DE602005004925T2 - Lichtempfindliche organische vorrichtungen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf lichtempfindliche bzw. photosensitive optoelektronische Einrichtungen. Genauer gesagt ist sie auf organische lichtempfindliche/photosensitive optoelektronische Einrichtungen mit Nanopartikeln ausgerichtet.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Optoelektronische Einrichtungen beruhen auf den optischen und elektronischen Eigenschaften von Materialien, um entweder elektromagnetische Strahlung elektronisch her- oder festzustellen oder um Elektrizität aus elektromagnetischer Strahlung der Umgebung zu erzeugen.
  • Lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen wandeln elektromagnetische Strahlung in Elektrizität um. Solarzellen, die auch als photovoltaische(PV-)Einrichtungen bezeichnet werden, sind eine Art photosensitiver optoelektronischer Einrichtungen, die speziell verwendet wird, um elektrische Energie zu erzeugen. PV-Einrichtungen, die in der Lage sind, elektrische Energie aus nicht Sonnenlicht betreffenden Lichtquellen zu erzeugen, können verwendet werden, um Energie verbrauchende Lasten zur Bereitzustellung von beispielsweise Beleuchtung, Heizung anzutreiben oder um elektronische Schaltungen oder Einrichtungen wie Rechner, Radios, Computer oder. fern bediente Beobachtungs- oder Kommunikationsausrüstungen mit Energie zu versorgen. Diese Anwendungen für die Energieerzeugung bringen ebenfalls häufig das Aufladen von Batterien oder anderen Energiespeichereinrichtungen mit sich, so dass der Betrieb fortgesetzt werden kann, wenn eine direkte Beleuchtung von der Sonne oder anderen Lichtquellen nicht verfügbar ist, oder das Ausgleichen der Energieabgabe der PV-Einrichtung im Hinblick auf spezifische Erfordernisse der Anwendung. Der im vorliegenden Zusammenhang verwendete Ausdruck „Widerstandslast" bezieht sich auf beliebige Energie verbrauchende oder speichernde Schaltungen, Einrichtungen, Ausrüstungen oder Systeme.
  • Eine andere Art einer lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtung sind Photoleiter-Zelle. In dieser Funktion überwacht eine Signal-Ermittlungsschaltung den Widerstand der Einrichtung, um Änderungen aufgrund der Absorption von Licht zu ermitteln.
  • Eine weitere Art photosensitiver optoelektronischer Einrichtungen bildet ein Photodetektor. Im Betrieb wird ein Photodetektor zusammen mit einer Strom ermittelnden Schaltung verwendet, die den Strom misst, der erzeugt wird, wenn der Photodetektor elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und eine angelegte Vorspannung aufweisen kann. Eine Detektionsschaltung, wie sie im vorliegenden Zusammenhang beschrieben wird, ist in der Lage, einem Photodetektor eine Vorspannung zur Verfügung zu stellen und die elektronische Reaktion des Photodetektors auf elektromagnetische Strahlung zu messen.
  • Diese drei Kategorien lichtempfindlicher optoelektronischer Einrichtungen können danach charakterisiert werden, ob ein gleichrichtender Übergang, wie er nachstehend definiert wird, vorhanden ist, und auch danach, ob die Einrichtung mit einer extern angelegten Spannung, auch als Vorlast oder Vorspannung bekannt, betrieben wird. Eine Photo- bzw. Lichtleiterzelle weist keinen gleichrichtenden Übergang auf und wird normalerweise mit einer Vorspannung betrieben. Eine PV-Einrichtung weist wenigstens einen gleichrichtenden Übergang auf und wird mit keiner Vorspannung betrieben. Ein Photodetektor weist wenigstens einen gleichrichtenden Übergang auf und wird normalerweise, aber nicht immer, mit einer Vorspannung betrieben. Als allgemeine Regel stellt eine photovoltaische Zelle einer Schaltung, einer Einrichtung oder einer Ausrüstung Energie zur Verfügung, aber sie sorgt nicht für ein Signal oder Strom zum Steuern der Detektionsschaltung oder für den Informationsausgang von der Detektionsschaltung. Im Gegensatz dazu stellt ein Photodetektor oder ein Photo- bzw. Lichtleiter ein Signal oder einen Strom zum Steuern der Detektionsschaltung oder den Informationsausgang von der Detektionsschaltung zur Verfügung, aber sie sorgt nicht für Energie an die Schaltung, Einrichtung oder Ausrüstung.
