JP2009535860A - ファイバ光起電性デバイスおよびその応用 - Google Patents

Abstract

本発明は、有機光電子デバイスそして特にファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスに関する。１つの実施形態においては、光起電性デバイスは、インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、そして有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む。

Description

先行関連米国出願データ
本出願は、ここで２００６年５月１日出願の米国仮特許出願第６０／７９６，６０８号明細書に対する優先権を主張するものである。

政府の許諾権に関する記載事項
本発明は、国防省の支援を通して行なわれたものである（米国空軍科学研究局（ＡＦＳＯＲ）補助金交付番号ＦＡ９５５０−０４−１−０１６１号）。連邦政府は、本発明の特定の許諾権を保有し得る。

本発明は、有機光電子デバイス、および特にファイバ構造をもつ有機光電子デバイスに関する。

有機材料を用いた光電子デバイスは、数多くの理由から多様な利用分野において増々望ましいものになってきている。有機光電子デバイスを構築するために用いられる材料は、その無機対応物に比べて相対的に安価であり、かくして無機材料で製造される光電子デバイスに優るコスト面の利点を提供する。その上、有機材料は可撓性などの所望の物理的特性を提供し、剛性材料に適さない利用分野におけるこれらの使用を可能にしている。有機光電子デバイスの例には、有機光起電性電池、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）および有機光検出器が含まれる。

光起電性デバイスは、負荷を横断して接続され光に曝露された場合に光生成電流を生成することによって、電磁放射線を電気に変換する。光起電性電池により生成された電力は、照明、加熱、バッテリ充電および電気エネルギーを必要とする動力供給デバイスを含めた数多くの利用分野で使用可能である。

無限の負荷の下で照射された場合に、光起電性デバイスはその可能最大電圧、開回路電圧つまりＶ_ｏｃを生成する。電気接点が短絡した状態で照射された場合、光起電性デバイスはその最大電流Ｉ短絡、つまりＩ_ｓｃを生成する。作動条件下で光起電性デバイスは有限負荷に接続され、電力出力は電流と電圧との積に等しい。光起電性デバイスにより生成される最大電力は、Ｖ_ｏｃとＩ_ｓｃの積を上回ることはできない。負荷値が最大電力生成のために最適化されている場合、電流と電圧は、それぞれＩ_ｍａｘとＶ_ｍａｘの値を有する。

光起電性電池の性能を評価する上での主な特性は、曲線因子ｆｆである。曲線因子は、光起電性電池の実際の電力の、電流および電圧の両方がその最大にある場合のその電力に対する比率である。光起電性電池の曲線因子は、以下の等式（１）に従って提供される。
ｆｆ＝（Ｉ_ｍａｘＶ_ｍａｘ）／（Ｉ_ｓｃＶ_ｏｃ） （１）
光電池の曲線因子は、作動条件下でＩ_ｓｃおよびＶ_ｏｃが決して同時に得られないことから、つねに１よりも小さい。それでも、曲線因子が１という値に近づくにつれて、デバイスは、より低い内部抵抗しか示さず、従って最適な条件下で負荷に対しより大きい百分率の電力を送出する。

光起電性デバイスはさらに、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するその効率によって特徴づけされる。光起電性デバイスの変換効率η_ｐは、以下の等式（２）に従って求められ、式中Ｐ_ｉｎｃは光電池への入射光の電力である。
η_ｐ＝ｆｆ^*（Ｉ_ｓｃＶ_ｏｃ）／Ｐ_ｉｎｃ （２）

結晶質またはアモルファスシリコンを用いたデバイスが商業的利用分野では優勢であり、いくつかは２３％以上の効率を達成した。しかしながら、特に大きい表面積をもつ効率の良い結晶質ベースのデバイスは、励起子再結合を促進する結晶質欠陥を含まない大きな結晶を製造する上での問題に起因して、製造が難しくかつ高価である。市販されているアモルファスシリコン光起電性電池は、約４〜１２％の範囲内の効率を示す。

無機デバイスに匹敵する効率をもつ有機光起電性デバイスを構築することは、技術的課題を提起する。いくつかの有機光起電性デバイスは、およそ１％以下の効率を示す。有機光起電性デバイスに見られる低い効率は、励起子拡散長（Ｌ_Ｄ）と有機層の厚みとの間の重大な長さスケールの不整合の結果である。可視電磁放射線を効率的に吸収するためには、有機フィルムは約５００ｎｍの厚みを有していなくてはならない。この厚みは、標準的に約５０ｎｍである励起子拡散長を大幅に上回り、往々にして励起子結合をもたらす。

ファイバ構造を含む有機光起電性デバイスおよび電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法における導波の使用が、「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｈｅｒｅｏｆ」という題で、Ｗａｋｅ Ｆｏｒｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙに譲渡された２００６年５月１日出願のＰＣＴ出願の中で記されている通り、開発されている。ファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスは、無機デバイスに匹敵するかそれ以上の変換効率を提供する。しかしながら、ファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスの効率をさらに増強することが望ましいと思われる。

本発明は、ファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスを提供する。一実施形態においては、本発明は、インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む、有機光起電性デバイスを提供する。

もう１つの実施形態においては、本発明は、ファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み、有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む有機光起電性デバイスにおいて、感光性有機層が少なくとも１つのアップコンバータ、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む有機光起電性デバイスを提供する。

もう１つの実施形態においては、本発明は、少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスにおいて、この光起電性電池がインジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む光電子デバイスを提供する。

もう１つの実施形態においては、光電子デバイスは、少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含み、光起電性電池はファイバコア、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含み、ここで感光性有機層は、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。

いくつかの実施形態においては、画素は複数の光起電性電池を含む。他の実施形態においては、光電子デバイスが画素アレイを含む。さらなる実施形態においては、光電子デバイスが画素アレイを含み、各画素が複数の光起電性電池を含む。

本発明は同様に、光ファイバコアを提供する工程、光ファイバコアの表面上に放射線透過性の第１の電極を配置する工程、第１の電極と電気的連絡状態で少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程を含むファイバ光起電性デバイスの生産方法において、少なくとも１つの感光性有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む方法も提供する。

もう１つの実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスの生産方法には、インジウムスズ酸化物ファイバコアを提供する工程、インジウムスズ酸化物ファイバコアと電気的連絡状態で少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および感光性有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程が含まれる。

本発明はさらに、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法を提供する。一実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法は、光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程、少なくとも１つの感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程、有機層内で励起子を生成する工程、および励起子を電子と正孔とに分離する工程を含み、有機層は少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、いくつかの実施形態においては、電子を外部回路内に取り出す工程をさらに含む。

もう１つの実施形態では、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法は、インジウムスズ酸化物ファイバの長手軸に沿って電磁放射線を受ける工程、インジウムスズ酸化物ファイバを取り囲む少なくとも１つの感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程、有機層内で励起子を生成する工程および励起子を電子と正孔とに分離する工程を含む。

本発明の方法のいくつかの実施形態においては、受理される電磁放射線は、可視電磁放射線、赤外電磁放射線、紫外電磁放射線またはこれらの組合せを含む。

本発明のこれらのおよび他の実施形態は、以下の本発明の詳細な説明の中でさらに詳しく記述される。

本発明は、ファイバ構造をもつ有機光起電性デバイスを提供する。１つの実施形態においては、本発明は、インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む有機光起電性デバイスを提供する。

