JP2006222429A - 太陽電池用の高性能有機材料 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光スペクトルのうち、広い範囲にわたって放射エネルギーを吸収し且つ利用することのできる、混合物又は積層複合体形態の吸収性材料を提供する。
【解決手段】当該材料は、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質とを含むプッシュプルコポリマーと、フラーレン組成物との混合物（１４）から構成することができる。また、当該材料は、第１の層内に、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質とを含むプッシュプルコポリマーを配し、第２の層内に、フラーレン組成物を配して成る積層複合体から構成することもできる。第１の層は、典型的に、第２の層と接触している。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、高性能の高分子太陽電池に関する。より詳細には、本発明は、電子受容体及び電子供与体の種々の混合物あるいは積層複合体に関し、それはフラーレン及びフルオレン誘導体を含み得る。

多くのエネルギー源の供給は有限であるため、枯渇せず、環境に何ら悪影響を及ぼさない再生可能なエネルギー源の開発に関心が拡がりつつある。そのような再生可能エネルギー源の１つは、太陽エネルギーから得られる。一般に知られているように、太陽光線を電力に変換するには、典型的に、正負両方の電荷生成と、これらの電荷を外部電気回路中を通し得る駆動力（ドライビングフォース）が必要となる。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの無機半導体を含んで成る太陽電池が開発されている。これら在来の太陽電池は、入射する太陽エネルギーのうち、最高２４％を取り入れることができる。しかしながら、これらの太陽電池を生産するには、典型的に、高温、高真空条件下において、多くのエネルギー集約型プロセスを実行する必要があり、製造コストが高くなる。

一方、有機半導体を用いる場合には、必要となる労働力やエネルギーはかなり少ない。これは、無機系太陽電池の生産に典型的に必要とされるものに比べて、非常に低い温度において単純な処理しか必要とされないためである。用い得る有機半導体の例には、共役高分子のような、半導性高分子が含まれる。共役高分子から成る太陽電池の開発は初期段階にあり、材料やデバイス開発に関わる多くの問題は、今なお解決途上にある。現在のデバイスに関する幾つかの問題としては、電荷担体の移動性が比較的低いこと、並びに太陽エネルギー吸収帯が狭いことが挙げられる。

有機半導体を用いた太陽電池の効率を向上させるには、吸収性材料は、太陽の可視スペクトルのうち、比較的広い帯域幅を吸収しなければならず、例えば、そのバンドギャップは縮小されなければならない。

太陽の可視スペクトルのうち、全てではないとしても、そのほとんどを効率よく吸収する材料混合物を調製することによって、比較的広い吸収スペクトル帯域幅を有する高性能の高分子太陽電池を作製し得ることが認識されている。これに従い、太陽電池の吸収性材料として用いられる組成物を提供する。より詳細には、太陽電池において放射エネルギーを吸収し且つ利用する組成物は、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質とを含むプッシュプルコポリマーと、フラーレン組成物との混合物を含むことができる。

他の実施形態では、太陽電池において放射エネルギーを吸収し利用する積層複合体は、第１の層内に、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質とを含むプッシュプルコポリマーを含み、第２の層内に、フラーレン組成物を含むことができる。

本発明のその他の特徴並びに利点は、例示目的で本発明の特徴を説明するところの以下の詳細な説明から明らかとなろう。

本願発明の特定の実施形態を開示、説明するにあたり、本発明が、本明細書に開示する特定のプロセスや材料に限定されないことを理解されたい。なぜなら、それらは、ある程度変更し得るからである。また、本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を専ら記述するだけの目的で用いており、本発明を限定する意のないことも理解されたい。本願発明の範囲は、添付の特許請求の範囲並びにその等価物によってのみ限定される。

本発明を説明し、範囲請求する際には、以下の用語を用いることとする。

単数形は、別途明確に指示のない限り、複数形の意味を包含する。従って、「高分子」という場合、１つ又は複数の高分子の意が含まれる。

数値又は範囲に関していう用語「約」は、測定時に生じ得る実験誤差から生ずる値を包含する意がある。

用語「プッシュプルコポリマー（ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）」には、電子供与物質と電子受容物質とを含んで成るコポリマーが包含される。典型的に、これらの組成物に関しては、その間に共役架橋がある。電荷の非対称性によって、両物質は、電子供与物質から電子受容物質への向きに電子の運動を促進するように協働する。一実施形態では、プッシュプル分子又はコポリマーは、共役パスとして知られる単軸電荷移動パスによって連結された、供与物質と受容物質を含む。電子供与物質から電子受容物質への結合シフトによって、２つの異なる配置が実現され得る。太陽照射がない場合には、その分子は基底状態（典型的に、より芳香性の配置に類似）に留まる。しかしながら、太陽照射の下では、基底状態から励起状態へとなり、双極子モーメントの実効電荷を生ずる。

