JP6323457B2 - 反射体を備えた有機光電性デバイス - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年１０月１１日に出願された米国仮出願第６１／７１２，７８２号に対して優先権を主張し、これは参照によってそのまま本明細書に組み込まれる。

共同研究契約
本出願の対象は、大学‐企業間の共同研究契約に対する、下記の当事者：ミシガン大学及びグローバルフォトニックエネルギー株式会社（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の１つ以上によって、当事者を代表して、および／または当事者との連携によってなされたものである。契約は、本出願の対象が作成され、そして契約の範囲内で実施された活動結果としてなされた日およびその前から有効であった。

本開示は、光電性デバイスに関する。より具体的には、本開示は、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成された反射体を含む光電性デバイスを対象にしている。また、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成された反射体を含む光電性デバイスの製造方法も、本明細書で開示されている。

光電子デバイスは、材料の光学的および電子的特性に依存し、電子的に電磁波を生成もしくは検出する、または周囲の電磁波から電気を生成する。

光電性光電子デバイスは、電磁波を電気に変換する。光起電性（ＰＶ）デバイスとも称される太陽電池は、特に電力を生み出すのに使用される光電性光電子デバイスの一種である。太陽光以外の光源から電気的エネルギーを生成し得るＰＶデバイスは、例えば明かり、熱を提供するために、電力を消費する負荷を駆動するのに使用することができ、あるいは、例えば計算機、ラジオ、コンピュータ、または遠隔監視もしくは通信機器のような、電子回路またはデバイスに電力を供給するのに使用することができる。これらの電力生成の用途はまた、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵デバイスを充電することをしばしば含んでおり、そのため、太陽または他の光源からの直接の照射が得られない場合に継続した稼働が可能になり、あるいは、ＰＶデバイスの出力と特定の用途の要求とのバランスを取り得る。「抵抗負荷」なる用語は、本明細書で使用するとき、電力を消費するもしくは貯蔵する任意の回路、デバイス、機器、またはシステムを指す。

別のタイプの光電性光電子デバイスは、光導電セルである。この機能においては、信号検出回路が、デバイスの抵抗をモニタし、光の吸収に起因する変化を検出する。

他のタイプの光電性光電子デバイスは、光検出器である。動作時、光検出器は、光検出器が電磁波にさらされたとき生じる電流を測定し、印加バイアス電圧を備え得る電流検出回路とともに使用される。本明細書で記載される検出回路は、バイアス電圧を光検出器に供給し、電磁波に対する光検出器の電子的応答を測定することができる。

これら３種類の光電性光電子デバイスは、下で定義される整流接合が存在するかどうかによって特徴づけられてもよく、また、バイアスまたはバイアス電圧としても知られている外部印加電圧によってデバイスが動作するかどうかによって特徴づけられてもよい。光導電セルは、整流接合を有しておらず、通常、バイアスによって動作する。ＰＶデバイスは、少なくとも１つの整流接合を有し、バイアスなしで動作する。光検出器は、少なくとも１つの整流接合を有し、常にではないが通常はバイアスによって動作する。一般的に、光電池は、回路、デバイス、または機器に電力を供給する。光検出器または光導電体は、検出回路を制御するための信号もしくは電流を供給し、または検出回路からの情報を出力するが、回路、デバイス、または機器に電力を供給しない。

従来、光電性光電子デバイスは、多くの無機半導体、例えば、結晶、多結晶およびアモルファスシリコン、ガリウムヒ素、テルル化カドミウム等によって構成されてきた。本明細書において、「半導体」なる用語は、電荷キャリアが熱的または電磁的な励起によって誘起されたときに電気を伝導し得る材料を意味する。「光導電性」なる用語は、電磁放射エネルギーが吸収されて電荷キャリアの励起エネルギーに変換され、その結果、キャリアが、材料中の電荷を、伝導できる、すなわち輸送できるというプロセスに一般的に関連する。「光導電体」および「光導電性材料」なる用語は、本明細書で使用され、電磁波を吸収して電荷キャリアを生成するという特性によって選出される半導体材料を指す。

ＰＶデバイスは、入射する太陽エネルギーを有用な電力へと変換できる効率によって特徴づけられてもよい。結晶またはアモルファスシリコンを利用するデバイスは、商業的用途を支配しており、２３％以上の効率を達成しているものもある。しかしながら、高効率な結晶性デバイス、特に、大きい表面積を有するものは、著しい効率低下を生じさせる欠陥なしに大きな結晶を製造することについてまわる問題に起因して、生産することが困難で高価である。一方、高効率なアモルファスシリコンデバイスは、依然として安定性の問題に悩まされている。現在の商業的に入手できるアモルファスシリコン電池は、４〜８％の安定した効率を有する。より最近の取り組みは、経済的な製造コストで許容範囲内の光電変換効率を実現する有機光電池の使用に向けられている。

ＰＶデバイスは、標準照射条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ^２、ＡＭ１．５スペクトル照射の標準試験条件）下での最大の電力生成のため、すなわち光電流と光電圧との積の最大値のため、最適化され得る。標準照射条件下でのこのような電池の電力変換効率は、次の３つのパラメータ：（１）ゼロバイアスの下での電流、すなわちアンペアの数値軸における短絡電流Ｉ_ＳＣ、（２）開回路状態の下での光電圧、すなわちボルトの数値軸における開回路電圧Ｖ_ＯＣ、および（３）曲線因子、ｆｆに依存する。

ＰＶデバイスは、負荷に接続され、光が照射されたとき、光発生電流を生じさせる。無限の負荷の下で照射されたとき、ＰＶデバイスは、最大限可能な電圧、Ｖ_開回路、またはＶ_ＯＣを生じさせる。電気的接点が短絡された状態で照射されたとき、ＰＶデバイスは、最大限可能な電流、Ｉ_短絡回路、またはＩ_ＳＣを生じさせる。ＰＶデバイスは、実際に使用されて電力を生み出すとき、有限の抵抗負荷に接続され、電流と電圧との積、Ｉ×Ｖによって、出力が与えられる。ＰＶデバイスによって生み出される最大総出力は、本質的に、Ｉ_ＳＣ×Ｖ_ＯＣの積を超えることができない。負荷の値が、最大の出力を取り出すために最適化されるとき、電流および電圧は、Ｉ_ｍａｘおよびＶ_ｍａｘの値をそれぞれ有する。

ＰＶデバイスの性能指数は、曲線因子、ｆｆであり、次のように定義される。

ここで、Ｉ_ＳＣおよびＶ_ＯＣは、実際の使用では同時に得られないため、ｆｆは常に１未満である。とはいえ、ｆｆが１に近づくにつれ、デバイスは、より小さい直列または内部抵抗を有し、従って、最適な条件の下で、Ｉ_ＳＣとＶ_ＯＣとの積のより大きな割合が負荷にもたらされる。Ｐ_ｉｎｃをデバイスへ入射する電力とすると、デバイスの電力効率、η_Ｐは、次の式によって計算され得る。

