JP2006245616A - 光電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】向上したデバイス効率を有する光応答性デバイスを提供すること。
【解決手段】第１電極と第２電極との間に設置された光応答性領域を備え、電荷キャリアが光応答性領域と電極との間を移動できるようになっている光電子デバイスであって、前記光応答性領域は、それぞれ異なる電子親和力を有する第１の光応答性材料と第２の光応答性材料とのブレンドを含む少なくとも第１と第２のブレンド層を備え、前記第１および第２のブレンド層は異なる割合の第１および第２の光応答性材料を含む光電子デバイス。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光応答性領域を備える光電子デバイスに関し、特に光検出器のような光を検出するためのデバイス、および太陽電池のような電磁放射から電気エネルギー源を供給するためのデバイスに関する。

光検出器または太陽電池は一般に、２つの電極の間に設置された光応答性材料を備えており、光応答性材料が光にさらされた時に２つの電極間の電位が変化する。

特許文献１においては、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）電極とアルミニウム電極との間に設置された、ポリ（２−メトキシ−５（２’−エチル）ヘキシロキシフェニレンビニレン）（「ＭＥＨ−ＰＰＶ」）とポリ（シアノフェニレン−ビニレン）（「ＣＮ−ＰＰＶ」）とのブレンド層を備えるポリマーの光検出器が開示されている。

これらのデバイスでは比較的良好なデバイス効率が達成されているが、光検出器に、より高度なデバイス効率を持たせることが要求されている。
米国特許第５，６７０，７９１号明細書

従って本発明の目的は、向上したデバイス効率を有する光応答性デバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、第１電極と第２電極との間に設置された光応答性領域を備え、電荷キャリアが光応答性領域と第１電極および第２電極との間を移動できるようになっている光電子デバイスであって、この光応答性領域は、第１層および第２層の交互の積層体を備え、各第１層は第１の光応答性材料を含み、かつ各第２層は第２の光応答性材料を含み、前記第１と第２の光応答性材料が異なる電子親和力を有し、第１層の両側にある各対の第２層は、前記一対の第２層の間の前記第１層により規定される第１の開口を介して互いに接触しており、かつ第２層の両側にある各対の第１層は、前記一対の第１層の間の前記第２層により規定される第２の開口を介して互いに接触する光電子デバイスが提供される。

一実施形態によれば、第１電極は前記第１層のうちの１つに隣接し、かつ第２電極は前記第２層のうちの１つに隣接する。

各対の第２層の間の各第１層により規定される第１の開口は、好ましくは規則的なアレイに配列され、また各対の第１層の間の各第２層により規定される第２の開口も、好ましくは規則的なアレイに配列される。

好ましくは、第１および第２の光応答性材料はいずれも半導体性の共役ポリマーである。

一実施形態によれば、一対の第２層の間の各第１層は第１および第２の光応答性材料のブレンドを含み、第１の光応答性材料の割合は第２の光応答性材料の割合よりも高く、一対の第１層の間の各第２層も第１および第２の光応答性材料のブレンドを含み、第２の光応答性材料の割合は第１の光応答性材料の割合より高い。

本発明の第２の態様によれば、第１電極と第２電極との間に設置された光応答性領域を備え、電荷キャリアが光応答性領域と第１電極と第２電極との間を移動できるようになっている光電子デバイスを製造する方法であって、前記光応答性領域を、第１の領域のアレイを第１電極を含む基板の上に堆積させる工程であって、第１領域のアレイはその間に下にある基板の一部を露出させる開口を規定する工程と、第２領域のアレイを第１領域の間に規定される開口内に堆積させ、第２領域が部分的に第１領域に重なり、かつその間に下にある第１領域の一部を露出させる開口を規定するようにする工程により形成する（ここで、第１の領域は第１の光応答性材料を含み、かつ第２の領域は第２の光応答性材料を含み、第２の光応答性材料と第２の光応答性材料とは異なる電子親和力を有する）、光電子デバイスの製造方法が提供される。

