[Claims] 有機マトリックス内に備えられたトンネル障壁を有する量子ドットを備える中間バンド感光性装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子ドットと、有機マトリックスと、を含み、
前記各量子ドットはシェルを有し、
前記量子ドットは前記有機マトリックス内に埋め込まれ、
少なくとも前記量子ドットと前記有機材は光伝導半導体であり、
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、前記有機マトリックスの最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）における電子が前記各量子ドットに到達するため量子力学的なトンネリングを必要とするように、トンネル障壁として備えられており、
前記各量子ドット内のバンドギャップより上位の第１量子状態は、前記ＬＵＭＯと前記有機マトリックスの最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）との間に位置し、前記複数の量子ドットの前記第１量子状態での複数の波動関数が中間バンドとして重なり合う、感光性装置。
【請求項２】
前各量子ドットは、第２量子状態をさらに有し、
前記第２量子状態は、前記第１量子状態の上位であって、前記有機マトリックスの前記ＬＵＭＯから±０．１６ｅＶの範囲内に位置する、請求項１の感光性装置。
【請求項３】
前記トンネル障壁の高さは、前記トンネル障壁の頂部と前記有機マトリックスの前記ＬＵＭＯとの間の差分を有するエネルギー準位の絶対値であり、
前記トンネル障壁の前記高さとポテンシャルプロファイルと、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さとの組合せは、０．１ないし０．９のトンネリング確率に対応し、
前記トンネリング確率は、前記有機マトリックスから前記各量子ドットに電子がトンネリングする確率である、請求項１の感光性装置。
【請求項４】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、０．１ないし１０ナノメートルの範囲である、請求項３の感光性装置。
【請求項５】
前記トンネル障壁の前記高さおよびポテンシャルプロファイルと、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さとの組合せは、０．２ないし０．５のトンネリング確率に対応し、
前記トンネリング確率は、前記有機マトリックスから前記各量子ドットに電子がトンネリングする確率である、請求項３の感光性装置。
【請求項６】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、０．１ないし１０ナノメートルの範囲である、請求項５の感光性装置。
【請求項７】
前記有機マトリックスは、光伝導性低分子半導体である、請求項１の感光性装置。
【請求項８】
前記有機マトリックスは、光伝導性ポリマー半導体である、請求項１の感光性装置。
【請求項９】
前記各量子ドットは、無機半導体である、請求項１の感光性装置。
【請求項１０】
前記各量子ドットは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｉＣ、およびこれらの三元または四元混晶からなる群より選択される化合物半導体からなる、請求項９の感光性装置。
【請求項１１】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、無機半導体または無機電気絶縁体からなる、請求項９の感光性装置。
【請求項１２】
前記各量子ドットは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｉＣ、およびこれらの三元または四元混晶からなる群より選択される化合物半導体からなる、請求項１１の感光性装置。
【請求項１３】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、酸化物、窒化物、および酸化窒化物からなる群より選択される無機電気絶縁体である、請求項１１の感光性装置。
【請求項１４】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、有機半導体または有機電気絶縁体からなる、請求項９の感光性装置。
【請求項１５】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、ポリマー、チオール、デンドリマー、アルカン鎖、および有機酸化物からなる群より選択される有機材である、請求項１４の感光性装置。
【請求項１６】
重複関係にある有機ドナー層と有機アクセプタ層をさらに含み、
前記有機マトリックスに埋め込まれる前記量子ドットは、前記ドナー層と前記アクセプタ層との間に配置され、
前記ドナー層の最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）は、前記量子ドットの周囲の前記シェルにより備えられた前記トンネル障壁の頂部よりも高い、請求項９の感光性装置。
【請求項１７】
前記各量子ドットは、有機半導体からなり
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、有機半導体または有機電気絶縁体からなる、請求項１の感光性装置。
【請求項１８】
前記各量子ドットは、光伝導性低分子、光伝導性デンドリマー分子、および光伝導性ポリマー分子からなる群より選択される第１有機材からなり、
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、ポリマー、チオール、デンドリマー、アルカン鎖、および有機酸化物からなる群より選択される第２有機材からなる、請求項１７の感光性装置。
【請求項１９】
重複関係にある有機ドナー層と有機アクセプタ層をさらに含み、
前記有機マトリックスに埋め込まれる前記量子ドットは、前記ドナー層と前記アクセプタ層との間に配置され、
前記ドナー層の最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）は、前記量子ドットの周囲の前記シェルにより備えられた前記トンネル障壁の頂部よりも高い、請求項１７の感光性装置。
【請求項２０】
前記複数の量子ドットの量子ドットと前記量子ドットの周囲の前記シェルとは、単一デンドリマー分子として統合される、請求項１の感光性装置。
【請求項２１】
前記各量子ドットにおいて、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さは、０．１から１０ナノメートルの範囲である、請求項１の感光性装置。
【請求項２２】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、前記各量子ドットの中心を通る平均断面厚さの１０％以下である、請求項２１の感光性装置。
