JP2005538573A - ナノ構造及びナノ複合材をベースとする組成物 - Google Patents

ナノ構造及びナノ複合材をベースとする組成物 Download PDF

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Abstract

一般に光活性層の少なくとも一部分として半導体ナノ結晶を内含するナノ複合材光起電性デバイスが提供されている。コア−シェルナノ構造及び／又は２つのナノ構造集合を含み、該ナノ構造が必ずしもナノ複合材の一部を成すわけではない、光起電性デバイス及びその他の層状デバイスも同様に、本発明の特長である。可撓性及び剛性アーキテクチャ、平面及び非平面アーキテクチャなどを含めたかかるデバイス用の多様なアーキテクチャも又、かかるデバイスを内蔵するシステム及びかかるデバイスを製造するための方法及びシステムと同様に提供されている。異なる材料のナノ構造の２つの集合を含む組成物も同様に、本発明の１つの特長である。

Description

関連技術の相互参照
本出願は、各々その全体があらゆる目的のために本明細書に参照により援用されている２００２年９月５日出願の米国仮特許出願第６０／４０８，７２２号明細書、「ナノ複合材（ＮＡＮＯＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ）」、ミハイ・ブレティーら（Ｍｉｈａｉ Ｂｕｒｅｔｅａ ｅｔ ａｌ．）、２００２年１０月２５日出願の米国仮特許出願第６０／４２１，３５３号７２２号明細書、「ナノ複合材ベースの光起電性デバイス（ＮＡＮＯＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＢＡＳＥＤ ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、エリック・シャーら（Ｅｒｉｋ Ｓｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．）及び２００３年３月４日出願の米国仮特許出願第６０／４５２，０３８号７２２号明細書、「ナノ複合材ベースの光起電性デバイス（ＮＡＮＯＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＢＡＳＥＤ ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、エリック・シャーら（Ｅｒｉｋ Ｓｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．）に対する優先権及びその利益を請求するものである。
連邦が後援する研究及び開発に基づいてなされた発明に対する権利に関する記述
本発明の一部分は、米国偵察局補助金交付ＮＲＯ−０３−Ｃ−００４２に基づき米国政府の支援を受けて行なわれたものであり得る。そのため、米国政府は、本発明に対する或る一定の権利を有する可能性がある。
本発明は、ナノ構造の分野に関する。より詳細には、本発明は、任意にはナノ複合材の一部であるナノ構造を含む光起電性デバイスといったようなデバイスを提供する。異なる材料のナノ構造の２つの集合を含む組成物も同様に、光起電性デバイス及びその他の（例えば層状）デバイスを生産するための方法及びシステムと同じく、本発明の特長である。
太陽エネルギーは長い間、地球上の人間の増大し続けているエネルギー需要に対する潜在的解決法とみなされてきた。化石燃料の採掘コストの増大、「温室効果」放出に対する懸念の増大、そして化石燃料を大量に埋蔵する地域の不安定性の増大が、太陽エネルギー源を含む代替的エネルギー戦略の開発利用に対する関心を助長してきた。
これまでのところ、太陽エネルギー変換は、一般に例えば加熱の利用分野又は熱電変換における太陽エネルギーの直接的収集、又は光電変換電池の使用を通した光子エネルギーから電気エネルギーへの直接的変換を通して、のいずれかに依存してきた。
現行の光起電性デバイス又は電池は、太陽エネルギーを直流に変換するためのｐ−ｎ接合部を内含する例えば結晶シリコン、ガリウムヒ素などといった薄い半導体層を利用する。これらのデバイスは、或る種の利用分野では有用であるものの、それらの効率は、幾分か制限されており、一般的には１０％をわずかに超える、例えば太陽パワーから電気パワーへの変換効率を生み出している。これらのデバイスの効率は、デバイス構造に対する費用のかかる改良を通して改善されてきたものの、これらのデバイスに対する物理的制限は、それらが約３０％の最大効率しか達成しないであろうということを意味すると考えられている。例えば公共消費といった通常のエネルギー所要量については、その他のエネルギー生成手段と比較したその比較的高いコストと組合わさって、これらのデバイスの相対的な効率の悪さは、消費者市場における太陽電気の広範囲に及ぶ採用を阻害してきた。その代り、このようなシステムは主として、例えば陸上またはその他の遠隔の場所といった従来通り生成された電力が利用不可能である場合、又は従来通り生成された電力を必要とされる場所まで運ぶのにかかるコストが光電変換システムのコストにほぼ一致する場合にお
いて使用されてきた。
その構造及び効率のため、現在市販されている光電変換には同様に多くの物理的必要条件も付随する。例えば、それらは比較的効率が悪いことそして構造が剛性であることから、光電変換システムは一般的に、このシステムの使用目的である電力に対する必要条件を満たすために、常時又は少なくともピーク時間中、太陽に対して適正に露出された適切な平坦な空間を必要とする。
現行の光電変換技術に伴う問題にもかかわらず、太陽電気の利用を拡大しようとする要望及びそのニーズがなおも存在している。特に、一般には、エネルギー変換効率の増大、製造コストの削減、より大きな可撓性及び／又は適切な耐久力及び／又は寿命のうちの１つ以上を有する改良型光電変換電池に対するニーズが存在する。本発明はこれらのニーズそしてその他のさまざまなニーズに応えるものである。
本発明は、ナノ複合材をベースとする光起電性デバイス及びその構成要素、かかるデバイス及び要素を内含するシステム及びかかるデバイス及び要素を製造するための方法及びシステムを内含する。例えば、光電変換層内に整列されたナノ構造（例えばナノ結晶）を含む光起電性デバイスが、本発明の１態様である。関連する態様では、整列されているか否かに関わらず多数のタイプのこのような構造を含む光起電性デバイスを含めた１つ以上のタイプのナノ構造を含むデバイスが、本発明のもう１つの態様である。いずれの場合でも、これらのデバイスは、活性層内に非ナノ構造要素を内含することもできるし、又それを削除することもできる。例えば、かかる活性層のナノ構造は、例えば電極間で電子及び／又は正孔担持特性を提供するべく、融合、部分融合又は焼結され得る。重合体例えば導電性高分子材料を、光電変換層内のナノ構造要素と組合せることができるが、このような重合体は本明細書中の多くの実施形態において必要とされない。かかるデバイスを含むシステムならびにかかるデバイスを製造するための方法及びシステムも同様に、本発明の一態様である。例えば光起電性デバイス及びその他のデバイスにおいて使用できる活性層組成物ならびに関連する方法及びシステムも、本発明の付加的な特長である。
従って、第１の一般的な１組の光起電性デバイスの実施形態において、本発明は光起電性デバイスを提供している。該デバイスは、第１の電極層と第２の電極層を内含する。第１の光活性層が該第１及び第２の電極層の間に配置されている。光活性層は、第１の平面に沿って第１の電極に少なくとも部分的に電気的に接触した状態で、かつ第２の平面に沿って第２の電極に少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されている。該光活性層は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す材料を含み、各々少なくとも第１の平面に対し主として垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有するナノ構造（例えばナノ結晶）の第１の集合を内含している。
ナノ構造は、例えば共通の頂点で接続されかつ実質的に四面体幾何形状（例えばナノテトラポッド）に配置された４つの細長いセグメントといった、２つ以上の細長いセグメントを有する分岐ナノ結晶などのさまざまな構造のうちのいずれかを含むことができる。ナノ構造は、例えば任意には、少なくともＩＩ−ＶＩ群、ＩＩＩ−Ｖ群又はＩＶ群半導体又はその合金の中から選択された半導体から成る一部分を含め、光活性層内での機能を容易にする材料を内含し得る。例えば、該ナノ構造集合は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、又はＰｂＴｅのうちの１つ以上のものを含むナノ結晶を含み得る。ナノ構造の精確な形態は変動する
可能性があり、例えば任意には、ナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造のうちのいずれかを含む。ナノ構造集合は、例えば第１の半導体材料のコア及び第２の（異なる）半導体材料のシェルを含むナノ結晶といったような２つ以上のサブコンポーネントを含む構造を内含し得る。光起電性デバイスのためには、該第１及び第２の半導体材料は一般的にＩＩ型バンドオフセットプロフィールを示す。コアがＣｄＳｅを含みシェルがＣｄＴｅを含むナノ結晶、又はコアがＩｎＰを含みシェルがＧａＡｓを含むナノ結晶を含めたさまざまな材料のうちの任意のものを、この望ましい特性を達成するために使用することができる。これらのナノ構造特長は、一般に以下に記すその他のデバイス、方法、組成物及びシステム実施形態に適用可能である。
光活性層は、任意には、例えばナノ結晶が中に懸濁されているか又は配置されているマトリクスを含む。例えば、該層は、導電性高分子材料マトリクス内に配置されたナノ結晶を内含することができる。ナノ結晶は、任意には例えば共有化学リンケージを介して重合体マトリクスに連結される。例えば、１つの実施形態においては、化学リンケージは、ナノ結晶の外部表面に第１の位置で又重合体マトリクスに第２の位置で連結されたリガンドを含む。ナノ結晶は任意には重合体マトリクスに対して電気的に連結されている。ナノ結晶又はマトリクスのいずれか（又は両方）は、正孔又は電子を伝導することができる。さらに、本明細書でより詳細に記されているように、該マトリクスは任意には本明細書中のデバイスから削除され、ナノ構造が電子及び正孔担持特性の両方を電極に提供する（例えば、２つ以上のナノ結晶タイプが、任意にはマトリクス内にいかなる付加的な導電性（又はその他の）重合体も不在である状態で、融合、部分融合又は合わせて焼結される場合）。
光活性層内のナノ構造の配置は、光活性層の活性を増強するべく修正可能である。例えば、１つの態様においては、層内のナノ構造又はナノ構造タイプのうちの１つ以上のものが、（例えば関係する電極に対する電子又は正孔伝導性を容易にするべく）第２の電極に対してよりも第１の電極に対して主としてより近いところに位置づけされている。同様にして、層はその特性を同様の要領で容易にするコンポーネントを内含することができる。例えば層は、光活性層と第１又は第２の電極との間に配置された正孔又は電極遮断層を含むことができる。同様にして、該層は任意には、光活性層と第１の電極との間に配置された正孔遮断層及び光活性層と第２の電極との間に配置された電子遮断層を（例えば関係する電極への電子又は正孔の流れを制御するために）含む。
ナノ構造は、多数の全く異なるサブタイプを内含し得る。例えば、光活性層内のナノ構造の集合は、少なくとも２つの異なるナノ結晶亜集合を含むことができ、各々のナノ結晶亜集合は例えば異なる吸収スペクトルを有する。かくして異なるナノ結晶亜集合は任意には異なる組成物、異なるサイズ分布、異なる形状などを内含する。
１つの態様においては、光活性層内のナノ構造は集合的に少なくとも２つの無機材料を含む。例えば、ナノ構造は任意には第１の無機材料のコアと第２の無機材料のシェルを含み、かつ／又は光活性層は少なくとも２つのタイプのナノ結晶を含むことができる。光活性層内のナノ構造のいずれかを任意に融合、部分融合及び／又は焼結することができる。ナノ構造が融合、部分融合及び／又は焼結される場合、例えば、光活性層内の少なくとも２つの隣接するナノ構造のコアは任意には少なくとも部分的に電気的に接触した状態にあり、かつ少なくとも２つの隣接するナノ構造又は少なくとも２つの付加的なナノ構造のシェルは任意には少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。
光活性層は任意には１つ以上の副層を内含する。例えば、光活性層は少なくとも２つの活性副層を内含でき、これらの活性副層の各々は、少なくとも１つのナノ結晶タイプの複
数のナノ結晶を含んでいる。１つのこのような実施形態においては、少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型の副層を含み、２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型の副層を含み、任意には光活性層内の１つ以上の接合部で遭遇する（例えばｐ−ｎ又はｎ−ｐ−ｎ又はその他の接合部）。代替的な関連する実施形態においては、光活性層は、ｐ及びｎナノ結晶の配合物を内含する少なくとも１つの副層を含む。
副層を含む光活性層に加えて、デバイスのアーキテクチャ全体を層状化することもできる。例えば、デバイスは複数の光活性層（少なくとも第２の光活性層、そして任意には３つ以上のこのような層）を内含することができる。１つ以上の電極（及び一般的には２つの電極）を、デバイスのこのような光活性層のいずれかと電気的に接触した状態に置くことが可能である。例えば、デバイスは、第３の電極層、第４の電極層、及び第３と第４の電極層の間に配置された第２の光活性層を含むことができる。この実施形態においては、第２の光活性層は任意には、第３の平面に沿って第３の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態に、かつ第４の平面に沿って第４の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態に配置されている。任意には、第２の光活性層はＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示し、各々少なくとも第３の平面に対し主として垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有しかつ第１のナノ構造集合と異なる吸収スペクトルをもつ第２のナノ構造集合を含む。第３の電極層、第４の電極層及び第２の光活性層は任意には、第１の電極層、第２の電極層及び第１の光活性層に付着されているものの、それから電気的に絶縁されている。
光活性層の要素と同様に、電極は又、デバイスの特性全体を調節するように選択され得る。例えば電極は、電荷担持能力、環境寛容特性などに基づいて選択された適切な任意の導電性材料で作ることができる。例えば、１つの態様においては、電極のうち少なくとも１つが任意にはアルミニウム又はもう１つの金属を含む。さらに、所望のデバイス特性全体を提供するように、電極又は光活性層の特性を選択することができる。例えば、可撓性光起電性デバイスが望ましい場合には、第１及び／又は第２の電極又は光活性層を可撓性となるように選択することができる。同様に、第１及び／又は第２の電極及び／又は光活性層は任意には、デバイスをその作動環境から保護しかつ／又はデバイスの特性を増強するために付加的なデバイス要素を内含する。例えば、１つの態様においては、電極又は光活性層（又はそのいずれかの組合せ）のいずれかが、透明層（例えば透明な導電性層）を含むことができる。例えば、１つの態様においては、デバイスは少なくとも部分的に第１又は第２の電極をカバーするか又は光活性層を少なくとも部分的にカバーするか又はそれらの組合せを部分的にカバーする透明な支持体層を内含する。同様に、デバイスは１つ以上の密閉層を含むことができ、例えば光活性層及び／又は１つ以上の電極は密閉層を含むか又はその内部で密閉され得る。例えば、１つの実施形態においては、光活性層は気密封止されている。１つの実施例では、デバイスは少なくとも第１及び第２の密閉層を含み、第１及び第２の密閉層、光活性層及び第１及び第２の電極は第１及び第２の密閉層の間にはさまれている。
デバイスの全体的アーキテクチャは、そのデバイスが使われる用途に基づいて選択可能である。例えばデバイス全体は、平面の又は非平面のアーキテクチャを含むことができる。例えばデバイスは任意には、凸状アーキテクチャが望まれるセッティングにおいてデバイスの効率を増強するべく凸状アーキテクチャを含む。同様に、１つの実施形態においては、第１の電極層、光活性層及び第２の電極層は、任意にはコイル状アーキテクチャ又は往復積層アーキテクチャで方向づけされる。
関連する第２の１組の実施形態においては、ナノ結晶は、任意には以上の実施形態において指摘されているように方向づけされるが、任意には異なる形で方向づけすることもできる。すなわち、ナノ構造は、上述のさまざまな平面及び電極との関係において、任意の
無作為の又は非無作為の方向づけにあってよい。これらの実施形態においては、ナノ構造は光起電性デバイスの無機材料の少なくとも１つを内含し、任意には２つ以上のかかる材料を内含する。以上で指摘した光電変換層のマトリクスの重合体コンポーネントは、これらの実施形態の１つの任意の特長である（重合体は光起電性デバイスの中で保持されていても削除されていてもよい）。
かくして、この第２の１組の実施形態においては、光活性層が提供されている。該デバイスは第１の電極層と第２の電極層を内含する。第１の光活性層が、該第１及び第２の電極層の間に配置されている。光活性層は、第１の平面に沿って第１の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で、そして第２の平面に沿って第２の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されており、ここで該光活性層は、第１の無機材料及びこの第１の無機材料と異なる第２の無機材料を含んでいる。ＰＶデバイスにおいては、第１及び第２の無機材料は一般的にＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す。光活性層は、第１のナノ構造集合を内含し、このナノ構造は第１の無機材料、第２の無機材料又はそれらの組合せを含んでいる。
ナノ構造のタイプ、形状および組成、電極の組成及び構成及びデバイスアーキテクチャに関して上述の特長は全て、これらの実施形態にも同様にあてはまる。第１の１組の実施形態のうちの任意の透明／遮断／密閉層の実施形態はいずれも、第２の１組の実施形態の特長でもあり得る。同様にして、以上で指摘したデバイスアーキテクチャの特長は、ここでも同じく適用可能である。相反する指摘のないかぎり、以上で指摘した又は本明細書にその他の形で指摘した第１のクラスの光起電性デバイスの実施形態の特長はいずれも、この第２のクラスの実施形態に適用可能である。
上述の通り、第１の無機材料は任意には（及び一般的には）、第２の無機材料と同様半導体である。該材料は、上述の実施形態について指摘されたもののうちのいずれでもあり得る。上述の実施形態の場合と同様に、第１のナノ構造集合は、例えば上述のもののいずれかのような第１の無機材料のコア及び第２の無機材料のシェルを含むナノ結晶を内含し得る。ナノ結晶は、上述の実施形態の場合と同様に、任意には融合、部分融合及び／又は焼結され、上述のとおりのナノ構造のコア又はシェルの間に部分的かつ／又は直接的な電気的接触を提供する。
１つのこのような実施形態においては、第１のナノ構造集合は、第１の無機材料を含むナノ結晶を含み、光活性層はさらに、第２の無機材料を含むナノ結晶を含む第２のナノ結晶集合を含んでおり、例えばここで、隣接するナノ結晶は互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。
第１の集合のナノ結晶及び第２の集合のナノ結晶は任意には光活性層内に互いに混合されている。代替的には、光活性層は、少なくとも第１の副層及び第２の副層を含み、ここで第１の副層は第１のナノ結晶集合を含み、第２の副層は第２のナノ結晶集合を含む。
上述の実施形態においてそうであるように、光活性層は任意には、各々、少なくとも１つのナノ結晶タイプの複数のナノ結晶を任意に内含する少なくとも２つの活性副層を含む。上述の例で指摘されているように、又これらの実施形態にも同様に適用可能であるように、少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つは、任意にはｎ型副層及び／又はｐ型副層を、例えば上述の配置のうちのいずれかの配置で（配合された又は分離した層、例えば任意には１つ以上の接合部で分離されたの形での配合された又は分離したｐ及び／又はｎナノ構造）含んでいる。
この組の実施形態については、光活性層は単純にナノ結晶、例えば融合、部分融合又は
焼結されたナノ結晶で構成され得る。しかしながら重合体又はマトリクスが光活性層内に内含されていてもよい。例えば、光活性層は、導電性層又は非導電性層を内含し得る。該層は、中にナノ結晶が配置されている、例えば第１及び／又は第２の集合のナノ結晶が重合体に電気的に連結されて正孔又は電子の伝導性を（例えばデバイスの電極に対し）提供している、このような重合体マトリクスを内含し得る。しかしながら、かかる重合体又はその他のマトリクスコンポーネントは必要とされず、光活性層は任意には実質的にいかなる導電性及び／又は非導電性高分子材料も含んでいない。
第１の１組の実施形態の方向づけは、この第２の１組の実施形態においては要求されないものの、指摘された方向づけは任意には、第２の１組の実施形態の１つの特長でもある。例えば、第１の集合のナノ構造は各々、少なくとも第１の平面に対して主として垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有している。同様に第２の集合のナノ構造は同じ（又は異なる）方向を表示することができる。
光起電性デバイスに加えて、本発明はさらに、光起電性デバイス及びその他のデバイスを構築するのに有用な組成物を提供している。これらの組成物は、光起電性デバイス又はその他のデバイス（例えばＬＥＤ、二結晶デバイスなど）を内含していてもよいし又それらの内部に含まれていてもよい。例えば、第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含む組成物が提供される。第１の集合は、第１の材料を含むナノ構造を含み、第２の集合は、第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含む。
上述の実施形態の場合と同様に、ナノ構造は任意にはナノ結晶及び／又はナノワイヤを内含する。前述のデバイスの場合と同様に、ナノ構造は同じく単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造をも含み得る。一般的には、ナノ構造の第１の材料は、第１の無機材料であり、第２の材料は第２の無機材料である。任意には、第１の材料は第１の半導体を含み、第２の材料は第２の半導体を含む。例えば、第１の材料は、任意にはｎ型半導体を含み、第２の材料は任意にはｐ型半導体を含む。上述の光起電性デバイスの場合のように、第１及び第２の材料は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す可能性がある。しかしながら、或る種の非光電変換応用分野（例えばＬＥＤ）においては、第１及び第２の材料はその他のエネルギープロフィール、例えばＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す。上述の光起電性デバイスの場合のように、隣接するナノ構造は任意には互いに少なくとも部分的（又は直接）に電気的に接触した状態にある。
任意には、第１の集合のナノ構造及び第２の集合のナノ構造は、分離した層の形をしているか又は互いに混合されている。集合は１つ以上の個別の又は混合した領域、ゾーン、層などの中に位置づけされ得る。組成物はフィルムの形に形成され得る。
組成物は任意には少なくとも第１の副層と第２の副層を内含する。かかる実施形態においては、第１の副層は任意には第１のナノ構造集合を内含し、第２の副層は任意には第２のナノ構造集合を内含する。複数の応用分野、例えば光電変換の応用分野では、フィルム又はその他の組成物が２つの電極層の間（又は付加的な電極層の間）に配置されている。上述の光電変換応用分野の場合と同様に、第１及び／又は第２の集合のナノ構造は任意には融合、部分融合及び／又は焼結されている（又は融合、部分融合又は焼結されていない）。
該組成物は任意には導電性高分子材料を内含する。例えば、組成物は任意には、ナノ構造が配置されている重合体マトリクスを内含する。任意には、ナノ構造（表面、コア、シェルなど）のあらゆる特長は、重合体に電気的に連結されている。重合体マトリクスは、代替的又は付加的に、ナノ構造に対し非導電的に連結され得る。代替的には、該組成物は
、導電性高分子材料及び／又は非導電性高分子材料を実質的に含んでいなくてもよい。
上述のデバイス及び組成物に加えて、関連する方法及びシステムも提供されている。第１の方法クラスにおいては、光起電性デバイスの製造方法が提供されている。該方法では、上に第１の導電性層が配置された第１の平面基板が提供されている。該第１の基板は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す光活性マトリクスでコーティングされている。光活性マトリクスは、光活性層を提供するべく、長手方向軸を含む細長い半導体ナノ構造の第１の集合を少なくとも内含している。半導体ナノ構造は、その長手方向軸が第１の平面基板に対して主として垂直に方向づけされるように方向づけされている。第２の導電性層が光活性層上に積層される。
基本的に、上述のデバイス及び組成物の特長のいずれでも、これらの方法の中に内含させることができる。例えば、ナノ構造は任意にはナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造を内含する。ナノ構造は、マトリクスのその他のあらゆるコンポーネントがそうであるように、例えば上述のもののうちのいずれでもあり得る。
該方法は任意には、光活性マトリクスで第１の基板をコーティングする前に第１の基板上に遮断層を提供するステップを内含する。同様にして、該方法は、光活性層上に第２の導電性層を積層させる前に光活性層上に遮断層を提供するステップを内含し得る。１つ以上の密閉層を任意には、第１及び第２の導電性層に加えて光起電性デバイスの対向する表面全体にわたって提供し、かくして該１つ以上の密閉層が光起電性デバイスを気密封止するようにすることができる。
