特許 7410520 ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池

(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】

(24)【登録日】2023-12-26

(45)【発行日】2024-01-10

(54)【発明の名称】ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池

(51)【国際特許分類】

   H01G 9/20 20060101AFI20231227BHJP

【ＦＩ】

H01G9/20 105

H01G9/20 307

H01G9/20 111B

H01G9/20 113B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021517117

(86)(22)【出願日】2018-11-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-10-07

(86)【国際出願番号】 IB2018058729

(87)【国際公開番号】W WO2019229514

(87)【国際公開日】2019-12-05

【審査請求日】2021-10-12

(31)【優先権主張番号】201841020592

(32)【優先日】2018-06-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN

(73)【特許権者】

【識別番号】520469871

【氏名又は名称】セルバラジ，アナンダ ラマ クリシュナン

【氏名又は名称原語表記】ＳＥＬＶＡＲＡＪ，Ａｎａｎｄａ Ｒａｍａ Ｋｒｉｓｈｎａｎ

【住所又は居所原語表記】１０／１６，Ｅａｓｔ ｓｔｒｅｅｔ，Ｂｕｄｈａｍｕｒ，Ｖｒｉｄｈａｃｈａｌａｍ，Ｃｕｄｄａｌｏｒｅ，Ｔａｍｉｌ Ｎａｄｕ ６０６００１，Ｉｎｄｉａ

(73)【特許権者】

【識別番号】520469882

【氏名又は名称】ビー，シバリンガイア

【氏名又は名称原語表記】Ｂ，Ｓｈｉｖａｌｉｎｇａｉａｈ

【住所又は居所原語表記】６８３，４ｔｈ ｍａｉｎ ｒｏａｄ，１１ｔｈｃｒｏｓｓ，Ｍ．Ｃ．Ｌａｙｏｕｔ，Ｖｉｊａｙａｎａｇａｒ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｋａｒｎａｔａｋａ ５６００４０，Ｉｎｄｉａ

(73)【特許権者】

【識別番号】520469893

【氏名又は名称】エス，ビジャシャンカー

【氏名又は名称原語表記】Ｓ，Ｖｉｄｙａｓｈａｎｋａｒ

【住所又は居所原語表記】１１５，７ｔｈ ｍａｉｎ，６ｔｈ ｃｒｏｓｓ，Ｓｒｉｎｉｖａｓｎａｇａｒ，Ｂｅｎｇａｌｕｒｕ，Ｋａｒｎａｔａｋａ ５６０ ０５０，Ｉｎｄｉａ

(73)【特許権者】

【識別番号】520469907

【氏名又は名称】シェティ，ニッテ ラマナンダ

【氏名又は名称原語表記】ＳＨＥＴＴＹ，Ｎｉｔｔｅ Ｒａｍａｎａｎｄａ

【住所又は居所原語表記】ＮＭＩＴ Ｈｏｕｓｅ，Ｎｉｔｔｅ Ｍｅｅｎａｋｓｈｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｏｓｔ Ｂｏｘ ｎｏ．６４２９，Ｇｏｖｉｎｄａｐｕｒａ，Ｇｏｌｌａｈａｌｌｉ，Ｙｅｌａｈａｎｋａ，Ｂｅｎｇａｌｕｒｕ ５６０ ０６４，Ｉｎｄｉａ

(74)【代理人】

【識別番号】100180781

【弁理士】

【氏名又は名称】安達 友和

(74)【代理人】

【識別番号】100182903

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 武慶

(72)【発明者】

【氏名】セルバラジ，アナンダ ラマ クリシュナン

【審査官】松嶋 秀忠

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１７６４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】Ananda Rama Krishnan Selvaraj et al.，Dye-sensitised solar cells with iodine-free discotic electrolytes，Liquid crystals，2015年，Vol.42, No.12，pp.1815-1822

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｇ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

強誘電性太陽電池の電力変換効率を向上させるためのリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物であって、前記組成物は、アキラルディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキスヘキシルオキシトリフェニレン：ＨＡＴ６）と、２つの添加剤とを含み、
前記２つの添加剤は、第３級ブチルピリジン（ｔｅｒｔ－ｂＰｙ）とリチウム［ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド］（Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ）とを含む、組成物。

