JP2017503348A - 光電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第1の電極、第2の電極、および第1の電極と第2の電極との間に光活性な層を含む光電池、ならびにその製造に関する。本発明はさらに、光電池における、少なくとも2種の特定の供与体材料の使用に関する。
Description
発明の分野
本発明は、第1の電極、第2の電極、および第1の電極と第2の電極との間に光活性な層を含む、光電池に、ならびにその製造に関する。本発明はさらに、光電池における、少なくとも2種の特定の供与体材料の使用に関する。
本発明は、第1の電極、第2の電極、および第1の電極と第2の電極との間に光活性な層を含む、光電池に、ならびにその製造に関する。本発明はさらに、光電池における、少なくとも2種の特定の供与体材料の使用に関する。
背景および従来技術
光電池は、光の形態にあるエネルギーを電気に変換するために一般に使用される。典型的な光活性なセルは、第1の電極、第2の電極、第1の電極と第2の電極との間に光活性な層を含む。一般に、電極の1つは、光が光活性な層を通過するのを許容する。この透明電極は例えば、半導体材料(例えば、酸化インジウムスズ)の膜で作製され得る。
光電池は、光の形態にあるエネルギーを電気に変換するために一般に使用される。典型的な光活性なセルは、第1の電極、第2の電極、第1の電極と第2の電極との間に光活性な層を含む。一般に、電極の1つは、光が光活性な層を通過するのを許容する。この透明電極は例えば、半導体材料(例えば、酸化インジウムスズ)の膜で作製され得る。
光電池配置(configuration)は、既に、例えばUS7781673B、US8058550B、US8455606B、US8008424B、US2007/0020526A、US77724285B、US8008421B、US2010/0224252A、WO2011/085004AおよびWO2012/030942Aに記載されている。
しかしながら、以下に列挙するように、改善が所望される以下の問題の1つ以上が未だに存在する。
1.光電変換効率は未だに十分高くなく、改善されるべきである。
2.光電池の曲線因子は、未だに改善が必要である。
1.光電変換効率は未だに十分高くなく、改善されるべきである。
2.光電池の曲線因子は、未だに改善が必要である。
3.光活性な層の厚さの増大によって、曲線因子の低下が一般にもたらされる。光活性な層の厚さが増加するときの、相応しての曲線因子の損失を低減し、光電池の性能を改善することが、望ましい。
4.熱安定性における改善の必要が未だに存在する。
4.熱安定性における改善の必要が未だに存在する。
発明の詳細な説明
本発明者らは、前述の問題の1つ以上を解決することを目的とした。
驚くべきことに、本発明者らは、
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極(120)と第2の電極(160)との間に、光活性な層(140)、
を含み、ここで、光活性な層(140)が、第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;ここで、第1の供与体材料および第2の供与体材料は互いに異なり、および供与体材料のそれぞれは同じ化学構造で表される共通の構成単位(building block)を含み、該共通の構成単位は共役した縮合環部分を含む、本発明の光電池(100)を見出した。
本発明者らは、前述の問題の1つ以上を解決することを目的とした。
驚くべきことに、本発明者らは、
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極(120)と第2の電極(160)との間に、光活性な層(140)、
を含み、ここで、光活性な層(140)が、第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;ここで、第1の供与体材料および第2の供与体材料は互いに異なり、および供与体材料のそれぞれは同じ化学構造で表される共通の構成単位(building block)を含み、該共通の構成単位は共役した縮合環部分を含む、本発明の光電池(100)を見出した。
好ましくは、それは、問題1〜4の1つ以上を解決する。本発明のさらなる利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の好ましい態様において、共通の構成単位は、供与体材料の電子供与性単位を構成する。
好ましくは、本発明による光電池、供与体材料の共通の共役した縮合環部分は各出現において、以下の式(A1)〜(A106)からなる群から選択される、
R1は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR1は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R2は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR2は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R3は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR3は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R2は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR2は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R3は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR3は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R4は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR4は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R5は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR5は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R6は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C、40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR6は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R5は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR5は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R6は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C、40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR6は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R7は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR7は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R8は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR8は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R9は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R10は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R8は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され、ここでR8は、好ましくはH、C1〜C40アルキル、またはCOOR9であり;
R9は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R10は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
より好ましくは、本発明による光電池、供与体材料の共通の共役した縮合環部分は各出現において、式(A10)、(A12)、(A13)、(A19)、(A20)、(A21)、(A22)および(A23)からなる群から選択される。
なおより好ましくは、供与体材料の共通の共役した縮合環部分は各出現において、式(A10)または(A21)によって表される。
好ましくは、本発明による光電池は、供与体材料の少なくとも1種が電子求引性構成単位を含むものである。
好ましくは、本発明による光電池は、供与体材料の少なくとも1種が電子求引性構成単位を含むものである。
より好ましくは、本発明による光電池は、供与体材料の少なくとも2種が電子求引性構成単位を含み、供与体材料の1種の、電子求引性構成単位が供与体材料の残りの電子求引性構成単位より高い電子求引性能力を有するものである。
好ましくは、本発明による光電池は、第1の供与体材料の電子求引性構成単位が以下の式(B1)〜(B93)
式中、以下が、使用する符号に該当する:
R11は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R12は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R13は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R11は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R12は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R13は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R14は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R15は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R16は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R15は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R16は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R17は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R18は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C240アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
からなる群から選択され、
R18は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C240アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
からなる群から選択され、
ならびに第2の供与体材料の電子求引性構成単位が以下の式(C1)〜(C91)
式中、以下が、使用する符号に該当する:
