JP2008021958A - ナノスケールでモルフォロジー制御された粗い電極上に成長した有機感光性電池 - Google Patents

ナノスケールでモルフォロジー制御された粗い電極上に成長した有機感光性電池 Download PDF

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Abstract

【課題】オプトエレクトロニックデバイスを作製する方法及びそのようなデバイスの提供。
【解決手段】基板上に蒸着された第１電極、少なくとも３０ｎｍの二乗平均粗さ及び少なくとも２００ｎｍの高さ変化量を有する第１電極の露出された表面を含み、第１電極は透明であるようなオプトエレクトロニックデバイス及びオプトエレクトロニックデバイスを作製する方法。第１有機半導体材料のコンフォーマル層は有機気相蒸着法により第１電極上部へ蒸着され、第１有機半導体材料は低分子材料である。第２有機半導体材料層は、コンフォーマル相を覆って蒸着される。第２有機半導体材料層の少なくともいくらかは前記コンフォーマル層と直接接触する。第２電極が第２有機半導体材料層を覆って蒸着される。第１有機半導体材料は、反対のタイプの材料である第２有機半導体材料に関連してドナータイプまたはアクセプタータイプである。
【選択図】図１１

Description

本発明は、米国エネルギー省、国立再生可能エネルギー研究所により与えられた契約第３３９４０１２の下で米国政府の援助によりなされた。政府は本発明に一定の権利を有している。
請求の範囲に記載されている発明は、大学−企業共同研究契約に基づき、一つ以上の以下の団体によって、それらを代表して、及び／またはそれらに関連してなされた：プリンストン大学、南カリフォルニア大学、及びＧｌｏｂａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ。前記契約は、請求の範囲に記載されている発明がなされた日及びそれ以前に有効であったもので、請求の範囲に記載されている発明は前記契約の範囲内で行なわれた活動の結果としてなされた。
本発明は、有機感光性オプトエレクトロニックデバイスに広く関する。より詳細には、粗い電極を有する有機感光性オプトエレクトロニックデバイスに関する。
オプトエレクトロニックデバイスは、電磁放射線を電子的に製造または検知するため、または周囲の電磁放射線から電気を作り出すため、材料の光学的な及び電子的な性質を利用する。
感光性オプトエレクトロニックデバイスは、電磁放射線を電気的な信号、または電気に変換する。太陽電池は、光起電性（“ＰＶ”）デバイスとも呼ばれ、特に電力を作り出すために使用される感光性オプトエレクトロニックデバイスの一種である。光導電セルは、吸収される光に起因する変化を検知するためにデバイスの抵抗を監視する信号検出回路とともに使用される感光性オプトエレクトロニックデバイスの一種である。光検出器は、印加されたバイアス電圧を受けてよく、光検出器が電磁放射線に露出されるとき生成される電流を測定する電流検出回路とともに使用される感光性オプトエレクトロニックデバイスの一種である。
感光性オプトエレクトロニックデバイスのこれら三つの分類は、以下に定義されるような整流接合が存在するか否かにより、及び、デバイスが、バイアスまたはバイアス電圧としても知られる、外部から印加された電圧で操作されるか否かにより区別されてよい。光導電セルは整流接合を持たず、通常バイアスで操作される。ＰＶデバイスは少なくとも一つの整流接合を有し、バイアスの無い状態で操作される。光検出器は少なくとも一つの整流接合を有し、通常、しかし常にではないが、バイアスで操作される。
ここで、用語“整流”は、一つには、界面が非対称な伝導特性を有することを、すなわち、界面が好ましくは一方向への電子電荷移動を維持することを示す。用語“半導体”は、熱的または電磁的励起によって電荷キャリアが誘起されるとき電流を伝えることができる材料を示す。用語“光導電性”は、電磁放射エネルギーが吸収され、キャリアが材料中で電荷を伝導（すなわち、輸送）し得るように、結果的に電荷キャリアの励起エネルギーに変換されるプロセスに広く関する。用語“光導電材料”は、電荷キャリアを生成するため、それらが電磁放射線を吸収する性質を使用した半導体材料をさす。ここで“最上部”とは基板から最も離れていることを意味し、それに対して“底部”は基板に最も近いことを意味する。第１層が、第２層と“物理的に接触して”または第２層の“直接上にある”ことが明記されることなく、介在層（例えば、第１層が第２層の“上に”または“覆って”存在する場合）が存在してよい。しかしながら、これは表面処理を排除しない（例えば、第１層の紫外オゾンまたはプラズマに対する露出）。
適切なエネルギーを有する電磁放射線が有機半導体材料の上に入射するとき、励起された分子状態を作るためフォトンが吸収される可能性がある。有機光導電材料において、生成された分子状態は一般的に“励起子”、すなわち偽−粒子として移送される結合状態の電子−正孔対、であると一般的に考えられる。励起子は電子正孔対が再結合（“クエンチング”）をする前に評価可能な寿命を有してよく、前記再結合とは（他のペアからの正孔または電子との再結合とは対照的に）元々の電子及び正孔が互いに再結合することを示す。光電流を生成するために、励起子を形成する電子−正孔が整流接合において一般的に分離される。
感光性デバイスの場合、整流接合は光起電性ヘテロ接合とみなされる。有機光起電性ヘテロ接合は、ドナー材料とアクセプター材料との界面に形成されるドナー・アクセプターヘテロ接合、及び光導電材料と金属との界面に形成されるショットキーバリアヘテロ接合を含む。
図１は、ドナー・アクセプターヘテロ接合の例を説明するエネルギー準位図である。有機材料に関連して、“ドナー”及び“アクセプター”という用語は、二つの接触する、ただし異なる有機材料における、最高被占分子軌道（“ＨＯＭＯ”）及び最低空分子軌道（“ＬＵＭＯ”）エネルギー準位の相対的な位置を示す。もしも他の材料と接触している一つの材料のＬＵＭＯエネルギー準位がより低い場合には、その材料はアクセプターである。他方はドナーである。それは外部のバイアスがない条件下で、ドナー・アクセプター接合において電子がアクセプター材料の内部に移動するためにエネルギー的に好ましい。
もしも第１のエネルギー準位が真空エネルギー準位１０により近い場合には、第１のＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、第２のＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位と比較して“大きい”または“高い”。ＨＯＭＯエネルギー準位が高いことは、真空準位に関連して、イオン化ポテンシャル（“ＩＰ”）の絶対エネルギーが小さいことに対応する。同様に、ＬＵＭＯエネルギー準位が高いことは、真空準位に関連して、電子親和力（“ＥＡ”）の絶対エネルギーが小さいことに対応する。最上部に真空準位を有する従来のエネルギー準位図において、材料のＬＵＭＯエネルギー準位は同じ材料のＨＯＭＯエネルギー準位よりも高い。
ドナー１５２またはアクセプター１５４内でのフォトン６の吸収の後、励起子８が形成され、励起子８は整流界面において分離する。ドナー１５２は正孔（白丸）を輸送し、アクセプター１５４は電子（黒丸）を輸送する。
有機半導体の重要な性質は、キャリア易動度である。易動度とは、電場に応答して電荷キャリアが半導体材料を通じて移動することができる容易さを評価するものである。有機感光性デバイスに関して、電子易動度が高いことに起因して電子を選択的に伝導する材料は電子輸送材料とみなされてよい。正孔易動度が高いことに起因して正孔を選択的に伝導する材料は正孔輸送材料とみなされてよい。デバイス内の易動度及び／または位置に起因して電子を選択的に伝導する層は、電子輸送層（“ＥＴＬ”）とみなされてよい。デバイス内の易動度及び／または位置に起因して、正孔を選択的に伝導する層は正孔輸送層（“ＨＴＬ”）とみなされてよい。好ましくは、ただし必要ではないが、アクセプター材料が電子輸送材料であり、ドナー材料が正孔輸送材料である。
光起電性ヘテロ接合において、キャリア易動度、及び、相対的なＨＯＭＯ及びＬＵＭＯ準位に基づき、ドナー及びアクセプターとして働く二つの有機光導電材料を如何に組み合わせるかは従来技術でよく知られているので、ここでは述べない。
用語“有機”は、有機オプトエレクトロニックデバイスを作製するために使用される低分子有機材料と同様に、ポリマー材料を含む。“低分子”は、ポリマーではないどのような有機材料も示すもので、“低分子”は実際には非常に大きくてもよい。低分子は、ある状況では繰り返し単位を含んでよい。例えば、置換基として長鎖アルキル基を用いても、その分子は“低分子”として分類される。低分子は、例えばポリマー主鎖のペンダント基として、または主鎖の一部としてポリマー内部に組み込まれてもよい。低分子は、デンドリマーのコア部分として使われてもよく、前記デンドリマーはコア部分に接して構築された一連の化学的殻からなる。デンドリマーのコア部分は蛍光またはリン光低分子発光体であってよい。デンドリマーは“低分子”であってよい。一般的に、高分子は明確な化学式で表されるが分子どうしが異なる分子量を持つのに対して、低分子は明確な化学式で表されて分子どうしも等しい分子量を持つ。ここで、“有機”はヒドロカルビルリガンド及びヘテロ原子で置換されたヒドロカルビルリガンドの金属錯体を含む。
光起電性デバイスの性能を表す量は曲線因子ｆｆであり、以下で定義される。
ここで、ｆｆは常に１未満であり、短絡電流ＩＳＣ、開放電圧ＶＯＣは実用上同時には得られない。それにもかかわらず、ｆｆが１に近づくと、デバイスの直列抵抗または内部抵抗はより低くなり、最適な状況下の負荷のＩＳＣ及びＶＯＣで製品におけるパーセンテージをより大きくする。Ｐｉｎｃはデバイスの入射エネルギーであり、デバイスの電力効率ηｐは以下で計算されてよい。
一般的な構成、特性、材料及び特徴を含む、さらなる背景の説明及び有機感光性デバイスに関する従来技術の状況の説明に関しては、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，６５７，３７８号明細書、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，５８０，０２７号明細書、及びＢｕｌｏｖｉｃらの米国特許第６，３５２，７７７号明細書が参考としてここに組み込まれる。
