特許 5651606 複数の電子供与体を有する光電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5651606

(24)【登録日】2014年11月21日

(45)【発行日】2015年1月14日

(54)【発明の名称】複数の電子供与体を有する光電池

(51)【国際特許分類】

   H01L 51/46 20060101AFI20141218BHJP

   H01L 51/05 20060101ALI20141218BHJP

   H01L 51/30 20060101ALI20141218BHJP

   C08L 65/00 20060101ALI20141218BHJP

   C08K 3/04 20060101ALI20141218BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 164

   H01L29/28 100A

   H01L29/28 250G

   C08L65/00

   C08K3/04

【請求項の数】25

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2011-553111(P2011-553111)

(86)(22)【出願日】2010年3月4日

(65)【公表番号】特表2012-519964(P2012-519964A)

(43)【公表日】2012年8月30日

(86)【国際出願番号】US2010026222

(87)【国際公開番号】WO2010102116

(87)【国際公開日】20100910

【審査請求日】2013年3月1日

(31)【優先権主張番号】61/157,604

(32)【優先日】2009年3月5日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】308014846

【氏名又は名称】メルク パテント ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】シャルバー、マルクス

(72)【発明者】

【氏名】コッペ、マルクス

(72)【発明者】

【氏名】シリンスキー、パヴェル

(72)【発明者】

【氏名】ブラベック、クリストフ ヨーゼフ

(72)【発明者】

【氏名】ショーリス、ステリオス アルファ．

(72)【発明者】

【氏名】デンラー、ジル エルヴェ レジス

(72)【発明者】

【氏名】エゲルハフ、ハンス−ヨアヒム アルベルト

(72)【発明者】

【氏名】ビーレ、マルクス ハインツ

(72)【発明者】

【氏名】ホス、クラウディア ニコール

【審査官】 清水 靖記

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０３２７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０８８５９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００８−５３６３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０１１７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／０６６９３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５０６５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８０１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Toshihiro YAMANARI, Kohjiro HARA, Tetsuya TAIMA, Jun SAKAI and Kazuhiro SAITO，DYE-SENTISIZED BULK HETEROJUNCTION POLYMER SOLAR CELLS，Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，２００６年，Volume 1，Pages 240-243

【文献】 Jianhui HOU, Hsiang-Yu CHEN, Shaoqing ZHANG, Gang LI,and Yang YANG，Synthesis, Characterization, and Photovoltaic Properties of a Low Band GapPolymer Based on Silole-Containing Polythiophenes and2,1,3-Benzothiadiazole，JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY，２００８年１２月 ３日，Volume 130, Issue 48，Pages 16144-16145

【文献】 Zhengguo ZHU, David WALLER, Russell GAUDIANA, Mauro MORANA,David MUHLBACHER, Markus SCHARBER, and Christoph BRABEC，Panchromatic Conjugated Polymers Containing Alternating Donor/Acceptor Units for Photovoltaic Applications，Macromolecules，２００７年 ３月２０日，Volume 40, Issue 6，Pages 1981-1986

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ５１／４２−５１／４８

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極と、
第２の電極と、
第１および第２の電極間の光活性層とを備える物品であって、前記光活性層が電子供与材料と電子受容材料とを含み、
前記電子供与材料が、第１のポリマーと、第１のポリマーとは異なる第２のポリマーとを含み、第１のポリマーが、シラシクロペンタジチオフェン部位を含む第１のコモノマー繰り返し単位と、ベンゾチアジアゾール部位を含む第２のコモノマー繰り返し単位とを含み、第２のポリマーが、チオフェン部位を含むモノマー繰り返し単位を含み、第１のポリマーが第１のバンドギャップを有し、第２のポリマーが、第１のバンドギャップより高い第２のバンドギャップを有し、
前記電子受容材料がビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭ、またはビス−Ｃ７０−ＰＣＢＭを含み、
前記物品が光電池として構成されている、物品。

【請求項2】

第１のポリマーにおける第１のコモノマー繰り返し単位が、下記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位を含み、

【化1】

Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４が各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒが、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである、請求項１に記載の物品。

【請求項3】

Ｒ_１およびＲ_２が各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリールである、請求項２に記載の物品。

【請求項4】

Ｒ_１およびＲ_２が各々独立に、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキルである、請求項３に記載の物品。

【請求項5】

Ｒ_１およびＲ_２が各々２−エチルヘキシルまたはヘキシルである、請求項４に記載の物品。

【請求項6】

第１のポリマーにおける第２のコモノマー繰り返し単位が、下記の式（３）のベンゾチアジアゾール部位を含み、

【化2】

Ｒ_１およびＲ_２が各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、ＲがＨ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである、請求項１に記載の物品。

【請求項7】

Ｒ_１およびＲ_２が各々独立にＨである、請求項６に記載の物品。

【請求項8】

第１のポリマーが、第１および第２のコモノマー繰り返し単位とは異なる第３のコモノマー繰り返し単位をさらに含み、第３のコモノマー繰り返し単位が、シラシクロペンタジチオフェン部位またはシクロペンタジチオフェン部位を含む、請求項１に記載の物品。

【請求項9】

第１のポリマーにおける第３のコモノマー繰り返し単位が、下記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位または式（２）のシクロペンタジチオフェン部位を含み、

【化3】

Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４が各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒが、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである、請求項１に記載の物品。

【請求項10】

第１のポリマーが次式を含み、ｎが１〜１０００の整数であり、ｍが１〜１０００の整数である、請求項１に記載の物品。

【化4】

【請求項11】

第２のポリマーにおける前記モノマー繰り返し単位が、下記の式（４）のチオフェン部位を含み、

【化5】

Ｒ_５、およびＲ_６が各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒが、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである、請求項１に記載の物品。

【請求項12】

Ｒ_５およびＲ_６の一方がヘキシルである、請求項１１に記載の物品。

【請求項13】

第２のポリマーがポリ（３−ヘキシルチオフェン）を含む、請求項１２に記載の物品。

【請求項14】

第１と第２とのポリマーの重量比が２０：１〜１：２０の範囲である、請求項１に記載の物品。

【請求項15】

第１と第２とのポリマーの重量比が１：４である、請求項１に記載の物品。

【請求項16】

第１のポリマー、第２のポリマーおよび前記電子受容材料がそれぞれ、第１のＨＯＭＯレベル、第２のＨＯＭＯレベルおよび第３のＨＯＭＯレベルを有し、第１のＨＯＭＯレベルが第２と第３のＨＯＭＯレベルの間である、請求項１に記載の物品。

【請求項17】

第１のポリマー、第２のポリマーおよび前記電子受容材料がそれぞれ、第１のＬＵＭＯレベル、第２のＬＵＭＯレベルおよび第３のＬＵＭＯレベルを有し、第１のＬＵＭＯレベルが第２と第３のＬＵＭＯレベルの間である、請求項１に記載の物品。

【請求項18】

前記電子供与材料と前記電子受容材料との重量比が１：１〜１：３の範囲である、請求項１に記載の物品。

【請求項19】

前記電子供与材料と前記電子受容材料との重量比が１：１である、請求項１８に記載の
物品。

【請求項20】

前記光活性層が１５０ｎｍ以上の厚さである、請求項１に記載の物品。

【請求項21】

前記物品がＡＭ１．５条件下で４％以上の電力変換効率を有する、請求項１に記載の物品。

【請求項22】

第１の電極と、
第２の電極と、
第１および第２の電極間の光活性材料とを備える物品であって、前記光活性材料が電子供与材料と電子受容材料とを含み、
前記電子供与材料が、第１のポリマーと、第１のポリマーとは異なる第２のポリマーを含み、第１のポリマーが、シラシクロペンタジチオフェン部位を含む第１のコモノマー繰り返し単位と、ベンゾチアジアゾール部位を含む第２のコモノマー繰り返し単位とを含み、第１のポリマーが第１のバンドギャップを有し、第２のポリマーが、第１のバンドギャップより高い第２のバンドギャップを有し、
前記電子受容材料がビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭ、またはビス−Ｃ７０−ＰＣＢＭを含み、
前記物品が光電池として構成されている、物品。

