JP2009529792A - 光電セル - Google Patents

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Abstract

複数の導電性線を備える光電セルや、関連するシステム、方法、モジュールおよび部品について、開示する。

Description

本発明は、複数の導電性線を備える光電セルや、関連するシステム、方法、モジュールおよび部品に関する。
光電セルは、光形態のエネルギーを電気形態のエネルギーへ変換するために一般に用いられる。典型的な光電セルは、２つの電極の間に配置された光活性材料を備える。一般に、光は一方または両方の電極を通過して、光活性材料と相互作用する。その結果、一方または両方の電極が光（例えば、光活性材料によって吸収される１つ以上の波長の光）を透過させる性能によって、光電セルの全効率は制限される。多くの光電セルでは、電極を光が透過するように、電極を形成するために半導体材料（例えば、インジウムスズ酸化物）のフィルムが用いられる。半導体材料は導電性材料より低い電気伝導度を有し得るが、半導体材料は多くの導電性材料より多くの光を透過させることが可能である。
本発明は、複数の導電性線を備える光電セルや、関連するシステム、方法、モジュールおよび部品に関する。
一態様では、本発明は、複数の導電性線を備える第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の光活性層と、を含む物品を特徴とする。光活性層は、電子供与性材料と電子受容性材料とを含む。この物品は、光電セルとして構成されている。
別の態様では、本発明は、複数の導電性線を備える第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の光活性層と、を含む物品を特徴とする。光活性層は、電子供与性材料と電子受容性材料とを含む。導電性線は、第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第１の幅と異なる第２の幅を有する。この物品は、光電セルとして構成されている。
別の態様では、本発明は、複数の導電性線を含む第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の第１および第２の光活性層と、を含むシステムを特徴とする。第１の光活性層および第２の光活性層のうちの１つ以上は、電子供与性材料および電子受容性材料を含む。このシステムは、光電システムとして構成されている。
別の態様では、本発明は、複数の導電性線を含む第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の第１および第２の光活性層と、を含むシステムを特徴とする。第１の光活性層および第２の光活性層のうちの１つ以上は、電子供与性材料および電子受容性材料を含む。導電性線は、第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第１の幅と異なる第２の幅を有する。このシステムは、光電システムとして構成されている。
実施形態には、次の特徴のうちの１つ以上が含まれてよい。
一部の実施形態では、第２の部分は第１の部分より大きい電流を伝達するように構成されており、第２の幅は第１の幅より大きい。
一部の実施形態では、第１の幅と第２の幅との差は約０．１μｍ以上である。
一部の実施形態では、導電性線のうちの少なくとも一部は互いにほぼ平行である。一定の実施形態では、導電性線の全部は互いにほぼ平行である。
一部の実施形態では、導電性線のうちの少なくとも一部は台形状または三角形状の線を含む。
一部の実施形態では、導電性線は、金属、合金、ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む。
一部の実施形態では、この物品は、第１の電極と光活性層との間のホールキャリア層をさらに含む。ホールキャリア層は、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）またはポリチエノチオフェン）、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン（ｐｏｌｙｉｓｏｔｈｉａｎａｐｈｔｈａｎｅｎｅ）およびそれらの共重合体からなる群から選択されるポリマーを含むことが可能である。一定の実施形態では、ホールキャリア層は金属酸化物またはカーボンナノチューブを含む。一部の実施形態では、ホールキャリア層はドーパントを含む。ドーパントの例には、ポリ（スチレンスルホン酸）、スルホン酸重合体、またはフッ素化ポリマー（例えば、フッ素化イオン交換ポリマー）が含まれる。
一部の実施形態では、第１の電極は、ホールキャリア層と組み合わせて測定されるとき、約５０Ω／□以下の表面抵抗率を有する。
一部の実施形態では、電子供与性材料はポリマーを含む。ポリマーは、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアジアゾール、ポリ（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドールおよびそれらの共重合体からなる群から選択されることが可能である。例えば、電子供与性材料は、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ））、ポリシクロペンタジチオフェン（例えば、ポリ（シクロペンタジチオフェン−ベンゾチアジアゾール）共重合体およびそれらの共重合体からなる群から選択されるポリマーを含むことが可能である。
一部の実施形態では、電子受容性材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせから選択される材料を含む。例えば、電子受容性材料は、置換フラーレン（例えば、Ｃ６１フェニル酪酸メチルエステル、すなわち、ＰＣＢＭ）を含むことが可能である。
一部の実施形態では、第１の光活性層は第１のバンドギャップを有し、第２の光活性層は第１のバンドギャップと異なる第２のバンドギャップを有する。
一部の実施形態では、このシステムは、第１の光活性層と第２の光活性層との間の再結合層をさらに含む。再結合層は、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料を含むことが可能である。一定の実施形態では、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料は、１つの層へと混合される。一定の実施形態では、再結合層は、ｐ型半導体材料を含む１つの層と、ｎ型半導体材料を含む別の層との２つの層を含む。
一部の実施形態では、このシステムはタンデム型の光電セルを含む
実施形態では、次の利点のうちの１つ以上が提供されることが可能である。
一部の実施形態では、導電性線は第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第２の幅を有し、第２の部分は第１の部分より大きい電流を伝達するように構成されており、第２の幅は第１の幅より大きい。そのような構成によって、導電性線における電流の増大による電力損を最小化することが可能である。
本発明の１つ以上の実施形態の詳細について、添付の図面および以下の記載により説明する。他の特徴、目的および利点は、明細書、図面および特許請求の範囲から明らかとなる。
様々な図面において、同様の参照符号は同様の要素を示す。
