JP7281216B2

JP7281216B2 - 有機光起電装置のためのハイブリッド平面混合ヘテロ接合

Info

Publication number: JP7281216B2
Application number: JP2021092139A
Authority: JP
Inventors: フォレスト，ステファン，アール．; ジマーマン，ジェレミー，ディー．; シャオ，シン
Original assignee: ザリージェンツオブザユニヴァシティオブミシガン
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: EP2923389A1; CN105051929A; EP2923389B1; JP6490009B2; TWI628819B; JP2015535659A; JP2021145138A; KR102251818B1; TW201427129A; AU2013347855A1; JP2019068083A; US20150349283A1; KR20150087367A; WO2014082006A1; US11121336B2

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年１１月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／７２９，３７
６号の優先権を主張するものであり、その全体の内容が本明細書に参照により組み込まれ
る。

連邦政府支援の研究に関する声明
本発明は、米国エネルギー省から授受した助成金第ＤＥ－ＳＣ００００９５７号、およ
び空軍科学研究局から授受した助成金第ＦＡ９５５０－１１０－１－０３３９号の下で連
邦政府による支援を受けてなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

共同研究契約
本開示の主題は、共同大学企業研究契約（ｊｏｉｎｔｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－ｃｏｒ
ｐｏｒａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈａｇｒｅｅｍｅｎｔ）に関わる以下の当事者：ミ
シガン大学およびＧｌｏｂａｌＰｈｏｔｏｎｉｃＥｎｅｒｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎのうちの１つ以上の当事者によって、これらの当事者のために、かつ／またはこれら
の当事者と共同で実現された。上記契約は、本開示の主題が実施された日以前に、かつ本
開示の主題が、この契約の範囲内で行われた活動の結果として実現された日以前に発効し
ている。

本開示は一般的に、有機感光性デバイス、特に混合光活性層の上に光活性層を有するハ
イブリッド平面混合感光性デバイスに関する。

光電子デバイスは、物質の光学的および電子的性質に基づき、電子的に電磁放射線を生
成もしくは検出する、または周囲の電磁放射線から電気を生成する。

感光性光電子デバイスは、電磁波を電力に変換する。太陽電池は、光起電（ｐｈｏｔｏ
ｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）デバイスとも表記され、一種の感光性光電子デバイスであり、特
に、電力を発生させるために使用される。電気エネルギーを太陽光以外の光源から発生さ
せることができるＰＶデバイスは、例えば照明、加熱を提供するために、または計算機、
無線機、コンピュータ、遠隔監視機器、通信機器などの電子回路若しくは電子装置に給電
するために、電力消費負荷物の駆動に使用することができる。また、これらの電力発生用
途には、多くの場合、太陽または他の光源からの直接照射を利用することができないとき
に動作を継続させるために、または、ＰＶデバイスの電力出力と特定用途の要求出力との
バランスをとるために、バッテリまたは他のエネルギー蓄積装置を充電することが含まれ
る。本明細書において使用されるように、「ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｏａｄ（抵抗性負荷
）」という用語は、電力消費回路または電力蓄積回路、電力消費装置または電力蓄積装置
、電力消費機器または電力蓄積機器、あるいは電力消費システムまたは電力蓄積システム
を指す。

別の種類の感光性光電子デバイスは、光伝導セルである。光伝導セルの機能は、信号検
出回路が当該デバイスの抵抗をモニタリングして、光の吸収に起因する変化を検出するこ
とである。

別の種類の感光性光電子デバイスは、光検出器である。動作状態では、光検出器は、電
流検出回路に接続して使用され、この電流検出回路は、光検出器が電磁波に曝され、かつ
、光検出器にバイアス電圧が印加されているときに発生する電流を測定する。本明細書に
おいて記載される検出回路は、バイアス電圧を光検出器に印加して、電磁波に対する当該
光検出器の電子応答を測定することができる。

これらの３種類の感光性光電子デバイスは、以下に定義される整流接合が形成されるか
どうかに応じて、更には当該デバイスが、バイアスまたはバイアス電圧としても知られる
外部印加電圧で動作するかどうかに応じて特徴付けることができる。光伝導セルは、整流
接合を有することがなく、通常、バイアスにおいて動作を行う。ＰＶデバイスは、少なく
とも１つの整流接合を有し、無バイアスにおいて動作を行う。光検出器は、少なくとも１
つの整流接合を有し、通常、必ずではないが、バイアスにおいて動作を行う。原則として
、光起電セルは、電力を回路、装置、または機器に供給するが、検出回路を制御するため
の、または当該検出回路からの情報の出力を制御するための信号または電流を供給しない
。これとは異なり、光検出器または光伝導体は、検出回路を制御するための、または当該
検出回路からの情報の出力を制御するための信号または電流を供給するが、電力を回路、
装置、または機器に供給しない。

従来から、感光性光電子デバイスは、いくつかの種類の無機半導体により形成されてお
り、例えば結晶シリコン、多結晶シリコン、およびアモルファスシリコン、砒化ガリウム
、テルル化カドミウム、および他の材料により形成されている。本明細書では、「ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（半導体）」という用語は、電荷キャリア群が、熱的に励起される
かまたは電磁波で励起されることにより発生すると電流を流すことができる材料を指す。
「ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ（光伝導性）」という用語は通常、電磁波エネルギー
が吸収されることにより電荷キャリア群の励起エネルギーに変換されて、これらのキャリ
アで電荷輸送を材料内で行うことができる、すなわち電荷を材料内で輸送することができ
る過程を指す。「ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（光伝導体）」および「ｐｈｏｔｏｃｏ
ｎｄｕｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ（光伝導性材料）」という用語は本明細書では、電
磁波を吸収して電荷キャリア群を発生させる材料特性に合わせて選択される半導体材料を
指すために使用される。

