JP2010500749A - 光起電電気エネルギー生成多層化合物およびその製造と取りつけの方法 - Google Patents

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Abstract

光放射を吸収して電気エネルギーに変換するために、任意の可動および/または静止支持体の外表面に取りつけられる多層光起電化合物であって、順に、
-支持体(T)の表面(S)に付着させられる少なくとも一つの第一の層(1)、
-電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第二の層(2)、
-フォトンを吸収してそれを電気エネルギーに変換するようになっている少なくとも一つの第三の光電活性層(3)、
-対向電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第四の層(4)、
から成る。
前記第一の層(1)は、実質的に均一で連続の基材から成り、この基材が、他の層(2、3、4)に対して、化学的および機械的に不活性で、任意の形状と寸法の表面に適合する汎用固定基底を定める。
光透過性で電子的に不活性な材料の第五の層(5)を、下にある層(1、2、3、4)上に、これらの層を密閉保護するために、付着させて、単一の気密密閉されたユニットを形成させることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、光エネルギーの使用のための光起電デバイスの分野で使用できるものである。
より詳しくは、本発明は、任意の表面に取りつけるのに適しており、入射する太陽光またはとにかくフォトンを吸収して、それらを所定の空間位置で電気エネルギーに変換することのできる多層光起電化合物に関する。
また、本発明は、前記多層化合物を製造して、任意の種類と性質の表面および壁に取りつける方法に関する。
光エネルギー特に太陽エネルギーは、もっともクリーンでもっとも有望な再生可能なエネルギー源の一つとして知られている。現在、エネルギーは、世界的に、大部分化石燃料特に油と石炭、これらよりも少ないが、核エネルギー、に依存しており、ごくわずかに他のエネルギー源たとえば風力と太陽エネルギー、水力、生物燃料およびバイオマスによっている。
化石燃料および核エネルギーと再生可能エネルギーとの比に関して、近年、消費志向の逆転が見られているが、後者特に太陽エネルギー使用システムたとえば太陽電池は、依然として、市場でのシェアは小さい。大きな製造費、低い柔軟性、および工業的規模での製造の難しさのためである。
技術的な問題ではなく国際関係の要因による、最近の化石燃料の購入の問題および購入費用のかなりの増大は、不可避の世界的資源枯渇の見通しと考え合わせたとき、再生可能エネルギー源特に光起電エネルギーに対する関心を増大させ、競争力のある、柔軟で簡単に適用できる解決策の研究を促進するものである。
太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する活性有機成分を使用する多層太陽電池デバイスが公知であり、このデバイスは、基本的に、電子的に活性な材料のいくつかの層からなる。特に、たとえば金属酸化物を含む、第一の電極またはアノードとなる導電層、を有し、この層は、電子受容体材料を含む半導体の層に接触し、この半導体層はカソードまたは対向電極となる金属層に接触している。
これらの先行技術の光起電デバイスの例は、WO0186734号、WO2004025746号およびWO2006053127号明細書に開示されている。
これらの先行技術のデバイスは、機械的および構造的な理由により、基板の存在が必要である。この基板は、実質的に主として硬質の材料から成る容器または囲いの形のものであり、これは、いくつかの層、すなわち電極、および入射フォトンを電荷に変換するプロセスで活性な有機成分を、順次に収容するようになっている。この基板の基本的特徴は、少なくとも部分的に光透過性で、太陽放射が活性有機層に届くようになっていなければならないということである。これに対して、カソードは、太陽光が通過する必要がないので、光透過性である必要はなく、逆に活性層による吸収を最大にするために、好ましくは反射性であるべきである。
当然のことながら、カソード自身は、損傷の危険を避けるために、露出していてはならず、やはり硬質の追加閉鎖要素によって保護されていて、手で取り扱えるアセンブリの形となっている。この閉鎖要素は、支持体たとえば建物の壁、移動住宅(caravan)またはボートの甲板室の本体または表面に取りつけられるパネルの形のものである。
