JP2014513443A - 多接合型光電池 - Google Patents

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Abstract

本開示は、第１および第２電極と、第１電極と第２電極の間にある第１および第２光活性層と、第１光活性層と第２光活性層の間にある再結合材料とを含むシステムを特徴とする。第１光活性層は、第１電極と再結合材料の間にある。第２光活性層は、第２電極と再結合材料の間にある。再結合材料は、第１正孔阻止層および第１正孔輸送層を含む。第１正孔阻止層は、ｎ型半導体材料およびポリアミンを含み、ポリアミンの少なくとも一部の分子は、架橋される。本システムは、光発電システムとして構成される。

Description

本開示は、多接合型（タンデム型）光電池、ならびに関連したシステム、方法、および成分に関する。
主として、化石燃料ベースのエネルギー源の消費および依存を低減したいという願望のために、光発電技術の開発への関心が増大している。光発電技術は、多くの人によって、環境に優しいエネルギー技術としてもみなされている。しかしながら、光発電技術が商業的に実現可能なエネルギー技術であるためには、光発電システム（光を電気エネルギーに変換する１個以上の光電池を用いるシステム）の材料および製造コストは、何らかの合理的な時間枠にわたって回収可能であるべきである。しかし、場合によっては、実用的に設計された光発電システムと関連した電池性能ならびに／または材料および製造コストによって、可用性および用途は制限されていた。
本開示は、ｎ型半導体材料（例えば、置換フラーレン）および架橋ポリアミンを含む相互接続層を用いて、多数のサブ電池（例えば、１０個以上のサブ電池）を有する多接合型光電池を形成することができ、同時に隣接した２個のサブ電池間の電圧損失を最小化することができるという、予想外の発見に基づいている。結果として、このように形成された多接合型光電池の電圧出力は、大体においてサブ電池内に発生した全電圧に等しい。
一態様において、本開示は、第１および第２電極と、第１電極と第２電極の間にある第１および第２光活性層と、第１光活性層と第２光活性層の間にある再結合材料とを含むシステムを特徴とする。第１光活性層は、第１電極と再結合材料の間にある。第２光活性層は、第２電極と再結合材料の間にある。再結合材料は、第１正孔阻止層および第１正孔輸送層を含む。第１正孔阻止層は、ｎ型半導体材料およびポリアミンを含み、ポリアミンの少なくとも一部の分子は、架橋される。システムは、光発電システムとして構成される。
別の一態様において、本開示は、第１および第２電極と、第１電極と第２電極の間にある第１および第２光活性層と、第１光活性層と第２光活性層の間にある再結合材料とを含むシステムを特徴とする。再結合材料は、ｎ型半導体材料およびポリアミンを備える第１層を含む。システムは、光発電システムとして構成される。
さらに別の一態様において、本開示は、ｎ型半導体材料、ポリアミン、および架橋剤を含有する組成物を基板上に配置して、基板によって支持された層を形成するステップと、層を加熱して、ポリアミンの少なくとも一部の分子を架橋し、それによって第１正孔阻止層を形成するステップとを含む方法を特徴付ける。
実施形態は、次の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。
いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料は、置換フラーレン（例えば、Ｃ６１−ＰＣＢＭまたはＣ７１−ＰＣＢＭ）などの、フラーレンを含むことができる。
いくつかの実施形態において、ポリアミンは、ポリエチレンイミンまたはその共重合体とすることができる。
いくつかの実施形態において、ポリアミンの少なくとも一部の分子は、エポキシ基含有化合物（例えば、グリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテルまたはグリセロールジグリシジルエーテル）などの、架橋剤によって架橋することができる。
いくつかの実施形態において、第１正孔阻止層は、約２０ｎｍから約２００ｎｍまで（例えば、約３０ｎｍから約６０ｎｍまで）の厚さを有することができる。
いくつかの実施形態において、第１正孔阻止層は、約３．５ｅＶから約４．５ｅＶまでの仕事関数を有することができる。
いくつかの実施形態において、第１正孔輸送層は、ｐ型半導体材料を含むことができる。例えば、ｐ型半導体材料は、重合体または金属酸化物を含むことができる。重合体は、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）またはポリ（チエノ［３，４−ｂ］チオフェン））、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの共重合体から成る群から選択することができる。金属酸化物は、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、ストロンチウム銅酸化物、およびストロンチウムチタン酸化物から成る群から選択された酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態において、ｐ型半導体材料は、重合体内に分散した金属酸化物を含むことができる。
いくつかの実施形態において、第１正孔輸送層は、約４．８ｅＶから約６．５ｅＶまでの仕事関数を有することができる。
いくつかの実施形態において、システムは、第１電極と第１光活性層の間にある第２正孔阻止層をさらに含むことができる。このような実施形態において、第１光活性層は、第２正孔阻止層と第１正孔輸送層の間にあるとすることができる。いくつかの実施形態において、第２正孔阻止層は、第１正孔阻止層を作るのに用いられる材料とは異なる材料から作ることができる。例えば、第２正孔阻止層は、ＬｉＦ、金属酸化物、またはアミンを含むことができる。
いくつかの実施形態において、システムは、第２電極と第２光活性層の間にある第２正孔輸送層をさらに含むことができる。このような実施形態において、第２光活性層は、第１正孔阻止層と第２正孔輸送層の間にあるとすることができる。例えば、第２正孔輸送層は、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの共重合体または混合物から成る群から選択された重合体を含むことができる。
いくつかの実施形態において、システムは、多接合型光発電システムとして構成することができる。
いくつかの実施形態において、方法は、組成物を基板に塗付する前に、第１電極、第１光活性層、および第１正孔輸送層を基板上へ連続して配置するステップをさらに含むことができる。このような実施形態において、方法は、第２光活性層および第２電極を第１正孔阻止層上へ連続して配置するステップをさらに含むことができる。方法は、第１光活性層を配置する前に、第２正孔阻止層を第１電極上に配置するステップ、および／または第２電極を配置する前に、第２正孔輸送層を第２光活性層上に配置するステップをさらに含むことができる。
いくつかの実施形態において、上述した各配置するステップは、液体ベースコーティング工程を介して実行される。
本開示における主題の他の特徴、目的および利点は、本明細書および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになる。
本開示で説明した多接合型光電池の一実施形態の断面図である。 電気的に直列に接続された多数の光電池を含有するシステムの概略図である。 電気的に並列に接続された多数の光電池を含有するシステムの概略図である。 光照射（ライトソーキング）条件下で例４に説明した多接合型光電池の安定性を示すグラフである。 光照射条件下で例４に説明した多接合型光電池の安定性を示すグラフである。 湿熱エージング条件下で例４に説明した多接合型光電池の安定性を示すグラフである。 湿熱エージング条件下で例４に説明した多接合型光電池の安定性を示すグラフである。
