JP2015507353A - 安定化された金属酸化物層を有する光電デバイスの形成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、光電活性デバイスの製造の一部として金属酸化物層を堆積させること、及び、前記金属酸化物層を反応性試薬に曝して比較的疎水性の表面を形成することを含む方法である。本発明は、処理にかけられていないデバイスと比べて改善された安定性を示す、そのように製造されたデバイス、好ましくは光起電力デバイスも含む。

Description

本発明は、光電活性デバイス、例えば光起電力デバイスまたは有機発光ダイオードなどの一部である金属酸化物層を処理する方法に関する。本発明は、この方法を使用して形成されたデバイスにも関する。

光起電力デバイスは、入射光を吸収して電気出力を生成する材料を用いて製造される。かかる光電活性材料の例としては、第ＩＢ族〜第ＩＩＩＢ族カルコゲナイド、結晶性および／またはアモルファスシリコン、テルル化カドミウム、砒化ガリウムなどが挙げられる。これらのデバイスの幾つかは、光電活性材料の上に金属酸化物層を使用して製造することができる。金属酸化物層は、導電体または半導電体として機能し、それらの光に対する透明性のために選択される。金属酸化物は、有機発光ダイオードにおいて、上面電極としても使用される。酸化亜鉛は、しばしば使用され、特に第ＩＢ族〜第ＩＩＩＢ族カルコゲナイドに基づく光起電力セルにおいて使用される。

米国特許出願公開第２００７／０２９５３９０号明細書は、酸化亜鉛などの金属酸化物は、保護層として有用であり得ることを教示している。

驚くべきことに、米国特許出願公開第２００７／０２９５３９０号明細書の教示に反し、本発明者らは、酸化亜鉛は水分と反応しやすく、デバイスの長期安定性を低下させうることがあることを発見した。この反応は、弱酸の存在によっても促進されることがある。

従って、本発明者らは、特定の材料との金属酸化物層との反応が、当該金属酸化物層の水に対する感受性を低減することができ、光電活性デバイスを経時的により安定にすることができることを見出した。

そのため、第１の実施形態によれば、本発明は、光電活性デバイスの製造の一部としての金属酸化物層を堆積させること、および、当該金属酸化物層を反応性試薬に曝して比較的疎水性の表面を形成すること、を含む方法である。

第２の実施形態によれば、本発明は、少なくとも、背面電極、１つの光電活性層、および光電活性層上の金属酸化物を含み、金属酸化物層の上部が、当該層の光学的または電気的特性に実質的に影響を及ぼさずに金属酸化物と金属酸化物層の耐湿性を高める化合物との反応生成物を含む光電活性デバイスである。

図１は、本発明が有用である光起電力セルの一実施形態の概略図である。

本発明の光電活性デバイスは、例えば有機発光ダイオード、または、より好ましくは、光起電力デバイスなどの任意のデバイスであることができる。当該デバイスは、裏面（入射または受光の反対側）電極と、少なくとも１つの光電活性層と、当該光電活性層上の金属酸化物とにより特徴付けられる。金属酸化物は、前面電極として機能することができ、またはさらなる前面電極と組み合わせて使用される中間層であってもよい。金属酸化物層は、好ましくは、ドープされた若しくは未ドープの酸化亜鉛またはドープされた若しくは未ドープの酸化スズ（例えば、酸化インジウムスズ）であるが、より好ましくは酸化亜鉛層、例えば酸化亜鉛、ドープされた酸化亜鉛（例えば、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはインジウムドープ酸化亜鉛）である。

当該デバイスが有機発光ダイオードである場合、活性層は、任意の低分子または高分子材料であって、電流が当該材料に適用されるときに光を放出する任意の低分子または高分子材料であることができる。好ましくは、当該デバイスは、上記の部類の光起電力セルである。光起電力セルは、裏面電極と、吸収体と、少なくとも１種の金属酸化物層、好ましくは酸化亜鉛に基づく層を含む。第ＩＢ族〜第ＩＩＩＢ族カルコゲナイドが好適な吸収体である。これらの組成物を、以下、総称して光電活性なカルコゲンベース（ＰＡＣＢ）の組成物と呼ぶことにする。