これらの先行技術の一つの欠点は、基板が支持体への取りつけの柔軟性と適合性を制限し、支持体の形状に合わせた形態の使用が必要であり、そのためこのデバイスは複雑な形状の壁または表面に取りつけることができない、ということである。
原理的には、複雑な形状の壁の場合、対応する形態の基板をあらかじめ作ることができるが、これは技術的な複雑さと費用とをかなり増大させるものであり、光起電デバイスのいろいろな使用条件での使用を制限するものである。
さらに、光起電デバイスの使用可能な表面は、いつでも基板の使用可能な表面に限定され、基板は割合に小さな寸法としなければならず、そのためデバイスの性能と効率が低くなる。
本発明の目的は、高度に単純で効率的な多層光起電化合物を提供することによって、前記欠点を排除することである。
もう一つの目的は、基板なしで使用できる多層光起電化合物を提供することである。
もう一つの目的は、任意の形状と寸法の表面に簡単かつ安全に取りつけられる多層光起電化合物を提供することである。
前記目的およびその他の目的は、以下で詳しく説明するように、請求項1に示す、光放射を吸収して電気エネルギーに変換するために、任意の可動および/または静止支持体の外表面に取りつけるのに適した多層光起電化合物によって、達成される。この多層光起電化合物は、順に、支持体の表面に付着させるようになっている少なくとも一つの第一の底層、電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第二の層、フォトンを吸収してそれを電気エネルギーに変換するようになっている少なくとも一つの第三の光電活性層、対向電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第四の層、から成り、前記第一の底層は、実質的に均一で連続の基材から成り、この基材は、他の層に対して、電気的、化学的および機械的に不活性で、任意の形状と寸法の表面に適合する汎用固定基底を定める。
この構成により、前記化合物は、製造して、所定の形状と寸法の多少なりとも硬質の基板の備えなしで、任意の形状と寸法の表面に取りつけることができる。したがって、本発明によって作り出されるシステムの柔軟性、取りつけの容易さおよび経済性が劇的に増大する。
好ましくは、これらの順次付着層の基材は、付着プロセス時に、液体またはペースト状である。
したがって、これらの層の付着は非常に簡単であり、製造と取りつけに要する時間と費用とがともに減少する。
光透過性で電子的に不活性な材料の第五の層を、随意に備えることができる。この層は、前記一連の層を被覆して保護するようになっていて、単一の気密密閉・封入ユニットが形成され、システムの寿命が延びて、信頼性が高まる。
もう一つの側面において、本発明は、請求項20にしたがって、光放射を吸収して電気エネルギーに変換するために、多層光起電化合物を製造して可動または静止支持体の外表面に取りつける方法を提供する。この方法は、支持体の外表面に付着させるための基材を用意して、該基材を付着させて、第一の固定層を形成させ、特定の電子的機能を有する第一の導電性材料を用意して、該材料を第一の層の上に付着させて、電極を定める第二の層を形成させ、フォトンを吸収してそれを電気エネルギーに変換する光電的に活性な材料を用意して、該材料を前記第二の層の上に付着させて、第三の層を形成させ、第一の導電性材料とは異なる電子的機能を有する、第二の導電性材料を用意して、該材料を前記第三の層の上に付着させて、対向電極を定める第四の層を形成させる、各ステップから成り、前記第一の層が実質的に均一で連続な基材から成り、該基材は、他の層に対して電子的、化学的および機械的に不活性であって、任意の形状と寸法の支持体の表面に対する汎用固定基底を定める。
したがって、工場で光エネルギー使用デバイスの各種部品を製造する必要がなく、このクリーンエネルギー源を、任意の物体の多重被覆塗布と多くの点で似た非常に簡単で経済的な方法を実施することにより任意の場所と任意の条件下で使用できる。
本発明のその他の特徴と利点とは、添付の図面を参照しつつなされる本発明の化合物および製造と取りつけの方法に関する一つの好ましい非排他的実施形態の詳細な説明を読むことによりさらにはっきりするであろう。この実施形態は単なる例であり、本発明を限定するものではない。