図１（ａ）には、複数の光電セルを備えるモジュール１００の平面図を示す。各セルは、特に、下部電極１２０および上部電極１６０を備える。図１（ａ）に示すように、電極１２０は、光が線の間の空間を介して通過することを可能とするように、複数の導電性線（すなわち、グリッド電極）を備える。電極１６０は、導電性の箔を備え、複数の光電セル用の共通の電極として機能する。１つの光電セルの電極１２０は、その右端において別のセルの電極１６０と接触している。一部の実施形態では、電極１６０も複数の導電性線を含むことが可能である。
一般に、電極１２０，１６０は導電性材料から形成される。導電性材料の例には、導電性金属、導電性合金、導電性ポリマーおよび導電性の金属酸化物が含まれる。代表的な導電性金属には、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金およびチタンが含まれる。代表的な導電性合金には、ステンレス鋼（例えば、３３２ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼）、金の合金、銀の合金、銅の合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、パラジウム合金、白金の合金、およびチタン合金が含まれる。代表的な導電性ポリマーには、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ））、ポリアニリン（例えば、ドープしたポリアニリン）、ポリピロール（例えば、ドープしたポリピロール）が含まれる。導電性の金属酸化物の例には、インジウムスズ酸化物、フッ素化スズ酸化物、スズ酸化物、亜鉛酸化物、およびチタン酸化物が含まれる。一部の実施形態では、導電性材料の組み合わせが用いられる。一定の実施形態では、電極１２０は、完全に導電性材料から形成される（例えば、電極１２０は、導電性のほぼ均質な材料から形成される）。
グリッド電極１２０の間（すなわち、導電性線の間）の開口面積は、所望に応じて異なってよい。一般に、開口面積は、モジュール１００の電極層の全面積のうちの、約１０％以上（例えば、約２０％以上、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、約６０％以上、約７０％以上、約８０％以上）、約９９％以下（例えば、約９５％以下、約９０％以下、約８５％以下）、またはその両方である。一部の実施形態では、グリッド電極１２０は、光電セルの動作中に用いられる波長又は波長範囲の入射光のうちの約６０％以上（例えば、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上）の透過を可能とする。
一部の実施形態では、電極１２０または１６０自体が透明材料から形成される。本明細書では、光電セル２００において用いられる厚さにて、光電セルの動作中に用いられる波長または波長範囲の入射光のうちの約６０％以上（例えば、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上または約９５％以上）を透過させる材料を、透明材料と呼ぶ。
一部の実施形態では、電極１２０は第１の材料から形成されており、第１の材料は第１
の材料と異なる第２の材料でコーティングされている（例えば、メタライゼーションまたは蒸着を用いて）。一般に、第１の材料は任意の所望の材料（例えば、電気絶縁材料または導電性材料）から形成されてよく、第２の材料は導電性材料である。第１の材料を形成可能な電気絶縁材料の例には、織布、光ファイバ材料、ポリマー性材料（例えば、ナイロン）および天然材料（例えば、亜麻、木綿、羊毛、絹）が含まれる。第１の材料を形成可能な導電性材料の例には、上述の導電性材料が含まれる。一部の実施形態では、第１の材料は繊維の形態であり、第２の材料はこの繊維上にコーティングされた導電性材料である。一定の実施形態では、第１の材料はグリッドの形態であり（上述を参照）、グリッドに形成された後、第２の材料（例えば、ＰＥＤＯＴ）でコーティングされている。
グリッド電極１２０は、任意の断面において任意の所望の形状（例えば、長方形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形、不定形）を有することが可能である。例えば、図１（ａ）には、グリッド電極１２０が平面図において長方形であること（すなわち、電極１２０全体が同じ幅を有すること）を示す。別の例として、図１（ｂ）には、グリッド電極１２０が平面図において台形状であることを示す。すなわち、電極１２０は、第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第１の幅と異なる第２の幅を有する。一定の実施形態では、第１の幅と第２の幅との差は、約０．１μｍ以上（例えば、約０．５μｍ以上、約１μｍ以上、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、約１００μｍ以上、約１，０００μｍ以上、もしくは約０．０１ｃｍ以上または約０．１ｃｍ以上）、または約１ｃｍ以下（例えば、約０．５ｃｍ以下、約０．１ｃｍ以下、約０．０５ｃｍ以下、約０．１ｃｍ以下または約１，０００μｍ以下）である。一部の実施形態では、グリッド電極１２０の異なる領域は異なる形状を有することが可能である。
図１（ａ）には、長方形の形状を有するように示したが、グリッド電極１２０間の開放領域は、一般に、任意の所望の形状（例えば、正方形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形または不定形）とすることが可能である。一部の実施形態では、グリッド電極１２０間の異なる開口領域は異なる形状を有することが可能である。
一部の実施形態では、グリッド電極１２０は、グリッド電極間の空間に充填されたホールキャリア層と組み合わせて測定されるとき、約５０Ω／□以下（例えば、約２５Ω／□以下、約２０Ω／□以下、約１０Ω／□以下、約５Ω／□以下または約１Ω／□以下）の表面抵抗率を有する。
一般に、グリッド電極１２０の最大厚さ（すなわち、グリッド電極１２０と接触している基板の表面に対しほぼ垂直な方向へのグリッド電極１２０の最大の厚さ）は、その上の層の全厚さ未満である必要がある。通常、グリッド電極１２０の最大厚さは０．１マイクロメートル以上（（例えば、約０．２マイクロメートル以上、約０．３マイクロメートル以上、約０．４マイクロメートル以上、約０．５マイクロメートル以上、約０．６マイクロメートル以上、約０．７マイクロメートル以上、約０．８マイクロメートル以上、約０．９マイクロメートル以上、約１マイクロメートル以上）、約１０マイクロメートル以下（例えば、約９マイクロメートル以下、約８マイクロメートル以下、約７マイクロメートル以下、約６マイクロメートル以下、約５マイクロメートル以下、約４マイクロメートル以下、約３マイクロメートル以下、約２マイクロメートル以下）またはその両方である。
一部の実施形態では、電極１２０または１６０は可撓性（例えば、連続的なロール・ツー・ロール製造プロセスを用いて光電セル１００に組込まれるのに充分に可撓性）である。一定の実施形態では、電極１２０または１６０は半剛性または不撓性である。一部の実施形態では、電極１２０または１６０において、異なる領域が可撓性、半剛性、または不撓性であることが可能である（例えば、可撓性の１つ以上の領域と半剛性の異なる１つ以上の領域、可撓性の１つ以上の領域と不撓性の異なる１つ以上の領域など）。
