[发明专利]聚合物包裹碳纳米管近红外光伏器件

说明书

本申请是优先权日为2008年5月1日、发明名称为“聚合物包裹碳纳米管近红外光伏器件”的中国发明专利申请200980120779.8（国际申请号PCT/US2009/041816）的分案申请。

政府权利

本发明是借助由美国空军资助研究局以及陆军夜视和电子传感器董事会(CECOM)提供的政府支持作出，拨款编号FA9550-07-1-0364和DAAB07-01-D-G602。美国政府对本发明享有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请按照35U.S.C.§119(e)要求2008年5月1日提交的美国临时申请序列号61/049,594和2008年10月31日提交的美国临时申请序列号61/110,220的权益，将它们的公开内容整体并入本文。

技术领域

本发明涉及有机半导体、碳纳米管、红外光电检测器和光伏电池领域。

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（可接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使用偏压进行操作。PV器件具有至少一个整流结并且不使用偏压进行操作。光电检测器可以具有整流结并且通常但不一定使用偏压进行操作。

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（“猝灭”）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。

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HOMO和LUMO能级较低，那么该材料是受主。如果与另一种材料接触的一种材料的HOMO和LUMO能级较高，那么该材料是施主。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。

如本文所使用的，如果第一HOMO或LUMO能级更接近真空能级，第一HOMO或LUMO能级“大于”或“高于”第二HOMO或LUMO能级。较高的HOMO能级对应于相对真空能级具有较小绝对能量的电离电势（“IP”）。类似地，较高的LUMO能级对应于相对真空能级具有较小绝对能量的电子亲和势(“EA”)。在真空能级处于顶部的常规能级图上，材料的LUMO能级高于相同材料的HOMO能级。

在材料中吸收光子产生激子之后，激子在整流界面处离解。施主材料将传递空穴，而受主材料将传递电子。

有机半导体的重要性质是载流子迁移率。迁移率量度电荷载流子可以响应电场移动通过导电材料的容易程度。在有机光敏器件的背景中，因高的电子迁移率而优先通过电子导电的材料可以称作电子传输材料。因高的空穴迁移率而优先通过空穴导电的材料可以称作空穴传输材料。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过电子导电的层可以称作电子传输层（“ETL”）。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过空穴导电的层可以称作空穴传输层（“HTL”）。优选但不一定，受主材料是电子传输材料而施主材料是空穴传输材料。

如何基于载流子迁移率和相对的HOMO和LUMO能级使两种有机光电导材料配对以便在光伏异质结中充当施主和受主在本领域中是公知的，并且在此不作叙述。