図１は、本発明の方法により製造することができる光起電力物品１０の一実施形態を示す。この物品１０は、支持体２２と、裏面電気コンタクト２４と、カルコゲナイド吸収体２０とを含む基材を含む。物品１０は、さらに、本発明のｎ型カルコゲナイド組成物を含むバッファ領域２８、任意の表側電気コンタクト窓領域２６、透明導電性領域３０、集電グリッド４０、および周囲条件から物品１０を保護および隔離することを助けるための任意のバリア領域３４を含む。これらの部材の各々が、単層として図１に示されているが、必要に応じて、これらのいずれも独立に複数の副層から形成されたものであってもよい。現在知られているまたは今後開発される光起電力セルにおいて通常使用されるさらなる層（図示せず）が設けられていてもよい。しばしば本明細書で使用するように、セルの上部１２は、入射光１６を受ける側であるとみなす。吸収体上に硫化カドミウムに基づく層を形成する方法は、異なる波長の輻射線を吸収する吸収体をそれぞれ含む２つのセルが互いの上部に設けられたタンデムセル構造においても使用できる。

支持体２２は、硬質または軟質の基材であることができる。支持体２２は、様々な材料から形成することができる。これらの材料としては、ガラス、石英、他のセラミック材料、ポリマー、金属、金属合金、金属間組成物、紙、織布または不織布、これらの組み合わせなどが挙げられる。ステンレス鋼が好ましい。軟質基材は、薄膜吸収体および他の層の柔軟性を最大限に活用することを可能にするために好ましい。

裏面電気コンタクト２４は、物品１０を外部回路に電気的に結合させるための便利な方法を提供する。コンタクト２４は、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗの１種以上、これらの組み合わせなどを含む様々な導電性材料から形成することができる。Ｍｏを含む導電性組成物が好ましい。裏面電気コンタクト２４は、また、吸収体２０への支持体構成成分の移行を最低限に抑えるために、支持体２２から吸収体２０を隔離することを助けることができる。例えば、裏面電気コンタクト２４は、吸収体２０にステンレス鋼支持体２２のＦｅおよびＮｉ成分の移行を妨げることを助けることができる。裏面電気コンタクト２４は、例えば、Ｓｅが吸収体２０の形成に使用された場合に、Ｓｅから保護することによって、支持体２２を保護することもできる。

吸収体２０は、好ましくは、銅、インジウムおよび／またはガリウムのうちの少なくとも１種を含む、少なくとも１種のｐ型の第Ｉｂ族〜第ＩＩＩｂ族カルコゲナイド、例えばセレン化物、硫化物およびセレン化物−硫化物を含む。多くの実施形態において、これらの材料は、多結晶形態で存在する。有利なことに、これらの材料は、吸収体２０が非常に薄く柔軟であることを可能にする、光吸収のための優れた断面を示す。例示的な実施形態において、典型的な吸収体領域２０は、約３００ｎｍ〜約３０００ｎｍ、好ましくは約１０００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。

かかるｐ型カルコゲナイド吸収体の代表例は、銅、インジウム、アルミニウムおよび／またはガリウムのうちの少なくとも１種を含む、セレン化物、硫化物、テルル化物および／またはこれらの組み合わせである。より典型的には、Ｃｕ、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌのうちの少なくとも２種または少なくとも３種が存在する。硫化物および／またはセレン化物が好ましい。いくつかの実施形態としては、銅およびインジウムの硫化物またはセレンが挙げられる。さらなる実施形態としては、銅、インジウムおよびガリウムのセレン化物または硫化物が挙げられる。アルミニウムは、さらなるまたは代替金属として、典型的にはガリウムの幾らかまたは全てと置き換わるものとして使用してよい。具体例としては、セレン化銅インジウム、セレン化銅インジウムガリウム、セレン化銅ガリウム、硫化銅インジウム、硫化銅インジウムガリウム、セレン化銅ガリウム、硫化セレン化銅インジウム、硫化セレン化銅ガリウム、硫化銅インジウムアルミニウム、セレン化銅インジウムアルミニウム、硫化セレン化銅インジウムアルミニウム、硫化銅インジウムアルミニウムガリウム、セレン化銅インジウムアルミニウムガリウム、硫化セレン化銅インジウムアルミニウムガリウム、および硫化セレン化銅インジウムガリウムが挙げられるが、これらに限定されない。性能を向上させるために、吸収体材料に他の材料、例えばＮａ、Ｌｉなどをドープしてもよい。さらに、多くのカルコゲン材料は、電子特性に著しい悪影響を及ぼさずに不純物として少なくともいくらかの酸素を少量含むことがある。１つの好ましい部類のＣＩＧＳ材料は、式：
Ｃｕ_ａＩｎ_ｂＧａ_ｃＡｌ_ｄＳｅ_ｗＳ_ｘＴｅ_ｙＮａ_ｚ （Ａ）
により表すことができる。ここで、「ａ」が１として定義される場合、
「（ｂ＋ｃ＋ｄ）／ａ」＝１．０〜２．５、好ましくは１．０〜１．６５であり、
「ｂ」は、０〜２、好ましくは０．８〜１．３であり、
「ｃ」は、０〜０．５、好ましくは０．０５〜０．３５であり、
「ｄ」は、０〜０．５、好ましくは０．０５〜０．３５、好ましくはｄ＝０であり、
「（ｗ＋ｘ＋ｙ）」は２〜３、好ましくは２〜２．８であり、
「ｗ」は、０以上、好ましくは少なくとも１、より好ましくは少なくとも２〜３であり、
「ｘ」は、０〜３、好ましくは０〜０．５であり、
「ｙ」は、０〜３、好ましくは０〜０．５であり、
「ｚ」は、０〜０．５、好ましくは０．００５〜０．０２である。