種々の図面における類似の参照符号は、類似のエレメントを指し示す。
図１は、基板１１０、電極１２０、任意選択の正孔阻止層１３０、光活性層１４０、再結合材料１５０、光活性層１６０、任意選択の正孔輸送層１７０、電極１８０、基板１９０、電極１２０と電極１８０の間の電気的接続、ならびに電極１２０および１８０を介して光電池１００に電気的に接続された外部負荷、を有する典型的な多接合型光電池１００を示す。再結合材料１５０は、２つの層、すなわち正孔輸送層１５２および正孔阻止層１５６を含む。
光電池１００は、２個のサブ電池を含む。第１サブ電池は、電極１２０、任意選択の正孔阻止層１３０、光発電層１４０、および再結合材料１５０を含む。第２サブ電池は、再結合層１５０、光活性層１６０、任意選択の正孔輸送層１７０、および電極１８０を含む。第１および第２サブ電池は、電極１２０および１８０ならびに（第１サブ電池と第２サブ電池の共通電極とみなすことができる）共有再結合層１５０を介して電気的に接続され、両サブ電池が電気的に直列に接続されるようにする。
一般に、使用中に、光は、第１サブ電池の電極１２０の表面に当たり、電極１２０および任意選択の正孔阻止層１３０の中を通過することができる。次いで光は、光活性層１４０と相互作用することができる。残りの光は、さらに再結合材料１５０の中を通過し、第２サブ電池の光活性層１６０と相互作用することができる。光と光活性層１２０および１６０との間の相互作用によって、電子は、各光活性層の内部で電子供与材料（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ））から電子受容材料（例えば、Ｃ６１−フェニル−酪酸メチルエステル（Ｃ６１−ＰＣＢＭ））へ移動することができる。次いで光活性層１４０および１６０内の電子受容材料は、電子をそれぞれ電極１２０および再結合材料１５０へ移動させることができる。光活性層１４０および１６０内の電子供与材料は、正孔をそれぞれ再結合材料１５０および電極１８０へ移動させることができる。結果として、第１サブ電池から発生した正孔は、再結合材料１５０内の（例えば、層１５２と層１５６の界面で）第２サブ電池から発生した電子と再結合することができる。使用中に、電極１２０および１８０は、外部負荷に電気的に接続され、電子が、電極１２０から外部負荷を通って電極１８０へ通過するようにする。
図１を参照すると、再結合材料１５０は、正孔阻止層１５６および正孔輸送層１５２を含むことができる。
正孔阻止層１５６は、一般に、光電池１００に用いられる厚さにおいて電子を正孔輸送層１５２へ輸送しかつ正孔輸送層１５２への正孔の輸送を実質的に阻止する材料から形成される。正孔阻止層１５６は、一般にｎ型半導体材料およびポリアミンを含む。
適切なｎ型半導体材料の例には、非置換フラーレンまたは置換フラーレンなどの、フラーレンが含まれる。非置換フラーレンの例には、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、およびＣ９２が含まれる。置換フラーレンの例には、フェニル酪酸メチルエステル（フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（Ｃ６１−ＰＣＢＭ）またはフェニルＣ７１酪酸メチルエステル（Ｃ７１−ＰＣＢＭ）などの、ＰＣＢＭ）で置換されたフラーレン、またはＣ１−Ｃ２０アルコキシで置換され、任意選択でさらにＣ１−Ｃ２０アルコキシおよび／もしくはハロ（例えば、（ＯＣＨ２ＣＨ２）２ＯＣＨ３またはＯＣＨ２ＣＦ２ＯＣＦ２ＣＦ２ＯＣＦ３）で置換されたフラーレンが含まれる。フラーレンの別の例が、例えば、同一出願人が所有する米国特許第７，３２９，７０９号明細書および国際公開第２０１１／１６００２１号パンフレットに説明されている。一部の実施形態において、ｎ型半導体材料の組み合わせは、正孔阻止層１５６に用いることができる。
いくつかの実施形態において、正孔阻止層１５６は、少なくとも約２０重量％（例えば、少なくとも約３０重量％、少なくとも約４０重量％、少なくとも約５０重量％）および／または多くても約７５重量％（例えば、多くても約７０重量％、多くても約６０％、または多くても約５０重量％）のｎ型半導体材料を含むことができる。
いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料（例えば、置換フラーレン）は、正孔阻止層１５６を作製するのに用いられる別の成分を溶解するのに用いられる溶剤（例えば、アルコールおよび塩素系溶剤の混合物）中に溶解することができる。理論に束縛されることを望むものではないが、このようなｎ型半導体材料は、一様な正孔阻止層１５６の形成を促進することができると考えられている。加えて、理論に束縛されることを望むものではないが、このようなｎ型半導体材料を用いると、厚さが相対的に大きい（例えば、約３０ｎｍから約６０ｎｍまで）正孔阻止層１５６の形成を促進するとともに、依然として層１５６の電気伝導率を維持することができると考えられている。このように形成された層１５６は、隣接した２個のサブ電池間の短絡を最小化し、かつ短絡によって引き起こされる電圧損失を最小化することができ、それによって、大体においてサブ電池の全電圧の合計に等しい電圧出力を有する多接合型光電池を形成する。
本明細書で使用されるように、用語「ポリアミン」は、第１級アミノ基、第２級アミノ基、および第３級アミノ基を含む２つ以上のアミノ基を有する重合体を指す。正孔阻止層１５６内の適切なポリアミンの例には、ポリエチレンイミンまたはこれらの共重合体が含まれる。一部の実施形態において、正孔阻止層１５６内の複数のポリアミン分子のうちの少なくともいくつか（例えば、実質的に全部）は、例えば架橋剤を介して架橋することができる。典型的な架橋剤には、グリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテルおよびグリセロールジグリシジルエーテルなどの、エポキシ基含有化合物が含まれる。理論に束縛されることを望むものではないが、架橋されたポリアミンは結果的に架橋正孔阻止層１５６をもたらすことができ、架橋正孔阻止層１５６は、光活性層１６０を作製するのに用いられる溶剤に対する障壁として機能して、溶剤が正孔阻止層１５６の下の層（例えば、正孔輸送層１５２または光活性層１４０）に達し、それによって光電池１００内の第１サブ電池と第２サブ電池の間の短絡および／または光活性層１４０の形態の***をもたらす状態となることを、防止することができると考えられている。いくつかの実施形態において、ポリアミンと架橋剤の重量比は、約１：２と約２：１の間（例えば、約１：１）とすることができる。
いくつかの実施形態において、正孔阻止層１５６は、少なくとも約２５重量％（例えば、少なくとも約３０重量％、少なくとも約４０重量％、または少なくとも約５０重量％）および／または多くても約８０重量％（例えば、多くても約７０重量％、多くても約６０％、または多くても約５０重量％）の架橋ポリアミンを含むことができる。
一般に、正孔阻止層１５６は、十分に大きい厚さを有し、層１５６の上に光活性層１６０を作製するのに用いられる溶剤に対して、正孔阻止層１５６が障壁として機能するようにする。いくつかの実施形態において、正孔阻止層１５６は、少なくとも約２０ｎｍ（例えば、少なくとも約３０ｎｍ、少なくとも約４０ｎｍ、または少なくとも約５０ｎｍ）および／または多くても約２００ｎｍ（例えば、多くても約１５０ｎｍ、多くても約１００ｎｍ、多くても約８０ｎｍ、または多くても約６０ｎｍ）の厚さを有することができる。理論に束縛されることを望むものではないが、正孔阻止層１５６の厚さが過度に小さい場合（例えば、約２０ｎｍを下回る）、光電池１００内の第１サブ電池と第２サブ電池の間に短絡が発生して、電池１００に電圧損失を引き起こす可能性があると考えられている。理論に束縛されることを望むものではないが、正孔阻止層１５６の厚さが過度に大きい場合（例えば、約２００ｎｍを上回る）、層１５６による光吸収が過度に高くなって、光電池１００内の第２サブ電池が十分に高い電圧または電流の電気を発生させるのに十分な入射光を受けることができなくなると考えられている。