一般に、光電モジュール１００におけるグリッド電極１２０のレイアウトおよび形状は、所望に応じて異なってよい。一部の実施形態では、グリッド電極１２０を有する光電モジュール１００は、（１）電極１２０間の電子の移動による電力損、（２）電極１２０における電子の移動による電力損、および（３）電極１２０の存在による吸収損に基づき設計可能である。
図１（ａ）を参照すると、電極１２０間の電子の移動による電力損（すなわちＰ）は、式（１）によって算定可能である：
Ｐ＝Ｉ２・Ｒｓｑ・ｄ／６Ｌ （１）
ここで、Ｉは２つのグリッド電極間の極大電流を表し、Ｒｓｑは、２つのグリッド電極間の材料（例えば、ＰＥＤＯＴ）の表面抵抗率を表し、ｄは２つのグリッド電極の間の距離を表し、Ｌはグリッド電極の長さを表す。
グリッド電極１２０における電子の移動による電力損（すなわち、Ｐ）は、式（２）によって算定可能である：
Ｐ＝Ｉ２・ρ・Ｌ／（３・α・ｗ） （２）
ここで、Ｉはグリッド電極における極大電流を表し、ρは、グリッド電極を形成する材料（例えば、銀）の表面抵抗率を表し、Ｌはグリッド電極の長さを表し、αは電極の厚さを表し、ｗはグリッド電極の幅を表す。
電極１２０の存在による吸収損は電極層全体のうちの電極の遮光面積の割合に基づき得られ、これは電極幅の合計と電極間の距離の合計との比から与えられる。
上述の３つの因子に基づき、最小の電力／吸収損を生じるグリッド電極を有する光電モジュールを設計することが可能である。例えば、図１（ａ）を参照すると、グリッド電極１２０が既知の材料（例えば、約１．６マイクロΩ・ｃｍの固有抵抗率を有する銀）から製造され、１００マイクロメートルの固定幅を有し、グリッド電極間の空間が既知の材料（例えば、約１００Ω／□の表面抵抗率を有するＰＥＤＯＴ）で充填されるとき、モジュールの電力／吸収損は、２つのグリッド電極間の距離およびグリッド電極の長さのに基づいて異なる。これらの変数間の関係は３次元のグラフにより表現可能であり、そのグラフから、最小の電力／吸収損を生じる２つの電極間の最適な距離および電極の長さを容易に決定することが可能である。
式（２）は、グリッド電極における電流の増大および電極幅の減少に伴い、電力損が増大することを示している。一般に、光電モジュールにおいて光起電力効果によって生成される電流は、光電モジュールの内部で増大し、電流がモジュールを出る点にて最高のレベルに達する。したがって、電流の増大による電力損を低減するために、電流の増大するのと同じ方向においてグリッド電極の幅が増大されてよい。そのような構成の一例を図１（ｂ）に示す。一部の実施形態では、グリッド電極１２０の幅（すなわち、図１（ａ）のｂ）は、約１μｍ以上（例えば、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、もしくは約５０μｍ以上）または約１ｃｍ以下（例えば、約０．５ｃｍ以下、約０．１ｃｍ以下、もしくは約０．０５ｃｍ以下）である。
一般に、グリッド電極１２０の長さは、上述の３つの因子に基づき設計可能である。グリッド電極１２０の長さは、例えば、電極１２０の他の寸法（例えば、幅および厚さ）、２つの電極１２０の間の距離、電極１２０を形成するために用いられる材料、および電極１２０間の空間を充填するホールキャリア材料に応じて異なってもよい。一部の実施形態では、グリッド電極１２０の長さは、約０．１ｃｍ以上（例えば、約０．５ｃｍ以上、約１ｃｍ以上、もしくは約５ｃｍ以上）または約２０ｃｍ以下（例えば、約１５ｃｍ以下、約１０ｃｍ以下、もしくは約５ｃｍ以下）である。
また、２つのグリッド電極１２０の間の距離も、一般に、上述の３つの因子に基づき設計可能である。２つのグリッド電極１２０の間の距離は、例えば、電極１２０の他の寸法（例えば、幅および厚さ）、電極１２０を形成するために用いられる材料、および電極１２０間の空間を充填するホールキャリア材料に応じて異なってもよい。一部の実施形態では、２つのグリッド電極１２０の間の距離は、約０．０１ｃｍ以上（例えば、約０．０５ｃｍ以上、約０．１ｃｍ以上、もしくは約０．５ｃｍ以上）または約１０ｃｍ以下（例えば、約５ｃｍ以下、約１ｃｍ以下、もしくは約０．５ｃｍ以下）である。
図２には、光電セル２００の断面図を示す。光電セル２００は、基板２１０、カソード２２０、ホールキャリア層２３０、光活性層２４０（電子受容性材料および電子供与性材料を含む）、ホールブロック層２５０、アノード２６０、および基板２７０を備える。
一般に、使用中、光は基板２１０の表面に衝突し、基板２１０、カソード２２０およびホールキャリア層２３０を通過する。次いで、この光は光活性層２４０と相互作用し、光活性層２４０の電子供与性材料から光活性層２４０の電子受容性材料へと電子を移動させる。次いで、電子受容性材料によって、電子がホールブロック層２５０を通じてアノード２６０へ伝達され、電子供与性材料によって、ホールがホールキャリア層２３０を通じてカソード２２０へ移動される。アノード２６０およびカソード２２０は、アノード２６０から負荷を通じてカソード２２０へ電子が流れるように、外部の負荷を介して電気的に接続されている。
基板２１０は一般に透明材料から形成される。基板２１０を形成可能な代表的な材料には、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリマー性炭化水素、セルロースポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテルおよびポリエーテルケトンが含まれる。一定の実施形態では、ポリマーはフッ素化ポリマーであってよい。一部の実施形態では、ポリマー材料の組み合わせが用いられる。一定の実施形態では、基板２１０の異なる領域は、異なる材料から形成されてよい。
一般に、基板２１０は、可撓性、半剛性または剛性（例えば、ガラスなど）であってよい。一部の実施形態では、基板２１０の曲げ弾性率は約５，０００ＭＰａ未満である。一定の実施形態では、基板２１０の異なる領域は、可撓性、半剛性または不撓性であってよい（例えば、１つ以上の可撓性領域と異なる１つ以上の半剛性領域、１つ以上の可撓性領域と異なる１つ以上の不撓性領域など）。
通常、基板２１０の厚さは、約１μｍ以上（例えば、約５μｍ以上、約１０μｍ以上）、約１，０００μｍ以下（例えば、約５００μｍ以下、約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約５０μｍ以下）、またはその両方である。
一般に、基板２１０は有色または無色であってよい。一部の実施形態では、基板２１０のうちの１つ以上の部分は有色であり、基板２１０のうちの異なる１つ以上の部分は無色である。
基板２１０は、１つの平坦面（例えば、光の衝突面）を備えてもよく、２つの平坦面（例えば、光の衝突面および対向面）を備えてもよく、あるいは平坦面を備えなくてもよい。基板２１０の非平坦面は、例えば、湾曲面または段を有する面であってよい。一部の実施形態では、基板２１０の非平坦面はパターンを形成されている（例えば、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズまたはレンチキュラープリズムを形成するようなパターンの形成された段を備える）。
一般に、カソード２２０は所望に応じて任意の適切な形状を有してよい。一部の実施形態では、カソード２２０は、上述のものなど、複数の導電性線（すなわち、グリッド電極）から形成されてよい。一部の実施形態では、カソード２２０はメッシュ電極を含んでよい。メッシュ電極の例は、共通して所有する同時継続中の米国特許出願公開第２００４０１８７９１１号および第２００６００９０７９１号明細書に記載されている。それらの内容を引用によって本明細書に援用する。
