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  • 特表-太陽光シートの保護封止体 図1
  • 特表-太陽光シートの保護封止体 図2
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-03
(54)【発明の名称】太陽光シートの保護封止体
(51)【国際特許分類】
   H10K 30/50 20230101AFI20230127BHJP
【FI】
H01L31/04 135
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022533148
(86)(22)【出願日】2020-12-03
(85)【翻訳文提出日】2022-07-27
(86)【国際出願番号】 US2020063131
(87)【国際公開番号】W WO2021113525
(87)【国際公開日】2021-06-10
(31)【優先権主張番号】62/942,897
(32)【優先日】2019-12-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.BLUETOOTH
(71)【出願人】
【識別番号】522151581
【氏名又は名称】ナノフレックス パワー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110000671
【氏名又は名称】八田国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】グリフィス,オルガ
(72)【発明者】
【氏名】バリト,アダム
【テーマコード(参考)】
5F151
【Fターム(参考)】
5F151AA01
5F151AA08
5F151AA09
5F151AA10
5F151AA11
5F151AA20
5F151BA18
5F151CB12
5F151CB13
5F151CB14
5F151DA20
5F151GA03
(57)【要約】
基板;上記基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;上記光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および上記光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、上記保護封止体は、a)1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料、またはb)酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、光起電デバイス。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光起電デバイスであって、
基板;
前記基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;
前記光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している前記上部電極および前記下部電極;および
前記光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、
前記保護封止体は、
a)1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料、または
b)酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、
光起電デバイス。
【請求項2】
有機光起電モジュールの活性領域を覆う前記保護封止体は、1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料を含み、前記少なくとも1つの真空処理された材料は、MoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、MgF、バソフェナントロリン、および2,2’,2”-(1,3,5-ベンズイントリイル)-トリス(1-フェニル-1-H-ベンズイミダゾール)から選択される、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項3】
前記有機光起電モジュールの前記活性領域を覆う前記保護封止体は、MoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、およびMgFから選択される少なくとも1つの真空処理された金属酸化物または金属フッ化物を含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項4】
前記有機光起電モジュールの前記活性領域を覆う前記保護封止体は、酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項5】
連続的に配置された1つ以上の接合をさらに含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項6】
前記複数の光起電セルは、有機光起電(OPV)セル、III-V半導体、シリコン、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、量子ドット(QD)、硫化銅亜鉛スズ(CZTS)、およびペロブスカイト光起電セルのうちの1つ以上を含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項7】
前記デバイスは、複数の有機光起電セルを含む有機光起電デバイスである、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項8】
前記OPVセルは、有機分子、純粋な炭素化合物、およびポリマーのうちの1つ以上を含む、請求項7に記載の光起電デバイス。
【請求項9】
