CN101375425A - 具有隧穿势垒嵌在有机基质中的量子点的中能带光敏器件 - Google Patents

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Abstract

多个量子点，每个量子点具有外壳。将所述量子点嵌入在有机基质中。至少所述量子点和所述有机基质是光导半导体。将每个量子点的所述外壳设置为隧穿势垒，以要求在所述有机基质中的所述隧穿势垒基部处的电荷载流子(电子或空穴)执行量子机械隧穿，从而到达所述各个量子点。每个量子点中的第一量子态在所述有机基质的最低未占分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)之间。所述多个量子点的所述第一量子态的波函数可以重叠以形成中能带。

Description

具有隧穿势垒嵌在有机基质中的量子点的中能带光敏器件
美国政府权利
在美国政府的支持下，根据由美国能源部、国家再生能源实验室签订的合同第339-4012号作出本发明。美国政府在本发明中具有特定的权利。
联合研究协议
所要求保护的发明代表联合的大学-公司研究协议的以下团体中的一个或多个的利益或与之相关：Princeton University，The Universityof Southern California和Global Photonic Energy Corporation。该协议在所要求保护的发明作出之前一直有效，且作为在协议范围内进行的活动结果作出所要求保护的发明。
技术领域
本发明总体上涉及光敏光电器件。更具体地说，涉及具有在有机半导体基质中提供中能带的有机或无机量子点的中能带光敏光电器件。
背景技术
光电器件依靠材料的光学和电学属性，以电子地产生或探测电磁辐射，或从环境电磁辐射产生电。
光敏光电器件将电磁辐射转变为电信号或电。太阳能电池，也称作光生伏打(“PV”)器件，是一种光敏光电器件，特别用来产生电能。光电导体电池是一种光敏光电器件，与信号探测电路结合使用，其中，信号探测电路监测器件的电阻以探测由于吸收光而引起的变化。光电探测器，可以接收施加的偏压，是一种光敏光电器件，与电流探测电路结合使用，电流探测电路测量光探测器暴露于电磁辐射时产生的电流。
根据是否存在下面限定的整流结以及也根据该器件是否利用外部施加电压而工作，可以区分这三类光敏光电器件，外部施加的电压亦称为偏置或偏压。光电导体电池不具有整流结，以及通常利用偏压工作。PV器件具有至少一个整流结以及不利用偏压工作。光探测器具有至少一个整流结以及通常但不是一直利用偏压工作。
在此使用的术语“整流”表示，尤其，具有不对称导电特性的界面，即，优选在一个方向上支持电荷传输的界面。术语“光电导的”通常涉及其中吸收电磁辐射能并由此转化为电荷载流子的激发能，以便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”指利用它们吸收电磁辐射的性能来产生电荷载流子的半导体材料。除非规定第一层“物理接触”或“直接接触”第二层，否则可以有插入层。
当在有机半导体材料上入射适当能量的电磁辐射时，光子可以被吸收，以产生激发态。在有机光导材料中，产生的激发分子态通常被认为是“激子”，即，作为准粒子传输的束缚态中的电子-空穴对。在成对再结合之前(“淬火”)，所述成对再结合指初始电子和空穴互相再结合，(与来自其它对的空穴或电子再结合相反)，激子可以具有可估计的寿命。为了产生光电流，典型地在整流结处分开形成激子的电子和空穴。
激子也形成在无机半导体中。但是，无机材料中的电子和空穴之间的库仑作用弱于有机材料，以致在无机材料中，在到达整流结之前，电子和空穴可能脱离。
在光敏器件的情况下，整流结被称为光生伏打异质结。为了在占据大量体积的光生伏打异质结处内部地产生电场，通常的方法是利用适当地选择的半导体属性并置(juxtapose)两个材料层，特别相对于它们的能态分布。
有机光生伏打异质结的类型包括在施主材料和受主材料的界面处形成的施主-受主异质结和在有机光电导材料和金属的界面处形成的肖特基-势垒异质结。无机光生伏打异质结的类型包括在p-型掺杂材料和n-型掺杂材料的界面处形成的p-n异质结和在无机光电导材料和金属的界面处形成的肖特基-势垒异质结。光生伏打异质结也可以在无机材料和有机材料之间的界面处形成。
在有机光生伏打异质结中，将形成异质结的材料表示为施主或受主。在有机材料的环境中，术语“施主”和“受主”指两种接触但是不同有机材料的最高占据分子轨道(“HOMO”)和最低未占分子轨道(“LUMO”)能级的相对位置。如果与另一材料接触的一种材料的LUMO能级较低，那么该材料是受主。否则是施主。在没有外部偏压的情况下，对于施主-受主结处的电子移动到受主材料中是积极有利的。
有机半导体和绝缘体可以具有在HOMO下面和LUMO上面的额外的离散的分子轨道，典型地，被确定为HOMO-1、HOMO-2、LUMO+1、LUMO+2等。
有机材料的“施主”和“受主”的使用具有与无机材料不同的含义。在有机材料的环境中，术语“施主”和“受主”指两种接触但是不同材料的HOMO和LUMO能级的相对位置。这与无机内容中的这些术语的使用相反，在无机材料中，“施主”和“受主”指掺杂原子的类型，掺杂原子可以用来分别产生无机n-和p-型层。
半导体和绝缘体的一个共同特点是“带隙”。带隙是用电子填充的最高能级和通常为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，该能量差是价带边缘EV(价带的顶部)和导带边缘EC(导带的底部)之间的差值。在有机半导体或有机绝缘体中，该能量差是HOMO和LUMO之间的差值。纯材料的带隙缺乏电子和空穴可能存在的能量态。用于传导唯一可用的载流子是电子和空穴，这些电子和空穴具有足够的被激发的能量穿越带隙。通常，与绝缘体相比，半导体具有较小的带隙。
根据能带/能级模型，无机半导体中的价带电子到导带中的激发产生载流子；亦即，电子是在带隙的导电侧时的电荷载流子，空穴是在带隙的价带侧时的电荷载流子。同样，对于有机半导体，电子是在带隙的未占分子轨道侧上的电荷载流子，空穴是在带隙的占据分子轨道侧上的电荷载流子。更简洁地说，电子是带隙上面的载流子，空穴是带隙下面的载流子。
如果第一能级更靠近真空能级，那么在此使用的第一能级“超过”、“大于”或“高于”第二能级。较高的HOMO能级对应于相对于真空能级具有较小绝对能量的电离电位(“IP”)。类似地，较高的LUMO能级对应于相对于真空能级具有较小绝对能量的电子亲合力(“EA”)。在传统能级图上，在顶部的真空能级，材料的LUMO能级高于相同材料的HOMO能级。
与传统的能带图一样，对于电子，移动到低能级是积极有利的，而对于空穴，移动到高能级是积极有利的(对于空穴，该高能级是低势能，但是相对于能带图是高势能)。更简洁地说，电子下降而空穴上升。