ホールキャリア層２３０は、一般に、光電セル２００に用いられる厚さにて、カソード２２０へホールを移動させるとともに、カソード２２０への電子の移動をほぼ阻止する材料から形成される。ホールキャリア層２３０を形成可能な材料の例には、ポリチオフェン（例えば、ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびそれらの共重合体が含まれる。一部の実施形態では、ホールキャリア層２３０は、半導体高分子と組み合わせて用いられるドーパントを含むことが可能である。ドーパントの例には、ポリ（スチレンスルホン酸）、スルホン酸重合体、またはフッ素化ポリマー（例えば、フッ素化イオン交換ポリマー）が含まれる。一部の実施形態では、ホールキャリア層２３０を形成するために用いられ得る材料には、チタン酸化物、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、モリブデン酸化物、銅酸化物、ストロンチウム銅酸化物、またはストロンチウムチタン酸化物など、金属酸化物が含まれる。金属酸化物は、ドーピングが行われていなくても、ドーパントによるドーピングが行われていてもよい。金属酸化物のドーパントの例には、フッ化物、塩化物、臭化物および沃化物の塩または酸が含まれる。一部の実施形態では、ホールキャリア層２３０を形成するために用いられ得る材料には、炭素同素体（例えば、カーボンナノチューブ）が含まれる。炭素同素体はポリマーバインダーに埋め込まれてよい。一部の実施形態では、ホールキャリア層２３０は、上述のホールキャリア材料の組み合わせを含んでよい。一部の実施形態では、ホールキャリア材料はナノ粒子の形態であってよい。ナノ粒子は、球状、円筒状、または棹状の形状など、任意の適切な形状を有してよい。
一般に、ホールキャリア層２３０の厚さ（すなわち、光活性層２４０に接触しているホールキャリア層２３０の表面と、ホールキャリア層２３０に接触しているカソード２２０の表面との間の距離）は、所望の通りに変更されてよい。通常、ホールキャリア層２３０の厚さは、０．０１μｍ以上（例えば、約０．０５μｍ以上、約０．１μｍ以上、約０．２μｍ以上、約０．３μｍ以上、もしくは約０．５μｍ以上）、約５μｍ以下（例えば、約３μｍ以下、約２μｍ以下、もしくは約１μｍ以下）またはその両方である。一部の実施形態では、ホールキャリア層２３０の厚さは約０．０１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートルである。
光活性層２４０は、一般に、電子受容性材料（例えば、有機電子受容性材料）および電子供与性材料（例えば、有機電子供与性材料）を含む。
電子受容性材料の例には、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、電子を受容可能な部位もしくは安定なアニオンを形成可能な部位を含むポリマー（例えば、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー）またはそれらの組み合わせが含まれる。一部の実施態様では、電子受容性材料は置換フラーレン（例えば、ＰＣＢＭ）である。一部の実施形態では、光活性層２４０において複数の電子受容性材料の組み合わせが用いられてよい。
電子供与性材料の例には、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベン
ゾチアジアゾール、ポリ（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドールおよびそれらの共重合体など、共役ポリマーが含まれる。一部の実施形態では、電子供与性材料は、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３ヘキシルチオフェン））、ポリシクロペンタジチオフェン、およびそれらの共重合体であってよい。一定の実施形態では、光活性層２４０において複数の電子供与性材料の組み合わせが用いられてよい。
一部の実施形態では、電子供与性材料または電子受容性材料は、第１のコモノマー繰返し単位と、第１のコモノマー繰返し単位とは異なる第２のコモノマー繰返し単位とを有するポリマーを含んでよい。第１のコモノマー繰返し単位は、シクロペンタジチオフェン部位、シラシクロペンタジチオフェン部位、シクロペンタジチアゾール部位、チアゾロチアゾール部位、チアゾール部位、ベンゾチアジアゾール部位、チオフェンオキシド部位、シクロペンタジチオフェンオキシド部位、ポリチアジアゾロキノキサリン部位、ベンゾイソチアゾール部位、ベンゾチアゾール部位、チエノチオフェン部位、チエノチオフェンオキシド部位、ジチエノチオフェン部位、ジチエノチオフェンオキシド部位、またはテトラヒドロイソインドール部位を含んでよい。
一部の実施形態では、第１のコモノマー繰返し単位はシクロペンタジチオフェン部位を含む。一部の実施形態では、シクロペンタジチオフェン部位は、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、およびＳＯ２Ｒからなる群から選択される１つ以上の置換基によって置換されている。Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルである。例えば、シクロペンタジチオフェン部位は、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルによって置換されてよい。一定の実施形態では、シクロペンタジチオフェン部位は４位が置換されている。一部の実施形態では、第１のコモノマー繰返し単位は、化学式（１）のシクロペンタジチオフェン部位を含んでよい。
Figure 2009529792
化学式（１）において、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、またはＳＯ２Ｒの各々。Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルである。例えば、Ｒ１，Ｒ２は各々独立に、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルであってよい。
アルキルは飽和であっても不飽和であってもよく、分岐鎖であっても直鎖であってもよい。Ｃ１〜Ｃ２０のアルキルは、１〜２０個の炭素原子（例えば、１，２，３，４，５，