いくつかの実施形態において、正孔阻止層１５６は、少なくとも約３．５ｅＶ（例えば、少なくとも約３．６ｅＶ、少なくとも約３．８ｅＶ、または少なくとも約４ｅＶ）および／または多くても約４．５ｅＶ（例えば、多くても約４．４ｅＶ、多くても約４．２ｅＶ、または多くても約４ｅＶ）の仕事関数を有することができる。理論に束縛されることを望むものではないが、正孔阻止層１５６が約３．５ｅＶから約４．５ｅＶまでの範囲内にある仕事関数を有するとき、層１５６は、電子を正孔輸送層１５２へ選択的に輸送し、かつ正孔輸送層１５２への正孔の輸送を実質的に阻止することができると考えられている。
理論に束縛されることを望むものではないが、ｎ型半導体材料を含有しかつ比較的大きい厚さ（例えば、約３０ｎｍから約６０ｎｍまで）を有する架橋正孔阻止層１５６は、隣接した２個のサブ電池間で十分な電気伝導率を維持しながら、隣接した２個のサブ電池間の短絡を最小化することができると考えられている。結果として、再結合材料内のこのような正孔阻止層から形成された多接合型光電池は、大体においてサブ電池の全電圧の合計に等しい電圧出力を有することができる。
いくつかの実施形態において、正孔阻止層１５６は、ｎ型半導体材料（例えば、Ｃ６１−ＰＣＢＭ）、ポリアミン（例えば、ポリエチレンイミン）、および架橋剤（例えば、グリセロールジグリシジルエーテル）を適切な溶剤中に溶解または分散させて、組成物（例えば、分散液または溶液）を形成することによって、次いで液体ベースコーティング工程を用いて、このように形成された組成物を光電池１００内の一層（例えば、正孔輸送層１５２）上にコーティングすることによって、作製することができる。一般に、上述した工程に適した溶剤は、直下層（例えば、正孔輸送層１５２）内の成分を溶解しないので、その層に悪影響を与えない。適切な溶剤の例には、塩素系溶剤（例えば、トリクロロエチレン、塩化メチレン、塩化エチレン、テトラクロロエチレン）、エーテル（ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、またはテトラヒドロフラン）、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、またはこれらの混合物が含まれる。いくつかの実施形態において、溶剤は、塩素系溶剤および１つ以上の別の溶剤（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、またはブタノールなどのアルコール）を含有する混合物とすることができる。いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料の量と、上述した組成物内のポリアミンと架橋剤の合計量との重量比は、約１：３および約３：１の間（例えば、約１：１）とすることができる。
本明細書で述べられる用語「液体ベースコーティング工程」は、液体ベースコーティング組成物を用いる工程を指す。液体ベースコーティング組成物の例としては、溶液、分散液、または懸濁液があり得る。液体ベースコーティング組成物の濃度は、一般に要望通りに調整することができる。いくつかの実施形態において、濃度は、コーティング組成物の所望の粘度またはコーティングの所望の厚さを達成するように調整することができる。液体ベースコーティング工程は、次の工程：溶液コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング（浸漬塗装）、ナイフコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング（吹き付け塗装）、ローラコーティング、スロットコーティング、グラビアコーティング、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷のうちの少なくとも１つを用いて実行することができる。液体ベースコーティング工程の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公開第２００８／０００６３２４号明細書に説明されている。
正孔輸送層１５２は、一般に、光電池１００に用いられる厚さにおいて正孔を正孔阻止層１５６へ輸送しかつ正孔阻止層１５６への電子の輸送を実質的に阻止する材料から形成される。一般に、正孔輸送層１５２は、ｐ型半導体材料を含むことができる。適切なｐ型半導体材料の例には、重合体および／または金属酸化物が含まれる。典型的なｐ型半導体重合体には、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）またはポリ（チエノ［３，４−ｂ］チオフェン））、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの共重合体が含まれる。層１５２に用いることができる市販の重合体の例には、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（登録商標）社製のチオフェン重合体から成るＨＩＬファミリおよびＨ．Ｃ． Ｓｔａｒｃｋ社製のチオフェン重合体から成るＢａｙｔｒｏｎ（登録商標）ファミリが含まれる。いくつかの実施形態において、層１５２は、重合体用のドーパントも含むことができる。例えば、ドーパントは、ポリ（スチレンスルホン酸塩）、ポリスチレンスルホン酸、またはスルホン化テトラフルオルエチレンを含むことができる。
典型的なｐ型半導体金属酸化物には、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、ストロンチウム銅酸化物、およびストロンチウムチタン酸化物が含まれる。金属酸化物は、ドーパントでドープされないまたはドープされるとすることができる。金属酸化物用のドーパントの例には、フッ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物の塩または酸が含まれる。いくつかの実施形態において、層１５２内の正孔輸送材料は、ナノ粒子の形であり得る。ナノ粒子は、球形、円柱形、または棒状形などの、任意の適切な形状を有することができる。
いくつかの実施形態において、正孔輸送層１５２は、上述したｐ型半導体材料の組み合わせを含むことができる。例えば、正孔輸送層１５２は、重合体内に分散したまたは埋め込まれた金属酸化物ナノ粒子を含むことができる。
一般に、正孔輸送層１５２の厚さ（すなわち、光活性層１４０と接触している正孔輸送層１５２の表面と正孔輸送層１５２と接触している正孔阻止層１５６の表面との間の距離）は、要望通りに変化させることができる。典型的には、正孔輸送層１５２の厚さは、少なくとも０．０１ミクロン（例えば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、少なくとも約０．３ミクロン、または少なくとも約０．５ミクロン）および／または多くても約５ミクロン（例えば、多くても約３ミクロン、多くても約２ミクロン、または多くても約１ミクロン）である。いくつかの実施形態において、正孔輸送層１５２の厚さは、約０．０１ミクロンから約０．５ミクロンまで（例えば、約０．１ミクロン）である。
いくつかの実施形態において、正孔輸送層１５２は、少なくとも約４．８ｅＶ（例えば、少なくとも約５ｅＶ、少なくとも約５．２ｅＶ、または少なくとも約５．４ｅＶ）および／または多くても約６．５ｅＶ（例えば、多くても約６．４ｅＶ、多くても約６．２ｅＶ、または多くても約６ｅＶ）の仕事関数を有することができる。理論に束縛されることを望むものではないが、正孔輸送層１５２が約４．８ｅＶから約６．５ｅＶまでの範囲内にある仕事関数を有するとき、層１５２は、正孔を正孔阻止層１５６へ選択的に輸送し、かつ正孔阻止層１５６への電子の輸送を実質的に阻止することができると考えられている。