【請求項２３】
前記感光性装置は、太陽電池である、請求項１の感光性装置。
【請求項２４】
複数の量子ドットと、有機マトリックスと、を含み
前記各量子ドットはシェルを有し、
前記量子ドットは前記有機マトリックス内に埋め込まれ、
少なくとも前記量子ドットと前記有機材は光伝導半導体であり、
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、前記有機マトリックスの最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）にあける正孔が前記各量子ドットに到達するため量子力学的なトンネリングを必要とするように、トンネル障壁として備えられており、
前記各量子ドット内のバンドギャップより下位の第１量子状態は、前記有機マトリックスの最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）と前記ＨＯＭＯとの間に位置し、前記複数の量子ドットの前記第１量子状態の複数の波動関数が中間バンドとして重なり合う、感光性装置。
【請求項２５】
前記各量子ドットは、第２量子状態をさらに有し、
前記第２量子状態は、前記第１量子状態の下位であって、前記有機マトリックスの前記ＨＯＭＯから±０．１６ｅＶの範囲内に位置する、請求項２４の感光性装置。
【請求項２６】
前記トンネル障壁の高さは、前記トンネル障壁の頂部と前記有機マトリックスの前記ＨＯＭＯとの間の差分を有するエネルギー準位の絶対値であり、
前記トンネル障壁の前記高さとポテンシャルプロファイルと、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さとの組合せは、０．１ないし０．９のトンネリング確率に対応し、
前記トンネリング確率は、前記有機マトリックスから前記各量子ドットに正孔がトンネリングする確率である、請求項２４の感光性装置。
【請求項２７】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、０．１から１０ナノメートルの範囲内にある、請求項２６の感光性装置。
【請求項２８】
前記トンネル障壁の前記高さとポテンシャルプロファイルと、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さとの組合せは、０．２ないし０．５のトンネリング確率に対応し、
前記トンネリング確率は、前記有機マトリックスから前記各量子ドットに電子がトンネリングする確率である、請求項２６の感光性装置。
【請求項２９】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、０．１ないし１０ナノメートルの範囲である、請求項２８の感光性装置。
【請求項３０】
前記有機マトリックスは、光伝導性低分子半導体である、請求項２４の感光性装置。
【請求項３１】
前記有機マトリックスは、光伝導性ポリマー半導体である、請求項２４の感光性装置。
【請求項３２】
前記各量子ドットは、無機半導体である、請求項２４の感光性装置。
【請求項３３】
前記各量子ドットは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｉＣ、およびこれらの三元または四元混晶からなる群より選択される化合物半導体からなる、請求項３２の感光性装置。
【請求項３４】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、無機半導体または無機電気絶縁体からなる、請求項３２の感光性装置。
【請求項３５】
前記各量子ドットは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｉＣ、およびこれらの三元または四元混晶からなる群より選択される化合物半導体からなる、請求項３４の感光性装置。
【請求項３６】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、酸化物、窒化物、および酸化窒化物からなる群より選択される無機電気絶縁体である、請求項３４の感光性装置。
【請求項３７】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、有機半導体または有機電気絶縁体からなる、請求項３２の感光性装置。
【請求項３８】
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、ポリマー、チオール、デンドリマー、アルカン鎖、および有機酸化物からなる群より選択される有機材である、請求項３７の感光性装置。
【請求項３９】
重複関係にある有機ドナー層と有機アクセプタ層をさらに含み、
前記有機マトリックスに埋め込まれる前記量子ドットは、前記ドナー層と前記アクセプタ層との間に配置され、
前記アクセプタ層の最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）は、前記量子ドットの周囲の前記シェルにより備えられた前記トンネル障壁の頂部よりも低い、請求項３２の感光性装置。
【請求項４０】
前記各量子ドットは、有機半導体からなり
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、有機半導体または有機電気絶縁体からなる、請求項２４の感光性装置。
【請求項４１】
前記各量子ドットは、光伝導性低分子、光伝導性デンドリマー分子、および光伝導性ポリマー分子からなる群より選択される第１有機材からなり
前記各量子ドットの周囲の前記シェルは、ポリマー、チオール、デンドリマー、アルカン鎖、および有機酸化物からなる群より選択される第２有機材からなる、請求項４０の感光性装置。
【請求項４２】
重複関係にある有機ドナー層と有機アクセプタ層をさらに含み、
前記有機マトリックスに埋め込まれる前記量子ドットは、前記ドナー層と前記アクセプタ層との間に配置され、
前記アクセプタ層の最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）は、前記量子ドットの周囲の前記シェルにより備えられた前記トンネル障壁の頂部よりも低い、請求項４０の感光性装置。
【請求項４３】
前記複数の量子ドットの量子ドットと前記量子ドットの周囲の前記シェルとは、単一デンドリマー分子として統合される、請求項２４の感光性装置。
【請求項４４】
前記各量子ドットにおいて、前記各量子ドットの周囲の前記シェルの厚さは、０．１から１０ナノメートルの範囲内にある、請求項２４の感光性装置。
【請求項４５】
前記各量子ドットにおいて、前記シェルの厚さは、前記各量子ドットの中心を通る断面の平均の厚さの１０％以下である、請求項４４の感光性装置。
【請求項４６】
前記感光性装置は、太陽電池である、請求項２４の感光性装置。

