JP5313680B2 - 増感超薄層を用いた有機光電池 - Google Patents

Description

本発明は、米国エネルギー省、国立再生可能エネルギー研究所による契約第３３９−４０１２の下で米国政府の援助の下で行なわれた。政府は本発明に一定の権利を有している。

請求の範囲に記載されている発明は、大学−企業共同研究契約に基づき、一つ以上の以下の団体によって、それらを代表して、及び／又はそれらに関連してなされた：プリンストン大学、南カリフォルニア大学、及びＧｌｏｂａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ。前記契約は、請求の範囲に記載されている発明がなされた日及びそれ以前に有効であったもので、請求の範囲に記載されている発明は前記契約の範囲内で行なわれた活動の結果としてなされた。

本発明は概して有機感光性オプトエレクトロニクス装置に関する。より詳細には、近赤外に応答する超薄低移動性活性層を含む有機感光性オプトエレクトロニクス装置に関する。

オプトエレクトロニクス装置は、電磁放射を電子的に生成するか若しくは検出するために、又は周囲の電磁放射から電流を生成するために、材料の光学的及び電子的性質を利用する。

感光性オプトエレクトロニクス装置は電磁放射を電気信号又は電力に変換する。太陽電池は、光起電力「ＰＶ」装置ともよばれ、電力を生成するために特に使用される感光性オプトエレクトロニクス装置の一種である。光伝導性電池は吸収される光に起因する変化を検出するため装置の抵抗を監視する信号検出回路と共に使用される感光性オプトエレクトロニクス装置の一種である。光検出器は、印加されたバイアス電圧を受容してよく、光検出器が電磁放射に曝されたとき生成される電流を測定する電流検出回路と共に用いられる感光性オプトエレクトロニクス装置の一種である。

感光性オプトエレクトロニクス装置のこれら三つの分類は、以下に定義される整流接合が存在するかどうかによって、及び装置が、バイアス又はバイアス電圧として知られる、外部から印加された電圧で操作されるかどうかによって、区別されてよい。光導電性電池は整流接合を持たず、通常バイアスで操作される。ＰＶ装置は少なくとも一つの整流接合を有し、バイアス無しで操作される。光検出器は少なくとも一つの整流接合を有し、通常、ただし常にではないが、バイアスで操作される。

ここで、用語「整流」は、とりわけ、界面が非対称な伝導特性を有することを、すなわち、界面が好ましくは一方向への電子電荷移動を支持することを示す。用語「半導体」は、熱的又は電磁的励起によって電荷キャリアが誘起されるとき電流を伝えることができる材料を示す。用語「光導電性」は、電磁放射エネルギーが吸収され、キャリアが材料中で電荷を伝導（すなわち、輸送）し得るように、結果的に電荷キャリアの励起エネルギーに変換されるプロセスに広く関する。用語「光導電材料」は、電荷キャリアを生成するため、それらが電磁放射線を吸収する性質を使用した半導体材料をさす。ここで「最上部」とは基板から最も離れていることを意味し、それに対して「底部」は基板に最も近いことを意味する。第１層が、第２層と「物理的に接触して」いることが明記されることなく、介在層が存在してよい。

適切なエネルギーを有する電磁放射線が有機半導体材料の上に入射するとき、励起された分子状態を作るためフォトンが吸収されてよい。有機光導電材料において、生成された分子状態は「励起子」、すなわち偽−粒子として移送される結合状態の電子−正孔対、であると一般的に考えられる。励起子は電子正孔対が再結合（“クエンチング”）をする前に評価可能な寿命を有してよく、前記再結合とは（他のペアからの正孔又は電子との再結合とは対照的に）元々の電子及び正孔が互いに再結合することを示す。光電流を生成するために、励起子を形成する電子−正孔が整流接合において典型的に分離される。

感光性装置の場合、整流接合は光起電性ヘテロ接合とみなされる。有機光起電性ヘテロ接合は、ドナー材料とアクセプター材料との界面に形成されるドナー・アクセプターヘテロ接合、及び光導電材料と金属との界面に形成されるショットキーバリアヘテロ接合を含む。

図１は、ドナー・アクセプターヘテロ接合の例を説明するエネルギー準位図である。有機材料に関連して、「ドナー」及び「アクセプター」という用語は、二つの接触する、ただし異なる有機材料における、最高被占分子軌道（「ＨＯＭＯ」）及び最低空分子軌道（「ＬＵＭＯ」）エネルギー準位の相対的な位置を示す。もしも他の材料と接触している一つの材料のＬＵＭＯエネルギー準位がより低い場合には、その材料はアクセプターである。他方はドナーである。それは外部のバイアスがない条件下で、ドナー・アクセプター接合において電子がアクセプター材料の内部に移動するためにエネルギー的に好ましい。

もしも第１のエネルギー準位が真空エネルギー準位１０により近い場合には、第１のＨＯＭＯ又はＬＵＭＯエネルギー準位は、第２のＨＯＭＯ又はＬＵＭＯエネルギー準位と比較して「大きい」又は「高い」。ＨＯＭＯエネルギー準位が高いことは、真空準位に関連して、イオン化ポテンシャル（「ＩＰ」）の絶対エネルギーが小さいことに対応する。同様に、ＬＵＭＯエネルギー準位が高いことは、真空準位に関連して、電子親和力（「ＥＡ」）の絶対エネルギーが小さいことに対応する。最上部に真空準位を有する従来のエネルギー準位図において、材料のＬＵＭＯエネルギー準位は同じ材料のＨＯＭＯエネルギー準位よりも高い。

ドナー１５２又はアクセプター１５４内でのフォトン６の吸収の後、励起子８が形成され、励起子８は整流界面において解離する。ドナー１５２は正孔（白丸）を輸送し、アクセプター１５４は電子（黒丸）を輸送する。

有機半導体の重要な性質は、キャリア移動度である。移動度とは、電場に応答して電荷キャリアが伝導性材料を通じて移動することができる容易さを評価するものである。有機感光性装置に関して、電子移動度が高いことに起因して電子を選択的に伝導する材料は電子輸送材料とみなされてよい。正孔移動度が高いことに起因して正孔を選択的に伝導する材料は正孔輸送材料とみなされてよい。装置内の移動度及び／又は位置に起因して電子を選択的に伝導する層は、電子輸送層（「ＥＴＬ」）とみなされてよい。装置内の移動度及び／又は位置に起因して、正孔を選択的に伝導する層は正孔輸送層（「ＨＴＬ」）とみなされてよい。好ましくは、ただし必要ではないが、アクセプター材料が電子輸送材料であり、ドナー材料が正孔輸送材料である。

光起電性ヘテロ接合において、キャリア移動度、及び相対的なＨＯＭＯ及びＬＵＭＯ準位に基づき、ドナー及びアクセプターとして働く二つの有機光導電材料を如何に組み合わせるかは従来技術でよく知られているので、ここでは述べない。

バルク半導体、並びに絶縁体の一つの共通の特徴は「バンドギャップ」である。バンドギャップは、電子で充たされた最高エネルギー準位と空の最低エネルギー準位との間のエネルギー差である。無機半導体又は無機絶縁体において、このエネルギー差は価電子帯端（価電子帯の上部）及び伝導帯端（伝導帯の底部）との間の差である。有機半導体又は有機絶縁体において、このエネルギー差はＨＯＭＯとＬＵＭＯとの間の差である。純粋な材料のバンドギャップは、電子及び正孔が存在することの出来るエネルギー状態が欠落した領域である。伝導に関して唯一役立つキャリアはバンドギャップを超えて励起されるのに十分なエネルギーを有する電子及び正孔である。一般的には、半導体は絶縁体と比較して相対的に小さなバンドギャップを有する。

有機半導体のエネルギーバンドモデルの観点では、バンドギャップのＬＵＭＯ側の電子のみが電荷キャリアであり、バンドギャップのＨＯＭＯ側の正孔のみが電荷キャリアである。

用語「有機」は、有機オプトエレクトロニクス装置を作製するために使用される低分子有機材料と同様に、ポリマー材料を含む。「低分子」はポリマーではない任意の有機材料を示し、及び「低分子」は実際には非常に大きくてもよい。低分子は、ある状況では繰り返し単位を含んでよい。例えば、置換基として長鎖アルキル基を用いても、その分子は「低分子」として分類される。低分子は、例えばポリマー主鎖のペンダント基として、または主鎖の一部としてポリマー内部に組み込まれてもよい。低分子は、デンドリマーのコア部分として使われてもよく、前記デンドリマーはコア部分に接して構築された一連の化学的殻からなる。デンドリマーのコア部分は蛍光またはリン光低分子発光体であってよい。デンドリマーは「低分子」であってよい。一般的に、高分子は明確な化学式で表されるが分子どうしが異なる分子量を持つのに対して、低分子は明確な化学式で表され分子どうしも等しい分子量を持つ。ここで、「有機」はヒドロカルビルリガンド及びヘテロ原子で置換されたヒドロカルビルリガンドの金属錯体を含む。

