专利名称：改进的聚合物包裹的碳纳米管近红外光活性器件的制作方法
改进的聚合物包裹的碳纳米管近红外光活性器件政府权利本发明是利用来自美国陆军夜视和电子传感器董事会的政府支持作出的，拨款号 DAAB07-01-D-G602。美国政府对本发明享有一定的权利。相关申请的交叉引用本申请按照35U.S.C. § 119(e)要求2008年5月1日提交的美国临时申请序列号 61/049，594和2008年10月31日提交的美国临时申请序列号61/110，220的权益，通过引用 将它们的公开内容整体并入本文。本申请是2005年11月2日提交的美国实用新型专利申 请序列号11/263，865和2009年1月9日提交的美国实用新型专利申请序列号12/351，378 的部分继续申请，通过引用将它们的公开内容整体并入本文。发明领域本发明涉及有机半导体、碳纳米管和光活性器件领域。
背景技术：
光电子器件依靠材料的光学和电子特性来电子地产生或检测电磁辐射或者由周 围的电磁辐射产生电。光敏光电子器件将电磁辐射转变成电信号或电。太阳能电池，也称为光伏(“PV”) 器件，是一种可特别用于产生电能的光敏光电子器件。光电导体单元是一种与监测器件电 阻的信号检测电路结合使用以检测由吸收光引起的变化的光敏光电子器件。光电检测器 (可接受所施加的偏置电压)是一种与电流检测电路一起使用的光敏光电子器件，所述电 流检测电路测量当光电检测器暴露于电磁辐射时产生的电流。这三类光敏光电子器件可以根据是否存在下面定义的整流结以及根据是否用外 加电压(也称作偏压或偏置电压)操作该器件进行区分。光电导体单元不具有整流结且通 常使用偏压进行操作。PV器件具有至少一个整流结并且不使用偏压进行操作。光电检测器 可以具有整流结并且通常但不一定使用偏压进行操作。当适当能量的电磁辐射入射到有机半导体材料上时，光子可以被吸收产生受激的 分子状态。在有机光电导材料中，受激的分子状态通常被认为是“激子”，即作为准粒子而传 递的处于束缚态的电子-空穴对。激子在成对复合(“猝灭”)之前可以具有可观的寿命， 所述成对复合是指原始电子和空穴彼此复合(与来自其它对的空穴或电子的复合不同)。 为产生光电流，形成激子的电子-空穴典型地在整流结处分离。对于光敏器件，整流结被称作光伏异质结。有机光伏异质结的类型包括在施主材 料与受主材料的界面处形成的施主-受主异质结，和在光电导材料与金属的界面处形成的 肖特基(Schottky)势垒异质结。在有机材料的背景中，术语“施主”和“受主”是指两种接触但不同的有机材料的 最高占据分子轨道(“HOMO”)和最低未占据分子轨道(“LUM0”)能级的相对位置。如果 与另一种材料接触的一种材料的HOMO和LUMO能级较低，那么该材料是受主。如果与另一种材料接触的一种材料的HOMO和LUMO能级较高，那么该材料是施主。在没有外部偏压的 情况下，这对于施主-受主结处的电子移动至受主材料中在能量方面是有利的。如本文所使用的，如果第一 HOMO或LUMO能级更接近真空能级，第一 HOMO或LUMO 能级“大于”或“高于”第二 HOMO或LUMO能级。较高的HOMO能级对应于相对真空能级具 有较小绝对能量的电离电势(“IP”)。类似地，较高的LUMO能级对应于相对真空能级具有 较小绝对能量的电子亲和势(“EA”)。在真空能级处于顶部的常规能级图上，材料的LUMO 能级高于相同材料的HOMO能级。在材料中吸收光子产生激子之后，激子在整流界面处离解。施主材料将传递空穴， 而受主材料将传递电子。有机半导体的重要性质是载流子迁移率。迁移率量度电荷载流子可以响应电场移 动通过导电材料的容易程度。在有机光敏器件的背景中，因高的电子迁移率而优先通过电 子导电的材料可以称作电子传输材料。因高的空穴迁移率而优先通过空穴导电的材料可以 称作空穴传输材料。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过电子导电的层可以称作电 子传输层(“ETL”)。因在器件中的迁移率和/或位置而优先通过空穴导电的层可以称作 空穴传输层(“HTL”)。优选但不一定，受主材料是电子传输材料而施主材料是空穴传输材 料。如何基于载流子迁移率和相对的HOMO和LUMO能级使两种有机光电导材料配对以 便在光伏异质结中充当施主和受主在本领域中是公知的，并且在此不作叙述。如本文所使用的，术语“有机”包括可用于制造有机光电子器件的聚合物材料以及 小分子有机材料。“小分子”是指不是聚合物的任何有机材料，并且“小分子”实际上可能相 当大。在一些情形中小分子可以包括重复单元。例如，使用长链烷基作为取代基不会将分 子从“小分子”类别中排除。小分子也可被纳入聚合物中，例如作为聚合物主链上的侧基或 者作为主链的一部分。小分子还可以充当树枝状聚合物的核心部分，该树枝状聚合物由一 系列建立在核心部分上的化学外壳构成。树枝状聚合物的核心部分可以是发荧光或发磷光 的小分子发光体。树枝状聚合物可以是“小分子”。通常，小分子具有分子与分子的分子量 相同的限定化学式，而聚合物具有分子与分子的分子量可能变化的限定化学式。如本文所 使用的，“有机”包括烃基配体或杂原子取代烃基配体的金属络合物。有机光敏器件包含至少一个其中吸收光形成激子的光活性区域，所述激子可随后 离解成电子和空穴。光活性区域可典型地包含施主-受主异质结，并且是吸收电磁辐射产 生激子的光敏器件的一部分，所述激子可离解以产生电流。有机光敏器件可以纳入激子阻挡层(EBL)。Forrest等人的美国专利 No. 6，451，415中描述了 EBL，通过引用将该专利与EBL相关的公开内容并入到本文中。 EBL (特别地)通过防止激子从施主和/或受主材料中迁移出来减少猝灭。通常认为EBL因 具有比相邻有机半导体大得多的可阻挡激子的LUM0-H0M0能隙而获得其激子阻挡特性。因 此，所限制的激子由于能量的考虑而不能存在于EBL中。虽然期望EBL阻挡激子，但并不期 望EBL阻挡所有电荷。然而，由于相邻能级的性质，EBL可以阻挡一种符号的电荷载流子。 通过设计，EBL将存在于两个其它层(通常是有机光敏半导体层和电极或电荷传输层)之 间。相邻的电极或电荷传输层在上下文中将是阴极或阳极。因此，将选择器件给定位置中 EBL的材料使得具有所需符号的载流子在向电极或电荷传输层迁移时将不会被阻碍。适当的能级排列保证了不存在电荷迁移的障碍，从而防止串联电阻的增加。应当理解，材料的激子阻挡性质并不是其H0M0-LUM0能隙的本征性能。所给出 的材料是否将充当激子阻挡物取决于相邻有机光敏材料的相对HOMO和LUMO能级，以及 取决于材料的载流子迁移率和载流子传导率。因此不能够孤立地确定一类化合物为激子 阻挡物，而不管其可能用于的器件环境。然而，本领域技术人员可以确定当给定材料与选 定材料组集一起用于构成有机PV器件时是否会起到激子阻挡层的作用。EBL的另外背 景说明可见于Barry P. Rand等人的美国专利申请No. 11/810，782 (2008年1月3日公 开为2008/0001144A1，通过引用将该专利申请的公开内容合并到本文中)和Peumans等 人 StJ"Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes,，，Applied Physics Letters 76,2650-52(2000)。术语“电极”和“接触部”在本文中互换使用以指提供用以将光生电流传输至外部 电路或向器件供以偏置电流或电压的介质的层。电极可以由金属或“金属替代物”构成。 本文中使用术语“金属”来既包括由元素纯金属构成的材料又包括金属合金，该金属合金 是由两种或更多种元素纯金属构成的材料。术语“金属替代物”是指在标准定义内不是金 属的材料，但是该材料具有类似金属的性质如导电性，例如掺杂的宽带隙半导体、简并半导 体、导电氧化物和导电聚合物。电极可以包含单层或多层(“复合”电极)，可以是透明、半 透明或不透明的。电极和电极材料的例子包括Bulovic等人的美国专利No. 6，352，777和 Parthasarathy等人的美国专利No. 6，420，031中所公开的那些，通过引用将所述专利每一 篇中关于各个这些特征的公开内容并入本文中。如本文中所使用的，如果一个层透过至少 50%的相关波长的环境电磁辐射，则称其为“透明的”。有机光敏器件的功能组分通常非常薄并且在机械方面弱，因此这些器件典型地装 配在衬底表面上。衬底可以是提供所需结构性能的任何适宜衬底。衬底可以是柔性或刚性 的，平坦或非平坦的。衬底可以是透明、半透明或不透明的。刚性塑料和玻璃是优选的刚性 衬底材料的例子。柔性塑料或金属箔是优选的柔性衬底材料的例子。用于光活性区域的有机施主和受主材料可以包括有机金属化合物，这些化合物包 括环状金属化的有机金属化合物。本文使用的术语“有机金属”是本领域技术人员通常所理 解并且如例如 Gary. L. Miessler 和 Donald A. Tarr Wlnorganic Chemistry，，(第 2 版)， Prentice Hall (1999)的第13章中给出的。可以使用真空沉积、旋涂、有机气相沉积、有机蒸气喷射沉积、喷墨印制和本领域 中已知的其它方法制造有机层。光活性区域可以是肖特基垫垒异质结的一部分，其中光电导层与金属层形成肖特 基接触部。如果光电导层是ETL，则可使用高功函金属例如金，但如果光电导层是HTL，则可 使用低功函金属例如铝、镁或铟。在肖特基势垒单元中，与肖特基势垒相关的内建电场将激 子中的电子和空穴拉开。通常，这种场辅助激子离解不如在施主-受主界面处的离解有效。这些器件可以连接至消耗或存储能量的电阻性负载。如果该器件是光电检测 器，则该器件连接到测量当光电检测器暴露于光时产生的电流的电流检测电路，并且其 可向器件施加偏压(例如2005年5月沈日公开的!Arrest等的公开美国专利申请 2005-0110007A1中所描述的)。如果从器件中取消整流结(例如，使用单一光电导材料作6为光活性区域)，所得结构可用作光电导体单元，在这种情形中该器件连接到监测因光吸收 引起的跨器件的电阻改变的信号检测电路。除非另外说明，这些配置和变型中的每一个可 用于本文公开的各个附图和实施方案中的器件。有机光敏光电子器件还可包含透明电荷传递层、电极或电荷复合区。电荷传递层 可以是有机或无机的，并且可以是或不是光电导活性的。电荷传递层类似于电极，但不具 有到器件外部的电连接并且仅将电荷载流子由光电子器件的一个子部分传输到相邻子部 分。电荷复合区类似于电荷传递层，但允许光电子器件的邻近子部分之间电子和空穴的复 合。电荷复合区可以包括含有纳米簇、纳米颗粒和/或纳米棒的半透明金属或金属替代物 复合中心，例如Forrest等人的美国专利No. 6，657，378 ；2006年2月16日公开的Rand等 人的标题为"Organic Photosensitive Devices"的公开美国专利申请2006_00325^A1 ； 和 2006 年 2 月 9 日公开的 Forrest 等人的标题为‘Stacked Organic Photosensitive Devices"的公开美国专利申请2006-0027802A1 ；通过引用将这些专利关于复合区材料和 结构的公开内容合并到本文中。