用語「電子供与体」は、少なくとも２つの意味で用いることができる。第一に、電子供与体は、プッシュプルコポリマーの「電子供与物質」であり得、これは、コポリマー内の他の物質に、又はコポリマー成分ではないがそれと混合若しくは接触している他の電子受容体に電子を与えることができる。電子供与体は、正電荷を保持する傾向がある。第二に、電子供与体は、（電子供与物質及び電子受容物質の両方を含んで成る）プッシュプルコポリマー全体を指す場合がある。

用語「電子受容体」もまた、少なくとも２つの意味で用いることができる。第一に、電子受容体は、プッシュプルコポリマーの「電子受容物質」であり得る。当該電子受容物質は、電子供与物質から電子（単数又は複数）を吸収若しくは求引することができる。第二に、電子受容体は、プッシュプルコポリマーと混合若しくは接触しており、一般に、プッシュプルコポリマー全体から電子を受容若しくは求引するフラーレン組成物を指す場合がある。

用語「フルオレン」は、２つのベンゼン環が、単素環式若しくは複素環式の５員環を介して連結されている、芳香族化合物を指す。フルオレンは、プッシュプルコポリマーの電子受容物質の一例である。

用語「フラーレン」は、Ｃ_６０及び一般にその他の中空球（ｂｕｃｋｙｂａｌｌｓ）、並びにその誘導体を記述するのに用いられる。フラーレン組成物は、全体として、電子受容体である。

用語「回転子」及び「固定子」は、化合物内の少なくとも２つの部分の間の分子関係を示している。例えば、或る化合物は、回転子（分子の平衡に関して、回転したり、位置を変化させ得る分子部分）を含むことができる。典型的に、回転子を少なくとも２つの固定子に（即ち、２つの固定子間に）連結させることによって、回転子を固定子（単数又は複数）に対して回転させることができる。典型的に、固定子は、相対的に変動しない部分であり、それは、回転子が回転したり、位置を変えるための軸をもたらすのに寄与し得る。

用語「誘導体化」、「誘導体」、及び「誘導体基」等は、フラーレン、フルオレン等の、ターゲット分子上に導入される低級アルキル及び／又はアリール置換基を指す。低級アルキルには、Ｃ_１〜Ｃ_３０の直鎖若しくは分枝鎖が含まれる。アリールには、単素環式及び複素環式の芳香環若しくは縮合芳香環が含まれる。芳香環、縮合芳香環、及び低級アルキルの組合せもまた含まれる。その他の誘導体基としては、含窒素成分、含酸素成分、含硫黄成分、及び含リン成分が挙げられる。

本明細書では、比、濃度、量、及びその他の数値データを範囲形式で提示する場合がある。そのような範囲形式は、単に、便利且つ簡潔なために用いるものであり、範囲の限界値として明記された数値を含むだけでなく、各数値及び副範囲があたかも明記されているように、その範囲内に包含される個別の数値又は副範囲を全て包含するものと柔軟に解釈すべきことを理解されたい。例えば、約１ｗｔ％〜約２０ｗｔ％という重量範囲は、１ｗｔ％、約２０ｗｔ％という明記された濃度限界値を含むだけでなく、２ｗｔ％、３ｗｔ％、４ｗｔ％のような個別の濃度、及び５ｗｔ％〜１５ｗｔ％、１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％等のような副範囲も含むものと解釈されたい。

これらの定義を銘記して、太陽電池において吸収性材料として使用できる組成物を提供する。より詳細には、太陽電池において放射エネルギーを吸収し且つ利用する組成物は、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質を含むプッシュプルコポリマーと、フラーレン組成物との混合物から構成することができる。他の実施形態では、太陽電池において放射エネルギーを吸収し且つ利用する積層複合体は、第１の層内に、少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質を含むプッシュプルコポリマーを含み、第２の層内に、フラーレン組成物を含むことができる。第１の層は、第２の層と接触するように配置させることができる。

プッシュプルコポリマーは、電子受容物質として、誘導体化フルオレン組成物をはじめとするフルオレン組成物を含むことができる。例えば、フルオレン基は、低級脂肪族成分、アリール成分、含窒素成分、含酸素成分、含硫黄成分、及び含リン成分から成る群から個々独立して選択された少なくとも１つの成分によって誘導体化させることができる。さらに、他のほとんどの材料に関して、当該材料を電子受容体とさせそうな幾つかの官能基を有する。そのような官能基の例としては、ＣＮ、ＣＦ_３、Ｆ、Ｃ＝Ｏ（ケト基）、及びジイミドが挙げられる。これらの基は、それらが特に共役系の一部である場合に、電子求引基として作用する。電子供与物質に関しては、この部分は、例えば、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンから成る群から選択することができる。

