タンデム型光電池

专利摘要:
タンデム型光電池、および関連するシステム、方法、部品について開示する。
公开号:JP2011513951A
申请号:JP2010547741
申请日:2009-02-19
公开日:2011-04-28
发明作者:シリンスキー、パヴェル；エイ． チョウリス、ステリオス
申请人:コナルカ テクノロジーズ インコーポレイテッドＫｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．；
IPC主号:H01L51-42

专利说明:

[0001] 本開示は、タンデム型光電池、および関連するシステム、方法および部品に関する。]
背景技術

[0002] 光電池は、普通、光の形のエネルギーを電気の形のエネルギーに変換するために使用される。代表的な光電池は、２つの電極の間に配置された光活性材料を含む。一般的に、光は、該電極の１つまたは両方を通過して、光活性材料と相互反応し、電気を発生する。その結果、１つまたは両方の電極の光（たとえば、光活性材料によって吸収される１つ以上の波長での光）を透過する能力により、光電池の全体の効率が限定される可能性がある。半導体材料は、導電性材料より電気伝導度は低いかもしれないが、多くの導電性材料と比べて、より光を透過できるため、多くの光電池においては、光が通る電極（複数を含む）を形成するために、半導体材料（たとえば、酸化インジウムスズ）のフィルムが使用される。]
[0003] 第一に、化石燃料に基づいたエネルギー源の消費および依存を減らす要求のため、光起電力技術の開発への関心が増加している。また、光起電力技術は、環境にやさしいエネルギー技術であると多くの人にみなされている。しかし、光起電力技術が商業的に実施可能なエネルギー技術であるためには、光起電力システム（光を電気エネルギーに変換するために、１個以上の光電池を使用するシステム）の材料および製造コストが、ある適当な時間枠で回復可能であるべきである。しかし、場合によっては、特別に設計された光起電力システムに伴うコスト（たとえば、材料および／または製造に起因する）が、それらの有用性および用途を制限している。]
発明が解決しようとする課題

[0004] 本開示は、タンデム型光電池、ならびに関連システム、方法および部品に関する。]
課題を解決するための手段

[0005] 一態様において、本開示は、第一および第二半電池を含むシステムを取り上げる。第一半電池は、第一電極と、第三電極と、該第一および第三電極の間にある第一光活性層とを含む。第二半電池は、第二電極と、前記第三電極と、該第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含む。第一および第二半電池は、電気的に並列に接続されている。第三電極は、第一および第二電極の間にあり、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレン、およびこれらの組合せからなる群から選択される第一材料を含む。該システムは、光起電力システムとして構成される。]
[0006] 別の態様において、本開示は、第一および第二電極と、該第一および第二電極の間にある第三電極と、該第一および第三電極の間にある第一光活性層と、該第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含むシステムを取り上げる。第一および第二電極は、システムの使用中、同じ極性を有する。第三電極は、システムの使用中、第一および第二電極の極性と反対の極性を有する。第三電極は、第一および第二材料を含み、該第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、該第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択される。該システムは、光起電力システムとして構成される。]
[0007] 別の態様において、本開示は、第三電極を第一および第二光活性層の間に配置し、中間品を形成するステップと、該中間品を第一および第二電極の間に配置し、第一および第二半電池を形成するステップとを含む方法を取り上げる。第一および第二半電池は、電気的に並列に接続される。第一半電池は、第一電極と、第三電極と、第一光活性層とを含む。第二半電池は、第二電極と、第三電極と、第二光活性層とを含む。第三電極は、液体系被覆プロセスによって配置される。]
[0008] 別の態様において、本開示は、第一光活性層により支持された第三電極を形成し、中間品を提供するステップと、追加の部品を中間品に形成し、光起電力システムを提供するステップとを含む方法を取り上げる。第三電極は、液体系被覆組成物から形成される。光起電力システムは、第二半電池に電気的に接続される第一半電池を含む。第一半電池は、第一電極と、第三電極と、該第一および第三電極の間にある第一光活性層とを含む。第二半電池は、第二電極と、前記第三電極と、該第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含む。第三電極は、第一および第二電極の間にある。]
[0009] 別の態様において、本開示は、液体系被覆組成物が第一光活性層によって支持されるように、該組成物を配置するステップと、該組成物から第一および第二材料を含む第一電極を形成するステップとを含む方法であって、該第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、該第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択され、これによって、第一光活性層と第一電極とを含む中間品を提供する方法を取り上げる。いくつかの実施形態では、該方法は、さらに、中間品を第二電極に配置し、第一および第二電極と、該第一および第二電極の間にある第一光活性層とを含む第一半電池を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、該方法は、さらに、第二光活性層を第一電極に配置するステップと、第三電極を前記第二光活性層に配置し、第一および第三電極と、該第一および第三電極の間にある第二光活性層とを含む第二半電池を形成するステップとを含む。第一および第二半電池は、電気的に接続されている。]
[0010] 別の態様において、本開示は、タンデム型光電池を含むシステムを取り上げる。タンデム型光電池は、２個の半電池と、該２個の半電池の間にある共有電極とを含む。共有電極は、第一および第二材料を含み、該第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、該第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択される。]
[0011] 別の態様において、本開示は、第一、第二および第三電極と、第一および第二光活性層と、第一および第二正孔輸送層とを含むシステムを取り上げる。第三電極は、第一および第二電極の間にある。第一光活性層は、第一および第三電極の間にあり、第二光活性層は、第二および第三電極の間にある。第一正孔輸送層は、第一光活性層と第三電極との間にあり、第二正孔輸送層は、第二光活性層と第三電極との間にある。該システムは、光起電力システムとして構成される。いくつかの実施形態では、該システムは、第一および第二正孔遮断層をさらに含み、該第一正孔遮断は、第一光活性層と第一電極との間にあり、該第二正孔遮断層は、第二光活性層と第二電極との間にある。]
[0012] さらに別の態様において、本開示は、第一、第二および第三電極と、第一および第二光活性層と、第一および第二正孔輸送層とを含むシステムを取り上げる。第三電極は、第一および第二電極の間にある。第一光活性層は、第一および第三電極の間にあり、第二光活性層は、第二および第三電極の間にある。第一正孔輸送層は、第一光活性層と第一電極との間にあり、第二正孔輸送層は、第二光活性層と第二電極との間にある。該システムは、光起電力システムとして構成される。いくつかの実施形態では、該システムは、第一および第二正孔遮断層をさらに含み、該第一正孔遮断は、第一光活性層と第三電極との間にあり、該第二正孔遮断層は、第二光活性層と第三電極との間にある。]
[0013] 実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第一および第二半電池は、電気的に並列に接続されている。ある実施形態では、第一および第二半電池は、電気的に直列に接続されている。]
[0014] いくつかの実施形態では、第三電極は、第二材料をさらに含む。第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーまたはこれらの組合せを含みうる。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウムスズおよび酸化スズからなる群から選択されうる。ある実施形態では、金属酸化物は、ナノ粒子の形態である。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは、ポリチオフェン、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レンおよびこれらの共重合体からなる群から選択されうる。]
