JP2014030032A - 秩序結晶性有機膜の成長 - Google Patents

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R Forrest Stephen
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Abstract

【課題】バルク有機結晶層を成長させるための新しい方法、そのような方法によって作成されたヘテロ接合および膜、およびそれを用いた有機感光デバイスを提供する。
【解決手段】結晶性に影響を与える温度を調整した、熱い不活性搬送ガスと、ソースセルから放射する蒸発された有機材料をともに注入し、冷却された基板まで輸送して堆積させる有機気相堆積を利用して、有機感光デバイス、ヘテロ接合、および膜のためのバルク有機結晶層を基板に成長させる。
【選択図】図３

Description

関連出願
本出願は、２００７年８月２４日に出願された暫定的な米国出願第６０／９５７，９０
２号に関し、その優先権を主張するものであり、その内容は、これによって参照して全体
的に併合されている。
本発明は、米国空軍科学研究局により交付された契約番号ＦＡ９５５０−０７−１−０
３６４に基づき米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に関し
て一定の権利を有する。
本発明は、概して電子デバイスに使用される有機感光膜と、そのような膜を製造する工
程と、そのような膜を使用したデバイスとに関する。
光電子デバイスは、電子的に電磁放射を生成または検出するため、あるいは周囲の電磁
放射から電気を生成するため、材料の光学および電子特性に依存する。
感光性光電子デバイス（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）は、電磁放射を電気に変換する。光起電（ＰＶ）デバイスとも呼ば
れる太陽電池は、特に電力を生成するために使用される感光性光電子デバイスの一種であ
る。太陽光以外の光源から電気エネルギーを生成し得るＰＶデバイスは、例えば、照明、
暖房を提供するため、電気を消費する負荷を駆動するか、あるいは、電卓、ラジオ、コン
ピュータ、遠隔監視、または通信設備に電力を供給する。これらの電力生成用途は、しば
しば電池または他のエネルギー蓄積装置の充電を含んで、太陽または他の光源からの照明
が得られないときに動作が継続できるようにするか、特定用途の要求に伴いＰＶデバイス
の出力を平衡させる。ここで用いられる「抵抗性負荷」という用語は、電力消費または貯
蔵回路、装置、設備、あるいはシステムを称するものとする。
他の種類の感光性光電子デバイスは、光伝導体セルである。この機能では、信号検出回
路は、デバイスの抵抗を監視して、光の吸収による変化を検出する。
他の種類の感光性光電子デバイスは、光検出器である。動作中において、光検出器は、
電磁放射にさらされるときに電流を計測する電流検出回路に接続されて使用され、印加さ
れたバイアス電圧を有しうる。
ここで、説明される検出回路は、光検出器にバイアス電圧を供給することができ、電磁
放射に対する光検出器の電子的な応答を計測することができる。
感光性光デバイスのこれらの３つの階級は、下で定義される整流接合（ｒｅｃｔｉｆｙ
ｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が存在するか、そして、またデバイスまたはバイアス電圧と
して知られている外部印加電圧で動作するかに応じて特徴付けられる。ここで用いられる
、「整流（ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ）」という用語は、とりわけ、界面が非対称導電特性を
有する、すなわち、界面が１方向の電荷輸送を好んで支持することを示す。光伝導体セル
は、整流接合を有しておらず、通常はバイアスで動作する。ＰＶデバイスは、少なくとも
１つの整流接合を有し、バイアスなしで動作する。光検出器は、少なくとも１つの整流接
合を有し、つねにではないが、たいていバイアスで動作する。原則として、太陽電池は、
回路、装置、または設備に電力を供給するが、制御検出回路に対する信号または電流、あ
るいは検出回路からの出力情報を供給しない。対照的に、光検出器または光伝導体は、制
御検出回路に対する信号または電流、あるいは検出回路からの出力情報を供給するが、回
路、装置、または設備へ電力を供給することはない。
従来、感光性光デバイスは、例えば、結晶性（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、多結晶性（
ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、およびアモルファスシリコン、ガリウムヒ素、テル
ル化カドミウムなどの多くの無機半導体で構成されてきた。ここでの「半導体」という用
語は、電荷キャリアが温度または電磁励起によって誘発されるときに電気を伝導する材料
を意味することとする。「光伝導性の（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）」という用語
は、通常、電磁放射エネルギーが吸収され、それによって、電荷キャリアの励起エネルギ
ーに変換されて、キャリアが伝導することができる、すなわち、材料の中で電荷を輸送す
ることができる工程に関する。「光伝導体（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）」および「
光伝導性の材料（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）」という用語は
、電磁放射を吸収して電荷キャリアを生成する特性のために選択される半導体材料を称す
るために使用される。
ＰＶデバイスは、光電流（ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ）掛ける光電圧（ｐｈｏｔｏｖｏ
ｌｔａｇｅ）の最大の積（ｐｒｏｄｕｃｔ）のため、標準照明条件（つまり、１０００Ｗ
／ｍ２、ＡＭ１．５のスペクトル照明の標準試験条件（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｃ
ｏｎｄｉｔｉｏｎｓ））の下での最大電力生成のために最適化されうる。
標準照明条件の下でのそのようなセルの電力変換効率（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉ
ｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、次の３つのパラメータ、（１）ゼロバイアスの下での
電流、つまり短絡回路電流ＩＳＣ、（２）開回路条件の下での光電圧、つまり開回路電圧
ＶＯＣ、および（３）フィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）ｆｆに依存する。
ＰＶデバイスは、負荷に接続され、光により照射を受けるとき、光生成電流（ｐｈｏｔ
ｏ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）を生成する。無限の負荷の下で照射を受ける
とき、ＰＶデバイスは、その最大の可能な電圧、Ｖ開回路またはＶＯＣを生成する。電気
接続が短絡されて照射を受けるとき、ＰＶデバイスは、その最大の可能な電流、Ｉ短絡回
路、またはＩＳＣを生成する。実際に電力を生成するために使用されるとき、ＰＶデバイ
スは、有限の抵抗性負荷に接続され、電力出力は、電流と電圧との積Ｉ×Ｖによって与え
られる。ＰＶデバイスによって生成される最大総出力は、本質的に積ＩＳＣ×ＶＯＣを越
