JP2006189453A - フィルムのスペクトル特性の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】青色及びＵＶスペクトル領域において感度が強化された光電地を提供するためのフィルムの特性を測定する。
【解決手段】単色光を供給するための手段と；単色光をチョッピングするための手段と；その表面上に分析されるべきフィルムを有する基体であるサンプル上に、単色光を集束させるための手段と；浸漬油による、サンプルのフィルム側の第１光検知器へのカップリングと；サンプルによって放射される光を第２光検知器上に集束させるための手段と；第１光検知器と第２光検知器とからのシグナルを分析して、望ましいフィルムスペクトル特性を得るための手段と；を含む、フィルムのスペクトル特性を測定する装置。
【選択図】図４

Description

政府の実施許諾権利：
本発明は、空軍によって与えられた契約Ｎｏ．ＸＡＩ−３−１１１６７−０３下での政府の支援を受けて行われた。政府は本発明にある一定の権利を有する。

関連発明：
この同時係属発明は、“光検知器のための有機発光性被膜”なる名称の仮出願第６０／０１０，０１３号（１９９６年１月１１日出願）によって保護される発明に関係する。

発明の分野
本発明の分野は一般に、太陽電池を含む光検知器に関し、より詳しくは、光検知器のための反射防止（ＡＲ）被膜に関する。

光検知器は、光を電気エネルギーに転換するために用いられる太陽電池と、光強度を測定するために用いられる光電池及び光ダイオードとを包含する。光検知器の材料は、ケイ素、ヒ化ガリウム、ゲルマニウム、セレン等の半導体を包含する。典型的に、これらのデバイスに反射防止（ＡＲ）被膜を与えることによって、これらのデバイスの集光効率は改良される。反射される光が少なければ、吸収と、電気シグナルへの転換に利用される光が多くなる。これらの被膜は単層厚さであることができ、この場合には、これらは典型的に光の波長の１／４の厚さであるか、又は更に大きい効率のために、これらは多重層被膜であることができる。このような被膜は典型的には、酸化アルミニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、フッ化マグネシウム等のガラス状絶縁体から成る。更に、スペクトルの青色及び紫外（ＵＶ）領域における高い感度を得ることは、このスペクトル範囲では半導体材料の反射率が強度に上昇するので、慣用的な半導体検知器では困難である。また、典型的なＡＲ被膜は通常、緑色スペクトル範囲に対して最適化されるので、青色及びＵＶスペクトル領域ではあまり効果的でなくなる。

本発明の目的は、広範囲の広いスペクトル帯域幅用途のための高効率の太陽電池と光ダイオードを提供することである。

本発明の他の目的は、特に青色及びＵＶスペクトル領域において感度が強化された光電池及び光ダイオードを提供することである。

本発明の他の目的は、内部及び外部の発光量子効率等のフィルム特性を、積分球等の伝統的な測定法では今までに得られなかった精度で測定するための装置を提供することである。この装置は高効率太陽電池と、高効率の光電池及び光ダイオードとに用いるための候補の被膜を同定するために用いることができる。

本発明の上記目的及び他の目的は、好ましくは慣用的なＡＲ被膜の代替品としての、光検知器上の、アルミニウム−トリス−キノレート（Ａｌｑ₃ 、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム、Ａｌｑとしても知られる）、ＴＰＤ｛Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−Ｎ，Ｎ′−ビス（３−メチルフェニル）１，１′−ビフェニル−４，４′−ジアミン｝、Ｇａｑ₂ ′Ｃｌ｛ビス−（８−ヒドロキシキナルジン）−クロロガリウム｝等の有機発光材料の被膜から成る、改良された光検知器によって提供される。ＡＲ被膜の代わりに有機フィルムを用いる場合には、このフィルムはそれ自体の発光スペクトル領域では知覚され得るほど吸収しないので、このフィルムは充分な厚さであるならば、ＡＲ被膜としても作用する。この被膜が１００％内部発光効率（吸収された光が発光に転換する効率）を有するならば、このような被膜を有する非晶質シリコン太陽電池の出力効率は１１％だけ改良される。慣用的なＡＲ被膜を耐引っ掻き性のために、僅かに小さいゲイン（gain）で、保持することができる。代替的に、有機フィルムを多重層ＡＲ被膜の最終層として意図的に設計することができる。

