[发明专利]开路电压增加的有机光敏性装置

说明书

美国政府权利

本发明是在美国政府支持下根据美国空军科学研究办公室授予的合同339-6002号和美国国家可再生能源实验室能源部授予的合同341-4141号取得的。政府在本发明中具有一定的权利。

共同研究协议

所要求保护的发明是由下列团体中的一个或多个根据共同大学-公司研究协议取得、以其名义和/或与其相关地取得的：普林斯顿大学、南加利福尼亚大学和全球光能公司(Global photonic EnergyCorporation)。该协议在取得要求保护的发明的日期及其之前都处于生效中，并且作为在该协议范围内进行活动的结果取得了要求保护的发明。

技术领域

本发明一般地涉及有机光敏性光电子装置。更具体地，本发明旨在具有由为减少电荷载体激发后的Franck-Condon位移而选择的材料和材料布置形成的有机施主-受主异质结的有机光敏性光电子装置。

背景技术

光电子装置依赖于材料的光学和电子性能，从而电子地产生或检测电磁辐射或从环境电磁辐射产生电流。

光敏性光电子装置将电磁辐射转换成电信号或电流。太阳能电池，也称为光伏(“PV”)装置，是一种特别用来产生电能的光敏性光电子装置。光电导体电池是一种与检测该装置的电阻的信号检测电路联合使用以检测因吸收光而产生的变化的光敏性光电子装置。可以接受施加的偏电压的光检测器是一种与测定光检测器暴露于电磁辐射时产生的电流的电流检测电路联合使用的光敏性光电子装置。

可以根据是否出现如下面定义的整流结并还根据是否用外部施加的电压也称为偏电压运行该装置来区分这三类光敏性光电子装置。光电导体电池没有整流结，通常在偏电压下运行。PV装置具有至少一个整流结，没有偏电压地运行。光检测器具有至少一个整流结，常常但不总是在偏电压下运行。

如这里使用的，术语“整流”尤其表示界面具有非对称传导特性，即该界面优先在一个方向上支持电子电荷传输。术语“半导体”表示当热或电磁激发感应电荷载体时能传导电的材料。术语“光电导性”一般地涉及电磁辐射能被吸收并从而转变成电荷载体的激发能从而载体能在材料中传导(即传输)电荷的过程。术语“光电导性材料”是指因吸收电磁辐射以产生电荷载体的性能而被利用的半导体材料。如这里使用的，“顶端”是指离基底最远，而“底部”是指离基底最近。如果不指出第一层“物理地接触”第二层，可以具有插入层。

当合适能量的电磁辐射入射在有机半导体材料上时，可以吸收光子以生产激发的分子态。在有机光电导性材料中，一般认为产生的分子态是“激子”，即以准粒子传输的束缚态的电子-空穴对。激子在成对复合(“淬灭”)之前可以具有显著的寿命，成对复合指相互复合的原始电子和空穴(与来自其它对的空穴或电子复合相反)。为生产光电流，形成激子的电子-空穴通常在整流结处分开。

在光敏性装置的情况中，整流结称为光伏异质结。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形成的施主-受主异质结和在光电导性材料与金属的界面形成的肖特基-势垒异质结。

图1是说明示例性施主-受主异质结的能级图。在有机材料的环境中，术语“施主”和“受主”是指两个接触但不同的有机材料的最高占有分子轨道(“HOMO”)和最低未占有分子轨道(“LUMO”)能级的相对位置。如果接触另一种材料的一种材料的LUMO能级较低，那么该材料是受主。否则它是施主。在没有外部偏电压下，在施主-受主结的电子移动到受主材料中是能量有利的。

如这里使用的，如果第一能级更接近真空能级10，那么第一HOMO或LUMO能级比第二HOMO或LUMO能级大或高。较高的HOMO能级对应着相对于真空能级具有较小绝对能量的电离势能(“IP”)。类似地，较高的LUMO能级对应着相对于真空能级具有较小绝对能量的电子亲和势(“EA”)。在常规的能级图中，顶端是真空能级，材料的LUMO能级比相同材料的HOMO能级高。

在光子6吸收在施主152或受主154中产生激子8之后，激子8在整流界面分离。施主152传输空穴(没有涂黑的圆圈)，受主154传输电子(涂黑的圆圈)。