R19は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R20は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R21は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R19は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R20は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R21は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R22は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R23は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R24は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R23は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R24は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25、およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R25は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R26は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである、
からなる群から選択されるものである。
R26は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである、
からなる群から選択されるものである。
本発明の特に好ましい態様において、第1の供与体材料の電子求引性構成単位は、式(B15)、(B16)、(B45)、(B46)、(B47)、および(B48)のいずれか1つによって表され;第2の供与体材料の電子求引性構成単位は、式(C64)によって表される。
より特に好ましくは、第1の供与体材料の電子求引性構成単位は、式(B15)、(B16)、および(B45)のいずれか1つによって表され;第2の供与体材料の電子求引性構成単位は、式(C64)によって表される。
本発明の好ましい態様において、供与体材料の少なくとも1種は、ポリマーまたはオリゴマーである。
より好ましくは、供与体材料の少なくとも1種は、以下の式(1)
式中、R9、R10、R11およびR12は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、ハロゲン(例えば、フッ素、塩素、もしくは臭素)、またはC1〜C4トリハロアルキル(例えば、トリフルオロメチル)であり、但しR9、R10、R11およびR12の少なくとも2つは、ハロゲン、またはC1〜C4トリハロアルキルである、
により表されるフェニル部分を含む。好ましくは、R9、R10、R11およびR12は、ハロゲンである。最も好ましくは、R9、R10、R11およびR12は、フッ素である。
により表されるフェニル部分を含む。好ましくは、R9、R10、R11およびR12は、ハロゲンである。最も好ましくは、R9、R10、R11およびR12は、フッ素である。
なおより好ましくは、供与体材料の少なくとも2種は、各出現において互いに独立してKP179、KP252およびKP184からなる群から選択される、または、KP143およびKP155である。
上に記載した供与体材料を、例えばUS7781673B、US8058550B、US8455606B、US8008424B、US2007/0020526A、US77724285B、US8008421B、US2010/0224252A、WO2011/085004AおよびWO2012/030942Aに記載されているように得ることができる。または供与体材料を、当該分野で知られている方法によって製造することができる。例えば、コポリマーを、2つの有機金属基(例えば、アルキルスタンニル基、グリニャール基またはアルキル亜鉛基)を含有する1種以上のモノマーと、2つのハロ基(例えば、Cl、BrまたはI)を含む1種以上のモノマーとの間の、遷移金属触媒存在下でのクロスカップリング反応によって製造することができる。上に記載したコポリマーを製造するために使用することができる他の方法は、鈴木カップリング反応、根岸カップリング反応、熊田カップリング反応およびスティルカップリング反応を含む。
以下の例1〜4は、他の例および比較例で使用する供与体材料をいかにして製造したかの記載を提供する。
上に記載した供与体材料を製造するのに適するモノマーを、本明細書中に記載した方法によって、または当該分野で知られている方法、例えばMacromolecules 2003, 36, 2705-2711、Kurt et al., J. Heterocycl. Chem. 1970, 6, 629、Chen et al., J. Am. Chem. Soc., (2006) 128(34), 10992-10993、Hou et al., Macromolecules (2004), 37, 6299-6305およびBijleveld et al., Adv. Funct. Mater., (2009), 19, 3262-3270に記載されているものによって製造することができる。
好ましくは、受容体材料は、フラーレン、フラーレン誘導体、ペリレンジイミド誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、ジケト−ピロロ−ピロール誘導体、ビ−フルオレニリデン誘導体、ペンタセン誘導体、キナクリドン誘導体、フルオランテンイミド誘導体、ホウ素−ジピロメテン誘導体、オキサジアゾール、金属フタロシアニンおよびサブフタロシアニン、無機ナノ粒子、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド(carbon nanorod)、無機ナノロッド、CN基を含有するポリマー、CF3基を含有するポリマーまたはこれらの任意のものの組み合わせからなる群から選択された化合物を含む。
より好ましくは、受容体材料は、置換フラーレンを含む。
なおより好ましくは、置換フラーレンは、PC60BM、PC61BM、PC70BMおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
なおより好ましくは、置換フラーレンは、PC60BM、PC61BM、PC70BMおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明の好ましい態様において、光活性な層は、さらにドーパントを含む。
より好ましくは、ドーパントは、ジヨードオクタン、オクタデカンチオール、フェニルナフタレンおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
より好ましくは、ドーパントは、ジヨードオクタン、オクタデカンチオール、フェニルナフタレンおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明はさらに、光電池における、供与体材料の使用であって;
光電池(100)が:
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極(120)と第2の電極(160)との間に、光活性な層(140)
を含み、ここで光活性な層(140)が第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いと異なり、およびそれぞれの供与体材料が同じの化学構造の共通の構成単位を含み、該共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、前記使用に関する。
光電池(100)が:
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極(120)と第2の電極(160)との間に、光活性な層(140)
を含み、ここで光活性な層(140)が第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いと異なり、およびそれぞれの供与体材料が同じの化学構造の共通の構成単位を含み、該共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、前記使用に関する。
一般に、光活性な層(140)の製造方法は、所望されるように変化させることができる。
いくつかの態様において、光活性な層(140)を、好ましくは液体ベースのコーティング方法を使用することにより製造することができる。
用語「液体ベースのコーティング方法」は、液体ベースのコーティング組成物を使用する方法を意味する。
いくつかの態様において、光活性な層(140)を、好ましくは液体ベースのコーティング方法を使用することにより製造することができる。
用語「液体ベースのコーティング方法」は、液体ベースのコーティング組成物を使用する方法を意味する。
ここで、用語「液体ベースのコーティング組成物」は、溶液、分散体および懸濁液を包含する。
より具体的には、液体ベースコーティング方法を、以下の方法の少なくとも1つを使用することにより行うことができる:溶液コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、浸漬コーティング、ナイフコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング、ローラーコーティング、スロットコーティング、グラビアコーティング フレキソ印刷、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、またはスクリーン印刷。
より具体的には、液体ベースコーティング方法を、以下の方法の少なくとも1つを使用することにより行うことができる:溶液コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、浸漬コーティング、ナイフコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング、ローラーコーティング、スロットコーティング、グラビアコーティング フレキソ印刷、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、またはスクリーン印刷。
一般に、供与体材料および受容体材料を、一緒に溶媒に溶解してもよく、この状況において供与体材料および受容体材料を、先ず一緒に混合し、次に溶媒に溶解してもよい。またはそれらを、同じ溶媒に、または異なる溶媒に、別々に溶解して、別々の溶液を得、次にそれらを混合してもよい。混合後、得られた溶液を、下部の層の上に、本明細書中で定義した液体コーティング方法によって被覆する。
それゆえ一側面において、本発明はさらに、本発明の光電池の製造方法であって、以下のステップ
(a)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、一緒に溶媒に溶解すること、
(b)その後、ステップ(a)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること
を含み、
(a)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、一緒に溶媒に溶解すること、
(b)その後、ステップ(a)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること
を含み、
ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いに異なり、およびそれぞれの供与体材料が同じ化学構造の共通の構成単位を含み、該共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、
前記方法に関する。
前記方法に関する。