ＰＶデバイスは、入射太陽光パワーを有用な電力に変換することができる変換効率によ
り特徴付けることができる。結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを利用するデバイ
スは、商業用のアプリケーションがほとんどを占め、そしていくつかのデバイスは、２３
％以上の変換効率を達成している。しかしながら、高い変換効率の結晶系デバイス、特に
大きな表面積を持つ結晶系デバイスは、大きな結晶を、大幅に変換効率を低下させる欠陥
を伴うことなく形成する際に特有の問題が生じるので生産するのが難しく、かつコストが
高く付く。これとは異なり、高い変換効率のアモルファスシリコンデバイスは依然として
、安定性に問題がある。現在市販されているアモルファスシリコンセルは、４～８％の間
の変換効率を有するように安定して製造することができている。最近、有機光起電セルを
使用して、許容できる光電変換効率を低い製造コストで実現することに努力が注がれてい
る。

ＰＶデバイスは、光電流および光起電力の最大の積として、標準照射条件下（すなわち
、１０００Ｗ／ｍ^２、ＡＭ１．５スペクトル照射の標準試験条件）での最大電力生成で最
適化されてもよい。このようなセルの標準照射条件下での電力変換効率は以下の３つのパ
ラメーターに依存する：（１）ゼロバイアス下での電流（すなわち短絡回路電流Ｉ_ＳＣ）
、単位はアンペア、（２）開回路状態下での光起電力（すなわち開回路電圧Ｖ_ＯＣ）、単
位はボルト、および（３）曲線因子（ＦＦ）。

ＰＶ素子には、これらのＰＶ素子が負荷の両端に接続され、かつ光照射されると光発生
電流が流れる。無限大の負荷が接続された状態で光照射される場合、ＰＶ素子は、当該Ｐ
Ｖ素子の最大限の電圧、Ｖ開回路電圧、またはＶ_ＯＣを発生する。当該ＰＶ素子の電気接
点群を短絡させた状態で光照射される場合、ＰＶ素子は、当該ＰＶ素子の最大限の電流、
Ｉ短絡電流、またはＩ_ＳＣを発生する。電力を発生するために実際に使用される場合、Ｐ
Ｖ素子は、有限の負荷抵抗に接続され、そして電力出力は、電流と電圧との積Ｉ×Ｖで与
えられる。ＰＶ素子から放電される合計最大電力量は本質的に、積Ｉ_ＳＣ×Ｖ_ＯＣを上回
ることはできない。負荷値が、取り出し電力量が最大となるように最適化される場合、電
流および電圧は、値Ｉ_ｍａｘおよび値Ｖ_ｍａｘをそれぞれ有する。
ＰＶデバイスの性能指数は曲線因子（ＦＦ）であり、下記で定義される。

ここで、Ｉ_ＳＣおよびＶ_ＯＣは実際の使用では同時には決して得られないので、ＦＦは
常に１未満である。それにも関わらず、ＦＦが１に近づくにつれて、デバイスはより小さ
いタンデム抵抗または内部抵抗を有することになり、その結果、最適条件下で、負荷にＩ
_ＳＣとＶ_ＯＣとの積のより大きなパーセンテージを与える。Ｐ_ｉｎｃがデバイスの入射電
力であるとき、デバイスの電力効率η_Ｐは以下の式により計算することができる。

半導体の相当の体積を占める内部生成電場を発生させるための通常の方法は、適切に選
択された伝導性（特に分子量子エネルギー状態の分布に関して）を有する材料の２つの層
（ドナーもしくはアクセプター）を並べることである。これら２つの材料の界面は光起電
性接合と呼ばれる。従来の半導体理論では、ＰＶ接合を形成するための材料は、ｎ型また
はｐ型になるように作製されうる。ここでｎ型は多数キャリアの型が電子であることを表
す。これは相対的に自由なエネルギー状態にある多数の電子を有する材料として見なされ
うる。ここでｐ型は多数キャリアの型がホールであることを表す。このような材料は相対
的に自由なエネルギー状態にある多数のホールを有する。バックグラウンドの型では、多
数キャリア濃度は主に、意図的ではない欠陥または不純物によるドーピングに依存する。
不純物の型および濃度が、伝導帯の最低エネルギーと価電子帯の最高エネルギーとの間の
ギャップ内にある、フェルミエネルギー（またはフェルミ準位）の値を決定する。フェル
ミエネルギーは、占有確率が１／２と等しくなるエネルギーの値で表される、分子量子エ
ネルギー状態の統計的な占有を特徴づける。伝導帯の最低エネルギーに近いフェルミエネ
ルギーは、電子が主要なキャリアであることを示す。価電子帯の最高エネルギーに近いフ
ェルミエネルギーは、ホールが主要キャリアであることを示す。したがって、フェルミエ
ネルギーは従来の半導体特性を主に特徴づけており、原型的なＰＶ接合は従来のｐ－ｎ界
面であった。

用語「整流」は、特に、界面が非対称な伝導特性を有する、すなわち、界面が、好まし
くは一方向の電荷の輸送を支持することを示す。整流は、通常は、適当に選択された材料
間の接合で生じるビルトイン電場に関連する。

本明細書に使用される場合、および当業者に一般的に理解されるように、第１エネルギ
ー準位が真空エネルギー準位に近い場合、第１「最高被占軌道」（ＨＯＭＯ）または「最
低空軌道」（ＬＵＭＯ）エネルギー準位は、第２ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位
「より大きい」または「より高い」。イオン化ポテンシャル（ＩＰ）が真空準位と比較し
て負のエネルギーとして測定されるので、より高いＨＯＭＯエネルギー準位はより小さい
絶対値（より負であるＩＰ）を有しているＩＰに対応している。同様に、より高いＬＵＭ
Ｏエネルギー準位はより小さい絶対値（より負であるＥＡ）を有している電子親和力（Ｅ
Ａ）に対応している。従来のエネルギー準位図（最上位に真空準位がある）において物質
のＬＵＭＯエネルギー準位は同じ物質のＨＯＭＯエネルギー準位より高い。「より高い」
ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、「より低い」ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネル
ギー準位より、そのような図の最上位に近いところにある。