光電池１００の他の成分に注意を向けると、基板１１０は、一般に透明材料から形成される。本明細書で言及するように、透明材料は、光電池１００に用いられる厚さにおいて、光電池の動作中に用いられる一波長またはさまざまな波長で、入射光のうちの少なくとも約６０％（例えば、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％）を透過する材料である。基板１１０を形成することができる典型的な材料には、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、重合炭化水素、セルロース系重合体、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、およびポリエーテルケトンが含まれる。一部の実施形態において、重合体は、フッ素化重合体とすることができる。いくつかの実施形態において、重合体材料の組み合わせが用いられる。一部の実施形態において、基板１１０の異なる領域は、異なる材料から形成することができる。
一般に、基板１１０は、可撓性があり、半剛体または剛体（例えば、ガラス）とすることができる。いくつかの実施形態において、基板１１０は、約５，０００メガパスカルを下回る（例えば、約１，０００メガパスカルを下回るまたは約５００メガパスカルを下回る）曲げ弾性率を有する。一部の実施形態において、基板１１０の異なる領域は、可撓性、半剛体、または非可撓性（例えば、１つ以上の領域は可撓性かつ異なる１つ以上の領域は半剛体、１つ以上の領域は可撓性かつ異なる１つ以上の領域は非可撓性）とすることができる。
典型的には、基板１１０は、少なくとも約１ミクロン（例えば、少なくとも約５ミクロンまたは少なくとも約１０ミクロン）厚および／または多くても約１，０００ミクロン（例えば、多くても約５００ミクロン厚、多くても約３００ミクロン厚、多くても約２００ミクロン厚、多くても約１００ミクロン、または多くても約５０ミクロン）厚である。
一般に、基板１１０は、着色されているまたは無色であるとすることができる。いくつかの実施形態において、基板１１０の１つ以上の部分は着色され、他方で基板１１０の異なる１つ以上の部分は無色である。
基板１１０は、１つの平面（例えば、光が当たる面）、２つの平面（例えば、光が当たる面および反対側の面）を有することができ、または非平面を有することもできる。基板１１０の非平面は、例えば湾曲するまたは段を形成することができる。いくつかの実施形態において、基板１１０の非平面は、パターニングされる（例えば、フレネルレンズ、レンチキュラレンズまたはレンチキュラプリズムを形成するようにパターニングされたステップを有する）。
電極１２０は、一般に導電性材料から形成される。典型的な導電性材料には、導電性金属、導電性合金、導電性重合体、および導電性金属酸化物が含まれる。典型的な導電性金属には、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、およびチタンが含まれる。典型的な導電性合金には、ステンレス鋼（例えば、３３２ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼）、金合金、銀合金、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、パラジウム合金、白金合金、およびチタン合金が含まれる。典型的な導電性重合体には、ポリチオフェン（例えば、ドープされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ドープされたＰＥＤＯＴ））、ポリアニリン（例えば、ドープされたポリアニリン）、ポリピロール（例えば、ドープされたポリピロール）が含まれる。典型的な導電性金属酸化物には、インジウムスズ酸化物、フッ素化酸化スズ、酸化スズおよび酸化亜鉛が含まれる。いくつかの実施形態において、導電性材料の組み合わせが用いられる。
いくつかの実施形態において、電極１２０は、メッシュ電極を含むことができる。メッシュ電極の例は、同時係属中の米国特許出願公開第２００４／０１８７９１１号明細書および第２００６／００９０７９１号明細書に説明されている。
いくつかの実施形態において、上述した材料の組み合わせは、電極１２０を形成するのに用いることができる。
任意選択で、光電池１００は、正孔阻止層１３０を含むことができる。正孔阻止層１３０は、一般に、光電池１００に用いられる厚さにおいて電子を電極１２０へ輸送しかつ電極１２０への正孔の輸送を実質的に阻止する材料から形成される。正孔阻止層１３０は、正孔阻止層１５６を作るのに用いられる材料とは異なるまたは同じ材料から作ることができる。正孔阻止層１３０を形成することができる材料の例には、ＬｉＦ、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化チタン）、およびアミン（例えば、第１級、第２級、第３級アミン、またはポリアミン）が含まれる。正孔阻止層に用いるのに適したアミンの例は、例えば、同時係属中の米国特許出願公開第２００８／０２６４４８８号明細書に説明されている。いくつかの実施形態において、正孔阻止層１３０は、層１３０がｎ型半導体材料（例えば、Ｃ６１−ＰＣＢＭ）を含まないことを除いて、正孔阻止層１５６を作製するのに用いられる材料と同じ材料から形成することができる。
理論に束縛されることを望むものではないが、光電池１００がアミンから作られた正孔阻止層を含むとき、正孔阻止層は、ＵＶ光に露光されなくても、隣接した２つの層（例えば、光活性層１４０と電極１２０）間の抵抗接点の形成を促進し、それによってＵＶ露光からもたらされる光電池１００へのダメージを低減することができると考えられている。
典型的には、正孔阻止層１３０は、少なくとも約１ｎｍ（例えば、少なくとも約２ｎｍ、少なくとも約５ｎｍ、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約３０ｎｍ、または少なくとも約４０ｎｍ）厚および／または多くても約５０ｎｍ（例えば、多くても約４０ｎｍ、多くても約３０ｎｍ、多くても約２０ｎｍ、多くても約１０ｎｍ、多くても約５ｎｍ、または多くても約２ｎｍ）厚である。
いくつかの実施形態において、各光活性層１４０および１６０は、電子受容材料（例えば、有機電子受容材料）および電子供与材料（例えば、有機電子供与材料）を含有することができる。
電子受容材料の例には、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、電子を受容することができる部分または安定な陰イオンを形成することができる部分を含有する重合体（例えば、ＣＮ基を含有する重合体またはＣＦ３基を含有する重合体）、およびこれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態において、電子受容材料は、置換フラーレン（例えば、ＰＣＢＭ）である。いくつかの実施形態において、電子受容材料の組み合わせは、光活性層１４０または１６０に用いることができる。
電子供与材料の例には、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアジアゾール、ポリ（チオフェン酸化物）、ポリ（シクロペンタジチオフェン酸化物）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェン酸化物）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェン酸化物）、ポリテトラヒドロイソインドール、ポリベンゾジチオフェン、ポリ（ピロロピロールジオン）、およびこれらの共重合体などの、共役重合体が含まれる。いくつかの実施形態において、電子供与材料は、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン））、ポリシクロペンタジチオフェン、およびこれらの共重合体とすることができる。一部の実施形態において、電子供与材料の組み合わせは、光活性層１４０または１６０に用いることができる。