好ましい実施形態によれば、第１領域のアレイは別個の開口のアレイを規定し、かつ第２の領域のアレイは別個の開口のアレイを規定する。

好ましい実施形態によれば、第１および第２領域のアレイは、インクジェットプリント技術により堆積させる。

本発明の第３の態様によれば、第１電極と第２電極との間に設置された光応答性領域を備え、電荷キャリアが光応答性領域と電極との間を移動できるようになっている光電子デバイスであって、光応答性領域は、それぞれ異なる電子親和力を有する第１の光応答性材料と第２の光応答性材料とのブレンドを含む少なくとも第１と第２のブレンド層を備え、第１と第２のブレンド層は異なる割合の第１と第２の光応答性材料を含む光電子デバイスが提供される。

好ましくは、少なくとも一つの光応答性材料は半導体性の共役ポリマーであり、さらに好ましくは、両方の光応答性材料が半導体性の共役ポリマーである。

好ましい実施形態によれば、光応答性領域は、第１および第２ブレンド層の交互の積層体を含む。

光応答性領域は好ましくは、実質的に第１電極に隣接する第１の光応答性材料からなる層、および／または実質的に第２電極に隣接する第２の光応答性材料からなる層をさらに備える。これらの層は、それぞれの電荷キャリアの第１および第２電極への輸送を促進する。

本発明の実施形態を、単に例として、添付の図面を参照して以下に説明する。

以下、本発明の第１の実施形態に従った光電子デバイスを製造する方法を、図１、図２（ａ）、および図２（ｂ）を参照して説明する。ガラス基板２をインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）の層でコートし、アノード層４を提供する。次に、ＭＥＨ−ＰＰＶの連続層６を、ブレードコーティング、スピンコーティング、またはインクジェットプリント技術のような標準的な堆積技術により、ＩＴＯ層の表面のうちガラス基板と反対側の表面上に堆積させる。ＭＥＨ−ＰＰＶ層は５〜１００ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍの範囲内の厚さを有する。次に、インクジェット技術を用いて、適切な溶媒中のＣＮ−ＰＰＶ溶液の液滴のアレイを、ＭＥＨ−ＰＰＶ層の表面のうちＩＴＯ層と反対側の表面上に堆積させる。

各液滴の体積と液滴の間隔は、以下のように調節する。すなわち、乾燥させて溶媒を蒸発させた後に、ＣＮ−ＰＰＶスポット８がＭＥＨ−ＰＰＶ層上に残り、それらの外周で互いに接触するか（図２ａに示されるように）、または互いに重なり合う（図２ｂに示されるように）だけでなく、その間に下にあるＭＥＨ−ＰＰＶ層の一部を露出させる別個の開口１０を規定するように調節する。図２（ａ）および図２（ｂ）において、ＣＮ−ＰＰＶスポット８の輪郭を破線で示す。次に、インクジェットプリント技術を用いて、適切な溶媒中のＭＥＨ−ＰＰＶ溶液の液滴のアレイを、ＣＮ−ＰＰＶスポット８の層上に、以下のように堆積させる。すなわち、乾燥させて溶媒を蒸発させた後に、ＭＥＨ−ＰＰＶスポット１２の層が残り、下にあるＣＮ−ＰＰＶスポット８のアレイにより規定された開口１０を満たし、下にあるＣＮ−ＰＰＶスポット８のアレイを部分的に覆い、かつその間に下にあるＣＮ−ＰＰＶスポット８の一部を露出させる別個の開口１４のアレイを規定するように堆積させる。ＭＥＨ−ＰＰＶスポット１２（図２（ａ）および図２（ｂ）において実線で示される）も、それらの外周で互いに接触するか（図２（ａ）に示されるように）、または互いに重なり合う（図２（ｂ）に示されるように）。

ＭＥＨ−ＰＰＶおよびＣＮ−ＰＰＶの溶液に好適な溶媒の例は、キシレン、トルエン、およびテトラヒドロフランを含む。いくらか混合させるために、ＭＥＨ−ＰＰＶとＣＮ−ＰＰＶの両方とも同じ溶媒を用いることが好ましい。各層は、次の層の堆積の前に乾燥されるべきである。

この方法を繰り返し、ＭＥＨ−ＰＰＶスポットの層を最上層として、所望の厚さのＣＮ−ＰＰＶおよびＭＥＨ−ＰＰＶスポットの層の交互の積層体を製造する。積層体は、好ましくは光学密度(optical density)で１〜３に相当する厚さを有する。積層体の厚さは好ましくは１００〜４００ｎｍの範囲内である。