吸収体２０は、例えば蒸着、スパッタリング、電着、溶射および焼結などの１種以上の方法を使用して任意の好適な方法により形成することができる。1つの好ましい方法は、１種以上の好適な供給源（例えばスパッタターゲット）からの構成元素の共蒸着であり、共蒸着では、個々の構成元素は、同時に、逐次的にまたはそれらの組み合わせで、一緒に熱表面上に熱的に蒸着され、吸収体２０を形成する。堆積後、吸収体特性を仕上げるために、堆積した材料を１以上のさらなる処理にかけてもよい。

裏面電気コンタクト２４と支持体２２との間および／または裏面電気コンタクト２４と吸収体領域２０との間の密着性を高めることを助けるために、現在知られているまたは今後開発される常套手段によって、任意の層（図示せず）を基材上に使用しても良い。さらに、周囲からデバイス１０を隔離するのを助けるためおよび／またはデバイス１０を電気的に隔離するために、支持体２２の裏面上に１つ以上のバリア層（図示せず）を設けることができる。

バッファ領域２８は、好ましくは、吸収体２０上に堆積された硫化カドミウムに基づく材料である。バッファ領域は、化学浴堆積またはスパッタリングなどの任意の公知の方法によって形成することができる。

単層であってもまたは複数の副層から形成されていてもよい任意の窓領域２６は、短絡から保護するのを助けることができる。窓領域２６は、ＴＣ領域３０のその後の堆積の間にバッファ領域２８を保護することもできる。窓領域２６は、様々な材料から形成することができ、しばしば、抵抗性の透明酸化物（ＴＣＯ）、例えばＺｎ、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｓｎ、これらの組み合わせなどから形成される。１つの典型的な窓材料は真性ＺｎＯである。典型的な窓領域２６は、約１ｎｍ〜約２００ｎｍ、好ましくは約１０ｎｍ〜約１５０ｎｍ、より好ましくは約８０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。

単層であってもまたは複数の副層から形成されていてもＴＣＯ領域３０は、バッファ領域２８に結合電気的に結合されており、物品１０のために上部導電性電極を提供する。多くの好適な実施形態において、ＴＣＯ領域３０は、少なくとも１０ｎｍ、好ましくは少なくとも５０ｎｍ、より好ましくは少なくとも１００ｎｍで、１５００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満の厚さを有する。図示されているように、ＴＣＯ領域３０は、窓領域２６と直接接触しているが、１つ以上の介在層を、必要に応じて、例えば密着性、電気的性能などを向上させるためなどの様々な理由で介在させてもよい。

透明導電性領域３０を形成する際に、様々な透明導電性酸化物、非常に薄い導電性透明金属フィルム、またはこれらの組み合わせを使用することができる。透明導電性酸化物が好ましい。かかるＴＣＯの例としては、フッ素ドープ酸化錫、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、酸化亜鉛、これらの組み合わせなどが挙げられる。１つの例示的な実施形態において、ＴＣＯ領域３０は、バッファの近位にある第１の副層が酸化亜鉛を含み、第２の副層がＩＴＯおよび／またはＡＺＯを含む二層構造を有する。ＴＣＯ層は、スパッタリングまたは他の好適な堆積技術により都合良く形成される。

