[发明专利]作为无机太阳能电池窗口层的有机半导体

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2010年9月14日的美国临时申请No.61/382,885的权益，其公开内容在此引作参考。

关于联邦资助研究的申明

本申请主题内容的准备在美国能源部授予的合同No.DE-SC0001011下得到政府资助。美国政府享有本申请主题内容的某些权利。

联合研究协议

本申请的主题内容由以下各方中的一个或多个、代表以下各方中的一个或多个和/或与以下各方中的一个或多个合作根据大学-公司联合研究协议做出：密歇根大学（University of Michigan）和全球光电能源公司（Global Photonic Energy Corporation）。所述协议在所要求保护的发明做出之日及做出之前就已生效，并且正是由于在所述协议范围内采取的行动，才做出了所要求保护的发明。

背景技术

光电器件依靠材料的光学和电子学性质来以电子方式产生或检测电磁辐射，或者从环境电磁辐射产生电。

光敏光电器件将电磁辐射转化为电。太阳能电池，也被称作光伏（PV）器件，是一类被特别用于产生电力的光敏光电器件。PV器件可以从阳光以外的光源产生电能，可用于驱动消耗电力的负载以提供例如照明、取暖，或者向电子电路或装置例如计算器、收音机、计算机或远程监控或通信设备提供电力。这些发电应用通常还包括为电池或其它能量存储装置充电，以便当来自太阳或其它光源的直接光照不可用时能够继续运行，或者按照具体应用的要求平衡PV器件的功率输出。在本文中使用时，术语“电阻性负载”指的是任何消耗电力或储存电力的电路、装置、设备或系统。

另一种类型的光敏光电器件是光电导体电池。在这种功能中，信号检测电路监测器件的电阻以检测由于光吸收引起的变化。

另一种类型的光敏光电器件是光检测器。在操作中，光检测器与电流检测电路联合使用，所述电流检测电路测量当所述光检测器暴露于电磁辐射并可能具有施加的偏压时所产生的电流。本文描述的检测电路能够向光检测器提供偏压并测量光检测器对电磁辐射的电子响应。

可以根据是否存在下面定义的整流结，并且也可以根据所述器件是否在也被称作偏压或偏置电压的外加电压下运行，对这三类光敏光电器件进行表征。光电导体电池不具有整流结并且通常在偏压下运行。PV器件具有至少一个整流结并且不在偏压下运行。光检测器具有至少一个整流结并且通常但不总是在偏压下运行。作为一般规则，光伏电池向电路、装置或设备提供电力，但不提供信号或电流以控制检测电路或者从所述检测电路输出信息。相反，光检测器或光电导体提供信号或电流以控制检测电路或者从所述检测电路输出信息，但不向电路、装置或设备提供电力。

传统上，光敏光电器件由很多无机半导体构成，所述无机半导体例如晶体硅、多晶硅和无定形硅、砷化镓、碲化镉等。在本文中，术语“半导体”指的是当热激发或电磁激发诱导产生电荷载流子时能够导电的材料。术语“光电导”通常指的是其中电磁辐射能量被吸收并由此被转化为电荷载流子的激发能，从而使得所述载流子可以在材料中传导即输送电荷的过程。术语“光电导体”和“光电导材料”在本文中用于指称由于其吸收电磁辐射以产生电荷载流子的性质而被选择的半导体材料。

可以通过PV器件将入射的太阳能转化为有用的电力的效率对所述PV器件进行表征。利用晶体硅或无定形硅的器件在商业应用中占主导地位，其中一些已经达到23%以上的效率。然而，由于在生产没有显著的效率降低缺陷的大晶体中固有的问题，生产基于晶体的高效器件特别是表面积大的器件是困难和昂贵的。另一方面，高效率的无定形硅器件仍然存在稳定性问题。目前可商购的无定形硅电池具有在4%和8%之间的稳定效率。

可以对PV器件进行优化以便在标准光照条件（即，标准测试条件：1000W/m²，AM1.5光谱光照）下产生最大电功率，以便得到光电流与光电压的最大乘积。在标准光照条件下，这样的电池的功率转化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，单位为安培，（2）开路条件下的光电压，即开路电压V_OC，单位为伏特，以及（3）填充因子ff。