[0015] いくつかの実施形態では、第一および第二半電池の間にある共通電極の第一材料は、鉄、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタンおよびこれらの合金からなる群から選択される金属を含む。ある実施形態では、第一材料は、金属ナノ粒子または金属ナノロッドを含む。ある実施形態では、第一材料は、金属メッシュまたは金属グリッドを含む。]
[0016] いくつかの実施形態では、第三電極は、第一電極層と、第二電極層とを含む。いくつかの実施形態では、第一電極層は、第二材料の第一種を含み、第二電極層は、第二材料の第二種を含む。ある実施形態では、第一種は第二種とは異なる。いくつかの実施形態では、第一および第二種は、それぞれ、ｎ型半導体材料を含み、またはそれぞれ、ｐ型半導体材料を含む。]
[0017] いくつかの実施形態では、第三電極は、第一および第二電極層の間に導電性層をさらに含む。ある実施形態では、該導電性層は、第一材料を含む。
いくつかの実施形態では、該システムは、第一光活性層と第一電極との間にある第一正孔輸送層と、第二光活性層と第二電極との間にある第二正孔輸送層とをさらに含む。ある実施形態では、該システムは、第一光活性層と第三電極との間にある第一正孔遮断層と、第二光活性層と第三電極との間にある第二正孔遮断層とをさらに含む。]
[0018] いくつかの実施形態では、該システムは、第一光活性層と第一電極との間にある第一正孔遮断層と、第二光活性層と第二電極との間にある第二正孔遮断層とをさらに含む。ある実施形態では、該システムは、第一光活性層と第三電極との間にある第一正孔輸送層と、第二光活性層と第三電極との間にある第二正孔輸送層とをさらに含む。]
[0019] いくつかの実施形態では、第三電極の厚さは、少なくとも約１０ｎｍおよび／または多くとも約１ミクロンである。
いくつかの実施形態では、第三電極の表面抵抗は、多くとも約５００Ω／ｃｍ２（たとえば、多くとも約１０Ω／ｃｍ２）である。]
[0020] いくつかの実施形態では、第三電極の透過率は、少なくとも約６０％（たとえば、少なくとも約８０％）である。
いくつかの実施形態では、光起電力システムは、タンデム型光電池を含む。]
[0021] いくつかの実施形態では、液体系被覆プロセスとして、溶液被覆、インクジェット印刷、スピン被覆、浸漬被覆、ナイフ被覆、バー被覆、噴霧被覆、ローラー被覆、スロット被覆、グラビア被覆、フレキソ印刷またはスクリーン印刷が挙げられる。]
[0022] いくつかの実施形態では、第三電極は、液体系被覆組成物から調製される。
いくつかの実施形態では、液体系被覆組成物は、半導体材料またはその前駆体を含む。いくつかの実施形態では、半導体材料は、金属酸化物もしくはその前駆体、または導電性ポリマーを含む。ある実施形態では、液体系被覆組成物は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料をさらに含む。]
[0023] いくつかの実施形態では、液体系被覆組成物は、ゾル−ゲル組成物を含む。
実施形態では、以下の利点の１つ以上を提供することができる。
いくつかの実施形態では、２個の半電池の間の共通電極は、液体系被覆プロセスによって調製することができ、これにより、厚肉（たとえば、３０〜１，０００ｎｍ）の電極を得ることができる。そのような電極は、光電池の製造の間、第三電極の下にある層がさらに加工されることを防ぐことができる。また、共通電極が厚肉であることにより、電極内のピンホールの数が減少し、したがって、その導電性を高めることができる。いくつかの実施形態では、厚肉の共通電極層には、ピンホールがない可能性もある。]
[0024] いくつかの実施形態では、液体系被覆プロセスによって調製された共通電極は、スパッタリングのような従来のプロセスによって調製された電極より密度が小さい。より小さな密度を持つ共通電極は、電極を介して、より良好な光透過率を有することができる。]
[0025] いくつかの実施形態では、共通電極は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレン、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択される１つ以上の材料を含む。そのような材料は、電極の導電性を顕著に高めることができ、該電極を並列接続タンデム型光電池において共通電極として使用することを可能にする。ここで、前記共通電極は、電流を導通するのに十分な高い導電性を持つことが望ましい。]
[0026] いくつかの実施形態では、タンデム型光電池中の２個の半電池は、電気的に並列に接続されている。半電池の並列接続は、２個の電池の相互接続によって起こる損失を大きく減少することができ、タンデム型光電池の効率を高めることができる。]
[0027] 本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明に記載する。本発明の他の特徴、目的、および利点は、該記載および図面、ならびに請求項から明らかになるであろう。]
図面の簡単な説明

[0028] 並列タンデム型光電池の実施形態の断面図。
並列タンデム型光電池の別の実施形態の断面図。
直列タンデム型光電池の実施形態の断面図。
電気的に直列に接続された複数の光電池を含有するシステムの概略図。
電気的に並列に接続された複数の光電池を含有するシステムの概略図。]
[0029] 種々の図面において同じ参照記号は、同じ構成要素を示す。]
[0030] 図１は、電極１１０、光起電力層１２０、正孔輸送層１３０、電極１４０、正孔輸送層１５０、光起電力層１６０、電極１７０、電極１１０および１７０の間の電気的接続、ならびに電極１１０、１４０および１７０を介して光電池１００に電気的に接続される外部負荷１８０を備えた、並列タンデム型光電池１００を示す。] 図１
[0031] 光電池１００は、２個の半電池を含む。第一半電池は、電極１１０と、光起電力層１２０と、正孔輸送層１３０と、電極１４０とを含む。第二半電池は、電極１４０と、正孔輸送層１５０と、光起電力層１６０と、電極１７０とを含む。第一および第二半電池は、電気的に接続された電極１１０および１７０を有し、それらが電気的に並列に接続されるように、共通電極１４０を共有する。]
[0032] 一般的に、使用中、光は、第一半電池の電極１１０の表面に当たり、電極１１０を通過することができる。次いで、該光は、光活性層１２０と相互作用する。残光はさらに正孔輸送層１３０、電極１４０および正孔輸送層１５０を通過し、第二半電池の光活性層１６０と相互作用する。光と光活性層１２０および１６０との間の相互作用により、各光活性層内で、電子は、電子供与体材料（たとえば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ））から電子受容体材料（たとえば、Ｃ６１−フェニル−酪酸メチルエステル（Ｃ６１−ＰＣＢＭ））へ移送される。次いで、各光活性層中の電子受容体材料は、電子を、電極１１０または１７０に移送する。層１２０中の電子供与体材料は、正孔を、正孔輸送層１３０を通って電極１４０へ移送し、層１６０中の電子供与体材料は、正孔を、正孔輸送層１５０を通って電極１４０へ移送する。使用中、電子が、電極１１０および１７０から外部負荷１８０を通って電極１４０に通過するように、電極１１０および１７０（同じ極性を有する）は、外部負荷１８０を介して、電極１４０（電極１１０および１７０とは反対の極性を有する）に電気的に接続されている。]
[0033] 理論に束縛されるものではないが、光電池１００の利点は、各半電池によって発生する電流は各半電池の入射光の吸収に比例し、一方各半電池上の電圧は入射光の吸収からは実質的に独立していることであると考えられる。たとえば、入射光の吸収が約０〜５０％の範囲内で変化する場合、光電池１００の電圧は変化せず、あるいは変化しても非常に小さな割合（たとえば、多くとも約５％または多くとも約１０％）である。入射光が、電極１１０を通って光電池１００に入る実施形態では、第一半電池が大部分の入射光を吸収することができ、一方第二半電池は、残りの入射光のみを吸収する。このため、第一半電池は、第二半電池より大きな電流を発生させることができる。該実施形態では、光電池１００内の各半電池によって発生した電圧は、やはり、略同じとすることができる。]
[0034] 第一および第二半電池は、電気的に並列に接続されているので、光電池１００の電流出力は、該２つの半電池で発生する電流の合計である。そのような電流出力は、半電池で発生する最も低い電流によって限定される、半電池が電気的に直列で接続されている光電池の電流出力よりも、顕著に高い。一般的に、直列接続タンデム型光電池において、各半電池は、最大効率を達成するため、同じような量の電流を発生させることが好ましい。しかし、理論に束縛されるものではないが、光電池１００の１つの利点は、各半電池に、同じような量の電流を発生させることを要求しないことであると考えられる。さらに、光電池１００内の２個の半電池のそれぞれによって発生する電圧は、略同一であるので、半電池の相互作用に起因する損失は、最小限である。]