もう１つの実施形態においては、本発明は、光ファイバコア、光ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み、有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む有機光起電性デバイスにおいて、有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む有機光起電性デバイスを提供する。

光ファイバコア、第１および第２の電極および感光性有機層を含む本発明の一実施形態に従った光起電性デバイスの構成要素に適した組成物は、２００６年５月１日出願の「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｈｅｒｅｏｆ」という題のＰＣＴ出願において説明されている。

ここで本発明の光起電性デバイスのさまざまな実施形態の中に含まれている可能性のある構成要素を見てみると、本発明の光起電性デバイスは、光ファイバコアを含む。本発明のいくつかの実施形態においては、本発明の光起電性デバイスの光ファイバコアは、インジウムスズ酸化物ファイバを含む。光ファイバコアがインジウムスズ酸化物ファイバを含む場合、分離した全く異なる第１の電極は任意であってよい。インジウムスズ酸化物ファイバコアは、いくつかの実施形態においては、光ファイバコアおよび第１の電極の両方として機能する。他の実施形態においては、放射線透過性伝導性酸化物を含む第１の電極を、インジウムスズ酸化物ファイバの表面上に配置してもよい。かかる実施形態においては、放射線透過性伝導性酸化物は、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）、亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（ＡＴＯ）、またはインジウムスズ酸化物を含むことができる。

もう１つの実施形態においては、少なくとも部分的に可視放射線を透過させるように操作可能な厚みをもつ金属を含む第１の電極を、インジウムスズ酸化物ファイバの表面上に配置してもよい。いくつかの実施形態において、放射線透過性の第１の電極として用いるのに適した金属には、元素的に純粋な金属または合金が含まれる。いくつかの実施形態においては、適切な金属には、金および銀などの高い仕事関数をもつ金属が含まれる。例えば、一実施形態においては、高い仕事関数の金属は、４．７ｅＶ超の仕事関数を有する。金属を含む第１の電極は、少なくとも部分的に可視放射線を通過させるように操作可能な厚みを有し得る。いくつかの実施形態では、金属を含む放射線透過性の第１の電極は、約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲内の厚みを有する。他の実施形態においては、金属を含む放射線透過性の第１の電極は約７５ｎｍ〜約１５０ｍｍの範囲内の厚みを有し得る。さらなる実施形態においては、金属を含む放射線透過性の第１の電極は、約１００ｎｍ〜約１２５ｎｍの範囲内の厚みを有する。

さらなる実施形態においては、ポリマー相内に分散したナノ粒子相を含む複合材料を含む放射線透過性の第１の電極を、インジウムスズ酸化物ファイバの表面上に配置してもよい。ナノ粒子相は、１つの実施形態において、カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。

その上、いくつかの実施形態においては、光ファイバコアは、ガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を含む。いくつかの実施形態においては、プラスチック光ファイバはポリメチルメタクリレートで構築されている。他の実施形態においては、プラスチック光ファイバは、ペルフルオロシクロブタンポリ（アリールエチル）などのポリマーを含むペルフルオロシクロブタン（ＰＦＢＣ）で構築されている。本発明のいくつかの実施形態に従った光ファイバは、単一モード光ファイバおよび多モード光ファイバを含み得る。本発明で使用するための光ファイバは、いくつかの実施形態において可撓性である。

いくつかの実施形態においては、本発明の光起電性デバイスの光ファイバコアは、約１μｍ〜約２ｍｍの範囲内の直径を有する。他の実施形態においては、光ファイバコアは、約９０μｍ〜約１ｍｍの範囲内の直径を有することができる。さらなる実施形態においては、ファイバコアは、約２０μｍ〜約８００μｍの範囲内の直径を有する。

いくつかの実施形態に従った光ファイバコアは、約５００ｎｍ〜約１００ｍｍの範囲の長さを有する。他の実施形態においては、光ファイバコアは約１μｍ〜約１ｍｍの範囲内の長さを有する。さらなる実施形態においては、光ファイバコアは約１０μｍ〜約１００μｍの範囲内の長さを有する。

さらなる実施形態においては、有機光起電性デバイスの光ファイバコアは、一方の端部または両方の端部で面取りされているかまたはテーパー付きであり得る。いくつかの実施形態において、光ファイバコアの一方の端部または両方の端部に面取りまたはテーパーを施すことにより、コアによる電磁放射線の受理を増強させることができる。他の実施形態においては、本発明の有機光起電性デバイスの光ファイバコアにより受理される電磁放射線の量を増加させるために、集光装置および／または光学用レンズを使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態においては、光起電性デバイスは、光ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極を含む。本明細書で使用する「放射線透過性の」という用語は、電磁スペクトルの可視領域内の放射線を少なくとも部分的に通過させる能力を意味する。いくつかの実施形態においては、放射線透過性材料は、最小限の吸収または他の干渉しか伴わずに、可視電磁放射線を通過させることができる。その上本明細書で使用される電極というのは、外部回路に対して光生成電流を送出するかまたは光電子デバイスにバイアス電圧を提供するための媒体を提供する層を意味する。電極は、外部回路へまたは外部回路から電荷担体を搬送するための電線、リード線、トレースまたは他の手段と有機光起電性デバイスの光活性領域との間の界面を提供する。

本発明のいくつかの実施形態に従った放射線透過性の第１の電極は、放射線透過性伝導性酸化物を含む。放射線透過性伝導性酸化物は、いくつかの実施形態において、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（ＡＴＯ）および亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）を含む。もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、ポリアナリン（ＰＡＮＩ）およびその化学的類縁体などの放射線透過性のポリマー材料を含む。いくつかの実施形態においては、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が第１の電極のための適切な放射線透過性ポリマー材料である。他の実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、少なくとも部分的に可視電磁放射線を通過させるように操作可能な厚みをもつカーボンナノチューブ層を含む。

もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、ポリマー相内に分散されたナノ粒子相を含む複合材料を含む。１つの実施形態において、ナノ粒子相は、カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。さらなる実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、少なくとも部分的に可視電磁放射線を通過させるように操作可能な厚みをもつ金属層を含む。いくつかの実施形態においては、金属層は、元素的に純粋な金属または合金を含み得る。放射線透過性の第１の電極として使用するのに適切な金属は、本明細書で記述されている通り、高い仕事関数の金属を含み得る。

いくつかの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、約１０ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する。他の実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は、約１００ｎｍ〜約９００ｎｍの範囲内の厚みを有する。もう１つの実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有する。さらなる実施形態においては、放射線透過性の第１の電極は１μｍ超の厚みを有し得る。

光起電性デバイスは、本発明のいくつかの実施形態においては、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む少なくとも１つの感光性有機層を含む。光起電性デバイスは、いくつかの実施形態では、複数の感光性有機層を含み得る。

いくつかの実施形態においては、感光性有機層は約３０ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する。他の実施形態においては、感光性有機層は、約８０ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有する。さらなる実施形態においては、感光性有機層は約１００ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲内の厚みを有する。

本発明の実施形態に従った感光性有機層は、内部に電磁放射線が吸収されて、後で電子と正孔に解離し得る励起子を生成する少なくとも１つの光活性領域を含む。いくつかの実施形態においては、光活性領域はポリマーを含み得る。感光性有機層の光活性領域内で使用するのに適したポリマーは、１つの実施形態において、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）、およびポリチオフェン（ＰＴｈ）を含むチオフェンなどの共役ポリマーを含み得る。

