JP2014140036A - 三次元加工電極のアレイ構造を有する有機太陽電池および発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【解決手段】特定の形態における、三次元電極、固有のマイクロ構造/多層構造の機能設計を採用した電界発光電池、さらに、特定の形態における、三次元ダイオードから構成される。
【選択図】図12
Description
ここに、特定の実施形態における、導体または半導体材料から構成される三次元電極を公開する。これらの導体または半導体材料は、以下から選択される:炭素、炭素同素体、有機ポリマーのいずれか。また、電極の形状は垂直軸に沿って変化する。一部の実施形態では、電極は全ポリマー電極である。
一部の実施形態では、電極は三次元電極である。一部の実施形態では、三次元電極の形状は円柱、角錐、ダイヤモンド形状、球体、半球、底面が長方形の角柱のいずれかである。一部の実施形態では、三次元電極の形状は角錐である。一部の実施形態では、三次元電極の形状は円柱である。一部の実施形態では、三次元電極を使用することで電極/ポリマーの接触表面積が増し、これによって相互作用も向上する。一部の実施形態では、三次元電極の間に細い隙間を設置することで、抵抗を上げることなく光活性層を厚くして、装置を完全に稼動させることができる。一部の実施形態では、電極/ポリマーの接触表面積を上げることで、効率も向上させることができる。
一部の実施形態では、電極の製造は、パターン形成工程に続き、加熱工程が用いられる。一部の実施形態では、加熱工程において焼結、熱分解、焼き付けが行われる。
Diは拡散係数、Ciは濃度、Fはファラデー定数、z*は拡散種の有効電荷、Tは温度、Eは電界、Rはガス定数である。
一部の実施形態では、電極は導体または半導体材料を含む。一部の実施形態では、電極は、以下のいずれかの導体または半導体材料から構成される:炭素、炭素同素体、有機ポリマー。一部の実施形態では、電極は、以下のいずれかの導体または半導体材料から構成される:グラファイト、ダイヤモンド、無定形炭素、バックミンスターフラーレン、ガラス状炭素、カーボンナノフォーム、ロンズデーライト、直鎖アセチレン炭素、またはこれらの組み合わせ。一部の実施形態では、電極はグラファイトから構成されている。一部の実施形態では、電極はガラス状炭素から構成されている。従来のアルミニウムやインジウムスズ酸化物などの金属製の電極とは異なり、炭素系の電極は低コストで製造できる。炭素は地球上で4番目に多い元素であるため、豊富に手に入る。インジウムスズ酸化物(ITO)は世界でも希少な物質であり、その供給はわずか10年で終わってしまうと予測されている。さらに、高品質のITOを生成するには高コストの工程を要する。また、炭素は電気化学的に極めて安定しており、熱/電気伝導性も高い。
ここに、特定の実施形態における、三次元電極の製造方法を公開する。これには、望ましい三次元形状になるよう導体または半導体材料をパターン形成させる工程、ならびにパターン形成した導体または半導体材料を加熱する工程が含まれる。一部の実施形態では、電極はポリマー前駆物質から製造される。一部の実施形態では、電極は(凝縮または部分的に凝縮された)粉末前駆物質から製造される。一部の実施形態では、電極は炭素または炭素同素体から製造される。
Diは拡散係数、Ciは濃度、Fはファラデー定数、z*は拡散種の有効電荷、Tは温度、Eは電界、Rはガス定数である。
既製の太陽電池は通常、2本の金属電極の間に挟まれた薄い光活性層(例えば、約100ナノメートル)から構成される。特定の形態では、陽極は透過性の誘電性金属酸化物(インジウムスズ酸化物など)である。特定の形態では、陰極はアルミニウムである。
一部の実施形態では、電極は透過性であるため、電磁放射が光活性材料に到達する能力が妨げられることはない。既製の太陽電池はITOベースの陽極を使用している。特定の形態では、ITOベースの陽極によって光エネルギーの伝達が減少するため、より多くの電磁放射が光活性材料に届く。さらに、既製の太陽電池はアルミニウムベースの陰極を使用している。特定の形態では、アルミニウムベースの陰極は透過性ではない。そのため、一部の実施形態では、ここに公開する太陽電池は、太陽エネルギーを電池の複数の側面から吸収できる。この構造により、電極/光活性材料の相互作用が大幅に増す。
