CN101351904B - 使用超薄敏感层的有机光伏单元 - Google Patents

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Abstract

包括位于两个电极之间的一系列有机光活性层的光敏器件。所述系列中的各层与该系列中的下一层直接接触。对所述系列进行设置以形成至少一个施主-受主异质结，并且包括充当施主的含有第一基质材料的第一有机光活性层、位于所述第一和第三有机光活性层之间的含有第二基质材料的薄第二有机光活性层、和充当受主的含有第三基质材料的第三有机光活性层。第一、第二和第三基质材料是不同的。薄的第二有机光活性层相对于第一层充当受主或者相对于第三层充当施主。

Description

使用超薄敏感层的有机光伏单元
美国政府权利
本发明是借助美国政府支持在美国能源部国家可再生能源实验室授予的合同No.339-4012下作出的。美国政府在本发明中享有一定的权利。
联合研究协议
所要求保护的发明是由达成联合大学-公司研究协议的一个或多个下列合作方完成的，代表其利益和/或与其有关：PrincetonUniversity，The University of Southern California，和GlobalPhotonic Energy Corporation。在要求保护的发明作出当日或之前该协议有效，且作为在协议范围内进行的活动的结果作出所要求保护的发明。
发明领域
本发明一般地涉及有机光敏光电子器件。更具体地，其涉及包括响应近红外的超薄低迁移率活性层的有机光敏光电子器件。
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(可承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利用偏压进行操作。PV器件具有至少一个整流结并且不使用偏压进行操作。光电检侧器具有至少一个整流结并且通常但不一定使用偏压进行操作。
如本文中所使用的，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”表示当电荷载流子由热激励或电磁激励引发时可导电的材料。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”是指由于它们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，除非指明第一层与第二层“物理接触”。
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，所产生的分子状态通常认为是“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(“淬灭”)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完全不同)。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。
图1是说明示例性施主-受主异质结的能级图。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(“LUMO”)能级的相对位置。如果与另一种材料接触的一种材料的LUMO能级较低，那么该材料是受主。否则它是施主。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LUMD能级更接近真空能级10，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。
在施主152或受主154中吸收光子6产生激子8之后，激子8在整流界面处离解。施主152传递空穴(空心圆)而受主154传递电子(暗色圆)。
有机半导体中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层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。
块体半导体以及绝缘体的一个共同特征是“带隙”。带隙是填充有电子的最高能级和空的最低能级之间的能量差。在无机半导体或无机绝缘体中，这种能量差是价带边缘(价带的顶部)和导带边缘(导带的底部)之间的差异。在有机半导体或有机绝缘体中，这种能量差是HOMO和LUMO之间的差异。纯物质的带隙缺乏电子和空穴可存在的能态。唯一可获得的用于导电的载流子是具有足够能量以受激跨越带隙的电子和空穴。通常，半导体与绝缘体相比具有相对小的带隙。
根据用于有机半导体的能带模型，只有带隙的LUMO侧上的电子是电荷载流子，并且只有带隙的HOMO侧上的空穴是电荷载流子。
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。
对于有机光敏器件的现有技术的另外背景解释和描述，包括它们的一般构造、特性、材料和特征，通过引用将Forrest等的美国专利No.6,657,378、Forrest等的美国专利No.6,580,027和Bulovic等的美国专利No.6,352,777合并到本文中。
发明概述
光敏器件包含一系列位于第一电极和第二电极之间的有机光活性层。所述系列中的各层与系列中的下一层直接接触。对所述系列有机光活性层进行设置以形成至少一个施主-受主异质结。该系列有机光活性层包括充当施主的含有第一基质材料的第一有机光活性层，位于第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的含有第二基质材料的第二有机光活性层，和充当受主的含有第三基质材料的第三有机光活性层。第一基质材料、第二基质材料和第三基质材料是不同的。第二有机光活性层相对于第一有机光活性层充当受主或者相对于第三光活性层充当施主。在第二有机光活性层的大部分区域上，从第二有机光活性层的第二基质材料内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。优选地，在第二有机光活性层的整个区域上，从第二有机光活性层的第二基质材料内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。