本発明の一側面では、フィルムのスペクトル特性を測定するための装置であって、単色光を供給するための手段と；単色光をチョッピングするための手段と；その表面上に分析されるべきフィルムを有する基体であるサンプル上に、単色光を集束させるための手段と；浸漬油による、サンプルのフィルム側の第１光検知器へのカップリングと；サンプルによって放射される光を第２光検知器上に集束させるための手段と；第１光検知器と第２光検知器とからのシグナルを分析して、望ましいフィルムスペクトル特性を得るための手段とを含む、装置が提供される。

本発明の種々な実施態様を以下で例示し、添付図面を参照しながら説明する、添付図面において同じアイテムは同じ参照名称で同定される。

図１ａには、λ＝５００ｎｍに対して最適化された慣用的単層ＡＲ被膜３を有する光電池４を示す。このような被膜を有するデバイスはλ＜４００ｎｍを有するＵＶ光の実質的な割合が好ましくないが反射して、光電池４における電流発生を低下させる。ＵＶ光エネルギーが例えばＳｉ（シリコン）のような、慣用的半導体から製造された光電池によっては、反射されないとしても、充分に利用されないことに注目のこと。図１ｂでは、本発明の１実施態様として、慣用的ＡＲ被膜３を以下で考察するような有機ＡＲ被膜２と交換することによって、改良された太陽電池４が提供される。Ａｌｑ_３ はこのような有機被膜であることができる。Ａｌｑ_３ を緑色光学的発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のエレクトロルミネセンス層として用いることができ、この場合に、これは１〜２％の外部量子効率を有することは知られている。Ａｌｑ_３ 有機薄フィルム光ルミネセンスの外部及び内部量子効率（それぞれ、η_ｅ とη_ｉ ）の絶対値は、本発明の前では、定量されていないが、Ｃ．Ｗ．タング（Tang）等「ドープ処理された有機薄フィルムのエレクトロルミネセンス」，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，６５，９号，３６１０頁（１９８９）は未公開実験データからの８％の効率を挙げている。予想外に、正確に測定した場合に、内部量子効率が３２％程度に大きいことを、本発明は発見した。この効率は近ＵＶ領域（２５０〜４００ｎｍ）の全体にわたって励起波長の関数として一定に留まる。Ａｌｑ_３ 吸収についての本発明者の研究は、２５０〜３００ｎｍ光に対する吸収係数が１０^５ ｃｍ^−１〜４ｘ１０^５ ｃｍ^−１であるが、４００ｎｍより大きい波長に対する吸収係数が＜１０ｃｍ^−１であることを明らかにした。このフィルムは吸収された近ＵＶ光を５３０ｎｍ波長の緑色光に効果的に転換させる。それ故、４００ｎｍより大きい波長は低い損失でこのフィルムを通って伝達されるが、近ＵＶ波長の１／２より多くは３００〜４００Å厚さＡｌｑ_３ フィルムに吸収される。従って、有機薄フィルム２はＵＶ〜緑色光コンバータとして作用することができ、同時に、図１ｂに示すように、λ＞４００ｎｍに対してはＡＲ被膜として役立つ。

慣用的な光ダイオード及び太陽電池の効率が近ＵＶ範囲において急激に低下することは周知である。図２における点線（曲線１６）は、太陽ＡＭＯ（大気質量ゼロ、空間における太陽光の強度及び波長分布の基準）スペクトル中の光子のエネルギー分布を説明する。図２には、中実円の間にプロットされた曲線１２によって示される、ＡＲ被膜３を有する典型的な慣用太陽電池４の量子効率もプロットする（Ｒ．Ａ．ストリート（Street）「水素化非晶質シリコン」，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９１）。４００ｎｍより短い波長に関し、慣用的セル（図１ａ参照）が太陽光線を充分に転換させることができないことは明らかである。図２において方形点の間にプロットされた曲線１４も、１００％Ｑ．Ｅ．有機材料によって被覆された慣用的セルの算出された量子効率を示す。この場合に、４２０ｎｍ未満の波長を有する太陽光線の全てがＡｌｑ_３ によって吸収されて、５３０ｎｍ光に転換されることが推定された（１００％内部発光効率）。Ａｌｑ_３ 被膜２によって放出された光子の全てが太陽電池４に結合されることも推定される（図１ｂ参照）、このことはＳｉの屈折率（ｘ．ｘｘ）がＡｌｑ_３ （１．７３）又は空気（約１．００）の屈折率よりも非常に大きいので妥当である。