米国特許第６，６５７，３７８号明細書 米国特許第６，５８０，０２７号明細書 米国特許第６，３５２，７７７号明細書 米国特許第６，４５１，４１５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２２４１１３Ａ１号明細書 米国特許第６，６５７，３７８号明細書 米国特許出願公開第２００６−００３２５２９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００６−００２７８０２Ａ１号明細書 米国特許第６，３３３，４５８号明細書 米国特許第６，４４０，７６９号明細書 米国特許出願公開第２００５−０２７６９８７Ａ１号明細書 米国特許第５，９８６，２０６号明細書 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６、２６５０−５２（２０００） Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ（１９９９） Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ １１、３４（２００５） ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ３０，２３（２００５） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６９、７６５１（１９９１） ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ １２、４６０（１９９１） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４、３０１３（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８６、１１２８（２００２） Ｂｒａｚｉｌｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３５、１０１６（２００５） Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ６、３５７（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １０、２４（２００６） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ：Ｖａｃｕｕｍ，Ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ Ｆｉｌｍｓ ２２，１７１１（２００４） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７９、１２６（２００１） Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １０、１５０５（１９９８） Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ４、３７（２００５） Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ Ｖｏｌ．９７、Ｎｏ．６、１７９３−１８９６（１９９７） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９８，０１４９０６（２００５） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８９，１４７０（２００１） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９３，３６９３（２００３） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １１６，１７１３（２００２） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５４２７（２００４） Ｎａｔｕｒｅ ３７６，４９８（１９９５） Ｎａｔｕｒｅ ４２５，１５８（２００３） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６，２６５０（２０００） Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １６，９５（２００６） ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ２５，５２（２０００） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３，（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９８，０１４９０６（２００５）
本発明の実施形態の一つは、オプトエレクトロニックデバイスを作製する方法である。前記方法は、基板上に蒸着された第１電極と、少なくとも３０ｎｍの二乗平均粗さ及び少なくとも２００ｎｍの高さ変化量を有する前記第１電極の露出された表面との提供と、ここで前記第１電極は透明である；有機気相蒸着法による前記第１電極上部への第１有機半導体材料のコンフォーマル層の蒸着と、ここで前記第１有機半導体材料は低分子材料である；前記コンフォーマル層上への第２有機半導体材料層の蒸着と、ここで前記第２有機半導体材料層の少なくともいくらかは前記コンフォーマル層と直接接触する；前記第２有機半導体材料層上への第２電極の蒸着と、を含み、前記第１有機半導体材料は、もう一方の材料タイプである前記第２有機半導体材料に対してドナータイプまたはアクセプタータイプである。前記コンフォーマル層は、他の方法が使われてもよいが、好ましくは有機気相蒸着法によって蒸着される。
前記第１電極は、好ましくは、ドープ透明導電性酸化物、非ドープの透明導電性酸化物または低分子或いはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブで本質的に構成される。前記第１電極の表面積は、下部の基板と比較して少なくとも１．２倍大きいことが好ましい。前記コンフォーマル層は、好ましくは、３００Å未満の厚みを有し、より好ましくは２００Å未満の厚みを有する。前記第２有機材料は、好ましくは、連続層である。
前記第１電極の高さ変化量は、前記コンフォーマル層の厚みと前記第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせたものと比較して、好ましくは少なくとも３倍、より好ましくは５倍大きい。
前記第１有機半導体材料のコンフォーマル層は、前記第１電極上部に直接蒸着されてよい。前記第１電極との界面においてコンフォーマル層内に歪が生成される可能性がある。コンフォーマル層の蒸着は、前記第１有機半導体材料の格子構造が緩和するまで前記第１電極上部へと前記第１有機半導体材料を蒸着し、前記第１有機半導体材料の複数のドメインが形成され、前記コンフォーマル層は多結晶である段階を含んでよい。
前記第１有機半導体材料は、アクセプタータイプ材料である前記第２有機半導体材料に関連してドナータイプ材料であってよい。好ましいドナータイプ材料には、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンニ無水物（ＰＴＣＤＡ）が含まれる。フタロシアニンの例には、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）が含まれる。フタロシアニン誘導体の例には、クロロ［サブフタロシアニナト］ホウ素（ＩＩＩ）（ＳｕｂＰｃ）が含まれる。
前記第１有機半導体材料は、ドナータイプ材料である前記第２有機半導体材料に関連してアクセプタータイプ材料であってよい。好ましいアクセプタータイプ材料は、少なくとも６０炭素原子を有する多面体フラーレン及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）を含む。
前記方法は、第１有機半導体材料のナノメータスケールの突起をコンフォーマル層上部に直接蒸着する段階をさらに含んでよく、コンフォーマル層と突起とを組み合わせた表面積は、突起を持たないコンフォーマル層の表面積と比較して少なくとも２倍大きく、第２有機半導体材料層は突起の蒸着後に蒸着される。各突起の高さは各突起の断面の幅よりも大きいことが好ましい。
コンフォーマル層及び突起として蒸着された第１有機半導体材料の内部の様々な位置から、反対タイプの材料層との界面までの距離は、好ましくは、第１有機半導体材料の２．５励起子拡散長以下である。
本発明の他の実施形態は、第１電極をその上に有する基板と、平均二乗粗さが少なくとも３０ｎｍであり、高さ変化量が少なくとも２００ｎｍである、前記基板とは反対側の、前記第１電極の表面とを含む。第１有機半導体材料のコンフォーマル層からなる少なくとも一つのドナー・アクセプターヘテロ接合は、第１電極及びコンフォーマル層上の第２有機半導体材料層の表面上にある。第１有機半導体材料は低分子材料である。第２有機半導体材料の少なくともいくらかは、コンフォーマル層に直接接触する。第１有機半導体材料は、他の材料タイプである第２有機半導体材料に対してドナータイプまたはアクセプタータイプである。第２電極は、前記ドナー・アクセプターヘテロ接合上にある。
第１電極は、好ましくは、本質的に、ドープの透明導電性酸化物、非ドープの透明導電性酸化物、及び低分子またはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブから選択された材料からなる。前記第１電極の表面積は、好ましくは、下部の基板の表面積と比較して少なくとも１．２倍大きい。コンフォーマル層の厚みは、好ましくは、３００Å未満、より好ましくは２００Å未満である。
第２有機材料層は、好ましくは、連続層である。第１電極の高さ変化量は、コンフォーマル層の厚みと第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して、好ましくは少なくとも３倍、より好ましくは少なくとも５倍大きい
前記コンフォーマル層は、好ましくは多結晶である。
ドナータイプ材料は、好ましくは、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、または３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンニ無水物（ＰＴＣＤＡ）である。フタロシアニンの例には、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）が含まれる。フタロシアニン誘導体の例には、クロロ［サブフタロシアニナト］ホウ素（ＩＩＩ）（ＳｕｂＰｃ）が含まれる。
アクセプタータイプ材料は、好ましくは、少なくとも６０炭素原子を有する多面体フラーレン及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）である。
前記デバイスは、第１有機半導体材料のナノメータスケールの突起を有する少なくとも一つのドナー・アクセプターヘテロ接合をさらに含んでよく、前記突起はコンフォーマル層と直接接触し、第１有機半導体材料のコンフォーマル層と第２有機半導体材料層との間に存在する。前記突起と前記コンフォーマル層との組み合わせは、前記突起のないコンフォーマル層の表面積と比較して少なくとも２倍大きい表面積を有する。前記各突起の高さは、好ましくは、前記各突起の断面の幅と比較して大きい。好ましくは、コンフォーマル層及び突起の内部の様々な位置から、反対の材料タイプの層との界面までの距離は、前記第１有機半導体材料の２．５励起子拡散長以下である。
本発明の図は一定の比率で描かれている必要はない。様々な比率が誇張されている。
有機感光性デバイスは、光が吸収されて励起子を形成する少なくとも一つの光活性領域を含み、前記励起子はその後電子及び正孔に解離する。図２は、光活性領域１５０がドナー・アクセプターヘテロ接合を含む有機感光性オプトエレクトロニックデバイス１００の例を示す。“光活性領域”は、電流を生成するために分離することができる励起子を生成するために電磁放射線を吸収する、光感光性デバイスの一部分である。デバイス１００は、アノード１２０、アノード平滑層１２２、ドナー１５２、アクセプター１５４、励起子阻止層（“ＥＢＬ”）１５６、及びカソード１７０を基板１１０上に含む。
ＥＢＬ１５６の例については、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，４５１，４１５号明細書に記述され、ＥＢＬに関する開示のために参考としてここに組み込まれる。ＥＢＬのさらなる背景説明は、Ｐｅｕｍａｎｓらの“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ａｔ ｈｉｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ｉｎ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｄｏｕｂｌｅ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｉｏｄｅｓ，”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６、２６５０−５２（２０００）に見いだされてよい。ＥＢＬは、励起子がドナー及び／またはアクセプター材料の外へ移動することを防ぐことによってクエンチングを低減する。