【請求項2】

前記組成物は、１０ｍｇのアキラルディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキスヘキシルオキシトリフェニレン：ＨＡＴ６）および０．１ｍｌの第３級ブチルピリジン（ｔｅｒｔ－ｂＰｙ）中の３ｍｇのリチウム［ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド］（Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ）からなる、請求項１に記載の組成物。

【請求項3】

前記強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物は、ヨウ素を含まない、請求項１に記載の組成物。

【請求項4】

アキラルディスコティック液晶分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキスヘキシルオキシトリフェニレン：ＨＡＴ６）および１つの他の添加剤第３級ブチルピリジン（ｔｅｒｔ－ｂＰｙ）を含む、リオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物であり、このディスコティック液晶電解質における強誘電体挙動は、ディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキスヘキシルオキシトリフェニレン：ＨＡＴ６）と第３級ブチルピリジン（ｔｅｒｔ－ｂＰｙ）分子間の弱い水素結合（Ｎ－－Ｈ－Ｃ）であるリオトリピック強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物。

【請求項5】

導電性フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス上に堆積されたｎ型無機半導体の第１層と、
ここで、前記ｎ型無機半導体は、２０ｎｍの粒子サイズであり、ナノ結晶チタニア（ＴｉＯ_２）を含み、
前記第１層の上に堆積された光吸収無機増感剤の第２薄層と、
ここで、ＦＴＯガラスに堆積されたｎ型チタニア（前記第１層）の上に、前記無機増感剤にそれを浸すことによって前記無機増感剤の前記第２薄層が堆積され、かつそれがフォトアノードとして機能し、
請求項１に記載のリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質からなる第３層と、
フォトカソードとして機能するように構成された反射白金堆積ＦＴＯガラスの第４層と、を含む、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池。

【請求項6】

前記太陽電池において達成される電力変換効率（ＰＣＥ）は、２４．４６２６％である、請求項５に記載のハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池。

【請求項7】

前記太陽電池において達成される開回路光電圧値（Ｖ_ＯＣ）は、２．１５Ｖである、請求項５に記載のハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の実施形態は概して、光起電力ダイオードまたは太陽電池に関する。より詳細には、本発明は、色素増感太陽電池の電力変換効率を向上させるための太陽電池に組み込まれる電解質組成物に関する。

【背景技術】

【0002】

再生可能な太陽エネルギーは、地球および天文学的応用で増加する将来のエネルギー需要のためのトップソリューションの１つである。太陽の光から電気へ、電力変換効率（ＰＣＥ）値、および太陽電池の経済的な考慮は、太陽電池技術の重要な課題である。現在、太陽電池技術には３つの異なる世代がある。第一世代の太陽電池は、結晶シリコン（Ｓｉ）太陽電池であり、第二世代太陽電池は、薄膜アモルファスＳｉ太陽電池、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）太陽電池、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）太陽電池、ならびに第三世代太陽電池は、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）、量子ドット太陽電池（ＱＤＳＣ）、有機ｐ－ｎバルクヘテロ接合（ＢＨＪ）太陽電池、有機タンデム太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、および強誘電性（ＦＥ）太陽電池である。

【0003】

現在、第一世代の単結晶Ｓｉ太陽電池の最大ＰＣＥは２６．６％であり、第二世代の銅インジウムガリウムセレン化太陽電池のＰＣＥは２３．３％であり、第三世代のペロブスカイト太陽電池のＰＣＥは２２．７％であり、第三世代の量子ドット太陽電池のＰＣＥは１３．４％であり、そして第三世代の色素増感太陽電池のＰＣＥは１１．９％および１４．３％である。

【0004】

太陽電池の主な制約は、ショックレー・クイッサー（ＳＱ）限界である。シングルバンドギャップ材料を用いた太陽電池について提案されているショックレー・クイッサー（ＳＱ）理論限界では、シングルバンドギャップ材料を用いた太陽電池ではＰＣＥ値が３３％を超えられ得ないと述べている。そのため、Ｓｉまたは既存のシングルバンドギャップ材料または単接合太陽電池の他の種類は、ＰＣＥ値がＳＱ限界値超になり得ない。

【0005】

ショックレー・クイッサー限界を克服し得る方法は、タンデム太陽電池、強誘電性（ＦＥ）太陽電池、ホットキャリアの形成、多重励起子生成、マルチバンド太陽電池、および熱起電力である。

