JP5096336B2 - バイパスダイオードと一体化した光電池を備えるシステム - Google Patents

バイパスダイオードと一体化した光電池を備えるシステム Download PDF

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Description

本開示内容は、バイパスダイオードと一体化した光電池を備えるシステムに関する。
光電池は、通常、光型エネルギーを電気型エネルギーに変換するために用いられる。典型的な光電池は、二つの電極の間に配置された光活性材料を含む。一般的に、光は、光活性材料と相互作用すべく一又は両方の電極を通過することによって、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
光電池は、通常、直列、又は並列、或いは直並列に接続される光電池配列を含むモジュール内に組み立てられる。モジュール内の全ての電池が照射される場合、各電池は順方向バイアスされる。
しかしながら、一又は複数の電池が影で覆われる（即ち、光が照射されなくなる）場合、影で覆われた一又は複数の電池は、影で覆われていない電池により生じる電圧によって、逆バイアスになることがある。電池の逆バイアスは電池の性能を低下させるか、場合によっては電池を完全に故障させる虞がある。
一態様において、本発明は、光電池及びダイオードを含むシステムを特徴とする。光電池は、第一正孔キャリア層と、第一正孔阻止層と、第一正孔キャリア層及び第一正孔阻止層間の光活性層とを含む。ダイオードは、第二正孔キャリア層及び第二正孔阻止層を含む。第一正孔キャリア層は、第二正孔阻止層と電気的に結合される。第二正孔キャリア層は、第一正孔阻止層と電気的に結合される。
別の態様において、本発明は、第一及び第二の電極と、第一及び第二の電極間の光活性層と、光活性層及び第一電極間の第二層とを含むシステムを特徴とする。光活性層は、第一半導体材料を含む。第二層は、第一半導体材料と異なる第二半導体材料を含む。システムは光電池として構成される。
実施形態は、一又は複数の以下の態様を含むことができる。
ダイオードは、光電池が光に暴露されるとき、ダイオードが光に暴露されないように構成することができる。
光活性層は、第二正孔キャリア層と第二正孔阻止層との間に設けることができる。
第一正孔キャリア層は、電極を介して第二正孔阻止層と電気的に結合することができる。
第二正孔キャリア層は、電極を介して第一正孔阻止層と電気的に結合することができる。
光活性層は第一半導体材料を含むことができ、ダイオードは第二半導体材料を含むことができる。幾つかの実施形態において、第一半導体材料は、第二半導体材料と同一である。
第一又は第二の半導体材料は、電子供与体材料と電子受容体材料とを含むことができる。
電子供与体材料は、ディスコチック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、及びポリイソチアナフタレンからなる群より選択される材料を含むことができる。実施形態によっては、電子供与体材料はポリ（３−ヘキシルチオフェン）である。
電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコチック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を含むポリマー、ＣＦ３基を含有するポリマー、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むことができる。幾つかの実施形態において、電子受容体材料は置換フラーレンである。
第一又は第二の正孔キャリア層は、ポリチオフェン、ポリアニリン、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、ポリイソチアナフタレン、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むことができる。
第一又は第二の正孔阻止層は、ＬｉＦ、金属酸化物、及びそれらの組み合わせからなる群より選択された材料を含むことができる。
第二半導体は、フッ素ドープ酸化スズ又はインジウムスズ酸化物を含むことができる。
第二層の厚さは、少なくとも約１０ｎｍであり、多くとも約１ミクロンである。
第二層は、逆バイアスに対してシステムを保護するように構成することができる。
第一半導体材料は、光増感相互連結ナノ粒子材料を含むことができる。実施形態によっては、光増感相互連結ナノ粒子材料は、セレン化物、硫化物、テルル化物、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むことができる。
光活性層は、更に、電荷キャリア媒体を含むことができる。幾つかの実施形態において、電荷キャリア媒体は電解質を含む。
第一電極は、チタン、ステンレス鋼、又はタンタルを含むことができる。
第二電極は、インジウムスズ酸化物、酸化スズ、又はフッ素ドープ酸化スズを含むことができる。実施形態によっては、第二電極はメッシュを含むことができる。これらの実施形態において、メッシュは、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタン、又はそれらの合金を含むことができる。
システムは、更に、第二電極と光活性層との間に触媒層を含むことができる。幾つかの実施形態において、触媒層は白金を含む。
光電池は、有機光電池又は色素増感光電池である。
実施形態は、一又は複数の以下の利点を提供することができる。
複数の光電池を備えるモジュールにおいて、光電池と一体化したバイパスダイオードは、光電池が影で覆われるとき、電流に対しダイオードを通過させることができる。それによって、影になった電池の全域に亘り生じる大きな電圧低下、並びに影になった電池への損傷などが防止される。たとえ光電池のうちの一つが影で覆われたとしても、モジュールは機能し続けることができる。
バイパスダイオードは、比較的高いシャント抵抗と、比較的低い直列抵抗と、比較的高い短絡電流密度と、開路電圧と、曲線因子とを備えることができる。
バイパスダイオードはロールツーロールプロセスにより製造できるため、製造コストを有意に低減する。
