CN101421863A - 有机光敏器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光激活器件。该器件包括第一电极、第二电极以及设置在第一和第二电极之间并和它们电气连接的光激活区。该光激活区还包括形成施主受主异质结的有机施主层和有机受主层。有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率至少相差100倍，并且至少相差1000倍为更好。有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率中至少一个迁移率大于0.001cm2/V－sec，并且大于1cm2/V－sec为更好。该异质结可以为各种类型，包括面异质结、体异质结、混合异质结和混合的面混合异质结。

Description

有机光敏器件
本申请要求2004年9月22日申请的美国临时申请60/＿＿＿＿号(律师案卷号12992/90901)的优先权，该申请整体收录在此作为参考。
由于通过美国空军科学研究局的拨款，美国政府拥有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及有机光敏光电器件。更具体地，本发明涉及一种具有施主受主结的有机光敏光电器件。
背景技术
光电器件依赖材料的光特性和电子特性，以便电子地产生或检测电磁辐射或者从环境电磁辐射产生电力。
光敏光电器件把电磁辐射转换成电力。也称为光生伏打(photovoltaic，PV)器件的太阳电池是特别用来产生电力的光敏光电型器件。可能从太阳光之外的光源产生电能的PV器件可以用来驱动耗能负载，以便例如提供照明、供热或者对诸如计算器、收音机、计算机或者远程监视或通信设备的电路或器件供电。这些动力产生应用通常还涉及对电池或者其它贮能器件充电，以便当不能得到来自太阳或其它光源的直接照射时可以继续操作，或者利用特定应用的要求来平衡PV器件的电力输出。如本文中使用那样，术语“电阻负载”指的是任何耗能或贮能电路、器件、设备或系统。
另一种类型的光敏光电器件是光电导电池。在此功能下，信号检测电路监视这种器件的电阻以便检测由于对光的吸收造成的变化。
另一种类型的光敏光电器件是光电探测器。在操作中，连带着电流检测电路一起使用光电探测器，该电流检测电路测量当该光电探测器暴露在电磁辐射之中时产生的电流，并且可能具有施加的偏压。本文说明的一种检测电路能对光电探测器提供偏压，并且能测量光电探测器对电磁辐射的电子响应。
可以根据是否存在下面所定义的整流结并且还可以根据该器件是否在带有外部施加电压(也称为偏置或偏压)来表征这三种类别的光敏光电器件。光电导电池不具有整流结，并且通常在带有偏压的情况下操作。PV器件具有至少一个整流结，并且在不带有偏压的情况下操作。光电探测器具有至少一个整流结，并且通常在带有但不总是带有偏压的情况下操作。作为一条普遍规律，光生伏打电池对电路、器件或设备提供功率，但是不提供控制检测电路的信号或电流，或者不从该检测电路提供信号输出。相反，光电探测器或光电导元件提供控制检测电路的信号或电流，或者从该检测电路提供信息输出，但是不对电路、器件或设备提供功率。
传统上，光敏光电器件是用若干无机半导体构建的，例如结晶、多晶、和非晶硅、砷化镓、碲化镉等等。本文中术语“半导体”表示当通过热或电磁激励感应载流子时可以导电的材料。术语“光电导”通常和这样的过程有关，在该过程中吸收电磁辐射能量并从而转换成电荷载流子的激励能量，使得这些载流子可以在材料中传导即传送电荷。术语“光电导元件”和“光电导材料”用来表示针对它们的吸收电磁辐射以产生电荷载流子的特性而被选择的半导体材料。
可以通过它们能把入射的太阳功率转换成有用的电功率的效率表征PV器件。采用结晶或非晶硅的器件在商业应用中占主导地位，其中一些器件已经达到23％或更高的效率。但是，由于生产出不带有明显降低效率缺陷的大晶体的固有难题，制造高效的基于结晶体的器件(尤其具有大的表面面积)是困难的和昂贵的。另一方面，高效非晶硅器件仍遭受稳定性问题。目前商业上可买到的非晶硅电池的稳定的效率在4％和8％之间。较近的努力集中在使用有机光生伏打电池以低廉的生产成本达到可接受的光生伏打转换效率上。
可以在标准照射条件(即1000W/m2、AM1.5谱照射的标准检测条件下)对于最大电功率生成方面，对于光电流和光电压的乘积最大方面来最优化PV器件。标准照射条件下这种电池的功率转换效率取决于以下三个参数：(1)零偏压下的电流，即短路电流ISC，(2)开路条件下的光电压，即开路电压VOC，以及(3)占空因数ff。
在两端上连接着负载并且用光照射时，PV器件产生光生电流。当在无限大负载下照射时，PV器件产生最大可能的电压V开路，即VOC。当在其电触点短路下照射时，PV器件产生最大可能的电流I短路，即ISC。当为了产生功率实际使用时，PV器件和有限电阻负载连接并且其输出的功率由电流和电压的乘积I×V给出。PV器件产生的最大总功率固有地不能超过乘积ISC×VOC。当为提取最大功率而最优化负载值时，电流和电压的值分别为Imax和Vmax。
PV器件的品质因数是按如下定义的占空因数ff：
ff＝{ImaxVmax}/{ISC VOC}       (1)
其中由于实际应用中永远不会同时得到ISC和VOC，因此ff永远小于1。尽管如此，当ff接近1时，该器件具有更小的串联或内部电阻，从而在最优条件下向负载提供更大百分比的ISC和VOC的乘积。当Pinc是入射到器件上的功率时，该器件的功率效率ηp可以按如下计算：
ηp＝ff×(ISC×VOC)/Pinc
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)材料或聚合物上时，可以吸收光子从而产生受激励的分子状态。这在符号上表示成 So + hv ⇒ So * 。这里So和So＊分别代表分子基态和分子受激励状态。能量吸收和电子从HOMO能级中的键态的提升相关联，这可能是对LUMO能级的π键，这也可能是π＊键或者等同地是空穴从LUMO能级到HOMO能级的提升。在有机薄膜光电导元件中，所产生的分子状态通常认为是激子，即作为准粒子迁移的键态下的电子空穴时。在成双重组之前激子可以具有可感知的寿命，该成双重组指的是原始电子和空穴彼此重组的过程，与和其它对的空穴或电子重组的过程相反。为了产生光电流，电子空穴对变得分离，典型地是在两个相接触的不同有机薄膜之间的施主受主界面处。如果电荷不分离，它可以通过能量比入射光低的光发射而辐射地、或者通过产生热而非辐射地在成双重组过程中重组，这也称为“猝熄”。在光敏光电器件中这两种结局都是不希望的。
接触处的电场或者不均匀性可能造成激子猝熄而不是在施主受主界面处解离，这对电流不产生净贡献。从而，希望保持光生激子远离这些接触面。这具有限制激子扩散到结附近的区域的效果，从而关联的电场在结的附近具有更多分离通过激子解离释放的载流子的机会。