电荷复合区可以包括或不包括其中嵌入复合中心的透明基 质层。电荷传递层、电极或电荷复合区可以充当光电子器件的子部分的阴极和/或阳极。电 极或电荷传递层可以充当肖特基接触部。对于有机光敏器件的现有技术的另外背景说明和描述，包括它们的一般构造、 特性、材料和特征，通过引用将Forrest等人的美国专利No. 6，972，431，6，657，378和 6，580，027以及Bulovic等人的美国专利No. 6，352，777整体并入本文中。在1992年共轭聚合物和富勒烯之间光致电荷传递的发现(N. S. Sariciftci等， Proc. SPLE, 1852 :297-307(1993))激发了富勒烯在光伏和光电探测器器件中的可能用途 的大量研究。这导致产生若干利用聚合物和富勒烯的组合的光伏系统。已发现富勒烯可对 光氧化敏感。所观测到的在多壁碳纳米管-共轭聚合物界面处的光致电子传递(H. Ago等， Phys. Rev. B,61 :2286(2000))激发了在光伏器件中使用碳纳米管(CNT)、特别是单壁碳纳 米管(SWNT)作为电子受主材料的尝试。首次报导使用CNT作为本体异质结光伏电池中的电子受主是SWNT与聚噻吩的 共混物，其中观测到光电流提高两个数量级(E.Kymakis，G. A. J. Amaratunga, App 1. Phys, Lett. 80 :112(2002)) ο在2005年，在用1.5ym(0. 8eV)的辐射线照射的隔离SWNT中观测 到光伏效应(J. U. Li, Appl. Phys. Lett. 87 :073101 (2005)) Kymakis (Ε. Kymakis 禾口 G. Amaratunga, Rev. Adv. Mat. Sci. 10 :300-305 (2005，)描述了在基于聚(3-辛基噻吩)的聚合物光伏系统中使用碳纳米管作为电子受主。在该系统 中，纳米管充当电子受主和电子导体；光电流在CNT浓度大于约处下降，作者推断纳米 管不有助于光电流。Ajayan等人(美国专利申请公开2006/0272701)描述了在光伏器件中使用SWNT 作为电子传输组分，其中使用共价连接的有机染料作为光响应组分。最近，Mitra等人在 基于C6tl-有机半导体异质结的光伏器件中类似地利用SWNT作为电子传输组分(C. Li.等 人，J. Mater. Chem. 17，2406 (2007) ；C. Li 和 S. Mitra, Appl. Phys. Lett. 91，253112 (2007))。 这些器件利用SWNT作为电子接受和电子传导元件。先前的工作者指明，这些器件中的金 属性SWNT为空穴和电子的复合提供了短接(short-circuit)路径，并且推测如果利用隔 离的半导体性SffNT则所述器件会更加有效(E. Kymakis等人，J. Phys. D =Appl. Phys. 39，1058-1062 (2006) ；M. Vignali 等人，http://re. jrc. cec. eu. int/solarec/publications/ paris_polymer. pdf (未标日期))。然而，在这样的设计中使用半导体性SWNT仅仅利用SWNT 作为电子接受和电子传导元件，而不是作为光生激子的来源。现有器件和建议的器件没有 利用半导体性SWNT的光电(即光电导或光伏)性能。目前，用于生长SWNT的所有合成方法产生其结构参数(长度、直径和手性角) 变化的SWNT非均质混合物，并因此其电子和光学性能(例如，电导率、电学带隙和光学带 隙)发生变化(M. S. Arnold，A.A. Green，J. F. Hulvat 等，NatureNanotech. 1(1)，60 (2006)； M. S. Arnold, S. I. Stupp,禾口 M. C. Hersam, Nano Letters 5 (4), 713 (2005) ；R. H. Baughman, A. A. Zakhidov,和 W. A. de Heer，Science297 (5582)，787 (2002)。至今报导的所有已报导 CNT 基光伏器件均利用这些混合物。最近的进展包括在各种衬底例如(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃、聚甲基 丙烯酸甲酯)(PMMA)和硅上制备CNT薄膜的方法(Y. Zhou, L. Hu, G. Griiner，Appl. Phys. Lett. 88 :123109(2006))。该方法将CNT垫的真空过滤产生与转印技术组合，并且允许具有 高均勻性的大面积、高度导电CNT膜的控制沉积和图案化。这样的膜是通常所用的成本高 且与卷到卷制造工艺保持不相容的空穴收集电极材料即铟锡氧化物(ITO)的潜在替代物。碳纳米管的性能主要受管直径和扭曲度影响。定向的管和扭曲的管均可以是金属 性或半导体性的，这取决于沿周向的能量状态是否穿过称作费米点之处。在费米点，价带和 导带相遇，这允许沿管的周向传导。具有直径和手性的恰当组合的管在该管的整个长度上 将具有围绕它们栅格结构周界的一组费米点。这些管将显示出金属性如导电。如果直径和 手性不产生一组费米点，则该管将表现出半导体行为(P. Avouris，Chemical Physics, 281 429-445(2002))ο除费米点匹配外，管的圆柱形状和直径影响通过下述路径的电子传输，在所述路 径中围绕管周边存在量子态。小直径管将具有可用能态数目少的高周向带隙。随着管直径 增加，能态数目增加并且周向带隙降低。一般而言，带隙与管直径成反比。此外，电子的波动性质使得可在碳纳米管的周围径向建立驻波。这些驻波，小直径 管中导电状态的缺乏，以及石墨片的单层厚度，一并抑制围绕管周边的电子运动并且迫使 电子沿管轴传输。然而，如果存在费米点匹配，除轴向传导外，还可发生围绕管周边的电子传输，从 而允许增加的电子传输选择以及金属性传导特性。随着管直径增加，围绕管周边允许更多 能态并且这还倾向于降低带隙。因此，当仅允许轴向传导时，该管表现出半导体行为。当轴 向传导和圆周传导均得到允许时，该管表现出金属性传导。现有的有机光伏器件的功率输出尚不能与常规硅基光伏器件相竞争。除了效率较 低和如同其它薄膜方法外，它们在暴露于空气时还对氧化劣化敏感，并且需要包封。考虑到 硅太阳能电池的成本和脆弱性，以及希望易于制备和廉价的有机等效物，仍需要更为有效 和更为稳定的有机光伏和光检测器件。此外，因为有机材料对顶和近顶辐照的不良敏感 性，仍需要在用顶和OTR辐射时能够有效产生激子的有机光伏材料。仅管半导体性CNT具有强的近顶带隙吸收，但它们作为光电子器件的光吸收性组 分仅具有有限的作用，这是因为光生电子-空穴对的强结合能。概述
本发明提供了光活性器件例如光电检测器和光伏器件，其中半导体碳纳米管充当 有机光电导材料，即充当捕光组分。特别地，本发明描述了碳纳米管在薄膜器件构造中作为 顶辐照检测材料的用途。在这些器件中，半导体性碳纳米管充当电子施主，并且光生电荷的 分离发生在半导体性碳纳米管和有机半导体之间的异质结处。半导体性碳纳米管的直径和 光学带隙的合适选择可以用于改变光活性器件从光谱的可见光到近红外区的响应率。在本 文中概述了代表性的材料、器件构造和制造所述构造的工艺。根据本发明的实施方案，在光活性器件的光活性区域中有机受主层和施主层中的 至少一个或其二者包括碳纳米管。本发明描述了碳纳米管作为大面积光电子器件的光学活 性组分的用途。发明人已经发现CNT中的激子(受束缚的电子-空穴对)可通过使CNT与电子受 主例如C6tl接触而使其有效地离解。这两种基于富勒烯的材料形成施主-受主异质结，具有 足以导致电子从CNT传输到C6tl的能带/轨道偏移。有机半导体的可见光吸收率和CNT的 近顶吸收率的组合对在波长为400-1450nm范围内的电磁照射产生宽波段的敏感性。C60可 通过真空热蒸发(“VTE”)、有机气相沉积(“0VPD”)和其它方法进行沉积。在优选实施方 案中，期望C6tl的VTE沉积。本发明还包括在近顶光谱中进一步显示出性能改进的光活性器件结构。根据 一个实施方案，这种光活性器件包含第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间 并且与它们电连接的光活性区域。该光活性区域包含第一有机光活性层和第二有机光活 性层，所述第一有机光活性层包含形成在第一电极上方的第一施主材料，所述第二有机光 活性层包含形成在第一有机光活性层上方的第一受主材料。第一施主材料包含光活性聚 合物包裹的碳纳米管。所述器件还包括一个或多个位于第一和第二有机光活性材料层之 间的附加的有机光活性材料，其中所述附加的有机光活性材料相对于第一受主材料充当 施主或者相对于第一施主材料充当受主。这种改进的光活性器件的光活性区域在吸收约 400nm-1450nm的光时产生激子。附图简要描述图IA和IB示出了本发明的平面异质结实施方案的构造。图2A-2D示出了本发明的本体异质结实施方案的构造。图3A和;3B示出了本发明的另外本体异质结实施方案的构造。图4显示了通过将碳纳米管膜沉积到PTCDA (3，4，9，10-茈-四羧基-双-二酐) 上形成的平面异质结的构造。图5显示了在黑暗中和用模拟阳光近I R辐射线照射的异质结的电流-电压曲线。图6显示了不同吸收波长的CNT导带(CB)和价带(VB)能量以及可接受的施主或 受主所必需的能量。图7显示了悬浮在甲苯中、在650nm激发下的聚合物包裹的碳纳米管的光致发光。图8显示了由甲苯溶液刮涂的含有PFO和CNT的厚膜的光致发光强度。图9A显示了 MDMO-PPV与纳米管重量比为1 1的聚合物包裹的碳纳米管/C6tl异 质结二极管的构造的实例。图9B显示了图9A器件的电流-电压特性。图9C显示了图9A器件的光谱分辨的光响应率。
图9D显示了图9A器件的内部量子效率(IQE)和聚合物包裹的碳纳米管的吸收率。图IOA是根据本发明实施方案的聚合物包裹的碳纳米管/C6tl异质结的示意性能级 图。图IOB和IOC是两个对照器件的示意性能级图。图IlA显示了 MDMO-PPV与纳米管重量比为1 1的聚合物包裹的碳纳米管/C6tl 异质结二极管的构造的另一个实例。图IlB显示了图IlA器件的电流-电压特性。图IlC显示了图IlA器件的光谱分辨的光响应率。图IlD显示了图IlA器件的内部量子效率(IQE)和聚合物包裹的碳纳米管的吸收率。