さらなる背景技術の説明及び、一般的な構成、特性、材料及び特徴を含む、有機感光性装置に関する状況の説明に関して、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６６５７３７８号明細書、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６５８００２７号明細書、及びＢｕｌｏｖｉｃらの米国特許第６３５２７７７号明細書が参照によってここに組み込まれる。
米国特許第６６５７３７８号明細書 米国特許第６５８００２７号明細書 米国特許第６３５２７７７号明細書 米国特許第６４５１４１５号明細書 米国特許第６３５２７７７号明細書 米国特許第６４２００３１号明細書 米国特許出願第２００５−０２２４１１３号明細書 米国特許出願公開第２００５−０１１０００７号明細書 米国特許第６，６５７，３７８号明細書 米国特許出願１０／９１５，４１０ 米国特許出願１０／９７９，１４５ 米国特許第６，３３３，４５８号明細書 米国特許第６，４４０，７６９号明細書 米国特許出願第１０／８５７，７４７ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６，２６５０−５２（２０００） 「Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」（第２版） Ｇａｒｙ Ｌ．Ｍｉｅｓｓｌｅｒ及びＤｏｎａｌｄ Ａ．Ｔａｒｒ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ（１９９９） Ｎａｔｕｒｅ ４２８，９１１−９１８（２００４） ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ３０、２８−３２（２００５） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５、５７５７−５７５９（２００４） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５０８１（２００４） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３−３０１５（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９５， １８６９（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １８７，４４９（１９９８） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８６、４８７（１９９９） Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，４００（１９７０） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ １８９，１０７（１９９２） Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．４７１，１（２００１） Ａｃｔａ Ｐｈｙｓ．Ｓｉｎ．４５，１４６（１９９６） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，２ｎｄ ｅｄ．（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９９） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ １８９，１０７（１９９２） Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ａ，２４８８（１９６８） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５７５７−５７５９（２００４） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９６，７５１９−７５２６（２００４）

感光性装置は第１電極と第２電極との間に配置される一連の有機光活性層を備える。一つの配列中の各々の層は配列中の隣の層と直接接触している。有機光活性層の配列は、少なくとも一つのドナー・アクセプターへテロ接合を形成するように配置される。有機光活性層の配列は、ドナーとしてはたらく第１ホスト材料を含む第１有機光活性層、前記第１有機光活性層と第３有機光活性層との間に配置された第２ホスト材料を含む第２有機光活性層、及びアクセプターとしてはたらく第３ホスト材料を含む第３有機光活性層を含む。第１ホスト材料、第２ホスト材料、及び第３ホスト材料は異なる。第２有機光活性層は第１有機光活性層に対してアクセプターとして働き、第３光活性層に対してドナーとして働く。第２有機光活性層の第２ホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、第２有機光活性層の大部分の領域にわたって１励起子拡散長以下である。好ましくは、第２有機光活性層の第２ホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、第２有機光活性層の全領域にわたって１励起子拡散長以下である。

第２有機光活性層は、それを通る開口部を有する一体の層であってよく、第１有機光活性層は前記開口部を通じて第３有機光活性層と直接接触し、又は第２有機光活性層は第２ホスト材料を含む複数の島を有する不連続層であり、第１有機光活性層が前記島の間で第３有機光活性層と直接接触させられてよい。

第２ホスト材料は好ましくは低分子である。第１ホスト材料及び前記第３ホスト材料も、好ましくは低分子である。低分子第２ホスト材料は、好ましくは６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１である。

第１有機光活性層、第２有機光活性層及び第３有機光活性層の各々は異なる吸収スペクトルを有してよい。

第２有機光活性層は、第１ホスト材料と第２ホスト材料とが異なる吸収スペクトルを持つ状態で、ドナーとして働いてよい。ドナーとして働くとき、第２ホスト材料のＨＯＭＯは好ましくは第１ホスト材料のＨＯＭＯよりも０．１６ｅＶを超えずに高く、第２ホスト材料のバンドギャップは好ましくは第１ホスト材料のバンドギャップよりも低い。ドナーとして働く場合、第２ホスト材料は１×１０^−９ｃｍ^２／Ｖｓ未満の正孔移動度を有して、及び６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１であってよい。第２ホスト材料がドナーとして働く例は、スズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び銅フタロシアニン（ＰｂＰｃ）を含む。ＳｎＰｃ又はＰｂＰｃドナーと共にアクセプターとして働く第３ホスト材料に関する第３ホスト材料の例はＣ_６０である。

第２有機光活性層は、第２ホスト材料と第３ホスト材料とは異なる吸収スペクトルを持つ状態で、アクセプターとして働いてよい。アクセプターとして働くとき、第２ホスト材料のＬＵＭＯは好ましくは第３ホスト材料のＬＵＭＯよりも０．１６ｅＶを超えず低い。第３ホスト材料のバンドギャップは好ましくは第１ホスト材料のバンドギャップよりも低い。アクセプターとして働く場合、第２ホスト材料のバンドギャップは好ましくは第３ホスト材料のバンドギャップ未満である。

第２有機光伝導層の厚みは、好ましくは２００Å以下であり、又はより好ましくは１００Å以下である。

第２ホスト材料は好ましくは６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１であり、第２有機光活性層の少なくとも一部は装置の反射表面からλ_１・ｄ＋λ_１／４の光学的経路長で配置され、λ_１は６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯内の波長であり、ｄは整数≧０、及び反射表面はλ_１における入射光の少なくとも５０％を反射する。反射表面は、例えば、第１電極、第２電極、及び反射面の一つによって提供されてよい。

前記装置は第１電極と第２電極との間に配置された光活性電池の積層体を含んでよい。そのような積層体において、有機光活性層の配列は光活性電池の積層体内の第１の電池の一部分であってよい。積層体は他のドナー・アクセプターへテロ接合を含む第２光活性電池を同様に少なくとも含む。積層体の第１電池及び第２電池は異なる吸収特性を有してよい。好ましくは、第１電池の平均吸収は、波長λ_１±５％の範囲にわたって第２電池の平均吸収よりも大きく、第２電池の平均吸収は波長λ_２±５％の範囲にわたって第１電池の平均吸収よりも大きく、λ_１≧λ_２＋１０％である。

有機光活性層の配列は、第１有機光活性層と第３有機光活性層との間に配置されるバルク又は混合したドナー・アクセプター層をさらに含んでよい。バルク又は混合したドナー・アクセプター層は第１有機光活性層の第１ホスト材料及び第３有機光活性層の第３ホスト材料の両方を含む。

有機光活性層の配列は、第１有機光活性層と第３有機光活性層との間に配置された第４ホスト材料を含む第４の有機光活性層をさらに含んでよい。第４ホスト材料は、第１ホスト材料、第２ホスト材料、及び第３ホスト材料とは異なる。第４有機光活性層は第１有機光活性層に関するアクセプターとして働いてよく、又は第３光活性層に関するドナーとしてはたらいてよい。第４有機光活性層内部の任意の点から層の境界までの距離は、１励起子拡散長以下である。

図１はドナー・アクセプターヘテロ接合を説明するエネルギー準位図である。

図２はドナー・アクセプターヘテロ接合を含む有機感光性装置を説明する図である。

図３は平坦なヘテロ接合を形成するドナー・アクセプター二層を説明する図である。

図４はドナー層とアクセプター層との間に混合へテロ接合を含むハイブリッドへテロ接合を説明する図である。

図５はバルクへテロ接合を説明する図である。

図６はショットキーバリアへテロ接合を含む有機感光性装置を説明する図である。

図７は直列タンデム感光性セルを説明する図である。

図８は並列タンデム感光性セルを説明する図である。

図９はさらなる光活性薄層を含むよう変更された平坦なヘテロ接合を説明する図である。

図１０Ａは光活性薄層の例の断面を説明する図である。

図１０Ｂは光活性薄層の他の例の断面を説明する図である。

図１１はドナーとして光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。

図１２はアクセプターとして光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。

図１３はドナーとして光活性薄層を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する図である。

図１４はアクセプターとして光活性薄層を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する図である。

図１５は複数の光活性薄層を含む平坦ヘテロ接合を説明する図である。

図１６は図１５の平坦ヘテロ接合に関する複数の光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。

図１７は光活性薄層によって吸収を最大化する様々な層の配置を説明する図である。

図１８は、暗所における及び様々な照明強度の下での、光活性薄層を含む例示的感光性電池の電圧の関数としての電流密度を説明する。

図１９は、図１４と同じ装置に関して、曲線因子（ＦＦ）及び照明強度の関数としての開放電圧（Ｖｏｃ）を説明する図である。

図２０は、図１４と同じ装置に関して、照明強度の関数としての電力変換効率を説明する図である。

図２１は、図１４と同じ装置に関して、波長の関数としての外部量子効率及び吸収係数を説明する図である。

図２２は、粉末として及びＩＴＯ上に堆積された、光活性薄層に関して用いられる精製されたＳｎＰｃソース材料に関するｘ線回折結果を説明する図である。

図２３は、石英上の厚さ２５０ÅのＳｎＰｃ膜の表面モルフォロジーを説明する。

図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。

有機感光性装置は、その内部で光が吸収され励起子を形成し、前記励起子がその後電子及び正孔に解離され得る、少なくとも一つの光活性領域を備える。図２は光活性領域１５０がドナー・アクセプターへテロ接合を含む有機感光性オプトエレクトロニック装置１００の例を示す。「光活性領域」は、電磁放射を吸収して電流を生成するために解離し得る励起子を生成する感光性装置の一部である。装置１００はアノード１２０、アノード平滑層１２２、ドナー１５２、アクセプター１５４、励起子阻止層（「ＥＢＬ」）１５６、及びカソード１７０を、基板１１０上に備える。