用語“電極”及び“コンタクト”は、外部回路に光生成電流を運ぶための、または、バイアス電流或いは電圧をデバイスに提供するための媒体を提供する層を示すために、ここで互換性を持って使用される。図２に示すように、アノード１２０及びカソード１７０がその例である。電極は、金属または“金属代替物”で構成されてよい。ここで、用語“金属”は、本質的に純粋な金属からなる材料、及び二つ以上の本質的に純粋な金属からなる材料である金属アロイの双方を包含して使用される。用語“金属代替物”は、通常の定義の範囲では金属ではないが、例えば導電性等、金属のような性質を有する、ドープされた広バンドギャップ半導体、縮退半導体、導電性酸化物及び導電性ポリマー等の材料をさす。電極は、単一の層または複数の層（“化合物”電極）を含んでよく、透明、半透明または不透明であってよい。電極及び電極材料の例としては、Ｂｕｌｏｖｉｃらの米国特許第６，３５２，７７７号明細書、Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙらの米国特許第６，４２０，０３１号明細書に開示されるものが含まれ、これらは各々の特徴を開示するために参考としてここに組み込まれる。もしも関連する波長において周囲の電磁放射線の少なくとも５０％を透過する場合、層は“透明”であるといわれる。
基板１１０は、所望される構造的な性質を提供するどのような適切な基板であってもよい。基板は柔軟または剛直、平面または非平面であってよい。基板は、透明、半透明または不透明であってよい。剛直なプラスチック及びガラスが、剛直な基板材料の好ましい例である。柔軟なプラスチックまたは金属ホイルが、柔軟な基板材料の好ましい例である。
アノード平滑層１２２は、アノード層１２０とドナー層１５２との間に配置されてよい。アノード平滑層は、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，６５７，３７８号明細書に記述され、この特徴についての開示に関して参考のためここに組み込まれる。
図２において、光活性領域１５０はドナー材料１５２及びアクセプター材料１５４を含む。光活性領域で使用される有機材料は、シクロメタレート有機金属化合物を含む有機金属化合物を含んでよい。ここで、用語“有機金属”は、当業者に一般的に理解されるようなものであり、例えば、Ｇａｒｙ Ｌ．Ｍｉｅｓｓｌｅｒ、Ｄｏｎａｌｄ Ａ．Ｔａｒｒによる“Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ”（２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ（１９９９）の１３章に与えられるようなものである。
有機層は、真空蒸着、スピンコーティング、有機気相蒸着法、インクジェット印刷及び従来技術で知られる他の方法を用いて作製されてよい。
様々なタイプのドナー・アクセプターヘテロ接合の例が図３−５に示される。図３は、平坦なヘテロ接合を形成するドナー・アクセプター二層を説明する。図４は、ドナー及びアクセプター材料の混合物を含む混合ヘテロ接合１５３を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する。図５は理想的な“バルク”ヘテロ接合を説明する。実際のデバイスでは複数の界面が一般的に存在するけれども、バルクヘテロ接合は、理想的な光電流の場合、ドナー材料２５２とアクセプター材料２５４との間に単一の連続的な界面を有する。混合及びバルクヘテロ接合は複数の材料ドメインを有する結果として、複数のドナー・アクセプター界面を有する可能性がある。反対のタイプの材料によって囲まれたドメイン（例えば、アクセプター材料によって囲まれたドナー材料のドメイン）は、これらのドメインが光電流に寄与しないように電気的に隔離されてよい。他のドメインが、これら他のドメインが光電流に寄与し得るように、パーコレーション経路（連続的な光電流経路）によって接続されてよい。混合ヘテロ接合とバルクヘテロ接合との間の差異は、ドナー材料とアクセプター材料との間の相分離の程度にある。バルクヘテロ接合において有意の相分離が存在する（例えば、数ナノメータから１００ｎｍのサイズのドメインを形成する）のに対して、混合ヘテロ接合においては、相分離は殆ど存在しないか、または全く存在しない（ドメインは非常に小さく、例えば数ナノメータ未満である）。
低分子混合ヘテロ接合は、例えば真空蒸着または気相蒸着を用いたドナー及びアクセプター材料の共蒸着によって形成されてよい。低分子バルクヘテロ接合は、例えば制御成長（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｒｏｗｔｈ）、蒸着後のアニーリングを伴う共蒸着、または溶液処理によって形成されてよい。ポリマーの混合またはバルクヘテロ接合は、例えばドナー及びアクセプター材料のポリマーブレンドの溶液処理によって形成されてよい。
もしも光活性領域が混合層（１５３）またはバルク層（２５２、２５４）及びドナー層（１５２）及びアクセプター層（１５４）のうち少なくとも一つを含む場合には、前記光活性領域は“ハイブリッド”ヘテロ接合を含むといわれる。図４における層の配置はその例である。ハイブリッドヘテロ接合のさらなる説明に関しては、Ｊｉａｎｇｅｎｇ Ｘｕｅらによる、発明の名称が“Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｈｙｂｒｉｄｉｚｅｄ ｍｉｘｅｄ−ｐｌａｎａｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”である、２００５年１０月１３日に公開された、米国特許出願公開第２００５／０２２４１１３Ａ１号明細書が参考のためここに組み込まれる。
一般的には、平坦なヘテロ接合は良好なキャリア伝導性を有するが、励起子分離に乏しい；混合層はキャリア伝導性に乏しく、励起子分離が良好であり、バルクヘテロ接合はキャリア伝導性が良好であり、励起子分離も良好であるが、材料の“行き止まり”の末端で電荷の集積が起こり効率を低下させる可能性がある。特に記述しなければ、平坦な、混合、バルク及びハイブリッドヘテロ接合は、ここで開示される実施形態全体で、ドナー・アクセプターヘテロ接合と殆ど同じ意味で使用されてよい。
図６は、光活性領域３５０がショットキーバリアヘテロ接合の一部分である有機感光性オプトエレクトロニックデバイス３００の例を示す。デバイス３００は、透明コンタクト３２０、有機光導電材料３５８を含む光活性領域３５０、及びショットキーコンタクト３７０を含む。ショットキーコンタクト３７０は、一般的に金属層として形成される。もしも光導電層３５８がＨＴＬである場合には、アルミニウム、マグネシウムまたはインジウム等の低仕事関数金属が使われてよいのに対して、もしも光導電層３５８がＥＴＬの場合には、金などの高仕事関数金属が使用されてよい。ショットキーバリアセルにおいて、ショットキーバリアに関連して組み込まれた電場は、分離した励起子内の電子及び正孔を引き付ける。一般的に、電界励起子分離はドナー・アクセプター界面における分離ほど効率的ではない。
説明されたようなデバイスは、エレメント１９０に接続されてよい。もしも前記デバイスが光起電性デバイスである場合、エレメント１９０は電力を消費または保存する抵抗型負荷である。もしも前記デバイスが光検出器である場合、エレメント１９０は、光検出器が光に露出されるとき生成される電流を測定し、及びバイアスをデバイスに印加することができる、電流検出回路である（例えば、Ｆｏｒｒｅｓｔらによる、２００５年５月２６日に公開された、米国特許出願公開第２００５−０１１０００７Ａ１号明細書において記述される）。もしも整流接合がデバイスから除去される場合（例えば、光活性領域として単一の光導電材料を用いて）、結果として得られる構造は光導電セルとして使用されてよく、その場合エレメント１９０は、光の吸収に起因するデバイスを横切る抵抗の変化を監視する信号検出回路である。特に記述しなければ、ここで開示される図面及び実施形態の各々において、これらの配列及び修正の各々がデバイスに使用されてよい。
有機感光性オプトエレクトロニックデバイスは、透明な電荷輸送層、電極、または電荷再結合領域を含んでもよい。電荷輸送層は、有機物または無機物であってよく、光導電的に活性であってよく或いは光導電的に活性でなくてよい。電荷輸送層は電極と類似しているが、デバイス外部の電気的な接続を持たず、オプトエレクトロニックデバイスのサブセクションから隣接するサブセクションへと単に電荷キャリアを輸送する。電荷再結合領域は、電荷輸送層と類似しているが、オプトエレクトロニックデバイスの隣接するサブセクションの間の電子及び正孔の再結合を可能にする。電荷再結合領域は、ナノクラスター、ナノ粒子、及び／またはナノロッドを含む半透明金属または金属代替物の再結合中心を含んでよく、例えば以下の文献、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，６５７，３７８号明細書；Ｒａｎｄらによる、発明の名称が“Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ”である、２００６年２月１６日に公開された、米国特許出願公開第２００６−００３２５２９Ａ１号明細書；Ｆｏｒｒｅｓｔらによる、発明の名称が“Ｓｔａｃｋｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ”である、２００６年２月９日に公開された米国特許出願公開第２００６−００２７８０２Ａ１号明細書；に記述され、各々は再結合領域の材料及び構造の開示に関して参考のためにここに組み込まれる。電荷再結合領域は、再結合中心が埋め込まれた透明なマトリックス層を含んでもよく、含まなくてもよい。電荷輸送層、電極、または電荷再結合領域は、オプトエレクトロニックデバイスのサブセクションのカソード及び／またはアノードとして働いてよい。電極または電荷輸送層は、ショットキーコンタクトとして働いてよい。
図７及び８は、そのような透明な電荷輸送層、電極、及び電荷再結合領域を含むタンデムデバイスの例を説明する。図７のデバイス４００において、光活性領域１５０及び１５０’が、介在する導電性領域４６０と電気的に直列に積層される。外部の電気的な接続がなく図示されるように、介在する導電性領域４６０は電荷再結合領域であってよく、または電荷輸送層であってよい。再結合領域として、領域４６０は再結合中心４６１を、透明マトリックス層とともに、または透明マトリックス層なしに、含む。もしもマトリックス層がない場合には、前記領域を形成する材料の配列が領域４６０を横切って連続ではない可能性がある。図８におけるデバイス５００は、電気的に並列に積層され、最上部のセルが逆転された構造である（すなわち、カソードが下）光活性領域１５０及び１５０’を説明する。図７及び８の各々において、光活性領域１５０及び１５０’、阻止層１５６、１５６’が、用途に依存して、同じ各々の材料、または異なる材料から形成されてよい。同様に、光活性領域１５０及び１５０’は同じタイプ（すなわち、平坦、混合、バルク、ハイブリッド）のヘテロ接合であってよく、または異なるタイプのヘテロ接合であってよい。
上述の各デバイスにおいて、例えば平滑層及び励起子阻止層等の層は省略されてよい。例えば、反射層またはさらなる光活性層等の他の層が加えられてよい。層の順序は変更されてよく、または逆転されてよい。濃縮のための構成またはトラッピングのための構成が、以下に記述されるように、効率を増大するために用いられてよい。例えば、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，３３３，４５８号明細書、及びＰｅｕｍａｎｓらの米国特許第６，４４０，７６９号明細書であり、これらは参考のためここに組み込まれる。光学エネルギーをデバイスの所望の領域内部に集中させるためにコーティングが使用されてよく、例えば、Ｐｅｕｍａｎｓらによる、発明の名称が“Ａｐｅｒｉｏｄｉｃ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｓｔａｃｋ”である、２００５年１２月１日に公開された、米国特許出願公開第２００５−０２６６２１８Ａ１号明細書に記述され、この内容は参考としてここに組み込まれる。タンデムデバイスにおいて、セル間の電気的な接続が電極を経由して提供される状態で、透明絶縁層がセル間に形成されてよい。また、タンデムデバイスにおいて、一つ以上の光活性領域がドナー・アクセプターヘテロ接合である代わりに、ショットキーバリアヘテロ接合であってよい。これら特に記述されたもの以外の配置が使われてよい。
