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JP5265380B2 - 光電池システム及びそれを構成する方法 - Google Patents

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Description

本願に係る関連出願
合衆国法典第３５編第１１９条（ｅ）に準じ、本願は２００５年１２月２１日付で提出された米国特許仮出願第６０／７５２６０８号、２００６年４月１１日付で提出された米国特許仮出願第６０／７９０６０６号、２００６年４月１７日付で提出された米国特許仮出願第６０／７９２４８５号の優先権を伴い、これらの出願の内容は、参照として本願に併合されるものである。
本発明は再結合層を有するタンデム型光電池セル、関連するシステム、方法、及び構成要素に関する。
光電池セルは通常、光のエネルギーを電気のエネルギーに変換するために利用される。一般的な光電池セルは、２つの電極間に配置された光学活性材料を有する。一般に、光は電極の一方又は両方を透過し、光学活性材料と相互作用して電気を発生する。その結果、一方又は両方の電極が光（例えば、光学活性材料によって吸収される１以上の波長の光）を透過する性能が、光電池セル全体の効率を制限することとなる。多くの光電池セルにおいて、光を透過する電極を形成するために半導電性材料のフィルム（例えば、インジウム−スズ酸化物）が用いられる。なぜなら、半導電性材料の電気伝導率は導電性材料より低いが、半導電性材料は多くの導電性材料よりも多量の光を透過できるからである。
主に化石燃料に基づくエネルギー源の消費および依存度の削減に対する要望から、光電池技術の開発に対する関心が高まっている。光電池技術はまた、環境にやさしいエネルギー技術であると広く考えられている。しかしながら、光電池技術が商業的に実施可能なエネルギー技術となるためには、光電池システム（光を電気エネルギーに変換するために１つ以上の光電池セルを用いるシステム）の材料費及び製造コストが妥当な時間枠で回収可能である必要がある。しかし、いくつかの実例では、実用的に設計された光電池システムに伴うこれらの（例えば、材料及び／又は製造における）コストはその有効性及び利用性において制限されている。
本発明は再結合層を有するタンデム型光電池セル、関連するシステム、方法、及び構成要素に関する。
一態様において、本発明は第１及び第２電極と、前記第１及び第２電極の間にある再結合層と、前記第１電極と前記再結合層との間にある第１光学活性層と、前記第２電極と前記再結合層との間にある第２光学活性層とを備えるシステムを特徴とする。前記再結合層は半導体材料を備える。前記システムは光電池システムとして構成される。
別の態様において、本発明は第１及び第２電極と、前記第１及び第２電極の間にある第１及び第２光学活性層と、前記第１及び第２光学活性層の間にある第３層を備えるシステムを特徴とする。前記第１光学活性層は第１半導体材料を備え、前記第２光学活性層は第２半導体材料を備える。第３層は前記第１および第２半導体材料とは異なる第３半導体材料を備える。前記システムは光電池システムとして構成される。
別の態様において、本発明は第１及び第２電極と、前記第１及び第２電極の間にある第１及び第２光学活性層と、ｎ型半導体材料を備える第３層と、ｐ型半導体材料を備える第４層とを備えるシステムを特徴とする。前記第１光学活性層は前記第１電極と前記第３層との間にあり、前記第３層は前記第１及び第２光学活性層の間にある。前記第２光学活性層は、前記第２電極と前記第４層との間にあり、前記第４層は前記第２光学活性層及び前記第３層の間にある。前記システムは光電池システムとして構成される。
別の態様において、本発明は第１及び第２電極と、前記第１及び第２電極の間にある再結合層と、前記第１電極と前記再結合層との間にある第１光学活性層と、前記第２電極と前記再結合層との間にある第２光学活性層とを備えるシステムを特徴とする。少なくとも前記第１及び第２電極の一方がメッシュ電極を備える。前記再結合層は半導体材料を備える。前記システムは光電池システムとして構成される。
さらに別の態様として、本発明はロール・ツー・ロール方式によって再結合層を有する光電池システムを提供する工程を備える方法を特徴とする。実施形態は以下の一つ以上の特徴を含むことができる。
いくつかの実施形態において、前記再結合層における前記半導体材料は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とを含む。
いくつかの実施形態において、前記ｐ型半導体材料は、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、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、ポリチアゾロチアゾール類、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類、ポリチエノチオフェン類、ポリ（チエノチオフェンオキシド）類、ポリジチエノチオフェン類、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、及びそれらのコポリマーからなる群より選択される一つのポリマーを含む。
いくつかの実施形態において、前記ｐ型半導体材料は金属酸化物を含む。例えば、前記金属酸化物は銅酸化物、ストロンチウム銅酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物からなる群より選択される一つの酸化物を含む。ある実施形態において、前記ｐ型半導体材料はｐドープされた金属酸化物（例えば、ｐドープされた亜鉛酸化物又はｐドープされたチタニウム酸化物）を含む。
いくつかの実施形態において、前記ｎ型半導体材料は金属酸化物を含む。例えば、前記金属酸化物は、チタニウム酸化物、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、モリブデン酸化物、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの酸化物を含む。他の実施形態において、前記ｎ型半導体材料は、フラーレン類、無機ナノ粒子、オキサジアゾール類、円盤状液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を有するポリマー、ＣＦ３基を有するポリマー、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの材料を含む。
いくつかの実施形態において、前記再結合層は２つの層を備え、一方の層はｐ型半導体材料を備えるとともに、他方の層はｎ型半導体材料を備える。
いくつかの実施形態において、前記第１又は第２光学活性層は電子ドナー材料及び電子アクセプタ材料を備える。