いくつかの実施形態においては、感光性有機層の光活性領域において使用するのに適したポリマーは、半導体ポリマーを含み得る。一実施形態においては、半導体ポリマーには、ポリ（フェニレンビニレン）およびポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）などのフェニレンビニレンおよびその誘導体が含まれる。他の実施形態においては、半導体ポリマーは、ポリフルオレン、ナフタレンおよびこれらの誘導体を含む。さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内で使用するための半導体ポリマーは、ポリ（２−ビニルピリジン）（Ｐ２ＶＰ）、ポリアミド、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）（ＰＶＣＺ）、ポリピロール（ＰＰｙ）およびポリアニリン（ＰＡｎ）を含む。

いくつかの実施形態に従った光活性領域は、小分子を含み得る。一実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内で使用するのに適した小分子は、クマリン６、クマリン３０、クマリン１０２、クマリン１１０、クマリン１５３およびクマリン４８０Ｄを含む。もう１つの実施形態においては、小分子はメロシアニン５４０を含む。さらなる実施形態においては、小分子は、９，１０−ジヒドロベンゾ［ａ］ピレン−７（８Ｈ）−オン、７−メチルベンゾ［ａ］ピレン、ピレン、ベンゾ［ｅ］ピレン、３，４−ジヒドロキシ−３−シクロブテン−１，２−ジオン、および１，３−ビス［４−ジメチルアミノ］フェニル−２，４−ジヒドロキシシクロブテンジイリウムジヒドロキシドを含む。

本発明のいくつかの実施形態においては、励起子解離は、隣接するドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された有機層内のヘテロ接合において誘起される。本発明のいくつかの実施形態において、有機層は、ドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む。他の実施形態においては、有機層は、ドナー材料とアクセプタ材料との間に形成された複数のバルクヘテロ接合を含む。

有機材料に関連して、ドナーおよびアクセプタという用語は、２つの接触するものの異なる有機材料の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）および最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベルの相対的位置を意味する。これは、ドナーおよびアクセプタがそれぞれ無機ｎ型およびｐ型層を作り出すことが可能なドーパントの型を意味し得る、無機関連でのこれらの用語の使用と対照的である。有機関連では、もう１つの材料と接触状態にある１つの材料のＬＵＭＯエネルギーレベルがより低いものである場合には、その材料はアクセプタである。そうでなければ、それはドナーである。外部バイアスが存在しない場合、ドナー・アクセプタ接合における電子がアクセプタ材料内に移動し、正孔がドナー材料内に移動することがエネルギー的に有利である。

本発明のいくつかの実施形態に従った感光性有機層内の光活性領域は、ポリマー複合材料を含む。ポリマー複合材料は、一実施形態において、ポリマー相内に分散したナノ粒子相を含み得る。光活性領域のポリマー相を生産するのに適したポリマーは、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）およびポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）を含めたチオフェンなどの共役ポリマーを含み得る。いくつかの実施形態において、光活性領域のポリマー相を生産するのに適したポリマーは、ポリ［２−（３−チエニル）−エトキシ−４−ブチルスルホネート］（ＰＴＥＢＳ）、２−メトキシ−５−（３’，７’−ジメチルオクチルオキシ）−１，４−フェニレン−ビニレン（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）およびポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）を含む。

いくつかの実施形態においては、ポリマー複合材料のポリマー相内に分散されたナノ粒子相は、少なくとも１つのカーボンナノ粒子を含む。カーボンナノ粒子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、またはこれらの混合物を含み得る。１つの実施形態においてナノ粒子相中で使用するのに適したフラーレンは、１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ_６１（ＰＣＢＭ）を含み得る。いくつかの実施形態に従ったナノ粒子相内で使用するためのカーボンナノチューブは、単一壁ナノチューブ、多重壁ナノチューブまたはこれらの混合物を含み得る。

本発明のいくつかの実施形態においては、ポリマー複合材料中のポリマー対ナノ粒子の比率は約１：４〜約１：０．４の範囲内にある。他の実施形態においては、ポリマー複合材料中のポリマー対ナノ粒子の比率は約１：２〜約１：０．６の範囲内にある。例えば、一実施形態においては、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）対ＰＣＢＭの比率は約１：１〜約１：０．４の範囲内にある。

さらなる実施形態においては、ポリマー相中に分散したナノ粒子相は少なくとも１つのナノウイスカを含む。本明細書で使用するナノウイスカは、複数のカーボンナノ粒子から形成された結晶質カーボンナノ粒子を意味する。いくつかの実施形態においては、ナノウイスカは、ポリマー複合材料を含む感光性有機層をアニールすることにより生産される。いくつかの実施形態によれば、ナノウイスカを形成するように操作可能なカーボンナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブおよびフラーレンを含み得る。１つの実施形態においては、ナノウイスカは結晶質ＰＣＢＭを含む。いくつかの実施形態において、感光性有機層をアニールすることによって、ポリマー相中のナノ粒子相の分散をさらに増大させることができる。

ポリマー相とナノ粒子相を含む光活性領域の実施形態においては、ポリマー相はドナー材料の役目を、ナノ粒子相はアクセプタ材料の役目をすることで、正孔および電子への励起子の分離のためのヘテロ接合を形成する。ナノ粒子がポリマー相全体を通して分散している実施形態においては、有機層の光活性領域は複数のバルクヘテロ接合を含む。

さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域中のドナー材料は、ポルフィリン、フタロシアニンおよびこれらの誘導体を含む有機金属化合物を含み得る。光活性領域中での有機金属材料の使用を通して、かかる材料を取込んだ感光性デバイスは、三重項励起子を効率良く利用し得る。一重項〜三重項の混合は有機金属化合物にとって非常に強力であるため、吸収には一重項基底状態から直接三重項に励起した状態への励起が関与し、一重項励起状態から三重項励起状態への変換に付随する損失が無くなる可能性があると考えられている。一重項励起子に比べ三重項励起子の寿命および拡散長が長いことは、三重項励起子はデバイスの効率を犠牲にすることなくドナー・アクセプタヘテロ接合に達するようにさらに長い距離にわたり拡散しうるため、より厚い光活性領域での使用が可能となるかもしれない。

さらなる実施形態においては、感光性有機層の光活性領域内のアクセプタ材料は、ペリレン、ナフタレンおよびこれらの混合物を含み得る。

本明細書に提供されている通り、本発明のいくつかの実施形態に従った感光性有機層は、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せは、当業者に公知の技術により感光性有機層の中に配合される。

当業者であれば理解できる通り、アップコンバータは、励起状態を作り出すため材料により吸収される電磁放射線のエネルギーよりも大きいエネルギーをもつ電磁放射線を放出するように操作可能な材料である。本発明において使用するのに適したアップコンバータは、いくつかの実施形態において、本発明の光起電性デバイスの感光性有機層により吸収されるように操作可能な波長で、赤外放射線を吸収し可視放射線を放出することができる。

アップコンバータは、いくつかの実施形態において、少なくとも１つのランタニド系列元素を含む材料を含む。いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料は、少なくとも１つのランタニド系列元素を含むナノ粒子を含むことができる。本発明のいくつかの実施形態に従ったアップコンバータ材料の中で使用するのに適したランタニド系列元素には、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロジウム、ホルミウムまたはこれらの混合物が含まれる。いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料は、エルビウム、イッテルビルム、ジスプロジウム、ホルミウムまたはこれらの混合物のイオンでドープされた金属酸化物および金属硫化物を含む。他の実施形態においては、光ファイバは、感光性有機層に加えて、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロジウム、ホロミウム、またはこれらの混合物のイオンで直接ドープされていてよい。