６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０個の炭素原子）を含む。アルキルの部位の例には、−ＣＨ３，−ＣＨ２−，−ＣＨ２＝ＣＨ２−，−ＣＨ２−ＣＨ＝ＣＨ２および分岐した−Ｃ３Ｈ７が含まれる。アルコキシは分岐鎖であっても直鎖であってもよく、飽和であっても不飽和であってもよい。Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシは、酸素原子と、１〜２０個の炭素原子（例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０個の炭素原子）とを含む。アルコキシ部位の例には、−ＯＣＨ３および−ＯＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ３が含まれる。シクロアルキルは飽和であっても不飽和であってもよい。Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキルは、３〜２０個の炭素原子（例えば、３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０個の炭素原子）を含む。シクロアルキル部位の例には、シクロヘキシルおよびシクロヘキセン−３−イルが含まれる。また、ヘテロシクロアルキルも飽和であっても不飽和であってもよい。Ｃ３〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルは、１つ以上の環ヘテロ原子（例えば、Ｏ，Ｎ，Ｓ）と、３〜２０個の炭素原子（例えば、３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０個の炭素原子）とを含む。ヘテロシクロアルキル部位の例には、４−テトラヒドロピラニルおよび４−ピラニルが含まれる。アリールは１つ以上の芳香環を含んでよい。アリール部位の例には、フェニル、フェニレン、ナフチル、ナフチレン、ピレニル、アントリル、およびフェナントリルが含まれる。ヘテロアリールは１つ以上の芳香環を含んでよく、この環のうちの１つ以上は１つ以上の環ヘテロ原子（例えば、Ｏ，Ｎ，Ｓ）を含む。ヘテロアリール部位の例には、フリル、フリレン、フルオレニル、ピロリル、チエニル、オキサゾールイル、イミダゾールイル、チアゾールイル、ピリジル、ピリミジニル、キナゾリニル、キノリル、イソキノリル、およびインドールイルが含まれる。
本明細書において言及されるアルキル、アルコキシ、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールには、特に指定のない場合、置換部位と無置換部位との両方が含まれる。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールに対する置換基の例には、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、アリールオキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、アミノ、Ｃ１〜Ｃ１０のアルキルアミノ、Ｃ１〜Ｃ２０のジアルキルアミノ、アリールアミノ、ジアリールアミノ、ヒドロキシル、ハロゲン、チオ、Ｃ１〜Ｃ１０のアルキルチオ、アリールチオ、Ｃ１〜Ｃ１０のアルキルスルホニル、アリールスルホニル、シアノ、ニトロ、アシル、アシルオキシ、カルボキシル、およびカルボン酸エステルが含まれる。アルキルに対する置換基の例には、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキルを除く上述の置換基全てが含まれる。また、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールには、縮合した基が含まれる。
第２のコモノマー繰返し単位は、ベンゾチアジアゾール部位、チアジアゾロキノキサリン部位、シクロペンタジチオフェンオキシド部位、ベンゾイソチアゾール部位、ベンゾチアゾール部位、チオフェンオキシド部位、チエノチオフェン部位、チエノチオフェンオキシド部位、ジチエノチオフェン部位、ジチエノチオフェンオキシド部位、テトラヒドロイソインドール部位、フルオレン部位、シロール部位、シクロペンタジチオフェン部位、フルオレノン部位、チアゾール部位、セレノフェン部位、チアゾロチアゾール部位、シクロペンタジチアゾール部位、ナフトチアジアゾール部位、チエノピラジン部位、シラシクロペンタジチオフェン部位、オキサゾール部位、イミダゾール部位、ピリミジン部位、ベンゾオキサゾール部位、またはベンゾイミダゾール部位を含んでよい。一部の実施形態では、第２のコモノマー繰返し単位は、３，４−ベンゾ−１，２，５−チアジアゾール部位である。
一部の実施形態では、第２のコモノマー繰返し単位は、化学式（２）のベンゾチアジア
ゾール部位、化学式（３）のチアジアゾロキノキサリン部位、化学式（４）のシクロペンタジチオフェン二酸化物部位、化学式（５）のシクロペンタジチオフェン一酸化物部位、化学式（６）のベンゾイソチアゾール部位、化学式（７）のベンゾチアゾール部位、化学式（８）のチオフェンジオキサイド部位、化学式（９）のシクロペンタジチオフェンジオキサイド部位、化学式（１０）のシクロペンタジチオフェンテトラオキサイド部位、化学式（１１）のチエノチオフェン部位、化学式（１２）のチエノチオフェンテトラオキサイド部位、化学式（１３）のジチエノチオフェン部位、化学式（１４）のジチエノチオフェンジオキサイド部位、化学式（１５）のジチエノチオフェンテトラオキサイド部位、化学式（１６）のテトラヒドロイソインドール部位、化学式（１７）のチエノチオフェンジオキサイド部位、化学式（１８）のジチエノチオフェンジオキサイド部位、化学式（１９）のフルオレン部位、化学式（２０）のシロール部位、化学式（２１）のシクロペンタジチオフェン部位、化学式（２２）のフルオレノン部位、化学式（２３）のチアゾール部位、化学式（２４）のセレノフェン部位、化学式（２５）のチアゾロチアゾール部位、化学式（２６）のシクロペンタジチアゾール部位、化学式（２７）のナフトチアジアゾール部位、化学式（２８）のチエノピラジン部位、化学式（２９）のシラシクロペンタジチオフェン部位、化学式（３０）のオキサゾール部位、化学式（３１）のイミダゾール部位、化学式（３２）のピリミジン部位、化学式（３３）のベンゾオキサゾール部位、または化学式（３４）のベンゾイミダゾール部位を含んでよい。
Figure 2009529792
Figure 2009529792
上述の化学式では、Ｘ，Ｙは各々独立に、ＣＨ２，ＯまたはＳであり；Ｒ５，Ｒ６は各々独立に、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、またはＳＯ２Ｒであって、Ｒは、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、またはＣ１〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルであり；Ｒ７，Ｒ８は各々独立に、Ｈ、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロ
アリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、またはＣ３〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルである。一部の実施形態では、第２のコモノマー繰返し単位は、化学式（２）のベンゾチアジアゾール部位を含んでよく、Ｒ５，Ｒ６の各々はＨである。
第２のコモノマー繰返し単位は、３つ以上のチオフェン部位を含んでよい。一部の実施形態では、１つ以上のチオフェン部位は、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、およびＣ３〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルから選択される１つ以上の置換基によって置換されている。一定の実施形態では、第２のコモノマー繰返し単位は５つのチオフェン部位を含む。
ポリマーは、チオフェン部位またはフルオレン部位を含む第３のコモノマー繰返し単位をさらに含んでよい。一部の実施形態では、チオフェンまたはフルオレン部位は、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル、Ｃ１〜Ｃ２０のアルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３〜Ｃ２０のシクロアルキル、およびＣ３〜Ｃ２０のヘテロシクロアルキルから選択される１つ以上の置換基によって置換されている。