光起電性デバイスを製造する方法の第２のクラスも同様に提供されている。該方法においては、上に配置された第１の導電性層を有する第１の平面基板が提供されている。第１の基板は、光活性層を提供するべく１つのナノ構造集合を含む組成物でコーティングされている。ナノ構造は第１の材料のコアと、この第１の材料とは異なる第２の材料のシェルを含んでいる。ナノ構造は、融合、部分融合及び／又は焼結されており、第２の導電性層が光活性層上に積層される。
前述の方法クラスの場合と同様、これらの方法に、上述のデバイス及び組成物の特長のうち基本的にいずれも内含させることができる。例えば、ナノ構造は任意には、ナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造を内含する。ナノ構造は、マトリクスのその他のあらゆるコンポーネントがそうであるように、例えば上述のもののうちのいずれでもあり得る。一般的には、第１の材料は第１の無機材料であり、第２の材料は第２の無機材料である。例えば、第１の材料は任意には、第１の半導体を内含し、第２の材料は任意には第２の半導体を内含する。
前述の方法クラスの場合と同様に、該方法は、任意には、該組成物で第１の基板をコーティングする前に第１の基板上に遮断層を提供するステップを内含する。同様にして、該方法は、任意には光活性層上に第２の導電性層を積層させる前に光活性層上に遮断層を提供するステップを内含する。１つ以上の密閉層を任意には、光起電性デバイスの対向する表面全体にわたって提供し、かくして該１つ以上の密閉層が光起電性デバイスを気密封止するようにすることができる。
方法実施形態の第３のクラスにおいては、第１のナノ構造集合と第２のナノ構造集合を含む層状化されたデバイスの製造方法が提供されている。第１の集合は、第１の材料を含むナノ構造を内含し、第２の集合は、第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含んでいる。該方法は、第１の基板を提供するステップ、及び第１の層を提供するべく第
１のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングするステップを内含する。
前述の方法クラスの場合と同様、これらの方法に、上述のデバイス及び組成物の特長のうち基本的にいずれも内含させることができる。例えば、ナノ構造は任意には、ナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造を内含する。ナノ構造は、マトリクスのその他のあらゆるコンポーネントがそうであるように、例えば上述のもののうちのいずれでもあり得る。一般的には、第１の材料は第１の無機材料であり、第２の材料は第２の無機材料である。例えば、第１の材料は任意には、第１の半導体を内含し、第２の材料は任意には第２の半導体を内含する。
第１のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングするステップには、第１及び第２のナノ構造集合の混合物を含む組成物で第１の基板をコーティングするステップが任意に内含される。これは、第１及び第２の集合のナノ構造が互いに混合されている第１の層を提供する。
該方法はさらに、第２層を提供するべく、第２のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングするステップを内含する。例えば、第２のナノ構造集合を第１の基板上に配置させることができる。
第１の基板は、平面でも非平面でもよく、例えば上述のデバイスについて指摘された幾何形状のいずれかであり得る。該方法は、光起電性デバイス、発光デバイスなどを生産するために使用することができる。第１の平面基板上に第１の導電性層を配置することができ、該第１（又は第２）層の上で第２の導電性層を任意に層状化させることができる。
該方法においては、任意には、第１のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングする前に、第１の基板上に遮断層が提供される。同様にして、第１（又は第２）層上に第２の導電性層を積層させる前に第１層上に遮断層を提供することができる。上述の方法の場合と同様、デバイスの対向する表面全体にわたり１つ以上の密閉層を提供し、かくして１つ以上の密閉層が任意にはデバイスを気密封止するようにすることができる。
光起電性デバイスを製造するためのシステムも同様に提供される。例えば、かかるシステムは、第１の導電性表面をもつ第１の基板層の供給源を内含することができる。該システムは、同様に、第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステムをも内含し得る。光活性マトリクスの供給源を層被着システムに流動的に連結させることができ、該層被着システムは、第１の基板層上に光活性マトリクスの層を提供するべく、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置されている。第１の基板層上に被着された光活性マトリクス層上に第２の導電性表面材料の層を被着させるため基板コンベヤシステム全体にわたり位置づけされた層被着システムに対し、第２の導電性材料の供給源が連結されている。
１つの実施例においては、第１の基板材料の供給源は、第１の基板材料のロールドシートを内含している。第１の基板材料の供給源は、任意には、第１の導電性材料の供給源；及び第１の導電性表面を提供するべく第１の基板材料上に第１の導電性材料を被着させるための被着システムを内含している。
層被着システムは、ドクターブレード、スクリーン印刷システム、インクジェット印刷システム、ディップコーティングシステム、シアーコーティングシステム、テープキャスティングシステム、フィルムキャスティングシステム又はその組合せを内含することができる。
関連する実施形態クラスにおいては、層状デバイスを製造するためのシステムも同様に提供されている。該システムは、第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含む。該第１の集合は第１の材料を含むナノ構造を含み、第２の集合は、この第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含む。システムは同様に、第１の基板層の供給源；第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム及び、第１及び第２の集合のナノ構造が第１の基板層上で互いに混合されている１つの層を提供するべく、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、第１及び第２のナノ構造集合を含む組成物の供給源；を同様に内含している。
上述のデバイス、システム及び方法においてそうであるように、ナノ構造は、本明細書に指摘されているか又はその他の形で適用可能であるその他のナノ構造のいずれか又はナノ結晶を含むことができる。例えば、ナノ構造は、ナノ結晶及び／又はナノワイヤを含み得る。ナノ構造は例えば単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造を内含し得る。同様にして、第１及び第２の材料は、上述のもののうちのいずれかであり得、例えば第１の材料は第１の無機材料であり得、第２の材料は第２の無機材料であり得る。任意には、第１の基板層は第１の導電性表面を有する。
該システムは任意には、例えば、第１の基板層上に被着された互いに混合されたナノ構造の層の上に第２の導電性材料の層を被着させるため基板コンベヤシステム全体にわたり位置づけされた層被着システムに対して連結された第２の導電性材料の供給源を内含している。
上述のシステムの場合と同様に、第１の基板材料の供給源は、任意には第１の基板材料のロールドシートを内含できる。同様にして、第１の基板材料の供給源はさらに、第１の導電性材料の供給源及び第１の導電性表面を提供するべく第１の基板材料上に第１の導電性材料を被着させるための被着システムを内含することができる。層被着システムは、上述のもののいずれかであり得る。
システム実施形態の付加的な関連するクラスにおいては、第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含む層状デバイスを製造するためのシステムであって、前記第１の集合が第１の材料を含むナノ構造を含み、前記第２の集合が第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含んでいるシステムが提供されている。該システムは、第１の基板層の供給源；第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム；及び第１層を提供するべく、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、第１のナノ構造集合を含む第１の組成物の供給源；及び第２層を提供するべく、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、第２のナノ構造集合を含む第２の組成物の供給源を内含している。
ナノ構造タイプ、第１及び／又は第２の材料タイプ、基板層上の導電性表面、第１又は第２の導電性材料の供給源、材料を被着させるための被着システム、ロールドシートの使用、層状化システムなどに関する前述の実施形態について指摘されたシステム特長は、ここでも同様に適用可能である。
定義
相反する定義づけのないかぎり、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本発明が関係する技術分野の当業者が一般に理解するものと同じ意味を有する。以下の定義は、当該技術分野における定義を補足するものであり、現行の応用分野に向けられ、例えばいずれかの一般に所有されている特許又は出願といった何らかの関連する又は関連の無いケースに転嫁されるべきものではない。本明細書に記述されているものと類似の又
は同等の任意の方法及び材料を本発明の試験用実践において使用することができるものの、本明細書では好ましい材料及び方法が記述されている。従って、本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を記述することのみを目的としており、制限的な意図はないものである。
本明細書及び添付の請求項において使用されている単数形態「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、前後関係が明確にその他のことを指示しているのでないかぎり、複数の指示対象を内含する。かくして、例えば「ナノ構造（単数）」に対する言及には、複数のナノ構造も内含される。
「縦横比」というのは、第２及び第３の軸が互いにほとんど等しい長さをもつ２本の軸である、ナノ構造の第２及び第３の軸の長さの平均で除したナノ構造の第１の軸の長さである。例えば、完全なロッドについての縦横比は、その長軸の長さを、長軸に対し直交（垂直）な横断面の直径により除したものとなる。
「結晶質」又は「実質的に結晶質」という語は、ナノ構造について使用された場合、そのナノ構造が一般的に構造の１つ以上の次元を横断して長距離秩序化を示すという事実を意味する。当業者であれば、「長距離秩序化」という語は、単結晶についての秩序化が結晶の境界を超えて拡がり得ないことから、特定のナノ構造の絶対的サイズにより左右されることになる、ということを理解するであろう。この場合、「長距離秩序化」は、ナノ構造の次元の大部分を少なくとも横断する実質的秩序を意味することになる。一部のケースでは、ナノ構造は酸化物又はその他のコーティングを担持したり、又はコア及び少なくとも１つのシェルから成ることができる。このようなケースでは、酸化物、シェル又はその他のコーティングがかかる秩序化を示す必要がない（例えばそれは無定形、多結晶又はその他の形であり得る）ということがわかるだろう。このようなケースでは、「結晶質」、「実質的に結晶質」、「実質的に単結晶質」又は「単結晶質」という語句は、（コーティング層又はシェルを除く）ナノ構造の中央コアを意味する。本明細書で使用される「結晶質」又は「実質的に結晶質」という語は、その構造が実質的に長距離秩序化を示す（例えばナノ構造又はそのコアの少なくとも１つの軸の長さの少なくとも約８０％の秩序）かぎりにおいて、さまざまな不良、積層欠陥、原子置換などを含む構造をも同様に包含するものとして意図されている。さらに、コアとナノ構造の外側の間又はコアと隣接するシェルの間又はシェルと第２の隣接するシェルの間の界面が非結晶質領域を含み得、さらには無定形でさえあり得るということがわかるだろう。これによって、そのナノ構造が本明細書で定義づけされる通り結晶質であるか又は実質的に結晶質であることが妨げられることはない。
「単結晶」という語は、ナノ構造に関して使用された場合、そのナノ構造が実質的に結晶質であり実質的に単結晶を含むことを表わしている。コア及び１つ以上のシェルを含むナノ構造ヘテロ構造に関して使用される場合、「単結晶質」というのは、そのコアが実質的に結晶質であり実質的に単結晶を含むことを表わしている。
「ヘテロ構造」という語は、ナノ構造に関して使用される場合、少なくとも２つの異なる及び／又は区別可能な材料タイプによって特徴づけされたナノ構造を意味する。一般的には、ナノ構造の１つの領域は第１の材料タイプを含み、一方ナノ構造の第２の領域は、第２の材料タイプを含む。或る実施形態においては、ナノ構造は第１の材料のコアと第２（又は第３など）の材料の少なくとも１つのシェルを含み、ここで異なる材料タイプは、ナノワイヤの長軸、分岐ナノ結晶の腕の長軸又はナノ結晶の中心などを中心として半径方向に分布している。シェルは、シェルとみなされるために、又はナノ構造がヘテロ構造とみなされるために、隣接する材料を完全にカバーしている必要はない。例えば、第２の材料の小さなアイランドでカバーされた１つの材料のコアによって特徴づけされたナノ結晶
はヘテロ構造である。その他の実施形態においては、異なる材料タイプは、例えばナノワイヤの長径（長軸）に沿って又は分岐ナノ結晶の腕の長軸に沿ってナノ構造内部の異なる場所で分布している。ヘテロ構造内の異なる領域が、全く異なる材料を含むことができ、又は、該異なる領域は、異なるドーパント又は、同じドーパントの異なる濃度を有する基材（例えばシリコン）を含むことができる。
「ナノ結晶」というのは、実質的に単結晶であるナノ構造である。かくしてナノ結晶は、約５００ｎｍ未満、例えば約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満又さらには約２０ｎｍ未満の寸法をもつ少なくとも１つの領域又は特徴的次元を有する。ナノ結晶は、材料特性が実質的に均一であり得、又は一部の実施形態においては、不均一であり得る（ヘテロ構造）。「ナノ結晶」という語は、さまざまな不良、積層欠陥、原子置換などを含む実質的に単結晶のナノ構造、ならびにかかる不良、欠陥または置換の無い実質的に単結晶のナノ構造を包含することが意図されている。コアと１つ以上のシェルを含むナノ結晶ヘテロ構造の場合には、ナノ結晶のコアは一般的に実質的に単結晶であるが、シェルはその必要がない。ナノ結晶は、基本的にあらゆる適切な材料で製造可能である。１つの態様では、ナノ結晶の３つの次元の各々は、約５００ｎｍ未満、約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、さらには約２０ｎｍ未満の寸法を有する。ナノ結晶の例としては、実質的に球形のナノ結晶、分岐ナノ結晶及び実質的に単結晶のナノワイヤ、ナノロッド、ナノドット、量子ドット、ナノテトラポッド、トリポッド、バイポッド、及び分岐テトラポッド（例えば無機デンドリマー）が含まれるが、これらに制限されるわけではない。
「ナノ構造」というのは、約５００ｎｍ未満、例えば約２００ｎｍ未満、約１００μｍ未満、約５０ｎｍ未満さらには約２０ｎｍ未満の寸法をもつ少なくとも１つの領域又は特徴的次元を有する構造である。一般的には、領域又は特徴的次元は、該構造の最小軸に沿うことになる。このような構造の例としては、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、分岐ナノ結晶、ナノテトラポッド、トリポッド、バイポッド、ナノ結晶、ナノドット、量子ドット、ナノ粒子、分岐テトラポッド（例えば無機デンドリマー）などが含まれる。ナノ構造は、材料特性が実質的に均一であり得、又は或る実施形態においては不均一（例えばヘテロ構造）であり得る。ナノ構造は、例えば実質的に結晶質、実質的に単結晶質、多結晶質、無定形又はその組合せであり得る。１つの態様では、ナノ構造の３次元の各々は、約５００ｎｍ未満、例えば約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、さらには約２０ｎｍ未満の寸法を有する。
ナノワイヤは、他の２つの主軸よりも長くかつ約１０より大きい縦横比をもつ（例えば約２０を上回るか、約５０を上回るか、約１００を上回るかさらには約１０，０００を上回る）１本の主軸を有する構造（一般的にはナノ構造）である。ナノワイヤの直径は一般的には、約５００ｎｍ未満、好ましくは約２００ｎｍ未満、より好ましくは約１５０ｎｍ未満、そして最も好ましくは約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ、又は約２５ｎｍさらには約１０ｎｍ未満又は約５ｎｍである。ナノワイヤの長さは、一般的に約１００ｎｍを上回り、例えば２００ｎｍを上回るか、５００ｎｍを上回るかさらには１０００ｎｍを上回る。本発明のナノワイヤは、材料特性が実質的に均一であり得、又は或る実施形態においては不均一（例えばナノワイヤヘテロ構造）であり得る。ナノワイヤは、基本的にあらゆる都合の良い材料から製造でき、例えば実質的に結晶質、実質的に単結晶質、多結晶質、又は無定形であり得る。ナノワイヤは、変動性の直径を有することができ、そうでなければ実質的に均等な直径すなわち、変動性が最大である領域全体にわたり及び少なくとも５ｎｍの線形寸法（例えば少なくとも１０ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ又は少なくとも５０ｎｍ）全体にわたり約２０％未満（例えば約１０％未満、約５％未満又は約１％未満）の変動を示す直径を有することができる。一般的には直径はナノワイヤの端部から離れて（例えばナノワイヤの中央２０％、４０％、５０％又は８０％にわたって）評価される。ナノワイ
ヤは、その長軸の全長又はその一部分にわたり直線であっても、又例えば弓なりか又は湾曲していてもよい。一部の実施形態においては、ナノワイヤ又はその一部分は、２次元又は３次元の量子閉じ込めを示すことができる。本発明に従ったナノワイヤは、明示的に炭素ナノチューブを除外でき、かつ一部の実施形態では、「ウイスカ」又は「ナノウイスカ」、特に１００ｎｍより大きい又は約２００ｎｍより大きい直径を有するウイスカを除外し得る。
その光輝性及び電子発光特性を有するナノドット、ナノロッド、ナノワイヤなどと一般に呼ばれている半導体ナノ結晶が、新しいラベリング及び発光ディスプレイ技術に向けた多くの研究の主題となってきた。
作動中、半導体ナノ結晶が光に露呈された時点で、一定の所定の波長の光子の衝撃は、その軌道からの電子の変位により特徴づけされる励起状態を生成する。結果として得られた分離した電荷、電子及び電子受容体又は正孔、合わせて「励起子」とも呼ばれるものは、このとき、一般的に再度組合わさることになる。電子及び正孔が組合わさった場合、これらは、放出されたエネルギーの波長特性において光を発出する。材料の特性を変動させることによって、発出された光の波長を調整することができる。
かくして、これまでのところ、ナノロッド及びナノドットの研究開発が、発光性という結果を利用するためこれらのナノ材料の内部でのこの電荷組換えを主として活用してきた。しかしながら、励起子内の電荷を分離する、例えば正孔から電子を分離することによって、結果として得られる電位を活用し、かくして光エネルギーから電流を導出できる、ということが示されてきた。例えば、各々が全ての目的のためにその全体が本明細書に参考により援用されている、ヒューンら（Ｈｕｙｎｈ，ｅｔ ａｌ．）、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、２９５（５５６４）：２４２６−２４２７（２００２）、ヒューンら（Ｈｕｙｎｈ，ｅｔ ａｌ．）、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １１（１１）：９２３（１９９９）、グリーナムら（Ｇｒｅｅｎｈａｍ，ｅｔ ａｌ．）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ５４（２４）：１７６２８−１７６３７（１９９６）、及び米国特許第６，２３９，３５５号明細書を参照のこと。特に光エネルギーを電気エネルギーに変換するにあたりナノ結晶複合材活性層を活用する光起電性デバイスが報告されてきた。
本発明は、ナノ複合材活性層を含む付加的な光起電性デバイス、ならびに活性層に必ずしも複合材の一部を成すわけではないナノ結晶が含まれている光起電性デバイス及びその他のデバイスを提供している。関連する組成物、方法、及びシステムも同様に提供されている。
Ｉ．活性層
Ａ．ナノ複合材活性層
実施形態の１つの一般的クラスでは、活性層がナノ構造（例えばナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造）を含む光起電性デバイスが提供されている。簡単に言うと、光が活性層のナノ結晶コンポーネントに衝突した時点で、この光はナノ結晶により吸収されてナノ結晶内部に励起子を作り出す。正孔から離れるように電子を伝導することにより、活用可能な電位が作り出される。ナノ複合材光活性層の場合には、これは、ナノ結晶に電子を供与する（又はナノ結晶から遠くへ正孔を伝導する）ことのできる導電性高分子材料マトリクス内にナノ結晶コンポーネントを配置することによって達成される。ナノ結晶は半導体材料を含むことから、ナノ結晶コンポーネント内の電荷移動度（電子の動き）は、組換えを避けるため、重合体マトリクス内で正孔から離れるように電子を誘導するにあたり充分速いものである。
電荷がひとたび分離されたならば、電子は活性層を通って一方向に、（例えば１つの電極を通って活性層から出てもう１つの電極を通って活性層に戻る）選択的に導かれ、介入する回路内に有用な電流の流れを提供する。一方向伝導は同様に、一般に一つの方向への電子の動き及びもう一方の方向への正孔の動きに関して論述される。これらのデバイスの１つの動作は、図１に概略的に例示されている。特に、一般的デバイス構造１００は、ＩＩ型バンドオフセットを有する電荷担持特性を表示するか又はその他の形で示す材料で構成された活性層１０２を含んでいる。ここで示されているように、この基準を満たす材料にはナノ結晶コンポーネント１０４及び重合体コンポーネント１０６が含まれる。活性層１０２は、それぞれ第１及び第２の電極１０８及び１１０の間にはさまれている。図示されているように、電極１１０は、分離した基板１６上に配置されているが、電極及び基板は１つの一体形ユニットであってもよい。透明な電極又は電極層として、電極のうちの少なくとも１つ、例えば電極１０が提供される。（矢印１１２により表わされているように）光がナノ結晶コンポーネント１０４に衝突した場合、それは、正孔（θ）を重合体マトリクス１０８内に通す励起子を作り出し、（破線により示されているように）ナノ結晶１０４に沿って電子（ｅ−）を伝導する。電子は、電極１０８まで伝導され、一方正孔は電極１０６まで運ばれる。結果として得られる電流の流れ、例えば矢印１１５の方向への流れは、次に例えば負荷／デバイス１１４内で活用される。
図２は、例えば１つの電極に向かっての正孔の流れ及びもう１つの電極に向かっての電子の流れといった光活性化された電荷の分離を指示する本明細書で記述されているようなナノ複合材光起電性デバイスの機能のエネルギーダイヤグラムを概略的に例示している。一例として、一部のケースでは、これらのエネルギープロットは、正孔がナノ結晶から外に例えば重合体マトリクス内へと移送されもう一方の電極に向かって伝導される一方で、電子がどのようにナノ結晶内に保持され１つの電極に向かって伝導されるかを示している。ここに示されているのは、デバイスのさまざまなコンポーネントの仕事関数、及び例えばこれらのコンポーネント間での電子又は正孔といった電荷の移送のプロットである。活性層はゾーンＩＩ及びＩＩＩに示されており、一方電極はゾーンＩ及びＩＶ内に示されている。これを見ればわかるように、さまざまなコンポーネントの仕事関数は、対向する電極への電荷分離をもたらす電子と正孔の実質的に一方向の流れを得るように選択される。ここでわかるように、活性層は、ＩＩ型バンドオフセットを有するコンポーネントを提供し、例えば電子及び正孔はゾーンＩＩとＩＩＩの間で対向する方向に流れ、初期電荷分離を達成する。例えばナノ結晶及び／又はコアといったマトリクスの１つのコンポーネントのための電子伝導及び正孔伝導についての仕事関数は、例えば導電性高分子材料及び／又はシェルといったもう１つのコンポーネントのものから同じ方向に相殺される。ひとたび分離されると、対向する電極の仕事関数はさらに電荷分離を提供し、例えば電子は優先的に１つの電極へと流れ、一方正孔はもう一方の電極へと流れる。
これまでの研究者らは、ナノ複合材光電変換電池の基本的機能を実証してきたが、以前に報告された研究作業は、例えば約７％からの効率の増大、耐久性及び製造性の増大を含めて、これらのデバイスの改善の余地が多く存在するということを示している。本発明に従って、露光範囲を横断した効率の実質的改善、製品のロバスト性の改善ならびに多くのその他の商業的に価値ある改善を生み出す基本的なナノ複合材光起電性デバイスに対する多くの改善が提供される。
本発明の光起電性デバイスの基本的アーキテクチャは、実質的に図１を参考にして記述された通りである。特に、これらのデバイスは一般的に２つの導電性層又は電極層１０８及び１１０の間にはさまれている活性層又は光活性層１０２を内含する。論述を容易にするため、該電極は平面であるか又は平面方向性を有するものとされる。しかしながら、以下でわかるように、電極及びデバイス全体は、湾曲形、波形、コイル状又はその他の明らかに平面でないアーキテクチャを含めたさまざまな形状をとることができる。従って、電
極の平面に対する言及は、言及対象の直近領域の平面を意味し、この領域内の実際の電極表面に対し接線方向にある平面を内含し得る。１つの一般的実施形態クラスでは、光起電性デバイスは、活性層の露光時点で一方向の電子の動き又は電流の流れを提供するナノ複合材料で構成されている。本発明において使用されているように、ナノ複合材は一般的に、導電性マトリクス、好ましくは、ナノ構造（例えばナノ結晶）が電子伝導体として機能するのに対し重合体マトリクスが正孔伝導体として機能する導電性高分子材料マトリクスの中に配置された半導体ナノ構造（例えばナノ結晶）コンポーネントを内含する。図２を参照すると、ナノ結晶はゾーンＩＩのコンポーネントとして機能することになり、一方導電性高分子材料はゾーンＩＩＩのコンポーネントとなる。
１．半導体ナノ結晶
