具有三重态捕获的有机光敏光电器件制造技术

本发明专利技术公开了含有机光电导材料的有机光敏光电器件，所述有机光电导材料包含掺杂有形成三重态的材料的单重态裂变主体材料。本发明专利技术还公开了由这类材料制成的器件如有机光伏电池、光导电池、光检测器、有机光传感器、化学传感器和生物传感器。本发明专利技术还公开了制造这类器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及含有机光电导材料的有机光敏光电器件，所述有机光电导材料包 含掺杂有形成三重态的材料的单重态裂变主体材料。
技术介绍
光电器件依靠材料的光学和电子性能来电子地制造或检测的电磁辐射或由周围 的电磁辐射发电。光敏光电器件将电磁辐射转化成电信号或电流。太阳能电池，也称之为光电 池(photovoltaic) ( “PV”)器件，是一种具体用于发电的光敏光电器件。光导电池 (photocondutor cell)是一种用于连接信号检测电路的光敏光电器件，其监测器件的电阻 从而检测因吸收的光而发生的变化。可接收施加的偏压的光检测器是一种用于连接电流检 测电路的光敏光电器件，其测量在将光检测器暴露于电磁辐射时所产生的电流。根据是否存在整流结并还根据器件是否利用外部施加的电压运行，可以区分这三 种光敏光电器件，所述外部施加的电压也称作偏压。光导电池没有整流结且通常利用偏压 来运行。PV器件具有至少一个整流结且不需要偏压来运行。光检测器具有至少一个整流结 且通常但不总是利用偏压运行。如本文中所使用的，术语“整流”尤其是指界面具有不对称传导特性，即界面支持 优选在一个方向上的电子电荷传输。术语“半导体”是指当因热或电磁激发诱导电荷载流子 时能够导电的材料。术语“光电导”通常是指电磁辐射能被吸收并由此转化成电荷载流子 激发能量，使得所述载流子能够在材料中传导(即传输)电荷的过程。术语“光电导材料” 是指因它们吸收电磁辐射而产生电荷载流子的性质而被利用的半导体材料。当将适当能量的电磁辐射入射到有机半导体材料上时，光子能够被吸收而产生激 发分子状态。在有机光电导材料中，通常认为产生的分子状态为“激子”，即作为准粒子传输 的处于结合状态的电子-空穴对。在成对复合(“猝灭”)之前，激子能够具有可观的寿命， 所述猝灭是指原始电子和空穴相互复合(与来自其它对的空穴或电子的复合相对)。为了 产生光电流，典型地是在整流结处将形成激子的电子-空穴分开。在光敏器件的情况下，将整流结称作光电异质结。有机光电异质结的类型包括在 施主材料和受主材料界面处形成的施主_受主异质结、在光电导材料和金属的界面处形成 的肖特基(Schottky)-势垒异质结。图1为说明施主_受主异质结实例的能级图。在有机材料的背景中，术语“施主” 和“受主”是指两种接触但不同的有机材料的最高占据分子轨道(“Η0Μ0”)和最低未占据 分子轨道(“LUM0”)能级的相对位置。如果与另一种材料接触的一种材料的LUMO能级较 低，那么所述材料为受主。反之，其为施主。在缺少外部偏压的条件下，在施主-受主结处的电子移入受主材料中在能量方面是有利的。如本文中所使用的，如果第一能级更接近真空能级10，则第一 HOMO或LUMO能级 “大于”或“高于”第二 HOMO或LUMO能级。较高的HOMO能级对应于具有比真空能级小的绝 对能量的电离电位(“IP”)。同样地，较高的LUMO能级对应于具有比真空能级小的绝对能 量的电子亲和势(“EA”)。在常规能级图中，真空能级在顶部的情况下，材料的LUMO能级 比相同材料的HOMO能级高。在施主152或受主154中吸收光子6产生激子8之后，所述激子8在整流界面处 离解。施主152传输空穴(空心圆)且受主154传输电子(黑圆)。有机半导体中的重要性质是载流子迁移率。迁移率测量了电荷载流子能够响应电 场而移动通过导电材料的容易。在有机光敏器件的背景中，因高电子迁移率而优先通过电 子传导的材料可称作电子传输材料。因高空穴迁移率而优先通过空穴传导的材料可称作空 穴传输材料。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过电子传导的层，可以称作电子传 输层(“ETL”)。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过空穴传导的层，可以称作空穴 传输层(“HTL”)。