Diは拡散係数、Ciは濃度、Fはファラデー定数、z*は拡散種の有効電荷、Tは温度、Eは電界、Rはガス定数である。
一部の実施形態では、第1の電極および第2の電極は光活性材料によって取り囲まれている。
電極は、ウエハー、金属または非金属の基板、シート、あるいはフィルム上でパターン形成される。
一部の実施形態では、太陽電池は透過性の材料に取り囲まれ、この透過性の材料が電池の酸化を防いでいる。一部の実施形態では、太陽電池はガラス、プラスチック、セラミック、またはこれらの組み合わせによる透過性の材料に取り囲まれている。一部の実施形態では、太陽電池はガラスの透過性の材料に取り囲まれ、このガラスが電池の酸化を防いでいる。一部の実施形態では、太陽電池はプラスチックの透過性の材料に取り囲まれ、このプラスチックが電池の酸化を防いでいる。
一部の実施形態では、本電池は太陽電池モジュールを製造するために使用される。ここで使用する「太陽電池モジュール」という用語は、太陽電池の相互接続アセンブリーを指す。
ここに、特定の実施形態における、ダイオードの形状は垂直軸に沿って変化する、透過性の導体、半導体または半導体材料から構成される三次元ダイオードを公開する。一部の実施形態では、ダイオードは全ポリマーダイオードである。
形状
Diは拡散係数、Ciは濃度、Fはファラデー定数、z*は拡散種の有効電荷、Tは温度、Eは電界、Rはガス定数である。
素材
一部の実施形態では、陽極は導電性ポリマーの薄い層でコーティングされている。一部の実施形態では、陽極はPEDOT:PSSでコーティングされている。
製造方法
LED電池
一部の実施形態では、ダイオードは1本の陽極および1本の陰極から構成されている。一部の実施形態では、陽極は導電性ポリマーの薄い層でコーティングされている。一部の実施形態では、陽極はPEDOT:PSSでコーティングされている。
ダイオードは、ウエハー、金属または非金属の基板、シート、あるいはフィルム上でパターン形成される。
一部の実施形態では、電界発光電池は透過性の材料に取り囲まれ、この透過性の材料が電池の酸化を防いでいる。一部の実施形態では、電界発光電池はガラス、プラスチック、セラミック、またはこれらの組み合わせによる透過性の材料に取り囲まれている。一部の実施形態では、電界発光電池はガラスの透過性の材料に取り囲まれ、このガラスが電池の酸化を防いでいる。一部の実施形態では、電界発光電池はプラスチックの透過性の材料に取り囲まれ、このプラスチックが電池の酸化を防いでいる。
用途
例1 − 有機太陽電池
三次元電極マイクロアレイのマイクロ加工には、C−MEMS(有機MEMS)工程が用いられた。従来のフォトリソグラフィーに続き、熱分解を用いることで、シリコン基板の200μm上に三次元フォトレジスト由来炭素電極を設置することができた。電極は直径150μm、間隔は350μmであり、幅が75μmで1mm x 1mmのサイズのバンプパッドをトレースできる。熱分解による収縮を補うため、電極の柱状体(post、棒)のフォトレジスト層をまずは厚さ220μmでスピンコートし、最終的な高さは200μmとなった。チップ全体のサイズはlcm x lcmである。
PCBMはNano−C(マサチューセッツ州ウエストウッド)から購入し、これをさらに精製せずに使用した。P3HTはRieks Metal Inc.,(ネブラスカ州リンカーン)から購入した。PEDOT:PSS(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)はSigma−Aldrich(ミズーリ州セントルイス)から持ち込まれた。溶媒となるジクロロベンゼンはSigma−Aldrich(ミズーリ州セントルイス)から持ち込まれた。
P3HTとPCBMを1:1の重量比で混ぜてから、これをクロロベンゼンで溶解することで、P3HT/PCBMの混合物を調製した。0.0133グラムのP3HTおよびPCBMをそれぞれ1mLのジクロロベンゼン溶液で溶解し、27時間培養した。この混合物を、培養器内で3時間振動させた。混合物に上記の物質を0.0133グラムずつ追加し、さらに48時間振動させた。素材の抽出
合計で4種類のチップが作成された。試験ではそれぞれのチップを平面に置き、AM 1.5フィルターで1000W/m2の光を当てた。ワイヤーをマルチメーターに接続した。チップを水平面および垂直面に沿って回転させ、最適な電流発生条件を特定した。水平面に関しては45°が最適であった。垂直面に関しては、10°ごとに45°まで測定した。