いくつかの実施形態において、前記電子ドナー材料は、ポリチオフェン類、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、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、ポリチアゾロチアゾール類、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類、ポリチエノチオフェン類、ポリ（チエノチオフェンオキシド）類、ポリジチエノチオフェン類、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、及びそれらのコポリマーからなる群より選択される一つのポリマーを含む。例えば、前記電子ドナー材料は、ポリチオフェン類（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ））、ポリシクロペンタジチオフェン類（例えば、ポリ（シクロペンタジチオフェン−コ−ベンゾチアジアゾール））、及びそれらのコポリマーからなる群より選択される一つのポリマーを含む。
いくつかの実施形態において、前記電子アクセプタ材料は、フラーレン類、無機ナノ粒子、オキサジアゾール類、円盤状液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を有するポリマー、ＣＦ３基を有するポリマー、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの材料を含む。例えば、前記電子アクセプタ材料は置換フラーレン（例えば、Ｃ６１−フェニル−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ））を含む。
いくつかの実施形態において、第１光学活性層は第１バンドギャップを有し、かつ、第２光学活性層は前記第１バンドギャップとは異なる第２バンドギャップを有する。
いくつかの実施形態において、前記システムはさらに、前記第１光学活性層と前記第１電極との間に正孔キャリア層を備える。前記正孔キャリア層は、ポリチオフェン類、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、及びそれらのコポリマーからなる群より選択される一つのポリマーを含むことができる。
いくつかの実施形態において、前記システムはさらに、前記第２光学活性層と前記第２電極との間に正孔ブロック層を備える。前記正孔ブロック層は、ＬｉＦ、金属酸化物、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの材料を含むことができる。
いくつかの実施形態において、前記システムはタンデム型光電池セルを備える。
いくつかの実施形態において、前記方法は前記再結合層を光学活性層の上に配置する工程をさらに備える。前記配置する工程は、第１半導体材料を備える第１層を前記光学活性層の上に配置し、かつ、前記第１半導体とは異なる第２半導体材料を備える第２層を前記第１層の上へ配置する工程を備えてもよい。いくつかの実施形態において、前記第１及び第２半導体材料の一方はｎ型半導体材料であり、前記第１及び第２半導体材料の他方はｐ型半導体材料である。
いくつかの実施形態において、前記再結合層は、溶融コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、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、及びスクリーン印刷からなる群より選択される少なくとも一つの工程を用いて前記光学活性層の上に配置される。
実施形態は以下の一つ以上の有利な点を提供する。
いくつかの実施形態において、前記再結合層は連続的なロール・ツー・ロール方式において容易に使用できる溶融工程を用いて形成される。そのような工程は光電池セルの提供におけるコストをかなり削減することができる。
いくつかの実施形態において、前記光学活性層は、電磁スペクトルの赤色及び近赤外領域（例えば、６５０〜８００ｎｍ）の吸収波長を有するポリマーのような、他のほとんどの従来のポリマーでは達成できない低いバンドギャップ電子ドナー材料を備える。そのようなポリマーが従来のポリマーと共に光電池セルの中へ併合されると、セルが電磁スペクトルの前記領域の光を吸収できるようになり、それによって電流が増加し、前記セルの効率が向上する。
いくつかの実施形態において、前記第１及び第２光学活性層は異なるバンドギャップを有する。したがって、一方の光学活性層に吸収されない光が他方の光学活性層によって吸収され、それによって光電池セルの効率が向上する。
本発明の一以上の実施形態の詳細は添付図面及び以下の詳述によって説明される。本発明の他の特徴及び有利な点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
異なる図の同じ参照番号は同じ要素を示している。
図１は、正極１１０、正孔キャリア層１２０、光学活性層１３０、再結合層１４０、光学活性層１５０、正孔ブロック層１６０、負極１７０、及び、正極１１０及び負極１７０を介して光電池セル１００に接続された外部負荷１８０を有するタンデム型光電池セル１００の参考例を示す。
一般に再結合層とは、第１セルから発生した電子が第２セルから発生した正孔と再結合するタンデム型セル内の１つの層を表す。再結合層１４０は一般的にｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とを備える。一般に、ｎ型半導体材料は電子を選択的に移送し、ｐ型半導体材料は正孔を選択的に移送する。その結果、前記第１セルから発生した電子は、前記ｎ型及びｐ型半導体材料の境界面において前記第２セルから発生した正孔と再結合する。
いくつかの実施形態において、前記ｐ型半導体材料はポリマー及び／又は金属酸化物を含む。ｐ型半導体ポリマーの例は、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、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、ポリチアゾロチアゾール類、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類、ポリチエノチオフェン類、ポリ（チエノチオフェンオキシド）類、ポリジチエノチオフェン類、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、及びそれらのコポリマーを含む。前記金属酸化物は真性なｐ型半導体（例えば、銅酸化物、ストロンチウム銅酸化物、又はストロンチウムチタニウム酸化物）、又はドーパントと共にドープされた後にｐ型半導体を形成する金属酸化物（例えば、ｐドープされた亜鉛酸化物又はｐドープされたチタニウム酸化物）でもよい。ドーパントの例は、フッ化物、塩化物、臭化物、及びヨウ化物である塩又は酸を含む。いくつかの実施形態において、前記金属酸化物はナノ粒子の形状で用いることができる。
いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料はチタニウム酸化物、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、モリブデン酸化物、及びそれらの組合せ等の金属酸化物を含む。前記金属酸化物はナノ粒子の形状で用いてもよい。他の実施形態において、前記ｎ型半導体材料は、フラーレン類、無機ナノ粒子、オキサジアゾール類、円盤状液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を有するポリマー、ＣＦ３基を有するポリマー、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの材料を含む。
ある実施形態において、前記再結合層は２つの層を備え、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。
いくつかの実施形態において、再結合層１４０は少なくとも約３０重量％（例えば、少なくとも約４０重量％又は少なくとも約５０重量％）かつ／又は多くとも約７０重量％（例えば、多くとも約６０重量％又は多くとも約５０重量％）のｐ型半導体材料を含む。いくつかの実施形態において、再結合層１４０は少なくとも約３０重量％（例えば、少なくとも約４０重量％又は少なくとも約５０重量％）かつ／又は多くとも約７０重量％（例えば、多くとも約６０重量％又は多くとも約５０重量％）のｎ型半導体材料を含む。
再結合層１４０は一般に、前記再結合層の下側の層が再結合層１４０の上に適用されるあらゆる溶剤から保護されるように十分な厚さを有している。いくつかの実施形態において、再結合層１４０は少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、又は少なくとも約１００ｎｍ）かつ／又は多くとも約５００ｎｍ（例えば、多くとも約２００ｎｍ、多くとも約１５０ｎｍ、又は多くとも約１００ｎｍ）の厚さを有する。
一般に、再結合層１４０は概ね透明である。例えば、タンデム型光電池セル１００に用いられる前記厚さにおいて、再結合層１４０は少なくとも約７０％（例えば、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、又は少なくとも約９０％）の、光電池セルの稼働中に利用される１つの波長又はある範囲の波長（例えば、約３５０ｎｍから約１，０００ｎｍ）の入射光を伝導することができる。
再結合層１４０は一般に十分低い抵抗率を有する。いくつかの実施形態において、再結合層１４０は多くとも約１×１０５Ω／□、（例えば、多くとも約２×１０５Ω／□、多くとも約５×１０５Ω／□、又は多くとも約１×１０６Ω／□）の抵抗率を有する。
理論による裏づけを望むまでもなく、再結合層１４０は光電池セル１００において、２つのサブセル（一方は正極１１０、正孔キャリア層１２０、及び光学活性層１３０を備え、他方は光学活性層１５０、正孔ブロック層１６０、及び負極１７０を備える）間の共通の電極であると考えられている。
正極１１０は一般に導電性材料から形成される。導電性材料の例は、導電性金属、導電性合金、及び導電性ポリマーを含む。好例となる導電性金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、及びチタニウムを含む。好例となる導電性合金は、ステンレス（例えば、３３２ステンレス、３１６ステンレス）、金合金、銀合金、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、パラジウム合金、白金合金、及びチタニウム合金を含む。好例となる導電性ポリマーは、ポリチオフェン類（例えば、ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン類（例えば、ドープされたポリアニリン類）、ポリピロール類（例えば、ドープされたポリピロール類）を含む。いくつかの実施形態において、導電性材料の組合せが用いられる。
いくつかの実施形態において、正極１１０はメッシュ電極を含む。メッシュ電極の例は、共有で出願中の米国特許出願公開第２００４０１８７９１１号明細書及び米国特許出願公開第２００６００９０７９１号明細書に説明されており、それらの内容はここに参照として併合される。
図２及び図３は固体領域１１２及び開口領域１１４を備えるメッシュ正極１１０を示す。一般に、領域１１２は導電性材料から形成され、領域１１４を介してメッシュ正極１１０を光が透過できるようにするとともに、領域１１２を介して電子を伝導できるようにしている。
開口領域１１４に占められたメッシュ正極１１０の領域（メッシュ正極１１０の開口領域）は、所望の通りに選択することができる。一般に、メッシュ正極１１０の開口領域は、メッシュ正極１１０の総領域の少なくとも約１０％（例えば、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％）かつ／又は多くとも約９９％（例えば、多くとも約９５％、多くとも約９０％、多くとも約８５％）である。
メッシュ正極１１０は様々な方法で提供される。いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０は固体領域１１２を構成する材料であるワイヤを織ることによって形成される織メッシュである。前記ワイヤは、例えば、平織、畳織、綾織、畳綾織、又はそれらを組合せた方法を用いて織られる。ある実施形態において、メッシュ正極１１０は溶接されたワイヤメッシュから形成される。いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０は拡張されたメッシュである。拡張された金属メッシュは、例えば、材料シート（例えば、金属等の導電性材料）から領域１１４を除去し（例えば、レーザ除去、化学的エッチング、穴あけによって）、その後前記シートを伸張すること（例えば、前記シートを２次元で伸張すること）によって提供される。ある実施形態において、メッシュ正極１１０は領域１１４を除去し（例えば、レーザ除去、化学的エッチング、穴あけによって）、その後シートを伸張することなく形成された金属シートである。
ある実施形態において、固体領域１１２は上述したような、完全に導電性の材料で形成される（例えば、領域１１２は導電性であり実質的に均一の材料から形成される）。いくつかの実施形態において、固体領域１１２は約３Ω／□よりも低い抵抗率を有する。
いくつかの実施形態において、固体領域１１２は第１材料から形成され、前記第１材料は第１材料とは異なる第２材料でコーティングされる（例えば、メタライゼーション、蒸着を用いる）。一般に、前記第１材料はあらゆる所望の材料で形成され（例えば、電気絶縁性材料、導電性材料、又は半導電性材料）、かつ、前記第２材料は導電性材料である。第１材料を形成する電気絶縁性材料の例は、織物、光ファイバー材料、ポリマー材料（例えばナイロン）、及び天然材料（例えば、亜麻、綿、羊毛、絹）を含む。前記第１材料を形成する導電性材料の例は、上述した導電性材料を含む。前記第１材料を形成する半導電性材料の例は、インジウム−スズ酸化物、フッ化スズ酸化物、スズ酸化物、及び亜鉛酸化物を含む。いくつかの実施形態において、前記第１材料はファイバーの形状であり、第２材料は前記第１材料上をコーティングする導電性材料である。ある実施形態において、前記第１材料はメッシュの形状であり（上述を参照）、メッシュに形成された後、前記第２材料でコーティングされる。一例として、第１材料は拡張された金属メッシュであり、かつ、第２材料は前記拡張された金属メッシュ上にコーティングしたＰＥＤＯＴである。