What is claimed is:

1. A photosensitive device comprising: a plurality of quantum dots, each quantum dot having a shell; and an organic matrix, the quantum dots being embedded in the organic matrix, at least the quantum dots and the organic matrix being photoconductive semiconductors, the shell around each quantum dot being arranged as a tunneling barrier to require an electron in a lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the organic matrix to perform quantum mechanical tunneling to reach the respective quantum dot, and a first quantum state above the band gap in each quantum dot being between the LUMO and a highest occupied molecular orbital (HOMO) of the organic matrix, wave functions of the first quantum state of the plurality of quantum dots to overlap as an intermediate band.

2. The photosensitive device of claim 1, each quantum dot further having a second quantum state, wherein the second quantum state is above the first quantum state and within ±0.16 eV of the LUMO of the organic matrix.

3. The photosensitive device of claim 1 , a height of the tunneling barrier being an absolute value of an energy level difference between a peak of the tunneling barrier and the LUMO of the organic matrix, wherein a combination of the height and potential profile of the tunneling barrier and a thickness of the shell around each quantum dot corresponds to a tunneling probability between 0.1 and 0.9 that the electron will tunnel into the respective quantum dot from the organic matrix.

4. The photosensitive device of claim 3, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

5. The photosensitive device of claim 3, wherein the combination of the height and potential profile of the tunneling barrier and the thickness of the shell around each quantum dot corresponds to a tunneling probability between 0.2 and 0.5 that the electron will tunnel into the respective quantum dot from the organic matrix.