フラーレン組成物はまた、低級脂肪族成分、アリール成分、含窒素成分、含酸素成分、含硫黄成分、及び含リン成分から成る群から独立に選択された少なくとも１つの成分によるなどして誘導体化させることができる。

要求されるものではないが、プッシュプルコポリマー及び／又はフラーレン組成物を誘導体化することには利点がある。当該利点としては、改善された担体の移動性や溶解性、従って、より優れたプロセス適性の実現が挙げられる。さらに、これらの組成物を誘導体化することによって、太陽エネルギー吸収の調節にも寄与することができ、バンドギャップを縮小する（さもなければ変更する）ためのさらなるメカニズムがもたらされる。

プッシュプルコポリマーとフラーレン組成物の混合物を調製する際、当該混合物は、任意の機能比で調製することができる。即ち、一実施形態では、プッシュプルコポリマー対フラーレン組成物のモル比は、約３：１〜１：３とし得る。他の実施形態では、プッシュプルコポリマー対フラーレン組成物のモル比は、約１：１とし得る。混合物を構成する成分のモル比に関係なく、得られる組成物は、太陽エネルギーなどの収集放射エネルギーを吸収し且つ利用するのに効果的な構成にて形成する必要がある。即ち、一実施形態では、当該混合物は、薄膜として形成することができる。当該薄膜の典型的な厚さは、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍとし得るが、この範囲外の厚さのものも使用することができる。

プッシュプルコポリマーとフラーレン組成物の積層複合体を調製する際は、当該複合体は、２つの組成物間の界面積が比較的大きくなるように調製することができる。各層は、混合物に関して先に説明したものと同様の厚さ、例えば５０ｎｍ〜約５００ｎｍにて調製することができるが、この範囲外の厚さも本発明の範囲内である。厚さ、接触／界面の表面積等に関係なく、得られる積層複合体は、太陽エネルギーなどの収集放射エネルギーを吸収し且つ利用するのに効果的な構成にて形成する必要がある。

本発明の実施形態による組成物の一般式は、以下の式１で与えられる。

上の式１に示すような記号＋は、例えば混合物又は積層複合体の２つの構成成分間の接触を示し；ｍは０又は１とすることができ；ｎは２〜１００とすることができ；Ａは電子受容物質とし得；Ｄは電子供与物質とし得；Ｇは共役架橋とし得；そしてＲ_３とＲ_４（図１参照）は、個々独立して、Ｈ又は誘導体基とし得る。本明細書に記載する各実施形態にでは、官能基に関し、２つの部位のみを図１のフラーレン組成物上に示すが、その他も同様に存在し得ることに留意することが重要である。さらに詳細には、Ｒ_３とＲ_４は、個々独立して、水素、飽和若しくは不飽和低級脂肪族、置換若しくは未置換アリールであるか、又は窒素、酸素、硫黄、及び／又はリンを含む官能基とし得る。基Ａとしては、限定はしないが、ポリフルオレン、ＣＮ−ＰＰＶ、ＣＦ_３−置換ＰＰＶ、又はペリレンジイミドを挙げることができる。基Ｄとしては、限定はしないが、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンを挙げることができる。基Ｇは、任意選択であり、回転子を固定子部分に連結する（即ち、ＡとＤを連結する）共役接続ユニット若しくは架橋を挙げることができ、それらには、−ＣＨ＝ＣＨ−含有基、−ＣＨ＝ＣＲ_５−含有基、−ＣＲ_５＝ＣＲ_６−含有基、置換アセチレン、エタン又は置換エタン、−Ｃ＝Ｎ−含有基、−Ｎ＝Ｎ−含有基等を含むことができ、ここで、Ｒ_５及びＲ_６は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系や縮合環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。

さらに詳細には、具体的な一実施形態によれば、本発明は、ポリフルオレンプッシュプル電子供与体コポリマーとフラーレン電子受容体化合物との混合物又は積層複合体を含む、太陽電池において用い得る吸収性材料を提供する。この複合体は、拡張されたスペクトル吸収幅及び高いエネルギー変換効率を有する高性能の太陽電池を構築するのに便利であり、一般に、以下の式２で示される。