图12A-12D显示了具有4种不同C6tl厚度的图9A模拟光伏器件结构的计算光场 图。图13显示了对于不同C6tl厚度图9A光伏器件结构的响应率坐标图。图14A示出了提供在CNT基施主层和受主层之间的附加有机光活性材料层的一个 实例的平面图。图14B示出了提供在CNT基施主层和受主层之间的附加有机光活性材料层的另一 个实例的平面图。图15A示出了包括作为施主的附加有机光活性材料层的能级图。图15B示出了包括作为受主的附加有机光活性材料层的能级图。图15C示出包括一个或多个附加的有机光活性材料层的能级图。图16A是构成根据本发明实施方案的光伏器件的各种材料、MDM0、CNT、SnPc和C6tl 的能级图。图16B是显示在熔凝石英衬底上生长的CUPc、C6Q和SnPc膜的吸收系数以及ITO/ CuPc/SnPc/C60/BCP/Ag太阳能电池就两种不同SnPc厚度的外部量子效率的坐标图。图17A显示了根据一个实施方案的光活性器件构造。图17B和17C显示了 17A光活性器件的响应率和比检测率(specific detectivity)的坐标图。图18A显示了根据另一个实施方案的光活性器件构造。图18B和18C示出18A光活性器件的响应率和比检测率的坐标图。图19A是显示作为电子阻挡层的SiO2和PFO的效果的电流-电压图。图19B是显示作为电子阻挡层的SiO2和PFO的响应率和比检测率的坐标图。图20是按购得状态的商业ITO在空气中于约300°C下退火15分钟和30分钟后的 吸收的坐标图。图21A显示了根据另一个实施方案的光活性器件构造。图21B显示了某些材料的消光系数。图21C是图21A器件的电流-电压图。图21D是图21A器件的比检测率的坐标图。示意性地显示了上述参考附图中的特征并且其不意欲按比例绘制也不意欲以准确位置关系表示。相同的参考数字表示相同的要素。详述在下面优选实施方案的详细描述中，会引用构成说明书一部分的附图，并且其中 以说明性方式显示了可以在本发明中实施的特定实施方案。应当理解，可以利用其它实施 方案并且可以作出结构改变而不背离本发明的范围。根据本发明实施方案的有机光敏光电子器件例如可用于检测入射电磁辐射，特别 是顶和近顶光谱中的电磁辐射或者作为太阳能电池来产生电能。本发明的实施方案可以 包含阳极、阴极和在所述阳极和阴极之间的光活性区域，其中半导体性聚合物包裹的碳纳 米管和有机半导体在所述光活性区域内形成异质结。所述光活性区域是吸收电磁辐射以产 生可离解从而产生电流的激子的光敏器件部分。有机光敏光电子器件还可以包括至少一个 透明电极以允许入射辐射被该器件吸收。由碳纳米管形成的高效光敏光电子器件含有具有合适能量的化合物使得通过碳 纳米管吸收光子产生的激子分裂成自由电子和自由空穴。为有效地使激子分裂，施主材料 的HOMO在能量方面应该高于(较小的负值)碳纳米管基受主的价带(VB)。或者相反地， 受主材料的LUMO必须小于(较大的负值)碳纳米管基施主的导带(CB)。在图6中显示了 CB和VB能量以及可接受的施主或受主所必需的能量(参见R. B. Weisman等的NANO LETT 3(2003)) ο如本文所使用的，术语“整流”特别表示界面具有不对称的导电特性，即该界面支 持优选一个方向上的电子电荷传递。术语“半导体”表示当由热激励或电磁激励引发电荷 载流子时可导电的材料。术语“光电导”通常涉及其中吸收电磁辐射能并由此将其转变成 电荷载流子的激发能使得载流子可以在材料中传导(即传输)电荷的过程。术语“光电导 材料”是指因其吸收电磁辐射产生电荷载流子的性质所使用的半导体材料。如本文所使用 的，“顶部”表示最远离衬底，而“底部”表示最接近衬底。可以存在中间层(例如，如果第一 层在第二层“上面”或“上方”)，除非指明第一层与第二层“物理接触”或者“直接”在第二 层上；然而，这并不排除表面处理(例如，第一层暴露于氢等离子体)。参照图IA和1B，公开了光伏器件100A和100B的两种平面异质结实施方案的构 造。光伏器件100A包含导电阳极层110A、在阳极层IlOA上方形成的电子施主层120A、在施 主层120A上方形成的电子受主层130A和在电子受主层130A上方形成的导电阴极层150A。 在该实施方案中，聚合物包裹的碳纳米管薄膜形成电子施主层120A。平面异质结形成在电 子施主层120A和电子受主层130A之间。电子施主层120A和电子受主层130A形成器件 100A的光活性区域122A。优选地，所述聚合物包裹的碳纳米管(PW-CNT)是基本上半导体 性的聚合物包裹的单壁碳纳米管(PW-SWNT)。虽然优选PW-SWNT，但是包括多壁碳纳米管的 聚合物包裹的碳纳米管也在本文所公开的发明的范围内。因此，在本文给出的各种实施方 案中，当与PV器件有关地提及PW-SWNT时，那些实施方案仅仅是实例并且使用通常包括聚 合物包裹的多壁碳纳米管的PW-CNT的其它实施方案也在本发明的范围内。当使用PW-CNT作为电子施主时，用于形成电子受主层130A的合适有机半导体包 括但不限于=LUMO 为-4. OeV 的 C60, LUMO 为-4. IeV 的[84]PCBM([6，6]-苯基 C84 丁酸甲基 酯)，LUMO 为-4. 4eV 的 F16-CuPc, LUMO 为-4. OeV 的 PTCBI (3,4,9,10 茈四羧酸二苯并咪唑)， LUMO为-4. 7eV的PTCDA (3，4，9，10茈四羧酸二酐)，或LUMO为-4. 5eV的聚(苯并咪唑苯并11菲咯啉)，LUMO 为 3. 9eV 的 TCNQ (7,7,8,8-四氰醌二甲烷)，LUMO 为 5. 2eV 的 F4-TCNQ (四 氟四氰醌二甲烷)等。用于电子受主层130A的有机半导体优选能够将电子有效地传输到阴极150A，或 者传输到电子传输层。用于电子受主层130A的这些合适有机半导体的LUMO与碳纳米管的 LUMO相比典型地具有更低的能量，使得从受照射的碳纳米管(优选PW-SWNT)的电子传输快 速且不可逆。存在可与半导体性PW-CNT形成整流异质结的许多不同有机半导体，这导致光生 电荷的电荷分离和电荷传递以及光伏效应。对于具有IeV光学带隙和0.5eV激子结合能 的CNT，预期H0M0-LUM0或电学带隙为1. 5eV0假定ρ型掺杂并且取4. 6eV作为功函(参见 V. Barone, J. E. Peralta, J. Uddin 等，J, Chem. Phys. 124(2) (2006)的计算结果)，LUMO 或 导带相对于真空位于3. 5eV而HOMO或价带相对于真空位于5. OeV0因此，这样的半导体性 PW-CNT会形成以C6tl作为电子受主的整流异质结。如上所述，半导体性CNT的精确能带能级取决于它们直径、手性扭曲、电学带隙、 光学带隙、局部电介质环境和掺杂。因此，半导体性CNT可在与另一种有机半导体的异质结 中充当电子接受材料或电子施予材料，这取决于纳米管的结构和所述有机半导体的性能。 除小分子有机半导体外，还可使用导电聚合物作为电子接受材料或电子施予材料。在图IB所示的实施方案中，光伏器件100B包含导电阳极层110B、在阳极层IlOB 上方形成的电子施主层120B、电子受主层130B和导电阴极层150B。在该实施方案中，聚合 物包裹的碳纳米管的薄膜形成电子受主层130B。平面异质结形成在电子施主层120B和电 子受主层130B之间。电子施主层120B和电子受主层130B形成器件100B的光活性区域 122B。优选地，所述聚合物包裹的碳纳米管是基本上半导体性PW-SWNT。碳纳米管可以 是单壁或多壁。多壁纳米管含有在管中同心排布的多个石墨层。通常，SWNT与多壁纳米管 相比表现出更好的电性能。以大批量商购的SWNT通常使用以下方法制造高压一氧化碳 (HiPCO )方法(例如可得自 Unidym of Menlo Park, California, U. S. Α.的 HiPCO 纳米 管)或电弧放电法(例如来自Carbon Solutions Inc.的P3纳米管，其是具有两个与亲水 羧基连接的开口端的纯化电弧放电纳米管)。如本文所使用的，“基本上半导体性PW-SWNT”是指其中至少80重量％的纳米管为 半导体种类(即非金属性)的PW-SWNT群体。应当理解，在导电纳米管的分数降低时，可以 提高光检测器件的光活性区中纳米管的密度并同时维持非常低的渗透导电路径的可能性。 因此，在优选的实施方案中，至少90%的纳米管为半导体性种类，在更优选的实施方案中， 至少95%为半导体性种类。在最优选的实施方案中，至少99%的纳米管为半导体性种类。在典型的CNT混合物中，三分之一的CNT本质上是金属性而剩余三分之二是半导 体性，具有随直径大致相反改变的光学带隙和电学带隙。这种非均质性表现出阻碍由所制 得的CNT混合物制备高效的光伏太阳能电池，这是由于与金属性CNT存在有关的激子猝灭 和非整流电路径。分离的半导体性碳纳米管制备必须产生高效的有机-半导体-半导体性 碳纳米管异质结光伏太阳能电池。目前，分离半导体性SWNT的唯一方法是通过合成后处理 方法。目前，存在少数这样的处理方法按实验室规模富集或分离半导体性CNT。这些方法包括“建构性破坏(constructive destruction)” (P. C. Collins, Μ. S. Arnold,和 P. Avouris, Science 292(5517),706(2001))；在单层薄膜内金属性CNT的选择性蚀刻 (G.Y.Zhang，P.F.Qi，X.R.Wang 等，Science 314 (5801), 974 (2006))；基于介电泳的场流 分离(H. Q. Peng, N. Τ. Alvaret, C. Kittrell 等，J. Amer. Chem. Soc. 128 (26)，8396 (2006))； 和 DNA 包裹 CNT 的阴离子交换色谱法(M. Zheng, A. Jagota, Μ. S. Strano 等，Science 302(5650)，1545-1548(2003)).然而，许多这些技术的有效性(获得呈半导体性的CNT的 比例)是有限的或者不明，并且这些技术存在明显的缺陷使得它们对于生产可用数量的半 导体性CNT是不实用的。当PW-CNT用作电子受主时，用于形成电子施主层120B的合适有机半导体包括但 不限于Η0Μ0 为-4. 97eV 的 BTEM-PPV (聚(2，5-双(1，4，7，10-四氧杂4^一烷基)-1，4_ 苯 撑乙烯撑)，Η0Μ0为-4. 5eV的聚(3-癸氧基噻吩)，Η0Μ0为5. 3eV的CuPc (酞菁铜)，Η0Μ0 为5. ^V的NPD (4，4，，-双(N-(l-萘基)苯氨基)联苯)，Η0Μ0为5. OeV的并五苯，Η0Μ0 为5. 4eV的并四苯等。用于电子施主层120B的有机半导体应该能够将空穴有效地传输到 阳极110B，或者传输到空穴传输层。用于电子施主层120B的合适有机半导体优选为Η0Μ0 比碳纳米管的Η0Μ0能量更高的那些，使得从受照射的CNT的空穴传输快速且不可逆。在两个实施方案100A和100B中，可在光活性区122A、122B和阴极层150A、150B之 间分别提供任选的激子阻挡层140A、140B。另外，可在光活性区112A、122B和阳极层110A、 110B之间分别提供任选的激子阻挡层115A、115B。还可以使阳极-平滑层位于阳极和施主 之间。