载流子迁移率是无机和有机半导体中的重要属性。迁移率测量电荷载流子响应于电场可以穿过导电材料移动的容易性。在光敏器件的环境中，由于高电子迁移率而优选地可以将通过电子传导的材料称为电子传输材料。由于高空穴迁移率而优选地可以将通过空穴传导的材料称为空穴传输材料。由于器件中的迁移率和/或位置而优选地可以将通过电子传导的层称为电子传输层(“ETL”)。由于器件中的迁移率和/或位置而优选地可以将通过空穴传导的层被称为空穴传输层(“HTL”)。优选地，但不是必须，受主材料(有机)和n-型材料(无机)是电子传输材料；施主材料(有机)和p-型材料(无机)是空穴传输材料。与半导体相比，绝缘体通常提供差的载流子迁移率。
在此使用的术语“有机”包括聚合材料以及小分子有机材料，这些材料可以用来制造有机光电器件。“小分子”指不是聚合物的任意有机材料，“小分子”实际上可能是非常大的。在某些情况下，小分子可以包含重复单元。例如，使用长链烷基作为取代基(substituent)，不从“小分子”类去除分子。也可以将小分子也归入聚合物，例如作为聚合物主链上的侧基或作为主链的一部分。小分子也可以用作树枝状聚合物的核心部分(core moiety)，该核心部分由在核心部分上建立的一系列化学外壳构成。树枝状聚合物的核心部分可以是荧光或磷光小分子发射体。树枝状聚合物可以是“小分子”。通常，小分子具有从分子到分子有相同分子量的定义的化学式，而聚合物具有从分子到分子可能有不同分子量的定义的化学式。在此使用的“有机”包含烃基的金属络合物和异质原子-替代的烃基配位体。
对于有机光敏器件的技术现状的附加背景说明和描述，包括它们的一般结构、特征、材料和特点，在此引入Forrest等人的美国专利6,657,378，Forrest等人的美国专利6,580,027，以及Bulovic等人的美国专利6,352,777作为参考。
发明内容
多个量子点，每个都具有外壳，并被嵌入在有机基质中。至少这些量子点和有机基质是光导半导体。在每个量子点周围的外壳被设置为隧穿势垒，以要求在有机基质中的隧穿势垒基部处的电荷载流子(电子或空穴)执行量子机械隧穿，从而到达各个量子点。每个量子点中的第一量子态在其中嵌入量子点的有机基质的最低未占分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)之间。该多个量子点的第一量子态的波函数可以重叠，以形成中能带。
在载流子为电子的情况下，第一量子态是量子点中的带隙上面的量子态。在载流子为空穴的情况下，第一量子态是量子点的带隙下面的量子态。
每个量子点也可以具有第二量子态。在电荷载流子是电子的情况下，第二量子态在第一量子态上面，并在有机基质的LUMO的±0.16eV范围内。在电荷载流子是空穴的情况下，第二量子态在第一量子态下面，并在有机基质的HOMO的±0.16eV范围内。
隧穿势垒的高度是隧穿势垒的峰值和基部之间的能级差值的绝对值。其中，隧穿势垒的高度和电位分布以及在每个量子点周围的外壳厚度的组合可以对应于电荷载流子将从有机基质隧穿到各个量子点中的在0.1和0.9之间的隧穿概率。对于在0.1和0.9之间的隧穿概率，外壳的厚度优选在0.1至10纳米的范围内。
更优选地，隧穿势垒的高度和电位分布以及每个量子点周围的外壳的厚度的组合对应于电荷载流子将从有机基质隧穿到各个量子点中的0.2和0.5之间的隧穿概率。对于0.2和0.5之间的隧穿概率，外壳的厚度优选在0.1至10纳米的范围内。
有机基质可以由光导小分子半导体构成，或可以由光导聚合物半导体构成。
如果每个量子点由无机半导体构成，那么在各个量子点周围的外壳可以是无机半导体、无机电绝缘体、有机半导体或有机电绝缘体。
对于由无机半导体构成的量子点，可以将嵌入的量子点设置在还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层的器件中，将嵌入在该有机基质中的量子点设置在施主层和受主层之间。在载流子是电子的情况下，施主层的最低未占分子轨道(LUMO)优选高于隧穿势垒的峰值。在载流子是空穴的情况下，受主层的最高占据分子轨道(HOMO)优选低于隧穿势垒的峰值。
如果每个量子点由有机半导体构成，那么在各个量子点周围的外壳可以是有机半导体或有机电绝缘体。
对于量子点是有机半导体，那么可以将嵌入的量子点设置在还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层的器件中，将该有机基质中嵌入的量子点设置在施主层和受主层之间。在载流子是电子的情况下，施主层的最低未占分子轨道(LUMO)优选高于隧穿势垒的峰值。在载流子是空穴的情况下，受主层的最高占据分子轨道(HOMO)优选低于隧穿势垒的峰值。
多个量子点的量子点和在各个点周围的外壳可以被结合为一个树枝状聚合物分子。在此情况下，树枝状聚合物分子的核心部分可以用作量子点，树枝状聚合物分子的化学外壳可以用作隧穿势垒，即，在量子点周围的外壳。
对于每个量子点，外壳厚度优选在0.1至10纳米的范围内。更优选地，在0.1至10纳米的范围内，外壳的厚度等于不超过穿过各个量子点中心的平均截面厚度的10％，。
可以将嵌入的量子点设置在诸如太阳能电池的光敏器件中。
附图说明
图1示出了中能带太阳能电池。
图2A和2B是无机基质材料中的无机量子点的截面的能带图，在提供中能带的导带中具有最低量子态。
图3A和3B是无机基质材料中的无机量子点的截面的能带图，在提供中能带的价带中具有最高量子态。
图4是图1的中能带太阳能电池的能带图，具有图2A和2B中所示的无机基质材料中的无机量子点。
图5示出了通常是理想化的并在胶状溶液形成的图1中的器件中的量子点阵列的截面。
图6是无机基质材料中的无机量子点的截面的能带图，示出了经过电子的去激发和俘获。
图7示出了图5中所示的量子点阵列的截面图，被改进为包括隧穿势垒。
图8A和8B是有机基质材料中嵌入的无机量子点的截面的能带图。该量子点包括如图7所示的隧穿势垒，在提供中能带的带隙上面具有最低量子态。
图9是基于图1中的设计的中能带太阳能电池的能带图，包括如图8A和8B所示的无机量子点。
图10A和10B是有机基质材料中嵌入的无机量子点的截面的能带图。该量子点包括如图7所示的隧穿势垒，在提供中能带的带隙下面具有最高量子态。
图11是基于图1中的设计的中能带太阳能电池的能带图，包括如图10A和10B所示的无机量子点。
图12A和12B是有机基质材料中嵌入的无机量子点的截面的能带图。该量子点包括如图7所示的隧穿势垒，在提供中能带的带隙上面具有最低量子态。
图13A和13B是有机基质材料中嵌入的无机量子点的截面的能带图。该量子点包括如图7所示的隧穿势垒，在提供中能带的带隙下面具有最高量子态。
图14是基于图1中的设计的中能带太阳能电池的能带图，包括如图12A和12B所示的有机量子有机点。
图15是基于图1中的设计的中能带太阳能电池的能带图，包括如图13A和13B所示的有机量子有机点。
图16-18示出了有机基质中具有隧穿势垒的量子点的截面设置的附加示例。
图19和20表示穿过矩形势垒的隧穿。
图21表示三角形隧穿势垒。