ＥＢＬ１５６の例はＦｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，４５１，４１５号明細書に記載され、そのＥＢＬに関する開示について参照によってここに組み込まれる。ＥＢＬのさらなる背景説明は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６，２６５０−５２（２０００）、Ｐｅｕｍａｎｓらの「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ａｔ ｈｉｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ｉｎ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｄｏｕｂｌｅ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｉｏｄｅｓ，」にも見出されてよい。ＥＢＬは励起子がドナー及び／又はアクセプター材料から移動することを防ぐことによってクエンチングを低減する。

用語「電極」及び「コンタクト」は、ここでは互換性をもって使用され、光生成電流を外部回路に移送するための、又はバイアス電流若しくは電圧を装置に提供するための媒体を提供する層を示す。図２に説明されるように、アノード１２０及びカソード１７０が例である。電極は金属又は「金属代替物」で構成されてよい。ここで、用語「金属」は、元素状態で存在する純粋な金属からなる材料、及び二つ以上の元素状態で存在する純粋な金属からなる材料である合金の両方を含有するよう使用される。用語「金属代替物」は、通常の定義の範疇では金属ではないが、導電性等、金属と類似する性質を有する、ドープされたワイドバンドギャップ半導体、縮退半導体、導電性酸化物、及び導電性ポリマーなどを示す。電極は単一層又は複数層（「複合」電極）を含んでよく、透明、半透明又は不透明であってよい。電極及び電極材料の例は、Ｂｕｌｏｖｉｃらの米国特許第６，３５２，７７７号明細書、及びＰａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙらの米国特許第６，４２０，０３１号明細書に開示されるものを含み、各々はこれらの代表的な特徴を開示するため参照によってここに組み込まれる。ここで用いられるように、関連する波長において周囲電磁放射の少なくとも５０％を透過するとき、層は「透明」であるといわれる。

基板１１０は、望ましい構造的性質を提供する任意の適切な基板であってよい。基板は柔軟又は剛体、平面又は非平面であってよい。基板は透明、半透明又は不透明であってよい。剛性のプラスチック及びガラスは好ましい剛性基板材料の例である。柔軟なプラスチック及び金属ホイルは好ましい柔軟な基板材料の例である。

アノード平滑層１２２はアノード層１２０とドナー層１５２との間に配置されてよい。アノード平滑層はＦｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，６５７，３７８号明細書に記述され、この特徴に関するその開示に関して参照によってここに組み込まれる。

図２において、光活性領域１５０はドナー材料１５２及びアクセプター材料１５４を含む。光活性領域において使用される有機材料はシクロメタル化有機金属化合物を含む有機金属化合物を含む。ここで用いられる用語「有機金属」は、当業者によって一般的に理解されるようなものであり、及び例えば「Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」（第２版） Ｇａｒｙ Ｌ．Ｍｉｅｓｓｌｅｒ及びＤｏｎａｌｄ Ａ．Ｔａｒｒ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ（１９９９）の第１３章に与えられるようなものである。

有機層は真空蒸着、スピンコーティング、有機気相蒸着、インクジェット印刷及び当技術分野で知られる他の方法を用いて作製されてよい。

様々なタイプのドナー・アクセプターへテロ接合の例が図３から５に示される。図３は平坦なヘテロ接合を形成するドナー・アクセプター二層を説明する。図４はドナー及びアクセプター材料の混合物を含む混合へテロ接合１５３を含むハイブリッドへテロ接合を説明する。図５は理想的な「バルク」ヘテロ接合を説明する。実際の装置においては典型的には多数の界面が存在するが、バルクへテロ接合２５３、理想的な光電流の場合、はドナー材料２５２とアクセプター材料２５４との間に単一の連続界面を有する。混合及びバルクへテロ接合は、材料の複数のドメインを有する結果として多数のドナー・アクセプター界面を有してよい。反対のタイプの材料によって囲まれたドメイン（例えば、アクセプター材料によって囲まれたドナー材料のドメイン）は電気的に分離されてよく、これらのドメインは光電流に寄与しない。他のドメインはパーコレーション経路（連続的な光電流経路）によって接続されてよく、これらの他のドメインは光電流に寄与し得る。混合及びバルクへテロ接合の間の相違は、ドナー及びアクセプター材料の相分離の程度にある。混合へテロ接合においては、相分離は殆どない又は全くない（ドメインは非常に小さく、例えば数ナノメータ未満）一方で、バルクへテロ接合においては、相分離が大きい（例えば数ナノメータから１００ｎｍのサイズのドメインを形成する）。

低分子混合へテロ接合が、例えば真空蒸着又は気相蒸着を用いてドナー及びアクセプター材料の共蒸着によって、形成されてよい。低分子バルクへテロ接合は、例えば、制御された成長、蒸着後アニーリングを伴う共蒸着、又は溶液処理によって、形成されてよい。ポリマー混合又はバルクへテロ接合は、例えばドナー及びアクセプター材料のポリマーブレンドの溶液処理によって、形成されてよい。

もしも光活性領域が混合層（１５３）又はバルク層（２５２、２５４）及びドナー（１５２）及びアクセプター層（１５４）の一つ又は両方を含む場合、その光活性領域は「ハイブリッド」ヘテロ接合を含むといわれる。図４における層の配列は例示である。ハイブリッドへテロ接合のさらなる説明に関しては、Ｊｉａｎｇｅｎｇ Ｘｕｅらの、２００５年１０月１３日に発行された、発明の名称が「Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｈｙｂｒｉｄｉｚｅｄ ｍｉｘｅｄ−ｐｌａｎａｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」である、米国特許出願第２００５−０２２４１１３号明細書が参照によってここに組み込まれる。

一般的には、平坦なヘテロ接合は良好なキャリア伝導性を有するが、励起子解離に乏しい；混合層はキャリア伝導性に乏しく、励起子解離が良好であり、バルクヘテロ接合はキャリア伝導性が良好であり、励起子解離も良好であるが、材料の“行き止まり”の末端で電荷の集積が起こり効率を低下させる可能性がある。特に記述しなければ、平坦な、混合、バルク及びハイブリッドヘテロ接合は、ここで開示される実施形態全体で、ドナー・アクセプターヘテロ接合と殆ど同じ意味で使用されてよい。

図６は、光活性領域３５０がショットキーバリアヘテロ接合の一部分である有機感光性オプトエレクトロニック装置３００の例を示す。装置３００は、透明コンタクト３２０、有機光導電材料３５８を含む光活性領域３５０、及びショットキーコンタクト３７０を含む。ショットキーコンタクト３７０は、典型的に金属層として形成される。もしも光導電層がＨＴＬである場合には、アルミニウム、マグネシウムまたはインジウム等の低仕事関数金属が使われてよいのに対して、もしも光導電層３５８がＥＴＬの場合には、金などの高仕事関数金属が使用されてよい。ショットキーバリアセルにおいて、ショットキーバリアに関連して組み込まれた電場は、解離した励起子内の電子及び正孔を引き付ける。一般的に、電界励起子解離はドナー・アクセプター界面における解離ほど効率的ではない。

説明されたような装置は、要素１９０に接続されてよい。もしも前記装置が光起電性装置である場合、要素１９０は電力を消費または保存する抵抗型負荷である。もしも前記装置が光検出器である場合、要素１９０は、光検出器が光に露出されるとき生成される電流を測定し、及びバイアスを装置に印加することができる、電流検出回路である（例えば、Ｆｏｒｒｅｓｔらによる、２００５年５月２６日に公開された、米国特許出願公開第２００５−０１１０００７Ａ１号明細書において記述される）。もしも整流接合が装置から除去される場合（例えば、光活性領域として単一の光導電材料を用いて）、結果として得られる構造は光導電セルとして使用されてよく、その場合要素１９０は、光の吸収に起因する装置を横切る抵抗の変化を監視する信号検出回路である。特に記述しなければ、ここで開示される図面及び実施形態の各々において、これらの配列及び修正の各々が装置に使用されてよい。