太陽電池混合物およびPEDOT:PSSの層を塗布した後、光学顕微鏡を用いてそれぞれのチップの表面形態を調査した。図12は、光活性混合物を5層加えた後の、あるチップセット(10 x 10アレイ)の光学顕微鏡図である。
サンプルをAM 1.5フィルターで1000W/m2の光度に当て、発生した電流をマルチメーターで測定した。
いずれの実験においても、粒度が200〜500nmのニッケル粉(INCO 210H)を使用した。3種類の実験/サンプル構成について調査を行った。これらは表2に示されている。
Claims (12)
- 三次元電極であって、
導体または半導体材料から構成され、
前記導体または半導体材料は、炭素、炭素同素体、有機ポリマーのいずれかから選択され、
前記電極の形状は垂直軸に沿って変化することを特徴とする三次元電極。 - 前記三次元電極は、さらに、
a)導電性ポリマーでコーティングされ、
b)電極の形状が、円柱、角錐、ダイヤモンド形状、球体、半球、底面が長方形の角柱のいずれかであり、
c)陽極が導電性ポリマーでコーティングされると共に陽極の仕事関数が5eV以上であるか、陰極の仕事関数が5eV以下であるかのいずれか一方である、
請求項1の電極。 - 電界発光電池であって、
a)炭素、炭素同素体、有機ポリマーのいずれかから選択される導体または半導体材料で構成されている複数の三次元ダイオードと、
b)電流源と、
から構成されていることを特徴とする電界発光電池。 - 前記電池は、さらに、
a)ダイオードが1本の陽極および1本の陰極から構成され、
b)ダイオードがドナーポリマーおよびアクセプターポリマーから構成され、
c)電流によってドナー材料内の電子が励起し、
d)ドナー材料内の電子が正孔と結合し、
e)電子と正孔が結合することで、電子が低エネルギーレベルへと落ち、
f)電子が低レベルへと落ちることで、光子が放出される、
請求項3の電池。 - 前記電池は、さらに、
a)三次元ダイオードによってアレイが形成され、
b)少なくとも一部の前記三次元ダイオードの形状が、円柱、角錐、ダイヤモンド形状、球体、半球、底面が長方形の角柱のいずれかである、
請求項3の電池。 - 炭素、炭素同素体、有機ポリマーのいずれかから選択される導体または半導体材料で、ダイオードの形状が垂直軸に沿って変化する、導体または半導体材料から構成される三次元ダイオード。
- 前記ダイオードは、さらに、
a)少なくとも一部の三次元ダイオードが導電性ポリマーでコーティングされ、
b)前記ダイオードが1本の陽極および1本の陰極から構成され、
c)前記ダイオードの形状が円柱、角錐、ダイヤモンド形状、球体、半球、底面が長方形の角柱のいずれかである、
請求項6のダイオード。 - 光起電力電池であって、
(a)金属、合金、金属間材料、金属ガラス、複合材料、ポリマー、生体適合性材料、またはこれらの組み合わせのいずれかから選択される導体または半導体材料で構成される複数の三次元電極と、
(b)電極の形状が垂直軸に沿って変化する、少なくとも1つの光活性材料と、
から構成されていることを特徴とする光起電力電池。 - 請求項8に記されている複数の光起電力電池から構成される太陽電池パネル。
- 三次元電極であって、
金属、合金、金属間材料、金属ガラス、複合材料、ポリマー、生体適合性材料、またはこれらの組み合わせのいずれかから選択される導体または半導体材料で構成され、
前記電極の形状は垂直軸に沿って変化することを特徴とする三次元電極。 - 電界発光電池であって、
a)金属、合金、金属間材料、金属ガラス、複合材料、ポリマー、生体適合性材料、またはこれらの組み合わせのいずれかから選択される導体または半導体材料で構成される複数の三次元ダイオードと、
b)電流源と
から構成され、ダイオードの形状は垂直軸に沿って変化することを特徴とする電界発光電池。 - 三次元ダイオードであって、
金属、合金、金属間材料、金属ガラス、複合材料、ポリマー、生体適合性材料、またはこれらの組み合わせのいずれかから選択される導体または半導体材料で構成され、
ダイオードの形状は垂直軸に沿って変化することを特徴とする三次元ダイオード。
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