复合型光捕获材料和装置制造方法及图纸

一种光伏装置，包括光捕获装置和光伏电池；其中光捕获装置包括能够用分散在其中的发光材料来多激子产生的有机半导体光活性层；其中发光材料的带隙被选择为使得由于在有机半导体中的多激子产生而形成的三重态激子可以经由德克斯特能量转移从有机半导体被非放射性地转移到发光材料中；光伏电池被布置在发光材料的发射光程中并且具有第一光活性层，其中发光材料的带隙与第一光活性层的带隙匹配或高于第一光活性层的带隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术总体上涉及能够多激子产生(multipleexcitongeneration)的有机半导体的组合物。特定的组合物可以被用于光伏装置和发光装置，以给出提高的效率。常规的太阳能电池的效率被限制为约34％，这主要是由于带隙上方光子(above-bandgapphoton)的热能化和带隙下方光子(below-bandgapphoton)的传输。效率的限制被称为肖克利-奎伊瑟限制(Shockley-Queisserlimit)。许多策略已经被用于制作超过肖克利-奎伊瑟限制的太阳能电池。这样的策略可以包括有机的和无机的串联电池的使用。然而，在这些设计中，匹配子电池(sub-cell)的电流一直是挑战性的。在光电学(PV)、发光二极管以及传感器中的应用下，有机半导体和无机半导体之间的能量的有效转移是广泛寻求的性质。迄今为止，努力使有机半导体和无机半导体耦合已经聚焦于单重态激子经由福斯特共振和能量转移(resonanceandenergytransfer)(FRET)的转移。US2010/0193011A(MAPEL等人)05/08/2010公开了改进PV电池的效率的太阳能集中器。太阳能集中器包括有效用于通过福斯特能量转移从另一发色团接受至少某些能量的发射发色团(emittingchromophore)。发射发色团在从通过其他发色团吸收的波长红移的波长处发射所接受的能量中的某些。制作超过肖克利-奎伊瑟限制的太阳能电池的另一个策略在EHRLER,Bruno,等人SingletExcitonFission-SensitizedInfraredQuantumDotSolarCells.NanoLett..2012,第12卷,第1053-1057页中被公开。Ehrler等人证明了有机/无机混合光伏装置构造，该构造使用单重态激子裂变以允许每吸收的高能光子收集两个电子，而同时捕获低能光子。单重态激子裂变是有机半导体中已确定的过程，通过该过程，光产生的单重态激子耦合到呈基态的邻近的分子，产生两个三重态激子。三重态激子的转移是合意的，因为三重态激子具有诸如多达若干ms的长的寿命以及多达若干μm的扩散长度的性质。然而，三重态激子经由福斯特共振能量转移的转移是自旋禁阻的，如在SCHOLES,G.D,等人Longrangeresonanceenergytransferinmolecularsystems.Annualreviewofphysicalchemistry.2003,第54卷,第57-87页中所讨论的。在Ehrler等人的装置中，红外光子使用硫化铅(PbS)纳米晶体来吸收。可见光子被吸收在并五苯中，以产生单重态激子，该单重态激子经历迅速激子裂变以产生成对的三重态。两个三重态中的每个在有机/无机异质结(heterojunction)处解离之后可以产生电荷，这意味着单重态裂变在太阳能电池中的直接作用是使光电流加倍，同时使最大的可能光电压减半。因此，对于进一步改进有机半导体和无机半导体的耦合以及能够实现它们之间的有效能量转移存在需求。另外，对于确定以下条件存在需求，在该条件下，三重态激子可以经历将能量有效转移到无机半导体中。因此，本专利技术的目的是提供复合型光捕获材料，该复合型光捕获材料能够使用三重态激子的能量转移使有机半导体和无机半导体耦合在一起。复合型光捕获材料在光电学(PV)、发光二极管、激光器以及传感器中具有应用。根据本专利技术的第一方面，提供包含主体有机半导体材料的复合材料，所述主体有机半导体材料能够用发光材料分散的多激子产生；其中发光材料的带隙匹配由于多激子产生而形成的三重态激子的能量，使得三重态激子与无机发光材料的带隙是共振的。