えることはできない。最大電力抽出について負荷値が最適化されるとき、電流および電圧
は、それぞれＩＭＡＸおよびＶＭＡＸの値を有する。
ＰＶデバイスの性能指数は、フィルファクタｆｆであり、ｆｆ＝（ＩＭＡＸＶＭＡＸ）
／（ＩＳＣ×ＶＯＣ）（１）で定義され、実際の使用においてＩＳＣおよびＶＯＣが決し
て同時に得られないので、ｆｆはつねに１未満である。それにも関わらず、ｆｆが１に近
づくと、デバイスはより少ない直列または内部抵抗を有し、したがって、最適な条件の下
で負荷にＩＳＣとＶＯＣとの積のより多くの割合を伝達する。ここで、ＰＩＮＣはデバイ
スへの電力入射であり、デバイスの電力効率ηＰはηＰ＝ｆｆ×（ＩＳＣ×ＶＯＣ）／Ｐ
ＩＮＣで計算されうる。
ＰＶデバイスは、入射ソーラーパワーを有効な電力に変換することができる効率によっ
て特徴付けられうる。結晶性またはアモルファスシリコンを使用しているデバイスは、商
業的な用途を独占し、いくつかは２３％以上の効率を有する。しかしながら、効率的な結
晶性ベース（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ−ｂａｓｅｄ）のデバイス、特に大きな表面積のも
のは、効率を劣化させる大きな欠陥なしで大きな結晶を生産することの固有の問題により
生産することが困難で高価である。一方、高効率のアモルファスシリコンデバイスは、未
だに安定性の問題に悩まされている。現在商業的に入手可能なアモルファスシリコンセル
は、４ないし８％の安定化された効率性を有する。最近の取り組みは、経済的な生産コス
トで許容可能な光起電変換効率を達成することができる有機太陽電池の使用に焦点が当て
られてきた。
有機ＰＶセルは、従来のシリコンベースのデバイスと比較すると、多くの潜在的な利点
を有する。有機ＰＶセルは、軽量で材料の使用において経済的であり、例えばフレキシブ
ル樹脂膜のような低コストの基板に堆積されうる。
適当なエネルギーの電磁放射が有機半導体材料に入射するとき、フォトンが吸収されて
分子励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｔａｔｅ）を生成しうる。有機
光伝導性材料では、生成された分子状態は、一般的に励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）、つまり
準粒子（ｑｕａｓｉ−ｐａｒｔｉｃｌｅ）として輸送される束縛状態（ｂｏｕｎｄ ｓｔ
ａｔｅ）にある電子正孔対であると考えられている。励起子は、元の電子と正孔が互いに
再結合（他の対からの正孔または電子と再結合することに対して）することを称する対再
結合（「クエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）」の前に相当の寿命（ａｐｐｒｅｃｉａｂ
ｌｅ ｌｉｆｅ−ｔｉｍｅ）を有する可能性がある。光電流を生成するため、励起子を形
成する電子正孔対は、通常は整流接合において分離されている。
感光デバイス（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ）の場合、整流接合は
光起電ヘテロ接合（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ）と称さ
れる。光起電ヘテロ接合の種類は、ドナー材料およびアクセプタ材料の界面に形成される
ドナー−アクセプタヘテロ接合と、光伝導性材料および金属の界面に形成されるショット
キーバリアヘテロ接合（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−ｂａｒｒｉｅｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉ
ｏｎ）とを含む。
図１は、ドナー−アクセプタヘテロ接合の一例を説明するエネルギー準位図である。有
機材料との関連では、「ドナー」および「アクセプタ」という用語は、接触してはいるが
、異なる２つの有機材料の最高被占軌道（「ＨＯＭＯ」）および最低空軌道（「ＬＵＭＯ
」）エネルギー準位の相対的な位置を称する。もし、他と接している一の材料のＬＵＭＯ
エネルギー準位が、より低いならば、その材料はアクセプタである。そうでなければ、そ
れはドナーである。外部バイアスがない限り、ドナー−アクセプタ接合の電子にとっては
、アクセプタ材料へ移動することがエネルギー的に好ましい。
ドナー１５２またはアクセプタ１５４において、フォトン６の吸収の後、励起子８が作
られ、励起子８は、整流接合部分で分離する。ドナー１５２は、正孔（白丸）を、アクセ
プタ１５４は電子（黒丸）を輸送する。
有機半導体における重要な特性は、キャリア移動度である。移動度は、電界に応じて電
荷キャリアが導電材料を通じて移動することができる容易さを測定する。有機感光デバイ
スとの関連では、高い電子移動度により、電子によって優先的に導電する材料は、電子輸
送材料と呼ばれる可能性がある。高い正孔移動度により、正孔によって優先的に導電する
材料は、正孔輸送材料と呼ばれる可能性がある。移動度および／またはデバイス中の位置
により、電子によって優先的に導電する層は、電子輸送層（「ＥＴＬ」）と呼ばれる可能
性がある。移動度および／またはデバイス中の位置により、正孔によって優先的に導電す
る材料は、正孔輸送層（「ＨＴＬ」）と呼ばれる可能性がある。好適には、アクセプタ材
料は、電子輸送材料であり、ドナー材料は、正孔輸送材料であるが、必ずしも必須ではな
い。
キャリア移動度ならびに相対的なＨＯＭＯおよびＬＵＭＯ準位に基づく光起電へテロ接
合において、ドナーおよびアクセプタとして役目を果たすために、どのように２つの有機
光伝導性材料の対をつくるかは、周知技術であり、ここでは言及しない。
一般的な構造、特性、材料、および特徴を含む有機感光デバイスに対する最新技術の追
加的な背景説明および解説のために、Ｆｏｒｒｅｓｔらへの米国特許第６，６５７，３７
８号、Ｆｏｒｒｅｓｔらへの米国特許第６，５８０，０２７号、およびＢｕｌｏｖｉｃら
への米国特許第６，３５２，７７７号が、参照することにより本願に組み込まれる。
有機ＰＶデバイスの多くの利点に関わらず、それらは、通常、１パーセント以下のオー
ダーの比較的低い外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎ
ｃｙ）を有する。これは、部分的に、光伝導性工程に固有な２次の特質によると考えられ
る。つまり、キャリア生成は、励起子生成と、拡散と、イオン化または集積とを要求する
。これらの工程のそれぞれに関して効率ηがある。添え字は、以下のように使用されうる
。電力効率に対してＰ、外部量子効率に対してＥＱＥ、フォトン吸収に対してＡ、励起子
拡散に対してＥＤ、電荷集積に対してＣＣ、および内部量子効率に対してＩＱＥ。この表
記を使用すると、ηＰ〜ηＥＱＥ＝ηＡ×ηＥＤ×ηＣＣ、かつ、ηＥＱＥ＝ηＡ×ηＩ
ＱＥである。
過去１０年間にわたった、有機光起電（ＰＶ）セルの電力変換効率（ηＰ）を増加させ
ることにおける進歩は、主として強固に束縛した光生成励起子（ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａ
ｔｅｄ ｅｘｃｉｔｏｎｓ）のための分解場所（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｓｉｔｅ）
として機能するドナー−アクセプタ（ＤＡ）ヘテロ接合の導入の結果であると考えられる
。通常、光吸収長（ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）ＬＡのオー
ダーの総厚さＬの２重層ＤＡ ＰＶセルでは、もし、光学的な干渉効果が無視され、ηＡ