[0035] いくつかの実施形態では、電極１４０は、１種以上の導電性材料から形成される。導電性材料の例として、導電性無機材料（たとえば、金属、合金および金属酸化物）、および導電性有機材料（たとえば、ポリマー、フラーレン、カーボンナノチューブおよびカーボンナノロッド）が挙げられる。代表的な導電性金属として、鉄、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金およびチタンが挙げられる。代表的な導電性合金として、ステンレス鋼（たとえば、３３２ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼）、金の合金、銀の合金、銅の合金、アルミニウムの合金、ニッケルの合金、パラジウムの合金、白金の合金およびチタンの合金が挙げられる。代表的な導電性金属酸化物として、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）および酸化スズが挙げられる。いくつかの実施形態では、導電性金属酸化物は、１種以上の適切なドーパント、たとえば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｆ、ＣおよびＮを含む。いくつかの実施形態では、ドープされた金属酸化物は、ドーパントが酸素空孔である、不定比金属酸化物である。代表的な導電性ポリマーとして、ポリチオフェン、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レン、またはこれらの共重合体が挙げられる。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは、ドープされたポリマー、たとえば、ドープされたポリアニリンまたはドープされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ドープＰＥＤＯＴ）が挙げられる。理論に束縛されるものではないが、導電性金属酸化物またはポリマー中のドーパント濃度がより高いほど、金属酸化物またはポリマーの導電性を高めることができると考えられる。いくつかの実施形態では、導電性材料の混合物が使用される。]
[0036] いくつかの実施形態では、電極１４０に含有される材料は、ナノ粒子（たとえば、金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子）、ナノチューブ（たとえば、カーボンナノチューブ）、またはナノロッド（たとえば、金属ナノロッドまたはカーボンナノロッド）の形態である。理論に束縛されるものではないが、ナノ粒子、ナノチューブまたはナノロッドの形態の材料は、電極を通る光透過率を促進することができると考えられる。]
[0037] ある実施形態では、電極１４０は、第一材料と第二材料とを含む。第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択することができる。第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せから選択することができる。理論に束縛されるものではないが、並列接続されたタンデム型光電池中の電極１４０は、入射光を光活性層１２０および１６０の両方に届かせる高い透明性と、タンデム型電池によって発生する電流を最小損失で電極１４０に流入させる高い導電性とを有すると考えられる。いくつかの実施形態では、理論に束縛されるものではないが、第二材料は、あまり高くない導電性を持つ、透明な材料であり、第一材料は、第二材料の導電性を補うことができる、高導電性材料とすることができると考えられる。それとは対照的に、直列接続タンデム型光電池中の共通電極は、電流を導通せず、したがって導電性である必要がない。そのような共通電極は、一般的に、十分な透明性を提供するために、非常に薄く（たとえば、１０ｎｍ未満）、その薄肉に起因して、非常に低い導電性を持つ。]
[0038] いくつかの実施形態では、電極１４０は、追加の導電性材料（たとえば、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノロッド）と共に、ＩＴＯナノ粒子を含む。一般的に、並列接続タンデム型光電池を効果的に使用するために、ＩＴＯで作られた電極は、電極を通して十分な光を透過するため、かつ、十分な導電性を提供するために、適切な厚さ（たとえば、１０ｎｍから１μｍ）を有する。そのような厚さで、ＩＴＯの表面抵抗は、概して、電極の理想表面抵抗より大幅に高くなる（たとえば、約１０Ω／ｃｍ２未満）。電極１４０においてＩＴＯと、追加の導電性材料とを組合わせることにより、その比較的高い透明性を維持しつつ、電極１４０の導電性を顕著に高めることができる。]
[0039] いくつかの実施形態では、電極１４０は、金属グリッドまたは金属メッシュの層と、追加の導電性材料の層（たとえば、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノロッド）とを含む。追加の導電性材料は、その比較的高い透明性を維持しつつ、電極１４０の導電性を顕著に高めることができる。グリッドまたはメッシュ電極の例は、たとえば、共通の出願人の同時係属米国特許出願公開公報第２００４０１８７９１１号、第２００６００９０７９１号、第２００７０１３１２７７号、および第２００７０１９３６２１号に記載され、これらの内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、金属メッシュ層（たとえば、層中に小さな開口がある金属層）は、金属印刷ペースト（たとえば、銀印刷ペースト）から調製することができる。そのようなメッシュ層は、概して、金属粒子の連続層を含み、該粒子は、それらの間に空間があり、充填材料（たとえば、ポリマー）で支持されている。いくつかの実施形態では、金属グリッドまたは金属メッシュは、追加の導電性材料に、少なくとも部分的に埋込まれている。そのような実施形態では、追加の導電性材料を、金属グリッドまたは金属メッシュ間の空間に、少なくとも部分的に充填することができる。]
[0040] いくつかの実施形態では、電極１４０は、少なくとも約４０重量％（たとえば、少なくとも約５０重量％、または少なくとも約６０重量％）および／または多くとも約９５重量％（たとえば、多くとも約９０重量％、または多くとも約８５重量％）の追加の導電性材料を含む。]
[0041] いくつかの実施形態では、電極１４０は略透明である。本明細書で使用される透明材料は、タンデム型光電池１００において使用される厚さで、光電池の稼動中に使用される波長または波長範囲（たとえば、約３５０ｎｍから約１，０００ｎｍ）で、入射光の少なくとも約６０％（たとえば、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％）を透過することができる材料を言う。]
[0042] 一般的に、電極１４０は、十分に低い表面抵抗を有する。いくつかの実施形態では、電極１４０の表面抵抗は、多くとも約５００Ω／ｃｍ２（たとえば、多くとも約１００Ω／ｃｍ２、多くとも約３０Ω／ｃｍ２、または多くとも約１０Ω／ｃｍ２）である。]
[0043] 電極１４０は、一般的に、高い導電性を提供して導通する電流を促進し、かつ、下にある層を電極１４０に適用されるいかなる溶剤からも保護するのに十分な厚さを有する。いくつかの実施形態では、電極１４０の厚さは、少なくとも約１０ｎｍ（たとえば、少なくとも約３０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、または少なくとも約１００ｎｍ）および／または多くとも約１，０００ｎｍ（たとえば、多くとも約８００ｎｍ、または多くとも約５００ｎｍ）である。一般的に、電極１４０の厚さは、直列接続タンデム型光電池中の共通電極の厚さより厚い。なぜなら、該共通電極は、電流を導通せず、したがって、高い導電性を提供するほど厚い必要はないからである。]
[0044] いくつかの実施形態では、電極１４０は、液体系被覆プロセスによって調製される。本明細書で記載される用語「液体系被覆プロセス」は、液体系被覆組成物を使用するプロセスを言う。液体系被覆組成物の例として、溶液、分散液または懸濁液が挙げられる。液体系被覆組成物の濃度は、一般的に、要求どおりに調整することができる。いくつかの実施形態では、該濃度を調整して、被覆組成物の所望の粘度、または塗膜の所望の厚さを達成することができる。]
[0045] 液体系被覆プロセスは、以下のプロセス、すなわち、溶液被覆、インクジェット印刷、スピン被覆、浸漬被覆、ナイフ被覆、バー被覆、噴霧被覆、ローラー被覆、スロット被覆、グラビア被覆、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷の少なくとも１つを使用することによって行うことができる。理論に束縛されるものではないが、液体系被覆プロセスは、ロール・ツー・ロールプロセスのような連続製造プロセスにおいて、簡単に使用することができ、それによって、光電池を調製するコストを大幅に減らすと考えられる。ロール・ツー・ロールプロセスの例は、たとえば、同じ出願人の、同時係属米国特許出願公開公報第２００５−０２６３１７９号に記載されており、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。]
[0046] いくつかの実施形態では、電極１４０が、無機半導体ナノ粒子（たとえば、酸化チタンナノ粒子）および金属ナノ粒子（たとえば、銀ナノ粒子または銅ナノ粒子）を含有する層を含む場合、液体系被覆プロセスは、（１）無機半導体ナノ粒子および金属ナノ粒子の前駆体（たとえば、チタン塩）を、適切な溶剤（たとえば、無水アルコール）中に分散して、分散液を形成し、（２）該分散液を正孔輸送層１３０に被覆し、（３）該分散液を加水分解し、（４）該分散液を乾燥して電極を形成することによって行うことができる。ある実施形態では、液体系被覆プロセスは、ゾル・ゲルプロセスによって行うことができる。]
