JP5649954B2 - 光起電力セルとして構成される物品 - Google Patents

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Description

本開示は、新規な電極を有する物品、ならびに関連のシステム、方法、モジュール、および構成部品に関する。
光起電力セルは一般に、光形態のエネルギーを電気形態のエネルギーに変換するために用いられる。代表的な光起電力セルは、２個の電極の間に配置された光活性材料を含む。一般に光は、一方または両方の電極を通過して、光活性材料と相互作用する。その結果、一方または両方の電極が光（例えば、光活性材料に吸収される１波長以上での光）を透過させる能力により、光起電力セルの全体的効率が抑制される可能性がある。半導体材料は導電性材料よりも低い導電率を有し得るが、半導体材料は多くの導電性材料よりも多くの光を透過させ得るため、光起電力セルの多くは、半導体材料（例えば、酸化インジウムスズ）の膜を用いて光が通過する電極を形成させる。
本開示は、新規な電極を有する物品、ならびに関連のシステム、方法、モジュール、および構成部品に関する。
一態様において、本開示は、２個の電極と、それらの間の光活性層とを含む物品を特徴とする。電極は、材料と、前記材料の最上部のグリッドとを含む。前記材料は、第１の層および第２の層を含み、ここで第１の層はポリマーを含み、第２の層は添加剤を含むとともに第１の層とグリッドとの間に存在する。前記物品は、半導体デバイス（例えば、光起電力セル）として構成される。
他の態様において、本開示は、２個の電極と、それらの間の光活性層とを含む物品を特徴とする。電極は、ポリマーを含む第１の層と添加剤を含む第２の層とを含む材料を含む。添加剤は、少なくとも５の平均長さ／幅アスペクト比、少なくとも１００ジーメンス毎センチメートルの導電率、および／または最大で１００Ω／□のシート抵抗を有する。光活性層は、電子供与体材料および電子受容体材料を含む。前記物品は、半導体デバイス（例えば、光起電力セル）として構成される。
更に他の態様において、本開示は、２個の電極と、それらの間の光活性層とを含む物品を特徴とする。電極は、ポリマーを含む第１の層と添加剤を含む第２の層とを含む材料を含む。添加剤は、金属、合金、金属酸化物、炭素同素体、およびそれらの組合せから選択される材料を含む。光活性層は、電子供与体材料および電子受容体材料を含む。前記物品は、半導体デバイス（例えば、光起電力セル）として構成される。
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含むことができる。
幾つかの実施形態において、前記材料は、少なくとも０．１Ω／□かつ／または最大で５００Ω／□のシート抵抗を有する。
幾つかの実施形態において、第１のポリマーは、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、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ネン（ｐｏｌｙｉｓｏｔｈｉａｎａｐｈｔｈａｎｅｎｅｓ）、およびそれらのコポリマーからなる群から選択されるポリマーを含む。
幾つかの実施形態において、添加剤は、少なくとも５（例えば、少なくとも５０または少なくとも１００）の平均長さ／幅アスペクト比を有する。
幾つかの実施形態において、添加剤の形状は、管状、棒状および針状からなる群から選択される。
幾つかの実施形態において、添加剤は、少なくとも１０２（例えば、少なくとも１０４または少なくとも１０６）ジーメンス毎センチメートル（Ｓ／ｃｍ）の導電率を有する。
幾つかの実施形態において、添加剤は、金属、合金、金属酸化物、炭素同素体、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む。
幾つかの実施形態において、添加剤は、少なくとも１００Ｓ／ｃｍの導電率を有するコーティングを含む。
幾つかの実施形態において、前記材料は、前記物品の使用時に少なくとも７５％（例えば、少なくとも８５％または少なくとも９５％）の光透過率を有する。
幾つかの実施形態において、前記材料は、第１のポリマーを少なくとも５０重量％（例えば、少なくとも７０重量％または少なくとも８５重量％）および／または添加剤を最大で５０重量％（例えば、最大で３０重量％または最大で１５重量％）含む。
幾つかの実施形態において、前記材料は、第１のポリマー用のドーパントを更に含む。ドーパントは、ポリ（スチレン−スルホネート）、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ロエチレンを含むことができる。
幾つかの実施形態において、前記物品は、第１の電極と光活性層との間に正孔阻止層を更に含む。正孔阻止層は、ＬｉＦ、金属酸化物、アミン、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含むことができる。特定の実施形態において、第１の電極は、正孔阻止層と共に測定されると、最大で約５０Ω／□の表面抵抗を有する。
幾つかの実施形態において、電子供与体材料は、ポリマー、例えばポリチオフェン、ポリアニリン、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ネン、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（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、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（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドール、およびそれらのコポリマーからなる群から選択されるポリマーを含む。例えば電子供与体材料は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）またはポリ（シクロペンタジチオフェン−コ−ベンゾチアジアゾール）を含むことができる。
幾つかの実施形態において、電子受容体材料は、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、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を含むポリマー、ＣＦ３基を含むポリマー、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む。例えば電子受容体材料は、置換フラーレン、例えば［６，６］−フェニルＣ６１−酪酸メチルエステル（Ｃ６１−ＰＣＢＭ）および［６，６］−フェニルＣ７１−酪酸メチルエステル（Ｃ７１−ＰＣＢＭ）を含むことができる。
幾つかの実施形態において、前記物品は更に基板を含み、第１および第２の電極が前記基板に支持される。特定の実施形態において、前記物品は更に追加の基板を含み、第１および第２の電極が前記基板の間に存在する。
幾つかの実施形態において、グリッドは、金属または合金を含む。
前記材料は、第１の層および第２の層を含み、ここで第１の層は第１のポリマーを含み、第２の層は添加剤を含んで第１の層とグリッドとの間に存在する。そのような実施形態において、前記物品は、第２の層とグリッドとの間に、第２のポリマー（例えば、アクリルポリマー）を含む第３の層を更に含むことができる。
各実施形態は、以下の利点を１つ以上含むことができる。
理論に縛られることを望むものではないが、長さ／幅アスペクト比が高い添加剤は、隙間の空間領域を持つ添加剤のランダムネットワークを有する薄膜（例えば、１μｍ未満の厚さを有する）を容易に形成し得ると考えられる。添加剤が高導電性である場合、そのような薄膜は、光起電力セルの電極として望ましい２つの特性である高導電性および高透過性の両方を有することができる。更に、理論に縛られることを望むものではないが、そのような膜（即ち、導電性添加剤のネットワークを含む膜）は、膜の最上部のグリッドの間にある開放空間内の電子回収を促すことができ、それにより電極の導電率を改善し得ると考えられる。
理論に縛られることを望むものではないが、電極中で添加剤が導電性均質ポリマーと結合すると（例えば、添加剤がそのようなポリマー中に配置されることにより）隙間の空間領域に高い導電率が提供され、これらの部分に発生する電荷キャリア（例えば、電子または正孔）を添加剤にも輸送することができ、それにより電極の導電率を改善し得ると考えられる。