≒１００％であるのならば、吸収効率は、１−ｅｘｐ（−Ｌ／ＬＡ）＞５０％である。し
かしながら、非常に無秩序（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ）な有機材料における励起子拡散長（
ｅｘｃｉｔｏｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）（ＬＤ）は、通常、ＬＡよりも小
さいオーダーの大きさであり、光生成励起子の大部分は、光電流生成には使用されないま
まになり（図２ａ）、この種のセルについて、ηＥＱＥ、したがってηＰを制限する。励
起子拡散の障害は、バルクヘテロ接合（図２ｂ）の導入を通じて部分的に除去されてきた
。バルクヘテロ接合では、ＤＡ界面は、高度に折り畳まれて（ｆｏｌｄｅｄ）、互いに入
り込んでいることにより、光生成励起子がそれらの生成場所の距離ＬＤの範囲でつねにＤ
Ａ界面を見つける。現在、最新のバルクヘテロ接合ポリマーＰＶセルは、５％超の電力変
換効率を有する。ポリマバルクヘテロ接合は、通常、ドナーおよびアクセプタ材料の溶解
版の混合物をスピンコーティングすることによって加工される。スピンコーティングおよ
び溶媒蒸発の間、ドナーおよびアクセプタ材料の相は分離され、入り組んだ網目を作る。
しかしながら、この種のセルは、通常、励起子の拡散長（ＬＤ）が、光吸収長（〜５００
Å）よりもかなり短い（ＬＤ〜５０Å）という不利点を有し、厚く、それゆえに抵抗のあ
る、多重または高度に折り畳まれた界面を備えたセルを用いるか、あるいは、低い光吸収
効率の薄いセルを用いるかの間のトレードオフを要求する。これらのバルクヘテロ接合ア
モルファス有機混合（ｂｕｌｋ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
ｏｒｇａｎｉｃ ｂｌｅｎｄｓ）の高い直列抵抗は、活性層の厚さを制限し、減少した光
吸収をもたらす一方で、低いフィルファクタと、したがって低い太陽エネルギー変換効率
とを示す。
しかしながら、バルクヘテロ接合の吸収効率は空間的に制限される。一般的には、ヘテ
ロ接合の吸収特性は、異なる吸収スペクトルを備えるドナー材料およびアクセプタ材料を
選択することにより最大化される。もし、入射フォトンが、第２材料ではなく、第１材料
の吸収ピークに近い波長を有し、かつ、入射フォトンが主に第２材料を経由してバルクヘ
テロ接合を通じて遷移する（例えば、第２材料の「指（ｆｉｎｇｅｒ）」の長さを伝わっ
て）ならば、フォトンが光電流に寄与する公算は少ない。
それゆえに、励起子が分離するドナー−アクセプタ界面領域と全体的な層の厚さとを増
加させることにより、さらにフォトンから励起子への変換を増加させる一方で、例えば励
起子が分離する前に移動する短い距離などの秩序のあるバルクヘテロ接合の利点を保持す
ることは有益でありうる。
無秩序な有機膜における電荷キャリアの低い移動度に取り組む１つの方法は、有機材料
に秩序性および結晶性を作る加工アプローチ（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ
）を展開することである。ここに参照することにより併合される、米国出願第１１／８８
０，２１０号は、１つのそのような方法を提供し、活性層がナノ結晶有機領域を含むＰＶ
セルを提供して、電荷抽出のための高導電率網（ｈｉｇｈ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ
ｎｅｔｗｏｒｋｓ）を形成する。このセルは、バルクヘテロ接合の高い表面領域に結合し
て低下された抵抗を含む、結晶材料を使用することによって付与される多くの利益を保持
する。
発明の概要
有機感光デバイス用のバルク有機結晶層（ｂｕｌｋ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ
ｌｉｎｅ ｌａｙｅｒｓ）を成長させるための有機気相堆積を利用する新しい方法と、そ
のような方法によって作製されたヘテロ接合および膜と、そのようなヘテロ接合および膜
を用いたデバイスが開示される。加えて、ヘテロ接合および有機感光デバイスを製造する
ための新しい方法と、それによって製造されたヘテロ接合およびデバイスも開示される。
例えば、一実施形態において、基板を提供することと、有機気相堆積法により第１有機
材料の結晶層を基板に成長させることと、を含む有機感光性光電子デバイスで使用される
層の形成方法が開示される。この方法は、例えば少なくとも約０．２５ｃｍ２の長距離秩
序度（ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｒｄｅｒ）の結晶を有する結晶層を形成するために使用
されてきた。
別の実施形態では、開示された方法にしたがって作製された少なくとも１つの層、例え
ば長距離結晶秩序度（ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ ｏｒｄｅｒ
）を有する第１有機材料の結晶材料を有する、基板を含む層を含む有機感光デバイスが開
示される。
さらに、別の実施形態では、−１００℃から約２００℃の範囲、例えば−４０℃から約
９０℃の温度に維持された基板上に第１有機材料の第１結晶層を成長させること、第１層
の表面上に第２有機材料の第２配向結晶層（ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ
ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｌａｙｅｒ）を成長させること、を含み、第１結晶層は、アク
セプタまたはドナー材料であり、第２結晶層は、第１結晶層とは反対である、有機感光デ
バイス用のヘテロ接合を形成する方法が開示される。
本明細書に組み込まれ、一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を
説明し、記載とともに本発明の原理を説明する役目を果たす。図は、必ずしも寸法のとお
りになっていない。
ドナー−アクセプタヘテロ接合を説明するエネルギー準位図である。 ２種類のドナー−アクセプタ有機太陽電池を説明する。 本開示の第１実施形態によるＯＶＰＤ工程の説明である。 図ａは、［１００］方向に向けられた電子ビームを用いた、むき出しのＫＢｒ基板のための反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを説明する。図ｂは、表面上に約４０ｎｍの層厚のＰＴＣＤＡ層が成長された２つの異なるＫＢｒ基板配向に沿ったＲＨＥＥＤパターンを説明する。図ｃは、表面上に約４０ｎｍの層厚のＰＴＣＤＡ層が成長された２つの異なるＫＢｒ基板配向に沿ったＲＨＥＥＤパターンを説明する。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像と、温度および反応速度の関数として高配向熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）上に成長したＣｕＰｃの４０ｎｍ厚の膜の対応するＲＨＥＥＤパターンとを説明する。白いスケールバーは、５００ｎｍに対応する。 左側は、ＰＴＣＤＡの第１の４０ｎｍ厚層に対する［１００］ＫＢｒ方向に沿ったＲＨＥＥＤパターンを説明する。中央は、ＰＴＣＤＡ層上に成長した１５ｎｍ厚ＣｕＰｃに対するＲＨＥＥＤパターンが説明される。右側は、完全な被覆ではあるが、「オレンジの皮」表面形態を示す２重層の表面形態を説明する。 様々な成長速度で堆積された１００ｎｍ厚膜のＰＴＣＤＡの正孔移動度を示す。 本開示の別の実施形態にしたがったヘテロ接合を作製するための別の工程を説明する。 タンデムセルの概略図である。
詳細な説明