第二有机光活性层可以是具有穿过其的开口的单一(unitary)层，第一有机光活性层通过所述开口与第三有机光活性层直接接触，或者第二有机光活性层可以是具有多个包含第二基质材料的岛状物的不连续层，第一有机光活性层与第三有机光活性层在所述岛状物之间直接接触。
第二基质材料优选是小分子。第一基质材料和所述第三基质材料也优选是小分子。小分子第二基质材料优选在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数。
第一有机光活性层、第二有机光活性层和第三有机光活性层的每一个可以具有不同的吸收谱。
第二有机光活性层可以充当施主，第一基质材料和第二基质材料具有不同的吸收谱。充当施主时，第二基质材料的HOMO优选比第一基质材料的HOMO高0.16eV以内，并且第二基质材料的带隙优选小于第一基质材料的带隙。如果充当施主，第二基质材料可具有小于1×10-9cm2/V的空穴迁移率和跨越600nm至900nm的波段至少5×104cm-1的吸收系数。充当施主的第二基质材料的例子包括酞菁锡(II)(SnPc)和酞菁铅(PbPc)。与SbPc或PbPc施主一起而充当受主的第三基质材料的例子是C60。
第二有机光活性层可充当受主，第二基质材料和第三基质材料具有不同的吸收谱。在充当受主时，第二基质材料的LUMO优选比第三基质材料的LUMO低0.16eV以内。如果充当受主，第二基质材料的带隙优选小于第三基质材料的带隙。
第二有机光活性层的厚度优选不大于200
Figure S2006800499367D00061
，或者更优选不大于100
Figure S2006800499367D00062
第二基质材料优选在跨越600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数，并且其中将至少部分第二有机光活性层设置在距器件反射表面λ1·d+λ1/4光程长度处，其中λ1是从600nm到900nm的波段内的波长，d是≥0的整数，并且反射表面可反射至少50％的λ1的入射光。所述反射表面例如可由第一电极、第二电极和反射体中之一提供。
器件可包含位于第一电极和第二电极之间的光活性单元的叠层。在该叠层中，一系列有机光活性层可以是光活性单元叠层内第一单元的一部分。所述叠层还至少包括含有另外施主-受主异质结的第二光活性单元。叠层的第一单元和第二单元可以具有不同的吸收特性。优选地，在λ1±5％波长范围内第一单元的平均吸收大于第二单元的平均吸收，并且在λ2±5％波长范围内第二单元的平均吸收大于第一单元的平均吸收，其中λ1≥λ2+10％。
所述系列有机光活性层还可以包含位于第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的块体或混合施主-受主层。该块体或混合施主-受主层既包括第一有机光活性层的第一基质材料又包括第三有机光活性层的第三基质材料。
所述系列有机光活性层还可以包含第四有机光活性层，该第四有机光活性层包含位于第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的第四基质材料。该第四基质材料与第一基质材料、第二基质材料和第三基质材料不同。第四有机光活性层可相对于第一有机光活性层充当受主或者相对于第三光活性层充当施主。从第四有机光活性层内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。
附图简述
图1是说明施主-受主异质结的能级图。
图2说明包括施主-受主异质结的有机光敏器件。
图3说明形成平面异质结的施主-受主双层。
图4说明在施主层和受主层之间的包括混合异质结的混杂异质结。
图5说明块体异质结。
图6说明包括肖特基势垒异质结的有机光敏器件。
图7说明串联的纵列光敏元件。
图8说明并联的纵列光敏元件。
图9说明经改进以包括另外的薄光活性层的平面异质结。
图10A说明薄光活性层的例子的横截面。
图10B说明薄保护层的另一个例子的横截面。
图11说明包括作为施主的薄光活性层的能级图。
图12说明包括作为受主的薄光活性层的能级图。
图13说明包括作为施主的薄光活性层的混杂异质结。
图14说明包括作为受主的薄光活性层的混杂异质结。
图15说明包括多个薄光活性层的平面异质结。
图16说明包括多个用于图15中平面异质结的薄光活性层的能级图。
图17说明使薄光活性层的吸收最大化的各层设置。
图18说明包括薄光活性层的示例性光敏单元在黑暗中和在各种光照强度下作为电压函数的电流密度。
图19说明对于与图14相同的器件的作为光照强度函数的单元填充因数(FF)和开路电压(Voc)。
图20说明对于与图14相同的器件的作为光照强度函数的功率转换效率。
图21说明对于与图14相同的器件的作为波长函数的外部量子效率和吸收系数。
图22说明用于薄光活性层的纯化SnPc源材料的x-射线衍射结果，对于粉末形式以及沉积在ITO上的形式。
图23说明石英上250
Figure S2006800499367D00071
厚的SnPc膜的表面形貌。
这些图不一定按比例绘制。
详细描述
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。图2显示了有机光敏光电子器件100的例子，其中光活性区域150包含施主-受主异质结。“光活性区域”是光敏器件的一部分，其吸收电磁辐射来产生可离解以便产生电流的激子。器件100在衬底110上包含阳极120、阳极平滑层122、施主152、受主154、激子阻挡层(“EBL”)156和阴极170。
Forrest等的美国专利No.6,451,415中描述了EBL 156的例子，通过引用将该专利与EBL相关的公开内容合并到本文中。EBL的另外背景说明还见于Peumans等“Efficient photon harvesting athigh    optical    intensities    in    ultrathin    organicdouble-heterostructure photovoltaic diodes，”Applied PhysicsLetters 76，2650-52(2000)。EBL通过防止激子从施主和/或受主材料中迁移出来减少淬灭。