前記光起電デバイスは、低剛性でフレキシブルである、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項10】
50GPa未満のガラスヤング率を有する材料をさらに含む、請求項9に記載の光起電デバイス。
【請求項11】
前記光起電デバイスは剛性である、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項12】
前記基板は、ガラス、ウィローガラス、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド、シリコン、マイカ、非結晶性酸化アルミニウム、結晶酸化アルミニウム、多結晶酸化アルミニウム、非結晶性サファイア、結晶サファイア、多結晶サファイア、二酸化シリコン、金属箔、および金属シートのうちの1つ以上を含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項13】
前記光起電デバイス全体を覆う任意の封止体をさらに含む、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項14】
前記任意の封止体は、積層、ポッティングコーティング、およびコンフォーマルコーティングのうちの1つ以上を含む、請求項13に記載の光起電デバイス。
【請求項15】
前記積層は、プラスチック、ガラス、金属、シリコン、およびエラストマーのうちの1つ以上を含む、請求項14に記載の光起電デバイス。
【請求項16】
前記積層は、熱積層、圧力積層、真空積層、UV硬化、火炎積層、ホットメルト積層、押出積層、ドライボンド積層、ウェットボンド積層、および無溶剤積層のうちの1つ以上によって達成される、請求項14に記載の光起電デバイス。
【請求項17】
前記ポッティングコーティングは、ウレタン、パリレン、ポリマー、樹脂、エポキシ、アクリル、塗料、テープ、フルオロカーボン、ナノコーティング、ハイブリッドコーティング、水性コーティング、およびUV硬化コーティングのうちの1つ以上を含む、請求項14に記載の光起電デバイス。
【請求項18】
前記コンフォーマルコーティングは、ウレタン、パリレン、ポリマー、樹脂、エポキシ、アクリル、塗料、テープ、フルオロカーボン、ナノコーティング、ハイブリッドコーティング、水性コーティング、およびUV硬化コーティングのうちの1つ以上を含む、請求項14に記載の光起電デバイス。
【請求項19】
前記任意の封止体は、フレキシブルバリア材料を含み、前記フレキシブルバリア材料は、ガラス、ウィローガラス、金属箔、プラスチック、ポリマー、アクリル、複合フィルム、プレキシガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、シリコン、マイカ、非結晶性酸化アルミニウム、結晶酸化アルミニウム、多結晶酸化アルミニウム、非結晶性サファイア、結晶サファイア、多結晶サファイア、および二酸化シリコンのうちの1つ以上を含む、請求項13に記載の光起電デバイス。
【請求項20】
前記フレキシブルバリア材料は、エポキシ、樹脂、UV硬化性エポキシ、UV硬化性樹脂、UV硬化性接着剤、熱活性化接着剤、圧力活性化接着剤、および温度および圧力活性化接着剤のうちの1つ以上を使用することによって、前記光起電デバイスに取り付けられる、請求項19に記載の光起電デバイス。
【請求項21】
前記保護封止体は、前記基板、前記光起電モジュール、前記上部電極、および前記下部電極と同じ厚さまたはそれよりも厚い、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項22】
前記保護封止体は、真空中で、前記基板、前記光起電モジュール、前記上部電極、および前記下部電極のうちの1つ以上の上に配置される、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項23】
前記保護封止体は、低真空から大気圧までの範囲の圧力を有する環境において、前記基板、前記光起電モジュール、前記上部電極、および前記下部電極のうちの1つ以上の上に配置される、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項24】
前記保護封止体は、前記光起電デバイスの製造が完了した後に、前記基板、前記光起電モジュール、前記上部電極、および前記下部電極のうちの1つ以上の上に、ex-situで配置される、請求項1に記載の光起電デバイス。
【請求項25】
前記光起電デバイスは、電子デバイスに一体化される、請求項1に記載の光起電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、2019年12月3日に出願された米国仮出願第62/942,897号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は一般に、少なくとも1つの電気絶縁性かつ化学的に不活性な保護層を含む光起電モジュールに関する。
【背景技術】
【0003】
光起電モジュールは、水分や酸素に対して敏感であるため、化学的、形態的な劣化が起こり、性能寿命が大幅に短くなることが実用化の大きな妨げになっている。水分および酸素の影響を軽減するために、不活性環境での気密パッケージングの使用を通して光起電モジュールを封止するための試みがなされている。しかしながら、この封止は製造プロセスを複雑にし、コストを増大させる可能性がある。また、水分および酸素の影響を軽減するために、ホットメルト接着剤、エポキシ接着剤、および/または感圧/感温接着剤による封止する方法もある。しかしながら、これらの接着剤での封止は、性能劣化につながる可能性がある。
【発明の概要】
【0004】
これらの問題に対処するために、本開示は、完成した光起電モジュールの少なくとも一部の上に直接配置される、本明細書では保護封止体と呼ばれる、少なくとも1つの電気絶縁性かつ化学的に不活性な保護層を対象とする。本開示の保護封止体は光起電層と空気との反応を排除することができ、したがって、光起電モジュールの寿命を改善することができる。また、本開示の保護封止体は、光起電材料と既存の封止体層との間の反応を防止することができる。さらに、本開示の保護封止体は、光起電層を劣化させることなく、空気中で光起電デバイスを封止することができる。