为了产生占据着可观容积的内部生成的电场，常用的方法是并列放置两层具有适当选择的导电性质的材料，尤其是针对它们的分子量子能量状态分布。这两种材料的界面称为“光生伏打异质结”。传统半导体理论中，用来形成PV异质结的材料通常用n型或p型表示。在此，n型表示主要载流子类型是电子。这可以看成是，具有许多相对自由的能量状态下的电子的材料。P型表示主要载流子类型是空穴。这种材料具有许多相对自由的能量状态下的空穴。在不产生光子的本底类型中，主要载流子浓度主要取决于通过缺陷或杂质造成的无意识搀杂。杂质的类型和浓度决定最高占有分子轨道(HOMO)能级和最低未占分子轨道(LUMO)能级之间的间隙(称为HOMO-LUMO间隙)之内的费米(Fermi)能量值或级。费米能量表征用占有概率等于1/2的能量值表示的分子量子能量状态的统计占有。LUMO能量级附近的费米能量表示电子是主要载流子。HOMO能量级附近的费米能量表示空穴是主要载流子。从而，费米能量是传统半导体的主表征特性，并且原型PV异质结传统上是p-n界面。
术语“整流”尤其表示界面具有不对称的导电特性，即，该界面支持电子电荷优先在一个方向上迁移。整流一般是和在适当选择的材料之间的异质结处出现的内置电场关联的。
如本文中采用那样并且如本领域技术人员普遍理解那样，如果第一能级更接近真空能级，则第一“最高占有分子轨道”(HOMO)或“最低未占分子轨道”(LUMO)能级“大于”或者“高于”第二HOMO或LUMO能级。由于电离电势(IP)是按相对于真空级的负能量测量的，则较高的HOMO能级对应于绝对值较小的IP(不那么负的IP)。类似地，较高的LUMO能级对应于绝对值较小的电子亲和性(不那么负的EA)。在真空级位于顶部的常规能级图中，材料的LUMO能级高于该相同材料的HOMO能级。“较高”的HOMO或LUMO能级看上去要比“较低”的HOMO或LUMO能级更靠近这种图的顶部。
在有机材料语境下，术语“施主”和“受主”指的是两种接触但不同的有机材料的HOMO和LUMO能级的相对位置。这和在无机语境中使用这二个术语是相反的，在无机语境下“施主”和“受主”可能指的是可以分别用来创建无机n型和p型层的掺杂剂类型。在有机语境下，如果和另一种材料接触的一种材料的LUMO能级低，则该材料是受主。反之则是施主。在不存在外部偏压的情况下，电子在施主受主结处移动到受主材料中、并且空穴移动到施主材料中是非常有利的。
有机半导体中的一个重要特性是载流子迁移率。迁移率测量电荷载流子响应于电场能移动通过导电材料的容易性。在有机光敏器件语境下，包含着由于高电子迁移率因此优先通过电子传导的材料的层可以称为电子迁移层或ETL。包含着由于高空穴迁移率因此优先通过空穴传导的层可以称为空穴迁移层或HTL。优选地，但不是必须的，受主材料是ETL而施主材料是HTL。
常规无机半导体PV电池利用p-n结建立内部电场。早期有机薄膜电池，例如Tang在Appl.Phys Lett.48，183(1986)中报告的电池，含有类似于常规无机PV电池所使用的异质层。但是，现在认识到，除了建立p-n型结之外，该异质结的能级偏移也起重要作用。
由于有机材料中光生过程的基本内在性质，有机D-A异质结处的能级偏移被认为对于有机PV器件的操作是重要的。在光激励有机材料时，会产生局部化的夫伦克耳(Frenkel)激子或电荷转移激子。为了出现电检测或者电流生成，必须把束缚激子分解成组成它们的电子和空穴。可以通过内置电场引起这样的过程，但是有机器件中典型得到的电场(F～106V/cm)下的效率是低的。有机材料中最有效的激子解离出现在施主受主(D-A)界面处。在这样的界面处，电离电势低的施主材料和电子亲和性高的受主材料一起形成异质结。取决于施主材料和受主材料能级的对齐，在这种界面处激子的解离可以变得非常有利，这导致受主材料中的自由电子极化子和施主材料中的自由空穴极化子。
和传统基于硅的器件相比，有机PV电池具有许多潜在优点。有机PV电池重量轻、材料使用上经济、并且可以沉积在低成本的基片例如柔性塑料薄片上。但是，一些有机PV器件典型地具有相对低的外部量子效率，其数量级为1％或更小。这部分是由于固有光电导过程的二次性质。即，载流子生成需要激子的生成、扩散、电离或聚集。这些过程中的每个过程关联着一个效率η。可以按如下使用下标：P代表功率效率，EXT代表外部量子效率，A代表光子吸收，ED代表激子扩散，CC代表电荷聚集，以及INT代表内部量子效率。利用这种标志法：
ηp～ηEXT＝ηA×ηED×ηCC
ηEXT＝ηA×ηINT
激子的扩散长度(LD)典型地远小于(LD～50
Figure A200580038604D0009091142QIETU
)光吸收长度(～500
Figure A200580038604D0009091142QIETU
)，这要求在采用具有多个或高折叠的界面的厚的从而电阻高的电池或具有低光吸收效率的薄电池之间作出权衡。
典型地，当吸收光以在有机薄膜中形成一个激子时，形成单激子。通过系统间交叉机构，该单激子可以衰变成一个三合激子。在该过程中能量损失，这会对器件造成低效率。如果不考虑系统间交叉带来的能量损失，会希望采用产生三合激子的材料，因为三合激子通常具有更长的寿命，从而它具有比单激子长的扩散长度。
发明内容
提供一种光激活器件。该器件包括第一电极、第二电极以及设置在第一和第二电极之间并且和这些电极电连接的光激活区。该光激活区还包括形成施主受主异质结的有机施主层和有机受主层。有机施主区中的空穴迁移率和有机受主区中的电子迁移率至少相差100倍并且至少相差1000倍为更优选。有机施主区中的空穴迁移率和有机受主区中的电子迁移率中的至少一个迁移率大于0.001cm2/V-sec，大于1cm2/V-sec为更优选。该异质结可以为各种类型，包括面异质结、体异质结、混合异质结以及混合性面混合异质结。
附图说明
图1示出包括阳极、阳极平滑层、施主层、受主层、阻挡层和阴极的有机PV器件。
图2示出利于理解本发明的各实施例的能级图。
图3说明本体中以及在异质结处的成双的对解离。
图4示出各种热化半径下的解离概率-电场(V/cm)的分析曲线和建模曲线。
图5示出基于本文说明的建模的ηCC-施加到PV电池上的电压V的曲线。
图6示出存在和不存在施主受主结的情况下以及存在DA结的情况下对于不同的载流子迁移率的电荷分离概率ηCC的计算结果。
图7示出乘积ηCCV(正比于PV电池的总效率)的最大值-HOMO或LUMO能量偏移ΔE曲线。
图8示出作为ΔE的函数的FF曲线。
具体实施方式
提供一种有机光敏光电器件。本发明各实施例的有机器件例如可用于从入射电磁辐射产生可使用的电流(例如PV器件)或者可用于检测入射电磁辐射。本发明的各实施例可以包括阳极、阴极以及阳极和阴极之间的光激活区。光激活区是光敏器件的吸收电磁辐射以便生成激子的部分，其中为了产生电流这些激子可能解离。有机光敏光电器件还可以包括至少一个透明电极以允许入射辐射由该器件吸收。美国专利6,657,378号、6,580,027号以及6,352,777号说明几种PV器件材料和配置，这些专利整体上收录在此作为参考。