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输送至外部电路或向器件供以偏置电流或电压的介质的层。如图2中所说明，阳极120和阴极170是实例。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(“化合物”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等的美国专利No.6,352,777和Parthasarathy等的美国专利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到本文中。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，则称该其为“透明的”。
衬底110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，平面或非平面的。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。
阳极平滑层122可以位于阳极层120和施主层152之间。Forrest等的美国专利6,657,378中描述阳极平滑层，通过引用将该专利涉及该特征的公开内容合并到本文中。
在图2中，光活性区域150包含施主材料152和受主材料154。用于光活性区域的有机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的“Inorganic Chemistry”(第2版)，PrenticeHall(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、喷墨印制和本领域中已知的其它方法制造有机层。
在图3-5中显示了各种类型施主-受主异质结的例子。图3说明了形成平面异质结的施主-受主双层。图4说明了包括混合异质结153的混杂异质结，所述混合异质结153包含施主和受主材料的混合物。图5说明了理想的“块体”异质结。在理想的光电流情形中块体异质结253具有施主材料252和受主材料254之间的单一连续界面，尽管在实际器件中典型地存在多个界面。混合和块体异质结由于具有多个材料区域而可具有多个施主-受主界面。被相反类型材料(例如，被受主材料围绕的施主材料的区域)围绕的区域可以是电隔离的，使得这些其它区域对光电流无贡献。其它区域可通过渗透路径(连续的光电流路径)连接，使得这些其它区域可以对光电流有贡献。混合和块体异质结之间的差别在于施主材料和受主材料之间的相分离程度。在混合异质结中，具有非常少或没有相分离(这些区域非常小，例如小于几纳米)，而在块体异质结中，存在显著的相分离(例如形成具有几纳米至100nm尺寸的区域)。
例如可使用真空沉积或气相沉积通过施主材料和受主材料的共沉积形成小分子混合异质结。例如可通过受控生长、具有沉积后退火的共沉积、或溶液处理来形成小分子块体异质结。例如可通过施主和受主材料的聚合物共混物的溶液处理来形成聚合物混合异质结或块体异质结。
如果光活性区域包括混合层(153)或块体层(252，254)以及施主层(152)和受主层(154)之一或二者，则称该光活性区域包括“混杂”异质结。图4中层的设置是一个实例。对于混杂异质结的另外解释，通过引用将2005年10月13日公开的Jiangeng Xue等的标题为“High efficiency organic photovoltaic cells employinghybridized mixed-planar heterojunctions”美国公开专利申请2005-0224113A1合并到本文中。
通常，平面异质结具有良好的载流子传导性，但具有差的激子离解；混合层具有差的载流子传导性和良好的激子离解，而块体异质结具有良好的载流子传导性和良好的激子离解，但可能在材料“陷凹(cul-de-sacs)”的端部经历电荷积累，从而降低效率。除非另外说明，在本文中公开的全部实施方案中可以互换地使用平面异质结、混合异质结、块体异质结和混杂异质结作为施主-受主异质结。
图6显示了有机光敏光电子器件300的例子，其中光活性区域350是肖特基垫垒异质结的一部分。器件300包含透明接触部320、含有有机光电导材料358的光活性区域350、和肖特基接触部370。肖特基接触部370典型地形成为金属层。如果光电导层358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。
所说明的器件可以连接至元件190。如果该器件是光伏器件，则元件190是消耗或存储能量的电阻性负载。如果该器件是光电检测器，则元件190是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26日公开的Forrest等的公开美国专利申请2005-0110007 A1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，在这种情形中元件190是检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，各个这些配置和改进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等的美国专利No.6,657,378；2004年8月11日提交的Rand等的标题为“OrganicPhotosens itive Devices”的美国专利申请10/915,410；和2004年11月3日提交的Forrest等的标题为“Stacked OrganicPhotosens itive Devices”的美国专利申请10/979,145中所进行的描述；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体层。电荷传递层、电极或电荷复合区域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。