【0005】
本開示の保護封止体は、有機光起電(OPV)層などの光起電層との接着剤の化学的適合性の問題を軽減することができ、したがって、光起電デバイスのパッケージングに利用可能なさらなる封止体および積層の種類を劇的に増加させることができる。さらに、本開示による保護封止体として使用される材料は安価であり、製造スケールで蒸着させることができる。
【0006】
次いで、デバイス全体、すなわち、光起電モジュールと保護封止体とを、空気中で積層/さらに封止化/パッケージ化することができ、それによって、長寿命かつ低コストの光起電デバイスを製造することができる。
【0007】
本開示による保護封止体は、デバイスを同様に分離または保護してその性能を改善するために、OPVモジュールのような、複数の光起電デバイスのいずれかに使用することができる。さらに、光起電デバイスの非限定的な例には、III-V(例えば、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化ガリウムインジウム(GaInP)、およびヒ化ガリウムアルミニウム(GaAlAs))、シリコン、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、量子ドット(QD)、硫化銅亜鉛スズ(CZTS)、および/またはペロブスカイト光起電モジュールが含まれる。
【0008】
特定の実施形態では、本開示が基板;基板上に配置された複数の光起電セルを備える光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出されている上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、保護封止体はa)1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理(vacuum-processed)された材料、またはb)酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理(solution-processed)された金属酸化物を含む、光起電デバイスに関する。
【0009】
特定の実施形態では、本開示は、基板;基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体部を含み、保護封止体は1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料を含み、少なくとも1つの真空処理された材料はMoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、MgF、バソフェナントロリン、および2,2’,2”-(1,3,5-ベンジネトリル)-トリス(1-フェニル-1-H-ベンズイミダゾール)から選択される、有機光起電デバイスに関する。
【0010】
さらなる実施形態では、本開示は、基板;基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、保護封止体がMoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、およびMgFから選択される少なくとも1つの真空処理された金属酸化物または金属フッ化物を含む、有機光起電デバイスに関する。
【0011】
さらなる実施形態では、本開示は、基板;基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、保護封止体は酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、有機光起電デバイスに関する。
【0012】
本開示の他の実施形態を以下に記載する。
【0013】
当然ながら、上記の一般的記載と下記の詳細な記載の両方は、単に例示的かつ説明的なものであり、請求項に記載の発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0014】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
図1図1Aは、保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。図1Bは、保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。図1Cは、保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。
図2図2Aは、2つの保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。図2Bは、2つの保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。図2Cは、2つの保護封止体による異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。
図3図3Aは、有機光起電デバイス上に配置された保護封止体層の特性を示す。図3Bは、有機光起電デバイス上に配置された保護封止体層の特性を示す。図3Cは、有機光起電デバイス上に配置された保護封止体層の特性を示す。図3Dは、有機光起電デバイス上に配置された保護封止体層の特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的とし、すべての可能な実装ではなく、本開示の範囲を限定することを意図しない。対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【0016】
詳細な説明