大部分の体積を占める内部生成電場を生じさせる、通常の方法は、特に分子量子エネルギー状態の分布に関し、適切に選択された導電性を備える材料の２つの層を並べて配置することである。これら２つの材料の界面は、光起電性ヘテロ接合と称される。従来の半導体理論では、ＰＶヘテロ接合を形成するための材料は、一般的にｎまたはｐ型のいずれかとして示されてきた。ここで、ｎ型は、大多数のキャリアの種類が電子であることを示す。これは、比較的自由なエネルギー状態に多くの電子を有する材料としてみなすことができた。ｐ型は、大多数のキャリアの種類が正孔であることを示す。このような材料は、比較的自由なエネルギー状態に、多くの正孔を有する。バックグラウンドの型、すなわち、光発生でない、大多数のキャリアの濃度は、主として、欠陥または不純物による意図しないドーピングに依存している。不純物の型および濃度は、ＨＯＭＯ‐ＬＵＭＯギャップと称される、最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）エネルギー準位と最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）エネルギー準位との間のギャップ内にある、フェルミエネルギーまたはフェルミ準位の値を決定する。フェルミエネルギーは、占有確率が１／２と等しくなるエネルギーの値によって示される分子量子エネルギー状態の統計的な占有を特徴づける。ＬＵＭＯエネルギー準位に近いフェルミエネルギーは、電子が主たるキャリアであることを示す。ＨＯＭＯエネルギー準位に近いフェルミエネルギーは、正孔が主たるキャリアであることを示す。従って、フェルミエネルギーは、従来の半導体を第一に特徴づける特性であり、典型的ＰＶヘテロ接合は、従来、ｐ−ｎ界面であった。

「整流」なる用語は、とりわけ、界面が非対称の伝導特性を有する、すなわち、界面が好ましくは一方向における電荷の輸送を支持することを指す。整流は、通常、適切に選択された材料間のヘテロ接合で生じるビルトイン電場に関連する。

有機材料との関連において、「ドナー」および「アクセプタ」なる用語は、２つの互いに接触するが異なる有機材料のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギー準位の相対的な位置を指す。このことは、無機に関し、「ドナー」および「アクセプタ」が、それぞれ無機ｎおよびｐ型層を形成するのに用いられ得るドーパントの型を示し得るというそれらの用語の使用とは対照的である。有機に関しては、他と接する一の材料のＬＵＭＯエネルギー準位がより低い場合、その材料は、アクセプタである。反対の場合、それはドナーである。外部バイアスがない場合、ドナー‐アクセプタ接合では、電子がアクセプタ材料へと移動し、正孔がドナー材料へと移動することがエネルギー的に生じ易い。

有機半導体における重要な特性はキャリア移動度である。移動度は、電荷キャリアが電場に応じて導電性材料を進むことができる容易さを評価する。有機光電性デバイスにおいては、高い電子移動度に起因して電子によって優先的に伝導する材料を含む層を、電子輸送層、またはＥＴＬと称することができる。高い正孔移動度に起因して正孔によって優先的に伝導する材料を含む層を、正孔輸送層、またはＨＴＬと称することができる。一の実施形態では、アクセプタ材料がＥＴＬで、ドナー材料がＨＴＬである。

従来の無機半導体ＰＶ電池は、内部電場を設けるためにｐ−ｎ接合を採用する。しかしながら、現在では、ｐ−ｎ型接合を設けることに加え、ヘテロ接合のエネルギー準位のオフセットもまた重要な役割を果たすことが認識されている。有機Ｄ−Ａヘテロ接合でのエネルギー準位のオフセットは、有機材料における光生成プロセスの基本的な性質ゆえに、有機ＰＶデバイスの動作にとって重要であると考えられている。有機材料の光学励起においては、局在フレンケルまたは電荷輸送励起子が生成される。電気的検出または電流生成が生じるために、束縛励起子は、構成要素である電子および正孔に解離されなければならない。このようなプロセスは、ビルトイン電場によって引き起こすことができるが、有機デバイスで通常観察されるその電場（Ｆ〜１０^６Ｖ／ｃｍ）での効率は低い。有機材料における最も効率的な励起子の解離は、ドナー‐アクセプタ（Ｄ−Ａ）界面で生じる。このような界面において、低いイオン化ポテンシャルを有するドナー材料が、高い電子親和力を有するアクセプタ材料とヘテロ接合を形成する。ドナーおよびアクセプタ材料のエネルギー準位の並びによっては、励起子の解離は、そのような界面においてエネルギー的に好ましいものとなることができ、アクセプタ材料に自由電子ポーラロンを生じさせ、ドナー材料に自由正孔ポーラロンを生じさせる。

有機ＰＶ電池は、従来のシリコンベースのデバイスと比較したとき、多くの潜在的な利点を有する。有機ＰＶ電池は、軽量で、材料の使用において経済的で、柔軟なプラスチック箔のような低価格な基板に堆積できる。キャリア生成は、励起子の生成、拡散、およびイオン化もしくは収集を要する。これらのプロセスの各々と関係する効率ηが存在する。下付き文字は次のように用いられる。Ｐは電力効率、ＥＸＴは外部量子効率、Ａは光子吸収励起子生成、ＥＤは拡散、ＣＣは収集、およびＩＮＴは内部量子効率である。これらの表記を用いると、

励起子の拡散長（Ｌ_Ｄ）は、一般的に光吸収長（〜５００Δ）よりもずっと短く（Ｌ_Ｄ〜５０Δ）、多数のもしくは高度に組み合わされた界面を有する厚いそれ故に抵抗性の電池、または光吸収効率の低い薄い電池を使用することの間のトレードオフが求められる。

従来の有機ＰＶ電池は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明な導体によって覆われたガラスまたはプラスチックのような、透明な基板の上に作製され、入って来る入射電磁波が光活性領域に到達できるようにしている。これらの基板は、有機ＰＶデバイスの用途を制限する。それらは、高価で、かつ／またはデバイスの全コスト構造の重要な要素であり得るため、そのような基板は、全デバイス、特に大面積の用途でのコストパフォーマンスを制限する可能性を有する。反転した有機ＰＶ電池は、透明な最上部電極を利用し、例えば金属箔、プラスチック、またはガラスのような任意の表面上への作製を可能にする。このデザインは、有機ＰＶ電池の用途を大きく広げる。例えば、有機ＰＶ電池の発電コーティングは、不透明な基板を含むさまざまな基板の表面に成長され得る。それに応じ、さまざまな基板上の用途にとって望ましい色をした効率的な発電ＰＶコーティングのような、効率的な有機光電性デバイスを開発する必要がある。より具体的には、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射する効率的な発電コーティングを開発する必要がある。

そこで、基板と、基板の上に配置された第１の電極と、第１の電極の上に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置し、透明な範囲における波長で光を透過させる光活性領域と、第２の電極の上に配置された反射体と、を含み、反射体は、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成されている、有機光電性デバイスが開示される。いくつかの実施形態では、光電性デバイスは、１つ以上の所望の波長に対応する色を示す。

いくつかの実施形態では、光電性デバイスは、第２の電極と反射体との間に位置する金属グリッドをさらに含む。

第１の態様において、反射体、および第１の電極は、光学微小共振器を画定し、第１の電極は、１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射し、反射体は、光活性領域の透明な範囲の１つ以上の所望の波長を部分的に反射するように構成される。いくつの実施形態では、反射体は、光活性領域が４０％より大きい吸収率を示す任意の波長において、５％未満の反射率を示す。いくつの実施形態では、光学微小共振器は、反射体と第２の電極との間に位置する光学スペーサを含み、光学スペーサは、１つ以上の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する。いくつの実施形態では、有機光電性デバイスは、１つ以上の所望の波長またはその一部に対応する色を示す。いくつの実施形態では、少なくとも１つの反射体は、分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）およびルーゲート反射体から選択される。

第２の態様では、反射体は、少なくとも１つのノッチフィルターを含み、少なくとも１つのノッチフィルターは、１つ以上の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示す。いくつかの実施形態では、デバイスは、反射体と第２の電極との間に位置する光学スペーサをさらに含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのノッチフィルターは、ＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。

第２の態様のいくつかの実施形態では、反射体は、少なくとも第１のノッチフィルターと第２のノッチフィルターとを含み、第１のノッチフィルターは、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成され、第２のノッチフィルターは、１つ以上の第２の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成されている。この実施形態では、有機光電性デバイスは、１つ以上の第１の所望の波長、および１つ以上の第２の所望の波長に対応する色を示し得る。いくつかの実施形態では、第１および第２のノッチフィルターは、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。