図面では、本発明の多層光起電化合物の全体をPで示す。この化合物は、任意の形状と寸法の静止または可動支持体Tの外表面に取りつけて、一種のカバーまたは塗膜(paint)を形成し、かつ保護および仕上げ機能を有するようにすることができる。
例の一部として、支持体Tは、太陽光にさらされる限り、建物、船、飛行機、地上に静止しているかまたは地上から飛び立つあらゆる乗り物または物体の壁とすることができる。
図1に模式的に示すように、光起電化合物Pは、特定の動作機能を有する一連の層を有する。すなわち、Pは、支持体Tの外表面Sに接触するようになっている、次の層に対する固定基底となる第一の底層1、電荷捕集電極として作用する導電性材料から成る第二の層2、フォトンを吸収し、フォトンを電気エネルギーに変換するようになっている光電活性材料から成る第三の層3、もう一つの導電性材料とは異なる導電性材料から成り、もう一つの電極とは反対符号の電荷を捕集する対向電極として作用する第四の層4、から成る。
本発明においては、第一の層1は、実質的に均一で連続な基材から成る。この材料は、他の層に対して電気的、化学的および機械的に不活性であり、任意の形状と寸法の表面に対して適合する汎用固定基底を定めるようになっている。
好ましくは、層1の基材は、支持体Tの表面Sに安定付着し、該表面を均一化かつ平坦化して、この表面を上部の層で起こる電気的プロセスに適合させるのに適している。
注意すべきことは、第一の層1が必要なのは、表面Sが一般に完全に平坦ではなく、温度条件の変化と外部からの機械的応力による機械的不安定性にさらされる可能性があるためである、ということである。さらに、支持体Tの表面Sは、絶縁性の材料であることも導電性の材料であることもあり、したがって層1は化合物Pの層から支持体を電気的に絶縁して、各層の機能を保証する機能をも有する。
第一の層1は、基底面がこの層と同じ化学・物理的および形態的特性を有する場合、理論的には省くことができるが、実際には、この層は、すべての条件下で本発明を実施するために、必要欠くべからざるものである。
好ましくは、層1の基材は、非常に低い間隙率と数nm程度の表面粗さとを有し、実質的に滑らかで均一な固定表面を定めるようになっている。
抵抗要件に合致しうる、いろいろな表面に適合する、大きな面積にわたって数nm程度の最大粗さを有する材料は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)である。
第一の層1に付着させられる第二の層2は、所定の符号の電荷たとえば正符号の電荷の捕集電極として作用するようになっている。そのために、層2を形成する材料は、割合に大きな4〜6 eVの仕事関数を有するものから選択される。好ましくは、この材料は、効率的な正孔捕集のために4.5〜5.5 eVの仕事関数を有するものにする。
前記溶液処理可能性要件に合致することができ、下にあるポリメチルメタクリレート(PMMA)の層に適合する材料は、約5.2 eVの仕事関数を有するポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホネート(PEDOT/PSS)である。可能な代替物は、興味ある電子的特性(仕事関数約5.4 eV)を有するコロイド金であるが、塗布特に大面積表面の塗布の費用に影響する。
第二の層2は、フォトン吸収プロセスが上の層で起こるので、必ずしも光透過性である必要はない。第二の層の厚さは、使用する材料と、その材料を薄膜としたときの連続性とによって、20 nm〜1 μmである。
第三の活性層3は、非常に重要な光学的および光電的機能を有する。この層は、入射フォトンを吸収し、電荷を生成する。第三の層を形成する材料は、できるだけ多くの日光吸収および正負電荷の効率的生成と、電荷の電極(第二および第四の層)への移動とを保証するものでなければならない。第三の層は、下にある層の構造的および機能的特性に影響してはならず、電極として作用するように付着させられる第四の層に適合するものでなければならない。第三の層として使用するのに適した材料の例としては、ポリ(3-オクチル(チオフェン))(P3OT)およびポリフェニレンビニレン(PPV)誘導体がある。前述のように電子的特性を改良するために、ポリチオフェン誘導体もポリフェニレンビニレン誘導体も、他の材料たとえばフラーレンまたはCdSe、CdS、ZnO、TiO2粒子と組み合わせるのが好都合である。
いくつかの材料の混合物のもっとも有望かつ便利なケースにおいては、相対濃度と付着条件とが、第三の層の光電応答が最適化されるように決定される。
