利用电子/空穴阻挡激子阻挡层增强有机光伏电池开路电压的制作方法
【专利说明】利用电子/空穴阻挡激子阻挡层增强有机光伏电池开路电 压
[0001] 本申请是国际申请日为2010年1月12日、国际申请号为PCT/US2010/020807的 PCT国际申请的、进入中国国家阶段的国家申请号为201080009268. 1、题为"利用电子/空 穴阻挡激子阻挡层增强有机光伏电池开路电压"的专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的夺叉引用
[0003] 本申请要求在2009年1月12日提交的美国临时申请61/144, 043的优先权，其整 体通过引用被包含于此。
[0004] 关于联邦赞助研究的申明
[0005] 本发明通过美国政府的支持，在由美国空军科学研宄局授予的FA9550-07-1-0364 和由美国能源部授予的DE-FG36-08G018022下，作出了本发明。政府享有本发明中的特定 权利。
[0006] 联合研究协议
[0007] 根据联合的大学-公司科研协议，要求保护的本发明通过、代表、和/或与下列 方中的一个或多个联合地被作出：密歇根大学和全球光子能量公司（Global Photonic Energy Corporation)。该协议在作出本发明的日期及之前是有效力的，并且作为在该协议 的范围内采取行为的结果，作出了要求保护的本发明。
技术领域
[0008] 本发明主要涉及光敏光电子器件，其包括选自电子阻挡层和空穴阻挡层的至少一 个阻挡层。本发明还涉及利用此处所述的至少一个阻挡层以提高在光敏光电子器件中的功 率转换效率的方法。本发明公开的器件的电子阻挡层和空穴阻挡层可以用于降低暗电流并 且增大开路电压。
【背景技术】
[0009] 光电子器件依赖材料的光学性能和电子性能，从而以电子方式产生或检测电磁辐 射，或者从周围电磁辐射生成电。
[0010] 光敏光电子器件将电磁福射转换为电。太阳能电池，也被称为光伏（PV)器件，是 一种被专门用于生成电功率的光敏光电子器件。可以从除阳光之外的光源生成电能的PV 器件能够用于驱动功率消耗负载，从而提供例如照明、加热，或者用于提供功率给电子电路 或例如计算器、收音机、计算机的器件或远程监视或通信设备。这些功率生成应用通常也涉 及当来自太阳或其它光源的直接照明不可得时，使电池或其它能量存储设备充电，以使操 作可以持续，或者对于特定应用的需要用于平衡PV器件的功率输出。如此处使用的术语 "电阻性负载"是指是任何消耗功率或存储功率的电路、器件、设备或系统。
[0011] 另一类型的光敏光电子器件是光导电池。在该功能中，信号检测电路监控设备的 电阻，从而检测由于光吸收引起的改变。
[0012] 另一类型的光敏光电子器件是光检测器。在操作中，光检测器与电流检测电路结 合使用并且可具有施加的偏置电压，其中所述电流检测电路测量当所述光检测器暴露于电 磁辐射时生成的电流。此处描述的检测电路能够向光检测器提供偏置电压并且测量所述光 检测器对电磁福射的电子响应。
[0013] 可以根据如下定义的整流功能是否存在以及还根据器件是否在外部施加电压下 操作，来表征这三种类型的光敏光电子器件，所述外部施加电压也被称为偏压或偏置电压。 光导电池没有整流功能并且通常在偏压下操作。PV器件具有至少一个整流功能，并且在没 有偏压的情况下操作。光检测器具有至少一个整流功能，并且通常但不总在偏压下操作。作 为一般的规则，光伏电池向电路、器件或设备提供功率，但是不提供信号或电流以控制检测 电路，或者来自检测电路的信息的输出。相反，光检测器或光导体提供信号或电流以控制检 测电路，或者来自检测电路的信息的输出，但是不向电路、器件或设备提供功率。
[0014] 按惯例，光敏光电子器件由大量的无机半导体构造，例如，晶体、多晶和非晶硅、砷 化镓、碲化镉和其它。此处术语"半导体"表示当电荷载流子被热或电磁激发诱发时能够导 电的材料。术语"光导"通常是指如下的过程，其中，电磁辐射能量被吸收并且因此被转化为 电荷载流子的激发能，从而载流子能够传导即传输材料中的电荷。此处使用术语"光导体" 和"光导材料"以表示如下的半导体材料，该半导体材料由于它们吸收电磁辐射以生成电荷 载流子的性能而被选择。