図３は、中実円の間にプロットされた曲線１８によって表される、慣用的太陽電池の光電流対波長曲線（Ｍ．Ａ．グリーン（Green ）「高効率シリコン太陽電池」，Ｔｒａｎｓ Ｔｅｃｈ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，４１６頁，１９８７から引用）と、入射ＵＶ光の全てを吸収するために充分な厚さの１００％Ｑ．Ｅ．有機層で被覆された同じセルの算出スペクトル（無地方形の間にプロットされた曲線２０）を示す（正確なフィルム厚さは太陽光線最大スペクトルに対する反射防止条件をも満たすべきである）。これらの２曲線（１８と２０）下の面積の差は予想された太陽電池の出力効率の増加に相当し、１１％に近似する。光電池２、４自体の設計が５３０ｎｍに対して最適化され、太陽電池へのより効果的な深いｐ−ｎ接合の使用を可能にすることも注目すべきである。

同様なアプローチを用いて、光ダイオードのＵＶ感度を高めることができることが明らかである。ＵＶ範囲の低い反射率は有機薄フィルムの低い反射率によって与えられる。しかし、この場合に、フィルム厚さはＵＶ光の反射防止条件を満たすべきである。２５０ｎｍ波長ＵＶに対して、４分の１波長ＡＲ被膜厚さは約３５０Åである。フィルムのこの厚さは、上述したように、入射ＵＶ光を完全に吸収するために充分である。本発明者によってなされた測定によると、発光の量子効率が、非晶質有機化合物における励起状態の比較的短い拡散長さのために、１００Åより厚い層に関してはフィルム厚さに関係しないことも注目すべきである。それ故、ＡＲ発光被膜としてのこれらの化合物の極度に薄いフィルムの使用に対する障害は存在しない。

有機被膜を有するＵＶ−光ダイオードのさらに２つの利点が存在する。第１利点は有機材料被膜の吸収端（absorption edge ）よりも短い波長における被覆光ダイオードの反応の一様性である。この理由は、被膜発光量子効率が励起波長に依存しないからである。この性質は光ダイオードの較正を容易にし、実験結果の分析を簡単にする。励起波長に対する非被覆光ダイオード光反応の強い依存性は固有の性質によって生じ、非被覆デバイスでは除去されることができない。

第２利点は、被覆光ダイオード表面で可視スペクトルに転換されるＵＶ光線の可視化である。これは、光ダイオードを入射光に対して配置し、配向させることをかなり簡単にする。

薄フィルム、特にＡｌｑ_３ の発光性を測定する能力は、有機ＬＥＤデバイスに用いる材料としてのＡｌｑ_３ を発見するために重要であった。以下で詳述する本発明の実施態様に基づいた革新的測定方法の使用によって、他の材料を発見することもできる。

今までの大抵の研究は、電荷輸送の機構と、Ａｌｑ_３ に基づくＯＬＥＤのエレクトロルミネセンスの詳細とを理解することに重点を置いていた。しかし、ＯＬＥＤと、光検知器等の他の光電子デバイスとの操作を詳しく理解するために重要である、Ａｌｑ_３ の固体フィルムの光学的性質に関するデータは入手不能である。例えば、光学的吸収に関するデータは、狭いスペクトル範囲のみが研究されている、Ｐ．Ｅ．バロウズ（Burrows ）等の研究（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，２２８５頁，１９９３参照）に明らかに限定されている。本発明者は、Ａｌｑ_３ の光励起スペクトルに関する、今までのデータは発表されていないと考える。

真空中での熱蒸発によって成長したＡｌｑ_３ 薄フィルムの吸収、光励起、外部及び内部量子効率が本発明者によって上首尾に測定されている。吸収測定は、λ＝２５０ｎｍ〜４２５ｎｍのスペクトル範囲において１０^４ ｃｍ^−１よりも大きい固体フィルムの吸収係数（α）を決定した。光ルミネセンス励起（ＰＬＥ）スペクトルの研究は、このスペクトル範囲にわたって、主要な緑色発光帯（λ−５３０ｎｍに中心波長を有する）の外部量子効率η_ｅ が励起輻射線波長に依存しないことを示している。η_ｅ の直接測定は、５３０ｎｍに集中した発光遷移が今までに予想されたよりも非常に高く、室温において３０％を越えることを示唆する。本発明者による新規な測定方法を可能にした、この情報の発見は、光感知器の製造にＡｌｑ_３ を用いることに今まで関心がなかったことを説明する。