阳极-平滑层描述于i^orrest等人的美国专利6，657，378中，通过引用将与该特征 有关的其公开内容并入本文。聚合物包裹制得状态的碳纳米管是高度聚结和集束的。为得到有效光学吸收和激子分裂并且 为防止激子猝灭，必须这些管解束。这通过已知的聚合物包裹方法进行。将碳纳米管放置 到聚合物与适宜溶剂的溶液中，并使用高能喇叭形超声发生器(细胞破碎仪)使碳纳米管 分离。如果使用合适的聚合物(尤其是各种聚噻吩聚合物、聚苯撑乙烯撑聚合物和聚芴聚 合物衍生物)，则聚合物可用该聚合物上的可溶性侧基进行包裹从而产生可溶性的碳纳米 管-聚合物复合物。聚合物包裹的主要目的是使单个纳米管悬浮。将与碳纳米管形成施 主-受主异质结以便促进激子分裂的聚合物就包裹材料而言并非是必须的，只要在器件中 存在可与PW-CNT形成施主-受主异质结的另一种材料。在将碳纳米管进行聚合物包裹和溶解后，可通过将它们纳入到施主或受主分子或 聚合物中以及在需要时敷施成器件来制造光伏器件。为产生具有足够的吸收大量光的碳纳 米管的光伏器件，可能需要产生渗透网络的足够高浓度的碳纳米管(膜中大于 1重量％ 碳纳米管)。这意味着接触半导体性碳纳米管的任何金属性碳纳米管将充当激子猝灭中心 并且将剧烈降低光伏器件的效率。此外，金属性碳纳米管可通过产生穿过整个单元厚度的 金属纤维而起到将器件短接的作用从而导致降低的分路电阻。为避免此现象，通过诸如密 度梯度超速离心法的方法对碳纳米管进行分选，使得几乎所有金属性碳纳米管被排除并且 显著减少激子猝灭。在一些实施方案中，光活性聚合物例如聚[2-甲氧基-5_(3’，7’ - 二甲基辛氧 基)-1，4-苯撑乙烯撑](MDMO-PPV)、聚[2-甲氧基_5_(2’ -乙基-己氧基)_1，4_苯撑乙烯撑](MEH-PPV)和聚(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)(PFO)可用于包裹碳纳米管和使其溶 解。在这些实施方案中，包裹CNT的光活性聚合物吸收光从而产生在包裹聚合物与碳纳米 管或者包裹聚合物与有机(施主或受主)界面处分离的激子而不依赖于CNT。可用于包裹SWNT的光活性聚合物的其它实例是PF0:聚(9，9_ 二辛基芴基_2， 7-二基)和具有相同主链和不同增溶基的聚合物例如或PFH-聚(9，9-二己基芴基-2， 7-二基)或聚[9，9_ 二-(2-乙基己基)-芴基-2，7-二基]。可使用的另一扩展方案有 时是共聚物(在PFO和另一种单体之间交替例如聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)-交 替-(1，4-亚乙烯基苯撑)]，聚[(9，9- 二辛基芴基-2，7- 二基)-交替-(亚乙烯基蒽)]， 或聚[9，9-二辛基芴基-2，7-二基]-共-1，4-苯并-{2，1’ _3}_噻二唑)]。另一类实例是基于苯撑乙烯撑的聚合物例如MDM0-PPV-聚[2-甲氧基_5_(3， 7-二甲基-辛氧基)-1，4-苯撑乙烯撑]或MEH-PPV-聚[2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧 基)-1，4_苯撑乙烯撑]和具有相同主链和不同增溶基的聚合物例如聚[2，5_双(3，7_ 二 甲基辛氧基)-1，4_苯撑乙烯撑]。有时可使用主链交替物例如共聚物(在PFO和另一种 单体之间交替例如聚[(9，9- 二辛基芴基-2，7- 二基)-交替-(1，4-亚乙烯基苯撑)]，聚 [(9,9- 二辛基芴基_2，7- 二基)-交替-(亚乙烯基蒽)]，或聚[9，9- 二辛基芴基-2，7- 二 基]-共-1，4-苯并-{2，1，-3}-噻二唑)]。可以使用基于噻吩的聚合物例如P3HT或使用其它增溶基的那些聚合物 P3BT—聚(3- 丁基-噻吩-2，5- 二基)；P3HT—聚(3-己基-噻吩-2，5- 二基)；P30T—聚 (3-辛基-噻吩-2，5- 二基)；P3DT—聚(3-癸基-噻吩-2，5- 二基)等。有时可使用主 链交替物例如共聚物(在PFO和另一种单体之间交替例如聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二 基)_交替-(1，4_亚乙烯基苯撑)]，聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)-交替-(亚乙烯基 蒽)]，或聚[9，9_ 二辛基芴基-2，7-二基]-共-1，4-苯并-{2，1’ _3}_噻二唑))。其它 导电聚合物主链例如PPE聚合物聚(2，5_ 二辛基-1，4-亚苯基)，具有相同的加成物和低 带隙聚合物例如聚[2，6-(4，4-双-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b ；3，4_b] - 二噻吩)-交 替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)也是合适的。可以对主链或交替单元作出改变。图7显示了悬浮在甲苯中于650nm下激发的聚合物包裹的碳纳米管的光致发光， 显示用MDMO-PPV进行包裹起到良好作用，并且对于某些碳纳米管的手性，PFO给出亮得多 的光致发光。信号强度是单独分散的碳纳米管的量的指示。聚集和集束的纳米管由于金属 性纳米管与半导体性纳米管接触引起的猝灭而没有显示出光致发光信号。这显示MDMO-PPV 在使碳纳米管溶解于甲苯中的能力上与MEH-PPV相当。这暗示着侧基的较小变化不会显著 改变包裹效率并且可以使用许多类似的聚合物。MDMO-PPV包裹赋予碳纳米管在有机溶剂中的溶解性，因此有利于它们基于溶液的 处理。MDMO-PPV还有望使碳纳米管彼此有效地分离，因而使光学活性半导体纳米管和任何 猝灭金属性纳米管之间的直接电子耦合最小化。在本发明人的实验中，碳纳米管首先被半导体性聚合物即聚[2-甲氧基-5-(3’， 7’-二甲基辛氧基)-1，4_苯撑乙烯撑](MDMO-PPV)包裹。使用直径为0. 7-1. Inm不等的高 压一氧化碳(HiPCO)生长纳米管，这是因为要确保光谱响应率扩展到1400nm的波长。通过 离心处理纯化MDMO-PPV包裹的纳米管以便除去纳米管的集束和不溶物。在惰性氮气氛围 中通过刮板涂覆将聚合物-纳米管混合物铺展在热的涂覆氧化铟锡(ITO)的玻璃衬底上。将C6tl薄膜沉积在聚合物-纳米管混合物的顶部以形成施主-受主界面，接着是IOnm的2， 9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉(BCP)缓冲层，且然后是Ag阴极。在优选实施方案 中，通过VTE沉积C6tl。图8显示了本发明人关于[84]PCBM的实验结果，该实验结果证实由图6中描述的 能级引起的理论猝灭是相对准确的。图8中显示的数据得自于由甲苯溶液刮涂的厚膜。含 有PFO和CNT的该膜是对于加入富勒烯添加剂的作用的参照。加入[84]PCBM完全猝灭了 所有纳米管在所探测的波长(当在650nm激发时为950-1350nm)中的发光，从而表明[84] PCBM能级比LUMO减去激子结合能更深，并且导致CNT中激子的有效分裂。这表明[84]PCBM 是使CNT上的激子分裂的有效材料。因此，[84]PCBM是待与用作光电导材料的基本上半导 体性PW-CNT结合使用的有效的电子受主材料。参照图9A-9D，描述了图9A中所示的具有1 1重量比的MDMO-PPV与纳米管的 PW-CNT/C6(1异质结二极管的电流-电压特性(图9B)和光谱分辨的光响应率(图9C)。在图 9A中提供了器件中层的厚度。二极管在黑暗条件下具有大于4个数量级的整流比(图9B)。 正偏压电流-电压特性遵循肖特基二极管方程，具有2. 5的二极管理想度因子和120 Ω的 串联电阻。参照图9C，将二极管在OV偏压(绘线92)和-0. 5V偏压(绘线93)的近顶响 应率与胆酸钠在去离子H2O的表面活性剂水溶液中的分离半导体性CNT的吸收光谱(绘线 94)进行了对比。光响应率从溶液吸收光谱红移约40meV，但是遵循相同的形状。该器件在 1155nm于OV (绘线92)和-0. 5V (绘线93)偏压下的峰值光响应率分别是约10和17mA/W。 相比之下，没有碳纳米管的对照器件的响应率在近红外内不可测得(< 0. 1 μ A/ff)。图9D是图9A器件的内部量子效率(IQE)的坐标图。(参见实线95)。IQE是器件 在-0. 5V偏压下的光响应率(图9C中的绘线93)与PW-CNT的近顶吸收率(图9D中的虚 线97)的比率。PW-CNT的近顶吸收率(虚线97)通过如下方式来量化测量器件的光谱分 辨的反射率并然后减去由ITO引起的吸收。正如所示，近顶中的峰值IQE在1000-1350nm 的宽光谱范围内超过约20%。很大的IQE表示器件中存在有利的激子离解机制。为验证我们的器件中活性/分离界面是PW_CNT/C6(i界面的假设，本发明人制备两 种对照器件构造，其中PW-CNT/C6(1界面被破坏。图IOB和IOC中显示了这些结构的示意性能 量图。在图IOB中所示的第一对照器件构造中，将40nm亚酞菁(SubPc)层14插入PW-CNT 层11和C6tl层13之间以破坏PW-CNT/C6(1界面。SubPc的HOMO和LUMO能量类似于MDMO-PPV 中的那些。制备第二对照器件构造以就MDMO-PPV包裹碳纳米管层内的激子离解本身进行 试验。在该构造中，除去C6tl层13并且将PFO 15缓冲层作为空穴传输层插入ITO和PW-CNT 层11之间以防止纳米管直接桥接阳极和阴极。图IOC中显示了第二对照器件构造的相应 能量图。在任一个对照器件(响应率< 0. 1 μ A/ff)中没有观测到源自PW-CNT的近顶响应 率,这表明在PW-CNT/ITO、Pff-CNT/SubPc和PW-CNT/MDM0-PPV界面处用于激子离解的驱动 力不足。响应近红外照射的可测量光电流仅在PW-CNT/C6(i界面保持完好时观测到。图10A-10C显示出各种有机半导体和(8，4)半导体性PW-CNT之间所预期的能量 排布。(8，4)纳米管具有0. 84nm的直径并且在1155nm下于聚合物基质中具有预期的光学带 PIC。由 Spataru ·，Excitonic effects and optical spectra of single-walled carbon nanotubes, Physical Review Letters 92 (7M2004)，和 Perebeinos 等的纳米管电子带15结构，Scaling of excitons in carbon nanotubes, Physical Review Letters 92(25) (2004)，以及 Barone 等白勺功函，Screened exchange hybrid density-functional study of the work function of pristine and doped single-walled carbon nanotubes, Journalof Chemical Physics 124(2) (2006)的基本原理计算来确定纳米管的电子亲和势 (EA)和电离电势(IP)。