別の側面において、本発明はまた、本発明の光電池を製造方法であって、以下のステップ
(a’)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、同じのタイプまたは異なるタイプの溶媒にそれぞれ別々に溶解して、異なる溶液を得ること、
(b’)ステップ(a’)から得られた溶液を混合して、第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含有する溶液を得ること;
(c’)その後、ステップ(b’)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること、
を含み、
(a’)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、同じのタイプまたは異なるタイプの溶媒にそれぞれ別々に溶解して、異なる溶液を得ること、
(b’)ステップ(a’)から得られた溶液を混合して、第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含有する溶液を得ること;
(c’)その後、ステップ(b’)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること、
を含み、
ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いに異なり、および供与体材料のそれぞれが同じの化学構造の共通の構成単位を含み、該共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、
前記方法に関する。
前記方法に関する。
好ましくは、溶媒は、有機溶媒から選択される。
より好ましくは、前記溶媒は、脂肪族炭化水素、塩素化炭化水素、芳香族炭化水素、ケトン、エーテルおよびそれらの混合物からなる群から選択される。使用することができるさらなる溶媒は、1,2,4−トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラ−メチルベンゼン、ペンチルベンゼン、メシチレン、クメン、シメン、シクロヘキシルベンゼン、ジエチルベンゼン、テトラリン、デカリン、2,6−ルチジン、2−フルオロ−m−キシレン、3−フルオロ−o−キシレン、2−クロロベンゾトリフルオリド、N,N−ジメチルホルムアミド、2−クロロ−6−フルオロトルエン、2−フルオロアニソール、アニソール、2,3−ジメチルピラジン、4−フルオロアニソール、3−フルオロアニソール、3−トリフルオロ−メチルアニソール、2−メチルアニソール、フェネトール、4−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−フルオロ−3−メチルアニソール、2−フルオロベンゾニトリル、4−フルオロベラトロール、2,6−ジメチルアニソール、3−フルオロベンゾ−ニトリル、2,5−ジメチルアニソール、2,4−ジメチルアニソール、ベンゾニトリル、3,5−ジメチル−アニソール、N,N−ジメチルアニリン、安息香酸エチル、1−フルオロ−3,5−ジメトキシ−ベンゼン、1−メチルナフタレン、N−メチルピロリジノン、3−フルオロベンゾ−トリフルオリド、ベンゾトリフルオリド、ジオキサン、トリフルオロメトキシ−ベンゼン、4−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロピリジン、トルエン、2−フルオロ−トルエン、2−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロトルエン、4−イソプロピルビフェニル、フェニルエーテル、ピリジン、4−フルオロトルエン、2,5−ジフルオロトルエン、1−クロロ−2,4−ジフルオロベンゼン、2−フルオロピリジン、3−クロロフルオロ−ベンゼン、1−クロロ−2,5−ジフルオロベンゼン、4−クロロフルオロベンゼン、クロロ−ベンゼン、o−ジクロロベンゼン、2−クロロフルオロベンゼン、p−キシレン、m−キシレン、o−キシレンもしくはo−、m−およびp−異性体の混合物またはこれらの任意の組み合わせを含む。
より好ましくは、前記溶媒は、脂肪族炭化水素、塩素化炭化水素、芳香族炭化水素、ケトン、エーテルおよびそれらの混合物からなる群から選択される。使用することができるさらなる溶媒は、1,2,4−トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラ−メチルベンゼン、ペンチルベンゼン、メシチレン、クメン、シメン、シクロヘキシルベンゼン、ジエチルベンゼン、テトラリン、デカリン、2,6−ルチジン、2−フルオロ−m−キシレン、3−フルオロ−o−キシレン、2−クロロベンゾトリフルオリド、N,N−ジメチルホルムアミド、2−クロロ−6−フルオロトルエン、2−フルオロアニソール、アニソール、2,3−ジメチルピラジン、4−フルオロアニソール、3−フルオロアニソール、3−トリフルオロ−メチルアニソール、2−メチルアニソール、フェネトール、4−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−フルオロ−3−メチルアニソール、2−フルオロベンゾニトリル、4−フルオロベラトロール、2,6−ジメチルアニソール、3−フルオロベンゾ−ニトリル、2,5−ジメチルアニソール、2,4−ジメチルアニソール、ベンゾニトリル、3,5−ジメチル−アニソール、N,N−ジメチルアニリン、安息香酸エチル、1−フルオロ−3,5−ジメトキシ−ベンゼン、1−メチルナフタレン、N−メチルピロリジノン、3−フルオロベンゾ−トリフルオリド、ベンゾトリフルオリド、ジオキサン、トリフルオロメトキシ−ベンゼン、4−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロピリジン、トルエン、2−フルオロ−トルエン、2−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロトルエン、4−イソプロピルビフェニル、フェニルエーテル、ピリジン、4−フルオロトルエン、2,5−ジフルオロトルエン、1−クロロ−2,4−ジフルオロベンゼン、2−フルオロピリジン、3−クロロフルオロ−ベンゼン、1−クロロ−2,5−ジフルオロベンゼン、4−クロロフルオロベンゼン、クロロ−ベンゼン、o−ジクロロベンゼン、2−クロロフルオロベンゼン、p−キシレン、m−キシレン、o−キシレンもしくはo−、m−およびp−異性体の混合物またはこれらの任意の組み合わせを含む。
次に本発明の光電池の他のコンポーネントを検討すると、電極(120)は一般に、電気的に伝導性な材料から形成する。電気的に伝導性な材料のタイプは、特に限定されない。例えば、好適な電気的に伝導性な材料は、電気的に伝導性な金属、電気的に伝導性な合金、電気的に伝導性なポリマー、もしくは電気的に伝導性な金属酸化物またはこれらの任意の組み合わせを含む。
例示的な電気的に伝導性な金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタンまたはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。例示的な電気的に伝導性な合金は、ステンレス鋼(例えば、332ステンレス鋼、316ステンレス鋼)、金の合金、銀の合金、銅の合金、アルミニウムの合金、ニッケルの合金、パラジウムの合金、白金の合金、チタンの合金、炭素、グラフェン、カーボンナノチューブまたはこれらの任意の組み合わせを含む。
例示的な電気的に伝導性なポリマーは、ポリチオフェン(例えば、ドープしたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(ドープしたPEDOT))、ポリアニリン(例えば、ドープしたポリアニリン)、ポリピロール(例えば、ドープしたポリピロール)またはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。
例示的な電気的に伝導性な金属酸化物は、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)、酸化スズを含むことができる。
例示的な電気的に伝導性な金属酸化物は、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)、酸化スズを含むことができる。
電極(120)は、2つ以上の積み重ねた層からなっていてもよい。理論によって束縛されることを望まずに、かかる電極によって、電極(120)の伝導性の増大および/または環境的安定性がもたらされ得ると考えられている。
いくつかの態様において、電極(120)は、光電池(100)の可撓性および/または透明性を増強する、メッシュ電極であり得る。メッシュ電極の例は、米国特許出願公開番号2004-0187911および2006-0090791に記載されている。
好ましくは、本発明の光電池は、基板(110)を含むことができる。
基板(110)のための材料は、特には限定されない。透明な、または不透明な材料を、所望により使用することができる。
基板(110)のための材料は、特には限定されない。透明な、または不透明な材料を、所望により使用することができる。
一般に、基板(110)は、可撓性、半硬質または硬質であり得る。
好適な例は、金属基板、炭素基板、合金基板、ガラス基板、ポリマー膜上に積み重ねられた薄いガラス基板、ポリマー基板、セラミックスまたはこれらの任意の組み合わせである。
好適な例は、金属基板、炭素基板、合金基板、ガラス基板、ポリマー膜上に積み重ねられた薄いガラス基板、ポリマー基板、セラミックスまたはこれらの任意の組み合わせである。
好ましくは、透明な基板、例えば透明なポリマー基板、ガラス基板、透明なポリマー膜上に積み重ねられた薄いガラス基板、透明な金属酸化物(例えば、シリコーン酸化物、酸化アルミニウム、酸化チタン)を、光電池で使用することができる。
他の観点において、その光変換効率を増大させるために、反射性基板を、この様式で使用することができる。例えば金属基板、基板の表面のトップに反射層(例えば、Al、Tiまたは反射性多層)を有する基板。
別の観点において、金属基板を好ましくはこの様式で用いて、光電池に対するその熱的損傷を低減させることができる。
別の観点において、金属基板を好ましくはこの様式で用いて、光電池に対するその熱的損傷を低減させることができる。
透明なポリマー基板は、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、エチレン−ビニルアルコールコポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフホン、ポリエーテルスルホン、テトラフロオルエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレンエチレンコポリマー、テトラフロオルエチレンヘキサフルオロポリマーコポリマー、またはこれらの任意の組み合わせから作製することができる。
任意に、本発明の光電池は、電極(120)と光活性な層(140)との間に正孔遮断層(130)を含むことができる。正孔遮断層(130)は、2つ以上の積み重ねた層からなっていてもよい。理論によって束縛されることを望まずに、かかる正孔遮断層によって、正孔遮断層(130)の電子輸送および/または正孔遮断能力を制御または調整することが可能になり得ると考えられている。
一般に、正孔遮断層(130)は、光電池(100)で使用する厚さで電子を電極(120)に輸送し、電極(120)への正孔の輸送を実質的に遮断する材料から形成される。
例えば、正孔遮断層(130)を、LiF、金属酸化物(例えば、酸化亜鉛または酸化チタン)、実質的に電子輸送および正孔遮断の能力を有する有機材料によって形成することができる。
例えば、正孔遮断層(130)を、LiF、金属酸化物(例えば、酸化亜鉛または酸化チタン)、実質的に電子輸送および正孔遮断の能力を有する有機材料によって形成することができる。