本開示の特定の実施形態は、基板;基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、保護封止体は、a)1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料、またはb)酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、光起電デバイスに関する。さらなる実施形態では、光起電はOPVである。
【0017】
本明細書で使用される用語「活性領域」は、光起電デバイスにおいて光電流を生成する領域を指す。
【0018】
例えばOPVデバイスのような本開示による光起電デバイスは、農業、屋内農業、生態学、家畜追跡、家庭自動化、モノのインターネット(IoT)、屋内光ハーベスタ、屋外光ハーベスタ、レクリエーション、ウェアラブルデバイス、スマートフォン/タブレット/コンピュータ/時計、宝石、エネルギーインフラストラクチャ、医療、医療監視デバイスおよびバイオメディカルパッチ、小売り、コールドチェーン、食品輸送/包装/保管/調理/供給、ロジスティクス、航空/陸上/水上輸送、航空宇宙、船舶、資産追跡、位置/移動/振動監視、アーキテクチャ、軍事、防衛および監視、レーダおよびリモートセンシング、モジュール式電力ハーベスティングおよび/または無線デバイス、ビルディング/ホームモニタリング、耐タンパ性モニタリング、警報システム、自動化、自動車およびビルディング統合光起電など多くの下流市場で使用することができるが、これらに限定されない。
【0019】
本開示によれば、光起電デバイスは、基板上に配置された直列および/または並列光起電セルから構成され、長寿命のために集電および封止を有するモジュールに編成することができる。また、光起電デバイスは、上部電極および下部電極も含む。光起電デバイスは、連続して配置される1つ以上接合部を含んでもよい。
【0020】
いくつかの実施態様では、光起電デバイスが機能的および/または審美的目的を果たすように、例えば、多角形、円形、又は直線及び湾曲した縁部の組み合わせから作られた任意の形状にカスタム形状で製造されてもよい。
【0021】
いくつかの実施形態では、追加の層を光起電デバイス上に配置して、その性能、寿命、製造性、美観、および/または機能性を高めることができる。これらの層は、半導体、金属、誘電体、および/または絶縁層であってもよい。いくつかの実施形態では、光起電に付加される付加的な層が反射防止膜、紫外線保護層、超格子、ブラッグ反射器、赤外線反射層、セラミック層、酸化物層、金属酸化物層、マイクロパターン化層、量子ドット、成長緩衝およびキャップ層、ならびに変成層を含んでもよいが、これらに限定されない。
【0022】
光起電は、有機光起電(OPV)セル、III-V(ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムインジウムリン(GaInP)、ガリウムアルミニウムヒ素(GaAlAs)などであるが、これらに限定されない)、シリコン、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウムガリウムセレン化物(CIGS)、量子ドット(QD)、銅亜鉛スズ硫化物(CZTS)、および/またはペロブスカイト光起電セルから構成されてもよい。
【0023】
有機光起電セルは、その無毒性、製造のための比較的小さなエネルギー投資、非平面表面への順応性、および大面積、高スループット製造プロセスとの適合性により、無機光起電セルに比べて多くの潜在的利点を有する。いくつかの実施形態では、OPVモジュールが半透明、高反射性、または不透明であるように製造されてもよい。半透明OPVモジュールは上部電極および下部電極の両方に、酸化インジウムスズまたは薄い金属などの半透明導電材料を使用することによって達成されてもよい。反射率および色相は、OPVモジュール内における有機材料の選択および有機層の厚さによって制御することができる。OPVモジュールは、光活性材料としてポリマーおよび/または有機分子(純粋な炭素化合物を含む)を含有することができる。ポリマーベースおよび/または有機分子ベースのOPVモジュールは、溶液処理することができ、キャリア溶媒、ならびにこれらに限定されないが、ブレードコーティング、スピンコーティング、および印刷などの製造方法を必要とする。いくつかの小分子OPVモジュールは、真空蒸着によって製造することもできる。いくつかの実施形態では、OPVモジュールの製造が、真空熱蒸着、有機気相ジェット印刷、または有機気相蒸着によって蒸着された小分子材料を含むことができる。他の製造方法としては、原子層蒸着、ドロップキャスティング、インクジェット印刷、スロットダイコーティング、ディップコーティング、バーコーティング、ゾルゲル、および光架橋を挙げることができる。
【0024】
有機光起電は、有機分子、純粋な炭素化合物、および/またはポリマーなどの材料を含むことができる。
【0025】
特定の実施形態では、保護封止体は真空中で光起電上に配置することができる。いくつかの実施形態では、保護封止体は低真空から大気圧(1mTorrを超える)の範囲の圧力を有する環境において光起電上に配置することができる。さらなる実施形態では、保護封止体は、真空熱蒸着、原子層蒸着、化学気相蒸着、気相蒸着、および物理気相蒸着を含むが、これらに限定されない、真空蒸着法によって、光起電上に配置されてもよい。
【0026】
真空処理可能な保護封止体材料には、これらに限定されないが、MoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、MgF、バトフェナントロリン、および2,2’,2”-(1,3,5-ベンズイントリイル)-トリス(1-フェニル-1-H-ベンズイミダゾール)を含む、1200℃以下の蒸着温度を有するガラスおよび金属酸化物および/または金属フッ化物が含まれる。さらなる実施形態では、追加の材料を真空処理可能な保護封止体材料上に配置することができる。これらの追加の材料は例えば、Al、Ag、Cu、およびAuなどの金属および/または金属合金を含む。
【0027】
