具有反射体的有机光敏器件的制作方法
【专利说明】具有反射体的有机光敏器件
[0001] 与相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年10月11日提交的美国临时申请号61/712, 782的优先权，所 述临时申请整体通过参考并入本文。
[0003] 联合研宄协议
[0004]本申请的主题内容由以下各方中的一个或多个、代表以下各方中的一个或多个 和/或与以下各方中的一个或多个合作根据大学-公司联合研宄协议做出：密歇根大学 董事会（TheRegentsoftheUniversityofMichigan)和全球光电能源公司（Global PhotonicEnergyCorporation)。所述协议在本申请的主题内容被做出之日和做出之前就 已生效，并且正是由于在所述协议范围内采取的行动才做出了所述主题内容。
[0005] 本公开涉及光敏器件。更具体来说，本公开涉及包含反射体的光敏器件，所述反射 体被构造成至少部分反射一种或多种所需波长。本文中还公开了制备包含反射体的光敏器 件的方法，所述反射体被构造成至少部分反射一种或多种所需波长。
[0006] 光电器件依靠材料的光学和电子学性质来以电子方式产生或检测电磁辐射，或者 从环境电磁福射产生电。
[0007]光敏光电器件将电磁辐射转化成电。太阳能电池，也被称作光伏（PV)器件，是一 类被特别用于产生电功率的光敏光电器件。PV器件可以从阳光以外的光源产生电能，可 用于驱动消耗电力的负载以提供例如照明、取暖，或者向电子电路或装置例如计算器、收音 机、计算机或远程监控或通信设备提供电力。这些发电应用通常还包括为电池或其它能量 存储装置充电，以便当来自太阳或其它光源的直接光照不可用时能够继续运行，或者按照 具体应用的要求平衡PV器件的功率输出。当在本文中使用时，术语"电阻性负载"指的是 任何消耗或储存电力的电路、装置、设备或系统。
[0008] 另一种类型的光敏光电器件是光电导体电池。在这种功能中，信号检测电路监测 器件的电阻以检测由于光吸收引起的变化。
[0009] 另一种类型的光敏光电器件是光电检测器。在操作中，光电检测器与电流检测电 路联合使用，所述电流检测电路测量当所述光电检测器暴露于电磁辐射并可能具有施加的 偏压时所产生的电流。本文描述的检测电路能够向光电检测器提供偏压并测量光电检测器 对电磁福射的电子响应。
[0010] 可以根据是否存在下面定义的整流结，并且也可以根据所述器件是否在也被称作 偏压或偏置电压的外加电压下运行，对这三类光敏光电器件进行表征。光电导体电池不具 有整流结并且通常在偏压下运行。PV器件具有至少一个整流结并且不在偏压下运行。光电 检测器具有至少一个整流结并且通常但不总是在偏压下运行。通常，光伏电池向电路、装置 或设备提供电力。光电检测器或光电导体提供信号或电流以控制检测电路或者从所述检测 电路输出信息，但不向电路、装置或设备提供电力。
[0011] 传统上，光敏光电器件由很多无机半导体构成，所述无机半导体例如晶体硅、多晶 硅和无定形硅、砷化镓、碲化镉等。在本文中，术语"半导体"指的是当热激发或电磁激发诱 导产生电荷载流子时能够导电的材料。术语"光导"通常指的是其中电磁辐射能量被吸收 并由此被转化为电荷载流子的激发能，从而使得所述载流子可以在材料中传导即传输电荷 的过程。术语"光电导体"和"光导材料"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。
[0012] 可以通过PV器件将入射的太阳能功率转化为有用的电功率的效率对所述PV器 件进行表征。利用晶体硅或无定形硅的器件在商业应用中占主导地位，其中一些已经达到 23%以上的效率。然而，由于在生产没有显著的效率降低缺陷的大晶体中固有的问题，生产 基于晶体的高效器件特别是表面积大的器件是困难且昂贵的。另一方面，高效率的无定形 硅器件仍然存在稳定性问题。目前可商购的无定形硅电池具有在4%和8%之间的稳定效 率。更多近期的努力集中在使用有机光伏电池来获得可接受的光电转化效率和经济的生产 成本。