有機感光性オプトエレクトロニック装置は、透明な電荷輸送層、電極、または電荷再結合領域を含んでもよい。電荷輸送層は、有機物または無機物であってよく、光導電的に活性であってよく或いは光導電的に活性でなくてよい。電荷輸送層は電極と類似しているが、装置外部への電気的な接続を持たず、オプトエレクトロニック装置の一つのサブセクションから隣接するサブセクションへと電荷キャリアを輸送する。電荷再結合領域は、電荷輸送層と類似しているが、オプトエレクトロニクス装置の隣接するサブセクションの間で電子及び正孔の再結合を可能にする。電荷再結合領域は、ナノクラスター、ナノ粒子、及び／またはナノロッドを含む半透明金属または金属代替物の再結合中心を含んでよく、例えば以下の文献、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，６５７，３７８号明細書；Ｒａｎｄらによる、発明の名称が「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ」である、２００４年８月１１日に出願された、米国特許出願１０／９１５，４１０；Ｆｏｒｒｅｓｔらによる、発明の名称が「Ｓｔａｃｋｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ」である、２００４年１１月３日に出願された米国特許出願１０／９７９，１４５；に記述され、各々は再結合領域の材料及び構造の開示に関して参考のためにここに組み込まれる。電荷再結合領域は、再結合中心が埋め込まれた透明なマトリックス層を含んでもよく、含まなくてもよい。電荷輸送層、電極、または電荷再結合領域は、オプトエレクトロニクス装置のサブセクションのカソード及び／又はアノードとして働いてよい。電極または電荷輸送層は、ショットキーコンタクトとして働いてよい。

図７及び８は、そのような透明な電荷輸送層、電極、及び電荷再結合領域を含むタンデム装置の例を説明する。図７の装置４００において、光活性領域１５０及び１５０’が、介在する導電性領域４６０と電気的に直列に積層される。外部の電気的な接続がなく図示されるように、介在する導電性領域４６０は電荷再結合領域であってよく、または電荷輸送層であってよい。再結合領域として、領域４６０は再結合中心４６１を、透明マトリックス層とともに、または透明マトリックス層なしに、含む。もしもマトリックス層がない場合には、前記領域を形成する材料の配列が領域４６０を横切って連続ではない可能性がある。図８における装置５００は、電気的に並列に積層され、最上部のセルが逆転された構造である（すなわち、カソードが下）光活性領域１５０及び１５０’を説明する。図７及び８の各々において、光活性領域１５０及び１５０’、阻止層１５６、１５６’が、用途に依存して、同じ各々の材料、または異なる材料から形成されてよい。同様に、光活性領域１５０及び１５０’は同じタイプ（すなわち、平坦、混合、バルク、ハイブリッド）のヘテロ接合であってよく、または異なるタイプのヘテロ接合であってよい。

上述の各装置において、励起子阻止層等の層は省略されてよい。例えば、反射層またはさらなる光活性層等の他の層が加えられてよい。層の順序は変更されてよく、または逆転されてよい。濃縮のための構成またはトラッピングのための構成が、以下に記述されるように、効率を増大するために用いられてよい。例えば、Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第６，３３３，４５８号明細書、及びＰｅｕｍａｎｓらの米国特許第６，４４０，７６９号明細書であり、これらは参照によってここに組み込まれる。光学エネルギーを装置の所望の領域内部に集中させるためにコーティングが使用されてよく、例えば、Ｐｅｕｍａｎｓらによる、発明の名称が「Ａｐｅｒｉｏｄｉｃ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｓｔａｃｋ」である、２００４年６月１日に出願された、米国特許出願第１０／８５７，７４７に記述され、この内容は参照によってここに組み込まれる。タンデム装置において、セル間の電気的な接続が電極を経由して提供される状態で、透明絶縁層がセル間に形成されてよい。また、タンデム装置において、一つ以上の光活性領域がドナー・アクセプターヘテロ接合である代わりに、ショットキーバリアヘテロ接合であってよい。これら特に記述されたもの以外の配置が使われてよい。

光起電性装置は、それらが負荷を通って接続され、光によって照射されるとき、光生成電流を生成する。無限負荷（ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｌｏａｄ）の下で照射されるとき、光起電性装置はその最大限可能な電圧、Ｖ_{ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ}、又はＶ_ＯＣを生成する。電気的接続が短絡された状態で照射されるとき、光起電性装置はその最大限可能な電流、Ｉ_{ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ}、又はＩｓｃを生成する。電力を生成するために実際使用されるとき、光起電性装置は有限抵抗負荷（ｆｉｎｉｔｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｌｏａｄ）に接続され、電力出力は電流及び電圧の積、Ｉ×Ｖ、によって与えられる。光起電性装置によって生成される最大全電力は本質的に積、Ｉ_ＳＣ×Ｖ_ＯＣ、を超えることができない。負荷の値が最大の電力を取り出すように最適化されるとき、電流及び電圧は各々Ｉ_ｍａｘ及びＶ_ｍａｘという値を有する。

光起電性装置に関する性能指数は曲線因子、ｆｆ、であり、以下のように定義される。

ここで、実際の使用においてＩ_ＳＣ及びＶ_ＯＣは決して同時には得られないので、ｆｆは常に１未満である。それにもかかわらず、ｆｆが１に近づくとき、装置は完全に直列ではなく又は内部抵抗を有し、及び結果的に最適な条件下でＩ_ＳＣ及びＶ_ＯＣの積の大部分を負荷に移送する。Ｐ_ｉｎｃが装置上のパワー入射（ｐｏｗｅｒ ｉｎｃｉｄｅｎｔ）であるとき、装置の電力効率、ｐ、は以下で計算されるだろう。

有機光電池は従来のシリコンベースの装置と比較して多くの潜在的な有利な点を有する。有機光電池は軽量であり、材料の使用において経済的であり、柔軟なプラスチックホイル等の、低コストの基板上に堆積されてよい。しかしながら、幾つかの有機光起電性装置は典型的には相対的に低い、１％又はそれ未満のオーダーである、外部量子効率を有する。これは固有の光伝導性プロセスの二次的性質（ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｎａｔｕｒｅ）に起因すると、部分的に、考えられる。すなわち、キャリア生成は励起子生成、拡散及びイオン化又は収集を必要とする。これらのプロセスの各々に関連する効率が存在する。下付文字は以下のように使用されてよい：Ｐは電力効率に関し、ＥＱＥは外部量子効率に関し、Ａはフォトン吸収に関し、ＥＤは励起子拡散に関し、ＣＣは電荷収集に関し、及びＩＮＴは内部量子効率に関する。この表記を用いると：

プラスチック基板上に堆積される低分子量有機薄膜を用いる光検出器及び光（ＰＶ）電池は、低コスト及び軽量であるという潜在的な有利な点を有する。Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｎａｔｕｒｅ ４２８，９１１−９１８（２００４）、「Ｔｈｅ ｐａｔｈ ｔｏ ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ ａｎｄ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ ｏｎ ｐｌａｓｔｉｃ，」を参照されたい。近年、分子有機ＰＶ電池の電力変換効率は、新たな材料及び装置構成の使用に起因して安定的に改善されている。Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、「Ｔｈｅ Ｌｉｍｉｔｓ ｔｏ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，」、ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ３０、２８−３２（２００５）；及びＪ．Ｘｕｅら、「Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｔａｎｄｅｍ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ ｈｙｂｒｉｄ ｐｌａｎａｒ−ｍｉｘｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５、５７５７−５７５９（２００４）を参照されたい。

しかしながら、有機ＰＶエネルギー変換の一つの問題は、太陽のスペクトルの活性層吸収間の制限された重なりである。実は、全太陽光の光子束（ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ）の６０％以上は、λ＞６００ｎｍの波長において約５０％が赤の範囲であり、６００＜λ＜１０００ｎｍにおいて近赤外（ＮＩＲ）である。したがって、ＮＩＲ放射を吸収することができ、吸収されたフォトンを電流に効率的に変換することができる新規の材料が開発される必要がある。

近年、最高λ＝１０００ｎｍのＮＩＲ放射に感度のよいポリマーベースの太陽電池が、１ｓｕｎ照射の下で０．３％の電力変換効率を達成した。Ｘ．Ｊ．Ｗａｎｇら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５０８１（２００４）を参照されたい。しかしながら、従来の低分子材料を用いた検討では、装置の応答性をＮＩＲまで拡張することができていない。

低分子感光性装置を開発するための研究は、ＮＩＲ応答性を達成することに加えて、任意のドナー・アクセプターへテロ接合の感度を調整及び／又は広げるために使用される可能性がある新たな構造を生んだ。ドナー及びアクセプターの間に増感薄層を組み込むことによって、この新しい構造は感光性装置の構築を可能にし、前記装置は全体にわたる装置厚みを維持するが、他の材料を用いて別の方法では利用することができないスペクトルの一部における光電流の生成が可能である。

さらに、別の方法では従来のドナー又はアクセプター層のどちらかとして実施可能であるだろうが、増感薄層としての使用に関して異なる材料のより大きな配列が使用できる。例えば、電荷キャリア移動度が低い材料が、装置性能を損なうことなく用いられてよい。増感薄層をエネルギー的に好ましいドナー又はアクセプター層と対にすることによって、増感薄層はドナーとアクセプターとの間のキャリア輸送を妨げることなく光電流に貢献する。