ガラス、サファイア及びシリコン基体上で成長したＡｌｑ_３ フィルムに関して、Ａｌｑ_３ 光学的特性の測定を行なった。５０Å〜１．３５μｍの範囲内の厚さを有する予め精製されたＡｌｑ_３ フィルムを、Ｐ．Ｅ．バロウズ等，「真空蒸着有機発光デバイスにおけるトラップ制限電流輸送からのエレクトロルミネセンス」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，２２８５頁（１９９４）に述べられている、熱蒸発によって真空蒸着させた。成長させる前に、ガラス及びサファイア基体を、沸騰１，１，１−トリクロロメタン中での３回連続すすぎ洗い、その後のアセトン中での３サイクル、及び沸騰メタノール中での最終すすぎ洗いによって清浄化した。シリコン基体は、表面に約２０Å厚さの自然（native）ティブ酸化物層を有する、製造者から受容された状態で用いた。Ｓｉ基体上に成長したＡｌｑ_３ フィルムを層厚さと屈折率（ｎ）との偏光法（ellipsometric ）測定に用いた、屈折率はλ＝６３３ｎｍにおいてｎ＝１．７３±０．０５であると測定された。

図４に示すように、フィルムのスペクトル特性を測定するための実験装置は０．２５ｍモノクロメータ２４から成り、このモノクロメータは、Ｘｅアーク燈２２の広幅スペクトル帯から△λ＝１５ｎｍの半値全幅を有する光を選択するために用いられる。１６５Ｈｚチョッパー２６を通過した後に、励起光をＣａＦ_２ レンズ系２８、３４と、４５゜角傾斜ミラー３２とを用いて１ｘ２ｍｍのスポットに集束させる。較正されたＵＶ強化１ｃｍ直径Ｓｉ光ダイオード５０と４ｘ２ｃｍのＳｉ太陽電池４４とを、電流ロックイン増幅器（current and lock-in amplifier ）５１と共に用いて、ＰＬと励起輻射線とを検出した。全ての測定は室温においておこなった。

吸収測定のためには、λ＝２５０ｎｍ〜４２０ｎｍを透過させる帯域フィルター３６をサンプルとＳｉ検知器との間に挿入して、Ａｌｑ_３ 光ルミネセンスシグナルと、λ＞４２０ｎｍの散乱光とを排除した。サファイア基体上に成長したサンプルを吸収実験に用いた。Ｘｅアーク燈２２の低強度とλ＜４００ｎｍにおけるＳｉ検知器５０の低感度とは、厚いフィルムサンプル（＞５０００Å）に対して小さいシグナル対バックグラウンド（散乱光）比率を生じたので、これより薄いサンプル（５１０Åと２４００Å）を短い波長範囲における吸収測定に用いた。異なる厚さの３種類のフィルムの吸収測定の結果を図５に示す（曲線５２、５４及び５６参照）。吸収係数の絶対値をλ＝３７０ｎｍにおいて、異なる厚さの数種類のサンプルの透過を測定することによって較正して（図５、挿入図、曲線５８参照）、α＝（４．４±０．１）ｘ１０^４ ｃｍ^−１を得る。図５は、λ＝３８５ｎｍとλ＝２６０ｎｍ（矢印で表示）に最大値を有する２つの広幅吸収帯のオーバーラップが、装置の短波長検出範囲である、λ＝４２５ｎｍ〜λ＝２５０ｎｍの全スペクトル範囲にわたってα＞１０^４ ｃｍ^−１を生じることを示す。

図６では、λ＝５３０ｎｍＰＬＥ（光ルミネセンス励起）スペクトルを薄い（１５０Å）Ａｌｑ_３ に対しては曲線６０で示し、厚い（１．３５μｍ）Ａｌｑ_３ フィルムに対しては曲線６３で示す。薄いサンプルに関しては、ＰＬＥスペクトル最大値はλ＝２６０ｎｍにおける短波長吸収最大値に対応する。しかし、１．３５μｍ厚さサンプルはλ＝４２５ｎｍより短い全波長の入射光の９５％を吸収する。このサンプルのＰＬＥスペクトルにおけるλ＜４２５ｎｍのプラトー（plateau ）は、緑色発光の外部効率が励起光子エネルギーに依存せず、λ＝３８５ｎｍとλ＝２６０ｎｍ吸収帯の両方に対して同じ値であることを意味する。

