[发明专利]具有激子阻挡层的有机光敏光电器件

说明书

这是于1998年8月18日申请的美国专利申请系列号09/136,342，09/136,166,09/136,377,09/136,165,09/136,164的继续申请。

发明领域

本发明主要涉及有机薄膜光敏光电器件。更具体地，它针对具有激子阻挡层的有机光敏光电器件，例如，太阳能电池和可见光谱光电探测器。

发明背景

光电器件依靠材料的光学或电学性质来制造或探测电磁辐射，或者由周围的电磁辐射来产生电流。光敏光电器件将电磁辐射转换为电流。太阳能电池，或者也称作光伏打(PV)器件，特别被用作产生电源。PV器件被用来驱动耗能负载以提供，例如，光、热，或用来运行像计算机或者远距离监控或通信设备这样的电子设备。这些发电应用经常还包括对电池或其它储能器件充电，以使当来自太阳或其它外部光源的直接照明不存在时，设备能继续运作。此处，术语“电阻负载”指的是任何耗能或储能器件、设备或系统。

传统上，光敏光电器件都是由大量无机半导体所构成，例如单晶、多晶及非晶硅，砷化镓，碲化镉以及其它材料。此处，术语“半导体”表示当载流子受热或电磁激发时能够导电的材料。术语“光电导”主要指电磁场能量被吸收从而转换为载流子的激发能，以使载流子能够在材料中传导，即输运电荷的过程。术语“光电导体”和“光电导材料”在此处指的是这样的半导体材料：它们因其吸收选定光谱能量的电磁辐射来产生载流子而被选择。太阳能电池的特征在于其可将入射太阳能转换成有用的电能的功效。使用单晶或非晶硅的器件在商业应用上占优势，其中一些已获得了23％或更高的效率。然而，有效的硅基器件，尤其是大面积的器件，制造起来困难而且昂贵，这要归因于要在制造大晶体中不产生显著的效率退化的缺陷这一固有的问题。另一方面，高效非晶硅器件依然存在稳定性问题。现在商业上可用的非晶硅电池具有的稳定效率在4％到8％之间。更近来的努力都集中于有机光伏打电池的使用，以获得在经济的制造费用下可接受的光伏转换效率。

PV器件通常具有这样的特性：当它们与负载相连并受到光照时，产生一个光生电压。当受到光照而没有任何外部电负载时，PV器件产生其最大可能电压：V开路，或V_OC。如果PV器件在短路情况下受到光照，则会产生最大的短路电流，或I_SC。当将其实际使用来产生能量时，PV器件与有限的电阻负载相连，输出功率由电流电压乘积，I×V给出。PV器件最大的总输出功率固有地不能超过乘积I_SC×V_OC。当优化负载值以获得最大输出功率时，电流和电压分别为I_max和V_max。太阳能电池的一个性能指数为填充系数ff，定义如下： ff = I max V max I SC V OC - - - - ( 1 ) ]]>

其中ff总小于1，因为在实际应用中I_SC和V_OC总不会同时达到。但是，当ff接近1，这种器件是更有效的。