有机光敏光电器件制造技术

使有机光敏光电器件（ＯＰＯＤ）最佳化，以提高特性，例如外部量子效率。ＯＰＯＤ（３００）可以有一个或多个透明电极（３０２，３０４）。衬底（３０１）可以是底部电极或可以是与衬底分开的底部电极。在电极之间设置一个或多个光电导有机层（３０３）。ＯＰＯＤ还可以有多层光电结构或许多光敏光电子单元的堆叠结构。ＯＰＯＤ也可以有反射层或反射衬底。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及有机薄膜光敏光电器件。特别是涉及有机光敏光电器件，例如具有透明电极的太阳能电池和光电探测器。并且，还涉及具有透明阴极同时该阴极与相邻的有机半导体层形成低电阻界面的有机光敏光电器件。此外，还涉及由多个堆叠的光敏光电子单元构成的有机光敏光电器件，各子单元具有一个或多个光敏光电激活层和透明电荷转移层。
技术介绍
光电器件依据材料的光学和电学性能可以在电学上产生或检测电磁辐射或由周围电磁辐射产生电。光敏光电器件将电磁辐射转换为电。还称为光生伏打(PV)器件的太阳能电池特别用于产生电力。PV器件用于驱动耗电负载以提供例如光、热或操作电气设置如计算机或远程监控或远程通信设备。这些发电应用常常还包括电池或其它蓄能装置的充电，以便在不能利用来自太阳或其它外界光源的直接照射时可继续操作设备。本申请所采用的术语“电阻负载”指任何耗电或储电器件、设备或系统。另一种类型的光敏光电器件是光敏电阻。在这种情况下，信号检测电路监视器件的电阻，检测因吸收光而产生电荷。操作中，光电探测器具有施加的电压，电流检测电路测量当光电探测器暴露于电磁辐射中时所产生的电流。本申请中所述的检测电路能够对光电探测器提供偏置电压和测量光电探测器对外界电磁辐射的电子响应。这样的三种光敏光电器件的特征在于依据是否存在下述的整流结和还依据是否利用也被称为偏置或偏置电压的外加电压操作器件。光敏电阻没有整流结并且通常利用偏置操作。PV器件具有至少一个整流结并且不利用偏置进行操作。光电探测器具有至少一个整流结并且通常但并不是总是利用偏置进行操作。通常，光敏光电器件由多个无机半导体例如晶体、多晶体和非晶体的硅、砷化镓、碲化镉等构成。这里术语“半导体”指在因热或电磁激励而感生电荷载流子时能够导电。术语“光电导”一般指电磁辐射能量被吸收并由此转换成电荷载流子的激励能量以便在材料中载流子能够传导即传送电荷。术语“光电导体”和“光电导材料”在这里用于表示根据其吸收所选光谱能量的电磁辐射以产生电荷载流子的性能而选择的半导体材料。太阳能电池的特征在于它们可高效率地将入射的太阳能转换为有用的电能。利用晶体硅或非晶硅的器件具有商业应用并且一些已达到了23％或以上的效率。可是，尤其是具有大表面面积的有效的基于晶体的器件，因在生产大晶体中存在的固有问题同时还不能非常有效地降低该缺点，因而该器件难以制造并且是昂贵的。另一方面，高效率的非晶硅器件还存在稳定性方面的问题。最近努力致力于使用有机光生伏打电池来实现具有经济生产成本的可接收的光生伏打转换效率。PV器件一般具有这样的性能，即当它们被连接到负载两端上并用光辐照时，它们产生光(photogenerated)电压。当被照射而没有任何外部电负载时，PV器件产生其最大可能的电压，V开路，或VOC。如果具有其电接触被短路的PV器件被照射，那么产生最大短路电流，或ISC。当实际用于产生电力时，PV器件与有限值的电阻负载连接并按电流电压积给出功率输出I×V。由PV器件产生的该最大负载功率固有地不能超过积ISC×VOC。当为了提取最大功率使负载值最佳时，电流和电压分别有值Imax和Vmax。太阳能电池的品质因数是如下限定的占空因素ffff=ImaxVmaxISCVOC---(1)]]>其中ff总小于1，因为实际应用中绝不会同时获得的ISC和VOC。只是当ff接近1时，器件更有效。当适当能量的电磁辐射入射到半导体有机材料例如有机分子晶体(OMC)材料或聚合物上时，光子被吸收，以产生受激分子状态。用符号表示为S0+hvS0*。其中S0和S0*分别表示地和受激励的分子状态。该能量吸收与从价带中可以为π键的键合状态到达可以为π*键的导带的电子移动有关，或等价地，与空穴从导带到达价带的移动有关。