外部ＰＬ効率、η_ｅ の絶対値の測定は、モノクロメータからの散乱光を減ずるためにサンプルの直接上方に配置されたλ＝３７０ｎｍにピーク透過を有する帯域フィルター３６（図４参照）を用いて行った。ガラス基体上の例えばＡｌｑ_３ フィルム等の１．３５μｍ厚さ有機フィルム４８は、シリコン太陽電池４４の表面上に直接セットした。αに関して得られた値を用いて（図６）、かつ長い波長（約５００ｎｍ）におけるＳｉ太陽電池４４の反応に比べて低下したＳｉ太陽電池４４のＵＶ光反応を考慮して（図２〜１２参照）、１．３５μｍ厚さフィルムを透過したλ＝３７０ｎｍ輻射線がダイオードの光反応に知覚されうるほどに寄与しないので、これを無視することができることを発見した。２π隅角にわたって積分した、λ＝３７０ｎｍに対するＰＬ効率ガルブゾフ（Garbuzov）がＪ．Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ２７，１０９頁（１９８２）で考察しているように算出）は２．８％〜１０％のη_ｅ を生じる。この測定された外部ＰＬ効率は励起面積、有機フィルム厚さ及び基体面積に依存し、このことはη_ｅ の測定値がフィルム及びガラス基体中のＰＬの散乱損失と導波（waveguiding ）とによって強度に影響されることを意味する。導波効果、基体損（substrate loss）及び他の実験上の人為的結果が積分球を用いたη_ｅ 測定結果をゆがめることも観察されていることに注目のこと。本発明では、１実施態様はフィルムのスペクトル特性を測定する装置であって、先行技術の上記限界を克服する改良を与える装置を含む。

本発明の装置によって測定されるフィルム４０はガラス基体３８上に付着され、励起輻射線の全てを吸収するために充分な厚さである。較正されたＳｉ太陽電池４４の表面上に、この基体をフィルム側を下に向けて配置する。励起輻射線はガラス３８を通ってフィルム４０に集束する。フィルム発光出力（luminescence power ）を太陽電池４４によって（２π隅角内のサンプルからの結合した全ての輻射線（Ｐ））及びサンプル上に配置した第２光検知器５０によって（振幅Ａを有するシグナルは太陽電池４４とは反対方向で結合する輻射線の強度に比例する）測定する。

次に屈折率適合流体（refractive index matchingfluid ）４２をフィルム又は被膜４０と太陽電池４４との間に導入し、同じ励起レベル下で測定を繰り返す。フィルムの内部量子効率の下限は次のように算出される。
η_ｅ ＝（Ｐ₁ ＋ＰＢ／Ａ）／Ｐ_０ （１）

式中、
Ｐは２π隅角内のサンプルから結合したフィルム発光出力を表し、非浸漬条件下で太陽電池４４によって測定される。
Ｐ_１ は浸漬の場合の太陽電池４４によって測定される発光出力を表す。
Ｐ_０ は励起輻射線の出力である。
Ａは非浸漬条件下での第２光検知器５０のシグナルである。
Ｂは浸漬条件下での第２光検知器５０のシグナルであり、Ｂ＜Ａである。

例１
第１実施態様では、基体３８とＡｌｑ_３ 被膜４０との組合せ（combination ）から構成されたサンプルを、太陽電池４４の表面上に滴下した屈折率適合流体４２（ｎ＝１．５２４）中にフィルム側を下にして配置する。これらの条件下で、太陽電池４４方向に放射される輻射線に対してη_ｅ ＝２８％が得られた。反対方向（ガラススライド３８を通る）のＰＬ強度を評価するために、同じサンプルを太陽電池４４上に浸漬油なしに配置し、２サンプルのＰＬシグナルを、サンプル上方に配置した第２光検知器５０を用いて比較した。第２光検知器５０によって記録された、浸漬サンプルのＰＬ効率は、太陽電池４４によってその効率が約３．６％であると測定された非浸漬サンプルのＰＬ効率の０．８倍の大きさであった。それ故、浸漬サンプルの総効率は２８％＋（０．８）ｘ３．６％≒３１％であった。浸漬流体の屈折率はＡｌｑ_３ のｎ未満であり、このためＡｌｑ_３ フィルムまでの導波損（waveguiding loss）は、改良されたとしても、完全には除去されないので、この数値はη_ｅ の下限と見なすことができる。