图1示出有机光敏光电器件100。这些图不必是按尺度绘出的。器件100可以包括：基片110、阳极115、阳极平滑层120、施主层125、受主层130、阻挡层135以及阴极140。阴极140可以是具有第一导电层和第二导电层的复合阴极。可以通过按顺序沉积所说明的各个层来制造器件100。电荷分离可能主要发生在施主层125和受主层130之间的有机异质结处。该异质结的内置电势是通过这两种彼此接触以形成该异质结的材料之间的HOMO-LUMO能级差确定的。施主和受主材料之间的HOMO-LUMO间隙偏移在施主/受主界面处产生电场，该电场帮助对该界面的激子扩散长度内创建的激子发生电荷分离。
图1中描述的各层的具体排列只是示例的从而不是限制性的。例如，可以省略一些层(诸如阻挡层)。可以添加其它层(例如反射层或者附加的受主和施主层)。各层的顺序可以改变。可以采用和这些具体说明不同的排列。
该基片可以是任何提供期望的结构性质的适当基片。该基片可以是柔性或刚性的，平面或非平面的。该基片可以是透明、半透明或不透明的。塑料和玻璃是优选的刚性基片材料的例子。塑料和金属薄片是优选的柔性基片材料的例子。可以选择基片的材料和厚度以得到期望的结构和光学性质。
收录在此作为参考的美国专利6,352,777号提供可在光敏光电器件中使用的电极或接触部件的例子。当在本文中使用时，术语“电极”和“接触部件”指的是各个用来提供把光生电流传送到外部电路的或者把偏压提供给该器件的媒介的层。也就是说，电极或者接触部件提供有机光敏光电器件的激活区和电线、引头、迹线或其它用于向或从外部电路传送电荷载流子的装置之间的界面。在光敏光电器件中，希望允许从该器件的外部让最大数量的环境电磁辐射进入到光电导激活内部区。也就是说，该电磁辐射必须到达其中可以通过光电导吸收把该辐射转换成电的(一个或多个)光电导层。这通常表示，至少一个电接触部件应最小地吸收和最小地反射入射电磁辐射。即，这样的接触部件应基本是透明的。相对的电极可以是反射材料，从而穿过该器件未被吸收的光通过该器件反射回。如本文中使用那样，当一个材料层或者一系列几个材料不同的层允许至少50％的相关波长下的环境电磁辐射透射穿过该层或这些层时，把该层或这些层称为是透明。类似地，把那些允许一部分但是少于50％的相关波长下的环境电磁辐射透射通过的层称为是“半透明的”。
如本文中使用那样，“顶”意味着离基片最远，而“底”意味着离基片最近。例如，对于具有二个电极的器件，底电极是离基片最近的电极并且通常是首先制造的电极。底电极具有二个表面，离基片最近的底表面，和离基片较远的顶表面。当把第一层描述成在第二层“之上布置”时，离基片更远地布置该第一层。除非规定第一层和第二层“物理上接触”，否则该第一和第二层之间可能存在其它层。例如，可以把阴极描述成在阳极“之上布置”，尽管二者之间存在着各种有机层。
电极最好由金属构成或者是“金属替代物”。本文中术语“金属”用来包括由纯单质金属例如Mg构成的材料并且还包括金属合金，金属合金是由二种或更多的纯单质金属构成的材料，例如由Mg和Ag一起组成并用Mg:Ag表示。文中，术语“金属替代物”是按常规定义不是金属、但是它具有某些适当应用中所需的金属状特性的材料。用于电极和电荷传送层的常用金属替代物包括搀杂式宽带隙半导体，例如诸如氧化铟锡(ITO)、氧化镓铟锡(GITO)和氧化锌铟锡(ZITO)的透明导电氧化物。具体地，ITO是一种高搀杂退化的n+半导体，其光带隙约为3.2eV，这使它对于大于约3900
Figure A200580038604D0009091142QIETU
的波长是透明的。另一种适当的金属替代物是透明导电聚合体聚苯胺(Polyanaline)(PANI)和它的化学相关物。还可以从大范围的非金属材料中选择金属替代物，其中术语“非金属”意味着包括大范围的材料，只要该材料在它的化学未化合形式下不是金属。当金属按它的化学未化合形式存在时，不论单独地或者作为合金和一种或更多的金属组合，可以替代地把该金属称为是按金属形式存在的或者是“游离金属”。由此，有时可以把本发明的金属替代物电极称为“无金属的”，其中术语“无金属的”清楚地意味着在其化学未化合形式下包含不含金属的材料。游离金属典型地具有金属键合的形式，这由大量的在整个金属格构里的电子导带里自由移动的价电子海洋产生。尽管金属替代物可能含有金属成分，基于几个方面它们是“非金属的”。它们既不是纯游离金属也不是游离金属的合金。当金属按它们的金属形式存在时，除了提供其它金属特性之外，电子导带趋于提供高导电率和对光辐射的高反射率。
作为光敏光电器件的一个或者更多的透明电极，本发明的各实施例可以包括例如授予Parthasarathy等人的美国6,420,031号专利(“Parthasarathy’031”)中公开的高透明、非金属、低电阻阴极，或者授予Forrest等人的美国5,703,436号专利(“Forrest’436”)中公开的高效率、低电阻、金属/非金属复合阴极，这两份专利被全文收录在此作为参考。每种类型的阴极最好是在包括下述步骤的制造工序中准备的，即把ITO层溅射沉积在诸如铜酞菁(CuPc)的有机材料上以形成高透明、非金属、低电阻阴极，或者把ITO层溅射沉积到薄Mg:Ag层上以形高效率、低电阻、金属/非金属复合阴极。
本文中，术语“阴极”是在以下方式下使用的。当受到环境辐射、且连接电阻负载并且没有外部施加电压时，在非叠层PV器件或叠层PV器件的单个单元，例如PV器件中，电子从光电导材料向阴极移动。类似地，本文术语“阳极”是这样使用的，即在照射下的PV器件中，空穴从光电导材料向阳极移动，这等同于电子以相反方式移动。应注意，按照本文这样使用这些术语，阳极和阴极可以是电极或者是电荷传送层。
有机光敏器件会包括至少一个光激活区，在其中吸收光以形成受激励状态或“激子”，随后激子可能解离成电子或空穴。激子的解离典型地会出现在通过并置受主层和施主层而形成的异质结中。例如，在图1的器件中，“光激活区”可以包括施主层125和受主层130。
受主材料例如可以由二萘嵌苯、萘、富勒烯(fullerene)或纳米管(nanotubule)构成。受主材料的一个例子是3，4，9，10-二萘嵌苯四羧联二苯并咪唑(PTCBI)。替代地，受主层可以包含美国专利6,580,027号中说明的富勒烯材料，该专利整体地收录在此作为参考。和受主层相邻的是有机施主型材料层。受主层和施主层的边界形成其中可以产生内部生成的电场的异质结。用于施主层的材料可以是金色染料(pthalocynine)或卟啉，或者它们的衍生或过渡金属络合物，例如铜酞菁(CuPc)。可以采用其它适当的受主和施主材料。