図９は、光活性領域９５０の内部に新規の増感薄層９８０を組み込むように改造された、上述の装置（例えば、１００、４００、５００）内で使用されるドナー・アクセプターへテロ接合を説明する。増感薄膜９８０は、ドナー１５２の材料又はアクセプター１５４の材料のどちらとも異なるホスト材料を含む。ここで定義される有機光活性層の「ホスト材料」は、各々の層のモルにして５０％超を構成する光活性有機分子である。増感薄層９８０はドナーとして又はアクセプターとして構成されてよい。どの場合も、増感層９８０のホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、増感薄層９８０領域の大部分（＞５０％）にわたって１励起子拡散長以下である。励起子拡散長は、１／ｅ励起子が崩壊／再結合する移動距離である。層９８０はエッジ効果及び局所的厚みの小さな変化（例えば、隆起及び泡）を含む可能性があるので、この距離は領域の「大部分」にわたる。好ましくは、エッジ効果などは回避され、増感薄層９８０のホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、増感薄層９８０の領域全体にわたって１励起子拡散長以下である。好ましくは、増感層９８０を横切るこの距離の２倍が２００Å超である場合でさえ、層の厚みは２００Å以下である。より好ましくは、層の厚みは１００Å以下である。

関連する効率に起因して、増感層９８０の薄さと光電流の寄与との間に平衡が成立されてよい。薄層が望ましいのは、ドナー層１５２とアクセプター層１５４との間を通過するキャリアに関する光活性層を横切る抵抗を最小化し、増感層９８０内で形成された励起子が整流界面に達する性能を最大化するためである。厚い層が望ましいのは、増感層９８０の吸収波長帯内でフォトンが吸収されることができる体積である。２励起子拡散長は理想的な厚み上限である一方、多くの材料の組合せ及び光源スペクトルに関して、増感層９８０は薄い方が望ましい。

増感薄層９８０は固体であってよい一方、図１０Ａに示されるように多孔質であってもよい。もしも多孔質である場合、増感層９８０は一体の層を通る複数の経路１００１（すなわち、開口）を含む。隣接層（例えば、ドナー１５２及びアクセプター１５４）は経路１００１を通じて互いに直接接触し、電荷キャリアに層間の直接的な経路を提供する。経路１００１は、堆積工程中に、例えば被覆性（ｃｏｖｅｒａｇｅ）において天然の不規則性を有するような薄層９８０を用いて（例えば、材料の核サイトが繋がるまで、ただし全ての間隙が充填される前まで、成長する）、又は、不規則な被覆性をもたらす表面不規則性を下部の層（例えば、ドナー１５２）に有することによって、現れ得る。

図１０Ｂは、薄層９８０の他の例である。この例において、層は複数の材料の不連続な島を含む。島１００２は、堆積工程の間、例えば核生成の直後成長を止めることによって現れ得る。

固体層、島の不連続層、又は多孔質一体層は、作製の間、単純に材料核生成の後どれだけの間成長が許されるかを制御することによって選択されてよい。層９８０の全ての三つの形態が実施可能である一方、多孔質一体化層は隣接する層（例えば、ドナー１５２及びアクセプター１５４）間の経路１００１を通る直接的な電荷キャリア移動を提供する間、光活性表面領域のその平衡に関して望ましい。

好ましくは、増感薄層９８０は低分子材料である。同様に、ドナー層１５２及びアクセプター１５４においても低分子材料であることが望ましい。ＮＩＲを吸収するため、第２の材料は波長帯６００ｎｍから９００ｎｍにわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１であってよい。吸収スペクトルの範囲を最大化するために、三つの光活性層（１５２、９８０、１５４）は各々異なる吸収スペクトルを有してよい。

図１１を参照すると、増感薄層９８０はドナー層１５２とは異なるホスト材料を有するドナーとして働いてよい。好ましくは、増感薄層９８０のＨＯＭＯは、ドナー層のＨＯＭＯより５ｋＴを超えずに高く（ｋはボルツマン定数であり、Ｔは操作温度である）、それによってドナー層（１５２）・増感層（９８０）界面における正孔のトラッピングを回避する。ＨＯＭＯレベルのこの差は、図１１においてΔＥ_１として説明される。

有機光増感装置の操作温度はＴ＝−４０℃〜＋１００℃の範囲を有することを共通の条件とする。したがって、最大限度として＋１００℃を用いて、５ｋＴに関して解くと（すなわち、５×１．３８０６５０５Ｅ−２３（Ｊ／Ｋ）／１．６０２Ｅ−１９（Ｊ／ｅＶ）×（Ｔ℃＋２７３．１５）°Ｋ）、増感薄膜９８０のＨＯＭＯはドナー層１５２より０．１６ｅＶを超えず高いとよい。

増感層９８０をドナーとして配列する場合、増感層９８０を形成する材料のバンドギャップはドナー層１５２を形成する材料のバンドギャップ未満であってよい。吸収感度は、一般的に、純粋な材料のバンドギャップに反比例するので、このようにバンドギャップを配列することは、ドナー層１５２単独で起こるであろうものよりも長波長のフォトンの吸収を可能にする。

増感層９８０を薄く保つことによって、他の方法では光活性装置において任意の妥当な効率を有するように実施することができない、全ての種類の材料が使用されてよい。例えば、増感層９８０をドナーとして使用する場合、増感層９８０のホスト材料は、１×１０^−９ｃｍ^２／Ｖｓ未満の正孔移動度を有してよい。古典的には、高い正孔移動度は装置の外部量子効率を最大化するためにドナーに関して要求される特徴であるため、ドナーとしてそのような材料を用いることは直感に反する。しかしながら、正孔移動度に乏しいスズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び鉛フタロシアニン（ＰｂＰｃ）等、正孔移動性が低いが、６００ｎｍから９００ｎｍの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１である材料が多くある。

このように、望ましい高吸収特性を有するが移動特性に乏しい材料が、そのような材料はそれらの移動特性が低いことに起因して従来使用することができなかったにもかかわらず、増感層９８０において使用されてよい。

図１２を参照すると、増感薄層９８０はアクセプター層１５４とは異なるホスト材料を有するアクセプターとして働いてよい。好ましくは、増感薄層９８０のＬＵＭＯはアクセプター層１５４のＬＵＭＯより５ｋＴを超えて低いことがなく、それによってアクセプター層（１５４）・増感層（９８０）の界面における電子のトラッピングを回避する。ＬＵＭＯ準位におけるこの差は、図１２においてΔＥ_２として示される。

増感層９８０をアクセプターとして配列する場合、増感層９８０を形成する材料のバンドギャップはアクセプター層１５４を形成する材料のバンドギャップ未満であってよい。吸収感度は、一般的に、純粋な材料のバンドギャップに反比例するので、このようにバンドギャップを配列することは、アクセプター層１５４単独で起こるであろうものよりも長波長のフォトンの吸収を可能にする。

増感層９８０を薄く保つことによって、電子移動度が１×１０^−９ｃｍ^２／Ｖ未満のホスト材料が使用されてよい。古典的には、高い電子移動度は装置の外部量子効率を最大化するためにアクセプターに関して要求される特徴であるため、アクセプターとしてそのような材料を用いることは直感に反する。このように、望ましい高吸収特性を有するが移動特性に乏しい材料が、そのような材料はそれらの移動特性が低いことに起因して従来使用することができなかったにもかかわらず、増感層９８０において使用されてよい。

増感層９８０が、図１３及び１４に示されるように、ハイブリッドへテロ接合において使用されてもよい。図１３において、増感層９８０は光活性領域１３５０内部でドナーとして働く。好ましくは、ドナーとして、増感薄層９８０のＨＯＭＯはドナー層１５２のＨＯＭＯよりも５ｋＴを超えて高くはない（ΔＥ_１）。図１４において、増感層９８０は光活性領域１４５０内部でアクセプターとして働く。好ましくは、アクセプターとして、増感薄層９８０のＬＵＭＯはアクセプター層１５４のＬＵＭＯよりも５ｋＴを超えて低くはない（ΔＥ_２）。

図１５は複数のドナー増感層（９８０ａ、９８０ｂ）及び複数のアクセプター増感層（９８０ｃ、９８０ｄ）を含む光活性領域１５５０を示す。図１６は、図１５における単一の光活性領域内部の複数の増感薄層９８０ａ〜ｄを含む感光性電池に関するエネルギー準位図である。好ましくは、電荷キャリアトラッピングを回避するため、第１増感ドナー薄層９８０ａのＨＯＭＯはドナー層１５２のＨＯＭＯよりも５ｋＴを超えて高くはなく（ΔＥ_１、１）；第２増感ドナー薄層９８０ｂのＨＯＭＯは第１増感ドナー薄層９８０ａのＨＯＭＯよりも５ｋＴを超えて高くはなく（ΔＥ_１、２）；第１増感アクセプター薄層９８０ｃのＬＵＭＯは第２増感アクセプター薄層９８０ｄのＬＵＭＯよりも５ｋＴを超えて低くはなく（ΔＥ_２、１）；及び第２増感アクセプター薄層９８０ｄのＬＵＭＯはアクセプター層１５４のＬＵＭＯよりも５ｋＴを超えて低くはない（ΔＥ_２、２）。