上述のようなナノ構造、特に半導体ナノ結晶については、これまで詳細に記述されてきた。本明細書で使用される通り、半導体ナノ結晶は、例えば約５００ｎｍ未満そして好ましくは１００ｎｍ未満の少なくとも１つの横断面寸法をもつナノ粒子として存在する広範囲の異なる材料を内含する。これらのナノ結晶は、例えばＩＩＩ−Ｖ群、ＩＩ−ＶＩ群及びＩＶ群の半導体又はこれらの材料の合金を内含する広範囲の半導体材料で構成され得る。特に好ましい態様では、ナノ結晶コンポーネントの少なくとも一部分として、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ又はＰｂＴｅ半導体又はその合金が使用される。
一般にナノ結晶に関して記述されているものの、本発明の最も好ましい態様に従うと、活性層のナノ結晶コンポーネントは、少なくとも一部分又好ましくは実質的部分について、５、１０又はそれ以上の縦横比（長さ：直径）を含む細長いナノ結晶又はナノロッド、又は例えば「ナノテトラポッド」とも呼ばれる４つの分岐又は４面体構造といったナノロッド様のコンポーネントを内含する３次元ナノ結晶で構成されることになる。例えば量子ロッドといった実質的に球形の構造の代りにロッド様の構造を使用することで、電荷分離に関する実質的な利点が提供される。特に、特定の作動理論に束縛されることなく、ナノロッドは、それらの縦横比のため、正孔から電子を分離することができ、例えば、正孔が周辺のマトリクスまでロッドの半径から短距離だけ移送されるのに対して電子はロッドの長さに沿って伝導される。特に好ましいナノロッド及びナノテトラポッド及びそれらの生産方法は、各々がすべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている、ペンら（Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．）、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、４０４（６７７３）：５９−６１（２０００）、マンナら（Ｍａｎｎａ ｅｔ ａｌ．）、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２２（５１）：１２７００−１２７０６（２０００）、及びマンナら（Ｍａｎｎａ ｅｔ ａｌ．）、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２４（２４）：７１３６−７１４５（２００２）の中で詳述されている。
半導体ナノ結晶は任意には、活性層内部でのそれらの機能を増強するべく付加的な要素を含むことができる。例えば、ナノ結晶は、ナノ結晶コンポーネント内への電荷注入及び／又は吸光を増大させるべく色素増感され得る。かかる色素の例には、吸光及び電荷注入を増強するべく結晶質コンポーネントと合わせてルテニウムベースの色素が提供されている、各々すべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている米国特許第６，２４５，９８８号明細書、ＰＣＴ出願国際公開第９４／０４４９７号パンフレット及び同第９５／２９９２４号パンフレットの中で記述されているものが含まれる。
多くの好ましい態様においては、ナノ結晶コンポーネントはナノヘテロ構造を含むことになる。特に、或る好ましい態様においては、ナノ結晶コンポーネントは、コア−シェル構造を含むことになり、ここで結晶のコア部分は第１の材料を含み、もう１つの材料のコーティング又はシェルが被せられている。コア−シェルナノ構造は以前にも記述されてき
た（すべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている米国特許第６，２０７，２２９号明細書及び６，３２２，９０１号明細書を参照のこと）。特に好ましいのは、シェルがもう１つの部分例えば正孔を輸送している一方で、コアが励起子例えば電子の一部分を輸送している、コアとシェルの間でＩＩ型バンドオフセットを有する、例えばナノロッドといったコア−シェルナノ結晶である。その結果、コア−シェルナノロッドは、電荷分離を効率良く維持し、電子及び正孔の両方について電荷伝導を実施する。図２を参照すると、本明細書で記述されているコア−シェルナノ結晶は、活性層のゾーンＩＩ及びゾーンＩＩＩの両方のコンポーネントとして機能すると思われる。これらの材料を利用することにより、完全にではなくても実質的に、任意のデバイスの活性層の導電性高分子材料コンポーネントに対するニーズを無くすることができる。このような２型オフセットを有するコア−シェル材料の例としては、例えばＣｄＳｅ−ＣｄＴｅナノロッド及びＩｎＰ−ＧａＡｓナノロッドが含まれる。代替的には、例えばその全開示がすべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されているＰＣＴ出願国際公開第０２／０８０２８０号パンフレット及び同第０２／１７３６２号パンフレット内に記述されているように、例えば結晶の長手方向軸に沿って１つ以上のヘテロ接合部を伴うものといった長手方向ヘテロ構造を活性層のナノ結晶コンポーネントとして内含させることもできる。
コア−シェルナノ結晶の使用は、活性層から導電性高分子材料を除去することができるというさらなる利点を提供する。特に、電荷分離作業を実施する上で導電性高分子材料を内含させた結果として、結晶から重合体への電荷の移送に付随した幾分か効率が損なわれるものと考えられている。これについては、本明細書の他の箇所で記述されているように、例えば結晶と重合体の間のリンキング化学物質の内含を通して対処することができる。導電性高分子材料の使用においてさらに関係してくるのは、気密封止されなければ多くの商業的利用分野においてその耐久性を著しく制限し得る、酸化、光酸化又はその他の環境条件に対するそれらの感受性である。無機ナノ結晶はこれらの感受性をもたないことから、それらの使用は、実装及び製造方法を徹底的に簡略化する。
２．重合体マトリクス
活性層の支持及び導電性マトリクスとしてさまざまな異なる導電性マトリクスが有用である。導電性高分子材料は一般に、すべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されているＴ．Ａ．スカテリン（Ｓｋａｔｈｅｒｉｎ）（編）、導電性高分子材料Ｉ便覧（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｉ）の中で記述されている。好ましい導電性高分子材料マトリクスの例としては、例えばポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ［２−メトキシ，５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）及びポリアニリンが含まれる。本明細書に記述されているデバイスの利用分野のため、好ましい重合体マトリクスが光安定性をもち、かつ、デバイスの実装に応じて酸素安定性をも有することがわかるだろう。
効率を増大させることができると考えられている活性層の１つの態様は、活性層内の導電性高分子材料マトリクスと半導体ナノ結晶の間の電荷分離にある。特に、ナノ複合体光電変換活性層の効率の低さの少なくとも一部分はナノ結晶内部の励起子の組換えに由来すると考えられている。従って、特定の作動理論に束縛されることなく、ナノ結晶から重合体マトリクスへの又はコア−シェルナノ結晶の層の間での正孔のより効率の良い伝導を提供することにより、結果としてデバイス全体の効率における改善を得ることができるということが予想されている。
本発明の或る態様に従うと、ナノ結晶の外部表面又はシェルを重合体マトリクスに連結することにより、電荷分離効率が少なくとも部分的に対処される。該連結は、ナノ結晶から重合体マトリクスまでのより直接的な伝導経路を提供する導電性連結を含む。一般的に
は、かかる連結は、直接的な又は１つ以上のリンキング分子を通した、重合体とナノ結晶間のさまざまな共有結合による化学的、イオン、疎水／親水性相互反応のいずれでも含むことができる。有用な重合体／ナノ結晶リンケージの例としては、例えば直接的にナノ結晶側鎖を結合するべく、例えばＰ３ＨＴ、ＰＰＶ又はその誘導体などの重合体といった重合体側鎖を修飾すること、すなわち、ナノ結晶表面上に存在する不動態化された、一部不動態化された及び／又は不動態化されていない原子に対し（例えばカチオン又はアニオン基に対し）連結することになるホスホン酸基、ホスフィン酸化物、ホスフィン、アミン、チオール又はその他の化学物質を付加することが含まれる。上述のように、又容易に明らかとなるはずであるように、電子担体及び正孔担体が同じ構造として、例えばコア−シェルナノ結晶として会合される場合、電荷分離効率はさらに増大するものと予想されることになり、これは、重合体マトリクスに対する化学的リンケージと併用してか又は一部の好ましい態様ではこれの代りとして使用することができる。電荷注入及び／又はナノ結晶からの抽出を増強させるための重合体に対する又はその他の形でのリンケージのための表面化学物質に対する有用なアプローチの例は、すべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている、２００３年３月４日出願の仮米国特許出願公開第６０／４５２，２３２号明細書（代理人整理番号４０，００２７００ＵＳ号）及びこれと同日に出願された米国特許出願公開第 号明細書（代理人整理番号４０−００２７１０ＵＳ号）の中で実質的に詳述されている。
代替的には、例えばすべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている２００２年６月２日出願の仮米国特許出願公開第６０／３９２，２０５号明細書中及び本明細書中の他の箇所で記述されているように、従来の化学物質を介してナノ結晶の外部表面に対しリガンドを連結することができる。このときリガンドは第２の位置で、例えば従来のリンキング化学物質を介して重合体マトリクスに連結される。
重合体を通したより優れた電荷伝導を可能にするための導電性高分子材料の制御された酸化及び／又は荷電基での導電性高分子材料のドーピングを含め、上述のものに加えて又はそれに代って、代替的な又は付加的な重合体マトリクス修飾も提供することができる。
３．活性層の構成
上述のように、電子の伝導は、周囲の重合体マトリクスを通してよりも半導体ナノ結晶（又はその他の半導体ナノ構造）を通した方がはるかに高速である。電子が１つの結晶からもう１つの結晶まで伝導されるか又はホップする場合、そのホッピングに付随してエネルギーの損失が結果として存在する。電子ホッピングに付随する損失を最小限にすることにより、デバイス全体の効率を改善することができる。従って、ホッピングを最小限におさえるためには、例えばより少ない結晶間ホップしか必要とされないパスといった、活性層を通しての可能なかぎり直接的な導電性パスを提供することが望ましい。球形又はほぼ球形のナノ結晶の場合には、これは、実質的に１つの電極上に配置された単層としてナノ結晶コンポーネントを提供することによって最もうまく達成される。これは、電荷伝導における利点を提供るものの、これには、ナノ結晶の単一の薄層からの光吸収の実質的な低減という欠点が付随する。
しかしながら、ナノロッド又はナノテトラポッドの使用は、この点において有意な利点を提供する。特に、これらのナノロッド及びナノテトラポッドは細長い断面を有し、１つの次元において量子閉じ込めを維持することから、これらは吸光の増加（例えばこれらはロッドの全長に沿って充分吸収する）及びより長い導電性パスを提供し、かくしてより効率の良い電荷伝導に対する潜在性を有する。例えば電極の平面に対して垂直に、電極間の空間を橋かけするべくこのより長い導電性パスを方向づけすることにより、さらに電子のためのより直接的かつより長い等電性パスを提供することが可能となる。
従って、好ましい態様においては、本明細書に記述された活性層は、ここでは細長い等電性パスを提供するナノ構造を利用し、このパスはデバイスの２つの対向する電極の平面に対して主として垂直に方向づけされている。上述の通り、これは、その長手方向軸が電極の平面に対し主として垂直となるように方向づけされている細長いナノロッドを提供することによって達成可能である。「該平面に対して主として垂直に方向づけされている」という語は、一般に、活性層内部のナノロッド集合体の平均長手方向次元が、完全に無作為に方向づけされたナノロッド集合体の場合に考えられるよりもさらに２つの電極の平面に対し垂直に方向づけされていることを意味する。
好ましい態様においては、活性層のナノロッドコンポーネントはさらに一層厳密に方向づけされており、かくして、ナノロッド集合体内のナノロッドの少なくとも５０％は、電極の平面に対する垂線の４５°以内にその長手方向軸が方向づけされている細長い断面を内含するように方向づけされている。より好ましい態様においては、活性層内のナノロッドの少なくとも８０％は、それらが電極の平面に対する垂線の４５°以内に方向づけされた長手方向軸をもつ細長い断面を有するように方向づけされており、さらなる態様においては、ナノロッドの少なくとも９０％又はさらには９５％がこのように方向づけされている。一部の実施形態においては、方向づけはさらに垂直に向かったものであり得、例えば以上で記されているさまざまな百分率といったようなロッドのさらに大きい百分率が、それらの長手方向軸が電極の平面に対する垂線の少なくとも３０°以内にくるように方向づけされており、一部のケースでは電極の平面に対し２０°又さらには１５°未満の範囲内で方向づけされている。
１つの態様においては、本発明は、整列されかつ／又は配置されたナノ構造要素をもつ光活性層といったような組成物、ならびに整列されかつ／又は配置されたナノ構造を調製するための方法を提供している。本発明の組成物及び方法においては、ナノドット、ナノ球形、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノリボン、ナノテトラポッド、さまざまな分岐構造（例えばデンドリマー分岐構造）、量子ドット、ナノドットなどを含めた（ただしこれらに制限されるわけではない）多くのナノ構造（又はナノ構造の組合せ）のいずれかを使用することができる。
１つの態様においては、本発明は、例えば光活性層の一部又は全部として例えばＰＶデバイス内といったようなマトリクス内に作為的に方向づけされた複数のナノ構造を有する組成物を提供している。作為的に方向づけされたナノ構造は、規則的に秩序化されたナノ構造アレイならびに不規則に秩序化されたナノ構造配置の両方を含み得る。
もう１つの態様においては、本発明は、複数のナノ構造部材が作為的に配置されている例えば光活性層内といったマトリクス内にナノ構造アレイを有する組成物を提供している。任意には、ナノ構造は、作為的に配置されていることに加えて、作為的に方向づけされている。
さらなる実施形態においては、本発明の組成物は２つ以上のマトリクス層を有し、各々の部材層は、複数の作為的に方向づけされたナノ構造及び／又は作為的に配置されたナノ構造を含んでいる。マトリクス層内の部材ナノ構造は、（例えば光活性層又はデバイス全体が２つ以上の活性層を含む場合などの）隣接するマトリクス層内の部材ナノ構造との関係において整列され得、そうでなければ整列されなくてもよい。
いずれの場合でも、重合体マトリクス内でナノロッドを方向づけする方法には、例えば方向づけを維持するために任意には硬化され得る重合体マトリクスの中で、磁気ロッドを所望の方向に方向づけさせるように電界を適用することといったようなナノロッドの電界援用方向づけが含まれる。代替的には、ロッドを重合体マトリクス内に配置することがで
き、その後このマトリクスを伸張させてロッドを伸張方向に整列させることができる。特に、重合体材料の伸張は、伸張方向で重合体ストランドを整列させ、これは重合体材料内に配置されたあらゆるナノロッドの類似の整列を強制する傾向をもつ。
代替的には、整列されたロッドは、重合体マトリクス及び活性層内へとその後統合される方向づけされた構造のフィールドとして実質的にその場で成長させることができる。整列されたナノ構造のこのようなフィールドを製造する方法は、例えば、その全開示がすべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている、米国特許出願公開第２００２／０１７２８２０号明細書及び２００２／０１３０３１１号明細書の中で記述されている。
代替的な好ましい態様においては、ロッドの整列は、ナノ結晶の液晶相の活用を通して達成可能である。例えば、ＣｄＳｅナノロッドが或る種の条件下で液晶相を示すことが観察されてきた。ひとたびこれらの液晶相内に入ると、例えばディスプレイの利用分野の場合のように、有機液晶について一般に行なわれる通り、小さい電界を加えることによって、このような結晶を容易に整列させることができる。
代替的には、側方表面に比べた、ナノロッドの一方又は両方の端部の示差的処理に依存する自己集合方法を利用することもできる。好ましい態様においては、ロッドは液晶マトリクス内への取込みを通して整列することになる。例えば、側方表面が有機相にとどまる一方で水相内に延びる端部との水性有機界面に沿ってロッドを強制的に方向づけするために、疎水性側面を提供しながらナノロッドの端部上に親水性部分を提供することができるだろう。このとき、例えば重合体といった有機相を硬化させることでロッドは所定の位置にしっかり固定されることになる。関連して、ロッド又はワイヤの異なる部分の上に選択的に被着されるその他の化学的部分に対する異なる親和力を有するマトリクス材料層を提供することが可能であろう。例えば、異なる化学的部分がもう一方の端部又はロッド又はワイヤの残りの部分に連結される一方で、ウルツ鉱構造を有する部分一端部で第１の化学的部分を、ロッドに具備することができる。界面の一方の側が第１の化学的部分についてより高い親和力を有し界面のもう一方の側が第２の化学的部分についてより高い親和力を有するような１つの界面を含むマトリクスの中にロッド又はワイヤを被着させることによって、その界面を横断したロッドの自己方向づけが結果としてもたらされ得る。
もう１つの代替的方法においては、ナノロッドの片端のみに強く結合する例えば有機界面活性剤といったリンカー分子を連結することにより、ナノロッドを整列させ方向づけすることができる。該界面活性剤のもう一方の端部は、次に１つの電極に対し選択的に結合するように機能化される。一例を挙げると、ＣｄＳｅの場合、アルキルホスホン酸は、その他のいかなる面よりもナノロッドの００−１面に対しより強く結合する。この選択的結合は、このとき、光起電性デバイスの陰極といった１つの電極に対し結合端部を連結する上で利用される。
実施形態の１つの一般的なクラスにおいては、光活性層は、部材ナノ構造が（ナノ構造が埋込まれたマトリクスのコンポーネントであっても、または単にナノ構造に直接付着されていてもよい）１つ以上の整列リガンドと結びつけられている複数の選択的に方向づけされたナノ構造を有する組成物を内含している。一例においては、第１の部材ナノ構造上の第１の整列リガンドは隣接する部材ナノ構造と結びつけられた第２の整列リガンドと相互作用し、かくして複数のナノ構造を選択的に方向づけする。これらのリガンドは、例えばアビジン−ビオチン、抗体−抗体リガンド、アプタマー−アプタマー結合部分、相補的核酸、相互作用性化学的部分、などといった通常互いに相互作用するあらゆるリガンドを含み得る。
いずれの場合でも、本発明の１つの実施形態において、光活性層内に複数の選択的に方向づけされたナノ構造が提供される。ナノ構造は、第１の整列リガンドに付随する第１の１組のナノ構造及び第２の整列リガンドに付随する第２の１組のナノ構造を含む複数のナノ構造を提供し、第２の隣接するナノ構造上の第２の整列リガンドと第１のナノ構造上の第１の整列リガンドを相互作用させて、複数のナノ構造を選択的に方向づけすることによって、選択的に整列される。
もう１つの関連する実施形態においては、複数のナノ構造と１つのマトリクス組成物を提供することによって、光活性層内のマトリクス内の複数の作為的に方向づけされた又は作為的に分散されたナノ構造が調製され、ここで該マトリクス組成物は、ナノ構造を収容する能力をもつ複数の受入れ構造を形成するように相互作用する１つ以上のマトリクスコンポーネントを内含している。該組成物は複数のナノ構造の存在下で加熱、冷却され、かくして複数の作為的に方向づけされたまたは作為的に分散されたナノ構造を該マトリクス内で調製する。
いずれの場合でも、整列されかつ／又は組織されたナノ構造は、さまざまな光起電性デバイス、オプトエレクトロニクスデバイス（ＬＥＤ、ナノレーザー）、集光器などを含む（ただしこれらに制限されるわけではない）多くのデバイス及び利用分野のいずれかにおいて使用可能である。
一部の好ましい態様においては、分岐ナノロッド、特に四面体の幾何形状をもつ分岐ナノロッド、例えばナノテトラポッドが、活性層の電子伝導コンポーネントとして使用される。ナノテトラポッドの場合、事実上いかなる方向性でも、上述の通り電極の平面に対して実質的に又は卓越して垂直に方向づけされている有効な等電性パスを提供することになり、従って、いかなる方向づけプロセスもステップも必要とされない。特に、ナノテトラポッドは、四面体アーキテクチャで配置された４本の分岐を有することから、事実上該構造のいかなる回転配置でも活性層を通して適正に直接的な等電性パスを提供することになる。ナノテトラポッドについては、単一のナノテトラポット構造のいかなる分岐もコンポーネントも電極に対する垂線から６０°を上回るものではなく、少なくとも１つのコンポーネント又は分岐が電極の平面に対する垂線の３０°以内になる。かくして、ナノロッドについて記述されているように明確に、ナノテトラポットは、垂直から３０°以内にある長手方向次元又は軸を有する少なくとも１つの細長い断面を内含する。
図３は、概略的に、球形ナノ結晶（図３Ａ）、方向づけされていないナノロッド（図３Ｂ）、方向づけされたナノロッド（図３Ｃ）及びナノテトラポット（図３Ｄ）を含む活性層内の電子伝導の比較を例示している。図３Ａに示されているように、球形ナノ結晶３０４を利用する活性層３０２は必然的に、１つの電子が活性層３０２の中央から電極３０６まで伝導するために多数のホッピング事象（破線矢印は、潜在的伝導パスを示す）を必要とする。同様にして、例えば図３Ｂに示されているような方向づけされていないロッド３１０については、電子は、適切に方向づけされていないより長い距離にわたりホッピング無しで伝導されるものの、電極３０６への伝導にはここでも又多数のホッピング事象が関与し得る。しかしながら図３Ｃ及び３Ｄからわかるように、方向づけされたナノロッド３２０又はこれに関係してナノテトラポット３３０は、活性層から電極３０６まで直接的又はほぼ直接的な等電性パスを提供する能力を有する。
球形ナノ結晶、ナノロッド又はナノテトラポットのいずれかを含む活性層に関して記述されてきたが、本発明のデバイスは、例えばナノロッドとナノテトラポット、ナノロッドと球形、又は細長くないナノ結晶又は細長くないナノ結晶とナノテトラポット、又は３タイプ全てのナノ結晶といった多数の異なるタイプのナノ構造で構成された活性層を内含しうるということがわかるだろう。同様にして、デバイスは、各活性層がナノ構造タイプの
均一な又は不均一な混合物から成り、各層が少なくとも１つのその他の層と同じであるか又は異なっている、多数の電極層間にはさまれた多数の活性層を内含することができる。
上述の通り、本発明の光起電性デバイスの動作は、「電荷分離」とも呼ばれる活性層を通した一方向の電流の流れに依存する。本発明のナノ複合材ベースのデバイスにおいては、一方向伝導は、多くの異なる手段によって達成され得る。例えば一部のケースでは、電荷分離を維持するため電動逆止め弁として機能するべくそれぞれの電極上で遮断層が用いられる。特に、その第１の電極に対する正孔伝導（又はこの電極からの電子伝導）を遮断せずに、第１の電極に対する電子伝導を遮断する遮断層が第１の電極の近くに具備される。これとは対照的に、第２の電極に対する電子伝導を可能にするもののその第２の電極に対する正孔伝導（又はこの電極からの電子伝導）を遮断するもう１つの異なる遮断層が第２の電極の近くに具備される。かかる遮断層を内含するデバイスアーキテクチャの一例が図４Ａに示されている。図示されている通り、デバイスは、図１に示されているものと同じコンポーネントを内含する。しかしながら、さらに、１つの電極１０に隣接して、電子遮断層４１０、例えば電子に対する伝導性が低い又は無いものの電極１１０に対する正孔の通過を可能にする層が配置される。このとき、正孔遮断層４２０（例えば正孔の通過を遮断するものの活性層から電極までの電子の通過を可能にするもの）が、活性層１０２ともう１つの電極１０８の間に配置される。２つの遮断層を有するものとして記述されているものの、本発明のこの態様においては、わずか１つの遮断層のみ、例えば１つの電極上の電子遮断層のみ又はもう１つの電極上の正孔遮断層のみを具備することも可能である。当該技術分野ではさまざまなタイプの遮断層が知られており、これには例えば正孔遮断層、例えばＴｉＯ２、電子遮断層、例えば架橋ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、カルボキシル化されたＰ３ＨＴ架橋ＴＰＡなどが含まれている。正孔又は電子用の遮断層として記述されてきたものの、これは一般に相対的伝導性に関するものであり、例えば、電子伝導体であるよりもむしろ優れた正孔伝導体である材料は本発明に従うと電子遮断層と呼ばれることになり、その逆も同様ということがわかるだろう。本発明のデバイスの利用分野のため、光、酸素及び水への露呈に対し高い安定性を有する遮断層、例えばＴｉＯ２が特に好ましい可能性がある。
代替的に又は付加的に、もう一方の電極に対する場合と比べて、１つの電極の近くに位置づけされたナノ結晶（又はその他のナノ構造）コンポーネントを提供することによって、本発明のデバイス内の一方向の電流の流れを増強することができる。このタイプの構造の一例が、図４Ｂに例示されている。特に、図示されているように、それぞれ第１及び第２の電極１０８及び１１０の間に配置された活性層１０２は、ナノロッドコンポーネント１０４（図示されている通り）及びマトリクスマトリクスコンポーネント１０６（斜線部）を内含している。しかしながら図４Ｂに示されているように、ナノロッド１０４は、第２の電極よりも低い方のつまり第１の電極１０８に近いところに位置づけされている。電子伝導性ナノ結晶コンポーネント１０４をもう一方の電極１１０よりも一方の電極１０８に対し主として近いところに具備することにより、マトリクスマトリクス１０６により部分的に絶縁された第２の電極１１０に比べて第１の電極１０８に対する電子伝導が増強される。同様にして、第２の電極１１０に近いマトリクスの濃度がより高いことから、例えばナノロッド１０４からといった活性層から第２の電極への電子の流れについての潜在性が減少することになる。追加措置として、例えば電子遮断層４１０及び正孔遮断層４２０といった１つ以上の遮断層を、位置づけされたナノ構造の提供に加えて提供することも可能である。ナノ結晶コンポーネントの場合には、もう１つの電極よりも「１つの電極に対し主としてより近い」という語句は、活性層内のナノ結晶の少なくとも６０％が、もう１つの電極よりもむしろ一方の電極に対し（ナノ結晶の任意の部分から電極の任意の部分までの距離に関して）より近くに配置されていることを意味している。好ましくは、ナノ結晶の少なくとも８０％さらには９０％以上が、もう一方の電極に対してよりも一方の電極に対し近いところにある。