金属酸化物層の処理は、任意の窓層および透明導電体のいずれかまたは両方で行われてもよいが、表面処理は、好ましくは、上部または露出した表面に対して行われる。

金属酸化物層の上部は、水分との反応に対する金属酸化物の抵抗性を高める化合物に曝露することにより、本発明で処理される。好ましくは、処理された金属酸化物層は、酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛である。表面処理は、表面で反応することによって、金属酸化物層全体の電気的および光学的特性を実質的に維持しつつ水分との金属酸化物の反応を妨げる反応性ガスまたは他の材料への暴露である。好ましい反応性ガスは、硫化水素またはセレン化水素であるが、他の材料、例えば硫黄またはセレンの揮発性有機化合物を使用してもよい。例えば、揮発性チオール（Ｒ−ＳＨ）またはセレオール（ｓｅｌｅｏｌｓ）（Ｒ−ｓｈｅ）、硫化物（Ｒ−Ｓ−Ｒ）またはセレン化物（Ｒ−Ｓｅ−Ｒ）、ここで、Ｒは有機官能基を表す。任意の残留炭素汚染を裂けるために、例えばＨ_２ＳまたはＨ_２Ｓｅなどの反応性ガスの使用が好ましい。Ｈ_２ＳおよびＨ_２Ｓｅの場合、表面処理は、好ましくは、ＴＣＯを、反応性ガスに、０℃〜２５０℃、好ましくは２５℃〜１５０℃の範囲内の温度で、１秒間〜３０分間、好ましくは１０秒間〜６０秒間の最上層（top layer）の変換を行うのに十分な時間、０．０１ｍｂａｒ〜１ｂａｒ、好ましくは０．０５ｍｂａｒ〜０．２ｍｂａｒのガス圧力で曝すことにより行われる。

好適な実施形態によれば、反応性化合物は硫化水素またはセレン化水素であり、得られる金属酸化物は、表面での反応に利用可能な酸素の量の減少を示す角度分解Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により測定した場合に、０．８未満、好ましくは０．７以下であるが、０．２より大きい、５ｎｍの深さでの酸素に対する金属のモル比を示す。さらに、好ましくは、５ｎｍでの金属に対する硫黄またはセレンの比（どのガスが使用されるかに依存する）は、少なくとも０．１、より好ましくは少なくとも０．３、最も好ましくは少なくとも０．５であり、反応性ガスの表面反応を示す。

あるいは、１ｋｅＶセシウムスパッタビームを使用して二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって示される表面処理の反応の深さは、フィルム中の反応性化学種（例えばＳｅまたはＳ）の残留シグナルによって示される、好ましくは、上部の２０ｎｍ、より好ましくは上部の１０ｎｍ、最も好ましくは５ｎｍに主に見出される。残留反応性化学種の非常に小さな信号が依然として１％未満で観察することができるが、これらの範囲を超える深さでは、バルクフィルムは、表面処理により好ましくは実質的に変化しないが、残留反応性化学種の非常に小さなシグナルが１％未満で観測されることがある。

任意の集電グリッド構造体４０は、この層のシート抵抗を低減するためにＴＣＯ領域３０上に堆積されてもよい。グリッド構造体４０は、好ましくは、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、およびそれらの組み合わせの１種以上を含む。好ましくは、グリッドはＡｇから製造される。Ｎｉの任意のフィルム（図示せず）は、ＴＣＯ領域３０に対するグリッド構造体の密着性を高めるために使用することができる。この構造体は、ワイヤメッシュまたは類似のワイヤ構造で作製することや、スクリーン印刷、インクジェット印刷、電気メッキ、フォトリソグラフィ、および任意の好適な堆積法を使用して好適なマスクを介しての金属化によって作製されるなど、様々な方法で形成することができる。

カルコゲナイドに基づく光起電力セルは、光起電力物品１０の状部に好適なバリア保護に直接的な低温適用によって、水分が関連する分解を受けにくくする。バリア保護は、単層または複数の副層であることができる。図示されているように、バリアは、集電グリッド構造体を覆っていないが、かかるグリッドを覆ったバリアは、図示されているバリアの代わりにまたは図示されているバリアに加えて使用することができる。