有機太陽電池は、製造の容易さ及び柔軟な基板との互換性によって、低コスト太陽エネルギー変換を達成するための手段として注目を集めてきた。従来の有機分子感光性デバイス及び発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）は一般的に透明なインジウム−すず−酸化物（ＩＴＯ）アノード上に成長され、平面パネルディスプレイにも広く使用される。平面パネルディスプレイ製造の急速な増加に伴って、インジウムの欠乏は結果としてＩＴＯコートガラス基板の高騰する価格につながった。インジウムの現在の価格は、２００３年の価格の最高１０倍である。例えば、Ｔ．Ｊａｎｓｓｅｕｎｅの“Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｒｉｃｅ Ｓｏａｒｓ Ａｓ Ｄｅｍａｎｄ Ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙｓ Ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ ｔｏ Ｇｒｏｗ，”Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ １１、３４（２００５）を参照されたい。
替わりに、例えばドープされたＳｎＯ２またはＺｎＯ等のあまり高価ではない透明導電性酸化物が、色素増感型、ＣｄＴｅ、ミクロ結晶Ｓｉ、及びＳｉ光起電性のデバイスにおいて電極として使われてきた。例えば、Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ、ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ３０，２３（２００５）；Ｔ．Ｌ．Ｃｈｕ、Ｓ．Ｓ．Ｃｈｕ、Ｃ．Ｆｅｒｅｋｉｄｅｓ、Ｊ．Ｂｒｉｔｔ、Ｃ．Ｑ．Ｗｕ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６９、７６５１（１９９１）；Ｙ．Ａｒａｉ、Ｍ．Ｉｓｈｉｉ、Ｈ．Ｓｈｉｎｏｈａｒａ、Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ １２、４６０（１９９１）を参照されたい。しかしながら、有機低分子デバイス及びポリマーデバイスが一般的に１０００Å未満の厚みの活性層を平滑なアノードとともに使用する一方、例えばＳｎＯ２及びＺｎＯ等のアノードとともに同様の厚みのものを使用することは、これらの酸化物変体の著しい表面粗さ特性に起因して結果的に製造の間短絡の形成を招く。
フッ素ドープＳｎＯ２（ＳｎＯ２：Ｆ）とＩＴＯコートガラス基板との間の表面粗さの比較が、図９及び１０に各々示される。断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像（図示せず）は、平均の層厚みが約７５０ｎｍであるＳｎＯ２：Ｆが大きな結晶を形成して、結果的に表面の平均二乗（ＲＭＳ）粗さ（３８．７±０．８）ｎｍ、及び（２μｍ）２の面積内における全高さ変化量がほぼ２９０ｎｍに等しくなる（図９の原子間力顕微鏡像を参照）。比較すると、ＩＴＯ層は単に厚さ１５０ｎｍであり、その比較的平滑な表面（図１０）は、ＲＭＳ粗さが（２．８±０．６）ｎｍ及び高さ変化量が２７ｎｍである。酸化物厚みにおけるこの差は、二つの基板の透過量の差の一因となる。
銅フタロシアニンドナー（ＣｕＰｃ、２００Å）／Ｃ６０アクセプター（４００Å）／２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン励起子阻止層（ＢＣＰ、１００Å）及び従来の真空熱蒸発（ＶＴＥ）によってＩＴＯコートガラス上に成長した厚さ１０００ÅのＡｇカソードの有機二重ヘテロ接合構造を有する太陽電池が、電力変換効率ηｐ＝３．６±０．２％を持つことが示された（Ｊ．Ｘｕｅ、Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、Ｂ．Ｐ．Ｒａｎｄ、Ｓ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４、３０１３（２００４））。対照的に、上述のＳｎＯ２：Ｆコートガラス上に蒸着された同じ有機層によるデバイスは、オーミック（すなわち、非整流）挙動を示す。
ドープＳｎＯ２及びＺｎＯ電極の大きな結晶粒は、ドナー・アクセプターヘテロ接合界面を貫通して、電極間を通過する電荷キャリアの短絡経路を形成する。経路が大きいときには、デバイスは全く稼働しない。経路が小さいときには、デバイスは稼働するかもしれないが、効率に乏しい。上述のオーミックデバイスにおいて、ＳｎＯ２：Ｆの粗い表面は、酸化物アノードと、Ｃ６０アクセプターまたはＡｇカソードのどちらかとの間に直接的な接触を引き起こし、ＣｕＰｃ／Ｃ６０接合を短絡させる。
ポリマーＯＬＥＤｓ及び太陽電池の透明アノードに、例えばＳｎＯ２：Ｆ等の粗い透明電極材料を使用することが報告されている一方で、我々の知る限りでは、効率が０．１％より大きなもので、そのようなアノードに基づく有機へテロ接合光起電性セルの実証はまだない。ＯＬＥＤの例に関しては、Ｊ．Ｃ．Ｂｅｒｎｅｄｅ、Ｆ．Ｂｒｏｖｅｌｌｉ、Ｓ．Ｍａｒｓｉｌｌａｃ、Ｆ．Ｒ．Ｄｉａｚ、Ｍ．Ａ．Ｄｅｌ Ｖａｌｌｅ、Ｃ．Ｂｅａｕｄｏｕｉｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８６、１１２８（２００２）；Ａ．Ｒ．Ｖ．Ｂｅｎｖｅｎｈｏ、Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｓｅｒｂｅｎａ、Ｒ．Ｌｅｓｓｍａｎｎ、Ｉ．Ａ．Ｈｕｍｍｅｌｇｅｎ、Ｒ．Ｍ．Ｑ．ｄｅＭｅｌｌｏ、Ｒ．Ｗ．Ｃ．Ｌｉ、Ｊ．Ｈ．Ｃｕｖｅｒｏ、Ｊ．Ｇｒｕｂｅｒ、Ｂｒａｚｉｌｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３５、１０１６（２００５）を参照されたい。太陽電池の例に関しては、Ｒ．Ｖａｌａｓｋｉ、Ｒ．Ｌｅｓｓｍａｎ、Ｌ．Ｓ．Ｒｏｍａｎ、Ｉ．Ａ．Ｈｕｍｍｅｌｇｅｎ、Ｒ．Ｍ．Ｑ．Ｍｅｌｌｏ、Ｌ．Ｍｉｃａｒｏｎｉ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ６、３５７（２００４）；Ｒ．Ｖａｌａｓｋｉ、Ｆ．Ｍｕｃｈｅｎｓｋｉ、Ｒ．Ｍ．Ｑ．Ｍｅｌｌｏ、Ｌ．Ｍｉｃａｒｏｎｉ、Ｌ．Ｓ．Ｒｏｍａｎ、Ｉ．Ａ．Ｈｕｍｍｅｌｇｅｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １０、２４（２００６）を参照されたい。
それにもかかわらず、粗い透明電極のコスト、光学特性及び導電性によって、それらは電極材料として非常に魅力的なものとなっている。ＳｎＯ２：Ｆコートガラスのコストは、ＩＴＯコートガラスの１／３未満である。表面粗さの大きい、より安価な透明な電気的に導電性の酸化物（ＴＣＯｓ）が購入可能である。より安価な電気的に導電性の透明酸化物の他の例は、ＺｎＯ及びＳｎＯ２を含む。好ましくは、粗いＴＣＯの導電性は、例えばアルミニウムドープＺｎＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）、アンチモンドープＳｎＯ２（ＳｎＯ２：Ｓｂ）、フッ素ドープＺｎＯ（ＺｎＯ：Ｆ）及びガリウムドープＺｎＯ（ＺｎＯ：Ｇａ）等、ドープによって増加する。加えて、ＴＣＯｓのかわりに、すぐれた導電特性を有する透明な粗い酸化物が、低分子またはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブから形成されてよい。所望するならば、使用され得るさらに高価な粗いＴＣＯｓのさらなる例は、ＧａＯ及びＩｎＧａＯを含む。
図１１に示されるように、７５０ｎｍの厚さのＳｎＯ２：Ｆコートガラス基板は、可視範囲の全域で７０％−８０％の透過性を有し、または１５０ｎｍ厚さのＩＴＯコーティングに関して約１０％低い。双方の基板の吸収は、波長λ＜３５０ｎｍにおいて高いエネルギーカットオフを有し、透明ウィンドウ（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ ｗｉｎｄｏｗ）が太陽放射スペクトルと合致することを示す（すなわち、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ）Ｇ−１７３−０３で定義されるような、エアマス１．５における参照太陽スペクトル照射量）。ＳｎＯ２：Ｆコートガラスのシート抵抗は、１２Ω／ｓｑ．未満（旭硝子ファブリテック株式会社 ５６４−００６２ 大阪府吹田市垂水町３‐２５‐１２）であり、ＩＴＯコートガラス（Ｊ．Ｘｕｅ、Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、Ｂ．Ｐ．Ｒａｎｄ、Ｓ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４、３０１３（２００４）に報告されるように）のシート抵抗１５Ω／ｓｑ．よりも低い。
ＳｎＯ２：Ｆコートガラスは透明性が高く、抵抗が低いので、太陽電池用途に適している。抵抗が低く、可視範囲における透明性が高いのは、例えばＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｆ及びＺｎＯ：Ｇａ等の、他の粗い電極材料に関して報告されてきた。例えば、Ｔ．Ｍｉｙａｔａ、Ｙ．Ｍｉｎａｍｏｔｏ、Ｓ．Ｉｄａ、及びＴ．Ｍｉｎａｍｉ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ：Ｖａｃｕｕｍ，Ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ Ｆｉｌｍｓ ２２，１７１１（２００４）を参照されたい。
粗いアノードによりヘテロ接合貫通に起因する短絡を防止するために広く使用される解決法は、結晶粒子の被覆を確実にするためにドナー・アクセプターへテロ接合の底部層を十分に厚くすることである。この解決法は、デバイス内部の直列の抵抗を増大し、全体の効率を低減する。クエンチングが起こる前に、ヘテロ接合に有意の数の励起子が分離のため到達することがないので、効率が低くなる。
粗い電極材料での短絡を防止する他の解決法は、ヘテロ接合材料を蒸着する前に、電極上に平坦化平滑層を蒸着することである。そのような平坦化層が、例えば、ＣｕＰｃ（２００Å）ドナー／Ｃ６０（４００Å）アクセプター／ＢＣＰ（１００Å）励起子阻止剤／Ａｇ（１０００Å）カソードのＶＴＥ蒸着よりも前に、ＳｎＯ２：Ｆ表面上に厚み２００ｎｍの３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）平坦化層（Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７９、１２６（２００１）を参照されたい）をスピンコーティングすることによって追加されてよく、粗さによって引き起こされる短絡を最小化または除去する。しかしながら、それはさらなる直列抵抗も引き起こし、それによって太陽電池の電力変換効率が＜０．１％となる。
粗い電極材料による短絡を排除するために取られてきた他のアプローチは、電極材料における大きな結晶粒子の形成を最小化することであり、結果的により平滑な電極につながる。例えば、米国特許出願公開第２００５−０２７６９８７Ａ１号明細書を参照されたい。このアプローチは、より安価な電極材料の使用を促進する可能性がある一方で、理想的には入射光を拡散するために使用することができ、ヘテロ接合の表面積を増大することができ、光活性領域における光トラッピングを増加することができる表面粗さを除去する。