一般に、メッシュ正極１１０の最大厚さは正孔キャリア層１２０の総厚さよりも薄くなければならない。一般的に、メッシュ正極１１０の最大厚さは少なくとも０．１μｍ（例えば、少なくとも約０．２μｍ、少なくとも約０．３μｍ、少なくとも約０．４μｍ、少なくとも約０．５μｍ、少なくとも約０．６μｍ、少なくとも約０．７μｍ、少なくとも約０．８μｍ、少なくとも約０．９μｍ、少なくとも約１μｍ）かつ／又は多くとも１０μｍ（例えば、多くとも約９μｍ、多くとも約８μｍ、多くとも約７μｍ、多くとも約６μｍ、多くとも約５μｍ、多くとも約４μｍ、多くとも約３μｍ、多くとも約２μｍ）である。
図２には開口領域１１４は矩形を有するように示されているが、一般には、あらゆる所望の形状を有することができる（例えば、正方形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形、不定形）。いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０における異なる開口領域１１４は異なる形状を有することができる。
図３には固体領域１１２は正方形断面を有するように示されているが、一般には、あらゆる所望の形状を有することができる（例えば、矩形、円形、半円形、三角形、菱形、楕円形、台形、不定形）。いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０における異なる固体領域１１２は異なる形状を有することができる。固体領域１１２が円形断面を有する実施形態において、前記断面は約５μｍから約２００μｍの範囲の直径を有することができる。固体領域１１２が台形断面を有する実施形態において、前記断面は約０．１μｍから約５μｍの範囲の高さと、約５μｍから約２００μｍの範囲の幅とを有することができる。
いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０は可撓性である（例えば、連続的なロール・ツー・ロール方式を用いた製造過程において、光電池セル１００に併合されるために十分な可撓性を有する）。ある実施形態において、メッシュ正極１１０は半剛性又は非可撓性である。いくつかの実施形態において、メッシュ正極１１０の異なる領域は可撓性、半剛性、又は非可撓性であってもよい（例えば、１以上の可撓性領域とそれとは異なる１以上の半剛性領域、１以上の可撓性領域とそれとは異なる１以上の非可撓性領域）。
一般に、メッシュ電極１１０は基板上に配置される。いくつかの実施形態において、メッシュ電極１１０は部分的に基板に埋設されてもよい。
正孔キャリア層１２０は一般に、光電池セル１００に用いられる厚さで正孔を正極１１０へ移送し、電子の正極１１０への移送を実質的にブロックする材料から形成される。層１２０を形成する材料の例は、ポリチオフェン類（例えば、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、及びそれらのコポリマーを含む。いくつかの実施形態において、正孔キャリア層１２０は正孔キャリア材料の組合せを含む。
一般に、正孔キャリア層１２０の厚さ（すなわち、第１光学活性層１３０に接する正孔キャリア層１２０の表面と、正孔キャリア層１２０に接する正極１１０の表面との間の距離）は所望の距離に変化させることができる。一般的に、正孔キャリア層１２０の厚さは、少なくとも０．０１μｍ（例えば、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、少なくとも約０．３μｍ、又は少なくとも約０．５μｍ、）かつ／又は多くとも約５μｍ（例えば、多くとも約３μｍ、多くとも約２μｍ、多くとも約１μｍ、）である。いくつかの実施形態において、正孔キャリア層１２０の厚さは約０．０１μｍから約０．５μｍである。
光学活性層１３０及び１５０は、一般にそれぞれ電子アクセプタ材料及び電子ドナー材料を有する。
電子アクセプタ材料の例は、フラーレン類、オキサジアゾール類、カーボンナノロッド、円盤状液晶、無機ナノ粒子（例えば、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、リン化インジウム、セレン化カドミウム、及び／又は硫化鉛からなるナノ粒子）、無機ナノロッド（例えば、亜鉛酸化物、タングステン酸化物、リン化インジウム、セレン化カドミウム、及び／又は硫化鉛からなるナノロッド）、又は電子を受容可能か、又は安定陰イオンを形成可能な部分を含有するポリマー（例えば、ＣＮ基を有するポリマー、ＣＦ３基を有するポリマー）を含む。いくつかの実施形態において、電子アクセプタ材料は置換フラーレン（例えば、ＰＣＢＭ）である。いくつかの実施形態において、光学活性層１３０又は１５０には電子アクセプタ材料の組合せが用いられる。
電子ドナー材料の例は、ポリチオフェン類、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、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、ポリチアゾロチアゾール類、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類、ポリチエノチオフェン類、ポリ（チエノチオフェンオキシド）類、ポリジチエノチオフェン類、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、及びそれらのコポリマー等の共役ポリマーを含む。いくつかの実施形態において、電子ドナー材料は、ポリチオフェン類（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン））、ポリシクロペンタジチオフェン類、及びそれらのコポリマーである。ある実施形態において、光学活性層１３０又は１５０には電子ドナー材料の組合せが用いられる。
いくつかの実施形態において、前記電子ドナー材料又は前記電子アクセプタ材料は第１コモノマー反復ユニットと、前記第１コモノマー反復ユニットとは異なる第２コモノマー反復ユニットとを有するポリマーを含む。前記第１コモノマー反復ユニットは、シクロペンタジチオフェン部、シラシクロペンタジチオフェン部、シクロペンタジチアゾール部、チアゾロチアゾール部、チアゾール部、ベンゾチアジアゾール部、チオフェンオキシド部、シクロペンタジチオフェンオキシド部、ポリチアジアゾロキノキサリン部、ベンゾイソチアゾール部、ベンゾチアゾール部、チエノチオフェン部、チエノチオフェンオキシド部、ジチエノチオフェン部、ジチエノチオフェンオキシド部、又はテトラヒドロイソインドール部を含む。