有機材料の例として、特に以下に述べるグリセロールジグリシジルエーテル(DEG)、WO 2012/154557Aに開示されているポリエチレンイミン(PEI)、米国特許出願公開第2008-0264488号(現在米国特許第8,242,356号)に開示されるアミノ基を有するポリエチレンイミンを、単一の構成成分として、好ましくは、これら:
理論によって束縛されることを望まずに、光電池(100)がアミン製の正孔遮断層(130)を含む場合に、正孔遮断層によって光活性な層(140)と電極(120)との間の抵抗接点の形成がUV光に曝露せずに促進され得、それによってかかるUV曝露に起因する光電池(100)に対する損傷が低減されると考えられている。
正孔遮断層(130)の厚さは、要望通りに変化させてもよい。
いくつかの態様において、正孔遮断層(130)は、少なくとも1nmおよび/または最大で500nmの厚さを有することができる。
好ましくは、正孔遮断層(130)の厚さは、少なくとも2nmおよび/または最大で100nmである。
いくつかの態様において、正孔遮断層(130)は、少なくとも1nmおよび/または最大で500nmの厚さを有することができる。
好ましくは、正孔遮断層(130)の厚さは、少なくとも2nmおよび/または最大で100nmである。
任意に、本発明の光電池は、光活性な層(140)と電極(160)との間に正孔担体層(150)を含むことができる。正孔担体層(150)は好ましくは、正孔担体層(150)の正孔輸送/電子遮断能力を制御および/または調整するための2つ以上の積み重ねた層であり得る。
一般に、正孔担体層(150)は、光電池(100)で使用する厚さで正孔を電極(160)に輸送し、電極(170)への正孔の輸送を実質的に遮断する材料から形成される。
正孔担体層(150)は一般に、正孔輸送可能な材料から形成される。正孔輸送材料のタイプは、特に限定されない。
例えばポリチオフェン(例えば、PEDOT)、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフェタネン、それらのコポリマー、およびこれらの任意の組み合わせ。
例えばポリチオフェン(例えば、PEDOT)、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフェタネン、それらのコポリマー、およびこれらの任意の組み合わせ。
いくつかの態様において、金属酸化物、例えばMoO3、または正孔輸送能力を有する有機材料、例えばチオフェン、アニリン、カルバゾール、フェニレン、アミノ誘導体を使用して、正孔担体層(150)を形成することができる。
いくつかの態様において、正孔担体層(150)は、前述の正孔輸送材料の1種以上と組み合わせて使用するドーパントを含むことができる。
いくつかの態様において、正孔担体層(150)は、前述の正孔輸送材料の1種以上と組み合わせて使用するドーパントを含むことができる。
ドーパントの例について、ポリ(スチレン−スルホネート)、ポリマースルホン酸、フッ素化ポリマー(例えば、フッ素化イオン交換ポリマー)、TCNQ(例えば、F4−TCNQ)、およびEP 1476881、EP1596445、PCT/US2013/035409に開示されている電子受容性を有する材料またはこれらの任意の組み合わせ。
正孔担体層(150)の厚さは、要望通りに変化し得る。厚さは、例えば光電池(100)中の隣接する層の仕事関数に依存し得る。
いくつかの態様において、正孔担体層(150)は、少なくとも1nmおよび/または最大で500nmの厚さを有することができる。
いくつかの態様において、正孔担体層(150)は、少なくとも1nmおよび/または最大で500nmの厚さを有することができる。
電極(160)は一般に、電気的に伝導性な材料、例えば電極(120)に関して上に記載した電気的に伝導性な材料の1種以上から形成する。いくつかの態様において、電極(160)を、電極(120)に関して上に記載したメッシュ電極から形成することができる。
任意に、光電池(100)は、下部の層(120)、(130)、(140)、(150)および/または(160)を保護するための保護層(170)を有することができる。かかる保護層は、光活性な層(140)を保護するのに有用であると見出された。
基板(110)に関して上に記載した透明な基板を、保護層(170)として使用することができる。
いくつかの態様において、透明な金属酸化物、例えばアルミナ、シリコーン酸化物、酸化チタン、水ガラス(ケイ酸ナトリウム水溶液)または透明なポリマーを使用して、保護層(170)を形成することができる。
いくつかの態様において、透明な金属酸化物、例えばアルミナ、シリコーン酸化物、酸化チタン、水ガラス(ケイ酸ナトリウム水溶液)または透明なポリマーを使用して、保護層(170)を形成することができる。
いくつかの態様において、本発明による光電池はさらに、電極(160)の上の、または保護層(170)の上の波長変換層および/または反射防止層を含んで、光変換効率を増強することができる。
いくつかの態様において、保護層(170)は、波長変換層または反射防止層であり得る。
一般に、光電池(100)中の層(120)、(130)、(150)、(160)および(170)の各々を製造する方法は、要望通りに異なり、周知の手法から選択することができる。
一般に、光電池(100)中の層(120)、(130)、(150)、(160)および(170)の各々を製造する方法は、要望通りに異なり、周知の手法から選択することができる。
いくつかの態様において、層(120)、(130)、(150)、(160)または(170)を、ガス相ベースのコーティング方法(例えば、化学蒸着、蒸着、フラッシュ蒸発)、または液体ベースのコーティング方法によって製造することができる。
いくつかの態様において、光電池(100)を、連続的な製造工程、例えばロールツーロール(roll-to-roll)法で製造し、それによって製造コストを著しく低減させることができる。ロールツーロール法の例は、例えば米国特許第7,476,278号および8,129,616号に記載されている。
いくつかの態様において、光電池(100)は、図1に示す層を逆の順序で含むことができる。言いかえれば、光電池(100)は、これらの層を底から最上部に、以下の順序で含むことができる:任意の基板(110)、電極(160)、光活性な層(140)、電極(120)および任意に保護層(170)。
逆転した光電池(100)は、電極(160)と光活性な層(140)との間に任意の正孔担体層(150)および/または光活性な層(140)と電極(120)との間に正孔遮断層(130)を含むことができる。
いくつかの態様において、基板(110)は、透明であり得る。
いくつかの態様において、基板(110)は、透明であり得る。
いくつかの態様において、上に記載した光活性な層(140)を、2つの光電池が共通の電極を共有する系で使用することができる。かかる系はまた、直列の光電池として知られている。例示的な直列の光電池は、例えば米国出願公開第2009-02116333号、2007-0181179号、2007-0246094号および2007-0272296号に記載されている。
図2は、2つのセミセル(semi-cell)(202)および(204)を有する直列の光電池(200)の概略図を示す。セミセル(202)は、電極(220)、任意に正孔遮断層(230)、第1の光活性な層(240)、再結合層(242)を含む。セミセル(204)は、再結合層(242)、第2の光活性な層(244)、任意に正孔担体層(250)、および電極(260)を含む。外部負荷を、光電池(200)に、電極(220)および(260)を介して接続することができる。任意に、直列の光電池(200)は、光電池(100)に関して上に記載した基板および/または保護層を含むことができる。
生産プロセスおよび所望のデバイス構造に依存して、セミセルにおける電流フローを、ある層の電子/正孔伝導性を変化させること(例えば、正孔遮断層(230)を正孔担体層(250)に変化させること)により逆転させることができる。
再結合層(242)は、第1のセミセルから発生した電子が第2のセミセルから発生した正孔と再結合する直列のセル中の層を指す。
再結合層(242)は、第1のセミセルから発生した電子が第2のセミセルから発生した正孔と再結合する直列のセル中の層を指す。
再結合層(242)は典型的には、p型半導体材料およびn型半導体材料を含む。一般に、n型半導体材料は電子を選択的に輸送し、p型半導体材料は正孔を選択的に輸送する。
その結果、第1のセミセルから発生した電子は、第2のセミセルから発生した正孔と、再結合層(242)中のn型およびp型半導体材料の界面で再結合する。
その結果、第1のセミセルから発生した電子は、第2のセミセルから発生した正孔と、再結合層(242)中のn型およびp型半導体材料の界面で再結合する。
いくつかの態様において、p型半導体材料は、ポリマーおよび/または金属酸化物を含む。p型半導体ポリマーの例は、ベンゾジチオフェン含有ポリマー類、ポリチオフェン類(例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン(PEDOT))、ポリアニリン類、ポリビニルカルバゾール類、ポリフェニレン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフェタネン類、ポリシクロペンタジチオフェン類、ポリシラシクロペンタジチオフェン類、ポリシクロペンタジチアゾール類、ポリチアゾール類、ポリベンゾチアジアゾール類、ポリ(チオフェンオキシド)類、ポリ(シクロペンタジチオフェンオキシド)類、ポリチアジアゾロキノキサリン類、ポリベンゾイソチアゾール類、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ(チエノチオフェンオキシド)、ポリジチエノチオフェン、ポリ(ジチエノチオフェンオキシド)類、ポリテトラヒドロイソインドール類およびそれらのコポリマーを含む。
金属酸化物は、真性p型半導体(例えば、酸化銅、酸化ストロンチウム銅もしくは酸化ストロンチウムチタン)またはドーパントでドープした後にp型半導体を形成する金属酸化物(例えば、pドープした酸化亜鉛もしくはpドープした酸化チタン)であり得る。ドーパントの例は、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物の塩または酸を含む。いくつかの態様において、金属酸化物を、ナノ粒子の形態で使用することができる。
いくつかの態様において、n型半導体材料(真性、またはドープしたn型半導体材料のいずれか)は、金属酸化物、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン、およびこれらの任意の組み合わせを含む。金属酸化物を、ナノ粒子の形態で使用することができる。他の態様において、n型半導体材料は、フラーレン(例えば、上に記載したもの)、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、CN基を含むポリマー、CF3基を含むポリマー、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された材料を含む。
いくつかの態様において、p型およびn型半導体材料を、1つの層中にブレンドする。ある態様において、再結合層(242)は、2つの層を含み、一方の層はp型半導体材料を含み、他方の層はn型半導体材料を含む。かかる態様において、再結合層(242)はさらに、電気的に伝導性な層(例えば、金属層または混合n型およびp型半導体材料)を2つの層の界面で含むことができる。
いくつかの態様において、再結合層(242)は、少なくとも30wt%(例えば、少なくとも40wt%もしくは少なくとも50wt%)および/または最大で70wt%(例えば、最大で60wt%もしくは最大で50wt%)のp型半導体材料を含む。いくつかの態様において、再結合層(242)は、少なくとも30wt%(例えば、少なくとも40wt%もしくは少なくとも50wt%)および/または最大で70wt%(例えば、最大で60wt%もしくは最大で50wt%)のn型半導体材料を含む。