第３の態様では、反射体は、第１の反射体と第２の反射体とを含み、第１の反射体は、少なくとも１つのノッチフィルターを含み、当該少なくとも１つのノッチフィルターは、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成されており、第２の反射体、および第１の電極は、光学微小共振器を画定し、第１の電極は、１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射し、第２の反射体は、光活性領域の透明な範囲の１つ以上の第２の所望の波長を部分的に反射するように構成されている。いくつかの実施形態では、反射体は、光活性領域が４０％より大きい吸収率を示す任意の波長において、５％未満の反射率を示す。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドは、第２の反射体によって部分的に反射される１つ以上の第２の所望の波長と重なり合わない。

第３の態様のいくつかの実施形態では、光学微小共振器は、第２の反射体と第２の電極との間に位置する光学スペーサを含み、光学スペーサは、１つ以上の第２の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する。いくつかの実施形態では、有機光電性デバイスは、１つ以上の所望の反射された波長またはその一部に対応した色を示す。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反射体は、分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）およびルーゲート反射体から選択される。

第３の態様のいくつかの実施形態では、光電性デバイスは、１つ以上の第１の所望の波長、および１つ以上の第２の所望の波長またはその一部に対応する色を示し得る。

第３の態様のいくつかの実施形態では、第１および第２の反射体は、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。

いくつかの実施形態では、デバイスは、有機光検出器である。

いくつかの実施形態では、デバイスは、有機太陽電池である。

また、本開示の有機光電性デバイスの製造方法も開示される。一の実施形態では、その方法は、基板の上に第１の電極を堆積すること、第１の電極の上に光活性領域を堆積すること、光活性領域の上に第２の電極を堆積すること、および、第２の電極の上に少なくとも１つの反射体を堆積することを含み、少なくとも１つの反射体は、１つ以上の所望の波長を反射するように構成されている。

添付の図面は、本明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する。

図１は、本開示に従った有機光電性デバイスの概略図である。 図２Ａは、反射体１６０および第１の電極１１０が光学微小共振器２００を画定する典型的な有機光電性デバイスの概略図である。 図２Ｂは、光活性領域の透明な範囲における反射体の反射率、および反射率への空洞共振の影響を示すグラフである。 図３は、サンプルのＤＢＲについての反射率ｖｓ波長のプロットである。 図４Ａは、少なくとも１つのノッチフィルターを有する典型的な有機光電性デバイスの概略図である。 図４Ｂは、少なくとも１つのノッチフィルターを有する光電性デバイスについての光活性領域の吸収スペクトルおよび狭い反射バンドを示す。また、結果として得られる外部量子効率（ＥＱＥ）が、ノッチフィルターの狭い反射バンド（反射カラー）で観察されるＥＱＥにおける鋭い下向きのスパイクとともに示される。 図５は、ノッチフィルターとして機能するサンプルのルーゲート反射体についての透過率（％）ｖｓ波長のプロットである。 図６は、少なくとも２つの反射体である第１の反射体１６０Ａおよび第２の反射体１６０Ｂを有し、第１の反射体が少なくとも１つのノッチフィルターを含み、第２の反射体および第１の電極１１０が光学微小共振器を画定する、非限定のデバイスの概略図である。

「有機」なる用語は、本明細書で使用するとき、低分子有機材料と同様に有機光電性デバイスを製造するのに用いられ得る高分子材料を含む。「低分子」は、高分子でない任意の有機材料を指し、「低分子」は、実際にはかなり大きくてもよい。低分子は、場合によっては、繰り返し単位を含み得る。例えば、長鎖のアルキル基を置換基として使用しても、分子は「低分子」の分類から除かれない。また、低分子は、例えば、高分子骨格にペンダント基として、または骨格の一部分として、高分子に組み込まれてもよい。

「電極」および「接点」なる用語は、本明細書で使用され、光発生電流を外部回路に伝えるための、またはバイアス電流またはバイアス電圧をデバイスに供給するための媒体を提供する層を指す。すなわち、電極または接点は、電荷キャリアを外部回路へまたは外部回路から輸送するための電線、リード線、配線、もしくは他の手段と、有機光電性光電子デバイスの活性領域との間の接合部を提供する。アノードおよびカソードは例である。電極の開示のため参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６，３５２，７７７号明細書は、光電性光電子デバイスに用いられ得る電極または接点の例を提供する。光電性光電子デバイスにおいては、デバイス外側からの周囲の電磁波の最大量が、光導電性の活性内部領域に入るようにすることが望ましいであろう。すなわち、電磁波は、光導電性の吸収によって電気に変換できる光導電層に到達しなければならない。このことは、しばしば、電気接点のうちの少なくとも１つは、入射する電磁波の吸収および反射を最小限にすべきであることを要する。場合によっては、このような接点は、実質的に透明であるべきである。その反対側の電極は、吸収されることなく電池を通過した光が電池を通じて反射して戻るように、反射材料であってもよい。

「カソード」なる用語は、次のように用いられる。例えばＰＶデバイスのような外的に印加される電圧がなく抵抗負荷に接続した周囲の放射下の、積み重ねられていないＰＶデバイス、または積み重ねられたＰＶデバイスの単一のユニットにおいて、電子は、光導電性材料からカソードへと移動する。

同様に、本明細書で、「アノード」なる用語は、照射下のＰＶデバイスにおいて、正孔が、光導電性材料からアノードへと移動し、これは逆に移動する電子と等しい、というように使用される。それらの用語が本明細書で使用されるとき、アノードおよびカソードは、電極または電荷輸送層であり得ることに気が付くであろう。

本明細書では、材料の１つの層、または異なる材料の連続したさまざまな層は、関連のある波長における周囲の電磁波の少なくとも約５０％がその１つの層またはさまざまな層を透過することを許容するとき、「透明」であると称される。同様に、関連する波長における周囲の電磁波のいくらかは透過するものの約５０％未満の透過を許容する層は、「半透明」であると称される。

「最上部」は、本明細書で使用するとき、基板構造（もし存在すれば）から最も遠く離れていることを意味し、一方、「底部」は、基板構造に最も近いことを意味する。例えば、２つの電極を有するデバイスにとって、底部電極は、基板構造に最も近い電極であり、一般的に、作製された第１の電極である。底部電極は、２つの表面、基板に最も近い底側と、基板から遠い最上部側とを有する。第１の層が、第２の層の「上に配置される」または「最上部上にある」と記載される場合、第１の層は、基板から離れて配置される。第１の層は第２の層と「物理的に接触」することが明記されていなければ、第１の層と第２の層との間に他の層があってもよい。例えば、カソードとアノードとの間にさまざまな有機層があったとしても、カソードは、アノードの「上に配置される」または「最上部上にある」と記載されてもよい。

「光学微小共振器」なる用語は、本明細書で使用するとき、光の伝播の方向に沿った寸法が、およそ入射放射線の数波長（〜４）にすぎない光学ゾーンを意味する。

「反射率」なる用語は、本明細書で使用するとき、所定の波長における反射される入射光の割合を指す。「高反射率」は、３０％より大きい反射率として定義される。

「吸収率」なる用語は、本明細書で使用するとき、所定の波長における吸収される入射光の割合を指す。

「透過率」なる用語は、本明細書で使用するとき、所定の波長における透過される入射光の割合を指す。

本明細書で記載される有機光電性光電子デバイスは、例えば、入射する電磁波から使用可能な電流を生み出すように使用されてもよいし（例えばＰＶデバイス）、または、入射する電磁波を検出するように使用されてもよい。反転した光電性光電子デバイスは、任意の基板および表面上でのデバイス材料の製造を可能にする。反転したデバイス構造は、例えば、米国特許出願公開第２０１０／０１０２３０４号明細書に開示されており、これは、反転した有機光電性デバイスの開示のため、参照によって本明細書に組み込まれる。このデザインは、柔軟で不透明な基板上に、例えば発電塗料等の発電コーティングを作製することを可能にするというように、有機光電性デバイスの用途を大きく広げる。本開示では、発電コーティングが所望の色を示すようにするために、有機光電性デバイスは、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成された少なくとも１つの反射体を含む。反射体は、有機ＰＶデバイスのような有機光電性デバイスの光活性領域によって吸収される入射光の量を潜在的に減少できるため、本開示は、デバイス効率の減少を最小限にする一方、所望の波長（すなわち色）で高い反射率を可能にする設計検討を行う。