理論に縛られることを望むものではないが、電極中で導電性グリッドを複合体層と結合させると、電荷キャリアの輸送距離を延長することができ、それにより電極の導電率を改善することができると考えられる。
実施形態の他の特徴および利点は、明細書、図面および特許請求の範囲から明白となろう。
光起電力セルの一実施形態の断面図である。 図１における光起電力セルの電極の一実施形態の断面図である。 図１における光起電力セルの電極の他の実施形態の断面図である。 タンデム型光起電力セルの一実施形態の断面図である。 電気的に直列接続した複数の光起電力セルを含むシステムの概略図である。 電気的に並列接続した複数の光起電力セルを含むシステムの概略図である。
それぞれの図面の同様の参照記号は、同様の要素を示す。
図１は、基板２１０、電極２２０、任意の正孔阻止層２３０、光活性層２４０（電子受容体材料および電子供与体材料を含む）、任意の正孔キャリア層２５０、電極２６０、および基板２７０を含む光起電力セル２００の断面図である。
一般に使用時は、光が基板２７０の表面に衝突し、基板２７０、電極２６０、および正孔キャリア層２５０を通過する。その後、光は光活性層２４０と相互作用して、電子を層２４０中の電子供与体材料から層２４０中の電子受容体材料まで移動させる。その後、電子受容体材料が電子を正孔阻止層２３０を介して電極２２０まで透過させ、電子供与体材料が正孔を正孔キャリア層２５０を介して電極２６０まで移動させる。電極２２０および２６０は、外部負荷を介して電気的に接続状態にあるため、電子は電極２２０から負荷を通り電極２６０に通過する。
図２（ａ）は、複合体層２６２および任意のグリッド２６４を含む電極２６０の実施形態の断面図を示す。複合体層２６２は一般に、添加剤およびポリマーを含む。
一般に添加剤は、導電性材料を含む。導電性材料の例としては、導電性金属、導電性合金、導電性金属酸化物、および炭素同素体が挙げられる。例示的な導電性金属としては、鉄、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挙げられる。例示的な導電性合金としては、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挙げられる。炭素同素体の例としては、炭素ナノロッドおよび炭素ナノチューブ（例えば、単一壁炭素ナノチューブ、二重壁炭素ナノチューブ、および多層壁炭素ナノチューブ）が挙げられる。導電性金属酸化物の例としては、酸化インジウムスズ、フッ素化された酸化スズ、酸化スズ、酸化亜鉛、および酸化チタンが挙げられる。金属酸化物は、ドープされていなくても、またはドーパントでドープされていてもよい。金属酸化物用のドーパントの例としては、フッ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物の塩または酸が挙げられる。幾つかの実施形態において、導電性材料の組合せが用いられる。
添加剤は、例えば少なくとも１０２Ｓ／ｃｍ（例えば、少なくとも１０３Ｓ／ｃｍ、少なくとも１０４Ｓ／ｃｍ、少なくとも１０５Ｓ／ｃｍ、または少なくとも１０６Ｓ／ｃｍ）および／または最大で１０９Ｓ／ｃｍ（例えば、最大で１０８Ｓ／ｃｍ、最大で１０７Ｓ／ｃｍ、または最大で１０６Ｓ／ｃｍ）の導電率を有することができる。幾つかの実施形態において、添加剤は、最大で１００Ω／□（例えば、最大で１０Ω／□、最大で１Ω／□、または最大で０．１Ω／□）および／または少なくとも０．０１Ω／□（例えば、少なくとも０．０５Ω／□、少なくとも０．１Ω／□、または少なくとも１Ω／□）のシート抵抗を有することができる。幾つかの実施形態において、添加剤は、相対的に非導電性である内部核と、相対的に導電性である（例えば、少なくとも１０２Ｓ／ｃｍの導電率を有する）コーティングとを含む。
幾つかの実施形態において、添加剤は、少なくとも５（例えば、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも１０００、または少なくとも５０００）および／または最大で１００００（例えば、最大で５０００、最大で１０００、または最大で５００）の平均長さ／幅アスペクト比を有する。層２６２中の添加剤の例示的形状としては、管状、棒状および針状が挙げられる。理論に縛られることを望むものではないが、長さ／幅アスペクト比の高い添加剤は、隙間の空間領域を持つ添加剤のランダムネットワークを有する薄膜（例えば、１μｍ未満の厚さを有する）を容易に形成し得ると考えられる。添加剤が高導電性である場合、そのような薄膜は、光起電力セルの電極として望ましい２つの特性である高導電性および高透過性の両方を有することができる。更に、理論に縛られることを望むものではないが、そのような膜（即ち、導電性添加剤のネットワークを含む膜）は、グリッド２６４の間にある開放空間内の電子回収を促すことができ、それにより電極２６０の導電率を改善し得ると考えられる。
幾つかの実施形態において、添加剤は、５未満の長さ／幅アスペクト比を有することができる。例えば添加剤は、球状または楕円状、例えばナノ粒子の形態であってもよい。そのような実施形態において、ポリマー（例えば、ポリエチレンテレフタレート）および添加剤粒子の組成物が、相対的に多量の添加剤粒子を含む場合は、その組成物を基板に塗布することにより、添加剤粒子の網状構造を含む薄膜を形成することができる。添加剤粒子は一般に、こうして形成された膜に電気的に接続し、尚もそれらの間に十分な空間を有することで十分な光透過を可能にする。つまりそのような薄膜は、光起電力セル２００を使用するための十分な導電性および透過性を尚も有することができる。
代表的には層２６２中のポリマーは、導電性ポリマーである。幾つかの実施形態において、複合体２６２中のポリマーは、少なくとも１０Ｓ／ｃｍ（例えば、少なくとも１００Ｓ／ｃｍまたは少なくとも１０００Ｓ／ｃｍ）の導電率を有することができる。例示的なポリマーとしては、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））、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、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ネン、およびそれらのコポリマーが挙げられる。幾つかの実施形態において、ポリマーは、チエノ［３，４−ｂ］チオフェンモノマー単位から形成される。層２６２中で用いられ得る市販のポリマーの例としては、チオフェンポリマーであるエアー・プロダクツ（Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）（登録商標）ＨＩＬ類が挙げられる。幾つかの実施形態において、複合体層２６２は、ポリマー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−スルホネート）、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ロエチレンを含むことができる。理論に縛られることを望むものではないが、幾つかの実施形態においてポリマーは、正孔キャリア層として作用することができ、光活性層２４０から電極２６０までの正孔の移動を促進し得ると考えられる。そのような実施形態においては、正孔キャリア２５０を光起電力セル２００から除去することができる。
一般に複合体層２６２中の添加剤は、隙間の空間領域を有するランダムネットワークの形態である。その結果、添加剤の導電率は、複合体層２６２ではミクロ規模で不均質である。理論に縛られることを望むものではないが、添加剤を導電性均質ポリマーと結合させることが（例えば、そのようなポリマー中に添加剤粒子を配置させることにより）、隙間の空間領域の導電性を高め、これらの領域に発生した電荷キャリア（例えば正孔）を添加剤にも、そしてその後グリッド２６４にも輸送し、それにより電極２６０の導電率を改善することができると考えられる。
一般に複合体層２６２は、少なくとも７５％（例えば、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％）の光透過率を有する。本明細書において、用語「光透過率」は、光起電力セルで用いられる厚さで、光起電力セルの操作時に用いられる波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）の入射光の透過率を指す。