実施例１
真性ＺｎＯフィルムと２質量％ＡｌドープＺｎＯフィルムの積層体の試料は、高周波スパッタリング法により成膜した。具体的には、１５０ｎｍのｉ−ＺｎＯフィルムを、まず、約０．００３ｍｂａｒの圧力で、１００Ｗ、約０．２５％のＯ_２（残りはＡｒ）を使用して最初に堆積させた。次に、厚さ約２３０ｎｍのＡｌドープＺｎＯフィルムを、約０．００３ｍｂａｒの圧力で、１００Ｗ、１００％Ａｒで堆積させた。フィルムを、約１５０℃の基材温度でホウケイ酸ガラス上に堆積させた。

周囲条件にこれらのフィルムを露出させず、フィルムを０．１ｍｂａｒの圧力および２つの異なる基材温度：約２５℃および約１４０℃で、Ｈ_２ＳまたはＨ_２Ｓｅと反応させた。反応の程度を確認するためにＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を使用した。結果を表１に示す。

上記データから、サンプリング深さが減少した場合に、硫黄またはセレンと亜鉛との比が増加するため、表面に近い領域内で反応が起こることが判る。また、Ｓｅ／Ｚｎ比が１の理論上の最大値に近づくために、反応の程度はＨ_２Ｓｅの場合の方がより高い。反応したフィルムの吸光度を未反応の対照試料と比較したところ、積層体の光学的性質は、硫化水素およびセレン化水素との反応によって影響を受けないことが判った。

反応したフィルムおよび対照フィルムを８５℃および相対湿度（ＲＨ）８５％に維持された環境室に入れ、フィルムのホール抵抗率を様々な時間間隔で測定した。各時間間隔で３回の反復測定値を得た。表２から、フィルムの抵抗率の増加分が反応したフィルムの場合にかなり小さいという点で、反応は有益な保護効果を提供することが判る。

実施例２
酸化インジウム錫をガラス基材上にコートした。次に、コーティングを０．１ｍｂａｒおよび１４０℃で硫化水素により３９分間処理した。フィルムを、１０、５および３ｎｍの分析深さにそれぞれ対応する９０、３０および１５度の取出し角（take-off angle）で角度分解ＸＰＳを使用して分析した。結果から、各深さにおける酸素に対する金属のモル比が約０．７であるのに対し、金属に対する硫黄の比は０．１弱であることが判った。

実施例３
硫化水素ではなくセレン化水素を使用して実施例２を繰り返した。結果から、３および５ｎｍで酸素に対する金属の比が約０．６であり、１０ｎｍで３．７であることが判り、このことから上部レベルでより多くの反応が示唆され、一方、金属に対するセレンの比は１０ｎｍで約０．３であり、３および５ｎｍで約０．４であることが判った。

実施例４
酸化インジウム錫ではなく酸化亜鉛のコーティングについて実施例２を繰り返した。結果から、各深さで酸素に対する金属の比が約０．５〜０．７であるのに対し、金属に対する硫黄の比が０．４〜０．７であることが判った。これを、未処理の酸化亜鉛フィルムの場合の約０．８〜０．９の酸素に対する金属の比と比較した。

実施例５
酸化インジウム錫ではなく酸化亜鉛のコーティングについて実施例３を繰り返した。結果から、酸素に対する金属の比が約０．４〜０．６であるのに対し、金属に対するセレンの比が約０．３〜約０．４であることが判った。

Claims (8)

1. 光電活性デバイスの製造の一部として金属酸化物を堆積させること、および、前記金属酸化物を、酸化物と反応する反応性試薬に曝して比較的疎水性の表面を形成すること、を含む方法。
2. 前記光電活性デバイスが光起電力デバイスである、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属酸化物が酸化亜鉛または酸化インジウム錫である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記金属酸化物が酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛である、請求項３に記載の方法。
5. 前記反応性試薬が硫化水素またはセレン化水素である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法により製造された光電活性デバイス。
7. 吸収体層と金属酸化物を含む少なくとも１つのさらなる層とを有する光起電力デバイスであって、金属酸化物層の表面が、前記金属酸化物と、当該層の光学的または電気的特性に実質的に影響を及ぼさずに当該層の耐湿性を高める化合物との反応生成物を含む、光起電力デバイス。
8. 表面修飾の深さが２０ｎｍ未満である、請求項７に記載のデバイス。

Images