一部の実施形態では、ポリマーは、第１のコモノマー繰返し単位、第２のコモノマー繰返し単位、および第３のコモノマー繰返し単位の任意の組み合わせによって形成されてよい。一定の実施形態では、ポリマーは、第１のコモノマー繰返し単位、第２のコモノマー繰返し単位および第３のコモノマー繰返し単位のうちのいずれかを含むホモポリマーであってよい。
一部の実施形態では、ポリマーは次の化学式の通りである。
Figure 2009529792
ここで、ｎは１より大きい整数であってよい。
本明細書において言及したポリマーを調製するためのモノマーは、非芳香属の二重結合と、１つ以上の不斉中心とを含んでよい。したがって、それらはラセミ化合物およびラセミ混合物、単一のエナンチオマー、個々のジアステレオマー、ジアステレオマーの混合物、ならびにｃｉｓ−またはｔｒａｎｓ−異性体の形態として生成する場合がある。そのような異性体の形態は全て想定される。
上述のポリマーは、共通して所有する同時継続中の米国特許出願第１１／６０１，３７４号明細書に記載されているものなど、当技術において知られている方法によって調製可能である。その内容を引用によって本明細書に援用する。例えば、共重合体は、遷移金属触媒の存在下、２つのアルキルスズ基を含む１つ以上のコモノマーと、２つのハロ基を含
む１つ以上のコモノマーとの間のクロスカップリング反応によって調製可能である。別の例として、共重合体は、遷移金属触媒の存在下、２つのホウ酸基を含む１つ以上のコモノマーと、２つのハロ基を含む１つ以上のコモノマーとの間のクロスカップリング反応によって調製可能である。コモノマーは、米国特許出願第１１／４８６，５３６号明細書、コッポ（Ｃｏｐｐｏ）らによる、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２００３年、第３６巻、ｐ．２７０５−２７１１、およびカート（Ｋｕｒｔ）らによる、Ｊ．Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌ．Ｃｈｅｍ．、１９７０年、第６巻、ｐ．６２９に記載されているものなど、当技術において知られている方法によって調製可能である。その内容を引用によって本明細書に援用する。
理論によって拘束されるものではないが、上述のポリマーの利点は、それらのポリマーの吸収波長が、他のほとんどの従来のポリマーには到達可能でない電磁スペクトルの赤色領域および近赤外領域（例えば、６５０〜８００ｎｍ）へと偏移していることであると考えられる。そのようなポリマーが従来のポリマーと共に光電セルへ組み込まれると、セルがスペクトルのこの領域の光を吸収することが可能となり、それによってセルの電流および効率は増大する。
一般に、光活性層２４０は、光活性層に衝突する光子を吸収して対応する電子およびホールを形成する際に比較的効率的であるのに充分なだけ厚く、このホールおよび電子が移動する際に比較的効率的であるのに充分なだけ薄い。一定の実施形態では、光活性層２４０の厚さは、０．０５μｍ以上（例えば、約０．１μｍ以上、約０．２μｍ以上、もしくは約０．３μｍ以上）、約１μｍ以下（例えば、約０．５μｍ以下もしくは約０．４μｍ以下）、またはその両方である。一部の実施形態では、光活性層２４０の厚さは、約０．１μｍ〜約０．２μｍである。
ホールブロック層２５０は、一般に、光電セル２００に用いる厚さにて、アノード２６０へ電子を移動させるとともに、アノード２６０へのホールの移動をほぼ阻止する材料から形成される。ホールブロック層２５０を形成可能な材料の例には、ＬｉＦ、アミン（例えば、第１級、第２級、または第３級アミン）、および金属酸化物（例えば、亜鉛酸化物またはチタン酸化物）が含まれる。
通常、ホールブロック層２５０の厚さは、０．０２μｍ以上（例えば、約０．０３μｍ以上、約０．０４μｍ以上、もしくは約０．０５μｍ以上）、約０．５μｍ以下（例えば、約０．４μｍ以下、約０．３μｍ以下、約０．２μｍ以下、もしくは約０．１μｍ以下）、またはその両方である。
アノード２６０は、一般に、上述の導電性材料のうちの１つ以上など、導電性材料から形成される。一部の実施形態では、アノード２６０は導電性材料の組み合わせから形成される。一定の実施形態では、アノード２６０はメッシュ電極から形成可能である。
基板２７０は基板２１０と同一であってもよく、異なっていてもよい。一部の実施形態では、基板２７０は、上述のものなど１つ以上の適切なポリマーから形成可能である。
図３には、２個の準セル３０２，３０４を有するタンデム型の光電セル３００を示す。準セル３０２は、カソード３２０、ホールキャリア層３３０、第１の光活性層３４０および再結合層３４２を含む。準セル３０４は、再結合層３４２、第２の光活性層３４４、ホールブロック層３５０およびアノード３６０を含む。外部負荷は、カソード３２０およびアノード３６０を介して光電セル３００に接続されている。生産工程および所望のデバイス構成に応じて、一定の層の電子／ホール伝導率を変更すること（例えば、ホールブロック層３５０をホールキャリア層に変更すること）によって、準セルの電流が逆転されてよい。そうすることによって、タンデム型セルは、タンデム型セルにおいて準セルが電気的
に直列にまたは並列に相互接続されるように、設計されることが可能である。
再結合層は、タンデム型セルにおいて、第１の準セルから生成した電子が第２の準セルから生成されたホールと再結合する層を表す。再結合層３４２は、通常、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料を含む。一般に、ｎ型半導体材料は選択的に電子を移動させ、ｐ型半導体材料は選択的にホールを移動させる。その結果、第１の準セルから生成された電子は第２の準セルから生成されたホールとｎ型半導体材料とｐ型半導体材料との界面において再結合する。
一部の実施形態では、ｐ型半導体材料はポリマー、金属酸化物またはその両方を含む。ｐ型半導体ポリマーの例には、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ））、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアジアゾール、ポリ（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドールおよびそれらの共重合体が含まれる。金属酸化物は、本質的なｐ型半導体（例えば、銅酸化物、ストロンチウム銅酸化物、もしくはストロンチウムチタン酸化物）であってもよく、またはドーパントによるドーピング後にｐ型半導体を形成する金属酸化物（例えば、ｐドープした亜鉛酸化物もしくはｐドープしたチタン酸化物）であってもよい。ドーパントの例には、フッ化物、塩化物、臭化物および沃化物の塩または酸が含まれる。一部の実施形態では、金属酸化物はナノ粒子の形態で用いられてよい。
一部の実施形態では、ｎ型半導体材料は、チタン酸化物、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、モリブデン酸化物、およびそれらの組み合わせなど、金属酸化物を含む。金属酸化物はナノ粒子の形態で用いられてよい。他の実施形態では、ｎ型半導体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせから選択される材料を含む。