一つ以上の増感層９８０を有する光活性領域（９５０、１３５０、１４５０、１５５０）は、装置１００、４００及び５００を含む、上述の感光性装置内の光活性領域１５０及び／又は１５０’と交換可能である。

図１７に示されるように、装置性能は増感薄層９８０の少なくとも一部を配置することによって（説明されるように、図７のタンデム装置において、光活性領域９５０／１３５０／１４５０／１５５０内部に層として配列される）、装置の反射表面からの光学的経路長λ_１．ｄ＋λ_１／４（ｄは０以上の整数）において、改良される。もしも、例えば、増感層９８０が６００ｎｍから９００ｎｍの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１である場合、λ_１は６００ｎｍから９００ｎｍの波長帯の中の波長である。この帯域の中にピークを配置して（７５０ｎｍ、説明されたように）増感層の一部と重なることによってと、所望の帯幅内の光が吸収されるであろうことをさらに確実にする。

反射表面は好ましくはλ_１において入射光の少なくとも５０％を反射する。反射表面は別個の層であってよく、または電極の一つによって与えられてよい（例えば、図２及び図７のカソード１７０、図８のアノード１７０’）。

増感層９８０が電池積層体の中の第１の電池の光活性領域内である場合、全体の性能は異なる電池が異なる吸収性能を有するように配列することによって改善されてよい。好ましくは、λ_１±５％の波長範囲にわたって第１の電池（増感層９８０を有する）の平均吸収は第２の電池の平均吸収よりも大きく、第２の電池の平均吸収はλ_２±５％の波長範囲にわたって第１の電池の平均吸収よりも大きい。ここで、λ_１≧λ_２＋１０％、λ_１は６００ｎｍから９００ｎｍまでの吸収帯の中の波長であり、増感層９８０として働くホスト材料は６００ｎｍから９００ｎｍにわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１である。

どの材料がドナーを構成するか及びどの材料がアクセプターを構成するかは、層間の相対的なエネルギー準位に依存するので、同じ材料（例えば、ＳｎＰｃ、ＰｂＰｃ）はドナー１５２／２５２及びアクセプター１５４／２５４として一組の材料を有するドナー層として働いてよく、ドナー１５２／２５２及びアクセプター１５４／２５４として異なる一組の材料を有するアクセプター層として働いてよい。

例
実験はλ＞９００ｎｍの波長に感度を有するスズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）／Ｃ_６０ドナー・アクセプターへテロ接合に基づく有機光電池で実施された。ＳｎＰｃの多結晶薄膜内の正孔移動度の低さ、μ_ｈ＝（２±１）×１０^−１０ｃｍ^２／Ｖｓ、は、薄層の使用を妨げ、低い曲線因子及び低い電力変換効率に繋がる。しかしながら、その大きな吸収係数によって、ＳｎＰｃの厚み５０Åの層はλ＝７５０ｎｍにおいて最高２１％の外部太陽電池外部量子効率をもたらす。酸化インジウムスズ／１００Å銅フタロシアニン／５０ÅＳｎＰｃ／５４０ÅＣ_６０／７５Åバトクプロイン／Ａｇの二重ヘテロ構造で、１ｓｕｎ標準ＡＭ１．５Ｇ太陽照度の下で（１．０±０．１）％の電力変換効率、及び強い（１０ｓｕｎｓ）標準ＡＭ１．５Ｇ太陽照度の下で（１．３±０．１）％の効率を得る。ＳｎＰｃ増感層を持たない装置（酸化インジウムスズ／銅フタロシアニン／Ｃ_６０／Ａｇ装置）の例に関しては、「４．２％ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ」、Ｊ．Ｘｕｅら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３−３０１５（２００４）を参照されたい。

有機材料における光生成プロセスは、励起子を生成するフォトンの吸収又は電子・正孔対の結合で開始する。効率的な有機光起電性装置において、その後励起子はドナー・アクセプター界面において自由な電荷キャリアに解離され、前記電荷キャリアはその後各々の電極において収集される。二重ヘテロ構造有機太陽電池において電子ドナーとしてスズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）層を用いると、ＳｎＰｃ層は効率的に入射ＮＩＲ光を光電流に変換する。１ｓｕｎ標準ＡＭ１．５Ｇ（ａｉｒ ｍａｓｓ １．５ ｇｌｏｂａｌ）太陽照度の下でη_ｐ＝（１．０±０．１）％の電力変換効率が可能である。超薄ＳｎＰｃ層に関する曲線因子がＦＦ＝０．５であるので高効率が結果として得られるが、以前実施された装置（Ｘ．Ｊ．Ｗａｎｇら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５０８１（２００４））はＦＦ＝０．３２であった。この高ＦＦはＳｎＰｃ層厚みの制御を通じて達成され、その低い正孔移動度は装置性能に悪い影響を与えない。

全ての装置は、１５Ω／ｓｑのシート抵抗を有する、商業的にガラス基板上に予備コーティングされた、厚み１５００Åの層の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上に作製された。溶媒で洗浄された（Ｊ．Ｘｕｅら、Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９５， １８６９（２００４）を参照されたい）ＩＴＯ表面は、基板を高真空チャンバ（ベース圧力〜３×１０^−７Ｔｏｒｒ）内にローディングする直前に紫外線／Ｏ_３内で５分間処理され、有機層及び厚み１０００ÅのＡｇカソードは熱蒸着によって堆積された。蒸着の前に、有機材料は真空熱勾配昇華を用いて三つのサイクルで精製された（Ｒ．Ａ．Ｌａｕｄｉｓｅら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １８７，４４９（１９９８）を参照されたい）。

Ａｇカソードは直径１ｍｍの開口を有するシャドウマスクを通じて蒸着され、装置領域を画定した。電流密度・電圧（Ｊ−Ｆ）特性は暗所で模擬的なＡＭ１．５Ｇ太陽照度（Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）の下でＨＰ４１５５Ｂ半導体パラメータアナライザを用いて測定された。照明強度及び量子効率の測定は、国立再生可能エネルギー研究所トレーサブルキャリブレーテッドＳｉ検出器（ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｅ １０２１， Ｅ９４８， Ｅ９７３ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ ＰＡ）を採用する標準的な方法によって実施された。

模擬的な及び実際の（すなわち、標準の）太陽スペクトルの間の差は、我々の最終的な効率の決定において修正された。吸収スペクトルは、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ Ｌａｍｂｄａ ８００ ＵＶ／Ｖｉｓ分光計を用いて、石英における吸収の損失を相殺するために清浄な石英基板を参照して、石英基板の上で測定された。ＳｎＰｃ正孔伝導性は、ＩＴＯとＡｕコンタクトとの間に挟まれた１０００Åの厚みの層からなる装置に関して測定された。

図１８は、暗所において、及びＡＭ１．５Ｇ標準太陽照度の様々な照明強度（Ｐ_０）の下で、ＩＴＯ／ＣｕＰｃ（１００Å）／ＳｎＰｃ（５０Å）／Ｃ_６０（５４０Å）／ＢＣＰ（７５Å）／Ａｇ構造（ここでＣｕＰｃは銅フタロシアニンを、及びＢＣＰはバトクプロインを表す）を有する装置のＪ−Ｖ特性を説明する。ドナー・アクセプターへテロ接合は、ＳｎＰｃ／Ｃ_６０界面において画定され、ＢＣＰは励起子阻止層として働く。暗所電流を古典的ｐ−ｎ接合ダイオード理論にフィッティングすることで（Ｊ．Ｘｕｅら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３−３０１５（２００４）を参照されたい）、直列抵抗Ｒｓ＝０．１７Ωｃｍ^２及び理想的因子（ｉｄｅａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）ｎ＝１．９６±０．０５をもたらす。エネルギー準位の概略図は図１８の挿入図に示され、最高被占分子軌道エネルギー準位は紫外線光電子分光計によって測定される。最低空分子軌道エネルギーは各々の材料の光学的エネルギーギャップを用いて評価される。

図１９及び２０は、Ｐ_０の関数として同じ装置に関する様々な光電池性能パラメータを説明する。ここで、測定された強度の範囲にわたってＦＦ〜０．５である一方で、開放電圧（Ｖ_ＯＣ）はＰ_０に関して対数的に増加し、１ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ^２）において０．４Ｖという値であり、１２太陽強度において最高０．５１Ｖである。応答性（Ｊ_ＳＣ／Ｐ_０と等しい、ここでＪ_ＳＣは短絡電流密度）は、Ｐ_０＝（０．０５±０．０２）Ａ／Ｗで相対的に定数のままである。装置パラメータにおけるこれらの傾向の結果として、１ｓｕｎ標準ＡＭ１．５Ｇ太陽照度の下で、η_ｐはＶ_ＯＣと共に（１．０±０．１）％まで増加し、１２ｓｕｎでは（１．３±０．１）％に達する。１から１２ｓｕｎにおいてＦＦ及びＪ_ＳＣ／Ｐ_０の双方の因子がＰ_０に対して定数であることは、装置内のキャリア収集が効率的でありキャリア再結合が強度に対して実質増加しないことを示す。