光活性層１４０または１６０に用いるのに適した他の光活性重合体の例は、例えば、米国特許第８，０５８，５５０号明細書、第７，７８１，６７３号明細書および第７，７７２，４８５号明細書、国際公開第２０１１／０８５００４号パンフレット、国際出願ＵＳ２０１２／０３５２５４号明細書、ならびに米国特許出願公開第２０１０／０２２４２５２号明細書、第２０１０／００３２０１８号明細書、第２００８／０１２１２８１号明細書、第２００８／００８７３２４号明細書、および第２００７／００２０５２６号明細書、に説明されている。
いくつかの実施形態において、光活性層１４０は、光活性層１６０の場合と同じ電子供与材料および電子受容材料を含むことができる。一部の実施形態において、光活性層１４０は、光活性層１６０内の電子供与材料または電子受容材料とは異なる電子供与材料または電子受容材料を含むことができる。
任意選択で、光電池１００は、正孔輸送層１７０を含むことができる。正孔輸送層１７０は、一般に、光電池１００に用いられる厚さにおいて正孔を電極１８０へ輸送しかつ電極１８０への電子の輸送を実質的に阻止する材料から形成される。一般に、正孔輸送層１７０は、正孔輸送層１５２に関して上述したｐ型半導体材料のうちの１つなどの、ｐ型半導体材料から作ることができる。いくつかの実施形態において、正孔輸送層１７０は、ｐ型半導体材料の組み合わせから形成される。いくつかの実施形態において、正孔輸送層１７０は、正孔輸送層１５２の場合と実質的に同じ特徴または特性を有することができる。いくつかの実施形態において、正孔輸送層１７０は、正孔輸送層１５２に用いられるものとは異なるｐ型半導体材料から作ることができる。
電極１８０は、一般に、電極１２０に関して上述した１つ以上の導電性材料などの、導電性材料から形成される。いくつかの実施形態において、電極１８０は、導電性材料の組み合わせから形成される。一部の実施形態において、電極１８０は、メッシュ電極から形成することができる。いくつかの実施形態において、各電極１２０および１８０は、本明細書で説明されるメッシュ電極から形成することができる。
基板１９０は、基板１１０と同一または基板１１０とは異なるとすることができる。いくつかの実施形態において、基板１９０は、上述した基板１１０に用いられる重合体などの、１つ以上の適切な重合体から形成することができる。基板１９０は、当技術分野で周知の方法によって（例えば、接着剤を用いて電極１８０に付着することによって）、電極１８０の上に設置することができる。
いくつかの実施形態において、多接合型電池は、２個以上のサブ電池（例えば、３個の、４個の、５個の、６個の、７個の、８個の、９個の、または１０個以上のサブ電池）を含むことができる。一部の実施形態において、いくつかのサブ電池は電気的に直列に相互接続することができ、いくつかのサブ電池は電気的に並列に相互接続することができる。
一般に、図１で説明した光電池内の各層（例えば、層１２０〜１８０）を作製する方法は、要望通りに変化させることができる。いくつかの実施形態において、１つ以上の層（例えば、光電池１００内の各層）は、液体ベースコーティング工程によって作製することができる。一部の実施形態において、１つ以上の層は、化学蒸着工程または物理蒸着工程などの、気相ベースコーティング工程を介して作製することができる。
いくつかの実施形態において、一層が無機半導体ナノ粒子を含むとき、液体ベースコーティング工程は、（１）ナノ粒子を溶剤（例えば、水性溶剤または無水アルコール）と混ぜ合わせて分散液を形成するステップ、（２）同分散液を基板上へコーティングするステップ、および（３）コーティングされた分散液を乾燥させるステップによって実行することができる。一部の実施形態において、無機金属酸化物ナノ粒子を含有する層を作製する液体ベースコーティング工程は、（１）前駆体（例えば、チタン塩）を適切な溶剤（例えば、無水アルコール）中に分散させて分散液を形成するステップ、（２）同分散液を基板上にコーティングするステップ、（３）同分散液を加水分解して無機半導体ナノ粒子層（例えば、酸化チタンナノ粒子層）を形成するステップ、および（４）無機半導体材料層を乾燥させるステップによって実行することができる。一部の実施形態において、液体ベースコーティング工程は、ゾルゲル法によって（例えば、分散液を基板上にコーティングする前に、金属酸化物ナノ粒子を分散液中にゾルゲルとして形成することによって）実行することができる。
一般に、有機半導体材料を含有する層を作製するのに用いられる液体ベースコーティング工程は、無機半導体材料を含有する層を作製するのに用いられる工程と同じまたは異なるようにすることができる。いくつかの実施形態において、有機半導体材料を含む層を作製するために、液体ベースコーティング工程は、有機半導体材料を溶剤（例えば、有機溶剤）と混ぜ合わせて溶液または分散液を形成し、基板上にその溶液または分散液をコーティングし、コーティングされた溶液または分散液を乾燥させることによって、実行することができる。
いくつかの実施形態において、光電池１００は、（１）ｎ型半導体材料、ポリアミン、および架橋剤を含有する組成物（例えば、溶液または分散液）を基板（例えば、基板１１０）上に塗布して、同基板によって支持された層を形成するステップ、および（２）同層を加熱して、ポリアミンの少なくとも一部の分子を架橋し、それによって第１正孔阻止層（例えば、層１５６）を形成するステップ、を含む方法によって作製することができる。このような実施形態において、本方法は、組成物を同基板に塗付する前に、第１電極（例えば、電極１２０）、第１光活性層（例えば、層１４０）、および第１正孔輸送層（例えば、層１５２）を基板（例えば、基板１１０）上へ連続して配置するステップをさらに含むことができる。加えて、本方法は、第２光活性層（例えば、層１６０）および第２電極（例えば、電極１８０）を第１正孔阻止層（例えば、層１５６）上へ連続して配置するステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、本方法は、第１光活性層（例えば、層１４０）を配置する前に、第２正孔阻止層（例えば、層１３０）を第１電極（例えば、電極１２０）上に配置するステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、本方法は、第２電極（例えば、電極１８０）を配置する前に、第２正孔輸送層（例えば、層１７０）を第２光活性層（例えば、層１６０）上に配置するステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、上述した各配置するステップは、液体ベースコーティング工程を介して実行することができる。
いくつかの実施形態において、図１で説明した多接合型光電池は、ロール・ツー・ロール工程などの、連続製造工程で作製し、それによって製造コストを著しく低減することができる。ロール・ツー・ロール工程の例は、例えば、同一出願人が所有する米国特許第８，１２９，６１６号明細書および第７，４７６，２７８号明細書に説明されている。
一部の実施形態が開示されているが、別の実施形態も可能性がある。
いくつかの実施形態において、光電池１００は、カソードを下端電極としてかつアノードを上端電極として含む。いくつかの実施形態において、光電池１００は、アノードを下端電極としてかつカソードを上端電極として含むことができる。
いくつかの実施形態において、光電池１００は、図１に示された層を逆の順番で含むことができる。言い換えれば、光電池１００は、これらの層を下端から上端へ次のような順序：基板１９０、電極１８０、任意選択の正孔輸送層１７０、光活性層１６０、正孔阻止層１５６、正孔輸送層１５２、光活性層１４０、任意選択の正孔阻止層１３０、電極１２０、および基板１１０、で含むことができる。
いくつかの実施形態において、基板１１０および１９０のうちの１つは、透明とすることができる。別の実施形態において、基板１１０および１９０は、両方とも透明とすることができる。