再結合層(242)は一般に、下部の層が再結合層(242)上に適用したあらゆる溶媒から保護されるのに十分な厚さを有する。いくつかの態様において、再結合層(242)は、少なくとも10nm(例えば、少なくとも20nm、少なくとも50nm、もしくは好ましくは少なくとも100nm)ならびに/または最大で500nm(例えば、最大で200nm、最大で150nmおよび好ましくは100nm)の厚さを有することができる。
一般に、再結合層(242)は、実質的に透明である。例えば、直列の光電池(200)で使用する厚さで、再結合層(242)は、光電池の動作中に使用する波長または波長の範囲(例えば、350nm〜1,000nm)での少なくとも70%(例えば、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%または少なくとも90%)の入射光を透過することができる。
再結合層(242)は一般に、十分低い表面抵抗を有する。いくつかの態様において、再結合層(242)は、最大で約(aboutness)1×106オーム/スクエア(例えば、最大で5×105オーム/スクエア、最大で2×105オーム/スクエアまたは最大で1×105オーム/スクエア)の表面抵抗を有する。
理論によって束縛されることを望まずに、再結合層(242)を、光電池(200)中の2つのセミセル(例えば、一方は電極(220)、任意に正孔遮断層(230)、光活性な層(240)および再結合層(242)を含み、他方は再結合層(242)、光活性な層(244)、任意に正孔担体層(250)および電極(260)を含む)間の共通の電極と考慮することができることが、考えられている。いくつかの態様において、再結合層(242)は、電気的に伝導性なグリッド(例えば、メッシュ)材料、例えば上に記載したものを含むことができる。電気的に伝導性なグリッド材料は、同一の極性(p型またはn型のいずれか)の選択的な接触をセミセルに提供し、電子を輸送するための高度に伝導性であるが透明な層を負荷に提供することができる。
いくつかの態様において、一層の再結合層(242)を、n型半導体材料およびp型半導体材料のブレンドを光活性な層上に適用することにより製造することができる。例えば、n型半導体およびp型半導体を、先ず溶媒中で一緒に分散させ、および/または溶解して、分散体または溶液を形成することができ、それを次に光活性な層上に被覆して、再結合層を形成することができる。
いくつかの態様において、二層の再結合層を、n型半導体材料の層およびp型半導体材料の層を別々に適用することにより製造することができる。例えば、酸化チタンナノ粒子をn型半導体材料として使用する場合、酸化チタンナノ粒子の層を、(1)前駆体(例えば、チタン塩)を溶媒(例えば、無水アルコール)中に分散させて、分散体を形成し、(2)光活性な層上に分散体を被覆し、(3)分散体を加水分解して、酸化チタン層を形成し、(4)酸化チタン層を乾燥することにより形成することができる。他の例として、ポリマー(例えば、PEDOT)をp型半導体として使用する場合、ポリマー層を、先ずポリマーを溶媒(例えば、無水アルコール)に溶解して、溶液を形成し、次に光活性な層上に溶液を被覆することにより形成することができる。
任意に基板および/または保護層を含む、直列のセル(200)中の他のコンポーネントは、同一の材料から形成するか、または上に記載した光電池(100)におけるものと同一の特性を有することができる。
いくつかの態様において、多数の光電池を、電気的に接続して、光起電システムを形成することができる。例として、図3は、複数の光電池(320)を含むモジュール(310)を有する光起電システム(300)の概略図である。光電池(320)は、電気的に直列に接続され、システム(300)は、負荷(330)に電気的に接続される。
他の例として、図4は、複数の光電池(420)を含むモジュール(410)を有する光起電システム(400)の概略図である。光電池(420)は、電気的に並列に接続され、システム(400)は、負荷(430)に電気的に接続される。いくつかの態様において、光起電システムにおけるいくつかの光電池を、共通の基板の1つまたはいくつか上に配置することができる。好ましくは、いくつかの態様において、光起電システムにおけるいくつかの光電池は電気的に直列に接続され、光起電システムにおける光電池のいくつかは電気的に並列に接続される。
本発明の光電池を、別のタイプの光電池の1つ以上と組み合わせて使用することができる。かかる光電池の例は、色素増感光電池、ペロブスカイトの光活性なセル、アモルファスシリコンから形成した光活性な材料を有する無機の光活性なセル、結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶質シリコン、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化銅インジウムおよび/またはセレン化銅インジウムガリウムを含む。
用語の定義
用語「透明」は、光電池において使用する厚さで、および光電池の動作中に使用する波長またはある範囲の波長で、少なくとも約60%の入射光伝送を意味する。好ましくは、それは、70%超、より好ましくは75%超であり、最も好ましくは、それは80%超である。
用語「透明」は、光電池において使用する厚さで、および光電池の動作中に使用する波長またはある範囲の波長で、少なくとも約60%の入射光伝送を意味する。好ましくは、それは、70%超、より好ましくは75%超であり、最も好ましくは、それは80%超である。
本発明によると、用語「オリゴマー」は、少なくとも2および最大で100の数平均重合度nを有する材料の意味を有する。
用語「ポリマー」は、少なくとも101以上の数平均重合度nを有する材料を意味する。
数平均重合度(Pn)を、ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)によって測定した数平均分子量(Mn)およびモノマーの分子量から決定することができる。
本発明によると、用語「電子求引能力」は、系中の電子密度を低下させる能力を意味する。
用語「ポリマー」は、少なくとも101以上の数平均重合度nを有する材料を意味する。
数平均重合度(Pn)を、ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)によって測定した数平均分子量(Mn)およびモノマーの分子量から決定することができる。
本発明によると、用語「電子求引能力」は、系中の電子密度を低下させる能力を意味する。
用語「光学密度」は、吸光度として定義される。
および吸光度を、以下の式によって定義することができる;
Aλ = −log10(I/I0)
式中、Aλは、吸光度を表し、Iは、特定波長λでの、サンプル(光電池)を通過した光の強度であり、I0は、それがサンプルに進入する前の光の強度である。
用語「ピーク光学密度」は、400nm〜1100nmの波長領域を有する光を光電池に対して適用するときの光電池のピーク光学密度値を意味する。
用語「最大光学密度」は、400nm〜1100nmの波長領域を有する光を光電池に対して適用するときの光電池の最大光学密度値として定義される。
および吸光度を、以下の式によって定義することができる;
Aλ = −log10(I/I0)
式中、Aλは、吸光度を表し、Iは、特定波長λでの、サンプル(光電池)を通過した光の強度であり、I0は、それがサンプルに進入する前の光の強度である。
用語「ピーク光学密度」は、400nm〜1100nmの波長領域を有する光を光電池に対して適用するときの光電池のピーク光学密度値を意味する。
用語「最大光学密度」は、400nm〜1100nmの波長領域を有する光を光電池に対して適用するときの光電池の最大光学密度値として定義される。
この明細書中で開示した各特徴は、他に述べない限り同一の、均等の、または類似した目的を果たす代替の特徴によって置き換えられ得る。したがって、他に述べない限り、開示した各特徴は、総括的な一連の均等の、または同様の特徴の一例であるに過ぎない。
本発明を、以下の例を参照してより詳細に記載するが、これは単に説明的なものであり、本発明の範囲を限定しない。
本発明を、以下の例を参照してより詳細に記載するが、これは単に説明的なものであり、本発明の範囲を限定しない。
例1: 1,4−ビス(2−ブロモ−4,4’ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’,3’−dlシロール])−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼンの合成
4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’,3’−d]シロール(1.68g、4.0mmol)を、50mlの乾燥THF(テトラヒドロフラン)に溶解した。溶液を−78℃に冷却した後、N−ブチルリチウム(BuLi)(1.40ml、4.0mmol)を、溶液中に加えた。反応混合物を−78℃で30分間撹拌した後、SnMe3Cl(4.0ml、4.0mmol)を、反応フラスコ中にシリンジによって加えた。次に反応混合物を放置して、室温へと温まるようにした。1,4−ジブロモ−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼン(0.61g、2.0mmol)およびビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)クロリド(0.14g、0.20mmol)を、5mlのTHFに溶解した。
得られた溶液を次に、上記の溶液中にシリンジによって加えた。次に反応混合物を、一晩還流させた。反応を冷却した後、それを水によって反応停止し、ジクロロメタンによって抽出した。粗生成物を回転蒸発によって濃縮し、カラムクロマトグラフィーによって精製して、1,4−ビス(4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’3’−d]シロン)−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼンを黄色油(1.4g、72%)として得た。
上で得られた1,4−ビス(2−ブロモ−4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’3’−d]シロン)−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼン(0.98g、1.0mmol)およびN−ブロモスクシンイミド(NBS)(0.36g、2.0mmol)を、30mlのクロロホルムに溶解した。溶液を、1時間還流させた。反応混合物を室温に冷却した後、水を加えて、反応を停止した。有機層をクロロホルムによって抽出して、粗生成物を得た。粗生成物を、カラムクロマトグラフィーによって精製して、1,4−ビス(2−ブロモ−4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’3’−d]シロン)−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼンを黄色固体(1.08g、95%)として得た。
例2: 2,5−ビス(5−トリメチルスタンニル−3−テトラデシル−2−チエニル)−チアゾロ[5,4−d]チアゾールの合成
100mlのSchlenkフラスコを排気し、Arで3回再充填した。35mlの乾燥THFを、フラスコに加えた。フラスコを、その後摂氏−78度に冷却した。次にN−ブチルリチウム(0.64mmol)を、上記の溶液に滴加した。溶液を−78℃で1時間撹拌した後、0.7mlの塩化トリメチルスズの1.0M溶液を、反応混合物中にシリンジ注入した。溶液を放置して室温へと温まるようにした後、100mlのジエチルエーテルを、溶液に加えた。溶液を、100mlの水で3回洗浄し、次に有機層を、無水MgSO4で乾燥した。溶媒を真空中で除去した後、2,5−ビス(5−トリメチルスタンニル−3−テトラデシル−2−チエニル)−チアゾロ[5,4−d]チアゾールを、定量的収率で単離した。
例3: KP179の合成