他の実施形態では、保護封止体は、ゾルゲル、スプレー、ブラッシング、スピンコーティング、ブレードコーティング、ディップコーティング、スロットダイコーティング、バーコーティング、印刷、およびシリンジ/ピペット/ドロッパ分注を含む溶液処理方法(これらに限定されない)によって光起電上に配置されてもよい。溶液処理可能な保護封止体材料にはMoO,WO,V、ZnO、NiO、およびTiOが含まれるが、これらに限定されない。さらなる実施形態では、追加の材料を、溶液処理可能な保護封止体材料上に配置することができる。これらの追加の材料は例えば、Al、Ag、Cu、およびAuなどの金属および/または金属合金を含む。
【0028】
本明細書に開示される保護封止体材料は、連続的に配置されてもよいし、中間層と共に配置されてもよい。さらに、保護封止体層は、バッチ(シート・ツー・シート)プロセスまたは連続(ロール・ツー・ロール)プロセスによって配置することができる。
【0029】
いくつかの実施形態では、保護封止体は光起電部品の製造プロセスの一部として、in-situで光起電上に配置されてもよい。他の実施形態では、保護封止体は光起電の製造が完了した後に、ex-situに配置されてもよい。
【0030】
特定の実施形態では、保護封止体は電気絶縁材料、ガラス、金属酸化物、金属フッ化物、金属、および/またはそれらの任意の組合せを含むことができるが、これらに限定されない。
【0031】
いくつかの実施態様では、光起電はガラスヤング率<50GPaの材料を含むがこれに限定されず、低剛性<5N/mでフレキシブルである。他の実施形態では、光起電は剛性である。
【0032】
本開示による基板は、ガラス、ウィローガラス(willow glass)、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド、シリコン、マイカ、非結晶質/結晶/多結晶酸化アルミニウムおよび/またはサファイア、二酸化シリコン、および金属箔/シートを含むことができるが、これらに限定されない。
【0033】
特定の実施形態では、本開示が基板;基板上に配置された複数の光起電セルを含む光起電モジュール;光起電モジュールに組み込まれた上部電極および下部電極であって、少なくとも部分的に露出している上部電極および下部電極;および光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体を含み、保護封止体は、a)1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料、またはb)酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む、有機光起電デバイスに関する。
【0034】
さらなる実施形態では、有機光起電モジュールの少なくとも活性領域を覆う保護封止体が、1200℃以下の蒸着温度を有する少なくとも1つの真空処理された材料を含み、少なくとも1つの真空処理された材料は、MoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、MgF、バソフェナントロリン、および2,2’,2”-(1,3,5-ベンズイントリイル)-トリス(1-フェニル-1-H-ベンズイミダゾール)から選択される。他の実施形態では、有機光起電モジュールの活性領域を覆う保護封止体は、MoO,WO,SiO,V,AlF、LiF、およびMgFから選択される少なくとも1つの真空処理された金属酸化物または金属フッ化物を含む。さらなる実施形態では、有機光起電モジュールの活性領域を覆う保護封止体は、酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、および二酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1つの溶液処理された金属酸化物を含む。
【0035】
いくつかの実施形態では、光起電デバイス全体を覆うために、任意の封止体および/またはパッケージングを追加することができる。任意の封止は積層、ポッティングコーティング、および/またはコンフォーマルコーティングを含んでもよいが、これらに限定されない。この任意の封止および/またはパッケージングは、例えば、これらに限定されないが、酸素、湿気、雨、あられ、雪、風、-40℃と85℃との間の温度勾配/変化、嵐、ハリケーン、火災、引掻き、削り、破砕、亀裂、および粉砕に対する保護を提供し得る。
【0036】
いくつかの実施形態では、任意のパッケージングが、これらに限定されないが、ガラス、ウィローガラス、金属箔、プラスチック、ポリマー、アクリル、複合フィルム、プレキシガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、シリコン、マイカ、非結晶性/結晶/多結晶酸化アルミニウムおよび/またはサファイア、二酸化シリコンなどの、硬質および/またはフレキシブルバリア材料を使用して光起電を覆ってもよい。これらのバリア材料は例えば、これらに限定されないが、エポキシ、樹脂、UV硬化性エポキシ/樹脂/接着剤、熱活性化接着剤、圧力活性化接着剤、温度および圧力活性化接着剤などを使用して、光起電に取り付けることができる。
【0037】
積層は、プラスチック、ガラス、金属、シリコン、エラストマーを含み得るが、これらに限定されない。積層は例えば、これらに限定されないが、熱/圧力/真空積層、UV硬化、真空積層、炎積層、ホットメルト積層、押出積層、ドライボンド積層、ウェットボンド積層、および無溶媒積層を達成することができる。
【0038】
ポッティング/コンフォーマルコーティングはウレタン、パリレン、ポリマー、樹脂、エポキシ、アクリル、塗料、テープ、フルオロカーボン、ナノコーティング、ハイブリッドコーティング、水性コーティング、UV硬化コーティングを含むことができるが、これらに限定されない。
【0039】
封止された光起電は、電子デバイスに集積することができる。いくつかの実施形態では、電子デバイスがセンサ、独立型エネルギーハーベスタ、建物一体型光起電、携帯型充電ユニット、または無線ユニットであってもよい。