6. The photosensitive device of claim 5, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

7. The photosensitive device of claim 1, wherein the organic matrix is composed of a photoconductive small molecule semiconductor.

8. The photosensitive device of claim 1 , wherein the organic matrix is composed of a photoconductive polymer semiconductor.

9. The photosensitive device of claim 1, wherein each quantum dot is composed of an inorganic semiconductor.

10. The photosensitive device of claim 9, wherein each quantum dot is composed of a compound semiconductor selected from the group consisting of III- V compound semiconductors, TI-VI compound semiconductors, PbS, PbSe, PbTe, SiC, and ternary and quaternary alloys thereof.

11. The photosensitive device of claim 9, wherein the shell around each quantum dot is composed of an inorganic semiconductor or an inorganic electrical insulator.

12. The photosensitive device of claim 11 , wherein the shell around each quantum dot is composed of a compound semiconductor selected from the group consisting of III- V compound semiconductors, II- VI compound semiconductors, PbS, PbSe, PbTe, SiC, and ternary and quaternary alloys thereof.

13. The photosensitive device of claim 11, wherein the shell around each quantum dot is composed of an inorganic electrical insulator selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides.

14. The photosensitive device of claim 9, wherein the shell around each quantum dot is composed of an organic semiconductor or an organic electrical insulator.

15. The photosensitive device of claim 14, wherein the shell around each quantum dot is composed of" an organic material selected from the group consisting of polymers, thiols, dendrimers, alkane chains, and organic oxides.

16. The photosensitive device of claim 9, further comprising an organic donor layer and an organic acceptor layer in superposed relationship, the quantum dots embedded in the organic matrix being disposed between the donor layer and the acceptor layer, wherein a lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor layer is higher than a peak of the tunneling barriers provided by the shells around the quantum dots.

17. The photosensitive device of claim 1, wherein: each quantum dot is composed of an organic semiconductor, and the shell around each quantum dot is composed of an organic semiconductor or an organic electrical insulator.

18. The photosensitive device of claim 17, wherein: each quantum dot is composed of a first organic material selected from the group consisting of a photoconductive small molecule, a photoconductive dendrimer molecule, and a photoconductive polymer molecule; and the shell around each quantum dot is composed of a second organic material selected from the group consisting of polymers, thiols, dendrimers, alkane chains, and organic oxides.

19. The photosensitive device of claim 17, further comprising an organic donor layer and an organic acceptor layer in superposed relationship, the quantum dots embedded in the organic matrix being disposed between the donor layer and the acceptor layer, wherein a lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor layer is higher than a peak of the tunneling barriers provided by the shells around the quantum dots.

20. The photosensitive device of claim 1 , wherein a quantum dot of the plurality of quantum dots and the shell around said quantum dot are integrated as a single dendrimer molecule.

21. The photosensitive device of claim 1, wherein for each quantum dot, a thickness of the shell.around each quantum dot is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

22. The photosensitive device of claim 21, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is equal to no more than 10% of an average cross-sectional thickness through a center of the respective quantum dot.

23. The photosensitive device of claim 1, wherein the photosensitive device is a solar cell.

24. A photosensitive device comprising: a plurality of quantum dots, each quantum dot having a shell; and an organic matrix, the quantum dots being embedded in the organic matrix, at least the quantum dots and the organic matrix being photoconductive semiconductors, the shell around each quantum dot being arranged as a tunneling barrier to require hole in a highest occupied molecular orbital (HOMO) of the organic matrix to perform quantum mechanical tunneling to reach the respective quantum dot, and a first quantum state below the band gap in each quantum dot being between a lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and the HOMO of the organic matrix, wave functions of the first quantum state of the plurality of quantum dots to overlap as an intermediate band.

25. The photosensitive device of claim 24, each quantum dot further having a second quantum state, wherein the second quantum state is below the first quantum state and within ±0.16 eV of the HOMO of the organic matrix.