有機半導体の重要な特性はキャリア移動度である。移動度とは、電界の印加に対応して
、電荷キャリアが導電性材料中を移動することができる容易さの度合いを表わす。有機感
光性デバイスについて記述すると、電子移動度が高いために電子を優先的に輸送する材料
を含む層は、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｐｏｒｔｌａｙｅｒ）または
ＥＴＬと表記することができる。正孔移動度が高いために正孔を優先的に輸送する材料を
含む層は、正孔輸送層（ｈｏｌｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｌａｙｅｒ）またはＨＴＬと表
記することができる。いくつかの場合では、アクセプター材料はＥＴＬとすることができ
、ドナー材料はＨＴＬとすることができる。

従来の無機半導体ＰＶセルは、ｐ－ｎ接合を用いて内部電界を形成することができる。
しかしながらここで、ｐ－ｎ型接合を形成する他に、ヘテロ接合のエネルギー準位のずれ
が、重要な役割を果たしていることも認識されたい。

有機ドナー／アクセプター（Ｄ／Ａ）ヘテロ接合のエネルギー準位のずれは、有機材料
における光励起が基本的な性質であることから、有機ＰＶ素子の動作にとって重要である
と考えられる。有機材料が光励起されると、フレンケル励起子または電荷移動励起子が局
所的に誘起される。電流検出または電流生成が行われるためには、結合励起子群を解離し
て、これらの励起子を構成する電子群および正孔群とする必要がある。このような過程は
、内蔵電界によって引き起こすことができるが、有機素子に通常現われる電界（Ｆ≒１０
^６Ｖ／ｃｍ）における効率は低い。有機材料内の最も高い効率の励起子の解離は、Ｄ／Ａ
界面で行われる。このような界面では、イオン化電位が低いドナー材料は、電子親和性が
高いアクセプター材料とヘテロ接合を形成する。ドナー材料およびアクセプター材料のエ
ネルギー準位の配置によって異なるが、励起子の解離は、このような界面においてエネル
ギー的に優先的に行われるようになり、電子ポーラロンがアクセプター材料内を自由に運
動することができ、かつ正孔ポーラロンがドナー材料内を自由に運動することができるよ
うになる。

キャリア生成には、励起子の生成、拡散、およびイオン化または収集が必要とされる。
これらの過程の各過程に関連する効率ηが存在する。添字は、以下の通り：電力変換効率
Ｐ、外部量子効率ＥＸＴ，光子吸収効率Ａ、拡散係数ＥＤ、収集効率ＣＣ、および内部量
子効率ＩＮＴを使用することができる。この表記を使用して、
η_Ｐ～η_ＥＸＴ＝η_Ａ ^＊η_ＥＤ ^＊η_ＣＣ
η_ＥＸＴ＝η_Ａ ^＊η_ＩＮＴ
が得られる。

励起子の拡散距離（Ｌ_Ｄ）は通常、光吸収長（約５００Å）よりもずっと短い（Ｌ_Ｄ≒
５０Å）ため、厚いため抵抗のある複数界面または高密度で折り返した界面を有するセル
を使用すること、もしくは光吸収効率が低い薄膜セルを使用することについてトレードオ
フを必要とする。

バッファ層は、キャリア抽出を向上させることができるので、有機光起電（ＯＰＶ）セ
ルに重要である。バッファ層の一部は、有機活性層を保護し、励起子をブロックすること
ができる。バッファ層のいくつかは、しかし、また、励起子を消光させことができ、した
がって、ＯＰＶセルの効率を低下させる。その結果、デバイス内の光パワー分布を最適化
し、バッファ層と光活性層の間に励起子消光界面における吸収を低減することが重要であ
る。

したがって、本明細書に開示された光活性層は、混合光活性層の上に光活性層を含む新
規のハイブリッド平面混合装置であり、前記光活性層が励起子を生成する光学スペーサで
ある。このような光学スペーサは、デバイス内部の光パワーを再分配し、いくつかの実施
形態において著しくデバイスの性能を向上させることができる。

本明細書にさらに開示されたのは、
重なり関係にある二つの電極と、
前記二つの電極の間に配置された混合光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触しているバッファ層と、を含み、
前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のド
ナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプタ
ー材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプタ
ー材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、
前記光活性層は、前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差
が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のド
ナー材料のＨＯＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ
材料を含む、
有機感光性光電子デバイスである。

本明細書にさらに開示されたのは、重なり関係にある二つの電極と、前記二つの電極の
間に配置された混合光活性層と、前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層
と、前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種の
ドナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプ
ター材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプ
ター材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、前記光活性層は、前記少なく
とも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭ
Ｏエネルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギー
との差が０．３ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料を含み、前記混合光活性層
は、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプター材料をド
ナー：アクセプター比が１：１～１：５０となる範囲で含む、有機感光性光電子デバイス
である。

本明細書にさらに開示されたのは、重なり関係にある二つの電極と、前記二つの電極の
間に配置された混合光活性層と、前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層
と、前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種の
ドナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプ
ター材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプ
ター材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、前記光活性層は、前記少なく
とも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭ
Ｏエネルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギー
との差が０．３ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料を含み、前記光活性層の膜
厚が２５ｎｍ未満である、有機感光性光電子デバイスである。

添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成している。

図１は、本開示による典型的なデバイスの概略図である。図２は、ＤＢＰ、Ｃ_７０及び１：８ＤＢＰ：Ｃ_７０混合物の吸収スペクトルの図である。挿入図：ＤＢＰ（左）、Ｃ_７０（右）の分子構造式。図３（ａ）は、ＭｏＯ_３、励起子ブロック（ＢＰｈｅｎ）および消光（Ｃ_６ _０、ＮＰＤ）層と伴うＤＢＰおよびＣ_７０膜のフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起スペクトルを示す図である。図３（ｂ）は波長λ＝５００ｎｍで混合ＨＪセルとＰＭ－ＨＪセルの吸収光パワーの空間分布を示す図である。図４（ａ）は外部量子効率（ＥＱＥ）を示す図である。図４（ｂ）は、Ｃ_７ _０：ＤＢＰ（Ｌ：Ｘ）の間の比の関数として、１ｓｕｎ、ＡＭ１．５Ｇ模擬照明下で電圧（ＪＶ）特性対電流密度を示す図である。図５は、均整Ｃ_７０キャップ層の厚さ（Ｘ）の関数として、１ｓｕｎ、ＡＭ１．５Ｇ模擬照明下でスペクトル補正後の電流密度対電圧（Ｊ－Ｖ）特性を示す図である。図６は、混合ＨＪとＰＭ－ＨＪＯＰＶセルの吸収効率（破線）、外部量子効率（三角）、および内部量子効率（（ＩＱＥ）、四角）スペクトルを示す図である。