【0040】
他の実施形態では、電子デバイスが、スーパーキャパシタ、燃料セル、熱電デバイス、発光デバイス、LED、電力管理チップ、論理回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、集積回路、抵抗器、コンデンサ、トランジスタ、インダクタ、ダイオード、半導体、オプトエレクトロニクスデバイス、メモリスタ、MEMSデバイス、バリスタ、アンテナ、トランスデューサ、結晶、共振器、端子、真空チューブ、光検出器/エミッタ、ヒータ、回路ブレーカ、ヒューズ、リレー、スパークギャップ、ヒートシンク、モータ、ディスプレイ(LCD、LED、ELD、AMOLED、OLED、QLED、CRT、VFD、DLP、IMOD、DMS、プラズマ、ネオン、フィラメントなどであるがこれらに限定されない)、タッチスクリーン、外部コネクタ、データ記憶デバイス、圧電デバイス、スピーカ、マイクロフォン、セキュリティチップ、ならびにこれらに限定されないが、ボタン、ノブ、スライダ、スイッチ、ジョイスティック、方向パッド、キーパッド、および圧力/タッチセンサなどのユーザ入力コントロールを含むことができる。
【0041】
センサは例えば、湿度、CO、光レベル、蒸気圧不足(vapor pressure deficit)、熱指数、水分pH、土壌水分、土壌水分量、土壌pH、加速度計、温度、圧力、ガス感知、GPS、UWB三辺測量、パラメトリック感知、CO、酸素、総揮発性有機化合物、化学物質、汚染物質、導電率、抵抗率、電流感知/測定、電気的活動、金属検知、蒸発散、水使用量、塩分、有害生物制御、気候監視、ステム直径、放射線、雨、雪、風、雷、土壌栄養素、占有率、位置/状態、煙、流体漏れ、停電、総溶存固形物、洪水、動き、ドア/窓の動き、フォトゲート、触覚、ハプティック、変位、レベル、音響/音/振動/周波数、空気流量、ホール効果、燃料レベル、液量、レーダ、トルク、速度、タイヤ圧力、化学物質、赤外線、オゾン、磁気、電波探知機、大気汚染、湿気検知、地震計、対気速度、深度、高度計、フリーフォール、位置、角速度、衝撃、傾斜、速度、慣性、力、ストレス、歪み、重量、火炎、近接/存在、ストレッチ、心臓の鼓動、心拍、血糖、血中酸素、インスリン、体温、医薬品検出、血圧、睡眠モニタリング、呼吸数、乳酸、水和、コレステロール、心電図、脳電図、筋電図、ヘモグロビン、貧血を測定することができるが、これらに限定されない。
【0042】
図1A~1Cは、保護封止体によって提供される異なる被覆度を有する光起電デバイスの断面図である。図1Aに示されるように、光起電デバイス110は、光起電モジュール111、上部接点112、下部接点113、基板114、および保護封止体115を含んでもよい。光起電モジュール111は、基板114上に配置されてもよく、上部接点112および下部接点113を含んでもよい。上部接点112および下部接点113は、それぞれ、正および負、または負および正であってもよい。上部接点112および下部接点113は、両方が露出されて、電子デバイスとの接続を完了することができるように配置されてもよい。
【0043】
基板114は、プラスチック、ガラス、ウィローガラス、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド、シリコン、マイカ、非結晶性/結晶/多結晶酸化アルミニウムおよび/またはサファイア、二酸化シリコン、エラストマー、樹脂、および/または金属箔/シートを含む任意の既知の基板を含むことができる。いくつかの実施形態では、光起電モジュール111および基板114が、保護封止体115を介して電子機器と一体化される前に封止されてもよい。
【0044】
光起電デバイス110の製造方法は、電子ビーム蒸着、スパッタリング、真空熱蒸着、気相蒸着、化学気相蒸着、気相蒸着、物理気相蒸着、ゾルゲル、スプレー、ブラッシング、シリンジ/ピペット/ドロッパ分配、気相ジェット印刷、原子層蒸着、ドロップキャスティング、ブレードコーティング、スクリーン印刷、インクジェット印刷、スロットダイコーティング、ディップコーティング、バーコーティング、スピンコーティング、塗装、および/またはんだ付けを含むことができるが、これらに限定されない。
【0045】
いくつかの実施態様において、光起電モジュール111は、基板114上に配置された光起電サブセルとも呼ばれる光起電接合部(図示せず)を含んでもよい。光起電モジュール111は、有機光起電(OPV)セル、III-V(ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムインジウムリン(GaInP)、ガリウムアルミニウムヒ素(GaAlAs)などであるが、これらに限定されない)、シリコン、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウムガリウムセレン化物(CIGS)、量子ドット(QD)、銅亜鉛スズ硫化物(CZTS)、および/またはペロブスカイト光起電セルから構成されてもよい。いくつかの実施形態では、光起電モジュール111の一部又は全部を「活性領域」と呼ぶこともでき、活性領域は光起電デバイス(例えば、光起電デバイス110)において光電流を生成する領域として定義される。
【0046】
いくつかの実施形態では、光起電デバイス110はフレキシブルにすることができる。フレキシブル光起電デバイス110は、低剛性(例えば、5N/m未満)を有してもよく、50 GPaより小さいガラスヤング率を有する材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、フレキシブル光起電モジュール111は、フレキシブル基板114上に配置されてもよく、フレキシブル基板114はポリマー/熱可塑性樹脂(例えば、ポリイミドおよびポリエステルフィルム、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート)、複合/多層フィルム、ウィローガラス、アクリル、金属/金属合金箔、紙、布帛/織物、および/または他のフレキシブル材料から作製されてもよい。他の実施形態では、光起電デバイス110は剛性であってもよい。