图22表示抛物线隧穿势垒。
这些图不必按比例绘制。
具体实施方式
为了提高太阳能电池的效率正研究的一种方法是使用量子点在太阳能电池的带隙内产生中能带。量子点将三维中的电荷载流子(电子、空穴和/或激发子)限制为离散量子能态。每个量子点的截面尺寸典型地约为数百埃或更小。在其他方法之中，通过重叠点之间的波函数，可区分中能带结构。“中间”能带是通过重叠波函数形成的连续微带。尽管波函数重叠，但是在相邻点之间没有物理接触。
图1示出了中能带器件的例子。该器件包括第一接触件110、第一过渡层115、在半导体块状基质材料120中嵌入的多个量子点130、第二过渡层150以及第二接触件155。
在由无机材料制成的器件中，一个过渡层(115、150)可以是p-型，另一过渡层是n-型。块状基质材料120和量子点130可以是本征的(未掺杂)。过渡层115、150和块状基质材料120之间的界面可以提供整流，极化器件内流动的电流。
层的这些相同基本图案也可以用于由有机材料或有机和无机材料的混合物制成的器件。例如，过渡层(115，150)可以包括施主层和受主层，相对于块状基质材料120具有能级偏移，以致过渡层和块状基质材料之间的界面提供整流。作为有机或无机材料的替换，可以通过接触件(110，155)和过渡层(115，150)之间的界面，提供电流整流。
根据能带的设置，中能带可以对应于量子点130中的带隙上面的最低量子态，或量子点130中的带隙下面的最高量子态。
图2A、2B、3A和3B是穿过无机块状基质材料120中的示例无机量子点130的截面的能带图。在该点内，将导带分为量子态275，以及将价带分为量子态265。
在图2A和2B中，点的导带中的最低量子态(Ee，1)提供中能带280。具有能量hv1的第一光子的吸收使电子能量增加EL，将电子从价带激发到该量子点的导带电子基态Ee，1。具有能量hv2的第二光子的吸收使电子能量增加EH，将电子从该量子点的基态Ee，1激发到块状半导体120的导带边缘，因此，电子对光电流无贡献。具有能量hv4的第三光子的吸收使电子能量增加EG，将电子从价带直接激发到导带中(这也可能发生在块状基质材料120本身中)，因此电子对光电流无贡献。
在图3A和3B中，价带中的最高量子态(Eh，1)提供中能带280。具有能量hv1的第一光子的吸收使具有能量Eh，1的电子能量增加EH，将电子从带隙的价带侧激发到导带中，由此产生电子-空穴对。概念上，这些可以被认为通过EH激发导带中的空穴，由此将空穴移动到Eh，1量子态中。具有能量hv2的第二光子的吸收使空穴的势能增加EL，将电子从该量子点的基态Eh，1激发到块状半导体120的价带边缘，因此空穴对光电流无贡献。
图4示出了利用具有图2A和2B表示的分布图的点阵列的中能带器件的能带图。相邻量子点之间的Ee，1能态的重叠波函数的集合(aggregate)在块状基质半导体120的导带边缘(EC)和价带边缘(EV)之间提供中能带280。在相同的器件中，如果省略量子点，那么能量hv4的光子的吸收产生电子-空穴对，由此产生光电流。中能带280允许两个子带隙光子hv1和hv2的吸收，导致附加光电流的产生。在图4中，设置过渡层115和150以产生整流。
具有相同基本结构的类似中能带设置可以使用有机半导体来制造，以及使用有机半导体的混合物，作为块状基质材料，和使用无机半导体，作为量子点。如果使用有机块状基质材料120，那么过渡层(115，150)可以包括有机施主层和有机受主层。如果使用具有有机块状基质材料的无机量子点，那么Ee，1或Eh，1能态可以提供中能带。如果使用具有有机块状基质材料的无机量子点，那么该点的LUMO或HOMO可以提供中能带。
图5示出了包括阵列球形量子点的器件的截面图。实际上，该点的实际形状取决于制造技术的选择。例如，可以在胶状溶液中，如巳知的“溶胶-凝胶”工艺，形成无机量子点，作为半导体纳米微晶。即使实际的点不是真正的球面，球面可以提供精确模型。
关于无机中能带量子点器件及制造的附加背景，参见A.Marti等人的＂Design constraints of quantum-dot intermediate band solar cell，＂Physica E 14，150-157(2002)；A.Luque等人的＂Progress towards thepractical implementation of the intermediate band solar cell，＂ConferenceRecord of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference，1190-1193(2002)；A.Marti等人的＂Partial Filling of a Quantum DotIntermediate Band for Solar Cells，＂IEEE Transactions on ElectronDevices，48，2394-2399(2001)；Y.Ebiko等人的＂Island Size Scaling inInAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots，＂Physical Review Letters 80，2650-2653(1998)；以及Petroff等人的U.S.Patent 6,583,436B2(June 24，2003)；在此引入每个文献作为参考，用于描述技术现状。
尽管形成改进器件性能的中能带，但是该结果未能解决光电流的预期理论改进。已确定的一个问题是通过自由载流子的量子点俘获，该自由载流子的量子点将另外有助于光电流。图6示出了当电荷载流子衰退到激发态Ee，2(601)或基态Ee，1(602，603)时，自由电子被量子点130俘获。该去激发处理减小光电流，因为能量被吸收到作为声子的晶格中。类似地，空穴也发生载流子去激发和俘获。由此，为了提高中能带太阳能电池的性能，需要减小由于电荷俘获引起的载流子去激发。
用于减小去激发俘获的解决办法是用薄的势垒壳包封每个量子点，以要求载流子执行量子机械隧穿，从而进入该点。在经典力学中，当电子撞击高电位的势垒时，它完全由电位“壁“约束。在量子力学中，该电子可以由其波函数表示。该波函数不会在有限电位高度的壁处突然终止，它可以穿透该势垒。这些相同的原理也应用于空穴。电子或空穴隧穿通过有限高度的势垒的概率Tt不是零，该概率Tt可以通过求解公式来确定。根据Tt，在势垒的另一侧上简单地再现电子或空穴撞击势垒。关于量子机械隧穿现象和
Figure A200680052810D0020124844QIETU