上の式２に示すような記号＋は、例えば混合物又は積層複合体の２つの構成成分間の接触を示し；ｍは０又は１とすることができ；ｎは２〜１００とすることができ；Ｄは電子供与物質とし得；Ｇは共役架橋とし得；そしてＲ_１及びＲ_２は、Ｒ_３及びＲ_４（図１参照）同様、個々独立して、Ｈ又は誘導体基とし得る。さらに詳細には、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３及びＲ_４は、個々独立して、水素、飽和若しくは不飽和低級脂肪族、置換若しくは未置換アリールであるか、又は窒素、酸素、硫黄、及び／又はリンを含む官能基とすることができる。基Ｄとしては、限定はしないが、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンを挙げることができる。基Ｇは、任意選択であり、回転子と固定子部分（即ち、ＡとＤ）を一緒に連結する共役接続ユニットを挙げることができ、それらとしては、−ＣＨ＝ＣＨ−含有基、−ＣＨ＝ＣＲ_５−含有基、−ＣＲ_５＝ＣＲ_６−含有基、置換アセチレン、エタン若しくは置換エタン、−Ｃ＝Ｎ−含有基、−Ｎ＝Ｎ−含有基等を挙げることができ、ここで、Ｒ_５及びＲ_６は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。

上の式２は、本発明の組成物中に存在する一般的な構成成分を表す一般式を与える。図示するように、この組成物は、フルオレン電子供与体基を含有するコポリマーと、フラーレン誘導体とし得るフラーレン化合物との混合物又は積層複合体から構成される。図示する混合物又は複合体では、フルオレンコポリマーは、（そのコポリマー自体のフルオレン部分は電子受容物質であるとはいえ）全体として電子供与体として作用し、一方、フラーレン化合物は電子受容体として作用する。電子供与体基をフルオレン基に導入して、実効的には電子供与能を有するフルオレン／電子供与体基含有コポリマーを形成することによって、より典型的なフルオレン系に固有のスペクトル吸収バンドギャップを縮小することができる。こうして、可視スペクトルのほぼ全て乃至全体にわたる極めて広い吸収性を有する系を調製することができる。これは、本開示を考慮すれば当業者に分かるように、適切な誘導体基を選択することによってさらに調節することができる。

さらにより詳細な実施形態では、本発明の実施形態に従って、共役プッシュプルコポリマーを用いることができる。以下の式３は、そのような系を示している。

上の式３に示すような記号＋は、例えば混合物又は積層複合体の２つの構成成分間の接触を示し；ｎは２〜１００とすることができ；Ｄは電子供与物質とし得；そしてＲ_１及びＲ_２は、Ｒ_３及びＲ_４（図１参照）同様、個々独立して、Ｈ又は誘導体基とし得る。さらに詳細には、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３及びＲ_４は、個々独立して、水素、飽和若しくは不飽和低級脂肪族、置換若しくは未置換アリールであるか、又は窒素、酸素、硫黄、及び／又はリンを含む官能基とし得る。基Ｄとしては、限定はしないが、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンを挙げることができる。

代替の関連実施形態では、本発明の実施形態による２つの追加の組成物を、以下の式４及び式５に示す。

上の式４及び式５に示したｎは２〜１００とし得；Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_７、Ｒ_８及びＲ_９は、Ｒ_３及びＲ_４（図１参照）同様、個々独立して、Ｈ又は誘導体基とし得；Ｇ_１−Ｇ_２、Ｇ_３−Ｇ_４、及びＧ_５−Ｇ_６は、個々独立して、回転子と固定子とを一緒に連結する共役接続ユニットとし得；Ａは電子受容体基とし得；そしてＤは電子供与体基とし得る。