【0047】
いくつかの実施形態では、太陽光または人工光(例えば、LED、蛍光、白熱、グローライト、ネオン光、水銀蒸気、金属ハロゲン化物、高強度放電、生物発光、化学発光など)の任意の光スペクトルに対して光起電モジュール111を最適化して、ターゲットスペクトルの太陽からのエネルギー収穫を増加させることができる。例えば、所与の光スペクトルに対して、最適化は、1ルクスから15万ルクスの範囲の特定のレベルの光を目標とすることができる。いくつかの実施形態では、光起電デバイス110が屋内にあろうと屋外にあろうと、光起電モジュール111が屋外光のために最適化されていなくても、光起電デバイス110に電力を供給するのに十分な光が存在することを保証し、光起電モジュール111が屋内光のために最適化されてもよい。
【0048】
いくつかの実施形態では、光起電モジュール111を最適化することは層構造の変更、層厚の変更、および/または層の追加を含んでもよい。例えば、光起電モジュール111は、様々な用途において光スペクトルに高度に調整可能であってもよい。内部では、光起電モジュール111の色および透明度がデバイス層の厚さを増減し、そのスペクトル吸収特性に基づいて光活性材料を選択し、光活性材料の比率を変化させ、層を追加または除去することによって調整することができる。外部では、光起電モジュール111は、反射防止コーティング、分布ブラッグ反射器、マイクロパターニング、及び他の光捕捉構造を使用して、特定の光スペクトルに同調されてもよい。いくつかの実施形態では、光起電モジュール111がその吸収スペクトルが光源の発光スペクトルを受け入れることができるように設計することができる。これは、個々のサブセル(例えば、光起電モジュール111の接合部のうちの1つ)のバンドギャップを変化させることによって、または光起電モジュール111の結合吸収スペクトルが光源に整合されるように光起電デバイス110に複数の接合部を追加することによって調整することができ、それによって光起電モジュール111の効率を増大させる。例えば、無機光起電セルでは、バンドギャップを調整するために、元素をベース光起電セルに添加する(例えば、GaAsにNを添加する)ことができる。
【0049】
いくつかの実施形態では、光起電モジュール111が機能的および/または審美的目的を果たすために、カスタム形状で製造されてもよい。基板114、光起電モジュール111、および保護封止体115は、任意の形状、例えば、多角形、円形、または直線縁部と湾曲縁部との組み合わせから作製される任意の形状をとってもよい。いくつかの実施形態では、追加の層を光起電セルモジュール111上に配置して、その性能、寿命、製造性、美観、および/または機能性を高めることができる。これらの層は、半導体、金属、誘電体、および/または絶縁層であってもよい。
【0050】
いくつかの実施形態では、光起電デバイス110に接続された電子デバイスがBluetooth Low Energy(BLE)、ロングタームエボリューション(LTE)またはセルラ、Wi-FiまたはIEEE 802.11、ロングレンジ(LoRa)、超広帯域(UWB)、赤外線(IR)、無線周波数識別(RFID)、または他の産業用、科学用、および医療用帯域(ISM帯域)無線などの無線を含むことができる。異なる無線は、異なるアプリケーションのために使用されることができる。例えば、より短いレンジを有し、より低い電力しか必要としないいくつかの無線は、信号レンジが長い必要がない屋内(例えば、BLE)で使用されてもよく、一方、より長いレンジを有し、より多くの電力を必要とする他の無線は屋外で使用されてもよい(例えば、農場のためのLoRa無線、または移動車両のためのLTE)。
【0051】
いくつかの実施形態では、電子デバイスは、露出した上部接点112と下部接点113によって実現される光起電モジュール111の裏面または上面に、以下の部品を取り付けることができる:電池、スーパーキャパシタ、燃料セル、発熱デバイス、発光デバイス、LED、電力管理チップ、論理回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、集積回路、抵抗器、コンデンサ、トランジスタ、インダクタ、ダイオード、半導体、光電子デバイス、メモリスタ、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)デバイス、バリスタ、アンテナ、トランスデューサ、結晶、振動子、端子、真空管、光検出器/エミッタ、ヒータ、回路遮断器、ヒューズ、リレー、スパークギャップ、ヒートシンク、モータ、ディスプレイ(液晶ディスプレイ(LCD)、発光ダイオード(LED)、マイクロLED、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(ELD)、電気泳動ディスプレイ、アクティブマトリックス有機発光ダイオード(AMOLED)、有機発光ダイオード(OLED)、量子ドット(QD)、量子発光ダイオード(QLED)、ブラウン管(CRT)、真空蛍光ディスプレイ(VFD)、デジタル光処理(DLP)、干渉変調器ディスプレイ(IMOD)、デジタルマイクロシャッターディスプレイ(DMS)、プラズマ、ネオン、フィラメント、表面伝導電子放出ディスプレイ(SED)、電界放出ディスプレイ(FED)、レーザーTV、およびカーボンナノチューブなど)、タッチスクリーン、外部コネクタ、データストレージ、ピエゾデバイス、スピーカ、マイク、セキュリティチップ、およびこれらに限定されないが、ボタン、ノブ、スライダ、スイッチ、ジョイスティック、指向性パッド、キーパッド、および圧力/タッチセンサなどのユーザ入力コントロール。
【0052】
いくつかの実施形態では、電子部品がフレキシブルであってもよく、または開示された実施形態と一致するダイ電子部品またはより大きなチップなどの剛性部品であってもよい。剛性部品は、光起電デバイス110の全体的な柔軟性を維持しながら、フレキシブルな基板112上に配置されてもよい。
【0053】