本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明と図面、及び特許請求の範囲から明らかにされる。
各図中の類似の部材番号は類似の構成要素を示す。
一般に、本開示内容は、バイパスダイオードと一体化した光電池に関する。
図１は、複数の光電池（図示せず）を含むシステム１０における光電池２００の略図である。光電池２００は、ダイオード１００と一体化されている。ダイオード１００は、基板１１０、電極１２０、正孔キャリア層１３２、光活性層１３０、正孔阻止層１３４、電極１４０、基板１５０、上カバー１６０、及び下カバー１７０を含む。光電池２００は、基板２１０、電極２２０、正孔阻止層２３２、光活性層２３０、正孔キャリア層２３４、電極２４０、及び基板２５０を含む。
典型的には、正孔キャリア層１３２，２３４は、正孔阻止層２３２，１３４にそれぞれ電気的に結合される。幾つかの実施形態において、電極１２０，２２０は一つの電極である。これらの実施形態において、正孔キャリア層１３２は、電極１２０及び２２０を介して正孔阻止層２３２に電気的に結合される。実施形態によっては、電極１４０及び２４０は、一つの電極である。これらの実施形態において、正孔阻止層１３４は、電極１４０及び２４０を介して正孔キャリア層２３４と電気的に結合される。
幾つかの実施形態において、光活性層２３０は、第一半導体材料（例えば、電子受容体材料と電子供与体材料とを含むヘテロ接合複合材料）を含むことができ、光活性層１３０は、第二半導体（例えば、電子受容体材料と電子供与体材料とを含むヘテロ接合複合材料）を含むことができる。第一半導体材料は、第二半導体材料と同じか、或いは異なっている。
上カバー１６０及び下カバー１７０は、光電池２００が光で照射されているときダイオード１００が電流を生成しないようにするため、ダイオード１００が光線に暴露されることを抑止する。システム１０は照射されるものの、光電池２００の一部のみが照射されるか、或いは照射されない場合、光電池２００は少ない量の電流を生成するか、或いは電流を全く生成しない。システム１０内の他の照射光電池により生成される電圧のため、逆バイアスになる可能性がある。ダイオード１００は、他の照射された電池により生成された電流を通過させ、それによって、システム１０の機能を継続させると共に、光電池２００への損傷を防止する。
幾つかの実施形態において、光に暴露されないようにするため、基板２５０の裏面に配置することができる。この構成は、システム１０内の光電池の照射領域を維持すると共に、システムの効率を最大にすることができる。
実施形態によっては、一つの光電池は、一つのダイオードと一体化することができる。特定の実施形態において、二つ以上の光電池は、一つのダイオードと一体化することができる。特定の実施形態において、一つの光電池は、二つ以上のダイオードと一体化することができる。
幾つかの実施形態において、ダイオード１００は、インクジェット印刷、グラビア印刷、真空蒸着、及び／又はスクリーン印刷によって作製することができる。実施形態によっては、ダイオード１００をロールツーロールプロセスにより製造することができる。特定の実施形態において、ダイオード１００は、光電池２００の製造に用いられるものと同じロールツーロールプロセスにより製造することができる。
図２は、複数の光電池（図示せず）を含むモジュールにおける光電池３００の略図である。光電池３００は、基板３１０、電極３２０、触媒層３３０、光活性層３４０、ダイオード層３５０、電極３６０、及び基板３７０を含む。
典型的には、光活性層３４０は、第一半導体材料（例えば、光増感ナノ粒子材料）と、電荷キャリア媒体（例えば、電解質）とを含む。幾つかの実施形態において、ダイオード層３５０は、第一半導体材料と異なる第二半導体材料（例えば、フッ素ドープ酸化スズ）を含む。
幾つかの実施形態において、ダイオード層３５０は、少なくとも約１０ｎｍ（少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ）か、或いは多くとも約１ミクロン（多くとも約９００ｎｍ、多くとも約８００ｎｍ、多くとも約７００ｎｍ、多くとも約６００ｎｍ）の厚さを有することができる。
幾つかの実施形態において、ダイオード層３５０は、インクジェット印刷、グラビア印刷、真空蒸着、及び／又はスクリーン印刷によって作製することができる。実施形態によっては、ダイオード層３５０を、光電池３００の製造に用いられるものと同じロールツーロールプロセスにより製造することができる。
理論に束縛されるものではないが、ダイオード層３５０は順方向バイアス及び逆バイアスの両方の状態の下で電子を伝導することができる。結果として光電池２００の一部が照射されるか、或いは照射されないとき、モジュール内の照射された光電池により生じる電子は、依然として光電池２００を通過することができる。その結果、光電池２００を逆バイアスにより引き起こされる損傷から保護することができる。
図１を参照すれば、光電池２００は有機光電池である。幾つかの実施形態において、光電池２００内の光活性層２３０は、電子受容体材料及び電子供与体材料を含む。光活性層２３０の電子受容体材料は、フラーレンを含むことができる。実施形態によっては、光活性層２３０は、一又は複数の非置換フラーレンと、一又は複数の置換フラーレンとを含むことができる。非置換フラーレンの例として、Ｃ６０，Ｃ７０、Ｃ７６，Ｃ７８，Ｃ８２，Ｃ８４とＣ９２が挙げられる。置換フラーレンの例として、Ｃ６１−フェニル−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）と、Ｃ６１−フェニル−酪酸グリシドールエステル（ＰＣＢＧ）とが挙げられる。
本明細書にて用いられるように、用語「フラーレン」は、例えば、複数の炭素原子を有する三次元炭素骨格を含む分子などの化合物を意味する。このようなフラーレンの炭素骨格は、一般に、例えば、球体や半球体などの閉殻構造を形成する。また、炭素骨格は、例えば、管状形などの不完全な閉殻構造を形成することもある。フラーレンの炭素原子は、一般に、四面体ネットワーク内の最も近くに隣接する三つの原子に結合される。用語「フラーレン」は、非置換及び置換の両フラーレンを含む。