通过在光激活区中使用有机金属材料，含有这种材料的器件可以有效地利用三合激子。相信单体-三合体混合对于有机金属复合物过强，从而吸收涉及从单体基状态直接对三合体受激状态的激励，这消除从单体受激状态转换成三合体受激励状态所关联的损失。由于三合激子能在不牺牲器件效率的情况下扩散更大的距离以便到达施主-受主异质结，三合激子相对于单激子的更长的寿命以及更长的扩散长度可以允许采用更厚的光激活区。
在本发明的一优选实施例中，如美国专利6,097,147号、Peumans等人的Applied Physics Letters 2000，76，2650-52以及1999年11月26日申请的共同待决申请No.09/449,801中说明那样，这些堆叠的有机层包括一个或更多的激子阻挡层(EBL)，这些资料收录在此作为参考。通过包含EBL以把光生激子约束在靠近解离界面的区域中并且防止在光敏有机/电极界面处猝熄的寄生激子，已经达到更高的内部和外部量子效率。除了限制激子可以在其中扩散的体积之外，EBL还充当电极沉积期间引入的物质的扩散壁垒。在一些情况下，EBL可以做得足够厚以便填充小孔或者短路缺陷，不然的话这些小孔或短路缺陷会使有机PV器件不工作。从而EBL可以帮助保护易碎的有机层而防止在把电极沉积到有机材料上时受到破坏。
相信EBL是使LUMO-HOMO能量间隙明显比要对它们阻挡激子的相邻有机半导体大从而得到激子阻挡特性。因此，由于能量考虑，禁止受约束的激子在EBL中存在。尽管希望EBL阻挡激子，但是不希望EBL阻挡所有电荷。但是，由于相邻能级的性质，EBL可能阻挡一种符号的电荷载流子。通过设计，EBL会存在于另外两个层之间，通常在有机光敏半导体层和电极或电荷传送层之间。在此语境下相邻的电极或电荷传送层会是阴极或者阳极。从而，将把器件中给定位置处的EBL的材料选择成使得期望符号的载流子不会在向该电极或电荷传送层的迁移上受到阻碍。适当的能级对齐确保不存在电荷迁移的壁垒，从而防止串联电阻的增加。例如，希望充当阴极侧EBL的材料具有的LUMO能级是和相邻ETL材料的LUMO能级紧密匹配的，从而使得对电子的任何不希望的壁叠被最小化。
应理解，材料的激子阻挡性质不是它的HOMO-LUMO能量间隙的固有性质。给定材料是否充当激子阻挡剂取决于相邻有机光敏材料的相对HOMO和LUMO能级。从而，不考虑器件使用环境则不可能确定充当激子阻挡剂的隔离复合物的类别。但是，本领域技术人员利用本文的讲授可以确定当和选定的材料组一起使用时给定的材料是否会充当激子阻挡层，以便构建出有机PV器件。
在本发明的一优选实施例中，EBL位于受主层和阴极之间。EBL的优选材料包括2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10邻菲罗啉(phenanthroline)(也称为bathocuproine或BCP)，相信其具有大约3.5eV的LUMO-HOMO能级间隙，或者包括双(2-甲基-8-羟基喹啉)-铝(III)酚盐(Alq2OPH)。BCP是一种可以把电子轻易地从受主层迁移到阴极的有效激子阻挡剂。
EBL层可以搀杂着适当的搀杂剂，包括但不限于：3，4，9，10-二萘嵌苯四羧二酐(perylenetracarboxylic dianhydride)(PTCDA)，3，4，9，10-二萘嵌苯四羧二酰亚胺(perylenetracarboxylic dimide)(PTCDI)，3，4，9，10-二萘嵌苯四羧联二苯并咪唑(perylenetracarboxylic-bis-benzimidazole)(PTCBI)，1，4，5，8-萘四羧二酐(naphthalenetetracarboxylic dianhydride)(NTCDA)，以及它们的衍生物。把沉积在本器件中的BCP当成是非晶体。该明显非晶体的BCP激子阻挡层可能呈现薄膜再结晶，在高光强下该再结晶是特别快的。所得到的对多晶材料的形态改变会产生品质较差的可能带有诸如电极材料的短路、孔隙或侵入的缺陷的膜。从而，已经发现，搀杂某些呈现着带有适当的、相对大的并且稳定的分子的效果的EBL材料，诸如BCP，可以稳定EBL结构，从而防止会降低性能的形态改变。还应理解，在带有其LUMO能级接近某种EBL的材料的LUMO能级的给定器件中搀杂该传送电子的EBL会帮助确保不会形成可能产生空间电荷积累从而降低性能的电子陷阱。另外，应理解，相对低的搀杂浓度会使各孤立搀杂剂点处的激子生成最小化。由于通过周围的EBL材料有效地禁止这些激子的扩散，这种吸收降低器件的光转换效率。
代表性实施例还可以包括透明的电荷传送层或电荷重组层。如本文说明那样，电荷传送层与受主层、施主层不同之处在于，电荷传送层通常，但是不必必须，是无机的(常常是金属)并且可以选择成不是光电导激活的。本文中使用的术语“电荷传送层”指的是类似于但又不同于电极的层，其中不同之处在于电荷传送层只从光电器件的一个子段向相邻的子段传送电荷载流子。本文中使用的术语“电荷重组层”指的是类似于但又不同于电极的层，其中不同之处在于电荷重组层允许电子和空穴在串列光敏器件之间重组并且还能增强一个或更多的激活层附近的内部光场强度。如美国6,657,378号专利中说明那样，可以用半透明金属纳米团簇、纳米颗粒或纳米棒构建电荷重组层，该专利整体收录在本文中作为参考。
本发明的一优选实施例中，阳极平滑层位于阳极和施主层之间。该层的优选材料包括3，4-聚乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)。在阳极(ITO)和施主层(CuPc)之间引入PEDOT：PSS层可以导致大为改进的制造产量。这归功于旋涂的PEDOT：PSS膜使ITO平面化的能力，否则ITO的粗糙表面会造成穿过薄分子层的短路。
本发明的另一实施例中，可以在沉积到下一层之前用等离子体处理一个或更多的层。例如可以用弱氩或氧等离子体处理这些层。由于它减小串联电阻，因此这种处理是有益的。在沉积到下一层之前使PEDOT：PSS层受到弱等离子体处理是特别有好处的。
图1中说明的简单分层结构是作为非限制性例子给出的，应理解可以在结合许多不同的其它结构的情况下使用本发明的各实施例。所说明的特定材料和结构实质上是示例性的，并且可以采用其它材料和结构。取决于设计、性能以及成本因素，可以通过在不同的方式下组合说明过的各种不同的层或者完全省略一些层获得功能器件。还可以包括其它未特别说明的层。可以使用这些特别说明的材料之外的材料。尽管本文给出的许多例子将各种层描述为由单种材料构成，应理解可以采用材料的组合，例如基质和搀杂剂的混合或者采用更广泛的混合物。另外，各个层可以具有不同的子层。本文中赋予各个层的名称不意味着严格限制。不作为光激活区的一部分的有机层，即通常不吸收对光流做出明显贡献的光子的有机层，可以称为“非光激活层”。非光激活层的例子包括EBL和阳极平滑层。还可以使用其它类型的非光激活层。