26. The photosensitive device of claim 24, a height of the tunneling barrier being an absolute value of an energy level difference between a peak of the tunneling barrier and the HOMO of the organic matrix, wherein a combination of the height and potential profile of the tunneling barrier and a thickness of the shell around each quantum dot corresponds to a tunneling probability between 0.1 and 0.9 that the hole will tunnel into the respective quantum dot from the organic matrix.

27. The photosensitive device of claim 26, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

28. The photosensitive device of claim 26, wherein the combination of the height and potential profile of the tunneling barrier and the thickness of the shell around each quantum dot corresponds to a tunneling probability between 0.2 and 0.5 that the hole will tunnel into the respective quantum dot from the organic matrix.

29. The photosensitive device of claim 28, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

30. The photosensitive device of claim 24, wherein the organic matrix is composed of a photoconductive small molecule semiconductor.

31. The photosensitive device of claim 24, wherein the organic matrix is composed of a photoconductive polymer semiconductor.

32. The photosensitive device of claim 24, wherein each quantum dot is composed of an inorganic semiconductor.

33. The photosensitive device of claim 32, wherein each quantum dot is composed of a compound semiconductor selected from the group consisting of HI-V compound semiconductors, II- VI compound semiconductors, PbS, PbSe, PbTe, SiC, and ternary and quaternary alloys thereof.

34. The photosensitive device of claim 32, wherein the shell around each quantum dot is composed of an inorganic semiconductor or an inorganic electrical insulator.

35. The photosensitive device of claim 34, wherein the shell around each quantum dot is composed of a compound semiconductor selected from the group consisting of III- V compound semiconductors, II- VI compound semiconductors, PbS, PbSe, PbTe, SiC, and ternary and quaternary alloys thereof.

36. The photosensitive device of claim 34, wherein the shell around each quantum dot is composed of an inorganic electrical insulator selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides,

37. The photosensitive device of claim 32, wherein the shell around each quantum dot is composed of an organic semiconductor or an organic electrical insulator.

38. The photosensitive device of claim 37, wherein the shell around each quantum dot is composed of an organic material selected from the group consisting of polymers, thiols, dendrimers, alkane chains, and organic oxides.

39. The photosensitive device of claim 32, further comprising an organic donor layer and an organic acceptor layer in superposed relationship, the quantum dots embedded in the organic matrix being disposed between the donor layer and the acceptor layer, wherein a highest occupied molecular orbital (HOMO) of the acceptor layer is lower than a peak of the tunneling barriers provided by the shells around the quantum dots.

40. The photosensitive device of claim 24, wherein: each quantum dot is composed of an organic semi conductor, and the shell around each quantum dot is composed of an organic semiconductor or an organic electrical insulator.

41. The photosensitive device of claim 40, wherein: each quantum dot is composed of a first organic material selected from the group consisting of a photoconductive small molecule, a photoconductive dendrimer molecule, and a photoconductive polymer molecule; and the shell around each quantum dot is composed of a second organic material selected . from the group consisting of polymers, thiols, dendrimers, alkane chains, and organic oxides.

42. The photosensitive device of claim 40, further comprising an organic donor layer and an organic acceptor layer in superposed relationship, the quantum dots embedded in the organic matrix being disposed between the donor layer and the acceptor layer, wherein a highest

occupied molecular orbital (HOMO) of the acceptor layer is lower than a peak of the tunneling barriers provided by the shells around the quantum dots.

43. The photosensitive device of claim 24, wherein a quantum dot of the plurality of quantum dots and the shell around said quantum dot are integrated as a single deridr?rner molecule.

44. The photosensitive device of claim 24, wherein for each quantum dot, a thickness of the shell around each quantum dot is in a range of 0.1 to 10 nanometers.

45. The photosensitive device of claim 44, wherein for each quantum dot, the thickness of the shell is equal to no more than 10% of an average cross-sectional thickness through a center of the respective quantum dot.

46. The photosensitive device of claim 24, wherein the photosensitive device is a solar cell.

「特表2009-520358およびWO2007073467より引用」