代表的には複合体層２６２は、少なくとも０．１Ω／□（例えば、少なくとも１Ω／□、または少なくとも１０Ω／□）および／または最大で５００Ω／□（例えば、最大で２００Ω／□、最大で１００Ω／□、または最大で２０Ω／□）のシート抵抗を有する。幾つかの実施形態において、層２６２は、ポリマーを少なくとも５０重量％（例えば、少なくとも６０重量％、少なくとも７５重量％、少なくとも８０重量％、または少なくとも８５重量％）含む。特定の実施形態において、層２６２は、添加剤を最大で５０重量％（例えば、最大で３０重量％、最大で１５重量％、最大で１０重量％または最大で５重量％）含む。
一般に複合体層２６２は、実質的に透明であるように十分薄く、導電性であるように十分厚い。幾つかの実施形態において層２６５は、少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約１００ｎｍまたは少なくとも約１μｍ）および／または最大で５μｍ（例えば、最大で約５００ｎｍまたは最大で約２５０ｎｍ）の厚さを有する。
複合体層２６２は、液体を基にしたコーティング工程により製造することができる。本明細書で記述された用語「液体を基にしたコーティング工程」とは、液体を基にしたコーティング組成物を用いる工程を指す。液体を基にしたコーティング組成物の例は、溶液、分散液、または懸濁液であってもよい。液体を基にしたコーティング工程は、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、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、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、およびスクリーン印刷のうちの少なくとも１つの工程を用いて実施することができる。液体を基にしたコーティング工程の例は、例えば所有者が共通する同時係属出願の米国特許出願公開番号第２００８−０００６３２４号明細書に記載されており、その内容は本明細書に参考として援用される。
幾つかの実施形態において、複合体層２６２は、（１）有機溶媒中で添加剤（例えば、銀ナノロッド）とポリマー（例えば、チオフェン）とを混合して、分散液を形成する工程、（２）分散液を基板にコーティングする工程、ならびに（３）コーティングされた分散液を乾燥させる工程、により製造することができる。
グリッド２６４は一般に、導電性材料で形成されている。グリッド２６４中で用いられ得る導電性材料の例は、先に記述されたものを包含する。幾つかの実施形態において、グリッド２６４は、メッシュの形態である（例えば、グリッド間の空間が比較的小さい場合）。グリッド電極（例えば、メッシュ電極）の例は、例えば所有者が共通する同時係属出願の米国特許出願公開番号第２００４−０１８７９１１号明細書および２００６−００９０７９１号明細書に記載されており、それらの内容は本明細書に参考として援用される。理論に縛られることを望むものではないが、添加物が比較的小さな厚さおよび長さであれば、電荷キャリアは複合体層２６３中ではあまり輸送され得ず、グリッド２６４と複合体層２６２とを結合すると、電荷チャージの輸送距離を延長することができ、電極２６０の導電率を改善し得ると考えられる。
一般にグリッド２６４は、導電性添加剤と電気的に接続している。幾つかの実施形態において、グリッド２６４は、複合体層２６２中に少なくとも部分的に埋設されている。幾つかの実施形態において、グリッド２６４は、複合体層２６２中に完全に埋設されている。
電極２６０が複合体層２６２の最上部にグリッド２６４を含む場合、電極２６０は、少なくとも７５％（例えば、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％）の光透過率および最大で１００Ω／□（例えば、最大で５０Ω／□、最大で１０Ω／□、または最大で１Ω／□）のシート抵抗を有することができる。
幾つかの実施形態において、グリッド２６４は、印刷可能な材料を複合体層２６２に印刷することにより形成され得る。そのような実施形態において、印刷可能な材料は、導電性材料およびバインダポリマーを含むことができる。バインダポリマーの例としては、アミン／エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、およびアクリル樹脂が挙げられる。
図２（ｂ）は、複合体層２６２、任意の層２６５、および任意のグリッド２６４を含む他の実施形態の断面図を示す。複合体層２６２は、２つの層、即ち層２６１および２６３を含む。層２６１は、１つのポリマー、例えば上記導電性ポリマーのうちの１つを含み、層２６３は、１つの添加剤、例えば上記添加剤のうちの１つを含む。理論に縛られることを望むものではないが、２つの層中に導電性ポリマーおよび添加剤を含む光起電力セルは、１つの層に導電性ポリマーおよび添加剤を含む光起電力セルに比較して、長期の寿命を有すると考えられる。更に理論に縛られることを望むものではないが、添加剤層と光活性層との間に導電性ポリマーの層を配置させると、添加剤中で電子と正孔とが再結合して光起電力セルの効率が低下するのを、最小限に抑えることができると考えられる。
幾つかの実施形態において、層２６３は、層２６１とグリッド２６４との間に配置されている。そのような実施形態において、電極２６０は、層２６３とグリッド２６４との間に層２６５を更に含むことができる。層２６５は、ポリマー、例えばアクリル樹脂、アミン／エポキシ樹脂、エポキシ樹脂、およびＵＶ硬化性樹脂を含むことができる。
一般に層２６５は、層２６３中の導電性添加剤がグリッド２６４と接触するのに十分小さな厚さを有するが、添加剤を層２６１に固定し得るのに十分な大きさである。幾つかの実施形態において、層２６５は、少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約５０ｎｍまたは少なくとも約２５０ｎｍ）および／または最大で２μｍ（例えば、最大で２５０ｎｍまたは最大で１００ｎｍ）の厚さを有する。
幾つかの実施形態において、図２（ｂ）に示された複合体層２６２は、（１）ポリマー（例えば、チオフェン）を含む溶液を基板にコーティングさせて層２６１を形成する工程、および（２）添加剤（例えば、銀ナノロッド）を含む分散液を層２６１にコーティングして層２６３を形成する工程、により製造することができる。幾つかの実施形態において、層２６５は、他のポリマー（例えば、アクリルポリマー）を含む溶液を層２６３に塗布することにより形成することができる。
基板２７０は一般に、透明材料により形成される。本明細書で用いられる透明材料は、光起電力セルで用いられる厚さで、操作時に用いられる波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）の入射光を少なくとも約７０％（例えば、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％）透過させる材料を指す。基板２７０が形成され得る例示的材料としては、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、重合性炭化水素、セルロースポリマー、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挙げられる。特定の実施形態において、ポリマーは、フッ素化ポリマーであってもよい。幾つかの実施形態において、複数のポリマー材料の組合せが用いられる。特定の実施形態において、基板２７０の異なる領域は、異なる材料から形成され得る。
一般に基板２７０は、可撓性、半剛性または剛性（例えば、ガラス）であってもよい。幾つかの実施形態において、基板２７０は、約５０００メガパスカル未満の曲げ弾性率を有する。特定の実施形態において、基板２７０の異なる領域は、可撓性、半剛性または非可撓性（例えば、１箇所以上の可撓性領域と、それと異なる１箇所以上の半剛性領域、１箇所以上の可撓性領域と、それと異なる１箇所以上の非可撓性領域）であってもよい。
代表的には基板２７０は、少なくとも約１μｍ（例えば、約５μｍ、少なくとも約１０μｍ）の厚さおよび／または最大で約１０００μｍ（例えば、最大で約５００μｍ、最大で約３００μｍ、最大で約２００μｍ、最大で約１００μｍ、最大で約５０μｍ）の厚さである。
一般に基板２７０は、有色または無色であり得る。幾つかの実施形態において、基板２７０の一部分以上は有色であり、かつ基板２７０の異なる一部分以上は無色である。