いくつかの実施形態において、多数の光電池は、電気的に接続されて光発電システムを形成することができる。一例として、図２は、複数の光電池２２０（例えば、多接合型光電池）を含有するモジュール２１０を有する光発電システム２００の概略図である。電池２２０は電気的に直列に接続され、システム２００は負荷２３０に電気的に接続される。別の例として、図３は、複数の光電池３２０（例えば、多接合型光電池）を含有するモジュール３１０を有する光発電システム３００の概略図である。電池３２０は電気的に並列に接続され、システム３００は負荷３３０に電気的に接続される。いくつかの実施形態において、光発電システム内の光電池（例えば、多接合型光電池）のいくつか（例えば、すべて）は、１つ以上の共通の基板上に配置することができる。一部の実施形態において、光発電システム内のいくつかの光電池（例えば、多接合型光電池）は電気的に直列に接続され、同光発電システム内の同光電池（例えば、多接合型光電池）のいくつかは電気的に並列に接続される。
いくつかの実施形態において、再結合材料１５０は、図１で上述した多接合型光電池以外の多接合型光電池に用いることができる。多接合型光電池の別の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公開第２００９／０２１１６３３号明細書、第２００７／０２７２２９６号明細書、第２００７／０１８１１７９号明細書、および第２００７／０２４６０９４号明細書に説明されている。
有機多接合型光電池が説明されているが、別の光電池も、本明細書で説明された再結合材料１５０を組み込むことができる。このような多接合型光電池の例には、同多接合型光電池内の１個以上のサブ電池が、アモルファスシリコン、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化銅インジウム、およびセレン化銅インジウムガリウムから形成された光活性材料を有する色素増感光電池ならびに／または無機光活性電池であるような、多接合型光電池が含まれる。
いくつかの実施形態において光電池が上述されているが、本明細書で説明される再結合材料１５０は、別のデバイスおよびシステムに用いることができる。例えば、再結合材料１５０は、電界効果トランジスタ、光検出器（例えば、赤外線検出器）、光起電力検出器、撮像デバイス（例えば、カメラまたは画像診断システム用ＲＧＢ撮像デバイス）、発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）（例えば、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ：ｏｒｇａｎｉｃ ＬＥＤ）または赤外線もしくは近赤外線ＬＥＤ）、レーザ発振デバイス、変換層（例えば、可視発光を赤外線発光へ変換する層）、電気通信用増幅器およびエミッタ（例えば、ファイバ用ドーパント）、格納エレメント（例えば、ホログラフィック格納エレメント）、およびエレクトロクロミックデバイス（例えば、エレクトロクロミックディスプレイ）などの、適切な有機半導体デバイスに用いることができる。
本明細書において引用されたすべての公開内容（例えば、特許、特許出願公開、および論文）は、参照することによって全体として本明細書に援用される。
次の例は、例示的であり、限定しているように意図するものではない。
例１：ＰＣＢＭ有りまたは無しの相互接続層を有する多接合型光電池の製作
２セットの多接合型光電池が、以下で説明される手順を用いて作製された。
第１セットの４個の多接合型光電池は、次の通りに作製された。透明導電性酸化物（ＴＣＯ：ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｏｘｉｄｅ）コーティングプラスチック基板が、パターニングされて下端電極を形成し、次いで５分間イソプロパノール中で超音波処理された。薄い正孔阻止層が、１重量％ゾルゲルＴｉＯ２（ｎ−ブタノール中のチタンテトラブトキシド溶液）または０．５重量％ポリエチレンイミン（ＰＥＩ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｉｍｉｎｅ）および０．５重量％グリセロールジグリシジルエーテルＤＥＧ（ＤＥＧ：ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）（ブタノール中で１：１重量比）を用いて、洗浄された基板上にコーティングされる。正孔阻止層の典型的な厚さは、約１０ｎｍであった。このように形成された基板は、１００℃で２分間アニールされた。ポリ（ピロロピロールジオン）共重合体（スイス国バーゼル市のＣｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社から入手可能であり、以下では「Ｃｉｂａ」と呼ばれる）およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で含む第１光活性層が、正孔阻止層上に堆積し、その堆積厚は約０．４から０．５の光吸収度を達成するように制御された。ＨＩＬチオフェン重合体（ペンシルベニア州アレンタウン市のＡｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社）を含有する１００ｎｍ厚の正孔輸送層が、ブレードコーティング技術を用いて第１光活性層上に堆積し、周囲条件下で数分間乾燥した。３０ｎｍ厚の正孔阻止層が、正孔輸送層の上に、１／９ブタノール／ジクロロエチレン中に１重量％Ｃ６１−ＰＣＢＭ、０．５重量％ＰＥＩ、および０．５重量％ＤＥＧを含有する溶液を塗付することによって形成された。この正孔阻止層は、１４０℃で１０分間アニールすることによって架橋された。次いで第２光活性層が、架橋正孔阻止層の上に、ｏ−ジクロロベンゼン中に１：１Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭを含有する溶液を塗付することによって形成され、その後に、上述したＨＩＬチオフェン重合体を含有する別の正孔輸送層が５０ｎｍ堆積した。次いで２重接合の多接合型電池（すなわち、２個のサブ電池を有する）が、正孔輸送層上に銀層を蒸着（８０ｎｍ）することによって上端電極として形成された。
第２セットの４個の多接合型光電池は、ｎ−ブタノール中に０．５重量％ＰＥＩおよび０．５重量％ＤＥＧを含有する溶液から形成された２０ｎｍ架橋正孔阻止層で架橋正孔阻止層が置き換えられたことを除いて、先行する段落で説明したステップを用いて作製された。第２セットの多接合型光電池は、対照として用いられた。
このように形成された多接合型光電池の性能は、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５条件下で測定された。その結果は、表１に要約される。
表１に示すように、（Ｃ６１−ＰＣＢＭを含有する相互接続正孔阻止層を含む）第１セットの多接合型電池は、１．０Ｖを上回る開回路Ｖｏｃを示したが、これは大体において、２個のサブ電池の電圧（すなわち、Ｃｉｂａを含有する１個のサブ電池に対して約０．６ＶおよびＰ３ＨＴを含有する１個のサブ電池に対して約０．５４Ｖ）の合計に等しかった。他方では、（Ｃ６１−ＰＣＢＭを有しない相互接続正孔阻止層を含む）第２セットの多接合型光電池は、０．５Ｖを下回るＶｏｃ、すなわち、各サブ電池のＶｏｃを下回るＶｏｃを示した。加えて第１セットの多接合型電池は、第２セットの多接合型電池よりも著しく高い効率を示した。
例２：異なる光活性重合体を有する多接合型光電池の製作
第３セットの７個の多接合型光電池は、第１光活性層が、ポリベンゾジチオフェン共重合体（イリノイ州スコーキ市のＰｏｌｙｅｒａ社から入手可能であり、以下では「ＯＰＶ６」と呼ばれる）およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で含有し、かつ第２光活性層が、ポリチアゾロチアゾール共重合体ＫＰ１４３（マサチューセッツ州ローウェル市のＫｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能）およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で含有したことを除いて、例１に説明した第１セットの多接合型光電池と同様に作られた。