图7和8说明了包括如此透明电荷传递层、电极和电荷复合区的纵列器件的例子。在图7的器件400中，光活性区150和150’用中间导电区域460进行串联电堆叠。如没有外部电连接所说明的，中间导电区域460可以是电荷复合区域或者可以是电荷传递层。作为复合区，区域460包含具有或不具有透明基体层的复合中心461。如果不存在基体层，形成该区的材料的配置在跨区域460上可以不连续的。图8中的器件500说明了并联电堆叠的光活性区域150和150’，顶部单元处于倒置构造(即阴极在下)。在图7和8的每一个中，取决于应用，光活性区域150和150’与阻挡层156和156’可由相同的各自材料或不同的材料形成。同样，光活性区域150和150’可以是相同类型(即平面、混合、块体、混杂)的异质结，或者可以是不同类型。
在上述各个器件中，可以略除层，例如激子阻挡层。可以添加其它层，例如反射层和另外的光活性区域。可改变或颠倒层的顺序。可以使用集中器或俘获配置以增加效率，如例如Forrest等的美国专利No.6,333,458和Peumans等的美国专利No.6,440,769中所公开的，通过引用将其合并到本文中。可以使用涂层来将光能集中在器件的所需区域内，如例如2004年6月1日提交的Peumans等的标题为“Aperiodic dielectric multilayer stack”的美国专利申请No.10/857,747所公开的，通过引用将其合并到本文中。在纵列器件中，透明绝缘层可以形成在单元之间，单元之间的电连接通过电极提供。同样在纵列器件中，一个或多个光活性区域可以是肖特基势垒异质结而不是施主-受主异质结。可使用具体所述那些以外的配置。
当光伏器件跨越负载连接并且被光照射时，它们产生光生电流。当在无限负载下照射时，光伏器件产生其最大可能电压，V开路或VOC当被照射且其电接触部短路时，光伏器件产生其最大可能电流，I短路或ISC。当实际用来发电时，光伏器件连接到有限电阻性负载并且功率输出由电流和电压的乘积I×V给出。由光伏器件产生的最大总功率本质上不能超过乘积ISC×VOC当为了最大功率提取而优化负载值时，电流和电压分别具有值Imax和Vmax。
光伏器件的品质因数是填充因数ff，定义为：ff＝{ImaxVmax}/{ISC VOC}其中ff始终小于1，因为ISC和VOC在实际应用中绝不会同时获得。但是，随着ff接近1，器件具有较小的串联或内电阻，因此在最佳条件下将ISC与VOC的乘积的较大百分比输送到负载。其中Pinc是在器件上入射的功率，器件的功率效率P可以如下计算：P＝ff*(ISC*VOC)/Pinc
当与常规硅基器件相比较时，有机光伏单元具有许多潜在优点。有机光伏单元重量轻，在材料使用方面经济，并且可以沉积在低成本衬底例如柔性塑料箔上。然而，一些有机光伏器件典型地具有相对低的外部量子效率，大约1％或更小。据认为这部分是由于本征光电导过程的二阶特性。即，载流子产生需要激子产生、扩散以及电离或收集。存在与这些过程的每一个相关联的效率。下标可以使用如下：P为功率效率，EQE为外部量子效率，A为光子吸收，ED为激子扩散，CC为电荷收集，以及INT为内部量子效率。使用如下表示法：ηP～ηEQE＝ηA*ηED*ηCCηEQE＝ηA*ηINT
使用沉积在塑性衬底上的小分子量有机薄膜的光电检测器和光伏(PV)单元具有低成本和重量轻的潜在优点。参见S.R.Forrest，“The  path  to  ubiquitous  and  low-cost  organic  electronicappliances on plastic，”Nature 428，911-918(2004)。最近，分子有机PV单元的能量转变效率因新的材料和器件结构的使用而稳步改善。参见S.R.Forrest，“The Limits to Organic Photovol taicCell Efficiency，”MRS Bulletin 30，28-32(2005)；和J.Xue等“Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybridplanar-mixed molecular heterojunctions，”Applied PhysicsLetters  85，5757-5759(2004)。
然而，有机PV能量转换的一个问题是活性层吸收和太阳光谱之间的有限重叠。实际上，高于60％的总太阳光子通量处于λ＞600nm的波长，其中约50％在600＜λ＜1000nm的红和近红外(NIR)光谱中。因此，需要开发能够吸收NIR辐射并将吸收的光子有效转变成电流的新材料。
最近，对一直到λ＝1000nm的NIR辐射敏感的聚合物基太阳能电池在1太阳照度下获得0.3％的功率转换效率。参见X.J.Wang等，Applied Physics Letters 85，5081(2004)。然而，先前使用小分子材料的努力未能将器件响应性扩展到NIR中。
研究开发小分子光敏器件已产生新的结构，该结构除获得NIR响应性外，还可用于调整和/或加宽任何施主-受主异质结的敏感性。通过在施主和受主之间纳入薄敏感层，这种新结构能够实现保持它们总器件厚度的光敏器件构造，但其可在部分光谱中产生另外使用其它材料所不能获得的光电流。
另外，除本来能用作常规施主或受主层的材料外，还可获得更大量的不同材料用以作为薄敏感层。例如，可使用具有低电荷载流子迁移率的材料而不损失器件性能。通过使薄敏感层与积极有利的施主或受主层配对，薄敏感层对光电流有贡献，而不妨碍载流子在施主与受主之间传输。
图9说明了上述器件(例如100、400、500)中所使用的施主-受主异质结，该异质结经改进以将新的薄敏感层980纳入光活性区域950中。薄敏感层980包含与施主152或受主154的基质材料不同的基质材料。本文定义的有机光活性层的“基质材料”是占各层的大于50摩尔％的光活性有机分子。薄敏感层980可以配置成施主或受主。在任何情形中，在薄敏感层980的大部分(＞50％)区域上，从敏感层980的基质材料内任何点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。激子扩散长度是1/e激子衰减/复合经过的行进距离。该距离越过“大部分”区域，因为层980可以包括局部厚度中的边缘效应和细小变化(例如突起和珠凸)。优选地，避免边缘效应等，在薄敏感层980的整个区域上，从薄敏感层980的基质材料内任何点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。优选地，即使跨敏感层980的该距离的两倍大于200，该层厚度不大于200
Figure S2006800499367D00142
