[发明专利]使用超薄敏感层的有机光伏单元

说明书

相关申请

本申请是于2005年11月2日提出的美国申请NO.11/ 263,865(审查中)的部分继续申请，通过引用将该美国申请的内容并 入本文。

美国政府权利

本发明是借助美国政府支持在美国能源部国家可再生能 源实验室授予的合同No.339-4012下作出的。美国政府在本发明中享 有一定的权利。

联合研究协议

部分所要求保护的发明是由达成大学-公司联合研究协议 的一个或多个下列合作方完成的，代表其利益和/或与其有关： Princeton University，The University of Southern California， 和Global Photonic Energy Corporation。所要求保护的发明的其余 部分是由达成大学-公司联合研究协议的一个或多个下列合作方完成 的，代表其利益和/或与其有关：The University of Michigan，The University of Southern California，和Global Photonic Energy Corporation。在要求保护的发明的各部分作出当日或之前该协议有 效，且作为在所述协议范围内进行的活动的结果作出所要求保护的发 明。

发明领域

本发明一般地涉及有机光敏光电子器件。更具体地，其涉 及包括响应近红外的超薄低迁移率活性层的有机光敏光电子器件。

背景技术

光电子器件依靠材料的光学和电子特性来电子地产生或检 测电磁辐射或者由周围的电磁辐射产生电。

光敏光电子器件将电磁辐射转变成电信号或电。太阳能电 池，也称为光伏(“PV”)器件，是一种可特别用于产生电能的光敏光 电子器件。光电导体单元是一种与监测器件电阻的信号检测电路结合 使用以检测由吸收光引起的变化的光敏光电子器件。光电检测器(可 承受所施加的偏置电压)是一种与电流检测电路一起使用的光敏光电 子器件，所述电流检测电路测量当光电检测器暴露于电磁辐射时产生 的电流。

这三类光敏光电子器件可以根据是否存在下面定义的整流 结以及根据是否用外加电压(也称作偏压或偏置电压)操作该器件进 行区分。光电导体单元不具有整流结且通常利用偏压进行操作。PV器 件具有至少一个整流结并且不使用偏压进行操作。光电检测器具有至 少一个整流结并且通常但不一定使用偏压进行操作。

如本文中所使用的，术语“整流”特别表示界面具有不对 称的导电特性，即该界面支持优选一个方向上的电子电荷传递。术语 “半导体”表示当电荷载流子由热激励或电磁激励引发时可导电的材 料。术语“光电导”通常涉及其中吸收电磁辐射能并由此将其转变成 电荷载流子的激发能使得载流子可以在材料中传导(即传输)电荷的 过程。术语“光电导材料”是指由于它们吸收电磁辐射产生电荷载流 子的性质所使用的半导体材料。如本文所使用的，“顶部”表示最远 离衬底，而“底部”表示最接近衬底。可以存在中间层，除非指明第 一层与第二层“物理接触”。

当适当能量的电磁辐射入射到有机半导体材料上时，光子 可以被吸收产生受激的分子状态。在有机光电导材料中，受激的分子 状态通常被认为是“激子”，即作为准粒子而传递的处于束缚态的电 子-空穴对。激子在成对复合(“淬灭”)之前可以具有可观的寿命， 所述成对复合是指原始电子和空穴彼此复合(与来自其它对的空穴或 电子的复合完全不同)。为产生光电流，形成激子的电子-空穴典型地 在整流结处分离。

对于光敏器件，整流结被称作光伏异质结。有机光伏异质 结的类型包括在施主材料与受主材料的界面处形成的施主-受主异质 结，和在光电导材料与金属的界面处形成的肖特基(Schottky)势垒异 质结。

图1是说明示例性施主-受主异质结的能级图。在有机材料 的背景中，术语“施主”和“受主”是指两种接触但不同的有机材料 的最高占据分子轨道(“HOMO”)和最低未占据分子轨道(“LUMO”) 能级的相对位置。如果与另一种材料接触的一种材料的LUMO能级较 低，那么该材料是受主。否则它是施主。在没有外部偏压的情况下， 这对于施主-受主结处的电子移动至受主材料中在能量方面是有利的。