C6tl电子结构的基本原理计算显示了纳米管的EA和C6tl的LUMO之 间OJeV的偏移(参见图IOA和10B)是所预期的。为了对比，在相对电介质电容率为3. 5 的(8，4)半导体性PW-CNT中的激子结合能据预期为0. leV。因此，能量偏移应该足以导致 激子离解并将电荷从碳纳米管传递到C6tl。相反地，不应该预期到在MDMO-PPV和碳纳米管的界面处的激子离解。而是，预期 这两种材料形成跨式I型异质结，其中碳纳米管的IP和EA均位于MDMO-PPV的Η0Μ0和LUMO 能级内。MDMO-PPV和碳纳米管之间存在跨式I型异质结在实验上得到光致发光光谱法的支 持，其中在响应聚合物吸收带的直接光学激子的纳米管光学带隙处观测到来自聚合物包裹 半导体碳纳米管的强的光致发光。上述平面异质结可通过将有机半导体的薄膜直接沉积在CNT渗透网络的顶部上 来形成。可以任选添加电子传输和/或激子阻挡层140A，接着沉积阴极层150A，以产生图 IA中所示的光伏器件构造100A。或者，可将CNT的薄膜压印到沉积在阳极上的有机施主材 料的薄膜上。沉积任选的电子传输和/或激子阻挡层140B，接着是阴极层150B，产生图IB 中所示的光伏器件构造100B。CNT渗透网络的薄膜可通过直接生长，通过穿过多孔膜的真空过滤、基于喷涂的沉 积方案、旋涂、逐层沉积方法、介电泳和蒸发来制备。图2A-2B显示了用于光伏器件200A和200B的两个混杂平面-本体异质结实施方 案。参照图2A，光伏器件200A包含导电阳极层210A和本体异质结层220A，该本体异质结层 220A包含位于在阳极层210A上方形成的有机电子施主材料内的聚合物包裹的碳纳米管。 电子受主层230A形成在本体异质结层220A上方并且导电阴极层250A形成在电子受主层 230A上方。本体异质结层220A和电子受主层230A形成器件200A的光活性区域222A。或 者，层220A和230A可经配置从而使层220A中的聚合物包裹的碳纳米管和层230A的电子 受主材料形成本体异质结。用于形成本体异质结层220A的合适有机半导体施主材料包括但不限于 BTEM-PPV (聚(2，5-双(1，4，7，10-四氧杂i^一烷基)_1，4-苯撑乙烯撑)，聚(3-癸氧基噻 吩)，CuPc(酞菁铜)，NPD(4，4’ -双(N-(l-萘基)苯氨基)联苯)，并五苯，并四苯等。用 于电子受主层230Α的合适有机半导体包括但不限于C6Q，[84]PCBM([6，6]-苯基C84 丁酸甲 基酯)，F16-CuPc, PTCBI (3,4,9,10 四羧酸二苯并咪唑)，PTCDA (3,4,9,10 四羧酸二酐)，或 聚(苯并咪唑苯并菲咯啉)，TCNQ(7，7，8，8-四氰醌二甲烷)，F4-TCNQ(四氟四氰醌二甲烷)等。参照图2B，光伏器件实施方案200B包含导电阳极层210B和形成在阳极层210B 上方的电子施主层220B。包含聚合物包裹的碳纳米管的本体异质结层230B位于形成在施 主层220B上方的有机电子受主材料内，并且导电阴极层250B形成在本体异质结层230B上 方。本体异质结层230B和电子施主层220B形成器件200B的光活性区域222B。用于形成本体异质结层230B的合适有机半导体受主材料包括但不限于C6Q，[84]PCBM([6，6]-苯基 C84 丁酸甲基酯)，F16-CuPc, PTCBI (3，4，9，10 四羧酸二苯并咪唑)， PTCDA (3，4，9，10四羧酸二酐)，或聚(苯并咪唑苯并菲咯啉)，TCNQ (7，7，8，8-四氰醌二甲 烷)，F4-TCNQ(四氟四氰醌二甲烷)等。用于电子施主层220B的合适有机半导体包括但不 限于=BTEM-PPV (聚(2，5-双(1，4，7，10-四氧杂i^一烷基)_1，4-苯撑乙烯撑)，聚(3-癸 氧基噻吩)，CuPc(酞菁铜)，NPD(4，4’ -双(N-(l-萘基)苯氨基)联苯)，并五苯，并四苯寸。根据图2C中描述的另一个实施方案200C，光活性区域222C中的电子受主层230C 和电子施主层220C 二者可以是包含聚合物包裹的碳纳米管和各自的受主型或施主型有机 半导体材料的本体异质结。在图2D中，显示了根据另一个实施方案的本体异质结PV器件200D。器件200D包 含导电阳极层210D、导电阴极层250D和提供在所述两个电极之间并且与它们电连接的本 体异质结层220D。该本体异质结层220D包含位于有机半导体材料内的聚合物包裹的碳纳 米管，所述有机半导体材料可以是本文公开的有机电子受主材料或电子施主材料。在该实 施方案中，本体异质结层220D形成器件200D的光活性区域。任选地，可在该器件中提供一 个或多个激子阻挡层。可在阳极层210D和本体异质结层220D之间提供激子阻挡层215D。 可在阴极层250D和本体异质结层220D之间提供另一个激子阻挡层240D，要么与第一激子 阻挡层215D结合要么独立于第一激子阻挡层215D。在器件200A、200B、200C和200D中，优选地，聚合物包裹的碳纳米管基本上是半导 体性PW-SWNT。可在光活性区222A、222B、222C和阴极层250A、250B、250C之间分别提供任 选的激子阻挡层240A、M0B、240C。另外，可在光活性区222A、222B、222C和阳极层210A、 210B、210C之间分别提供任选的激子阻挡层215A，215B，215C。阳极平滑层还可以位于阳极 和施主之间。图3A-;3B显示了用于光伏器件300A和300B的其它混杂平面-本体异质结实施方 案。参照图3A，光伏器件实施方案300A包含导电阳极层310A、形成在阳极层310A上方作 为电子施主层320A的聚合物包裹的碳纳米管薄膜，和本体异质结层325A，该本体异质结层 325A包含位于形成在施主层320A上方的有机电子受主材料内的聚合物包裹的碳纳米管。 电子受主层330A形成在本体异质结层325A上方，并且导电阴极层350A形成在受主层330A 上方。电子施主层320A、本体异质结层325A和电子受主层330A形成器件300A的光活性区 域 322A。用于形成本体异质结层325A和电子受主层330A的合适有机半导体受主材料与结 合图IA的实施方案所讨论的那些相同。参照图3B，光伏器件实施方案300B包含导电阳极层310B、在阳极层310B上方形 成的电子施主层320B和本体异质结层325B，该本体异质结层325B包含位于形成在施主层 320B上方的有机电子施主材料内的聚合物包裹的碳纳米管。作为电子受主层330B的聚合 物包裹的碳纳米管薄膜形成在本体异质结层325B上方，并且导电阴极层350B形成在本体 异质结层325B上方。电子施主层320B、本体异质结层325B和电子受主层330B形成器件 300B的光活性区域322B。如在实施方案300A中，用于形成本体异质结层325B的合适的有机半导体受主材 料与结合图IA的实施方案所讨论的那些相同。用于电子施主层320B的可能有机半导体材料与结合图IB的实施方案所讨论的那些相同。在两个实施方案300A和300B中，本体异质结层325A和325B可通过沉积有机半 导体材料和聚合物包裹的碳纳米管两者的混合膜，或者通过将有机半导体气相沉积到聚合 物包裹的碳纳米管的薄垫上来形成。然后可以将该本体异质结层夹在聚合物包裹的碳纳米 管(320A、320B)层和有机半导体(330A、330B)层之间。在两个实施方案300A和300B中，优选地，聚合物包裹的碳纳米管是基本上半导体 性PW-SWNT。可将任选的激子阻挡层340A、340B分别连接在光活性区322A、322B和阴极层 350A、350B之间。另外，可将任选的激子阻挡层315A、315B分别连接在光活性区322A、322B 和阳极层310A、310B之间。阳极平滑层还可以位于阳极和施主之间。本文讨论的小分子有机半导体可通过真空热蒸发(VTE)、有机气相沉积(OVPD)或 者借助基于溶液的处理方法进行沉积。取决于背景生长压力、衬底温度、生长速率、有机半 导体的分子结构和衬底的粗糙度，可获得结晶顺序的各种形态和程度，这影响电荷传输和 界面形态。在其中将有机半导体沉积直接在CNT的渗透网络上的情形中，可以使用CNT网 络的固有粗糙度来促使粗糙度所致的结晶化或结晶生长以便改善器件特性。一种用于将碳纳米管通过它们的带隙、直径和电子-类型进行分选的技术(目 前用于有机半导体-半导体性CNT异质结光伏太阳能电池的制造)是密度梯度超速离心 法(DGU) (M. S. Arnold, A. A. Green, J. F. Hulvat 等人，Nature Nanotech. 1 (1)，60 (2006)； Μ· S. Arnold，S. I. Stupp，和 Μ· C. Hersam，Nano Letters 5 (4), 713 (2005)) 使用 DGU，可容 易地产生高达99%单一电子类型(半导体性或金属性)的大量样品(克级)。此外，也可 使用DGU对SWNT通过它们的直径、光学带隙和电学带隙进行分选。可通过若干本领域已知的方法将纳米管的网络引入到基质中，所述方法包括 但不限于基质材料的气相沉积和聚合物-纳米管共混物的旋涂。(参见例如美国专利 No. 7，341，774，将其内容和其中的参考文献通过引用并入本文)如上文所讨论的，碳纳米管的性能受该碳纳米管的直径和其手性影响。这描述于 图11A-11D中，其中显示了图IlA的PW-CNT/C6(1异质结二极管400的电流-电压特性和光 谱分辨的光响应。所述二极管400包含ITO阳极层410、PW-CNT层420、C6(1受主层430和任 选的BCP激子阻挡层440以及Ag阴极450。在图IlA中提供了这些层的厚度。PW-CNT用 MDMO-PPV聚合物以1 1重量比包裹，并且PW-CNT/C6Q界面形成异质结。所述二极管400 在士 IV下具有> IO3的暗电流整流比(参见图11B)，若PW-CNT层420由高密度的金属性 管构成则这特别显著，所述高密度的金属性管的存在将预期导致大的分路电流。不存在来 自金属性管的这种寄生效应暗示着它们通过包裹聚合物的确在电方面和能量方面与半导 体性管隔离。参照图11B，正向偏压电流-电压特性的拟合(实线)符合具有2. 0理想因子和 0. 99 Ω-cm2比串联电阻的理想的二极管方程。此处，理想因子 2暗示着载流子复合是暗 电流的主要来源，考虑到高密度的金属性管时这再次是显著的，所述高密度的金属性管应 该导致明显的分路电流(和因此的电阻限制的传输)。在图IlC中对比了二极管在OV和-0.7V下的近顶响应率。因为纳米管的直径不 均勻性，在Ε11(λ ^ 900-1450nm)和E22 ( λ ^ 550-900nm)两个吸收特征的宽范围中观测 到光活性响应，在λ = 500nm处具有峰值聚合物响应。