2,5−ビス(5−トリメチルスタンニル−3−テトラデシル−2−チエニル)−チアゾロ[5,4−d]チアゾールを、100mlの3つ首丸底フラスコ中に移送した。次に以下の試薬を、3つ首フラスコに加えた:7mg(7μmol)のPd2(dba)3、18mg(59μmol)のトリ−o−トリル−ホスフィン、332mg(0.29mmol)の1,4−ビス(2−ブロモ−4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’,3’−d]シロール)−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼンおよび20mlの乾燥トルエン。この反応混合物を2日間還流させ、次に80℃に冷却した。ナトリウムジエチルジチオカルバメート三水和物の水溶液(20mlの水中1.5g)を、フラスコ中に注入し、混合物を80℃で12時間一緒に撹拌した。混合物を室温に冷却した後、有機相を水層から分離した。有機層をメタノール(200ml)中に注いで、ポリマー沈殿物を生成した。次にポリマー沈殿物を採集し、ソックスレー抽出によって精製した。最終的な抽出によって、123mg(Mn=31kDa)のポリ[1,4−ビス(4,4’−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2’,3’−d]シロール)−2,3,5,6−テトラフルオロベンゼン−alt−2,5−ビス(3−テトラデシル−2−チエニル)−チアゾロ[5,4−d]チアゾール]が得られた。
例4: KP252、KP184、KP143およびKP155の合成
KP252、KP184、KP143およびKP155を、例1〜3に記載したものに類似した方式で、対応するモノマーを使用して製造した。
KP252、KP184、KP143およびKP155を、例1〜3に記載したものに類似した方式で、対応するモノマーを使用して製造した。
例5: KP266の合成
KP266を、例1〜3に記載したものに類似した方式で、対応するモノマーを使用して製造した。
KP266を、例1〜3に記載したものに類似した方式で、対応するモノマーを使用して製造した。
例6: KP179、KP252および混合PCBMでの、光電池の製作
光電池を、以下のように製造した:
ITO被覆ガラス基板を、それぞれアセトンおよびイソプロパノール中で超音波処理することにより清浄にした。基板を、次にUV/オゾンで処理した。
光電池を、以下のように製造した:
ITO被覆ガラス基板を、それぞれアセトンおよびイソプロパノール中で超音波処理することにより清浄にした。基板を、次にUV/オゾンで処理した。
薄い正孔遮断層を、清浄にした基板上に、0.5wt%のポリエチレンイミン(PEI)および0.5wt%のグリセロールジグリシジルエーテル(DEG)(ブタノール中1:1重量比)を使用して形成した。正孔遮断層の厚さは、20nmであった。このようにして形成した基板を、100℃で2分間アニールした。次に、KP179、KP252、PC60BMおよびPC70BM(o−ジクロロベンゼン(ODCB)中4:3:13.1:4.4重量比)を、ODCBに溶解し、得られた溶液を、ブレードコーティング手法を使用することにより正孔遮断層上に被覆して、光活性な層を形成し、その厚さを制御して、0.553の光電池のピーク光学密度を達成した。加熱および冷却の後、MoO3からなる2.5nmの厚さの正孔担体層を、光活性な層上に堆積によって形成した。次に、第1の光電池を、最上部電極としての正孔担体層上に、銀層(80nm)の蒸着によって製造した。
3つの他の光電池を、光活性な層の層厚さについて予測して、前の段落に記載した第1の光電池と同一の方式で作成した。光電池の光活性な層の層厚さを変化させて0.679、0.751または0.877の光電池のピーク光学密度を達成することによって、3つのさらなる光電池を製作した。
さらに、4つのさらなる光電池を、光活性な層について予測して上に記載した光電池と同じ方式で製作した。
さらに、4つのさらなる光電池を、光活性な層について予測して上に記載した光電池と同じ方式で製作した。
KP179、KP252、PC60BM、PC70BM(o−ジクロロベンゼン(ODCB)中4:2:11.2:3.8の重量比)および得られたODCB溶液を、正孔遮断層上に注いで、光活性な層を形成し、その厚さを制御して、0.512、0.574、0.773および0.792の光電池のピーク光学密度を達成した。
光電池の電流−電圧特性を、Keithley 2400 SMUを使用して測定し、一方で光電池を、Oriel Xenon太陽シミュレーター(100mW/cm2)上のAM 1.5G放射の下で照射した。
図5−a、bは、実施例6で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
図5−a、bは、実施例6で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例1: KP252およびPC60BMでの、光電池の製作
比較例1としての光電池を、光活性な層がKP252およびPC60BMを1:2重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを各々独立して0.22、0.252および0.308の光電池の光学密度を達成するように制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同一の方式で作製した。
比較例1としての光電池を、光活性な層がKP252およびPC60BMを1:2重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを各々独立して0.22、0.252および0.308の光電池の光学密度を達成するように制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同一の方式で作製した。
ならびに、KP252およびPC60BMを1:2重量比で、ならびに1wt%の1−8−ジヨードオクタン(DIO)をドーパントとして含む光活性な層を有する光電池を、例1で開示した同じ方式で製作した。光電池の各々の1つの光活性な層の層厚さを、0.23、0.28、0.289および0.32の光電池の最大光学密度を達成するように制御した。
図6−a、bは、比較例1で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
図6−a、bは、比較例1で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例2: KP179およびPCBMでの、光電池の製作
比較例2としての光電池を、光活性な層がKP179およびPCBMを含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.609、0.862、1.161および1.384の光電池のピーク吸収値を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じの方式で作製した。
図7−a、bは、比較例2で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例2としての光電池を、光活性な層がKP179およびPCBMを含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.609、0.862、1.161および1.384の光電池のピーク吸収値を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じの方式で作製した。
図7−a、bは、比較例2で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例3: KP179、JA19BおよびPC60BMでの、光電池の製作
比較例3としての光電池を、光活性な層がKP179、JA19B(Konarka)およびPCBMを4:2:15重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.421、0.482、0.588、0.69、0.767および0.83の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図8−a、bは、比較例3で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例3としての光電池を、光活性な層がKP179、JA19B(Konarka)およびPCBMを4:2:15重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.421、0.482、0.588、0.69、0.767および0.83の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図8−a、bは、比較例3で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例4: KP179、PDPPTPTおよびPC61BMでの、光電池の製作
比較例4としての光電池を、光活性な層がKP179、PDPPTPT(Konarkaから)およびPC61BMを4:2:12重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.679、0.54、0.888および1.193の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例1に記載した第1の光電池と同一の方式で作製した。
図9−a、bは、比較例4で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例4としての光電池を、光活性な層がKP179、PDPPTPT(Konarkaから)およびPC61BMを4:2:12重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.679、0.54、0.888および1.193の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例1に記載した第1の光電池と同一の方式で作製した。
図9−a、bは、比較例4で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
例7: KP143、KP155およびPC60BMでの、光電池の製作
例7としての光電池を、光活性な層がKP143、KP155およびPC60BMを4:2:15重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.625、0.629、0.749、0.796、0.882、0.949および0.986の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図10−a、bは、例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
例7としての光電池を、光活性な層がKP143、KP155およびPC60BMを4:2:15重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.625、0.629、0.749、0.796、0.882、0.949および0.986の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図10−a、bは、例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例5: KP143およびPCBMでの、光電池の製作