在有机薄光电导体中，所产生的分子状态通常被认为是键合状态中的作为准粒子输送的激发子，即电子-空穴对。在成对复合之前，激发子可以有适当的寿命时间，其中成对复合指与空穴或电子与其它对复合的情况相反，原来的电子与空穴彼此复合的过程。为了产生光电流，电子-空穴对必须被分离。如果电荷不能被分开，那么它们可在成对复合过程中复合，辐射地--低于入射光能量的重新发射-或无辐射地-具有热的产生。这些结果中的任一个在光敏光电器件中都是不期望的。尽管激发子电离或分裂还不能完全被理解，但通常认为在电场产生的区域中的缺陷、杂质、接触、界面或其它非均匀处发生。经常地，电离发生在用M表示的晶体缺陷附近所感应的电场中。该反应用S0*+Me-+h+表示。如果电离发生在材料区域中没有总电场的随机缺陷处，那么产生的电子空穴对很可能复合。为了获得有用的光电流，必须分别在经常被称为接触的各自相对的电极处收集电子和空穴。这利用在载流子占据的区域中存在的电场来实现。在发电器件即PV器件中，这最好利用在内部产生的电场来实现，其中该电场分离所产生的光载流子。在其它光敏光电器件中，可通过外部偏置来产生电场，例如，在光敏电阻中；或作为内部和外部产生的电场的叠加的结果来产生电场，例如在光电探测器中。在有机PV器件中，象在其它光敏光电器件中的情况那样，期望分离尽可能多的光生电子空穴对或激发子。内置的电场用于分离激发子以产生光电流。图1示意性表示在有机半导体材料中的光电导过程。步骤101表示入射到电极a和b之间的光电导材料样品上的电磁辐射。在步骤102中，在该体积中光子被吸收，产生激发子即电子-空穴对。实心圆示意性表示电子而空的圆示意性表示空穴。在空穴和电子之间的曲线是艺术地表示电子和空穴处于激发子键合状态。在步骤103，如用激发子更接近电极a所表示的那样，激发子在光电导材料块中扩散。如在步骤104中所示，激发子可以在材料块中远离任何与接触或结有关的场进行复合。如果这种情况发生，那么吸收的光子不能对光电流作贡献。如从步骤103到步骤105的过程所示的那样，最好，激发子在与接触或结有关的场中电离。可是，对于新释放的载流子来说还可能如步骤106所示那样在永久性地分离和对光电流作出贡献之前进行复合。最好，如从步骤105前进到步骤107所示的那样，载流子分离并按照它们的电荷的信号响应于接触或结附近的场。即，在电场中，在步骤107用ε表示的电场中，空穴和电子沿相反的方向移动。为了产生占据主要体积的内部产生的电场，通常的方法是并置具有适当选择的导电性能的两层材料层，该性能尤其是关于它们的分子量子能量状态分布的性能。这两个材料的界面被称为光生伏打异质结。在传统的半导体理论中，形成PV异质结的材料一般被称为n或施主型或p或受主型。其中n型指多数载流子类型是电子。这种材料被看作是在相对自由的能量状态中有许多电子。p型指多数载流子类型是空穴。这种材料在相对自由的能量状态中有许多空穴。背景的类型，即不是光生的多数载流子浓度主要取决于利用缺陷或杂质的无意掺杂。杂质的类型和浓度决定在被称为HOMO-LUMO间隙的被占据的最高分子轨道(HOMO)与未被占据的最低分子轨道(LUMO)之间的间隙内费米能量或能级的值。费米能量的特征在于用能量值表示的分子量子能量状态的统计分布，占据该能量状态的概率等于1/2。在LUMO能量附近的费米能量表示电子是主要载流子。在HOMO能量附近的费米能量表示空穴是主要载流子。因此，费米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种堆叠的有机光敏光电器件，包括：　　　　第一电极和第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个电极是透明的；　　　　多个在第一电极与第二电极之间的堆叠中设置的单元，每个单元包括一个邻接于光电导有机电子传送层的光电导有机空穴传送层；和　　　　在多个单元中的第一对单元之间的堆叠层中设置的第一透明中间层，所述第一透明中间层是第一电荷转移层或第三电极。

【技术特征摘要】
