[发明专利]光子倍增材料

说明书

一种光子倍增材料，包含发光材料，该发光材料具有附接在其上的能够单线态裂变的有机半导体分子，其中有机半导体分子通过连接基团被化学地附接至发光材料，并且其中连接基团和发光材料的带隙被选择成使得由附接的有机半导体分子中的单线态裂变所形成的激子三线态可以被能量转移到发光材料中。

本发明涉及光子倍增材料(photon multiplying material)和包含该材料的光子倍增膜(photon multiplying film)，以及涉及包含该膜的光电装置(opto-electronicdevice)，例如太阳能电池或光伏电池。

像单晶硅和多晶硅的低带隙太阳能电池代表了全球太阳能光伏电池市场的超过90％。使用单晶硅的最高效率(26.3％)接近29.4％的理论限值。旨在减少光损耗和电荷重组(charge recombination)的改进很难实现，并且实现成本很高。

因此，最近的许多工作针对可以超出理论限值的方法。这些方法可以被分类为具有载流子倍增(carrier multiplication)的单结太阳能电池(最大理论效率为约39％)；级联太阳能电池(tandem solar cell)，其中提供了具有载流子倍增和没有载流子倍增的不同材料的组合(理论效率在39％-47％的范围内)；以及具有光子倍增或没有光子倍增的光谱(向上和向下)转换。

自2006年左右以来，在光伏电池中使用单线态裂变材料(singlet fissionmaterial)(例如，有机半导体)已经被积极地研究，这是因为该材料在光谱范围内产生两倍的光子或电荷的潜力。

有机半导体中的单线态裂变是自旋允许的过程，在该过程中，在光吸收后形成的单线态激子(S₁)被转化为两个三线态激子(T₁)。

为了发生单线态裂变，三线态激子能级(triplet exciton level)必须接近单线态激子的能量的一半，例如对于单晶硅(带隙E_g为1.1eV)，单线态裂变材料需要具有2.3eV-2.6eV的S₁能级(蓝绿光吸收)和1.2eV-1.3eV的T₁能级。

应注意，单线态裂变可以被分类为吸热的或放热的。在放热裂变中，最低单线态激子(S₁)的能量大于最低三线态能量(T₁)的两倍，即S₁2T₁。在吸热裂变中，最低单线态激子(S₁)的能量小于最低三线态能量(T₁)的两倍，即S₁2T₁。在这种情况下，单线态激子最初被转化为其能量接近单线态激子的能量的、相关三线态对状态(correlated triplet pairstate)(TT状态)。TT状态然后经由热激活分裂成游离的三线态激子(T₁)。

WO 2014/001817 A1公开了一种太阳能电池，其中在无机半导体层上提供能够产生多激子(multiple exciton)的有机半导体层。

在太阳能电池中还已经研究了经由单线态裂变光谱转换的光伏效率提高。在光子倍增膜和下面的低带隙太阳能电池之间的纯光学耦合是有利的，因为它对单线态裂变材料功能性提出了更少的要求，例如，不需要产生和传导电流。此外，光子倍增膜可以不依赖于良好优化的商业电池生产被开发。

WO 2014/052530 A1公开了一种单线态裂变光子倍增器膜，其被用作沉积在硅电池上的有机敏化窗口层(organic sensitizing window layer)。有机敏化窗口层由包含磷光发射体掺杂剂(phosphorescent emitter dopant)的单线态裂变主体材料组成，其中单线态裂变主体材料具有大于或等于磷光发射体掺杂剂的三线态能量的三线态能量。在由单线态裂变主体吸收一个高能光子后产生的单线态经历裂变为两个三线态，并且每个三线态被转移至单独的磷光发射体掺杂剂。该过程导致两个近红外光子从磷光发射体掺杂剂发射，随后被吸收到相邻的硅电池中，产生两个电子-空穴对。