專利名稱：在有機(jī)供體-受體異質(zhì)結(jié)處提高激子解離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本公開涉及有機(jī)光敏光電子器件和影響有機(jī)太陽能電池的效率和開路電壓的極化子對(duì)復(fù)合動(dòng)力學(xué)。本公開還部分涉及包含它的有機(jī)光敏光電子器件的制造方`法。
背景技術(shù)：
光電子器件依靠材料的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)，通過電子學(xué)方法產(chǎn)生或檢測(cè)電磁輻射，或從環(huán)境電磁輻射產(chǎn)生電。光敏光電子器件將電磁福射轉(zhuǎn)變成電。太陽能電池、也稱為光伏(PV)器件,是一類特別用于產(chǎn)生電力的光敏光電子器件?？梢詮奶柟庵獾钠渌庠串a(chǎn)生電能的PV器件，可用于驅(qū)動(dòng)耗電負(fù)載以提供例如照明、加熱，或?yàn)殡娮泳€路或裝置例如計(jì)算器、無線電、計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或通訊設(shè)備供電。這些發(fā)電應(yīng)用通常還包括為電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置充電，以便當(dāng)來自太陽或其他光源的直接照射不可用時(shí)能夠繼續(xù)運(yùn)行，或根據(jù)特定應(yīng)用的要求平衡PV器件的電力輸出。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“電阻性負(fù)載”是指任何耗電或儲(chǔ)電電路、裝置、設(shè)備或系統(tǒng)。另一種類型的光敏光電子器件是光導(dǎo)電池。在這種功能中，信號(hào)檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)器件的阻抗以檢測(cè)由光的吸收所造成的變化。另一種類型的光敏光電子器件是光電探測(cè)器。在操作中，光電探測(cè)器與電流檢測(cè)線路聯(lián)合使用，所述電流檢測(cè)線路測(cè)量當(dāng)光電探測(cè)器暴露于電磁輻射并可能具有施加的偏電壓時(shí)所產(chǎn)生的電流。本文描述的檢測(cè)線路能夠?yàn)楣怆娞綔y(cè)器提供偏電壓，并測(cè)量光電探測(cè)器對(duì)電磁福射的電子學(xué)響應(yīng)。這三種類型的光敏光電子器件可以根據(jù)是否存在下文定義的整流結(jié)，并且也根據(jù)器件的運(yùn)行是否使用外加電壓、也稱為偏壓或偏電壓來表征。光導(dǎo)電池不具有整流結(jié)，并且通常使用偏壓來運(yùn)行。PV器件具有至少一個(gè)整流結(jié)，并且不使用偏壓運(yùn)行。光電探測(cè)器具有至少一個(gè)整流結(jié)，并且通常但不總是使用偏壓運(yùn)行。按一般規(guī)律，光伏電池向電路、裝置或設(shè)備提供電力，但是不提供信號(hào)或電流以控制檢測(cè)電路，或從檢測(cè)電路輸出信息。相反，光電探測(cè)器或光導(dǎo)電池提供信號(hào)或電流以控制檢測(cè)電路或從檢測(cè)電路輸出信息，但是不向電路、裝置或設(shè)備提供電力。傳統(tǒng)上，光敏光電子器件由多種無機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)造而成，例如晶體、多晶和無定形硅、砷化鎵、碲化鎘等。在本文中，術(shù)語“半導(dǎo)體”是指當(dāng)電荷載流子受到熱或電磁激發(fā)誘導(dǎo)時(shí)能夠?qū)щ姷牟牧?。術(shù)語“光導(dǎo)”一般是指電磁輻射能量被吸收從而轉(zhuǎn)變成電荷載流子的激發(fā)能，以便載流子能夠傳導(dǎo)、即運(yùn)輸材料中的電荷的過程。術(shù)語“光導(dǎo)電池”和“光導(dǎo)材料”在本文中用于指稱由于其吸收電磁輻射以產(chǎn)生電荷載流子的性質(zhì)而被選擇的半導(dǎo)體材料。