基板２７０は、１つの平面状表面（例えば、光が衝突する面）もしくは二つの平面状表面（例えば、光が衝突する面と反対側の表面）を有していてもよく、または平面状表面を有していなくてもよい。基板２７０の非平面状表面は、例えば曲面であっても、または階段状であってもよい。幾つかの実施形態において、基板２７０の非平面状表面はパターニングされている（例えば、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズ、レンティキュラレンズまたはレンティキュラプリズムを形成するためのパターニング工程を有する）。
場合により光起電力セル２００は、正孔キャリア層２５０を含むため、（正孔阻止層としても機能し得る）複合体層２６２中のポリマーに加えて、電荷移動および電荷輸送を促すことができる。正孔キャリア層２５０は一般に、光起電力セル２００で用いられる厚さで正孔を電極２６０に輸送し、かつ電子の電極２６０への輸送を実質的に阻止する材料で形成されている。層２５０が形成され得る材料の例としては、半導体ポリマー、例えばポリチオフェン（例えば、ポリ（スチレン−スルホネート）をドープしたＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、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ネン、およびそれらのコポリマーが挙げられる。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２５０は、半導体ポリマーと共に用いられるドーパントを含むことができる。ドーパントの例としては、ポリ（スチレン−スルホネート）（ＰＳＳ）、高分子スルホン酸、またはフッ素化ポリマー（例えば、フッ素化イオン交換ポリマー）が挙げられる。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２５０の形成に用いられ得る材料は、金属酸化物、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、酸化ストロンチウム銅、または酸化ストロンチウムチタンを含む。金属酸化物は、ドープされていなくてもよく、またはドーパントをドープされていてもよい。金属酸化物用のドーパントの例としては、フッ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物の塩または酸が挙げられる。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２５０の形成に用いられ得る材料は、炭素同素体（例えば、炭素ナノチューブ）を含む。炭素同素体は、高分子バインダに埋設されていてもよい。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２５０は、先に記載された正孔キャリア材料の組合せを含むことができる。幾つかの実施形態において、正孔キャリア材料は、ナノ粒子の形態であってもよい。ナノ粒子は、例えば球状、円筒状、または棒状などの任意の適切な形状を有することができる。
一般に正孔キャリア層２５０の厚さ（即ち、光活性層２４０と接する正孔キャリア層２５０の表面と、正孔キャリア層２５０と接する電極２６０の表面との間の距離）は、所望の通りに変更することができる。代表的には正孔キャリア層２５０の厚さは、少なくとも０．０１μｍ（例えば、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、少なくとも約０．３μｍ、または少なくとも約０．５μｍ）かつ／または最大で約５μｍ（例えば、最大で約３μｍ、最大で約２μｍ、または最大で約１μｍ）である。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２５０の厚さは、約０．０１μｍ〜約０．５μｍである。
光活性層２４０は一般に、電子受容体材料（例えば、有機電子受容体材料）および電子供与体材料（例えば、有機電子供与体材料）を含む。
電子受容体材料の例としては、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、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、電子を受容し得る部分または安定した陰イオンを形成し得る部分を含むポリマー（例えば、ＣＮ基を含むポリマー、ＣＦ３基を含むポリマー）、およびそれらの組合せが挙げられる。幾つかの実施形態において、電子受容体材料は、置換フラーレン（例えば、Ｃ６１−ＰＣＢＭまたはＣ７１−ＰＣＢＭ）である。幾つかの実施形態において、複数の電子供与体材料の組合せを、光活性層２４０中で用いることができる。
電子供与体材料の例としては、共役ポリマー、例えばポリチオフェン、ポリアニリン、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ネン、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（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、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（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドール、およびそれらのコポリマーが挙げられる。幾つかの実施形態において、電子供与体材料は、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、およびそれらのコポリマーであってもよい。特定の実施形態において、複数の電子供与体材料の組合せを、光活性層２４０中で用いることができる。
幾つかの実施形態において、電子供与体材料または電子受容体材料は、第１のコモノマー反復単位と、第１のコモノマー反復単位とは異なる第２のコモノマー反復単位とを有するポリマーを含むことができる。第１のコモノマー反復単位は、シクロペンタジチオフェン部分、シラシクロペンタジチオフェン部分、シクロペンタジチアゾール部分、チアゾロチアゾール部分、チアゾール部分、ベンゾチアジアゾール部分、チオフェンオキシド部分、シクロペンタジチオフェンオキシド部分、ポリチアジアゾロキノキサリン部分、ベンゾイソチアゾール部分、ベンゾチアゾール部分、チエノチオフェン部分、チエノチオフェンオキシド部分、ジチエノチオフェン部分、ジチエノチオフェンオキシド部分、またはテトラヒドロイソインドール部分を含むことができる。
幾つかの実施形態において、第１のコモノマー反復単位は、シクロペンタジチオフェン部分を含む。幾つかの実施形態において、シクロペンタジチオフェン部分は、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、およびＳＯ２Ｒ（式中Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである）からなる群から選択される置換基の少なくとも１個で置換されている。例えばシクロペンタジチオフェン部分は、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルで置換されていてもよい。特定の実施形態において、シクロペンタジチオフェン部分は、４位が置換されている。幾つかの実施形態において、第１のコモノマー反復単位は、式（１）：
Figure 0005649954
で示されるシクロペンタジチオフェン部分を含むことができる。式（１）において、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、またはＳＯ２Ｒ（式中Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである）のそれぞれである。例えば、Ｒ１およびＲ２のそれぞれは独立して、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルであってもよい。