したがって、一実施形態では、基板を提供すること、有機気相堆積によって基板上に第
１有機材料の厚い結晶層を成長させること、を含み、前記結晶層は、例えば、少なくとも
０．２５ｃｍ２、少なくとも１．０ｃｍ２、または少なくとも４．０ｃｍ２の長距離秩序
度の結晶を有する、有機感光性光電子デバイスにおける層を形成する方法が開示される。
結晶層は、少なくとも約１５０Åの厚さであり、例えば少なくとも約４００Åの厚さであ
る。
一実施形態では、基板上にハロゲン化アルカリ材料を含みうる第２有機材料の結晶層を
堆積させることをさらに含む。一実施形態では、ハロゲン化アルカリ材料は、ＫＢｒを含
む。別の実施形態では、基板は、高配向熱分解黒鉛（ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ
ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ）を含む。一実施形態では、開示された基板は、
有機気相堆積の間−４０℃から９０℃の範囲の温度に維持される。
一実施形態では、開示された方法は、基板上に第１有機材料の前記結晶層を成長させる
前に自己集合単分子層（ｓｅｌｆ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）を堆積す
ることをさらに含む。一実施形態では、自己集合単分子層は、アルカンチオールを含む。
第１有機材料は、小分子またはポリマー材料を含みうることが理解される。ＰＴＣＤＡ
およびＣｕＰｃを含む小分子材料の例は限定されない。一実施形態では、第１有機材料Ｃ
ｕＰｃを含み、第２有機材料はＰＴＣＤＡを含む。
基板を含む少なくとも１つの層を含む有機感光デバイスであって、前記基板は、第１有
機材料の結晶材料を含み、前記結晶材料は、長距離結晶秩序度を有する、有機感光デバイ
スが開示される。
一実施形態では、有機感光デバイスは、ヘテロ接合を形成する、ここに説明された少な
くとも１つの層を含む。有機感光デバイス用のヘテロ接合を形成する方法も開示される。
前記方法は、通常、例えば−４０℃から約９０℃の範囲の低温に維持された基板上に第１
有機材料の第１結晶層を成長させること、第１層の表面上に第２有機材料の第２配向結晶
層を成長させること、を含み、第１結晶層は、アクセプタまたはドナー材料であり、第２
結晶層は、第１結晶層とは反対である。
この実施形態では、前記方法は、基板上に第１有機材料の第１結晶層を成長させる前に
自己集合単分子層を堆積することを含みうる。
別の実施形態では、基板は、スタンプ基板（ｓｔａｍｐ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）であり
、前記方法は、第１電極上に第１および第２結晶層と自己集合単分子層とを押圧すること
、を含む。この実施形態は、スタンプ基板および自己集合単分子層を除去すること、第１
結晶層上に励起子阻止層（ｅｘｃｉｔｏｎ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を堆積する
ことをさらに含む。加えて、この方法は、励起子阻止層を覆って第２電極を堆積すること
をさらに含みうる。
一実施形態で記載されたとおり、第１結晶層はＣｕＰｃを含む可能性があり、第２結晶
層はＣ６０を含む可能性がある。別の実施形態では、第１結晶層は、ＣｕＰｃを含む可能
性があり、第２結晶層はＰＴＣＤＡを含む可能性がある。
一実施形態では、有機気相堆積（ＯＶＰＤ）は、結晶有機膜の成長のための主な手段と
して使用される。ＯＶＰＤは、以前に使用された真空技術とは異なり、複数の有機分子が
、それらを熱い壁の反応器部（炉それ自体上に堆積することを防止するため）を通じて冷
却された基板に輸送する熱い不活性搬送ガス（ｉｎｅｒｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）の
中に蒸発される。
ＯＶＰＤは、広く使用される真空温度蒸発（ＶＴＥ）と異なり、ＯＶＰＤは堆積チャン
バに蒸気を輸送するために搬送ガスを使用する。蒸発および輸送の機能を空間的に分離す
ることは、堆積工程の間、正確な制御（ｃｏｎｔｒｏｌ）をもたらし、例えば、滑らかな
表面を備えた平面、または突起を備えた層などの有機表面形態上を制御することを可能に
する。ＶＴＥと比較すると、ＯＶＰＤの別の特徴は、大きな分子表面拡散（ｍｏｌｅｃｕ
ｌａｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ）と、表面に到達する分子に続く非弾
道軌跡（ｎｏｎ−ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ）とである。ＯＶＰＤ
は、既存の空孔（ｐｒｅｅｘｉｓｔｉｎｇ ｖｏｉｄｓ）および他の表面非均一性を埋め
るのに特に有効である一方、ＶＴＥは、長い平均自由工程と入射分子に続く弾道軌跡とに
より効果がない。
ＯＶＰＤで使用される通常の堆積条件において、基板周囲の搬送ガスの流れは、分子輸
送が拡散律速（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ）である流体力学的境界層（ｈｙｄ
ｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）を作る。堆積速度、堆積効率、お
よび膜形態は、有機種濃度（ｏｒｇａｎｉｃ ｓｐｅｃｉｅｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉ
ｏｎ）、流れの流体力学、および表面拡散を調節することにより制御される。
キャリア移動度、直列抵抗、およびスピンコーティング設計上の全体的な効率の改善に
加え、ＯＶＰＤで成長したヘテロ接合の秩序のある特質は、電極への浸透経路（ｐｅｒｃ
ｏｌａｔｉｏｎ ｐａｔｈｗａｙ）によって電気的に接続されていないドナーおよびアク
セプタ材料のポケット（ｐｏｃｋｅｔｓ）の発生を除去することができる。
ＶＴＥを越えるＯＶＰＤのさらなる利点は、（１）非常に大きな基板領域を覆って堆積
することが可能であり、そして（２）それは、周囲圧力および基板温度の両方を変化させ
る能力により結晶形態（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）上に相当の制
御（ｃｏｎｔｒｏｌ）を与える。もちろん、周囲の気体の圧力は、吸着原子（ａｄａｔｏ
ｍｓ）の表面移動度を制御し、それによって、長距離結晶秩序度と同様に表面組織の制御
をもたらす。
結晶層は、それらの無秩序の対照物と比較して劇的に高い移動度を有し（約１０４から
１０６倍高い）、したがって、励起子拡散長、層導電率、そして結果的に使用に適した厚
さおよび吸収効率において顕著な増加をもたらす。しかしながら、有機膜における結晶の
長距離秩序度は、ここで説明されるＯＶＰＤ工程以外の方法で得るのは非常に困難である
。したがって、そのような劇的な高移動度を備える層を得ることは、過去においてはとら
えどころのないものであった。ηＥＱＥは、すべて電荷移動度に依存する個々の効率の積
に依存するので、ここで説明された方法で高い結晶性を得ることは、そのような結晶膜を
使用するセルの電力変換効率に劇的な影響を及ぼしうる。最後に、広い領域にわたる結晶
性は、バルクヘテロ接合構造に代表される準安定混合（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ｍｉｘｔ
ｕｒｅｓ）を避けることによって、より安定的な材料をもたらし、ＰＶセルにより現実的
な稼動寿命をもたらすはずである。総合すれば、＞４ｃｍ２の面積を有する高効率セルが
、有機薄膜材料の低処理温度特性によって利用可能にされた軽量で柔軟性のある基板を用
いて低コストで生成できる