PV器件的性質(zhì)可以由它們能夠?qū)⑷肷淙展饽苻D(zhuǎn)變成有用電能的效率來表征。利用晶體或無定形硅的器件在商業(yè)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，并且其中某些已經(jīng)達(dá)到23%或更高的效率。但是，有效的基于晶體的器件、 特別是大表面積器件，由于在生產(chǎn)沒有明顯的降低效率的缺陷的大晶體中固有的問題，生產(chǎn)起來困難且昂貴。另一方面，高效無定形硅器件仍然受到穩(wěn)定性問題的困擾。目前可商購的無定形硅電池的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率在4到8%之間?？梢詫?duì)PV器件進(jìn)行優(yōu)化，以在標(biāo)準(zhǔn)照射條件(即標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，其為1000W/m2、AM1. 5光譜照射)下最大化電力產(chǎn)生,用于最大化光電流乘以光電壓的乘積。這種電池在標(biāo)準(zhǔn)照射條件下的電能轉(zhuǎn)換效率取決于下列三個(gè)參數(shù)(I)零偏壓下的電流，即短路電流Is。，單位為安培；(2)開路條件下的光電壓，即開路電壓Vre，單位為伏特；以及(3)填充因子 。PV器件在跨負(fù)載相連并用光照射時(shí)產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無限負(fù)載下照射時(shí)，PV器件產(chǎn)生其最大可能電壓，即V·或Vrc。當(dāng)在其電觸點(diǎn)短路的情況下照射時(shí)，PV器件產(chǎn)生其最大可能電流，即Ises或Isc。當(dāng)實(shí)際用于產(chǎn)生電力時(shí)，PV器件與有限電阻性負(fù)載相連，電力輸出由電流和電壓的乘積IXV給出。由PV器件產(chǎn)生的最大總功率必然不能超過乘積IseXV。。。當(dāng)對(duì)負(fù)載值進(jìn)行優(yōu)化以獲得最大功率提取時(shí)，電流和電壓分別具有值Imax和Vmax。PV器件的性能指數(shù)是填充因子 ，其定義為ff= (Ifflax VmaJ/{Isc V0J (I)其中ff總是小于I，因?yàn)樵趯?shí)際使用中永遠(yuǎn)不能同時(shí)獲得Is。和V。。。但是，當(dāng) 接近I時(shí)，器件具有較低的串聯(lián)或內(nèi)部電阻，因此在最適條件下，向負(fù)載提供較高百分率的1%與1的乘積。當(dāng)Pin。是器件上的入射功率時(shí)，器件的功率效率ηρ可以由下式計(jì)算nP=ff* (Isc*v0c)/Pinc為了產(chǎn)生占據(jù)半導(dǎo)體的顯著體積的內(nèi)生電場(chǎng)，常用的方法是將兩層特別是在其分子的量子能態(tài)分布方面具有適當(dāng)選擇的導(dǎo)電性質(zhì)的材料并置。這兩種材料的界面被稱為光伏結(jié)。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體理論中，用于形成PV結(jié)的材料一般被稱為η或P型。這里η型是指大部分載流子類型是電子。這可以被視為具有許多處于相對(duì)自由能態(tài)中的電子的材料。P型是指大部分載流子類型是空穴。這樣的材料具有許多處于相對(duì)自由能態(tài)中的空穴。背景的類型、即非光生的大部分載流子濃度，主要取決于由缺陷或雜質(zhì)引起的無意摻雜。雜質(zhì)的類型和濃度決定了導(dǎo)帶最低能量與價(jià)帶最高能量之間的能隙內(nèi)的費(fèi)米能(Fermi energy)或能級(jí)的值。費(fèi)米能描述了分子的量子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)學(xué)占據(jù)情況，其用占據(jù)概率等于1/2時(shí)的能量值表示。費(fèi)米能接近導(dǎo)帶最低能量表明電子是優(yōu)勢(shì)載流子。