非置換フラーレンはＣｊと示すことがある。Ｃｊ中、ｊは炭素骨格の炭素原子数に関連する整数である。例えば、Ｃ６０は、１２面が五角形であり、２０面が六角形である計３２面を含む切頂２０面体を形成する。他の適切なフラーレンは、例えば、Ｃｊを含む。Ｃｊ中、ｊは少なくとも５０であり、更に約２５０未満であることができる。非置換フラーレンは、一般に、元素状炭素又は炭素含有種などの炭素源の高温反応によって生成することができる。例えば、十分に高い温度は、レーザ蒸発法、電気アーク法、又は火炎を用いて生成することができる。炭素源を高温にすることにより炭素質堆積物が形成され、形成された炭素質堆積物から非置換フラーレンが得られる。通常、非置換フラーレンは、溶媒抽出とクロマトグラフィーとを組み合わせて精製することができる。
置換フラーレンは、ＰＣＢＭやＰＣＢＧなどの一又は複数の置換基を含有するフラーレンを含む。適切な置換基の例として、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、シクロアルケニル、アルコキシ、アリール、アリールオキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アリールアミノ、ジアリールアミノ、ヒドロキシル、ハロゲン、チオ、アルキルチオ、アリールチオ、アルキルスルホニル、アリールスルホニル、シアノ、ニトロ、アシル、アシルオキシ、カルボキシル、及びカルボン酸エステルが含まれる。これらの置換基は、更に、一又は複数の適切な置換基に置換することができる。置換フラーレンは、任意の適切な方法によって調製することができる。例えば、アルキルフラーレン誘導体は、フラーレンを有機アルキルリチウムやアルキルグリニャール試薬などと反応させた後、アルキルハライドと反応させることによって調製することができる。別の例として、ＰＣＢＭは、Ｃ６０をメチル４−ベンゾイルブチレートｐ−トシルヒドラゾンと塩基の存在下で反応させることによって調製することができる。ＰＣＢＭは、他の置換フラーレン（例えば、ＰＣＢＧ）を得るべく更に修飾されることができる。
何れかの理論に束縛されるものではないが、光活性層２３０内の一又は複数の非置換フラーレンと、一又は複数の置換フラーレンの混合物とを含む光電池は、高い熱安定性を示すことができる。例えば、一定期間、高温で加熱した後、一又は複数の非置換フラーレンと、一又は複数の置換フラーレンの混合物とを含む光電池は、比較的小さな効率変化を受ける可能性がある。
一般に、非置換フラーレン及び置換フラーレンの重量比は所望の値に変更することができる。特定の実施形態において、非置換フラーレン及び置換フラーレンの重量比は、少なくとも約１：２０（例えば、少なくとも約１：１０、少なくとも約１：５、少なくとも約１：３又は少なくとも約１：１）、及び／又は多くとも約１０：１（例えば、多くとも約５：１又は多くとも約３：１）である。
幾つかの実施形態において、少なくとも約５分間（例えば、少なくとも約１０分間、少なくとも約１５分間、少なくとも約２０分間、少なくとも約３０分間、少なくとも約６０分間、少なくとも約１２０分間）、少なくとも約５０℃（例えば、少なくとも約１００℃、少なくとも約１５０℃、少なくとも約１７０℃、少なくとも約２００℃、少なくとも約２２５℃）の温度で加熱した後の光電池２００の効率は、加熱前の効率の少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも９８％）である。
光電池２００は、少なくとも約０．５％（例えば、少なくとも約１％、少なくとも約２％、少なくとも約３％、又は少なくとも約４％）の効率を有することができる。光電池の効率は、電池により生成される電気エネルギーに対し電池が到達する太陽エネルギーの割合を指す。光電池の効率は、本技術分野において公知の方法によって得ることができる。例えば、効率は、光電池に基づいて得られる電流−電圧曲線から測定可能である。幾つかの実施形態において、光活性層１４０における非置換フラーレンと置換フラーレンとは実質的に非相分離することができる。
幾つかの実施形態において、光活性層２３０は、一又は複数の非フラーレン電子受容体材料を含むことができる。適切な電子受容体材料の例として、オキサジアゾール、炭素ナノロッド、ディスコチック液晶、無機ナノ粒子（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウム及び／又は硫化鉛から形成されるナノ粒子）、無機ナノロッド（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウム及び／又は硫化鉛から形成されるナノロッド）、又は電子を受容できるか、或いは安定な陰イオンを形成できる部分を含むポリマー（例えば、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー）が挙げられる。
光活性層２３０の電子供与体材料は、一般に共役層を備える導電性ポリマー（例えば、共役有機ポリマー）を含むことができる。共役ポリマーは、導電性に寄与するπ軌道の重なりを有することを特徴とする。共役ポリマーは、二つ以上の共鳴構造が想定可能であることも特徴とする。共役有機ポリマーは、ポリマーがその共役性を保持する限りにおいて、例えば、線状であるか、或いは分枝状である。
適切な電子供与体材料の例として、一又は複数のポリアセチレン、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリ（ｐ−フェニレン・ビニレン）、ポリチエニルビニレン、ポリチオフェン、ポリポルフィリン、ポルフィリン性大員環、ポリメタロセン、ポリイソチアナフタレン、ポリフタロシアニン、ディスコチック液晶ポリマー、及びそれらの誘導体、又はそれらの組み合わせが挙げられる。電子供与体材料の典型的な誘導体として、例えば、エポキシ、オキセタン、フラン、又はシクロヘキセンオキサイドといった環状エーテルなどのペンダント基を有する誘導体が挙げられる。これらの材料の誘導体として、それとは別に、又はそれに加えての他の置換基を含むことができる。例えば、電子供与体のチオフェン成分は、例えば、各チオフェン部分の３位などにフェニル基を含むことができる。別の例として、アルキル、アルコキシ、シアノ、アミノ及び／又はヒドロキシの置換基は、ポリフェニルアセチレン、ポリジフェニルアセチレン、ポリチオフェン、及びポリ（ｐ−フェニレン・ビニレン）共役ポリマーの何れかにおいて存在することができる。幾つかの実施形態において、電子供与体材料は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）である。特定の実施形態において、光活性層２３０は、電子供与体材料の組み合わせを含むことができる。