在下文中，本专利技术人证明，三重态激子可以从有机半导体经由德克斯特能量转移(Dexterenergytransfer)被转移到发光材料。由于在有机半导体中的多激子产生而形成的三重态激子从有机半导体经由非放射性能量转移被转移到发光材料。根据本专利技术的第二方面，提供光伏装置，其中复合材料与光伏电池组合，使得来自复合材料的光发射落在光伏电池上。因此，根据本专利技术的第二方面，提供包括有机半导体光活性层的光伏装置，该有机半导体光活性层能够用分散在其中的发光材料来多激子产生；其中发光材料的带隙被选择为匹配由于多激子产生而形成的三重态激子的能量，使得三重态激子与发光材料的最低光学吸收带(此处称为带隙)是共振的；光伏电池布置在无机发光材料的发射光程中并且具有第一光活性层，其中发光材料的带隙与第一光活性层的带隙匹配或高于第一光活性层的带隙。优选地，有机半导体光活性层能够单重态激子裂变。此类有机半导体材料的实例是聚并苯或低聚并苯，任选地并五苯、并四苯或选自以下的其衍生物：双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-P)、二苯基并五苯(DPP)、二联苯基-4-基-并五苯(DBP)、二(2’-噻吩基)并五苯(DTP)、以及二苯并噻吩并五苯(DBTP)、双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-P)、双((三乙基)乙炔基)并五苯(TES-P)或红荧烯、双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并四苯(TIPS-T)、二(2’-噻吩基)并四苯(DTT)。优选地，有机半导体光活性层具有在2.0eV至2.6eV的范围内、优选地在2.2eV至2.5eV的范围内、更优选地2.4eV的带隙。发光材料的带隙优选地在三重态激子的能量的带隙的0.4eV内、优选地在0.3eV内、更优选地在0.2eV内。优选地，发光材料的带隙是在0.6eV至1.6eV的范围内、优选地在0.75eV至1.3eV的范围内、更优选地在0.95eV至1.1eV的范围内。有利地，发光材料包括无机材料、优选地纳米结晶半导体。在此情况下，纳米晶体可以包括铅硫属化物(leadchalcogenide)纳米晶体例如硒化铅或硫化铅。纳米晶体半导体的其他选择可以包括纳米晶体中的任一种或更多种，该纳米晶体包括：CdSe、CdS、ZnTe、ZnSe、PbS、PbSe、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、HgCdTe、CdTe、CZTS、ZnS、CuInS2、CuInGaSe、CuInGaS、Si、InAs、InP、InSb、SnS2、Ge、CuS、以及Fe2S3。光伏装置可以被布置为使得光捕获装置包括有机半导体光活性层，该有机半导体光活性层能够用分散在其中的发光材料来多激子产生；其中发光材料的带隙被选择为使得由于在有机半导体中的多激子产生而形成的三重态激子，可以从有机半导体转移到发光材料中，其中至少一个步骤通过非放射性德克斯特能量转移介导。以此方式，介导可以通过不同的能量转移机制的中间步骤来提供，条件是至少一个步骤通过非放射性德克斯特能量转移来介导。作为光伏装置的部分，光捕获装置可以包括有机半导体光活性层，该有机半导体光活性层能够用分散在其中的发光纳米晶体来多激子产生；其中纳米晶体的带隙被选择为使得由于在有机半导体中的多激子产生而形成的三重态激子，可以从有机半导体被转移到纳米晶体中，其中进入纳米晶体中的最后的能量转移步骤通过非放射性德克斯特能量转移来介导。