いくつかの実施形態においては、アップコンバータ材料は、有機化学種を含む。有機アップコンバータ材料は、Ｈ_２Ｃ_６Ｎおよび４−ジアルキルアミノ−１，８−ナフタルイミドならびに例えば多分岐ナフタルイミド誘導体ＴＰＡ−ＮＡ１、ＴＰＡ−ＮＡ２、およびＴＰＡ−ＮＡ３などの１，８−ナフタルイミド誘導体および化合物を含む。有機アップコンバータ材料は同様に、４−（ジメチルアミノ）シンナモニトリル（シスおよびトランス）、トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−１−メチルピリジニウムイオダイド、４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］ピリジン、４−（ジエチルアミノ）ベンズアルデヒドジフェニルヒドラゾン、トランス−４−［４−（ジメチルアミノ）スチリル］−１−メチルピリジニウムｐ−トルエンスルホネート、２−［エチル［４−［２−（４−ニトロフェニル）エテニル］フェニル］アミノ］エタノ−ル、４−ジメチルアミノ−４’−ニトロスチルベン、ディスパースオレンジ２５、ディスパースオレンジ３およびディスパースレッド１も含み得る。

さらなる実施形態においては、アップコンバータ材料は、量子ドットを含み得る。量子ドットはいくつかの実施形態によれば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）およびセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのＩＩＩ／ＶおよびＩＩ／ＶＩ半導体材料を含むことができる。アップコンバータ材料は同様に、量子ドットのコア・シェルアーキテクチャも含み得る。

本明細書に提供されているものに加えて、本発明の実施形態は、クロムなどの遷移金属を含む追加的なアップコンバータ材料を企図している。

いくつかの実施形態によれば、感光性有機層内に取込むのに適した反ストークス材料、レーザー染料および偽造防止染料には、置換ベンゾフェノン、ビフェニル、ジフェニル、ポリメチンなどの赤外線染料、ならびにシアニンおよびメロシアニンなどの分光増感剤が含まれる。適切な偽造防止染料は、リン光体（ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ）、蛍光体（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｒ）、サーモクロミックおよび／またはフォトクロミック化学種を含み得る。

本発明の光起電性デバイスは、感光性有機層を取り囲む第２の電極を含む。いくつかの実施形態においては、第２の電極は金属を含むことができる。本明細書で使用されている金属というのは、例えば金などの元素的に純粋な金属で構成された材料および、２つ以上の元素的に純粋な材料からなる材料を含む金属合金で構成された材料の両方を意味している。いくつかの実施形態においては、第２の電極は金、銀、アルミニウム、銅またはこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態に従った第２の電極は、約１０ｎｍ〜約１０μｍの範囲内の厚みを有する。他の実施形態においては、第２の電極は、約１００ｎｍ〜約１μｍの範囲内の厚みを有する。さらなる実施形態においては、第２の電極は約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲内の厚みを有することができる。

いくつかの実施形態によれば、感光性有機層と第２の電極との間に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を含む層を配置することができる。ＬｉＦ層は、約５オングストロームから約１０オングストロームの範囲内の厚みを有することができる。

いくつかの実施形態では、ＬｉＦ層を少なくとも部分的に酸化させ、結果として酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ）とＬｉＦとを含む層をもたらすことができる。他の実施形態においては、ＬｉＦ層を完全に酸化させ、結果としてＬｉＦが欠損したまたは実質的に欠損した酸化リチウム層をもたらすことができる。いくつかの実施形態においては、ＬｉＦ層は、それを酸素、水蒸気またはこれらの組合せに対し曝露することによって酸化される。例えば１つの実施形態においては、約１０^−６トール未満の分圧で水蒸気および／または酸素を含む雰囲気に曝露することでＬｉＦ層が酸化リチウムへと酸化される。もう１つの実施形態においては、約１０^−７トール未満または約１０^−８トール未満の分圧で水蒸気および／または酸素を含む雰囲気に曝露することによって、ＬｉＦ層が酸化リチウムへと酸化される。

いくつかの実施形態においては、約１時間から約１５時間の時間にわたり、水蒸気および／または酸素を含む雰囲気にＬｉＦ層が曝露される。１つの実施形態においては、約１５時間超の時間にわたり、水蒸気および／または酸素を含む雰囲気に対してＬｉＦ層が曝露される。さらなる実施形態においては、約１時間未満の時間にわたり、水蒸気および／または酸素を含む雰囲気にＬｉＦが曝露される。本発明のいくつかの実施形態によれば、水蒸気および／または酸素を含む雰囲気に対するＬｉＦ層の曝露の時間は、雰囲気内の水蒸気および／または酸素の分圧によって左右される。水蒸気または酸素の分圧が高くなればなるほど、曝露時間は短くなる。

本発明のいくつかの実施形態に従った有機光起電性デバイスは、１つ以上の励起子遮断層などの追加的な層をさらに含むことができる。本発明の実施形態においては、励起子遮断層（ＥＢＬ）は、解離界面近くの領域に光生成励起子を閉じ込め、感光性有機／電極界面での寄生励起子クエンチング（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｅｘｃｉｔｏｎ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を防ぐように作用することができる。励起子が上を通って拡散しうる径路を制限することに加えて、ＥＢＬはさらに、電極の被着中に導入される物質に対する拡散障壁として作用することができる。いくつかの実施形態においては、ＥＢＬは、そうしなければ有機光起電性デバイスを操作不能にする可能性のあるピンホールまたは短絡欠陥を埋めるのに充分な厚みを有し得る。

ＥＢＬは、本発明のいくつかの実施形態によれば、ポリマー複合材料を含む。１つの実施形態においては、ＥＢＬは、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。もう１つの実施形態においては、ＥＢＬは、ポリ（ビニリデンクロリド）およびそのコポリマーの中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳおよびポリ（ビニリデンクロリド）を含むポリマー相中に分散されたカーボンナノ粒子は、単一壁ナノチューブ、多重壁ナノチューブ、フラーレン、またはこれらの混合物を含み得る。さらなる実施形態においては、ＥＢＬは、電子の通過を妨げながら正孔の輸送を可能にするべく操作可能な仕事関数エネルギーを有するあらゆるポリマーを含むことができる。

いくつかの実施形態においては、ＥＢＬは、放射線透過性の第１の電極と光起電性デバイスの感光性有機層との間に配置されてもよい。光起電性デバイスが複数の感光性有機層を含むいくつかの実施形態においては、ＥＢＬは感光性有機層の間に配置されてもよい。

本発明の光起電性デバイスは、いくつかの実施形態において、第２の電極を取り囲む保護層をさらに含む。保護層は、本明細書で提供されている光起電性デバイスに高い耐久性を付与することにより、光起電性の用途を含めた多様な用途でのこれらの使用を可能にできる。いくつかの実施形態においては、保護層は、ポリマー複合材料を含んでいる。一実施形態においては、保護層は、ポリ（ビニリデンクロリド）中に分散されたナノ粒子を含む。いくつかの実施形態に従ったポリ（ビニリデンクロリド）中に分散したナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。