一般的には、ドナー・アクセプター接合の表面積を増大することが望まれる。アノードの表面を形づくることによって（大スケールのアノード波形化を用いた米国特許第５，９８６，２０６号明細書を参照されたい）、ドナー・アクセプター接合の表面積を大きくする努力がなされてきた一方で、下部の粗い電極のナノスケール表面の特徴を写し取ることができる有機半導体コンフォーマル層を使用するデバイスは研究の対象外とされてきた。
ここで開示するように、表面の拡散性を促進する条件下で、不活性キャリアガス中の有機半導体材料の蒸気を移送することにより、電極上に有機半導体材料のコンフォーマル層を蒸着することによって電極の表面形状を保持することで、粗い電極の短絡の問題は排除することができる。好ましい移送方法は有機気相蒸着法（ＯＶＰＤ）であり、ガス中で分子は短い平均自由行程（＜１ｃｍ）を有する。ＯＶＰＤは、例えば低分子材料、モノマー、オリゴマー、及びデンドリマー等、分子源が加熱されるときに熱で分解しない材料を蒸着するのに使用することができる。ＯＶＰＤによる有機層の成長に関して背景となる議論は、Ｍ．Ｂａｌｄｏ、Ｍ．Ｄｅｕｔｓｃｈ、Ｐ．Ｂｕｒｒｏｗｓ、Ｈ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｍ．Ｇｅｒｓｔｅｎｂｅｒｇ、Ｖ．Ｂａｎ、Ｓ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １０、１５０５（１９９８）を参照されたい。
ＯＶＰＤは、蒸着チャンバ内へと蒸気を移送するのにキャリアガスが使用されるという点で、広く使用される真空熱蒸気法（ＶＴＥ）とは本質的に異なる。蒸発と移送の機能を空間的に分離することは、蒸着プロセスの精密な制御に繋がる。ソース材料及び蒸着チャンバ壁はＯＶＰＤの間加熱され、標的の表面温度は別途制御される。
分子がソースから基板まで放射状の軌跡に従うＶＴＥによる成長とは異なり、ＯＶＰＤにおいて分子は非弾道軌跡を有し、基板に到達する前にランダムな入射角で流体力学的境界層を通じて拡散する。基板の周囲のキャリアガスの流れは、分子の輸送が拡散制限される流体力学的境界層を形成する。蒸着速度、蒸着効率、及び膜のモルフォロジーは有機化学種の濃度、流れの流体力学、及び表面拡散性を調整することによって制御される。分子は、ＶＴＥによる他の方法では到達が不可能である粗い表面上の凹部内部へと拡散することができる（Ｆ．Ｙａｎｇ、Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ４、３７（２００５））。
ＯＶＰＤを用いる、薄いコンフォーマル層は、従来の類似の方法を用いるときには短絡の原因となる、平均二乗（ｒｍｓ）表面粗さが少なくとも３０ｎｍ且つ高さ変化量が少なくとも２００ｎｍの電極上に成長させることができる。“高さの変化量”は、粗い材料の表面の最も高い点と最も低い点との間の差異を示す。粗い電極は、好ましくは、表面積は下部の基板の表面積と比較して少なくとも１．２倍大きい。
コンフォーマル層は、好ましくは、低分子材料からなる多結晶であり、少なくとも単分子層三つ分の厚みである。有機半導体材料の格子空間は、通常は電極のものとは異なり、コンフォーマル層内で歪みを生じる。有機半導体材料は、少なくとも材料の格子構造が緩和するまで電極上部に蒸着され、複数のドメインを形成する。連続的な同形多結晶被覆を成すための最小の厚みは、一般的に１０ｎｍ程度である。コンフォーマル層の厚みは、好ましくは３０ｎｍ未満であり、さらに好ましくは２０ｎｍ未満である。
曲線因子（ｆｆ）を最大にするために、粗い電極の高さ変化量は、コンフォーマル層の厚みと、その上に蒸着された反対のタイプの材料を有する有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して少なくとも３倍大きいとよい。より好ましくは、高さ変化量は少なくとも５倍大きいとよい。直列抵抗は、曲線因子に比例する。そのようなパラメータを用いて、ポリマーベースの設計では通常０．３より低い結果を生じるのに対して、０．５を超える曲線因子が達成される。
本質的なコンフォーマル層（すなわち、実質的に一定の厚みを有する層）を形成することによって、ドナー・アクセプターへテロ接合の表面積は、表面粗さを第１有機半導体層の特徴とすることによって増大される。コンフォーマル層が信頼性高く非常に薄く作られるので、及び平滑層（例えば、層１２２）が省略されることができるので、直列抵抗は低減される。電極のぎざぎざした特徴を保持することは入射光の拡散性を促進し、ぎざぎざしたドナー・アクセプター界面は励起子分離のための整流接合の表面積を増大する。
コンフォーマル層は、０．３５Ｔｏｒｒと０．６５Ｔｏｒｒとの間の周囲圧力において穏やかな冷却温度（例えば１０〜３０℃）へと基板を冷却することによって成長される。対照的に、チャンバ壁、キャリアガス、及び有機分子は３５０℃〜５００℃に加熱される。基板温度は、入射した有機分子が粗い電極表面に沿って短い距離を拡散するよう十分に高いが、単結晶の形成に必要とされるエネルギーよりも低い。その効果は、電極表面上の急速な核生成であり、多くの小さな多結晶ドメインを形成する。
成長のプロセスは図１２Ａ及び１２Ｂに説明される。蒸着チャンバ１２００は、ガス移送ヘッド１２０３に接続されるインレット１２０１、及びアウトレット１２０２を含む。プラットフォーム１２０４はその上に基板が配置され、温度コイル１２０６を含み、前記温度コイルの中を、基板１１０を加熱または冷却するため流体が通過する。プラットフォーム１００４は、ハブ１２０５上に配置され、前記ハブはプラットフォームの上昇、下降、回転及び／または傾きを可能にする。図示されていないが、蒸着チャンバ１２００の壁は加熱され、他の装置が基板の温度制御のために含まれてよい（例えば、圧電冷却エレメント；赤外ヒータ）。
図１２Ａに示すように、第１有機半導体材料の分子は粗い電極１２２０上に核生成するためにランダムなベクトルで移送され、電極１２２０の表面上に多くの島構造１２４２を形成する。さらなる核生成及び島構造の拡大の結果として、連続的なコンフォーマル層１２５２が、図１２Ｂに示すように生成される。
コンフォーマル層が一度形成されると、デバイスの構築はどのような数の構造を形成することによって完成されてもよい。例えば、図１２Ｃに図示されるように、第２有機半導体材料１２５４の層は、コンフォーマル層１２５２上に直接蒸着され、ドナー・アクセプターへテロ接合を形成してよい。第２有機半導体層１２５２は平坦に図示されているが、第１有機半導体材料１２５２から、後に形成される第２電極、電荷輸送層、または再結合層への電荷キャリアの非整流経路を含まない限り、どのような構造を用いることもできる（同形を含む）。さらに、もしも同形でない場合、ＯＶＰＤ以外の他の蒸着法が、第２有機半導体層１２５４を形成するために使用されてよい。
デバイスは、図１３に図示されるように、その後励起子阻止層１２５６及び上部電極１２７０で仕上げられる。
単一セルデザインに関して、第１電極１２７０はアノードであり、第１有機半導体層１２５２はドナーであり、第２有機半導体層１２５４はアクセプターであり、第２電極１２７０はカソードである。逆の順での配置も同様に使用されてよい。逆のデザイン（カソードが底部）では、励起子阻止層及びアクセプターの両方がコンフォーマル層として形成されてよい。
ドナー・アクセプターへテロ接合デバイスに加えて、一般的に図６で記述されるようにコンフォーマル有機半導体層が粗い電極を有するショットキーデバイスを形成するため使用されてよい。
図７及び８に示されるように、タンデムデバイスとしてセルが配列されてよい。もしもタンデムデバイスとして配列される場合、粗い電極材料は中間電極として、または電荷輸送層として蒸着されてよい。粗い電極材料の低温化学気相蒸着は一般的に粗さを増大するので、そのようなプロセスは下部の有機材料を分解することなしに粗さを最大化するのに適している。
ドナー・アクセプターへテロ接合の表面積をさらに増加するために、第１有機半導体材料の突起１４４８がコンフォーマル層１２５２上に直接形成されてよい。図１４は突起１４４８の蒸着を示し、図１５は突起１４４８を含む単一セルデバイスの仕上がり品を示す。各々の突起の高さは、各突起の断面の幅よりも大きく、バルク−ヘテロ接合構造を生成する。二つの方法が、そのような突起を形成するのに使用可能である。
突起１４４８を形成することができる第１の方法は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ層プラス島（ｌａｙｅｒ ｐｌｕｓ ｉｓｌａｎｄ）成長であり、Ｆｏｒｒｅｓｔによる“Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｉｌｍｓ Ｇｒｏｗｎ ｂｙ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ Ｖｏｌ．９７、Ｎｏ．６、１７９３−１８９６（１９９７）；Ｆ．Ｙａｎｇ、Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ４、３７（２００５）に（他の文献中に）記述され、これらは参考のためここに組み込まれている。同形の歪んだ多結晶層が成長し、その被覆が連続的であり、分子が緩和し始める厚みとなった後（多くの材料の組み合わせでは、この厚みは１０から２０ｎｍの間である）、基板温度は上昇されチャンバ圧力は低減される（コンフォーマル成長に使用される条件に関して）。これは、表面拡散性を増大し、結果的にエネルギー平衡点に達するまでコンフォーマル層１２５２表面に沿って分子が進む（通常、コンフォーマル層が殆ど緩和されている多結晶ドメインの一つの中央部へ向かう）。表面エネルギー条件は、コンフォーマル層１２５２自身よりむしろ、分子がさらにこれらの平衡点の核生成サイトに結合することを選択して、突起１４４８を形成する。
ウェッティング層における歪みが大きいと、どのような材料においても突起１４４８の幅はより狭くなる。結果として得られる突起１４４８は非常に良好な結晶性を有し、キャリア易動性を高く及び直列抵抗を低くするのに役立つ。突起の断面は材料の励起子拡散長のオーダー、約５０ｎｍであるのに対して、突起は、ミクロンオーダーの高さまで成長させることができる。
突起１４４８を成長させることができる制御成長プロセスの他の例は、濃縮による核生成である。チャンバ圧力は、ガス流中にいる間分子をクラスターにするため加圧される。基板の表面温度は、クラスターが着いた場所で固着するように表面拡散性を低減するためにより低くされる。結果として、十から百ナノメータの間の断面を有し、百ナノメータ程度までの高さを有する突起が得られる。高さ及び幅の寸法は、材料の励起子拡散長とオーダー的に同様である傾向がある；例えば、ＣｕＰｃで形成された突起の高さ及び幅は約３０から４０ｎｍであった。
濃縮による核生成成長プロセスは、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ法と比較して容易であるが、突起１４４８の結晶性は低くなる（同じ材料に関する易動性は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖで達成される約１／１０である）。モルフォロジー制御によって、入ってくるクラスターをそれらが接触する第１表面に凝集させることができるので、表面積を最大にするマッシュルーム形状の突出部はこの方法で容易に形成される。
従来技術で一般的に理解されるように、所望するどのようなモルフォロジーに関しても、基板温度と圧力との間のバランスが存在する。例えば、温度を少し下げることは、実質的に同じモルフォロジーを達成するため、圧力を少し上げることで補償されてよい。