費(fèi)米能接近價(jià)帶最高能量表明空穴是優(yōu)勢(shì)載流子。因此，費(fèi)米能是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的重要定性性質(zhì)，并且原型PV結(jié)傳統(tǒng)上是P_n界面。術(shù)語“整流”尤其是指具有不對(duì)稱導(dǎo)電特性的界面，即界面支持優(yōu)選一個(gè)方向上的電荷運(yùn)輸。整流一般伴有在適當(dāng)選擇的材料之間的結(jié)處產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)。有機(jī)異質(zhì)結(jié)的電流-電壓特征通常使用為無機(jī)二極管推導(dǎo)出的廣義Shockley方程來建模。然而，由于Shockley方程不嚴(yán)格適用于有機(jī)半導(dǎo)體供體-受體(D-A)異質(zhì)結(jié)(HJ),因此提取出的參數(shù)缺少明確的物理意義。不希望受到理論的限制，提供了與D-A HJ太陽能電池相關(guān)的電流密度-電壓(J-V)特征的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。該推導(dǎo)預(yù)測(cè)了暗電流、開路電壓(V。。)和短路電流(Js。)對(duì)溫度和光強(qiáng)度的總體依賴性，以及給定D-A材料對(duì)的最大V。。。本文中還提供了在包含例如銅酞菁和氯化硼亞酞菁供體-受體對(duì)的原型平面有機(jī)太陽能電池中，對(duì)PP動(dòng)力學(xué)中CUPc/C6Q和SubPc/C60HJ 處的 kPP,的調(diào)查。由于D-A界面處的無序性，陷阱限制的復(fù)合導(dǎo)致引入了兩個(gè)溫度依賴性的理想化因子。這些因子描述了銅酞菁/C6tl和硼亞酞菁/C6tl電池在低溫下的暗電流，并適于廣義Shockley方程分解。正如在下面詳細(xì)描述的，本公開的一個(gè)實(shí)施方案鑒定到極化子對(duì)復(fù)合率是決定在暗處和照射下的J-V特征的關(guān)鍵因子，并提供了該過程的直接測(cè)量值。這些結(jié)果為解釋J-V特征和理解小分子和聚合物有機(jī)平面和本體HJ太陽能電池兩者的效率，提供了通用物理構(gòu)架。發(fā)明概述 公開了一種有機(jī)光敏光電子器件，其包含以重疊關(guān)系包含的兩個(gè)電極；至少一種供體材料,和至少一種受體材料，所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在所述兩個(gè)電極之間形成至少一個(gè)光活性區(qū)，其中所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在其本體中是有序的，并在其界面處包含無序區(qū)。還公開了一種制造有機(jī)光敏光電子器件的方法，所述方法包括在基材上沉積至少一種供體材料，至少一種受體材料,和至少一個(gè)電極，其中將所述至少一種供體材料和至少一種受體材料沉積以在兩個(gè)電極之間形成至少一個(gè)光活性區(qū)，其中所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在其本體中是有序的，并在其界面處包含無序區(qū)。從下面示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，本公開的上述和其他特點(diǎn)將變得更加明顯。應(yīng)該指出，為方便起見，器件的所有圖示顯示的高度尺寸相對(duì)于寬度被夸大了。附圖簡(jiǎn)述