第三の層3は、厚さ50〜200 nmを有することができ、この厚さは、フォトン吸収と正負電荷の電極および対向電極への移動とを同時に最大化する必要にしたがって、決定される。
PPV誘導体の例としては、ポリ[2-メトキシ,5-(2´-エチルへキサオキシ)-1,4-フェニレンビニレン](MEH-PPV)およびポリ[2-メトキシ-5-(3,7-ジメチルオクトオキシ)-p-フェニレンビニレン](OC1C10-PPV)がある。第四の層の活性材料としての使用に適当なもう一つの材料は、2,4-ビス(4-(2´チオフェン-イル)フェニル)チオフェン(TPTPT)である。
有機またはハイブリッド材料から成る第三の層3の吸収スペクトルを、図2に示す。左側の縦軸の値は、活性有機層3の吸収度を示す。矢印が右側を向いている曲線は、入射光の波長の関数としての電荷生成効率を示す。右側の縦軸の値は、単位入射光束あたりのパーセント電荷生成効率を示す。横軸は、入射光の波長をナノメータ(nm)単位で示す。
第四の層4は、対向電極として作用する。この層は、良導体であるということのほかに、太陽光のスペクトル領域において光透過性であるという特性を有しなければならない。すなわち、太陽光は第四の層を何の妨害もなく通過して、第三の層の光電的に活性な領域に達しなければならない。
第四の層4は、好ましくは、低仕事関数3〜4.5 eVを有し、システム内で生成される負電荷の捕集を促進し、第二の層と第四の層(電極と対向電極)の仕事関数の差によって決定される電場の強さを増大させるようなものである。
第四の層としての使用に適する材料としては、金、銀、アルミニウムおよびコロイドカルシウムがある。あるいは、導電性ポリマーまたは導電性酸化物も使用することができる。いずれにしても、第四の層の厚さは、選択した材料の吸収係数に適合した、第三の層の太陽光吸収に影響しないものでなければならない。第四の層は厚さ5〜50 nmを有する。この厚さは、太陽光が通過する対向電極の最適光透過条件を保つのに必要である。
対向電極として作用する第四の層4の低仕事関数は、電極として作用する第二の層2の相対的に大きな仕事関数と組み合わさったとき、多層構造物内により大きな電場を誘起し、したがって電荷の分離と電流捕集とが促進される。
これら四つの重なった層1、2、3および4は、あらゆる条件下で使用できる多層被覆塗膜システムを得るための、必要最小限の構成要素から成る、化合物Pの実施形態を構成する。
しかし、第五の層5を適当に備えて、前記多層システムを天候や機械的作用から保護する機能を与えることができる。この層の特性は、それぞれの用途での使用環境に強く依存する。
第五の層5の必須の特性としては、太陽光に対する透明性、電子的不活性、および大部分の有害でありうる大気中の物質たとえば水分および腐食性の塩を含む溶液に対する密閉性がある。第五の層として使用できる種類の材料としては、絶縁性の透明酸化物たとえばSiO2がある。エポキシ樹脂および封入ポリマーを、代替物として使用できる。
好ましくは、第五の層5は、厚さ100 nm〜0.5 mmを有するが、特異な機械的および環境的な応力条件下では、層5の厚さを数mmまで増大させることができる。
一般に、生成電荷移動の可能性と電荷捕集効率とは、フォトン吸収体、電子受容体および電極への電荷搬送体(charge carrier)の機能を有する多層材料を使用することにより、高めることができる。この構成においては、多層システムにおける電場は、活性材料それぞれの電子的特性によって決定される。電場の強さは、大きく異なる仕事関数を有する導電電極を使用することにより、さらに高められる。大きな仕事関数を有する電極は、正符号の電荷を捕集するが、負符号の電荷は低仕事関数の電極によって捕集される。
図3は、表面に取りつけたときの、多層化合物P全体の電流-電圧曲線を示す。左側の縦軸の値は、mA/cm2単位の電流密度を示す。横軸は、使用される各材料の電子準位の間のエネルギー差によって多層構造物内に生成される電圧をボルト(V)単位で示す。
略語は次の意味を有する。ISCは短絡電流、FFは曲線因子、UOCは開路電圧である。
短絡状態においては、電気回路は閉じており、生成電流を捕集することができる。
そのために、第二の層2と第四の導電層4とが、一つ以上の周縁点で、それぞれの電気ケーブルまたは端子6、7に接続されている。これらの端子は、化合物によって生成される電気エネルギーを使用するために、全体を数字8で示す外部回路に接続されるようになっている。非限定例として、回路8を、模式的に、直列接続された電池9と抵抗10として示す。