装置の活性層の外部量子効率（η_ＥＱＥ）及び吸収係数（α）は波長の関数として図２１に示される。ＳｎＰｃ（破線）の低エネルギーＱバンドは、ＣｕＰｃ（実線）と比較して非常に強い吸収を示し、λ＝６２０ｎｍにおいて１．３×１０^５ｃｍ^−１であるのとは対照的に、λ＝７４０ｎｍにおいてピーク値α＝３．５×１０^５ｃｍ^−１である。同様に、ＳｎＰｃに関するαはＮＩＲに拡張し、最高λ＝１０００ｎｍの大きな吸収を有する。吸収係数は、装置内で使用されるものと同じＳｎＰｃの厚み５０Åの膜から計算された。膜の厚みの増加はスペクトル形状の変化につながり、λ＝８６０ｎｍにおけるピークは、７４０ｎｍ（データは図示されない）におけるピークに関連して増加するが、おそらく分子が凝集してＳｎＰｃ二量体を形成する結果である。すなわち、もしも我々が非常に薄いＳｎＰｃ層が表面の均一な被覆性を提供しないことを仮定するならば、ある領域は高密度のダイマーを有するＳｎＰｃクラスターを含み、他の領域は単分子層又はダイマーが完全に存在しない被覆の無い状態であるだろう。この場合、長波長凝集ピーク強度も低減されるだろう。図１８のＰＶ電池のη_ＥＱＥ（黒丸、図２１）は構成材料の吸収の結果として起こり、３５０＜λ＜５５０ｎｍの間で生成されるＣ_６０からの光電流の寄与を伴い、η_ＥＱＥ＝３６％にピークを持ち、一方でＳｎＰｃ層は６００＜λ＜１０００ｎｍで寄与し、２１％でピークを持つ。

輸送マトリックスを用いる光学モデリング（Ｌ．Ａ．Ａ．Ｐｅｔｔｅｒｓｓｏｎら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８６、４８７（１９９９）を参照されたい）は、ＳｎＰｃ領域が〜４０％の内部量子効率に寄与することを示唆する。λ＝５７５及び６２０ｎｍでのη_ＥＱＥにおけるさらなる小さな応答ピークが存在し、下部のＣｕＰｃ層からの寄与に相当する。この後者の応答は厚み５０ÅのＳｎＰｃ層が不連続であるために生じ、ＣｕＰｃ及びＣ_６０の間に局所の直接的接触を可能にし、効率的な電荷分離領域を形成し、さらに最薄膜に関する不均一な層の被覆に対する我々の仮定を支持する。（Ｊ．Ｘｕｅら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，３０１３−３０１５（２００４）を参照されたい）

中心のＳｎ原子は分子平面の外１．１３Åにあり、ＳｎＰｃが三斜晶相に結晶化する原因となる（Ｍ．Ｋ．Ｆｒｉｅｄｅｌら、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，４００（１９７０）；及びＲ．Ｋｕｂｉａｋら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ １８９，１０７（１９９２）を参照されたい）。精製されるソース材料の粉末Ｘ線回折が図２２に示され、及びピークは周知の分子結晶構造を用いて同定される。ＩＴＯ上に堆積されたＳｎＰｃの厚み１０００Åの膜が図２２に示され、２θ＝（１２．６０±０．０５）°に単一のピークを有し、ｄ_{（１０１）}=（７．０３±０．０２）Åの格子面間隔に相当する。これは、ＳｎＰｃ膜は分子がＩＴＯ表面上に選択的に平坦に存在する多結晶であることを示し、過去の研究と一致する（Ｋ．Ｗａｌｚｅｒら、Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ． ４７１，１（２００１）；及びＬ．Ｂ．Ｃｈｅｎら、Ａｃｔａ Ｐｈｙｓ． Ｓｉｎ． ４５，１４６（１９９６）を参照されたい）。

図２３は、石英上の厚み２５０ÅのＳｎＰｃ膜の表面モルフォロジーを示す。走査型電子顕微鏡像は、多結晶膜を示す、粗く、波形の表面を示し、一方で原子間力顕微鏡（図２３、挿入図）は平均二乗粗さ４７Åを与える。

ＳｎＰｃ膜内の正孔移動度は、ＩＴＯ／ＳｎＰｃ（１０００Å）／Ａｕ装置の空間電荷制限電流をＣｈｉｌｄ則（Ｃｈｉｌｄ’ｓ ｌａｗ）にフィッティングすることによって測定され（Ｍ．Ｐｏｐｅ及びＣ．Ｅ．Ｓｗｅｎｂｅｒｇ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，２ｎｄ ｅｄ．（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９９）；及びＢ．Ｐ．Ｒａｎｄ，Ｊ．Ｘｕｅ，Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ，及びＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，“Ｍｉｘｅｄ ｄｏｎｏｒ−ａｃｃｅｐｔｏｒ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉ．Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，”、２００５年２月９日にＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓに提出、を参照されたい）、有機物に関する相対的な比誘電率として３を仮定する。この分析は、η_ｈ＝（７±１）×１０^−４ｃｍ^２／ＶｓであるＣｕＰｃと比較して、正孔移動度η_ｈ＝（２±１）×１０^−１０ｃｍ^２／Ｖｓを与える（Ｂ．Ｐ．Ｒａｎｄ，Ｊ．Ｘｕｅ，Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ，及びＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，“Ｍｉｘｅｄ ｄｏｎｏｒ−ａｃｃｅｐｔｏｒ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉ．Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，”、２００５年２月９日にＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓに提出、を参照されたい）。

非平面ＳｎＰｃ分子の多結晶膜は、分子間の間隔が大きいことに起因して、ＣｕＰｃと比較して分子軌道の重なりが少ない可能性がある。実は、ＳｎＰｃ内の４配位Ｎ原子によって形成される平面の間の間隔は、３．５６Å及び２．８７Å（Ｒ．Ｋｕｂｉａｋら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ １８９，１０７（１９９２）を参照されたい）の間の単位セル内部で交替するのに対して、ＣｕＰｃの場合３．３４Åである（Ｃ．Ｊ．Ｂｒｏｗｎ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ａ，２４８８（１９６８）を参照されたい）。

それは、正孔移動度を決定するＳｎＰｃ格子内のより大きな二つの間隔であり、それらの材料間で測定されるη_ｈにおける大きな相違を説明し得る。ＳｎＰｃの低移動度は、層の厚みが増加するとき、直列抵抗の増加をもたらし、及びその結果としてＰＶ電池のＦＦを低くする。すなわち、厚み５０ÅのＳｎＰｃ層に関するＦＦ＝０．５は（図１９参照）、１ｓｕｎ強度における厚み２００ÅのＳｎＰｃドナー層において０．３１に落ちる。ＳｎＰｃを堆積する前にＩＴＯ表面上に厚み１００ÅのＣｕＰｃウェッティング層を堆積することは、後続のＣ_６０アクセプター層がスズドナー層における不連続部を通じてＩＴＯに直接接触することを防ぐ。

まとめると、これらの実験は、ＳｎＰｃを増感電子ドナー薄層として用いることで、ＮＩＲまで拡張した感度を有する有機太陽電池の実現性を証明する。電池の外部量子効率は、３５０＜λ＜１０００ｎｍの間の波長で有意であり、３５０＜λ＜８７５ｎｍの範囲で１０％を超えて残存する。良好な電荷輸送を保持するために層の厚みを最適化することによって、及び最も高い入射光強度を有する領域にドナー／アクセプター界面を配置することによって、我々は１ｓｕｎ標準ＡＭ１．５Ｇ太陽照度の下で（１．０±０．１）％という電力変換効率を、及び強い照度の下では（１．３±０．１）％という電力変換効率を達成する。これらの結果は、ＳｎＰｃ／Ｃ_６０接合に関する性能を明らかにして、有機光電池の応答性を赤外にまで拡張するタンデム有機太陽電池（Ｊ．Ｘｕｅ，Ｓ．Ｕｃｉｕｄａ，Ｂ．Ｐ．Ｒａｎｄ，及びＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，５７５７−５７５９（２００４）；及びＢ．Ｐ．Ｒａｎｄ，Ｐ．Ｐｅｕｍａｎｓ，及びＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９６，７５１９−７５２６（２００４）を参照されたい）における用途を見出した

上述のように、本発明の有機感光性装置は入射電磁放射から電力を生成するために（例えば、光起電力装置）、又は入射電磁放射を検出するために（例えば、光検出器又は光伝導性電池）使用されてよい。