発明の詳細な説明
本願で使用される「有機」の用語は、有機感光性デバイスを作製するために使用されて
もよいポリマー材料および低分子有機材料を含む。「低分子」はポリマーでない任意の有
機材料を意味し、「低分子」は実際にはかなり大きくてもよい。低分子は、状況次第で繰
り返し単位を含んでもよい。たとえば、長鎖アルキル基を置換基として使用しても、分子
は「低分子」の分類から除外されない。低分子はまた、たとえばポリマー骨格上のペンダ
ント基として、または当該骨格の一部として、ポリマーに組み込まれてもよい。

「電極」および「接点」の用語は、本願では、外部の回路に対して光発生電流を送り出
すための、またはデバイスに対してバイアス電流または電圧を供給するための、媒体を供
給する層を示すために使用される。つまり、電極または接点は、有機感光性光電子デバイ
スの活性領域と、外部回路に対してまたは外部回路から、電荷キャリアを輸送するための
金属線、リード線、配線または他の手段との間に、接合部分を供給する。アノードおよび
カソードが例である。参照により本願に組み込まれる米国特許第６，３５２，７７７は、
電極を開示し、感光性光電子デバイスにおいて使用されてもよい電極または接点の例を提
供する。感光性光電子デバイスでは、外部の装置からの周囲の電磁放射の最大量が、光伝
導的に活性である内部領域に受け入れられることが望ましい。つまり、電磁放射は、光伝
導性の吸収によってそれが電気に変換されうる場所である、光伝導層に到達しなければな
らない。これは、電気接点の少なくとも一つが、入力する電磁放射を最小限に吸収し、最
小限に反射しているべきであることをしばしば要求する。場合によっては、そのような接
点は、透明または少なくとも半透明であるべきである。電極は、関連する波長における周
囲の電磁放射の少なくとも５０％がそれを通して透過されうる場合、「透明」であると言
われる。電極は、関連する波長における周囲の電磁放射の幾分かであるが、５０％未満を
透過させうる場合、「半透明」であると言われる。反射電極は、吸収されることなくセル
を通過していた光が、セルを通して逆側に反射されるような、反射性の材料でありうる。

本願で使用され、説明される「層」は、主な次元がＸ－Ｙである（すなわち、自身の長
さおよび幅に沿う）感光性デバイスの要素または構成要素を意味する。層の用語は、単層
または材料のシートに必ずしも限定されないことを理解されたい。さらに、他の材料また
は層と、そのような層との接合面を含む、ある層の表面は、不完全であってもよく、ここ
で、当該表面は、他の材料または層と浸透したり、混在されたり、入り組んだりするネッ
トワークを示すことを理解されたい。同様に、Ｘ－Ｙ次元に沿う当該層の連続は、他の層
または材料によって妨げられたり、あるいは干渉されたりしてもよいように、層が不連続
であってもよいこともまた理解されたい。

本願で使用される「光活性領域」は、励起子を発生させるために電磁放射を吸収するデ
バイスの領域を意味する。同様に、層が励起子を発生させるために電磁放射を吸収する場
合、層は「光活性」である。励起子は、電流を発生させるために電子および正孔に解離し
うる。

本開示の有機材料において、「ドナー」および「アクセプター」の用語は、接合してい
るが異なる二つの有機材料の、ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギー準位の相対的な位置を
意味する。他と接する一つの材料のＬＵＭＯエネルギー準位がより低い場合、その材料は
アクセプターである。そうでない場合、それはドナーである。外部のバイアスがない場合
、ドナー－アクセプター接合における電子がアクセプター材料に移動すること、および正
孔がドナー材料に移動することは、エネルギー的に起こりやすい。

本開示のある実施形態では、有機感光性光電子デバイスに関し、重なり関係にある二つ
の電極と、
前記二つの電極の間に配置された混合光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触しているバッファ層とを含み、前記混合光活性層
は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のドナー材料、および最
低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプター材料を含み、前記
少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプター材料は混合ドナー
－アクセプターヘテロ接合を形成し、前記光活性層は、前記少なくとも一種のアクセプタ
ー材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材
料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以
内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料を含む、有機感光性光電子デバイスである。

本開示による非限定的なデバイスの概略図を図１に示す。いくつかの実施形態では、デ
バイスは、バッファ層を含まない。このような実施形態では、混合光活性層は、電極に隣
接し、電極に面していてもよい。

本開示の電極の一方はアノードであってもよく、他方の電極はカソードであってもよい
。電極が、所望のキャリア（正孔または電子）を受け取り、輸送するために最適化される
べきであることを理解されたい。「カソード」の用語は、周囲の照射下で、抵抗負荷に外
部の印加電圧なく接続される非積層のＰＶデバイスまたは積層のＰＶデバイスの単一ユニ
ット（たとえばＰＶデバイス）において、電子が光伝導性材料からカソードに移動すると
いうように本願では使用される。同様に、「アノード」の用語は、照射下のＰＶデバイス
において、正孔が光伝導性材料からアノードに移動するというように本願では使用され、
電子は逆に移動することに相当する。

本開示の混合光活性層は、少なくとも一つのドナー材料および少なくとも一つのアクセ
プター材料を含む。適切なドナー材料の例は、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、クロロア
ルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、スズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）、亜鉛フ
タロシアニン（ＺｎＰｃ）および他の修飾されたフタロシアニンなどのフタロシアニン、
ホウ素サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）などのサブフタロシアニン、ナフタロシアニン
、メロシアニン色素、ホウ素ジピロメテン（ＢＯＤＩＰＹ）色素、ポリ（３－ヘキシルチ
オフェン）（Ｐ３ＨＴ）などのチオフェン、低バンドギャップポリマー、ペンタセンおよ
びテトラセンなどのポリアセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、スクアライン（ＳＱ）
色素、ならびにテトラフェニルジベンゾペリフランテン（ＤＢＰ）を含むが、これらに限
定されない。他の有機ドナー材料は、本開示において考慮される。