ナノ結晶（又はその他のナノ構造）を一方の電極に対し、もう１つの電極に対してよりも近くに優先的に位置設定する１つの方法は、１つの電極の中に活性層コンポーネントを逐次的に被着させることにある。特に例えば、第１の電極、例えば電極１０８上にナノ結晶を含む活性層マトリクスの一部を被着することができる。マトリクス材料、例えば導電性高分子材料のみの第２の層が次に、ナノ結晶を含有する部分全体にわたり被着される。こうして、もう一方の電極（１１０）よりも一方の電極（１０８）により近いところに、ナノ結晶のさらに多くの割合が存在する結果となる。代替的には、このタイプの作業の修正バージョンを逆に実施することが可能であると思われる。特に、１つの電極（１１０）上にまず導電性高分子材料の層を被着することができる。次に導電性高分子材料／ナノ結晶マトリクスの第２の層が、純粋な重合体層全体にわたって被着され、もう一方の電極（１０８）が活性層上に被着される。もう一方の電極（１０８）に対しナノ結晶の直接的接続を提供するためには、次に、マトリクスのナノ結晶コンポーネントを露呈するべく、例えばマトリクス層中に重合体の１％、１０％、２０％、５０％以上を溶解させることといったように、マトリックスから離れるように重合体層を任意にまたは付加的に、そして優先的に溶解させることができる。その後、第２の電極と直接接触した状態で、かかる結晶を提供するように、露呈されたナノ結晶の上に、ただしその上に最初に被着された純粋な重合体層のおかげで第１の電極から充分離隔した状態で、第２の電極（１０８）が被着される。
付加的な又は代替的な配置においては、前述した通り、コア及びシェルが、例えば１つの電荷担体をコアを通して伝導しもう１つの電荷担体をシェルを通して伝導し、かくしてナノ結晶導電性高分子材料複合材活性層と同じ要領で機能するＩＩ型バンドオフセットを有している、コア−シェルナノロッドの使用を通して、電荷分離を増強することができる。このような場合においては、コア−シェルナノ結晶は、図２中のゾーンＩＩ及びＩＩＩ内で示されているように、活性層コンポーネントとして機能する。活性層としてコア−シェルナノ結晶を使用することにより、デバイスの作動に対する導電性高分子材料の寄与の必要性が予め除去される。例えばシェル（又は組成物に応じてコア）は、重合体、例えば正孔担体と同じ要領で機能する。このような場合、活性層から導電性高分子材料を削除することができる。ナノ結晶を１つの電極と電気的に接触した状態に位置づけするための上述の選択的エッチングプロセスのさらなる修正においては、コア／シェルナノ結晶の活性層が使用される場合、シェル材料の一部分を任意に又は付加的にエッチングすることができるであろう。このとき、電極（１０８）層の次の被着は、電極１０８と直接電気的に接触した状態で、例えば伝導性部分などのナノ結晶のコアを提供し、さらに電子伝導性の効率を増強することであろう。同様にして、コア材料が正孔伝導体である場合には、逆の作業、例えば露呈されたコア全体にわたる電極１１０の被着が行なわれることになる。コアとシェルは一般的に比較的実質的に異なる材料でできていることから、過度にコアをエッチングすることなくシェルを選択的にエッチングする、例えばタイミング、エッチング液の濃度などといったエッチング液組成及び／又はプロセスを採用することが可能である。
関連する態様においては、例えば上述のような活性層のコンポーネントとしてコア−シェルナノ結晶を提供することにより、活性層を製造することができる。しかしながら、任意の付加的な態様においては、活性層のコア−シェルナノ結晶コンポーネントは焼結されるか、又はその他の形で凝集されるか又は物理的かつ／又は電気的に合わせてリンクされている。結果としての活性層はこのとき、コア材料の領域とマトリクス内で実質的に均等に分散されたシェル材料の領域を内含する無定形マトリクスで構成されている。これらの領域は、活性層中で、正孔又は電子伝導体の１つとしてのその機能性を保持している。さらに、ナノ結晶に由来することから、無定形マトリクスは、実際にはナノスケールレベルでは不均一であるものの、ミクロンスケールでは実質的に均一に見える。例えば電荷分離及び伝導といったいくつかの観点から見て有利ではあるものの、焼結された活性層は重合
体複合材活性層に比べて可撓性が低い可能性があり、かくして或る種の利用分野については好まれ、その他の利用分野についてはさほど好まれない可能性がある。焼結は、一般的には、凝集が起こるものの一般的になおナノ結晶材料の融点よりは低い温度まで、ナノ結晶層を加熱する周知の熱焼結方法を用いて達成される。かかる焼結された活性層については、重合体複合材活性層では必ずしも必要とはかぎらない、活性層内部の実質的に隣接する単層としてナノ結晶を提供することが望まれる可能性がある。
Ｂ．無機活性層
１つの実施形態クラスは、２つの無機材料（例えば正孔伝導性として機能する１つの材料と電子伝導体として機能する１つの材料）を集合的に含むナノ構造の１つ以上の集合を活性層が含んでいる光起電性デバイスを提供している。これらの光起電性デバイスは、上述のものと類似しているが、ナノ構造は必ずしも作為的に方向づけされておらずかつ／又は必ずしもナノ複合材の一部を成していない。かくして、１つの実施形態クラスにおいては、光起電性デバイスは、第１の電極層、第２の電極層及び第１及び第２の電極層の間に配置された第１の光活性層を含む。光活性層は第１の電極と第１の平面に沿って少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置され、第２の電極と第２の平面に沿って少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されている。光活性層は第１の無機材料、及び第１の無機材料とは異なる第２の無機材料を含み、第１及び第２の無機材料は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す。さらに、光活性層は、第１の無機材料、第２の無機材料又はそれらの組合せを含むナノ構造の第１の集合を含む。
好ましい実施形態クラスにおいては、第１及び第２の無機材料は半導体である。基本的に、ＩＩ型バンドオフセットを伴う任意の半導体材料対を使用することができる。例えば、第１の無機材料は、ＩＩ〜ＶＩ群半導体、ＩＩＩ−Ｖ群半導体、ＩＶ群半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された第１の半導体を含むことができる。同様にして、第２の無機材料は、ＩＩ−ＶＩ群半導体、ＩＩＩ−Ｖ群半導体、ＩＶ群半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された、第１の半導体とは異なる第２の半導体を含み得る。半導体の例としては、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、及びＰｂＴｅが含まれるが、これらに制限されるわけではない。
ナノ構造は、さまざまなナノ構造のうちのいずれかであり得る。例えばナノ構造は、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含み得る。ナノ構造は、例えばナノ結晶、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブ、分岐ナノ結晶、ナノテトラポット、トリポッド、バイポッド、ナノドット、量子ドット、ナノ粒子、分岐テトラポッドなど又は、その組合せ（考えられるその他の多くの組合せの中でも、ナノロッドとナノテトラポット、又はナノロッドと球形又は細長くないナノ結晶など）を含み得る。
上述の通り、活性層は、コア−シェルナノ結晶を提供することにより製造可能である。かくして、１つの実施形態クラスにおいては、第１のナノ構造集合は、第１の無機材料のコア及び第２の無機材料のシェルを含むナノ結晶を含んでいる。例えば前述の通り、第１及び第２の無機材料は基本的に適切なＩＩ型バンドオフセットを伴う任意の２つの半導体であり得る。例えば、コアはＣｄＳｅ及びシェルＣｄＴｅを含むことができ、そうでなければコアはＩｎＰ及びシェルＧａＡｓを含むことができる。
上述の通り、ナノ結晶は任意には融合、部分融合及び／又は焼結されている。１つの実施形態クラスでは、少なくとも２つの隣接するナノ結晶のコアは少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にあり、少なくとも２つの隣接するナノ結晶のシェルは少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。１つ以上のナノ結晶のコアは任意には、第１
の電極又は第２の電極と少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある；同様にして、１つ以上のナノ結晶のシェルは任意には、対向する電極と少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。
隣接するナノ結晶のコア及び／又はシェルが少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にあるように隣接するコア−シェルナノ結晶が融合、部分融合又は焼結されている１つの実施例の作用が、図１０に概略的に例示されている。この例においては、全体的デバイス構造１０００には活性層１００２が含まれている。図示されているように、活性層には、材料がＩＩ型バンドオフセットを示すコア１００４及びシェル１００６をもつナノ結晶コンポーネントが含まれている。活性層１００２は、第１の電極１００８と第２の電極１０１０（これは電極と基板が単一の一体化されたユニットであり得るにもかかわらず、分離した基板１０１６上に配置された状態で例示されている）の間に配置されている。光（矢印１０１２）は、この例中の透明な電極及び基板の中を通過するとき、ナノ結晶に衝突し、励起子を作り出す。正孔（Θ）はシェル材料１００６によって電極１０１０まで伝導され、一方電子（ｅ−）はコア材料１００４を通して電極１００８まで伝導される。矢印１０１５の方向への結果としてもたらされた電流の流れはこのとき、負荷／デバイス１０１４内で活用される。この例では、一部のナノ結晶のコアは電極１００８と少なくとも部分的に電気的に接触した状態にあり、一方その他のナノ結晶のシェルは電極１０１０と少なくとも部分的に電気的に接触した状態にある。１つの代替的な例としては、ナノ結晶は、正孔伝導性コア及び電子伝導性シェルを含むことができ、この例ではコアは電極１０１０と接触し、シェルは電極１００８と接触することになる。
関連する実施形態クラスにおいては、光活性層は２つのナノ構造集合を含む。第１のナノ構造集合は第１の無機材料を含むナノ結晶を含み、第２のナノ結晶集合は、第２の無機材料を含むナノ結晶を含んでいる。前述の実施形態の場合と同様、第１及び第２の材料は例えば、ＩＩ型バンドオフセットを伴う任意の２つの半導体であり得る。例えば第１の無機材料は、ＣｄＳｅ及び第２のＣｄＴｅを含むことができ、または、第１の無機材料はＣｄＳを又第２の無機材料はＣｄＴｅを、或いは又第１の無機材料はＣｄＳを又第２の無機材料はＺｎＳｅを含むことができる。光活性層中の隣接するナノ結晶は、一般的には互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。光活性層中の隣接するナノ結晶は、一般的には互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。第１の及び／又は第２の集合のナノ結晶は任意には、融合、部分融合及び／又は焼結されている（又は融合、部分融合及び／又は焼結を受けていない）。
１つの実施形態クラスでは、第１の集合のナノ結晶及び第２の集合のナノ結晶は、光活性層の中で互いに混合されている。２つの集合の該ナノ結晶は、均一に混合され得、または、１つの集合の増大した割合が１つの電極により近く、一方もう一方の集合の増大した割合がもう一方の電極に対しより近くなる。
光活性層が２つの互いに混合されたナノ結晶集合を含んでいる１つの実施例の作用が、図１１中に概略的に例示されている。この例においては、一般的デバイス構造１１００は活性層１１０２を含む。図示されているように、活性層は、正孔伝導性無機材料を含む１つのナノ構造集合１１０６と、電子伝導性無機材料を含むもう１つのナノ構造集合１１０４を内含し、ここで２つの材料はＩＩ型バンドオフセットを示している。隣接するナノ結晶は互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。活性層１１０２は、第１の電極１１０８と第２の電極１１１０（これは電極と基板が単一の一体化されたユニットであり得るにもかかわらず、分離した基板１１６上に配置された状態で例示されている）の間に配置されている。光（矢印１１１２）は、この例中の透明な電極及び基板の中を通過するとき、ナノ結晶に衝突し、励起子を作り出す。正孔（Θ）はナノ結晶１１０６によって電極１１１０まで伝導され、一方電子（ｅ−）はナノ結晶１１０４を通して電極１
１０８まで伝導される。矢印１１１５の方向への結果としてもたらされた電流の流れはこのとき、負荷／デバイス１１１４内で活用される。
もう１つの実施形態クラスでは、２つの集合のナノ結晶は、互いに混合されるよりもむしろ複数の層へと分離される。これらの実施形態においては、光活性層は少なくとも第１の副層と第２の副層とを含み、ここで第１の副層は第１のナノ結晶集合を含み、第２の副層は第２のナノ結晶集合を含む。
光活性層が２つの副層を含む実施例の作用は、図１２で概略的に例示されている。この例においては、全体的デバイス構造１２００は、活性層１２０２を含んでいる。図示されているように、活性層は、１つのナノ構造集合１２０６を含む１つの副層及びナノ構造集合１２０８を含むもう１つの副層を内含する。ナノ構造１２０６は、正孔伝導性無機材料を含み、一方ナノ構造１２８は電子伝導性無機材料を含み、ここで２つの材料はＩＩ型バンドオフセットを有する。活性層１２０２は、第１の電極１２０８と第２の電極１２１０（これは電極と基板が単一の一体化されたユニットであり得るにもかかわらず、分離した基板１２１６上に配置された状態で例示されている）の間に配置されている。光（矢印１２１２）は、この例中の透明な電極及び基板の中を通過するとき、ナノ結晶に衝突し、励起子を作り出す。正孔（Θ）はナノ結晶１２０６によって電極１２１０まで伝導され、一方電子（ｅ−）はナノ結晶１２０４を通して電極１２０８まで伝導される。矢印１２１５の方向への結果としてもたらされた電流の流れはこのとき、負荷／デバイス１２１４内で活用される。
指摘した通り、光活性層は、例えばその各々が少なくとも１つのナノ結晶タイプの複数のナノ結晶を含んでいる、少なくとも２つの活性副層を含むことができる。１つの実施形態クラスでは、少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型副層を含み、２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型の副層を含む。任意には、光活性層はｐ型副層とｎ型副層との間の接合部を含む。副層の少なくとも１つは、一般的にはナノ結晶質である。もう１つの実施例では、光活性層はｐ及びｎナノ結晶の配合物を含む。例えば、光活性層は、ｐ及びｎナノ結晶の配合物を含む少なくとも１つの副層を含むことができる。
上述した通り、活性層内に正孔及び電子の両方の伝導性材料を提供するために無機ナノ構造を使用することにより、活性層内の導電性高分子材料コンポーネントの必要性を予め無くすることができる。かくして、一部の実施形態では光活性層がさらに導電性高分子材料（例えば中にナノ構造が配置されている導電性高分子材料マトリクス）を含んでいるものの、変形実施形態においては、該光活性層は実質的に導電性高分子材料を含まない。或る種の実施形態においては、光活性層は同様に非導電性高分子材料又はその他の結合剤（例えば、ナノ構造が中に均一に又は不均一に配置されている非導電性高分子材料マトリクス）を内含している。好ましい重合体が光安定性を有し、デバイスの実装に応じて酸素安定性を有することになるということがわかるだろう。適切な導電性高分子材料には、例えば上述の実施形態で指摘されたものが含まれ、適切な非導電性高分子材料には、例えばポリアミド及びＰＭＭＡが含まれる。光活性層は任意には、ナノ構造の特性を修正するように内含されるコンポーネント、例えば上述のもののような表面化学物質及びリガンドを含んでいる。
ナノ構造は、必然的にではないものの、光活性層中で作為的に方向づけされ得る。かくして、１つの実施形態クラスにおいては、第１の集合（及び／又は存在する場合には第２の集合）のナノ構造は各々少なくとも第１の平面に対して主として垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有する。このような方向づけは、例えば上述の通り、ナノロッドについて達成可能である。１つの例としては、ナノ構造は２つ以上の細長いセグメントを有する分岐ナノ結晶、例えば共通の頂点で接続され実質的に四面体の幾何形状で配
置された４つの細長いセグメントを含む分岐ナノ結晶を含むことができる。
上述のように、電荷分離を維持するために、遮断層を利用することができる。かくして、１つの実施形態クラスでは、光起電性デバイスは同様に、光活性層と第１又は第２の電極との間に配置された正孔又は電子遮断層を内含している。例えば、光起電性デバイスは、光活性層と第１の電極との間に配置された正孔遮断層及び光活性層と第２の電極との間に配置された電子遮断層を内含することができる。
以下でさらに詳述するように、或る種の利用分野については、光起電性デバイスは可撓性であるか又はその他の形で形状適合性をもつことが望まれる。かくして、第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つは、光活性層と同様、任意には可撓性である。デバイスは任意には気密封止され、さまざまなアーキテクチャのうちのいずれをとることもできる。
ナノ結晶の組成及び／又はサイズは、例えば、以下の節でより詳しく論述する通り、活性層の吸収スペクトルを最適化するように選択可能である。かくして、第１のナノ構造集合は任意には、各々異なる吸収スペクトルを有する少なくとも２つの異なるナノ結晶亜集合を含む。例えば、異なるナノ結晶亜集合は異なる組成物を含むことができ、かつ／又は異なるナノ結晶亜集合は異なるサイズ分布を有するナノ結晶を含むことができる。
光起電性デバイスは任意には、例えば第１の光活性層のものとは全く異なる波長範囲の吸収に対し最適化された第２の光活性層を少なくとも含んでいる。かくして１つの実施形態クラスにおいては、光起電性デバイスはさらに第３の電極層、第４の電極層及び第３と第４の電極層の間に配置された第２の光活性層を含んでいる。第２の光活性層は、第３の平面に沿って第３の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態に、そして第４の平面に沿って第４の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態に配置される。第２の光活性層は、第１のナノ構造集合（一般的には第１の光活性層について記述されたものと類似する無機ナノ結晶の第２の集合）とは異なる吸収スペクトルをもつ第２のナノ構造集合を含む。第３の電極層、第４の電極層及び第２の光活性層は、第１の電極層、第２の電極層及び第１の光活性層に付着されているもののそこから電気的に絶縁されている。
Ｃ．ナノ構造吸収の同調
活性層のナノ構造（例えばナノ結晶）コンポーネントの物理的位置づけ及び方向づけに加えて、特定の利用分野のニーズに合うようにナノ構造（例えばナノ結晶）コンポーネントの組成を調製することにより、活性層の吸収スペクトルを調整又は同調させることができる。特に前述のように、半導体ナノ結晶の吸収スペクトルは、ナノ結晶の組成及び／又はサイズに応じて調整可能である。例えばＩｎＡｓナノロッドは近ＩＲ範囲内でより大きな吸収を有し、例えば、吸収はその他のナノロッドに比べて赤方偏移され、ＩｎＰナノロッドは可視範囲内でより大きな吸収を有し、ＣｄＳｅロッドは可視から青までの範囲内でより大きい吸収を有し、一方、ＣｄＳナノロッドはＣｄＳｅナノロッドよりもさらに青方偏移した吸収スペクトルを有する。３つの異なるサイズ分布（例えば直径）を有するＣｄＳｅナノロッド組成物の吸収スペクトルの図表は図５に示されている。特に、ＣｄＳｅナノロッドについての吸収スペクトルは、それらの直径が増大するにつれてより赤方偏移された状態となる。図を見ればわかるように、又、本明細書で記述されているように、ナノロッドの組成及びサイズを選択することによって、活性層の吸収スペクトルを選択することが可能である。さらに、異なるサイズ及び／又は組成のナノロッドを組合わせることにより、さらに広い条件範囲全体にわたりデバイスの機能を最適化するべく、活性層のためにより広い吸収スペクトルを調整することができる。
一例を挙げると、太陽エネルギーを吸収するのに有用なデバイスの生産を希望する場合には、太陽（又はその他の光源の）スペクトルをさらに多くさらに効率良く変換するため
に太陽のスペクトルにより直接的に整合するよう重複する吸収スペクトルを有する活性層のためのナノ結晶又はナノ結晶の組合せを選択することができる。かかる不均一なナノ結晶選択は、単一の活性層内で混合物として組合せることができ、またはこれらを多層状デバイス内の多数の個別層の形で提供することもできる。いくつかの好ましい態様においては、ナノ結晶のサイズ及び組成物のこのような異なる集合体が、個別層の形で提供され、関連するスペクトルの一部分からのエネルギー変換を最大限にするようになっており、例えば各層はその範囲内の光の最適な変換を生み出すよう多くの所定の吸収波長範囲の充分な濃度のナノ結晶を内含している。
ＩＩ．電極
前述のように、活性層は、光起電性デバイスのための電極として作動する２つの導電性層の間にはさまれている。例えば図１に示されているように、その最も単純な形態において、電極は単純に、活性層が上にコーティングされるか又はその他の形で被着されている第１の導電性層を含んでおり、かくして第１の導電性層が活性層に電気的に接続されるようになっている。その後、活性層と電気通信した状態で上面上に第２の導電性層が置かれる。しかしながら、作動中、さまざまな導電性層を生産するべき適切な材料を選択する上で、多くの点を考慮しなければならない。本明細書の他の箇所で指摘したように、電極に対する活性層の連結は、一般的には、例えば遮断層などの取込みを通して活性層よりも高い又は低い仕事関数を有する電極材料の選択の結果として、活性層から特定の電極まで電子又は正孔のいずれかが移行させられることになるようなものである。本明細書で使用されている「電気的に接触した状態」、「電気通信した状態」、「〜に電気的に連結された」、「〜に電気的に接続された」という語句は、それが二方向の電流の流れであるか又は一方向の電流の流れであるか、或いは例えば不均等な二方向の電流の流れといった任意のハイブリッドであるかに関わらず、このような接続を包含している。
本明細書で記述する光起電性デバイスにおいては、活性層と隣接する電極は一般的に、デバイス全体を通る一方向の電流の流れをさらに増強するために提供されている。特に、活性層からもう一方の電極への正孔の流れ（又はもう一方の電極から活性層内への電子の流れ）を可能にしながら、活性層から１つの電極への電子の流れを可能にするべく、異なる仕事関数を有するように一般的に対向する電極が提供されている。一般的には、これは、電極の各々が異なる材料で製造されているようにすることによって実施される。例えば、１つのＩＴＯ電極と１つのアルミニウム電極を提供することにより、ＩＴＯ電極内への正孔の流れ及びアルミニウム電極内への電子の流れを提供することができる。それらが一般にこれらの基準を満たしていることを条件として、さまざまな異なる材料を電極に利用することが可能である。さらに、電極材料の選択は、部分的には、例えば本明細書で記述されているように、デバイスのアーキテクチャによって左右されることになる。例えば、一部のケースでは、活性層に対する光のアクセスを提供するべく少なくとも１つの電極について、例えば透明な基板上に層状化されたＩＴＯといったような透明な導電性材料が望ましくなる。その他の実施形態においては、不透明な導電性材料が容易に利用される。
多くの利用分野において、少なくとも１つの電極がデバイスの露呈された表面、例えば太陽又はその他の光エネルギーに露呈されたデバイスの一部分をカバーする。このような場合には、この表面にある電極が透明な又は半透明な層として提供されることが必要である。従来の光起電性デバイスは一般的に、インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）層といったような導電性コーティングが上に具備されているガラスベースの電極を利用する。ガラス及びＩＴＯ層は透明であり、光が電極を通過し活性層上に衝突できるようにしている。かかる電極構成は、本明細書で記述されているナノ複合材及びその他の光起電性デバイス及び層状デバイスの中で容易に利用される。
しかしながら、多くの利用分野について、究極的なデバイスは、可撓性であるか又はそ
の他の形で形状適合性をもつことが望ましく、そのためガラス層の使用は実用的でない、さらには不可能になるかもしれない。このような場合には、使用される電極が同じく可撓性をもつことが一般に望まれることになる。一般的なサンドイッチ型のデバイスアーキテクチャが利用される場合、電極層として金属又はその他の導電性コーティングを利用する透明な重合体材料を使用することができる。かかる重合体材料の例としては、ポリエステルフィルム又はシート材料、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）社から入手可能なマイラ（Ｍｙｌａｒ）フィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリアセテートフィルム、ポリスチレンフィルムなどが含まれる。重合体材料は一般にさまざまな供給源から広く市販されている。或る種の好ましい態様においては、多くの重合体フィルムの酸素浸透性を防ぐために重合体層の代りに又はそれに加えて薄いガラス層が使用される。例えば厚み約５０μｍ以下のこのような薄いガラスシート材料は、大部分の重合体シートの可撓性を保持することができる。このような場合、破断を導き得るガラスシートの引掻きを防ぐため、付加的な重合体コーティングが望ましい可能性がある。このような重合体層に、前述のように、導電性コーティングすなわちＩＴＯ、アルミニウム被復、ＰＥＤＯＴ又はその他の薄い、例えば蒸発された導電性金属フィルムを具備することにより導電性を付与することができる。