公式的附加背景论述，参见下面图19-22的论述，以及Robert F.Pierret，＂Modular Series On Solid State Devices Volume VI，AdvancedSemiconductor Fundamentals，＂Chapter 2，Elements of QuantumMechanics，25-51，Addison-Wesley Publishing(1989)；以及Kwok K.Ng，＂Complete Guideto Semiconductor Devices，＂2d ed.，Appendix B8，Tunneling，625-627，Wiley-Interscience(2002)。在此引入Pierret和Ng的这些章节作为它们的背景说明的参考。
图7是量子点阵列的概括截面图，将每个量子点改进为包括隧穿势垒140。量子点130和在量子点130周围的隧穿势垒140可以是在本质上和分子上互相不同，或可以被集成为单个树枝状聚合物分子的核心部分和外壳。
图8A和8B是表示有机基质材料中120的无机量子点130的能带图。量子点130已经被改进为包括用于电子的隧穿势垒140。对于有机基质中的无机量子点，可以从无机或有机材料构造隧穿势垒。带隙上面的第一量子态提供中能带280。一些自由电子将被隧穿势垒排斥(801)。这种电子仍然可以有助于光电流。一些自由电子将通过隧穿势垒(802)隧穿到该点中，然后从该点出去。
如果理论上考虑势垒140，从势垒的两侧中的任何
一侧，自由电子将隧穿通过它的概率是相同的。例如，如果势垒存在0.5的隧穿概率(Tt)，那么撞击势垒的电子(具有能量E)有50％的机会将隧穿。但是，由于空间的限制，具有LUMObulk或更高能量的电子不断地碰撞该势垒，因此量子点本身内的小区域限制导致在致使电子下降到较低能态的放松和/或去激发之前，个别电子将更可能逸出。
通过具有能量hv1的光子，该点内的带隙下面的电子被激发为提供中能带的第一量子态(例如，Ee，1)。由该中能带，具有能量hv2的光子将电子激发到它将通过(803)隧穿势垒140隧穿到块状基质材料120的LUMObulk能级的能量。此外，具有能量hv3的光子可以激发势垒140上面(804)的电子。势垒上面被激发的电子具有ΔE1的过剩能量。该过剩能量ΔE1随势垒上面被激发的电子衰退到LUMObulk能级而迅速地损失。与没有隧穿势垒140的情况下俘获的能量损失相比，该过剩能量的损失是较次要的，通常，发生在电子可能被相邻点俘获之前(即，进入隧穿势垒140上面的而不是穿过隧穿势垒140的相邻量子点)。
能量hv4的光子可以将电子从HOMObulk能级直接激发到它通过(805)隧穿势垒140隧穿到块状基质材料120的LUMObulk能级的能级。此外，具有能量hv5的光子可以从势垒140上面(806)的HOMObulk能级直接激发电子。
为了进一步最小化经过该点(802)和从该点出去的自由电子将受到去激发的概率，优选第二量子态(例如，Ee，2)基本上等于块状材料的LUMObulk能级。特别地，第二量子态优选在LUMObulk能级的±5kT范围内，(k是波耳兹曼常数和T是工作温度)，由此在第二量子态和LUMObulk能级之间产生重叠。自由电子，如果在对应于该点内的禁带能级的能量下，进入该点，那么由于去激发，在统计上更可能被俘获，通过在LUMObulk能级的±5kT内的量子点中定位第二量子态，俘获的概率减小。
用于有机光敏器件的工作温度通常被规定为T＝-40℃至+100℃的温度范围。因此，使用+100℃作为最大极限并求出对于±5kT(即，5×1.3806505E-23(J/K)/1.602E-19(J/eV)×(T℃+273.15)°K)，第二量子态应该在块状基质材料120的带隙边缘的±0.16eV的范围内。
图9是使用来自图8A和8B的量子点的器件的能带图。设置过渡层115(施主)和过渡层150(受主)以产生整流，由此控制电流流动方向，并提供用于电子-空穴分离的界面。过渡层115，150优选是光导体，有助于通过该器件产生的光电流。根据量子点和过渡层115之间的相对接近度和电子逸出势垒140上面(804或806)的点至衰退为LUMObulk能级需要花费的时间，对于某些结构，逸出势垒140上面的点的电子可能具有足够的能量，以产生流入过渡层115的反向电流。因此，根据接近度和衰变时间，应该对ΔE3给予考虑，ΔE3是过渡层115的LUMO和隧穿势垒140的峰值之间的差值。为了在与过渡层115的界面处保持整流，过渡层115的LUMO优选大于隧穿势垒的峰值。如果隧穿势垒140是有机的，那么该峰值是LUObarrier峰值。如果隧穿势垒140是无机的，那么该峰值是导带边缘(EC，barrier)峰值。
图10A和10B是表示有机基质材料120中的无机量子点130的能带图。已经将量子点130改进为包括用于空穴的隧穿势垒140。对于有机基质中的无机点，可以从无机或有机材料构造该隧穿势垒。带隙下面的第一量子态提供中能带280。一些空穴将被隧穿势垒排斥(1001)。这种空穴仍然可以有助于光电流。一些空穴将通过隧穿势垒(1002)隧穿到该点中，然后从该点出去。
如同上面用图8A和8B论述的电子示例一样，由于空间限制，具有HOMObulk或更低能量的空穴不断地撞击在势垒上，因此量子点本身内的限制小区域导致在放松和/或去激发之前个别空穴将更可能逸出，致使空穴“下降”到较高能态。
在该点内，通过具有能量hv1的光子，带隙上面的空穴被激发为第一量子态(例如，Eh，1)，提供中能带。如同上面用图3A和3B论述的原理一样，LUMO中的空穴的激发概念上可与中能带中的电子-空穴对产生，以及电子被激发到LUMO中和空穴被留在中能带中互换。
由该中能带，具有能量hv2的光子可以激发空穴至它将通过(1003)隧穿势垒140隧穿到块基质材料120的HOMObulk能级的能量。此外，具有能量hv3的光子可以激发势垒140(1004))上面的空穴(由于空穴上升，使用“上面”)。势垒上面被激发的空穴具有ΔE2的过剩能量。该过剩能量ΔE2随势垒上被激发的空穴衰退至HOMObulk能级而迅速地损失。与没有隧穿势垒140的情况下俘获的能量损失相比，该过剩能量的损失是较次要的，通常，发生在空穴可能被相邻点俘获之前(即，进入隧穿势垒140上面的而不是穿过隧穿势垒140的相邻点)。
能量hv4的光子可以从HOMObulk能级直接激发电子到它穿过(1005)隧穿势垒140隧穿到块状基质材料120的LUMObulk能级的能级。此外，具有能量hv5的光子可以从势垒140上面(1006)的LUMObulk能级直接激发空穴。
为了进一步最小化经过该点(1002)和从该点出去的空穴将受到去激发的概率，优选该量子点的价带的第二量子态(例如，Eh，2)基本上等于块状材料的HOMObulk能级。具体地，第二量子态应该在块状材料的HOMObulk能级的±5kT的范围内，由此在第二量子态和HOMObulk能级之间产生重叠。空穴，如果进入对应于该量子点内的禁带能级的能量的点，那么由于去激发，在统计上更可能被俘获；通过在LUMObulk能级的±5kT范围内的量子点中定位第二量子态，俘获的概率减小。