本発明の特定の例がここで説明され及び／又は記述される。しかしながら、本発明の修正及び変更は、上記教示によって、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、添付されたクレームの範囲内で規定されることは理解されるべきである。

ドナー・アクセプターヘテロ接合を説明するエネルギー準位図である。 ドナー・アクセプターヘテロ接合を含む有機感光性装置を説明する図である。 平坦なヘテロ接合を形成するドナー・アクセプター二層を説明する図である。 ドナー層とアクセプター層との間に混合へテロ接合を含むハイブリッドへテロ接合を説明する図である。 バルクへテロ接合を説明する図である。 ショットキーバリアへテロ接合を含む有機感光性装置を説明する図である。 直列タンデム感光性セルを説明する図である。 並列タンデム感光性セルを説明する図である。 さらなる光活性薄層を含むよう変更された平坦なヘテロ接合を説明する図である。 光活性薄層の例の断面を説明する図である。 光活性薄層の他の例の断面を説明する図である。 ドナーとして光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。 アクセプターとして光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。 ドナーとして光活性薄層を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する図である。 アクセプターとして光活性薄層を含むハイブリッドヘテロ接合を説明する図である。 複数の光活性薄層を含む平坦ヘテロ接合を説明する図である。 図１５の平坦ヘテロ接合に関する複数の光活性薄層を含むエネルギー準位図を説明する図である。 光活性薄層によって吸収を最大化する様々な層の配置を説明する図である。 暗所における及び様々な照明強度の下での、光活性薄層を含む例示的感光性電池の電圧の関数としての電流密度を説明する。 図１４と同じ装置に関して、曲線因子（ＦＦ）及び照明強度の関数としての開放電圧（Ｖｏｃ）を説明する図である。 図１４と同じ装置に関して、照明強度の関数としての電力変換効率を説明する図である。 図１４と同じ装置に関して、波長の関数としての外部量子効率及び吸収係数を説明する図である。 粉末として及びＩＴＯ上に堆積された、光活性薄層に関して用いられる精製されたＳｎＰｃソース材料に関するｘ線回折結果を説明する図である。 石英上の厚さ２５０ÅのＳｎＰｃ膜の表面モルフォロジーを説明する。

符号の説明

６ フォトン
８ 励起子
１００ 装置
１２０ アノード
１２２ アノード平滑層
１５０ 光活性領域
１５２ ドナー
１５３ 混合ヘテロ接合
１５４ アクセプター
１５６ 励起子阻止層
１７０ カソード
２５２ ドナー材料
２５４ アクセプター材料
３００ 装置
３２０ 透明コンタクト
３５０ 光活性領域
３５８ 有機光導電材料
４００ 装置
５００ 装置
１００１ 経路

Claims (23)

1. 第１電極及び第２電極と、
   配列中の各層が配列中の隣の層と直接接触し、有機光活性層の配列が少なくとも一つのドナー・アクセプターへテロ接合を形成するよう配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された有機光活性層の配列と、を含み、
   前記配列が、
   ドナーとして働く第１ホスト材料を含む第１有機光活性層と、
   前記第１有機光活性層と第３有機光活性層との間に配置され、第２ホスト材料を含む第２有機光活性層と、
   アクセプターとして働く第３ホスト材料を含む前記第３有機光活性層と、を含み、
   前記第２有機光活性層は、前記第２ホスト材料の複数の不連続な島を含み、前記第１有機光活性層が前記島の間で前記第３有機光活性層と直接接触し、その結果第１ドナー・アクセプターへテロ接合を形成し、
   前記第１ホスト材料、第２ホスト材料、及び第３ホスト材料は異なり、
   前記第２有機光活性層は前記第１有機光活性層に関してアクセプターとして働き、その結果前記第１有機光活性層と第２ドナー・アクセプターへテロ接合を形成し、又は前記第３光活性層に関してドナーとして働き、その結果前記第３有機光活性層と第３ドナー・アクセプターへテロ接合を形成し、前記第２有機光活性層の第２ホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、前記第２有機光活性層の半分を超える領域にわたって１励起子拡散長以下である、感光性装置。
2. 前記第２ホスト材料が低分子である、請求項１に記載の感光性装置。
3. 前記第１ホスト材料及び前記第３ホスト材料が低分子である、請求項２に記載の感光性装置。
4. 前記第２ホスト材料が６００ｎｍから９００ｎｍの波長帯にわたって少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１の吸収係数を有する、請求項２に記載の感光性装置。
5. 前記第１有機光活性層、前記第２有機光活性層、及び前記第３有機光活性層の各々が異なる吸収スペクトルを有する、請求項１に記載の感光性装置。
6. 前記第２有機光活性層がドナーとして働き、前記第１ホスト材料と第２ホスト材料とが異なる吸収スペクトルを有する、請求項１に記載の感光性装置。
7. 前記第２ホスト材料のＨＯＭＯが前記第１ホスト材料のＨＯＭＯと比べて０．１６ｅＶを超えずに高い、請求項６に記載の感光性装置。
8. 前記第２ホスト材料のバンドギャップが前記第１のホスト材料のバンドギャップ未満である、請求項６に記載の感光性装置。
9. 前記第２ホスト材料は１×１０^−９ｃｍ^２／Ｖｓ未満の正孔移動度を有して、及び６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１である、請求項６に記載の感光性装置。
10. 前記第２ホスト材料がスズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）及び鉛フタロシアニン（ＰｂＰｃ）から選択される、請求項６に記載の感光性装置。
11. 前記第３ホスト材料がＣ_６０である、請求項１０に記載の感光性装置。
12. 前記第２有機光活性層がアクセプターとして働き、前記第２ホスト材料及び前記第３ホスト材料が異なる吸収スペクトルを有する、請求項１に記載の感光性装置。
13. 前記第２ホスト材料のＬＵＭＯが前記第３ホスト材料のＬＵＭＯよりも０．１６ｅＶを超えず低い、請求項１２に記載の感光性装置。
14. 前記第２ホスト材料のバンドギャップが前記第３ホスト材料のバンドギャップ未満である、請求項１２に記載の感光性装置。
15. 前記第２有機光伝導層の厚みが２００Å以下である、請求項１に記載の感光性装置。
16. 前記第２有機光伝導層の厚みが１００Å以下である、請求項１５に記載の感光性装置。
17. 前記第２ホスト材料は６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯にわたって吸収係数が少なくとも５×１０^４ｃｍ^−１であり、前記第２有機光活性層の少なくとも一部は装置の反射表面からλ_１・ｄ＋λ_１／４の光学的経路長で配置され、
    λ_１は６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長帯内の波長であり、
    ｄは０以上の整数であり、
    反射表面はλ_１における入射光の少なくとも５０％を反射する、請求項１に記載の感光性装置。
18. 前記反射表面が前記第１電極、前記第２電極、及び反射面の一つによって提供される、請求項１７に記載の感光性装置。
19. 前記有機光活性層の配列が第１電極と第２電極との間に配置された光活性電池積層体の中の第１の電池の一部であり、装置が光活性電池の積層体の第２の電池をさらに含み、前記第２の電池が他のドナー・アクセプターへテロ接合を含み、
    前記第１の電池と前記第２の電池とが異なる吸収特性を有し、
    λ_１±５％の波長範囲にわたって前記第１の電池の平均吸収は前記第２の電池の平均吸収よりも大きく、
    前記第２の電池の平均吸収はλ_２±５％の波長範囲にわたって第１の電池の平均吸収よりも大きく、
    λ_１≧λ_２＋１０％である、請求項１７に記載の感光性装置。
20. 前記有機光活性層の配列が、第１の有機光活性層と第３の有機光活性層との間に配置されたバルク又は混合ドナー・アクセプター層をさらに含み、前記バルク又は混合ドナー・アクセプター層が第１有機光活性層の第１ホスト材料と第３有機光活性層の第３ホスト材料との両方を含む、請求項１に記載の感光性装置。
21. 前記有機光活性層の配列は、前記第１有機光活性層と前記第３有機光活性層との間に配置された第４ホスト材料を含む第４の有機光活性層をさらに含み、
    前記第４ホスト材料は、第１ホスト材料、第２ホスト材料、及び第３ホスト材料とは異なり、
    前記第４有機光活性層は前記第１有機光活性層に関するアクセプターとして働き、又は前記第３光活性層に関するドナーとして働き、前記第４有機光活性層内部の任意の点から層の境界までの距離は、１励起子拡散長以下である、請求項１に記載の感光性装置。
22. 前記第２有機光活性層の第２ホスト材料内部の任意の点からその層の境界までの距離は、前記第２有機光活性層の全領域にわたって１励起子拡散長以下である、請求項１に記載の感光性装置。
23. 前記第１有機光活性層が表面不規則性を有し、前記第１及び第３有機光活性層が前記表面不規則性によって生じる前記第２有機光活性層の不規則な被覆性の結果として直接接触し、第１ドナー・アクセプターヘテロ接合を形成する、請求項１に記載の感光性装置。

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