优选地，但不是必须地，受主材料为电子传输材料，而施主材料为空穴传 输材料。如何根据载流子迁移率及相对HOMO和LUMO能级使得两种有机光电导材料成对 而 充当光电异质结中的施主和受主，在本领域内是熟知的，在此不作描述。块状半导体以及绝缘体的一个共有特征为“带隙”。带隙是充满电子的最高能级和 空的最低能级之间的能量差。在无机半导体或无机绝缘体中，这种能量差是价带边缘(价 带顶部)和导带边缘(导带底部)之间的差。在有机半导体或有机绝缘体中，这种能量差 为HOMO和LUMO之间的差。纯物质的带隙缺少能够存在电子和空穴的能态。用于传导的唯 一可利用的载流子为具有足够激发以越过所述带隙的能量的电子和空穴。通常，半导体比 绝缘体具有相对小的带隙。就有机半导体的能带模型而言，带隙LUMO侧上仅电子为电荷载流子，而带隙HOMO 侧上仅空穴为电荷载流子。有机光敏器件现有技术的其它背景解释和说明，包括它们的一般结构、特性、材料 和特征，能够在Forrest等人的美国专利6657378号、Forrest等人的美国专利6580027号 和Bulovic等人的美国专利6352777号中找到，其公开内容通过参考并入本文中。通过在黑暗条件和明亮条件下研究小分子太阳能电池的特征IV响应，确定小分 子太阳能电池的性能。借助于，功率转化效率ηΡ取决于开路电压(V。。)、短 路电流密度(Js。)和填充因子(FF)np= (Jsc X Voc X FF)/P0 (1)其中P。为入射光功率。此处，对于高性能小分子量有机光伏电池，FF取决于串联 电阻且典型地为0. 5 0. 65。通过有机物的吸收、太阳光谱和吸收层的消光系数以及厚度 和其它因素之间的重叠来定义最大的Jsc。然而，光电流高度取决于材料的电荷传输性能， 因为电荷流动的电阻率代表了电池性能的重大挑战。当涉及电池性能时，另 一个需要考虑的非常重要的参数为激子扩散长度。材料的激子扩散长度代表激子在复合之 前能够移动的距离。因此，为了使得电荷载流子占通过吸收的光子而产生的激子数的百分 率高，优选在异质结的约Ld内形成激子。所述激子扩散长度Ld与激子扩散系数D和激子寿命τ相关，用下式表示<formula>formula see original document page 10</formula>。对于有机半导体，激子扩散长度通常比光学吸收长度 La短，因此限制了所使用有机层的厚度，因为激子到达施主-受主界面以进行电荷分离的能 力相对低。这种效应不仅限制了吸收材料的量，而且为分离的电荷产生了有阻力的通道，这 对于有效光转化而言是所不期望的。有机太阳能电池中V。。的起源不好理解。一些人建议，其主要取 决于在双层电池中异质界面处受主类材料的最低未占分子轨道(LUMO)和给体类材料的最 高占据分子轨道(HOMO)之间的能量差(称之为界面间隙，Ig)。然而，其它人 未观察到该Ig和所观察的V。。之间存在明显的关系，并提出通过取决于载流子迁移率的化 学势梯度来控制这种电压。而且，应当清楚，Voc不反映所吸收光子的全部能 量且在功率转化过程期间必定损失能量。目前为止尚未解释这些损失，并且在估计开路电 压的基础时必须要十分小心。有机光电(OPV)电池极有希望成为受硅基器件控制的现有的太阳能电池技术的 可行的替代方案。然而，目前它们的效率太低而不能有效地与Si基器件竞争本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机光敏光电器件，其包含阳极、阴极和布置在所述阳极和阴极之间的至少一个感光区域，其中：－所述至少一个感光区域包含至少一种有机光电导材料，所述有机光电导材料包含至少一种单重态裂变主体材料和至少一种形成三重态的掺杂剂材料；－所述至少一种单重态裂变主体材料的量比所述至少一种形成三重态的掺杂剂材料的量大；－所述至少一种单重态裂变主体材料选自当吸收光时展示单重态裂变的材料；和－在所述掺杂剂吸收光之后，所述至少一种三重态的掺杂剂材料形成三重态激子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克E汤普森，玛丽亚多洛雷斯佩雷斯，卡斯滕博热克，彼得I久罗维奇，
申请(专利权)人：南加利福尼亚大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]