图11是使用来自图10A和10B的量子点的器件的能带图。再次设置过渡层115(施主)和过渡层150(受主)以产生整流，由此控制电流流动方向，并提供用于电子-空穴分离的界面。过渡层115，150优选是光电导，有助于通过该器件产生的光电流。根据该量子点和过渡层150之间的相对接近度和空穴逸出势垒140(1004或1006)上面的点以衰退至HOMObulk能级所需要花费的时间，对于某些结构，逸出势垒140上面的点的空穴可以具有足够的能量，以产生流入过渡层150的反向电流。因此，根据接近度和衰变时间，应该对ΔE4给予考虑，ΔE4是过渡层150的HOMO和隧穿势垒140的峰值之间的差值。为了在与过渡层150的界面处保持整流，过渡层150的HOMO边缘优选低于隧穿势垒的峰值。如果隧穿势垒140是有机的，那么该峰值是HOMObarrier峰值。如果隧穿势垒140是无机的，那么该峰值是价带边缘(EV，barrier)峰值。
在此使用的隧穿电子的势垒“峰值”是势垒的最高能量边缘(即，最高电位)，而“基部”与在势垒的界面处的块状基质材料中的能级同量。隧穿空穴的势垒“峰值”是势垒的最低能量边缘(即，相对于能带图的最小电位)，而“基部”与在势垒的界面处的块状基质材料中的HOMObulk能级同量。
有机分子上的载流子紧密地束缚到分子轨道，缺乏块状无机材料的电荷-云连续特性。有机分子可以具有附加的高阶离散量化级如LUMO+1、LUMO+2、HOMO-1、HOMO-2等。除非逸出势垒140上面的量子点130(即，804，806，1004，1006)的载流子处于靠近有机块状基质120的高阶轨道(例如，HOMO-1、HOMO-2、LUMO+1、LUMO+2)的能量，否则载流子将朝着带隙的方向跃迁到允许的能态。优选，为了最小化势垒上的电荷载流子俘获，选择势垒140和块状基质120材料，以避免在势垒峰值的±5kT范围内定位的块状基质中具有高阶轨道。
在图8A和8B说明和呈现的无机量子点的特性是，无机量子点，Ee，1量子态可以对应于或可以不对应于量子点材料的导带边缘(带隙的顶部)。该点材料的带隙通常图示为似乎它是块状材料，即使在量子点内设置的材料边缘不是“允许的”量子态。无机量子点内允许的量子态的位置取决于波函数。作为巳知技术，可以设置波函数/量子态的位置。如图8A和8B的所示，这可能导致Ee，1量子态被定位远离带隙边缘。换句话说，无机量子点中的带隙边缘不必是允许的量子态。这些特性也应用于无机量子点的价带侧(即，图10A和10B中的Eh，1)。这不同于其中限定带隙的HOMO和LUMO一直是允许态的有机量子点的性能。
如果无机量子点通常在胶状溶液形成为纳米微晶，那么此后使用，例如，相同胶质方法、化学气相淀积(CVD)、势垒材料的蒸发或将纳米微晶浸渍到溶液或氧化剂中，可以添加无机半导体或无机绝缘体作为隧穿势垒140。如果采用有机半导体或有机绝缘体作为隧穿势垒140，那么可以通过例如，有机气相淀积(OVPD)或通过将该量子点浸渍到溶液中，添加有机势垒。
可以一层接一层地淀积势垒覆盖的无机量子点和有机块状基质材料的阵列，在每个层中淀积该点作为一列线。该势垒覆盖的无机量子点也可以与有机块状基质材料一起在真空中共淀积，点和块状基质材料的组合形成胶态分散体(悬浮液)。该有机块状基质材料用作分散介质。通过应用克勒尼希-彭尼(Kronig-penney)模型，可以选择块状基质材料内的点的合适浓度。
图12A、12B、13A和13B是包括有机隧穿势垒的有机基质材料中的有机量子点的截面的能带图。能量过渡、隧穿操作和设计考虑包括上面分别用图8和图10论述的那些。参考图12A和12B，通过LUMOQD提供第一量子态(即，作为中能带280)，通过LUMO+nQD(n≥1)提供第二量子态。参考图13A和13B，通过HOMOQD提供第一量子态(即，作为中能带280)，以及通过HOMO-nQD(n≥1)提供第二量子态。
具有有机量子点的器件与具有无机量子点的器件的区别特点是限定带隙边缘的LUMO和HOMO状态一直是允许的能态，相反，对于无机量子点，Ee，1和Eh，1量子态可以对应于或可以不对应于带隙边缘。
尽管可以使用利用隧穿势垒覆盖的任意光导有机材料(例如，聚合物，如短-链型聚合物)，但是每个有机量子点130优选由小分子或树枝状聚合物分子光导材料制成。每个有机量子点可以是一个或多个分子，优选具有约为相关电荷载流子(空穴或电子)的德布罗意波长的横截面尺寸，典型地约为数百埃或更小。如同无机点一样，优选地将该点设置为点之间的波函数重叠，以形成微带。
通过例如，有机气相淀积(OVPD)或通过将该量子点浸渍到溶液中，可以将有机隧穿势垒140添加到有机量子点130。隧穿势垒140也可以形成为树枝状聚合物的外壳，用作量子点130的树枝状聚合物的核心部分。
可以一层接一层地淀积势垒覆盖的无机点和有机块状基质材料的阵列，在每个层中淀积该点作为一列线。势垒覆盖的无机量子点也可以与有机块状基质材料一起在真空中共淀积，点和块状基质材料的组合形成胶态分散体(悬浮液)。块状基质材料用作分散介质。通过应用克勒尼希-彭尼模型，可以选择块状基质材料内的点的合适浓度。
图14是使用来自图12A和12B的量子点的器件的能带图。图15是使用来自图13A和13B的量子点的器件的能带图。设计考虑包括上面分别用图9和图11论述的那些。
图16-18示出了在有机基质中具有隧穿势垒140的量子点的截面设置的附加示例。与另一示例一样，该量子点可以是有机的或无机的。
图16示出了其中将块状基质120设置为施主层的施主-受主异质结。图17示出了其中将块状基质120设置为受主层的施主-受主异质结。
图18示出了通过两个不同的块状基质形成的施主-受主异质结。将第一块状基质120设置为施主，将第二块状基质120＇设置为受主。两种块状基质中的量子点130，130＇可以由相同的材料或不同的材料制成。同样，可以将一组点势垒140、140＇设置为用于空穴隧穿，以及可以将另一组点势垒设置为用于电子隧穿，或可以将施主-受主界面的两侧上的点和点势垒设置为用于相同类型的隧穿。施主-受主界面的每一侧上的中能带280的能级可以不同，经由点，横穿各个块状基质的带隙(即，穿过中能带)，运送电荷载流子需要的入射光子能量也可以不同。
如上所述，对于任意有机量子点130，可以构成该点的有机半导体材料的示例包括光导小分子、光导树枝状聚合物分子以及光导聚合物分子。
对于任意无机量子点130，可以构成该点的无机光导半导体材料的示例包括III-V化合物半导体，如AlAs、AlSb、AlP、AlN、GaAs、GaSb、GaP、GaN、InAs、InSb、InP以及InN；II-VI化合物半导体，如CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe以及ZnTe；其它的化合物半导体如PbS、PbSe、PbTe以及SiC；以及这些化合物半导体的三元和四元合金。
对于任意无机隧穿势垒140，可以形成势垒的材料示例包括上述的无机半导体材料以及绝缘体如氧化物、氮化物或氮氧化物。怎样选择具有适当的相对能量的材料是众所周知的技术，并不在这里解决。