  • Herkömmlicherweise wurden lichtempfindliche/photosensitive optoelektronische Einrichtungen aus einer Anzahl anorganischer Halbleiter, z. B. kristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium, Galliumarsenid, Kadmiumtellurid und anderen hergestellt. Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Halbleiter" Materialien, die Elektrizität leiten können, wenn Ladungsträger durch thermische oder elektromagnetische Erregung induziert werden. Der Begriff „photoleitend" bzw. „lichtleitend" bezieht sich allgemein auf einen Vorgang, bei dem elektrische Strahlungsenergie absorbiert und dadurch in Erregungsenergie elektrischer Ladungsträger umgewandelt wird, so dass die Träger eine elektrische Ladung in einem Material leiten, d. h. transportieren können. Die Ausdrücke „Photo- bzw. Lichtleiter” und „photoleitendes Material" werden im vorliegenden Zusammenhang verwendet, um sich auf Halbleitermaterialien zu beziehen, die wegen ihrer Eigenschaft des Absorbieren elektromagnetischer Strahlung gewählt werden, um elektrische Ladungsträger zu erzeugen.
  • PV-Einrichtungen können durch ihre Wirksamkeit gekennzeichnet werden, mit der sie einfallende Solarenergie in nützliche elektrische Energie umwandeln können. Einrichtungen, die kristallines oder amorphes Silizium verwenden, dominieren handelsübliche Anwendungen, und manche haben Wirkungsgrade von 23% oder mehr erreicht. Dennoch sind wirksame Einrichtungen auf kristalliner Basis, speziell solche mit großem Oberflächenbereich, schwierig und teuer herzustellen, und zwar aufgrund der Probleme, die der Herstellung großer Kristalle ohne signifikante, zur Herabsetzung des Wirkungsgrades führende Defekte innewohnen. Andererseits leiden amorphe Siliziumeinrichtungen mit hohem Wirkungsgrad immer noch an Stabilitätsproblemen. Gegenwärtig im Handel verfügbare amorphe Siliziumzellen haben stabile Wirkungsgrade zwischen 4 und 8%. Jüngere Anstrengungen haben sich auf den Verbrauch organischer photovoltaischer Zellen konzentriert, um annehmbare photovoltaische Wandlungswirkungsgrade unter wirtschaftlich erträglichen Herstellungskosten zu erlangen.
  • PV-Einrichtungen können zur maximalen elektrischen Energieerzeugung unter üblichen Beleuchtungsbedingungen (d. h. Standard-Testbedingungen, bei denen eine Spektralbeleuchtung von 1000 W/m2, AM 1.5 vorherrscht) für das maximale Produkt Photostrom × Photospannung optimiert werden. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung solch einer Zelle unter Standard-Beleuchtungskonditionen hängt von den folgenden drei Parametern ab: (1) Strom bei Null-Vorspannung, d. h. Kurzschluss-Strom Isc, (2) Photospannung unter offenen Schaltkreisbedingungen, d. h. Spannung Voc des offenen Schaltkreises, und (3) Füllfaktor ff.
  • PV-Einrichtungen stellen einen Photo- bzw. Licht-erzeugten Strom her, wenn sie über eine Last verbunden und durch Licht bestrahlt werden. Wenn sie unter einer unbegrenzten Last bestrahlt wird, erzeugt eine PV-Einrichtung ihre maximal mögliche Spannung, also Vgeöffnete Schaltung oder VOC. Wenn sie bei Kurzschluss ihrer elektrischen Kontakte bestrahlt wird, erzeugt eine PV-Einrichtung ihren maximal möglichen Strom, d. h. IKurzschluss oder ISC. Wenn sie tatsächlich zur Erzeugung von Energie verwendet wird, so wird eine PV-Einrichtung mit einer endlichen oder begrenzten Widerstandslast verbunden, und der Energieausgang ergibt sich aus dem Produkt von Strom und Spannung, I × V. Die maximale Gesamtenergie, die durch eine PV-Einrichtung erzeugt wird, ist von Natur aus nicht in der Lage, das Produkt ISC × VOC zu überschreiten. Wenn der Wert der Last zur maximalen Energieerzielung optimiert wird, weisen Strom und Spannung die Werte Imax bzw. Vmax. auf.