幾つかの実施形態において、光活性層２３０は、配向電子供与体材料（例えば、液晶（ＬＣ）材料）、電子活性ポリマー結合体キャリア（例えば、Ｐ３ＨＴ）、及び複数のナノ結晶（例えば、少なくとも一つのＺｎＯ，ＷＯ３又はＴｉＯ２を含む配向ナノロッド）を含む。液晶材料は、例えば、複数のディスコチックメソゲン単位を含むディスコチックネマチックＬＣ材料である。各単位は、中心群と複数の電気活性アームとを含むことができる。中心群は、少なくとも一つの芳香環（例えば、アントラセン基）を含むことができる。各電気活性アームは、複数のチオフェン部分と複数のアルキル部分とを含むことができる。光活性層内では、前記単位が層及び列になって並ぶことができる。隣接する列内の単位の電気活性アームは相互にかみ合うことで、単位間の電子移動を促進することができる。また、電気活性ポリマー性キャリアは、電子移動を更に促進すべくＬＣ材料中に分配することができる。各ナノ結晶の表面は、複数の電気活性界面活性剤基を含むことによって、ＬＣ材料とポリマー性キャリアからナノ結晶への電子移動を促進することができる。各界面活性剤基は、複数のチオフェン基を含むことができる。各界面活性剤は、例えば、ホスホン酸末端基を介してナノ結晶に結合することができる。また、各界面活性剤基は、光活性層内のナノ結晶の溶解度を高めるため複数のアルキル部分を含むことができる。
他の電子受容体材料及び電子供与体材料は、例えば、同時係属中で、かつ同一権利者による米国実用出願第１１／４８６，５３６号に開示されており、本明細書に参照として組み込まれている。
次に、光電池２００の他の構成要素について、各基板２１０，２５０は、一般に、不透明材料、半透明材料又は透明材料から形成することができる。本明細書に示すように、透明材料は、モジュールで使用される厚さで、作動中に用いられる波長又はその波長範囲での入射光の少なくとも約６０％（例えば、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％）を透過する材料である。典型的な波長又はその波長範囲は、約３００〜約８５０ｎｍである。不透明材料は、モジュールで使用される厚さで、作動中に用いられる波長範囲の波長での入射光の多くとも約２０％（例えば、多くとも約１５％、多くとも約１０％、多くとも約５％、多くとも約１％）を透過する材料である。半透明材料は、モジュールで使用される厚さで、透明材料によって透過される入射光量と不透明材料によって透過される入射光量との間の量の入射光を透過する材料である。基板２１０，２５０を形成できる典型的な材料として、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリマー性炭化水素、セルロース性ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、及びポリエーテルケトンが挙げられる。特定の実施形態において、ポリマーはフッ素化ポリマーである。実施形態によっては、ポリマー材料の組み合わせが用いられる。特定の実施形態において、基板２１０，２５０の異なる領域を異なる材料から形成することができる。
一般に、基板２１０，２５０は、弾性、半剛性又は剛性（例えば、ガラス）を有する。幾つかの実施形態において、基板２１０又は２５０は、約５，０００メガパスカル未満（例えば、約２，５００メガパスカル未満、約１，０００メガパスカル未満）の曲げ弾性率を有する。特定の実施形態において、基板２１０又は２５０の異なる領域は、弾性、半剛性又は非弾性（例えば、一又は複数の領域は弾性であり、一又は複数の異なる領域は半剛性であり、一又は複数の領域は弾性であり、一又は複数の異なる領域は非弾性）である。
典型的には、基板２１０又は２５０は、少なくとも約１ミクロン（例えば、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約１０ミクロン）の厚さ、及び／又は多くとも約５，０００ミクロン（例えば、多くとも約１，０００ミクロン、多くとも約５００ミクロンの厚さ、多くとも約３００ミクロンの厚さ、多くとも約２００ミクロンの厚さ、多くとも約１００ミクロン、多くとも約５０ミクロン）の厚さを有している。
一般には、基板２１０又は２５０は、有色又は無色である。実施形態によっては、基板２１０又は２５０の一又は複数の層は着色されているが、基板２１０又は２５０の一又は複数の別の層は無色である。
電極２２０及び２４０のうちの何れか一方又は両方は、それに影響を及ぼす少なくとも光の層を透過するように構成することができる。例えば、電極２２０及び２４０のうちの少なくとも一つは、透明材料から形成することができる。典型的な透明材料として、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明酸化物が挙げられる。透明材料の代替物として、或いは透明材料と併せて、電極２２０又は２４０は、光が通過できる開放領域と、電子を伝導する導電性材料により規定される閉鎖領域とを備える。一実施形態において、電極２２０及び２４０のうちの少なくとも一つはメッシュである。メッシュ電極は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタン、又はそれらの合金などの電気伝導性材料によって作製することができる。メッシュ電極を備える光電池は、例えば、同時係属中で、かつ同一権利者による米国実用出願第１０／３９５，８２３号、第１０／７２３，５５４号及び第１０／４９４，５６０号に開示されており、これらは本明細書に参照として組み込まれている。