一実施形態では、バルクに延びるほど複数の層は「厚い」、それによって、追加的な材
料の継続された成長は、層の結晶の相（ｈａｂｉｔｓ）または形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇ
ｉｅｓ）を変化させない。別の実施形態では、層は少なくとも約１５０Åの厚さである。
さらなる実施形態では、層は、少なくとも約４００Åの厚さである。
少なくとも１つの形成された層は、長距離結晶秩序度を有するべきであり、例えば、少
なくとも約０．２５ｃｍ２（０．５ｃｍ×０．５ｃｍ）、少なくとも約１．０ｃｍ２（１
．０ｃｍ×１．０ｃｍ）、または少なくとも約４．０ｃｍ２（２．０ｃｍ×２．０ｃｍ）
の結晶秩序度である。
一実施形態では、少なくとも１つの層が隣接する１つの層と同じ方向に配向されている
。
一実施形態では、少なくとも１つの層を作製するために小分子有機材料が使用される。
そのような材料の限定されない例は、ＣｕＰｃ、ＰＴＣＤＡ、およびＣ６０を含む。
一実施形態では、ＯＶＰＤにおける基板温度は低く保たれ、例えば、−４０℃ないし９
０℃または−４０℃ないし２５℃の範囲の温度である。
ＥＢＬｓの例は、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，４５１，４１５号および７，２３
０，２６９号に記載されており、ＥＢＬに関するその開示を参照することによって、本願
に引用したものとする。ＥＢＬの付加的な背景説明は、Ｐｅｕｍａｎｓらの「高光強度で
の極薄有機二重ヘテロ構造光起電性ダイオードにおける効率的なフォトン捕獲」、応用物
理会報７６、２６５０〜５２（２０００）にも見られる。ＥＢＬは、励起子がドナーおよ
び／またはアクセプタ材料から移動することを妨げることによって、クエンチングを減少
させる。
基板は、所望の構造特性を提供する任意の適した基板でありうる。基板は、柔軟性があ
ってもなくても、平らであってもなくてもよい。いくつかの実施形態では、ハロゲン化ア
ルカリ基板、例えばＫＢｒが使用される。別の実施形態では、熱分解黒鉛および配向熱分
解黒鉛も用いられる。いくつかの実施形態では、基板は、有機材料の厚い結晶層を含みう
る。基板は透明、半透明、または不透明でありうる。硬い樹脂およびガラスは、硬い基板
材料の例である。柔軟性のある樹脂および金属箔は、柔軟性のある基板材料の例である。
図８に示されているように、貨幣金属、例えば、金、銀に流し込める（ｃａｓｔ ｏｎｔ
ｏ）自己集合単分子層は、基板として使用されうる。一実施形態では、ＳＡＭはアルカン
チオールを含む。別の実施形態では、ＳＡＭは、膜とアノード（または図８に示されるよ
うにＩＴＯ皮膜されたアノード）との間の結合強度が、膜と選択されたＳＡＭとの間より
も強くなるように選択されて、ＳＡＭが皮膜された基板からの膜の移動を容易にする。
アノード平滑化層（Ａｎｏｄｅ−ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ）は、アノード層
とヘテロ接合層、例えばドナー層との間に位置しうる。アノード−平滑化層は、Ｆｏｒｒ
ｅｓｔらへの米国特許６，６５７，３７８号に説明されており、この特徴に関連する開示
は、参照により本願に引用したものとする。
説明された実施形態にしたがって製造されたセルは、真空堆積、スピンコーティング、
溶解処理、有機気相堆積、インクジェット印刷、有機蒸気ジェット印刷（ｏｒｇａｎｉｃ
ｖａｐｏｒ ｊｅｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、および他の知られている技術によって製造
される付加的な有機層を含みうる。有機材料は、シクロメタル化された（ｃｙｃｌｏｍｅ
ｔａｌｌａｔｅｄ）有機金属化合物を含む有機金属化合物でありうる。
図９に示されるセルは、要素６０８に接続されうる。もし、デバイスが光起電デバイス
であるならば、その要素は、電力を消費または蓄積する抵抗性負荷である。もし、デバイ
スが光検出器である場合、要素６０８は、光検出器が光にさらされるときに生成される電
流を測定する電流検出回路であって、デバイスにバイアスを加えうる（たとえば、２００
５年５月２６日に公開されたＦｏｒｒｅｓｔらへの米国出願公開２００５−０１１０００
７Ａ１号に説明されている）。（たとえば、光活性領域として単一の光伝導性材料を使用
して）デバイスから整流接合が除去される場合、その結果の構造物は、光伝導体セルとし
て使用されてもよく、この場合、構成１９０は、光吸収に起因するデバイス全体の抵抗の
変化を監視する信号検出回路である。特に明記しない限り、ここで開示される各図面およ
び実施形態中において、デバイスには上記のような配置や変更が使用される。
有機感光性光電子デバイスは、また、複数の透明電荷移動層（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ
ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌａｙｅｒｓ）、複数の電極、または複数の電荷再
結合領域（ｃｈａｒｇｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｚｏｎｅｓ）を含みうる。電荷
移動層は、有機または無機であり、光伝導的にアクティブまたはアクティブではない可能
性がある。電荷移動層は、電極と似ているが、デバイスの外部に電気的接続を有さず、光
電子デバイスのあるサブセクションから隣接するサブセクションにキャリアを運ぶだけで
ある。電荷再結合領域は、電荷移動層と似ているが、光電子デバイスの隣接したサブセク
ション間で電子と正孔の再結合を許す。Ｆｏｒｒｅｓｔらへの米国特許第６，６５７，３
７８号、２００６年２月１６日に公開されたＲａｎｄらの「有機感光デバイス」と題され
た米国特許出願公開２００６−００３２５２９Ａ１、２００６年２月９日に公開されたＦ
ｏｒｒｅｓｔらの「積層有機感光デバイス」と題された米国特許出願公開２００６−００
２７８０２Ａ１のそれぞれが、本願に電荷再結合領域材料および構造の開示について参照
により組み込まれる。例示されるように、電荷再結合領域は、半透明金属またはナノクラ
スタ、ナノ粒子、および／またはナノロッドを含む金属代替物の再結合中心（ｒｅｃｏｍ
ｂｉｎａｔｉｏｎ ｃｅｎｔｅｒ）を含んでもよい。電荷再結合領域は、再結合中心が埋
め込まれる透明マトリックス層を含んでも、含まなくてもよい。電荷移動層、電極、また
は電荷再結合領域は、光電子デバイスのサブセクションのカソードおよび／またはアノー
ドとして機能する。電極または電荷移動層は、ショットキーコンタクトとして機能しうる
。
上述の各デバイスにおいて、例えば平滑化層および励起子阻止層のように、層が省略さ
れてもよい。たとえば、反射層または追加の光活性領域のような他の層が加えられてもよ
い。層の順番は、変更または逆転されてもよい。集信装置（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）
またはトラッピング構造が、効率向上のために採用されてもよく、たとえば、Ｆｏｒｒｅ
ｓｔらへの米国特許第６，３３３，４５８号およびＰｅｕｍａｎｓらへの米国特許第６，
４４０，７６９号のように開示されており、これらの内容は参照により本願明細書に引用
したものとする。デバイスの所望の領域に光学エネルギーを集中するためにコーティング
が使用されてもよく、例えば、Ｐｅｕｍａｎｓらによる「非周期的誘電多層スタック」と
題された米国特許出願公開２００５−０２６６２１８Ａ１のように開示されており、これ
らの内容は参照により本願明細書に引用したものとする。タンデムデバイスにおいて、電
極を経て提供されているセル間の電気的接続と共に、透明絶縁用層がセル間に形成されて