アルキルは、飽和または不飽和であってもよく、分枝鎖または直鎖であってもよい。Ｃ１〜Ｃ２０アルキルは、炭素原子を１〜２０個（例えば、炭素原子を１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および２０個）含む。アルキル部分の例としては、−ＣＨ３、−ＣＨ２−、−ＣＨ２＝ＣＨ２−、−ＣＨ２−ＣＨ＝ＣＨ２、および分枝鎖−Ｃ３Ｈ７が挙げられる。アルコキシは、分枝鎖または直鎖であってもよく、飽和または不飽和であってもよい。Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシは、酸素ラジカルを１個、および炭素原子を１〜２０個（例えば、炭素原子を１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および２０個）含む。アルコキシ部分の例としては、−ＯＣＨ３および−ＯＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ３が挙げられる。シクロアルキルは、飽和または不飽和であってもよい。Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキルは、炭素原子を３〜２０個（例えば、炭素原子を３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および２０個）含む。シクロアルキル部分の例としては、シクロヘキシルおよびシクロヘキセン−３−イルが挙げられる。ヘテロシクロアルキルも、飽和または不飽和であってよい。Ｃ３〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルは、環ヘテロ原子（例えば、Ｏ、Ｎ、およびＳ）を少なくとも１個および炭素原子を３〜２０個（例えば、炭素原子を３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および２０個）含む。ヘテロシクロアルキル部分の例としては、４−テトラヒドロピラニルおよび４−ピラニルが挙げられる。アリールは、芳香族環を１個以上含むことができる。アリール部分の例としては、フェニル、フェニレン、ナフチル、ナフチレン、ピレニル、アントリル、およびフェナントリルが挙げられる。ヘテロアリールは、芳香族環を１個以上含むことができ、その少なくとも１個は、環ヘテロ原子（例えば、Ｏ、Ｎ、およびＳ）を少なくとも１個含む。ヘテロアリール部分の例としては、フリル、フリレン、フルオレニル、ピロリル、チエニル、オキサゾリル、イミダゾリル、チアゾリル、ピリジル、ピリミジニル、キナゾリニル、キノリル、イソキノリル、およびインドリルが挙げられる。
本明細書に記述されたアルキル、アルコキシ、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールは、他に断りがなければ置換または非置換部分の両方を含む。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリール上の置換基の例としては、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、アリールオキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、アミノ、Ｃ１〜Ｃ１０アルキルアミノ、Ｃ１〜Ｃ１０ジアルキルアミノ、アリールアミノ、ジアリールアミノ、ヒドロキシル、ハロゲン、チオ、Ｃ１〜Ｃ１０アルキルチオ、アリールチオ、Ｃ１〜Ｃ１０アルキルスルホニル、アリールスルホニル、シアノ、ニトロ、アシル、アシルオキシ、カルボキシル、およびカルボン酸エステルが挙げられる。アルキル上の置換基の例としては、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル以外の先に引用された置換基の全てが挙げられる。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールは、縮合基も包含する。
第２のコモノマー反復単位は、ベンゾチアジアゾール部分、チアジアゾロキノキサリン部分、シクロペンタジチオフェンオキシド部分、ベンゾイソチアゾール部分、ベンゾチアゾール部分、チオフェンオキシド部分、チエノチオフェン部分、チエノチオフェンオキシド部分、ジチエノチオフェン部分、ジチエノチオフェンオキシド部分、テトラヒドロイソインドール部分、フルオレン部分、シロール部分、シクロペンタジチオフェン部分、フルオレノン部分、チアゾール部分、セレノフェン部分、チアゾロチアゾール部分、シクロペンタジチアゾール部分、ナフトチアジアゾール部分、チエノピラジン部分、シラシクロペンタジチオフェン部分、オキサゾール部分、イミダゾール部分、ピリミジン部分、ベンゾキサゾール部分、またはベンゾイミダゾール部分を含むことができる。幾つかの実施形態において、第２のコモノマー反復単位は、３，４−ベンゾ−１，２，５−チアジアゾール部分である。
幾つかの実施形態において、第２のコモノマー反復単位は、式（２）で示されるベンゾチアジアゾール部分、式（３）で示されるチアジアゾロキノキサリン部分、式（４）で示されるシクロペンタジチオフェンジオキシド部分、式（５）で示されるシクロペンタジチオフェンモノオキシド部分、式（６）で示されるベンゾイソチアゾール部分、式（７）で示されるベンゾチアゾール部分、式（８）で示されるチオフェンジオキシド部分、式（９）で示されるシクロペンタジチオフェンジオキシド部分、式（１０）で示されるシクロペンタジチオフェンテトラオキシド部分、式（１１）で示されるチエノチオフェン部分、式（１２）で示されるチエノチオフェンテトラオキシド部分、式（１３）で示されるジチエノチオフェン部分、式（１４）で示されるジチエノチオフェンジオキシド部分、式（１５）で示されるジチエノチオフェンテトラオキシド部分、式（１６）で示されるテトラヒドロイソインドール部分、式（１７）で示されるチエノチオフェンジオキシド部分、式（１８）で示されるジチエノチオフェンジオキシド部分、式（１９）で示されるフルオレン部分、式（２０）で示されるシロール部分、式（２１）で示されるシクロペンタジチオフェン部分、式（２２）で示されるフルオレノン部分、式（２３）で示されるチアゾール部分、式（２４）で示されるセレノフェン部分、式（２５）で示されるチアゾロチアゾール部分、式（２６）で示されるシクロペンタジチアゾール部分、式（２７）で示されるナフトチアジアゾール部分、式（２８）で示されるチエノピラジン部分、式（２９）で示されるシラシクロペンタジチオフェン部分、式（３０）で示されるオキサゾール部分、式（３１）で示されるイミダゾール部分、式（３２）で示されるピリミジン部分、式（３３）で示されるベンゾキサゾール部分、または式（３４）で示されるベンゾイミダゾール部分を含むことができる。
Figure 0005649954
Figure 0005649954
上記各式において、ＸおよびＹのそれぞれは独立して、ＣＨ２、Ｏ、またはＳであり；Ｒ５およびＲ６のそれぞれは独立して、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、またはＳＯ２Ｒ（式中Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである）であり；Ｒ７およびＲ８のそれぞれは独立して、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ３〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである。幾つかの実施形態において、第２のコモノマー反復単位は、Ｒ５およびＲ６のそれぞれがＨである、式（２）で示されるベンゾチアジアゾール部分を含む。
第２のコモノマー反復単位は、チオフェン部分を少なくとも３個含むことができる。幾つかの実施形態において、チオフェン部分の少なくとも１個は、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、およびＣ３〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルからなる群から選択される置換基少なくとも１個で置換されている。特定の実施形態において、第２のコモノマー反復単位は、チオフェン部分を５個含む。
前記ポリマーは、チオフェン部分またはフルオレン部分を含む第３のコモノマー反復単位を更に含むことができる。幾つかの実施形態において、チオフェンまたはフルオレン部分は、Ｃ１〜Ｃ２０アルキル、Ｃ１〜Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキル、およびＣ３〜Ｃ２０ヘテロシクロアルキルからなる群から選択される置換基少なくとも１個で置換されている。
幾つかの実施形態において、前記ポリマーは、第１、第２および第３のコモノマー反復単位の任意の組合せにより形成され得る。特定の実施形態において、前記ポリマーは、第１、第２および第３のコモノマー反復単位のうちのいずれかを含むホモポリマーであってもよい。