[0047] いくつかの実施形態では、電極１４０が、金属グリッドまたは金属メッシュの層と、追加の導電性材料（たとえば、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノロッド）の層とを含む場合、該電極は、先ず、追加の導電性材料の層を、正孔輸送層１３０に、液体系被覆プロセス（たとえば、先に記載した方法）によって設置し、次いで金属グリッドまたはメッシュの層を、形成したばかりの層に設置することによって調製することができる。メッシュまたはグリッド電極を形成する代表的な方法は、たとえば、米国特許出願公開公報第２００４０１８７９１１号および第２００７０１９３６２１号に記載されている。]
[0048] いくつかの実施形態では、液体系被覆プロセスによって調製された電極１４０は、非液体系被覆プロセス（たとえば、スパッタリング）によって調製された電極より厚肉である。たとえば、スパッタリングによって調製されたＩＴＯ電極の典型的な厚さは約３０ｎｍ未満であるが、液体系被覆プロセスによって調製された電極１４０は、３０ｎｍを超え、１，０００ｎｍまでの厚さを有することができる。理論に束縛されるものではないが、より厚い厚さを持つ電極１４０は、高い導電性を提供することができ、タンデム型光電池１００の製造中、下にある層を、電極１４０に適用されるさらなる被覆プロセスから保護することができると考えられる。さらに、厚肉の電極１４０は、ピンホールの数が減少している。いくつかの実施形態では、厚肉の電極１４０は、ピンホールがない可能性もある。理論に束縛されるものではないが、電極中のピンホールにより、大きな抵抗が発生し、電極の導電性を大きく減らす可能性があると考えられる。したがって、理論に束縛されるものではないが、ピンホールのない電極は、高い導電性を持つことができ、したがって、光電池の性能を高めることができると考えられる。]
[0049] 一般的に、液体系被覆プロセスで調製された電極の密度は、非液体系被覆プロセス（たとえば、スパッタリング）によって調製された電極の密度より低い。理論に束縛されるものではないが、より低い密度の層は、より良好な光透明性を提供することができるが、導電性はより低いと考えられる。予期しえぬことに、液体被覆プロセスによって調製された電極１４０は、スパッタリングによって調製された従来の電極に匹敵する、十分に高い導電性を有する。たとえば、電極１４０の表面抵抗は、約１０Ω／ｃｍ２未満でさえありうる。]
[0050] いくつかの実施形態では、電極１４０は、複数の層（たとえば、２、３、またはそれ以上の層）を含む。ある実施形態では、電極１４０は、第一および第二層を含み、該第一層は、第一半電池の電極として働き、該第二層は、第二半電池の電極として働く。両方の層とも、先に検討した導電性材料で作ることができる。一般的に、第一層は、第二層で使用された材料と同じまたは異なる材料で作ることができる。いくつかの実施形態では、各層は、ｎ型半導体材料またはｐ型半導体材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１３０および１５０の少なくとも一部が、それぞれ、電極１４０の第一および第二層の少なくとも一部でありうる。]
[0051] ある実施形態では、電極１４０は、３つの層を有し、第一層は第一半電池の電極として働き、第二層は第二半電池電極として働き、第三層は第一および第二層の間にある。第一、第二および第三層は、それぞれ、同じまたは異なる材料で作ることができ、先に検討した導電性材料から作ることができる。いくつかの実施形態では、第三層は、第一および第二層より高い導電性を持つ材料で作ることができ、第一および第二層の導電性が十分でない場合、電極１４０の導電性を高めることができる。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１３０および１５０の少なくとも一部が、それぞれ、電極１４０の第一および第二層の少なくとも一部であることもできる。一般的に、複数の層を持つ電極１４０も、液体系被覆プロセスによって調製することができる。]
[0052] 光電池１００の他の部品について、電極１１０および１７０は、一般的に、導電性材料、たとえば、先に検討した導電性材料の１つで形成される。それらは、電極１４０として、同じ特徴（たとえば、厚さ、透過率または表面抵抗）を有することができる。いくつかの実施形態では、電極１１０および１７０のある特徴は、電極１４０の対応する特徴と同じであり、電極１１０および１７０のある特徴は、電極１４０の特徴とは異なる。一般的に、電極１１０および１７０も、先に検討した、液体系被覆プロセスにより調製することができる。光電池における電極の調製に使用することができる材料および方法の例は、たとえば、同じ出願人の、同時係属中の米国特許出願公開公報第２００４０１８７９１１号、第２００６００９０７９１号、第２００７０１３１２７７号、および第２００７０１９３６２１号に記載されている。]
[0053] 一般的に、光活性層１２０および１６０は、それぞれ、電子受容体材料（たとえば、有機電子受容体材料）と、電子供与体材料（たとえば、有機電子供与体材料）とを含有する。]
[0054] 電子受容体材料の例として、フラーレン、オキサジアゾール、カーボンナノロッド、円盤状液晶、無機ナノ粒子（たとえば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウムおよび／または硫化鉛で形成されたナノ粒子）、無機ナノロッド（たとえば、酸化亜鉛、酸化タングステン、リン化インジウム、セレン化カドミウムおよび／または硫化鉛で形成されたナノロッド）、または電子を受容しうるまたは安定なアニオンを形成しうる部分を含むポリマー（たとえば、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ３基含有ポリマー）が挙げられる。いくつかの実施形態では、電子受容体材料の組合せを、光活性層１２０または１６０において使用することができる。]
[0055] いくつかの実施形態では、電子受容体材料は、置換フラーレン（たとえば、Ｃ６１−ＰＣＢＭまたはＣ７１−ＰＣＢＭ）等のフラーレンを含む。ある実施形態では、フラーレンは、その炭素骨格に、５０〜２５０個の炭素原子を有する。]
[0056] いくつかの実施形態では、電子供与体材料として、共役ポリマー、たとえば、ポリチオフェン、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レン、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（酸化チオフェン）、ポリ（酸化シクロペンタジチオフェン）、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（酸化チエノチオフェン）、ポリジチエノチオフェン、ポリ（酸化ジチエノチオフェン）、ポリテトラヒドロイソインドール、およびこれらの共重合体が挙げられる。いくつかの実施形態では、電子供与体材料は、ポリチオフェン（たとえば、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、およびこれらの共重合体であってもよい。ある実施形態では、電子供与体材料の組合せを、光活性層１２０または１６０において使用することができる。]
[0057] いくつかの実施形態では、電子供与体材料または電子受容体材料は、第一コモノマー繰返し単位と、該第一コモノマー繰返し単位とは異なる第二コモノマー繰返し単位を有するポリマーを含むことができる。第一コモノマー繰返し単位として、シクロペンタジチオフェン部分、シラシクロペンタジチオフェン部分、シクロペンタジチアゾール部分、チアゾロチアゾール部分、チアゾール部分、ベンゾチアジアゾール部分、酸化チオフェン部分、酸化シクロペンタジチオフェン部分、ポリチアジアゾロキノキサリン部分、ベンゾイソチアゾール部分、ベンゾチアゾール部分、チエノチオフェン部分、酸化チエノチオフェン部分、ジチエノチオフェン部分、酸化ジチエノチオフェン部分、またはテトラヒドロイソインドール部分を挙げることができる。]
[0058] いくつかの実施形態では、第一コモノマー繰返し単位は、シクロペンタジチオフェン部分を含む。いくつかの実施形態では、シクロペンタジチオフェン部分は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１−Ｃ２０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およびＳＯ２Ｒ（ここで、Ｒは、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである）からなる群から選択される少なくとも１個の置換基で置換される。たとえば、シクロペンタジチオフェン部分は、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルで置換されうる。ある実施形態では、シクロペンタジチオフェン部分は、４位で置換される。いくつかの実施形態では、第一コモノマー繰返し単位は、式（１）：]
[0059] のシクロペンタジチオフェン部分を含むことができる。]