圖1. (a)表示能級(jí)圖，其顯示了陽極和陰極功函數(shù)WFJPWF。，以及它們分別伴隨的注入勢(shì)壘(^和Φ。。界面間隙AEm是供體的最高占據(jù)分子軌道能與受體的最低未占分子軌道能之間的能差。在供體(Jp)和受體(Jn)層中電流是單級(jí)的，并根據(jù)異質(zhì)結(jié)(HJ)區(qū)中的產(chǎn)生/復(fù)合來決定，由界面處極化子對(duì)分布的空間幅度粗略地定義。(b)表示在HJ區(qū)內(nèi)部發(fā)生的過程。激子以電流密度Jx向耵擴(kuò)散，并經(jīng)歷電荷轉(zhuǎn)移以形成極化子對(duì)。它們可能以速率kPPr復(fù)合或以速率kPPd解離，正如由Onsager-Braun模型所確定的(C. L. Braun, J.Chem. Phys. 80, 4157 (1984))。電流密度J促進(jìn)界面的自由電子U1)和空穴(P1)密度，它們雙分子復(fù)合，以速率形成極化子對(duì)。圖2. (a)顯示了使用Eq. (13)和表2中的參數(shù)計(jì)算的，在120K至300K、增量為20K的溫度范圍內(nèi)的暗電流密度(J)-電壓特征曲線。反偏壓的斜率由熱生極化子對(duì)的場(chǎng)依賴性解離造成。在正偏壓中，明顯存在三個(gè)區(qū)域。當(dāng)Va < O. 3V時(shí)，包含自由的受體電子與捕獲的供體空穴的陷阱限制的復(fù)合占優(yōu)勢(shì)，并且斜率與供體理想化因子nD成正比。在更高偏壓下，相反的過程占優(yōu)勢(shì)(即自由供體空穴與捕獲的受體電子復(fù)合)，并且斜率與受體理想化因子％成正比。當(dāng)Va > O. 8V時(shí)，串聯(lián)電阻(Rs)限制了電流。(b)顯示了對(duì)應(yīng)于(a)中的暗電流的二極管參數(shù)η和nln(Js)。兩種理想化因子都隨著溫度降低而增加。圖3. (a)顯示了從與圖2中相同的模型和參數(shù)推導(dǎo)出的開路電壓(V。。)、短路電流(Jsc)和填充因子(FF)的強(qiáng)度依賴性。(b) V。。、FF和短路時(shí)的極化子對(duì)解離效率Ilppd(Jsc)的溫度依賴性。圖4.顯示了在 T=296、275、247、218、193、171、155、145、128 和 114Κ 下記錄到的(a ) CuPc/C60和(b ) SubPc/C60器件的暗電流密度與正電壓的關(guān)系曲線。粗線(紅色)指示了與說明書中的Eq. (18)的擬 合。細(xì)線(黑色)連接數(shù)據(jù)點(diǎn)并用于引導(dǎo)觀察。在(C)和(d)中，使用廣義Shockley方程將兩個(gè)數(shù)據(jù)集重新擬合，其中在低電壓和溫度下數(shù)據(jù)與理論之間的差異最顯著。在(C)和(d)中，為清楚起見，省略了幾個(gè)中間溫度。圖5. (a)顯示了從圖4的J-V數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的理想化因子的溫度依賴性。在所有情況下，理想化因子隨著溫度的降低而增加。當(dāng)T > 220K時(shí)，對(duì)CuPc/C6(l來說不能求出nD和Jsd的值，因?yàn)镋q. (18)中的第二個(gè)指數(shù)項(xiàng)無意義。(b)顯示了 CuPc/C6Q和SubPc/C6(l器件的nln(Js)對(duì)l/kbT的圖，其中kbT是熱能。注意具有共同的C6tl受體的兩種電池之間nA和nA In(Jsa)的相似性,然而由于供體不同，nD和nD In(JsD)明顯不同。圖6. Ca)顯示了在室溫下開路電壓V。。對(duì)模擬的AM1. 5G日光照射的強(qiáng)度的依賴性。實(shí)線使用了來自于圖5的11和Js值以及在每種強(qiáng)度下測(cè)量的短路電流密度，從Eq. (18)計(jì)算。(b)顯示了在λ=496ηπκ強(qiáng)度為30mW/cm2的激光照射下，V。。的溫度依賴性。實(shí)線使用圖5的溫度依賴性η和Js以及在室溫下測(cè)量的短路電流密度來計(jì)算。在低溫下計(jì)算值與數(shù)據(jù)之間的偏差表明極化子對(duì)解離效率nPPd (T)降低，該解離效率顯示在右手側(cè)的軸上，并針對(duì)其在室溫下的值進(jìn)行歸一化。連接數(shù)據(jù)點(diǎn)的虛線用于引導(dǎo)觀察。圖7. Ca)顯示了開路電壓、填充因子和短路電流(分別為Vt^FFJse)和歸一化的電能轉(zhuǎn)換效率Hp對(duì)極化子對(duì)復(fù)合速率kPft的依賴性。假設(shè)激子電流為qJx=10mA/cm2。(b)顯示了引起(a)中所示趨勢(shì)的幾個(gè)kPft值處的第四象限J-V特征曲線。