第３セットの多接合型光電池の性能は、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５条件下で測定された。その結果は、以下の表２に要約される。
表２に示すように、７個の多接合型光電池は、すべて高いＶｏｃおよび効率を示した。特に、各７個の多接合型光電池は、大体において、多接合型電池内の２個のサブ電池のＶｏｃ値（すなわち、ＯＰＶ６を含有するサブ電池に対して約０．６６ＶおよびＫＰ１４３を含有するサブ電池に対して約０．７８Ｖ）の合計に等しいＶｏｃを示した。
例３：２個の、３個の、４個の、および５個のサブ電池を有する多接合型光電池の製作
２個のサブ電池、３個のサブ電池、４個のサブ電池、および５個のサブ電池を含有する第４セットの多接合型光電池が、次の通りに作製された。
２個のサブ電池を含有する多接合型電池は、第１光活性層が、ｏ−ジクロロベンゼン（ＯＤＣＢ）中に１重量％溶液のＯＰＶ６およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で６５℃で５ｍｍ／秒のブレード速度で用いることによって形成され、かつ第２光活性層が、ＯＤＣＢ中に１重量％溶液のＯＰＶ６およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で６５℃で７．５ｍｍ／秒のブレード速度で用いることによって形成されたことを除いて、例１に説明した第１セットの多接合型電池と同様に作製された。
３個のサブ電池を含有する多接合型電池は、銀上端電極を形成する前に、架橋正孔阻止層、第３光活性層、および正孔輸送層が連続して形成されたことを除いて、先行する段落で説明したものと同様に作製された。架橋正孔阻止層および正孔輸送層は、例１に説明した第１セットの多接合型電池の場合と同様に形成された。第３光活性層は、ＯＤＣＢ中に１重量％溶液のＯＰＶ６およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で６５℃で１０ｍｍ／秒のブレード速度で用いることによって形成された。
４個のサブ電池を含有する多接合型電池は、銀上端電極を形成する前に、架橋正孔阻止層、第４光活性層、および正孔輸送層が連続して形成されたことを除いて、先行する段落で説明したものと同様に作製された。架橋正孔阻止層および正孔輸送層は、例１に説明した第１セットの多接合型電池の場合と同様に形成された。第４光活性層は、ＯＤＣＢ中に１重量％溶液のＯＰＶ６およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で６５℃で１５ｍｍ／秒のブレード速度で用いることによって形成された。
５個のサブ電池を含有する多接合型電池は、銀上端電極を形成する前に、架橋正孔阻止層、第５光活性層、および正孔輸送層が連続して形成されたことを除いて、先行する段落で説明したものと同様に作製された。架橋正孔阻止層および正孔輸送層は、例１に説明した第１セットの多接合型電池の場合と同様に形成された。第５光活性層は、ＯＤＣＢ中に１重量％溶液のＯＰＶ６およびＣ６１−ＰＣＢＭを１：２重量比で６５℃で３０ｍｍ／秒のブレード速度で用いることによって形成された。
上述したように形成された光電池の性能は、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５条件下で測定された。その結果は、表３に要約される。表３に挙げられた値は、５個の電池からの測定に基づいて平均した結果である。
表３に示すように、上述したように形成された、２個の、３個の、４個の、および５個のサブ電池を含有する多接合型光電池は、大体において、それぞれサブ電池のＶｏｃ（すなわち、サブ電池ごとに０．６５Ｖ）の合計に等しいＶｏｃ値を示した。
例４：多接合型光電池の安定性
例１に説明した第１セットの多接合型光電池と同様に作られた１セットの多接合型光電池が、Ｋｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって開発された専有のプラスチック包装技術を用いて包装された。包装された電池は、光照射条件（ＡＭ１．５条件を用いる）および湿熱エージング条件（６５℃および８５％相対湿度）下の加速エージング工程を用いてテストされた。
上述したテストの結果は、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂに示される。これらの図に示すように、多接合型電池は、光照射条件および湿熱エージング条件の両方の下で、著しい安定性を示した。
例５：薄い相互接続正孔阻止層を含有する多接合型光電池と厚い相互接続正孔阻止層を含有する多接合型光電池との安定性の比較
Ｃ６１−ＰＣＢＭ／ＰＥＩ／ＤＥＧを含有しかつ１５ｎｍの厚さを有する相互接続正孔阻止層を多接合型電池（１）−（４）が含み、Ｃ６１−ＰＣＢＭ／ＰＥＩ／ＤＥＧを含有しかつ６０ｎｍの厚さを有する相互接続正孔阻止層を多接合型電池（５）−（８）が含むことを除いて、８個の多接合型光電池は、例１に説明した第１セットの多接合型光電池と同様に作られた。これらの多接合型電池のそれぞれにおいて、第１光活性層はＯＰＶ６／Ｃ６１−ＰＣＢＭを含有し、第２光活性層はＰ３ＨＴ／Ｃ６１−ＰＣＢＭを含有した。これらの電池は、Ｋｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって開発された専有のプラスチック包装技術を用いて包装された。包装された電池は、１２０時間の湿熱エージング条件（６５℃および８５％相対湿度）下でテストされた。その結果は、表４に要約される。
表４に示すように、多接合型電池（１）−（４）（１５ｎｍの厚さを有する相互接続正孔阻止層を含有した）は、上述した湿熱エージング工程後、Ｖｏｃ、Ｊｓｃ、および曲線因子において、著しい低減を示した。対照的に、多接合型電池（５）−（８）（６０ｎｍの厚さを有する相互接続正孔阻止層を含有した）は、上述した湿熱エージング工程後、同じＶｏｃ、Ｊｓｃ、および曲線因子を基本的に維持した。
例６：ロール・ツー・ロール工程を用いて直列に相互接続された１０個の多接合型電池を含有する多接合型光発電モジュールの製作
多接合型光発電モジュールは、光発電モジュールが、直列に相互接続された１０個の多接合型電池を含有し、各多接合型電池が２個のサブ電池を含んだことを除いて、連続ロール・ツー・ロール工程において例１で作製された多接合型電池と同様なやり方で作製された。銀上端電極を除くすべての層が、例１に説明した手順を用いて堆積した。印刷された銀層は、ナノ銀ベースインクを用いて上端電極として堆積した。すべての隣接する多接合型電池は、ロール・ツー・ロール式コーティング器上で直列に相互接続された。
その結果、このように形成された多接合型光発電モジュールが、１０．５５ＶのＶｏｃ、３．１３ｍＡ／ｃｍ２のＪｓｃ、５５．６％の曲線因子、および１．８４％の効率を示すことが明らかとなった。特に、多接合型光発電モジュールのＶｏｃは、大体において各多接合型電池のＶｏｃ（すなわち、約１．１Ｖ）の合計に等しいが、これにより、１０個の多接合型電池が、最小限の電圧損失で直列に相互接続されることが示唆された。
他の実施形態は、次の特許請求の範囲内にある。

Claims (36)

  1. システムであって、
    第１電極および第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間にある第１光活性層および第２光活性層と、
    前記第１光活性層と前記第２光活性層との間にある再結合材料と
    を備え、
    前記第１光活性層は、前記第１電極と前記再結合材料との間にあり、前記第２光活性層は、前記第２電極と前記再結合材料との間にあり、