[0060] 式（１）において、それぞれ、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１−Ｃ２０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ＳＯ２Ｒであり、ここで、Ｒは、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである。たとえば、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して、ヘキシル、２−エチルヘキシル、または３，７−ジメチルオクチルでありうる。]
[0061] アルキルは、飽和または不飽和の、分岐または直鎖状鎖が可能である。Ｃ１−Ｃ２０アルキルは、１〜２０個の炭素原子（たとえば、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）を含有する。アルキル部分の例として、−ＣＨ３、−ＣＨ２−、−ＣＨ２＝ＣＨ２−、−ＣＨ２−ＣＨ＝ＣＨ２、および分岐状−Ｃ３Ｈ７が挙げられる。アルコキシは、分岐または直鎖状鎖の、飽和または不飽和でも可能である。Ｃ１−Ｃ２０アルコキシは、酸素ラジカルと、１〜２０個の炭素原子（たとえば、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）とを含有する。アルコキシ部分の例として、−ＯＣＨ３および−ＯＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ３が挙げられる。シクロアルキルは、飽和でも不飽和でも可能である。Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキルは、３〜２０個の炭素原子（たとえば、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）を含有する。シクロアルキル部分の例として、シクロヘキシルおよびシクロヘキセン−３−イルが挙げられる。ヘテロシクロアルキルも、飽和でも、不飽和でも可能である。Ｃ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルは、少なくとも１個の環へテロ原子（たとえば、Ｏ、ＮおよびＳ）と、３〜２０個の炭素原子（たとえば、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）とを含有する。ヘテロシクロアルキル部分の例として、４−テトラヒドロピラニルおよび４−ピラニルが挙げられる。アリールは、１個以上の芳香族環を含有することができる。アリール部分の例として、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が挙げられる。ヘテロアリールは、１個以上の芳香族環を含有することができ、そのうちの少なくとも１つは、少なくとも１個の環へテロ原子（たとえば、Ｏ、ＮおよびＳ）を含有する。ヘテロアリール部分の例として、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、およびインドリルが挙げられる。]
[0062] 本明細書で記載する、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、他に特記がない限り、置換された部分および非置換の部分の両方を含む。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として、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１−Ｃ２０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、Ｃ１−Ｃ１０アルキルアミノ、Ｃ１−Ｃ２０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、Ｃ１−Ｃ１０アルキルチオ、アリールチオ、Ｃ１−Ｃ１０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、アシルオキシ、カルボキシル、およびカルボン酸エステルが挙げられる。アルキル上の置換基の例として、Ｃ１−Ｃ２０アルキル以外の先に列挙した置換基の全てが挙げられる。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。]
[0063] 第二コモノマー繰返し単位として、ベンゾチアジアゾール部分、チアジアゾロキノキサリン部分、酸化シクロペンタジチオフェン部分、ベンゾイソチアゾール部分、ベンゾチアゾール部分、酸化チオフェン部分、チエノチオフェン部分、酸化チエノチオフェン部分、ジチエノチオフェン部分、酸化ジチエノチオフェン部分、テトラヒドロイソインドール部分、フルオレン部分、シロール部分、シクロペンタジチオフェン部分、フルオレノン部分、チアゾール部分、セレノフェン部分、チアゾロチアゾール部分、シクロペンタジチアゾール部分、ナフトチアジアゾール部分、チエノピラジン部分、シラシクロペンタジチオフェン部分、オキサゾール部分、イミダゾール部分、ピリミジン部分、ベンズオキサゾール部分、またはベンズイミダゾール部分を挙げることができる。いくつかの実施形態では、第二コモノマー繰返し単位は、３，４−ベンゾ−１，２，５−チアジアゾール部分である。]
[0064] いくつかの実施形態では、第二コモノマー繰返し単位は、式（２）のベンゾチアジアゾール部分、式（３）のチアジアゾロキノキサリン部分、式（４）の二酸化シクロペンタジチオフェン部分、式（５）の一酸化シクロペンタジチオフェン部分、式（６）のベンゾイソチアゾール部分、式（７）のベンゾチアゾール部分、式（８）の二酸化チオフェン部分、式（９）の二酸化シクロペンタジチオフェン部分、式（１０）の四酸化シクロペンタジチオフェン部分、式（１１）のチエノチオフェン部分、式（１２）の四酸化チエノチオフェン部分、式（１３）のジチエノチオフェン部分、式（１４）の二酸化ジチエノチオフェン、式（１５）の四酸化ジチエノチオフェン、式（１６）のテトラヒドロイソインドール部分、式（１７）の二酸化チエノチオフェン部分、式（１８）の二酸化ジチエノチオフェン部分、式（１９）のフルオレン部分、式（２０）のシロール部分、式（２１）のシクロペンタジチオフェン部分、式（２２）のフルオレノン部分、式（２３）のチアゾール部分、式（２４）のセレノフェン部分、式（２５）のチアゾロチアゾール部分、式（２６）のシクロペンタジチアゾール部分、式（２７）のナフトチアジアゾール部分、式（２８）のチエノピラジン部分、式（２９）のシラシクロペンタジチオフェン部分、式（３０）のオキサゾール部分、式（３１）のイミダゾール部分、式（３２）のピリミジン部分、式（３３）のベンズオキサゾール部分、または式（３４）のベンズイミダゾール部分：]
[0065] を挙げることができる。]
[0066] 先の式中、ＸおよびＹは、それぞれ独立して、ＣＨ２、ＯまたはＳであり；Ｒ５およびＲ６は、それぞれ独立して、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、Ｃ１−Ｃ２０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ＳＯ２Ｒ（式中、Ｒは、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ１−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである）であり；およびＲ７およびＲ８は、それぞれ独立して、Ｈ、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、またはＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルである。いくつかの実施形態では、第二コモノマー繰返し単位として、式（２）（式中、Ｒ５およびＲ６は、それぞれ、Ｈである）のベンゾチアジアゾール部分が挙げられる。]
[0067] 第二コモノマー繰返し単位は、少なくとも３個のチオフェン部分を含むことができる。いくつかの実施形態では、チオフェン部分の少なくとも１個が、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキルおよびＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルからなる群から選択される少なくとも１個の置換基で置換されている。ある実施形態では、第二コモノマー繰返し単位は、５個のチオフェン部分を含む。]
[0068] ポリマーは、さらに、チオフェン部分またはフルオレン部分を含有する第三コモノマー繰返し単位を含むことができる。いくつかの実施形態では、該チオフェンまたはフルオレン部分は、Ｃ１−Ｃ２０アルキル、Ｃ１−Ｃ２０アルコキシ、アリール、ヘテロアリール、Ｃ３−Ｃ２０シクロアルキル、およびＣ３−Ｃ２０ヘテロシクロアルキルからなる群から選択される少なくとも１個の置換基で置換される。]
[0069] いくつかの実施形態では、ポリマーは、第一、第二および第三コモノマー繰返し単位の任意の組合せによって形成されうる。ある実施形態では、ポリマーは、第一、第二および第三コモノマー繰返し単位のいずれかを含有するホモポリマーであることができる。]