正孔キャリア層２３４は、一般に、光電池２００に用いられる厚さで、正孔を電極２４０に輸送し、かつ電極２４０への電子の輸送を実質的に阻止する材料から形成されている。正孔キャリア層２３４が形成される材料の例として、ポリチオフェン（例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン））、ポリアニリン、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及び／又はポリイソチアナフタレンなどが挙げられる。幾つかの実施形態において、正孔キャリア層２３４は、正孔キャリア材料の組み合わせを含むことができる。
一般に、正孔キャリア層２３４の上面（即ち、光活性層２３０と接触する正孔キャリア層２３４の表面）と、電極２４０の上面（即ち、正孔キャリア層２３４と接触する電極２４０の表面）との間の距離は所望の値に変更することができる。典型的には、正孔キャリア層２３４の上面と電極２４０の上面との間の距離は、少なくとも０．０１ミクロン（例えば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、少なくとも約０．３ミクロン、又は少なくとも約０．５ミクロン）、及び／又は多くとも約５ミクロン（例えば、多くとも約３ミクロン、多くとも約２ミクロン又は多くとも約１ミクロン）である。実施形態によっては、正孔キャリア層２３４の上面と電極２４０の上面との間の距離は、約０．０１〜約０．５ミクロンである。
一般に、光活性層２３０は、対応する電子及び正孔を形成すべく、光活性層２３０上に影響を及ぼす光子の吸収時に比較的効率が良くなるように十分な厚さを有しており、更に、デバイスの電極への正孔及び電子の輸送時に比較的効率が良くなるよう十分に薄くされている。特定の実施形態において、光活性層２３０は、少なくとも０．０５ミクロン（例えば、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン又は少なくとも約０．３ミクロン）の厚さ、及び／又は多くとも約１ミクロン（例えば、多くとも約０．５ミクロン、又は多くとも約０．４ミクロン）の厚さを有している。幾つかの実施形態において、光活性層２３０は、約０．１〜約０．２ミクロンの厚さを有している。
正孔阻止層２３２は、一般に、光電池２００に用いられる厚さで、電子を電極２２０に輸送し、かつ電極２２０への正孔の輸送を実質的に阻止する材料から形成されている。正孔阻止層２３２が形成される材料の例として、ＬｉＦ及び金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化チタン）が挙げられる。
典型的には、正孔阻止層２３２は、少なくとも０．０２ミクロン（例えば、少なくとも約０．０３ミクロン、少なくとも約０．０４ミクロン又は少なくとも約０．０５ミクロン）の厚さ、及び／又は多くとも約０．５ミクロン（例えば、多くとも約０．４ミクロン、多くとも約０．３ミクロン、多くとも約０．２ミクロン又は多くとも約０．１ミクロン）の厚さを有している。
幾つかの実施形態において、光電池は以下のように作製することができる。電極２２０は従来式の技法を用いて基板２１０上に形成され、正孔阻止層２３２は（例えば、真空蒸着プロセス又は溶液被覆プロセスを用いて）電極２２０上に形成される。光活性層２３０は、インクジェット印刷、回転被覆、浸漬被覆、ナイフ被覆、バー被覆、吹付け被覆、ローラー被覆、スロット被覆、グラビア被覆、又はスクリーン印刷などの適切な方法を用いて正孔阻止層２３２上に形成される。正孔キャリア層２３４は、例えば、溶液被覆プロセスを用いて光活性層２３０上に形成される。電極２４０は、正孔キャリア層２３４において（例えば、正孔キャリア層２３４の表面上に電極２４０を配置し、かつ電極２４０を押し付けることによって）部分的に配置される。次に、従来の方法を用いて、電極２４０及び正孔キャリア層２３４の上に基板２５０が形成される。
ダイオード１００の構成成分において、基板１１０は、一般に、上記の基板２１０と同じであるか、又は異なっており、基板１５０は、一般に、上記の基板２５０と同じであるか、或いは異なっている。幾つかの実施形態において、基板１１０及び１５０は、基板２１０及び２５０とそれぞれ同じである。
典型的には、電極１２０は、上記の電極２２０と同じであるか、又は異なっており、基板１４０は、上記の基板２４０と同じであるか、又は異なっている。幾つかの実施形態において、電極１１０及び１５０は、電極２１０及び２５０とそれぞれ同じである。
図２を参照すれば、光電池３００は色素増感光電池である。光電池３００内の光活性層３４０は、一般に、半導体材料（光増感剤によって光増感される半導体ナノ粒子など）と電解質とを含む。
半導体材料の作製に用いられる材料の例として、化学式ＭｘＯｙの材料が挙げられる。化学式中のＭは、例えば、チタン、亜鉛、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム又はスズであり、ｘ及びｙはいずれもゼロより大きな整数である。他の適切な材料として、硫化物、セレン化物、テルル化物及び酸化物（例えば、チタン、亜鉛、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム又はスズの酸化物）又はそれらの組み合わせなどが挙げられる。例えば、ＴｉＯ２，ＳｒＴｉＯ３，ＣａＴｉＯ３，ＺｒＯ２，ＷＯ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｎｂ２Ｏ５，ＳｎＯ２，チタン酸ナトリウム、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム及びニオブ酸カリウムは適切な半導体材料である。
典型的には、光活性層３４０内に含まれる半導体材料はナノ粒子型である。幾つかの実施形態において、光活性層３４０は、平均サイズが約２〜約１００ｎｍ（例えば、約１０〜約４０ｎｍ、具体的には約２０ｎｍなど）のナノ粒子を含む。ナノ粒子は、例えば、高温焼結によってか、或いはポリ（チタン酸ｎ−ブチル）などの反応性ポリマー連結剤によって相互連結することができる。ポリマー連結剤は、比較的低温（例えば、約３００℃未満）で、実施形態によっては、室温で相互連結したナノ粒子層の製造を可能にする。比較的低温の相互連結プロセスは、ポリマー基板を用いた連続製造プロセスに従うことができる。