【請求項23】

第２のポリマーが、チオフェン部位を含むモノマー繰り返し単位を含む、請求項２２に記載の物品。

【請求項24】

第１の電極と、
第２の電極と、
第１および第２の電極間の光活性層とを備える物品であって、前記光活性層が電子供与材料と電子受容材料とを含み、
前記光活性層が１５０ｎｍ以上の厚さを有し、前記物品が光電池として構成され、前記物品がＡＭ１．５条件下で４％以上の電力変換効率を有し、
前記電子供与材料が、第１のポリマーと、第１のポリマーとは異なる第２のポリマーとを含み、
第１のポリマーが、シラシクロペンタジチオフェン部位を含む第１のコモノマー繰り返し単位と、ベンゾチアジアゾール部位を含む第２のコモノマー繰り返し単位とを含み、第２のポリマーが、チオフェン部位を含むモノマー繰り返し単位を含み、
前記電子受容材料がビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭ、またはビス−Ｃ７０−ＰＣＢＭを含む、物品。

【請求項25】

第１のポリマーが、第１および第２のコモノマー繰り返し単位とは異なる第３のコモノマー繰り返し単位をさらに含み、第３のコモノマー繰り返し単位が、シラシクロペンタジチオフェン部位またはシクロペンタジチオフェン部位を含む、請求項２４に記載の物品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数の電子供与体および／または複数の受容体を有する光電池や、関連する構成要素、モジュール、システムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光電池は、光の形態のエネルギーを電気の形態のエネルギーに変換するために広く使用される。標準的な光電池は、２つの電極間に配設された光活性材料を含む。一般に光は、電極の一方または両方を通過して光活性材料と相互作用し、電子電荷キャリア（例えば、電子または正孔）を生成する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本開示は、２つ以上の電子供与体（例えば、低バンドギャップの電子供与体および相対的に高バンドギャップの電子供与体）を光電池の単一の光活性層に組み込むと、光電池の電力変換効率を相当に（例えば、約４％以上）改善することができ、比較的大きい厚さ（例えば、約１５０ｎｍ以上）の光活性層を形成することができて、製造がより容易且つより安価になる一方で、光活性層の電荷移動能が犠牲になることはないという、意外な発見に基づく。

【課題を解決するための手段】

【0004】

１つの態様において、本開示は、第１の電極、第２の電極、および第１と第２との電極の間の光活性層を含む物品を特徴とする。光活性層は、電子供与材料および電子受容材料を含む。電子供与材料は、第１のポリマー、および第１のポリマーとは異なる第２のポリマーを含む。第１のポリマーは、シラシクロペンタジチオフェン部位またはシクロペンタジチオフェン部位を含む第１のコモノマー繰り返し単位と、ベンゾチアジアゾール部位を含む第２のコモノマー繰り返し単位とを含む。第２のポリマーは、チオフェン部位を含むモノマー繰り返し単位を含む。第１のポリマーは第１のバンドギャップを有する。第２のポリマーは、第１のバンドギャップより高い第２のバンドギャップを有する。物品は光電池として構成されている。

【0005】

別の態様において、本開示は、第１の電極、第２の電極、および第１と第２との電極の間の光活性材料を含む物品を特徴とする。光活性材料は、電子供与材料および電子受容材料を含む。電子供与材料は、第１のポリマー、および第１のポリマーとは異なる第２のポリマーを含む。第１のポリマーは、シラシクロペンタジチオフェン部位またはシクロペンタジチオフェン部位を含む第１のコモノマー繰り返し単位と、ベンゾチアジアゾール部位を含む第２のコモノマー繰り返し単位とを含む。第１のポリマーは第１のバンドギャップを有する。第２のポリマーは、第１のバンドギャップより高い第２のバンドギャップを有する。物品は光電池として構成されている。

【0006】

さらに別の態様において、本開示は、第１の電極、第２の電極、および第１と第２との電極の間の光活性材料を含む物品を特徴とする。光活性層は約１５０ｎｍ以上の厚さである。物品は光電池として構成されている。物品はＡＭ１．５条件下で約４％以上の電力変換効率を有する。

【0007】

実施形態は、下記の特徴の１つ以上を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第１のポリマーにおける第１のコモノマー繰り返し単位は、下記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位または式（２）のシクロペンタジチ
オフェン部位を含み、

【0008】

【化1】

【0009】

Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、ＲはＨ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。特定の実施形態では、Ｒ_１およびＲ_２は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリールである。例えば、Ｒ_１およびＲ_２は各々独立に、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル（例えば、２−エチルヘキシルまたはヘキシル）であることができる。

【0010】

いくつかの実施形態では、第１のポリマーにおける第２のコモノマー繰り返し単位は、下記の式（３）のベンゾチアジアゾール部位を含み、

【0011】

【化2】

【0012】

Ｒ_１およびＲ_２は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒは、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。例えば、Ｒ_１およびＲ_２は各々独立にＨであることができる。

【0013】

いくつかの実施形態では、第１のポリマーは、第１および第２のコモノマー繰り返し単位とは異なる第３のコモノマー繰り返し単位をさらに含む。例えば、第３のコモノマー繰り返し単位は、シラシクロペンタジチオフェン部位（例えば、上記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位）またはシクロペンタジチオフェン部位（例えば、上記の式（２）のシクロペンタジチオフェン部位）を含むことができる。

【0014】

いくつかの実施形態では、第１のポリマーは次式を含み、ｎは１〜１０００の整数であり、ｍは１〜１０００の整数である。

【0015】

【化3】

【0016】

いくつかの実施形態では、第２のポリマーは、下記の式（４）のチオフェン部位のような、チオフェン部位を含むモノマー繰り返し単位を含み、

【0017】

【化4】

【0018】

Ｒ_５、Ｒ_６、Ｒ_７およびＲ_８は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル（例えば、ヘキシル）、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒは、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。例えば、Ｒ_５およびＲ_６の一方はヘキシルであることができる。特定の実施形態では、第２のポリマーは、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）を含む。

【0019】

いくつかの実施形態では、電子受容材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。例えば、電子受容材料は、［６，６］−フェニルＣ６１−酪酸メチルエステル（Ｃ６
０−ＰＣＢＭ）、［６，６］−フェニルＣ７１−酪酸メチルエステル（Ｃ７０−ＰＣＢＭ）、ビス（１−［３−（メトキシカルボニル）プロピル］−１−フェニル）−［６，６］Ｃ６２（ビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭ）、または３’フェニル−３’Ｈ−シクロプロパ［８，２５］［５，６］フラーレン−Ｃ７０−ビス−Ｄ５ｈ（６）−３’ブタン酸メチルエステル（ビス−Ｃ７０−ＰＣＢＭ）のような、置換フラーレンを含むことができる。一例として、ビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭの化学構造は次のように示される。

【0020】

【化5】

【0021】

いくつかの実施形態では、第１と第２とのポリマーの重量比は、約２０：１〜約１：２０の範囲（例えば、約１：４または約１：５）である。
いくつかの実施形態では、第１のポリマー、第２のポリマーおよび電子受容材料はそれぞれ、第１の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）レベル、第２のＨＯＭＯレベルおよび第３のＨＯＭＯレベルを有し、第１のＨＯＭＯレベルは、第２と第３のＨＯＭＯレベルの間である。

【0022】

いくつかの実施形態では、第１のポリマー、第２のポリマーおよび電子受容材料はそれぞれ、第１の最低空軌道（ＬＵＭＯ）レベル、第２のＬＵＭＯレベルおよび第３のＬＵＭＯレベルを有し、第１のＬＵＭＯレベルは、第２と第３のＬＵＭＯレベルの間である。

【0023】

いくつかの実施形態では、電子供与材料と電子受容材料との重量比は、約１：１〜約１：３の範囲（例えば、約１：１）である。
いくつかの実施形態では、光活性層は約１５０ｎｍ以上の厚さである。

【0024】

いくつかの実施形態では、物品はＡＭ１．５条件下で約４％以上の電力変換効率を有する。
実施形態は、下記の利点の１つ以上を提供することができる。

【0025】

理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、光電池の単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、光電池の電力変換効率を相当に（例えば、約４％以上）改善することができると考えられる。

【0026】

理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、光電池の単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、これらの各半導体ポリマーを電池（例えば、タンデム型電池）の２つの別個の光活性層に含めた場合に優る利点が提供されると考えられる。前者
の電池は、作製がより容易且つより安価で、電池の製造コストが相当に削減されるためである。

【0027】

理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、層の電荷移動能を犠牲にすることなく比較的大きい厚さ（例えば、約２００ｎｍ以上）の層が得られると考えられる。かかる光活性層は、作製がより容易且つより安価であり、したがって光電池の製造コストを相当に削減することができる。