当然のことながら、回路8は、通常の太陽電池パネルシステムに使用されるような、直流を交流に変換して、適当な計測手段を介して、その交流を送電線(mains)に供給する任意の装置で置き換えることができる。
以上の説明によれば、電荷生成ならびに電子および正孔の移動プロセスは、明らかに、光学的および電気的に活性な材料の選択とそれらを多層構造物として構成する特定のやり方との両方に依存する。
本発明においては、多層塗膜と要素とが、追加支持体を使用せずに、直接表面Sに取りつけられる。明らかに、表面Sは光透過性ではなく、その表面に取りつけられる第一の電極2は、好ましくは、入射太陽光を強く反射するものである。これは、本発明が、太陽光が、太陽光に対して可能な限り広いスペクトル範囲で透明な対向電極4に入射し、活性有機層で吸収される構造を使用するということに適合するものである。
さらに、吸収されなかった放射成分は、壁により近く配置された電極2によって効率的に反射される。
もう一つの本質的な側面において、本発明は、光起電化合物Pの製造と取りつけとに関する。
本発明のシステムは、製造方法の経済性と、各種物質の表面に対する適合性および処理すべき表面の形状への適合性との利点を組み合わせたものである。
本発明の独自の特徴は、層製造プロセスが液体またはペースト状の材料を用いて実施されるということである。そのため、非常に簡単な付着技術の使用が可能であり、たとえば噴霧、刷毛、パレットナイフ塗布技術その他が使用できる。
この場合、液体またはペースト状溶液は、適当な溶剤に分散させた固体材料を含む。この材料は、周囲温度および条件下で、自発的にまたは触媒添加により、硬化または重合して、通常の多層塗膜と同様に、通常の密度と剛性の順次層を形成する。また、適当な顔料を溶液に加えて、化合物を支持体表面と調和させるために、所定の必要色の全体の外観を有する化合物が得られるようにすることができる。
本発明の一つの使用においては、各層が処理すべき表面上に順次に付着させられる。それぞれの層は、太陽光吸収、電荷生成および生成電流の捕集の各プロセスにおいて特定の機能を果たす。
必要不可欠なことは、システムの各層を形成する材料を処理する方法の適合性である。プロセスと材料の適合性を評価するときに考慮すべき主要なパラメータは、付着温度と濃度および既存の層の溶解度である。
特に、過度の高温または溶剤もしくは反応物との相互作用により、下にある層に損傷を与えうるプロセスは、避けなければならない。
以下、層付着過程について、このシステムの製造および取りつけの一つの実施形態に即して説明する。また、それぞれの要件に適合する、各層の構造および材料の特定機能をも示す。
第一のステップは、支持体の外表面に付着させるべき基材を用意し、該材料を付着させて第一の固定層1を形成させる。
第一の層1が用意されて付着させられると、特定の電子的機能を有する導電性材料を用意して、第一の層1の上に付着させ、第二の電極を定める層2を形成させる。
次に、フォトンを吸収してこれを電気エネルギーに変換するのに適した光電活性材料を用意し、第二の層2の上に付着させて第三の層3を形成させる。
次に、層2とは異なる電子的機能を有するもう一つの導電性材料を用意して、第三の層3の上に付着させ、第四の対向電極を定める層4を形成させる。
注意すべきことは、第一の層1のために選択される材料は、実質的に均一で連続の基材であり、この材料は他の層に対して電子的、化学的および機械的に不活性であって、任意の形状と寸法の支持体の表面に対する汎用の固定基底を定める、ということである。
最後に、光透過性で電子的に不活性な材料から成る第五の層5が一連の層1、2、3、4の上に付着させられ、気密密閉された保護封止層が形成される。
前述のように、すべての層1、2、3、4および5は、固体材料を適当な溶剤に分散させた液体またはペースト状溶液であり、これらの溶液は、所定の時間後に、自発的にまたは触媒使用により、硬化または重合しうるものである。
各層は、所定の温度と濃度で、下の層の上に付着させられ、このとき、被付着下層と付着層との損傷および/または機能変化が起こらないようにされる。
各層は、基材溶液の噴霧および/または塗布によって付着させられる。
強調すべきことは、前記材料は単なる例として挙げたものであり、類似の性質を持つ他の材料の使用の可能性を制限するものではない、ということである。
本発明の多層光起電化合物は、意図する目的を達成するものであり、特に、基板を必要とせず、任意の形状と寸法の表面上に簡単かつ安全に取りつけることのできる、高度に単純で効率的なエネルギー使用システムを提供するという要件を満たすものである。