幾つかの実施形態において、光活性層３４０は、多孔性材料から形成することができる。多孔性材料の多孔率は、少なくとも約４０％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、又は少なくとも約７０％）、又は多くとも約９５％（例えば、多くとも約９０％、又は多くとも約８０％）である。細孔の直径は、多くとも約１，０００ｎｍ（例えば、多くとも約５００ｎｍ、又は多くとも約１００ｎｍ）、又は少なくとも約１ｎｍ（例えば、少なくとも約５ｎｍ、少なくとも約１０ｎｍ、又は少なくとも約５０ｎｍ）である。特定の実施形態において、細孔は、光活性層３４０において無作為に分配される。
幾つかの実施形態において、光活性層３４０は、更に、半導体マクロ粒子のうちの少なくとも一部が化学的に互いに結合され、かつ半導体ナノ粒子の少なくとも一部が半導体マクロ粒子に結合される半導体材料のマクロ粒子を含むことができる。マクロ粒子は、少なくとも約１００ｎｍ（例えば、少なくとも約１５０ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ）の平均粒度を有する粒子の一群を指す。光活性層にマクロ粒子を含む光電池の例は、例えば、同時係属中で、かつ同一権利者による米国実用出願第１１／１７９，９７６号に開示されており、本明細書に参照として組み込まれている。
一般に、光活性層３４０内の半導体材料は、光増感剤により光増感される。光増感剤として、例えば、ＴｉＯ２表面上のＴｉ（ＩＶ）部位などの半導体材料にキレートできるカルボキシル基及び／又はヒドロキシル基などの一又は複数の色素含有官能基を含むことができる。典型的な色素として、アントシアニン、ポルフィリン、フタロシアニン、メロシアニン、シアニン、スクアリン酸塩、エオシン、並びに、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−２５ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）、トリス（イソチオシアナト）−ルテニウム（ＩＩ）−２，２’：６’，２’’−テルピリデン−４，４’，４’’−トリカルボン酸、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウム、シス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）及びトリス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）二塩化物などの金属含有色素が挙げられ、これらは全てソラノニクス社から入手できる。
半導体材料が相互連結ナノ粒子型である実施形態において、相互連結ナノ粒子は光増感剤によって光増感することができる。光増感剤は、所望の光起電力効果を生成するため電気への入射光の変換を促進する。光増感剤が入射光を吸収することによって、光増感剤に電子の励起が生じると考えられている。次に、励起電子のエネルギーは、光増感剤の励起レベルから相互連結ナノ粒子の伝導帯内に移動する。この電子移動によって、電荷の有効分離と、所望の光起電力効果とが生じる。従って、相互連結ナノ粒子の伝導帯における電子は外部負荷を駆動するのに有用である。
光増感剤は、（例えば、化学吸着及び物理吸着のうちの少なくとも一つにより）ナノ粒子上に吸着される。光増感剤は、例えば、作動波長範囲（例えば、可視スペクトル内）において光子を吸収する機能、ナノ粒子の伝導帯において遊離電子（又は電子正孔）を生成する機能、並びに、ナノ粒子との複合体化やナノ粒子への吸着の有効性、及び／又はその色などに基づいて選択される。
光活性層３４０内の電解質として、接地電位や電流源から光増感剤への電荷の移動を促進する材料が挙げられる。一般の適切な電解質として、溶媒性液体電解質、ポリ電解質、ポリマー電解質、固体電解質、ｎ−型及びｐ−型輸送材料（例えば、導電性ポリマー）、及びゲル電解質などが挙げられる。電解質について他の選択も可能である。例えば、電解質として、化学式ＬｉＸを有するリチウム塩が挙げられ、化学式中のＸは、ヨウ化物、臭化物、塩化物、過塩素酸塩、チオシアン酸塩、トリフルオロメチルスルホン酸塩、又はヘキサフルオロリン酸塩である。
幾つかの実施形態において、電解質は、酸化還元系を含むことができる。適切な酸化還元系として、有機及び無機のうちの少なくとも一方の酸化還元系が挙げられる。そのような系の例として、硫酸セリウム（ＩＩＩ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋，Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、及びビオロゲンなどが挙げられる。更に、電解質は、化学式ＭｉＸｊを有してもよく、化学式中のｉ及びｊはいずれも１以上であり、Ｘは陰イオン、Ｍはリチウム、銅、バリウム、亜鉛、ニッケル、ランタニド、コバルト、カルシウム、アルミニウム、又はマグネシウムである。適切な陰イオンとして、塩化物、過塩素酸塩、チオシアン酸塩、トリフルオロメチルスルホン酸塩、及びヘキサフルオロリン酸塩が挙げられる。
幾つかの実施形態において、電解質はポリマー電解質を含む。例えば、ポリマー電解質は、ポリ（ビニルイミダゾリウムハロゲン化物）及びヨウ化リチウム及び／又はポリビニルピリジニウム塩を含むことができる。特定の実施形態において、電解質として、ヨウ化リチウム、ヨウ化ピリジニウム、及び／又は置換ヨウ化イミダゾリウムなどの固体電解質が挙げられる。
幾つかの実施形態において、電解質として、種々のポリ電解質が挙げられる。例えば、適切なポリ電解質は、例えばイオン導電性ポリマーなど、約５〜約９５重量％（例えば、５〜６０重量％、５〜４０重量％、又は５〜２０重量％）のポリマーと、約５〜約９５重量％（例えば、約３５〜９５重量％、６０〜９５重量％、又は８０〜９５重量％）の可塑剤と、約０．０５〜約１０Ｍの有機又は無機のヨウ化物の酸化還元電解質（例えば、約０．０５〜２Ｍ，０．０５〜１Ｍ、又は０．０５〜０．５Ｍ）と、約０．０１〜約１Ｍ（例えば、約０．０５〜０．５Ｍ，０．０５〜０．２Ｍ、又は０．０５〜０．１Ｍ）のヨウ素とを含むことができる。イオン導電性ポリマーとして、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリル酸塩、ポリエーテル、及びポリフェノールなどが挙げられる。適切な可塑剤の例として、炭酸エチル、炭酸プロピレン、炭酸塩の混合物、有機リン酸塩、ブチロラクトン、及びジアルキルフタル酸エステルなどが挙げられる。