スクアラインのドナー材料の例は、２，４－ビス［４－（Ｎ，Ｎ－ジプロピルアミノ）
－２，６－ジヒドロキシフェニル］スクアライン、２，４－ビス［４－（Ｎ，Ｎ－ジイソ
ブチルアミノ）－２，６－ジヒドロキシフェニル］スクアライン、２，４－ビス［４－（
Ｎ，Ｎ－ジフェニルアミノ）－２，６－ジヒドロキシフェニル］スクアライン（ＤＰＳＱ
）およびそれらの塩を含むが、これらに限定されない。適切なスクアライン材料のさらな
る例は、参照により本願に組み込まれる米国特許公開第２０１２／０２４８４１９におい
て開示されている。

本開示における適切なアクセプター材料の例は、ポリマーまたは非ポリマーペリレン、
ポリマーまたは非ポリマーナフタレン、ならびにポリマーまたは非ポリマーフラーレンお
よびフラーレン誘導体（たとえばＰＣＢＭ、ＩＣＢＡ、ＩＣＭＡなど）を含むが、これら
に限定されない。Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_８２、Ｃ_８４またはそれらの誘導体、たと
えばフェニル－Ｃ_６１－酪酸－メチルエステル（［６０］ＰＣＢＭ）、フェニル－Ｃ_７１
－酪酸－メチルエステル（［７０］ＰＣＢＭ）もしくはチエニル－Ｃ_６１－酪酸－メチル
エステル（［６０］ＴｈＣＢＭ）、ならびに３，４，９，１０－ペリレンテトラカルボン
酸－ビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、ヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ
_１６ＣｕＰｃ）およびそれらの誘導体などの他のアクセプターから選択されたものに限定
されない。他の有機アクセプター材料は、本開示において考慮される。

いくつかの実施形態において、少なくとも一つのドナー材料は、少なくとも一つのアク
セプター材料よりも少ない量で、混合光活性層に存在する。ある実施形態において、混合
光活性層は、少なくとも一つのドナー材料および少なくとも一つのアクセプター材料を、
ドナー：アクセプター比が、たとえば１：２～１：５０、１：３～１：３５、１：４～１
：２５、１：４～１：２０、１：４～１：１６、１：５～１：１５、または１：６～１：
１０など、１：１～１：５０となる範囲で含む。いくつかの実施形態において、少なくと
も一つのアクセプター材料は、少なくとも一つのドナー材料よりも少ない量で、混合光活
性層に存在する。ある実施形態において、混合光活性層は、少なくとも一つのアクセプタ
ー材料および少なくとも一つのドナー材料を、ドナー：アクセプター比が１：８で含む。

いくつかの実施形態において、少なくとも一つのアクセプター材料は、少なくとも一つ
のドナー材料よりも少ない量で、混合光活性層に存在する。ある実施形態において、混合
光活性層は、少なくとも一つのアクセプター材料および少なくとも一つのドナー材料を、
アクセプター：ドナー比が、たとえば１：２～１：５０、１：３～１：３５、１：４～１
：２５、１：４～１：２０、１：４～１：１６、１：５～１：１５または１：６～１：１
０など、１：１～１：５０となる範囲で含む。

図１に示すように、光活性層は、混合光活性層に隣接し、混合光活性層に面する。光活
性層は、前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅ
Ｖ以内、０．２ｅＶ以内、０．１ｅＶ以内、または０．０５ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネ
ルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギーとの差
が０．３ｅＶ以内、０．２ｅＶ以内、０．１ｅＶ、または０．０５ｅＶ以内であるＨＯＭ
Ｏエネルギーを持つ材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、光活性層を構成する
材料の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少
なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも
９８％、または少なくとも９９％は、前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯ
エネルギーとの差が０．３ｅＶ以内、０．２ｅＶ以内、０．１ｅＶ以内、または０．０５
ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持ち、もしくは前記少なくとも一種のドナー材料の
ＨＯＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内、０．２ｅＶ以内、０．１ｅＶ、または０．
０５ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料である。ある実施形態では、前記少な
くとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内、０．２ｅ
Ｖ以内、０．１ｅＶ以内、または０．０５ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材料
は、前記少なくとも一種のアクセプター材料と同じ材料である。ある実施形態では、前記
少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内、０．２ｅＶ
以内、０．１ｅＶ、または０．０５ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーをもつ材料は、前
記少なくとも一種のドナー材料と同じ材料である。いくつかの実施形態において、前記光
活性層の膜厚が５０ｎｍ未満、４０ｎｍ未満、３０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未
満、１５ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、８ｎｍ未満、５ｎｍ未満、３ｎｍ未満、または１ｎｍ
未満である。

本発明の光活性層は、積層体の改善された光学位置に混合光活性層を配置する場合、励
起子を生成することができる。すなわち、それは光学スペーサとして機能することができ
る。このような光学スペーサは、デバイス内部の光強度を再配分することができ、いくつ
かの実施形態ではデバイスの性能を大きく向上させることができる。例えば、実施形態で
は励起子が混合光活性層とバッファ層との界面で解離せずに消光する場合に、光活性層は
、消光界面から離れて光強度を再配分することができ、大部分の励起子を、混合光活性層
で解離させることができる。

バッファ層は、当技術分野で既知の材料を含んでもよい。電極に所望のキャリアの輸送
を阻害しないようにバッファ層を選択してもよい。いくつかの実施形態では、バッファ層
は、電子または正孔輸送材料である。いくつかの実施形態では、バッファ層は、励起子阻
止電子または励起子ブロッキング正孔輸送材料である。いくつかの実施形態では、バッフ
ァ層は、有機材料である。いくつかの実施形態では、バッファ層は、金属酸化物である。
いくつかの実施形態では、バッファ層は、導電性ポリマーである。緩衝材の例としては、
これらに限定されないが、ＭｏＯ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、ＣｒＯ_３、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＮｉＯ
、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオ
フェン）、ポリ（スチレンスルホンサン）（ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ）がある。いくつかの実
施形態では、バッファ層は、自己組織化単分子膜である。