本発明の光起電性デバイスは、いくつかの実施形態において、さらに外部金属接点を有する。１つの実施形態においては、外部金属接点は第２の電極を取り囲み、第２の電極と電気的に連通する。外部金属接点は、いくつかの実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスの周囲および長さの少なくともいくつか分にわたり電流を抽出するように操作可能であり得る。他の実施形態においては、外部金属接点は、ファイバ光起電性デバイスの長さおよび周囲全体にわたり電流を抽出するように操作可能であり得る。いくつかの実施形態では、外部金属接点は、金、銀または銅を含めた金属を含むことができる。さらなる実施形態においては、外部金属接点は、さらなる吸収のため少なくとも１つの感光性有機層に未吸収電磁放射線を反射し戻すように操作可能であり得る。

本発明のいくつかの実施形態に従った光起電性デバイスはさらに電荷移動層を含む。本明細書で使用する電荷移動層は、単に光起電性デバイスの１つの区分からもう１つの区分へと電荷担体を送出するだけである層を意味する。例えば１つの実施形態においては、電荷移動層は励起子遮断層を含み得る。

いくつかの実施形態においては電荷移動層を感光性有機層と放射線透過性の第１の電極との間および／または感光性有機層と第２の電極との間に配置することができる。他の実施形態においては、電荷移動層を第２の電極と光起電性デバイスの保護層との間に配置してもよい。いくつかの実施形態に従った電荷移動層は光活性を有していない。

図１は、本発明の一実施形態に従ったファイバ構造をもつ光起電性デバイスの横断面図を示している。図１に示された光起電性デバイス（１００）は、インジウムスズ酸化物ファイバコア（１０２）を含む。インジウムスズ酸化物（１０２）光ファイバコアは、励起子遮断層（１０４）によって取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、ＥＢＬは、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）またはポリ（ビニリデンクロリド）などのポリマー相の中に分散されたカーボンナノ粒子を含む。

ＥＢＬ（１０４）は、感光性有機層（１０６）により取り囲まれている。感光性有機層（１０６）は、いくつかの実施形態において、Ｐ３ＨＴカーボンナノ粒子ポリマー複合材を含む。いくつかの実施形態においては、感光性有機層（１０６）は、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せをさらに含む。

感光性有機層（１０６）は、いくつかの実施形態において、インジウムスズ酸化物ファイバコア（１０２）と直接電気的に連通する。図１に例示された実施形態においては、励起子遮断層（１０４）がインジウムスズ酸化物ファイバコア（１０２）と感光性有機層（１０６）との間に配置されて、インジウムスズ酸化物ファイバコア（１０２）と感光性有機層（１０６）との間に間接的な電気的連通を提供している。

感光性有機層（１０６）は第２の電極（１０８）により取り囲まれている。感光性有機層（１０６）は、いくつかの実施形態において、第２の電極（１０８）と直接電気的に連通する。他の実施形態では、励起子遮断層（図示せず）を感光性有機層（１０６）と第２の電極（１０８）との間に配置して、感光性有機層（１０６）と第２の電極（１０８）との間に間接的な電気的連絡状態を提供してもよい。いくつかの実施形態においては、第２の電極（１０６）は金属を含むことができる。第２の電極（１０６）として使用するのに適した金属は元素的に純粋な金属または合金を含み得る。１つの実施形態においては、第２の電極（１０６）は、カルシウム、マグネシウムおよびＭｇＩｎなどの３．８ｅＶ未満の仕事関数を有する金属または合金を含み得る。

第２の電極（１０８）は、ポリマー複合材料を含む保護層（１１０）により取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、保護層（１１０）のポリマー複合材料は、ポリ（ビニリデンクロリド）および／またはそのコポリマーの中に分散したカーボンナノ粒子を含む。カーボンナノ粒子は、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、フラーレンまたはこれらの混合物を含み得る。

保護層（１１０）は、ファイバ光起電性デバイスの長さおよび周囲全体にわたり電流を抽出するように操作可能な外部金属接点（１１２）に取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、外部金属（１１２）接点は、金、銀または銅を含めた金属を含むことができる。

図２は、本発明のもう１つの実施形態に従ったファイバ構造を含む光起電性デバイスの横断面図を示している。図２に表示された光起電性デバイス（２００）は、光ファイバコア（２０２）およびそれを取り囲む放射線透過性の第１の電極（２０４）を含む。励起子遮断層（２０６）は放射線透過性の第１の電極（２０４）を取り囲み、感光性有機層（２０８）は励起子遮断層（２０６）を取り囲み、ここで感光性有機層（２０８）は少なくとも１つのアップコンバータ、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。第２の電極（２１０）は感光性有機層（２０８）を取り囲んでいる。

図２に示されている実施形態においては、光ファイバコア（２０２）および放射線透過性の第１の電極（２０４）は、光起電性デバイス（２００）の残りの層を超えて長手方向に延びている。いくつかの実施形態における光ファイバコア（２０２）および放射線透過性の第１の電極（２０４）が長手方向に延びていることから、外部電気回路に対する光起電性デバイス（２００）の付着が容易になる。

図３は、本発明のもう１つの実施形態に従ったファイバ構造を含む光起電性デバイスの横断面図を示しており、ここで光起電性デバイスは複数の感光性有機層を含み、感光性有機層のうちの少なくとも１つが少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。光起電性デバイス（３００）は、光ファイバコア（３０２）を含む。ファイバコア（３０２）は、ガラス光ファイバ、石英光ファイバまたはプラスチック光ファイバを含み得る。

光ファイバコア（３０２）は、放射線透過性の第１の電極（３０４）により取り囲まれる。放射線透過性の第１の電極（３０４）は、インジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物などの放射線透過性伝導性酸化物を含み得る。放射線透過性の第１の電極（３０４）は第１の励起子遮断層（３０６）によって取り囲まれている。いくつかの実施形態においては、第１のＥＢＬ（３０６）は、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリ（ビニリデンクロリド）などのポリマー相の中に分散したカーボンナノ粒子を含み得る。

第１のＥＢＬ（３０６）は、第１の感光性有機層（３０８）により取り囲まれている。第１の感光性有機層（３０８）は、いくつかの実施形態においては、Ｐ３ＨＴ−カーボンナノ粒子ポリマー複合材を含むことができる。第１の感光性有機層（３０８）は、第２の励起子遮断層（３１０）により取り囲まれている。第２のＥＢＬは、いくつかの実施形態において、同様に、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリ（ビニリデンクロリド）中に分散したカーボンナノ粒子も含むことができる。

第２のＥＢＬは、第２の感光性有機層（３１２）により取り囲まれている。第２の感光性有機層（３１２）は、いくつかの実施形態において、第１の有機層（３０８）のプロファイルと大部分が重複する電磁放射線吸収プロファイルを有するポリマー複合材を含めたポリマー材料を含んでいる。他の実施形態においては、第２の感光性有機層（３１２）は、第１の有機層（３０８）のプロファイルと重複しないかまたは最小限しか重複しない電磁放射線吸収プロファイルを有するポリマー複合材を含めたポリマー材料を含むことができる。第２の感光性有機層（３１２）はさらに、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはその組合せを含む。

第２の有機層（３１２）は、感光性有機層（３０８）、（３１２）により吸収されなかった電磁放射線をさらなる吸収のために有機層内に反射し戻すことのできる第２の電極（３１４）によって取り囲まれている。第２の電極（３１４）は、いくつかの実施形態において、アルミニウム、金、銀、ニッケルまたは銅などの金属を含む。

図３に示されている実施形態においては、光ファイバコア（３０２）、放射線透過性の第１の電極（３０４）および第２の励起子遮断層（３１０）は、光起電性デバイスの残りの層を超えて長手方向に延びている。光ファイバコア（３０２）、放射線透過性の第１の電極（３０４）および第２の励起子遮断層（３１０）が長手方向に延びていることにより、外部電気回路に対する光起電性デバイス（３００）の付着が容易になる可能性がある。