もよい。また、タンデムデバイスにおいて、１以上の光活性領域が、ドナー−アクセプタ
ヘテロ接合の代わりにショットキー障壁ヘテロ接合であってもよい。これらの特記された
ものとは異なる配置が用いられてもよい。
定義
アノードおよびカソードなどの電極は、金属または「金属代替物（ｍｅｔａｌ ｓｕｂ
ｓｔｉｔｕｔｅｓ）」を含みうる。ここで、用語「金属」は、基本的に純粋な金属で構成
される材料と、２以上の基本的に純粋な金属で構成される材料である金属合金との両者を
包含するために用いられる。用語「金属代替物」は、通常の定義の範囲内において金属で
はない材料であるが、導電率といった金属のような特性を有するもの、たとえば、ドープ
されたバンドギャップの大きい半導体、縮退した半導体、導電性酸化物、および導電性ポ
リマーをいう。電極は、単一層または多重層（「化合物」電極）を有し、透明、半透明ま
たは不透明体である。電極と電極材の例は、Ｂｕｌｏｖｉｃらへの米国特許第６，３５２
，７７７号、およびＰａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙらへの米国特許第６，４２０，０３１に
開示されており、これらのそれぞれの特徴の開示は参照により、本願に組み込まれる。本
願では、層が「透明」であるとは、関連する波長の周囲電磁放射の少なくとも５０％を透
過することをいう。
「有機の」という用語は、光電子デバイスを作るために用いられる可能性のある小分子
有機材料と同様にポリマー材料も含む。「小分子（ｓｍａｌｌ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」
は、ポリマーではないあらゆる有機材料を参照し、「小分子」は、実際には非常に大きい
可能性がある。小分子は、いくつかの状況において繰り返しの構成単位を含む可能性があ
る。たとえば、長い鎖状のアルキル基を置換基として用いることは、「小分子」類から分
子を除かない。小分子は、また、たとえば、ポリマー骨格上のペンデントグループ（ｐｅ
ｎｄｅｎｔ ｇｒｏｕｐ）または骨格の一部としてポリマーに含まれる可能性がある。小
分子は、また、中心部分上に形成された連続する化学的な外郭構造（ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｓｈｅｌｌｓ）を含むデンドリマーの中心部分としても役割を果たす可能性がある。デン
ドリマーの中心部分は、蛍光性あるいはリン光を発する小分子の放射体でありうる。デン
ドリマーは、「小分子」の可能性がある。一般的に、小分子は分子から分子の間で同等の
分子量を伴う所定の化学式を有し、一方で、ポリマーは分子から分子の間で変化する分子
量を伴う所定の化学式を有する。本願では、「有機の」は、ヒドロカルビル（ｈｙｄｒｏ
ｃａｒｂｙｌ）の金属化合物およびヘテロ原子置換型のヒドロカルビル・リガンド（ｈｙ
ｄｒｏｃａｒｂｙｌ ｌｉｇａｎｄｓ）を含む。
もし、第１のエネルギー準位が、真空エネルギー準位１０により近いならば、第１のＨ
ＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、第２のＨＯＭＯまたはＬＵＭＯ「より大きい」
または「より高い」。より高いＨＯＭＯエネルギー準位は、真空準位に比べて、より小さ
い絶対エネルギーを有するイオン化ポテンシャル（「ＩＰ」）に対応する。同様に、より
高いＬＵＭＯエネルギー準位は、真空準位に比べて小さい絶対エネルギーを有する電子親
和力（「ＥＡ」）に対応する。従来のエネルギー準位図上では、真空準位が最上位にあり
、材料のＬＵＭＯエネルギー準位が、同じ材料のＨＯＭＯエネルギー準位より高い。
ここで使用される用語「有機金属」は、当業者によって一般的に理解されているもので
、例えば、Ｇａｒｙ Ｌ． ＭｉｅｓｓｌｅｒおよびＤｏｎａｌｄ Ａ． Ｔａｒｒ著の
「無機化学」（第２版） Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ（１９９９）の第１３章に与えら
れる。
「高配向熱分解黒鉛」という用語は、１度未満のモザイク状の広がりを有する黒鉛材料
のことを称する。
ここで用いられる「長距離秩序度」という用語は、通常、少なくとも１平方ミクロン（
ｕｍ２）、数平方ミクロン（ｕｍ２）、またはいくつかの場合では少なくとも０．５ｍｍ
２の基板を横切って観測される秩序度のことを称する。
複数の例
本発明の具体例がここに図解および／または説明される。しかしながら、本発明の変更
および変形は、本発明の精神および範囲を離れることなく上記の教示および添付の特許請
求の範囲によって保護される。
通常のＯＶＰＤ工程
ＯＶＰＤシステムの概略図の限定されない例が図３に示される。ＯＶＰＤにおいて、熱
い不活性搬送ガス１は、ソースセル３から放射する蒸発された有機２とともに注入される
。有機２は、堆積が起きる冷却された基板４に輸送され、それゆえに膜５を形成する。ガ
ス温度、基板温度、および圧力は、変化されて膜５の結晶性に影響を与える。
一実施形態では、膜５の結晶性を監視するために原位置で（ｉｎ ｓｉｔｕ）の診断、
例えば有機分子線蒸着（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＯＭ
ＢＤ）などのような超真空システムでよく使用される技術である、例えば反射高速電子回
折（ＲＨＥＥＤ）が使用されうる。
長距離結晶秩序度を得るＯＶＰＤの能力の限定されない例は、ＫＢｒの単結晶上に３，
４，９，１０ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ｐｅｒｙｌｅｎｅｔｅｔｒａｃａｒｂ
ｏｘｙｌｉｃ ｄｉａｎｈｙｄｒｉｄｅ）（ＰＴＣＤＡ）の原型分子結晶を成長させるこ
とによって実証される。成長は、前述の垂直なマルチバレル石英（ｍｕｌｔｉｂａｒｒｅ
ｌ ｑｕａｒｔｚ）ＯＶＰＤチャンバで実行された。Ｓｈｔｅｉｎらのジャーナル・オブ
・アプライド・フィジクス８９巻１４７０頁（２００１）を参照、ここに参照することに
より組み入れられる。結晶構造は、ＨＰ−ＲＨＥＥＤ（Ｌｕｎｔらの応用物理会報，２０
０７，７０を参照、ここに参照することにより組み入れられる）でリアルタイムに原位置
で、そしてリガク（Ｒｉｇａｋｕ）Ｃｕ−Ｋα回転アノードソースを用いたブラッグ−ブ
レンターノ配置（Ｂｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）でのＸ
線回折で実験施設内（ｅｘ−ｓｉｔｕ）において監視された。０．１×２０ｍｍ２電子ビ
ームを用いてＨＰ−ＲＨＥＥＤパターンが、ビームエネルギー、電流、入射角がそれぞれ
２０ｋｅＶ、＜１００ｎＡ、および〜１°において記録された。ビーム電流は、帯電する
ことを避けるため、＞１００ｎＡにおいて最小化された。溶剤で洗浄されたＳｉ基板上を
可変角度分光偏光解析器（ｖａｒｉａｂｌｅ−ａｎｇｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ
ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）を用いて膜厚が成長後に計測された。帯電を防止するため
に表面を２０ÅのＡｕで皮膜したのち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて表面トポグ
ラフィー（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）が観測された。
ＰＴＣＤＡは、ＯＶＰＤチャンバのバレルの中に位置する石英ソースボート（ｑｕａｒ
ｔｚ ｓｏｕｒｃｅ ｂｏａｔ）に装填する前に勾配昇華（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｕｂｌ
ｉｍａｔｉｏｎ）によって２回精製された。ＰＴＣＤＡは、６０ｍＴｏｒｒの成長圧力に
おける０．７Å／ｓの表面堆積速度（ｎｏｍｉｎａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ
）に対応する３８５℃、２５ｓｃｃｍの窒素流において蒸発された。単結晶ＫＢｒ基板は
、成長チャンバに装填される前にただちに開列された（ｃｌｅａｖｅｄ）。
ＨＰ−ＲＨＥＥＤパターンに指標を付けるため、それぞれの割り付けられた筋の位置に
ついて格子面間隔（ｄ−ｓｐａｃｉｎｇｓ）が計算され、ＫＢｒパターンを用いて調整（
ｃａｌｉｂｒａｔｅ）された。Ｘ線回折が、面内の表面メッシュの識別を助ける膜のスタ
ック方向（ｓｔａｃｋｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を決定するために使用された。複数
の格子定数が格子面間隔に合わせられて、すべてのデータの非線形最小二乗回帰を用いて
複数の指標を割り付けた。
図４ａは、［１００］方向に向けられた電子ビームを用いた、むき出しのＫＢｒ基板の
ためのＲＨＥＥＤパターンを説明する。
４００Å厚のＰＴＣＤＡ膜の結果的なＲＨＥＥＤパターンが、２つのＫＢｒ結晶方向に
沿って図４ｂおよび図４ｃに示される。筋の位置は、白い目盛りで強調されている。ＲＨ
ＥＥＤパターン中において、よく画定され、連続的な筋は、電子ビームをプローブする距
離または約０．１ｍｍ×２ｃｍにわたって平らで秩序度の良い構造であることを示してい
る。図４ｂについて測定された格子面間隔は、それぞれ（０２），（２０）＝９．７Å，
６．０Åである。図４ｃについて測定された格子面間隔は、それぞれ（１１），（１２）
，（１４），（２４），（２６），（２８），（５５），（６６）＝１０．４Å，７．９
Å，４．７Å，３．９Å，２．９６Å，２．２９Å，２．１０Å，１．７２Åである。筋
の指標付け（単位メッシュ指標が記された短い白線によって表示されているように）は、
ＰＴＣＤＡがその緩和されたα−フェーズで成長することを明確に表示している。その上
、（１１０）および（１００）ＫＢｒ方向に沿った筋のパターンの変化は、下層の結晶に
対して優先的な配置を明確に示す。歪が５％超える、ＰＴＣＤＡとＫＢｒ構造との間には
明らかな格子整合（ｌａｔｔｉｃｅ ｍａｔｃｈ）がないので、これは注目すべきことで
ある。整合性なしで、秩序化される一方で緩和される基板上の結晶のこの能力は、有機材
料の「ソフトな（ｓｏｆｔ）」ファン・デル・ワールス結合特性の直接的な結果と考えら
れている。この特性は、世界中の研究機関で大々的に研究されてきており、「準エピタキ
シー（ｑｕａｓｉ−ｅｐｉｔａｘｙ）」として知られている。特に注目すべきなのは、特
にこの膜／基板の組合せについてのこのような大きな、巨視的領域にわたってほぼ完全な
配置であることである。秩序化されたＰＴＣＤＡ膜の全体的な大きさは、１２ｍｍ×２５
ｍｍであり、膜は１ｍｍの厚さであった。このような大きな寸法の厚い膜について、この
膜結晶の完全性の度合いは、観測されたことがなかったと考えられる。
図５には、ドナー材料、高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）上に成長された銅フタ
ロシアニン（ＣｕＰｃ）の結晶形態上の基板温度および背景反応器圧力（ｂａｃｋｇｒｏ
ｕｎｄ ｒｅａｃｔｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ）のマトリクス（ｍａｔｒｉｘ）が示され
る。成長パラメータの範囲にわたり結晶パラメータ上にかなりの程度の制御（ｃｏｎｔｒ
ｏｌ）があることは明らかである。再び、いくつかの成長条件の下で、基板に対する膜の
準エピタキシャル配置（ｑｕａｓｉ−ｅｐｉｔａｘｉａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が観測
される。
別の限定されない例では、第１有機の結晶層、ＰＴＣＤＡは、基板ＫＢｒ上に成長し、
ＰＴＣＤＡの表面上に第２有機材料の第２方向結晶層ＣｕＰｃの成長が続く。ＲＨＥＥＤ
パターンおよび第１および第２層の形態が図６に示される。両方の層は、それらのバルク
形態に延びるほど「厚い」ので、付加的な材料の継続的な成長は、結晶の相または層の形
態を変化させない。ＰＴＣＤＡ層は、４０ｎｍの厚さを有し、ＣｕＰｃ層は、１５ｎｍの
厚さを有する。これが、完全に秩序化されたプレナーヘテロ接合（以下、「有機結晶プレ
ナーヘテロ接合」）を形成する、一の上に他が重ねられたバルク結晶有機材料の成長の最
初の実証であると考えられる。
上の複数の例は、結晶の長距離秩序度を有する膜が、ＯＶＰＤにより利用可能となった
好ましい成長条件下において小分子有機材料を用いて得ることができることを明らかに示
している。さらに、電荷移動度は秩序度の強い関数である。図７に示されるように、ＰＴ
ＣＤＡ中の正孔移動度は、成長速度の関数として示される。図７は、超真空で成長される
とき、移動度は２桁増加し、５０Å／ｓの速度で最大１．５ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）に達する
ことを実証している。この増加された移動度は、ＯＶＰＤによって成長したペンタセン中
でも観測されている。応用物理会報第８１巻２６８頁（２００２）、Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，
Ｊ．Ｍａｐｅｌ，Ｊ．Ｂ．Ｂｅｎｚｉｇｅｒ，およびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、「有機気
相堆積されたペンタセン薄膜トランジスタの電気特性上の膜形態およびゲート誘電体表面
前処理の効果」を参照、ここに参照することにより本願に組み込まれる。したがって、有
機結晶プレナーヘテロ接合を含むＰＶセル中のそのようなヘテロ接合は、とても高い電力
変換効率を有することが予想される。
ＰＶセルを製造する一般的な方法
別の実施形態にしたがって、ａ）成長テンプレートを形成するＡｕ上の予め堆積された
自己集合単分子層（ＳＡＭ）を用いてスタンプ（ｓｔａｍｐ）上のドナー−アクセプタヘ
テロ接合のＯＶＰＤによる堆積、ｂ）結晶ヘテロ接合をインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）
が皮膜された基板にスタンプすることによる転写、（ｃ）こうして、完全なヘテロ接合が
形成され、その上に、（ｃ）励起子阻止層（ＥＢＬ）および金属カソードが堆積されてセ
ルを完成させる、複数の段階を含むＰＶセルを製造する例示的な方法が提供される。この
限定されない複数の工程の詳細は、図８（ａ）から図８（ｄ）にそれぞれ示されている。
図８（ａ）および図８（ｂ）に示されている工程段階を繰り返すことにより、例えば、
図９に示される例示的なタンデム（または「積層された（ｓｔａｃｋｅｄ）」）デバイス
のような、より複雑なセルが形成されうる。複数の有機層を有する有機感光性光電子セル
または複数層デバイス６００の限定されない例が図９に示される。絶縁または導電基板６
０１がデバイスを支持する。第１電極６０２は、例えば、適切な厚さのＩＴＯを有する。
前記限定されない例示的なデバイスは有機層６０３，６０４，６０５，６０６を有する。
最後に、第２透明電極６０７が有機層６０６に隣接する。
タンデムセルでは、様々な波長の光の吸収を最適化するため、様々な層厚を有するヘテ
ロ接合が積層されうる。一実施形態では、タンデムセルは、用いられる基板が透明ガラス
であり、基板上のアノードがＩＴＯであり、ヘテロ接合（または複数のヘテロ接合、例え