次に、ＣＮ−ＰＰＶの連続的な層１６を、ブレードコーティング、スピンコーティング、またはインクジェットプリント技術のような標準的な技術によりＭＥＨ−ＰＰＶスポット１２の最上層の上に堆積させ、ＣＮ−ＰＰＶの連続的な層の、ＭＥＨ−ＰＰＶスポットの最上層と反対側の表面上にカソード１８を形成する。カソード１８は好ましくはアルミニウムの層を含むか、または、カルシウムのような仕事関数の低い金属の下側の薄い層と、上側のアルミニウムの厚い層とを含む二層構造を有する。

単純にするために、図１は、２層のＭＥＨ−ＰＰＶスポット１２と２層のＣＮ−ＰＰＶスポット８のみを有し、スポットの層が一般に図２（ａ）に示されるパターンを有するデバイスの、部分的な概略断面図を示す。図１は図２（ａ）の線Ａ−Ａを通る部分的な概略断面図である。

代替の改良案においては、ＭＥＨ−ＰＰＶスポット８を、大きな割合のＭＥＨ−ＰＰＶと小さな割合のＣＮ−ＰＰＶとのブレンドを含むＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶスポットに置換することができる。同様に、ＣＮ−ＰＰＶスポット１２を、大きな割合のＣＮ−ＰＰＶと小さな割合のＭＥＨ−ＰＰＶとのブレンドを含むＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶスポットに置換することができる。

製品デバイスにおいては、スポットの厚さは５ｎｍ〜１０００ｎｍ、好ましくは５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内であり、スポットの直径は０.５〜１０００ミクロン、好ましくは５〜５０ミクロンの範囲内である。

異なる電子親和力を有する光応答性材料が極めて近接していると、光応答性領域が光に曝されて光応答性領域内にエキシトンが形成される時に、効率的な電荷分離が保証される。スポットの厚さを好ましくは、側方拡散長（すなわち電荷キャリアが高いまたは低い電子親和力の領域において回収されるまでに移動するのに必要とする距離）をできるだけ小さくするようにし、場合によっては、これによってデバイス効率を最大限にする。

規則的な液滴のアレイを堆積させるためにインクジェットプリントを使用することは、非常に小さなサイズの液滴が堆積され得ることを意味し、非常に小さなサイズを有する種々の光応答性材料の領域の規則的なアレイとなり、これによって非常に良好なデバイス効率を有するデバイスを製造することが可能となる。

さらに、ＣＮ−ＰＰＶおよびＭＥＨ−ＰＰＶスポットのアレイが規則的なという特徴は、光応答性領域内のエキシトンが形成されるどの場所でも、側方拡散長が一様に小さいことを保証し、これによってデバイスが光応答性領域の全領域に渡って一様な感度を示すことを保証する。

上述したように、交互に２次元に配列されたＭＥＨ−ＰＰＶスポットとＣＮ−ＰＰＶスポットのアレイは千鳥状であり、ＭＥＨ−ＰＰＶのみを通過する各ＭＥＨ−ＰＰＶスポットからアノードへの経路と、ＣＮ−ＰＰＶのみを通過する各ＣＮ−ＰＰＶスポットからカソードへの経路が得られる。そのような経路が提供されると、それぞれの電荷キャリアのアノードおよびカソードによる回収の効率がそれぞれ上昇し、これによってデバイスの効率がさらに最大になる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３を参照して説明する。