对于有机或无机量子点使用的任意有机隧穿势垒140，可以形成势垒的材料示例包括聚合物、硫醇、树枝状聚合物、烷链以及有机氧化物。
如果将树枝状聚合物用作量子点，那么量子点130和势垒层140都可以结合(integrate)为一个树枝状聚合物分子。具体地，将树枝状聚合物的核心部分用作量子点130，以及树枝状聚合物的外壳用作势垒层140。在可选的情况下，树枝状聚合物分子的整体可用作量子点130，具有作为势垒层140的分开敷层(即，聚合物、硫醇、烷链、有机氧化物或不同的树枝状聚合物的敷层)。
对于任意有机块状基质材料120，可以形成有机基质的材料的示例包括聚合物和小分子光导材料。
图19-22进一步表示量子机械隧穿的原理。下面的说明和公式基于＂Complete Guide to Semiconductor Devices，＂2d ed.，by Kwok K.Ng，Appendix B8，Tunneling，625-627，Wiley-Interscience(2002)。该说明和公式已经改进，其中，除电子之外包含空穴。此外，尽管量子点材料和势垒材料中的载流子的有效质量通常不显著地改变，但将是该公式修改为使用为变化而调整的折合有效质量。
通常，不考虑是否使用有机和/或无机材料来建立光敏器件，如果载流子相对于势垒高度的能级E是巳知的，那么决定载流子的隧穿概率Tt需要三个参数：隧穿势垒的峰值和载流子的能量之间差值的绝对值(φb)、载流子的能级处的势垒厚度(Δx)以及势垒的电位分布U(x)。势垒的电位分布U(x)有时被称为势垒的“形状”。在图19中示出了通过矩形势垒电子隧穿的示例。
作为巳知技术，为了计算电子的隧穿概率Tt，必须由公式决定波函数
Figure A200680052810D0029125432QIETU
：
Figure A200680052810D00291
Figure A200680052810D00292
是载流子(在此情况下，电子)的折合有效质量，是约化普朗克常数，以及q是电子电荷。
电荷载流子的折合有效质量是：
1 m r * = 1 m QD * + 1 m barrier * - - - ( 2 )
其中，是量子点中的电荷载流子的有效质量，以及是势垒材料中的电荷载流子的有效质量。
由于势垒的电位分布U(x)没有迅速地改变，使用Wentzel-Kramers-Brillouin近似法，可以简化公式(1)，以及综合确定波函数：
Figure A200680052810D00296
由于电子的存在概率与波函数量值的平方成比例，通过下式给出隧穿概率Tt：
对于图19所示的矩形势垒的情况，由下面的公式给出隧穿概率的求解公式(4)：
Figure A200680052810D00298
通过采用φb的绝对值，公式(5)也应用于空穴隧穿，如图20所示(除图19中所示的电子隧穿之外)，然后重新设置该公式，以求出载流子的能级处势垒的厚度(Δx)，给出：
Figure A200680052810D00299
其中，
Figure A200680052810D002910
是电荷载流子(电子或空穴)的折合有效质量。
从观察点设计，优选基于隧穿势垒的基部处的能级，选择势垒的厚度Δx。在有机块状基质120中，HOMO和LUMO能级的量子化特性使之近似确定到达势垒140的电子将具有基部的能级。(如果有存在插入的可以延迟去激发到基级的HOMO-1或LUMO+1，一种例外可能是在势垒上面的载流子；但是即使发生这些，具有基本能量的载流子将仍然占主导)。
如果电荷载流子的能量E等于隧穿势垒基部的能级，那么|φb|等于势垒高度的绝对值，是隧穿势垒的峰值和基部处的能级之间的差值。这些能级是用于块状基质材料120和势垒材料140的材料的物理特性。例如，在图19中，势垒高度等于势垒材料的LUMO(有机)或导带边缘EC(无机)减去块状基质材料的LUMO；在图20中，势垒高度等于势垒材料的HOMO(有机)或价带边缘EV(无机)减去块状基质材料的HOMO。势垒材料
Figure A200680052810D00301
中和量子点材料
Figure A200680052810D00302
中的电荷载流子的有效质量也是各种材料的物理特性。此外，隧穿势垒基部的厚度
Figure A200680052810D0030105150QIETU
等于隧穿势垒层140的物理厚度。
例如，如果电子隧穿通过无机势垒和近似E为势垒基部的能级，那么公式(6)可以表示为：
Figure A200680052810D00303
如果电子隧穿通过有机势垒和近似E为
势垒基部的能级，那么公式(6)可以表示为：
如果空穴隧穿通过无机势垒和近似E为势垒基部的能级，那么公式(6)可以表示为：
Figure A200680052810D00305
如果空穴隧穿通过有机势垒和近似E为势垒基部的能级，那么公式(6)可以表示为：
Figure A200680052810D00306
因此，如果该材料是巳知的，那么对于任意隧穿概率Tt，可以确定势垒层140的优选厚度Δx。
在隧穿势垒140的边界不存在显著的扩散或其它材料混合，隧穿势垒的电势分布U(x)通常可以近似为矩形。此外，对于材料的任意组合，根据公式(7)，势垒层需要的厚度与隧穿概率的自然对数的负数成正比：
Figure A200680052810D00311
对于任意函数U(x)，可以导出计算势垒厚度的公式。不考虑隧穿势垒的电势分布U(x)，公式(7)适用。例如，图21示出了三角形势垒以及图19示出了抛物线势垒。
在图21中，可以将电位描述为：
U ( x ) - E = q φ b ( x Δx ) - - - ( 8 )
利用公式(8)求解公式(4)，得出隧穿概率：
Figure A200680052810D00313
公式(9)通过对φb取绝对值也应用于空穴隧穿，然后重新设置该公式，以求出载流子的能级处的势垒厚度(Δx)：
Figure A200680052810D00314
在图19中，可以将电位描述为：
U ( x ) - E = q φ b ( 1 - 4 x 2 Δ x 2 ) - - - ( 11 )
利用公式(10)求解公式(4)，得出隧穿概率：
Figure A200680052810D00316
通过对φb取绝对值，公式(12)也应用于空穴隧穿，然后重新设置该公式，以求出载流子的能级处势垒的厚度(Δx)：
Figure A200680052810D00321
因此，在不考虑隧穿势垒的电势分布图U(x)的条件下，公式(7)适用。
势垒140的隧穿概率优选在0.1和0.9之间。对于任意设计，通过测量光电流输出，可以试验性地确定更精确的概率Tt，由此确定获得的效率。Tt的更优选的范围在0.2和0.5之间。
