[发明专利]有机光敏器件

说明书

本申请要求2004年9月22日申请的美国临时申请60/＿＿＿＿号 (律师案卷号12992/90901)的优先权，该申请整体收录在此作为参考。

由于通过美国空军科学研究局的拨款，美国政府拥有本发明中的 某些权利。

技术领域

本发明总体上涉及有机光敏光电器件。更具体地，本发明涉及一 种具有施主受主结的有机光敏光电器件。

背景技术

光电器件依赖材料的光特性和电子特性，以便电子地产生或检测 电磁辐射或者从环境电磁辐射产生电力。

光敏光电器件把电磁辐射转换成电力。也称为光生伏打 (photovoltaic，PV)器件的太阳电池是特别用来产生电力的光敏光 电型器件。可能从太阳光之外的光源产生电能的PV器件可以用来驱 动耗能负载，以便例如提供照明、供热或者对诸如计算器、收音机、 计算机或者远程监视或通信设备的电路或器件供电。这些动力产生应 用通常还涉及对电池或者其它贮能器件充电，以便当不能得到来自太 阳或其它光源的直接照射时可以继续操作，或者利用特定应用的要求 来平衡PV器件的电力输出。如本文中使用那样，术语“电阻负载” 指的是任何耗能或贮能电路、器件、设备或系统。

另一种类型的光敏光电器件是光电导电池。在此功能下，信号检 测电路监视这种器件的电阻以便检测由于对光的吸收造成的变化。

另一种类型的光敏光电器件是光电探测器。在操作中，连带着电 流检测电路一起使用光电探测器，该电流检测电路测量当该光电探测 器暴露在电磁辐射之中时产生的电流，并且可能具有施加的偏压。本 文说明的一种检测电路能对光电探测器提供偏压，并且能测量光电探 测器对电磁辐射的电子响应。

可以根据是否存在下面所定义的整流结并且还可以根据该器件是 否在带有外部施加电压(也称为偏置或偏压)来表征这三种类别的光 敏光电器件。光电导电池不具有整流结，并且通常在带有偏压的情况 下操作。PV器件具有至少一个整流结，并且在不带有偏压的情况下 操作。光电探测器具有至少一个整流结，并且通常在带有但不总是带 有偏压的情况下操作。作为一条普遍规律，光生伏打电池对电路、器 件或设备提供功率，但是不提供控制检测电路的信号或电流，或者不 从该检测电路提供信号输出。相反，光电探测器或光电导元件提供控 制检测电路的信号或电流，或者从该检测电路提供信息输出，但是不 对电路、器件或设备提供功率。

传统上，光敏光电器件是用若干无机半导体构建的，例如结晶、 多晶、和非晶硅、砷化镓、碲化镉等等。本文中术语“半导体”表示 当通过热或电磁激励感应载流子时可以导电的材料。术语“光电导” 通常和这样的过程有关，在该过程中吸收电磁辐射能量并从而转换成 电荷载流子的激励能量，使得这些载流子可以在材料中传导即传送电 荷。术语“光电导元件”和“光电导材料”用来表示针对它们的吸收 电磁辐射以产生电荷载流子的特性而被选择的半导体材料。

可以通过它们能把入射的太阳功率转换成有用的电功率的效率表 征PV器件。采用结晶或非晶硅的器件在商业应用中占主导地位，其 中一些器件已经达到23％或更高的效率。但是，由于生产出不带有明 显降低效率缺陷的大晶体的固有难题，制造高效的基于结晶体的器件 (尤其具有大的表面面积)是困难的和昂贵的。另一方面，高效非晶 硅器件仍遭受稳定性问题。目前商业上可买到的非晶硅电池的稳定的 效率在4％和8％之间。较近的努力集中在使用有机光生伏打电池以低 廉的生产成本达到可接受的光生伏打转换效率上。

可以在标准照射条件(即1000W/m²、AM1.5谱照射的标准检测 条件下)对于最大电功率生成方面，对于光电流和光电压的乘积最大 方面来最优化PV器件。标准照射条件下这种电池的功率转换效率取 决于以下三个参数：(1)零偏压下的电流，即短路电流I_SC，(2)开路 条件下的光电压，即开路电压V_OC，以及(3)占空因数ff。