[发明专利]有机光伏器件的杂化平面缓变异质结

说明书

相关申请的交互参考

本申请要求2012年11月28日提交的美国临时申请No.61/730,687的权益，所述申请在此以其全部内容引为参考。

关于联邦资助研究的声明

根据美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合约号DE-SC0000957和DE-EE0005310和空军科学研究局(Air Force Office of Scientific Research)授予的合约FA9550-10-1-0339，本发明在美国政府支持下完成。政府在本发明中具有一定的权利。

联合研究协定

本公开的主题以一个或多个以下团体的名义和/或将一个或多个以下团体借大学-企业联合研究协议相结合来完成的：密歇根大学董事会(The Regents of the University of Michigan)和全球光子能源公司(Global Photonic Energy corporation)。所述协议在本公开的主题筹备之日和之前生效，并作为在协议范围内从事的活动的结果而完成。

发明领域

本公开总体涉及有机光敏光电子器件，特别是包含至少一个杂化平面缓变异质结(graded heterojunction)的有机光敏光电子器件。

发明背景

光电子器件依靠材料的光学和电子性质，通过电子产生或检测电磁辐射或者从环境电磁辐射生成电。

光敏光电子器件将电磁辐射转变成电。太阳能电池，也称为光伏(PV)器件，是专门用于产生电力的光敏光电子器件类型。可从太阳光以外的光源产生电能的PV器件可用于驱动耗电负载以提供，例如，照明、加热、或者给电子线路或装置例如计算器、收音机、电脑或远程监控或通讯设备供能。这些发电应用还经常包括电池充电或其他贮能装置，以便当得不到从太阳或其他光源的直接照明时可以继续运行，或者平衡有专门应用需要的光伏(PV)器件的功率输出。在本文中使用时，术语“电阻性负载”是指任何电力消耗或储存型电路、器件、设备或系统。

另一种类型的光敏光电子器件是光电导体电池。在这种功能中，信号检测电路监测所述器件的电阻来检测光吸收引起的改变。

另一种类型的光敏光电子器件是光电检测器。在工作中，光电检测器结合电流检测电路使用，所述电流检测电路测量当所述光电检测器暴露于电磁辐射时产生的电流并可以具有外加偏压。在此描述的检测电路能够向光电检测器提供偏压和测量所述光电检测器对电磁辐射的电子响应。

这三类光敏光电子器件可以根据是否存在如下文定义的整流结以及根据所述器件是否在外加电压、亦称偏压或偏置电压下运行来鉴定。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在没有偏压下运行。光电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，但是不提供控制检测电路的信号或电流、或从检测电路的信息输出。相反，光电检测器或光电导体提供控制检测电路的信号或电流、或从检测电路的信息输出，但是不向电路、装置或设备提供电力。

传统上，光敏光电子器件由许多无机半导体例如结晶硅、多晶硅和无定形硅、砷化镓、碲化镉等构成。在本文中，术语“半导体”表示当通过热或电磁激发诱导电荷载流子时可导电的材料。术语“光电导”一般是指吸收电磁辐射能并从而转变成电荷载流子的激发能以致所述载流子可在材料中传导、即传输电荷的过程。术语“光电导体”和“光电导材料”在本文中用于指示因它们吸收电磁辐射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器件将入射太阳能转变成有效电力的效率对所述PV器件进行表征。利用结晶硅或无定形硅的器件在商业应用中占优势，并且一些已经达到23％或更高的效率。然而，由于在产生没有显著的效率降低缺陷的大晶体中固有的问题，生产有效的结晶基器件、尤其是大表面积的器件是困难和昂贵的。另一方面，高效无定形硅器件仍然遭受到稳定性的问题。当前可商购的无定形硅电池具有在4和8％之间的稳定效率。最近的努力集中在利用有机光伏电池以经济的生产成本达到可接受的光伏转换效率。