JP2012507152A - 反転型感光性デバイス - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2008年10月27日に出願された、「反転型有機太陽光発電(Inverted Organic Photovoltaics)」と題する、米国仮特許出願第61/108,817号、および2008年10月29日に出願された、「反転型有機太陽光発電(Inverted Organic Photovoltaics)」と題する、米国仮特許出願第61/109,305号の優先権を主張するものであり、その全体の内容が本明細書に参照により組み込まれる。
本発明は、エネルギー省(Department of Energy)によって提供された、DE−FG36−08GO18022、および空軍科学研究局(Air Force Office of Scientific Research)によって提供された、FA9550−07−1−0364に基づく、政府の援助を伴ってなされたものである。政府当局は、本発明について、一定の権利を有する。
本発明は、以下:プリンストン大学、ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン、およびグローバル フォトニック エナジー コーポレーションの産学共同研究契約の代表として、および/または連携してなされたものである。この契約は本発明がなされた日およびそれ以前に有効であり、本発明は契約の範疇の活動の結果である。
本発明は、概して、有機感光性光電子デバイスに関する。より詳細には、逆転式に増大する有機感光性光電子デバイスであり、反射基板と、透明上部電極を含む有機感光性光電子デバイスである。
感光性デバイスは、物質の光学的および電子的性質に基づき、電子的に電磁放射を生成もしくは検出する、または周囲の電磁放射(ambient electromagnetic radiation)から電気を生成する。感光性光電子デバイスは電磁放射を電気に変換する。太陽電池は、光起電(PV)デバイスとも呼ばれ、感光性光電子デバイスの一種であり、特に電力を生み出すために使用される。太陽光以外の光源から電気エネルギーを発生しうるPVデバイスは、たとえば、明るくしたり加熱したり、または電気回路もしくは計算機、ラジオ、コンピュータもしくは遠隔モニターもしくはコミュニケーション装置のようなデバイスを駆動したりするような、電力消費するものを駆動するために使用されうる。これらの電力発生デバイスも、しばしば充電器または他のエネルギー貯蔵デバイスを含み、太陽もしくは他の光源からの直接的な照射を利用できないときに作業を継続することができ、または特に利用する必要のあるPVデバイスの出力のバランスをとることもできる。「負荷抵抗(resistive load)」との語は、本明細書に使用される場合、電力消費または貯蔵回路(storing circuit)、デバイス、設備もしくはシステムを意味する。
本発明は、有機感光性光電子デバイス、すなわち、反転式(inverted manner)に形成(grown)する有機PVデバイスに関する。本発明の目的において、反転式の形成(growth in an inverted manner)とは、反射電極から始まり、透明上部電極を用いることを意味する。本明細書中、いくつかの実施形態では、反転型有機PVデバイス(Inverted organic PV device)は、反射電極;前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合;および前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む。
反転型有機感光性光電子デバイスについて述べる。本明細書中、有機デバイスは、たとえば、入射電磁放射(たとえば、PVデバイス)からの有効な電流を発生するために用いられたり、または入射電磁放射を検出するために用いられうる。いくつかの実施形態は、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に光活性領域を含む。光活性領域は、感光性デバイスのうち、電流を発生するために、電磁照射を吸収し、解離する励起子を発生する部分である。本明細書中、デバイスは、また、入射電磁放射がデバイス内で吸収されるための透明電極を少なくともひとつ含む。いくつかのPVデバイス材料および形状は米国特許第6,657,378号、第6,580,027号、および第6,352,777号に開示されおり、PVデバイス材料および形状の開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
実施例1
反転構造は、CuPcおよびPTCBIによって形成されたアーキタイプ(archetype)ドナー−アクセプター二層を用いて実施された。光学シミュレーションを用いて、デバイス性能を予測して反転構造を最適化した。標準輸送−マトリックス計算(Standard transfer- matrix calculations)を用いて、JSCを予測した(たとえば、Appl. Phys. Rev. 93, 3693 (2003)およびJ. Appl. Phys. 86, 487 (1999)に輸送−マトリックス計算が開示されており、参照により本明細書に組み込まれる)。厚さの検討結果を図2および3に示す。
Si基板上に形成された有機フィルムの光学定数(Optical constants)を、偏光解析法(ellipsometry)を用いて測定した。Ni上の有機フィルムの光学定数は、文献から引用した。参照により本明細書に組み込まれるJ. Phys. F: Metal Phys. 9, 2491 (1979)を参照。CuPcおよびPTCBIの励起子拡散長は、それぞれ80Åおよび40Åで、2nsの寿命だった。参照により本明細書に組み込まれるAppl. Phys. Rev. 93, 3693 (2003)を参照。このシミュレーションにおいて、これらの構造:ひとつのコントロールPVおよびふたつの反転型PVを調べた。コントロールPVデバイスは、ガラス/ITO(1550Å)/CuPc(200Å)/PTCBI(250Å)/BCP(100Å)/Ag(1000Å)であった。このコントロールPVの結果を、図4aに示す。第一の反転型PVデバイスは、クォーツ/Ag(1000Å)/BCP(100Å)/PTCBI(300Å)/CuPc(150Å)/ITO(400Å)であった。このPVの結果を、図4bに示す。第二の反転型PVデバイスは、クォーツ/Ni(1000Å)/CuPc(400Å)/PTCBI(100Å)/BCP(100Å)/ITO(400Å)であった。このPVの結果を、図4cに示す。