いくつかの実施形態において、前記第１コモノマー反復ユニットは１つのシクロペンタジチオフェン部を含む。いくつかの実施形態において、前記シクロペンタジチオフェン部は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、Ｃ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロ基、ＣＮ基、ＯＲ基、Ｃ（Ｏ）Ｒ基、Ｃ（Ｏ）ＯＲ基、及びＳＯ２Ｒ基（ＲはＨ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、又はＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基）からなる群より選択される少なくとも１つの置換基に置換される。例えば、前記シクロペンタジチオフェン部は、ヘキシル、２−エチルヘキシル、又は３，７−ジメチルオクチルに置換される。ある実施形態において、前記シクロペンタジチオフェン部は４位において置換される。いくつかの実施形態において、前記第１コモノマー反復ユニットは化学式（１）のシクロペンタジチオフェン部を含む。
Figure 0005265380
 化学式（１）において、それぞれＨ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、Ｃ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロ基、ＣＮ基、ＯＲ基、Ｃ（Ｏ）Ｒ基、Ｃ（Ｏ）ＯＲ基、又はＳＯ２Ｒ基（ＲはＨ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、又はＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基）である。例えば、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立的に、ヘキシル、２−エチルヘキシル、又は３，７−ジメチルオクチルである。
アルキル基は飽和又は不飽和でもよく、分岐鎖又は直鎖でもよい。Ｃ１−Ｃ２０アルキル基は１から２０個の炭素原子（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０個の炭素原子）を有する。アルキル部の例は、−ＣＨ３、−ＣＨ２−、−ＣＨ２＝ＣＨ２−、−ＣＨ２−ＣＨ＝ＣＨ２、及び分岐した−Ｃ３Ｈ７を含む。アルコキシ基は分岐鎖又は直鎖でもよく、飽和又は不飽和でもよい。Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基は１つの酸素ラジカルと、１から２０個の炭素原子（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０個の炭素原子）を有する。アルコキシ部の例は、−ＯＣＨ３、及び−ＯＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ３を含む。シクロアルキル基は飽和又は不飽和でもよい。Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基は３から２０個の炭素原子（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０個の炭素原子）を含む。シクロアルキル部の例は、シクロヘキシル及びシクロヘキセン−３−イルを含む。ヘテロシクロアルキル基もまた、飽和又は不飽和でもよい。Ｃ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基は、少なくとも１つの環状ヘテロ原子（例えば、Ｏ、Ｎ、及びＳ）と、３から２０個の炭素原子（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０個の炭素原子）を含む。ヘテロシクロアルキル部の例は、４−テトラヒドロピラニル基及び４−ピラニル基を含む。アリール基は１つ以上の芳香環を有する。アリール部の例はフェニル基、フェニレン基、ナフチル基、ナフチレン基、ピレニル基、アンスリル基、及びフェナンスリル基を含む。ヘテロアリール基は１つ以上の芳香環を有し、そのうちの少なくとも１つが少なくとも１つの環状ヘテロ原子（例えば、Ｏ、Ｎ、及びＳ）を含む。ヘテロアリール部の例は、フリル基、フリレン基、フルオレニル基、ピロリル基、チエニル基、オキサゾリル基、イミダゾリル基、チアゾリル基、ピリジル基、ピリミジニル基、キナゾリニル基、キノリル基、イソキノリル基、およびインドリル基を含む。
ここで述べたアルキル基、アルコキシ基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、及びヘテロアリール基は、他に特定されない限り、置換部及び非置換部の両者を含む。シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、及びヘテロアリール基の置換基の例は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、ヘテロアリール基、ヘテロアリールオキシ基、アミノ基、Ｃ１−Ｃ１０アルキルアミノ基、Ｃ１−Ｃ２０ジアルキルアミノ基、アリールアミノ基、ジアリールアミノ基、ヒドロキシル基、ハロゲン基、チオ基、Ｃ１−Ｃ１０アルキルチオ基、アリールチオ基、Ｃ１−Ｃ１０アルキルスルフォニル基、アリールスルフォニル基、シアノ基、ニトロ基、アシル基、アシルオキシ基、カルボキシル基、及びカルボキシルエステル基を含む。アルキル基の置換基の例は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基を除くすべての上述した置換基を含む。シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、及びヘテロアリール基もまた融合された基を含む
前記第２コモノマー反復ユニットは、ベンゾチアジアゾール部、チアジアゾロキノキサリン部、シクロペンタジチオフェンオキシド部、ベンゾイソチアゾール部、ベンゾチアゾール部、チオフェンオキシド部、チエノチオフェン部、チエノチオフェンオキシド部、ジチエノチオフェン部、ジチエノチオフェンオキシド部、テトラヒドロイソインドール部、フルオレン部、シロール部、シクロペンタジチオフェン部、フルオレノン部、チアゾール部、セレノフェン部、チアゾロチアゾール部、シクロペンタジチアゾール部、ナフトチアジアゾール部、チエノピラジン部、シラシクロペンタジチオフェン部、オキサゾール部、イミダゾール部、ピリミジン部、ベンゾオキサゾール部、又はベンズイミダゾール部を含む。いくつかの実施形態において、前記第２コモノマー反復ユニットは３，４−ベンゾ−１，２，５−チアジアゾール部である。