  • Die Leistungszahl für PV-Einrichtungen ist der Füllfaktor ff, der definiert wird als ff = {Imax Vmax}/{ISC VOC} (1)wobei ff immer geringer als 1 ist, da in der tatsächlichen Anwendung ISC und VOC niemals gleichzeitig erzielt werden. Nichtsdestoweniger weist die Einrichtung, wenn ff sich 1 nähert, einen geringeren seriellen oder internen Widerstand auf und gibt deshalb unter optimalen Bedingungen einen größeren Prozentsatz des Produkts von ISC und VOC an die Last ab. Wenn Pinc die in eine Einrichtung einfallende Energie ist, so kann die Leistungsfähigkeit ηP, also der Wirkungsgrad der Einrichtung, errechnet werden als: ηP = ff*(ISC * VOC)/Pinc
  • Wenn elektromagnetische Strahlung geeigneter Energie auf ein halbleitendes organisches Material, z. B. ein organisches molekulares Kristall(OMC)-Material oder ein Polymer einwirkt, kann ein Photon absorbiert werden und einen erregten molekularen Zustand erzeugen. Dies wird symbolisch dargestellt als SO + hν => SO*. Hierbei bezeichnen SO und SO* Grund- bzw. erregte Molekular-Zustände. Diese Energieabsorption ist mit der Beförderung eines Elektrons aus einem gebundenen Zustand in dem HOMO-Energieniveau, das eine π-Bindung sein kann, auf das LUMO-Energieniveau, das eine π*-Bindung sein kann, oder in äquivalenter Weise mit der Beförderung eines Loches von dem LUMO-Energieniveau auf das HOMO-Energieniveau verbunden. Bei organischen Dünnschicht-Photoleitern wird generell angenommen, dass der erzeugte molekulare Zustand ein Exziton, d. h. ein Elektronen-Loch-Paar in einem gebundenen Zustand ist, das als Quasi-Partikel transportiert wird. Die Exzitonen können vor paarweiser Rekombination eine nennenswerte Lebenszeit aufweisen, was sich auf den Prozess des Rekombinierens des Original-Elektrons und -Loches miteinander im Gegensatz zur Rekombination von Löchern und Elektronen aus anderen Paaren bezieht. Um einen Photostrom zu erzeugen, wird das Elektron-Loch-Paar typischerweise an einer Donor-Akzeptor-Grenzfläche zwischen zwei ungleichen, einander kontaktierenden organischen Dünnschichten getrennt. Wenn sich die Ladungen nicht trennen, können sie sich in einem paarweisen Rekombinationsprozess, der auch als Quenching bekannt ist, entweder auf dem Wege der Strahlung, also durch die Emission von Licht geringerer Energie als der des einfallenden Lichts, oder auf dem Wege der Nicht-Strahlung, also durch die Erzeugung von Wärme, rekombinieren. Jedes dieser Resultate ist bei einer lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtung nicht wünschenswert.
  • An einem Anschluss können elektrische Felder oder Inhomogenitäten eher eine Erregung zum Quenching verursachen, als an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche zu zerfallen bzw. sich zu trennen, was dazu führt, dass keinerlei Beitrag zum Strom erfolgt. Deshalb ist es wünschenswert, photoerzeugte Exzitonen von den Anschlüssen fernzuhalten. Dies hat die Wirkung, die Diffusion von Exzitonen auf den Bereich nahe dem Übergang zu beschränken, so dass das zugehörige elektrische Feld eine erhöhte Gelegenheit hat, Ladungsträger zu trennen, die durch die Assoziation der Exzitonen nahe dem Übergang freigesetzt werden.