図３は２層の感光性有機層を有する光起電性デバイスを示しているが、本発明の実施形態は、３層以上の感光性有機層を含む光起電性デバイス、３、４、５および６層以上の感光性有機層を有する光起電性デバイスを企図している。いくつかの実施形態においては、光起電性デバイスは、少なくとも１０層の感光性有機層を含む可能性がある。

いくつかの実施形態においては、感光性有機層の間に励起子遮断層を配置することにより、複数の感光性有機層を互いに緩衝させることができる。各層が異なる吸収プロファイルを有する複数の感光性有機層を提供することにより、本発明の光起電性デバイスは電磁スペクトルを横断した励起子の生成を増大させるかまたは最大限にすることができる。

いくつかの実施形態においては、光起電性デバイスは、その長手軸に沿って位置設定された複数の感光性領域を有するファイバコアを含むことができ、その複数の感光性領域の各々は、ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲みかつ第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含む。複数の領域の各々は、さらに、図３で提供されているような追加的な感光性有機層および励起子遮断層を含めた、本明細書で説明されている追加的な層を含んでいてよい。その上、感光性有機層のうちの少なくとも１つは、さらに、少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。

いくつかの実施形態においては、本明細書に記述されている有機光起電性デバイスは、さまざまな光電子デバイス中で使用する目的で操作可能な光起電性電池を含むことができる。１つの実施形態においては、本発明は少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスにおいて、光起電性電池が、インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含んでいる光電子デバイスを提供する。

もう１つの実施形態においては、光電子デバイスは、少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含み、光起電性電池は、光ファイバコア、光ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極、第１の電極を取り囲み第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層、および有機層を取り囲み有機層に電気的に接続されている第２の電極を含んでおり、感光性有機層は少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。

少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスは、いくつかの実施形態において、２００６年５月１日出願の「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ」という題のＰＣＴ出願中で提供されている構造と一致する構造を有することができる。

本発明のいくつかの実施形態においては、画素の利用分野で使用するためのファイバ光起電性電池は、互いに独立した形で構築される。かかる実施形態においては、１つのファイバ光起電性電池のための構成要素材料は、もう１つのファイバ光起電性電池のために選択された構成要素材料とは無関係に選択される。例えば、１つの実施形態においては、１つのファイバ光起電性電池はガラス光ファイバコアを含むことができる一方で、もう１つの光起電性電池はインジウムスズ酸化物光ファイバコアを含むことができる。その結果として、いくつかの実施形態においては、画素および画素アレイが同一の構造のファイバ光起電性電池を含む必要はない。ファイバ光起電性電池の構造は、広範囲の利用分野に適した画素および画素アレイを生産するため本明細書で記述された材料および方法と一致する任意の方法で変更可能である。

いくつかの実施形態において、少なくとも１つのファイバ光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光起電性デバイスには、太陽電池が含まれる。いくつかの実施形態においては、ソーラーパネルを生産するため、任意の適切な基板上に画素および画素アレイを設置することができる。本発明のファイバ光起電性電池を含む太陽電池およびソーラーパネルは、６％超の変換効率を有することができる。

本発明は同様に、光ファイバコアを提供する工程、光ファイバコアの表面上に放射線透過性の第１の電極を配置する工程、第１の電極と電気的連絡状態で少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程を含むファイバ光起電性デバイスの生産方法において、有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む方法も提供する。

いくつかの実施形態においては、光ファイバコア上の放射線透過性の第１の電極を配置する工程には、光ファイバコアの表面上に放射線透過性伝導性酸化物をスパッタリングまたはディップコーティングする工程が含まれている。いくつかの実施形態においては、第１の電極と電気的連絡状態で感光性有機層を配置する工程には、ディップコーティング、スピンコーティング、気相蒸着または真空熱アニーリングにより第１の電極上に有機層を被着させる工程が含まれている。いくつかの実施形態によれば、感光性有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程には、気相蒸着、スピンコーティングまたはディップコーティングを通して有機層上に第２の電極を被着させる工程が含まれる。

もう１つの実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスの生産方法には、インジウムスズ酸化物ファイバコアを提供する工程、インジウムスズ酸化物ファイバコアと電気的連絡状態で少なくとも１つの感光性有機層を配置する工程、および感光性有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程が含まれている。いくつかの実施形態においては、インジウムスズ酸化物ファイバと電気的連通状態で感光性有機層を配置する工程には、ディップコーティング、スピンコーティング、気相蒸着または真空熱アニーリングによりインジウムスズ酸化物ファイバ上に有機層を被着させる工程が含まれる。感光性有機層と電気的連絡状態で第２の電極を配置する工程には、いくつかの実施形態によれば、気相蒸着、スピンコーティングまたはディップコーティングを通して有機層上に第２の電極を被着させる工程が含まれる。

いくつかの実施形態においては、ファイバ光起電性デバイスを生産する方法はさらに、１層または複数層の感光性有機層をアニールする工程を含んでいる。感光性有機層が、ポリマー相およびナノ粒子相を含む複合材料を含むいくつかの実施形態においては、有機相をアニールすることで、ポリマー相およびナノ粒子相の両方の中により高い結晶度を生成し、かつポリマー相内でのナノ粒子相のより大きな分散を結果としてもたらすことができる。フラーレン、単一壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブまたはこれらの混合物を含むナノ粒子相は、アニーリングの結果としてポリマー相内にナノウイスカを形成することができる。いくつかの実施形態に従って感光性有機層をアニールする工程には、約８０℃〜約１５５℃の範囲の温度下、約１分から約３０分の範囲内の時間で有機層を加熱する工程が含まれ得る。いくつかの実施形態においては、感光性有機層を約５分間加熱することができる。

ファイバ構造を有する有機光起電性デバイスを提供することに加えて、本発明は、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法を提供する。一実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法は、光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程、少なくとも１つの感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程、有機層内で励起子を生成する工程および、励起子を電子と正孔とに分離する工程を含み、有機層は少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む。

もう１つの実施形態においては、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、光ファイバの表面上に配置された感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射を生成するのに充分な入射角で光ファイバの長手軸に沿って放射線を受ける工程を含む。いくつかの実施形態においては、放射線を受ける工程は、感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射を生成するのに充分な入射角で放射線を受けるように光ファイバを位置づけする工程を含むことができる。感光性有機層は、上記の実施形態において提供されたものと一致するものであってよい。いくつかの実施形態においては、隣接層は、励起子遮断層などの電荷移動層を含み得る。１つの実施形態において、例えば隣接層はＰＥＤＯＴを含み得る。

いくつかの実施形態においては、全内部反射を生成するのに充分な入射角で受理された電磁エネルギーは、感光性有機層と隣接層との界面に達する前に少なくとも１つの追加的な層により屈折され得る。いくつかの実施形態においては、追加的な層は、本明細書で提供されているものと一貫性ある伝導性金属酸化物または本明細書で提供されているものと一致する追加的な電荷移動層を含み得る。

感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射を作り出すことによって、有機層による電磁放射線の吸収の増加を導くことができる感光性有機層内にエバネセント場または波を生成することができるこうして。感光性有機層内の電磁放射線の吸収の増加により、さらに多数の励起子が生成され、こうして本発明の有機光起電性デバイスの変換効率が増加することができる。