光敏器件的光激活层中使用的优选有机材料包括环金属化的有机金属化合物。本文中所使用的术语“有机金属”是按本领域技术人员通常理解那样，并且是如例如Gary L.Missler和Donald A.Tarr在“Inorganic Chemistry”(2nd Edition，Prentice Hall，1998)中给出那样。这样，术语有机金属指的是通过碳—金属键合使有机基和金属键合的化合物。该类别本质上不包括配位化合物，配位化合物是只具有来自杂原子的施主键合的物质，例如胺、卤化物、类卤化物(CN等)等等的金属络合物。在实际中，有机金属化合物除了包括一个或更多的对有机物种的碳—金属键合之外还包括一个或更多的来自杂原子的施主键合。对有机种类的碳—金属键合指的是金属和有机基，诸如苯基、烷基、烯基等的碳原子之间的直接键合，但是不代表对“无机碳”，例如CN或CO的碳的金属键合。术语“环金属化”指的是包含双配位基有机金属配合体的化合物，从而一旦和金属键合则形成一个环结构，其中该环结构包括该金属作为它的环元素之一。
可以利用真空沉积、旋涂、有机气相沉积、喷墨印刷以及其它本领域已知的方法制造各有机层。
本发明各实施例的有机光敏光电器件可以充当PV、光电探测器或光电导体。当把本发明的有机光敏光电器件用作为PV器件时，可以选择各光电导有机层中使用的材料及其厚度以便例如使该器件的外部量子效率最优化。当把本发明的有机光敏光电器件用作为光电探测器或光电导部件时，可以选择各光电导有机层中使用的材料及其厚度以便例如使该器件对所需光谱区的灵敏度最大化。
可以通过考虑在选择层厚度中采用的几个准则达到该结果。由于相信大部分激子解离会在界面处发生，因此希望激子扩散长度LD大于或者可比拟于层厚度L。如果LD小于L，则许多激子可能在解离前重新组合。还希望光电导层的总厚度为电磁辐射吸收长度1/α的量级(其中α是吸收系数)，从而吸收几乎所有入射到PV器件上的辐射以便产生激子。此外，光电导层厚度应尽可能地薄，以便避免由于有机半导体的高体电阻率造成过度的串联电阻。
从而，这些竞争的准则本质地要求在选择光敏光电电池的各光电导有机层的厚度上进行折衷。这样，一方面，为了吸收最大数量的入射辐射，希望厚度可比拟于或大于吸收长度。另一方面，当光电导层厚度增加时，增大两个不希望的效果。其中之一是因为有机半导体的高串联电阻，增大的有机层厚度会增加器件电阻并且降低效率。另一个不希望的效果在于，增加光电导层厚度增大了远离电荷分离界面处的有效电场而产生激子的似然性，其后果是提高成双重新组合的概率从而再次降低效率。因此，希望能在对整个器件产生高外部量子效率的方式下平衡这些竞争效果的器件配置。
本发明的有机光敏光电器件可以用作为光电探测器。在此实施例下，该器件可以是多层有机器件，例如2003年11月26日申请的美国申请No.10/723,953中说明那样，该申请全文收录在本文中作为参考。在此情况下通常可能施加外部电场以帮助对分离后的电荷的提取。
为了提高有机光敏光电器件的效率，可以采用集中器或捕捉配置，其中强制光子多次穿过薄吸收区。全文收录在本文中作为参考的美国专利6,333,458号和6,440,769号利用结构设计解决该问题，其中该结构设计通过优化实现光吸收的光学几何结构而增强光敏光电器件的光转换效率，并且与提高收集效率的光集中器一起使用。这种用于光敏器件的几何结构通过在反射腔内或者在波导结构中捕捉入射辐射明显增加穿过该材料的光路，从而通过在感光材料中的多次反射而再循环光。从而美国专利6,333,458号和6,440,769号中公开的几何结构在不明显增加体电阻的情况下增强器件的外部量子效率。这种器件的几何结构包括：第一反射层；透明绝缘层，该层应在所有尺寸上比入射光的光学相干长度更长，以便防止光学微腔干扰效应；和该透明绝缘层相邻的第一透明电极层；和该透明电极相邻的光敏异质结构；以及第二电极，其也是反射性的。
可以采用涂层以便将光能聚集到器件的期望区域中。全文收录在本文中作为参考的美国专利申请No.10/857,747提供这种涂层的例子。
尽管许多说明涉及面异质结，本发明的各实施例可以结合各种类型的异质结使用，其中包括：当施主材料层和受主材料层之间的界面是用表面粗糙度不大于几个分子的表面定义时，出现面异质结。受主和施主之间的接触面的表面面积大致和各个层的面积相同。当施主材料层和受主材料层之间的界面具有明显表面粗糙度时出现体异质结，从而受主和施主之间接触面的表面面积明显大于各个层的横截面积。混合异质结是通过共同沉积受主和施主材料形成的体异质结类型。混合的面混合异质结包括至少一层的受主或施主材料并且包括一个混合层，如在Forrest的于2004年8月5日申请的美国专利申请No.10/911,559中更详细说明那样，该申请全文收录在本文中作为参考。
例如在有机DA PV电池中找到的施主受主(DA)结处可以观察到高得惊人的载流子分离效率。参见：C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.48，183(1986)；J.J.M.Halls，C.A.Walsh，N.C.Greenham，E.A.Marseglia，R.H.Friend，S.C.Moratti，和A.B.Holmes，Nature 376，498(1995)；G.Yu，J.Gao，J.Hummelen，F.Wudi，和A.J.Heeger，Science 270，1789(1995)。但是，有机DA PV电池的电压对光电流的依从性可能限制能得到的最终功率效率。这是和常规半导体p-n结不同的，其中直到对于明显超过内置电势Vbi的施加电压，光电流是恒定的。
由于小的电子带宽以及光子对电子状态的强耦合，有机固体中的光激励可以快速释放，从而形成定位在结合能EB在0.1到2eV范围内的一个或一些分子上的激子(I.G.Hill，A.Kahn，G.Soos，和R.A.Pascal，Chem.Phys.Lett.327，181(2000))。通过电场F＝106V/cm引起的激子解离过程产生一个自由电子和一个空穴。但是，在典型有机PV电池中，1V的内置电势以及1000A的激活层厚度产生约为105V/cm的电场F，这导致低的外部量子效率(ηEQE<1％，典型地)。ηEQE和ηEXT都表示外部量子效率。
在DA界面处，具有低电离化电势的施主材料与具有高电子亲和性的受主材料形成一个异质结，以使得激子解离成自由电荷载流子，这是非常有利的。对于施主(受主)材料中的激子，如果最低未占(最高占有)分子轨道间的能量差ELUMO(EHOMO)超过施主(受主)激子结合能EB，D(EB，A)，则该条件满足。