例２
第２の好ましい実施態様では、Ｓｉ基体上に成長した１．３５μｍ厚さフィルムの発光強度を、ガラス基体上に成長したフィルムの発光強度と比較した。Ｓｉの屈折率（λ＝５３０ｎｍにおいて４．１６）はＡｌｑ_３ の屈折率よりも非常に高いので、導波損は排除され、全ての内反射角（法線に対して３５゜）より小さい角度で放射される光子のみがη_ｅ に寄与することができる。この場合には、
η_ｅ ＝η_ｉ （１−Ｒ_１ ）（１＋Ｒ_２ ）（ｎ−（ｎ^２ −１）^１／２ ）（２ｎ）^−１によってη_ｅ の良好な近似値が与えられる。式中、ｎは発光フィルム屈折率（この場合に発光フィルムはＡｌｑ_３ である）である。Ｒ_１ とＲ_２ は、それぞれ、発光フィルム−空気界面と半導体−発光フィルム界面とにおける、３５゜＞角度にわたって平均した、ＰＬ輻射線のフレネル（Fresnel ）反射係数である。（１−Ｒ_１ ）（１＋Ｒ_２ ）の積はＡｌｑ_３ −空気とＳｉ−Ａｌｑ_３ とに関しては１．０９であり、（ｎ−（ｎ^２ −１）^１／２ ）（２ｎ）^−１≒０．０９３である。これはη_ｅ と、Ａｌｑ_３ −空気界面における総内反射によって生じたη_ｉ との間の１０倍の差をもたらし、このことは恐らく、屈折率適合流体カップリング（coupling）という改良を用いなかった今までの努力が、Ａｌｑ_３ 効率が実際に如何なる大きさであるかを予測することに失敗した理由を説明すると考えられる。ガラス上のフィルムの先行較正効率（上記参照）を用いると、Ｓｉ基体上のフィルムのη_ｅ 値が（３．２±０．２％）に等しいことが発見される。本発明者は、上記式を用いて、λ＝５３０ｎｍに集中した緑色発光帯の内部効率がη_ｉ ＝（３２±２）％であると計算した。この値が、ガラス上フィルムの先行較正効率の使用を必要とする、Ｓｉ基体上のフィルムのη_ｅ （３．２±０．２％）絶対値の１０倍であり、その結果として、実施例１の浸漬油改良を必要とすることに注目のこと。

浸漬サンプルの計算値η_ｉ と実測値η_ｅ との間の差は、浸漬油４２とガラス３８との間に挟まれたＡｌｑ_３ フィルム４０中を導波される発光の大きな割合を考慮するならば、予想外に小さい。しかし、この導波される輻射線のかなりの割合は、図４に示すように、油−空気界面における総内反射のために太陽電池４４によっても集められる。従って、実施例１と２に示したような、両方の実施態様によって得られた結果は、良好に一致する。

例３
ガラス基体上に成長したサンプルのフィルム厚さに対する内部発光効率の依存性は図７の曲線６４によって示される。これらのデータを得るために、薄いサンプルと、予備較正された厚いサンプルとからの発光を、モノクロメータ２４からの吸収されなかった励起光及び散乱光を除去するために光検知器４４の上に配置した低域通過フィルター（λ＞４２０ｎｍ通過）によって測定する。吸収された励起光量は、＞５００Åの厚さを有するフィルムに関しては直接測定し、これより薄いフィルムに関しては、図５の挿入図のデータを用いて計算する。図７に示したデータは空気暴露時間＜５時間の新たに作製されたサンプルに対応する。微細キャビティ又は、Ａｌｑ_３ −ガラス界面における低反射率による妨害効果［５］及びこれらの効果の座標−角度（coordinate-angle）平均化に帰することができる、フィルム厚さによる効率変動は観察されなかった。図７では、Ａｌｑ_３ フィルムの発光効率が厚さの２桁の大きさにわたって、一定に留まり、１００Åより薄いフィルムに関してのみ効率の顕著な低下が観察されることを、曲線６４が実証する。有機フィルム厚さに対するＰＬ効率の依存性は、発光ＡＲ被膜を如何なるときに指定するかを知るために重要である。

本発明の種々な実施態様を示し、上記で説明したが、これらは限定であることを意味しない。添付請求項の要旨と範囲とによって包括されることを意味する、これらの実施態様に対するある一定の改良を、当業者は理解すると考えられる。例えば、Ｃ．Ｗ．タング等「ドープ処理された有機薄フィルムのエレクトロルミネセンス」，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６５，９号，３６１０（１９８９）は、Ａｌｑ_３ の効率を高め、その発光をスペクトルの緑色領域から青緑色〜橙赤色領域の間のいずれかの領域までシフトさせるために、Ａｌｑ_３ を微量のクマリン５４０とＤＣＭ１とによってドープ処理することができることを教示する。

本発明の他の実施態様のさらなる例として、フィルムの内部量子効率η_ｉ を算出するために、図８が参照される。

この実施態様では、問題の物質をＳｉ光ダイオード７０表面にフィルム７４として直接付着させる。この光ダイオードはｐ相７１とｎ相７２とを包含する。この場合に、η_ｉ の値は単純な式と、光ダイオード７０を通って流れる電流の大きさの、電流測定デバイス７６による測定とから算出することができる：