一部のケースでは、酸素に対する過度の又はあらゆる露呈から活性層を保護することが望ましいことになる。特に、以上に記述された多くの導電性高分子材料は酸素に対し比較的な不安定であり、露呈時点でその導電性を失なう。かくして、かかる露呈を防止するためにデバイスを適切に密閉することが往々にして望ましくなる。一部のケースでは、密閉作業は、電極層材料の適切な選択を通して達成可能である。例えば、活性層の両側に酸素不浸透性電極層を具備することによって、その層を酸素露呈から保護することができる。酸素障壁を提供するため、さらには可撓性及び透明性を提供するために多くの異なる重合体フィルムを使用することができる。同様にして、かかるフィルムは、それがデバイスの電極の１つとして機能しうるように、フィルムに導電性を付与するべく容易にコーティング又はその他の形で処理することができる。少なくとも１つの好ましい例においては、アルミニウム被覆された重合体フィルムが電極層として具備されている。例えばアルミニウム、マグネシウムなどの酸素ゲッターを可撓性透明層上の導電性コーティングとして利用することにより、さらに酸素露呈の可能性を低減させることができる。
代替的には、電極層とは分離して付加される付加的な層により密閉機能を提供することができる。これは、例えば非可撓性である従来の平面アーキテクチャ、又は代替的には以下でさらに詳述されている代替的アーキテクチャのうちの１つについてあてはまる可能性がある。電極の一部分又は分離した層としての密閉層の性質とは無関係に、密閉機能は活性層全体を包含しなければならないということがわかるだろう。かくして、電極層は、導電性部分の縁部及び活性層を超えて延び、かつ例えばヒートメルト又は接着剤ベースの密閉プロセスを用いて反対側の電極層の対応する領域に対し密閉する領域を提供する非導電性部分を内含することができる。このタイプのアセンブリの例が図６に示されている。図示されているように、デバイスは、例えばフィルム６０４及び６０６といった２つの密閉シートの間にはさまれた活性層層６０２を内含している。上述のように、これらのシートは、電極と一体化されてもよいし、或いは電極のうちの１つ又は両方から分離した層であってもよい。これらのシートが、例えばシート電極といった電極コンポーネントと一体化されている場合、電極又は密閉シートの、例えば６０８といった導電性部分は、密閉シートが固着されてデバイスをすっぽり包み密閉しかくして活性層を保護している場合、重複領域６１０まで広がっていないということがわかるだろう。密閉機能は、図６内で代替的手段を用いて例示されている。左上図版に示されているように、重複する密閉シートが、例えば重複領域において熱により固着されて、直接一緒に密閉される。代替的には、下部図版の中で示されているように、１つの中間層６１２例えば接着剤又はその他の固着された層が密閉シートの間に具備されるが、これは密閉機能を損なうものではない。電気的接続６１４及び６１６を含むデバイス全体のアーキテクチャを概略的に例示する完成デバイ
ス６００も同様に示されている。
以下にさらに詳細に記述されるその他のアーキテクチャについては、例えば電極を光が通過する必要がない場合には電極を透明層として提供する必要はない。このような場合、上述の可撓性ある又はその他の電極構成のいずれでも使用することができる。代替的には、薄く可撓性ある金属ホイル電極層を使用することができる。さらにこのような場合、任意の密閉層を電極層上に層状化させることはできず、これは完全に分離した平面内に存在しうる。
さらに、代替的アーキテクチャの場合、必要な場合に酸素から重合体マトリクスを保護する機能は、デバイス自体の実装によって提供され得る。例えば、デバイスを密閉し活性層の酸素露呈を防止するため、可撓性の透明なエンベロープを提供することができる。代替的には、実装されたデバイスの可撓性がさほど重要でない場合、これらの代替的アーキテクチャのデバイスはより従来通りの実装の中に収納され得、例えば、ガラス又はその他の酸素不浸透性障壁の後ろに気密封止され得る。一例を挙げると、以下にさらに詳述されているように、密閉層の１つがデバイスの電極／活性層／電極部分の側縁部全体にわたって配置されている場合、側面が露呈された光起電性デバイスを、透明な又は部分的に透明な実装の中にすっぽり包むことができる。
平面又はシートタイプの電極として記述されてきたが、本明細書で記述されているデバイスの中では、ワイヤ電極も同様に利用できるということがわかるだろう。かかるワイヤ電極は１つ以上のシート又は平面電極に付属していてもよいし、又は例えば活性層内に一体化されて、かかる平面電極の代わりに用いられてもよい。一例を挙げると、活性層の一方の及び／又はもう一方の表面内又は上にワイヤ電極を具備することができる。ワイヤは、それらが果たす機能に応じて遮断層でコーティングされてよく、例えば電子遮断層又は正孔遮断層でコーティングされていてもよい。或る種のケースでは、ワイヤを活性層内に一体化すること、例えば代替的遮断層コーティングの補足的ワイヤが挿入された状態で、又は重複するワイヤアレイとして活性層の内部に配置することができる。デバイスは、ワイヤ又はワイヤアレイとして両方の電極を内含でき、または１つのワイヤアレイ及び１つのシート電極を内含することができる。
ＩＩＩ． デバイスアーキテクチャ
ここでも、前述した通り、その最も単純な形でのデバイスアーキテクチャは、例えば図１に示されているように、基本的な平面サンドイッチ構造を含む。しかしながら、本明細書に記述されたさまざまな改善のため、多くの異なる利用分野で利点を提供する多くのその他のアーキテクチャを利用することが可能である。これらのさまざまなアーキテクチャは、一般に、従来の剛性光電池で使用されている材料には欠けている特性である、本明細書で記述されたデバイスを製造するために使用される材料の可撓性又は形状適合性によって可能となっている。
前述した通り、本発明に従った光起電性デバイスの基本的アーキテクチャは、２つの電極間に配置された活性層を含んでいる。本明細書で呼称されている活性層というのは一般に、光誘起形電荷分離が中で発生するデバイスの一部分又は層を意味する。光誘起形電荷分離というのは、活性層上に光子が衝突した結果としての自由電子又は電子／正孔対の生成を意味する。このような光誘起は、直接的で、例えば材料に衝撃を与える光が結果として電子を解放する可能性もあれば、間接的で、例えば活性層に衝撃を与える光が、後に例えば化学的又は物理的経路を通って電子の解放を結果としてもたらす化学的、物理的又は電気的変化を結果としてもたらす可能性もある。
本明細書で記述されているナノ複合材活性層又はその他のナノ構造ベースの活性層のう
ちのいくつか及び電極構成のいくつかを使用することを通して、効率が良く、可撓性でかつ軽量の光起電性デバイスを生産することができる。これらの特徴があれば、従来の光電変換技術の欠点の多くに対処できる光起電性デバイス及びシステムのための多様な代替的アーキテクチャを提供することが可能である。
第１の有望な好ましい態様においては、本発明に従った基本的な光起電性デバイスは、例えば図１に示されているような一般的な平面サンドイッチフォーマットを含んでいる。特に、デバイス全体１００は、第１の電極層１０４と第２の電極層１０６の間にはさまれた活性層１０２を伴う平面フォーマットで構成される。活性層の最大表面積が電極でカバーされている場合。例えば太陽パワーを最大量収集するために活性層のより大きな部域を露呈することが一般に望ましいことから、このような平面デバイスが、適切な波長の光に対して透明である又は半透明である少なくとも１つの電極層を含んでいることが一般に望まれる。光に露呈されている活性層の表面は、電極層を通ろうと、他の層を通ろうと、露呈表面と呼ばれる。一般的には、光起電性デバイスは、電極として共に機能する、例えばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）層などの透明な導電性層でコーティングされているガラス層を使用することによって、これを達成する。このような場合、活性層により収集される太陽光の量を最大にするべく、一般に反射性表面が第２の電極上に具備される。一般的には、これらの反射性電極層は、同じく相対的にきわめて反射性でもある任意の極めて導電性の高い金属、例えば白金クロムなどを含むことができる。
変形態様においては、例えば、導電性、可撓性又は透過率のいずれかの観点から見てかかる層内での効率の悪さのため、透明層として１つの電極層を提供することはさほど望ましくない可能性がある。このようなケースでは、異なる電極材料の利用を可能にする代替的アーキテクチャを利用することができる。例えば、第１の態様では、例えばスクリーンといったような透明ゾーンのアレイを内含する、例えばアルミニウム被覆されたマイラー（Ｍｙｌａｒ）といったメッキ重合体シートなどの可撓性金属層として、電極のうちの１つを提供することができる。このようなケースでは、より効率の良い第１の電極層を提供する能力とひき換えに、活性層の露呈表面積の一部が失なわれることになる。このアーキテクチャを利用するデバイスの一例が、図７に例示されている。図示されている通り、活性層７０２が下部電極７０４上に層状化され、上部電極７０６がこの活性層全体にわたって提供されて上述のものと同じサンドイッチアーキテクチャを作り出す。しかしながら、上部電極７０６が透明である代りに、光が通過できるようにする開口部又は透明領域７０８が具備されている。これらの透明な領域又は開口部の使用は、上部電極７０６が例えば金属層などといったさまざまな従来の導電性材料のいずれかで構成されることを可能にする。さらに、これらの導電性層の薄いホイルを用いることにより、デバイス全体の可撓性を維持することができる。一般的には、透明材料のさらなる密閉層、例えば層７１０を、上部電極の上面全体にわたって、そして任意には図示されてはいないものの下部電極７０４の外側表面上に、提供することができる。開口部７０８は、円形開口部として示されているものの、例えばスクリーンメッシュといったようなワイヤの格子形アレイ間の空間又は金属層内の孔を含むことができる。
さらなる代替的なアーキテクチャにおいては、活性層は、２つの電極層の間に配置されているが、露呈された表面は、電極によりカバーされている表面ではなくむしろ側方表面である。この単純化された例が図８Ａに示されている。図示されているように、ここでも、２つの電極層８０４及び８０６の間に活性層８０２が配置されている。活性層８０２の側方又は縁部表面８０８は、露呈表面、例えば光がそれを通して収集される表面として作用する。一般的には、活性層８０２の劣化又はその他の損傷を防ぐ目的で、この側方表面８０８全体にわたり透明な又は半透明な保護層（例えば図８Ｂ内の層８１２）が配置されている。それ自体活性層上に衝突する光の量を最大にすることになる活性層８０２の露呈表面８０８の最適化のため、多くの異なる方法で側面露呈されたデバイスを構成すること
ができる。例えば、図８Ａ内に実質的に示されているように、細長い積層フィルム又はテープとしてデバイス全体を製造することができる。可撓性フィルム又はテープとしてひとたび生産されたならば、次にデバイス８００全体は、露呈表面のアレイを提供するためにコイル状にされても又はスプールに巻きつけられてもよい（図示通り）。代替的には、往復又は蛇行アーキテクチャにデバイス全体を折畳むか又は積重ねる、例えば自身の上に前後に連続的に折畳むかして、図８Ｂに示されているようにさらに大きい露呈表面積８０８を提供するか又は特定の利用分野のための選択されたフットプリントを提供することができる。
可撓性活性層コンポーネント又はデバイス全体を使用することにより、デバイスアーキテクチャにおけるその他の有用な調整が可能になる。一例としては、光起電性デバイスの出力に対する制限の１つは、関連する光源例えば太陽からくる光子の衝撃を受けることのできる表面積の量にある。従来の平坦な光電池においては、活性層に直接衝突する光子の数は、光源に露呈されているデバイスの表面積に直接関係づけられる。多くの利用分野においては、デバイスの許容表面積は、例えば屋根の上面、航空機の翼、地球外プラットフォームすなわち衛星、宇宙ステーションなど、デバイスが適合しなくてはならない空間により影響される。例えば本明細書で記述されている可撓性デバイスが可能にするような凸状露呈表面及び活性層を内含するデバイスアーキテクチャを提供することにより、そのフットプリントを増大させることなくデバイスの有効表面積を有効に増大させることができる。これは特に、関連する光源がデバイスに対し垂直以下の角度で方向づけされている場合に言えることである。
図８Ｃは、この最終目的を達成する凸状アーキテクチャの利点を例示している。ここで示されているように、デバイス８５０は露呈表面８５２及び活性層８５４に対して凸状の形状を有する。例えば光源８５６又は８５８と共に例示されているように、光源が垂直ではない角度からデバイスに向けられている場合、デバイスの露呈表面８５２に衝撃を与える光子の数は、破線によって示されているように、例えばフットプリント８６０又は８６２といったはるかに大きいフットプリントを有する平坦なデバイスと等価である。しかしながらその凸状アーキテクチャのため、デバイス８５０ははるかに小さいフットプリント例えばフットプリント８６４を有する。指摘された通り、有用な空間が制限されている場合、このようなデバイスは、光エネルギーを利用する能力を有意義に増強することができる。
フットプリントを増大させずに出力を増大させる問題に加えて、従来の平坦な光電池に付随する効率問題の１つは、例えば太陽又はその他の光源に向かう最適な露呈の機会を提供するために、これらを連続して回転させる又は位置を移動させなければならないということにある。定置式デバイスについては、その結果、かなりの時間にわたり、露呈表面は最適な位置づけ又は方向づけからかけ離れたものとなる。
ここでも又、この問題は、輪郭に合わせた露呈表面の使用を可能にする可撓性の活性層材料によって対処される。これらの輪郭に合わせた露呈表面は、より多様な太陽光源位置についての露呈の最適化を可能にすることになる。一例を挙げると、デバイスには、図８Ｃに示されているような凸状又は凹状アーキテクチャが具備される。デバイスの凸状／凹状アーキテクチャのため、そして特に活性層及び露呈表面のため、太陽の位置とは無関係にデバイスの活性層に衝突する光子の数を増大させることが可能である。図８Ｃに示されているように、凸状光起電性デバイスを使用することにより、そのフットプリントを増大させることなく、太陽が下方に傾むいているか又はその他の形で最適でない角度にある場合といったような、光源がデバイスに一定の角度で向けられている場合にデバイスにぶつかる光子の数を増大させる能力が提供される。特に、図示されているように、光源８５４が凸状デバイス８５０の有効表面８５２上に輝いている場合、一定数の光子がデバイス内
部で活性層８５６に衝突する。例えば光源８５４ａ及び８５４ｂについて示されているように、太陽が、一定の角度からデバイス全体に向けられている場合、凸状デバイスにより捕捉される光子の数は、はるかに大きいフットプリント８６０を有する従来の平面デバイスのものと等価である。特に、破線で示されているように、デバイスにより遮断されかくして捕捉される光子は、同じ状況下ではるかに大きい平坦なデバイスにより捕捉されたと思われるものと等価である。多くの場合において、光起電性デバイス又はシステムのための許容空間は制限されることになり、かくして凸状アーキテクチャがきわめて望ましい。ここでわかるように、凸状デバイスの有効表面全体の不均等な露呈に起因して、好ましいこのようなデバイスは、一般的に、高い露呈又は明領域の中で生成された電流が低い露呈又は暗領域を通って短絡させるのを防ぐため、デバイス全体を個別の電気単位又はデバイスに分割することになる。かかる分割は、互いに密閉された個別の袋の製造という形をとり得、ここで各々の袋は、例えば図６に示されているような別々に機能する光起電性デバイスであるが、多数の袋は例えば多くの袋のシート（図示せず）の形に併せて連結されている。
太陽露呈に関して記述されているものの、本明細書で記述されるデバイス及びさまざまなアーキテクチャが、例えばレーザーといったパワーを生成するため又は光学センサーなどとして使用するために代替的光源を使用する場合などの、デバイスに光が衝突する角度を変えたいと思われるかもしれないその他の利用分野においても同様に有用である。
ＩＶ． ナノ構造ベースの組成物
本発明のもう１つの態様では、例えば上述の活性層において使用されるもののような組成物といった、ナノ構造ベースの組成物が提供されている。かくして、１つの一般的な実施形態クラスでは、第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含み、該第１の集合が第１の材料を含むナノ構造を含み、第２の集合が第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含んでいる組成物が提供されている。隣接するナノ構造は任意には互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある。
ナノ構造は、さまざまなナノ構造のいずれかであり得る。例えば、ナノ構造は、単晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造、又は無定形ナノ構造を含むことができる。ナノ構造は例えば、ナノ結晶、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブ、分岐ナノ結晶、ナノテトラポット、トリポッド、バイポッド、ナノドット、量子ドット、ナノ粒子、分岐テトラポッドなど又はそれらの組合せ（例えば考えられる他の多くの組合せの中でも、ナノロッドとナノテトラポット、又はナノロッドと球形又は細長くないナノ結晶）を含み得る。
好ましい実施形態クラスにおいては、第１の材料は第１の無機材料であり、第２の材料は第２の無機材料である。１つの実施形態クラスにおいては、第１の材料は第１の半導体を含み、第２の材料は第２の半導体を含む。例えば、第１の材料は、ｎ型半導体を含むことができ、第２の材料はｐ型半導体を含むことができる。
１つの実施形態クラスにおいては、第１及び第２の材料は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す。かかる組成物は例えば、光起電性デバイス内又はその他の電子及びオプトエレクトロニクスデバイスの中で活性層として使用可能である。もう１つの実施形態クラスにおいては、第１及び第２の材料は、Ｉ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す。このような組成物は、例えばＬＥＤ又はその他の電子又はオプトエレクトロニクスデバイス（例えば、電荷分離よりもむしろ電荷組換え及び光子放出が望まれる場合、当該技術分野で既知の通り、ナノ構造放出スペクトルは、ナノ構造の組成及び／又はサイズを制御することによって調整可能である）内で使用可能である。
基本的に、適切なバンドオフセット（すなわちＩ型又はＩＩ型）を伴うあらゆる半導体材料対を使用することができる。例えば、第１の材料は、ＩＩ−ＶＩ群半導体、ＩＩＩ−Ｖ群半導体、ＩＶ群半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された第１の半導体を含むことができる。同様にして、第２の材料は、ＩＩ−ＶＩ群の半導体、ＩＩＩ−Ｖ群の半導体、ＩＶ群の半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された、第１の半導体と異なる第２の半導体を含むことができる。半導体の例としては、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、及びＰｂＴｅが含まれるが、これらに制限されるわけではない。
１つの実施形態クラスにおいては、第１の集合のナノ構造及び第２の集合のナノ構造は組成物の中で互いに混合されている。２つの集合のナノ構造は均質に混合され得、または例えば２つ以上の異なる領域、ゾーン、層などへとこれらを部分的又は完全に分離することができる。
組成物は、望ましい場合は、例えば光起電性デバイス、ＬＥＤ又はその他のデバイスの中で使用するため任意には２つの電極層の間に配置されているフィルムの形に形成することができる。しかしながら、一部の実施形態では、２つのナノ構造集合がフィルム内で混合されている。他の実施形態において、フィルムは少なくとも第１の副層と第２の副層とを含み、第１の副層は第１のナノ構造集合を含み、第２の副層は第２のナノ構造集合を含む。例えば、第１の副層はｐ型半導体ナノ構造を含み、第２の副層はｎ型ナノ構造を含み、任意には副層の間にｐ−ｎ接合部が存在する。
前述の態様の場合と同様に、第１及び／又は第２の集合のナノ構造は、融合、部分融合及び／又は焼結され得るが、必ずしも必要ではない。
一部の実施形態では、組成物は同様に、導電性高分子材料（例えば中にナノ構造が配置されている導電性高分子材料マトリクス）を内含している。変形実施形態においては（例えば、第１及び第２のナノ構造集合が集合的に正孔及び電子伝導性材料を両方共含んでいる場合）、組成物は実質的に導電性高分子材料を含まない。一部の実施形態においては、組成物はまた非導電性高分子材料又はその他の結合剤（例えば、ナノ構造が均等に又は不均等に中に配置されている非導電性高分子材料マトリクス）をも内含する。組成物は任意には、上述のような例えば表面化学物質及びリガンドといったナノ構造の特性を修正するために内含されるコンポーネントを内含する。
第１及び／又は第２の集合のナノ構造は、無作為に又は作為的に方向づけされ得る。例えば、第１及び／又は第２の集合の各々のナノ構造は第１の平面（例えば、該組成物を含むフィルムの表面又は電極の表面）に対し卓越して垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有することができる。もう１つの例としては、第１及び／又は第２の集合の各々のナノ構造は、第１の平面に対し卓越して平行に向けられた少なくとも１つの細長い断面を有することができる。
Ｖ．デバイスの製造
本発明のデバイス及び組成物は同様に、製造可能性に関して有意な利点を提供する。特に、現行の光起電性デバイスは、ウェーハスケール半導体材料を動作可能な光起電性デバイスに変換する上で比較的少量、高コストの製造プロセスに依存している。従来の半導体ベースの光電池は一般的に、使用されるウェーハの数によって決定される数のデバイスでバッチモードで製造される。かかる製造プロセスは、出発材料及びプロセスのため、非常に高価であり得、又大規模製造へと容易にスケールアップすることもできない。
一方、本発明のデバイスは、急速かつ廉価に入手可能な材料で構成されているか、又は、比較的低コストで相当量で生産可能である。さらに、デバイスのさまざまなコンポーネント、例えば活性層コンポーネント及び密閉層及び／又は電極層の性質のため、これらのデバイスを作るプロセスは、超高生産性製造に容易に適する。一例を挙げると、本発明のデバイスは一般的に、例えば互いの間に活性層を伴って合わせて積層された可撓性電極といった可撓性積層構造の形をしていることから、例えば反射性フィルム、写真用フィルムなどを作る上でフィルム製造及び工業向け積層材業界で従来使用されているロール・ツー・ロールプロセスといった大量フィルム処理技術を用いて、これらを生産することができる。
本発明に従ったデバイスを製造するためのロール・ツー・ロールプロセス及びシステム９００の一例が図９に示されている。図示されているように、例えばアルミニウム被覆された重合体シート又はＩＴＯコーティングされた重合体シートなどの基板材料９０２のロールといった第１の基板材料の供給源が繰出され、デバイスのさまざまな層のための多くの被着ステップに付される。例えば経本折りされたシートとしてといったような基板シートを提供するその他の方法を使用することができるだろう。一般的には、基板層は例えばコンベヤベルト９２０といったコンベヤベルトシステムに沿って通過させられる。コンベヤベルトとして描かれてはいるものの、例えばロボットアーム、移動プラットフォームなどといった、基板シート又は連続シートを移動させる能力をもつあらゆるコンベヤシステムを使用できると思われる。さらに小さいサイズの基板には、スピンコーティングシステムも使用でき、かかるシステムは、その語句が本明細書で使用されている通りにコンベヤシステムに包含されるものと思われる。本明細書に記されている多層デバイスを提供するために基板上にさまざまな材料層が被着される。例えば、層を提供するため被着システムに流動的に連結されるホッパー又は液体タンクとして、ナノ複合材光活性マトリクス供給源を提供することが可能であろう。かかる被着システムとしては、噴霧ノズル、プリントヘッド、スクリーン印刷装置、塗布ナイフすなわちドクターブレード、シアーコーティングシステム又は、例えばスピンコーター、テープ流し込み成形システム、フィルム流し込み成形システム及びディップコーティングシステムを含めた均質で薄い材料フィルムを被着させるためのその他の有用なシステムが含まれる可能性がある。
特に好ましい例においては、例えばスクリーン印刷機９０４により表わされているように、従来のインクジェット又はスクリーン印刷技術を用いて例えば層９０６、９０８、９１０、９１２及び９１４といった光起電性デバイスを形成する多重の材料層を連続的に設置し始めることができる。例えば、図示されているように、第１の印刷ステップでは、移動する基板９０２上に第１の遮断材料層９０６が印刷される。かかる遮断材料は、デバイスの結果として得られる方向づけに応じて正孔遮断層又は電子遮断層であり得る。次に例えばナノ結晶／重合体マトリクス（又はコアシェルナノ結晶材料）といった光活性材料又は複合材９０８が遮断層上に被着させられる。ナノ結晶（又はその他のナノ構造）のために機械的又は電気的方向づけステップが望まれる場合、それは一般に、この層の被着後、ただし次の層の適用の前に実施される。例えば層内での混合を最少限にするといったように、層間の清浄な界面を確保するため、さまざまな層状化ステップの間に、加熱、乾燥及び／又は硬化ステップを差しはさむことができる。次に、活性層の上部表面に対し、第２の遮断層９１０が適用される。この遮断層は、第１の遮断層９０６を補足するものとなり、例えば、第１の層９０６が正孔遮断層であったならば、この層は電子遮断層となることだろう。上述のようなＩＴＯコーティングされた重合体シートといった透明な導電性電極シートなどの第２の基板材料シート９１４が第２の遮断層の上面に積層される。代替的には、図示されているように、ＩＴＯ又はその他の導電性層をコーティング層９１２として第２の遮断層９１０全体にわたり適用することができ、その後ひきつづき、密閉層を形成し得る基板層９１４が適用される。さらに、例えば、タンデム形又は多重活性層デバイスの場合には、例えば密閉層又はその他の電極、遮断層及び活性層といった付加的層を付加
的なステップにおいて適用することができる。
その後のプロセスステップは次に、望ましいサイズ次元のシートのために電気的接続をとり付ける。
