段階、
を有機小分子材料の第1の試料から始めて、順番に実行することを含み、
前記閾値パーセントは10%以下であり、段階(a)から段階(c)は少なくとも2回実行される、方法。 - 前記閾値パーセントは、前記有機小分子材料の以前に試験された試料のスペクトルに基づいて設定される、請求項1に記載の方法。
- 前記目標小分子の特性ピークの大きさの前記閾値パーセントを超すピークが残らなくなったあと、
(d)ドナーまたはアクセプタが前記第1の試料からの精製された有機小分子材料を含んでおり、2つの電極の間に配置されている少なくとも一つのドナー−アクセプタ接合を備える感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の試料からの精製された前記有機小分子材料をヘテロ接合の光伝導体材料として含む、少なくとも一つのショットキー障壁ヘテロ接合を含む感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 段階(a)から段階(c)の累積的な繰り返しに基づいて、前記第1の試料を精製するために必要とされた温度勾配昇華の総量を決定すること、
前記総量にしたがって温度勾配昇華により有機小分子材料の第2の試料を精製すること、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の試料および前記第2の試料は、同じソースから得られる、請求項5に記載の方法。
- ドナーまたはアクセプタが前記第2の試料からの精製された有機小分子材料を含んでおり、2つの電極の間に配置されている少なくとも一つのドナー−アクセプタ接合を備える感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の試料からの精製された前記有機小分子材料をヘテロ接合の光伝導体材料として含む、少なくとも一つのショットキー障壁ヘテロ接合を含む感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 段階(a)が最初に行われる前に、第1の試料の初期スペクトルを分光法により決定すること、
段階(a)から段階(c)の累積的な繰り返しに基づいて、前記第1の試料を精製するために必要とされた温度勾配昇華の総量を決定すること、
前記第1の試料の初期スペクトルを決定するために用いられたのと同じ試験法を用いて、有機小分子材料の第2の試料の初期スペクトルを分光法により決定すること、および、
前記第2の試料の初期スペクトルが前記第1の試料の初期スペクトルと実質的に一致する場合、前記総量にしたがって温度勾配昇華により前記有機小分子材料の前記第2の試料を精製することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - ドナーまたはアクセプタが前記第2の試料からの精製された前記有機小分子材料を含んでおり、2つの電極の間に配置されている少なくとも一つのドナー−アクセプタ接合を備える感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第2の試料からの精製された有機小分子材料をヘテロ接合の光伝導体材料として含む、少なくとも一つのショットキー障壁ヘテロ接合を含む感光性の光電子デバイスを形成することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記分光法は、質量分析である、請求項1に記載の方法。
- 段階(b)は、
(b1)精製された前記有機小分子材料の試料から粉末を作製すること、
(b2)前記粉末に前記質量分析を実施すること、
を含む、請求項12に記載の方法。 - 質量分析は、レーザ脱離イオン化飛行時間型測定により実施される、請求項13に記載の方法。
- 前記分光法は、フーリエ変換赤外分光法である、請求項1に記載の方法。
- 段階(b)は、
(b1)精製された前記有機小分子材料の試料を基板上に膜として蒸着すること、
(b2)前記膜にフーリエ変換赤外分光を実施すること、
を含む、請求項15に記載の方法。 - 少なくとも一つの試料の純度を試験する前記(b)が行われるごとに、
精製された前記有機小分子材料の前記第1の試料を質量分析により試験すること、および、
精製された前記有機小分子材料の第2の試料をフーリエ変換赤外分光により試験することを含み、
どちらかの試験が前記目標有機小分子の特性ピークの大きさの閾値パーセントを超すいずれかのピークを明らかにする場合、段階(a)から段階(c)が繰り返される、請求項1に記載の方法。 - 前記閾値パーセントは、5%である、先行する請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記閾値パーセントは、2%である、請求項18に記載の方法。
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