US 1998-8-19 09/136,164;US 1998-8-19 09/136,165;US1.一种堆叠的有机光敏光电器件，包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个电极是透明的；多个在第一电极与第二电极之间的堆叠中设置的单元，每个单元包括一个邻接于光电导有机电子传送层的光电导有机空穴传送层；和在多个单元中的第一对单元之间的堆叠层中设置的第一透明中间层，所述第一透明中间层是第一电荷转移层或第三电极。2.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述第一对单元由串联地电连接的第一单元和第二单元组成；在第一单元中，光电导有机电子传送层比光电导有机空穴传送层靠近透明中间层；和在第二单元中，光电导有机空穴传送层比光电导有机电子传送层靠近透明中间层。3.根据权利要求2的有机光敏光电器件，其中在第一单元与第二单元之间设置的所述透明中间层是第一电荷转移层。4.根据权利要求2的有机光敏光电器件，其中在第一单元与第二单元之间设置的所述透明中间层是第三电极。5.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述第一对单元由第一单元和第二单元组成；在第一单元与第二单元之间的所述透明中间层是第三电极。6.根据权利要求5的有机光敏光电器件，其中所述第一单元和第二单元是并联地电连接的；和在每个所述第一单元和第二单元中，光电导有机电子传送层比光电导有机空穴传送层靠近第一透明中间层。7.根据权利要求5的有机光敏光电器件，其中所述第一单元和第二单元是并联地电连接的；和在每个所述第一单元和第二单元中，光电导有机空穴传送层比光电导有机电子传送层靠近第一透明中间层。8.根据权利要求5的有机光敏光电器件，其中在堆叠设置的所述多个单元还包括第三单元和第四单元；第一单元和第三单元是串联地电连接的；第二单元和第四单元是串联地电连接的；和第一单元和第二单元的组合体与第二单元和第四单元的组合体是并联地电连接的。9.根据权利要求8的有机光敏光电器件，还包括第二透明中间层，被设置在第一单元与第三单元之间的堆叠层，被安置成第二电荷转移层或第四电极；和第三透明中间层，被设置在第二单元与第四单元之间的堆叠中，被安置成第三电荷转移层或第五电极。10.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述多个单元中的每个单元，在电磁频谱的不同区域有光谱灵敏度。11.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述多个单元中的每个单元的厚度是不同于所述多个单元中的相邻单元的厚度的。12.根据权利要求11的有机光敏光电器件，其中所述第一电极是透明的；并且每个单元的厚度大于较靠近第一电极的相邻单元的厚度，最靠近第一电极的单元具有最小的厚度。13.根据权利要求11的有机光敏光电器件，其中所述第一电极和第二电极都是透明的；在堆叠中设置的所述多个单元包括至少三个单元；和向着堆叠层中心的那些单元的厚度，大于靠近第一电极的那些单元的厚度和靠近第二电极的那些单元的厚度。14.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述透明中间层包含一种元素纯的金属或金属合金。15.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述透明中间层包含导电氧化物。16.根据权利要求1的有机光敏光电器件，其中所述透明中间层包含导电聚合物。17.一种方法，包括在衬底上提供第一金属或金属替换层；在所述第一金属或金属替换层上制作第一光敏单元；在所述第一光敏单元上淀积第二金属或金属替换层；在所述第二金属或金属替换层上制作第二光敏单元；和在所述第二光敏单元上淀积第三金属或金属替换层；其中每个所述第一光敏单元和第二光敏单元，包括由相邻于光电导有机电子传送材料的光电导有机空穴传送材...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬R佛莱斯特，弗拉基米尔布洛维克，
申请(专利权)人：普林斯顿大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]