上の式４及び式５に関連して、さらに詳細には、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ｒ_７、Ｒ_８及びＲ_９は、個々独立して、水素、飽和若しくは不飽和低級脂肪族、置換若しくは未置換アリールであるか、又は窒素、酸素、硫黄、及び／又はリンを含む官能基とし得る。例としては、限定はしないが、−ＣＨ＝ＣＨ−、−ＣＨ＝ＣＲ_８−、−ＣＲ_８＝ＣＲ_９又は置換アセチレン、エタン若しくは置換エタン、−Ｃ＝Ｎ−、−Ｎ＝Ｎ−等が挙げられ、ここで、Ｒ_８及びＲ_９は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び縮合環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。Ｇ_１−Ｇ_２、Ｇ_３−Ｇ_４、及びＧ_５−Ｇ_６は、回転子と固定子を一緒に連結する共役接続ユニットとし得、また、それらとしては、−ＣＨ＝ＣＨ−、−ＣＨ＝ＣＲ_１０−、−ＣＲ_１０＝ＣＲ_１１又は置換アセチレン、エタン若しくは置換エタン、−Ｃ＝Ｎ−、−Ｎ＝Ｎ−等が挙げられ、ここで、Ｒ_１０及びＲ_１１は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。さらに、Ａは、−Ｃ（＝Ｏ）Ｈ、−Ｃ（＝Ｏ）Ｒ_１２、−Ｃ（＝Ｏ）ＯＲ_１２、−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ、−ＣＮ、−Ｎ＝Ｏ、−ＮＯ_２、ＣＦ_３、−ＳＯ_３Ｈ、−Ｎ＝Ｎ−、−ＣＨ＝ＮＲ_１２、−ＣＲ_１２＝ＮＲ_１３、＝Ｃ＝Ｃ（ＣＮ）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯＲ_１２）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯ_２Ｒ_１２）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯＲ_１２）（ＣＯ_２Ｒ_１３）、−ＳＯ_２ＯＲ_１２、−Ｓ（＝Ｏ）−Ｒ_１２、−ＳＯ_２Ｒ_１２、−ＰＯ_３Ｈ_２、−ＰＯ_３Ｒ_１２Ｒ_１３などの電子求引基を表し、ここで、Ｒ_１２及びＲ_１３は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。さらに、Ｄは、−Ｏ−、−ＯＨ、ＯＲ_１４、−ＮＨ−、−ＮＨ_２、−ＮＨ_３、−ＮＲ_１４Ｒ_１５、−ＰＲ_１４Ｒ_１５、−ＰＨＲ_１４、−Ｓ−、−ＳＨ、−ＳＲ_１４、−ＢＨ_２、−ＢＨＲ_１４、及び−ＢＲ_１４Ｒ_１５のなどの電子供与基を表し、ここで、Ｒ_１４及びＲ_１５は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。

上記の太陽電池の材料を銘記して、当分野で既知の多くの太陽電池構造の１つに、これらの材料を利用することができる。例えば、本明細書に記載の材料と共に用い得る在来の太陽電池の構成には、以下のステップ：ｉ）光の吸収（即ち、光子の吸収）；ｉｉ）励起子の生成と拡散（即ち、励起子は、励起状態の電子とホールとの、可動性且つ中性の組合せである）；ｉｉｉ）電荷の分離；ｉｖ）電荷の輸送；及びｖ）電荷の捕集を実行するための構造が包含される。理想的には、励起子は、半導体の第１の面上にあり得る解離サイトに到達すべきであり、そしてその拡散長は、十分な（即ち、所望の）吸収に適する所定の厚さと少なくとも等しくなければならない。電荷の分離は、典型的には、有機半導体／金属界面において、又は十分に異なる電子親和力とイオン化ポテンシャルとを有する材料間で生ずる。後者の場合、一方の材料は電子受容体として作用し、他方の材料は、それが実際に電子を受容体に供与するため、電子供与体として正電荷を保持する。電荷の輸送は、特に同一材料が電子及びホール両方の輸送媒体として機能する場合は、電極への道程中の再結合によって影響される。次に、アルミニウムやカルシウムのような、比較的低い仕事関数を有する電極材料に侵入するには、多くの場合、電荷は、薄い酸化物の層のポテンシャル障壁を乗り越えなければならない。有機材料中における励起子及び電荷の輸送は両方とも、通常、分子から分子への跳躍（ホッピング）を必要とする。従って、材料が最密充填性であれば、より優れた輸送特性につながる。太陽電池の供与体／受容体材料を設計する際、供与体／受容体特性、バンドギャップ、及び溶解度をはじめとする、幾つかの因子を考慮する必要がある。これらの因子は、本発明の実施形態に従って用いられる太陽電池の材料を調合する際に既に考慮されている。

次に、図２及び図３に戻ってさらに詳細に説明すれば、光子から電荷への効率的な変換の要件を満たすために、幾つかの装置構造を利用することができる。以下の方式の構造は、本発明の実施形態による太陽電池に用い得る２つの典型的な装置を描写するものである。図２、図３両方の太陽電池の構造に共通する要素としては、一対の電極１２、１６と、太陽エネルギー２０を通過させるガラスカバー１８と、電子流の回路を閉じる電気回路２２とが挙げられる。詳細には、図２では、電子供与体材料（即ち、プッシュプルコポリマー）は、電子受容体材料（即ち、全体を１４で示したフラーレン組成物）と混合されている。図３では、電子供与体材料（即ちプッシュプルコポリマー２６）は、電子受容体材料（即ち、フラーレン組成物２４）とは別個の層に存在する。いずれの実施形態においても、電荷の分離は、これら２つの材料間の界面で生ずる。一実施形態では、電極は、各々が異なる仕事関数値を有する、異なる材料から作製することができる。例えば、電子供与体材料は、比較的高い仕事関数値を有する電極材料（例えば、インジウムスズ酸化物）と接触させることができ、そして電子受容体材料は、比較的低い仕事関数値を有する電極（例えば、アルミニウム）と接触させることができる。本開示を考察すれば当業者には分かるであろうように、その他の太陽電池構造を利用することもできる。