本発明の化合物と取りつけ方法とは、特許請求の範囲に示す発明的概念の範囲内で、多くの変形と変更とを加えることができる。本発明の範囲を逸脱することなく、すべての構成要素は他の技術的に同等のもので置き換えることができ、材料はそれぞれの必要に応じて変えることができる。
本発明の多層光起電化合物の一部の断面図である。 第三層の光電活性物質の吸収スペクトルである。 本発明の多層光起電化合物の、ある表面に取りつけたときの電流-電圧特性曲線である。
1 基底となる第一の層
2 電荷捕集電極となる第二の層
3 フォトンを吸収する第三の層
4 電荷捕集対向電極となる第四の層
5 保護のための第五の層
6 電気ケーブルまたは端子
7 電気ケーブルまたは端子
8 外部回路
9 電池
10 抵抗
P 多層光起電化合物
S 支持体表面
T 支持体
FF 曲線因子
ISC 短絡電流
UOC 開路電圧

Claims (25)

  1. 光放射を吸収して電気エネルギーに変換するために、任意の可動および/または静止支持体の外表面に取りつけられる多層光起電化合物であって、順に、
    -支持体(T)の表面(S)に付着させられる少なくとも一つの第一の層(1)、
    -電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第二の層(2)、
    -フォトンを吸収してそれを電気エネルギーに変換するようになっている少なくとも一つの第三の光電活性層(3)、
    -対向電極を定める導電性材料の少なくとも一つの第四の層(4)、
    から成り、
    前記第一の層(1)が、実質的に均一で連続の基材から成り、この基材が、他の層(2、3、4)に対して電子的、化学的および機械的に不活性で、任意の形状と寸法の表面に適合する汎用固定基底を定めること、
    を特徴とする多層光起電化合物。
  2. 当該第一の層(1)が、非常に低い間隙率と数nmの程度の表面粗さとを有する材料から成り、実質的に滑らかで平坦な固定表面を定めることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  3. 当該第一の層(1)の基材がPMMAから成る材料グループから選択されることを特徴とする請求項2に記載の多層光起電化合物。
  4. 当該電極を定める当該第二の層(2)が、正電極電位4〜6 eV好ましくは4.5〜5.5 eVの導電性材料の膜であって、正電荷の捕集を促進するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  5. 当該第二の層(2)の基材が、PEDOT/PSSおよびコロイド金から成るグループから選択されることを特徴とする請求項4に記載の多層光起電化合物。
  6. 当該第二の導電層(2)が、厚さ10 nm〜1.5 μm好ましくは20 nm〜1 μmを有することを特徴とする請求項5に記載の多層光起電化合物。
  7. 当該第三の光電活性層(3)が、半導体および/または無機酸化物のナノ粒子を含む複合材料であることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  8. 半導体および/または酸化物の当該ナノ粒子が、P3OT、PPV誘導体、フラーレン、CdSe、CdS、ZnO、TiO2、TPTPTから成るグループから選択されることを特徴とする請求項7に記載の多層光起電化合物。
  9. 当該PPV誘導体が、ポリ[2-メトキシ,5-(2´-エチルヘキサオキシ)-1,4フェニレンビニレン](MEH-PPV)およびポリ(2-メトキシ-5-(3,7-ジメチルオクトオキシ-p-フェニレンビニレン)(OC1C10-PPV)から成るグループから選択されることを特徴とする請求項8に記載の多層光起電化合物。
  10. 当該第三の光電活性層(3)が厚さ30〜300 nm好ましくは50〜200 nmを有することを特徴とする請求項7に記載の多層光起電化合物。
  11. 当該第三の層(3)の組成と厚さとが、フォトン吸収と、当該電極および当該対向電極を定める当該第二の層および当該第四の層への電荷移動とを最大にするように決定されることを特徴とする請求項10に記載の多層光起電化合物。
  12. 当該対向電極を定める当該第四の導電層(4)が、負電極電位2.5〜5 eV好ましくは3〜4.5 eVを有する材料の薄膜であって、負電荷の捕集を促進するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  13. 当該第四の導電層(4)が光透過性であることを特徴とする請求項12に記載の多層光起電化合物。