  • Um intern erzeugte elektrische Felder herzustellen, die ein wesentliches Volumen einnehmen, besteht das übliche Verfahren darin, zwei Materialschichten mit in geeigneter Weise ausgewählten Leiteigenschaften, speziell in Bezug auf ihre Verteilung der molekularen Quanten-Energiezustände, nebeneinander zu stellen. Die Grenzfläche dieser zwei Materialien wird als photovoltaischer Heteroübergang bezeichnet. Nach herkömmlicher Halbleiter-Theorie sind Materialien zum Bilden von PV-Heteroübergängen allgemein entweder als solche vom n- oder vom p-Typ bezeichnet worden. Hierbei bezeichnet „n-Typ", dass der die Majorität bildende Trägertyp das Elektron ist. Dieses kann als das Material angesehen werden, das viele Elektronen in relativ freien Energiezuständen aufweist. Der Begriff „p-Typ" gibt an, dass die Majorität an Trägertypen dem Typ des Lochs zuzuordnen ist. Solch ein Material hat viele Löcher in relativ freien Energiezuständen. Die Art der den Hintergrund bildenden, d. h. nicht photoerzeugten Majorität-Trägerkonzentration hängt primär von unbeabsichtigtem Dotieren durch Defekte oder Verunreinigungen ab. Die Art und die Konzentration der Verunreinigungen bestimmen den Fermi-Energie-Wert oder das Niveau innerhalb der Lücke zwischen dem höchsten besetzten molekularen Orbital(HOMO)- Energieniveau und dem niedrigsten unbesetzten molekularen Orbital(LUMO)-Energieniveau, die als die HOMO-LUMO-Lücke (Leerstelle) bezeichnet wird. Die Fermi-Energie kennzeichnet die statistische Besetzung molekularer Quanten-Energiezustände, angegeben durch den Energiewert, für den die Wahrscheinlichkeit der Besetzung gleich ½ ist. Liegt die Fermi-Energie nahe dem LUMO-Energieniveau, so deutet dies an, dass Elektronen der vorherrschende Träger sind. Eine Fermi-Energie nahe dem HOMO-Energieniveau deutet an, dass Löcher der vorherrschende Träger sind. Demgemäss stellt die Fermi-Energie ein primäres Kennzeichnungsmerkmal herkömmlicher Halbleiter dar, und der prototypische PV-Heteroübergang ist herkömmlicher Weise die p-n-Grenzfläche gewesen.
  • Der Begriff „Gleichrichten" bedeutet unter anderem, dass eine Grenzfläche eine asymmetrische Leiteigenschaft aufweist, d. h. also, dass die Grenzfläche den elektronischen Ladungstransport bevorzugt in einer Richtung unterstützt. Eine Gleichrichtung ist normalerweise mit einem integrierten elektrischen Feld verknüpft, das am Heteroübergang zwischen in geeigneter Weise ausgewählten Materialien auftritt.
  • Wie im vorliegenden Zusammenhang benutzt und wie dies allgemein vom Fachmann des einschlägigen Gebiets verstanden wird, ist ein erstes „höchstes besetztes molekulares Orbital"(HOMO)- oder ein „niedrigstes unbesetztes molekulares Orbital"(LUMO)-Energieniveau „größer als" oder „höher als" ein zweites HOMO- oder LUMO-Energieniveau, wenn das erste Energieniveau näher am Vakuum-Energieniveau liegt. Da Ionisations-Potentiale (IP) relativ zu einem Vakuumniveau als negative Energie gemessen werden, entspricht ein höheres HOMO-Energieniveau einem IP mit einem kleineren absoluten Wert (einem IP, das weniger negativ ist). In ähnlicher Weise entspricht ein höheres LUMO-Energieniveau einer Elektronen-Affinität (EA) mit einem kleineren absoluten Wert (einer EA, die weniger negativ ist). Auf einem herkömmlichen Energieniveau-Diagramm, bei dem sich das Vakuum-Niveau oben befindet, ist das LUMO-Energieniveau eines Materials höher als das HOMO-Energieniveau des gleichen Materials. Ein „höheres" HOMO- oder LUMO-Energieniveau erscheint näher dem oberen Teil eines solchen Diagramms als ein „niedrigeres" HOMO- oder LUMO-Energieniveau.
  • Im Zusammenhang mit organischen Materialien beziehen sich die Ausdrücke „Don(at)or" und „Akzeptor" auf die relativen Positionen der HOMO- und LUMO-Energieniveaus zweier einander berührender, aber unterschiedlicher organischer Materialien.