圖8. (a)顯示了使用與圖7b中相同的模型，在kPPr= GOnsK1時(shí)，對(duì)于從O.1至O. 7V范圍內(nèi)、增量為O. 2V的Vbi所計(jì)算的電流-電壓特征曲線。(b)是示意圖，說明了在Ca)中觀察到的“S-扭折”的物理基礎(chǔ)。頂部圖片顯示了內(nèi)建電場(chǎng)F1和極化子對(duì)解離效率η PPd對(duì)施加的偏壓Va的依賴性。&<0促進(jìn)解離。下部圖片顯示了相應(yīng)的光電流，其與暗電流的加和給出總電流(虛線)。當(dāng)Vbi低時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)在低Va下達(dá)到零，在暗電流變得明顯之前引起光電流的快速變化，產(chǎn)生所示的“S-扭折”。圖9. (a)顯示了作為本公開實(shí)施方案的兩種太陽能電池的發(fā)射光譜。紅色實(shí)線顯示在450mA/cm2的恒定驅(qū)動(dòng)電流下獲得的SubPc/C6(l電致發(fā)光。黑色實(shí)心和藍(lán)色空心圓圈分別表示SubPc/C6(l和CuPc/C6(l在λ ex=442nm下使用2mW/cm2rms的調(diào)制強(qiáng)度激發(fā)的光致發(fā)光。(b)顯示了對(duì)下列結(jié)構(gòu)測(cè)量的絕對(duì)SubPc/C6(l光致發(fā)光強(qiáng)度沉積在石英上的BCP(IOnm)/C60 (X nm)/SubPc (llnm)，其中 X=10、20、30 和 40nm。插圖空心圓圈和正方形分別顯示了在λ em={575, 670} nm和λ em={730, 800} nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分的SubPc熒光和激態(tài)復(fù)合物/富勒烯發(fā)射的強(qiáng)度。線表示光干涉和擴(kuò)散組合模型的預(yù)測(cè)，其中激態(tài)復(fù)合物發(fā)射被取為與到達(dá)SubPc/C6(l界面的激子擴(kuò)散通量成正比。盡管SubPc的厚度恒定，但其熒光強(qiáng)度隨著C6tl厚度的增加而降低，這是由在其位置處發(fā)生的干涉最小值造成的。圖10. (a)顯示了在10mW/cm2的穩(wěn)態(tài)光偏壓強(qiáng)度下獲得的CuPc/C6(l和SubPc/C6(lHJ器件的光致發(fā)光強(qiáng)度隨電偏壓的變化曲線。λ M=730nm趨勢(shì)線跟隨來自于每個(gè)電池的異質(zhì)結(jié)的激態(tài)復(fù)合物發(fā)射強(qiáng)度，而Xem=615nm趨勢(shì)線跟隨SubPc熒光強(qiáng)度。實(shí)線用于引導(dǎo)觀察。(b)顯示了 O. 8和30mW/cm2光偏壓下的SubPc/C6(l激態(tài)復(fù)合物發(fā)射，其中來自于O. 8ff/cm2偏壓的發(fā)射具有較低強(qiáng)度，這是因?yàn)閷⒄{(diào)制的信號(hào)激發(fā)光束從2降低至O. 2mff/cm2,以防止它超過光偏壓。使用照射數(shù)據(jù)同時(shí)獲得的每個(gè)器件的電流-電壓特征曲線用實(shí)線顯示，其標(biāo)度在右側(cè)縱坐標(biāo)上。通過強(qiáng)度數(shù)據(jù)的紅色線表示用于估計(jì)發(fā)射峰位置的線性擬合，所述峰位置用開路電壓標(biāo)度。圖11. ( a)是SubPc/C6Q電池的強(qiáng)度調(diào)制的光電流譜(MPS)的Cole-Cole圖。接近短路時(shí)，隨著調(diào)制頻率的增加，復(fù)合量子效率Φ積累了小的相位滯后，這是由電荷載流子從界面向觸點(diǎn)的飛越時(shí)間造成的。在開路時(shí)，Φ表現(xiàn)出相位超前，這是由異質(zhì)結(jié)處相反方向的雙分子復(fù)合電流的疊加造成的。(b)對(duì)CuPc/C6(l獲得的類似的IMPS譜。開路時(shí)p1-^0