かくして、１つの実施形態クラスは、光起電性デバイスを生産する方法を提供している。これらの方法においては、上に配置された第１の伝導性層を有する第１の平面基板が提供される。第１の基板は、ＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示しかつ光活性層を提供するべく長手方向軸を含む細長い半導体ナノ構造の第１の集合を少なくとも含む光活性マトリクスでコーティングされている。半導体ナノ構造は、その長手方向軸が第１の平面基板に対し主として垂直に方向づけられるように、方向づけされる。第２の導電性層が光活性層上に積層される。
該方法は、光活性マトリクスで第１の基板をコーティングする前に第１の基板上に遮断層を提供するステップ及び／又は光活性層上に第２の導電性層を積層する前に光活性層上に遮断層を提供するステップをも内含し得る。該方法は任意には、第１の基板及び第２の導電性層に加えて光起電性デバイスの対向する表面全体にわたり１つ以上の密閉層を提供し、かくして１つ以上の密閉層が光起電性デバイスを気密封止するステップを内含する。上述の通り、望ましい場合には、さまざまな層状化ステップの間に加熱、乾燥及び／又は硬化ステップを挿入することができる。さらに、上述のさまざまな組成物及びデバイスコンポーネントを、適宜これらの方法内で使用するために適合させることができる。例えば、ナノ構造は、ナノ結晶、ナノワイヤ、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造及び／又は無定形ナノ構造を含み得る。
関連する１つの実施形態クラスは、光起電性デバイスを製造するためのシステムを提供している。該システムは、第１の導電性表面をもつ第１の基板層の供給源、第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム、及び層被着システムに流動的に連結された光活性マトリクス供給源を含む。層被着システムは、第１の基板層上に光活性マトリクスの層を提供するべく、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置されている。該システムは又、第１の基板層上に被着された光活性マトリクスの層上に第２の導電性材料の層を被着させるため基板コンベヤシステム全体にわたって位置づけされた層被着システムに連結された第２の導電性材料供給源をも内含している。
１つの実施形態クラスにおいては、第１の基板材料の供給源は、第１の基板材料のロールドシートを含んでいる。第１の基板材料の供給源は任意には同様に、第１の導電性材料の供給源及び第１の導電性材料を第１の基板材料上に被着させて第１の導電性表面を提供するための被着システムをも内含している。適切な層被着システムの例としては、ドクターブレード、スクリーン印刷システム、インクジェット印刷システム、ディップコーティングシステム、シアーコーティングシステム、テープ流し込み成形システム及びフィルム流し込み成形システムが含まれるが、これらに制限されるわけではない。上述の実施形態のうちのいずれでも、それらが該当するかぎりにおいて、本実施形態にも適用することができる。
もう１つの一般的実施形態クラスは、光起電性デバイスを生産する方法を提供している。これらの方法においては、上に配置された第１の導電性層を有する第１の平面基板が提供される。光活性層を提供するために、第１の基板は、ナノ構造集合を含む組成物でコーティングされる。ナノ構造は第１の材料のコアと第１の材料とは異なる第２の材料のシェルを含んでいる。ナノ構造は融合、部分融合及び／又は焼結され、第２の導電性層は光活性層上に層状化される。
例えば、ナノ構造のタイプ、材料タイプ、遮断層及び／又は密閉層の提供などについて、以上の実施形態の中で指摘されたさまざまな任意の構成及び特長の全てがここでも同様に、それらが該当するかぎり適用される。
さらにもう１つの実施形態クラスが、２つ（又はそれ以上の）ナノ構造集合を含む層状デバイス（例えば光起電性デバイス、ＬＥＤなど）を生産する方法を提供している。層状デバイスは、第１の材料を含む第１のナノ構造集合及び第１の材料と異なる第２の材料を含む第２のナノ構造集合を含んでいる。該方法においては、第１の基板が提供され、第１の層を提供するべく第１のナノ構造集合を含む組成物でコーティングされる。
１つの実施形態クラスにおいては、第１及び第２の集合のナノ構造が第１の層内で互いに混合されている。この実施形態クラスにおいては、第１の基板は、第１の層を提供するべく第１及び第２のナノ構造集合の混合物を含む組成物でコーティングされている。
もう１つの実施形態クラスにおいては、層状デバイスは、第１のナノ構造集合を含む第１の層及び第２のナノ構造集合を含む第２の層を少なくとも含んでいる。この実施形態クラスにおいては、該方法は、第２の層を提供するべく第２のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングするステップを内含する。関連する実施形態クラスにおいては、第１の基板上に第２のナノ構造集合が配置されている。例えば、溶液処理できないナノ構造（例えば一部のナノワイヤ）を第１の基板上（例えば電極上）で成長させることができ、上述の通り溶媒分散性ナノ構造の層を付加するために溶媒プロセスを使用することができ、または、第１の基板−第２のナノ構造集合層全体にわたりその他の層を積層することができる。
該方法は、任意には第１層（又は層の数及び方向性に応じて第２層）上に第２の導電性層を層状化させることを内含している。同様にして、該方法は、任意には、第１のナノ構造集合を含む組成物で第１の基板をコーティングする前に第１の基板上に遮断層を提供するステップ及び／又は第１（又は第２）層上に第２の導電性層を積層する前に第１（又は第２）層上に遮断層を提供するステップを内含している。
例えば、ナノ構造タイプ、材料タイプ、ナノ構造の融合、部分融合及び／又は焼結などについて、実施形態内に指摘されたさまざまな任意の構成及び特長は全て、それらが該当するかぎり、ここでも同様に適用される。
関連する実施形態クラスは、第１及び第２のナノ構造集合が中で互いに混合されている層を含む層状デバイスを製造するためのシステムを提供している。第１の集合のナノ構造は、第１の材料を含み、第２の集合のナノ構造は第１の材料とは異なる第２の材料を含む。該システムは、第１の基板層の供給源、第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム及び、層被着システムに流動的に連結された第１及び第２のナノ構造集合を含む組成物の供給源を含む。層被着システムは、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置され、第１の基板層上で第１及び第２の集合のナノ構造が互いに混合されている層を提供する。
例えばナノ構造タイプ、材料タイプ、遮断層及び／又は密閉層の提供、ナノ構造の融合、部分融合及び／又は焼結、第２の導電性材料の層の提供、層被着システムのタイプなどについて、上述の実施形態において指摘されたさまざまな任意の構成及び特長は全て、それらが該当するかぎり、ここでも又適用される。第１の基板層が任意には第１の導電性表面を有する（又はその他の形で導電性である）ということは指摘に値する。
もう１つの関連する実施形態クラスは、第１のナノ構造集合を含む第１の層及び第２の
ナノ構造集合を含む第２の層を含む層状デバイスを製造するためのシステムを提供している。第１の集合のナノ構造は、第１の材料を含み、第２の集合のナノ構造は第１の材料とは異なる第２の材料を含む。該システムは、第１の基板層の供給源、第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム、層被着システムに流動的に連結された第１のナノ構造集合を含む第１の組成物の供給源（層被着システムは、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置され、第１の層を提供している）、及び層被着システムに流動的に連結された第２のナノ構造集合を含む第２組成物の供給源（層被着システムは、基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置され、第２の層を提供している）を含んでいる。
例えばナノ構造タイプ、材料タイプ、遮断層及び／又は密閉層の提供、ナノ構造の融合、部分融合及び／又は焼結、第２の導電性材料の層の提供、層被着システムのタイプなどについて、上述の実施形態において指摘されたさまざまな任意の構成及び特長は全て、それらが該当するかぎり、ここでも又適用される。
ＶＩ．ナノ構造の合成
異なる材料に適合させることのできる適切な多くの方法のうちのいずれによってでも、ナノ構造を製造してそのサイズを制御することができる。例えば、さまざまな組成物のナノ結晶の合成が、例えばペングら（Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「ＣｄＳｅナノ結晶の形状制御（Ｓｈａｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＣｄＳｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）」、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、４０４、５９−６１；プンテスら（Ｐｕｎｔｅｓ ｅｔ ａｌ．）（２００１）「コロイド状ナノ結晶形状及びサイズ制御：コバルトの場合（Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ
ｃｏｎｔｒｏｌ： Ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｂａｌｔ）」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２９１、２１１５−２１１７；「成形されたＩＩＩ−Ｖ群半導体ナノ結晶の形成プロセス及びそれを用いて形成された製品（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ
ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ−Ｖ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ， ａｎｄ ｐｒｏｄｃｕｔ ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，３０６，７３６号明細書（２００１年１０月２３日）；「成形されたＩＩ−ＶＩ群半導体ナノ結晶の形成プロセス及びそれを用いて形成された製品（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩ−ＶＩ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ， ａｎｄ ｐｒｏｄｃｕｔ ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，２２５，１９８号明細書（２００１年５月１日）；「ＩＩＩ−Ｖ半導体ナノ結晶の調製（Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＩＩ−Ｖ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第５，５０５，９２８号明細書（１９９６年４月９日）；「自己組織化単膜層を用いて固体無機表面に対し共有結合された半導体ナノ結晶（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ
ｂｏｕｎｄ ｔｏ ｓｏｌｏｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第５，７５１，０１８号明細書（１９９８年５月１２日）；「封止された量子サイズのドーピングされた半導体粒子及びその製造方法（Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｉｚｅｄ ｄｏｐｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓａｍｅ）」という題のガラハーら（Ｇａｌｌａｇｈｅｒ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，０４８，６１６号明細書（２０００年４月１１日）；及び「生物学的利用分野のための有機発光性半導体ナノ結晶プローブ及びかかるプローブの製造及び使用プロセス（Ｏｒｇａｎｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｐｒｏｂｅｓ ｏｆｒｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｉｔｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｅｓ）」という題のワイスら（Ｗｅｉｓｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第５，９９０，４７９号明細書（１９９９年１１月２３日）の中で記述されている。
制御された直径を有するナノワイヤを含めたさまざまな縦横比をもつナノワイヤの成長については、ガディクセンら（Ｇｕｄｉｋｓｅｎ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「半導体ナノワイヤの直径選択的合成（Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２２、８８０１−８８０２；キュイら（Ｃｕｉ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「単結晶シリコンナノワイヤの直径制御された合成（Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８、２２１４−２２１６；ガディクセンら（Ｇｕｄｉｋｓｅｎ ｅｔ ａｌ．）（２００１）「単結晶半導体ナノワイヤの直径及び長さの合成制御（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０５、４０６２−４０６４；モラールら（Ｍｏｒａｌｅｓ ｅｔ ａｌ．）（１９９８）「結晶質半導体ナノワイヤの合成のためのレーザーアブレーション方法（Ａ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２７９、２０８−２１１；ジュアンら（Ｄｕａｎ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「化合物半導体ナノワイヤの一般的合成（Ｇｅｎｅｒａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｏｃｕｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１２、２９８−３０２；キュイら（Ｃｕｉ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「シリコンナノワイヤ内のドーピング及び電気的輸送（Ｄｏｐｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０４、５２１３−５２１６；ペングら（Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「ＣｄＳｅナノ結晶の形状制御（Ｓｈａｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＣｄＳｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）」、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）４０４、５９−６１；プンテスら（Ｐｕｎｔｅｓ ｅｔ ａｌ．）（２００１）「コロイド状ナノ結晶形状及びサイズ制御：コバルトの場合（Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｃｏｎｔｒｏｌ： Ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｂａｌｔ）」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２９１、２１１５−２１１７；「成形されたＩＩＩ−Ｖ群半導体ナノ結晶の形成プロセス及びそれを用いて形成された製品（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ−Ｖ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ， ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔ
ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，３０６，７３６号明細書（２００１年１０月２３日）；「成形されたＩＩ−ＶＩ群半導体ナノ結晶の形成プロセス及びそれを用いて形成された製品（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩ−ＶＩ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ， ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）」という題のアリビサトスら（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，２２５，１９８号明細書（２００１年５月１日）；「金属酸化物ナノロッドを製造する方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ）」という題のリーバーら（Ｌｉｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，０３６，７７４号明細書（２０００年３月１４日）；「金属酸化物ナノロッド（Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ）」という題のリーバーら（Ｌｉｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．）に対
する米国特許第５，８９７，９４５号明細書（１９９９年４月２７日）；「カーバイドナノロッドの調製（Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ）」という題のリーバーら（Ｌｉｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第５，９９７，８３２号明細書（１９９９年１２月７日）；ウルバウら（Ｕｒｂａｕ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムから成る単結晶灰チタン石ナノワイヤの合成（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｂａｒｉｕｍ
ｔｉｔａｎａｔｅ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２４、１１８６；及びユンら（Ｙｕｎ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「走査型プローブ顕微鏡検査により調査された個々のチタン酸バリウムナノワイヤの強誘電特性（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｂａｒｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｉｎｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ Ｓｃａｎｎｅｄ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、ナノレターズ（Ｎａｎｏｌｅｔｔｅｒｓ）、２、４４７の中で記述されている。
分岐ナノワイヤ（例えばナノテトラポット、トリポッド、バイポッド及び分岐テトラポッド）の成長については、例えばジュンら（Ｊｕｎ ｅｔ ａｌ．）（２００１）「単一界面活性剤系を用いた分岐したＣｄＳナノロッドアーキテクチャの制御された合成（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ａｒｍｅｄ ＣｄＳ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｎｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２３、５１５０−５１５１；及びマンナら（Ｍａｎｎａ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「溶解性でかつ加工可能なロッド形、矢形、涙滴形及びテトラポッド形ＣｄＳｅナノ結晶の合成（Ｓｙｎｔｅｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｌｅ
Ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ Ｒｏｄ−，Ａｒｒｏｗ−，Ｔｅａｒｄｒｏｐ−，ａｎｄ Ｔｅｔｒａｐｏｄ−Ｓｈａｐｅｄ ＣｄＳｅ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２２、１２７００−１２７０６の中で記述されている。
ナノ粒子の合成については、例えば、「半導体粒子の製造方法（Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」という題のクラークジュニアら（Ｃｌａｒｋ Ｊｒ．ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第５，６９０，８０７号明細書（１９９７年１１月２５日）；「酸化ケイ素合金のナノ粒子（ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｉｄｅ ａｌｌｏｙｓ）」という題のエル・シャールら（Ｅｌ−Ｓｈａｌｌ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，１３６，１５６号明細書（２０００年１０月２４日）；「逆ミセル媒介型技術によるナノメートルサイズの粒子の合成（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｉｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ ｒｅｖｅｒｓｅ ｍｉｃｅｌｌｅ ｍｅｄｉａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）」という題のイングら（Ｙｉｎｇ ｅｔ ａｌ．）に対する米国特許第６，４１３，４８９号明細書（２００２年７月２日）；及びリュウら（Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．）（２００１）「自立形強誘電性チタンジルコン酸鉛ナノ粒子のゾル−ゲル合成（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２３、４３４４の中で記述されている。ナノ粒子の合成は同様に、結果として得られるナノ構造が約１．５未満の縦横比を有する場合、ナノ結晶、ナノワイヤ、及び分岐ナノワイヤの成長についての上述の引用文献の中でも記述されている。
コア−シェルナノ構造ヘテロ構造、すなわちナノ結晶及びナノワイヤ（例えばナノロッド）コア−シェルヘテロ構造の合成については、例えばペングら（Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．）（１９９７）「光安定性及び電子アクセシビリティを伴う発光性の高いＣｄＳｅ／ＣｄＳコア／シェルナノ結晶のエピタキシャル成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ
ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ＣｄＳｅ／ＣｄＳ ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１９、７０１９−７０２９；ダブシら（Ｄａｂｂｏｕｓｉ ｅｔ ａｌ．）（１９９７）「（ＣｄＳｅ）ＺｎＳコア−シェル量子ドット：発光性の高ナノ結晶サイズシリーズの合成及び特徴づけ（（ＣｄＳｅ）ＺｎＳ ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ： Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ
ｓｉｚｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｎａｎｏｃｒｙｓａｌｌｉｔｅｓ）」、Ｊ．Ｐｈｙ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０１、９４６３−９４７５；マンナら（Ｍａｎｎａ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「コロイドＣｄＳｅナノロッド上の傾斜ＣｄＳ／ＺｎＳシェルのエピタキシャル成長及び光化学アニーリング（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｆ
ｇｒａｄｅｄ ＣｄＳ／ＺｎＳ ｓｈｅｌｌｓ ｏｎ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ＣｄＳｅ
ｎａｎｏｒｏｄｓ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２４、７１３６−７１４５；及びカオら（Ｃａｏ ｅｔ ａｌ．）（２０００）「ＩｎＡｓコアを伴う半導体コア／シェルナノ結晶の成長及び特性（Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ＩｎＡｓ ｃｏｒｅｓ）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２２、９６９２−９７０２の中で記述されている。同様のアプローチは他のコアーシェルナノ構造の成長に応用できる。