そこで、図１に示すように、基板１００と、基板の上に配置された第１の電極１１０と、第１の電極の上に配置された第２の電極１３０と、第１の電極と第２の電極との間に位置する光活性領域１２０と、第２の電極の上に配置された少なくとも１つの反射体１６０と、を含み、少なくとも１つの反射体は、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射する有機光電性デバイスが開示される。いくつかの実施形態では、光活性領域は、透明な範囲における波長で光を透過させる。

いくつかの実施形態では、光電性デバイスは、１つ以上の所望の反射される波長に対応する色を示す。

いくつかの実施形態では、光電性デバイスは、さらに、第２の電極１３０と反射体１６０との間に位置する金属グリッド１４０を含む。金属グリッドは、できる限り多くの入射光を透過させると同時に、デバイスにおける直列抵抗を最小限に抑えるように最適化され得る。いくつかの実施形態では、金属グリッドは、ステンレス鋼、プラチナ、パラジウム、チタン、およびそれらの合金から選択される少なくとも１つの材料を含む。いくつかの実施形態では、金属グリッドは、約５０％から約９９％の範囲にある透過率を有する。金属グリッドは、溶液、蒸気、またはそれらの組み合わせから堆積され得る。いくつかの実施形態では、金属グリッドは、真空蒸着、シルクスクリーニング、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、レーザーアブレーション、物理蒸着、およびスパッタリングから選択される少なくとも１つの手法によって、堆積される。

基板１００は、第１の電極、光活性領域、第２の電極、反射体、およびデバイスの任意の追加の層を支持できる任意の表面を含み得る。基板は、柔軟な、硬質な、または半硬質なものであってもよく、平面または非平面であってもよい。基板は、透明、半透明、または不透明であってもよい。プラスチック、ガラス、石英は、硬質な基板の材料の例である。プラスチック、および金属箔は、柔軟な基板の材料の例である。ある実施形態では、ガラスは、建築用の窓ガラスまたは自動車用のガラスを含む。いくつかの実施形態では、半硬質なまたは柔軟な材料は、最終的な基板を形成する成形性シート、または二次的表面に適用できるプラスチックシートを含む。ある実施形態では、基板は、自動車の車体および部品、船体および部品、航空機の胴体および部品、宇宙船の船体および部品、窓、鏡、モバイル機器、携帯電話、コンピュータ、ビルの表面、ビルのシート、ビルの羽目板、シングル屋根板、ならびに充電式バッテリーから選択され得る。

第１および第２の電極の間に位置する光活性領域１２０は、電磁波を吸収して、電流を生じさせるために電子と正孔とに解離し得る励起子を生成する、光電性デバイスの一部である。光活性領域によって吸収される光の波長、すなわち励起子吸収バンド、および、光活性領域によって透過される光の波長、すなわち透明な範囲は、光活性領域を構成する材料の種類によって決められる。

光活性領域１２０は、有機材料を含む。特に、光活性領域１２０は、少なくとも１つのドナー材料と、少なくとも１つのアクセプタ材料とを含み、少なくとも１つのヘテロ接合を形成する。励起子の解離は、通常、ドナーおよびアクセプタ材料を並べて配置することによって形成される「ヘテロ接合」で生じるであろう。いくつかの実施形態では、ヘテロ接合は、混合ヘテロ接合、バルクヘテロ接合、平面ヘテロ接合、ナノ結晶バルクヘテロ接合、およびハイブリッド平面混合ヘテロ接合から選択される。ドナーおよびアクセプタ材料は、例えば、真空蒸着、スピンコーティング、有機気相成長法（ＯＶＰＤ）、インクジェット印刷、および真空熱蒸着（ＶＴＥ）から選択される少なくとも１つの手法によって堆積され得る。

適切なドナー材料は、例えば、スクアライン、フタロシアニン、ナフタロシアニン、ポリフィリン、サブフタロシアニン、および、それらの誘導体もしくは遷移金属錯体を含み得る。いくつかの実施形態では、ドナー材料は、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、塩化アルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）、および、他の修飾フタロシアニン類、メロシアニン色素類、ホウ素ジピロメテン（ＢＯＤＩＰＹ）色素類、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）のようなチオフェン類、ペンタセン、テトラセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、ならびにスクアライン（ＳＱ）色素類から選択される。ある実施形態では、少なくとも１つのドナー材料は、２，４−ビス［４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）−２，６−ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ）を含む。

適切なアクセプタ材料は、例えば、高分子または非高分子のペリレン、高分子または非高分子のナフタレン、および高分子または非高分子のフラーレン（例えばＣ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_８４）、および機能化フラーレン誘導体（例えばＰＣＢＭｓ、ＩＣＢＡ、ＩＣＭＡなど）、およびナノチューブを含み得る。いくつかの実施形態では、アクセプタ材料は、Ｃ_６０、Ｃ_７０、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ビスベンゾイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸−メチルエステル（ＰＣＢＭ）、［６，６］−フェニル−Ｃ７０−酪酸−メチルエステル（ＰＣ７０ＢＭ）、およびヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ_１６ＣｕＰｃ）から選択される。

本明細書に記載される「電極」は、「金属」または「金属代替物」から構成され得る。本明細書で、「金属」なる用語は、例えばＭｇのような基本的な純金属からなる材料、および、例えば、Ｍｇ：Ａｇで示されるＭｇおよびＡｇが一緒になったような、２つ以上の基本的な純金属からなる材料である金属合金も含むように用いられる。本明細書で、「金属代替物」なる用語は、通常の定義の範囲内では金属ではないが、特定の適当な用途で望まれる金属的特性を有する材料を指す。電極および電荷輸送層に一般的に用いられる金属代替物は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化ガリウムインジウムスズ（ＧＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウムスズ（ＺＩＴＯ）などの透明導電酸化物のような、ドープされた広いバンドギャップの半導体を含む。他の典型的な金属代替物は、透明導電高分子ポリアニリン（ＰＡＮＩ）およびそれに化学的に関係するものである。

金属代替物は、さらに、非金属材料の広い範囲から選択され得る。ここで、「非金属」なる用語は、化学的に結合していない形態で材料に金属がない限り、広範囲な材料を含むことを意図する。金属が、化学的に結合していない形態で、単独、または１つ以上の他の金属と合金として結合した状態で存在するとき、その金属は、金属形態で存在するまたは「遊離金属」であるとして別に言及され得る。従って、本明細書に記載される金属代替物の電極は、時に「無金属」として言及され得る。ここで、「無金属」なる用語は、化学的に結合していない形態で金属のない材料を含むことを明確に意図している。遊離金属は、一般的に、金属格子の至るところで電子伝導帯を自由に動く多量の価電子から生じる一種の金属結合を有する。金属代替物は、金属成分を含み得る一方、いくつかの基材上で「非金属的」である。それらは、純粋な遊離金属でも遊離金属の合金でもない。金属が金属形態で存在するとき、電子伝導帯は、他の金属特性のうち、光学的放射に対する高い反射率と同様、高い電気伝導性を提供する傾向がある。