【0006】

熱起電力電池、つまり色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）は、導電性ガラスまたは透明導電性ポリマーシート上に光学的に透明な無機半導体（Ｔｉ０２）層がミクロン単位の厚さで堆積されている。次の層は、数ナノメートルの厚さの光吸収ルテニウム系増感剤分子（または有機増感剤）である。白金蒸着ガラスまたはポリマー電極は、対極（光反射層）として機能し、色素堆積ＴｉＯ２電極はフォトアノードとして機能する。レドックス電解質（ヨウ化物／三ヨウ化物）媒体は、ＤＳＳＣのワーキングフォトアノードおよびカウンターカソードの間に適用される。Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｅｔｚｅｌら（米国特許第４，９２７，７２１（１９９０）＆ＥＰ０５２５０７０Ｂ１（１９９５））は、表面ゾーンに実質的に単分子発色団（色素）層を有する多結晶金属酸化物半導体層を含む光電気化学セルを提案し、１２％の単色効率を達成した。

【0007】

前記ＤＳＳＣの太陽光から電力への変換効率（ＰＣＥ）値は、１１．９％および１４．３％である。Ｓｉ太陽電池よりもＰＣＥ値が比較的低い、およびシーリング、安定性の問題は、この種類の太陽電池で対処すべき重要なパラメータである。

【0008】

トリフェニレン系ディスコティック電解質は、ヨウ素を含まないレドックス媒体としてＤＳＳＣに導入され、ＤＳＳＣで０．４５％のＰＣＥ値を達成した。（Ａｎａｎｄａ Ｒａｍａ Ｋｒｉｓｈｎａｎ Ｓｅｌｖａｒａｊ， ｅｔ ａｌ． ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ， ４２：１２， １８１５－１８２２）．

【0009】

ディスコティック分子はカラムとして自己組織化することができ、芳香族コア部分間の「π」電子スタッキング相互作用のために、一緒に整列したモノマーユニットの数に応じて、一次元有機半導体または有機量子ドットまたは量子細線として機能するだろう。

【0010】

励起では、無機増感剤は電子正孔対を形成し、有機増感剤は照明下の太陽電池内でフレンケル励起子（電子正孔の束縛状態）を形成する。無機増感剤では適切な波長の光子を吸収することで電子と正孔が分離し、フレンケル励起子のバンドギャップは通常光光子吸収端よりも大きいため、フレンケル励起子は電子と正孔の対に分離するために付加的なエネルギーが必要となる。

【0011】

Ｖ．Ｍ．Ｆｒｉｄｋｉｎ（Ｖ．Ｍ． Ｆｒｉｄｋｉｎ， Ｐｈｏｔｏｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ（１９７９））は、光強誘電性結晶を用いた強誘電性太陽電池の可能性を報告した。Ｎｅｃｈａｃｈｅら（米国特許第ＵＳ２０１２／００１７９７６ Ａ１（２０１２））は、ＰＣＥ値が８．１％、開回路光電圧が０．８４Ｖ、および短絡光電流値が２０．６ｍＡ／ｃｍ２である強誘電性（ＦＥ）またはマルチ強誘電性（ＭＦ）（ＩＴＯ／ＢＦＣＯ／ＮｂドープＳｒＴｉＯ３（００１）ｐｎヘテロ構造）太陽電池を報告した。しかし、強誘電性太陽電池の性能はＳｉ太陽電池に比べて劣る。

【0012】

現在、強誘電性太陽電池またはマルチ強誘電性太陽電池の性能は、Ｓｉ太陽電池には勝てず、そのような太陽電池はＳＱ限界を超えられ得ない。そのため、電力変換効率を向上させ、それによってＳＱ限界を克服するための電解質組成物を組み込むことにより、安定した強誘電性またはマルチ強誘電性太陽電池を開発する必要性がある。

【発明の概要】

【0013】

発明の目的
本開示の対象のいくつかを本明細書において以下に記載する。

【0014】

本発明の主な目的は、強誘電性太陽電池の電力変換効率を向上させるためリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物を提供することである。

【0015】

本発明の別の目的は、色素増感太陽電池構造体にリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質を組み込んだハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池を提供することである。

【0016】

本発明のさらに別の目的は、おそらくは弱い結合によるアキラルなディスコティック分子からのリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質の形成を提供することである。