【0028】

理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、光電池の耐用年数を相当に改善することができるはずであると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】光電池の実施形態の断面図。

【図2】タンデム型光電池の実施形態の断面図。

【図3】電気的に直列に接続された複数の光電池を包含するシステムの模式図。

【図4】電気的に並列に接続された複数の光電池を包含するシステムの模式図。

【発明を実施するための形態】

【0030】

様々な図面における類似の参照記号は、類似の要素を表す。
図１は、光電池１００の断面図を示し、基板１１０、電極１２０、任意の正孔ブロック層１３０、光活性層１４０（電子受容材料および電子供与材料を含む）、正孔輸送層１５０、電極１６０および基板１７０が含まれている。

【0031】

一般に、基板１１０および１７０の一方または両方は、太陽光を透過するように、透明材料で形成することができる。基板１１０が透明材料で形成されている場合、使用中、光は基板１１０の表面に当たり、基板１１０、電極１２０および任意の正孔ブロック層１３０を通過する。その後、光は光活性層１４０と相互作用し、電子が電子供与材料（例えば、１つ以上の共役ポリマー）から電子受容材料（例えば、フラーレン）に移動する。その後、電子受容材料が、任意の正孔ブロック層１３０を通じて電子を電極１２０に伝達し、電子供与材料が、正孔輸送層１５０を通じて正孔を電極１６０に移動させる。電極１２０と１６０とは外部負荷を介して電気的に接続しており、かかる負荷を通じて電子が電極１２０から電極１６０に移る。

【0032】

一般に光活性層１４０は、電子供与材料（例えば、有機電子供与材料）および電子受容材料（例えば、有機電子受容材料）を含むことができる。いくつかの実施形態では、電子供与材料または受容材料は、１つ以上のポリマー（例えば、ホモポリマーまたはコポリマー）を含むことができる。本明細書において言及するポリマーは、少なくとも２つの同一のまたは異なるモノマー繰り返し単位（例えば、少なくとも５つのモノマー繰り返し単位、少なくとも１０個のモノマー繰り返し単位、少なくとも５０個のモノマー繰り返し単位、少なくとも１００個のモノマー繰り返し単位、または少なくとも５００個のモノマー繰り返し単位）を含む。本明細書において言及するホモポリマーは、ただ１種類のモノマー繰り返し単位を含むポリマーを指す。本明細書において言及するコポリマーは、化学構造の異なるコモノマー繰り返し単位を少なくとも２つ（例えば、２つ、３つ、４つまたは５つ）含むポリマーを指す。ポリマーは共役半導体ポリマーであることができ、光起電活性を有することができる。

【0033】

いくつかの実施形態では、電子供与材料は、第１のポリマー、および第１のポリマーとは異なる第２のポリマーを含むことができる。特定の実施形態では、電子供与材料は、３つ以上（例えば、３つ、４つまたは５つ）の異なるポリマーを含むことができる。電子供与材料における各ポリマーは、ホモポリマーまたはコポリマーであることができる。

【0034】

電子供与材料における第１のポリマーはコポリマーであることができ、２つ以上（例えば、３つ、４つまたは５つ）の異なるコモノマー繰り返し単位を含むことができる。例えば、第１のポリマーは、第１のコモノマー繰り返し単位、および第１のコモノマー繰り返し単位とは異なる第２のコモノマー繰り返し単位を含むことができる。

【0035】

第１のポリマーにおける第１のコモノマー繰り返し単位は、下記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位または式（２）のシクロペンタジチオフェン部位を含むことができ、

【0036】

【化6】

【0037】

Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル（例えば、ヘキシルまたは２−エチルヘキシル）、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒは、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。

【0038】

アルキルは飽和または不飽和の分岐鎖または直鎖であることができる。Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキルは、１〜２０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および２０個の炭素原子）を含む。アルキル部位の例は、−ＣＨ_３、−ＣＨ_２−ＣＨ＝ＣＨ_２および分岐−Ｃ_３Ｈ_７を含む。アルコキシは分岐鎖または直鎖で飽和または不飽和あることができる。Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシは、酸素ラジカルと、１〜２０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および２０個の炭素原子）とを含む。アルコキシ部位の例は、−ＯＣＨ_３および−ＯＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ_３を含む。シクロアルキルは、飽和または不飽和であることができる。Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルは、３〜２０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および２０個の炭素原子）を含む。シクロアルキル部位の例は、シクロヘキシルおよびシクロヘキセン−３−イルを含む。ヘテロシクロアルキルもまた、飽和または不飽和であることができる。Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルは、少なくとも１つの環状ヘテロ原子（例えば、Ｏ、ＮおよびＳ）と、１〜２０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および２０個の炭素原子）とを含む。ヘテロシクロアルキル部位の例は、４−テトラヒドロピラニルおよび４−ピラニルを含む。アリールは、１つ以上の芳香環を含むことができる。アリール部位の例は、フェニル、フェニレン、ナフチル、ナフチレン、ピレニル、アントリルおよびフェナントリル
を含む。ヘテロアリールは、１つ以上の芳香環を含むことができ、そのうち少なくとも１つが、少なくとも１つの環状ヘテロ原子（例えば、Ｏ、ＮおよびＳ）を含む。ヘテロアリール部位の例は、フリル、フリレン、フルオレニル、ピロリル、チエニル、オキサゾリル、イミダゾリル、チアゾリル、ピリジル、ピリミジニル、キナゾリニル、キノリル、イソキノリルおよびインドリルを含む。

【0039】

本明細書において言及するアルキル、アルコキシ、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリールおよびヘテロアリールは、別途指定しない限り、置換部位と非置換部位との両方を含む。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリールおよびヘテロアリール上の置換基の例は、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０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、Ｃ_１〜Ｃ_１０アルキルアミノ、Ｃ_１〜Ｃ_２０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、Ｃ_１〜Ｃ_１０アルキルチオ、アリールチオ、Ｃ_１〜Ｃ_１０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、アシロキシ、カルボキシルおよびカルボン酸エステルを含む。アルキル上の置換基の例は、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキルを除き、上記置換基の全てを含む。また、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリールおよびヘテロアリールは縮合基も含む。

【0040】

第１のポリマーにおける第２のコモノマー繰り返し単位は、下記の式（３）のベンゾチアジアゾール部位を含むことができ、

【0041】

【化7】

【0042】

Ｒ_１およびＲ_２は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲまたはＳＯ_２Ｒであり、Ｒは、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。例えば、Ｒ_１およびＲ_２は、各々独立にＨであることができる。

【0043】

第１のポリマーは、第１および第２のコモノマー繰り返し単位とは異なる第３のコモノマー繰り返し単位をさらに含むことができる。例えば、第３のコモノマー繰り返し単位は、シラシクロペンタジチオフェン部位（例えば、上記の式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位）またはシクロペンタジチオフェン部位（例えば、上記の式（２）のシクロペンタジチオフェン部位）を含むことができる。

【0044】

第１のポリマーの例は、次式を含み、ｎは１〜１０００の整数であり、ｍは１〜１０００の整数である。

【0045】

【化8】

【0046】

いくつかの実施形態では、第１のポリマーは相対的に低いバンドギャップを有する。本明細書において言及する「バンドギャップ」という用語は、材料の価電子帯の上部（例えば、ＨＯＭＯレベル）と伝導帯の下部（例えば、ＬＵＭＯレベル）とのエネルギー差を指す。例えば、第１のポリマーは、バンドギャップが約１．８ｅＶ以下（約１．７ｅＶ以下、約１．６ｅＶ以下、約１．５ｅＶ以下、約１．４ｅＶ以下、または約１．３ｅＶ以下）、または約１．１ｅＶ以上（例えば、約１．２ｅＶ以上、約１．３ｅＶ以上、約１．４ｅＶ以上、または約１．５ｅＶ以上）であることができる。好ましくは、第１のポリマーは、約１．３〜約１．６ｅＶ（例えば、約１．４ｅＶ〜約１．６ｅＶ）のバンドギャップを有する。例えば、ポリマー１〜３は、約１．３ｅＶ〜約１．４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。

【0047】

いくつかの実施形態では、電子供与材料における第２のポリマーはホモポリマーであることができる。第２のポリマーにおけるモノマー繰り返し単位は、下記の式（４）のチオフェン部位のような、チオフェン部位を含むことができ、