  14. 当該第四の導電層(4)の基材が、金、銀、アルミニウム、コロイドカルシウム、ポリマーおよび導電性酸化物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項13に記載の多層光起電化合物。
  15. 当該第四の導電層(4)が厚さ4〜60 nm好ましくは5〜50 nmを有し、光透過性が保証されることを特徴とする請求項13に記載の多層光起電化合物。
  16. 当該第二の導電層(2)および当該第四の導電層(4)がそれぞれ端子(6、7)に接続され、これらの端子が当該化合物によって生成される電気エネルギーの使用のために外部回路(8)に接続されるようになっていることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  17. 光透過性で電気的に不活性な材料から成る第五の層(5)が、下にある当該一連の層(1、2、3、4)の上に付着させられ、この一連の層を保護のために封入して、単一の気密密閉されたユニットが形成されることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  18. 当該第五の光透過性の層(5)の基材が、絶縁性の酸化物およびSiO2から成るグループから選択されることを特徴とする請求項17に記載の多層光起電化合物。
  19. すべての当該一連の付着層(1、2、3、4、5)の基材が、付着プロセス時に、液体またはペースト状であることを特徴とする請求項1に記載の多層光起電化合物。
  20. 光放射を吸収して電気エネルギーに変換する為に、請求項1から19の中のいずれか一つに記載の多層光起電化合物を製造して可動または静止支持体の外表面に取りつける方法であって、
    -支持体(T)の外表面(S)に付着させるための基材を用意して、該基材を付着させて、第一の固定層(1)を形成させ、
    -特定の電子的機能を有する第一の導電性材料を用意して、該材料を第一の層(1)の上に付着させて、電極を定める第二の層(2)を形成させ、
    -フォトンを吸収してそれを電気エネルギーに変換する光電的に活性な材料を用意して、該材料を前記第二の層(2)の上に付着させて、第三の層(3)を形成させ、
    -第一の導電性材料とは異なる電子的機能を有する、第二の導電性材料を用意して、該材料を前記第三の層(3)の上に付着させて、対向電極を定める第四の層(4)を形成させる、
    各ステップから成る方法において、
    前記第一の層(1)が実質的に均一で連続な基材から成り、該基材が、他の層(2、3、4)に対して電子的、化学的および機械的に不活性であって、任意の形状と寸法の支持体の表面に対する汎用固定基底を定めること、
    を特徴とする方法。
  21. 光透過性で電子的に不活性な材料の第五の層(5)が、当該一連の第一から第四の層(1、2、3、4)上に付着させられて、気密密閉された封入保護構造が定められることを特徴とする請求項20に記載の方法。
  22. 前記各層が、固体材料を適当な溶剤に分散させた液体またはペースト状溶液であることを特徴とする請求項20に記載の方法。
  23. 前記溶液が、自然にまたは触媒の使用により硬化または重合させることのできるものから選択されることを特徴とする請求項22に記載の方法。
  24. 各層が、所定の温度と濃度で下にある層の上に付着させられ、下にある層と付着させられる層との損傷および/または機能の変化が防止されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
  25. 各層が、基材の溶液の噴霧および/または塗布によって付着させられることを特徴とする請求項20に記載の方法。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100979677B1 (ko) * 2008-04-28 2010-09-02 한국화학연구원 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법
SM200900033B (it) 2009-05-05 2012-01-18 Antonio Maroscia Dispositivo fotovoltaico e metodo di realizzazione