モルフォロジー制御に関して、もしも基板温度が固定されていれば、圧力を増加することでクラスターが生成し（濃縮による核生成の粗い成長）、その一方で圧力を下げることはコンフォーマルな成長を与える。同様に、もしも圧力が固定されていれば、温度を低くすることで表面拡散性が低くなり粗く成長したクラスター（ｒｏｕｇｈ−ｇｒｏｗｔｈ ｃｌｕｓｔｅｒ）を与え、温度を高くする（材料の結晶化エネルギーの手前）ことでコンフォーマルまたは平坦な成長を与え、非常に温度を高くする（すなわち、材料の結晶化エネルギーより上）ことは平衡成長柱状成長（ｃｏｌｕｍｎａｒ ｇｒｏｗｔｈ）（すなわち、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）に有利である。材料の結晶化エネルギーは、蒸着されたときそれ自身を単結晶構造に配列する温度によって特徴付けられてよい。
コンフォーマル層及び突起として蒸着された第１有機半導体材料内部のどの点からも、反対のタイプの材料との界面境界への距離は、第１有機半導体材料の２．５励起子拡散長を超えないことが望ましい。
コンフォーマル層の成長に関して、材料は、好ましくは、それ自身を多結晶に配列することが可能な低分子材料である。もしも第１有機半導体材料がドナーである場合、好ましい低分子材料はフタロシアニン（例えば、銅フタロシアニン（“ＣｕＰｃ”））、スズフタロシアニン（“ＳｎＰｃ”）、及び亜鉛フタロシアニン（“ＺｎＰｃ”）、フタロシアニン誘導体（例えば、クロロ［サブフタロシアニナト］ホウ素（ＩＩＩ）（“ＳｕｂＰｃ”））、及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンニ無水物（“ＰＴＣＤＡ”）である。
第１有機半導体材料がアクセプターである場合、好ましい低分子材料は少なくとも６０炭素原子を有する多面体フラーレン（例えば、Ｃ６０、Ｃ７０）及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンビスベンズイミダゾール（“ＰＴＣＢＩ”）である。
これらの材料は全て従来技術で知られており、ＳｕｂＰｃは例外であるかもしれないが、以下のものである。
ＳｕｂＰｃ及び関連する化合物のさらなる記述は、発明の名称が“Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｕｂｐｈｔａｌｏｃｙａｎｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ”である、Ｋｒｉｓｔｉｎ Ｍｕｔｏｌｏらによる、２００６年５月２５日に出願された、米国特許出願公開１１／４４２，０６２号明細書に見出される。
これらのドナー及びアクセプター材料は各々良好な光吸収性及びキャリア吸収性を有し、多結晶構造を形成するよう成長されてよい。第１層１２５２がドナーであるとき、第２層１２５４は好ましくは上記アクセプターの一つである；第１層１２５２がアクセプターであるとき、第２層１２５４は好ましくは上記ドナーの一つである。しかしながら、もし第２層１２５４がコンフォーマルでない場合、材料はポリマーを含むどのような有機物であってもよい。
［例］
光起電性セルに使用される低分子量有機層は、市販のＳｎＯ２：Ｆ（旭硝子ファブリテック株式会社 ５６４−００６２ 大阪府吹田市垂水町３‐２５‐１２）及びＩＴＯ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｆｉｌｍ Ｃｏｒｐ．，６７９７−Ｗｉｎｃｈｅｓｔｅｒ Ｃｉｒｃｌｅ，Ｂｏｕｌｄｅｒ，ＣＯ ８０３０１）でコートされた１．１ｍｍ厚ガラス基板上にＯＶＰＤによって蒸着される。ＳｎＯ２：Ｆ層は厚さ７５０ｎｍであり、ＩＴＯ層は厚さ１５０ｎｍである。溶媒で洗浄された基板は、ＯＶＰＤチャンバ内部にローディングされるすぐ前に５分間紫外光＋Ｏ３処理にさらされる。
ＯＶＰＤによるＣｕＰｃ及びＣ６０の蒸着よりも前に、有機材料は真空熱勾配昇華を用いて３サイクル生成される。ＯＶＰＤ成長チャンバ（ベース圧力＜９０ｍＴｏｒｒ）は、有機ソースを通る連続的な高純度窒素流を維持する（Ｆ．Ｙａｎｇ，Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９８，０１４９０６（２００５）；Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｈ．Ｆ．Ｇｒｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｊ．Ｂ．Ｂｅｎｚｉｇｅｒ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８９，１４７０（２００１）を参照されたい）。基板温度は、銅ホルダを通じて水を流すことによって制御された。Ｎ２キャリアガス流はマスフローメータ（ＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）で調整され、チャンバ圧力はバタフライバルブ（ＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）で独立に制御される
平坦なＣｕＰｃの成長条件は：Ｔｓｏｕｒｃｅ＝４４６±１℃、Ｔｓｕｂｓｔｒａｔｅ＝１６±１℃、Ｎ２流れ速度＝１５ｓｃｃｍ、チャンバ圧力＝０．５８７±０．００１Ｔｏｒｒ、及び蒸着時間１４０秒であった。粗いＣｕＰｃ膜の成長条件は：Ｔｓｏｕｒｃｅ＝４４６±１℃、Ｔｓｕｂｓｔｒａｔｅ＝６±１℃、Ｎ２流れ速度＝１００ｓｃｃｍ、チャンバ圧力＝１．０００±０．００１Ｔｏｒｒ、及び蒸着時間１４０秒であった。Ｃ６０の成長条件は、Ｔｓｏｕｒｃｅ＝４７２±２℃、Ｔｓｕｂｓｔｒａｔｅ＝１６±１℃、Ｎ２流れ速度＝１００ｓｃｃｍ、チャンバ圧力＝０．４６０±０．００１Ｔｏｒｒ、及び蒸着時間８３０秒であった。ＣｕＰｃ／Ｃ６０の成長の後、サンプルは、窒素グローブボックスを通じて、圧力＜２×１０−７Ｔｏｒｒの真空チャンバ内へと移送され、厚さ１００ÅのＢＣＰ層、及び厚さ１０００ÅのＡｇカソードが直径１ｍｍの円形オープニングの配列を有するシャドウマスクを通して、熱蒸発を用いて蒸着される。
ＳｎＯ２：Ｆ及びＩＴＯコートガラス基板の表面モルフォロジーは、Ｘ３０フィールドエミッション走査型電子顕微鏡（Ｐｈｉｌｉｐｓ）及びタッピングモードのＤｉｍｅｎｓｉｏｎ ３０００ 原子間力顕微鏡（Ｖｅｅｃｏ）で調べられた。変角（ｖａｒｉａｂｌｅ ａｎｇｌｅ）分光偏光解析器（ＷＡＳＥ シリーズ、Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ）が、成長速度を決定するためにＳｉウェハー上の膜厚を測定するのに使用される。太陽電池の性能は、空気中において環境条件で試験された。特に示されないときは、デバイスのＪ−Ｖ特性及び電力変換効率は、ＨＰ４１５５Ｂ半導体パラメータ分析器を用いて１太陽強度（ｓｕｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）において模擬的なＡＭ１．５Ｇ太陽照射量の下で測定された。照射強度は中性密度フィルタを用いて変化させられ、較正された広帯域光学パワーメータを用いて測定された。光電流スペクトルは、タングステン−ハロゲンランプからの４００Ｈｚでカットされた光の単色のビームを用いて記録された。単色光は、Ｓｉ光検出器を用いて較正され、チョッパ振動数（ｃｈｏｐｐｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に関連して光電流はロックイン増幅器を用いて測定された。透過性及び吸収スペクトルは、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ Ｌａｍｂｄａ ８００ 紫外／可視分光計を用いて測定された。
有機膜のモルフォロジーを制御することによって、ドナー・アクセプター（Ｄ−Ａ）界面は３次元的に交互嵌合したバルクへテロ接合構造に成長し、電力変換効率が、平坦なヘテロ界面を有する類似のデバイスと比較して２倍近い。ＣｕＰｃ及びＣ６０のＯＶＰＤ成長条件を変更することによって、界面表面積を最適化するよう膜の表面モルフォロジー及び結晶化を調整することができ、一方で連続的な基板被覆を達成する。結果として得られるＳｎＯ２：Ｆアノード上の銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）／Ｃ６０ヘテロ接合光起電性セルは、電力変換効率が１サン模擬ＡＭ１．５Ｇ照射量で２．５％であった。
厚さ４９０±５ÅのＣ６０アクセプター層を有する三つの光起電性セル構造を、ＳｎＯ２：Ｆ（１６２０）上のＣｕＰｃドナー膜の表面上に成長させた。図１６に示される平坦なヘテロ接合において、ＣｕＰｃ（１６５２）及びＣ６０（１６５４）は連続層を形成し、ＣｕＰｃの厚さは２４０Å（ｄ１）である。バルクへテロ接合構造（ｄ２、図１７）において、我々は最初に厚さ１２０ÅのＣｕＰｃ層を成長させ、その後ナノメータスケールの突起（１７５２として一緒に図示される）を有するＣｕＰｃ層を成長させ、Ｃ６０連続層（１７５４）で突出部を覆う。この第２の成長の平均厚さは、同様に１２０Åである。ＣｕＰｃ突出部（１８５２）からなる構造ｄ３（図１８）は、連続的なベース層なしに、Ｃ６０連続層（１８５４）によって覆われる。
走査型電子顕微鏡は、構造ｄ１（図１９）において使用されるような厚さ２４０Åの連続的なＣｕＰｃ層、及びＳｎＯ２：Ｆ結晶を覆うコンフォーマル層上に突起が均一に分散する構造ｄ２（図２０）において使用される、平面に加えて粗いＣｕＰｃ膜から構成される平滑表面を示す。ＣｕＰｃ突起は励起子拡散長、Ｌｐと同等、すなわち、幅が２０−３０ｎｍ、高さが４０−５０ｎｍである。ＣｕＰｃ成長の後、同じＯＶＰＤチャンバ内で大気への露出なくＣ６０が蒸着された。図２１に示されるように、図２０のＣｕＰｃ突起を完全に被覆するＣ６０は平滑で平坦な表面を形成する。ＢＣＰ励起子阻止層（１６５６）がＣ６０の上に蒸着された。
ＣｕＰｃ／Ｃ６０ヘテロ接合デバイスの三つ全てが、暗所において整流を示し（図２２）、照光下で光電流を生成し、粗いＳｎＯ２：Ｆ基板上に薄い（＜８００Å）有機層を有する太陽電池を形成する。平坦なヘテロ接合構造ｄ１に関して、及びバルクへテロ接合構造に関して、暗所における±１．０Ｖでの電流整流比（ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏｓ）は＞１０４であり、これはＳｎＯ２：ＦアノードとＡｇカソード（１６７０）との間の連続的なｐ−ｎ接合を意味する。対照的に、デバイスｄ３は整流比が８であるが、これはＣｕＰｃ突起間のギャップがＣ６０を下部のＳｎＯ２：Ｆ基板に接触することを可能にし、結果的に局部的な短絡を招くためである（図１８を参照されたい）。
照光下における三つのデバイスの性能は、図２３において比較される。デバイスｄ３は、そのシャント抵抗が小さく、予測されるように、開放電圧が小さく（ＶＯＣ＝０．０８Ｖ）、曲線因子（ｆｆ）が低い。短絡電流（ＪＳＣ）はデバイス１における５．２ｍＡ／ｃｍ２から、バルクへテロ接合デバイスｄ２における９．１ｍＡ／ｃｍ２に増大する。このことは、交互嵌合したＣｕＰｃ／Ｃ６０界面が、ドナー・アクセプター接合における励起子分離効率の増加に効果的であることを示す。
外部量子効率（ＥＱＥ）は、図２４において波長の関数として測定される。λ＝６２０及び６９５ｎｍを中心とするＥＱＥピークは、ＣｕＰｃでの吸収に起因し、４７０ｎｍにおけるＥＱＥピークはＣ６０での吸収に起因する（図２５）。図２４において、λ＝６２０ｎｍにおけるＣｕＰｃのＥＱＥは、平坦なヘテロ接合における１９％からバルクヘテロ接合の３１％へと増加し、一方でλ＝４７０ｎｍにおけるピークは、５％から６％に増加するのみである。このことは、バルクへテロ接合に特徴的なドナー・アクセプター界面領域を増加することは、ＣｕＰｃにおける励起子拡散長がＬＤ＝１０ｎｍでありＣ６０におけるもの（ＬＤ＝４０ｎｍ、Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ，Ａ．Ｙａｋｉｍｏｖ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９３，３６９３（２００３））より小さいことから、ＣｕＰｃ内で吸収される励起子の分離に関してより効果的である。