幾つかの実施形態において、前記ポリマーは、
Figure 0005649954
（式中ｎは、１よりも大きな整数であってもよい）
であってもよい。
本明細書において記述されたポリマーを製造するためのモノマーは、非芳香族二重結合を１つおよび不斉中心を１つ以上含んでいてもよい。つまりそれらは、ラセミ体およびラセミ混合物、単一の鏡像異性体、個々のジアステレオマー、ジアステレオマー混合物、ならびにシス型またはトランス型異性体形態として生じ得る。そのような異性体形態の全てが考慮される。
先に記載された光活性層２４０中のポリマーは、当該技術分野で公知の方法、例えば所有者が共通する同時係属出願の米国特許出願公開番号第２００７−０１３１２７０号明細書に記載されたものにより製造することができ、その内容は本明細書に参考として援用される。例えばコポリマーは、遷移金属触媒の存在下で、アルキルスタンニル基を２個含むコモノマー１個以上と、ハロ基を２個含むコモノマー１個以上とのクロスカップリング反応により製造することができる。他の例として、遷移金属触媒の存在下で、ホウ酸基を２個含むコモノマー１個以上と、ハロ基を２個含むコモノマー１個以上とのクロスカップリング反応により、コポリマーを製造することができる。コモノマーは、当該技術分野で公知の方法、例えば米国特許出願公開番号第２００７−００２０５２６号明細書、Ｃｏｐｐｏ他著、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ２００３年、３６巻、ｐ２７０５〜２７１１およびＫｕｒｔ他著、Ｊ．Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌ．Ｃｈｅｍ．１９７０年、６巻、ｐ６２９に記載されたものにより製造することができ、それらの内容は本明細書に参考として援用される。
理論に縛られることを望むものではないが、先に記載された光活性層２４０中のポリマーの利点は、吸収波長が電磁スペクトルの赤色および近赤外領域（例えば、６５０〜８００ｎｍ）にシフトすることであると考えられ、それは他の従来のポリマーのほとんどでは利用できない。そのようなポリマーが従来のポリマーと共に光起電力セルに組み込まれると、セルがこのスペクトル領域の光を吸収できるようになり、それによりセルの電流および効率が上昇する。
一般に光活性層２４０は、そこに衝突する光子を吸収し、相応の電子および正孔を比較的効率的に形成するために十分厚く、かつ、正孔および電子を比較的効率的に輸送するために十分薄い。特定の実施形態において、光活性層２４０は、少なくとも０．０５μｍ（例えば、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、または少なくとも約０．３μｍ）の厚さかつ／または最大で約１μｍ（例えば、最大で約０．５μｍまたは最大で約０．４μｍ）の厚さである。幾つかの実施形態において、光活性層２４０は、約０．１μｍ〜約０．２μｍの厚さである。
任意に光起電力セル２００は、光活性層２４０と電極２２０との間に正孔阻止層２３０を含むことができる。正孔阻止層２３０は一般に、光起電力セル２００で使用される厚さで、電子を電極２２０に輸送し、かつ正孔の電極２６０への輸送を実質的に阻止する材料で形成される。層２３０を形成し得る材料の例としては、ＬｉＦ、アミン（例えば、第１級、第２級、第３級アミン、またはアミノシロキサン）、および金属酸化物（例えば、酸化亜鉛または酸化チタン）が挙げられる。正孔阻止層中での使用に適したアミンの例は、例えば同時係属出願の米国仮特許出願番号第６０／９２６，４５９号明細書に記載されており、その内容全体は、本明細書に参考として援用される。理論に縛られることを望むものではないが、光起電力セル２００がアミンで製造された正孔阻止層を含む場合、正孔阻止層が光活性層２４０と電極２２０との間のオーム接触の形成を促すことができ、それによりＵＶ暴露で生じる光起電力セル２００の損傷を低減し得ると考えられる。
代表的には正孔阻止層２３０は、少なくとも０．００５μｍ（例えば、少なくとも約０．０３μｍ、少なくとも約０．０４μｍ、または少なくとも約０．０５μｍ）の厚さかつ／または最大で約０．０５μｍ（例えば、最大で約０．０４μｍ、最大で約０．０３μｍ、最大で約０．０２μｍ、または最大で約０．０１μｍ）の厚さである。
電極２２０は一般に、導電性材料、例えば先に記載された１つ以上の導電性材料により形成される。幾つかの実施形態において、電極２２０は、単層（例えば、上記の導電性材料を１つ以上含む）の形態である。特定の実施形態において、電極２２０は、多層（例えば、上記の導電性材料を１つ以上含む）で形成されている。
幾つかの実施形態において、電極２２０は、実質的に透明であってもよい。幾つかの実施形態において、電極２２０は、透明電極、例えばＩＴＯ電極またはグリッド電極（例えば、メッシュ電極）で形成され得る。幾つかの実施形態において、電極２２０は、電極２６０と同じ材料で形成され得、または電極２６０と同じ特性を有し得る。
基板２１０は、基板２７０と同一または異なっていてもよい。幾つかの実施形態において、基板２１０は、例えば上記の基板２７０の形成に用いられる１つ以上の適切なポリマーで形成することができる。
図３は、２個の半電池３０２および３０４を有するタンデム型光起電力セル３００を示す。半電池３０２は、電極３２０、正孔キャリア層３３０、第１の光活性層３４０、および再結合層３４２を含む。半電池３０４は、再結合層３４２、第２の光活性層３４４、正孔阻止層３５０、および電極３６０を含む。外部負荷は、電極３２０および３６０を介して光起電力セル３００に接続する。幾つかの実施形態において、電極３２０は、図２（ａ）または図２（ｂ）に示された電極２６０と同じ材料で形成することができるか、または電極２６０と同じ特性を有することができる。
製造工程および所望のデバイス構成に応じて、半電池の電流の流れは、特定の層の電子／正孔の導電性を変えることにより（例えば、正孔阻止層３５０を正孔キャリア層に変えることにより）逆行させることができる。そのように実行することにより、タンデム型セルの半電池が電気的に直列または並列に内部接続し得るように、タンデム型セルを設計することができる。
再結合層は、第１の半電池から発生した電子が第２の半電池から発生した正孔と再結合する、タンデム型セル中の層を指す。再結合層３４２は代表的には、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料を含む。一般に、ｎ型半導体材料は電子を選択的に輸送し、ｐ型半導体材料は正孔を選択的に輸送する。その結果、第１の半電池から発生した電子は、ｎ型半導体材料とｐ型半導体材料との境界で、第２の半電池から発生した正孔と再結合する。
幾つかの実施形態において、ｐ型半導体材料は、ポリマーおよび／または金属酸化物を含む。ｐ型半導体ポリマーの例としては、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））、ポリアニリン、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ネン、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（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、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（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドール、およびそれらのコポリマーが挙げられる。金属酸化物は、真性ｐ型半導体（例えば、酸化銅、酸化ストロンチウム銅、または酸化ストロンチウムチタン）またはドーパントのドープ後にｐ型半導体を形成する金属酸化物（例えば、ｐドープされた酸化亜鉛またはｐドープされた酸化チタン）であってもよい。ドーパントの例としては、フッ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物の塩または酸が挙げられる。幾つかの実施形態において、金属酸化物は、ナノ粒子の形態で用いることができる。