[0013] 可以对PV器件进行优化以便在标准光照条件（S卩，标准试验条件：1000W/m2， AMI. 5光谱光照）下产生最大电功率，以便得到光电流与光电压的最大乘积。在标准光照条 件下，这样的电池的功率转化效率取决于以下三个参数：（1)零偏压下的电流，即短路电流 Is。，单位为安培，（2)开路条件下的光电压，即开路电压，单位为伏特，以及（3)填充因子 ff〇
[0014] 当PV器件跨负载连接并被光照射时，它们产生光生电流。当在负载无限大的条件 下被照射时，PV器件产生其最大可能电压，或。当在其电触点短路的情况下被照射 时，PV器件产生其最大可能电流，1^^或Is。。当被实际用于产生电力时，PV器件被连接于 有限的电阻性负载，功率输出由电流和电压的乘积IXV给出。PV器件产生的最大总功率注 定不能超过ImXl。乘积。当对负载值进行优化以获得最大功率提取时，电流和电压分别具 有UR乂匪值。
[0015]PV器件的品质因子是填充因子ff，其被定义为：
[0016]ff= {IfflaxVfflJ/{IscVoc} (1)
[0017] 其中ff总是小于1，因为在实际应用中永远不能同时获得。尽管如此，当 ff在最佳条件下接近1时，所述器件具有较少的串联或内部电阻，因此向负载递送较高百 分率的is。和乘积。如果pin。是入射到器件上的功率，那么所述器件的功率效率nP可 以根据下式计算：
[0018] nP=ff*(Isc*V0C)/Pinc
[0019] 为了产生占据大量容积的内生电场，常用方法是并置两层材料，所述材料具有适 当选择的传导性，特别是就其分子的量子能态分布方面进行适当选择的传导性。这两种材 料的界面被称为光伏异质结。在传统半导体理论中，用于形成PV异质结的材料一般被称为 n型或p型材料。在此，n型指的是大多数载流子类型是电子。这可以被看做是所述材料具 有很多处于相对自由的能态中的电子。P型指的是大多数载流子类型是空穴。这样的材料 具有很多处于相对自由的能态中的空穴。背景类型即非光生的大多数载流子浓度主要取决 于由缺陷或杂质引起的非故意掺杂。杂质的类型和浓度决定了在最高占据分子轨道（HOMO) 能级与最低未占据分子轨道（LUM0)能级之间的能隙（被称为H0M0-LUM0能隙）内的费米 能或费米能级的值。费米能表征的是分子的量子能态的统计学占据情况，所述分子的量子 能态由占据概率等于1/2时的能量值所表示。接近LUM0能级的费米能表明电子为主要载 流子。接近HOMO能级的费米能表明空穴为主要载流子。因此，费米能是传统半导体的主要 表征性质，并且原型PV异质结传统上是p-n界面。
[0020] 术语"整流"特别指的是界面具有不对称的传导特性，即所述界面优选支持一个方 向上的电子电荷传输。整流通常与内建电场相关，所述内建电场发生在适当选择的材料之 间的异质结处。
[0021] 在有机材料的情形中，术语"供体"和"受体"是指两种接触但不同的有机材料的 HOMO和LUMO能级的相对位置。这不同于在无机情形中使用这些术语，在无机情形中，"供 体"和"受体"可以是指分别可用于产生无机n型层和p型层的掺杂剂的类型。在有机情形 中，如果与另一种材料接触的一种材料的LUM0能级较低，那么该材料为受体。否则，其为供 体。在缺少外部偏压的条件下，供体-受体结处的电子移动到受体材料中，以及空穴移动到 供体材料中，在能量上是有利的。
[0022] 有机半导体中的显著性质是载流子迀移率。迀移率度量的是电荷载流子对电场作 出响应而能够移动通过传导材料的容易性。在有机光敏器件的情形中，包含有因高电子迀 移率而优先通过电子进行传导的材料的层可以被称作电子传输层或ETL。包含有因高空穴 迀移率而优先通过空穴进行传导的材料的层可以被称作空穴传输层或HTL。在一种实施方 式中，受体材料为ETL并且供体材料为HTL。
[0023] 常规无机半导体PV电池采用p-n结来建立内部电场。然而，现在已经意识到，除了 建立p-n类型