Ｊ_ｑ ＝Ｉ_ｓｈη_ｉ β_Ｐｈ （１）
式中、Ｊ_ｑ は電流測定デバイス７６によって測定された光ダイオード光電流（電子／秒）であり、Ｉ_ｓｈはＵＶ励起輻射線７８の強度（光子／秒）であり、β_Ｐｈ（電子／光子）はフィルム７４の光ルミネセンスのピークに対応する波長における光ダイオード量子効率である。

また、Ｄ．Ｚ．ガルブゾフ等「Ｓｉｐ−ｎ接合上に付着した有機フィルム：蛍光内部効率の正確な測定と、発光反射防止被膜への適用」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，８０巻，８号，１９９６年１０月１５日，４６４４〜４６４８頁は、Ａｌｑ_３ 以外の物質の試験に関して本発明者によって得られた結果を示し、説明している。さらに詳しくは、本発明の使用によって、ＴＰＤ｛Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−Ｎ，Ｎ′−ビス（３−メチルフェニル）−１，１′−ビフェニル−４，４′−ジアミン｝と、Ｇａｑ_２ ′Ｃｌ｛ビス−（８−ヒドロキシキナルジン）−クロロガリウム｝の被膜を試験して、それぞれ、０．３５±０．３と０．３６±０．３の内部蛍光効率η_ｉ の測定値を得た。

高効率蛍光反射防止（ＡＲ）被膜として用いるために、他の効果的な発色団も本発明者によって同定されている。これらの物質は、非常に均一で平坦なフィルムとして湿式化学成長法（wet chemical growth）によって製造することができるポリフェニレンビニレンと；真空付着可能であるジスチリアレレン誘導体（Ｃ．ホソカワ（Hosokawa）等「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」６７巻，３８５３〜３８５５頁（１１９５）参照）とを含む。他の物質はＡｌ（アセチルアセトネート）３［Ａｌ（ａｃａｃ）３］であり、これは紫外スペクトル領域で吸光し、青又は紫スペクトル領域を発光する化合物である。

本発明の実施態様は、例えば、下記に挙げられる。
1. 光電池、光ダイオード及び太陽電池から成る群から選択される光検知器と；
前記光検知器上の有機発光被膜であって、前記被膜を通って前記光検知器に達するうちに光を吸収して、ＵＶを可視光に高い量子効率で転換することができる上記有機発光被膜と
を含む組合せ。
2. 光検知器と；
被膜を通って前記光検知器に達するうちに光を吸収して、ＵＶを青−緑色から赤色までの範囲内の可視光に高い量子効率で転換することができる有機発光被膜と
を含む組合せ。
3. 被膜がアルミニウム−トリス−キノレート、Ｇａｑ_２ ′Ｃｌ、ＴＰＤ、ポリフェニレンビニレン、及びジスチリアレレン誘導体から成る群から選択される、（２）記載の組合せ。
4. 光検知器が光電池、光ダイオード及び太陽電池から成る群から選択される、（３）記載の組合せ。
5. 光検知器と；
光が被膜を通って前記光検知器に達するときに、ＵＶを緑色光に高い量子効率で転換することができる有機発光被膜と
を含む組合せ。
6. 被膜がアルミニウム−トリス−キノレート、Ｇａｑ_２ ′Ｃｌ、ＴＰＤ、ポリフェニレンビニレン、及びジスチリアレレン誘導体から成る群から選択される、（５）記載の組合せ。
7. 光検知器が光電池、光ダイオード及び太陽電池から成る群から選択される、（５）記載の組合せ。
8. 光検知器がシリコンから製造される、（７）記載の組合せ。
9. 光検知器がヒ化ガリウムから製造される、（７）記載の組合せ。
10. 光検知器が慣用的な反射防止被膜を更に含む、（５）記載の組合せ。
11. アルミニウム−トリス−キノレート被膜が約１００Åから約１．３５μｍまでの厚さである、（６）記載の組合せ。
12. アルミニウム−トリス−キノレート被膜が約３００Åから約４００Åまでの厚さである、（６）記載の組合せ。