第２の電極１３０は、デバイスの最上部を通って光活性領域１２０に入る光を透過させるために、透明、または少なくとも半透明であるべきである。第２の電極１３０は、例えば、透明または少なくとも半透明な状態にするのに十分な厚みを有する、透明な酸化物、および金属もしくは金属代替物から選択され得る。いくつかの実施形態では、第２の電極は、透明導電酸化物、透明導電高分子、半透明な金属、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、透明導電酸化物は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＴＯ）、酸化ガリウムインジウムスズ（ＧＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺＯ）、および酸化亜鉛インジウムスズ（ＺＩＴＯ）から選択される。いくつかの実施形態では、透明導電高分子は、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）を含む。他の典型的な電極は、パルタサラティらに対する米国特許第６，４２０，０３１号に開示されているような、透明性が高く、非金属で、低抵抗のカソード、または、フォレストらに対する米国特許第５，７０３，４３６号に開示されているような、高効率で、低抵抗な、金属／非金属化合物の電極を含み、これらはいずれも、電極の開示のため、参照によって本明細書に組み込まれる。それぞれのタイプの電極は、例えば、有機材料の上にＩＴＯ層をスパッタ堆積させ、透明性が高く、非金属で、低抵抗の電極を形成する工程、または、Ｍｇ：Ａｇ層のような半透明の金属層の上にＩＴＯ層をスパッタ堆積させ、高効率で、低抵抗な、金属／非金属化合物の電極を形成する工程を含む製造法で一般的に作製される。

第１および第２の電極のうちの一方がアノードで、残りの電極がカソードであり得る。本発明の光電性デバイスは、ドナー材料が光活性領域１２０の底部にある（基板に最も近接する）ように構成されてもよいし、ドナー材料が光活性領域の最上部にある（基板から最も遠い）ように構成されてもよい。従って、電極は、所望のキャリア（ドナーと接する場合は正孔であり、アクセプタと接する場合は電子）の効率的な注入を可能にするために最適化されるべきことが理解されよう。

本開示の第１の態様において、反射体１６０および第１の電極１１０は、図２Ａに示すように、光学微小共振器２００を画定する。この第１の態様において、第１の電極１１０は反射すべきである。第１の電極は、１つ以上の波長で入射光の２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、または約１００％というように、１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射し得る。いくつかの実施形態で、第１の電極１１０は金属材料を含む。ある実施形態では、その金属材料は、鋼、Ｎｉ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、およびそれらの混合物または合金から選択される。

第１の態様によれば、反射体１６０は、光活性領域の透明な範囲における１つ以上の所望の波長を部分的に反射するように構成される。例えば、緑色に関し、５４０ｎｍと５５０ｎｍとの間の波長の光の１０％が反射され、他の波長では反射しなくてもよい。光活性領域の「透明な範囲」は、光活性領域が、例えば６０％より大きい、７０％より大きい、８０％より大きい、９０％より大きいというように、５０％より大きい透過率を示す波長として定義される。波長を「部分的に反射する」とは、本明細書で使用するとき、その波長の光の約１０％〜５０％を反射することを意味し、光の残りの割合の大部分は透過することを意味する。デバイスの所望の反射波長で、励起子吸収バンドが最小値を有するように、反射体１６０を構成でき、光活性領域１２０の材料を選択できる。反射体は、光活性領域によって吸収される波長、例えば、光活性領域が、４０％より大きい、５０％より大きい、６０％より大きい、または７０％より大きいというように、３０％より大きい吸収率を示す波長では、例えば、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、または１％未満というように、皆無かそれに近い反射率を示し得る。いくつかの実施形態では、光学微小共振器２００は、反射体１６０と第２の電極１３０との間に位置する光学スペーサ１５０を含み、ここで、光学スペーサは、光活性領域の透明な範囲における１つ以上の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する。光学スペーサは、例えば、ＢＣＰ、ＮＰＤ、ＮＴＣＤＡ、ＵＧＨ２、ＣＢＰ等のような有機分子、ＰＥＤＯＴ、ポリスチレン等のような高分子、および、それらの材料のいずれかのドーピングされた変形例、化学量論混合物における、ＭｏＯ_３、酸化インジウムスズ、ＷＯ_３、ＳｎＯ、ＩｎＯのような金属酸化物、ならびに、ＣｄＴｅ、ＡｌＡｓ等のような無機半導体を含む、広いエネルギーギャップを有する多くの半導体のいずれかから選択された材料を含み得る。図２Ａの典型的な実施形態で示されるように、反射体１６０は、光活性領域によって吸収される波長（例えば緑および赤のスペクトル）を概ね透過させ、光活性領域の透明な範囲における少なくとも１つ以上の所望の波長（例えば青のスペクトル）を部分的に反射する。反射体によって反射されない、すなわち反射体によって部分的に透過される１つ以上の所望の波長における一定割合の光は、光活性領域を通過し、第１の電極１１０によって所望の角度へ反射される。図２Ａに示されるように、微小共振器におけるこの反射された光は、積極的に干渉し、所望の反射した色を強めることができる。例えば、図２Ｂでは、共振器の共振波長において、増強が観察された。共振は、ストップバンドの波長範囲内に存在すべきである。より高い反射率は、より狭い共振（高Ｑ値）およびより混じり気のない色を生じさせる。すなわち、Ｑ値は、品質係数であり、共振の幅に対するピークの高さの比率である。ピークが鋭くなればなるほど、Ｑ値はより高くなる。ここで検討されている共振器は、最も高いＱ値である必要はない（ほぼ５に等しいまたはそれより大きいＱ値が、最も実用的な目的に適している。）。しかしながら、Ｑ値がより高ければ高いほど、反射する色は、より飽和するように見える。より高い飽和は、「より混じり気のない」色の現出に相当する。一般的に、高い反射を達成するため、共振器の光路長は、４で割った入射波長の整数倍にすべきである。

基板１００が透明であれば、デバイスは、光が基板を通じてデバイスに入射するように逆に構成されてもよい。この実施形態では、反射体１６０は、基板と第１の電極１１０との間に位置し得る。第２の電極１３０は、反射体１６０と第２の電極１３０とが上述のような光学微小共振器を画定するように、反射してもよい。光学スペーサ１５０および金属グリッド１４０は、反射体１６０と第１の電極１１０との間に位置し得る。

第１の態様のために本明細書に記載されたデザインの特徴を実現できるいくつかの反射体が、本開示によって検討された。特定の実施形態において、反射体１６０は、ＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。

例えば、ＤＢＲとして、反射体１６０は、高いおよび低い屈折率（ｎ）の材料で、厚さ（ｄ）がλ_０＝４ｎ×ｄを満たし、λ_０が中心反射波長であるものを交互にした誘電体スタックを含み得る。その材料は、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される有機または無機材料を含み得る。有機および無機高分子は、シリコン含有高分子を含み得る。酸化物および窒化物は、例えば、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等のようなガラス状の誘電体から選択され得る。図３における所望の中心波長（λ_０）についての反射率は、次の式によって近似できる。

反射ストップバンドの幅は、次の式によって見積もることができる。

反射ストップバンドの幅は、材料の屈折率のコントラストによって制御できる。反射率は、材料の屈折率のコントラスト、および材料の交互になっているペアの数（Ｎ）によって決定される。デバイスの色は、観察する角度に依存して変化できる（玉虫色）。より高い屈折率の材料を使用することによって、より小さい角度の色の変化がもたらされ、より薄い誘電体スタックが可能になる。

あるいは、ルーゲート反射体として、反射体１６０は、混合比を変えて２つ以上の材料を混ぜたもの、または、充填密度の変化する少なくとも１つの材料を含んでもよく、例えば正弦曲線状に屈折率のプロファイルを変化させるように、材料全体を通じて屈折率の連続的な変化を達成する。ルーゲート反射体の平面に垂直な位置（ｚ）において、屈折率は次のように計算され得る。