【0017】

さらに、本発明の別の目的は、有毒金属を含まないハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池を提供することである。

【0018】

本発明の別の目的は、低コストで信頼性の高い高電力変換効率強誘電性結晶太陽電池を提供することである。

【0019】

本発明の別の目的は、ショックレー・クイッサー（ＳＱ）限界を克服することができる強誘電性太陽電池を提供することである。

【0020】

本発明の他の目的および利点は、本発明の好ましい実施形態を説明するために組み込まれており、その範囲を限定することを意図していない添付の図面と併せて読めば、以下の説明から明らかになるであろう。

【0021】

前述の観点から、本明細書の実施形態は、太陽電池の電力変換効率を向上させるために、色素増感太陽電池構造に電解質組成物を組み込むことにより、安定したハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池を提供する。

【0022】

実施形態によれば、ハイブリッド強誘電性（ＦＥ）ディスコティック液晶太陽電池は、導電性フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス板上に堆積したｎ型無機半導体の第１層と、ここで、無機ｎ型半導体は、粒径２０ｎｍのソラロニックス Ｄ（ｓｐ）ペーストとナノ結晶ＴｉＯ２とを含み、第１層上に堆積された光吸収無機増感剤の第２薄層と、ここで、無機増感剤歪みチタニアＦＴＯガラス板がフォトアノードとして機能し、フォトアノードとフォトカソードの間に適用された強誘電性ディスコティック液晶電解質の第３層と、フォトカソードとして機能するように構成された反射白金堆積ＦＴＯガラス板の第４層と、を含む。

【0023】

実施形態によれば、ｎ型無機半導体は、導電性フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス板上にスクリーン印刷法により堆積される。

【0024】

実施形態によれば、光吸収無機増感剤は、浸漬工程によって第１層の上に堆積される。

【0025】

実施形態によれば、無機増感剤は、Ｎ７１９［シス－ジイソチオシアナト－ビス（２，２－ビピリジル－４，４－ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ビス（テトラブチルアンモニウム）］増感剤（アセトロニトリルおよびｔｅｒｔ－ブチルアルコール；１：１）である。

【0026】

実施形態によれば、強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物は、少なくとも１０ｍｇのアキラルＨＡＴ６ディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキス－ヘキシルオキシトリフェニレン）と、少なくとも２種の添加剤とから構成されている。実施形態によれば、添加剤は、少なくとも０．１ｍｌの第３級ブチルピリジン（ｔ－ｂＰｙ）と少なくとも３ｍｇのリチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドＬｉ［ＣＦ３ＳＯ２］２Ｎを含む。強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物は、ヨウ素および揮発性溶媒を含まない。ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池は、２４．４６２６％の電力変換効率値と２．１４４Ｖの開回路光電圧値を生成または達成する。

【0027】

本明細書の実施形態のこれらおよび他の態様は、以下の説明および添付の図面と併せて考慮すると、よりよく認識および理解されるであろう。ただし、以下の説明は、好ましい実施形態およびその多数の特定の詳細を示しているが、限定ではなく例示として与えられていることを理解されたい。本明細書の実施形態の範囲内で、その精神から逸脱することなく多くの変更および修正を行うことができ、本明細書の実施形態はそのようなすべての修正を含む。

【図面の簡単な説明】

【0028】

詳細な説明は、添付の図を参照して説明される。図では、参照番号の左端の数字（複数可）は、参照番号が最初に現れる図と同一であるとみなす。異なる図で同じ参照番号を使用することは、類似または同一のアイテムを示す。

【0029】

【図1】本明細書の本発明の実施形態による、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の異なる層および構成要素の概略図を示す。

【0030】

【図2】本明細書の本発明の実施形態による、太陽光の照明下でのハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の光電流－光電圧特性のグラフ表示を示す。

【0031】

【図3】本明細書の本発明の実施形態による、暗条件下でのハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の電流－電圧特性のグラフ表示を示す。

【0032】

【図4】本明細書の本発明の実施形態による、照明下での電流－電圧特性評価において印加バイアス電圧の符号を変更することによる、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の光電流値の符号の切り替えのグラフ表示を示す。

【0033】

【図5】本明細書の本発明の実施形態による、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の構成要素のバンドギャップエネルギー準位を示す概略図を示す。