比較例5としての光電池を、光活性な層がKP143およびPCBMを1:2重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.6〜0.7、0.6〜0.67、0.6〜0.8、0.7〜0.75および0.85〜0.95の範囲内の光電池の光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図11−a、bは、比較例5で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例5としての光電池を、光活性な層がKP143およびPCBMを1:2重量比で含み、光活性なセルの光活性な層の層厚さを0.6〜0.7、0.6〜0.67、0.6〜0.8、0.7〜0.75および0.85〜0.95の範囲内の光電池の光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図11−a、bは、比較例5で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例6: ドーパントを有するKP155、PC70BMでの、光電池の製作
比較例6としての光電池を、光活性な層がKP155、PC70BMおよびDIO 1wt%、ODT 1wt%またはドーパントとしてのフェニルナフタレン1wt%を含む以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびDIO 1wt%を含んだ場合において、光電池の光活性な層の層厚さを、0.282、0.303および0.369の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびODT 1w%を含んだ場合において、光活性なセルの光活性な層の層厚さを、0.468、0.204および0.279の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびフェニルナフタレン1w%を含んだ場合に関して、光電池の光活性な層の層厚さを、0.281、0.295および0.305の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。
図12−a、bは、比較例6で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例6としての光電池を、光活性な層がKP155、PC70BMおよびDIO 1wt%、ODT 1wt%またはドーパントとしてのフェニルナフタレン1wt%を含む以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびDIO 1wt%を含んだ場合において、光電池の光活性な層の層厚さを、0.282、0.303および0.369の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびODT 1w%を含んだ場合において、光活性なセルの光活性な層の層厚さを、0.468、0.204および0.279の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。光活性な層がKP155、PC70BMおよびフェニルナフタレン1w%を含んだ場合に関して、光電池の光活性な層の層厚さを、0.281、0.295および0.305の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した。
図12−a、bは、比較例6で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例7: KP143、JA19BおよびPC60BMでの、光電池の製作
比較例7としての光電池を、光活性な層がKP143、JA19BおよびPC60BMを(4:2:15)重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.428、0.445、0.482、0.507、0.614、0.754および0.823の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図13−a、bは、比較例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例7としての光電池を、光活性な層がKP143、JA19BおよびPC60BMを(4:2:15)重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.428、0.445、0.482、0.507、0.614、0.754および0.823の光電池のピーク光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図13−a、bは、比較例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
例8: KP179、KP184およびPCBMでの、光電池の製作
例8としての光電池を、光活性な層がKP179、KP184およびPCBMを4:2:12重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.713、0.796、0.862および0.907の光電池のピーク光学密度、ならびに0.9、0.68および0.54の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
例8としての光電池を、光活性な層がKP179、KP184およびPCBMを4:2:12重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.713、0.796、0.862および0.907の光電池のピーク光学密度、ならびに0.9、0.68および0.54の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、例6に記載した第1の光電池と同じ方式で作製した。
図14−a、bは、例8で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)についての熱試験結果を示す。および図14−aにおいて、左から右への順序から開始して、アニールしなかった光電池のセル性能、摂氏85度で168時間アニールした光電池のセル性能、摂氏85度で288時間にわたる光電池のセル性能を、述べる。
比較例8: KP179およびPC60BMでの、光電池の製作
比較例8としての光電池をまた、光活性な層がKP179およびPC60BMを1:2重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.761、1.274、1.486の光電池のピーク光学密度、および2.6、1.1、0.88の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、同じ方式で作製した
図15−a、bは、比較例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例8としての光電池をまた、光活性な層がKP179およびPC60BMを1:2重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.761、1.274、1.486の光電池のピーク光学密度、および2.6、1.1、0.88の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、同じ方式で作製した
図15−a、bは、比較例7で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例9: KP266およびPC60BMでの、光電池の製作
比較例9としての光電池をまた、光活性な層がKP266およびPC60BMを1:2重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.448、0.56、0.749および0.799の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、同じ方式で作製した。
図16−a、bは、比較例9で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
比較例9としての光電池をまた、光活性な層がKP266およびPC60BMを1:2重量比で含み、光電池の光活性な層の層厚さを0.448、0.56、0.749および0.799の光電池の最大光学密度を達成するように各々独立して制御した以外は、同じ方式で作製した。
図16−a、bは、比較例9で製作した光電池のセル性能(曲線因子および光変換効率)を示す。
ここで、前に述べた例および比較例で製作した光電池の電流−電圧特性を、例6に記載したのと同じ方式で測定した。
図面中の参照符号の一覧
100. 光電池
110. 基板(任意)
120. 電極
130. 正孔遮断層(任意)
140. 光活性な層
150. 正孔担体層(任意)
160. 電極
170. 保護層(任意)
100. 光電池
110. 基板(任意)
120. 電極
130. 正孔遮断層(任意)
140. 光活性な層
150. 正孔担体層(任意)
160. 電極
170. 保護層(任意)
200. 直列の光電池
202. セミセル
204. セミセル
220. 電極
230. 正孔遮断層(任意)
240. 第1の光活性な層
242. 再結合層
244. 第2の光活性な層
250. 正孔担体層(任意)
260. 電極
202. セミセル
204. セミセル
220. 電極
230. 正孔遮断層(任意)
240. 第1の光活性な層
242. 再結合層
244. 第2の光活性な層
250. 正孔担体層(任意)
260. 電極
300. 光起電システム
310. モジュール
320. 複数の光電池
330. 負荷
310. モジュール
320. 複数の光電池
330. 負荷
400. 光起電システム
410. モジュール
420. 複数の光電池
430. 負荷
410. モジュール
420. 複数の光電池
430. 負荷
Claims (22)
- 光電池であって:
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極(120)と第2の電極(160)との間に、光活性な層(140)、
を含み、ここで光活性な層(140)が第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;ここで、第1の供与体材料および第2の供与体材料は互いに異なり、および供与体材料のそれぞれは同じ化学構造で表される共通の構成単位を含み、該共通の構成単位は共役した縮合環部分を含む、前記光電池。 - 共通の構成単位が供与体材料の電子供与性単位を構成する、請求項1に記載の光電池。
- 共通の構成単位が各出現において以下の式(A1)〜(A106)
R1は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R2は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R3は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R4は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R5は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R6は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R7は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R8は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR9、COR9、COOR9、およびCON(R9R10)からなる群から選択され;
R9は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R10は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである、からなる群から選択される、請求項1または2に記載の光電池。 - 共通の構成単位が各出現において、式(A10)、(A12)、(A13)、(A19)、(A20)、(A21)、(A22)および(A23)からなる群から選択される、請求項3に記載の光電池。
- 供与体材料の共通の共役した縮合環部分が各出現において、式(A10)または(A21)によって表される、請求項3または4に記載の光電池。