[0070] いくつかの実施形態では、ポリマーは以下であることができる。]
[0071] （ここで、ｎは、１を超える整数でありうる。）
本明細書に記載するポリマーを調製するためのモノマーは、非芳香族二重結合、および１個以上の不斉中心を含有してもよい。したがって、これらは、ラセミ体およびラセミ混合物、単一鏡像体、個々のジアステレオマー、ジアステレオマー混合物、およびシス−またはトランス異性体形態として存在しうる。そのような異性体形態は全て意図するものである。]
[0072] 先に記載したポリマーは、当該分野で公知の方法、たとえば、同じ出願人の、同時係属中の米国特許出願第１１／６０１，３７４号（その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる）に記載の方法によって調製することができる。たとえば、共重合体は、遷移金属触媒の存在下、２個のアルキルスタニル基を含有する１種以上のコモノマーと、２個のハロ基を含有する１種以上のモノマーとの間の架橋反応によって調製することができる。別の例として、共重合体は、遷移金属触媒の存在下、２個のホウ酸基を含有する１種以上のモノマーと、２個のハロ基を含有する１種以上のモノマーとの間の架橋反応によって調製することができる。該コモノマーは、本明細書に記載された方法によって、または当該分野で公知の方法、たとえば、米国特許出願第１１／４８６，５３６号、Ｃｏｐｐｏら、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ２００３、３６、２７０５−２７１１、およびＫｕｒｔら、Ｊ．Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌ．Ｃｈｅｍ．１９７０、６、６２９（これらの内容は、参照によって本明細書に組み込まれる）に記載された方法によって調製することができる。]
[0073] 理論に束縛されるものではないが、前記ポリマーの利点は、それらの吸収波長が、電磁スペクトルの赤色および近ＩＲ領域（たとえば、６５０〜８００ｎｍ）に向かってシフトすることであり、これは、殆どの他の従来のポリマーでは得にくいものであると考えられる。そのようなポリマーを、従来のポリマーとともに光電池に導入した場合、電池は、スペクトルのこの領域において、光を吸収することが可能になり、それによって電池の電流および効率が増加する。]
[0074] いくつかの実施形態では、光活性層１２０は、第一バンドギャップを有し、光活性層１６０は、第一バンドギャップとは異なる第二バンドギャップを有する。そのような実施形態では、１つの光活性層で吸収されない光を、別の光活性層によって吸収することができ、それによって光電池１００の効率が増加する。]
[0075] 一般的に、光活性層１２０または１６０は、そこに衝突し、対応する電子および正孔を形成する光子の吸収が、比較的効率的であるくらい十分に厚く、正孔および電子の移送が比較的効率的であるくらい十分に薄い。ある実施形態では、光活性層１２０または１６０の厚さは、少なくとも０．０５ミクロン（たとえば、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、少なくとも約０．３ミクロン）および／または多くとも約１ミクロン（たとえば、多くとも約０．５ミクロン、多くとも約０．４ミクロン）である。いくつかの実施形態では、光活性層１２０または１６０の厚さは、約０．１ミクロン〜約０．２ミクロンである。]
[0076] 正孔輸送層１３０および１５０は、一般的に、光電池１００で使用される厚さで、正孔を電極１１０および１７０に移送し、電子の電極１１０および１７０への移送を実質的に遮断する材料で形成される。層１３０および１５０を形成することができる材料の例として、ポリチオフェン（たとえば、ドープされたＰＥＤＯＴ）、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レン、およびこれらの共重合体が挙げられる。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１３０および１５０は、正孔輸送材料の組合せを含むことができる。]
[0077] 一般的に、正孔輸送層１３０または１５０の厚さ（すなわち、第一光活性層１２０に接触する正孔輸送層１３０の表面と正孔輸送層１３０に接触する電極１４０の表面との間の距離、および第二光活性層１６０に接触する正孔輸送層１５０の表面と、正孔輸送層１５０に接触する電極１４０の表面との間の距離）は、所望により変化させることができる。概して、正孔輸送層１３０または１５０の厚さは、少なくとも０．０１ミクロン（たとえば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、少なくとも約０．３ミクロン、または少なくとも約０．５ミクロン）および／または多くとも約５ミクロン（たとえば、多くとも約３ミクロン、多くとも約２ミクロン、または多くとも約１ミクロン）である。いくつかの実施形態では、正孔輸送層１３０または１５０の厚さは、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンである。]
[0078] 場合によっては、タンデム型光電池１００は、光活性層１２０および電極１１０の間にある第一正孔遮断層（図１には示さず）と、光活性層１６０および電極１７０の間にある第二正孔遮断層（図１には示さず）とを含むことができる。一般的に、これら２つの正孔遮断層は、それぞれ、光電池１００において使用する厚さで、電子を電極１１０または１７０に移送し、正孔の電極１１０または１７０への移送を実質的に遮断する材料で形成されうる。正孔遮断層を形成することができる材料の例として、ＬｉＦ、金属酸化物（たとえば、酸化亜鉛、酸化チタン）、およびアミン（たとえば、第一、第二、または第三アミン）が挙げられる。正孔遮断層における使用に適切なアミンの例は、たとえば、同じ出願人の、同時係属中の米国特許仮出願第６０／９２６，４５９号に記載されており、この全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。] 図１
[0079] 理論に束縛されるものではないが、光電池１００がアミンで作られた正孔遮断層を含む場合、光活性層１２０と電極１１０との間の、または光活性層１６０と電極１７０との間の抵抗接点の形成を促進することができ、それによって、ＵＶ曝露によって起こる光電池１００へのダメージを減らすと考えられる。]
[0080] 概して、各正孔遮断層の厚さは、少なくとも０．０２ミクロン（たとえば、少なくとも約０．０３ミクロン、少なくとも約０．０４ミクロン、少なくとも約０．０５ミクロン）および／または多くとも約０．５ミクロン（たとえば、多くとも約０．４ミクロン、多くとも約０．３ミクロン、多くとも約０．２ミクロン、多くとも約０．１ミクロン）である。]
[0081] 一般的に、先に記載した電極１１０および１７０、光活性層１２０および１６０、正孔輸送層１３０および１５０、ならびに任意の正孔遮断層は、それぞれ、液体系被覆プロセス、たとえば、先に記載した方法の１つによって調製することができる。]
[0082] いくつかの実施形態では、１つの層（たとえば、層１１０〜１３０および１５０〜１７０の１つ）が無機半導体ナノ粒子を含む場合、液体系被覆プロセスは、（１）ナノ粒子を溶剤（たとえば、水性溶剤または無水アルコール）と混合して分散液を形成し、（２）該分散液を基板に被覆し、（３）被覆した分散液を乾燥することによって行うことができる。ある実施形態では、無機金属酸化物ナノ粒子を含有する層を調製する液体系被覆プロセスは、（１）前駆体（たとえば、チタン塩）を適切な溶剤（たとえば、無水アルコール）に分散して分散液を形成し、（２）該分散液を光活性層に被覆し、（３）該分散液を加水分解して無機半導体ナノ粒子層（たとえば、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することによって行うことができる。ある実施形態では、液体系被覆プロセスは、ゾル・ゲルプロセスによって行うことができる。]
[0083] 一般的に、有機半導体材料を含有する層の調製に使用される液体系被覆プロセスは、無機半導体材料を含有する層の調製に使用されるプロセスと、同じ、または異なってもよい。いくつかの実施形態では、１つの層（たとえば、層１１０〜１３０および１５０〜１７０の１つ）が、有機半導体材料を含む場合、液体系被覆プロセスは、有機半導体材料を溶剤（たとえば、有機溶剤）と混合して溶液または分散液を形成し、該溶液または分散液を基板に被覆し、被覆した溶液または分散液を乾燥することによって行うことができる。たとえば、有機光活性層は、電子供与体材料（たとえば、Ｐ３ＨＴ）および電子受容体材料（たとえば、Ｃ６１−ＰＣＢＭ）を適切な溶剤（たとえば、キシレン）中で混合して分散液を形成し、該分散液を基板に被覆し、被覆した分散液を乾燥することによって調製することができる。]
[0084] 本明細書で記載する液体系被覆プロセスは、高温（たとえば、少なくとも約５０℃、少なくとも約１００℃、少なくとも約２００℃、または少なくとも約３００℃）で行うことができる。該温度は、使用される被覆プロセスおよび被覆組成物のような種々の要因に基づいて調整することができる。たとえば、無機ナノ粒子を含有する層を調製する場合、ナノ粒子を高温（たとえば、少なくとも約３００℃）で焼結し、相互に接続されたナノ粒子を形成することができる。一方、高分子架橋剤（たとえば、ポリ（ｎ−ブチルチタネート））を無機ナノ粒子に加える場合、焼結処理は、低温（たとえば、約３００℃未満）で行うことができる。]