いくつかの実施形態では、バッファ層は、混合光活性層との界面で励起子を消光させる
。

また、本明細書に開示されたのは、重なり関係にある二つの電極と、前記二つの電極の
間に配置された混合光活性層と、前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層
と、を含み、前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくと
も一種のドナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種の
アクセプター材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種の
アクセプター材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、前記光活性層は、前
記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であ
るＬＵＭＯエネルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエ
ネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料を含む、前記混合
光活性層は、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプター
材料をドナー：アクセプター比が、たとえば１：２～１：５０、１：３～１：３５、１：
４～１：２５、１：４～１：２０、１：４～１：１６、１：５～１：１５、または１：６
～１：１０など、１：１～１：５０となる範囲で含む、有機感光性光電子デバイスである
。

また、本明細書によれば、重なり関係にある二つの電極と、前記二つの電極の間に配置
された混合光活性層と、前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層と、を含
み、前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種の
ドナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプ
ター材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプ
ター材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、前記光活性層は、前記少なく
とも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭ
Ｏエネルギーを持つ材料、または前記少なくとも一種のドナー材料のＨＯＭＯエネルギー
との差が０．３ｅＶ以内であるＨＯＭＯエネルギーを持つ材料を含む、前記光活性層の膜
厚が５０ｎｍ未満、４０ｎｍ未満、３０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、１５ｎ
ｍ未満、１０ｎｍ未満、８ｎｍ未満、５ｎｍ未満、３ｎｍ未満、または１ｎｍ未満である
、有機感光性光電子デバイスも開示される。いくつかの実施形態では、デバイスは、混合
光活性層と隣接し、混合光活性層に面するバッファ層を任意に含む。

図１に示すように、本開示のいくつかの実施形態では、光活性層は、水平面で混合光活
性層と隣接し、混合光活性層に面する。いくつかの実施形態では、バッファ層は、反対側
水平面で混合光活性層と隣接し、混合光活性層に面する。

本開示の有機感光性光電子デバイスは、このようなデバイスに関する技術分野において
周知であるような、追加の層をさらに含んでもよい。たとえば、デバイスは、電荷キャリ
ア輸送層、および／または励起子阻止層（ＥＢＬ）のような一つ以上の阻止層などのバッ
ファ層をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、一つ以上のブロック層は、電極
と光活性層の間に配置されている。いくつかの実施形態では、一つ以上のブロック層は、
電極と混合層との間に、または特定の実施形態では電極とバッファ層との間に配置されて
いる。励起子ブロック層として使用できる材料については、非限定的な挙げると、バソク
プロイン（ＢＣＰ）、バソフェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）、１，４，５，８－ナフタレ
ンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、３，４，９，１０－ペリレンテトラカルボ
ンビスベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、１，３，５－トリス（Ｎ－フェニルベンズイ
ミダゾール－２－イル）ベンゼン（ＴＰＢＩ）、トリス（アセチルアセトナト）ルテニウ
ム（ＩＩＩ）（Ｒｕ（ａｃａｃ）_３）、及びアルミニウム（ＩＩＩ）フェノラート（Ａｌ
ｑ２ＯＰＨ）、Ｎ，Ｎ’－ジフェニル－Ｎ，Ｎ’－ビス－アルファ－ナフチルベンジジ
ン（ＮＰＤ）、アルミニウムトリス（８－ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）、およびカ
ルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）から選択されてもよい。ブロック層の例は、参照により
本願に組み込まれる米国特許公開第２０１２／０２３５１２５号および第２０１１／００
１２０９１号、ならびに米国特許第７，２３０，２６９号および第６，４５１，４１５号
において開示されている。

さらに、デバイスは、少なくとも１つの平滑化層を含んでもよい。平滑化層は、例えば
光活性領域と、電極の一方または両方との間に、配置されてもよい。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ンネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を含むフィル
ムは、平滑化層の一例である。

本発明の有機感光性光電子デバイスは、二つ以上のサブセルを含むタンデムデバイスと
して存在してもよい。本明細書において使用されるサブセル（Ｓｕｂｃｅｌｌ）とは、少
なくとも１つのドナー－アクセプターヘテロ接合を備える光活性のデバイスの構成要素を
指している。サブセルが光活性光電子デバイスとして個別に使用される際、それは、一般
に電極一式を含む。タンデムのデバイスは、タンデムのドナー－アクセプターヘテロ接合
間に、電荷輸送材料、電極、または電荷再結合材料もしくはトンネル接合を含んでもよい
。いくつかのタンデムの構造において、隣接するサブセルは、共有物（すなわち共有され
た電極、電荷輸送領域または電荷再結合領域）を使用できる。他の場合において、隣接す
るサブセルは、共有の電極または電荷輸送領域を共有しない。サブセルは、並列またはタ
ンデムに、電気的に接続されてもよい。

いくつかの実施形態において、電荷輸送層または電荷再結合層は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、
ＭｏＯ_３、Ｌｉ、ＬｉＦ、Ｓｎ、Ｔｉ、ＷＯ_３、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化
スズ（ＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺＯ）または亜
鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）から選択されてもよい。他の実施形態において、電
荷輸送層または電荷再結合層は、金属ナノクラスター、ナノ粒子またはナノロッドから構
成されてもよい。

本開示のデバイスは、光検出器、光伝導体、または太陽電池などの光起電デバイスであ
ってもよい。

層および材料は、当技術分野で公知の技術を用いて堆積されてもよい。例えば、本明細
書に記載の層及び材料は、溶液、蒸気、または両方の組み合わせから堆積することができ
る。いくつかの実施形態では、有機材料または有機層は、溶液処理によって、例えばスピ
ンコーティング、スピンキャスティング、スプレーコーティング、ディップコーティング
、ドクターブレード、インクジェット印刷、転写印刷から選択される１つ以上の技術によ
って堆積、または同時堆積することができる。