変調周期は、所望の中心波長（λ_０）によって決定される。屈折率の変調の振幅は、反射ストップバンドの幅を制御する。周期の数は、反射率を決定する。包絡関数は、屈折率の変調に適用され、反射ストップバンドの端部に現れるサイドローブを排除できる。

第１の態様のいくつかの実施形態では、反射体は、金属もしくは誘電体からなるナノ粒子、または誘電体層に組み込まれたナノ構造を含む。ナノ粒子、および／またはナノ構造は、微小共振器を調整するために使用され得る。例えば、それらは屈折率を変えることができ、それによって空洞共振器の中心波長を変えることができる。あるいは、金属の場合、それらは、空洞共振器それ自体の中での光学モードを変えるプラズマ共振を生じさせることができる。この光学モードは、そのような粒子または構造のない同じ空洞共振器のものとは異なる波長で、共振する（すなわち、透過または反射の最大値およびピーク幅を有する）。

本開示の第２の態様では、図１の反射体１６０は、１つ以上の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成された少なくとも１つのノッチフィルターを含む。デバイスは、１つ以上の所望の波長の範囲に対応する色を示し得る。「狭い反射バンド」なる用語は、本明細書で使用するとき、中心反射波長の５％以下の幅を有する（すなわち、５５０ｎｍの中心波長の緑色では、狭いバンドは２８ｎｍ未満となる）反射バンドを意味する。図４Ａに示されるように、デバイスは、さらに、狭いバンドの反射体と第２の電極との間に位置する光学スペーサを含んでもよい。光学スペーサは、有機光電性デバイスの性能を最適化するために使用できる。図４Ａでは、可視スペクトルの大部分が、光活性領域（ＰＶ電池）での吸収のため、狭いバンドの反射体を透過される。１つ以上の所望の波長の範囲における狭い反射バンドは、所望の（反射された）色を示すデバイスをもたらす。ノッチフィルターの反射バンドは狭いため、ノッチフィルターは、任意の所望の波長を反射するために使用できる。すなわち、ノッチフィルターが反射しなければならない箇所、または光活性領域が吸収しなければならない箇所に制限はない。例えば、図４Ｂに示されるように、少なくとも１つのノッチフィルターを含むデバイスは、狭い波長の範囲で高い反射率を示す。光活性領域は、ノッチフィルターの狭い反射バンド（反射される色）で小さな効率低下だけを生じさせて、波長の広い範囲にわたって吸収することができる。

１つ以上の所望の波長の範囲で狭い反射バンドを実現できる任意のノッチフィルターが、本開示によって検討された。特定の実施形態において、少なくとも１つのノッチフィルターは、ＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。ＤＢＲまたはルーゲート反射体は、それらの反射体が１つ以上の所望の波長の範囲で狭い反射バンドを示すように上で特定されたパラメータに基づいて構成できる。

図５は、ノッチフィルターとして機能するルーゲート反射体の透過のプロット例を示す。示されるように、ノッチフィルターは、プロットされたほぼ全ての波長で９０％を上回って透過させる。狭い反射バンドは、５５０ｎｍの波長の直下に確認された。

本開示の第２の態様では、第１の電極は、金属代替物、非金属材料、または金属材料を含み得る。第１の電極は、反射しなくてもよい。反射性の第１の電極は、しかしながら、光を光活性領域へと反射して光活性領域によって吸収される放射の量を増加させることができる。従って、第２の態様のいくつかの実施形態では、第１の電極は金属材料を含む。金属材料は、例えば、鋼、Ｎｉ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、およびそれらの混合物または合金から選択され得る。

第２の態様のいくつかの実施形態では、２つ以上のノッチフィルターが併用され、所望の波長で一連の狭い反射バンドを生成する。従って、いくつかの実施形態では、反射体は、少なくとも第１のノッチフィルターと第２のノッチフィルターとを含み、第１のノッチフィルターは、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成され、第２のノッチフィルターは、１つ以上の第２の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成される。この実施形態では、有機光電性デバイスは、１つ以上の第１の所望の波長、および１つ以上の第２の所望の波長に対応する色を示し得る。特定の実施形態において、第１のノッチフィルターおよび第２のノッチフィルターは、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。あるいは、当業者であれば理解する通り、より複雑な屈折率のプロファイルを有する単一のルーゲート反射体が、一連の反射ストップバンドをもたらしてもよい。

前述と同様、基板１００が透明であれば、デバイスは、光が基板を通じてデバイスに入射するように逆に構成されてもよい。この実施形態では、少なくとも１つのノッチフィルターを含む反射体１６０が、基板と第１の電極１１０との間に位置し得る。反射体１６０と第１の電極１１０との間に、光学スペーサおよび金属グリッドが位置してもよい。

第３の態様では、図１の反射体１６０が少なくとも第１の反射体および第２の反射体を含むように、複数からなる反射体が併用される。第１の反射体は、少なくとも１つのノッチフィルターを含んでもよく、少なくとも１つのノッチフィルターは、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成される。第２の反射体および第１の電極が、光学微小共振器を画定してもよく、ここで、第１の電極は、１つ以上の波長で入射光の２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、または約１００％というように、１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射する。第２の反射体は、光活性領域の透明な範囲における１つ以上の第２の所望の波長を部分的に反射するように構成される。１つ以上の第２の所望の波長で、励起子吸収バンドが最小値を有するように、第２の反射体を構成でき、光活性領域の材料を選択できる。第２の反射体は、光活性領域によって吸収される波長、例えば、光活性領域が、４０％より大きい、５０％より大きい、６０％より大きい、または７０％より大きいというように、３０％より大きい吸収率を示す波長では、例えば、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、または１％未満というように、皆無かそれに近い反射率を示し得る。１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドは、第２の反射体によって部分的に反射される１つ以上の第２の所望の波長と実質的に重なり合うべきではない。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドは、第２の反射体によって部分的に反射される１つ以上の第２の所望の波長と重なり合わない。いくつかの実施形態では、図６に示されるように、第１の反射体１６０Ａは、第２の反射体１６０Ｂの上に位置する。

第３の態様のいくつかの実施形態では、光学微小共振器は、第２の反射体と第２の電極との間に位置する光学スペーサを含み、ここで、光学スペーサは、１つ以上の第２の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する。いくつかの実施形態では、有機光電性デバイスは、１つ以上の第１の所望の波長、および１つ以上の第２の所望の波長もしくはその一部に対応した色を示す。

第３の態様のために本明細書に記載されるデザインの特徴を実現できる任意の反射体が、本開示によって検討された。特定の実施形態において、複数の反射体は、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される。ＤＢＲおよび／またはルーゲート反射体は、それらの反射体について上で特定されたパラメータに基づいて、１つ以上の第１の所望の波長の範囲で狭い反射バンドを示す、かつ／または、光活性領域の透明な範囲で１つ以上の第２の所望の波長を部分的に反射するように構成できる。

前述と同様、基板１００が透明であれば、デバイスは、光が基板を通じてデバイスに入射するように逆に構成され得る。この実施形態では、反射体１６０は、基板と第１の電極１１０との間に位置し得る。第２の電極１３０は、第２の反射体および第２の電極が上述のように光学微小共振器を画定するように、反射し得る。光学スペーサ１５０および金属グリッド１４０は、第２の反射体と第１の電極との間に位置し得る。

本開示の反射体は、同時に光電性デバイスのための封止層として機能でき、下層の活性な有機材料を、空気への露出および粒子からの機械的ダメージから保護する。あるいは、専用の封止層が、デバイスを保護するために反射体の最上部上に追加され得る。