的壓縮和相位超前的缺失表明，由于成對(duì)復(fù)合，自由載流子的產(chǎn)生受到抑制。圖12. (a)顯示了使用文本中的Eq. (23)，假定恒定的kPPr= (100ns) (黑色實(shí)線)和Ins—1 (藍(lán)色虛線)而獲得的模擬IMPS譜。(b)顯示了假定kPPr具有場(chǎng)依賴性形式而獲得的模擬頂PS譜，正如由文本中的Eq. (24)給出的。在這種情況下，零場(chǎng)速率為kPPrt=(IOOns)-1 (黑色實(shí)線)和Ins—1 (藍(lán)色虛線)。插圖顯示了在每種情況下預(yù)測(cè)的極化子對(duì)密度(實(shí)線)，其在到達(dá)開路電壓之前與圖1Oa的SubPc/C6(l (黑色圓圈)和CuPc/C6(l (藍(lán)色正方形)激態(tài)復(fù)合物數(shù)據(jù)一致。圖13.顯示了所提出的復(fù)合速率kPPr的場(chǎng)依賴性模型。界面電場(chǎng)改變極化子對(duì)電勢(shì)，因此改變極化子對(duì)復(fù)合所需的激活能。在反偏壓中，F(xiàn)1 < O,降低了 PP電勢(shì)，有利于解離并增加了復(fù)合的勢(shì)壘。隨著F1增加，解離速率降低，復(fù)合速率增加。由于供體與受體的最低未占分子軌道之間的偏移，極化子對(duì)庫侖電勢(shì)不對(duì)稱，其能量圖顯示在圖的頂部。
具體實(shí)施例方式有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的電流密度相對(duì)于電壓(J-V)的特征曲線通常與無機(jī)p-n節(jié)的所述特征曲線相似。因此，基于最初被推導(dǎo)用于無機(jī)器件的廣義Shockley方程的理論處理，已被擴(kuò)展到為有機(jī)太陽能電池的運(yùn)行建模。參見例如W. Shockley, Bell Syst.Tech. J. 28, 435 (1949) ;W. Shockley,《半導(dǎo)體中的電子和空穴》(Electrons and HolesinSemiconductors) (D.Van Nostrand, Inc. , New York, 1950) ；V.Dyakonov, Appl. Phys.A 79, 21 (2004) ；ff. J. Potscavage, S. Yoo 和 B. Kippelen, Appl. Phys. Lett. 93, 193308(2008)；B. P. Rand, D. P. Burk 和 S. R. Forrest, Phys. Rev. B 75，115327 (2007);以及 N. Li, B.E. Lassiter, R. R. Lunt, G. Wei 和 S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 94, 023307 (2009)。這種唯象的方法通常產(chǎn)生相當(dāng)準(zhǔn)確的描述，盡管它在某些情況下失敗并模糊了有機(jī)半導(dǎo)體固有的不同物理學(xué)，對(duì)所述物理學(xué)的了解將產(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)的更豐富、更嚴(yán)格的圖片。Shockley方程被推衍用于無機(jī)p_n結(jié),其具有發(fā)展很好的能帶,其中熱和光激發(fā)產(chǎn)生不定域的自由電荷載流子。相反，有機(jī)半導(dǎo)體一般以跳躍運(yùn)輸和需要顯著能量才能解離成自由電荷載流子的緊密束縛的定域激子態(tài)為特征。因此，一方面，對(duì)于開發(fā)專門用于有機(jī)異質(zhì)結(jié)(HJ)情形的理想二極管方程，存在著需求。通過對(duì)HJ處極化子對(duì)的產(chǎn)生、復(fù)合和解離進(jìn)行明確處理，在本文中提供了在形式上與 S. M. Sze,《半導(dǎo)體器件的物理學(xué)》(Physics of Semi conductor Devices)( John Wiley &Sons, New York, 2005)中所述的Shockley方程類似,但是在幾個(gè)關(guān)鍵方面不同的電流_電壓特征曲線。