ナノワイヤの長軸に沿った異なる場所で異なる材料が分布させられているナノワイヤヘテロ構造の成長については、例えば、ガディクセンら（Ｇｕｄｉｋｓｅｎ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「ナノスケールフォトニクス及びエレクトロニクスのためのナノワイヤ超格子構造の成長（Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、４１５、６１７−６２０；ビヨルクら（Ｂｊｏｒｋ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「実現された電子のための一次元スティープルチェース（Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｅｅｐｌｅｃｈａｓｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ）」、ナノレターズ（Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２、８６−９０；ウーら（Ｗｕ ｅｔ ａｌ．）（２００２）「単結晶Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子ナノワイヤのブロック毎の成長（Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ−ｂｌｏｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ／ＳｉＧｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」、ナノレターズ（Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２、８３−８６；及び「情報を符号化するためのナノワイヤヘテロ構造（Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」という題のエムペドクレス（Ｅｍｐｅｄｏｃｌｅｓ）に対する米国特許出願第６０／３７０，０９５号明細書（２００２年４月２日）の中で記述されている。同様のアプローチは他のヘテロ構造の成長に応用できる。
或る種の実施形態においては、ナノ構造の集合体又は集合は実質的にサイズかつ／又は形状において単分散である。例えば「ナノ晶子の調製（Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ）」という題のバウェンディら（Ｂａｗｅｎｄｉ ｅｔ ａｌ．）による米国特許出願第２００２００７１９５２号明細書を参照のこと。
キット
本明細書中のデバイス及び組成物は、キットとして実装可能である。例えば、本発明のデバイス又は組成物のうちのいずれでも、１つ以上のコンテナの中に実装可能である。同様にして、キットは、本明細書中の方法を実践し、本明細書中のデバイスを作動させ、本明細書中の組成物を使用しかつ／又は本明細書中のシステムを作動させるために使用可能
な説明書を内含することができる。キットは、保護用実装材料、デバイス又はシステムのコンポーネントの組立てのための説明書、デバイス又はシステムを電気入力端又は出力端などに連結するための電気的連結といったようなその他の適切な特長を内含することができる。
理解を目的として幾分か詳細に記述されてきたものの、請求対象の本発明の範囲は、この開示に制限されるものではなく、本明細書に又は制限的な意味なくあらゆる全体的又は部分的継続、分割、再発行、再審査などを含めた任意の関連する特許又は出願に添付された請求項によってのみ制限されるものである。
以下では、ナノ複合材及びナノ構造ベースの光起電性デバイスの構成を実証する一連の実験について記述する。本明細書に記述されている実施例及び実施形態は、例示のみを目的としていること、そしてそれに照らし合わせたさまざまな修正又は変更が、当業者に示唆されることになり、それらは本発明の精神及び視野そして添付の請求項の範囲内に内含されるべきものである。従って、以下の例は、請求対象の発明を制限するためではなく例示するために提供されている。
実施例１：ナノ複合材光起電性デバイス
本発明は、ＣｄＳｅナノ結晶−Ｐ３ＨＴ重合体ナノ複合材光起電性デバイスの製造について記述している。ＣｄＳｅナノロッドが使用されてきたが、その他のナノ構造タイプ及び／又は組成物と同様にＣｄＳｅナノテトラポットも使用可能である。
基板清浄
例えば以下の手順を用いて、基板（例えば、シン・フィルム・デバイシズ社（Ｔｈｉｎ
Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）ｗｗｗ．ｔｆｄｉｎｃ．ｃｏｍのガラス上のＩＴＯ）を清浄する。基板をイソプロパノールで拭い、イソプロパノールで超音波処理し、２％のヘルマネックス（Ｈｅｌｌｍａｎｅｘ）ＴＭ脱イオン水中で超音波処理し、流れる脱イオン水下で非常に徹底的にすすぎ、脱イオン水で超音波処理し、脱イオン水で超音波処理し、半導体グレードのアセトン中で超音波処理し、半導体グレードのアセトン中で超音波処理し、半導体グレードのイソプロパノール中で超音波処理する。各々の音波処理は１５分間である。その後、８０ｍトールの真空内へ約４００ｍトールの圧力で酸素が導入されている状態で１０分間、２００Ｗ（１％の反射パワー）で基板を酸素プラズマ清浄する。
ＰＥＤＯＴ層処理
孔径０．２μｍの酢酸セルロースフィルタを通して、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（例えばＨ．Ｃ．スターク（Ｓｔａｒｃｋ）製のベイトロン（Ｂａｙｔｒｏｎ）（登録商標） Ｐ ＶＰ、ＡＩ４０８３）をろ過する。ＰＥＤＯＴを６０秒間３０００ｒｐｍで基板上にスピンコーティングする。その後、ＰＥＤＯＴ層を大気条件下で６０分間１２０℃でホットプレート上で、スピンコーティングされた基板を焼くことによって硬化させる。
クロロホルム（ＣＨＣ１３）溶液中のＰ３ＨＴの調製
Ｐ３ＨＴ溶液をアルゴン雰囲気を用いてグローブボックス中で調製する。Ｐ３ＨＴに無水クロロホルム（予め孔径０．２μｍのＰＴＦＥフィルタでろ過されたもの）を加え、かくして結果として得られた溶液中のＰ３ＨＴの濃度が２０ｍｇ／ｍｌとなるようにする。溶液を５分間渦流処理し、撹拌プレート上で約１時間撹拌し、５６℃で１０分間撹拌しながら加熱する。Ｐ３ＨＴ：クロロホルム溶液を孔径０．２μｍのＰＴＦＥフィルタでろ過し、光と酸素から保護する。
ナノ結晶溶液の調製
ナノ結晶溶液をグローブボックス中で調製する。７０〜８０ｍｇ／ｍｌの間の濃度で、無水クロロホルム（予め孔径０．２μｍのＰＴＦＥフィルタでろ過されたもの）中でＣｄＳｅナノ結晶を溶解させる。グローブボックスからＣｄＳｅナノ結晶溶液の既知の量の小アリコートを除去し、ナノ結晶を窒素流下で乾燥させ、ナノ結晶を秤量してナノ結晶溶液の濃度を決定する（酸素に露呈されたナノ結晶はこのとき廃棄され、光起電性デバイスを製造するのに使用されない）。必要とあらば、グローブボックス内に残っているナノ結晶溶液の濃度を７０〜８０ｍｇ／ｍｌに調整するために、付加的なクロロホルムが添加される。
ナノ結晶の調製：Ｐ３ＨＴ配合物溶液
ＣｄＳｅナノ結晶：重合体溶液は同じくグローブボックスは中で調製される。ＣｄＳｅ：ＣＨＣ１３溶液及びＰ３ＨＴ：ＣＨＣ１３溶液をマイクロ遠心分離機管内へと組合せ、ＣｄＳｅ：Ｐ３ＨＴの重量比が９０：１０で、最終溶液中のＰ３ＨＴ濃度が５〜７ｍｇ／ｍｌの間で、最終溶液中のＣｄＳｅナノ結晶の濃度が５０〜７０ｍｇ／ｍｌの間となるようにする。例えば、ＣＨＣ１３中のＣｄＳｅの濃度が７５ｍｇ／ｍｌでＣＨＣ１３中のＰ３ＨＴが２０．０ｍｇ／ｍｌである場合、３００μｌのＣｄＳｅナノ結晶溶液と１２５μｌのＰ３ＨＴ溶液を混合し、かくして結果としてのＣｄＳｅ：Ｐ３ＨＴ比が９０：１０、結果としてのＰ３ＨＴの濃度が５．９ｍｇ／ｍｌそして結果としてのＣｄＳｅ濃度が５２．９ｍｇ／ｍｌとなるようにする。溶液を２分間渦流処理し、マイクロ遠心分離機中で１１，０００ｒｐｍで２分間遠心分離する。
ナノ結晶：Ｐ３ＨＴ配合物溶液のスピンコーティング
ＣｄＳｅナノ結晶：Ｐ３ＨＴ配合物を、（グローブボックス内で）ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ基板上にスピンコーティングする。一般的には、４０秒間１２００ｒｐｍのスピン速度で、各基板について１００μｌの溶液を使用する。基板の裏面上のあらゆる溶液を、クロロホルムで拭うことによって除去する。
アルミニウム陰極の蒸発
蒸発器内に、酸素に対する露呈なくナノ複合材−ＰＥＤＯＴでコーティングされた基板を移す。約２００ｎｍの厚みまで、１×１０−７トール未満の真空下で５Ａ／秒の速度にてアルミニウム（純度９９．９９９％）をこれらの基板上に蒸着させる。
銀ペースト
ＩＴＯ電極接続ピンの上面のあらゆるナノ複合材及び／又はＰＥＤＯＴフィルムを除去する。ＩＴＯピンに対する電気接続を樹立するため、銀ペーストを適用する。結果としてのデバイスを次に、望まれる通りに特徴づけする。
実施例２：ＣｄＳｅ−ＣｄＴｅナノ結晶光起電性デバイス
この例は、ナノ結晶、ＣｄＳｅナノ結晶及びＣｄＴｅナノ結晶の２つの互いに混合された集合を含む光起電性デバイスの製造について記述している。
基板洗浄
例えば以下の手順を用いて、基板（例えば、シン・フィルム・デバイシズ社（Ｔｈｉｎ
Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）ｗｗｗ．ｔｆｄｉｎｃ．ｃｏｍのガラス上のＩＴＯ）を清浄する。基板をイソプロパノールで拭い、イソプロパノールで超音波処理し、２％のヘルマネックス（Ｈｅｌｌｍａｎｅｘ）ＴＭ脱イオン水中で超音波処理し、流れる脱イオン水下で非常に徹底的にすすぎ、脱イオン水で超音波処理し、半導体グレードのアセトン中で超音波処理し、半導体グレードのイソプロパノール中で超音波処理する。各々
の音波処理は１５分間である。その後、８０ｍトールの真空内へ約４００ｍトールの圧力で酸素が導入されている状態で１０分間、２００Ｗ（１％の反射パワー）で基板を酸素プラズマ清浄する。
ＰＥＤＯＴ層処理
孔径０．２μｍの酢酸セルロースフィルタを通して、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（例えばＨ．Ｃ．スターク（Ｓｔａｒｃｋ）製のベイトロン（Ｂａｙｔｒｏｎ）（登録商標） Ｐ ＶＰ、ＡＩ４０８３）をろ過する。ＰＥＤＯＴを６０秒間３０００ｒｐｍで基板上にスピンコーティングする。その後、ＰＥＤＯＴ層を大気条件下で６０分間１２０℃でホットプレート上で、スピンコーティングされた基板を焼くことによって硬化させる。
ＣｄＳｅ：ＣｄＴｅ二結晶配合物溶液の調製
アルゴン雰囲気を用いてグローブボックス内でＣｄＳｅ：ＣｄＴｅ二結晶配合物溶液を調製する。トルエン中に溶解させイソプロパノールで３回沈降させることによりＣｄＴｅナノ結晶を洗浄する。トルエン中に溶解させメタノールで３回沈降させることによりＣｄＳｅナノ結晶を洗浄する。表面処理のため、トルエン及びフェニルホスホン酸（ＰＰＡ）の溶液中で２０時間１１０℃で、ＣｄＳｅ及びＣｄＴｅの両方のナノ結晶を撹拌する。（表面処理ステップは必要でないかもしれず省略可能であるか、または例えばピリジンを用いた異なるナノ結晶清浄手順とそれに続くＰＰＡ又はもう１つのリガンドでの処理をこのステップに代わって用いることができる）。イソプロパノールでの沈降の後、ナノ結晶をトルエン中で、例えばそれぞれ９５ｍｇ／ｍｌ（ＣｄＴｅについて）及び１１０ｍｇ／ｍｌ（ＣｄＳｅについて）の濃度で溶解させる。ＣｄＴｅ：トルエン溶液及びＣｄＳｅ：トルエン溶液を、１．５ｍｌ入りのガラスバイアル内と組合せ、かくしてＣｄＴｅ：ＣｄＳｅの重量比が５０：５０、最終溶液中のナノ結晶の濃度が約８０〜１００ｍｇ／ｍｌの間となるようにする。例えば、トルエン中のＣｄＴｅの濃度が９５ｍｇ／ｍｌで、トルエン中のＣｄＳｅが１１０ｍｇ／ｍｌである場合、５００μｌのＣｄＴｅナノ結晶溶液と４３２μｌのＣｄＳｅナノ結晶溶液を混合して、結果としてのＣｄＴｅ：ＣｄＳｅ比が５０：５０で、結果としてのナノ結晶濃度が１０２ｍｇ／ｍｌとなるようにする。溶液を２分間渦流処理し、１０分間５６℃で加熱し、１５分間超音波処理させる。溶液をマイクロ遠心分離機バイアルに移し、それをマイクロ遠心分離機の中で１１，０００ｒｐｍで２分間遠心分離に付す。
ＣｄＳｅ：ＣｄＴｅナノ結晶配合物溶液のスピンコーティング
ＣｄＴｅ：ＣｄＳｅ溶液を、（グローブボックス内で）ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ基板上にスピンコーティングする。一般的には、４０秒間９５０ｒｐｍのスピン速度で、各基板について１２０μｌの溶液を使用する。基板の裏面上のあらゆる溶液を、クロロホルムで拭うことによって除去する。
アルミニウム陰極の蒸発
蒸発器内に、酸素に対する露呈なくナノ結晶−ＰＥＤＯＴでコーティングされた基板を移す。約２００ｎｍの厚みまで、１×１０−７トール未満の真空下で５Ａ／秒の速度にてアルミニウム（純度９９．９９９％）をこれらの基板上に蒸着させる。
銀ペースト
ＩＴＯ電極接続ピンの上面のあらゆるナノ結晶及び／又はＰＥＤＯＴフィルムを除去する。ＩＴＯピンに対する電気接続を樹立するため、銀ペーストを適用する。結果としてのデバイスを次に、望まれる通りに特徴づけする。
以上のことから、本発明の変形形態及び使用が包含されていることが理解されるだろう
。例えば、本発明のデバイスを形成するために、本発明の組成物のいずれでも使用することができる。本発明の組成物及び／又はデバイスを作るために本発明のシステムを使用することができる。本明細書中の組成物、システム又はデバイスを作るために本発明の方法を用いることができる。類似の変形形態が、当業者には明らかとなることだろう。
さらに、上述の発明は、明確さ及び理解を目的として幾分か詳細に記述されてきたが、当業者にとっては、この開示を読むことにより、形態及び細部におけるさまざまな変更を本発明の真の範囲から逸脱することなく行なうことができるということが明白となるだろう。例えば、上述の全ての技術及び装置を、さまざまな組合せにおいて使用することができる。本出願中に引用されている全ての刊行物、特許、特許出願及び／又はその他の文書は、各々個々の刊行物、特許、特許出願及び／又はその他の文書が個々に全ての目的のため参照により援用されるべく指示されている場合と同じレベルで、すべての目的のため本明細書中にその全体が参考により援用されている。
本発明に従った簡略化された光起電性デバイスの横断面図の概略的例示である。 本発明に従ったナノ複合材光起電性デバイスの要素のエネルギー線図を概略的に例示する。 活性層中の異なるナノ複合材の組成及び構成及びそれを通る電子伝導の比較を概略的に例示している。 活性層中の位置づけされたナノ結晶の横断面図を概略的に例示している。 可変的直径のＣｄＳｅナノロッドの吸収スペクトルのプロットである。 密閉型光起電性デバイスを概略的に例示している。 上部表面上にメッシュ型、有孔型、又は部分的に透明又は半透明の電極を内含する光起電性デバイスの代替的構成を概略的に例示している。 本発明に従った可撓性又は形状適合性ある光起電性デバイスの複数の代替的構成を概略的に例示している。 本発明に従った光起電性デバイスの高生産性製造用のシステム及びプロセスを概略的に例示している。 本発明に従った簡略化された光起電性デバイスの横断面図の概略的例示である。 本発明に従った簡略化された光起電性デバイスの横断面図の概略的例示である。 本発明に従った簡略化された光起電性デバイスの横断面図の概略的例示である。

Claims (165)

  1. 第１の電極層；
    第２の電極層；及び
    前記第１及び第２の電極層の間に配置された第１の光活性層、
    を含む光起電性デバイスにおいて、
    前記光活性層が第１の平面に沿って前記第１の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態でかつ第２の平面に沿って前記第２の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されており、前記光活性層がＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す材料を含み、かつ少なくとも前記第１の平面に対して主として垂直に方向づけられている少なくとも１つの細長い断面を各々有するナノ構造の第１の集合を含む、光起電性デバイス。
  2. 前記ナノ構造が、２つ以上の細長いセグメントを有する分岐ナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  3. 前記分岐ナノ結晶が、共通の頂点で連結され実質的に４面体幾何形状で配置された４つの細長いセグメントを含む、請求項２に記載の光起電性デバイス。
  4. 前記ナノ構造が、少なくともＩＩ−ＶＩ群、ＩＩＩ−Ｖ群又はＩＶ群半導体又はその合金の中から選択された半導体から成る一部分を含んでいる、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  5. 前記ナノ構造集合がＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、又はＰｂＴｅのうちの１つ以上のものを含むナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  6. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  7. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  8. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  9. 前記ナノ構造集合が、第１の半導体材料のコア及び前記第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料のシェルを含むナノ結晶を含んでいる、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  10. 前記第１及び第２の半導体材料がＩＩ型バンドオフセットプロフィールを含む、請求項９に記載の光起電性デバイス。
  11. 前記コアがＣｄＳｅを含み、前記シェルがＣｄＴｅを含む、請求項１０に記載の光起電性デバイス。
  12. 前記コアがＩｎＰを含み、前記シェルがＧａＡｓを含む、請求項１０に記載の光起電性デバイス。
  13. 前記光活性層が導電性高分子材料マトリクス内に配置されたナノ結晶を含み、前記ナノ結晶が前記重合体マトリクスに連結されている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  14. 前記ナノ結晶が、共有結合による化学リンケージを介して前記重合体マトリクスに連結されている、請求項１３に記載の光起電性デバイス。
  15. 前記化学リンケージが、第１の位置でナノ結晶の外側表面に、又第２の位置で前記重合体マトリクスに連結されたリガンドを含む、請求項１４に記載の光起電性デバイス。
  16. 前記ナノ結晶が前記重合体マトリクスに対して電気的に連結されている、請求項１３に記載の光起電性デバイス。
  17. 前記ナノ構造集合の大部分が、前記第２の電極よりも前記第１の電極の近くに位置づけされている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  18. 前記光活性層と前記第１又は第２の電極との間に配置された正孔又は電子遮断層をさらに含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  19. 前記光活性層と前記第１の電極との間に配置された正孔遮断層及び前記光活性層と前記第２の電極との間に配置された電子遮断層をさらに含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  20. 前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つが可撓性である、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  21. 前記第１及び第２の電極及び前記光活性層が可撓性である、請求項２０に記載の光起電性デバイス。
  22. 前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つが透明な導電性層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  23. 前記第１又は第２の電極を少なくとも部分的にカバーするか又は前記光活性層を少なくとも部分的にカバーするか又はその組合せを少なくとも部分的にカバーする透明支持体層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  24. 前記電極のうちの少なくとも１つがアルミニウムを含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  25. 前記光活性層が気密封止されている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  26. 前記第１及び第２の電極に加えて少なくとも１つの密閉層を含む、請求項２５に記載の光起電性デバイス
  27. 少なくとも第１及び第２の密閉層、前記光活性層及び前記第１及び第２の密閉層の間にはさまれた第１及び第２の電極を含む、請求項２６に記載の光起電性デバイス。
  28. 全体が非平面アーキテクチャを構成する、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  29. 凸状アーキテクチャを構成する、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  30. 前記第１の電極層、前記光活性層及び前記第２の電極層がコイル状アーキテクチャ内で方向づけされている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  31. 前記第１の電極層、前記光活性層及び前記第２の電極層が往復積層アーキテクチャ内で方向づけされている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  32. 前記光活性層内の前記ナノ構造集合が、各々異なる吸収スペクトルを有する少なくとも２つの異なるナノ結晶亜集合を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  33. 前記異なるナノ結晶亜集合が異なる組成物を含む、請求項３２に記載の光起電性デバイス。
  34. 前記異なるナノ結晶亜集合が、異なるサイズ分布を有するナノ結晶を含む、請求項３２に記載の光起電性デバイス。
  35. 前記光活性層内の前記ナノ構造が集合的に少なくとも２つの無機材料を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  36. 前記光活性層内の前記ナノ構造が少なくとも２つの無機材料を集合的に含み、前記ナノ構造が第１の無機材料のコア及び第２の無機材料のシェルを含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  37. 前記光活性層が少なくとも２つの型のナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  38. 前記光活性層が融合、部分融合及び／又は焼結ナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  39. 前記光活性層内の少なくとも２つの隣接するナノ構造のコアが少なくとも部分的に電気的に接触した状態にあり、前記少なくとも２つの隣接するナノ構造のシェル又は少なくとも２つの付加的なナノ構造が少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  40. 前記光活性層が少なくとも２つの活性副層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  41. 前記光活性層が少なくとも２つの活性副層を含み、前記活性副層の各々が少なくとも１つのナノ結晶型の複数のナノ結晶を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  42. 前記光活性層が少なくとも２つの副層を含み、前記少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型副層を含み、前記２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型副層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  43. 前記光活性層が少なくとも２つの副層を含み、前記少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型副層を含み、前記２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型副層を含み、前記光活性層がｐ型副層とｎ型副層との間の接合部を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  44. 前記光活性層がｐ及びｎナノ結晶の配合物を含む少なくとも１つの副層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  45. 少なくとも１つの第２の光活性層を含む、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  46. 第３の電極層；
    第４の電極層；及び
    前記第３及び第４の電極層の間に配置された第２の光活性層、
    を含み、
    前記第２の光活性層が第３の平面に沿って前記第３の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態でかつ第４の平面に沿って前記第４の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されており、前記第２の光活性層がＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示し、かつ少なくとも前記第３の平面に対して主として垂直に方向づけられている少なくとも１つの細長い断面を各々有しかつ前記第１のナノ構造集合とは異なる吸収スペクトルを有する第２のナノ構造集合を含み、前記第３の電極層、第４の電極層及び第２の光活性層が前記第１の電極層、第２の電極層及び第１の光活性層に付着されているもののこれらから電気的に絶縁されている、請求項１に記載の光起電性デバイス。
  47. 第１の電極層；
    第２の電極層；及び
    前記第１及び第２の電極層の間に配置された第１の光活性層、
    を含む光起電性デバイスにおいて、