[0085] 一般的に、タンデム型光電池１００を製造する方法は、要望に応じて、変化することができる。いくつかの実施形態では、タンデム型光電池１００は、各層を、下部から頂部へ、順番に作成することによって製造することができる。いくつかの実施形態では、タンデム型光電池１００は、（１）電極１４０を正孔輸送層１３０および１５０の間に配置して第一中間品を形成し、（２）該第一中間品を光活性層１２０および１６０の間に配置して第二中間品を形成し、（３）該第二中間品を電極１１０および１７０の間に配置することによって製造することができる。いくつかの実施形態では、タンデム型光電池１００は、光活性層１２０を電極１１０上に形成（たとえば、液体系被覆組成物を電極１１０上に配置することによって）して中間品を提供し、追加の部品（たとえば、電極１４０および１７０、正孔輸送層１３０および１５０、ならびに光活性層１６０）を中間品に形成することによって製造することができる。たとえば、正孔輸送層１３０および電極１４０は、中間品上に順番に設置して第二中間品を形成することができる。次いで、正孔輸送層１５０、光活性層１６０、および電極１７０を、第二中間品上に順番に設置してタンデム型光電池１００を形成することができる。いくつかの実施形態では、タンデム型光電池１００の少なくとも部分（たとえば、タンデム型光電池１００全体）を、ロール・ツー・ロールプロセスによって製造する。一般的に、電極間の電気的接続および電極と外部負荷との間の電気的接続は、当該分野で周知の方法によって調製することができる。]
[0086] いくつかの実施形態を開示してきたが、他の実施形態も可能である。
いくつかの実施形態では、光電池１００は、頂部として陰極、および下部電極と、中間電極として陽極とを含む。いくつかの実施形態では、光電池１００は、頂部として陽極、および下部電極と、中間電極として陰極を含むこともできる。]
[0087] いくつかの実施形態では、並列タンデム型光電池は、図１に示した層を、異なる順番で含むことができる。たとえば、図２は、電極２１０と、正孔輸送層２２０と、光活性層２３０と、電極２４０と、光活性層２５０と、正孔輸送層２６０と、電極２７０と、電極２１０および２７０を接続する電気的接続と、電極２１０、２４０および２７０を介して光電池２００に電気的に接続する外部負荷２８０とを備える並列タンデム型光電池２００を示す。また、光電池２００は、電極２４０と光活性層２３０との間に正孔遮断層（図２には示さず）、および電極２４０と光活性層２５０との間に正孔遮断層（図２には示さず）を含むこともできる。] 図１ 図２
[0088] 図１では、光電池１００が電気的に並列に接続された２個の半電池を含むものを示したが、光電池は、電気的に直列に接続された２個の半電池を含むこともできる。たとえば、図３は、電極３１０と、正孔輸送層３２０と、光活性層３３０と、電極３４０と、光活性層３５０と、正孔輸送層３６０と、電極３７０と、電極３１０および３７０を介して光電池３００に電気的に接続された外部負荷３８０とを備える直列接続タンデム型光電池３００を示す。光電池３００は、光活性層３３０と電極３４０との間に正孔遮断層（図３には図示せず）、および電極３４０と光活性層３５０との間に正孔遮断層（図３には図示せず）を含むこともできる。] 図１ 図３
[0089] 図１では、光電池１００が、２個の半電池を含むものを示したが、いくつかの実施形態では、光電池１００は、２個を超える半電池（たとえば、３、４、５、１０、２０、５０、または１００個）の半電池を含むことができる。いくつかの実施形態では、半電池の全てが、電気的に並列に接続されている。いくつかの実施形態では、半電池のいくつかは電気的に直列に接続され、半電池のいくつかは電気的に並列に接続されている。] 図１
[0090] いくつかの実施形態では、複数のタンデム型光電池を電気的に接続し、光起電力システムを形成することができる。例として、図４は、複数のタンデム型光電池４２０を含有するモジュール４１０を備える光起電力システム４００の概略図である。電池４２０は電気的に直列に接続され、システム４００は、負荷４３０に電気的に接続されている。別の例として、図５は、複数のタンデム型光電池５２０を含有するモジュール５１０を備える光起電力システム５００の概略図である。電池５２０は電気的に並列に接続され、システム５００は負荷５３０に電気的に接続されている。いくつかの実施形態では、光起電力システム中の光電池のいくつか（たとえば、全て）が、１個以上の共通基板を有しうる。ある実施形態では、光起電力システム中のいくつかのタンデム型光電池は、電気的に直列に接続され、光起電力システム中のタンデム型光電池のいくつかは、電気的に並列に接続されている。] 図４ 図５
[0091] 光電池を先に記載してきたが、いくつかの実施形態では、本明細書で記載した電極は、他の電子装置およびシステムを作成するために使用することができる。たとえば、該電極は、適切な有機半導体装置、たとえば、電解効果トランジスタ（たとえば、ＩＲ検出器）、光起電力検出器、撮像装置（たとえば、カメラ用のＲＧＢ撮像装置または医療用撮像システム）、発光ダイオード（ＬＥＤ）（たとえば、有機ＬＥＤまたはＩＲもしくは近ＩＲ ＬＥＤ）、レーザー装置、変換層（たとえば、可視発光をＩＲ発光に変換する層）、通信用の増幅器およびエミッタ、（たとえば、ファイバー用ドーパント）、記憶素子（たとえば、ホログラフィック記憶素子）、およびエレクトロクロミック素子（たとえば、エレクトロクロミック・ディスプレイ）に使用することができる。]
[0092] 以下の実施例は、説明的なものであって、限定するものではない。]
[0093] 先ず、薄いＴｉＯｘ層をＰＥＴ：ＩＴＯ基板に設置した。次いで、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭのキシレン溶液をＴｉＯｘ層に６５℃、６０ｍｍ／秒の速さで、ブレードコーティングすることによって、活性層を調製した。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの正孔輸送層を、８０℃、２．５ｍｍ／秒の速さで、活性層の頂部にブレードコーティングした。クロム（１ｎｍ）および金（４ｎｍ）の薄い半透明層の連続熱蒸発によって、第一半電池を調製した。８０℃、２．５ｍｍ／秒の速さでＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをブレードコーティングし、次いでＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭの活性層を、２５℃、２５ｍｍ／秒の速さで、ブレードコーティングすることにより形成し、次いでアルミニウムの熱蒸発によって、第二半電池を調製した。]
[0094] 並列タンデム型光電池、ならびに第一および第二半電池それぞれ単独の性能を、ＡＭ１．５照明条件下、２５℃で、Ｓｔｅｕｅｒｎａｇｅｌ太陽光シミュレータおよびＫＥＩＴＨＬＥＹ２４００ＳＭＵ検出器を使用して測定した。検出器をＩＴＯおよび金電極に接触させることによって、第一半電池の性能を測定し、検出器を金およびアルミニウム電極に接触させることによって、第二半電池の性能を測定した。検出器を、正電極として金に、また、負電極としてＩＴＯおよびアルミニウムに一緒に接触させることによって、タンデム型光電池の性能を測定した。]
[0095] ２個の半電池を電気的に並列に接続した場合、第一半電池（すなわち、入射光が最初にタンデム型光電池に入射する半電池）には、第二半電池より、非常に大きな電流（漏洩または電子入射電流）が現れるという結果を示した。並列タンデム型光電池の全体の電流（たとえば、漏洩電流または電子入射電流）は、第一半電池の電流と、第二半電池の電流の半分との略合計であった。並列タンデム型光電池は、各半電池に比べ、より高い効率を示した。]
実施例

[0096] 他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。]

权利要求:

請求項1
第一電極と、第三電極と、該第一および第三電極の間にある第一光活性層とを含む第一半電池と、第二電極と、前記第三電極と、該第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含む第二半電池とを含むシステムであって、前記第一および第二半電池は、電気的に並列に接続され、前記第三電極は、前記第一および第二電極の間にあり、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択される第一材料を含み、該システムは、光起電力システムとして構成されるシステム。
請求項2
前記第三電極は、第二材料をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
請求項3
前記第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマー、またはこれらの組合せを含む、請求項２に記載のシステム。
請求項4
前記第二材料は、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウムスズ、および酸化スズからなる群から選択される金属酸化物を含む、請求項３に記載のシステム。