首先，它預(yù)測(cè)了暗電流的溫度依賴性，開路電壓(V。。)和短路電流(Js。)的強(qiáng)度和溫度依賴性，以及對(duì)于給定的小分子或聚合物HJ材料對(duì)來說可獲得的最大V。。。此外并且不希望受到理論的限制，通過異質(zhì)界面處的無序誘導(dǎo)的陷阱，從復(fù)合產(chǎn)生了二極管理想化因子，并對(duì)這些陷阱具有延伸到最高已占(Η0Μ0)與最低未占分子軌道(LUMO)之間的能隙中的指數(shù)能量分布的情形進(jìn)行分析處理。該模型適用于例如從由銅酞菁(CuPc)和氯化硼亞酞菁(SubPc)供體 與富勒烯(例如C6tl)受體構(gòu)成的兩種原型平面HJ有機(jī)光伏電池獲得的數(shù)據(jù)。本文中描述的處理假設(shè)電流僅由異質(zhì)結(jié)處的產(chǎn)生和復(fù)合控制，并且所述兩個(gè)過程都通過極化子對(duì)(PP)中間態(tài)進(jìn)行。因此，如圖1a中所示，平均極化子對(duì)分離％定義了異質(zhì)結(jié)區(qū)的“體積”。該區(qū)域外部的電流是單級(jí)的，其中純的空穴和電子電流分別流入供體和受體本體。圖1a中的示意圖還定義了能量學(xué),其中界面間隙ΔΕηι；是供體Η0Μ0與受體LUMO之間的差異，以及由界面偶極的形成造成的任何遷移。陽極和陰極處的空穴和電子注入勢(shì)壘分別為小3和Φ。，同樣包括任何界面偶極，并且器件的內(nèi)建電勢(shì)由觸點(diǎn)功函數(shù)的相應(yīng)差值給出Vbi=WFa _WFC。圖1b顯示了在HJ體積內(nèi)發(fā)生的過程。極化子對(duì)的復(fù)合通過下述方程描述
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)光敏光電子器件，其包含 以重疊關(guān)系包含的兩個(gè)電極； 至少一種供體材料，和 至少一種受體材料， 所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在所述兩個(gè)電極之間形成至少一個(gè)光活性區(qū)， 其中所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在其本體中是有序的，并在其界面處包含無序區(qū)。
2.權(quán)利要求1的器件，其中所述無序區(qū)包含非晶體區(qū)，立體本體區(qū)，或其組合。
3.權(quán)利要求1的器件，其中所述無序區(qū)包含供體材料中的無序，受體材料中的無序，或其組合。
4.權(quán)利要求3的器件，其中所述無序區(qū)包含少于10個(gè)所述供體材料和/或所述受體材料的單層。
5.權(quán)利要求1的器件，其中所述光活性區(qū)形成混合異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)、納米晶體-本體異質(zhì)結(jié)和雜合平面-混合異質(zhì)結(jié)中的至少一種。
6.權(quán)利要求1的器件，其中所述本體中的有序包含單晶體、納米晶體或多晶材料中的至少一種。
7.權(quán)利要求1的器件，其中所述供體材料選自亞酞菁(SubPc)、銅酞菁(CuPc)、氯化鋁酞菁(ClAlPc)、錫酞菁(SnPc)、并五苯、并四苯、二茚并茈(DIP)和方酸菁(SQ)。
8.權(quán)利要求1的器件，其中所述受體選自C6(l、C7(1、3，4，9，10-茈四羧基雙-苯并咪唑(PTCBI )、PCBM、PC70BM 和十六氟酞菁(F16CuPc)。
9.權(quán)利要求1的器件，其中至少一個(gè)電極包含透明導(dǎo)電氧化物或透明導(dǎo)電聚合物。
10.權(quán)利要求9的器件，其中導(dǎo)電氧化物選自銦錫氧化物(ITO)、錫氧化物(TO)、鎵銦錫氧化物(GIT0)、鋅氧化物(ZO)和鋅銦錫氧化物(ZIT0)，并且導(dǎo)電聚合物包含聚苯胺(PANI)。
11.權(quán)利要求1的器件，其中至少一個(gè)電極包含金屬替代物，非金屬材料，或選自Ag、Au、T1、Sn和Al的金屬材料。
12.權(quán)利要求1的器件，其還包含至少一個(gè)激子阻擋層。