【0048】

【化9】

【0049】

Ｒ_５、Ｒ_６、Ｒ_７およびＲ_８は各々独立に、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル（例えば、ヘキシル）、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ハロ、ＣＮ、ＯＲ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ
またはＳＯ_２Ｒであり、Ｒは、Ｈ、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ_３〜Ｃ_２０シクロアルキルまたはＣ_１〜Ｃ_２０ヘテロシクロアルキルである。第２のポリマーの例は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）である。

【0050】

いくつかの実施形態では、第２のポリマーは相対的に高いバンドギャップを有する。例えば、第２のポリマーは、バンドギャップが約１．５ｅＶ以上（約１．６ｅＶ以上、約１．７ｅＶ以上、約１．８ｅＶ以上、約１．９ｅＶ以上、または約２．０ｅＶ以上）、または約２．５ｅＶ以下（例えば、約２．４ｅＶ以下、約２．３ｅＶ以下、約２．２ｅＶ以下、約２．１ｅＶ以下、または約２．０ｅＶ以下）であることができる。例えば、Ｐ３ＨＴは約１．９ｅＶのハンドギャップを有する。好ましくは、第２のポリマーは、第１のポリマーより高いハンドギャップを有する。

【0051】

光活性層１４０内で電子供与材料として使用できるその他のポリマーは、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−００１４９３９号、第２００７−０１５８６２０号、第２００７−００１７５７１号、第２００７−００２０５２６号、第２００８−００８７３２４号、第２００８−０１２１２８１号および第２０１０−００３２０１８号に記載のものである。

【0052】

第１および第２のポリマーは、当該技術分野において知られている方法により調製するか、または販売元から購入することができる。例えば、式（１）のシラシクロペンタジチオフェン部位を含むポリマーの調製方法は、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００８−００８７３２４号および第２０１０−００３２０１８号に開示のものである。別の例として、式（２）のシクロペンタジチオフェン部位を含むポリマーの調製方法は、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−００１４９３９号に開示のものである。別の例として、式（３）のベンゾチアジアゾール部位を含むポリマーの調製方法は、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−０１５８６２０号に開示のものである。式（４）のチオフェン部位を含むポリマーは一般に、商業的に入手できるか、または当該技術分野において知られている方法により作製することができる。

【0053】

一般に、第１と第２とのポリマーの重量比は必要に応じて変更することができる。例えば、第１と第２とのポリマーの重量比は、約２０：１〜約１：２０（例えば、約１０：１〜約１：１０、約５：１〜約１：５、または約３：１〜約１：３）の範囲であることができる。好ましくは、第１と第２とのポリマーの重量比は、少なくとも約１：４（例えば、少なくとも約１：３、少なくとも約１：２、または少なくとも約１：１）であることができる。

【0054】

理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、光電池の単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、光電池の電力変換効率を相当に（例えば、約４％以上）改善することができると考えられる。いくつかの実施形態では、（上記の第１および第２のポリマーのような）２つ以上の半導体ポリマーが光活性層１４０に含まれる場合、光電池１００は、電力変換効率が約２．５％以上（例えば、約３％以上、約３．５％以上、約４％以上、約４．５％以上、または約５％以上）であることができる。

【0055】

さらに、理論に縛られようとするものではないが、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、光電池の単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、これらの各半導体ポリマーを電池（例えば、タ
ンデム型電池）の２つの別個の光活性層に含めた場合に優る利点が提供されると考えられる。前者の電池は、作製がより容易且つより安価で、電池の製造コストが相当に削減されるためである。

【0056】

いくつかの実施形態では、光活性層１４０は、相補的な吸収スペクトルを有する２つ以上の半導体ポリマー（例えば、１つは低バンドギャップのポリマーで１つは相対的に高バンドギャップのポリマー）を含むことができる。例えば、Ｐ３ＨＴ（すなわち、上記の例示的な第２のポリマー）は、約５００〜５５０ｎｍの波長に吸収ピークがある。ポリマー１（すなわち、上記の例示的な第１のポリマー）は、約７００〜９００ｎｍの波長に吸収ピークがあり、約５００〜５５０ｎｍの波長では吸収が最小である。よって、Ｐ３ＨＴおよびポリマー１を光活性層１４０内に含めると、幅広い太陽光スペクトルにおいて光吸収が向上し、光電池１００の外部量子効率が改善され、その結果、光電池の電力変換効率を改善することができる。

【0057】

いくつかの実施形態では、第１のポリマー、第２のポリマーおよび電子受容材料はそれぞれ、第１のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯレベル、第２のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯレベル、並びに第３のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯレベルを有する。好ましくは、第１のＨＯＭＯレベルは、第２のポリマーと電子受容材料のＨＯＭＯレベルの間である。かかる実施形態では、第１のポリマーから発生した光誘起正電荷（例えば、正孔）を第２のポリマーに移動させることができる。そのようなものとして、第１と第２との両方のポリマーが電荷の発生および移動に寄与し、光電池１００の外部量子効率および電力変換効率が改善される。加えて、第２のポリマーは、一般に優勢な電荷キャリアであるため、第１のポリマーが相対的に不十分な電荷移動能を有する場合、第１のポリマーから発生した正電荷の、対応する電極への移動を促進することができる。

【0058】

その一方で、第１と第２とのポリマー間に負電荷（例えば、電子）の著しい移動は見られない。よって、第１のＬＵＭＯレベルが第２と第３のＬＵＭＯレベルの間であることは絶対に必要なことではない。しかしながら、いくつかの実施形態では、第１のＬＵＭＯレベルが第２と第３のＬＵＭＯレベルの間であることが好ましい。

【0059】

いくつかの実施形態では、光活性層１４０は、次のようなＨＯＭＯレベルおよびＬＵＭＯレベルを有する半導体ポリマー（例えば、第１のポリマーのような低バンドギャップのポリマー）を含むことができる。すなわち、それぞれ、別の半導体ポリマー（例えば、第２のポリマーのような相対的に高バンドギャップのポリマー）と電子受容材料（例えば、Ｃ６０−ＰＣＢＭのようなフラーレン）のＨＯＭＯレベルおよびＬＵＭＯレベルの間であるようなＨＯＭＯレベルおよびＬＵＭＯレベルである。例えば、ポリマー１はＨＯＭＯレベルが約−５．３ｅＶで、当該レベルは、Ｐ３ＨＴ（すなわち、約−５．１ｅＶ）とＣ６０−ＰＣＢＭ（すなわち、約−６ｅＶ）のＨＯＭＯレベルの間であり、ＬＵＭＯレベルが約−３．６ｅＶで、当該レベルは、Ｐ３ＨＴ（すなわち、約−２．９ｅＶ）とＣ６０−ＰＣＢＭ（すなわち、約−４．３ｅＶ）のＬＵＭＯレベルの間である。よって、ポリマー１からの光誘起電子は、Ｃ６０−ＰＣＢＭに（その後、隣接する電極に）移動することができ、ポリマー１からの光誘起正孔はＰ３ＨＴに（その後、隣接する電極に）移動することができる。換言すれば、電子供与体であるＰ３ＨＴに加えて、電子供与体であるポリマー１もまた、電荷の発生および移動に寄与することができ、光電池１００の外部量子効率および電力変換効率が改善される。

【0060】

当該技術分野では、次のことが知られている。すなわち、光電池の光活性層の厚さが増せば増すほど、一般に、この層で発生した光誘起電荷キャリアを隣接層へ、最終的には対応する電極へ移動させることが困難となり、光活性層の電荷移動能は低下するはずである。しかしながら、意外にも、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上
記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、層の電荷移動能を犠牲にすることなく比較的大きい厚さ（例えば、約１５０ｎｍ以上）の層が得られることが判明している。かかる光活性層は、作製がより容易且つより安価であり、したがって光電池の製造コストを相当に削減することができる。いくつかの実施形態では、かかる光活性層は、厚さが約１００ｎｍ以上（例えば、約１５０ｎｍ以上、約２００ｎｍ以上、約３００ｎｍ以上、または約５００ｎｍ以上）であることができる。

【0061】

さらに、理論に縛られようとするものではないが、意外にも、１つ以上の低バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第１のポリマー）と、１つ以上の相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（例えば、上記の第２のポリマー）との両方を、単一の光活性層に含める（例えば、ブレンドする）と、光電池の耐用年数を相当に改善することができることが判明している。