図４は、本発明の実施形態に従った有機光起電性デバイスのファイバ端面における入射角の関数として、吸収強度スペクトルを示している。ファイバ面における入射角は、２°の増分で２°から２０°まで変動した。図４に示されているように、吸収強度は、１６°の入射角でピークに達した。図４に提供されたスペクトルを生成するのに用いられた有機光起電性デバイスは、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）および１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ_６１（Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ）のポリマー複合材を含む感光性有機層を含んでいた。Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ感光性有機層は、図１に示されているようにＰＥＤＯＴを含む隣接する励起子遮断層を取り囲んでいた。

いかなる理論によっても束縛されることは望まないが、放射線は感光性有機層により吸収され、約１６°の入射角がＰＥＤＯＴ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭの界面で全内部反射のための条件引き起こすと考えられている。ＰＥＤＯＴ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ界面において全内部反射を引き起こすことにより、エバネセント波または場がＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭの有機層内に存在し、吸収強度の増加をもたらした。

本発明の実施形態においては、感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射に必要とされる臨界角は、感光性有機層の屈折率に依存される可能性がある。感光性有機層と隣接層との界面における臨界角の達成を仮定することにより、界面における所要入射角を計算することができる。ここから、光ファイバコア上に配置された追加的な層の存在により生成される各追加的な界面でスネルの法則を使用することができ、光ファイバの面における入射角を計算することができる。

例えば、図５は、感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射を生ずる、本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイス内を走行する電磁放射線の屈折を示している。図５では、感光性有機層は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）／１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ_６１（Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ）複合材を含み、隣接層はＰＥＤＯＴを含む。インジウムスズ酸化物の追加的な層が、ＰＥＤＯＴ層とシリカ光ファイバコアの表面との間に配置される。本明細書で記述されているようなインジウムスズ酸化物層は、放射線透過性の第１の電極として役立つ。

図６に示されているさまざまな層においてスネルの法則を適用することで、以下の式が得られる：
η_３ｓｉｎθ_ｃ＝η_ｃ （３）
η_２ｓｉｎθ_５＝η_３ｓｉｎθ_６ （４）
η_１ｓｉｎθ_３＝η_２ｓｉｎθ_４ （５）
式中、η_１は、シリカ光ファイバコアの屈折率であり、η_２は、インジウムスズ酸化物層の屈折率であり、η_３はＰＥＤＯＴ層の屈折率であり、η_ｃは感光性有機層の屈折率である。

θ_ｃ＝θ_６およびθ_５＝θ_４に注目すると、（４）に（３）を代入し、次にその結果を（５）に代入し、整理すると、以下のようになる：
θ_３＝ｓｉｎ^−１（η_ｃ／η_１） （６）
空気／ファイバ界面でη_０＝１、θ_２＝９０°−θ_３であることから、次のようになる：
ｓｉｎθ_１＝η_１ｓｉｎθ_２＝η_１ｃｏｓθ_３ （７）
最終的に、（７）に（６）を代入した時点で、理論上の等式は、次のようになる：
ｓｉｎθ_１＝η_１ｃｏｓ［ｓｉｎ^−１（η_ｃ／η_１）］
式中、θ_１は法線から測定されたファイバ界面における入射角である。

図６は、ＰＥＤＯＴ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ界面において全内部反射のための臨界角に達成するのに充分であるＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ感光性有機層の屈折率の関数としての、光ファイバコアの面における入射角を表示する理論的曲線を例示している。各理論的曲線は、それ自体シリカ光ファイバコアのための異なる屈折率に対応する、異なる入射波長を表わしている。

２００６年５月１日出願の「Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｈｅｒｅｏｆ」という題のＰＣＴ出願により開示され教示されているように、感光性有機層と隣接層との界面において全内部反射を生成するのに充分な入射角の決定の後、入射角に従って放射線を受けるべく光ファイバを位置づけることができる。例えば、ファイバ構造をもつ有機光起電性電池を含む画素で構築されたパネルは、パネルを打撃する放射線が感光性有機層と隣接する層との界面で全内部反射を生成するのに充分な角度で、光起電性電池の光ファイバコアにより受理され得るように設置することができる。

いくつかの実施形態においては、有機光起電性デバイスの層をエッチングして、全内部反射の失敗を防止または削減することができる。一実施形態においては、感光性有機層に隣接する励起子遮断層を有機層との界面を形成する側でエッチングすることができる。例えばＰＥＤＯＴを含む励起子遮断層を、Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ感光性有機層との界面を形成する側でエッチングすることができる。

いくつかの実施形態においては、有機光起電性デバイス層を、フォトリソグラフィ法を含むリソグラフィ法によりエッチングすることができる。１つの実施形態では、エッチングすべき層の表面上に、フォトリソグラフィレジストが被着される。本発明の実施形態に従ったフォトリソグラフィレジストは、ポジレジストまたはネガレジストを含む。フォトリソグラフィレジストがひとたび被着されたならば、レジストは、放射線に曝露され、適切な溶剤で現像される。光起電性デバイス層上にパターンが残る。フォトリソグラフィレジストを任意の所望のパターンで固着させることができる。例えば１つのパターンには、一定距離で離れた一連の平行線が含まれる。レジストを現像した後、次に有機光起電性デバイスの層が、アセトンなどの適切なあらゆる極性有機溶剤によりエッチングされる。フォトリソグラフィレジストはその後、有機光起電性デバイスの層から剥ぎとられ、エッチングされた層を後に残す。

いくつかの実施形態においては、インジウムスズ酸化物ファイバをエッチングする。いくつかの実施形態では、インジウムスズ酸化物ファイバのエッチングは、フォトリソグラフィプロセスを含むリソグラフィ工程で達成することができる。１つの実施形態においては、例えばフォトリソグラフィレジストがインジウムスズ酸化物ファイバの表面上に被着される。ひとたびフォトリソグラフィレジストが被着されたならば、レジストは放射線に曝露され、適切な溶剤で現像されてインジウムスズ酸化物ファイバ上に１つのパターンを生成する。インジウムスズ酸化物ファイバの表面はその後適切な酸、例えばクロム酸、硫酸または硝酸中でエッチングされる。その後、フォトリソグラフィレジストは、インジウムスズ酸化物ファイバの表面から除去されるかまたは剥ぎ取られ、エッチングされた表面が後に残る。いくつかの実施形態においては、インジウムスズ酸化物を含めた放射線透過性伝導性酸化物を含む第１の電極がこの方法でエッチングされる。

本発明のさまざまな実施形態が、本発明のさまざまな目的の実現の中で記述されてきた。これらの実施形態は本発明の原理をあくまでも例示しているにすぎないということを認識すべきである。その数多くの修正および適合は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者には直ぐに明白となる。

本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光起電性デバイスの横断面図を示す。 本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光起電性デバイスの横断面図を示す。 本発明の一実施形態に従ったファイバ構造を含む光起電性デバイスの横断面図を示す。 本発明の一実施形態に従った有機光起電性デバイスのファイバ端面における入射角の関数としての吸収強度スペクトルを示す。 本発明の一実施形態に従ったファイバ光起電性デバイス内を走行する電磁放射線の屈折を示す。 本発明の一実施形態に従った感光性有機層の界面における全内部反射を達成するための屈折率の関数としての入射角についての理論的曲線を表示する。

Claims (55)

1. インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極と、
   前記第１の電極を取り囲み、および前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
   前記有機層を取り囲み、および前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
   を含む光起電性装置。
2. 前記感光性有機層が光活性領域を含む、請求項１に記載の光起電性装置。
3. 前記光活性領域が、ドナー材料とアクセプタ材料との間に少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む、請求項２に記載の光起電性装置。
4. 前記ドナー材料がポリマー相を含み、前記アクセプタ材料がナノ粒子相を含む、請求項３に記載の光起電性装置。
5. 前記ポリマー相が共役ポリマーを含む、請求項４に記載の光起電性装置。
6. 前記共役ポリマーがポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）またはこれらの混合物を含む、請求項５に記載の光起電性装置。
7. 前記ナノ粒子相がフラーレン、カーボンナノチューブまたはこれらの混合物を含む、請求項４に記載の光起電性装置。
8. 前記フラーレンが１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ_６１を含む、請求項７に記載の光起電性装置。
9. 前記ドナー材料が有機金属化合物を含む、請求項３に記載の光起電性装置。
10. 前記有機金属化合物がフタロシアニン、ポルフィリンまたはこれらの誘導体を含む、請求項９に記載の光起電性装置。
11. 前記感光性有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む、請求項１に記載の光起電性装置。
12. 前記インジウムスズ酸化物ファイバの少なくとも一方の端部が面取りされている、請求項１に記載の光起電性装置。
13. 前記インジウムスズ酸化物ファイバの両端部が面取りされている、請求項１に記載の光起電性装置。
14. 前記インジウムスズ酸化物ファイバが約１０μｍ〜約１ｍｍの範囲内の直径を有する、請求項１に記載の光起電性装置。
15. 放射線透過性伝導性酸化物が、前記インジウムスズ酸化物ファイバの表面上に配置されている、請求項１に記載の光起電性装置。
16. 前記放射線透過性伝導性酸化物が、ガリウムインジウムスズ酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物を含む、請求項１５に記載の光起電性装置。
17. 前記感光性有機層に隣接する励起子遮断層をさらに含む、請求項１に記載の光起電性装置。
18. 前記励起子遮断層がエッチングされている、請求項１７に記載の光起電性装置。
19. 光ファイバコアと、
    前記光ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
    前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
    前記有機層を取り囲み、前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
    を含む光起電性装置において、前記有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含んでいる光起電性装置。
20. 前記放射線透過性の第１の電極が放射線透過性伝導性酸化物を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
21. 前記放射線透過性伝導性酸化物がインジウムスズ酸化物、ガリウムインジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物または亜鉛インジウムスズ酸化物を含む、請求項２０に記載の光起電性デバイス。
22. 前記感光性有機層が光活性領域を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
23. 前記光活性領域が、ドナー材料とアクセプタ材料との間に少なくとも１つのバルクヘテロ接合を含む、請求項２２に記載の光起電性装置。
24. 前記ドナー材料がポリマー相を含み、前記アクセプタ材料がナノ粒子相を含む、請求項２３に記載の光起電性装置。
25. 前記ポリマー相が共役ポリマーを含む、請求項２４に記載の光起電性装置。
26. 前記共役ポリマーがポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）またはこれらの混合物を含む、請求項２５に記載の光起電性装置。
27. 前記ナノ粒子相がフラーレン、カーボンナノチューブまたはこれらの混合物を含む、請求項２４に記載の光起電性装置。
28. フラーレンが１−（３−メトキシカルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ_６１を含む、請求項２７に記載の光起電性装置。
29. 前記ドナー材料が有機金属化合物を含む、請求項２４に記載の光起電性装置。
30. 前記有機金属化合物がフタロシアニン、ポルフィリンまたはこれらの誘導体を含む、請求項２９に記載の光起電性装置。
31. 前記少なくとも１つのアップコンバータ材料がランタニド系列元素を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
32. 前記少なくとも１つのアップコンバータ材料がエルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、またはこれらの混合物を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
33. 前記少なくとも１つの量子ドットがＩＩＩ／Ｖ半導体材料、ＩＩ／ＶＩ半導体材料またはこれらの混合物を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
34. 前記少なくとも１つの偽造防止染料が蛍光体（ｐｈｏｓｐｈｏｒ）、蛍光体（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｒ）、サーモクロミック化学種、フォトクロミック化学種またはこれらの混合物を含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
35. 前記光ファイバコアの少なくとも一方の端部が面取りされている、請求項１９に記載の光起電性装置。
36. 前記光ファイバコアの両端部が面取りされている、請求項１９に記載の光起電性装置。
37. 前記光ファイバコアが約１０μｍ〜約１ｍｍの範囲内の直径を有する、請求項１９に記載の光起電性装置。
38. 前記感光性有機層に隣接する励起子遮断層をさらに含む、請求項１９に記載の光起電性装置。
39. 前記励起子遮断層がエッチングされている、請求項３８に記載の光起電性装置。
40. 少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスにおいて、前記光起電性電池が
    インジウムスズ酸化物ファイバを含む第１の電極と、
    前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
    前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
    を含む、光電子デバイス。
41. 前記少なくとも１つの画素が複数の光起電性電池を含む、請求項４０に記載の光電子デバイス。
42. 前記複数の光起電性電池が束ねられている、請求項４１に記載の光電子デバイス。
43. 画素アレイを含む、請求項４０に記載の光電子デバイス。
44. 前記アレイの各画素が複数の光起電性電池を含む、請求項４３に記載の光電子デバイス。
45. 少なくとも１つの光起電性電池を含む少なくとも１つの画素を含む光電子デバイスにおいて、前記光起電性電池が、
    光ファイバコアと、
    前記光ファイバコアを取り囲む放射線透過性の第１の電極と、
    前記第１の電極を取り囲み前記第１の電極に電気的に接続されている少なくとも１つの感光性有機層と、
    前記有機層を取り囲み前記有機層に電気的に接続されている第２の電極と、
    を含んでいる光電子デバイスであって、
    前記有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せを含む光電子デバイス。
46. 前記少なくとも１つの画素が複数の光起電性電池を含む、請求項４５に記載の光電子デバイス。
47. 前記複数の光起電性電池が束ねられている、請求項４６に記載の光電子デバイス。
48. 画素アレイを含む、請求項４５に記載の光電子デバイス。
49. 前記アレイの各画素が複数の光起電性電池を含む、請求項４８に記載の光電子デバイス。
50. 電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法において、
    光ファイバの長手軸に沿って電磁放射線を受ける工程と、
    前記光ファイバを取り囲む放射線透過性の第１の電極を通して少なくとも１つの感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程と、
    前記少なくとも１つの感光性有機層内で励起子を生成する工程と、
    前記励起子を電子と正孔とに分離する工程と、
    を含み、前記少なくとも１つの感光性有機層が少なくとも１つのアップコンバータ材料、反ストークス材料、レーザー染料、偽造防止染料、量子ドットまたはこれらの組合せをむ方法。
51. 電子を外部回路内に取り出す工程をさらに含む、請求項５０に記載の方法。
52. 受理された電磁放射線が約４００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲の波長を有する、請求項５０に記載の方法。
53. 電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法において、
    インジウムスズ酸化物ファイバの長手軸に沿って電磁放射線を受ける工程と、
    インジウムスズ酸化物ファイバを取り囲む少なくとも１つの感光性有機層内に電磁放射線を透過させる工程と、
    前記有機層内で励起子を生成する工程と、
    前記励起子を電子と正孔とに分離する工程と、
    を含む方法。
54. 電子を外部回路内に取り出す工程をさらに含む、請求項５３に記載の方法。
55. 受理された電磁放射線が約４００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲の波長を有する、請求項５３に記載の方法。

Images