[发明专利]通过掠射角沉积制造的本体异质结有机光伏电池

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月27日提交的美国临时申请No.61/228,896、2009年12月1日提交的美国临时申请No.61/265,626和2009年12月1日提交的美国临时申请No.61/265,640的权益。所有申请的内容在此引为参考。

关于联邦资助的研究的陈述

本发明在美国能源部国家可再生能源实验室(U.S.Department of Energy，National Renewable Energy Laboratory)给付的合同No.DE-FG36-08GO18022下由政府支持做出。政府在本发明中具有一定权利。

联合研究协议

要求保护的本发明由结成大学-公司联合研究协议的一个或多个下列参与方，以其名义和/或由其共同做出：密歇根大学(University of Michigan)和环球光能公司(Global Photonic Energy Corporation)。协议在要求保护的本发明做出之日和之前有效，并且要求保护的本发明由在协议范围内所从事的活动而做出。

技术领域

本发明总的来说涉及通过掠射角沉积来制造本体异质结有机光伏电池的方法。更具体来说，它涉及通过斜角真空沉积(即其中蒸气流的轨道不与衬底平行)来生长用于本体异质结的有机薄膜。

背景技术

光电器件依靠材料的光学和电子学性质，通过电子产生或检测电磁辐射，或从环境电磁辐射产生电。

光敏光电器件将电磁辐射转变成电。太阳能电池、也称为光伏(PV)器件，是一类专门用于产生电力的光敏光电器件。可以从太阳光之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，或为电子线路或装置例如计算器、无线电、计算机或远程监测或通讯设备供电。这些发电应用常常还包括为电池或其他能量储存装置充电，以便在得不到来自太阳或其他光源的直接照射时能够继续运行，或根据特定应用的要求来平衡PV器件的电力输出。当在本文中使用时，术语“电阻性负载”是指任何耗电或储电电路、装置、设备或系统。

另一种类型的光敏光电器件是光电导管。在这种功能中，信号检测电路监测器件的阻抗，以检测由光的吸收所引起的变化。

另一种类型的光敏光电器件是光电探测器。在操作中，光电探测器与电流检测线路联合使用，所述电流检测线路测量当光电探测器暴露于电磁辐射并可能具有施加的偏电压时所产生的电流。本文描述的检测线路能够向光电探测器提供偏电压，并测量光电探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下文所定义的整流结、并且也根据器件的运行是否使用外加电压、也称为偏压或偏电压来鉴别。光电导管不具有整流结，并且通常使用偏压来运行。PV器件具有至少一个整流结，并且不使用偏压运行。光电探测器具有至少一个整流结，并且通常但不总是使用偏压运行。一般情况下，光伏电池向电路、装置或设备提供电力，但是不提供信号或电流来控制检测电路或从检测电路输出信息。相反，光电探测器或光电导管提供信号或电流以控制检测电路、或从检测电路输出信息，但是不向电路、装置或设备提供电力。

传统上，光敏光电器件由多种无机半导体例如晶体、多晶和无定形硅、砷化镓、碲化镉等构造而成。在本文中，术语“半导体”是指当电荷载流子被热或电磁激发诱导时能够导电的材料。术语“光电导”一般是指吸收电磁辐射能量并从而转变成电荷载流子的激发能、使得所述载流子能够传导、即运输材料中的电荷的过程。术语“光电导体”或“光电导材料”在本文中用于指称由于其吸收电磁辐射以产生电荷载流子的性质而被选择的半导体材料。

PV器件可以由它们能够将入射太阳能转变成有用电能的效率来表征。利用晶体或无定形硅的器件在商业应用中占主导地位，并且某些已经达到23％或更高的效率。但是，基于晶体的高效器件、特别是大表面积器件，由于在生产没有明显的效率退化缺陷的大晶体上固有的问题，生产起来困难且昂贵。另一方面，高效无定形硅器件仍然受到稳定性问题的困扰。目前可商购的无定形硅电池稳定的效率在4到8％之间。

可以对PV器件进行优化，以在标准照射条件(即标准测试条件，其为1000W/m²、AM1.5光谱照射)下最大化电力产生，用于最大化光电流乘以光电压的乘积。这种电池在标准照射条件下的电能转换效率取决于下列三个参数：(1)零偏压下的电流，即短路电流I_SC，单位为安培；(2)开路条件下的光电压，即开路电压V_OC，单位为伏特；以及(3)填充因子ff。