13.權(quán)利要求12的器件，其中所述激子阻擋層選自浴銅靈(BCP)、紅菲咯啉(BPhen)、3,4,9, 10-茈四羧基雙-苯并咪唑(PTCBI)、1，3，5-三(N-苯基苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、三(乙酰丙酮酸)釕(III) (Ru(acaca)3)和苯酚鋁(III) (Alq2OPH)0
14.權(quán)利要求1的器件，其中所述器件是有機(jī)光電探測(cè)器。
15.權(quán)利要求1的器件，其中所述器件是有機(jī)太陽能電池。
16.—種制造有機(jī)光敏光電子器件的方法,所述方法包括在基材上沉積 至少一種供體材料， 至少一種受體材料，和 至少一個(gè)電極， 其中將所述至少一種供體材料和至少一種受體材料沉積以在兩個(gè)電極之間形成至少一個(gè)光活性區(qū)，其中所述至少一種供體材料和至少一種受體材料在其本體中是有序的，并在其界面處包含無序區(qū)。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述無序區(qū)通過形成非晶體區(qū)，立體本體區(qū)，或其組合來形成。
18.權(quán)利要求16的方法，其中所述無序區(qū)通過使所述供體材料無序，在所述受體材料中造成無序，或使所述供體和受體材料兩者無序來形成。
19.權(quán)利要求16的方法，其中所述無序的非晶體區(qū)包含各少于10個(gè)所述供體材料和所述受體材料的單層。
20.權(quán)利要求16的方法，其中所述無序的非晶體區(qū)通過改變用于沉積所述供體和受體材料的沉積條件來形成。
21.權(quán)利要求16的方法，其中所述無序的非晶體區(qū)通過修飾用作供體和受體材料的分子來形成。
22.權(quán)利要求16的方法，其中所述沉積在真空中發(fā)生。
23.權(quán)利要求16的方法，其中所述光活性區(qū)形成混合異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)、納米晶體-本體異質(zhì)結(jié)和雜合平面-混合異質(zhì)結(jié)中的至少一種。
24.權(quán)利要求16的方法，其中所述供體層選自亞酞菁(SubPc)、銅酞菁(CuPc)、氯化鋁酞菁(ClAlPc)、錫酞菁(SnPc)、并五苯、并四苯、二茚并茈(DIP)和方酸菁(SQ)。
25.權(quán)利要求16的方法，其中所述受體選自C6(1、C7(1、3，4，9，10-茈四羧基雙-苯并咪唑(PTCBI )、PCBM、PC70BM 和十六氟酞菁(F16CuPc)。
26.權(quán)利要求16的方法,其中所述至少一個(gè)電極包含金屬替代物,非金屬材料,或選自Ag、Au和Al的金屬材料。
27.權(quán)利要求16的方法，其中基材包含選自銦錫氧化物(ITO)、錫氧化物(TO)、鎵銦錫氧化物(GITO)、鋅氧化物(ZO)和鋅銦錫氧化物(ZITO)的導(dǎo)電氧化物，并且所述透明導(dǎo)電聚合物包含聚苯胺(PANI)。
28.權(quán)利要求16的方法，其還包含在基材與電極之間沉積至少一個(gè)激子阻擋層，其中所述激子阻擋層選自浴銅靈(BCP)、紅菲咯啉(BPhen)、3，4，9，10-茈四羧基雙-苯并咪唑(PTCBI)、1，3，5-三(N-苯基苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、三(乙酰丙酮酸)釕(III)(Ru(acaca)3)和苯酚鋁(III) (Alq2OPH)0
全文摘要
總的來說，本公開涉及有機(jī)光敏光電子器件和影響有機(jī)太陽能電池的效率和開路電壓的極化子對(duì)復(fù)合動(dòng)力學(xué)。本公開還部分涉及包含它的有機(jī)光敏光電子器件的制造方法。
文檔編號(hào)H01L51/42GK103038906SQ201180031437
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者斯蒂芬·R·弗里斯特, 諾爾·C·吉賓克 申請(qǐng)人:密歇根大學(xué)董事會(huì)