【0062】

いくつかの実施形態では、光活性層１４０における電子受容材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。例えば、電子受容材料はフラーレン（例えば、置換フラーレン）を含むことができる。

【0063】

いくつかの実施形態では、光活性層１４０は、１つ以上の非置換フラーレンおよび／または１つ以上の置換フラーレンを電子受容材料として含むことができる。非置換フラーレンの例は、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８２、Ｃ_８４およびＣ_９２を含む。置換フラーレンの例は、ＰＣＢＭ（例えば、Ｃ６０−ＰＣＢＭ、Ｃ７０−ＰＣＢＭ、ビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭ、またはビス−Ｃ７０−ＰＣＢＭ）、またはＣ_１〜Ｃ_２０アルコキシで置換されたフラーレンであって当該アルコキシが任意にＣ_１〜Ｃ_２０アルコキシおよび／もしくはハロ（例えば、（ＯＣＨ_２ＣＨ_２）_２ＯＣＨ_３またはＯＣＨ_２ＣＦ_２ＯＣＦ_２ＣＦ_２ＯＣＦ_３）でさらに置換されたものを含む。理論に縛られようとするものではないが、長鎖アルコキシ基（例えば、エチレンオキシドオリゴマー）またはフッ素化アルコキシ基でフラーレンを置換すると、有機溶媒への溶解性が改善され、モルフォロジーの改良された光活性層を形成することができると考えられる。光活性層１４０における電子受容材料として使用できるその他の材料は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−００１４９３９号、第２００７−０１５８６２０号、第２００７−００１７５７１号、第２００７−００２０５２６号、第２００８−００８７３２４号、第２００８−０１２１２８１号および第２０１０−００３２０１８号に記載のものである。特定の実施形態では、光活性層１４０内において電子受容体（例えば、２つの異なるフラーレン）を組み合わせて使用することができる。かかる実施形態は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−００６２５７７号に記載のものである。

【0064】

一般に、電子供与材料と電子受容材料との重量比は必要に応じて変更することができる。いくつかの実施形態では、電子供与材料と電子受容材料との重量比は、約１：１〜約１：３の範囲（好ましくは約１：１）である。

【0065】

当該技術分野では、次のことが知られている。すなわち、２つ以上の半導体ポリマーをブレンドする（例えば、電子供与体ポリマーと電子受容体ポリマーとをブレンドする）と、ドメインサイズが数マイクロメートルの大きい相分離が生じるはずであり、このようにして形成された光活性層の電荷移動能は著しく低下し、その結果、光電池の電力変換効率が低下するはずである。ところが意外にも、上記の第１と第２とのポリマーをブレンドし
ても、これら２つのポリマー間に著しい相分離（例えば、ドメインサイズが５００ｎｍを超えるもの）は現れず、したがって、これら２つのポリマーの相分離により引き起こされる効率損失は最小限に抑えられる。

【0066】

光活性層１４０は一般に、次のように形成される。すなわち、電子供与材料（例えば、上記の第１および第２のポリマー）および電子受容材料（例えば、置換フラーレン）を適切な溶媒（例えば、有機溶媒）と混合して溶液または分散体を形成し、溶液または分散体を層１３０に塗布し、塗布した溶液または分散体を乾燥させることにより形成される。

【0067】

一般に、光活性層１４０を形成した後（例えば、光電池１００全体を形成した後）、この層を（例えば、加熱することにより）適切な温度で、適切な時間期間、アニール処理することが望ましい。アニール処理温度は、約７０℃以上（例えば、約８０℃以上、約１００℃以上、約１２０℃以上、または約１４０℃以上）、または約２００℃以下（例えば、約１８０℃以下、約１６０℃以下、約１４０℃以下、または約１２０℃以下）であることができる。アニール処理時間は、約３０秒以上（例えば、約１分以上、約３分以上、約５分以上、または約７分以上）、または約１５分以下（例えば、約１３分以下、約１１分以下、約９分以下、または約７分以下）であることができる。理論に縛られようとするものではないが、未アニール処理の光活性層では、短絡電流密度は低く、充填率も低く、直列抵抗は高くなると考えられる。しかしながら、光活性層１４０をアニール処理すると、短絡電流密度を相当に改善できるはずであり、したがって光電池１００の電力変換効率を増大できるはずである。

【0068】

光電池１００のその他の構成要素に目を転じると、基板１１０は一般に透明材料で形成される。本明細書において言及する場合、透明材料は、光電池１００に使用される厚さで、光電池の稼動中に使用される波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）の入射光を約６０％以上（例えば、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上）透過する材料である。基板１１０を形成することのできる例示的な材料は、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、炭化水素ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテルおよびポリエーテルケトンを含む。特定の実施形態では、ポリマーはフッ素化ポリマーであることができる。いくつかの実施形態では、ポリマー材料の組み合わせが使用される。特定の実施形態では、基板１１０の異なる領域を異なる材料で形成することができる。

【0069】

一般に、基板１１０は可撓性、半剛性または剛性（例えば、ガラス）であることができる。いくつかの実施形態では、基板１１０は、曲げ弾性率が約５０００メガパスカル未満（例えば、約１０００メガパスカル未満または約５００メガパスカル未満）である。特定の実施形態では、基板１１０の異なる領域が可撓性、半剛性または不撓性である（例えば、１つ以上の領域が可撓性で１つ以上の別の領域が半剛性、１つ以上の領域が可撓性で１つ以上の別の領域が不撓性である）ことができる。

【0070】

通常、基板１１０は、厚さが約１マイクロメートル以上（例えば、約５マイクロメートル以上、約１０マイクロメートル以上）、および／または厚さが約１０００マイクロメートル以下（例えば、約５００マイクロメートル以下、約３００マイクロメートル以下、約２００マイクロメートル以下、約１００マイクロメートル以下、約５０マイクロメートル以下）である。

【0071】

一般に、基板１１０は有色または無色であることができる。いくつかの実施形態では、基板１１０の１つ以上の部分が有色である一方で、基板１１０の１つ以上の別の部分は無色である。

【0072】

基板１１０は、１つの平坦面（例えば、光が当たる面）、２つの平坦面（例えば、光が当たる面およびその裏面）、または非平坦面を有することができる。基板１１０の非平坦面は、例えば、湾曲面または階段状であることができる。いくつかの実施形態では、基板１１０の非平坦面はパターン状である（例えば、パターン化された段差を有してフレネルレンズ、レンチキュラーレンズまたはレンチキュラープリズムを形成する）。

【0073】

電極１２０は一般に、導電性材料で形成される。例示的な導電性材料は導電性金属、導電性合金、導電性ポリマーおよび導電性金属酸化物を含む。例示的な導電性金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、プラチナおよびチタンを含む。例示的な導電性合金は、ステンレス鋼（例えば、３３２ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼）、金合金、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、プラチナ合金およびチタン合金を含む。例示的な導電性ポリマーは、ポリチオフェン（例えば、ドープ処理したポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ドープＰＥＤＯＴ））、ポリアニリン（例えば、ドープ処理したポリアニリン）、ポリピロール（例えば、ドープ処理したポリピロール）を含む。例示的な導電性金属酸化物は、酸化インジウム錫、フッ素添加酸化錫、酸化錫および酸化亜鉛を含む。いくつかの実施形態では、導電性材料の組み合わせが使用される。

【0074】

いくつかの実施形態では、電極１２０はメッシュ電極を含むことができる。メッシュ電極の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００４−０１８７９１１号および第２００６−００９０７９１号に記載のものである。

【0075】

任意に、光電池１００は正孔ブロック層１３０を含むことができる。正孔ブロック層は一般に、光電池１００に使用される厚さで電子を電極１２０に輸送するとともに電極１２０への正孔の輸送を実質的に阻止する材料で形成される。正孔ブロック層を形成することのできる材料の例は、ＬｉＦ、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化チタン）およびアミン（例えば、第一級、第二級または第三級アミン、またはアミノ基含有ポリマー）を含む。正孔ブロック層での使用に適したアミンの例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００８−０２６４４８８号に記載のものである。

【0076】

理論に縛られようとするものではないが、アミンで作られた正孔ブロック層が光電池１００に含まれる場合、正孔ブロック層は、紫外線に暴露されることなく、光活性層１４０と電極１２０との間におけるオーミック接触の形成を促進することができ、紫外線暴露から生じる光電池１００の損傷が減少すると考えられる。