ば二重ヘテロ接合）が赤い光を選択的に吸収する層厚を有し、まず、図８（ｃ）に示され
るように少なくともヘテロ接合を形成することによって形成される。次に、青い光を優先
的に吸収する層厚を有する第２ヘテロ接合が第１ヘテロ接合の上にスタンプされる。最後
に、第２ヘテロ接合上に（図８（ｄ）に示されるのと同じだけ）カソードが堆積され、タ
ンデムセルが完成する。
透明な電荷移動層、電極、または電荷再結合領域がタンデムセルに含まれうる。例えば
、隣接する吸収層中の光場を強めるため、銀ナノ粒子層（示されていない）が第１ヘテロ
接合および第２ヘテロ接合との間に使用されうる一方で、同時に光生成電子および正孔の
再結合場所として機能する。
上で説明された例説明された典型的な本発明の実施形態は、明確に規定されない限り、
本発明に制約を設けるものではない。
別段に示されない限り、明細書および特許請求の範囲で使われる、構成要素の量、反応
条件などを表現するすべての数字は、すべての場合において「約」という語で修飾されて
理解される。したがって、反対のことが示されない限り、以下の明細書および添付の特許
請求の範囲に説明された数値パラメータは、本発明によって得ることを目指している望ま
しい特性に依存して変化しうる近似である。
本発明の具体例が、ここに図解および／または説明される。しかしながら、本発明の変
更および変形は、本発明の精神および範囲を離れることなく上記の教示および添付の特許
請求の範囲によって保護される。

Claims (39)

  1. 基板を提供すること、および
    有機気相堆積で基板上に第１有機材料の結晶層を成長させることを含み、
    前記結晶層は、長距離秩序度の結晶性を有する、有機感光性光電子デバイスに層を形成
    する方法。
  2. 前記結晶層は、少なくとも約１５０Åの厚さである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記結晶層は、少なくとも約４００Åの厚さである、請求項２に記載の方法。
  4. 前記基板上に第２有機材料の結晶層を堆積することをさらに含む、請求項１に記載の方
    法。
  5. 前記基板は、ハロゲン化アルカリ材料を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ハロゲン化アルカリ材料は、ＫＢｒを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記基板上に第１有機材料の前記結晶層を成長させる前に自己集合単分子層を堆積する
    ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記自己集合単分子層は、アルカンチオールを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記基板は、高配向熱分解黒鉛を含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記第１有機材料は、小分子またはポリマー材料を含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記小分子材料は、ＰＴＣＤＡを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記小分子材料は、ＣｕＰｃを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記第１有機材料は、ＣｕＰｃを含み、前記第２有機材料は、ＰＴＣＤＡを含む、請求
    項４に記載の方法。
  14. 前記基板は、前記有機気相堆積の間において−４０℃から９０℃の範囲の温度に維持さ
    れる、請求項１に記載の方法。
  15. 前記形成された層は、少なくとも約０．２５ｃｍ２の長距離結晶秩序度を有する、請求
    項１に記載の方法。
  16. 前記形成された層は、少なくとも約１．０ｃｍ２の長距離結晶秩序度を有する、請求項
    １５に記載の方法。
  17. 前記形成された層は、少なくとも約４．０ｃｍ２の長距離結晶秩序度を有する、請求項
    １に記載の方法。
  18. 基板を含む少なくとも１つの層を含む有機感光デバイスであって、
    前記基板は、第１有機材料の結晶材料を含み、
    前記結晶材料は、少なくとも０．２５ｃｍ２の結晶秩序度を有する、有機感光デバイス
    。
  19. 前記結晶材料は、少なくとも１５０Åの厚さである、請求項１８に記載の有機感光デバ
    イス。
  20. 前記基板は、第２有機材料の結晶層をさらに含む、請求項１８に記載の有機感光デバイ
    ス。
  21. 前記基板は、ハロゲン化アルカリ材料を含む、請求項１８に記載の有機感光デバイス。
  22. ハロゲン化アルカリ材料は、ＫＢｒを含む、請求項２１に記載の有機感光デバイス。
  23. 前記基板と前記結晶材料との間に自己集合単分子層をさらに含む、請求項１８に記載の
    有機感光デバイス。
  24. 前記自己集合単分子層は、アルカンチオールを含む、請求項２３に記載の有機感光デバ
    イス。
  25. 前記基板は、高配向熱分解黒鉛を含む、請求項１８に記載の有機感光デバイス。
  26. 前記第１有機材料は、小分子またはポリマー材料を含む、請求項１８に記載の有機感光
    デバイス。
  27. 前記小分子材料は、ＰＴＣＤＡを含む、請求項２６に記載の有機感光デバイス。
  28. 前記小分子材料は、ＣｕＰｃを含む、請求項２６に記載の有機感光デバイス。
  29. 前記第１有機材料は、ＣｕＰｃを含み、前記第２有機材料は、ＰＴＣＤＡおよびＣ６０
    から選択される、請求項２０に記載の有機感光デバイス。
  30. 前記層は、少なくとも約０．２５ｃｍ２の結晶秩序度を有する、請求項１８に記載の有
    機感光デバイス。
  31. 前記層は、少なくとも約４．０ｃｍ２の結晶秩序度を有する、請求項１８に記載の有機
    感光デバイス。
  32. 前記層は、前記少なくとも１つの層は、ヘテロ接合を形成する、請求項１８に記載の有
    機感光デバイス。
  33. −４０℃から約９０℃の範囲の温度に維持された基板上に第１有機材料の第１結晶層を
    成長させること、
    前記第１層の表面上に第２有機材料の第２方向結晶層を成長させること、を含み、
    前記第１結晶層はアクセプタまたはドナー材料であり、前記第２結晶層は前記第１結晶
    層と反対である、有機感光デバイス用のヘテロ接合を形成する方法。
  34. 前記第１結晶層を成長させる前に前記基板上に自己集合単分子層を堆積させることを含
    む、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記基板は、スタンプ基板であり、前記方法は、前記第１および第２結晶層ならびに前
    記自己集合単分子層を第１電極に押圧することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
  36. 前記スタンプ基板および前記自己集合単分子層を除去すること、および
    前記第１結晶層を覆って励起子阻止層を堆積させることをさらに含む、請求項３５に記
    載の方法。
  37. 前記励起子阻止層を覆って第２電極を堆積させることをさらに含む、請求項３６に記載
    の方法。
  38. 前記第１結晶層は、ＣｕＰｃを含み、前記第２結晶層は、Ｃ６０を含む、請求項３３に
    記載の方法。
  39. 前記第１結晶層は、ＣｕＰｃを含み、前記第２結晶層は、ＰＴＣＤＡを含む、請求項３
    ３に記載の方法。
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