【0034】

【図6】本明細書の本発明の実施形態による、Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ添加剤（Ｉ：段階Ｉ；ＩＩ：段階ＩＩ；ＩＩＩ：段階ＩＩＩ）を適用した強誘電性ディスコティック電解質の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）サーモグラムを示す。

【0035】

【図7】本明細書の本発明の実施形態による、Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ添加剤（Ｉ：段階Ｉ；ＩＩ：段階ＩＩ；ＩＩＩ：段階ＩＩＩ）を含まない強誘電性ディスコティック電解質の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）サーモグラムを示す。

【発明を実施するための形態】

【0036】

好ましい実施形態の詳細な説明
本明細書の実施形態ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、非限定的な実施形態を参照してより完全に説明され、以下の説明で詳述される。よく知られている部品および加工技術の説明は省略する。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態を実施できる方法の理解を容易にし、さらに当業者が本明細書の実施形態を実施できるようにすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書の実施形態の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

【0037】

上記のように、電力変換効率を向上させ、それによってＳＱ限界を克服するための電解質組成物を組み込むことにより、安定した強誘電性またはマルチ強誘電性太陽電池を開発する必要性がある。本明細書の実施形態は、電解質組成物を組み込むことによって安定したハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池を提供することによってこれを達成する。ここで図面、より具体的には図１から図５を参照すると、類似の参照文字は図面を通して一貫して対応する特徴を示し、好ましい実施形態が示される。

【0038】

図１は、本明細書の本発明の実施形態による、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の異なる層および構成要素の概略図１００を示す。実施形態によれば、ハイブリッド強誘電性（ＦＥ）ディスコティック液晶太陽電池は、導電性フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス板１０１上に堆積したｎ型無機半導体の第１層と、ここで、無機ｎ型半導体は、粒径２０ｎｍのソラロニックス Ｄ（ｓｐ）ペーストとナノ結晶ＴｉＯ２ １０２とを含み、第１層上に堆積された光吸収ルテニウム系無機増感剤１０３の第２薄層と、ここで、無機増感剤歪みチタニアＦＴＯガラス板がフォトアノードとして機能し、フォトアノードとフォトカソードの間に適用された強誘電性ディスコティック液晶電解質１０４の第３層と、フォトカソードとして機能するように構成された反射白金堆積ＦＴＯガラス板１０５の第４層と、を含む。ＦＴＯガラス板はソラロニックスから購入される。

【0039】

実施形態によれば、ｎ型無機半導体は、導電性フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス板１０１上にスクリーン印刷法により堆積される。実施形態によれば、光吸収無機増感剤１０３は、浸漬工程によって第１層の上に堆積される。第１層を４５０℃で３０分間ベークし、次に０．０００５Ｍ濃度の光吸収無機増感剤１０３溶液に１８時間浸漬する。実施形態によれば、無機増感剤１０３は、Ｎ７１９［シス－ジイソチオシアナト－ビス（２，２－ビピリジル－４，４－ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ビス（テトラブチルアンモニウム）］増感剤（アセトロニトリルおよびｔｅｒｔ－ブチルアルコール；１：１）である。Ｎ７１９［シス－ジイソチオシアナト－ビス（２，２－ビピリジル－４，４－ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ビス（テトラブチルアンモニウム）］増感剤（アセトロニトリルおよびｔｅｒｔ－ブチルアルコール；１：１）は、ソラロニックスから購入される。フォトアノードとフォトカソードの間には、２５ミクロンの厚さのソラロニックス熱可塑性スペーサーが使用されている。

【0040】

実施形態によれば、強誘電性ディスコティック液晶電解質１０４組成物は、少なくとも１０ｍｇのアキラルＨＡＴ６ディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキス－ヘキシルオキシトリフェニレン）と、少なくとも２種の添加剤とから構成されている。実施形態によれば、添加剤は、少なくとも０．１ｍｌの第３級ブチルピリジン（ｔ－ｂＰｙ）と少なくとも３ｍｇのリチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドＬｉ［ＣＦ３ＳＯ２］２Ｎを含む。強誘電性ディスコティック液晶電解質１０４組成物は、ヨウ素および揮発性溶媒を含まない。