同样地，在进入纳米晶体中的最后的能量转移步骤是通过非放射性德克斯特能量转移时，先前的步骤或跳跃(hop)或从有机半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏装置，包括光捕获装置和光伏电池；其中所述光捕获装置包括有机半导体光活性层，所述有机半导体光活性层能够用分散在其中的发光材料来多激子产生；其中所述发光材料的带隙被选择为使得由于在所述有机半导体中的所述多激子产生而形成的三重态激子能够经由德克斯特能量转移被非放射性地转移到所述发光材料中；光伏电池布置在所述发光材料的发射光程中并且具有第一光活性层，其中所述发光材料的带隙与所述第一光活性层的带隙匹配或高于所述第一光活性层的带隙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.15 GB 1412517.31.一种光伏装置，包括光捕获装置和光伏电池；其中所述光捕获装置包括有机半导体光活性层，所述有机半导体光活性层能够用分散在其中的发光材料来多激子产生；其中所述发光材料的带隙被选择为使得由于在所述有机半导体中的所述多激子产生而形成的三重态激子能够经由德克斯特能量转移被非放射性地转移到所述发光材料中；光伏电池布置在所述发光材料的发射光程中并且具有第一光活性层，其中所述发光材料的带隙与所述第一光活性层的带隙匹配或高于所述第一光活性层的带隙。2.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述有机半导体光活性层能够单重态激子裂变。3.如权利要求2所述的光伏装置，其中所述有机半导体是低聚并苯。4.如权利要求3所述的光伏装置，其中所述低聚并苯是并五苯、并四苯或任选地选自以下的其衍生物：双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-P)、二苯基并五苯(DPP)、二联苯基-4-基-并五苯(DBP)、二(2’-噻吩基)并五苯(DTP)、以及二苯并噻吩并五苯(DBTP)、双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-P)、双((三乙基)乙炔基)并五苯(TES-P)或红荧烯、双(三异丙基-甲硅烷基乙炔基)并四苯(TIPS-T)、二(2’-噻吩基)并四苯(DTT)。5.如任一前述权利要求所述的光伏装置，其中所述有机半导体光活性层具有在2.0eV至3.0eV的范围内、优选地在2.2eV至2.5eV的范围内、更优选地2.4eV的带隙。6.如任一前述权利要求所述的光伏装置，其中所述发光材料的带隙是在所述三重态激子的能量带隙的0.4eV内、优选地在0.3eV内、更优选地在0.2eV内。7.如任一前述权利要求所述的光伏装置，其中所述发光材料的带隙是在0.6eV至1.6eV的范围内、优选地在0.75eV至1.3eV的范围内、更优选地在0.95eV至1.2eV的范围内。8.如权利要求1至8中任一项所述的光伏装置，其中所述发光材料包括无机半导体、优选地无机纳米晶体半导体。9.如权利要求8所述的光伏装置，其中所述纳米晶体半导体包括铅硫属化物纳米晶体。10.如权利要求9所述的光伏装置，其中所述铅硫属化物纳米晶体是硒化铅或硫化铅。11.如权利要求9和10中任一项所述的光伏装置，其中所述纳米晶体半导体包括纳米晶体中的任一种或更多种，所述纳米晶体包括：CdSe、CdS、ZnTe、ZnSe、PbS、PbSe、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、HgCdTe、CdTe、CZTS、ZnS、CuInS2、CuInGaSe、CuInGaS、Si、InAs、InP、InSb、SnS2、CuS、Ge、以及Fe2S3。12.如权利要求8至12中任一项所述的光伏装置，其中所述纳米晶体半导体被配体钝化，所述配体使它们溶解在与所述有机半导体相容的溶剂优选地小分子、更优选地胺或硫醇中。13.如任一前述权利要求所述的光伏装置，其中发光成分之间的平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克沙伊·拉奥，布鲁诺·埃尔勒，理查德·亨利·弗兰德，马克西姆·塔巴切尼克，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，阿卜杜勒阿齐兹国王科技城，
类型：发明
国别省市：英国;GB