将引起每个吸收特征的纳米管手性18指标(n，m)标记在图IlC中，同样标记出器件的聚合物和小分子组分的吸收区。非常宽的 光谱覆盖范围是SWNT的直径多分散性的直接结果，其共同覆盖从550nm至ieOOnm的光谱。参照图11C，相应于峰值EQE = 2. 3%，在OV和-0. 7V的偏压下于λ = lM5nm处 的二极管响应率分别为12mA/W和21mA/W。在λ = 1300nm时，检测器响应率分别为11和 21mA/ff(EQE = 2.0%),而缺乏CNT的器件在这些波长下的响应不可测得(< 0. 1 μ A/ff)。 SWNT在近IR中的IQE (图11D)在λ = 1000和λ = 1400之间为> 20%，暗示着应该可 获得具有高很多的EQE的SWNT基器件。实施例I.材料使用Arnold等，Nature Nanotech, 1 :60-65 (2006)的方法，使用密度梯度超速离 心法来分离半导体性CNT。通过超声处理将商购的CNT粉末悬浮在具有1 4的十二烷基 硫酸钠和胆酸钠表面活性剂)的混合物的水中。然后将纳米管悬浮液加载到碘克沙 醇(Iodixanol)线性密度梯度上并离心以通过浮力密度分选纳米管。在密度梯度分级后， 通过在表面活性剂溶液中的渗析除去碘克沙醇。合适的有机半导体是本领域公知的，并可 从许多供应商处商购。II.具有近红外敏感性的平面异质结将直径在0. 7-1. Inm范围内的原始HiPCO单壁碳纳米管(来自Carbon Nanotechnologies Inc.) (IOmg)与 10ml 2% (w/v)胆酸钠(Sigma-Aldrich,995)在水中进 行混合。使用喇叭形探头超声发生器将该混合物在超声波槽中均化15分钟。然后通过超 速离心法(15，000g，12小时)除去单壁碳纳米管的粗聚集体和大的集束。通过在Al2O3膜 片(0. 02 μ m孔隙，Whatman Inc.)上的真空过滤来过滤所得悬浮液的等分部分(100 μ 1)。 然后通过用手指压力将PDMS按压到膜片中而将纳米管膜转印到平面PDMS压模。然后在 Ag-涂覆的ITO (氧化铟锡)上将所述纳米管膜压印(1000N-Cm_2，60S，室温，环境气氛)到 由IOOnm PTCDA(3，4，9，10-茈四羧酸二酐)构成的衬底上。通过VTE在1E-7托真空中以 0. 15nm/s的速率沉积PTCDA和Ag。在环境中进行测试，并且使用疝气灯加上AMI. 5G滤光 器来模拟太阳光谱。使用校准的光学二极管来确定光强度。通过将金接触垫按压到SWNT网络的表面上并且施加电压来获得所得器件的电流 密度-电压曲线(图4)。图5的χ-轴的电势表示碳纳米管膜相对于ΙΤΟ/Ag电极的电势。 在黑暗中，该器件显示出典型的二极管行为，但是当用模拟的近红外日光辐射(AM1.5G光 谱，通过具有950nm截止点的介电长光程滤光器过滤)照射时，观测到光电(即光伏或光检 测)效应(图5)。IV.本体异质结在一个实施方案中，将基本上半导体性或混合SWNT的层通过PDMS压印转印到透 明阳极上。基本上半导体性的SWNT在有机受主溶液中的悬浮液旋敷到SWNT层上。然后沉 积受主层以及任选的电子传输和/或激子阻挡层，接着是阴极层。在另一个实施方案中，将有机施主层沉积到阳极衬底上，将基本上半导体性SWNT 在有机受主的溶液中的悬浮液旋敷到该施主层上。通过PDMS压印施加基本上半导体性或 混合SWNT的层，接着沉积任选的电子传输和/或激子阻挡层。然后沉积阴极层。
如上文所讨论的，可通过使碳纳米管与有机受主即C6tl邻接而使所述碳纳米管中 的激子分裂，并且在1150nm下观测到高至约44%的内部量子效率。(见图9D)。预期通过 使用具有较大直径的碳纳米管可将碳纳米管/有机杂化光伏器件的光谱范围进一步扩展 到近IR中。根据本发明的另一个实施方案，本文公开的具有PW-CNT基光活性区域的光伏器 件的近顶性能可得到进一步改善。例如，可管控光场并且提高PW-CNT基光活性区域中的 吸收以及降低ITO阳极中的吸收。这是有益的，因为在近红外范围中(> 1000nm)IT0通常 呈部分吸收性。光伏器件在不同波长下的敏感性可通过沉积约35nm的薄C6tl受主缓冲层进 行调节。该薄C6tl受主层缓冲层消除了 CNT和金属Ag阴极接触部之间短接的可能，因此降 低了暗(泄露)电流。另外，通过改变C6tl的厚度，可通过改变Ag阴极和PW-CNT基光活性 区域之间的距离而调节光场。因此，C6tl的厚度决定PW-CNT薄层是否处于光学最大值、最小 值或其间某处。因为PW-CNT基光活性区域和ITO均在近顶中吸收并且彼此非常接近，控制C6tl 层的厚度以使光场最大值位于PW-CNT层或C6tl而不是ITO中。本发明人发现，对于直径为 0. 7-1. Inm的HiPCO CNT, 100_150nm是使近顶光场最大值位于PW-CNT层中的理想C6tl厚 度。这将根据目标波长而改变。较厚的C6tl层使光场位于PW-CNT层而不是ITO中。参考图9A中所示PW-CNT基光 伏器件90的一般构造，C6tl受主层93优选为约100-140nm厚以使近顶光场中的峰移动到 PW-CNT基光活性层92中。图12A-12D显示了具有4种不同C6tl厚度的模拟光伏器件构造 的计算光场图。在所有4种模拟结构中，ITO层为140nm厚，PW-CNT基光活性层为50nm厚， BCP激子阻挡层为IOnm厚和Ag阴极层为IOOnm厚。C6tl层厚度为35nm(图12A)，70nm(图 12B)，105nm(图 12C)和 140nm(图 12D)。图 12A-12D 中的竖直虚线表示 ITO、Pff-CNT 基光 活性层、C6(l/BCP*iVg阴极接触部这些层之间的分界线。对于35nm C6tl近顶光场的强度据 显示处在ITO中，然而对于104nm和140nm则主要在PW-CNT基光活性层中。图13显示了具有不同C6tl受主厚度的光伏器件90的响应率。联系图12A-12D的 光场图，对于70nm、105nm和140nm的C6tl厚度，响应率得到提高。对于与图12A-12D关联 的 100或140nm的C6tl厚度，在较长波长下观测到最高EQE。在所描述的实施例中，关于 PW-CNT基光活性层，使用C6tl作为受主材料，但是可使用具有类似于C6tl的合适LUMO能级的 有机材料。一些实例是LUMO为-4. OeV的PTCBI (3,4,9,10四羧酸二苯并咪唑)；[84] LUMO 为-4. IeV 的 PCBM ([6，6]-苯基 C84 丁酸甲基酯)；LUMO 为-4. 4eV 的 F16-CuPc ；LUMO 为-4. OeV 的PTCBI (3,4,9,10茈四羧酸二苯并咪唑)；LUMO为-4. 7eV的PTCDA (3,4,9,10茈四羧酸二 酐)；LUMO为-4. 5eV的聚(苯并咪唑苯并菲咯啉)；LUMO为3. 9eV的TCNQ (7，7，8，8-四氰 醌二甲烷)；等等。与所用C6tl受主层93的厚度无关，在大致700nm与IOOOnm之间PW-CNT基光活性 层92的响应率方面的缺口(hole)需要进行改善。图IlC中显示了响应率中的这种缺口， 其中显示了图IlA的PW-CNT/C6(1异质结二极管400的光谱分辨的光响应。参照图13，注意 到在^2范围(λ ^ 550-900nm)中的响应率比E11范围(λ ^ 900-1450nm)中的响应率低 很多，部分是因为降低的^2峰吸收率。吸收的缺乏导致该缺口，因为在该能量范围中具有 E11或^跃迁的纳米管数目减少从而产生具有降低的响应率和检测率的区域。在700nm与20IOOOnm之间响应率的这种缺口并非是由光场引起。对于所有C6tl厚度，看到在 900nm附 近的低响应率，即使当光场在那些波长(即35nm或70nm的Cj本应大时亦然。所述缺口，即PW-CNT基光活性层92的响应率降低的区域，可通过在PW-CNT基施 主层和受主层之间提供附加的有机光活性材料层进行填充，其中所述附加的有机光活性材 料在光活性器件中可充可相对于受主材料充当第二施主材料和/或相对于PW-CNT基施主 材料充当第二受主。这种附加的有机光活性材料可以是在其中存在PW-CNT基光活性层92 的响应率缺口的波长范围中具有适当能级和吸收的小分子物质或聚合物。在优选实施方案 中，所述附加的有机光活性材料层可以是跨600nm-900nm的波长段优选具有至少^lO4cnT1 的吸收系数的小分子物质或聚合物。第一施主材料层(即PW-CNT基施主材料)，附加的有 机光活性材料层和受主材料层中的每一个可以具有不同的吸收光谱。在图14A中所示的优选实施方案中，可以在PW-CNT基施主层和C6tl受主层之间提 供附加的有机光活性材料层980作为具有从中穿过的开孔1001的整体层。在该实施方案 中，Pff-CNT基施主层通过开孔1001与C6tl受主层直接接触。或者，可在PW-CNT基施主层 和C6tl受主层之间以具有多个岛状物1002的不连续层的形式提供附加的有机光活性材料层 980，所述岛状物包含附加的有机光活性材料。在该情形中，PW-CNT基施主层与介于岛状物 1002之间的C6tl受主层直接接触。在任一种情形中，除PW-CNT/C6(i施主-受主异质结外，附 加的有机光活性材料层形成附加的(新的有机光活性材料)/C6tl施主-受主异质结。此外，附加的有机光活性材料层的形态可以是所描述的两种类型的结合。换言之， 附加的有机光活性材料层可以具有为带有从中穿过的开孔的整体层的区域，也可以具有带 有多个岛状物的不连续区域。此外，附加的有机光活性材料层可包含第二施主材料和C6tl受 主材料的混合物。在这两种材料共沉积以提供本体异质结区域从而增强激子的离解时这两 种材料可在分子水平上混合和/或以小聚集体混合。通过OVPD形成本体异质结的方法实 施描述于2008年5月22日公布的美国专利申请公开号2008/0116536中，通过引用将其公 开内容整体并入本文。参照图15A的能量图，在其中附加的有机光活性材料层980充当相对于C6tl受主层 982的施主的实施方案中，所述附加有机光活性材料的HOMO优选比PW-CNT基施主材料的 HOMO高至多0. 16eV (如Δ E1所示)，并且所述附加有机光活性材料的带隙优选小于PW-CNT 基施主材料984的带隙。所述附加有机光活性材料可以具有小于lX10_9cm7Vs的空穴迁移率。参照图15B的能量图，在其中附加的有机光活性材料层980充当相对于PW-CNT基 施主层984的受主的实施方案中，所述附加有机光活性材料的LUMO优选比C6tl受主的LUMO 低至多0. 16eV (如Δ氏所示)，并且所述附加有机光活性材料的带隙优选小于C6tl受主材料 982的带隙。参照图15C的能量图，在另一个实施方案中，可在PW-CNT基施主层984和受主层 982之间提供多个附加的有机光活性材料层(例如980a、980b、980c、980d)。