ＡＭ１．５太陽放射スペクトルでのＥＱＥ（λ）の重なり積分から（国立再生可能エネルギー研究所，ＡＳＴＭ Ｇ−１７３−０３，エアマス１．５ レファレンス太陽スペクトル照射量 ウェブサイト：＜ｈｔｔｐ：／／ｒｒｅｄｃ．ｎｒｅｌ．ｇｏｖ／ｓｏｌａｒ／ｓｐｅｃｔｒａ／ａｍ１．５／＞）、平坦なヘテロ接合デバイス（ｄ１）及びバルクへテロ接合デバイス（ｄ２）のＪＳＣは、各々３．５ｍＡ／ｃｍ２及び６．１ｍＡ／ｃｍ２と計算され、または、直接の測定によって得られた値と比較して約３０％低い。これは、模擬の及び標準のＡＭ１．５太陽スペクトルの間のデバイスの劣化及びミスマッチに原因があるとされる（Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １１６，１７１３（２００２）；Ｓ．Ｙｏｏ，Ｂ．Ｄｏｍｅｒｃｑ，Ｂ．Ｋｉｐｐｅｌｅｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５４２７（２００４））。
四つのＣｕＰｃ／Ｃ６０ヘテロ接合太陽電池の性能は、異なる照光強度下でデバイスを測定することによってさらに研究される。応答性（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）（ＪＳＣ／Ｐ０、Ｐ０は入射光の電力）がＰ０の関数として図２６にプロットされる。デバイスｄ２は、１ｓｕｎで０．１１±０．０１Ａ／Ｗの応答性を有し、値はｄ１における値（０．０６０±０．００５Ａ／Ｗ）の２倍に近く、一方でｄ３の応答性は０．０２８±０．００５Ａ／Ｗである。図２７において、我々は、０．０２から８ｓｕｎｓの範囲の下で照射されるときバルクへテロ接合デバイス及び平坦なヘテロ接合デバイスに関してｆｆ＞０．５、及び１ｓｕｎでｆｆ＞０．５５であることを見出し、このことはバルクへテロ接合の制御成長が直列抵抗をもたらさないこと（Ｆ．Ｙａｎｇ，Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ４，３７（２００５）を参照されたい）、ポリマーの混合により得られたランダムバルクへテロ接合太陽電池に対する利点（Ｊ．Ｊ．Ｍ．Ｈａｌｌｓ，Ｃ．Ａ．Ｗａｌｓｈ，Ｎ．Ｃ．Ｇｒｅｅｎｈａｍ，Ｅ．Ａ．Ｍａｒｓｅｇｌｉａ，Ｒ．Ｈ．Ｆｒｉｅｎｄ，Ｓ．Ｃ．Ｍｏｒａｔｔｉ，Ａ．Ｂ．Ｈｏｌｍｅｓ，Ｎａｔｕｒｅ ３７６，４９８（１９９５）を参照されたい）、または低分子ドナー・アクセプター混合物のアニーリング（Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ，Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｎａｔｕｒｅ ４２５，１５８（２００３）を参照されたい）を示す。加えて、モルフォロジーが異なるのにもかかわらずデバイスｄ１及びｄ２に関して図２８に示される強度の全範囲にわたってＶＯＣは変化しない。対照的に、デバイスｄ３のＶＯＣは、そのシャント抵抗が小さいことに起因して、予想されるように低い。
界面面積は、バルクへテロ接合構造ｄ２と、連続層無しの突出ＣｕＰｃ／Ｃ６０構造（ｄ３）との間で同様であるが、ｄ２における応答性、ｆｆ、及びＶＯＣの増加は、電流の分岐経路を排除するためアノードを覆う連続的なＣｕＰｃ層を有することの重要性を示す。同じ照光強度の下で、ＳｎＯ２：Ｆの上に成長された平坦なヘテロ接合デバイスのＶＯＣは、ＩＴＯアノード上に成長された制御された平坦へテロ接合ＣｕＰｃ／Ｃ６０／ＢＣＰ／Ａｇデバイスと比較して約０．１Ｖ小さい（Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ，Ｖ．Ｂｕｌｏｖｉｃ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６，２６５０（２０００）；Ｓ．Ｋｈｏｄａｂａｋｈｓｈ，Ｂ．Ｍ．Ｓａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊ．Ｎｅｌｓｏｎ，Ｔ．Ｓ．Ｊｏｎｅｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １６，９５（２００６）を参照されたい）。Ｖｏｃの起源の系統的な研究はこの仕事の範囲を超えているけれども、ＶＯＣの相違は、ＳｎＯ２：Ｆ（φ＝４．９ｅＶ）とＩＴＯ（φ＝４．８ｅＶ）との間の仕事関数（φ）の相違と同等である（Ｒ．Ｇ．Ｇｏｒｄｏｎ，ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ２５，５２（２０００）を参照されたい）。
図２９は、研究された様々なＣｕＰｃ／Ｃ６０接合デバイスの電力変換効率を示す。バルクへテロ接合デバイスは、最大のηｐを有し、１サン照射量あたり２．５±０．２％にピークを有し、これは平坦へテロ接合デバイス（ｄ１に関してηｐ＝１．３±％）の２倍であり、１ｓｕｎあたりηｐ＝０．６±０．１％であるｄ３の１０倍である。過去に発表された平坦へテロ接合構造ＩＴＯ／ＣｕＰｃ（２００Å）／Ｃ６０（４００Å）／ＢＣＰ（１００Å）／Ａｇ（１０００Å）、各々ＶＴＥ及びＯＶＰＤによって成長され、ηｐ＝３．６±０．２％（Ｊ．Ｘｕｅ，Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ，Ｂ．Ｐ．Ｌａｎｄ，Ｓ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３，（２００４））、及びηｐ＝３．２±０．２％（Ｆ．Ｙａｎｇ，Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９８，０１４９０６（２００５））であり、この仕事におけるＳｎＯ２：Ｆ上に成長されたセルのηｐは、おそらく厚さ７５０ｎｍの酸化物の抵抗がより高いこと、及び有機層厚みが最適化されていないことに起因して、より低い値である。
結論として、我々はインジウムを含まないＳｎＯ２：Ｆコートガラス上の効率的な低分子有機太陽電池をＯＶＰＤを用いて成長させ、ナノスケールへテロ接合モルフォロジーの太陽電池性能に対する影響を調べた。ＯＶＰＤ成長のコンフォーマルな性質により、結果的に粗いＳｎＯ２：Ｆ表面上のＣｕＰｃ及びＣ６０の連続層を生じ、結果的に高効率デバイスにつながる。ＯＶＰＤ成長は、平坦な界面、またはＣｕＰｃ内の励起子拡散長のオーダーでナノスケールの特徴部を有する界面のどちらかを生成するために使用される。突起を有する連続層ＣｕＰｃ及びＣ６０被覆層によって形成されたバルクへテロ接合太陽電池は、模擬１．５Ｇ照射量で１ｓｕｎあたり２．５±０．２％の変換効率を有し、類似の平坦へテロ接合デバイスの変換効率と比較して２倍近い。我々の結果は、低コストである粗い電極で被覆された基板上に効率的な有機太陽電池を成長するためにＯＶＰＤが使用されてよいことを示す。使用された方法論は多くの他の粗い電極材料に適用でき、前記粗い電極材料にはドープＺｎＯ、及び低分子またはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブが含まれる（これらに制限されない）。
ＯＶＰＤは優れた結果を信頼性高く示すので、コンフォーマル層を形成するのに好ましい方法であるけれども、例えば真空熱蒸発（ＶＴＥ）、有機分子線蒸着（ＯＭＢＤ）及び有機蒸気ジェット蒸着（ＯＶＪＤ）等、コンフォーマル層を形成するために他の方法が使われてもよい。ＶＴＥを用いて、蒸着の間基板を冷却することによって（ＯＶＰＤと同様に）、及び蒸着の間ソースに対して基板の角度を繰り返し変えることによって、コンフォーマル層が形成されてよい。ＯＭＢＤでは、基板は表面拡散をさらに促進され、蒸着の間基板上の角度は繰り返し変更される。ＯＶＪＤでは、基板はＯＶＰＤ同様に冷却され、蒸着の間基板及び／またはジェットノズルの角度は繰り返し変更される。
上述のように、本発明の有機感光性デバイスは、入射する電磁放射線から電力を生成するために使用されてよく（例えば、光起電性デバイス）、または入射する電磁放射線を検出するために使用されてよい（例えば、光検出器または光導電セル）。ここで記述される、材料、構造及び製造方法は、有機光起電性電池以外のデバイスに応用されてよい。例えば、有機光検出器、有機光センサ、及び有機発光ダイオード等の他のオプトエレクトロニックデバイスに、前記材料、構造及び製造方法を用いてよい。より一般的には、例えば有機トランジスタ等の有機デバイスに、前記材料、前記構造及び前記製造方法を用いてよい。
本発明の特定の例がここで説明及び／または記述された。しかしながら、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明の修正及び変更は上述の教示の対象とされ、また添付されたクレームの範囲内である。
ドナー・アクセプターヘテロ接合を説明するエネルギー準位図である。 ドナー・アクセプターヘテロ接合を含む有機感光性デバイスを説明する図である。 平面ヘテロ接合を形成するドナー・アクセプター二層を説明する図である。 ドナー層とアクセプター層との間の混合ヘテロ接合を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する図である。 バルクヘテロ接合を説明する図である。 ショットキーバリアヘテロ接合を含む有機感光性デバイスを説明する図である。 直列のタンデム感光性セルを説明する図である。 並列のタンデム感光性セルを説明する図である。 原子間力顕微鏡によって観察されたコートガラスのトポグラフィーを説明する図である。ＲＭＳ表面粗さは、ＳｎＯ２：Ｆに関して３８．７±０．８ｎｍである。スキャンにおける最高と最低点（ｚ−範囲）との間の距離は、ＳｎＯ２：Ｆに関して２９０ｎｍである。 原子間力顕微鏡によって観察されたＩＴＯコートガラスのトポグラフィーを説明する図である。ＲＭＳ表面粗さは、ＩＴＯに関して２．８±０．６ｎｍである。スキャンにおける最高と最低点（ｚ−範囲）との間の距離は、ＩＴＯに関して２７ｎｍである。 エアマス１．５太陽の放射スペクトルに関連してＳｎＯ２：Ｆ及びＩＴＯコートガラスの透過率を説明する図である。 ＯＶＰＤによる粗い電極上の第１有機半導体材料のコンフォーマル層の成長を説明する図である。 ＯＶＰＤによる粗い電極上の第１有機半導体材料のコンフォーマル層の成長を説明する図である。 ドナー・アクセプターヘテロ接合を形成するためコンフォーマル層上に蒸着された第２有機半導体材料を説明する図である。 図１２Ａ−１２Ｄに記述されたプロセスで作られた仕上がり後のデバイスの例を説明する図である。 図１２Ｃに説明されるような第２有機半導体材料を蒸着するよりも前の、図１２Ｂのコンフォーマル層上の第１有機半導体材料の突出物の成長を説明する図である。 図１４の突出物を含む仕上がり後のデバイスの例を説明する図である。 その後にＳｎＯ２：Ｆコートガラス上の平面Ｃ６０層成長が行なわれる平面ＣｕＰｃを有するデバイスの概略的な構造である。 ＳｎＯ２：Ｆコートガラス上に成長した平面Ｃ６０層によって被覆されるナノサイズの突出部を有する連続的なＣｕＰｃ層を有するデバイスの概略的な構造である。 ＳｎＯ２：Ｆコートガラス上に成長した平坦化Ｃ６０層によって被覆される、連続的なＣｕＰｃ層を持たないＣｕＰｃナノサイズ突出部を有するデバイスの概略的な構造である。 有機気相蒸着法（ＯＶＰＤ）によってＳｎＯ２：Ｆ上に成長した２４０Å厚さの連続ＣｕＰｃ層の表面モルフォロジーの走査型電子顕微鏡像である。 有機気相蒸着法（ＯＶＰＤ）によってＳｎＯ２：Ｆ上に成長したＣｕＰｃナノサイズ突出部があとに続く、１２０Å厚さの連続ＣｕＰｃ層の表面モルフォロジーの走査型電子顕微鏡像である。 図２０のＣｕＰｃの最上部に有機気相蒸着法（ＯＶＰＤ）によって成長する、Ｃ６０層の表面モルフォロジーの走査型電子顕微鏡像である。像中のスケールバーは２００ｎｍの距離に対応する。 異なるＣｕＰｃ層ＯＶＰＤによって成長したＳｎＯ２：Ｆ上に成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０太陽電池に関して暗所での電流密度対電圧特性を説明する図である。