実施例
以下の実施例において、現在最もよく知られている本発明の実施形態を説明する。しかしながら、以下は、本発明の原理の応用の単なる例示、説明にすぎないことを理解されたい。多数の修正及び代替の組成物、方法、及びシステムが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく当業者には案出されよう。添付の特許請求の範囲は、前述の修正及び代替の構成を網羅するものとする。本発明を特定のものに関してこれまで説明してきたが、以下の実施例は、本発明の最も実用的且つ好ましい実施形態であると現在思われていることに関しさらに詳細を提供するものである。

高分子太陽電池の吸収性材料の調製
誘導体化フラーレン約４００ｍｇを、余剰のジクロロメタン溶媒中において、誘導体化フルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマー約１００ｍｇと混ぜ合わせた。完全に混合した後、乾燥処理によって溶媒を除去することによって、誘導体化フラーレンと誘導体化フルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマーの双方を含む薄膜組成物が残った。本実施形態における誘導体化フルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマーは電子供与体として機能し、一方、フラーレン誘導体は電子受容体として作用する。形成された組成物は、以下の式６に示す物質を含むものであった。

上の式６において、ｎは２０であり、Ｒ_１はメチルであり、Ｒ_２はメチルであり、Ｒ_３はメチルオキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_４はメトキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_５はメチルであり、Ｒ_６はメチルである。電子供与体基をフルオレンコポリマー中に導入し、且つ適切なＲ基を選択することによって、バンドギャップの縮小を達成でき、その結果、フルオレン又はフラーレンのみの場合と比較して、より広範な太陽エネルギースペクトルを吸収することができるようになった。

高分子太陽電池の吸収性材料の調製
誘導体化フラーレン約６００ｍｇを、余剰のジクロロメタン溶媒中において、誘導体化フルオレン−置換フェノチアジンコポリマー約２００ｍｇと混ぜ合わせた。完全に混合した後、溶媒を乾燥させることによって、誘導体化フラーレンと誘導体化フルオレン−置換フェノチアジンコポリマーの双方を含む薄膜組成物が残った。本実施形態における誘導体化フルオレン−置換フェノチアジンコポリマーは電子供与体として機能し、一方、フラーレン誘導体は電子受容体として作用する。形成された組成物は、以下の式７に示す物質を含むものであった。

上の式７において、ｎは２０であり、ＸはＳであり、Ｒ_１はメチルであり、Ｒ_２はメチルであり、Ｒ_３はメトキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_４はメチルオキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_５はエチルであり、Ｒ_６はエチルであり、Ｒ_７はエチルであり、Ｒ_８はエチルであり、そしてＲ_９はエチルである。電子供与体基をフルオレンコポリマー中に導入し、且つ適切なＲ基を選択することによって、バンドギャップの縮小を達成でき、その結果、フルオレン又はフラーレンのみの場合と比較して、より広範な太陽エネルギースペクトルを吸収することができるようになった。

高分子太陽電池の吸収性材料の調製
誘導体化フラーレン約６００ｍｇを、余剰のジクロロメタン溶媒中において、誘導体化フルオレン−電子供与物質コポリマー約２００ｍｇと混ぜ合わせた。完全に混合した後、溶媒を乾燥処理で除去することによって、誘導体化フラーレンと誘導体化フルオレン−置換電子供与物質コポリマーの双方を含む薄膜組成物が残った。本実施形態における誘導体化フルオレン−電子供与物質コポリマーは電子供与体として機能し、一方、フラーレン誘導体は電子受容体として作用する。形成された組成物は、以下の式８に示す材料を含むものであった。

上の式８において、ｎは２０であり、Ｒ_１はメチルであり、Ｒ_２はメチルであり、Ｒ_３はメチルオキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_４はメトキシカルボニルであり（図１参照）、Ｄは電子供与物質である。電子供与体基をフルオレンコポリマー中に導入し、且つ適切なＲ基を選択することによって、バンドギャップの縮小を達成でき、その結果、フルオレン又はフラーレンのみの場合と比較して、より広範な太陽エネルギースペクトルを吸収することができるようになった。本実施形態では、誘導体化フルオレン組成物と組成物（Ｄ）との間には共役架橋がある。