【0041】

アキラルＨＡＴ６ディスコティック分子（２，３，６，７，１０，１１－ヘキサキス－ヘキシルオキシトリフェニレン）は純度９９％でＴＣＩから購入し、添加物として第３級ブチルピリジン（ｔ－ｂＰｙ）およびリチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドＬｉ［ＣＦ３ＳＯ２］２ＮはＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから購入する。強誘電体は、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドＬｉ［ＣＦ３ＳＯ２］２Ｎ添加剤の存在下でも非存在下でもディスコティック電解質中に存在する。

【0042】

現時点では、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドＬｉ［ＣＦ３ＳＯ２］２Ｎ添加剤の非存在下でのディスコティック液晶電解質の強誘電性の説明として考えられるのは、ＨＡＴ６とｔ－ｂＰｙ分子の間の非結合相互作用であり、おそらく弱い（Ｃ－Ｈ－－－Ｘ）水素結合（ＨＢ）であろう。強誘電性ディスコティック液晶電解質とチタニアおよび増感剤とのその結合は、新しいタイプのハイブリッド構造を形成し、それによってハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池を形成する。

【0043】

図２は、本明細書の本発明の実施形態による、太陽光の照明下でのハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の光電流－光電圧特性のグラフ表示を示す。ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の性能は、以下のような、電力変換効率（ＰＣＥ）＝２４．４６２６％、開回路光電圧値Ｖｏｃ＝２．１４４Ｖ、Ｊｓｃ＝２１．５２９６ｍＡ／ｃｍ２、充填率＝４４．２６％である。ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の電流電圧測定時の印加バイアス電圧は、太陽光の照射下で－０．２Ｖから１０Ｖの範囲である。バイアス電圧は、結合した「フレンケル励起子」を電子と正孔に効果的に分離するために用いられる。

【0044】

測定された太陽電池のＶｏｃ値は、ディスコティック分子のＨＯＭＯと無機半導体のフェルミ準位との間の電子バンドギャップの差（差は１．４ｅＶ、図５参照）よりも大きい。太陽電池における定義では、この太陽電池が色素増感太陽電池として機能する場合、増感剤、ディスコティック、およびチタニア間のバンドギャップエネルギー差に基づいて、その光電圧（Ｖｏｃ）が１．４ｅＶを超えることはできない。得られた２．１４４Ｖの光電圧は、この種類の太陽電池が色素増感太陽電池ではないことを確認する。得られた光電圧（Ｖｏｃ）は、ディスコティックとチタニアのバンドギャップ差よりも高く、ゆえに、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池において、それは、新しい種類の発見されたＦＥディスコティック電解質を用いたバルク光起電力効果である。

【0045】

太陽電池の高いＶｏｃ値は、ディスコティック電解質の強誘電性分極値に起因し得るか、あるいは太陽電池内でディスコティック電解質および無機増感剤、半導体との間にエネルギー的に安定した新しい強誘電性錯体が形成されたことに起因し得る。誘電性スペクトロスコピック法により、発見されたディスコティック液晶電解質のＦＥ特性が確認される。

【0046】

図３は、本明細書の本発明の実施形態による、暗条件下でのハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の電流－電圧特性のグラフ表示を示す。ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池のダイオード特性は、図２に示す照明下での電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性と図３に示す暗所での電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性により確認される。

【0047】

図４は、本明細書の本発明の実施形態による、照明下での電流－電圧特性評価において印加バイアス電圧の符号を変更することによる、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の光電流値の符号の切り替えのグラフ表示を示す。光照射下の太陽電池において、印加バイアス電圧の方向を変化させたときに得られる光電流の符号の変化である。ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池における光電流のスイッチングを確認する。

【0048】

図５は、本明細書の本発明の実施形態による、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池の構成要素のバンドギャップエネルギー準位（真空）を示す概略図を示す。チタニアのバンドギャップは３．２ｅＶであり、ルテニウム増感剤のバンドギャップは２．３７ｅＶであり、ディスコティックのバンドギャップは３．７ｅＶである。ディスコティックのバンドギャップは、他の２成分よりも大きい。無機半導体上のディスコティック電解質の完全なパッシベーションは、ドーピングを展開するか、またはディスコティック電解質は、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池において、ルテニウム増感剤またはチタニアと電荷移動励起子錯体を形成し得る。そのため、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池では、太陽電池におけるディスコティック電解質添加後で、個々の層の電子バンドギャップが異なり得る。