。更优选地，该层厚度不大于100
Figure S2006800499367D00143
因为效率顾虑，可打破敏感层980的厚度和光电流贡献之间的平衡。偏向于薄层是希望使跨光活性层的电阻率最小化以便载流子在施主层152和受主层154之间传递，并且使敏感层980内形成的激子到达整流界面的能力最大化。偏向于厚层是其中可在敏感层980的吸收波段中吸收光子的体积。虽然两个激子扩散长度是理想化的厚度上限，但期望对大多数材料组合和光源光谱，较薄的敏感层980是所需的。
虽然薄敏感层980可以是固体，但如图10A中所说明的，其可更替为多孔的。如果是多孔的，敏感层980包括多个通过单一层的路径1001(即开口)。相邻层(例如施主152和受主154)通过路径1001直接互相接触，在层间提供电荷载流子直接通道。因为例如使用这样的薄层980，即存在自然的覆盖不规则性(例如，生长直到材料成核位连接为止，但在所有间隙被填充之前)，或者通过具有导致不规则覆盖的下层(例如施主152)中的表面不规则性，路径1001可在沉积过程期间显现。
图10B是薄层980的另一个例子。在该例子中，该层包含材料的多个不连续岛状物。岛状物1002在沉积过程期间可由于例如在成核后不久停止生长而显现。
可以简单地通过控制材料成核后允许继续生长多长时间来选择固体层、岛状物的不连续层或多孔单一层。虽然所有三种类型的层980是可行的，但优选多孔单一层，这是因其在通过路径1001于相邻层(例如施主152和受主154)之间提供直接电荷载流子传递的同时具有光活性层区域的平衡。
优选地，薄敏感层980是小分子材料。同样，施主层152和受主层154优选也是小分子材料。为吸收NIR，第二材料在跨600nm至900nm的波段可具有至少5×104cm-1的吸收系数。为使吸收谱的覆盖最大化，这三个光活性层(152，980，154)可各自具有不同的吸收谱。
参照图11，薄敏感层980可充当施主，具有与施主层152不同的基质材料。优选地，薄敏感层980的HOMO比施主层152的HOMO高5kT以内(k是Bol tzmann常数而T是工作温度)，从而避免空穴在施主层(152)-敏感层(980)界面处的俘获。图1中以ΔE1显示了HOMO能级的这种差异。
有机光敏器件的工作温度一般规定为具有T＝-40℃至+100℃的范围。因此，使用+100℃作为最大极限并求出5kT(即，5×1.3806505E-23(J/K)/1.602E-19(J/eV)×(T℃+273.15)°K)，薄敏感层980的HOMO应比施主层152的HOMO高0.16eV以内。
如果将敏感层980设置为施主，则形成敏感层980的材料的带隙可以小于形成施主层152的材料的带隙。因为吸收敏感性通常与纯材料的带隙成反比例，以这种方式设置带隙能够实现比仅用施主层152进行时吸收更长波长的光子。
通过保持敏感层980为薄，可以使用本来在光活性器件中不能以任何合理效率实施的所有类别的材料。例如，如果使用敏感层980作为施主，敏感层980的基质材料可具有小于1×10-9cm2/Vs的空穴迁移率。典型地，使用这种材料作为施主是违反直觉的，因为高的空穴迁移率是为使器件的外部量子效率最大化而为施主寻求的特性。然而，存在许多低空穴迁移率材料，例如具有差空穴迁移率的酞菁锡(II)(SnPc)和酞菁铅(PbPc)，但在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数。
因此，在敏感层980中可使用具有高度所需的吸收性能但具有差迁移率性能的材料，即使这些材料可能由于它们的差迁移率性能而先前不可使用。
参照图12，薄敏感层980可充当受主，具有与受主层154不同的基质材料。优选地，薄敏感层980的LUMO比受主层154的LUMO低5kT以内，从而避免电子在受主层(154)-敏感层(980)界面处的俘获。图12中以ΔE2显示了这种LUMO能级的差异。
如果将敏感层980设置为受主，则形成敏感层980的材料的带隙可以小于形成受主层154的材料的带隙。因为吸收敏感性通常与纯材料的带隙成反比例，以这种方式设置带隙能够实现比仅用受主层154进行时吸收更长波长的光子。
通过保持敏感层980为薄，可以使用具有小于1×10-9cm2/V的电子迁移率的基质材料。典型地，使用这种材料作为受主是违反直觉的，因为高电子迁移率是为使器件的外部量子效率最大化而为受主寻求的特性。因此，在敏感层980中可使用具有高度所需吸收性能但具有差迁移率性能的材料，即使这些材料可能由于它们的差迁移率性能而先前不可使用。
如图13和14所说明的，敏感层980还可用于混杂异质结。在图13中，敏感层980在光活性区域1350内充当施主。优选地，作为施主，薄敏感层980的HOMO比施主层152的HOMO高5kT以内(ΔE1)。在图14中，敏感层980在光活性区域1450内充当受主。优选地，作为受主，薄敏感层980的LUMO比受主层154的LUMO低5kT以内(ΔE2)。
图15说明了包括多个施主敏感层(980a，980b)和多个受主敏感层(980c，980d)的光活性区域1550。图16是在图15的单光活性区域内包含多个薄敏感层980a-d的光敏单元的能级图。优选地，为避免电荷载流子俘获：第一薄敏感层980a的HOMO比施主层152的HOMO高5kT 以内(ΔE1，1)；第二薄敏感施主层980b的HOMO比第一薄敏感施主层980a的HOMO高5kT以内(ΔE1，2)；第一薄敏感受主层980c的LUMO比第二薄敏感受主层980d的LUMO低5kT以内(ΔE2，1)；以及第二薄敏感受主层980d的LUMO比受主层154的LUMO低5kT 以内(ΔE2，2)。
具有一个或多个敏感层980的光活性区域(950，1350，1450，1550)可与上述光敏器件(包括器件100、400和500)中的光活性区域150和/或150’互换。
如图17中所说明，通过将至少部分薄敏感层980设置为(如所说明，设置为图7所示纵列器件中的光活性区域950/1350/1450/1550内的层)距器件的反射表面λ1·d+λ1/4(d是≥0的整数)光程长度，可改善器件性能。例如，如果敏感层980在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数，则λ1是从600nm到900nm波段中的波长。通过设置该波段内的峰(如所说明，750nm)与一部分敏感层重叠，更好地确保可吸收期望带宽中的光。