いくつかの実施形態において、前記第２コモノマー反復ユニットは化学式（２）のベンゾチアジアゾール部、化学式（３）のチアジアゾロキノキサリン部、化学式（４）のシクロペンタジチオフェンジオキシド部、化学式（５）のシクロペンタジチオフェンモノオキシド部、化学式（６）のベンゾイソチアゾール部、化学式（７）のベンゾチアゾール部、化学式（８）のチオフェンジオキシド部、化学式（９）のシクロペンタジチオフェンジオキシド部、化学式（１０）のシクロペンタジチオフェンテトラオキシド部、化学式（１１）のチエノチオフェン部、化学式（１２）のチエノチオフェンテトラオキシド部、化学式（１３）のジチエノチオフェン部、化学式（１４）のジチエノチオフェンジオキシド部、化学式（１５）のジチエノチオフェンテトラオキシド部、化学式（１６）のテトラヒドロイソインドール部、化学式（１７）のチエノチオフェンジオキシド部、化学式（１８）のジチエノチオフェンジオキシド部、化学式（１９）のフルオレン部、化学式（２０）のシロール部、化学式（２１）のシクロペンタジチオフェン部、化学式（２２）のフルオレノン部、化学式（２３）のチアゾール部、化学式（２４）のセレノフェン部、化学式（２５）のチアゾロチアゾール部、化学式（２６）のシクロペンタジチアゾール部、化学式（２７）のナフトチアジアゾール部、化学式（２８）のチエノピラジン部、化学式（２９）のシラシクロペンタジチオフェン部、化学式（３０）のオキサゾール部、化学式（３１）のイミダゾール部、化学式（３２）のピリミジン部、化学式（３３）のベンゾオキサゾール部、又は化学式（３４）のベンズイミダゾール部を含む。
Figure 0005265380
Figure 0005265380
Figure 0005265380
 上記化学式中、Ｘ及びＹはそれぞれ独立的に、ＣＨ２、Ｏ、又はＳである。Ｒ５及びＲ６はそれぞれ独立的に、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、Ｃ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロ基、ＣＮ基、ＯＲ基、Ｃ（Ｏ）Ｒ基、Ｃ（Ｏ）ＯＲ基、又はＳＯ２Ｒ基であり、ＲはＨ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、又はＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基である。また、Ｒ７及びＲ８はそれぞれ独立的に、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、又はＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基である。いくつかの実施形態において、前記第２コモノマー反復ユニットは化学式（２）のベンゾチアジアゾール部を含み、式中のＲ５及びＲ６はそれぞれＨである。
前記第２コモノマー反復ユニットは少なくとも３つのチオフェン部を含んでもよい。いくつかの実施形態において、少なくとも前記チオフェン部の１つは、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、及びＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基からなる群より選択される少なくとも一つの置換基に置換される。ある実施形態において、前記第２コモノマー反復ユニットは５つのチオフェン部を含む。
前記ポリマーはさらに、チオフェン部又はフルオレン部を有する第３コモノマー反復ユニットを含んでもよい。いくつかの実施形態において、前記チオフェン部又はフルオレン部は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル基、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル基、及びＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキル基からなる群より選択される少なくとも一つの置換基に置換される。
いくつかの実施形態において、前記ポリマーは、第１、第２、及び第３コモノマー反復ユニットのあらゆる組合せによって形成される。ある実施形態において、前記ポリマーは前記第１、第２及び第３コモノマー反復ユニットのいずれかを含むホモポリマーである。
いくつかの実施形態において、前記ポリマーは
Figure 0005265380
 であり、式中、ｎは１より大きい整数である。
ここで述べたポリマーを構成するモノマーは、非芳香族二重結合及び１つ以上の不斉中心を有してもよい。したがって、これらはラセミ化合物及びラセミ混合物、単一立体異性体、単一ジアステレオマー、ジアステレオマー混合物、及びシス型又はトランス型異性体であり得る。そのような異性体はすべて予測されている。
上述したポリマーは、共有で出願中の米国特許出願第１１／６０１３７４号明細書に説明されているような、本技術分野における既知の方法によって提供され、その内容はここに参照として併合される。例えば、遷移金属触媒の存在下で、２つのアルキルスタニル基を有する１つ以上のコモノマーと、２つのハロ基を有する１つ以上のコモノマーとの間のクロスカップリング反応によってコポリマーが提供される。別の例として、遷移金属触媒の存在下で、２つのホウ酸基を有する１つ以上のコモノマーと、２つのハロ基を有する１つ以上のコモノマーとの間のクロスカップリング反応によってコポリマーが提供される。前記コモノマーは、ここで述べられた方法、又は米国特許出願第１１／４８６５３６号明細書、Ｃｏｐｐｏ ｅｔ ａｌ．，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ２００３，３６，２７０５−２７１１、及びＫｕｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌ．Ｃｈｅｍ．１９７０，６，６２９に説明されているような本技術分野における既知の方法によって提供され、それらの内容はここに参照として併合される。
理論による裏づけを望むまでもなく、上述した前記ポリマーの有利な点は、それらの吸収波長が電磁スペクトルの赤色及び近赤外領域（例えば、６５０〜８００ｎｍ）に移動することであり、これは他のほとんどの従来のポリマーでは達成できないと考えられている。そのようなポリマーが従来のポリマーと共に光電池セルの中へ併合されると、セルが電磁スペクトルの前記領域の光を吸収できるようになり、それによって電流が増加し、前記セルの効率が向上する。
いくつかの実施形態において、光学活性層１３０は第１バンドギャップを有し、光学活性層１５０は第１バンドギャップとは異なる第２バンドギャップを有する。そのような実施形態において、一方の光学活性層に吸収されない光が他方の光学活性層によって吸収され、それによって光電池セル１００の効率が向上する。
一般に、光学活性層１３０及び１５０は、それらに当たる光子を比較的効率的に吸収して電子と正孔とを結合させるために十分に厚く、かつ、正孔及び電子の移送を比較的効率的に行うために十分に薄い。ある実施形態において、光学活性層１３０又は１５０は少なくとも０．０５μｍ（例えば、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、少なくとも約０．３μｍ）の厚さであり、かつ／又は多くとも約１μｍ（例えば、多くとも約０．５μｍ、多くとも約０．４μｍ）の厚さである。いくつかの実施形態において、光学活性層１３０又は１５０は約０．１μｍから約０．２μｍの厚さである。