  • Dies steht im Gegensatz zur Verwendung dieser Ausdrücke im anorganischen Zusammenhang, worin „Don(at)or" und „Akzeptor" sich auf Arten von Dotiersubstanzen beziehen können, die verwendet werden können, um anorganische Schichten vom n- bzw. p-Typ zu erzeugen. Wenn im organischen Kontext das LUMO-Energieniveau eines Materials, das sich in Kontakt mit einem anderen befindet, niedriger ist, so ist dieses Material ein „Akzeptor". Andererseits ist ein „Donor". Unter energetischen Aspekten ist es vorteilhaft, wenn sich in Abwesenheit einer externen Vorspannung Elektronen an einem Donor-Akzeptor-Übergang in das Akzeptor-Material und Löcher in das Donor-Material bewegen.
  • Eine signifikante Eigenschaft bei organischen Halbleitern ist die Trägermobilität. Mobilität misst bzw. bezeichnet die Leichtigkeit, mit der sich ein Ladungsträger in Reaktion auf ein elektrisches Feld durch ein leitendes Material bewegen kann. Im Zusammenhang mit organischen lichtempfindlichen Einrichtungen kann man eine Schicht, die ein Material einschließt, das vorzugsweise wegen einer hohen Elektronenmobilität durch Elektronen leitet, als eine Elektronen-Transportschicht oder ETL bezeichnen. Eine Schicht, die ein Material enthält, das vorzugsweise wegen einer hohen Lochmobilität durch Löcher leitet, kann man als eine Loch-Transportschicht oder HTL bezeichnen. Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, ist ein Akzeptor-Material ein ETL, und ein Donor-Material ist ein HTL.
  • Herkömmliche anorganische Halbleiter-PV-Zellen verwenden einen p-n-Übergang, um ein internes Feld aufzubauen. Frühe organische Dünnschicht-Zellen, wie sie durch Tang, Appl. Phys Lett. 48, 183 (1986) beschrieben wurden, enthalten einen Heteroübergang analog dem, der bei einer herkömmlichen anorganischen PV-Zelle verwendet wurde. Inzwischen wird es jedoch gewürdigt, dass zusätzlich zum Aufbau eines p-n-Typ-Übergangs auch das Energieniveau, das vom Heteroübergang abgesetzt ist, eine wichtige Rolle spielt.
  • Das am organischen D-A-Heteroübergang abgesetzte Energieniveau wird für den Betrieb organischer PV-Einrichtungen wegen der fundamentalen Natur des Prozesses der Photoerzeugung in organischen Materialien für bedeutsam gehalten. Nach optischer Erregung eines organischen Materials werden lokalisierte Frenkel- oder Ladungsübergang-Exzitonen erzeugt. Damit eine elektrische Gleichrichtung oder Stromgeneration eintritt, müssen die gebundenen Exzitonen in ihre konstituierenden Elektronen und Löcher getrennt werden. Solch ein Vorgang kann durch das integrierte elektrische Feld herbeigeführt werden, jedoch ist der Wirkungsgrad bei elektrischen Feldern, die man in typischer Weise in organischen Einrichtungen antrifft (F∼106 V/cm), niedrig. Der wirkungsvollste Exzitonen-Zerfall tritt in organischen Materialien an einer Donor-Akzeptor(D-A)-Grenzfläche auf. An einer solchen Grenzfläche bildet das Donor-Material mit einem niedrigen Ionisation-Potential einen Heteroübergang mit einem Akzeptor-Material mit einer hohen Elektronen-Affinität. Abhängig von der Ausrichtung der Energieniveaus der Donor- und Akzeptor-Materialien kann der Zerfall des Exzitons an einer solchen Grenzfläche energetisch vorteilhaft werden, was zu einem freien Elektronen-Polaron in dem Akzeptor-Material und einem freien Loch-Polaron in dem Donor-Material führt.