高分子太陽電池の吸収性材料の調製
誘導体化フラーレン約５００ｍｇを、余剰のジクロロメタン溶媒中において、誘導体化フルオレン−置換及びカルバゾール−置換コポリマー約１５０ｍｇと混ぜ合わせた。完全に混合した後、溶媒を乾燥処理で除去することによって、誘導体化フラーレンと誘導体化フルオレン−置換及びカルバゾール−置換コポリマーの双方を含む薄膜組成物が残った。本実施形態における誘導体化フルオレン−置換及びカルバゾール−置換コポリマーは電子供与体として機能し、一方、フラーレン誘導体は電子受容体として作用する。形成された組成物は、以下の式９に示す物質を含むものであった。

上の式９において、ｎは２０であり、Ｒ_１はメチル、Ｒ_２はメチルであり、Ｒ_３はメチルオキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_４はメトキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_７はメチルであり、Ａはニトロであり、Ｄはメトキシであり、Ｇ_１−Ｇ_２は炭素−炭素三重結合であり、Ｇ_３−Ｇ_４は炭素−炭素三重結合であり、及びＧ_５−Ｇ_６も炭素−炭素三重結合である。電子供与体基をフルオレンコポリマー中に導入し、且つ適切なＲ基を選択することによって、バンドギャップの縮小を達成でき、その結果、フルオレン又はフラーレンのみの場合と比較して、より広範な太陽エネルギースペクトルを吸収することができるようになった。本実施形態では、２つの異なる誘導体化フルオレン組成物と、電子供与体（Ｄ）及び受容体（Ａ）との間に、幾つかの共役架橋がある。

積層複合体高分子太陽電池の吸収性材料の調製
誘導体化フルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマー約１００ｍｇを、余剰のジクロロメタン溶媒中に溶解した。完全に混合した後、乾燥処理によって溶媒を除去することによって、誘導体化フルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマーを含む薄膜組成物が残った。この膜の表面上に、別個の誘導体化フラーレン約４００ｍｇの膜の層をスピンコートした。本実施形態におけるフルオレン−置換ベンゾチアジアゾールコポリマーは電子供与体として機能し、一方、フラーレン誘導体は電子受容体として作用する。各層の組成物は、以下の式１０に示す材料を含むものであった。

上の式１０において、ｎは２０であり、Ｒ_１はメチルであり、Ｒ_２はメチルであり、Ｒ_３はメチルオキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_４はメトキシカルボニルであり（図１参照）、Ｒ_５はメチルであり、及びＲ_６はメチルである。電子供与体基をフルオレンコポリマー中に導入し、且つ適切なＲ基を選択することによって、バンドギャップの縮小を達成でき、その結果、フルオレン又はフラーレンのみの場合と比較して、より広範な太陽エネルギースペクトルを吸収することができるようになった。

実施例１〜５の各々において、誘導体基、共役架橋、電子受容体、電子供与体等については特定の値を提示しているが、本明細書に記載のように、また、本願を考察すれば当業者に明らかになるように、本発明の実施形態に従って多くの変更形態も使用できることを理解されたい。例えば、ｎは２０〜１００とし得、Ｘ（実施例２）はＯ若しくはＳとし得る。Ａ（実施例４）は、−Ｃ（＝Ｏ）Ｈ、−Ｃ（＝Ｏ）Ｒ_１２、−Ｃ（＝Ｏ）ＯＲ_１２、−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ、−ＣＮ、−Ｎ＝Ｏ、−ＮＯ_２、ＣＦ_３、−ＳＯ_３Ｈ、−Ｎ＝Ｎ−、−ＣＨ＝ＮＲ_１２、−ＣＲ_１２＝ＮＲ_１３、＝Ｃ＝Ｃ（ＣＮ）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯＲ_１２）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯ_２Ｒ_１２）_２、−Ｃ＝Ｃ（ＣＯＲ_１２）（ＣＯ_２Ｒ_１３）、−ＳＯ_２ＯＲ_１２、−Ｓ（＝Ｏ）−Ｒ_１２、−ＳＯ_２Ｒ_１２、−ＰＯ_３Ｈ_２、−ＰＯ_３Ｒ_１２Ｒ_１３などの電子求引基を表すことができ、ここで、Ｒ_１２及びＲ_１３は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。Ｄ（実施例３）は、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンなどの電子供与基とし得る。Ｄ（実施例４）もまた、−Ｏ−、−ＯＨ、ＯＲ_１４、−ＮＨ−、−ＮＨ_２、−ＮＨ_３、−ＮＲ_１４Ｒ_１５、−ＰＲ_１４Ｒ_１５、−ＰＨＲ_１４、−Ｓ−、−ＳＨ、−ＳＲ_１４、−ＢＨ_２、−ＢＨＲ_１４、及び−ＢＲ_１４Ｒ_１５などの電子供与基とし得、ここで、Ｒ_１４及びＲ_１５は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択される置換基である。Ｇ_１−Ｇ_２、Ｇ_３−Ｇ_４、及びＧ_５−Ｇ_６（実施例４）は、回転子と固定子を一緒に連結する共役接続ユニットとし得、また、−ＣＨ＝ＣＨ−、−ＣＨ＝ＣＲ_１０−、−ＣＲ_１０＝ＣＲ_１１又は置換アセチレン、エタン若しくは置換エタン、−Ｃ＝Ｎ−、−Ｎ＝Ｎ−等を挙げることができ、ここで、Ｒ_１０及びＲ_１１は、分枝若しくは直鎖の低級脂肪族、環状脂肪族、単素環及び複素環アリール（単環系及び溶融環系を含む）、及びそれらの置換誘導体から成る群から個々独立して選択された置換基である。さらに、Ｒ基の各々は、個々独立して、Ｈ、飽和若しくは不飽和の低級脂肪族又は置換低級脂肪族、置換若しくは未置換アリールであるか、又は窒素、酸素、硫黄、及び／又はリンを含む官能基とし得る。