    前記光活性層が第１の平面に沿って前記第１の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態でかつ第２の平面に沿って前記第２の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されており、前記光活性層が第１の無機材料及びこれとは異なる第２の無機材料を含み、これらの第１及び第２の無機材料がＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示し、前記光活性層が、前記第１の無機材料、前記第２の無機材料又はそれらの組合せを含むナノ構造の第１の集合を含む光起電性デバイス。
  48. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  49. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  50. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  51. 前記第１の無機材料が半導体であり、前記第２の無機材料が半導体である、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  52. 前記第１の無機材料が、第ＩＩ〜ＶＩ群の半導体、第ＩＩＩ〜Ｖ群の半導体、第ＩＶ群の半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された第１の半導体を含み、前記第２の無機材料が前記第１の半導体とは異なる、第ＩＩ〜ＶＩ群の半導体、第ＩＩＩ〜Ｖ群の半導体、第ＩＶ群の半導体及びそれらの合金から成る群の中から選択された第２の半導体を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  53. 前記第１のナノ構造集合が、前記第１の無機材料のコア及び前記第２の無機材料のシェルを含むナノ結晶を含んでいる、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  54. 前記コアがＣｄＳｅを含み、前記シェルがＣｄＴｅを含む、請求項５３に記載の光起電性デバイス。
  55. 前記コアがＩｎＰを含み、前記シェルがＧａＡｓを含む、請求項５３に記載の光起電性デバイス。
  56. 前記ナノ結晶が融合、部分融合及び／又は焼結されている、請求項５３に記載の光起電性デバイス。
  57. 少なくとも２つの隣接するナノ結晶の前記コアが少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にあり、少なくとも２つの隣接するナノ結晶の前記シェルが少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある、請求項５３に記載の光起電性デバイス。
  58. １つ以上のナノ結晶の前記コアが前記第１の電極又は前記第２の電極と少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある、請求項５３に記載の光起電性デバイス。
  59. 前記第１のナノ構造集合が前記第１の無機材料を含むナノ結晶を含み、前記光活性層がさらに、前記第２の無機材料を含むナノ結晶を含む第２のナノ結晶集合を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  60. 前記第１の無機材料がＣｄＳｅを含み前記第２の無機材料がＣｄＴｅを含むか、前記第１の無機材料がＣｄＳを含み前記第２の無機材料がＣｄＴｅを含むか、又は前記第１の無機材料がＣｄＳを含み前記第２の無機材料がＺｎＳｅを含む、請求項５９に記載の光起電性デバイス。
  61. 隣接するナノ結晶が互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある、請求項５９に記載の光起電性デバイス。
  62. 前記第１の集合の前記ナノ結晶及び前記第２の集合の前記ナノ結晶が前記光活性層内で互いに混合されている、請求項５９に記載の光起電性デバイス。
  63. 前記光活性層が第１の副層と第２の副層とを含み、前記第１の副層が前記第１のナノ結晶集合を含み、前記第２の副層が前記第２のナノ結晶集合を含む、請求項５９に記載の光起電性デバイス。
  64. 前記第１及び／又は第２の集合のナノ結晶が融合、部分融合及び／又は焼結されている、請求項５９に記載の光起電性デバイス。
  65. 前記光活性層が少なくとも２つの活性副層を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  66. 前記光活性層が少なくとも２つの活性副層を含み、前記活性副層の各々が少なくとも１つのナノ結晶型の複数のナノ結晶を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  67. 前記光活性層が少なくとも２つの副層を含み、前記少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型副層を含み、前記２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型副層を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  68. 前記光活性層が少なくとも２つの副層を含み、前記少なくとも２つの副層のうちの少なくとも１つがｎ型副層を含み、前記２つの副層のうちの少なくとも１つがｐ型副層を含み、前記光活性層がｐ型副層とｎ型副層との間の接合部を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  69. 前記光活性層がｐ及びｎナノ結晶の配合物を含む少なくとも１つの副層を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  70. 前記光活性層がさらに導電性高分子材料を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  71. 前記光活性層が実質的に導電性高分子材料を含まない、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  72. 前記光活性層がさらに非導電性高分子材料を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  73. 前記第１の集合のナノ構造が各々、少なくとも前記第１の平面に対し主として垂直に方向づけされた少なくとも１つの細長い断面を有する、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  74. 前記ナノ構造が、２つ以上の細長いセグメントを有する分岐ナノ結晶を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  75. 前記分岐ナノ結晶が、共通の頂点で連結され実質的に４面体幾何形状で配置された４つの細長いセグメントを含む、請求項７４に記載の光起電性デバイス。
  76. 前記光活性層と前記第１又は第２の電極との間に配置された正孔又は電子遮断層をさらに含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  77. 前記光活性層と前記第１の電極との間に配置された正孔遮断層及び前記光活性層と前記第２の電極との間に配置された電子遮断層をさらに含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  78. 前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つが可撓性である、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  79. 前記第１及び第２の電極及び前記光活性層が可撓性である、請求項７８に記載の光起電性デバイス。
  80. 前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つが透明な導電性層を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  81. 前記電極のうちの少なくとも１つがアルミニウムを含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  82. 前記光活性層が気密封止されている、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  83. 前記第１及び第２の電極に加えて少なくとも１つの密閉層を含む、請求項８２に記載の光起電性デバイス。
  84. 少なくとも第１及び第２の密閉層、前記光活性層及び前記第１及び第２の密閉層の間にはさまれた第１及び第２の電極を含む、請求項８３に記載の光起電性デバイス。
  85. 全体が非平面アーキテクチャを構成する、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  86. 凸状アーキテクチャを構成する、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  87. 前記第１の電極層、前記光活性層及び前記第２の電極層がコイル状アーキテクチャ内で方向づけされている、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  88. 前記第１の電極層、前記光活性層及び前記第２の電極層が往復積層アーキテクチャ内で方向づけされている、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  89. 前記第１のナノ構造集合が、各々異なる吸収スペクトルを有する少なくとも２つの異なるナノ結晶亜集合を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  90. 前記異なるナノ結晶亜集合が異なる組成物を含む、請求項８９に記載の光起電性デバイス。
  91. 前記異なるナノ結晶亜集合が、異なるサイズ分布を有するナノ結晶を含む、請求項８９に記載の光起電性デバイス。
  92. 少なくとも１つの第２の光活性層を含む、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  93. 第３の電極層；
    第４の電極層；及び
    前記第３及び第４の電極層の間に配置された第２の光活性層、
    を含み、
    前記第２の光活性層が第３の平面に沿って前記第３の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態でかつ第４の平面に沿って前記第４の電極と少なくとも部分的に電気的に接触した状態で配置されており、前記第２の光活性層が、前記第１のナノ構造集合とは異なる吸収スペクトルを有する第２のナノ構造集合を含み、かつ前記第３の電極層、第４の電極層及び第２の光活性層が前記第１の電極層、第２の電極層及び第１の光活性層に付着されているもののこれらから電気的に絶縁されている、請求項４７に記載の光起電性デバイス。
  94. 第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含む組成物において、前記第１の集合が第１の材料を含むナノ構造を含み、前記第２の集合が前記第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含んでいる、組成物。
  95. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項９４に記載の組成物。
  96. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項９４に記載の組成物。
  97. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項９４に記載の組成物。
  98. 前記第１の材料が第１の無機材料であり、前記第２の材料が第２の無機材料である、請求項９４に記載の組成物。
  99. 前記第１の材料が第１の半導体であり、前記第２の材料が第２の半導体である、請求項９４に記載の組成物。
  100. 前記第１の材料がｎ型半導体であり、前記第２の材料がｐ型半導体を含む、請求項９９に記載の組成物。
  101. 前記第１及び第２の材料がＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す、請
    求項９４に記載の組成物。
  102. 前記第１及び第２の材料がＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す、請求項９４に記載の組成物。
  103. 隣接するナノ構造が互いに少なくとも部分的に直接電気的に接触した状態にある、請求項９４に記載の組成物。
  104. 前記第１の集合の前記ナノ構造及び前記第２の集合の前記ナノ構造が混合されている、請求項９４に記載の組成物。
  105. 請求項９４に記載の組成物から形成されたフィルム。
  106. 前記フィルムが少なくとも第１の副層及び第２の副層を含み、前記第１の副層が前記第１のナノ構造集合を含み、前記第２の副層が前記第２のナノ構造集合を含む、請求項１０５に記載のフィルム。
  107. 前記フィルムが２つの電極層の間に配置されている、請求項１０５に記載のフィルム。
  108. 前記第１及び／又は第２の集合が融合、部分的融合及び／又は焼結されている、請求項９４に記載の組成物。
  109. さらに導電性高分子材料を含む、請求項９４に記載の組成物。
  110. 実質的に導電性高分子材料を含まない、請求項９４に記載の組成物。
  111. さらに非導電性高分子材料を含む、請求項９４に記載の組成物。
  112. 光起電性デバイスの生産方法において、
    − 第１の導電性層がその上に配置された第１の平面基板を提供するステップ、
    − 光活性層を提供するべく、長手方向軸を含む細長い半導体ナノ構造の少なくとも１つの第１の集合を含みかつＩＩ型バンドオフセットエネルギープロフィールを示す光活性マトリクスで前記第１の基板をコーティングするステップ；
    − その長手方向軸が、前記第１の平面基板に対して主として垂直に方向づけされるように、前記半導体ナノ構造を方向づけするステップ；及び
    − 第２の導電性層を前記光活性層上に積層するステップ、
    を含む方法。
  113. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１１２に記載の方法。
  114. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１１２に記載の方法。
  115. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１１２に記載の方法。
  116. 光活性マトリクスで前記第１の基板をコーティングする前に前記第１の基板上に遮断層を提供するステップをさらに含む請求項１１２に記載の方法。
  117. 前記光活性層上に前記第２の導電性層を積層する前に前記光活性層上に遮断層を提供するステップをさらに含む、請求項１１２に記載の方法。
  118. 前記第１の基板及び前記第２の導電性層に加えて、前記光起電性デバイスの対向する表面全体にわたり１つ以上の密閉層を提供し、かくして前記１つ以上の密閉層が前記光起電性デバイスを気密封止するステップをさらに含む、請求項１１７に記載の方法。
  119. 光起電性デバイスの生産方法において、
    − 第１の導電性層がその上に配置された第１の平面基板を提供するステップ；
    − 光活性層を提供するべく、第１の材料のコア及び前記第１の材料とは異なる第２の材料のシェルを含むナノ構造の集合を含む組成物で前記第１の基板をコーティングするステップ；
    − 前記ナノ構造を融合、部分融合及び／又は焼結させるステップ；及び
    − 前記光活性層上に第２の導電性層を積層するステップ、
    を含む方法。
  120. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１１９に記載の方法。
  121. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１１９に記載の方法。
  122. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１１９に記載の方法。
  123. 前記第１の材料が第１の無機材料であり、前記第２の材料が第２の無機材料である、請求項１１９に記載の方法。
  124. 前記第１の材料が第１の半導体であり、前記第２の材料が第２の半導体である、請求項１１９に記載の方法。
  125. 前記組成物で前記第１の基板をコーティングする前に前記第１の基板上に遮断層を提供するステップをさらに含む、請求項１１９に記載の方法。
  126. 前記光活性層上に前記第２の導電性層を積層する前に前記光活性層上に遮断層を提供するステップをさらに含む、請求項１１９に記載の方法。
  127. 前記光起電性デバイスの対向する表面全体にわたり１つ以上の密閉層を提供し、かくして前記１つ以上の密閉層が前記光起電性デバイスを気密封止するステップをさらに含む、請求項１１９に記載の方法。
  128. 第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含み、前記第１の集合が第１の材料を含むナノ構造を含み、前記第２の集合が前記第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含む層状デバイスの生産方法において、
    − 第１の基板を提供するステップ；及び
    − 第１の層を提供するべく前記第１のナノ構造集合を含む組成物で前記第１の基板をコーティングするステップ、
    を含む方法。
  129. 前記第１及び／又は第２の集合の前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１２８に記載の方法。
  130. 前記第１及び／又は第２の集合の前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１２８に記載の方法。
  131. 前記第１及び／又は第２の集合の前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１２８に記載の方法。
  132. 前記第１の材料が第１の無機材料であり、前記第２の材料が第２の無機材料である、請求項１２８に記載の方法。
  133. 前記第１のナノ構造集合を含む組成物で前記第１の基板をコーティングするステップが、前記第１及び第２のナノ構造集合の混合物を含む組成物で前記第１の基板をコーティングし、前記第１及び第２の集合の前記ナノ構造が互いに混合されている第１の層を提供するステップを含んでいる、請求項１２８に記載の方法。
  134. 第２層を提供するべく、前記第２のナノ構造集合を含む組成物で前記第１の基板をコーティングするステップをさらに含む、請求項１２８に記載の方法。
  135. 前記第２のナノ構造集合が前記第１の基板上に配置されている、請求項１２８に記載の方法。
  136. 前記第１の基板が平面である、請求項１２８に記載の方法。
  137. 第１の導電性層が前記第１の平面基板上に配置されている、請求項１３６に記載の方法。
  138. 前記第１のナノ構造集合を含む組成物で前記第１の基板をコーティングする前に前記第１の基板上に遮断層を提供するステップをさらに含む、請求項１３７に記載の方法。
  139. 前記第１層上に第２の導電性層を層状化させるステップをさらに含む、請求項１３７に記載の方法。
  140. 前記第１層上に前記第２の導電性層を積層する前に前記第１層上に遮断層を提供するステップをさらに含む、請求項１３９に記載の方法。
  141. デバイスの対向する表面全体にわたり１つ以上の密閉層を提供し、かくして前記１つ以上の密閉層が前記デバイスを気密封止するステップをさらに含む、請求項１３６に記載の方法。
  142. 光起電性デバイスの製造用システムにおいて
    − 第１の導電性表面を有する第１の基板層の供給源；
    − 前記第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム；
    − 前記第１の基板層上に光活性マトリクスの層を提供するべく、前記基板コンベヤシステム全体にわたり少なくとも部分的に配置された層被着システムに流動的に連結された光活性マトリクスの供給源；及び
    − 前記第１の基板層上に被着された光活性マトリクスの層上に第２の導電性材料の層を被着させるため、前記基板コンベヤシステム全体にわたり位置づけされた前記層被着システムに連結された第２の導電性材料の供給源、
    を含むシステム。
  143. 前記第１の基板材料の供給源が、第１の基板材料のロールドシートを含む、請求項１４２に記載のシステム。
  144. 第１の基板材料の前記供給源がさらに、前記第１の導電性表面を提供するべく、前記第１の導電性材料の供給源及び前記第１の基板材料上に前記第１の導電性材料を被着させるための被着システムを含む、請求項１４２に記載のシステム。
  145. 前記層被着システムが、ドクターブレード、スクリーン印刷システム、インクジェット印刷システム、ディップコーティングシステム、シアーコーティングシステム、テープキャスティングシステム、及びフィルムキャスティングシステムの中から選択されている、請求項１４２に記載のシステム。
  146. 第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含み、前記第１の集合が第１の材料を含むナノ構造を含み、前記第２の集合が前記第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含む層状デバイスの製造用システムにおいて、
    − 第１の基板層の供給源；
    − 前記第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム；及び
    − 前記第１及び第２の集合の前記ナノ構造が前記第１の基板層上で互いに混合されている１つの層を提供するべく、少なくとも部分的に前記基板コンベヤシステム全体にわたり配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、前記第１及び第２のナノ構造集合を含む組成物の供給源；
    を含むシステム。
  147. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１４２に記載の方法。
  148. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１４２に記載の方法。
  149. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１４２に記載の方法。
  150. 前記第１の材料が第１の無機材料であり、前記第２の材料が第２の無機材料である、請求項１４２に記載の方法。
  151. 前記第１の基板層が第１の導電性表面を有する、請求項１４２に記載のシステム。
  152. 前記第１の基板層上に被着された互いに混合されたナノ構造の前記層上に前記第２の導電性材料の層を被着させるため前記基板コンベヤシステム全体にわたり位置づけされた前記層被着システムに連結された第２の導電性材料の供給源をさらに含む、請求項１４２に記載のシステム。
  153. 第１の基板材料の前記供給源が、第１の基板材料のロールドシートを含む、請求項１４２に記載のシステム。
  154. 第１の基板材料の前記供給源がさらに、第１の導電性表面を提供するべく、第１の導電性材料の供給源及び前記第１の基板材料上に前記第１の導電性材料を被着させるための被着システムを含む、請求項１４２に記載のシステム。
  155. 前記層被着システムが、ドクターブレード、スクリーン印刷システム、インクジェット印刷システム、ディップコーティングシステム、シアーコーティングシステム、テープキャスティングシステム、及びフィルムキャスティングシステムの中から選択されている、請求項１４２に記載のシステム。
  156. 第１のナノ構造集合及び第２のナノ構造集合を含み、前記第１の集合が第１の材料を含
    むナノ構造を含み、前記第２の集合が前記第１の材料とは異なる第２の材料を含むナノ構造を含む層状デバイスの製造用システムにおいて、
    − 第１の基板層の供給源；
    − 第１の基板層を搬送するためのコンベヤシステム；及び
    − 第１層を提供するべく、少なくとも部分的に前記基板コンベヤシステム全体にわたり配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、前記第１のナノ構造集合を含む第１の組成物の供給源；
    − 第２層を提供するべく、少なくとも部分的に前記基板コンベヤシステム全体にわたり配置されている層被着システムに対し流動的に連結されている、前記第２のナノ構造集合を含む第２の組成物の供給源；
    を含むシステム。
  157. 前記ナノ構造がナノ結晶を含む、請求項１５６に記載の方法。
  158. 前記ナノ構造がナノワイヤを含む、請求項１５６に記載の方法。
  159. 前記ナノ構造が、単結晶ナノ構造、二結晶ナノ構造、多結晶ナノ構造又は無定形ナノ構造を含む、請求項１５６に記載の方法。
  160. 前記第１の材料が第１の無機材料であり、前記第２の材料が第２の無機材料である、請求項１５６に記載の方法。
  161. 前記第１の基板層が第１の導電性表面を有する、請求項１５６に記載のシステム。
  162. 前記第１又は第２層上に前記第２の導電性材料の層を被着させるため前記基板コンベヤシステム全体にわたり位置づけされた前記層被着システムに連結された第２の導電性材料の供給源をさらに含む、請求項１５６に記載のシステム。
  163. 第１の基板材料の前記供給源が、第１の基板材料のロールドシートを含む、請求項１５６に記載のシステム。
  164. 第１の基板材料の前記供給源がさらに、前記第１の導電性表面を提供するべく、第１の導電性材料の供給源及び前記第１の基板材料上に前記第１の導電性材料を被着させるための被着システムを含む、請求項１５６に記載のシステム。
  165. 前記層被着システムが、ドクターブレード、スクリーン印刷システム、インクジェット印刷システム、ディップコーティングシステム、シアーコーティングシステム、テープキャスティングシステム、及びフィルムキャスティングシステムの中から選択されている、請求項１５６に記載のシステム。
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