  • Organische PV-Zellen haben viele potentielle Vorteile, wenn man sie mit herkömmlichen Einrichtungen auf Silizium-Basis vergleicht. Organische PV-Zellen sind leichten Gewichts, wirtschaftlich im Materialverbrauch und können auf preiswerten Substraten, beispielsweise flexiblen Kunststofffolien, abgelagert werden. Jedoch haben einige organische PV-Einrichtungen typischerweise einen relativ niedrigen Quantenwirkungsgrad, und zwar in der Größenordnung von 1% oder weniger. Dieses wird teilweise wegen der Natur zweiter Ordnung des intrinsischen photo- bzw. lichtleitenden Prozesses angenommen. Das bedeutet, dass die Trägererzeugung eine Exzitonen-Erzeugung, -Diffusion und -Ionisation oder -Kollektion erfordert. Mit jedem dieser Prozesse ist ein Wirkungsgrad η verknüpft. Indices können wie folgt verwendet werden: P für den Energiewirkungsgrad, EXT für den externen Quantenwirkungsgrad, A für die Photonenabsorption, ED für die Exzitonen-Diffusion, CC für die Ladungskollektion und INT für den internen Quantenwirkungsgrad. Unter Verwendung dieser Bezeichnungen ergibt sich: ηP ~ ηEXT = ηA * ηED * ηCC ηEXT = ηA * ηINT
  • Die Diffusionslänge (LD) eines Exzitons ist typischerweise viel geringer (LD 5.0 nm = 50 Å) als die optische Absorptionslänge (∼50.0 nm = ∼500 Å), was einen Kompromiss zwischen der Verwendung einer starken und deshalb widerstandsfähigen Zelle mit mehrfach oder stark gefalteten Grenzflächen oder einer dünnen Zelle mit einem niedrigen optischen Absorptionswirkungsgrad erfordert.
  • Typischerweise wird, wenn Licht zur Bildung eines Exzitons in einer organischen Dünnschicht absorbiert wird, ein Singulett-Exziton gebildet. Durch den Mechanismus eines Intersystem-Crossings (ISC) kann das Singulett-Exziton zu einem Triplett-Exziton zerfallen. Bei diesem Prozess wird Energie verloren, was zu einem niedrigeren Wirkungsgrad für die Einrichtung führt. Wenn es nicht auf den Energieverlust vom Intersystem-Crossing ankäme, wäre es wünschenswert, Materialien zu benutzen, die Triplett-Exzitonen erzeugen, da Triplett-Exzitonen allgemein eine längere Lebenszeit aufweisen und damit auch eine längere Diffusionslänge, als dies bei Singulett-Exzitonen der Fall ist.
  • Durch Verwendung eines organometallischen Materials in dem photoaktiven Bereich können die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung in wirkungsvoller Weise Triplett-Exzitonen verwenden. Es wird angenommen, dass die Singulett-Triplett-Mischung für organometallische Verbindungen so stark sein kann, dass die Absorptionen eine Erregung von den Singulett-Basiszuständen direkt zu den Triplett-Erregungszuständen mit sich bringen, was die Verluste beseitigt, die mit der Wandlung von dem Singulett-Erregungszustand in den Triplett-Erregungszustand verbunden sind. Die längere Lebenszeit und Diffusionslänge von Triplett-Exzitonen im Vergleich zu Singulett-Exzitonen kann die Verwendung eines stärkeren photoaktiven Bereichs ermöglichen, da die Triplett-Exzitonen über einen größeren Abstand diffundieren können, um den Donor-Akzeptor-Heteroübergang zu erreichen, ohne den Wirkungsgrad der Einrichtung zu opfern.
  • US 2003/0042846 A1 offenbart eine organische Solarzelle in Tandem-Anordnung, die eine Schicht von Ag-Nanopartikeln im photoaktiven Bereich umfasst.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf organische lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen. Genauer gesagt ist sie auf organische lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen gerichtet, die einen photoaktiven organischen Bereich haben, der verkapselte Nanopartikel enthält, die Plasmon-Resonanzen hervorbringen. Eine Verbesserung des einwirkenden optischen Feldes wird über Oberflächen-Plasmon-Polariton- Resonanzen erreicht. Diese Verbesserung erhöht die Absorption einfallenden Lichts, was zu einer wirkungsvolleren Einrichtung führt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine organische PV-Einrichtung.
  • 2 zeigt eine schematische und Transmissionselektronen-mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer organischen photovoltaischen Tandem-Zelle.