幾つかの実施形態において、ｎ型半導体材料（真性またはドープされたｎ型半導体材料のどちらか）としては、金属酸化物、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン、およびそれらの組合せが挙げられる。金属酸化物は、ナノ粒子の形態で用いることができる。他の実施形態において、ｎ型半導体材料としては、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、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を含むポリマー、ＣＦ３基を含むポリマー、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料が挙げられる。
幾つかの実施形態において、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とは、１つの層に混合される。特定の実施形態において、再結合層３４２は、２つの層、つまりｐ型半導体材料を含む一方の層およびｎ型半導体材料を含む他方の層を含む。そのような実施形態において、再結合層３４２は、その２つの層の境界にｎ型半導体材料とｐ型半導体材料とが混合された１つの層を含むことができる。
幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、ｐ型半導体材料を少なくとも約３０重量％（例えば、少なくとも約４０重量％または少なくとも約５０重量％）かつ／または最大で約７０重量％（例えば、最大で約６０重量％または最大で約５０重量％）含む。幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、ｎ型半導体材料を少なくとも約３０重量％（例えば、少なくとも約４０重量％または少なくとも約５０重量％）かつ／または最大で約７０重量％（例えば、最大で約６０重量％または最大で約５０重量％）含む。
再結合層３４２は一般に、層の下面を再結合層３４２に塗布された溶媒から保護するのに十分な厚さを有する。幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、または少なくとも約１００ｎｍ）および／または最大で約５００ｎｍ（例えば、最大で約２００ｎｍ、最大で約１５０ｎｍ、または最大で約１００ｎｍ）の厚さを有することができる。
一般に再結合層３４２は、実質的に透明である。例えばタンデム型光起電力セル３００で用いられる厚さで、再結合層３４２は、光起電力セルの操作時に用いられる波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）の入射光を少なくとも約７０％（例えば、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％）透過させることができる。
再結合層３４２は一般に、十分に低い表面抵抗を有する。幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、最大で約１×１０６Ω／□（例えば、最大で約５×１０５Ω／□、最大で約２×１０５Ω／□、または最大で約１×１０５Ω／□）の表面抵抗を有する。
理論に縛られることを望むものではないが、再結合層３４２は、光起電力セル３００中の２つの半電池（例えば、一方は電極３２０、正孔キャリア層３３０、光活性層３４０、および再結合層３４２を含み、他方は再結合層３４２、光活性層３４４、正孔阻止層３５０、および電極３６０を含む）の間の共通電極と見なされ得ると考えられる。幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、例えば先に記載された導電性グリッド（例えば、メッシュ）材料を含むことができる。導電性グリッド材料は、半電池への同一の極性（ｐ型およびｎ型のいずれか）の選択的な接触を提供するとともに、電子を負荷に輸送するための高導電性かつ透明な層を提供することができる。
幾つかの実施形態において、再結合層３４２は、ｎ型半導体材料とｐ型半導体材料との混合物を光活性層に塗布することにより製造することができる。例えばｎ型半導体およびｐ型半導体を、最初は共に溶媒に分散および／または溶解させて分散液または溶液を形成し、その後、分散液または溶液を光活性層にコーティングして、再結合層を形成することができる。
幾つかの実施形態において、二層の再結合層は、ｎ型半導体材料の層およびｐ型半導体材料の層を別個に塗布することにより製造することができる。例えば、酸化チタンナノ粒子が、ｎ型半導体材料として用いられる場合、酸化チタンナノ粒子の層は、（１）前駆体（例えば、チタン塩）を溶媒（例えば、無水アルコール）に分散させて分散液を形成する工程、（２）分散液を光活性層にコーティングする工程、（３）分散液を加水分解して酸化チタン層を形成させる工程、および（４）酸化チタン層を乾燥させる工程、により形成することができる。他の例として、ポリマー（例えば、ＰＥＤＯＴ）がｐ型半導体材料として用いられる場合、ポリマー層は、最初にポリマーを溶媒（例えば、無水アルコール）に溶解させて溶液を形成することができ、その後、溶液を光活性層にコーティングすることにより形成することができる。
タンデム型光起電力セルの他の例は、例えば所有者が共通する同時係属出願の米国特許出願公開番号第２００７−０１８１１７９号明細書および米国特許出願公開番号第２００７−０２４６０９４号明細書に記載されており、それらの内容全体は本明細書に参考として援用される。
タンデム型セル３００中の他の構成要素は、先に記載された光起電力セル２００のものと同一であってもよい。
幾つかの実施形態において、タンデム型セル中の半電池は、電気的に直列に内部接続している。直列接続すると、一般に層は、図３に示された順序にすることができる。特定の実施形態において、タンデム型セル中の半電池は、電気的に並列に内部接続している。並列に内部接続すると、２つの半電池を有するタンデム型セルは、以下の層、即ち、第１の電極、第１の正孔キャリア層、第１の光活性層、第１の正孔阻止層（電極として作用し得る）、第２の正孔阻止層（電極として作用し得る）、第２の光活性層、第２の正孔キャリア層、および第２の電極を含むことができる。そのような実施形態において、第１および第２の正孔阻止層は、２つの別個の層であってもよく、または１つの単層であってもよい。第１および第２の正孔阻止層の導電率が十分でない場合には、必要な導電率を提供する追加の層（例えば、導電性メッシュ層）を挿入してもよい。
幾つかの実施形態において、タンデム型セルは、２つを超える半電池（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれを超える半電池）を含むことができる。特定の実施形態において、幾つかの半電池を電気的に直列に内部接続することができ、かつ幾つかの半電池を電気的に並列に内部接続することができる。
一般に図１〜３に記載された光起電力セル中の各層を製造する方法は、所望により変更されてもよい。幾つかの実施形態において、層は液体を基にしたコーティング工程により製造することができる。特定の実施形態において、層は、気相を基にしたコーティング工程、例えば化学的または物理的蒸着工程により製造することができる。
幾つかの実施形態において、層が無機半導体ナノ粒子を含む場合、液体を基にしたコーティング工程は、（１）ナノ粒子と溶媒（例えば、水性溶媒または無水アルコール）とを混合して分散液を形成する工程、（２）分散液を基板にコーティングする工程、および（３）コーティングされた分散液を乾燥させる工程、により実施することができる。特定の実施形態において、無機金属酸化物ナノ粒子を含む層を製造するための液体を基にしたコーティング工程は、（１）前駆体（例えば、チタン塩）を適切な溶媒（例えば、無水アルコール）に分散させて分散液を形成する工程、（２）分散液を基板にコーティングする工程、（３）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）を形成する工程、および（４）無機半導体材料層を乾燥させる工程、により実施することができる。特定の実施形態において、液体を基にしたコーティング工程は、ゾル−ゲル工程により（例えば、分散液を基板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のゾル−ゲルとして形成することにより）実施することができる。
一般に、有機半導体材料を含む層の製造に用いられる液体を基にしたコーティング工程は、無機半導体材料を含む層の製造に用いられるものと同一であってもよく、または異なっていてもよい。幾つかの実施形態において、層が有機半導体材料を含む場合、液体を基にしたコーティング工程は、有機半導体材料を溶媒（例えば、有機溶媒）と混合して溶液または分散液を形成する工程、溶液または分散液を基板にコーティングする工程、およびコーティングされた溶液または分散液を乾燥させる工程、により実施することができる。