在该实例中， 层980a和980b表示充当相对于受主982的施主的第一和第二附加有机光活性材料，而层 980c和980d表示充当相对于PW-CNT基施主984的受主的第三和第四附加有机光活性材料 层。优选地，为避免电荷载流子俘获第一附加有机光活性施主层980a的HOMO比PW-CNT 基施主层984的HOMO高至多^T(如AElil所示)；第二附加有机光活性施主层980b的HOMO比第一附加有机光活性施主层980a的HOMO高至多5kT (如Δ Elj2所示)；第三附加光 活性受主层980c的LUMO比第四附加光活性受主层980d的LUMO低至多^T (如A^a所 示)；以及第四附加光活性受主层980d的LUMO比受主层982的LUMO低至多^T (如Δ E2, 2所示)ο可充当相对于C6tl受主的施主的附加的有机光活性材料层980所用的小分子物 质的实例包括锡(II)酞菁(SnPc)和酞菁铅(PbPc)。例如，据显示SnPc可通过单体吸收 和集合体吸收的结合将光谱响应扩展贯穿该波长区域(600nm-900nm)，在SnPc/C6(1界面 具有快速且有效的激子离解。见 Yang，F.，Lunt, R. R.，和 Forrest, S. R.，Simultaneous heterojunction organic solar cells with broad spectral sensitivity, Appl. Phys. Lett. 92(5) (2008)，通过引用将其公开内容并入本文。如能级图16A中所示，对于根据本发明实施方案的光活性器件，SnPc是充当相对 于C6tl受主的施主的适宜附加有机光活性材料，这是因为Η0Μ0能级几乎与施主层中的CNT 对齐，并且能够以上文讨论的所需形态生长SnPc层，即形成具有多个开孔的整体层和/或 包含SnPc岛状物的不连续层。可通过0VPD、VTE、喷墨印制、蒸气喷印、刮涂或其它合适方 法将SnPc沉积在表面上。这允许受主C6tl过度生长并且观测到来自PW-CNT/C6(1施主-受主 异质结界面和SnPc/C6(1施主-受主异质结界面的响应率。SnPc层提供了与SnPc 二聚物有 关的在900nm的吸收峰。或者，SnPc可与C6tl —起共沉积产生与SnPc单体吸收有关的在 750nm的峰。图16B显示了(a)在熔凝石英衬底上生长的CuPc、C60和SnPc膜的吸收系数α ； 以及(b) ITO/CuPc (15nm) /SnPc (tSnPc) /C60 (40nm) /BCP/Ag 太阳能电池就不同 SnPc 厚度在目 标光谱范围即700-1000nm范围的外部量子效率(EQE)即nEQE。图17A显示了根据本发明实施方案的改进光活性器件构造500A，该结构纳入SnPc 的纯层527A作为用作相对于受主的施主的附加的有机光活性材料层。光活性器件500A包 含阳极层510A，阴极接触部550A和位于阳极层510A和阴极接触部550A之间并与它们电连 接的光活性区域520A。在一个优选的实施方案中，阳极层510A由透明的金属替代物例如 ITO形成，阴极接触部550A由Ag形成。光活性区域520A包含在ITO层510A上方形成的第一施主材料层525A和在第一 施主材料层525A上方形成的受主材料层530A。第一施主材料层525A包含含有PW-CNT的 材料。相对于受主材料层530A用作第二施主材料的SnPc薄层527A(5nm厚)位于第一施 主材料层525A和受主材料层530A之间。如上文所讨论的，在该实施方案中的SnPc第二施 主材料层527A是包含岛状物的不连续层和/或具有多个开孔的整体层，其允许第一施主材 料层525A中的PW-CNT与受主材料层530A直接接触，因此形成两个平行的施主_受主异质 结界面。优选地，受主材料层530A由厚度为约100-150nm的C6tl形成。优选地，受主材料层 530A是150nm厚的C6tl层。可通过0VPD、VTE、喷墨印制、蒸气喷印、刮涂或其它合适的方法 沉积C6(1。在一个优选的实施方案中，通过VTE沉积C6(1。含有PW-CNT的材料层525A可通过下述方式形成将HiPCOCNT (0. 1% wt. /vol.) 放入包裹性聚合物MDMO-PPV在氯苯溶剂中的溶液(0. 312% wt. /vol.)、然后使用高功率喇 叭形超声发生器分离CNT(持续30分钟)并且以14，OOOg离心处理5小时以除去集束、聚 结体和催化剂颗粒。然后将PW-CNT溶解在PCBM中(1. 2% wt. /vol.)并通过在惰性氮气氛围中刮板涂覆铺展在热的涂覆ITO的玻璃衬底上。图17B和17C分别显示了光活性器件500A的响应率和比检测率D*的坐标 图。在每个坐标图中确定出与SnPc 二聚物有关的在900nm的峰。比检测率DM吏用=[cm· ζ^ΜΓ1]计算，其中是以安培/瓦特计的器件响应率，A是以cm2计sNm的面积，、是以Α·ΗΖ-"2计的电流谱噪声密度，其中5V2是所有噪声功率(例如热噪声、 散粒噪声和过量噪声)的总和。在零偏压下，热(Johnson-Nyquist)噪声占主要，给出 St =^jAk13TIRd [Α·Ηζ1Λ]，其中kB是玻尔兹曼常数，T是温度，Rd是二极管的零偏压微分电 阻。图18A显示了根据另一个实施方案的改进光活性器件构造500B，其中附加的有机 光活性材料层527B包含共沉积的第二施主材料和受主材料C6(l。光活性器件500B包含ITO 阳极层510B，任选的在ITO阳极层510B上方形成的EBL 515B，在EBL 515B上方形成的光 活性区域520B，任选的在光活性区域520B上方形成的EBL 540B (IOnm厚)，和Ag阴极接触 部550B。所述EBL 540B可由BCP材料制成。光活性区域520B包含在ITO层510B上方形成的第一施主材料层525B，和在第一 施主材料层525B上方形成的受主材料层530B (约100-150nm的C6tl)。第一施主材料层525B 包含含有PW-CNT的材料。位于含有PW-CNT的材料层525B和受主材料层530B之间的是通 过使第二施主材料与所述受主材料一起共沉积形成的附加的有机光活性材料层527B。在该 实例中，第二施主材料是SnPc，受主材料是C6tl并且所得层527B为约IOnm厚。共沉积的SnPc+C6(1层527B不是所述两种材料的均勻混合物，SnPc和C6tl形成本体 异质结，使得有利地存在可进行激子离解的大体积。然而，这样的层与纯施主材料层或纯受 主材料层相比可以具有较低的电导率，较低的电导率对于促进光活性器件中的光电流是不 期望的。较厚的层加剧了电导率问题，因此如果需要合理的电导率则对这样的施主+受主 层可以具有的厚度存在限制。共沉积的SnPc+C6(l层527B提供了空间分布的施主_受主界面，该界面对于所有或 多数在附加的有机光活性材料层中产生的光生激子是可到达的。共沉积SnPc+C6(l层527B 中形成的本体异质结由于具有所述两种材料的复域从而可具有多个施主-受主界面。一些 域可以被相反类型材料包围(例如，第二施主材料域被受主材料包围或者受主材料域被第 二施主材料包围)并且可以被电绝缘，使得这些域不有助于光电流。然而，存在足够数目的 通过渗透路径(所述两种材料中每一种的域形成的连续光电流路径)连接的域，使得这些 其它域有助于光电流。SnPc域为空穴传输提供渗透路径并且C6tl区域为电子传输提供渗透 路径。因此，附加的有机光活性材料层527B的优选显微组织包括用于空穴和电子传输通过 附加的有机光活性材料层527B的渗透路径。优选地，路径宽度为5个分子宽或更小，更优 选3个分子宽或更小。光生电荷可以有效地沿着这样的路径传输到达它们各自的电极而与 它们的反电荷显著复合。共沉积的施主和受主材料形成用于有效激子扩散和随后离解的空 间分布施主-受主界面。共沉积SnPc+C6(1层527B中的C6tl提供了从含有PW-CNT的第一施主材料层525B到 受主材料层530B中的C6tl的连续渗透路径，因此，形成了两个并联的异质结(1)在共沉积SnPc+C60层527B中形成的本体异质结，和(2)在含有PW-CNT的第一施主材料层525B与层 527B和530B中的C6tl之间形成的异质结。优选地，受主材料层530B是150nm厚的C6tl层。结果是，在两种实施方案500A和500B中，在第一施主材料层525A、525B与附加的 有机光活性材料层527A、527B之间的界面处第一施主材料(PW-CNT)与受主材料C6tl直接接 触。在两种实施方案中，在SnPc材料的域或区域之间PW-CNT与C6tl接触。附加的有机光活性材料层527B通过在含有PW-CNT的层525B上方共沉积近顶吸 收性SnPc和C6tl来形成。SnPc和C6tl可通过VTE、0VPD、喷墨印制、蒸气喷印、溶液加工或其 它合适的方法进行共沉积。在一个优选实施方案中，SnPc和C6tl材料以1 3(体积，IOnm 总厚度)混合物通过VTE进行共沉积。根据另一个实施方案，如果受主材料层530B由C6tl 以外的合适受主材料形成，含有SnPc的附加的有机光活性材料层527B这时可通过将SnPc 与该受主材料共沉积来形成。图18B和18C分别显示了光活性器件500B的响应率和比检测率的坐标图。在每 个坐标图中确定出与SnPc单体有关的在750nm的峰。如上文所讨论的，还可使用具有与C6tl类似LUMO能级并且在这些波长处的适当吸 收的其它适宜受主材料例如F16-CuPc或PTCBI来替代C6Q。与本发明中讨论的各种实施方案相一致的是，在图2A和3A中所示的实施方案中， 可在受主层和含有PW-CNT的本体异质结层之间提供包含第二施主材料例如SnPc或I^bPc 的有机光活性层。在一个优选实施方案中，可在光活性区520A，520B与它们各自的电极510A、 550A(阳极)和510B、550B(阴极)之间提供任选的EBL0例如，在光活性器件500A中，可 在阳极510A和施主材料层525A之间提供第一任选EBL 515A，在阴极接触部550A和受主 材料层530A之间提供第二任选EBL 540A。提供在阴极侧上的EBL 540AJ40B由具有相对 于受主材料层530A、530B的合适H0M0-LUM0能隙以起到EBL及空穴阻挡物作用的材料例如 BCP形成。阳极侧上EBL的目的是防止激子在ITO阳极层上猝灭并且防止ITO和PW-CNT之 间的电子传输。理想地，ITO-CNT界面可仅具有在CNT价带和ITO之间的空穴传输。但是 CNT导带和ITO之间电子传输的势垒小。在一个优选的实施方案中，在阳极侧上提供的EBL 515A、515B由具有相对于施主材料层525A、525B的合适H0M0-LUM0能隙的材料形成，该材 料起到EBL以及电子阻挡物的作用以减少暗电流且因此提高PW-CNT基光活性器件500A和 500B的比检测率。这样的电子阻挡性EBL可由许多材料形成例如Si02、PF0或NiO，更优选 由NiO形成，这是因为NiO具有 3. 5eV的宽带隙和 5. 4eV的价带能。功函为约5eV从 而使其处于与CNT价带类似的能量而使空穴传输容易并同时防止电子传输。