具有激子阻挡层的有机光敏光电器件制造技术

本发明专利技术公开了包含激子阻挡层以提高器件效率的有机光敏光电器件（“ＯＰＯＤ”）。公开了单异质结型、堆叠型和波导型实施方案。公开了具有多层结构和激子阻挡层的光电探测器ＯＰＯＤ。提供了选择激子阻挡层的指导原则。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及有机薄膜光敏光电器件。更具体地，它针对具有激子阻挡层的有机光敏光电器件，例如，太阳能电池和可见光谱光电探测器。
技术介绍
光电器件依靠材料的光学或电学性质来制造或探测电磁辐射，或者由周围的电磁辐射来产生电流。光敏光电器件将电磁辐射转换为电流。太阳能电池，或者也称作光伏打(PV)器件，特别被用作产生电源。PV器件被用来驱动耗能负载以提供，例如，光、热，或用来运行像计算机或者远距离监控或通信设备这样的电子设备。这些发电应用经常还包括对电池或其它储能器件充电，以使当来自太阳或其它外部光源的直接照明不存在时，设备能继续运作。此处，术语“电阻负载”指的是任何耗能或储能器件、设备或系统。传统上，光敏光电器件都是由大量无机半导体所构成，例如单晶、多晶及非晶硅，砷化镓，碲化镉以及其它材料。此处，术语“半导体”表示当载流子受热或电磁激发时能够导电的材料。术语“光电导”主要指电磁场能量被吸收从而转换为载流子的激发能，以使载流子能够在材料中传导，即输运电荷的过程。术语“光电导体”和“光电导材料”在此处指的是这样的半导体材料它们因其吸收选定光谱能量的电磁辐射来产生载流子而被选择。太阳能电池的特征在于其可将入射太阳能转换成有用的电能的功效。使用单晶或非晶硅的器件在商业应用上占优势，其中一些已获得了23％或更高的效率。然而，有效的硅基器件，尤其是大面积的器件，制造起来困难而且昂贵，这要归因于要在制造大晶体中不产生显著的效率退化的缺陷这一固有的问题。另一方面，高效非晶硅器件依然存在稳定性问题。现在商业上可用的非晶硅电池具有的稳定效率在4％到8％之间。更近来的努力都集中于有机光伏打电池的使用，以获得在经济的制造费用下可接受的光伏转换效率。PV器件通常具有这样的特性当它们与负载相连并受到光照时，产生一个光生电压。当受到光照而没有任何外部电负载时，PV器件产生其最大可能电压V开路，或VOC。如果PV器件在短路情况下受到光照，则会产生最大的短路电流，或ISC。当将其实际使用来产生能量时，PV器件与有限的电阻负载相连，输出功率由电流电压乘积，I×V给出。PV器件最大的总输出功率固有地不能超过乘积ISC×VOC。当优化负载值以获得最大输出功率时，电流和电压分别为Imax和Vmax。太阳能电池的一个性能指数为填充系数ff，定义如下ff=ImaxVmaxISCVOC---(1)]]>其中ff总小于1，因为在实际应用中ISC和VOC总不会同时达到。但是，当ff接近1，这种器件是更有效的。当能量适当的电磁辐射入射到半导体有机材料，例如有机分子晶体(OMC)材料、或聚合物上时，一个光子被吸收以产生一个受激分子态。这可以象征性地表示为S0+hv＝A0*。这里S0和S0*分别表示分子态的基态和激发态。该能量吸收与一个电子从价带(可能是一个π带)中的束缚态至导带(可能是一个π*带)的跃迁有关，或等价地，与一个空穴从导带至价带的跃迁有关。在有机薄膜半导体中，通常相信激发分子态是一个激子，也就是处于束缚状态，以准粒子形式输运的电子-空穴对。激子可以具有一个成对复合之前可估计的寿命，成对复合指的是原始的电子和空穴之间互相复合，与同来自其它电子-空穴对的空穴或电子复合不同。为产生光电流，电子-空穴对必须分开。如果载流子不分开，它们会在成对复合过程——也称作淬灭——中复合掉，在产生热量的同时，重新辐射出能量小于入射光的光线，或者不辐射。这些结果在光敏光电器件中都是不希望出现的。虽然激子电离——或分裂——还没有完全被了解，但通常认为它发生在缺陷、杂质、接触、界面或其它非同质处。经常地，电离发生在晶体缺陷周围产生的电场中，表示为M。此反应表达为S0*+M＝e-+h-。如果电离发生在材料的无整体电场区域中的不规则缺陷处，产生的电子-空穴对很可能发生复合。为获得有用的光电流，电子和空穴必须被分别收集在各自的相对电极处，电极常常指的是接触。激子分裂要么通过场发射发生在强电场区，要么通过电荷转移发生在两种材料的界面，例如像铜酞菁(CuPc)和3，4，9，10-二萘嵌苯四羧酸酯二苯并咪唑(PTCBI)这样的施主性和受主性材料。后者可以看作一个放热的化学反应，也就是，一部分能量以振动能量的形式释放出来。