【0077】

一般に、正孔ブロック層１３０の厚さ（すなわち、光活性層１４０に接触している正孔ブロック層１３０の表面と、正孔ブロック層１３０に接触している電極１２０の表面との間の距離）は必要に応じて変更することができる。通常、正孔ブロック層１３０は、厚さが０．０２マイクロメートル以上（例えば、約０．０３マイクロメートル以上、約０．０４マイクロメートル以上、約０．０５マイクロメートル以上）、および／または厚さが約０．５マイクロメートル以下（例えば、約０．４マイクロメートル以下、約０．３マイクロメートル以下、約０．２マイクロメートル以下、０．１マイクロメートル以下）である。

【0078】

正孔輸送層１５０は一般に、光電池１００に使用される厚さで正孔を電極１６０に輸送するとともに電極１６０への電子の輸送を実質的に阻止する材料で形成される。層１３０を形成することのできる材料の例は、ポリチオフェン（例えば、ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、ポリイソチアナフタネンおよびそれらのコポリマーを含む。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１５０は、半導体ポリマーと組み
合わせて使用されるドープ剤を含むことができる。ドープ剤の例は、ポリ（スチレン−スルホン酸）、スルホン酸ポリマーおよびフッ素化ポリマー（例えば、フッ素化イオン交換ポリマー）を含む。

【0079】

いくつかの実施形態では、正孔輸送層１５０を形成するために使用できる材料は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、酸化ストロンチウム銅または酸化ストロンチウムチタンのような、金属酸化物を含む。金属酸化物は未ドープ処理であることも、ドープ剤でドープ処理することもできる。金属酸化物用ドープ剤の例は、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物の塩または酸を含む。

【0080】

いくつかの実施形態では、正孔輸送層１５０を形成するために使用できる材料は、炭素同素体（例えば、カーボンナノチューブ）を含む。炭素同素体は、ポリマー結合剤に埋め込むことができる。

【0081】

いくつかの実施形態では、正孔輸送材料は、ナノ粒子の形態であることができる。ナノ粒子は、球形、円筒形または棒状形のような適切な形状であることができる。
いくつかの実施形態では、正孔輸送層１５０は、上記の正孔輸送材料の組み合わせを含むことができる。

【0082】

一般に、正孔輸送層１５０の厚さ（すなわち、光活性層１４０に接触している正孔輸送層１５０の表面と、正孔輸送層１５０に接触している電極１６０の表面との間の距離）は必要に応じて変更することができる。通常、正孔輸送層１５０の厚さは、０．０１マイクロメートル以上（例えば、約０．０５マイクロメートル以上、約０．１マイクロメートル以上、約０．２マイクロメートル以上、約０．３マイクロメートル以上、または約０．５マイクロメートル以上）、および／または約５マイクロメートル以下（例えば、約３マイクロメートル以下、約２マイクロメートル以下、または約１マイクロメートル以下）である。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１５０の厚さは、約０．０１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートルである。

【0083】

電極１６０は一般に、電極１２０に関する上記の導電性材料の１つ以上のような、導電性材料で形成される。いくつかの実施形態では、電極１６０は導電性材料の組み合わせにより形成される。特定の実施形態では、電極１６０はメッシュ電極で形成することができる。

【0084】

基板１７０は、基板１１０と同一であることも異なることもできる。いくつかの実施形態では、基板１７０は、上記の基板１１０に使用されるポリマーのような、１つ以上の適切なポリマーで形成することができる。

【0085】

いくつかの実施形態では、（第１および第２のポリマーのような）上記の半導体ポリマーは、２つの光電池が共通の電極を共有するシステムにおいて電子供与材料として使用することができる。かかるシステムは、タンデム型光電池という別名でも知られている。図２は、２つの半電池２０２および２０４を有するタンデム型光電池２００を示す。半電池２０２は、電極２２０、任意の正孔ブロック層２３０、第１の光活性層２４０および再結合層２４２（共通の電極としても機能する）を含む。半電池２０４は、再結合層２４２、第２の光活性層２４４、正孔輸送層２５０および電極２６０を含む。電極２２０および２６０を介して外部負荷が光電池２００に接続されている。

【0086】

生産工程および所期のデバイス構造に応じて、特定の層の電子／正孔伝導性を変更する（例えば、正孔ブロック層２３０を正孔輸送層に変更する）ことにより、半電池における電流フローを逆転させることができる。そうすることにより、タンデム型電池における半
電池を電気的に直列または並列に相互接続できるよう、タンデム型電池を設計することができる。

【0087】

再結合層とは、第１の半電池から発生した電子と、第２の半電池から発生した正孔とが再結合するタンデム型電池における層を指す。再結合層２４２は、通常、ｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料を含む。一般に、ｎ型半導体材料は選択的に電子を輸送し、ｐ型半導体材料は選択的に正孔を輸送する。その結果、ｎ型とｐ型の半導体材料の界面で、第１の半電池から発生した電子と、第２の半電池から発生した正孔とが再結合する。

【0088】

いくつかの実施形態では、ｐ型半導体材料はポリマーおよび／または金属酸化物を含む。ｐ型半導体ポリマーの例は、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、ポリイソチアナフタネン、ポリシクロペンタジチオフェン、ポリシラシクロペンタジチオフェン、ポリシクロペンタジチアゾール、ポリチアゾロチアゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアジアゾール、ポリ（チオフェン酸化物）、ポリ（シクロペンタジチオフェン酸化物）、ポリチアジアゾロキノキサリン、ポリベンゾイソチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチエノチオフェン、ポリ（チエノチオフェン酸化物）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（ジチエノチオフェン酸化物）、ポリテトラヒドロイソインドールおよびそれらのコポリマーを含む。金属酸化物は、真性ｐ型半導体（例えば、酸化銅、酸化ストロンチウム銅または酸化ストロンチウムチタン）、またはドープ剤によるドープ処理後にｐ型半導体を形成する金属酸化物（例えば、ｐ−ドープ酸化亜鉛、またはｐ−ドープ酸化チタン）であることができる。ドープ剤の例は、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物の塩または酸を含む。いくつかの実施形態では、金属酸化物をナノ粒子の形態で使用することができる。

【0089】

いくつかの実施形態では、ｎ型半導体材料（真性またはドープｎ型半導体材料）は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデンおよびそれらの組み合わせのような、金属酸化物を含む。金属酸化物は、ナノ粒子の形態で使用することができる。その他の実施形態では、ｎ型半導体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、カーボンナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマーおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。

【0090】

いくつかの実施形態では、ｐ型とｎ型の半導体材料はブレンドして１層にされる。特定の実施形態では、再結合層２４２は２つの層を含み、一方の層がｐ型半導体材料を含み、他方の層がｎ型半導体材料を含む。かかる実施形態では、再結合層２４２は３つの層を含むこともでき、第１の層がｐ型半導体材料を含み、第２の層がｎ型半導体材料を含み、第１と第２との層の間に、ｎ型・ｐ型混合半導体材料を含む第３の層がある。

【0091】

いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、ｐ型半導体材料を約３０重量％以上（例えば、約４０重量％以上または約５０重量％以上）、および／または約７０重量％以下（例えば、約６０重量％以下または約５０重量％以下）を含む。いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、ｎ型半導体材料を約３０重量％以上（例えば、約４０重量％以上または約５０重量％以上）、および／または約７０重量％以下（例えば、約６０重量％以下または約５０重量％以下）を含む。

【0092】

再結合層２４２は一般に、再結合層２４２上に塗布される溶媒から下位層を保護するに足る十分な厚さである。いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、厚さが約１０ｎｍ以上（例えば、約２０ｎｍ以上、約５０ｎｍ以上、または約１００ｎｍ以上）、および／または、約５００ｎｍ以下（例えば、約２００ｎｍ以下、約１５０ｎｍ以下、または約１００ｎｍ以下）である。

【0093】

一般に、再結合層２４２は実質的に透明である。例えば、再結合層２４２は、タンデム型光電池２００に使用される厚さで、光電池の稼動中に使用される波長または波長範囲（例えば、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）の入射光を約７０％以上（例えば、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、または約９０％以上）透過することができる。