反射表面优选反射至少50％在λ1的入射光。该反射表面可以是单独的层，或者可以由电极之一(例如，图2和图7中的阴极170；图8中的阳极170’)提供。
如果敏感层980是单元叠层内第一单元的光活性区域，总性能可通过配置不同单元以具有不同吸收特性而得到改善。优选地，在λ1±5％波长范围内第一单元(具有敏感层980)的平均吸收大于第二单元的平均吸收，并且在λ2±5％波长范围内第二单元的平均吸收大于第一单元的平均吸收；其中λ1≥λ2+10％，λ1是600nm至900nm吸收带内的波长，并且充当敏感层980的基质材料在跨600nm至900nm内具有至少5×104cm-1的吸收系数。
因为何种材料构成施主以及何种材料构成受主取决于层之间的相对能级，相同的材料(例如SnPc、PbPc)可充当施主层，其中一组材料作为施主152/252和受主154/254，以及充当受主层，其中不同组材料作为施主152/252和受主154/254。
实施例
在基于酞菁锡(II)(SnPc)/C60施主/受主异质结的于λ＞900nm的波长下具有敏感性的有机光伏单元上进行实验。SnPc的多晶薄膜的低空穴迁移率μh＝(2±1)×10-10cm/Vs阻止使用厚层，导致低填充因数和低功率转换效率。然而，由于其大的吸收系数，SnPc的50
Figure S2006800499367D00181
厚的层在λ＝750nm产生高达21％的太阳能电池外部量子效率。对于铟-锡-氧化物/100
Figure S2006800499367D00182
酞菁铜/50SnPc/540
Figure S2006800499367D00184
C60/75
Figure S2006800499367D00185
浴铜灵/Ag的双异质结构，我们在1日光标准AM1.5G太阳照度下获得(1.0±0.1)％的功率转换效率以及在强的(10日光)标准AM1.5G太阳照度下获得(1.3±0.1)％的功率转换效率。对于无SnPc敏感层的器件(铟-锡-氧化物/酞菁铜/C60/Ag器件)的例子，参见J.Xue等的“4.2％efficient organicphotovoltaic cells with low series resistances”，AppliedPhysics Letters 84，3013-3015(2004)。
有机材料中的光产生过程以产生激子或束缚电子-空穴对的光子吸收开始。在有效的有机光伏器件中，激子然后在施主-受主界面处离解成自由电荷载流子，该载流子随后在它们各自的电极处被收集。在双异质结构有机太阳能电池中使用酞菁锡(II)(SnPc)作为电子施主时，SnPc层将入射的NIR光有效转变成光电流。在1日光标准AM1.5G(大气质量1.5全球)太阳照度下ηp＝(1.0±0.1)％的功率转换效率是可能的。由于对于超薄SnPc层填充因数是FF＝0.5而产生高效率，而先前所论证的器件(X.J.Wang等，Applied Physics Letters 85，5081(2004))具有FF＝0.32。通过控制SnPc层厚度使得其低的空穴迁移率不会负面地影响器件性能来获得该高FF。
所有器件均在1500厚的铟锡氧化物(ITO)层上制备，所述层商业预涂到具有15Ω/sq的薄层电阻的玻璃衬底上。在将衬底装入高真空室(基础压力～3×10-7托)之前不久将溶剂清洗过(见J.Xue等，Journal Applied Physics 95，1869(2004))的ITO表面在紫外/O3中处理5分钟，其中通过热蒸发沉积有机层和1000
Figure S2006800499367D00192
厚的Ag阴极。在沉积之前，使用真空热梯度升华以三个循化纯化有机材料。(见R.A.Laudise等，Journal of Crystal Growth 187，449(1998))。
通过具有1mm直径开口以限定器件面积的荫罩蒸发Ag阴极。在黑暗中和在模拟的AM1.5G太阳照度(Oriel Instrument)下使用HP4155B半导体参数分析仪测量电流密度与电压(J-V)特性。使用标准方法进行光照强度和量子效率的测量，所述标准方法采用国家可再生能源实验室可溯源校准的Si检测器(ASTM标准E1021，E948，E973美国试验与材料协会，West Conshohocken PA)。
在我们的最终效率测定中校正模拟和实际(即标准)太阳光谱之间的差异。在石英衬底上使用Per kinElmer Lambda 800紫外/可见分光计测量吸收谱，参比于清洁的石英衬底以抵消在石英中的吸收损失。对包括夹在ITO和Au接触部之间的1000
Figure S2006800499367D00193
厚的层的器件测量SnPc空穴传导性。
图18说明了结构为ITO/CuPc(100
Figure S2006800499367D00194
)/SnPc(50)/C60(540
Figure S2006800499367D00196
)/BCP(75
Figure S2006800499367D00197
)/Ag(这里CuPc表示酞菁铜，且BCP是浴铜灵)的器件在黑暗中和在AM1.5G标准太阳照度的各种光照强度(P0)下的J-V特性。施主-受主异质结限定在SnPc/C60界面并且BCP充当激子阻挡层。将黑暗电流与经典的p-n结二极管理论(见J.Xue等，AppliedPhysics Letters 84，3013-3015(2004))拟合产生Rs＝0.17Ωcm2的串联电阻和n＝1.96±0.05的理想因数。在图18的插图中显示了能级图，其中通过紫外光电子光谱法测量最高占据分子轨道能级。使用各材料的光能隙评价最低未占据分子轨道能量。
图19和20说明了对于相同器件的作为P0函数的各种光伏单元性能参数。在这里，在整个所测强度范围内FF～0.5，同时开路电压(VOC)随P0呈对数增加，在1日光(100mW/cm2)具有0.4V的值而在12日光强度下具有高达0.51V的值。响应度(等于JSC/P0，其中JSC是短路电流密度)随P0＝(0.05±0.02)A/W保持相对恒定。作为器件中这些趋势的结果，在1日光标准1.5G太阳照度下ηP随VOC增加至(1.0±0.1)％，在12日光下达到(1.3±0.1)％。从1至12日光FF和JSC/P0均随P0保持恒定的事实表明器件中的载流子收集是有效的，并且载流子复合不随强度显著增加。