一部の実施形態では、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料は、１つの層へと混合される。一定の実施形態では、再結合層は、ｐ型半導体材料を含む１つの層と、ｎ型半導体材料を含む別の層との２つの層を含む。
一部の実施形態では、再結合層３４２は、約３０重量％以上（例えば、約４０重量％以上もしくは約５０重量％以上）、約７０重量％以下（例えば、約６０重量％以下または約５０重量％以下）のｐ型半導体材料を含む。一部の実施形態では、再結合層３４２は、約３０重量％以上（例えば、約４０重量％以上もしくは約５０重量％以上）、約７０重量％以下（例えば、約６０重量％以下または約５０重量％以下）のｎ型半導体材料を含む。
再結合層３４２は、一般に、再結合層３４２上に塗布される溶媒からその下の層が保護されるのに充分な厚さを有する。一部の実施形態では、再結合層３４２の厚さは、約１０ｎｍ以上（例えば、約２０ｎｍ以上、約５０ｎｍ以上、もしくは約１００ｎｍ以上）、約５００ｎｍ以下（例えば、約２００ｎｍ以下、約１５０ｎｍ以下、もしくは約１００ｎｍ以下）またはその両方である。
一般に、再結合層３４２は、ほぼ透明である。例えば、タンデム型の光電セル３００に
用いられる厚さにて、再結合層３４２は、光電セルの動作中に用いられる波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１，０００ｎｍ）にて、入射光線の約７０％以上（例えば、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、または約９０％以上）を透過させることが可能である。
再結合層３４２は、一般に、充分に低い抵抗率を有する。一部の実施形態では、再結合層３４２の抵抗率は、約１×１０６オーム／□以下（例えば、約５×１０５オーム／□以下、約２×１０５オーム／□以下、または約１×１０５オーム／□以下）である。
理論によって拘束されるものではないが、再結合層３４２は、光電セル３００における２つの準セル（例えば、一方は、カソード３２０、ホールキャリア層３３０、光活性層３４０および再結合層３４２を含み、他方は、再結合層３４２、光活性層３４４、ホールブロック層３５０およびアノード３６０を含む）の間の共通の電極と見なすことができると考えられる。一部の実施形態では、再結合層３４２は、上述のものなど、導電性メッシュ材料を含んでよい。導電性メッシュ材料は、準セルに同じ極性（ｐ型またはｎ型）の選択的な接点を提供し、負荷へ電子を移動させるため、導電性が高く透明な層を提供することが可能である。
一部の実施形態では、再結合層３４２は、ｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料のブレンドを光活性層上に塗布することによって調製可能である。例えば、ｎ型半導体およびｐ型半導体は、最初に分散液または溶液を形成するように溶媒へ一緒に分散または溶解され、次いで、再結合層を形成するように、その分散液または溶液が光活性層上にコーティングされる。
一部の実施形態では、再結合層３４２は、タンデム型セルの機能に必要な電子的および光学的性質を有する２つ以上の層を含んでよい。例えば、再結合層３４２は、ｎ型半導体材料を含む層と、ｐ型半導体材料を含む層とを含む。そのような実施形態では、再結合層３４２は、２つの層の界面において混合されたｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料の層を含んでよい。
一部の実施形態では、２層の再結合層は、ｎ型半導体材料の層とｐ型半導体材料の層とを別々に塗布することによって調製可能である。例えば、チタン酸化物ナノ粒子がｎ型半導体材料として用いられるとき、チタン酸化物ナノ粒子の層は、（１）溶媒（例えば、無水アルコール）中に前駆物質（例えば、チタン塩）を分散させて分散液を形成すること、（２）光活性層上に分散液をコーティングすること、（３）分散液を水和させてチタン酸化物層を形成すること、および（４）チタン酸化物層を乾燥させること、によって形成可能である。別の例として、ポリマー（例えば、ＰＥＤＯＴ）がｐ型半導体として用いられるときには、ポリマー層は、最初に溶媒（例えば、無水アルコール）中にポリマーを溶解して溶液を形成し、次いで、その溶液を光活性層上にコーティングすることによって形成可能である。
タンデム型セル３００における他の部品は、上述の光電セル２００におけるものと同一であってよい。
一部の実施形態では、タンデム型セルにおいて準セルは電気的に直列に相互接続されている。直列に接続されるとき、一般に、層は図３に示す順序であってよい。一定の実施形態では、タンデム型セルにおいて準セルは電気的に並列相互接続されている。並列に相互接続されるとき、２個の準セルを有するタンデム型セルは、次の層、すなわち、第１のカソード、第１のホールキャリア層、第１の光活性層、第１のホールブロック層（アノードとして機能することが可能である）、第２のホールブロック層（アノードとして機能することが可能である）、第２の光活性層、第２のホールキャリア層および第２のカソードを
含むことが可能である。そのような実施形態では、第１および第２のホールブロック層は、２つの別個の層であってもよく、１つの単一の層であってもよい。第１のおよび第２のホールブロック層の伝導率が充分でない場合、必要な伝導率を提供する追加の層（例えば、導電性メッシュ層）が挿入されてもよい。
一部の実施形態では、タンデム型セルは２個を超える準セル（例えば、３，４，５，６，７，８，９，１０またはより多くの準セル）を含んでよい。一定の実施形態では、一部の準セルが電気的に直列に相互接続されていることが可能であり、一部の準セルが電気的に並列に相互接続されていることが可能である。
一般に、図２，３に記載の光電セルの各層を調製する方法は、所望に応じて異なってよい。一部の実施形態では、層は液体ベースのコーティング処理によって調製可能である。本明細書において言及する用語「液体ベースのコーティング処理」は、液体ベースのコーティング組成物を用いる処理を表す。液体ベースのコーティング組成物の例には、溶液、分散液または懸濁液が含まれる。液体ベースのコーティング処理は、次の処理、すなわち、溶液コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、ナイフコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング、ローラコーティング、スロットコーティング、グラビアコーティング、フレキソ印刷またはスクリーン印刷のうちの１つ以上を用いることによって実行可能である。液体ベースのコーティング処理の例は、例えば、共通して所有する同時継続中の米国特許出願第６０／８８８，７０４号明細書に記載されている。その内容を引用によって本明細書に援用する。一定の実施形態では、層は、化学蒸着法または物理蒸着法など、気相ベースのコーティング処理を介して調製可能である。
一部の実施形態では、図２，３に記載の光電セルは、ロール・ツー・ロール法などの連続的製造工程により調整可能であり、これによって製造コストが有意に減少する。ロール・ツー・ロール法の例は、例えば、共通して所有する同時継続中の米国特許出願公開第２００５−０２６３１７９号明細書に記載されている。その内容を引用によって本明細書に援用する。
一定の実施形態について開示したが、他の実施形態も可能である。