  • 3 zeigt die realen (ε1) und imaginären (ε2) dielektrischen Funktionen für Ag, berechnet als Funktionen der Photonenenergie.
  • 4 zeigt die simulierte Oberflächen-Plasmon-Polariton(SPP)-Resonanz-Wellenlänge für ein 5 nm sphärisches Ag-Partikel als Funktion der dielektrischen Funktion (εm) des einbettenden Mediums.
  • 5 zeigt die simulierte SPP-Resonanz-Wellenlänge über dem Achsverhältnis für ein Ag-Partikel im Vakuum.
  • 6 zeigt die Absorptionsspektren für eine 1 nm Ag (gepunktete Kurve)-, eine 7 nm CuPc (gestrichelte Kurve)- und eine 7 nm CuPc auf 1 mm Ag (ausgezogene Kurve)-Schicht, jeweils abgelagert auf Quarz-Substraten.
  • 7 zeigt eine Konturenabbildung der berechneten Intensitätsverbesserung (I/IO) einer Kette von Ag-Partikeln mit 2R = 5 nm Durchmesser und einem Mitte-zu-Mitte-Abstand d = 10 nm bei λ = 690 nm.
  • 8 zeigt eine durchschnittliche berechnete Intensitätsverbesserung (I/IO) an der Oberfläche eines Ag-Partikels mit 5 nm Durchmesser als Funktion der Wellenlänge für verschiedene einbettende Medien.
  • 9 zeigt die Absorption (gepunktete Linien) und die durchschnittliche Intensitätsverbesserung (I/IO) (ausgezogene Linien), simuliert an der Oberfläche eines sphärischen Partikels mit 5 nm Durchmesser und eines elliptischen Partikels (mit einem Achsenverhältnis von 0,5).
  • 10 zeigt (a) die maximale berechnete Intensitätsverbesserung (I/IO) in der Mitte einer 1D Partikelkette über δ und (b) die simulierte Oberflächen-Plasmon-Polariton(SPP)-Scheitelwellenlänge als Funktion des Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstands δ einer ID-Kette von 5 nm-Durchmesser-sphärischen (ausgezogenen Linien) und elliptischen (gestrichelten Linien) Partikeln.
  • 11 zeigt die Intensitätsverbesserung (I/IO), berechnet an der Achse einer 1-D-Partikelkette, eingebettet in einem n = 2 + 0,5/Medium über der Wellenlänge.
  • 12 zeigt die gemessene Absorptionsfähigkeit A variierender Stärken von CuPC auf Quarz bei einer Wellenlänge von λ = 690 nm mit einer (Dreiecke) und ohne eine (Vierecke) 1,0 nm (10 Å) Ag-Clusterschicht. Anpassungen (ausgezogene Linien) an die Daten sind im Text beschrieben.
  • 13 zeigt die gemessene Differenz der Absorptionsfähigkeit (ΔA) der CuPc-Schichten mit und ohne eine Ag-Schicht über der CuPc-Stärke t.
  • 14 zeigt die wirksame Verbesserungslänge, berechnet für eine ID-Kette von 5 nm-Durchmesser sphärischen (ausgezogene Linien) und elliptischen (Achsverhältnis = 0,5) Partikeln (gestrichelte Linien), eingebettet in einem Dielektrikum mit n = 2 + 0,5 i als Funktion des Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstands von Partikeln in der Kette.
  • 15 zeigt die berechneten externen Quantenwirkungsgrad (ηEQE)-Spektren für eine CuPc/PTCBI-PV-Zelle in Tandem-Anordnung (a) mit und (b) ohne die Anwesenheit von Ag-Clustern.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es ist eine organische lichtempfindliche/photosensitive optolektronische Einrichtung vorgesehen. Organische Einrichtungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise verwendet werden, um einen nutzbaren elektrischen Strom aus einfallender bzw. einwirkender elektromagnetischer Strahlung (z. B. PV-Einrichtungen) zu erzeugen, oder sie können gebraucht werden, um einwirkende elektromagnetische Strahlung zu ermitteln. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine Anode, eine Kathode und einen photoaktiven Bereich zwischen der Anode und der Kathode umfassen. Der photoaktive Bereich ist der Abschnitt der lichtempfmdlichen Einrichtung, der elektromagnetische Strahlung absorbiert, um Exzitonen zu erzeugen, die zerfallen können, um so einen elektrischen Strom zu erzeugen. Organische lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen können ebenfalls wenigstens eine transparente Elektrode einschließen, um zu ermöglichen, dass einfallende Strahlung durch die Einrichtung absorbiert wird. Verschiedene Materialien und Konfigurationen für/von PV-Einrichtungen sind in den U.S. Patenten Nr. 6.657,378 , 6,580,027 und 6,352,777 beschrieben, die in ihrer Gesamtheit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden.