该反应的发生是由于已分裂激子的能量差——也就是在例如PTCBI中的自由电子和在例如CuPc中的自由空穴之间的能量差——小于分裂之前的激子的能量。电场或接触处的不同质性可能导致激子淬灭而不是分裂，导致对电流没有净贡献。所以，希望使光生激子远离接触。这具有限制激子扩散到接近结的区域的作用，所以结关联电场增大了将靠近结处的激子分裂释放的载流子分离的机会。这里需要对有机光敏光电器件(OPOD)和有机发光器件(OLED)之间的区别进行理解。在OLED中，在器件上施加偏压以向器件注入空穴和电子流。在OLED中，通常在激子形成后马上辐射复合掉或非辐射复合掉。在OLED中，最大辐射复合是想要得到的结果。在OPOD中，最大激子产生和分裂是想要得到的结果。器件的不同目标导致了材料和层厚的不同选择。OPOD光敏材料因其吸收特性而被选择，而OLED的荧光材料因其发射特性而被选择。为产生占有相当体积的内生电场，通常的方法是并置两层具有适当选择的导电性质的材料，尤其要考虑它们分子的量子能态的分布。这两种材料的界面称作光伏打异质结。在传统的半导体理论中，形成PV异质结的材料通常指的要么是n——或施主——型，要么是p——或受主——型。这里n型指多数载流子是电子。这可以看作是在相对自由能态中具有许多电子的材料。p型指多数载流子是空穴。这种材料在相对自由能态中具有许多空穴。背底——即非光生——多数载流子浓度的类型主要依赖由缺陷或杂质引起的无意掺杂。杂质的类型和浓度决定了费米能量——或能级——的值，费米能级位于最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的带隙内，此带隙称作HOMO-LUMO带隙。费米能级描述了分子量子能态的统计上的占据情况，表示为占有几率等于1/2时的能量值。费米能量接近LUMO能量表示电子是占有支配地位的载流子。费米能量接近HOMO能量表示空穴是占有支配地位的载流子。因此，费米能级是传统半导体的一个主要的特征性质，原型PV异质结传统上都是p-n界面。除了相对自由载流子浓度之外，有机半导体中的一个主要特性是载流子迁移率。迁移率量度载流子在电场作用下穿越导电材料的难易程度。与自由载流子浓度不同，载流子迁移率很大程度上由有机材料的诸如晶体对称性和周期性这样的本征特性所决定。合适的对称性和周期性能导致HOMO能级的量子波函数更大的交叠以产生更高的空穴迁移率，或类似地，LUMO能级的更大交叠以产生更高的电子迁移率。此外，在例如3，4，9，10-二萘嵌苯四羧酸酯二酐(PTCDA)这样的有机半导体中，施主和受主的性质可能与更高的载流子迁移率不符。例如，当化学讨论提出PTCDA的性质为施主——或n型——时，实验却显示空穴迁移率超过了电子迁移率几个数量级，所以空穴迁移率是临界因子。结果是，由施主/受主标准预言的器件构造可能并不会在实际的器件性能中显示出来。由于有机材料这些独特的电学特性，常常使用“空穴输运层”(HTL)或“电子输运层”(ETL)这样的命名，而不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机光敏光电器件，包含：具有叠置关系的第一电极与第二电极；在第一电极与第二电极之间的多个单元，每个单元包括与光电导有机电子传输层相邻的光电导有机空穴传输层；　置于所述各个单元的每一个单元之间的金属或金属替代品；以 及置于第一电极与第二电极之间的至少一个激子阻挡层。

【技术特征摘要】
US 1999-11-26 09/449,8011.一种有机光敏光电器件，包含具有叠置关系的第一电极与第二电极；在第一电极与第二电极之间的多个单元，每个单元包括与光电导有机电子传输层相邻的光电导有机空穴传输层；置于所述各个单元的每一个单元之间的金属或金属替代品；以及置于第一电极与第二电极之间的至少一个激子阻挡层。2.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中，金属或金属替代品是元素性的纯金属。3.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中，金属或金属替代品是金属合金。4.根据权利要求1的有机光敏光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬R福里斯特，维兰迪米尔布洛维克，彼得佩曼斯，
申请(专利权)人：普林斯顿大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]