[发明专利]有机光敏光电器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机光敏光电器件，其结合有包括施体材料和受体材料的有机半导体电池。这样的器件可以用于例如，从太阳辐射产生电能。

本发明更特别涉及这样的器件，其中的电池结合有施体材料和受体材料之间的异质结。电荷分离主要发生在有机异质结中。可能存在，例如，提供基本平坦、不连续的施体受体异结质的受体材料层和施体材料层；或者提供互渗式异质结的施体和受体材料的混合物；或者一个夹层结构，其中施体和受体材料的混合物夹在受体材料层和施体材料层的中间。

背景技术

有机光伏电池具有局限性。该有机半导体中激子扩散长度较短并通常少于50纳米。在使用不连续异质结的电池的情况下，使得即使在从背面的反射之后，有必要使用不足以吸收所有入射光的层厚度。在互渗式异质结电池情况下，层厚度不受激子扩散长度但是受到在半导体材料混合层中的低电荷载流子迁移率的限制。另外，有机半导体通常具有窄吸收带宽，从而通过特定的异质结材料系统仅可以收获太阳光谱的一部分。

在美国专利US6,657,378中提出一种光敏光电器件，包括在电极之间排列成叠的多个有机半导体子电池，包括施体材料和受体材料的每个子电池提供异质结，并且在邻近的子电池之间存在复合层(recombination layer)。在这项美国专利中，每个子电池包括受体材料层和施体材料层，以便提供不连续平坦的异质结。这种类型的器件经常被称为″串叠电池″，并且可以结合没有光功能但是便于电荷迁移和/或提取的其他层。在这种类型的串叠电池里，每个子电池都太薄以使得不能在子电池响应的波长区间内收获所有入射光，但是因为有多个子电池，总的光吸收被增加。

有提出子电池应根据频率响应具有不同的性质，即，使得它们具有有效的光谱部分。这能使串叠电池与如果子电池具有相同的频率响应性质的情况相比，能够在更大的波长区间内吸收光能。这样的器件被例如披露在US7,196,366中。

在一个典型的串叠电池装置中，一个电极为透明的以允许光从如太阳那样的外部源进入电池。其它电极是不透明和反光的，因此已经通过子电池的反射光通过子电池返回。子电池有不同的频率响应的情况下，邻近透明电极的子电池吸收最短的波长，并且邻近不透明电极的子电池吸收最长的波长。如果有中间子电池，则就吸收中间波长。邻近的子电池可能使用像金属或者氧化物那样的内部，薄的透明电极或者半透明电极被串联在一起。在非常薄的金属层沉积的情况下，例如是大约到大约的，该层可能不是连续的但是以分离纳米颗粒的形式形成。

发明内容

从一个方面看，本发明提供一种包括在电极之间排列成叠的多个有机半导体子电池的光敏光电器件，每个子电池包括提供异质结的施体材料和受体材料，并且在邻近的子电池之间有复合层，其中有至少两组子电池，在一组内的子电池基本响应于相同的光谱部分，并且这些组关于通过它们各自的子电池响应的光谱部分彼此不同。

在本发明的优选实施例中，在一组内子电池相互之间的吸收波长最大值的差异少于10％。在本发明的优选实施例中，一个组内每个子电池的吸收波长最大值与(每个)其他组内的子电池的吸收波长最大值的差异为至少10％。

总体上，通过增加器件可操作的频率范围，根据本发明的器件提供了如在美国US7,196,366中所公开的串叠电池的优势。但是，除了由其中每一个收获频谱的不同部分的单个子电池提供不同的频率范围，依据本发明有多个子电池组，特定组内的子电池响应于光谱的基本相同部分。这意味着对每个特定的波段来说，总体上增加该器件光收获的效率是可能的。使用用于特定频带的多个子电池能在吸收入射光子的最大数目的同时，使有机层的厚度保持较薄。

在本发明的一些实施例中，优选的是一组内的子电池邻近彼此连结，并且优选通过复合层串联连结在一起，因此避免了在邻近子电池之间设置外部可到达的透明电极的需要。不过，邻近子电池的各组可依照要求串联或并联连结在一起。如果各组串联连结在一起，这可通过复合层来完成，如在小组内的邻近子电池之间使用的那样。如果各组并联连结在一起，则在邻近的组之间应该设置外部可访问的半透明电极。

在组的每个子电池内，就使用的施体和受体材料而言，有机半导体的组合通常相同。施体和受体材料的比率也可能是相同的，以便每个子电池有相同的频率响应。不过，特定的组的频带内个别的子电池的响应特性方面可能有一些变化。优选的，在一组内，子电池互相之间的吸收波长最大值的差异至多10％，以及最好少于10％。例如，差别可能至多是大约9％；或者至多大约8％；或者至多大约7％；或者至多大约6％；或者至多大约5％。