【0094】

再結合層２４２は一般に、十分に低い表面抵抗を有する。いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、表面抵抗が約１×１０^６オーム／平方以下（例えば、約５×１０^５オーム／平方以下、約２×１０^５オーム／平方以下、または約１×１０^５オーム／平方以下）である。

【0095】

理論に縛られようとするものではないが、再結合層２４２は、光電池２００における２つの半電極（例えば、一方が電極２２０、正孔ブロック層２３０、光活性層２４０および再結合層２４２を含み、他方が再結合層２４２、光活性層２４４、正孔輸送層２５０および電極２６０を含むもの）間の共通の電極と見なすことができると考えられる。いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、上記のような導電性グリッド（例えば、メッシュ）材料を含むことができる。導電性グリッド材料は、半電池に対する同一極性（ｐ型またはｎ型）の選択的接触を提供し、高導電性でありながら透明の層を提供して電子を負荷に輸送することができる。

【0096】

いくつかの実施形態では、再結合層２４２は、ｎ型半導体材料とｐ型半導体材料とをブレンドした物を光活性層に塗布することにより調製できる。例えば、まず、ｎ型半導体とｐ型半導体材料とを一緒に溶媒内に分散または溶解させて分散体または溶液を形成することができ、その後、分散体または溶液を光活性層に塗布して再結合層を形成することができる。

【0097】

いくつかの実施形態では、ｎ型半導体材料の層およびｐ型半導体材料の層を別個に塗布することにより、２層式結合層を調製することができる。例えば、ｎ型半導体材料として酸化チタンナノ粒子が使用される場合、酸化チタンナノ粒子の層は、次のように形成することができる。すなわち、（１）前駆体（例えば、チタン塩）を溶媒（例えば、無水アルコールのような有機溶媒）に分散させて分散体を形成し、（２）分散体を光活性層に塗布し、（３）分散体を加水分解して酸化チタン層を形成し、（４）酸化チタン層を乾燥させることにより形成することができる。別の例として、ｐ型半導体としてポリマー（例えば、ＰＥＤＯＴ）が使用される場合、ポリマー層は、次のように形成することができる。すなわち、まず、ポリマーを溶媒（例えば、無水アルコールのような有機溶媒）に溶解して溶液を形成し、その後、溶液を光活性層に塗布することにより形成することができる。

【0098】

タンデム型光電池２００のその他の構成要素は、上記の光電池１００と同じ材料で形成するか、または同じ特性を有することができる。
タンデム型光電池の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００７−０１８１１７９号および第２００７−０２４６０９４号に記載のものである。

【0099】

いくつかの実施形態では、タンデム型電池における半電池は電気的に直列に相互接続される。直列に接続する場合、一般に層は、図２に示す順序にすることができる。特定の実施形態では、タンデム型電池における半電池は、電気的に並列に相互接続される。並列に相互接続する場合、２つの半電池を有するタンデム型電池は、次のような層を含むことができる。すなわち、第１の電極、第１の正孔ブロック層、第１の光活性層、第１の正孔輸送層（電極として機能することができる）、第２の正孔輸送層（電極として機能することができる）、第２の光活性層、第２の正孔ブロック層および第２の電極である。いくつか
の実施形態では、第１と第２との正孔輸送層が一緒になって再結合層になることができ、２つの別個の層を含むか、または１つの単一の層であることができる。第１および第２の正孔輸送層の伝導性が不十分な場合、必要な伝導性を提供する追加の層（例えば、導電性メッシュ層）を挿入してもよい。

【0100】

いくつかの実施形態では、タンデム型電池は３つ以上の半電池（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０個またはそれ以上の半電池）を含むことができる。特定の実施形態では、いくつかの半電池は電気的に直列に相互接続することができ、いくつかの半電池は電気的に並列に相互接続することができる。

【0101】

一般に、図１および図２に記載された光電池の各層の調製方法は、必要に応じて変更することができる。いくつかの実施形態では、液体ベースのコーティング工程により層を調製することができる。特定の実施形態では、化学的または物理的蒸着工程のような気相ベースのコーティング工程により層を調製することができる。

【0102】

本明細書において言及する「液体ベースのコーティング工程」という用語は、液体ベースのコーティング組成物を使用する工程を指す。液体ベースのコーティング組成物の例は、溶液、分散体または懸濁液を含む。液体ベースのコーティング工程は、次の工程の１つ以上を使用することにより実行できる。すなわち、溶液コーティング、インクジェット印刷、スピンコーティング、浸漬コーティング、ナイフコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング、ローラーコーティング、スロットコーティング、グラビアコーティング、フレキソ印刷またはスクリーン印刷である。液体ベースのコーティング工程の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００８−０００６３２４号に記載のものである。

【0103】

いくつかの実施形態では、層が無機半導体ナノ粒子を含む場合、液体ベースのコーティング工程は、次のように実行することができる。すなわち、（１）ナノ粒子を溶媒（例えば、水性溶媒、または無水アルコールのような有機溶媒）と混合して分散体を形成し、（２）分散体を基板に塗布し、（３）塗布した分散体を乾燥させることにより実行することができる。特定の実施形態では、無機金属酸化物ナノ粒子を含む層を調製するための液体ベースのコーティング工程は、次のように実行することができる。すなわち、（１）前駆体（例えば、チタン塩）を適切な溶媒（例えば、無水アルコール）に分散させて分散体を形成し、（２）分散体を基板に塗布し、（３）分散体を加水分解して無機半導体ナノ粒子層（例えば、酸化チタンナノ粒子層）を形成し、（４）無機半導体材料層を乾燥させることにより実行することができる。特定の実施形態では、液体ベースのコーティング工程は、ゾル−ゲル工程により（例えば、分散体を基板に塗布する前に分散体内にゾル−ゲルとして金属酸化物ナノ粒子を形成することにより）実行することができる。

【0104】

一般に、有機半導体材料を含む層の調製に使用される液体ベースのコーティング工程は、無機半導体材料を含む層の調製に使用されるものと同一であることも異なることもできる。いくつかの実施形態では、層が有機半導体材料を含む場合、液体ベースのコーティング工程は、次のように実行することができる。すなわち、有機半導体材料を溶媒（例えば、有機溶媒）と混合して溶液または分散体を形成し、溶液または分散体を基板に塗布し、塗布した溶液または分散体を乾燥させることにより実行することができる。

【0105】

いくつかの実施形態では、図１および図２に記載の光電池は、ロールツーロール工程のような連続製造工程で調製することができ、製造コストが大いに削減される。ロールツーロール工程の例は、例えば、同一出願人が所有する同時係属中の米国特許出願公報第２００５−０２６３１７９号に記載のものである。

【0106】

特定の実施形態について開示してきたが、その他の実施形態もあり得る。
いくつかの実施形態では、光電池１００は、下部電極としてカソードを、上部電極としてアノードを含む。いくつかの実施形態では、光電池１００はまた、下部電極としてアノードを、上部電極としてカソードを含むことができる。

【0107】

いくつかの実施形態では、光電池１００は、図１に示す層を逆の順序で含むことができる。換言すれば、光電池１００は、これらの層を下部から上部に向かって次のような順序で含むことができる。すなわち、基板１７０、電極１６０、正孔輸送層１５０、光活性層１４０、任意の正孔ブロック層１３０、電極１２０および基板１１０の順序である。

【0108】

いくつかの実施形態では、複数の光電池を電気的に接続して光起電システムを形成することができる。一例として、図３は、光電池３２０が収容されたモジュール３１０を有する光起電システム３００の模式図である。電池３２０は電気的に直列に接続されており、システム３００は負荷３３０に電気的に接続されている。別の例として、図４は、光電池４２０が収容されたモジュール４１０を有する光起電システム４００の模式図である。電池４２０は電気的に並列に接続されており、システム４００は負荷４３０に電気的に接続されている。いくつかの実施形態では、光起電システムにおけるいくつか（例えば、全て）の光電池は１つ以上の共通基板を有することができる。特定の実施形態では、光起電システムにおけるいくつかの光電池は電気的に直列に接続され、光起電システムにおけるいくつかの光電池は電気的に並列に接続される。

【0109】

有機光電池について説明してきたが、その他の光電池にも、本明細書に記載の１つ以上の半導体ポリマーを組み込むことができる。かかる光電池の例は、色素増感光電池および無機光活性電池であって光活性材料がアモルファスシリコン、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化銅インジウムおよびセレン化銅インジウムガリウムで形成されたものを含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の１つ以上の半導体ポリマーをハイブリッド光電池に組み込むことができる。