いくつかの実施形態では、本発明のデバイスは、光活性領域の励起子吸収バンドでの入射光のための反射防止誘電コーティングを含んでもよい。反射防止誘電コーティングは、反射体に組み込まれてもよく、または、反射体上に配置された別のコーティングにすることができる。反射防止コーティングは、関心のある波長で光学的な通過帯を示すように構成され得る。入射波長の大部分を通過させる広帯域反射防止コーティングは、１つまたは２つだけの層を構成内に含むかもしれないが、その一方、鋭い波長フィルターは、所望のスペクトルパスまたはカットオフバンドの鋭さに依存して、より多くの層（例えば５〜５０）を必要とするかもしれない。

本明細書で記載される実施形態のいずれかでは、反射体は、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される、１つ以上の有機または無機誘電材料を含み得る。いくつかの実施形態では、有機および無機高分子は、シリコン含有高分子を含む。いくつかの実施形態では、酸化物および窒化物は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ_２、およびＴｉＯ_２から選択される。

本開示の光電性デバイスは、励起子ブロック層（ＥＢＬ）のような、１つ以上のブロック層をさらに含み得る。１つ以上のブロック層は、第１の電極と第２の電極との間に位置し得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のブロック層が、第１の電極と光活性領域との間、および第２の電極と光活性領域との間の一方または両方に配置される。励起子ブロック層として使用され得る材料に関しては、バトクプロイン（ＢＣＰ）、バトフェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ビス−ベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、１，３，５−トリス（Ｎ−フェニルベンズイミダゾール−２−イル）ベンゼン（ＴＰＢｉ）、トリス（アセチルアセトナト）ルテニウム（ＩＩＩ）（Ｒｕ（ａｃａｃ）_３）、ならびに、アルミニウム（ＩＩＩ）フェノレート（Ａｌｑ_２ＯＰＨ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス−アルファ−ナフチルベンジジン（ＮＰＤ）、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ_３）、およびカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）から選択されるものに限定されない。

ブロック層の例は、米国特許出願公開第２０１２／０２３５１２５号明細書および第２０１１／００１２０９１号明細書、ならびに米国特許第７，２３０，２６９号明細書および第６，４５１，４１５号明細書に記載されており、これらは、ブロック層の開示のため、参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示の光電性デバイスは、さらに、基板と反射体との間に配置された少なくとも１つの平滑層を含み得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの平滑層は、基板と金属グリッドとの間に配置される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの平滑層は、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）の薄膜を含む。少なくとも１つの平滑層は、第１の電極と光活性領域との間、または第２の電極と光活性領域との間に配置されてもよく、製造歩留りの改善につながり得る。特定の理論に束縛されることなく、改善された製造歩留りは、スピンコートされるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜が、ＩＴＯのような電極を平坦化するという能力の結果であろうと信じられており、そうでなければ、電極の粗い表面は、薄い分子層を通じた短絡につながり得る。

本開示の有機光電性デバイスは、太陽電池のようなＰＶデバイス、光検出器、または光導電体として機能し得る。本明細書で記載される有機光電性光電子デバイスがＰＶデバイスとして機能するときはいつも、光導電有機層で使用される材料、およびその厚さは、例えば、デバイスの外部量子効率を最適化するように選択され得る。本明細書で記載される有機光電性光電子デバイスが光検出器または光導電体として機能するときはいつも、光導電有機層で使用される材料、およびその厚さは、例えば、所望のスペクトル領域に対するデバイスの感度を最大化するように選択され得る。

本開示の他の態様は、本開示の有機光電性デバイスの製造方法である。一の実施形態において、その方法は、基板の上に第１の電極を堆積すること、第１の電極の上に光活性領域を堆積すること、光活性領域の上に第２の電極を堆積すること、および、第２の電極の上に少なくとも１つの反射体を堆積することを含み、少なくとも１つの反射体は、１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成されている。

本開示の方法では、反射体は、本明細書において本開示の異なる態様に記載されたデザインの特徴を示すように構成され得る。

同様に、ドナーおよびアクセプタ材料は、本明細書に記載されたデザインの特徴を示すように選択され得る。

いくつかの実施形態では、その方法は、少なくとも１つの反射体を堆積する前に、第２の電極の上に金属グリッドを堆積することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、その方法は、第１の電極を堆積する前に、少なくとも１つの平滑層を基板の上に堆積することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、その方法は、光活性領域を堆積する前に、少なくとも１つのブロック層を第１の電極の上に堆積することをさらに含む。いくつかの実施形態では、その方法は、第２の電極を堆積する前に、少なくとも１つのブロック層を光活性領域の上に堆積することをさらに含む。いくつかの実施形態では、その方法は、光活性領域を堆積する前に第１の電極の上に少なくとも１つのブロック層を堆積すること、および、第２の電極を堆積する前に光活性領域の上に少なくとも１つのブロック層を堆積することをさらに含む。

本明細書で記載されるような、電極、光活性領域、金属グリッド、反射体の材料、光学スペーサの材料、および追加の有機または無機層は、溶液、蒸気、またはそれらの組み合わせから堆積され得る。

いくつかの実施形態では、電極および／または少なくとも１つの反射体は、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、レーザーアブレーション、物理蒸着、およびスパッタリングから選択される少なくとも１つの手法によって堆積される。

本明細書で記載されているように、本発明のデバイスは、さまざまな基板上への成長を通じて作製され、発電コーティングを形成し得る。発電コーティングは、例えば、塗料、シェード、または保護層として使用されてもよく、例えば薄膜または箔の形態をとり得る。

開示される特定の材料および構造は、本来、典型的なものであり、他の材料および構造が用いられてもよい。機能的な有機光電性光電子デバイスは、デザイン、性能、および原価要素に基づき、異なる方法で記載されるさまざまな層を組み合わせることによって実現されてもよく、または層が完全に省略されてもよい。また、具体的には記載されていない他の層が含まれてもよい。具体的に記載されたもの以外の材料が用いられてもよい。本明細書で記載されるようなデバイスの層は、ホストとドーパントとの混合物、または、より一般的な混合物のような、材料の組み合わせを含み得ることが理解されよう。また、層は様々な副層を有してもよい。本明細書で様々な層に付与される名称は、厳密な限定を意図するものではない。光活性領域の一部でない有機層、すなわち、光電流に大きく寄与する光子を通常吸収しない有機層は、「非光活性層」と称されてもよい。非光活性層の例は、ＥＢＬおよびアノード平滑層を含む。他の種類の非光活性層が使用されてもよい。

Claims (44)