一般に、光学活性層１３０又は１５０は、溶融コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、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、又はスクリーン印刷等の適切な工程を用いることによって形成される。
正孔ブロック層１６０は一般に、光電池セル１００に用いられる厚さで電子を負極１７０へ移送し、正孔の負極１７０への移送を実質的にブロックする材料から形成される。正孔ブロック層１６０を形成する材料の例は、ＬｉＦ及び金属酸化物（例えば、亜鉛酸化物、チタニウム酸化物）を含む。
一般的に、正孔ブロック層１６０は少なくとも０．０２μｍ（例えば、少なくとも約０．０３μｍ、少なくとも約０．０４μｍ、少なくとも約０．０５μｍ）の厚さであり、かつ／又は多くとも約０．５μｍ（例えば、多くとも約０．４μｍ、多くとも約０．３μｍ、多くとも約０．２μｍ、多くとも約０．１μｍ）の厚さである。
負極１７０は一般に、上述した１つ以上の導電性材料等の導電性材料から形成される。いくつかの実施形態において、負極１７０は導電性材料の組合せから形成される。ある実施形態において、負極１７０はメッシュ電極から形成される。
理論による裏づけを望むまでもなく、タンデム型光電池セル１００は、光学活性層１３０及び１５０が概ね同量の電流を発生させるとき、最高の効率を達成すると考えられている。
図４は、正極４１０、正孔キャリア４２０、光学活性層４３０、再結合層４４０、光学活性層４５０、正孔ブロック層４６０、負極４７０、及び、正極４１０及び負極４７０を介して光電池セル４００に接続された外部負荷４８０を有するタンデム型光電池セル４００を示す。再結合層４４０はｎ型半導体材料を有する層４４２と、ｐ型半導体材料を有する層４４４とを備える。いくつかの実施形態において、再結合層４４０は、層４４２と層４４４との境界においてｎ型及びｐ型半導体材料が混合された層を備える。
いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料の層とｐ型半導体材料の層とを別々に適用することによって、二層式の再結合層が作成される。例えば、ｎ型半導体材料にチタニウム酸化物ナノ粒子が用いられると、チタニウム酸化物ナノ粒子の層は、（１）前駆体（例えば、チタニウム塩）を溶剤（例えば、無水アルコール）中に分散させ、分散液を形成すること、（２）光学活性層上に前記分散液をコーティングすること、（３）前記分散液を加水分解してチタニウム酸化物層を形成すること、及び（４）前記チタニウム酸化物層を乾燥させること、によって形成される。別の実施形態として、ｐ型半導体にポリマー（例えば、ＰＥＤＯＴ）が用いられると、まず溶剤（例えば、無水アルコール）で前記ポリマーを溶解して溶液を作成し、続いて光学活性層上に前記溶液をコーティングすることによって、ポリマー層が形成される。いくつかの実施形態において、ｎ型半導体材料とｐ型半導体材料との混合物を光学活性層上に適用することによって一層式の再結合層が作成される。例えば、まずｎ型半導体及びｐ型半導体を共に溶剤中に分散させ、かつ／又は溶解させて分散液又は溶液を形成し、続いて光学活性層上に前記分散液又は溶液をコーティングして、再結合層を形成する。上述したコーティング工程は、溶融コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、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、及びスクリーン印刷からなる群より選択される少なくとも一つの工程を用いることによって達成される。
理論による裏づけを望むまでもなく、上述した溶融工程はロール・ツー・ロール方式等の連続的な製造工程において容易に用いることができ、それによって光電池セルの製造コストをかなり削減できると考えられている。ロール・ツー・ロール方式の例は、例えば米国特許出願公開第２００５−０２６３１７９号明細書に説明されている。
以下の実施例は例示的なものであって、限定的なものではない。
ＩＴＯ／ＴｉＯ２／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ／ＰＥＤＯＴ／ＴｉＯ２／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ／ＰＥＤＯＴ／Ａｇ構造を有するタンデム型光電池セルが以下のように提供された。ＩＴＯを有する基板（１３Ω／□の抵抗率を有する）が、超音波洗浄器内でアセトン、次いでイソプロパノールによって室温で１０分間洗浄された。無水イソプロパノールで１：１９９に希釈されたテトラ−ｎ−ブチルチタネート（ＴＹＺＯＲ；Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）が、ドクターブレード法（４０ｍｍ／ｓ；６００μｍスロット、４０℃）によって前記ＩＴＯ上に適用され、蒸留水で加水分解された。こうして得られたコーティングは１０分間乾燥され、１０±５ｎｍの厚さのチタニウム酸化物層が形成された。その後、オルトキシレンを溶媒とするポリ−（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）：Ｃ６１−フェニル−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）溶液（順に１００μｌ：１．５ｍｇ：１．２ｍｇ）が、ドクターブレード法（７．５ｍｍ／ｓ；６００μｍスロット、６５℃）によって前記チタニウム酸化物層の上に適用され、１００±１０ｎｍの厚さを有するＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層が形成された。続いてイソプロパノールを溶媒とするＰＥＤＯＴ（順に５ｍｌ：１ｍｌ）溶液がドクターブレード法（２×５ｍｍ／ｓ；１５０μｍスロット、８５℃）によって前記Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層の上にコーティングされ、３０±１０ｎｍのＰＥＤＯＴ層が形成された。こうして得られた素子は窒素雰囲気中において１４０℃で１０分間焼成され、その後無水イソプロパノールで１：１９９に希釈されたテトラ−ｎ−ブチルチタネートがドクターブレード法（４０ｍｍ／ｓ；６００μｍスロット、４０℃）によって前記ＰＥＤＯＴ層の上に適用された。前記コーティングは加水分解され、１０分間乾燥されて１０±５ｎｍの厚さを有する第２チタニウム酸化物層が形成された。上記により得られた前記ＰＥＤＯＴ層及び前記第２チタニウム酸化物層が最終的なタンデム型光電池セルの再結合層として構成された。その後、オルトキシレンを溶媒とするＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ溶液（順に１００μｌ：１．５ｍｇ：１．２ｍｇ）が、ドクターブレード法（６５ｍｍ／ｓ；６００μｍスロット、６５℃）によって前記第２チタニウム酸化物層の上に適用され、３００±３０ｎｍの厚さを有する第２Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層が形成された。続いてイソプロパノールを溶媒とするＰＥＤＯＴ（順に５ｍｌ：１ｍｌ）がドクターブレード法（２×５ｍｍ／ｓ；１５０μｍスロット、８５℃）によって前記第２Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層の上に適用され、３０±１０ｎｍの厚さを有する第２ＰＥＤＯＴ層が形成された。こうして得られた素子は、窒素雰囲気中において１４０℃で２０分間焼成された後、１００ｎｍの銀の層が熱的蒸発（０．０５〜０．５ｎｍ／ｓ、３×１０−６ｍｂａｒ）によって前記第２ＰＥＤＯＴ層の上に適用され、タンデム型光電池セルが形成された。