幾つかの実施形態において、図１〜３に記載された光起電力セルは、連続製造工程、例えばロールツーロール工程で製造することにより、製造コストを削減することができる。ロールツーロール工程の例は、例えば所有者が共通する同時係属出願の米国特許出願公開第２００５−０２６３１７９号明細書に記載されており、その内容は本明細書に参考として援用される。
特定の実施形態が開示されたが、他の実施形態も可能である。
幾つかの実施形態において、光起電力セル２００は、下部電極としての陰極、および上部電極としての陽極を含む。幾つかの実施形態において、光起電力セル２００は、下部電極としての陽極および上部電極としての陰極を含むこともできる。
幾つかの実施形態において、光起電力セル２００は、図１に示された層を逆の順序で含むことができる。言い換えれば光起電力セル２００は、これらの層を下部から上部まで以下の順序、即ち、基板２７０、電極２６０、任意の正孔キャリア層２５０、光活性層２４０、任意の正孔阻止層２３０、電極２２０、および基板２１０の順に含むことができる。
幾つかの実施形態において、複数の光起電力セルを電気的に接続させて光起電力システムを形成することができる。例として、図４は、光起電力セル４２０を含むモジュール４１０を有する光起電力システム４００の概略図である。セル４２０は、電気的に直列接続しており、システム４００は、負荷４３０に電気的に接続している。他の例として、図５は、光起電力セル５２０を含むモジュール５１０を有する光起電力システム５００の概略図である。セル５２０は、電気的に並列接続しており、システム５００は、負荷５３０に電気的に接続している。幾つかの実施形態において、光起電力システム中の幾つか（例えば、全て）の光起電力セルが、１つ以上の共通基板を有することができる。特定の実施形態において、光起電力システム中の幾つかの光起電力セルが電気的に直列接続しており、光起電力システム中の幾つかの光起電力セルが電気的に並列接続している。
有機光起電力セルが記載されたが、他の光起電力セルを、本明細書に記載された新規な電極の１つと一体化させることもできる。そのような光起電力セルの例として、非晶質ケイ素、セレン化カドミニウム、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で形成された光活性材料を含む色素増感光起電力セルおよび無機光活性セルが挙げられる。幾つかの実施形態において、ハイブリッド光起電力セルを、本明細書に記載された新規な電極の１つと一体化させることができる。
光起電力セルについて上述されたが、幾つかの実施形態において、本明細書に記載された新規な電極を、他のデバイスおよびシステム中で用いることができる。例えば前記ポリマーを、適切な有機半導体デバイス、例えば電界効果トランジスタ、光検出器（例えば、ＩＲ検出器）、光起電力検出器、造影装置（例えば、カメラまたは医療造影装置のためのＲＧＢ造影装置）、発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えば、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）またはＩＲもしくは近ＩＲ ＬＥＤ）、レーザ装置、変換層（例えば、可視発光をＩＲ発光に変換する層）、遠距離通信用の増幅器およびエミッタ（例えば、ファイバ用のドーパント）、記憶素子（例えば、ホログラフィック記憶素子）、ならびに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）中で用いることができる。
銀ナノロッドを含む電極の光起電力セルを、以下の通り製造した：ＩＴＯコーティングガラス基板を、それぞれアセトンおよびイソプロパノール中で１０分間音波処理することにより洗浄した。その後、基板をＵＶ／オゾンで１０分間処理した。イソプロパノール中のタイゾールＴＮＢＴ（ＴＹＺＯＲ ＴＮＢＴ）（Ｅ・Ｉ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）、デラウエア州ウィルミントン）の０．５％溶液を、室温で１５分間撹拌し、４０℃、４０ｍｍ／ｓの速度でＩＴＯにブレードコーティングして、酸化チタン層を形成した。こうして形成された酸化チタン層を、ホットプレートで乾燥させた。テトラレンとキシレンとの混合物中のＰ３ＨＴおよびＰＣＢＭの半導体ブレンドを、６５℃、４０ｍｍ／ｓの速度で酸化チタン層にブレードコーティングし、乾燥させて光活性層を形成させた。こうして形成された物品を５００ｒｐｍで１０秒間高速回転させた。この間に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ダイノール１６０４（ＤＹＮＯＬ １６０４）０．１重量％、ゾニールＦＳＮ（Ｚｏｎｙｌ ＦＳＮ）０．１重量％、シルケストＡ１８７（ＳＩＬＱＵＥＳＴ Ａ１８７）０．６重量％、およびグリセリン５重量％を含むバイトロンＰＨＣＶ４（ＢＡＹＴＲＯＮ ＰＨＣＶ４）；Ｈ．Ｃ．スターク（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ）、マサチューサッツ州ニュートン）の層を光活性層に添加して、光活性層の最上部を２５００ｒｐｍで６０秒間スピンコーティングして、ＰＥＤＯＴ層を形成した。その後、その物品を１４０℃のグローブボックスで５分間アニール処理した。銀ナノロッド（カンブリオス・テクノロジーズ・コーポレーション（Ｃａｍｂｒｉｏｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐ．）、カリフォルニア州マウンテンビュー）の層を６５℃、１０ｍｍ／ｓの速度でＰＥＤＯＴ層にブレードコーティングし、その後、１２０℃のグローブボックスで５分間アニール処理した。厚さ５００ｎｍ、長さ２ｍｍ、およびグリッド口２ｍｍの銀グリッドを銀ナノロッド層に蒸着させ、その後、銀グリッドに接続する厚さ１００ｎｍの銀接触パッドを形成することにより、光起電力セルを形成した。
先の通り製造された光起電力セルの性能を測定した。結果から、その光起電力セルは良好に機能し、効率は約１．６％、ＶＯＣは約０．６Ｖ、ＪＳＣは約７．５ｍＡ／ｃｍ２、および曲線因子は約４５であることが示された。
他の実施形態は、特許請求の範囲に示される。

Claims (7)

  1. 物品であって、
    第１の電極と、
    第２の電極であって、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、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ネン、およびそれらのコポリマーからなる群から選択される第１のポリマーと、金属、合金、金属酸化物、炭素同素体、およびそれらの組合せから選択されるいずれかを含む添加剤とを含む材料、およびグリッドを含む第２の電極と、
    第１の電極と第２の電極との間にあり、電気供与体材料および電子受容体材料を含む光活性層とを含み、
    前記材料が第１および第２の層を含み、前記第１の層が前記第１のポリマーを含みかつ前記添加剤を含まず、前記第２の層が前記添加剤を含みかつ前記第１のポリマーを含まず、前記第２の層が前記第１の層と前記グリッドとの間にあり、
    前記グリッドは、前記材料の前記光活性層に対向する面とは反対側の面の上に配置され、
    光起電力セルとして構成される物品。
  2. 前記添加剤の平均長さ／幅アスペクト比が少なくとも５である、請求項１に記載の物品。
  3. 前記添加剤の形状が管状、棒状および針状からなる群から選択される、請求項１に記載の物品。
  4. 前記第１の層が第１のポリマー用のドーパントを更に含む、請求項１に記載の物品。
  5. 前記ドーパントがポリ（スチレン−スルホネート）、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ロエチレンを含む、請求項４に記載の物品。
  6. 前記第２の層と前記グリッドとの間にあり、第２のポリマーを含む第３の層を更に含む、請求項１に記載の物品。
  7. 前記第２のポリマーがアクリルポリマーを含む、請求項６に記載の物品。
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