1. 基板と、
   前記基板の上に配置された第１の電極と、
   前記第１の電極の上に配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、透明な範囲における波長で入射光を透過させる光活性領域と、
   前記第２の電極の上に配置された反射体と、を含み、
   前記反射体、および前記第１の電極は、光学微小共振器を画定し、前記反射体は、前記光活性領域の透明な範囲における入射光の１つ以上の所望の波長を部分的に反射するように構成され、前記第１の電極は、前記光活性領域の透明な範囲における１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射するように構成されており、前記反射体の前記部分的な反射と、前記第１の電極の前記反射とが、前記１つ以上の所望の波長で強め合うよう干渉し、所望の反射された色を生じさせる、有機光電性デバイス。
2. 前記反射体は、前記光活性領域が４０％より大きい吸収率を示す任意の波長において、５％未満の反射率を示す、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記光学微小共振器は、前記反射体と前記第２の電極との間に位置する光学スペーサを含み、前記光学スペーサは、１つ以上の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第２の電極と前記反射体との間に位置する金属グリッドをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記反射体は、分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）およびルーゲート反射体から選択される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記反射体は、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記基板は、硬質な、半硬質な、または柔軟な材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記基板は、建築用の窓ガラスまたは自動車用のガラスを含む、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記半硬質なまたは柔軟な材料は、最終的な基板を形成する成形性シート、または二次的表面に適用できるプラスチックシートを含む、請求項７に記載のデバイス。
10. 前記基板は、自動車の車体および部品、船体および部品、航空機の胴体および部品、宇宙船の船体および部品、窓、鏡、モバイル機器、携帯電話、コンピュータ、ビルの表面、ビルのシート、ビルの羽目板、シングル屋根板、ならびに充電式バッテリーから選択される、請求項７に記載のデバイス。
11. 前記デバイスは、有機光検出器である、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記デバイスは、有機太陽電池である、請求項１に記載のデバイス。
13. 基板と、
    前記基板の上に配置された第１の電極と、
    前記第１の電極の上に配置された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する光活性領域と、
    前記第２の電極の上に配置された反射体と、を含み、
    前記反射体は、入射光の１つ以上の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成された少なくとも１つのノッチフィルターを含み、
    前記狭い反射バンドは、中心反射波長の５％以下の幅を有し、所望の反射された色を生じさせる、有機光電性デバイス。
14. 前記反射体と前記第２の電極との間に位置する光学スペーサをさらに含む、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記少なくとも１つのノッチフィルターは、ＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される、請求項１３に記載のデバイス。
16. 前記少なくとも１つのノッチフィルターは、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含む、請求項１３に記載のデバイス。
17. 前記基板は、硬質な、半硬質な、または柔軟な材料を含む、請求項１３に記載のデバイス。
18. 前記基板は、建築用の窓ガラスまたは自動車用のガラスを含む、請求項１７に記載のデバイス。
19. 前記半硬質なまたは柔軟な材料は、最終的な基板を形成する成形性シート、または二次的表面に適用できるプラスチックシートを含む、請求項１７に記載のデバイス。
20. 前記基板は、自動車の車体および部品、船体および部品、航空機の胴体および部品、宇宙船の船体および部品、窓、鏡、モバイル機器、携帯電話、コンピュータ、ビルの表面、ビルのシート、ビルの羽目板、シングル屋根板、ならびに充電式バッテリーから選択される、請求項１７に記載のデバイス。
21. 前記デバイスは、有機光検出器である、請求項１３に記載のデバイス。
22. 前記デバイスは、有機太陽電池である、請求項１３に記載のデバイス。
23. 基板と、
    前記基板の上に配置された第１の電極と、
    前記第１の電極の上に配置された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する光活性領域と、
    前記第２の電極の上に配置された反射体と、を含み、
    前記反射体は、少なくとも第１のノッチフィルターと第２のノッチフィルターとを含み、
    前記第１のノッチフィルターは、入射光の１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成され、
    前記第２のノッチフィルターは、入射光の１つ以上の第２の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成されており、
    前記第１および第２のノッチフィルターの前記狭い反射バンドは、それらの各々の中心反射波長の５％以下の幅を有し、所望の反射された色を生じさせる、有機光電性デバイス。
24. 前記第１および第２のノッチフィルターは、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される、請求項２３に記載のデバイス。
    
25. 前記第１のノッチフィルターは、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含み、
    前記第２のノッチフィルターは、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含む、請求項２３に記載のデバイス。
26. 基板と、
    前記基板の上に配置された第１の電極と、
    前記第１の電極の上に配置された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、透明な範囲における波長で入射光を透過させる光活性領域と、
    前記第２の電極の上に配置された、第１の反射体および第２の反射体と、を含み、
    前記第１の反射体は、少なくとも１つのノッチフィルターを含み、当該少なくとも１つのノッチフィルターは、入射光の１つ以上の第１の所望の波長の範囲における狭い反射バンドで高い反射率を示すように構成され、前記狭い反射バンドが中心反射波長の５％以下の幅を有しており、
    前記第２の反射体、および前記第１の電極は、光学微小共振器を画定し、
    前記第２の反射体は、前記光活性領域の透明な範囲における入射光の１つ以上の第２の所望の波長を部分的に反射するように構成され、前記第１の電極は、前記光活性領域の透明な範囲における１つ以上の波長で入射光の１０％以上を反射するように構成されており、
    前記第２の反射体の前記部分的な反射と、前記第１の電極の前記反射とが、前記１つ以上の第２の所望の波長で強め合うよう干渉し、
    前記第１の反射体の前記狭い反射バンドと、前記１つ以上の第２の所望の波長における前記強め合う干渉とが、所望の反射された色を生じさせる、有機光電性デバイス。
27. 前記第２の反射体は、前記光活性領域が４０％より大きい吸収率を示す波長において、５％未満の反射率を示す、請求項２６に記載のデバイス。
28. １つ以上の第１の所望の波長の範囲における前記狭い反射バンドは、前記１つ以上の第２の所望の波長と重なり合わない、請求項２６に記載のデバイス。
29. 前記光学微小共振器は、前記第２の反射体と前記第２の電極との間に位置する光学スペーサを含み、前記光学スペーサは、前記１つ以上の第２の所望の波長またはその一部と共振関係となるように選択された厚みを有する、請求項２６に記載のデバイス。
30. 複数の前記反射体は、互いに独立してＤＢＲおよびルーゲート反射体から選択される、請求項２６に記載のデバイス。
31. 前記少なくとも１つのノッチフィルターは、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含み、
    前記第２の反射体は、有機および無機高分子、有機低分子、酸化物、窒化物、ならびに酸窒化物から選択される１つ以上の誘電材料を含む、請求項２６に記載のデバイス。
32. 前記基板は、硬質な、半硬質な、または柔軟な材料を含む、請求項２６に記載のデバイス。
33. 前記基板は、建築用の窓ガラスまたは自動車用のガラスを含む、請求項３２に記載のデバイス。
34. 前記半硬質なまたは柔軟な材料は、最終的な基板を形成する成形性シート、または二次的表面に適用できるプラスチックシートを含む、請求項３２に記載のデバイス。
35. 前記基板は、自動車の車体および部品、船体および部品、航空機の胴体および部品、宇宙船の船体および部品、窓、鏡、モバイル機器、携帯電話、コンピュータ、ビルの表面、ビルのシート、ビルの羽目板、シングル屋根板、ならびに充電式バッテリーから選択される、請求項３２に記載のデバイス。
36. 前記デバイスは、有機光検出器である、請求項２６に記載のデバイス。
37. 前記デバイスは、有機太陽電池である、請求項２６に記載のデバイス。
38. 基板の上に第１の電極を堆積すること、
    前記第１の電極の上に光活性領域を堆積すること、
    前記光活性領域の上に第２の電極を堆積すること、および、
    前記第２の電極の上に少なくとも１つの反射体を堆積することを含み、
    前記少なくとも１つの反射体は、入射光の１つ以上の所望の波長を少なくとも部分的に反射するように構成されている、請求項１、１３、２３、および２６のうちのいずれか１つに記載の有機光電性デバイスの製造方法。
39. 前記少なくとも１つの反射体を堆積する前に、前記第２の電極の上に金属グリッドを堆積することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記少なくとも１つの反射体は、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、レーザーアブレーション、物理蒸着、およびスパッタリングから選択される手法によって堆積される、請求項３８に記載の方法。
41. 前記基板は、硬質な、半硬質な、または柔軟な材料を含む、請求項３８に記載の方法。
42. 前記基板は、建築用の窓ガラスまたは自動車用のガラスを含む、請求項４１に記載の方法。
43. 前記半硬質なまたは柔軟な材料は、最終的な基板を形成する成形性シート、または二次的表面に適用できるプラスチックシートを含む、請求項４１に記載の方法。
44. 前記基板は、自動車の車体および部品、船体および部品、航空機の胴体および部品、宇宙船の船体および部品、窓、鏡、モバイル機器、携帯電話、コンピュータ、ビルの表面、ビルのシート、ビルの羽目板、シングル屋根板、ならびに充電式バッテリーから選択される、請求項４１に記載の方法。