这可降低暗电 流和提高器件的检测率以及改善器件稳定性。图19A显示了作为电子阻挡层材料的S^2 和PFO对电流-电压曲线的影响。图19B显示了响应率和比检测率。电子阻挡层通常降低 响应率，而暗电流的降低足以提高比检测率。因此，在本文所描述的光活性器件的实施方案 中，其中EBL提供在器件的阳极侧上，EBL层可以与电子阻挡性EBL或可以不阻挡激子的电 子阻挡层互换。参照图21A，显示了具有根据另一个实施方案的构造的改进光活性器件600。光活 性器件600包含ITO阳极层610，任选的在ITO阳极层610上方形成的电子阻挡性EBL 615，在电子阻挡性EBL 615上方形成的光活性区域620，任选的在光活性区域620上方形成的 BCP激子阻挡层640 (IOnm厚)，和Ag阴极接触部650。光活性区域620包含在ITO阳极材料层610上方形成的施主材料层和在该施主 材料层上方形成的受主材料层630。如在光活性器件500B中那样，施主材料层包含含有 PW-CNT的层625和位于含有PW-CNT的层625与受主材料C6tl层630之间的附加的有机光活 性材料层627。该附加的有机光活性材料层627包含通过共沉积形成为IOnm厚的膜的SnPc 和C6tl材料两者。受主材料层630由C6tl形成并且为约100-150nm厚。如在光活性器件500B 中那样，形成两个并联的异质结(1)由附加的有机光活性材料层627中的SnPc和C6tl形成 的本体异质结；和⑵在含有PW-CNT的第一施主材料层625与层627和630中的C6tl之间 形成的异质结。附加的有机光活性材料层627通过使近顶吸收性SnPc和C6(l(l 3体积 比，IOnm厚)在含有PW-CNT的层625上方共沉积形成。在该实施例中，PW-CNT包裹有基于 噻吩的聚合物例如P3HT而不是MDMO-PPV。P3HT与CNT的比率为3. 2mg/ml P3HT比lmg/ml CNT。图21B显示了用于本发明器件的各种材料的消光系数。实线700是PW-CNT溶液的消 光系数，虚线710是SnPc,点划线720是C60,双点划线730是P3HT，点线740是MDMO-PPV0图21C显示了图21A器件600的电流-电压坐标图。P3HT基器件的暗电流10、/ cm2比基于MDMO-PPV的器件暗电流低约2个数量级，这可能是由于前者结构中的PW-CNT浓 度降低约50%。此外，对数据的拟合给出相对高的比串联电阻2. 45 Ω-cm2和1.34的理想因 子，这表明具有非常高CNT浓度的器件中普遍存在的渗透分路电流路径在光活性器件600 中显著减少。基于这些暗电流特性，由PW-CNT :P3HT/C60+SnPc形成的光活性区域620在OV的 比检测率(D*)通过假定二极管噪声主要是热起源来进行计算。图21D显示了具有PW-CNT 层的图19A中器件的比检测率(D*)，所述层包含0. 32%包裹性聚合物(P3HT)、0. 1% HiPCO CNT，超声处理并且以14000g离心分离5小时。以IOnm层的共沉积SnPc+C6(1层627(1 3 比率)在经退火的ITO上制备样品，C6tl厚度为lOOnm。光活性器件600在λ < 400nm至 λ = 1450nm 表现出 D* > 10lclcm Hz 17V10 λ < 600nm、λ = 600nm_950nm 禾口 λ > 950nm 范围内的响应主要是因为分别存在C6tl和P3HT、SnPc和PW-CNT。在λ > 1450nm处响应率 显著降低，这是由于缺乏相应于 1. Inm处CNT直径范围高端值的吸收。本发明人尚不知道D*扩展超过λ = IOOOnm并且在λ > 1200nm具有明显响应 率的有机光活性器件。最后，需要合适的ITO材料。商业ITO在高于IOOOnm的波长时典型地具有逐渐提 高的吸收，这是因为关于在可见光波长的用途对其进行优化。这在本发明的近顶光活性器 件中是不期望的，因为含有CNT的层必须具有大的光场以使吸收最大化以及因为ITO直接 邻近含有CNT的层，难以对光场进行调节以使得该光场在ITO中低而在相邻的含有CNT的 层中大。本发明人发现通过在空气中对ITO进行退火以降低载流子浓度(这提高引起ITO 吸收的等离子体振子的波长)可降低在高于IOOOnm波长时的吸收率。通过在约250-400°C、 优选在约300°C于空气中将ITO退火低至10分钟和高至30分钟，如图20中所示，可调节 吸收分布使得关于近顶响应对其进行优化。吸收是由等离子体振子吸收引起且因此吸收 能量与载流子浓度的平方根有关。空气中的温和退火降低ITO载流子浓度并且提高等离子 体振子共振的波长。图20显示了购得状态的商业ITO在300°C于空气中退火15分钟和30分钟后的吸收。在其它实施方案中，其它透明电极材料例如透明聚合物电极材料可用于光活性器 件的阳极。可在光活性器件中用作空穴-注入阳极的透明导电聚合物的一些实例是聚苯胺 (PAni)和聚乙烯二氧噻吩(PEDT)。这些聚合物可例如掺杂有合适的导电聚合物例如聚苯 乙烯磺酸(PSQ来使用。总之，证明了利用异质材料系统的光活性器件，所述系统由PW-CNT基物质与真空 热蒸发沉积的分子SnPc和C6tl—起构成。所得光活性器件具有扩展到λ = 1450nm的响 应，在λ = 1155nm处具有峰值EQE = 2.3%。预期到的是，通过使用具有较小光学带隙的 较大直径碳纳米管，可实现将光谱响应率扩展到接近λ = 2000nm。碳纳米管、有机聚合物 和小分子量有机半导体的组合为实现一系列适用于崭新光电子应用范围的半导体器件提 供了潜力。特别地，半导体性CNT(其具有宽的光谱吸收、在周围环境中的化学稳定性和优 异的电荷传输特性)具有用于可溶液加工、高效率光活性器件例如光伏电池和光电检测器 的潜力。实际上，由纳米管的直径多分散膜产生的非常宽的光谱覆盖范围明显背离常规有 机光伏器件相对窄的激子吸收线(这导致常规有机光伏器件在特征上具有低的功率转化 效率)。在利用由PW-CNT与真空沉积的小分子物质例如SnPc和C6tl —起构成的异质材料 系统的光活性器件中，PW-CNT优选是基本上半导体性PW-CNT，更优选其中CNT是SWNT。本文所描述的包括第二施主材料层(在光活性区域中，例如含有SnPc的层)、电子 和激子阻挡层以及改进的ITO电极的光活性器件实施方案，在400-1450nm的光谱范围中具 有提高的宽带光响应率，通过利用SnPc提供了在λ = 600和950nm之间的光响应率改善。虽然关于具体实例和优选实施方案描述了本发明，但是应当理解，本发明不局限 于这些实例和实施方案。因此，请求保护的本发明包括对于本领域技术人员而言明显的本 文所描述具体实例和优选实施方案的变化形式。2权利要求
1.一种器件，该器件包含 第一电极；第二电极；位于第一电极和第二电极之间并且与它们电连接的光活性区域，该光活性区域包含 第一有机光活性层，其含有形成在第一电极上方的第一施主材料，其中所述第一施主 材料含有光活性聚合物包裹的碳纳米管；第二有机光活性层，其含有形成在第一有机光活性材料层上方的第一受主材料；和 位于第一有机光活性材料层和第二有机光活性材料层之间的一个或多个附加的有机 光活性材料层，其中所述附加的有机光活性材料层相对于第一受主材料充当施主或相对于 第一施主材料充当受主。
2.权利要求1的器件，其中所述一个或多个附加的有机光活性材料层包含具有多个从 中穿过的开孔的整体层。
3.权利要求2的器件，其中所述第一有机光活性材料层与第二有机光活性材料层通过 所述开孔直接接触。
4.权利要求1的器件，其中所述一个或多个附加的有机光活性材料层包含不连续层， 所述不连续层具有多个岛状物。
5.权利要求1的器件，其中所述第一有机光活性材料层与第二有机光活性材料层在所 述岛状物之间直接接触。
6.权利要求1的器件，其中所述一个或多个附加的有机光活性材料层包含小分子物质。
7.权利要求6的器件，其中所述小分子物质跨600nm-900nm波长带具有至少5X IO4CnT1 的吸收系数。
8.权利要求7的器件，其中小分子物质的HOMO比第一施主材料的HOMO高至多0.16eV。
9.权利要求7的器件，其中小分子物质的带隙小于第一施主材料的带隙。
10.权利要求7的器件，其中所述小分子物质具有小于lX10_9Cm2/VS的空穴迁移率并 且跨600nm-900nm的波长带具有至少5 X IO4CnT1的吸收系数。
11.权利要求10的器件，其中所述小分子物质包含选自酞菁锡(II)(SnPc)和酞菁铅 (PbPc)的物质。
12.权利要求6的器件，其中所述一个或多个有机光活性材料层中的至少一个包含小 分子物质和第一受主材料的共沉积层。
13.权利要求1的器件，其中所述第一电极由透明聚合物电极材料形成。
14.权利要求1的器件，其中所述第一电极是氧化铟锡。
15.权利要求14的器件，其中所述氧化铟锡在250-400°C的空气中经过退火。
16.权利要求14的器件，其中所述氧化铟锡已经在300°C下于空气中退火约10-30分钟。
17.权利要求1的器件，其中所述受主材料是厚度为约100-140nm的C6(l。
18.权利要求1的器件，其中所述聚合物包裹的碳纳米管基本上是半导体性聚合物包裹的单壁碳纳米管。
19.权利要求18的器件，其中所述聚合物包裹的单壁碳纳米管包裹有光活性聚合物。
20.权利要求18的器件，其中所述聚合物包裹的单壁碳纳米管在吸收约400nm-1400nm 范围的光时产生激子。
21.权利要求1的器件，该器件还包含在第二有机光活性材料层和第二电极之间提供 的激子阻挡层。
22.权利要求1的器件，该器件还包含在第一有机光活性材料层和第一电极之间提供 的激子阻挡层。
23.权利要求1的器件，该器件还包含在第一有机光活性材料层和第一电极之间提供 的电子阻挡层。
24.权利要求23的器件，其中所述电子阻挡层由Si02、PFO或NiO之一形成。
25.权利要求1的器件，其中所述第一受主材料层由(6(|、[84]PCBM([6，6]-苯基C84丁 酸甲基酯)、F16-CuPc、PTCBI、PTCDA、聚(苯并咪唑苯并菲咯啉)、TCNQ (7,7,8,8-四氰醌二 甲烷)和F4-TCNQ(四氟四氰醌二甲烷)之一形成。
26.权利要求1的器件，其中所述第一有机光活性材料层是本体异质结。
全文摘要
光活性器件包括位于两个电极之间并且与它们电连接的光活性区域，其中该光活性区域包括含有第一施主材料的第一有机光活性层和含有第一受主材料的第二有机光活性层。第一施主材料含有光活性聚合物包裹的碳纳米管，并且所述光活性区域包括位于第一施主材料层和受主材料层之间的一个或多个附加的有机光活性材料层。所述光活性区域在吸收约400nm-1450nm的光时产生激子。
文档编号H01L31/101GK102057499SQ200980120718
公开日2011年5月11日 申请日期2009年4月27日 优先权日2008年5月1日
发明者J·D·兹米尔曼, M·S·阿诺德, R·朗特, S·R·福里斯特 申请人:密执安州立大学董事会