他の実施形態では、有機材料は、真空蒸着によって、例えば真空熱蒸着、有機気相堆積
、あるいは有機蒸気ジェット印刷によって堆積、または同時堆積することができる。

本明細書に記載の実施形態は、様々な構造に関連して使用されてもよいと理解されるべ
きである。機能性有機光起電デバイスは、様々な方法で記載された様々な層を組み合わせ
ることによって得られる。または層は、設計、性能、およびコスト要因に基づいて、完全
に省略してもよい。具体的に記載されていない追加の層が含まれていてもよい。具体的に
説明したもの以外の材料を使用してもよい。本明細書において様々な層に与えられた名称
は、厳密に限定することを意図するものではない。

実施例以外、あるいは特に指定された箇所を除いて、本明細書および特許請求の範囲に
おいて使用される、成分の量、反応条件、分析の測定結果などを示す全ての数字は、全て
の場合において、「約」の用語によって修飾されるものとして理解されたい。したがって
、反対に指定されない限り、本明細書および添付された特許請求の範囲において説明され
る数値パラメーターは、本開示によって取得しようとする所望の特性に応じて、変更して
もよい概算値である。少なくとも、特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限するため
の試みとしてではなく、各数値パラメーターは、有効数字および通常の丸め技法による近
似の数字を考慮して解釈されたい。

本開示の広い範囲を説明する数値的な範囲およびバラメーターは、概算値であるが、特
に指定されない限り、具体的な実施例において説明される数値は、可能な限り正確に記録
されている。しかしながら、任意の数値は本質的に、それらのそれぞれの試験の測定結果
において見られる標準的な誤差から必然的に生じる一定の誤差を含む。

本願で記載されるデバイスおよび方法は、単なる例示を目的とした、以下の限定的でな
い例によってさらに説明される。

実施例１：ＤＢＰおよびＣ_７０膜のフォトルミネッセンス測定
励起子解離（よって、ＯＰＶ効率）に対するＭｏＯ_３の影響を調べるために、石英上の
８ｎｍ厚さのＭｏＯ_３層と接する厚さ６０ｎｍのＤＢＰ及びＣ_７０薄膜のフォトルミネッ
センス（ＰＬ）励起スペクトルを測定した。比較のため、８ｎｍ厚さのバソフェナントロ
リン（ＢＰｈｅｎ）層を、ＤＢＰおよびＣ_７０の両方の励起子ブロック層として使用し、
一方、Ｃ_６０及びＮ、Ｎ’－ジフェニル－Ｎ、Ｎ’－ビス（Ｌ－ナフチル）－１－１’ビ
フェニル－４，４’ジアミン（ＮＰＤ）を、それぞれＤＢＰとＣ_７０の励起子クエンチン
グ層として使用した。ＤＢＰおよびＣ_７０フィルムのフォトルミネセンスの発光スペクト
ルは、ガラス基板を通して照射して測定し、それぞれ波長λ＝５３０ｎｍ及び４６０ｎｍ
において励起された。

これらの測定の結果を図３（ａ）に示す。ＭｏＯ_３／ＤＢＰサンプルは消光Ｃ_６０／Ｄ
ＢＰ界面を使用するフィルムと同等のＰＬ強度を持っていた。同様に、ＭｏＯ_３／Ｃ_７０
界面は消光ＮＰＤ／Ｃ_７０サンプルよりわずかに高いＰＬ強度を示した。両方の場合にお
いて、それらのＰＬ強度がブロックＢＰｈｅｎ／Ｃ_７０及びＢＰｈｅｎ／ＤＢＰ界面を用
いたものに比べて著しく減少した。これらの結果は、以前に予想されるようにＭｏＯ_３が
、励起子のブロックではなく、消光することを示している。

実施例２：ＯＰＶセルの作製
ＯＰＶセルは、ガラス基板上にプレコーティングされた１５Ω／□ のシート抵抗を有す
る酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の１００ｎｍの厚さの層の上に成長させた。堆積の前に
、ＩＴＯ表面を洗剤、脱イオン水および一連の有機溶媒で洗浄し、次いで１０分間紫外線
オゾンに曝露し、その後高真空チャンバ（基準圧＜１０^－７Ｔｏｒｒ）にロードされた。

ＭｏＯ_３、Ｃ_７０及びＢＰｈｅｎ層は０．５Å／ｓの速度で堆積し、ＤＢＰ及びＣ_７０
は共蒸着され、この際ＤＢＰ堆積速度は０．２Å／ｓであり、Ｃ_７０の堆積速度は、所望
の体積比を達成するように調整された。数々の直径１ｍｍの円形開口部を有するシャドウ
マスクは、１０００Åの厚さのＡｌ陰極のパターニングに使用されて、これによりセル領
域を画定した。

基板は直接に超高純度Ｎ_２を充填したグローブボックス内に移して、暗所でＡＭ１．５
Ｇ模擬太陽照明の下の電流密度－電圧（ＪＶ）、およびＥＱＥを測定した。国立再生可能
エネルギー研究所追跡可能なＳｉ基準セルは、光パワーを測定するために使用した。ＥＱ
Ｅは、ＮＲＥＬ追跡可能なＳｉ検出器を参照し、Ｘｅランプからの単色光を用いて測定さ
れて２００Ｈｚで細断した。短絡電流Ｊ_ｓｃ１は、スペクトルの不一致を補正した。

テトラフェニルジベンゾペリフラテン（ＤＢＰ）は、ドナー物質として使用した。そし
てＣ_７０は、アクセプター物質として使用した。ＤＢＰは、高い吸収係数（図２参照）、
約１０^－４ｃｍ^２／（Ｖｓ）の高い正孔移動度、－５．５ｅＶの最高被占分子軌道（ＨＯ
ＭＯ）エネルギー、およびスペクトル分解ルミネセンス消光によって測定された１６±１
ｎｍの励起子拡散距離を有する。Ｃ_７０は、λ＝３５０ｎｍから７００ｎｍの間に広い吸
収スペクトルを有する。ＤＢＰとＣ_７０から得られたブレンドはλ＝３５０ｎｍから７０
０ｎｍの間に強く吸収できる。