また、ＩＴＯ／ＴｉＯ２／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ／ＰＥＤＯＴ／Ａｇ構造を有する単一光電池セルが提供された。チタニウム酸化物層、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層、ＰＥＤＯＴ層、及び銀層が、前段落で説明した方法と同じ方法を用いて形成された。
前記タンデム型光電池セル及び前記単一セルの特性について試験を行った。１ｋＷ／ｍ２Ａｉｒ Ｍａｓｓ １．５ｇｌｏｂａｌの擬似太陽光（オリエル（Ｏｒｉｅｌ）社製）によって前記素子が照射されたときの両セルの電流０における開路電圧が、電源測定ユニット（ＳＭＵ）ケースレー（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）２４００を用いて測定された。その結果、タンデム型光電池セルの開路電圧は１．０２５Ｖであり、ＩＴＯ／ＴｉＯ２／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ／ＰＥＤＯＴ／Ａｇ構造を有する単一光電池セルの２倍であった。
他の実施形態は特許請求の範囲に記載されている。
タンデム型光電池セルの参考例の断面図。 メッシュ電極の一実施形態の正面図。 図２のメッシュ電極の断面図。 タンデム型光電池セルの別の実施形態の断面図。

Claims (13)

  1. 第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極及び第２電極の間にあり、かつ２つの層を備える再結合層であって、一方の層はｐ型半導体材料を備えるとともに、他方の層はｎ型半導体材料を備え、かつ、前記ｐ型半導体材料はポリマーを含む再結合層と、
    前記第１電極と前記再結合層との間にある第１光学活性層と、
    前記第２電極と前記再結合層との間にある第２光学活性層と
    を備えるシステムであって、光電池システムとして構成されるシステム。
  2. 前記ｐ型半導体材料が、ポリチオフェン類、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、ポリフェニルビニレン類、ポリシラン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリイソチアナフテン類、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、ポリチアゾロチアゾール類、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類、ポリチエノチオフェン類、ポリ（チエノチオフェンオキシド）類、ポリジチエノチオフェン類、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、及びそれらのコポリマーからなる群より選択される一つのポリマーを備える請求項１に記載のシステム。
  3. 前記ｎ型半導体材料が金属酸化物を備える請求項１に記載のシステム。
  4. 前記ｎ型半導体材料が、フラーレン類、無機ナノ粒子、オキサジアゾール類、円盤状液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基を有するポリマー、ＣＦ３基を有するポリマー、及びそれらの組合せからなる群より選択される一つの材料を備える請求項１に記載のシステム。
  5. 前記第１光学活性層又は第２光学活性層が電子ドナー材料及び電子アクセプタ材料を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
  6. 前記第１光学活性層が第１バンドギャップを有し、かつ、前記第２光学活性層が前記第１バンドギャップとは異なる第２バンドギャップを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
  7. 前記第１光学活性層と前記第１電極との間に正孔キャリア層をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
  8. 前記第２光学活性層と前記第２電極との間に正孔ブロック層をさらに備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
  9. ロール・ツー・ロール方式によって光電池システムを構成する工程を備える方法であって、
    前記光電池システムは、
    第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極及び第２電極の間にあり、かつ２つの層を備える再結合層であって、一方の層はｐ型半導体材料を備えるとともに他方の層はｎ型半導体材料を備え、かつ、前記ｐ型半導体材料はポリマーを含む再結合層と、
    前記第１電極と前記再結合層との間にある第１光学活性層と、
    前記第２電極と前記再結合層との間にある第２光学活性層と
    を備える方法。
  10. 前記方法が、前記第１光学活性層又は前記第２光学活性層の上に前記再結合層を配置する工程をさらに備える請求項９に記載の方法。
  11. 前記配置する工程が、前記第１光学活性層又は前記第２光学活性層の上に第１半導体材料を含む第１層を配置する工程、及び前記第１層の上に第２半導体材料を含む第２層を配置する工程を備え、前記第２半導体材料は前記第１半導体材料とは異なる請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１半導体材料及び第２半導体材料の一方がｎ型半導体材料であり、かつ、前記第１半導体材料及び第２半導体材料の他方がｐ型半導体材料である請求項１１に記載の方法。
  13. 前記再結合層が、溶融コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、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、及びスクリーン印刷からなる群より選択される少なくとも一つの工程を用いて前記第１光学活性層又は前記第２光学活性層の上に配置される請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
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