如图2中所示，在DA界面处按四个顺序步骤发生光子到电荷的转换。图2示出阳极210、施主层220、受主层230和阴极240的能级图。分别用符号EG，D和EO，A表示施主和受主的迁移能量间隙。HOMO和LUMO带偏移分别用ΔEHOMO和ΔELUMO表示。施主中的空穴准费米级Fh，D以及受主中的电子准费米级Fe，A是用虚线示出的。施主-受主界面的准费米级上的差代表阻耗以及重组造成的电化学能上的损失。图中说明从入射光产生光电流的四个连续步骤。(1)以吸收效率ηA光子吸收导致激子的生成；(2)以效率ηED激子扩散到DA接口；(3)以效率ηCT在DA界面处通过CT进行激子解离；以及(4)以电荷收集效率ηCC电荷载流子分离并且接着迁移到各自的电极上。总量子效率是它们的乘积：ηEQE＝ηA·ηED·ηCT·ηCC。提取光子能量作为电子空穴对的电化学能，该电化学能是通过受主/阴极接触面处的电子准费米能和施主/阳极接触面处的空穴准费米能的差给出的。由于ηCT·ηCC可能为100％或接近100％(步骤(3)和(4))，有机DA双层的ηEQE典型地是由步骤(1)和(2)的效率限制的。注意，短路条件下ηCC可以约为100％。在实际电池运行期间，太阳能电池可能处于正向偏压，并且反向该偏压传送电流。可以提取的最大电池功率可能取决于ηCC如何随施加的电压变化。本发明的各实施例解决正向偏压下如何将ηCC保持为高的问题。
文献中没有解释为什么尽管库仑互吸引强但DA界面附近自由电荷的分离概率ηCC高的原因。一种理论是，共轭聚合物施主和小分子重量受主情况下，由于接近附近受主分子上的电子从而遭受势阱的聚合物链上的空穴的基态能量充当分离电子和空穴的排斥电势。V.Arkhipov，P.Heremans，和H.
Figure A200580038604D0021091519QIETU
Appl.Phys.Lett.82，4605(2003)。由于假设聚合物链平行于DA界面对齐，所以该模型是限制性的。另外，它要求沿着聚合物链的空穴有效质量meff<0.1mo，其中mo是电子的静止质量，这在此类材料的小电子带宽特性下是不太可能的。H.F.Meng和C.M.Lai，Phys.Rev.B55，13611(1997)。E.A.Silinsh，Organic molecular crystals：interaction，localization，andtransport phenomena(American Institute of Physics Press，New York，1994)。最后，它不能解释对该界面的D和A二侧上由小分子重量材料构成的结观察到的同样高的收集效率现象。L.A.A.Pettersson，L.S.Roman，和O.Inganas，J.Appl.Phys.86，487(1999)；P.Peumans，A.Yakimov，和S.R.Forrest，J.Appl.Phys.93，3693(2003)。
本发明的一实施例解释了ηCC的辐值和电压依赖性。该分析基于无序固体本体中电荷对分离概率的Onsager模型。L.Onsager，Phys.Rev.54，554(1938)。Onsager在假定通过跳跃迁移描述载流子运动的情况下(见图3，光激活区310)计算外部电场F下分离电荷相反的两个载流子的概率，作为载流子的初始分离ro以及该电场的朝向的函数。对该模型的改进(H.Scher和S.Rackovsky，J.Chem.Phys.81，1994(1984)；S.Rackovsky和H.Scher，Phys.Rev.Lett.52，453(1984))准确预测有机薄膜本体中和单晶中的电荷分离概率作为F的函数。E.A.Silinsh，Organic molecular crystal：interaction，localization andtransport phenomena(American Institute of Physics Press，New York，1994)(以下称为“Silinsh”)。描述光电导率实验数据的初始分离ro典型地约为
Figure A200580038604D00221
并且来源于光激励后激子即刻自电离后形成的热载流子的热化，参见Silinsh。用点电荷近似电子和空穴，并假定可以在
Figure A200580038604D00222
长度尺度下使用介质的宏观介电常数，则初始电荷对的库仑能为UB＝q2/4πεoεiro，其中q是电子电荷，εo是真空介电常数，而εi是有机材料的介电常数(典型地约为3-4)。对于
Figure A200580038604D00223
UB约为0.25eV>>kT，从而当F>106V/cm时发生本体中成双的对分离成自由载流子。
图3示出成双的对在本体中的解离，以和成双的对在存在DA界面下的解离相对比。光激活区310示出仅为单层312。成双的对330解离成空穴332和电子334。ro CT是热化半径。所说明的光激活区310中的解离是L.Onsager在Phys.Rev.54，554(1938)中讨论的解离的代表。光激活区320显示形成DA界面(或结)326的施主层322和受主层324，这二个层在该处彼此接触。成双的对330解离成空穴332和电子334。
假定DA界面处的CT过程类似于本体自电离过程是合理的，参见Silinsh。因而在CT时，过剩能量(对于施主中的激子为E＊＝ΔELOMO-EB，D，而在受主中为E＊＝ΔEHOMO-EB，A)转换成电子和空穴的动能。通过非弹性散射，热载流子迅速热化到晶格温度，这造成成双的电荷对以初始半径ro CT跨过DA界面，如图3光激活区320所示。由于在光激活区320中，电子和空穴分别由于DA结处的能级偏移而被限制在半个空间中(参见图2)，因此光激活区320中示出的系统的边界条件是和L.Onsager在Phys.Rev.54，554(1938)中假设的边界条件不同的。
由于下述原因，预期DA界面处的成双电荷分离概率与本体情况相比会明显增强：(1)可用来重新组合电子空穴的体积减小成DA界面附近处的薄段；(2)DA界面朝向电子空穴对，从而有利于沿着垂直于界面平面的方向上的载流子分离；以及(3)如果空穴(电子)的迁移率明显高于电子(空穴)的迁移率，在电子(空穴)到达DA界面之前空穴(电子)会试用大的多的空间体积。这提高该时间内空穴(电子)逃逸并且避免与从它分离的电子(空穴)重新组合的概率。相关的迁移率是光激活区的受主部分中的电子迁移率以及光激活区的施主部分中的空穴迁移率。
可以利用动态蒙特卡罗仿真来评估ηCC。可以从D.P.Landau和K.Binder，Guide to Monte Carlo Simulations in statistical physics(Cambridge University Press，Cambridge，UK，2000)中找到这种仿真的例子。可以在晶格常数为d的简单立方晶格执行该仿真。在该晶格中产生按距离ro CT隔开的一个电子和一个空穴，使得该电子和该空穴离DA界面的距离都为ro CT/2＝ro，e＝ro，h。与位于re处的电子和位于rh处的空穴相对应的系统的能量是：
U = q 2 4 &pi;&epsiv;&epsiv; 0 | r eh | - qF &CenterDot; r eh + U LUMO ( r e ) + U HOMO ( r h ) - - - ( 1 )