对于任意给定的隧穿概率Tt，在势垒高度和势垒厚度之间有撞击平衡。看起来，通过减小能量损失以去激发在势垒上面的量子点跳出的而不是隧穿的载流子，使得势垒降低，将增加效率。但是，这引入其它的低效率，由于对于相同的隧穿概率Tt，势垒层将需要变厚，减小专用于产生光电流的器件的容量-百分率。即使该势垒由光导电材料构成，它们未被预计将对光电流产生(由于它们的相对大的带隙)有显著贡献。最终结果是较厚的势垒占据将另外由光导材料构成的空间，降低光电流产生和效率。由此，隧穿势垒的优选厚度极限在0.1至10纳米之间。在0.1至10纳米的范围内，隧穿势垒的厚度优选不超过穿过量子点中心的量子点的平均截面厚度的10％。
是否使用空穴或电子作为隧穿电荷载流子，通常优选地，带隙的相对侧的能级不产生用于相反载流子的陷阱。例如，参考图8A、8B、12A和12B，势垒层140的EV，barrier(无机)或HOMObarrier(有机)优选在块状基质120的HOMObulk的±5kT范围内。这一般±5kT差值也优选在图10A、10B、13A和13B中的量子点的相对侧上的LUMObulk和EC，barrier(无机)或LUMObarrier(有机))之间。可以选择量子点材料来最小化相反载流子的电位“陷阱”的深度。附加地，优选地定位带隙的相对侧的电位“陷阱”内的能态以保持陷阱内的最外量子态在相邻势垒层140的能级的±5kT的范围内，稍微改进经过电子或空穴不被去激发而恰好经过的概率。
量子点内的图中所示的能级数目仅仅是简单的示例。在隧穿侧上，尽管优选至少两个量子态(一个形成中能带和一个被定位为重叠相邻块状基质材料的能级)，但是可以仅仅有提供中能带的单个量子态。同样，尽管优选通过最靠近带隙的量子态形成中能带，但是可以使用更高级的能态。只要相邻点之间的波函数重叠，至于量子态是否可以用作中能带的决定性因素，是通过EL和EH运送载流子需要的两个波长是否将被入射在该点上。
实际上，如果运送载流子穿过该频带需要的两个波长永不入射在量子点上，那么该频带不能用作中能带。例如，如果运送EL或EH需要的一个波长被块状基质材料、阻挡材料等所吸收，那么即使波长入射在光敏器件本身上，它将不会入射在量子点上。对于许多材料，相同的问题限制穿过两个量子态(例如，从价带运送到Ee，1态，然后运送到Ee，2态，然后进入导带)带间运送的实用性。在任何情况下，隧穿势垒140和块状基质材料120需要对具有能量EL和EH的光子基本上透明。选择材料中的平衡的另一考虑是，对直接横穿块状基质120和在点130本身中的块状基质带隙EG(不经过中能带)的迁移载流子的光电流的效率和贡献。
尽管优选设置覆盖的量子点以形成微带，但是在波函数之间不产生重叠的分布仍然可以提高器件的量子效率。此外，在器件内可以使用多个不同类型的覆盖量子点，以加宽对较宽范围的能量的响应性。例如，第一类型的量子点可以响应于具有能量EL1和EH1的光子，第二类型的量子点可以响应于具有能量EL2和EH2的光子，其中EL1、EH1、EL2和EH2都不同。
如上所述，本发明的有机光敏器件可以用来从入射电磁辐射(例如，光生伏打器件)产生电能。该器件可以用来探测入射电磁辐射(例如，光探测器或光导电池)。如果用作光导电池，那么可以省略过渡层115和150。
在此示出和/或描述了本发明的具体例子。但是，应当理解在不脱离本发明的精神和范围条件下，上述启示覆盖对本发明的改进和改变，且落在附属权利要求的范围内。

Claims (46)

1.一种光敏器件，包括：
多个量子点，每个量子点具有外壳；以及
有机基质，所述量子点嵌入在该有机基质中，
至少所述量子点和所述有机基质是光导半导体，
外壳，在每个量子点周围，被设置为隧穿势垒，以要求所述有机基质的最低未占分子轨道(LUMO)中的电子执行量子机械隧穿，从而到达所述各个量子点，以及
第一量子态，在所述有机基质的LUMO和最高占据分子轨道(HOMO)之间的每个量子点中的带隙上面，所述多个量子点的第一量子态的波函数重叠为中能带。
2.根据权利要求1所述的光敏器件，每个量子点还具有第二量子态，其中，所述第二量子态在所述第一量子态上面，并在所述有机基质的LUMO的±0.16eV范围内。
3.根据权利要求1所述的光敏器件，所述隧穿势垒的高度是所述隧穿势垒的峰值和所述有机基质的LUMO之间的能级差值的绝对值，
其中，所述隧穿势垒的高度和电位分布以及在每个量子点周围的所述外壳的厚度的组合对应于电子将从所述有机基质隧穿到各个量子点中的在0.1和0.9之间的隧穿概率。
4.根据权利要求3所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
5.根据权利要求3所述的光敏器件，其中，所述隧穿势垒的高度和电位分布以及在每个量子点周围的所述外壳的厚度的组合对应于电子将从所述有机基质隧穿到所述各个量子点中的在0.2和0.5之间的隧穿概率。
6.根据权利要求5所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
7.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，所述有机基质由光导小分子半导体构成。
8.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，所述有机基质由光导聚合物半导体构成。
9.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，每个量子点由无机半导体构成。
10.根据权利要求9所述的光敏器件，其中，每个量子点都由选自由III-V化合物半导体、II-VI化合物半导体、PbS、PbSe、PbTe、SiC及其三元和四元合金构成的组的化合物半导体构成。
11.根据权利要求9所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由无机半导体或无机电绝缘体构成。
12.根据权利要求11所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由III-V化合物半导体、II-VI化合物半导体、PbS、PbSe、PbTe、SiC及其三元和四元合金构成的组的化合物半导体构成。
13.根据权利要求11所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由氧化物、氮化物和氮氧化物构成的组的无机电绝缘体构成。
14.根据权利要求9所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由有机半导体或有机电绝缘体构成。
15.根据权利要求14所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由聚合物、硫醇、树枝状聚合物、烷链和有机氧化物构成的组的有机材料构成。
16.根据权利要求9所述的光敏器件，还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层，所述量子点嵌入在有机基质中，所述有机基质被设置在施主层和受主层之间，其中，所述施主层的最低未占分子轨道(LUMO)高于由在所述量子点周围的所述外壳提供的所述隧穿势垒的峰值。
17.根据权利要求1所述的光敏器件，其中：