一部の実施形態では、複数の光電セルを電気的に接続し、光電システムを形成することが可能である。一例として、図４には、光電セル４２０を含むモジュール４１０を備える光電システム４００の概略図を示す。光電セル４２０は電気的に直列に接続されており、システム４００は負荷４３０へ電気的に接続されている。別の例として、図５は、光電セル５２０を含むモジュール５１０を有する光電システム５００の概略図である。光電セル５２０は電気的に並列に接続されており、システム５００は負荷５３０へ電気的に接続されている。一部の実施形態では、光電システムにおける一部（例えば、全部）の光電セルが１つ以上の共通の基板を有してよい。一定の実施形態では、光電システムにおける一部の光電セルは電気的に直列に接続されており、その光電システムにおいて、一部の光電セルは電気的に並列に接続されている。
特許請求の範囲には他の実施形態が存在する。
複数の光電セルを備えるモジュールの平面図。 台形の電極を有する複数の光電セルの平面図。 光電セルの一実施形態の断面図。 タンデム型の光電セルの一実施形態の断面図。 電気的に直列に接続された複数の光電セルを含むシステムの概略図。 電気的に並列に接続された複数の光電セルを含むシステムの概略図。

Claims (38)

  1. 物品であって、
    複数の導電性線を含む第１の電極と、
    第２の電極と、
    第１の電極と第２の電極との間にあって、電子供与性材料および電子受容性材料を含む光活性層と、を備え、
    前記導電性線は第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第１の幅と異なる第２の幅を有し、前記物品は光電セルとして構成されている、物品。
  2. 第２の部分は第１の部分より大きい電流を伝達するように構成されており、第２の幅は第１の幅より大きい請求項１に記載の物品。
  3. 第１の幅と第２の幅との差は約０．１μｍ以上である請求項１に記載の物品。
  4. 前記導電性線のうちの少なくとも一部は互いにほぼ平行である請求項１に記載の物品。
  5. 前記導電性線の全部は互いにほぼ平行である請求項１に記載の物品。
  6. 前記導電性線のうちの少なくとも一部は台形状または三角形状の線を含む請求項１に記載の物品。
  7. 前記導電性線は、金属、合金、ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む請求項１に記載の物品。
  8. 前記導電性線は金属を含む請求項７に記載の物品。
  9. 第１の電極と光活性層との間のホールキャリア層を含む請求項１に記載の物品。
  10. ホールキャリア層はポリマーを含む請求項９に記載の物品。
  11. ポリマーは、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレンおよびそれらの共重合体からなる群から選択される請求項１０に記載の物品。
  12. ポリマーは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）を含む請求項１１に記載の物品。
  13. ホールキャリア層は金属酸化物またはカーボンナノチューブを含む請求項９に記載の物品。
  14. ホールキャリア層はドーパントを含む請求項９に記載の物品。
  15. ドーパントはポリ（スチレンスルホン酸）を含む請求項１４に記載の物品。
  16. 第１の電極は、ホールキャリア層と組み合わせて測定されるとき、約５０Ω／□以下の表面抵抗率を有する請求項９に記載の物品。
  17. 電子供与性材料はポリマーを含む請求項１に記載の物品。
  18. ポリマーは、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタレン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアジアゾール、ポリ（チオフェンオキシド）、ポリ（シクロペンタジチオフェンオキシド）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェンオキシド）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェンオキシド）、ポリテトラヒドロイソインドールおよびそれらの共重合体からなる群から選択される請求項１７に記載の物品。
  19. 電子供与性材料は、ポリチオフェン、ポリシクロペンタジチオフェンおよびそれらの共重合体からなる群から選択されるポリマーを含む請求項１８に記載の物品。
  20. 電子供与性材料は、ポリ（３ヘキシルチオフェン）またはポリ（シクロペンタジチオフェン−ベンゾチアジアゾール）共重合体を含む請求項１９に記載の物品。
  21. 電子受容性材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせから選択される材料を含む請求項１に記載の物品。
  22. 電子受容性材料は置換フラーレンを含む請求項２１に記載の物品。
  23. 置換フラーレンはＰＣＢＭを含む請求項２２に記載の物品。
  24. システムであって、
    複数の導電性線を含む第１の電極と、
    第２の電極と、
    第１の電極と第２の電極との間の第１および第２の光活性層と、を備え、第１の光活性層および第２の光活性層のうちの１つ以上は電子供与性材料および電子受容性材料を含み、
    前記導電性線は第１の部分において第１の幅を有し、第２の部分において第１の幅と異なる第２の幅を有し、前記システムは光電システムとして構成されている、システム。
  25. 第２の部分は第１の部分より大きい電流を伝達するように構成されており、第２の幅は第１の幅より大きい請求項２４に記載のシステム。
  26. 第１の幅と第２の幅との差は約０．１μｍ以上である請求項２４に記載のシステム。
  27. 前記導電性線のうちの少なくとも一部は互いにほぼ平行である請求項２４に記載のシステム。
  28. 前記導電性線の全部は互いにほぼ平行である請求項２４に記載のシステム。
  29. 前記導電性線のうちの少なくとも一部は台形状または三角形状の線を含む請求項２４に記載のシステム。
  30. 前記導電性線は、金属、合金、ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む請求項２４に記載のシステム。
  31. 前記導電性線は金属を含む請求項２４に記載のシステム。
  32. 第１の電極と第１の光活性層との間のホールキャリア層を含む請求項２４に記載のシステム。
  33. 第１の光活性層は第１のバンドギャップを有し、第２の光活性層は第１のバンドギャップと異なる第２のバンドギャップを有する請求項２４に記載のシステム。
  34. 第１の光活性層と第２の光活性層との間の再結合層を含む請求項２４に記載のシステム。
  35. 再結合層はｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料を含む請求項３４に記載のシステム。
  36. ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料は１つの層へと混合される請求項３５に記載のシステム。
  37. 再結合層は、ｐ型半導体材料を含む１つの層と、ｎ型半導体材料を含む別の層との２つの層を含む請求項３５に記載のシステム。
  38. システムはタンデム型の光電セルを含む請求項２４に記載のシステム。
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