这里，reh＝re-rh，而ULUMO(r)和UHOMO(r)分别是作为位置r的函数的LUMO和HOMO能级。第二项是DNA界面处存在电场F的情况下该偶极子的能量。接着为跳跃到六个最近的邻域上计算电子(I＝1......6)或空穴(i＝7......12)的跳跃率Ri：
R t = v 0 exp ( - &Delta;U / kT ) &Delta;U &GreaterEqual; 0 v 0 &Delta;U < 0 - - - ( 2 )
其中尝试频率vo和载流子迁移率成正比。会导致两个载流子占据相同晶格格点的跳跃遵守Ri＝τR-1的载流子重新组合速率常数。对大量的试验次数Ntrial记录电荷分离事件次数S，以作为模型参数的函数。电荷分离概率则为ηCC＝S/Ntrial。标准方差为σ(ηCC)＝sqrt(S)/Ntrial。如图4中所示，当不存在DA界面时，离散模型近似在L.Onsager的Phys.Rev.54，554(1938)中找到的不同热化半径ro下的ηCC的分析表达式。
图4示出不同电子和空穴热化半径ro下L.Onsager的Phys.Rev.54，554(1938)中的激子解离概率分析表达式(实线)和本文讨论的动态蒙特卡罗仿真(记号)之间的比较。该离散模型假定：
Figure A200580038604D00233
vo，h＝vo，e＝τR-1，T＝300K，ε＝4以及Ntrial＝1000。这里，d选择成比分子间距小得多，以使该离散模型和点电荷的分析理论相一致。低电场(F<105V/cm)下
Figure A200580038604D00241
时分析表达式和kMC模型之间的偏差是由于有限计算域效应产生的：电子和空穴所尝试的空间大于仿真期间的计算域。所有激子半径在大电场(F>106V/cm)下的偏差是由于有限粒子尺寸造成的。曲线410、420和430分别示出热化半径ro为
Figure A200580038604D00242
和
Figure A200580038604D00244
下的解离概率与电场的关系。
在本发明的一实施例中，可以考虑DA双层，其中把施主和受主材料的迁移能量间隙选择为彼此相等，即EG，D＝EG，A＝EG。在此情况下，LUMO和HOMO偏差能量为ΔELUMO＝ΔEHOMO＝ΔE。当到达该DA界面时激子的过剩能量为E＊＝ΔE-EB。如图6中所示，低电场下DA结处CT对的解离概率明显高于本体中的概率。对于本体情况，假定初始偶极子相对于施加的电场的朝向是随机的(σα＝2π)，而对于DA结情况，假定初始偶极子的朝向为半区各向同性分布(σα＝π)，对于DA结情况，解离概率是作为迁移率不匹配度的函数示出的，rμ＝max(vo，e/vo，h，vo，h/vo，e)＝1、100和1000，其中vo，e和vo，h分别为电子和空穴的尝试频率(与载流子迁移率成正比)。图5示出有点与直观相反的发现，即可以通过降低特定电荷载流子的迁移率增强PV器件的效率，这是因为迁移率比值对解离概率是重要的。迁移率比值最好至少为100，并且至少为1000更加好。由于具有高载流子迁移率也是优选的，对于光激活区相关部分里的最易迁移的载流子，高迁移率比值最好和高载流子迁移率相结合。具有最高迁移率的电荷载流子(施主中的空穴或受主中的电子)最好具有至少为0.001cm2/V-sec的迁移率，并且至少为1cm2/V-sec更加好。本领域技术人员可以方便地根据载流子迁移率值选择适当的施主/受主材料组合来实现本发明的该实施例。例如可以通过调整沉积条件得到更非晶的膜(例如通过沉积期间采用更快的沉积速率和更低的基片温度)或者通过对分子添加立体基(stericgroup)(例如通过使用铜-八丁氧基—酞菁来代替铜酞菁)降低迁移率较低材料的迁移率。可以利用搀杂来提高迁移率，例如在CuPc中把氟化四氰对二次甲基苯醌用作为p型搀杂剂。
为了对PV电池应用激子解离模型，计算DA结附近的内场分布。把施主层和受主层分别假定成是p型和n型搀杂的，因为这种组合会造成短路条件下分离电子和空穴的内置电场。在原型铜酞菁(CuPc)/3，4，9，10-二萘嵌苯四羧联二苯并咪唑(PTCBI)系统上进行的电容-电压测量已经示出确定是这样的情况，参见P.Peumans，A.Yakimov，和S.R.Forrest，J.Appl.Phys.93，3693(2003)。施主层和受主层中的自由载流子密度分别为ND和NA。施主材料中相对于HOMO的费米级位置则为Ef，D＝KT ln(NHOMO/ND)，并且受主材料中的费米级Ef，A具有类似的表达式。这里NLUMO和NHOMO分别是受主LUMO和施主HOMO的有效状态密度。这样，DA结的内置电压为：
Vbi＝(EG-ΔE-Ef，D-Ef，A)/q.        (3)
为了验证该模型，可以采用ND＝NA＝1×1018cm-3，EG＝1.7eV和ΔE＝0.9eV，这和CuPc/PTCBI系统上的测量是一致的，参见P.Peumans，A.Yakimov，和S.R.Forrest，J.Appl.Phys.93，3693(2003)。另外还可以假定NHOMO＝NLUMO＝1021cm-3，这大致对应于分子数量密度。这导致Vbi＝0.44v，这和CuPc/PTCBI双层电池的Voc测量是一致的。
图5示出根据本文说明的建模，ηCC对施加到PV电池上的电压V的曲线。由于Vbi＝0.5V，则V＝0.5V对应于
Figure A200580038604D00251
在假定σα＝π的情况下，该模型产生的光电流特性和CuPc/C60双层PV电池上的测量很相符。实线510示出PEDOT：PSS/200CuPc/200C60/150BCP/800A1器件的光电流特性，参见P.Peumans和S.R.Forrest，Appl.Phys.Lett.79，126(2001)。标记520和530示出本文说明的仿真在σα＝π(标记520)和σα＝0(标记530)的情况下得到的结果。该离散模型的参数是：
Figure A200580038604D00252
Figure A200580038604D00253
vo，h＝15Vo，e＝100τR -1，T＝300K，ε＝4，Ntrial＝10,000。为初始偶极子各向同性半区分布(σα＝π)并且为垂直对齐施主受主(DA)界面的初始偶极子(σα＝0)运行该模型。为了把施主受主界面处的电场F转换成施加的电压V，使用表达式V＝Vbi-FW。由于CuPc/PTCBI结情况下DA界面受到补偿，因此对于0<V<Vbi，耗尽层宽度W近似为常数，参见P.Peumans，V.Bulovic，和S.R.Forrest，Appl.Phys.Lett.76，3855(2000)。内置电压Vbi＝0.5V并且
Figure A200580038604D00261
该分析之前，从光电流特性曲线减去和本体激子解离对应的线性函数Iph bulk＝Iph o(V-Vbi)以得到DA结处发生的光电流(实线)。通过对V<-0.4V的光电流拟合线性曲线确定Iph o。