露出された上部接点112および下部接点113は、はんだ付け、超音波はんだ付け、導電性エポキシ、導電ペースト、導電塗料、スポット溶接、溶接、ワイヤボンディング、印刷導電性インク、機械的接触、ナノワイヤメッシュ、グラフェン、およびグラファイトを含むが、これらに限定されない任意の手段によって、電子デバイスに電気的に接続されてもよい。電子デバイスは、ロボットによる部品のピックアンドプレイス、手動による部品の取り付け、接着剤を介した部品の取り付け、および/または電子デバイスとプリントエレクトロニクスまたは基板114との取り付けを含むがこれらに限定されない方法によって光起電モジュール111に取り付けることができる。回路は、印刷、塗装、電気接続の使用、および/または回路を製造するための任意の方法によって組み立てることができる。
【0054】
いくつかの実施形態では、保護封止体115は、真空中および/または低真空(例えば、1mTorr)から大気圧までの範囲の圧力を有する環境中で、基板、光起電モジュール、上部電極、および下部電極のうちの1つ以上の上に配置されてもよい。保護封止体115は、基板114、光起電モジュール111、上部電極112、および下部電極113より薄くても、同じ厚さでも、厚くてもよい。
【0055】
図1Aに示されるように、保護封止体115は光起電モジュール111のみが保護封止体115によって覆われるように、すなわち、保護封止体115が光起電デバイス110の活性領域のみを覆うように配置されてもよい。図1Bではむしろ、保護封止体125は光起電モジュール121、上部接点122、および下部接点123が保護封止体125によって覆われるように配置されてもよい。あるいは、図1Cは光起電モジュール131、上部接点132、下部接点133、および基板134がすべて保護封止体135によって覆われるように配置され得る保護封止体135を示す。図1B及び図1Cは共に、光起電デバイス120及び130の活性領域より多くをカバーする保護封止体125及び135を示す。
【0056】
ここで図2A~2Cを参照し、まず図2Aを参照すると、保護封止体215が光起電モジュール211上に配置されると、光起電デバイス210は、任意の封止体216によって封止されてもよい。任意の封止体216は、積層およびポッティング/コンフォーマルコーティングを含み得るが、これらに限定されない。積層はプラスチック、ガラス、金属、シリコン、およびエラストマーを含み得るが、これらに限定されない。積層には例えば、熱/圧力/真空積層、UV硬化、真空積層、炎積層、ホットメルト積層、押出積層、ドライボンド積層、ウェットボンド積層、無溶媒積層、および/または光起電デバイス210を材料でシールするための任意の方法を通して達成されてもよい。ポッティング/コンフォーマルコーティングにはウレタン、パリレン、ポリマー、樹脂、エポキシ、アクリル、塗料、テープ、フルオロカーボン、ナノコーティング、ハイブリッドコーティング、水性コーティング、溶媒性コーティング、UV硬化コーティングが含まれ得るが、これらに限定されない。任意の封止体216はまた、例えば、スプレー、ブラッシング、真空コーティング、真空シーリング、真空蒸着、ブレードコーティング、スクリーン印刷、浸漬、シリンジ/ピペット/ドロッパ分配、硬化、および選択的コーティングによって適用され得る。
【0057】
製造プロセスを経た光起電デバイス210は、内蔵型であってもよく、または露出したリード線および/または外部コネクタを介して他のデバイスに取り付けることを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、接着剤または接着ストリップがデバイス210の単純な設置を可能にするために、積層の裏面または上面に配置されてもよい。これは、例えば、光起電デバイス210がボックス、輸送パッケージ、および/または容易に適用可能なデバイスから恩恵を受ける他の表面上に配置される必要があり得る、ラベル、センサ、および/または他の電子デバイスを含むことを可能にし得る。
【0058】
図2Aは、光起電モジュール211を覆う保護封止体215を含む光起電デバイス210を覆う任意の封止体216を示し、すなわち、保護封止体215は、光起電デバイス210の活性領域のみを覆う。一方、図2Bは、光起電モジュール221、上部接点222、および下部接点223を覆う保護封止体225を含む光起電デバイス220を覆う任意の封止体226を示す。また、図2Cは、光起電モジュール231、上部接点232、下部接点233、および基板234を覆う保護封止体235を含む光起電デバイス230を覆う任意の封止体236を示す。図2B及び図2Cは共に、光起電デバイス220及び230の活性領域より多くをカバーする保護封止体225及び235を示す。
【0059】
一例として、図3A~3Dは、有機光起電(OPV)モジュール(例えば、光起電モジュール211)上にうまく配置され、任意のパッキング(例えば、任意の封止体216)によって引き起こされる光起電部品の化学的劣化を防止し、任意のパッケージングプロセス中に酸素および湿気からの保護を提供する、真空処理可能なMoO層(例えば、保護封止体215)を示す。図3Aに示すように、MoO保護封止体は、OPVモジュールが少なくとも4時間、大気中で安定した性能を有することを可能にする。しかしながら、図3Bのように、MoO層が適用されない場合、OPVモジュールの活性部品は周囲空気との反応のために絶縁体になり、電流-電圧整流動作は、空気曝露後の1時間以内に失われる。
【0060】
保護封止体を適用する別の利点は、エポキシ接着剤などのような任意の封止体との寄生反応による劣化からの保護を提供することである。すなわち、保護封止体が任意の封止の前に光起電デバイス上に配置される場合、光起電デバイスの有機成分は、図3Cに示されるように保存され、寄生反応が防止された。対照的に、保護封止体なしにエポキシ接着剤を光起電デバイス上に配置する場合、光起電デバイスの有機成分は図3Dに見られるように、任意の封止プロセス中にエポキシ接着剤によって溶解された。
図1
図2
図3
【国際調査報告】