[发明专利]有机光活性器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机光活性器件，特别是有机光伏电池，其具有触头(contact)和对触头(countercontact)以及与触头和对触头电连接的有机区，其中光活性区由有机区中的电子导电有机材料和空穴导电有机材料之间的光活性异质结形成。

背景技术

在过去的十年中，对按已知方式形成为有机太阳能电池或有机光伏电池的有机光活性器件领域的研发急剧增加。之前报道的最大效率为约5.7％(参照Jiangeng Xue等人，Appl.Phys.Lett.85(2004)5757)。按此方式，尚不能得到之前10％～20％的典型效率，如已知的无机太阳能电池。然而，就基于无机材料的太阳能电池而言，使用有机太阳能电池可获得相似结果。

与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的优点尤其是在于较低的成本。当制造相对较大的量时，所用的有机半导体材料极为经济。进一步优点在于，部分极高的光吸收系数，达到2×10⁵cm^-1，这样可能以较低的材料和能量成本制造极薄、但有效的太阳能电池。由于在制造过程中不需要高温，即，最大基材温度仅约110℃，因此可以在塑料箔或塑料质地上制造柔性大表面的结构零件。这开拓了与常规太阳能电池接近的新应用领域。由于不同有机化合物几乎是无限多的，因此可根据特定任务调整所述材料。

在有机光活性器件中，光能转化成电能。与无机太阳能电池相比，在有机光活性器件的有机半导体材料中，在吸收光后载荷子对(电子-空穴对)没有自由存在，而是由于相互吸引的不太强的屏蔽，形成准粒子，称作激子，即受束缚的电子-空穴对。为使存在的能量可用作电能，按此方式形成的激子必须分离成自由的载荷子，即电子和空穴。

由于在有机太阳能电池中没有足够高的电场用于分离激子，因此激子的分离在光活性界面完成。光活性界面可以形成为有机供体-受体界面(参照C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.，48(2)，183-185(1986))或形成为内部有机半导体(参照B.O’Regan等人，Nature 1991，353，73)的界面。自由载荷子可以在分离后输送到触头。通过经由用户连接触头可以使用电能。

在本申请中，如果因在异质结上的光吸收和电荷分离而在材料中形成的载荷子(“光产生的载荷子”)以空穴形式输送，那么有机材料称作“空穴导电”。按相似方式，如果光产生的载荷子以电子形式在材料中输送，那么有机材料称作“电子导电”。电子导电材料和空穴导电材料之间的界面区域称作异质结。

如果因吸收光在电子导电和/或空穴导电材料中形成激发态，并且其中被束缚的载荷子，也被称作激子，在异质结区域分离成独立载荷子，即电子和空穴，然后它们的一部分由电子导电材料/空穴导电材料输送到可以提取电能的触头，那么电子导电材料和空穴导电材料之间的异质结称作光活性异质结。

如果电子导电材料和/或空穴导电材料之间的界面形成为在两个材料区域(即，电子导电材料的区域和空穴导电材料的区域)之间基本上粘着的表面，那么电子导电材料和空穴导电材料之间的异质结称作平面异质结(参照C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.，48(2)，183-185(1986)或N.Karl等人，Mol.Cryst.Liq.Cryst.，252，243-258(1994))。

如果电子导电材料和空穴导电材料相互至少部分地混合，使得电子导电材料和空穴导电材料之间的界面包括在材料混合物的体积内分布的多个界面部分，那么电子导电材料和空穴导电材料之间的异质结是本体异质结(参照，例如，C.J.Brabec等人，Adv.Funct.Mater.11(1)，15(2001))。

理想地，有机光活性器件中的光活性层材料在最宽可能的波长范围内具有高吸收系数，其与太阳光谱匹配。半导体材料中由吸收所产生的激子应能去掉，而对于光活性异质结没有大的能量损失，在此过程中出现的斯托克司频移应尽可能小。长的激子扩散长度使得可以最大化有机层的厚度，其中吸收的光有利于光子流动，从而进一步改进了有机光活性器件的效率。