图6示出存在和不存在施主受主结下并且存在DA结时对于不同的电荷载流子迁移率比值计算出的电荷分离概率ηCC的结果。该离散模型的各参数是：
Figure A200580038604D00262
Figure A200580038604D00263
Vo，h＝rμVo，e，Vo，e＝100τR -1，T＝300K，ε＝4以及Ntrial＝10,000。本体情况假设成各向同性初始偶极子分布，而对于DA结，则把初始偶极子的朝向假设成半区各向同性分布。电子对空穴的迁移率比值rμ取为1，100和1000。各条线的厚度表示标准偏差。
该模型正确地预测当 V &DoubleRightArrow; V bi 时光响应减小。该行为是和常规半导体p-n结相反的，在明显超过Vbi的正向偏压的情况下后者的响应保持不变，这代表采用有机DA结能达到的最终功率效率的基本限制。
在其上发生载流子冷却的热化距离ro CT取决于从HOMO和LUMO偏移造成的过剩动能量，如图7和8中示意示出那样。能级偏差大的材料组合根据式(3)造成更小的Vbi，但是由于激子过剩动能较大造成更大的ro CT。从而预期，对于具有大ΔE的DA组合，VOC低，但是由于ro CT大，因此ηCC作为提取电压Vbi-V的函数急剧上升到大的值。反之，具有小ΔE的DA组合具有大的VOC，但是由于ro CT较小，因此ηCC则不那么强地依从电压。
遵照这些考虑，图7示出乘积ηCCV(正比于PV电池的总效率)的最大值与HOMO或LUMO能量偏移ΔE的关系曲线。所采用的参数是：d＝ro＝8，Vo，h＝10Vo，e＝10τR -1，T＝300K，ε＝4以及Ntrial＝1000。内置电压为Vbi＝1.7eV＝(ΔE-0.3eV)/q。假定(ΔE-EB)。画出的数值与功率转换效率ηP成正比，其中：ηP＝max{ηCCV}S(λ)ηAηEDdλ/Pinc，S(λ)为太阳光子谱密度且Pinc＝S(λ)hc/λdλ是入射光功率密度。对ΔE≈0.55eV，或者更广义地对ΔE＝0.5到0.65eV，达到最优ηCCV。
有机PV电池的占空因数(FF)等于：
FF = max { &eta; CC V } &eta; CC ( V = 0 ) V bi - - - ( 4 )
其中假定开路电压VOC约等于Vbi。图8示出作为ΔE的函数画出的FF，图中对于更大的能量偏移，FF增大。有机PV电池的最优化可能涉及对于ΔE＝0.55eV，或者更广义地对于0.5到0.65eV的最优值，对高FF和高Voc取折衷。算出的FF＝0.55是和ΔE＝0.9eV的系统的试验观察相符的，参见P.Peumans，V.Bulovic，和S.R.Forrest，Appl.Phys.Lett.76，2650(2000)。由于造成VOC<Vpi从而加大FF的正向暗电流的影响，FF的实际测量值有时略微高于本文的建模预测的值。由于VocFF乘积可能保持不变，因此该效应可能不影响功率转换效率。
图8还示出带有大的ΔE和ro CT、低的Vbi的DA结810以及带有小的ΔE和ro CT、大的Vbi的DA结820的示意图。
在细粒体异质结(BH)有机PV电池中(参见J.J.M.Halls，C.A.Walsh，N.C.Greenham，E.A.Marseglia，R.H.Friend，S.C.Moratti，和A.B.Holmes，Nature 376，498(1995)；G.Yu，J.Gao，J.Hummelen，F.Wudi，和A.J.Heeger，Science 270，1789(1995))，畴尺寸比耗尽层宽度小，可能在整个器件厚度上而不是集中在平结的附近出现内置电势降，这会造成用于分离的驱动力的下降。另外，电场F不会必然垂直地对准DA结，并且D和A分支中的窄收缩增强反向扩散，从而导致解离概率的下降。从而预期BH器件的光电流—电压特性曲线不会那么陡，从而导致在短路条件下FF较低并且ηCC<1，这和试验观察是一致的，参见：J.J.M.Halls，C.A.Walsh，N.C.Greenham，E.A.Maseglia，R.H.Friend，S.C.Moratti，和A.B.Holmes，Nature 376，498(1995)；G.Yu，J.Gao，J.Hummelen，F.Wudi，和A.J.Heeger，Science 270，1789(1995)。
尽管针对特定例子和优选实施例说明了本发明，应理解本发明不受这些例子和实施例的限制。从而权利要求中所要保护的本发明包括对本文所说明的特定例子和优选实施例的对本领域技术人员显而易见的各种变型。

Claims (14)

1.一种光激活器件，包括：
第一电极；
第二电极；
设置在第一电极和第二电极之间并且和它们电气连接的光激活区，该光激活区还包括：
有机施主层；
有机受主层，其设置成使该有机施主层和该有机受主层形成施主受主异质结；
其中有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率至少相差100倍；以及
有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率中的至少一个迁移率大于0.001cm2/V-sec。
2.如权利要求1所述的器件，其中有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率至少相差1000倍。
3.如权利要求1所述的器件，其中有机施主区里的空穴迁移率和有机受主区里的电子迁移率中的至少一个迁移率大于1cm2/V-sec。
4.如权利要求1所述的器件，其中有机施主区里的空穴迁移率至少比有机受主区里的电子迁移率大100倍，并且有机施主区里的空穴迁移率大于0.001cm2/V-sec。
5.如权利要求4所述的器件，其中有机施主区里的空穴迁移率至少比有机受主区里的电子迁移率大1000倍。
6.如权利要求4所述的器件，其中有机施主区里的空穴迁移率大于1cm2/V-sec。
7.如权利要求1所述的器件，其中有机受主区里的电子迁移率至少比有机施主区里的空穴迁移率大100倍，并且有机受主区里的电子迁移率大于0.001cm2/V-sec。
8.如权利要求7所述的器件，其中有机受主区里的电子迁移率至少比有机施主区里的空穴迁移率大1000倍。
9.如权利要求7所述的器件，其中有机受主区里的电子迁移率大于1cm2/V-sec。
10.如权利要求1所述的器件，其中施主受主异质结是面异质结。
11.如权利要求1所述的器件，其中施主受主异质结是体异质结。
12.如权利要求1所述的器件，其中施主受主异质结是混合异质结。
13.如权利要求1所述的器件，其中施主受主异质结是混合的面混合异质结。
14.如权利要求1所述的器件，其中施主层的HOMO比受主层的HOMO大0.5到0.65eV，并且施主层的LUMO比受主层的LUMO大0.5到0.65eV。
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