【0110】

光電池について上記に説明してきたが、いくつかの実施形態では、その他のデバイスおよびシステムにも本明細書に記載のポリマーを使用することができる。例えば、次のような適切な有機半導体デバイスにポリマーを使用することができる。すなわち、電界効果トランジスタ、光検出器（例えば、赤外線検出器）、光起電検出器、撮像装置（例えば、カメラ用ＲＧＢイメージングデバイスまたは医療用撮像システム）、発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えば、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）または赤外もしくは近赤外ＬＥＤ）、レーザー装置、変換層（例えば、可視発光を赤外放射に変換する層）、電気通信用増幅器およびエミッタ（例えば、ファイバードープ剤）、記憶素子（例えば、ホノグラム記憶素子）およびエレクトロクロミック素子（例えば、エレクトロクロミックディスプレー）のような適切な有機半導体デバイスである。

【0111】

本明細書において言及する全ての公報、特許出願、特許およびその他の参考文献は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
以下の実施例は、例示的なものであり、限定することを意図するものではない。

【0112】

実施例１：２つの半導体ポリマーを含む光電池の作製
ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）（バイトロンＰＨ）は、エイチ・シー・スターク社（Ｈ・Ｃ・Ｓｔａｒｃｈ）から購入された。Ｐ３ＨＴ（４００２Ｅ）はリエケ社（Ｒｉｅｋｅ）から購入された。ポリマー１は、コナルカテクノロジーズ社（Ｋｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）により、米国特許出願公報第２００７−００１４９３９号に記載の手順に従って調製された。Ｃ６０−ＰＣＢＭはソレンネＢＶ社（ＳｏｌｅｎｎｅＢＶ）から購入
された。

【0113】

光起電デバイスは次のように作製された。すなわち、まず、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む正孔輸送層１００ｎｍを、ドクターブレード法により酸化インジウム錫（ＩＴＯ）被覆ガラス基板（メルク）に塗布する。Ｐ３ＨＴ、ポリマー１（数平均分子量が３５０００ｇ／モルで、重量平均分子量が４７０００ｇ／モルのもの）およびＣ６０−ＰＣＢＭを、様々な重量比でｏ−ジクロロベンゼンに溶解させた。このようにして形成した溶液を、ドクターブレード法によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の上に溶着させて光活性層を形成した。その後、ＬｉＦ／Ａｌ（０．６ｎｍ／８０ｎｍ）金属電極を光活性層上に熱析出して光電池を形成した。

【0114】

Ｐ３ＨＴ、ポリマー１およびＣ６０−ＰＣＢＭを次のような重量比で含む３つの光電池を、上記の手順に従って調製した。（１）９５：５：１００、（２）９：１；１０および（３）８：２：１０。また、ポリマー１を含まない第４の光電池（すなわち、電池（４））も調製し、対照として使用した。

【0115】

キースリー２４００ＳＭＵを用いて光電池（１）〜（４）の電流−電圧特性を測定しながら、オリエルキセノン太陽光シミュレータ（１００ｍＷｃｍ^−２）におけるＡＭ１．５Ｇ照射下で太陽電池に光を当てた。結果は、光電池（１）〜（４）がそれぞれ、２．４８％、２．３８％、２．８６％および２．６％の電力変換効率を呈することを示した。結果は、光活性層における電子供与材料にポリマー１を２０％含む光電池（すなわち、電池（３））が、電子供与材料としてＰ３ＨＴのみを含む光電池（すなわち、電池（４））より高い電力変換効率を呈することを示した。

【0116】

実施例２：光活性層の厚さが異なる光電池の作製
Ｐ３ＨＴおよびＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、実施例１に記載のものと同じ販売元から購入された。ポリマー２および３はそれぞれ、米国特許出願公報第２００８−００８７３２４号および第２０１０−００３２０１８号に記載の手順に従ってコナルカテクノロジーズ社により調製された。Ｃ７０−ＰＣＢＭおよびビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭはソレンネＢＶ社から購入された。

【0117】

デバイス調製のために、全ての光活性材料を所望の重量比で混合し、ｏ−ジクロロベンゼンに溶解させた。デバイスは、次のようなやり方で調製された。
光電池を次のように作製した。イソプロパノール内で超音波処理することにより、ＩＴＯ被覆ガラス基板を洗浄した。その後、ＩＴＯの上に溶液をブレードコーティングすることにより、ポリエチレンイミンおよびグリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテルを含む薄い電子注入層を形成した。電子供与材料として１つまたは２つの半導体ポリマーと電子受容材料として置換フラーレンとを含むｏ−ジクロロベンゼン溶液を、正孔ブロック層にブレードコーティングし、その後、乾燥させて光活性層を形成した。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む溶液を光活性層の上にブレードコーティングして、正孔輸送層を形成した。その後、銀電極を正孔輸送層に熱蒸着して光電池を形成した。

【0118】

上記の手順に従って４つの光電池を調製した。光電池（１）は、ポリマー２およびＣ７０−ＰＣＢＭを１：２の重量比で含むとともに厚さが１００ｎｍ未満の光活性層を含んでいた。光電池（２）は、ポリマー２およびＣ７０−ＰＣＢＭを１：２の重量比で含むとともに厚さが１００ｎｍ〜２００ｎｍの光活性層を含んでいた。光電池（３）は、Ｐ３ＨＴ、ポリマー２およびＣ７０−ＰＣＢＭを５．６：１：６．７の重量比で含むとともに厚さが１５０ｎｍ〜２００ｎｍの光活性層を含んでいた。光電池（４）は、Ｐ３ＨＴ、ポリマー３およびビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭを５．６：１：６．７の重量比で含むとともに厚さが約２００ｎｍの光活性層を含んでいた。

【0119】

キースリー２４００ＳＭＵを用いて光電池の電流−電圧特性を測定しながら、シュトイアナーゲル太陽光シミュレータ（７０〜８０ｍＷｃｍ^−２）により送出される模擬太陽光に太陽電池を暴露した。結果は、光電池（１）〜（４）がそれぞれ、約４．５％、３．６％、４．２％および４．６％の電力変換効率を呈したことを示す。理論に縛られようとするものではないが、次のように考えられる。すなわち、電池（２）は、光活性層の厚さが大きいため、電池（１）より低い電力変換効率を呈し、電荷キャリア（すなわち、電子または正孔）を隣接する正孔ブロック層または輸送層に移動させる性能は低下するはずである。さらに、理論に縛られようとするものではないが、次のようにも考えられる。すなわち、電池（３）は、低バンドギャップの半導体ポリマー（すなわち、ポリマー２）と相対的に高バンドギャップの半導体ポリマー（すなわち、Ｐ３ＨＴ）との組み合わせが存在するため、電池（２）より高い電力変換効率を呈し、光活性層の厚さが電池（２）とほぼ同じであっても光活性層の電荷キャリア能を改善できるはずである。加えて、結果は、電池（３）に使用したポリマー２およびＣ７０−ＰＣＢＭをそれぞれ、電池（４）に使用したポリマー３およびビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭに置換すると、光電池の効率を改善できることを示した。

【0120】

実施例３：異なる光活性層を含む光電池の耐用年数
上記の実施例２の記載の手順に従って、２つの光電池を調製した。電池（１）は、Ｐ３ＨＴ、ポリマー３およびビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭを５．６：１：６．７の重量比で含む光活性層を含んでいた。電池（２）は、Ｐ３ＨＴおよびビス−Ｃ６０−ＰＣＢＭを１：１の重量比で含む光活性層を含んでいた。

【0121】

一定の時間、これら２つの電池を８５％湿度下で６５℃で加熱した（すなわち、光電池の耐用年数を測定するための加速実験）後、実施例２に記載の手順に従って、電池（１）および（２）の電力変換効率を測定した。結果は、電池（２）が約１９０時間の加熱処理後に効率の２０％を損失したのに対して、電池（１）が約４５０時間の加熱処理後に効率の２０％を損失したことを示した。結果は、低バンドギャップのポリマー（例えば、ポリマー３）と相対的に高バンドギャップのポリマー（例えば、Ｐ３ＨＴ）との両方を光活性層に使用すると、光電池の耐用年数を相当に改善できることを示唆した。

【0122】

その他の実施形態は、特許請求の範囲に示されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】