SM200900070B (it) * 2009-08-07 2012-03-05 Antonio Maroscia Composizione fotovoltaica multistrato e metodo di realizzazione
US8268359B2 (en) * 2009-08-26 2012-09-18 Indian Institute Of Technology Madras Organic polymer-inorganic fine particle antimicrobial composites and uses thereof
WO2011068968A2 (en) * 2009-12-02 2011-06-09 University Of South Florida Transparent contacts organic solar panel by spray
EP2410571A1 (de) * 2010-07-20 2012-01-25 Christian Lenz Photovoltaisches Beschichtungsystem
JP6387410B2 (ja) * 2013-07-24 2018-09-05 アイメック・ヴェーゼットウェーＩｍｅｃ Ｖｚｗ 改良された光電流を有する有機太陽電池
US20170040473A1 (en) * 2014-04-14 2017-02-09 Northeastern University Nanostructured Hybrid-Ferrite Photoferroelectric Device
CN108566248B (zh) * 2018-05-02 2021-01-26 京东方科技集团股份有限公司 一种光信息影像化组件、制作方法及显示装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1682362A (en) * 1928-08-28 Setts
EP0827213A3 (en) * 1996-08-28 1999-05-19 Canon Kabushiki Kaisha Photovoltaic device
EP0969521A1 (de) * 1998-07-03 2000-01-05 ISOVOLTAÖsterreichische IsolierstoffwerkeAktiengesellschaft Fotovoltaischer Modul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
AT410859B (de) * 2000-04-27 2003-08-25 Qsel Quantum Solar Energy Linz Verfahren zum herstellen einer photovoltaischen zelle mit einer photoaktiven schicht aus zwei organischen komponenten
US6729081B2 (en) * 2000-06-09 2004-05-04 United Solar Systems Corporation Self-adhesive photovoltaic module
CN1682362A (zh) * 2002-09-05 2005-10-12 孔纳尔卡技术公司 处理光电活性层和有机基光电元件
WO2005074068A1 (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 Teijin Dupont Films Japan Limited 色素増感型太陽電池用積層フィルム ならびに色素増感型太陽電池用電極およびその製造方法
AU2005224794B2 (en) * 2004-03-16 2009-12-17 Vhf Technologies Sa Electric energy generating modules with a two-dimensional profile and method of fabricating the same
WO2006053127A2 (en) * 2004-11-10 2006-05-18 Daystar Technologies, Inc. Process and photovoltaic device using an akali-containing layer

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