[0015] PV器件可以根据它们能够将入射太阳功率转化为有用的电功率的效率而表征。 利用晶体硅或非晶硅的器件在商业应用占支配地位，并且一些已经达到了 23%或更高的效 率。然而，由于生产不含明显效率降低缺陷的大晶体所固有的问题，有效的晶体基器件特别 是大表面面积器件的生产是困难和昂贵的。另一方面，高效率非晶硅器件仍然具有稳定性 方面的问题。目前商业可用的非晶硅电池的稳定效率在4%和8%之间。近来的努力集中 在使用有机光伏电池以通过经济的生产成本实现可接受的光伏转换效率。
[0016] 可以在标准照明条件（即，1000W/m2，AM 1. 5光谱照明的标准测试条件）下将PV器 件最优化以得到最大电功率生成，以得到光电流与光电压的最大乘积。在标准照明条件下 的这种电池的功率转换效率取决于如下的三个参数：（1)在零偏压下的电流，即短路电流 I s。，以安培计，⑵在开路条件下的光电压，即开路电压I，以伏特计，和⑶填充因子ff。
[0017] 当PV器件被连接跨过负载并且被光照射时，其产生光生电流。当在无限大负载下 照射PV器件时，其生成它的最大可能的电压或V%。当在电接触件短路的情况下照射 PV器件时，其生成它的最大可能的电流1^^或I sc。当实际使用PV器件生成功率时，其被连 接到有限的电阻性负载，并且通过电流和电压的乘积IXV来给出功率输出。由PV器件生 成的最大总功率固有地不能超过乘积I sexvre。当将负载值最优化以得到最大功率提取时， 电流和电压分别具有值1_和v max。
[0018] PV器件的品质因数是填充因子ff，其定义如下：
[0019] ff = {IfflaxVfflJ/{IscV〇c}
[0020] 其中ff总是小于1，因为在实际使用中从来不能同时获得1%和VQC。虽然如此，ff 越接近1，所述器件具有越小的串联的或内部的电阻，并且因此在最佳条件下向负载传递了 is#bv%的乘积的更大的百分比。其中，Pin。是入射在器件上的功率，器件的功率效率n p 可以通过下式计算：
[0021] np= ff*(i sc*V0C)/Pinc
[0022] 当适当能量的电磁辐射入射到半导体有机材料，例如，有机分子晶体（OMC) 材料或者聚合物时，光子能够被吸收，从而产生激发的分子态。这被用符号表示为 S〇 + hv 4 SQ*。此处S。和S3分别表不基态和激发分子态。该能量吸收与电子从可能 是B带的在最高占据分子轨道（HOMO)能级的束缚态到可能是B*带的最低未占分子轨道 (LUM0)能级的提升相关，或者等效地，与空穴从LUM0能级到HOMO能级的提升相关。在有 机薄膜光导体中，生成的分子态一般被认为是激子，即，作为准粒子被传输的处于束缚态中 的电子-空穴对。激子在成对重结合之前可以具有可观的寿命，其中所述成对重结合是指 初始的电子和空穴彼此重新结合的过程，与来自其它对的空穴或电子的重新结合相对。为 了产生光电流，电子空穴对通常在两个不同的接触有机薄膜之间的施主-受主界面处分离 开。如果电荷没有分离，则它们能够在成对重结合中重新结合，也被称为猝灭，该过程或者 通过发射比入射光更低能量的光辐射地进行，或者通过产生热非辐射地进行。在光敏光电 子器件中，这些结果的任何一种都是不期望的。
[0023] 在接触处的电场或非均匀性可能引起激子猝灭而不是在施主-受主界面解离，导 致对电流没有贡献。因此，期望的是，保持光生激子远离接触处。这具有限制激子扩散到结 附近的区域，从而相关的电场更加有可能分离由在所述结附近的激子的解离所释放的电荷 载流子的效果。
[0024] 为了产生占有相当体积的内部生成的电场，通常的方法是并置具有适当选择的传 导性能的两层材料，特别是考虑到它们的分子量子能态的分布。所述两种材料的界面被称 为光伏异质结