【0049】

新たに発見されたハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池のＰＣＥ値は、既存の光起電力よりも高い。さらに、得られたＶｏｃ値（２．１４４Ｖ）は強誘電性特性であることを確認する。

【0050】

強誘電性ディスコティック液晶電解質１０４は、太陽電池における強誘電性トンネル接合における結晶成長の核生成を回避することができるため、電子および正孔のトラップが発生しない。分極値によってはバンドギャップ差よりもＶｏｃ値が大きくなる場合があり、強誘電性ディスコティックパッシベーション効果となるだろう。他の可能性は、ディスコティック液晶電解質中に強磁性基底状態（三重項状態）が存在し、それに対応して融合したディスコティックコアのマルチ強誘電性特性により一重項状態と低準位の三重項状態との間でスイッチングし、その結果、一重項核分裂過程による多重励起子生成（ＭＥＧ）が形成されるか、または強誘電性ディスコティック電解質がマルチバンドシステムとして機能するか、もしくはそれが相乗効果であろう。

【0051】

他のシナリオでは、太陽電池の高性能化は、照明下での太陽電池中の励起分子の高い量子収率に影響される。高量子収率は、三重項－三重項消滅アップコンバージョンプロセスを経て形成されるだろう。ルテニウム錯体（電子アクセプター／アニヒレーター）およびトリフェニレン（電子ドナー）コアはより２光子吸収が起こりやすく、このような分子は三重項－三重項消滅アップコンバージョンプロセス（アンチストークライン）を経て高周波の低エネルギー光子を形成し得る。それはこの種類の太陽電池の高量子収率形態を高め、続いてそれは太陽電池の充電変換効率（ＩＰＣＥ）値に入射光子を変え得る。ルテニウム増感剤およびディスコティックの三重項エネルギー準位がドナーからアクセプターへの電子移動に適している場合、三重項－三重項消滅が可能である。他の可能性のあるシナリオは、太陽電池のハイブリッド構造で得られる異常な電荷伝導に対して、「ヘルマン・ウェイル」粒子（半電子）のような新しい粒子であろう。

【0052】

図６は、本明細書の本発明の実施形態による、Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ添加剤を有する強誘電性ディスコティック電解質（Ｉ：段階Ｉ；ＩＩ：段階ＩＩ；ＩＩＩ：段階ＩＩＩ）を適用した場合の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）サーモグラムを示し；および図７は、本明細書の本発明の実施形態による、Ｌｉ［ＣＦ_３ＳＯ_２］_２Ｎ添加剤を含まない強誘電性ディスコティック電解質の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）サーモグラム（Ｉ：段階Ｉ；ＩＩ：段階ＩＩＩ；ＩＩＩ：段階ＩＩＩ）を示す。

【0053】

本発明の主な利点は、太陽電池の電力変換効率を向上させるために、リオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質組成物が提供されることである。

【0054】

本発明の別の利点は、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池が、色素増感太陽電池構造にリオトロピック強誘電性ディスコティック液晶電解質を組み込むことによって提供されることである。

【0055】

本発明のさらに別の利点は、ハイブリッド強誘電性ディスコティック液晶太陽電池が、有毒金属を含まずに提供されることである。

【0056】

本発明のさらに別の利点は、低コストで信頼性が高く、電力変換効率の高い強誘電性結晶太陽電池が提供されることである。

【0057】

本発明の別の利点は、提供される強誘電性太陽電池が、ショックレー・クイッサー（ＳＱ）限界を克服することができることである。

【0058】

本発明の別の利点は、電解質の特定の組成が、非線形光学（ＮＬＯ）用途およびオプトエレクトロニクスを含むがこれらに限定されない他の用途を有することである。

【0059】

特定の実施形態の前述の説明は、本明細書の実施形態の一般的な性質を完全に明らかにしているので、他の人は、現在の知識を適用することにより、一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態の様々な用途に容易に修正および／または適応することができ、それゆえ、そのような適応および修正は、開示された実施形態の均等物の意味および範囲内で理解されるべきであることが意図される。本明細書で使用される語法または用語は説明のためのものであり、限定のためではないことを理解されたい。したがって、本明細書の実施形態を好ましい実施形態に関して説明したが、当業者は、本明細書に記載の実施形態の精神および範囲内で修正を加えて本明細書の実施形態を実施できることを認識するであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】