ＭＥＨ−ＰＰＶの層３４を、アノード層３２が備えられたガラス基板３０上に堆積させる。アノード層３２は一般的にＩＴＯの層である。大きな割合のＣＮ−ＰＰＶと小さな割合のＭＥＨ−ＰＰＶとを含むＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶブレンドの層３６をＭＥＨ−ＰＰＶ層３４上に堆積させる。ＭＥＨ−ＰＰＶのＣＮ−ＰＰＶに対する比率は、好ましくは５：９５〜４０：６０の範囲内である。本実施形態においては、比率は２０：８０である。次に、大きな割合のＭＥＨ−ＰＰＶと小さな割合のＣＮ−ＰＰＶを含むＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶブレンドの層３８を、下にあるＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶ層３６上に堆積させる。ＭＥＨ−ＰＰＶのＣＮ−ＰＰＶに対する比率は好ましくは９５：５〜６０：４０である。本実施形態においては、比率は８０：２０である。この交互のＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶとＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶブレンド層の堆積を、ＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶブレンド層を最上層として、所望の数の層の積層体が得られるまで繰り返す。次に、ＣＮ−ＰＰＶからなる層を最上のＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶブレンド層の上に形成し、続いてＣＮ−ＰＰＶ層４０の表面上にカソード４２を形成する。カソードは一般的に１またはそれ以上の金属層を含む。好ましい実施形態においては、それはカルシウムのような仕事関数の低い金属の薄い層と、上側のアルミニウムの層を含む。

最終的なデバイスにおいては、アノードおよびカソードに隣接するＭＥＨ−ＰＰＶ層およびＣＮ−ＰＰＶ層の厚さはそれぞれ、５〜３０００Å、好ましくは５０〜１５０Åの範囲内であり、またＭＥＨ−ＰＰＶ／ＣＮ−ＰＰＶおよびＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶブレンド層の厚さは、５〜３０００Å、好ましくは５０〜１５０Åの範囲内である。

積層体は好ましくは、積層体を通過する３５０〜８００ｎｍの範囲の波長を有する光の少なくとも約５０％を吸収するのに十分な全体の厚さを有する。例えばもしこのデバイスが高反射率のカソードを備えていれば、最初の通過において積層体により吸収されなかった入射光は反射されて戻り積層体を通るので、積層体への入射光の約７５％以上が吸収されるであろう。好ましくは、積層体は光の約９０％を吸収するのに十分な全体の厚さを有する。

スピンコーティングまたはブレードコーティングのようないかなるポリマー堆積技術でも、ポリマーおよびポリマーブレンド層を堆積させるのに使用できる。非常に厚さの薄い層を製造するのに使用できるので、インクジェットプリント技術が好ましい。

上述した実施形態においては、ＭＥＨ−ＰＰＶおよびＣＮ−ＰＰＶが異なる電子親和力を有する光応答性材料として使用されている。しかしながら、当業者には、本発明はこれらの特定の材料の使用に限定されず、異なる電子親和力を有する光応答性材料のいかなる適切な組み合わせでも一般に適用できることは理解されるであろう。

本発明の第１の実施形態の光電子デバイスの部分的な概略断面図。 図１において示されるデバイスの隣接する層間の関係を示す図。 図１において示されるデバイスの隣接する層間の関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に従った光電子デバイスの概略図。

符号の説明

２、３０…ガラス基板
４、３２…アノード層
６、３４…ＭＥＨ−ＰＰＶ層
８…ＣＮ−ＰＰＶスポット
１０、１４…開口
１２…ＭＥＨ−ＰＰＶスポット
１６、４０…ＣＮ−ＰＰＶ層
１８…カソード
３６、３８…ＣＮ−ＰＰＶ／ＭＥＨ−ＰＰＶブレンド層

Claims (6)

1. 第１電極と第２電極との間に設置された光応答性領域を備え、電荷キャリアが光応答性領域と電極との間を移動できるようになっている光電子デバイスであって、前記光応答性領域は、それぞれ異なる電子親和力を有する第１の光応答性材料と第２の光応答性材料とのブレンドを含む少なくとも第１と第２のブレンド層を備え、前記第１および第２のブレンド層は異なる割合の第１および第２の光応答性材料を含む光電子デバイス。
2. 前記第１の光応答性材料が半導体性の共役ポリマーである請求項１記載の光電子デバイス。
3. 前記第２の光応答性材料が半導体性の共役ポリマーである請求項１または２記載の光電子デバイス。
4. 前記光応答性領域が第１および第２ブレンド層の交互の積層体を含む請求項１ないし３のいずれか１項記載の光電子デバイス。
5. 前記第１電極に隣接する実質的に第１の光応答性材料からなる層をさらに含む請求項１ないし４のいずれか１項記載の光電子デバイス。
6. 前記第２電極に隣接する実質的に第２の光応答性材料からなる層をさらに含む請求項１ないし５のいずれか１項記載の光電子デバイス。

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