3つの異なる型の第二の反転型PVデバイス(クォーツ/Ni(1000Å)/CuPc(400Å)/PTCBI(100Å)/BCP(100Å)/ITO(400Å))を、クォーツ基板を溶媒洗浄(solvent cleaning)により調製して形成した。参照により本明細書に組み込まれるOrganic Electron 6, 242 (2005)を参照。クォーツのベース構造として、電子ビーム減圧中、1000ÅのNiを10Å/sの速度で蒸着(deposite)して積層(load)した。参照により本明細書に組み込まれるAppl. Phys. Lett. 86, 263502 (2005))を参照。Niアノードは、3つの相違する表面処理を行った。第1としては、30分間の紫外オゾン(UV-O3)処理を行った。第2としては、120Wの電力で80秒間O2プラズマを行った。第3としては、70Wの電力で2分間のArプラズマを行い、続いてUV−O3処理を30分間行った。構造としては、ベース気圧5×10−7トール(Torr)の高い真空熱蒸着(vacuum thermal deposition)チャンバー中で積層した。精製された有機ソース(Purified organic sources)を、1×10トールの圧力で、2Å/sで形成(grown)させた。参照により本明細書に組み込まれるOrganic Electron 6, 242 (2005))を参照。形成された平面二重ヘテロ接合太陽電池PV構造は、400Åの薄いCuPcドナー層、100Åの薄いPTCBIアクセプター層、および1000Åの薄いBCP励起子阻止層(参照により本明細書に組み込まれるAppl. Phys. Lett. 76, 2650 (2000)を参照。)、およびダメージ吸収層(damage absorbing layer)から構成される。真空を破壊し、空気へ露出させた後、窒素雰囲気中でシャドーマスク(shadow mask)を付けた。1mm孔径のシャドーマスクを通して15Wおよび13.56MHzで、400Åの薄いITOカソード層をスパッタ蒸着させて、上部接触(top contact)を形成した。
にフィッティング(fit)させた。図5aは、暗所(■)および1 SUN照明下(○)でのデバイス電流を示す。暗電流にフィッティング(fit)させたものを表す。
厚さを変動させたCuPcおよびPTCBI層を含む反転型PVデバイスを以下のように準備した。クォーツ基板を溶媒洗浄した後、電子ビーム減圧中で、1000Åの薄さのNi層を5Å/sの速度で蒸着させて積層させた。Niアノードを30分間紫外オゾン処理を行い、その後、高真空熱蒸着チャンバー内で、ベース気圧5×10―7トールで積層した。精製した有機ソースを5×10―7トールおよび2Å/sの速度で形成した。真空を破壊して、シャドーマスクを付けて、層および基板高い純度のN2下で(<1ppm H2OおよびO2)で蒸着した。上部接触(top contact)は、1mm直径の円形カソードのアレイシャドーマスクを通して20W、0.1Å/sの速度で、スパッター蒸着された400ÅのITO層で構成された。この方法で製造されたデバイスの性能データは下記に示す。
Claims (31)
- 表面処理された反射電極;
前記反射電極上の有機ドナー−アクセプターヘテロ接合;および
前記ドナー−アクセプターヘテロ接合上の透明電極を含む、反転型感光性デバイス。 - 前記反射電極が、基板上に形成される、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記基板が、反射体であり、および前記電極が表面処理された透明電極である、請求項2に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記有機ドナー−アクセプターのドナーが、フタロシアニン、ポルフィリン、サブフタロシアニン、およびこれらの誘導体または遷移金属複合体から選択される材料を含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーが、銅フタロシアニンを含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、重合および非重合ペリレン、重合および非重合ナフタレン、ならびに重合および非重合フラーレンから選択される材料を含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイミダゾール(3,4,9,10−perylenetetracarboxylic bis−benzimidazole)である、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記透明電極が、透明酸化物および金属または金属置換体より選択される材料を含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記透明電極が、少なくとも約50%の周囲の電磁放射(ambient electromagnetic radiation)を、前記電極を介して伝達する、請求項8に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記透明電極が、スズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物、および亜鉛インジウムスズ酸化物から選択される材料を含む、請求項8に記載の反転型感光性デバイス。