：厚みが２４０ÅのＣｕＰｃ（ｄ１）連続層、その後突出部コーティング（ｄ２）される厚みが１２０Åの連続層、初期連続層なしの突出部（ｄ３）。 図２２に記述されるものと同じ太陽電池に関する１ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ２）ＡＭ１．５照光下での電流密度対電圧特性を説明する図である。 異なるヘテロ接合構造のＯＶＰＤによって成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０光起電性セルの外部量子効率（ＥＱＥ）を説明する図である。 ＣｕＰｃ及びＣ６０の吸収係数を説明する図である。 幾つかのヘテロ接合構造に関して、様々な光強度下における、ＯＶＰＤにより成長したＳｎＯ２：Ｆガラス上に成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０太陽電池の性能を説明する。Ｊｓｃ／Ｐ０として定義され、Ｐ０は入射光強度であり、Ｊｓｃは短絡電流である、各々説明する図である。 幾つかのヘテロ接合構造に関して、様々な光強度下における、ＯＶＰＤにより成長したＳｎＯ２：Ｆガラス上に成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０太陽電池の性能を説明する。曲線因子（ｆｆ）を説明する図である。 幾つかのヘテロ接合構造に関して、様々な光強度下における、ＯＶＰＤにより成長したＳｎＯ２：Ｆガラス上に成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０太陽電池の性能を説明する。開放回路電圧（ＶＯＣ）を説明する図である。 幾つかのヘテロ接合構造に関して、様々な光強度下における、ＯＶＰＤにより成長したＳｎＯ２：Ｆガラス上に成長したＣｕＰｃ／Ｃ６０太陽電池の性能を説明する。電力変換効率（ηＰ）を説明する図である。
符号の説明
１００ デバイス
１１０ 基板
１２０ アノード
１２２ アノード平滑層
１５２ ドナー
１５３ 混合ヘテロ接合
１５４ アクセプター
１５６ 励起子阻止層
１７０ カソード
２５２ ドナー材料
２５４ アクセプター材料
３００ オプトエレクトロニックデバイス
３２０ 透明コンタクト
３５０ 光活性領域
３５８ 有機光導電材料
３７０ ショットキーコンタクト
１２００ 蒸着チャンバ
１２０１ インレット
１２０２ アウトレット
１２０３ ガス移送ヘッド
１２０４ プラットフォーム
１２０６ 温度コイル
１４４８ 突起

Claims (34)

  1. 基板上に蒸着された第１電極と、少なくとも３０ｎｍの二乗平均粗さ及び少なくとも２００ｎｍの高さ変化量を有する前記第１電極の露出された表面とを提供し、前記第１電極は透明である段階と、
    第１有機半導体材料のコンフォーマル層を前記第１電極上部に蒸着し、前記第１有機半導体材料は低分子材料である段階と、
    前記コンフォーマル層の上に第２有機半導体材料層の蒸着し、前記第２有機半導体材料層の少なくともいくらかは前記コンフォーマル層と直接接触する段階と、
    前記第２有機半導体材料層の上に第２電極を蒸着する段階と、
    を含み、
    前記第１有機半導体材料は、もう一方の材料タイプである前記第２有機半導体材料に対してドナータイプ、またはアクセプタータイプである、オプトエレクトロニックデバイスを作製する方法。
  2. 前記コンフォーマル層が有機気相蒸着法によって蒸着される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１電極が、ドープ透明導電性酸化物、非ドープ透明導電性酸化物、及び低分子マトリックスまたはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブから選択される材料で本質的に構成される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１電極の表面積は、下部の前記基板の表面積と比較して少なくとも１．２倍大きい、請求項１に記載の方法。
  5. 前記コンフォーマル層の厚みが３００Å未満である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記コンフォーマル層の厚みが２００Å未満である、請求項５に記載の方法。
  7. 前記第２有機材料層が連続層である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１電極の高さ変化量が、前記コンフォーマル層の厚みと前記第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して少なくとも３倍大きい、請求項７に記載の方法。
  9. 前記第１電極の高さ変化量が、前記コンフォーマル層の厚みと前記第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して少なくとも５倍大きい、請求項８に記載の方法。
  10. 前記第１有機半導体材料のコンフォーマル層が前記第１電極上部に直接蒸着される、請求項１に記載の方法。
  11. 前記第１電極との界面において前記コンフォーマル層に歪みが形成され、前記コンフォーマル層を蒸着する段階は、前記第１有機半導体材料の格子構造が緩和するまで前記第１有機半導体材料を前記第１電極上部に蒸着し、前記第１有機半導体材料の複数のドメインを形成し、前記コンフォーマル層が多結晶である段階を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１有機半導体材料は、前記第２有機半導体材料に対してドナータイプの材料であり、前記第２有機半導体材料はアクセプタータイプの材料である、請求項１に記載の方法。
  13. 前記ドナータイプの材料は、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンニ無水物（ＰＴＣＤＡ）から選択される、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記フタロシアニンは、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）から選択され、前記フタロシアニン誘導体はクロロ［サブフタロシアニナト］ホウ素（ＩＩＩ）（ＳｕｂＰｃ）から選択される、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第１有機半導体材料は前記第２有機半導体材料に対してアクセプタータイプの材料であり、前記第２有機半導体材料はドナータイプの材料である、請求項１に記載の方法。
  16. 前記アクセプタータイプの材料は、少なくとも６０炭素原子を有する多面体フラーレン及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）から選択される、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１有機半導体材料のナノメータスケールの突起を前記コンフォーマル層上部に直接蒸着し、前記コンフォーマル層と突起とを組み合わせた表面積は、突起を持たないコンフォーマル層の表面積と比較して少なくとも２倍大きい段階をさらに含み、前記突起を蒸着した後に前記第２有機半導体材料層が蒸着される、請求項１に記載の方法。
  18. 前記各突起の高さは各突起の断面の幅よりも大きい、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記コンフォーマル層及び前記突起として蒸着された前記第１有機半導体材料の内部の様々な位置から、反対タイプの材料層との界面境界までの距離は、前記第１有機半導体材料の２．５励起子拡散長以下である、請求項１７に記載の方法。
  20. 上部に第１電極を有する基板であって、前記基板とは反対側の前記第１電極の表面が少なくとも３０ｎｍの二乗平均粗さ及び少なくとも２００ｎｍの高さ変化量を有する、基板と、
    以下の層からなる少なくとも一つのドナー・アクセプターヘテロ接合と、
    −前記第１電極の表面上の第１有機半導体材料のコンフォーマル層であって、前記第１有機半導体材料が低分子材料である、コンフォーマル層；
    −前記第１有機半導体材料のコンフォーマル層上の第２有機半導体材料層であって、前記第２有機半導体材料の少なくともいくらかは前記コンフォーマル層と直接接触し、前記第１有機半導体材料は、もう一方の材料タイプである前記第２有機半導体材料に対してドナータイプ、またはアクセプタータイプである、第２有機半導体材料層；
    前記ドナー・アクセプターヘテロ接合上の第２電極と、
    を含むデバイス。
  21. 前記第１電極が、ドープ透明導電性酸化物、非ドープ透明導電性酸化物、及び低分子マトリックスまたはポリマーマトリックス中のカーボンナノチューブから選択される材料で本質的に構成される、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記第１電極の表面積は、下部の前記基板の表面積と比較して少なくとも１．２倍大きい、請求項２０に記載のデバイス。
  23. 前記コンフォーマル層の厚みが３００Å未満である、請求項２０に記載のデバイス。
  24. 前記コンフォーマル層の厚みが２００Å未満である、請求項２３に記載のデバイス。
  25. 前記第２有機材料層が連続層である、請求項２０に記載のデバイス。
  26. 前記第１電極の高さ変化量が、前記コンフォーマル層の厚みと前記第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して少なくとも３倍大きい、請求項２５に記載のデバイス。
  27. 前記第１電極の高さ変化量が、前記コンフォーマル層の厚みと前記第２有機半導体材料層の最小厚みとを足し合わせた厚みと比較して少なくとも５倍大きい、請求項２６に記載のデバイス。
  28. 前記コンフォーマル層が多結晶である、請求項２０に記載のデバイス。
  29. 前記ドナータイプの材料は、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンニ無水物（ＰＴＣＤＡ）から選択される、請求項２８に記載のデバイス。
  30. 前記フタロシアニンは、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）から選択され、前記フタロシアニン誘導体はクロロ［サブフタロシアニナト］ホウ素（ＩＩＩ）（ＳｕｂＰｃ）から選択される、請求項２９に記載のデバイス。
  31. 前記アクセプタータイプの材料は、少なくとも６０炭素原子を有する多面体フラーレン及び３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレンビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）から選択される、請求項２８に記載のデバイス。
  32. 前記少なくとも一つのドナー・アクセプターヘテロ接合が、前記第１有機半導体材料のナノメータスケールの突起をさらに含み、前記突起は前記コンフォーマル層と直接接触し、前記第１有機半導体材料のコンフォーマル層と前記第２有機半導体材料層との間に存在し、前記突起と前記コンフォーマル層とを組み合わせた表面積は、突起のないコンフォーマル層の表面積と比較して少なくとも２倍大きい、請求項２０に記載のデバイス。
  33. 前記各突起の高さは各突起の断面の幅よりも大きい、請求項３２に記載のデバイス。
  34. 前記コンフォーマル層及び前記突起内部の様々な位置から、反対タイプの材料層との界面境界までの距離は、前記第１有機半導体材料の２．５励起子拡散長以下である、請求項３３に記載のデバイス。
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