幾つかの実施形態において、電解質は、一又は複数の両性イオン化合物を含むことができる。一般に、両性イオン化合物は以下の化学式を有している。
Figure 0005096336
 化学式中のＲ１は陽イオン性複素員環部分、陽イオン性アンモニウム部分、陽イオン性グアニジン部分、又は陽イオン性ホスホニウム部分である。Ｒ１は置換されないか、或いは置換される（例えば、アルキル置換、アルコキシ置換、ポリ（エチレンオキシ）置換、窒素置換）。陽イオン置換複素員環部分の例として、陽イオン窒素置換複素員環部分（例えば、アルキルイミダゾリウム、ピペリジニウム、ピリジニウム、モルホリニウム、ピリミジニウム、ピリダジニウム、ピラジニウム、ピラゾリウム、ピロリニウム、チアゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム）などが挙げられる。陽イオン置換アンモニウム部分の例として、陽イオンアルキル置換アンモニウム部分（例えば、対称テトラアルキルアンモニウム）が挙げられる。陽イオン置換グアニジン部分の例として、陽イオンアルキル置換グアニジン部分（例えば、ペントアルキルグアニジン）が挙げられる。Ｒ２は以下の化学式により示される陰イオン性部分である。
Figure 0005096336
 化学式中のＲ３はＨ、又はＣｘアルキル、Ｃｘ＋１アルケニル、Ｃｘ＋１アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクリル及びアリールから選択される炭素含有部分であり、ｘは少なくとも１（例えば、２,３,４,５,６,７,８,９,１０、１１,１２,１３,１４,１５，１６，１７，１８，１９，２０）である。実施形態によっては、炭素含有部分は置換することができる（例えば、ハロ置換など）。Ａは（Ｃ（Ｒ３）２）ｎであり、化学式中のｎは０以上（例えば、１,２,３,４,５,６,７,８,９,１０,１１,１２,１３,１４,１５，１６，１７，１８，１９，２０）であり、各Ｒ３は上記の通り無関係である。一又は複数の両性イオン化合物を含む電解質は、例えば、同時係属中で、かつ同一権利者による米国実用出願第１１／０００，２７６号に開示されており、本明細書に参照として組み込まれている。
半導体材料、光増感剤、及び電解質は、前記の実施形態において一つの層に散在しているが、幾つかの実施形態において、これらの材料は異なる層に配置することができる。
触媒層３３０は、全般的に、光活性層３４０において酸化還元反応を触媒することのできる材料から形成されている。触媒層３３０が形成される材料の例として、白金と、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン及びそれらの誘導体などのポリマーとが挙げられる。ポリチオフェン誘導体の例として、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリ（３−ブチルチオフェン）、ポリ［３−（４−オクチルフェニル）チオフェン］、ポリ（チエノ［３，４−ｂ］チオフェン）、及びポリ（チエノ［３，４−ｂ］チオフェン−コ−３，４−エチレンジオキシチオフェン）などが挙げられる。一又は複数のポリマーを含有する触媒層は、例えば、同時係属中で、かつ同一権利者による米国実用出願第１０／８９７，２６８号と第１１／３０２，６３４号とに開示されており、これらは本明細書に参照として組み込まれている。
触媒層３３０が白金を含有する実施形態において、白金は、例えば、スクリーン印刷によって電極３２０上に塗布することができる。触媒層３３０がポリマーを含む実施形態において、ポリマーは、電極３２０上に電気化学的に被着させることができる。電気化学的に被着する方法は、例えば、ミラン・パウノビッチとモルデチャイ・シュレジンガーと(ワイリー・インタサイエンス １９９８年 １１月)によって「電気化学的被着の基礎」として記載されており、本明細書に参照として組み込まれている。ポリマーは、回転被覆、浸漬被覆、ナイフ被覆、バー被覆、吹付け被覆、ローラー被覆、スロット被覆、グラビア被覆、スクリーン印刷、及び／又はインクジェットなどの適切な被覆方法を用いて電極３２０上に被覆することができる。
一般に、基板３１０及び３７０は、上記の基板の作製に用いられる適切な材料から形成することができる。電極３２０及び３６０は、一般に、上記の電極の作製に用いられる適切な材料から形成することができる。
ＤＳＳＣのうちの他の例は、２００５年１２月１９日出願の米国特許出願第１１／３１１，８０５号、２００５年１１月９日出願の米国特許出願第１１／２６９，９５６号において検討されており、これらの内容は、本明細書に参照として組み込まれている。
上記の一又は複数の光電池を含む光起電力モジュールは、複数の光電池を含むことができ、そのうちの少なくとも一部は電気的に結合されている。実施例として、図３は、光電池５２０を含むモジュール５１０を備える光起電力システム５００の略図である。電池５２０は直列で電気的に結合され、システム５００はロード５３０に電気的に結合されている。別の実施例として、図４は、光電池６２０を含むモジュール６１０を備える光起電力システム６００の略図である。電池６２０は並列で電気的に結合され、システム６００はロード６３０に電気的に結合されている。幾つかの実施形態において、光起電力システム内の一部の光電池（例えば全て）は、一又は複数の共通基板を有することができる。特定の実施形態において、光起電力システムにおける幾つかの光電池は、直列で電気的に結合され、更に光起電力システム内の一部の光電池は並列で電気的に結合されている。