- 励起子阻止層(exciton blocking layer)をさらに含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記励起子阻止層が、前記反射電極および前記透明電極との間に配置される、請求項11に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記励起子阻止層が、前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターと前記透明電極との間に配置される、請求項11に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記励起子阻止層が、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス−α−ナフチルベンジジン(N,N’−diphenyl−N,N’−bis−alpha−naphthylbenzidine)、トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウム(aluminum tris (8−hydroxyquinoline))、カルバゾールビフェニル(carbazole biphenyl)、バトクプロイン(bathocuproine)、およびトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)から選択される材料を含む、請求項11に記載の反転型感光性デバイス。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合が、平面ヘテロ接合(planar heterojunctions)、バルクヘテロ接合(bulk heterojunctions)、ナノ結晶性バルクヘテロ接合(nanocrystalline bulk heterojunctions)、ハイブリッド平面混合ヘテロ接合(hybrid planar−mixed heterojunctions)、および混合ヘテロ接合(mixed heterojunctions)から選択される構造を含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- タンデムデバイスを作るための有機ドナー−アクセプターヘテロ接合を、少なくともひとつさらに含む、請求項1に記載の反転型感光性デバイス。
- 反射電極を備え;
前記反射電極上に、少なくともひとつの表面処理を施し;
前記反射電極の上に有機ドナー−アクセプターヘテロ接合を形成し;および
前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合の上に透明電極を形成する、
ことを含む、反転型感光性デバイスの製造方法。 - 前記基板が反射電極を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーが、フタロシアニン、ポルフィリン、サブフタロシアニン、およびこれらの誘導体または遷移金属複合体から選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記ドナー−アクセプターヘテロ接合のドナーが、銅フタロシアニンを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、重合または非重合ペリレン、ナフタレン、およびフラーレンから選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターが、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイミダゾールを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記透明電極が、透明酸化物および金属または金属置換体から選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記透明電極が、少なくとも約50%の周囲の電磁気放射を、前記電極を介して伝達する、請求項17に記載の感光性デバイス。
- 前記透明電極が、スズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物、および亜鉛インジウムスズ酸化物から選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
- 励起子阻止層を備える工程をさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 前記励起子阻止層が、前記反射基板と前記透明電極との間に配置される、請求項26に記載の方法。
- 前記励起子阻止層が、前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合のアクセプターと前記透明電極との間に配置される、請求項26に記載の方法。
- 前記励起子阻止層が、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス−α−ナフチルベンジジン、トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウム、カルバゾールビフェニル、バトクプロイン、およびトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)から選択される材料を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記有機ドナー−アクセプターヘテロ接合が、平面ヘテロ接合、バルクヘテロ接合、ナノ結晶性バルクヘテロ接合、ハイブリッド平面混合ヘテロ接合、および混合ヘテロ接合から選択される構造を含む、請求項17に記載の方法。
- 少なくともひとつの表面処理が、紫外オゾン処理、酸素プラズマ処理、およびアルゴンプラズマ処理から選択される、請求項17に記載の方法。
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