在图21中显示了作为波长函数的器件活性层的外部量子效率(ηEQE)和吸收系数(α)。SnPc的低能Q-带(虚线)表现出比CuPc的低能Q-带(实线)显著更强的吸收，分别地，在λ＝740nm达到α＝3.5×105cm-1的峰值，与在λ＝620nm的1.3×105cm-1形成对比。此外，SnPc的α延伸到NIR中，具有高至λ＝1000nm的显著吸收。由50厚的SnPc计算出吸收系数；与器件中所使用的相同。增加膜的厚度导致光谱形状的改变，因为λ＝860nm处的峰相对于740nm处的峰增加(数据未示出)，可能是分子积聚形成SnPc二聚物的结果。即，如果假定正是最薄的SnPc层不提供均匀的表面覆盖，一些区域将包含具有高密度二聚物的SnPc簇，而其它区域将具有单层或没有完全不存在二聚物的覆盖。在这种情形中，还将降低长波长积聚体峰强度。图18中PV单元的ηEQE(实心圆，图21)遵从构成材料的吸收，在350＜λ＜550nm之间产生来自C60的光电流贡献，在ηEQE＝36％达到峰值，而SnPc层的贡献来自600＜λ＜1000nm，在21％达到峰值。
使用传递矩阵的光学模型(见L.A.A.Pettersson等，Journal of Applied Physics 86，487(1999))表明SnPc区域有助于-40％的内部量子效率。在λ=575nm和620nm时，ηEQE中存在另外的小响应峰，对应于来自下面CuPc层的贡献。这后一响应是因为50厚的SnPc层为不连续所引起，从而允许CuPc和C60之间的局部直接接触，该接触形成有效的电荷分离区域，进一步支持了我们对最薄膜的不均匀层覆盖的假设。(见J.Xue等，Applied Physics Letters84，3013-3015(2004))。
中心Sn原子位于分子平面外1.13，导致SnPc以三斜相结晶。  (见M.K.Friedel等，Chemical Communications，400(1970)；和R.Kubiak等，Journal of Alloys and Compounds 189，107(1992))。在图22中显示了纯化源材料的粉末x-射线衍射，并且使用已知的分子晶体结构对峰进行鉴别。沉积在ITO上的1000厚的SnPc膜在图22中显示具有2θ＝(12.60±0.05)°处的单峰，对应于
Figure S2006800499367D00214
的晶格平面间距。这表示SnPn膜是分子择优平坦位于ITO表面上的多晶，与过去的研究一致。(见K.Walzer等，Surf.Sci.471，1(2001)；和L.B.Chen等Acta Phys.Sin.45，146(1996))。
图2 3显示了石英上250
Figure S2006800499367D00215
厚的SnPc膜的表面形貌。扫描电子显微照片显示了粗糙、皱折的表面，表明是多晶膜，而原子力显微照片(图23，插图)得出47
Figure S2006800499367D00216
的均方根粗糙度。
假定对于有机物相对介电常数为  3，通过将ITO/SnPc(1000
Figure S2006800499367D00217
)/Au器件的空间电荷限制电流与Child法则拟合来测量SnPc膜中的空穴迁移率(见M.Pope和C.E.Swenberg，Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers，第2版(Oxford University Press，New York，1999)；和B.P.Rand，J.Xue，S.Uchida及S.R.Forrest，“Mixed donor-acceptor molecularheterojunctions for photovoltaic applications.  I.Materialproperties，"在2005年2月9日提交至Journal of AppliedPhysics)。相比于具有μh＝(7±1)×10-4cm2/V·s的CuPc(见B.P.Rand，J.Xue，S.Uchida，和S.R.Forrest，“Mixed donor-acceptormolecular heterojunctions for photovoltaic applications.I.Material properties，”在2005年2月9日提交至Journal of AppliedPhysics)，该分析得出μh＝(2±1)×10-10cm2/V·s的空穴迁移率。
有可能的是，非平面SnPc分子的多晶膜与CuPc相比由于较大的分子间间距而具有较小的分子轨道重叠。实际上，由SnPc内的四配位N原子形成的平面之间的间距在单胞内于3.56
Figure S2006800499367D00221
和2.87
Figure S2006800499367D00222
之间交替(见R.Kubiak等，Journal of Alloys and Compounds 189，107(1992))，而在CuPc的情形中其为3.34
Figure S2006800499367D00223
(见C.J.Brown，J.Chem.Soc.A，2488(1968))。
正是SnPc晶格中两个间距中的较大者决定空穴迁移率，这可以解释在这些材料之间观测到的μh的显著差异。SnPc的低迁移率导致提高的串联电阻，且因此当层厚度增加时导致PV单元中低的FF。即，对于50
Figure S2006800499367D00224
厚的SnPc层FF＝0.5(参见图19)，在1日光强度下对于200
Figure S2006800499367D00225
厚的SnPc施主层降至0.31。在SnPc沉积之前于ITO表面上沉积100
Figure S2006800499367D00226
厚的CuPc润湿层防止随后的C60受主层通过薄施主层中的不连续处直接接触ITO。