請求項5
前記金属酸化物は、ナノ粒子の形態である、請求項４に記載のシステム。
請求項6
前記第二材料は、ポリチオフェン、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レンおよびこれらの共重合体からなる群から選択される導電性ポリマーを含む、請求項３に記載のシステム。
請求項7
前記第一材料は、鉄、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタンおよびこれらの合金からなる群から選択される金属を含む、請求項１に記載のシステム。
請求項8
前記第一材料は、金属ナノ粒子または金属ナノロッドを含む、請求項１に記載のシステム。
請求項9
前記第一材料は、金属メッシュまたは金属グリッドを含む、請求項１に記載のシステム。
請求項10
前記第三電極は、第一電極層および第二電極層を含む、請求項２に記載のシステム。
請求項11
前記第一電極層は前記第二材料の第一種を含み、および前記第二電極層は前記第二材料の第二種を含む、請求項１０に記載のシステム。
請求項12
前記第一種は、前記第二種とは異なる、請求項１１に記載のシステム。
請求項13
前記第一および第二種は、それぞれ、ｎ型半導体材料を含む、請求項１１に記載のシステム。
請求項14
前記第一および第二種は、それぞれ、ｐ型半導体材料を含む、請求項１１に記載のシステム。
請求項15
前記第三電極は、前記第一および第二電極層の間に導電性層をさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
請求項16
前記導電性層は、前記第一材料を含む、請求項１５に記載のシステム。
請求項17
前記第一光活性層と前記第一電極との間に第一正孔輸送層と、前記第二光活性層と前記第二電極との間に第二正孔輸送層とをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
請求項18
前記第一光活性層と前記第三電極との間に第一正孔遮断層と、前記第二光活性層と前記第三電極との間に第二正孔遮断層とをさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
請求項19
前記第一光活性層と前記第一電極との間に第一正孔遮断層と、前記第二光活性層と前記第二電極との間に第二正孔遮断層とをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
請求項20
前記第一光活性層と前記第三電極との間に第一正孔輸送層と、前記第二光活性層と前記第三電極との間に第二正孔輸送層とをさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
請求項21
前記第三電極の厚さは、少なくとも約１０ｎｍである、請求項１に記載のシステム。
請求項22
前記第三電極の厚さは、多くとも約１ミクロンである、請求項１に記載のシステム。
請求項23
前記第三電極の表面抵抗は、多くとも約５００Ω／ｃｍ２である、請求項１に記載のシステム。
請求項24
前記第三電極の表面抵抗は、多くとも１０Ω／ｃｍ２である、請求項１に記載のシステム。
請求項25
前記第三電極の透過率は、少なくとも約６０％である、請求項１に記載のシステム。
請求項26
前記第三電極の透過率は、少なくとも約８０％である、請求項１に記載のシステム。
請求項27
前記光起電力システムは、タンデム型光電池を含む、請求項１に記載のシステム。
請求項28
システムの使用中、同じ極性を有する第一および第二電極と、前記第一および第二電極の間にある第三電極であって、システムの使用中、該第一および第二電極の極性とは反対の極性を有する第三電極と、前記第一および第三電極の間にある第一光活性層と、前記第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含むシステムであって、前記第三電極は、第一および第二材料を含み、該第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、該第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択され、ならびにシステムは、光起電力システムとして構成されるシステム。
請求項29
前記光起電力システムは、タンデム型光電池を含む、請求項２８に記載のシステム。
請求項30
第一および第二光活性層の間に第三電極を配置し、中間品を形成するステップと、第一および第二電極の間に該中間品を配置し、電気的に並列に接続された第一および第二半電池を形成するステップとを含む方法であって、前記第一半電池は、前記第一電極と、前記第三電極と、前記第一光活性層とを含み、前記第二半電池は、前記第二電極と、前記第三電極と、前記第二光活性層とを含み、前記第三電極は、液体系被覆プロセスによって配置される方法。
請求項31
前記液体系被覆プロセスは、溶液被覆、インクジェット印刷、スピン被覆、浸漬被覆、ナイフ被覆、バー被覆、噴霧被覆、ローラー被覆、スロット被覆、グラビア被覆、フレキソ印刷またはスクリーン印刷を含む、請求項３０に記載の方法。
請求項32
前記第三電極は、液体系被覆組成物から調製される、請求項３０に記載の方法。
請求項33
前記液体系被覆組成物は、半導体材料またはその前駆体を含む、請求項３２に記載の方法。
請求項34
前記液体系被覆組成物は、金属酸化物またはその前駆体、導電性ポリマー、またはこれらの組合せを含む、請求項３３に記載の方法。
請求項35
前記液体系被覆組成物は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料をさらに含む、請求項３３に記載の方法。
請求項36
前記液体系被覆組成物は、ゾル−ゲル組成物を含む、請求項３２に記載の方法。
請求項37
第一光活性層によって支持された第三電極を形成し、中間品を提供するステップであって、該第三電極は、液体系被覆組成物から形成されているステップと、追加の部品を中間品に形成し、光起電力システムを提供するステップとを含む方法であって、該光起電力システムは、第一電極と、第三電極と、該第一および第三電極の間にある第一光活性層とを含む第一半電池と、第二電極と、第三電極と、該第二および第三電極の間にある第二光活性層とを含む第二半電池とを含み、該第一および第二半電池は電気的に接続されている方法。
請求項38
液体系被覆組成物が第一光活性層によって支持されるように、該組成物を配置するステップと、該組成物から、第一および第二材料を含む第一電極を形成するステップとを含む方法であって、前記第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、前記第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択され、これにより、前記第一光活性層と前記第一電極とを含む中間品を提供する方法。
請求項39
前記中間品を第二電極に配置し、第一半電池を形成するステップをさらに含み、前記第一半電池は、第一および第二電極と、該第一および第二電極の間にある第一光活性層とを含む、請求項３８に記載の方法。
請求項40
第二光活性層を第一電極に配置するステップと、第三電極を該第二光活性層に配置し、第二半電池を形成するステップとをさらに含み、該第二半電池は、第一および第三電極と、該第一および第三電極の間にある前記第二光活性層とを含み、前記第一および第二半電池は電気的に接続されている、請求項３９に記載の方法。
請求項41
２個の半電池と、該２個の半電池の間にある共有電極とを含むタンデム型光電池を含むシステムであって、該共有電極は第一および第二材料を含み、該第一材料は、金属、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、フラーレンおよびこれらの組合せからなる群から選択され、該第二材料は、金属酸化物、導電性ポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択されるシステム。
請求項42
第一電極、第二電極、並びに、該第一および第二電極の間にある第三電極と、前記第一および第三電極の間にある第一光活性層、並びに、前記第二および第三電極の間にある第二光活性層と、前記第一光活性層と前記第三電極との間にある第一正孔輸送層、並びに、前記第二光活性層と前記第三電極との間にある第二正孔輸送層とを含むシステムであって、該システムは、光起電力システムとして構成されるシステム。
請求項43
第一および第二正孔遮断層をさらに含み、該第一正孔遮断層は、前記第一光活性層と前記第一電極との間にあり、該第二正孔遮断層は、前記第二光活性層と前記第二電極との間にある、請求項４２に記載のシステム。
請求項44
第一電極、第二電極、並びに、該第一および第二電極の間にある第三電極と、前記第一および前記第三電極の間にある第一光活性層、並びに、前記第二および前記第三電極の間にある第二光活性層と、前記第一光活性層と前記第一電極との間にある第一正孔輸送層、並びに、前記第二光活性層と前記第二電極との間にある第二正孔輸送層とを含むシステムであって、該システムは、光起電力システムとして構成されるシステム。
請求項45
第一および第二正孔遮断層をさらに含み、該第一正孔遮断層は、前記第一光活性層と前記第三電極との間にあり、該第二正孔遮断層は、前記第二光活性層と前記第三電極との間にある、請求項４４に記載のシステム。