有機光電池と色素増感光電池とを説明してきたが、逆バイアスから電池を保護するため、他の光電池をバイパスダイオードと一体化することもできる。このような光電池の例として、無晶性ケイ素、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、銅インジウム硫化物、及び銅インジウムガリウムセレン化物からなる光活性材料を備えた光活性電池が挙げられる。幾つかの実施形態において、ハイブリッド型光電池は、バイパスダイオードと一体化することができる。
以下の実施例は例示であり、これに限定されるものではない。
（実施例）
図２に基づく光電池は以下のように作製した。Ｔｉ箔はハミルトン精密金属社(ペンシルバニア州、ランカスター所在)から購入し、ホットプレート上に載置した。水（１００ｇ）中にＴｉＣｌ４（７．８ｇ）とＮＨ４Ｃｌ（０．２５ｇ）とを含有する溶液をＴｉ箔上に吹き付けた。水を蒸発させた後、フッ素化された酸化スズ（ＦＴＯ）の被覆をＴｉ箔上に形成した。次に、ＴｉＯ２ナノ粒子のペーストをＦＴＯ被覆上に塗布し、約４８０℃で焼結し、ＴｉＯ２ナノ粒子層を形成した。次に、色素をＴｉＯ２ナノ粒子層上に吸収させた。次に、内張り材料をデバイスの端部に付着した。白金化対電極（ポリエチレンナフタレート上のＩＴＯ層を含む）をＴｉＯ２ナノ粒子層上に積層した。最終的に、Ｉ２／Ｉ３ −の混合物を含有する電解質をＴｉＯ２ナノ粒子層内に注入して、光電池を形成した。ＦＴＯ層を備えない光電池を対照として用いた。
ＦＴＯ層を備える光電池とＦＴＯを備えない光電池との両方に、逆電圧（０〜−１Ｖの範囲）を１時間印加した。その結果を以下の表１に要約した。結果は、ＦＴＯ層を備えた光電池の効率は逆バイアスを１時間実施した後でも維持される一方、ＦＴＯ層を備えない光電池の効率は逆バイアスを１時間実施した後、大きく低下した。更に、逆電圧下においてＦＴＯ層を備えた光電池を通過する電流が存在したとの結果が示された。
Figure 0005096336
 他の実施形態は特許請求の範囲にある。
バイパスダイオードと一体化した光電池を備えるシステムの断面図。 逆バイアスに対して光電池を保護する層を含む光電池の断面図。 直列に電気結合された複数の光電池を含むシステムの略図。 並列に電気結合された複数の光電池を含むシステムの略図。

Claims (14)

  1. 第一正孔キャリア層と、第一正孔阻止層と、前記第一正孔キャリア層と前記第一正孔阻止層との間に光活性層とを含む光電池、及び
    第二正孔キャリア層と第二正孔阻止層とを含むダイオードを備え、
    前記第一正孔キャリア層は前記第二正孔阻止層と電気的に結合され、
    前記第二正孔キャリア層は前記第一正孔阻止層と電気的に結合され、
    前記光活性層は、前記第二正孔キャリア層と前記第二正孔阻止層との間に設けられているシステム。
  2. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記ダイオードは、前記光電池が光に暴露されるとき、前記ダイオードが光に暴露されないように構成されているシステム。
  3. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記第一正孔キャリア層は、電極を介して前記第二正孔阻止層と電気的に結合されているシステム。
  4. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記第二正孔キャリア層は、電極を介して前記第一正孔阻止層と電気的に結合されているシステム。
  5. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記光活性層は第一半導体材料を含み、前記ダイオードは第二半導体材料を含むシステム。
  6. 請求項５記載のシステムにおいて、
    前記第一半導体材料は、前記第二半導体材料と同一であるシステム。
  7. 請求項５記載のシステムにおいて、
    前記第一又は第二の半導体材料は、電子供与体材料と電子受容体材料とを含むシステム。
  8. 請求項７記載のシステムにおいて、
    前記電子供与体材料は、ディスコチック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、及びポリイソチアナフタレンからなる群より選択される材料を含むシステム。
  9. 請求項８記載のシステムにおいて、
    前記電子供与体材料は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）を含むシステム。
  10. 請求項７記載のシステムにおいて、
    前記電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコチック液晶、炭素ナノロッド、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、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むシステム。
  11. 請求項１０記載のシステムにおいて、
    前記電子受容体材料は置換フラーレンを含むシステム。
  12. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記第一又は第二の正孔キャリア層は、ポリチオフェン、ポリアニリン、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、ポリイソチアナフタレン、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むシステム。
  13. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記第一又は第二の正孔阻止層は、ＬｉＦ、金属酸化物、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含むシステム。
  14. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記光電池は有機光電池であるシステム。
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