[发明专利]使用全有机纳米晶网络的高效太阳能电池

说明书

美国政府权利

在美国政府支持下完成了该发明，由美国能源部国家再生能源实 验室(U.S.Department of Energy，National Renewable Energy Laboratory)授予的合同号为339-4012。在该发明中，政府具有确定的 权力。

联合研究协议

所要求保护的发明由代表和/或联合一个或多个下列组织达成联 合的大学-公司研究协议来完成：Princeton University(普林斯顿大学)、 The University of Southern California(南加利福尼亚大学)和Global Photonic Energy Corporation(全球光子能量公司)。在要求保护的发明完 成的日期时和所述日期之前，所述协议有效，并且完成所述要求保护 的发明是所述协议范围内从事的活动的结果。

相关申请

本申请是2006年11月20日提交的美国序号为11/561,448的部分 继续申请，且是2006年7月11日提交的美国序号为11/483,641的部 分继续申请，所述申请的公开内容在此以其全文并入。

技术领域

本发明一般涉及有机光敏光电子器件。更具体地，本发明涉及在 其活性区域内具有全有机纳米晶网络的光敏光电子器件。

发明背景

光电子器件依靠材料的光学和电子性质，从而利用电子学产生或 检测电磁辐射、或者从周围的电磁辐射产生电流。

光敏光电子器件将电磁辐射转变成电信号或电流。太阳能电池， 也称作光电(“PV”)器件，是一种特定用于产生电能的光敏光电子器件。 光电导体电池是一种与信号检测电路一起使用的光敏光电子器件，所 述信号检测电路监测器件电阻，以检测因吸收光而发生的变化。光检 测器可接收所施加的偏压，是一种与电流检测电路一起使用的光敏光 电子器件，当将所述光检测器暴露在电磁辐射下时，所述电流检测电 路可测量所产生的电流。

根据是否存在如下所定义的整流结，且还根据是否利用外加电压、 也称作偏压或偏置电压来运行所述器件，可以对这三种光敏光电子器 件进行区分。光电导体电池不具有整流结且通常利用偏压来运行。PV 器件具有至少一个整流结且不利用偏压运行。光检测器，一种PV器件， 具有至少一个整流结且通常利用但不总是利用偏压来运行。

如本文中所使用的，术语“整流”特别是指界面具有不对称传导 的特性，即界面支持电荷优选在一个方向上传输。术语“半导体”是 指当热或电磁激发诱导电荷载流子时，能够传导电流的材料。术语“光 电导的”通常是指一种过程，在所述过程中，电磁辐射能被吸收并由 此被转化成电荷载流子的激发能，使得所述载流子能够在材料中传导 (即传输)电荷。术语“光电导材料”是指半导体材料，因它们吸收电磁 辐射的性质而利用其来产生电荷载流子。如本文中所使用的，“顶部” 是指最远离衬底，而“底部”是指最接近衬底。可以存在居间层(例如， 如果第一层位于第二层“上”或“上方”)，除非指明第一层“在物理 上接触”或“直接位于”第二层上；然而，这不排除表面处理(例如， 将第一层暴露在紫外线-臭氧或等离子体下)。

当将适当能量的电磁辐射入射到有机半导体材料上时，光子能够 被吸收而产生激发的分子状态。在有机光电导材料中，通常认为所产 生的分子状态为“激子”，即作为准粒子传输的束缚态的电子-空穴对。 在成对再结合(“猝灭”)之前，激子具有明显的寿命，成对再结合是指 原生电子和空穴相互再结合(而不是与来自其他对的空穴或电子再结 合)。为了产生光电流，典型地在整流结处将形成激子的电子-空穴分开。

在光敏器件的情况中，将整流结称作光电异质结。有机光电异质 结的类型包括在施主材料和受主材料界面处形成的施主-受主异质结、 和在光电导材料和金属的界面处形成的肖特基(Schottky)-势垒异质结。

图1是显示施主-受主异质结实例的能级图。在有机材料的情形下， 术语“施主”和“受主”是指两个接触但不相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 所述材料是受主。反之，其是施主。它是能量上有利的，在缺少外部 偏压时，用于施主-受主结处的电子移入受主材料中。