- 供与体材料の少なくとも1つが電子求引性構成単位を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電池。
- 第1の供与体材料および第2の供与体材料が各々電子求引性構成単位を含み、第1の供与体材料の電子求引性構成単位が第2の供与体材料の電子求引性構成単位より高い電子求引能力を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の光電池。
- 第1の供与体材料が以下の式(B1)〜(B92)
R11は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R12は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R13は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R14は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R15は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R16は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR17、COR17、COOR17、およびCON(R17R18)からなる群から選択され;
R17は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R18は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、またはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである、からなる群から選択された電子求引性構成単位を含み;
第2の供与体材料が以下の式(C1)〜(C92)
R19は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R20は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R21は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R22は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R23は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R24は各出現において、同一であるかまたは異なって、水素、ハロゲン、C1〜C40アルキル、C1〜C40アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキル、C3〜C40ヘテロシクロアルキル、CN、OR25、COR25、COOR25およびCON(R25R26)からなる群から選択され;
R25は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキルまたはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである。
R26は各出現において、同一であるかまたは異なって、H、C1〜C40アルキル、アリール、ヘテロアリール、C3〜C40シクロアルキルまたはC3〜C40ヘテロシクロアルキルである、
からなる群から選択された電子求引性構成単位を含む、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の光電池。 - 第1の供与体材料が式(B15)、(B16)、(B45)、(B46)、(B47)および(B48)からなる群から選択された電子求引性構成単位を含み;第2の供与体材料が式(C64)によって表される電子求引性構成単位を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の光電池。
- 第1の供与体材料が式(B15)(B16)および(B45)からなる群から選択された電子求引性構成単位を含み;第2の供与体材料が式(C64)によって表される電子求引性構成単位を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光電池。
- 供与体材料の少なくとも1種がポリマーまたはオリゴマーである、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光電池。
- 供与体材料の少なくとも2種が、各出現において互いに独立してKP179、KP252およびKP184からなる群から選択される、または、KP143およびKP155である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の光電池。
- 受容体材料がフラーレン、フラーレン誘導体、ペリレンジイミド誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、ジケト−ピロロ−ピロール誘導体、ビ−フルオレニリデン誘導体、ペンタセン誘導体、キナクリドン誘導体、フルオランテンイミド誘導体、ホウ素−ジピロメテン誘導体、オキサジアゾール、金属フタロシアニンおよびサブフタロシアニン、無機ナノ粒子、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、CN基を含むポリマー、CF3基を含むポリマーまたはこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された化合物を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の光電池。
- 受容体材料が置換フラーレンを含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の光電池。
- 置換フラーレンがPC60BM、PC61BM、PC70BMおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項14に記載の光電池。
- 光活性な層(140)がさらにドーパントを含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の光電池。
- ドーパントがジヨードオクタン、オクタデカンチオール、フェニルナフタレンおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項16に記載の光電池。
- 光電池における、供与体材料の使用であって;
光電池(100)が:
・第1の電極(120);
・第2の電極(160);および
・第1の電極と第2の電極との間に、光活性な層(140)
を含み、ここで光活性な層(140)が第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含み;第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いと異なり、供与体材料の各々が同一の化学構造の共通の構成単位を含み、前記共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、前記使用。 - 請求項1〜17のいずれか一項に記載の光電池の製造方法であって、本発明による光電池の製造方法が以下のステップ
(a)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、一緒に溶媒に溶解すること;ならびに
(b)その後、ステップ(a)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること
を含み、ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いに異なり、供与体材料の各々が同一の化学構造の共通の構成単位を含み、前記共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、前記方法。 - 請求項1〜17のいずれか一項に記載の光電池の製造方法であって、該方法が以下のステップ
(a’)第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を少なくとも、それぞれ別々に同じタイプまたは異なるタイプの溶媒に溶解して、異なる溶液を得ること、
(b’)ステップ(a’)から得られた溶液を混合して、第1の供与体材料、第2の供与体材料および受容体材料を含む溶液を得ること;ならびに
(c’)その後、ステップ(b’)から得られた溶液を、下部の層の上に被覆すること
を含み、ここで第1の供与体材料および第2の供与体材料が互いに異なり、供与体材料の各々が同一の化学構造の共通の構成単位を含み、前記共通の構成単位が共役した縮合環部分を含む、前記方法。 - 溶媒が、有機溶媒から選択される、請求項19または20に記載の方法。
- 溶媒を、脂肪族炭化水素、塩素化炭化水素、芳香族炭化水素、ケトン、エーテルおよびそれらの混合物からなる群から選択する。使用することができる追加の溶媒は、1,2,4−トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラ−メチルベンゼン、ペンチルベンゼン、メシチレン、クメン、シメン、シクロヘキシルベンゼン、ジエチルベンゼン、テトラリン、デカリン、2,6−ルチジン、2−フルオロ−m−キシレン、3−フルオロ−o−キシレン、2−クロロベンゾトリフルオリド、N,N−ジメチルホルムアミド、2−クロロ−6−フルオロトルエン、2−フルオロアニソール、アニソール、2,3−ジメチルピラジン、4−フルオロアニソール、3−フルオロアニソール、3−トリフルオロ−メチルアニソール、2−メチルアニソール、フェネトール、4−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−フルオロ−3−メチルアニソール、2−フルオロベンゾニトリル、4−フルオロベラトロール、2,6−ジメチルアニソール、3−フルオロベンゾ−ニトリル、2,5−ジメチルアニソール、2,4−ジメチルアニソール、ベンゾニトリル、3,5−ジメチル−アニソール、N,N−ジメチルアニリン、安息香酸エチル、1−フルオロ−3,5−ジメトキシ−ベンゼン、1−メチルナフタレン、N−メチルピロリジノン、3−フルオロベンゾ−トリフルオリド、ベンゾトリフルオリド、ジオキサン、トリフルオロメトキシ−ベンゼン、4−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロピリジン、トルエン、2−フルオロ−トルエン、2−フルオロベンゾトリフルオリド、3−フルオロトルエン、4−イソプロピルビフェニル、フェニルエーテル、ピリジン、4−フルオロトルエン、2,5−ジフルオロトルエン、1−クロロ−2,4−ジフルオロベンゼン、2−フルオロピリジン、3−クロロフルオロ−ベンゼン、1−クロロ−2,5−ジフルオロベンゼン、4−クロロフルオロベンゼン、クロロ−ベンゼン、o−ジクロロベンゼン、2−クロロフルオロベンゼン、p−キシレン、m−キシレン、o−キシレンまたはo−、m−およびp−異性体の混合物およびこれらの任意の組み合わせを含む、請求項19〜21のいずれか一項に記載の方法。
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LIQIANG YANG ET AL.: ""Parallel-like Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells"", JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 134, JPN6018040172, 2012, pages 5432 - 5435, XP055249318, ISSN: 0004035500, DOI: 10.1021/ja211597w * |
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