特定の好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、様々な修正、変更、省略、及び置換が本発明の趣旨から逸脱することなく成し得るということは、当業者には明らかであろう。それ故、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

本発明の実施形態によるフラーレン組成物の概略立体図 本発明の実施形態による、フラーレン組成物とプッシュプルコポリマーとの混合物を利用する太陽電池の概略図 本発明の実施形態による、１つの層がフラーレン組成物を含み、他の層がプッシュプルコポリマーを含む、別個の膜層を利用する太陽電池の概略図

符号の説明

１２ 電極
１４ 電子受容体と電子供与体の混合物
１６ 電極
１８ ガラス
２４ 電子受容体
２６ 電子供与体

Claims (17)

1. 太陽電池において放射エネルギーを吸収し利用するための組成物又は積層複合体であって、
   少なくとも１つの電子供与物質と少なくとも１つの電子受容物質とを含むプッシュプルコポリマーと、
   フラーレン組成物と、
   を含む、組成物又は積層複合体。
2. 前記プッシュプルコポリマーと前記フラーレン組成物とが一緒に混合されている、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
3. 前記プッシュプルコポリマーが第１の層内に配置され、且つ前記フラーレン組成物が第２の層内に配置されており、前記第１の層が前記第２の層と接触している、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
4. 前記電子受容物質が、フルオレン基を含む、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
5. 前記フルオレン基が、誘導体化されている、請求項４に記載の組成物又は積層複合体。
6. 前記フルオレン基が、低級脂肪族成分、アリール成分、含窒素成分、含酸素成分、含硫黄成分、及び含リン成分から成る群から個々独立に選択された少なくとも１つの成分によって誘導体化されている、請求項５に記載の組成物又は積層複合体。
7. 前記電子供与物質が、トリアリールアミン、置換トリアリールアミン、カルバゾール、置換カルバゾール、フェノチアジン、置換フェノチアジン、ベンゾチアジアゾール及び置換ベンゾチアジアゾール、ＰＰＶ（ポリ（パラ−フェニレンビニレン））、ＰＴ（ポリ（チオフェン））、ＰＰＰ（ポリ（パラ−フェニレン））、及びフタロシアニンから成る群から選択される、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
8. 前記フラーレン組成物が、誘導体化されている、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
9. 前記フラーレン組成物が、低級脂肪族成分、アリール成分、含窒素成分、含酸素成分、含硫黄成分、及び含リン成分から成る群から個々独立して選択された少なくとも１つの成分によって誘導体化されている、請求項８に記載の組成物又は積層複合体。
10. プッシュプルコポリマー対フラーレン組成物のモル比が、約３：１〜１：３である、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
11. 前記モル比が、約１：１である、請求項１０に記載の組成物又は積層複合体。
12. 薄膜形状である、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
13. 前記薄膜が、５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さである、請求項１２に記載の組成物又は積層複合体。
14. 前記プッシュプルコポリマーが、電子受容物質と電子供与物質との間の共役架橋を含む、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
15. 前記組成物が、回転子−固定子の構成である、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
16. 前記プッシュプルコポリマーが正味の電子供与体であり、且つ前記フラーレン組成物が電子受容体である、請求項１に記載の組成物又は積層複合体。
17. 請求項１〜１６の何れか１項に記載の組成物又は積層複合体を含んで成る太陽電池。

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