总之，使用SnPc作为薄敏感电子施主层时，这些实验证明具有扩展到NIR中的敏感性的有机太阳能电池的可行性。对于350＜λ＜1000nm的波长，电池外部量子效率是显著的，在350＜λ＜875nm的范围内保持高于10％。通过优化层厚度以保持良好的电荷传递，并且通过将施主/受主界面位于最高入射光强度的区域，在1日光标准AM1.5G太阳照度下我们获得(1.0±0.1)％的功率转换效率，并且在强的光照下高至(1.3±0.1)％。这些结果凸显了SnPc/C60结在纵列有机太阳能电池(参见J.Xue，S.Uchida，B.P.Rand，和S.R.Forrest，Applied Physics Letters 85，5757-5759(2004)；及B.P.Rand，P.Peumans，和S.R.Forrest，Journal of Applied Physics 96，7519-7526(2004))中获得应用以将有机光伏单元的响应性扩展到红外的能力。
如上所述，本发明的有机光敏器件可用于由入射电磁辐射产生电能(例如光伏器件)或者可用于检测入射电磁辐射(例如光电检测器或光电导体单元)。
本文说明和/或描述了本发明的具体实施例。然而，应当理解，本发明的变化和改变包含在上面的教导中并且在所附权利要求书的范围内，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.光敏器件，包含：
第一电极和第二电极；
位于所述第一电极和所述第二电极之间的一系列有机光活性层，所述系列中的各层与该系列中的下一层直接接触，对所述系列有机光活性层进行设置以形成至少一个施主-受主异质结，所述系列包含：
充当施主的含有第一基质材料的第一有机光活性层；
位于所述第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的含有第二基质材料的第二有机光活性层，所述第二有机光活性层是具有穿过其的多个开口的单一层；
和充当受主的含有第三基质材料的第三有机光活性层；
其中第一基质材料、第二基质材料和第三基质材料是不同的，且
其中第二有机光活性层相对于第一有机光活性层充当受主或者相对于第三光活性层充当施主，并且在第二有机光活性层的大部分区域上，从第二有机光活性层的第二基质材料内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。
2.权利要求1的光敏器件，其中第一有机光活性层通过所述开口与第三有机光活性层直接接触。
3.权利要求1的光敏器件，其中第二有机光活性层包括多个包含第二基质材料的岛状物，第一有机光活性层与第三有机光活性层在所述岛状物之间直接接触。
4.权利要求1的光敏器件，其中所述第二基质材料是小分子。
5.权利要求4的光敏器件，其中所述第一基质材料和所述第三基质材料是小分子。
6.权利要求4的光敏器件，其中第二基质材料在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数。
7.权利要求1的光敏器件，其中第一有机光活性层、第二有机光活性层和第三有机光活性层的每一个具有不同的吸收谱。
8.权利要求1的光敏器件，其中第二有机光活性层充当施主，并且第一基质材料和第二基质材料具有不同的吸收谱。
9.权利要求8的光敏器件，其中第二基质材料的HOMO比第一基质材料的HOMO高，且第二基质材料的HOMO与第一基质材料的HOMO之间的差异不大于0.16eV。
10.权利要求8的光敏器件，其中第二基质材料的带隙小于第一基质材料的带隙。
11.权利要求8的光敏器件，其中第二基质材料具有小于1×10-9cm2/Vs的空穴迁移率并且在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数。
12.权利要求8的光敏器件，其中第二基质材料选自酞菁锡(II)(SnPc)和酞菁铅(PbPc)。
13.权利要求12的光敏器件，其中第三基质材料是C60。
14.权利要求1的光敏器件，其中第二有机光活性层充当受主，并且第二基质材料和第三基质材料具有不同的吸收谱。
15.权利要求14的光敏器件，其中第二基质材料的LUMO比第三基质材料的LUMO低，且第二基质材料的LUMO与第三基质材料的LUMO之间的差异不大于0.16eV。
16.权利要求14的光敏器件，其中第二基质材料的带隙小于第三基质材料的带隙。
17.权利要求1的光敏器件，其中第二有机光电导层的厚度不大于
Figure FSB00000518358000031
18.权利要求17的光敏器件，其中第二有机光电导层的厚度不大于
Figure FSB00000518358000032
19.权利要求1的光敏器件，其中第二基质材料在跨600nm至900nm的波段具有至少5×104cm-1的吸收系数，并且其中将至少部分第二有机光活性层设置在距器件反射表面λ1·d+λ1/4光程长度处，其中
λ1是从600nm到900nm的波段中的波长，
d是大于或等于0的整数，且
反射表面反射至少50％的λ1的入射光。
20.权利要求19的光敏器件，其中反射表面由第一电极、第二电极和反射体中之一提供。
21.权利要求19的光敏器件，所述系列有机光活性层是位于第一电极和第二电极之间的光活性单元叠层内的第一单元的一部分，所述器件还包括光活性单元的叠层的第二单元，该第二单元包含另外的施主-受主异质结，
其中第一单元和第二单元具有不同的吸收特性，
在λ1±5％波长范围内第一单元的平均吸收大于第二单元的平均吸收，和
在λ2±5％波长范围内第二单元的平均吸收大于第一单元的平均吸收，其中λ1≥λ2+10％。
22.权利要求1的光敏器件，所述系列有机光活性层还包含位于第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的块体或混合施主-受主层，所述块体或混合施主-受主层既包括第一有机光活性层的第一基质材料又包括第三有机光活性层的第三基质材料。
23.权利要求1的光敏器件，所述系列有机光活性层还包含位于第一有机光活性层和第三有机光活性层之间的含有第四基质材料的第四有机光活性层，
其中第四基质材料与第一基质材料、第二基质材料和第三基质材料不同，且
其中所述第四有机光活性层相对于第一有机光活性层充当受主或者相对于第三光活性层充当施主，并且从第四有机光活性层内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。
24.权利要求1的光敏器件，其中在第二有机光活性层的整个区域中，从第二有机光活性层的第二基质材料内任一点到该层边界的距离不大于一个激子扩散长度。
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