每个量子点由有机半导体构成，以及
在每个量子点周围的所述外壳由有机半导体或有机电绝缘体构成。
18.根据权利要求17所述的光敏器件，其中：
每个量子点由选自由光导小分子、光导树枝状聚合物分子和光导聚合物分子构成的组的第一有机材料构成；以及
在每个量子点周围的所述外壳由选自由聚合物、硫醇、树枝状聚合物、烷链和有机氧化物构成的组的第二有机材料构成。
19.根据权利要求17所述的光敏器件，还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层，所述量子点嵌入在有机基质中，所述有机基质被设置在施主层和受主层之间，其中，所述施主层的最低未占分子轨道(LUMO)高于在所述量子点周围的所述外壳提供的所述隧穿势垒的峰值。
20.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，所述多个量子点的量子点和在所述量子点周围的所述外壳被结合为单个树枝状聚合物分子。
21.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，在每个量子点周围的所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
22.根据权利要求21所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度等于不超过穿过所述各个量子点中心的平均截面厚度的10％。
23.根据权利要求1所述的光敏器件，其中，所述光敏器件是太阳能电池。
24.一种光敏器件，包括：
多个量子点，每个量子点具有外壳；以及
有机基质，所述量子点嵌入在该有机基质中，
至少所述量子点和所述有机基质是光导半导体，
外壳，在每个量子点周围，被设置为隧穿势垒，以要求在所述有机基质的最高占据分子轨道(HOMO)中的空穴执行量子机械隧穿，从而到达所述各个量子点，以及
第一量子态，在所述有机基质的最低未占分子轨道(LUMO)和HOMO之间的每个量子点中的带隙下面，所述多个量子点的第一量子态的波函数重叠为中能带。
25.根据权利要求24所述的光敏器件，每个量子点还具有第二量子态，其中，所述第二量子态在所述第一量子态下面，并在所述有机基质的HOMO的±0.16eV范围内。
26.根据权利要求24所述的光敏器件，所述隧穿势垒的高度是所述隧穿势垒的峰值和所述有机基质的HOMO之间的能级差值的绝对值，
其中，所述隧穿势垒的高度和电位分布以及在每个量子点周围的所述外壳的厚度的组合对应于空穴将从所述有机基质隧穿到所述各个量子点中的在0.1和0.9之间的隧穿概率。
27.根据权利要求26所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
28.根据权利要求26所述的光敏器件，其中，所述隧穿势垒的高度和电位分布以及在每个量子点周围的所述外壳的厚度的组合对应于空穴将从所述有机基质隧穿到所述各个量子点中的在0.2和0.5之间的隧穿概率。
29.根据权利要求28所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
30.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，所述有机基质由光导小分子半导体构成。
31.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，所述有机基质由光导聚合物半导体构成。
32.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，每个量子点由无机半导体构成。
33.根据权利要求32所述的光敏器件，其中，每个量子点由选自由III-V化合物半导体、II-VI化合物半导体、PbS、PbSe、PbTe、SiC及其三元和四元合金构成的组的化合物半导体构成。
34.根据权利要求32所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由无机半导体或无机电绝缘体构成。
35.根据权利要求34所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由III-V化合物半导体、II-VI化合物半导体、PbS、PbSe、PbTe、SiC及其三元和四元合金构成的组的化合物半导体构成。
36.根据权利要求34所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由氧化物、氮化物和氮氧化物构成的组的无机电绝缘体构成。
37.根据权利要求32所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由有机半导体或有机电绝缘体构成。
38.根据权利要求37所述的光敏器件，其中，在每个量子点周围的所述外壳由选自由聚合物、硫醇、树枝状聚合物、烷链和有机氧化物构成的组的有机材料构成。
39.根据权利要求32所述的光敏器件，还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层，所述量子点嵌入在有机基质中，所述有机基质设置在施主层和受主层之间，其中，所述受主层的最高占据分子轨道(HOMO)低于由在所述量子点周围的所述外壳提供的所述隧穿势垒的峰值。
40.根据权利要求24所述的光敏器件，其中：
每个量子点由有机半导体构成，以及
在每个量子点周围的所述外壳由有机半导体或有机电绝缘体构成。
41.根据权利要求40所述的光敏器件，其中：
每个量子点由选自由光导小分子、光导树枝状聚合物分子和光导聚合物分子构成的组的第一有机材料构成；以及
在每个量子点周围的所述外壳由选自由聚合物、硫醇、树枝状聚合物、烷链和有机氧化物构成的组的第二有机材料构成。
42.根据权利要求40所述的光敏器件，还包括处于层叠关系的有机施主层和有机受主层，所述量子点嵌入在有机基质中，所述有机基质设置在施主层和受主层之间，其中，所述受主层的最高占据分子轨道(HOMO)低于由在所述量子点周围的所述外壳提供的所述隧穿势垒的峰值。
43.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，所述多个量子点的量子点和在所述量子点周围的所述外壳被结合为单个树枝状聚合物分子。
44.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，在每个量子点周围的所述外壳的厚度在0.1至10纳米的范围内。
45.根据权利要求44所述的光敏器件，其中，对于每个量子点，所述外壳的厚度等于不超过穿过所述各个量子点中心的平均截面厚度的10％。
46.根据权利要求24所述的光敏器件，其中，所述光敏器件是太阳能电池。
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