先行技術の慣用的な光電池又は太陽電池を示す。スペクトルのＵＶ部分はＡＲ被覆デバイス表面によって部分的に反射される。 ＵＶを緑色光に転換するため及びＡＲ被膜として作用するための有機発光性被膜によって、光電池又は太陽電池が被覆される、本発明の好ましい実施態様を示す。 有機発光材料が慣用的なＡＲ被膜上を被覆する、他の実施態様を示す。 慣用的な太陽電池と、１００％量子効率（Ｑ．Ｅ．）有機材料で被覆された太陽電池との性能比較を説明する曲線を示す。 １００％Ｑ．Ｅ．有機材料で被覆されたセルを慣用的セルに比較した場合の１０．９％の算出された量子効率改良を説明する曲線を示す。 フィルムのスペクトル及び発光特性を測定する装置を示す。 ３種の異なるフィルム厚さから得られたＡｌｑ_３ フィルムの吸収スペクトルを説明する曲線を示し、挿入図はλ＝３７０ｎｍにおける光減衰対フィルム厚さを示し、勾配は吸収係数を与える。 １５０Åと１．３５μｍのフィルム厚さに対する光ルミネセンス（ＰＬ）励起スペクトルを説明する曲線を示し、挿入図はＡｌｑ_３ −励起状態緩和プロセスの概略図である。 λ＝５３０ｎｍ帯に対する内部発光効率の、ガラス上で成長したフィルムの厚さに対する依存性を説明する曲線を示し、これらのデータの励起波長は３７０ｎｍである。 本発明の他の実施態様のフィルム発光特性を測定するための簡単な装置セットアップの端面図と方法を示す。

Claims (17)

1. フィルムのスペクトル特性を測定するための装置であって、
   単色光を供給するための手段と；
   単色光をチョッピングするための手段と；
   その表面上に分析されるべきフィルムを有する基体であるサンプル上に、単色光を集束させるための手段と；
   浸漬油による、サンプルのフィルム側の第１光検知器へのカップリングと；
   サンプルによって放射される光を第２光検知器上に集束させるための手段と；
   第１光検知器と第２光検知器とからのシグナルを分析して、望ましいフィルムスペクトル特性を得るための手段と
   を含む、装置。
2. 単色光とサンプルとの間にＵＶ帯域通過フィルターを更に含む、請求項１記載の装置。
3. サンプルと第２光検知器との間に帯域通過フィルターを更に含む、請求項１記載の装置。
4. 帯域通過フィルターが約２５０〜４２０ｎｍの光透過性を有する、請求項３記載の装置。
5. サンプル上方に帯域通過フィルターを更に含む、請求項１記載の装置。
6. 帯域通過フィルターが約３７０ｎｍにおいてピーク透過性を有する、請求項５記載の装置。
7. 単色光を供給するための手段がキセノン燈と、モノクロメータとを含む、請求項１記載の装置。
8. サンプル上に単色光を集束させるための手段がレンズである、請求項１記載の装置。
9. ミラーを更に含む、請求項８記載の装置。
10. 基体が透明である、請求項１記載の装置。
11. 基体がガラス及びサファイアから成る群から選択される、請求項１記載の装置。
12. 第１光検知器と第２光検知器とからのシグナルを分析するための手段が電流ロックイン増幅器から成る、請求項１記載の装置。
13. 第１光検知器と第２光検知器がシリコン太陽電池、シリコン光検知器、及びＵＶ強化光ダイオードから成る群から選択される、請求項１記載の装置。
14. 発光フィルムの内部量子効率を測定するための改良方法であって、
    透明な基体上の発光フィルムの較正効率を得るための装置を用いる工程と；
    ガラス上で得られた較正効率から半導体基体上の発光フィルムの外部量子効率の絶対値を決定する工程と；
    半導体基体上の発光フィルムの外部量子効率の絶対値を（１−Ｒ₁ ）（１＋Ｒ₂ ）（ｎ−（ｎ² −１）^1/2 ）（２ｎ）^-1によって除して、測定損を実質的に含まない、発光フィルムの内部効率を得る工程と
    を含む上記改良方法を更に含む、請求項１記載の装置。
15. 半導体基体がシリコンである、請求項１４記載の装置。
16. 光源と、マノクロメータと、チョッパーと、レンズと、フィルターと、任意にミラーと、少なくとも１個の光検知器とを含む、フィルムのスペクトル特性を測定するための装置であって、基体上に付着させた有機発光フィルムサンプルに浸漬油によってカップリングさせた光検知器の組合せを含む改良を施した装置。
17. フィルムのスペクトル特性を測定するための装置であって、前記特性は、内部発光量子効率及び外部量子発光効率から選択され、
    単色光を供給するための手段と；
    単色光をチョッピングするための手段と；
    その表面上に分析されるべきフィルムを有する基体であるサンプル上に、単色光を集束させるための手段と；
    浸漬油による、サンプルのフィルム側の第１光検知器へのカップリングと；
    サンプルによって放射される光を第２光検知器上に集束させるための手段と；
    第１光検知器と第２光検知器とからのシグナルを分析して、望ましいフィルムスペクトル特性を得るための手段と
    を含む、装置。
    

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