    前記再結合材料は、第１正孔阻止層および第１正孔輸送層を含み、
    前記第１正孔阻止層は、ｎ型半導体材料およびポリアミンを含み、前記ポリアミンの少なくとも一部の分子は架橋され、
    前記システムは、光発電システムとして構成されている、システム。
  2. 前記ｎ型半導体材料は、フラーレンを含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記フラーレンは、置換フラーレンである、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記置換フラーレンは、Ｃ６１−ＰＣＢＭまたはＣ７１−ＰＣＢＭである、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記ポリアミンは、ポリエチレンイミンまたはその共重合体である、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記ポリアミンの少なくとも一部の分子は、架橋剤によって架橋されている、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記架橋剤は、エポキシ基含有化合物を含む、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記架橋剤は、グリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテルまたはグリセロールジグリシジルエーテルを含む、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記第１正孔阻止層は、約２０ｎｍから約２００ｎｍまでの厚さを有する、請求項１から８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  10. 第１正孔阻止層は、約３０ｎｍから約６０ｎｍまでの厚さを有する、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記第１正孔阻止層は、約３．５ｅＶから約４．５ｅＶまでの仕事関数を有する、請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記第１正孔輸送層は、ｐ型半導体材料を含む、請求項１から１１のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  13. 前記ｐ型半導体材料は、重合体を備える、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記重合体は、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの共重合体から成る群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記重合体は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）またはポリ（チエノ［３，４−ｂ］チオフェン）を含む、請求項１４に記載のシステム。
  16. ｐ型半導体材料は、金属酸化物を含む、請求項１２に記載のシステム。
  17. 前記金属酸化物は、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、ストロンチウム銅酸化物、およびストロンチウムチタン酸化物から成る群から選択された酸化物を含む、請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記ｐ型半導体材料は、重合体内に分散した金属酸化物を含む、請求項１２に記載のシステム。
  19. 前記第１正孔輸送層は、約４．８ｅＶから約６．５ｅＶまでの仕事関数を有する、請求項１から１８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  20. 前記第１電極と前記第１光活性層との間にある第２正孔阻止層をさらに備え、前記第１光活性層は、前記第２正孔阻止層と前記第１正孔輸送層との間にある、請求項１から１９のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  21. 前記第２正孔阻止層は、前記第１正孔阻止層を形成するのに用いられる材料とは異なる材料から形成される、請求項２０に記載のシステム。
  22. 前記第２正孔阻止層は、ＬｉＦ、金属酸化物、またはアミンを含む、請求項２０または２１に記載のシステム。
  23. 前記第２電極と前記第２光活性層との間にある第２正孔輸送層をさらに備え、前記第２光活性層は、前記第１正孔阻止層と前記第２正孔輸送層との間にある、請求項１から２２のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  24. 前記第２正孔輸送層は、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの共重合体または混合物から成る群から選択された重合体を含む、請求項２３に記載のシステム。
  25. 前記システムは、多接合型光発電システムとして構成されている、請求項１から２４のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  26. システムであって、
    第１電極および第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間にある第１光活性層および第２光活性層と、
    前記第１光活性層と前記第２光活性層との間にある再結合材料と
    を備え、
    前記再結合材料は、ｎ型半導体材料およびポリアミンを含む第１層を備え、
    前記システムは、光発電システムとして構成されている、システム。
  27. 前記ポリアミンの少なくとも一部の分子は、架橋されている、請求項２６に記載のシステム。
  28. 前記ポリアミンの少なくとも一部の分子は、架橋剤によって架橋されている、請求項２７に記載のシステム。
  29. 前記再結合材料は、ｐ型半導体材料を含む第２層をさらに備える、請求項２６から２８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  30. 前記システムは、多接合型光発電システムとして構成されている、請求項２６から２９のうちのいずれか一項に記載のシステム。
  31. 方法であって、
    ｎ型半導体材料、ポリアミン、および架橋剤を含む組成物を基板上に配置して、前記基板によって支持された層を形成するステップと、
    前記層を加熱して、前記ポリアミンの少なくとも一部の分子を架橋し、それによって第１正孔阻止層を形成するステップと
    を備える、方法。
  32. 前記組成物を前記基板に塗付する前に、第１電極、第１光活性層、および第１正孔輸送層を前記基板上へ連続して配置するステップをさらに備える、請求項３１に記載の方法。
  33. 第２光活性層および第２電極を前記第１正孔阻止層上へ連続して配置するステップをさらに備える、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記第１光活性層を配置する前に、第２正孔阻止層を前記第１電極上に配置するステップをさらに備える、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記第２電極を配置する前に、第２正孔輸送層を前記第２光活性層上に配置するステップをさらに備える、請求項３４に記載の方法。
  36. 各配置するステップは、液体ベースコーティング工程を介して実行される、請求項３１から３５のうちのいずれか一項に記載の方法。
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