真空熱蒸発ＭｏＯ_３は、その大きい仕事関数（陽極での正孔収集効率を向上させる）、
高い透過率と低い直列抵抗のため、陽極バッファ層として用いた。

ＰＭ－ＨＪ構造内のＣ_７０のＤＢＰは、太陽スペクトルにわたって１：８ＤＢＰ：Ｃ
_７０混合物のＥＱＥは最大化なるように（図４（ａ））、最適化された。図４（ｂ）に示
すようにＤＢＰ濃度の減少に伴って開回路電圧（Ｖ_ＯＣ）が単調に増加して、これは、ポ
ーラロン対再結合速度の低下が原因と思われた。フィルファクタは、ＤＢＰ濃度の減少に
伴って増加し１：８の比の時に最大値ＦＦ＝５６±０．０１に到達し、その後、この不均
一な部分的混合の領域でＤＢＰ濃度はさらに減少したため、ほとんど変わらなかった。こ
れは、二分子再結合を低減できるため、混合光活性層領域で電子と正孔の移動度がバラン
スをとれたことが原因と考えられた。

ＡＭ１．５Ｇ、１太陽強度模擬太陽光照度下で異なる厚さのＣ_７０キャップのセルのＪ
Ｖ特性は、図５に示されており、デバイスの性能特性は、表Ｉに要約している。すべての
セルは、Ｖ_ＯＣ＝０．９１±０．０１Ｖであり、およびフィルファクタＦＦ＝０．５６±
０．０１であった。混合ＨＪ電池は、Ｊ_ＳＣ＝１０．７±０．２ｍＡ／ｃｍ^２であり、Ｐ
ＣＥ＝５．７±０．１％の電力変換効率が結果として得られた。Ｃ_７０層（Ｘ＝９ｎｍ）
の添加は、Ｊ_ＳＣが１２．３±０．３ｍＡ／ｃｍ^２までの増加につながって、ＰＣＥ＝６
．４±０．３％が結果として得られた。

Ｃ_７０の厚さは、ｘ＝９ｎｍまで増加すると、混合ＨＪ電池に比べてＰＭ－ＨＪセルの
ＥＱＥはλ＝４００ｎｍおよび７００ｎｍの間に１０％まで増加（図６参照）した。これ
は、今度はＪ_ＳＣが１５％増加した。ｘは１１ｎｍまでさらに増加したように、Ｊ_ＳＣは
１２．０±０．２ｍＡ／ｃｍ^２に減少した。厚さ９ｎｍのＣ７０層を有するＰＭ－ＨＪセ
ルのＥＱＥは、λ＝４５０ｎｍ及び５５０ｎｍの間に＞７０％であって、そして、スペク
トルλ＝３５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲内で平均＞６５％であって、Ｊ_ＳＣ＝１２．３
±０．３ｍＡ／ｃｍ^２の結果になった。

内部量子効率ＩＱＥは、光活性層に吸収された光子と電極で収集された自由キャリアの
比として定義される。吸収効率η_Ａを計算するため、さらにＰＭ－ＨＪ電池でＥＱＥの改
善の起源を理解するために変換マトリックス法が用いられた。図６に示すように、光学シ
ミュレーションに基づき、混合ＨＪとＰＭ－ＨＪセルは、λ＝４００ｎｍ及び６５０ｎｍ
の範囲内でη_Ａ＞７５％の似たような吸収スペクトルを示した。ＰＭ－ＨＪセルは、λ＝
４５０ｎｍから５５０ｎｍのスペクトル範囲内ＩＱＥ＞９０％であって、その際、混合Ｈ
ＪセルのＩＱＥは同じスペクトル領域に約８０％のみであった（図６）。図３（ｂ）に示
すように、ＰＭ－ＨＪセルにＣ_７０層の添加は、光活性層内の光場を再分配させて、Ｍｏ
Ｏ_３／有機界面での励起子生成増加と、細胞光活性領域における解離と、還元励起子消光
の結果になった。

Claims

重なり関係にある二つの電極と、
前記二つの電極の間に配置された混合光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触している光活性層と、
前記混合光活性層と隣接し、かつ接触しているバッファ層と、
を含み、
前記混合光活性層は、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のドナー材料、および最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーを持つ少なくとも一種のアクセプター材料を含み、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプター材料は混合ドナー－アクセプターヘテロ接合を形成し、
前記光活性層は、前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材料を含み、
前記光活性層の膜厚が１５ｎｍ未満であり、
前記バッファ層は、ＭｏＯ _３、Ｖ _２Ｏ _５、ＷＯ _３、ＣｒＯ _３、Ｃｏ _３Ｏ _４、ＮｉＯ、ＺｎＯ、およびＴｉＯ _２から選択される金属酸化物を含み、
前記バッファ層は、前記混合光活性層との界面で励起子を消光する、有機感光性光電子デバイス。
前記光活性層は、前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．１ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記少なくとも一種のアクセプター材料のＬＵＭＯエネルギーとの差が０．３ｅＶ以内であるＬＵＭＯエネルギーを持つ材料は、前記少なくとも一種のアクセプター材料と同じ材料である、請求項１または２に記載のデバイス。
前記混合光活性層は、前記少なくとも一種のドナー材料および前記少なくとも一種のアクセプター材料をドナー：アクセプターの体積比が１：１～１：５０となる範囲で含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のデバイス。
前記ドナー：アクセプターの体積比が１：４～１：２５の範囲である、請求項４に記載のデバイス。
前記光活性層の膜厚は１０ｎｍ未満である、請求項１～５のいずれか１項に記載のデバイス。
前記少なくとも一種のアクセプター材料は、フラーレンまたはその誘導体を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載のデバイス。
前記少なくとも一種のドナー材料は、テトラフェニルジベンゾペリフランテン（ｔｅｔｒａｐｈｅｎｙｌｄｉｂｅｎｚｏｐｅｒｉｆｌａｎｔｈｅｎｅ、ＤＢＰ）を含む、請求項７に記載のデバイス。
前記少なくとも１種のアクセプター材料は、Ｃ_７０を含む、請求項７に記載のデバイス。
前記金属酸化物は、ＭｏＯ_３である、請求項１～９のいずれか１項に記載のデバイス。