  • 1 zeigt eine organische lichtempfindliche optoelektronische Einrichtung 100. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet. Die Einrichtung 100 kann ein Substrat 110, eine Anode 115, eine Anoden-Glättungsschicht 120, eine Donorschicht 125, eine Akzeptorschicht 130, eine Sperrschicht 135 und eine Kathode 140 umfassen. Die Kathode 140 kann eine Verbundkathode mit einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten leitenden Schicht sein. Die Einrichtung 100 kann hergestellt werden, indem man die beschriebenen Schichten der Reihe nach ablagert. Eine Ladungstrennung kann vorwiegend an dem organischen Heteroübergang zwischen der Donorschicht 125 und der Akzeptorschicht 130 auftreten. Das integrierte Potential an dem Heteroübergang wird durch die HOMO-LUMO-Energieniveau-Differenz zwischen den zwei Materialien bestimmt, die sich zur Bildung des Heteroübergangs berühren. Die zwischen den Donor- und Akzeptormaterialien abgesetzte HOMO-LUMO-Lücke erzeugt an der Donor-/Akzeptor-Grenzfläche ein elektrisches Feld, das die Ladungstrennung für Exzitonen erleichtert, die innerhalb einer Exzitonen-Diffusionslänge der Grenzfläche erzeugt werden.
  • Die spezifische Anordnung der Schichten, wie sie in 1 dargestellt ist, hat nur beispielhafte Bedeutung und soll nicht beschränkend sein. Beispielsweise können einige der Schichten (wie die Sperrschichten) weggelassen werden. Weitere Schichten (wie reflektierende Schichten oder zusätzliche Akzeptor- und Donor-Schichten) können hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der Schichten kann geändert werden. Es können Anordnungen verwendet werden, die sich von den spezifisch beschriebenen unterscheiden.
  • Das Substrat kann jegliches geeignetes Substrat sein, das gewünschte strukturelle Eigenschaften bereitstellt. Das Substrat kann flexibel oder starr, Planar oder nicht-planar sein. Das Substrat kann transparent, transluzent oder opak sein. Kunstharz und Glas sind Beispiele bevorzugter starrer Substratmaterialien. Kunstharz und Metallfolien sind Beispiele bevorzugter flexibler Substratmaterialien. Das Material und die Stärke des Substrats können wahlweise ausgesucht werden, um gewünschte strukturelle und optische Eigenschaften zu erzielen.
  • US Patent Nr. 6,352,777 , das zur Bezugnahme im vorliegenden Zusammenhang einbezogen wird, stellt Beispiele von Elektroden oder Verbindungen bzw. Anschlüssen bereit, die in einer lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtung verwendet werden können. Bei Benutzung im vorliegenden Zusammenhang beziehen sich die Begriffe bzw. Ausdrücke „Elektrode" und „Anschluss" auf Lagen oder Schichten, die ein Medium zum Abgeben Photo-erzeugten Stromes an eine äußere Schaltung bereitstellen oder eine Vorspannung für die Einrichtung schaffen. Mit anderen Worten sorgt eine Elektrode oder ein Anschluss für die Grenzfläche zwischen den aktiven Bereichen einer organischen lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtung und einem Draht, einem Faden, einer Leitung oder anderen Mitteln zum Transportieren/Befördern der Ladungsträger an die äußere Schaltung oder von dieser her. In einer lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtung ist es wünschenswert zu ermöglichen, dass die maximale Menge elektromagnetischer Umgebungsstrahlung vom Äußeren der Einrichtung an den photoleitenden aktiven inneren Bereich herangelassen werden kann. Mit anderen Worten muss die elektromagnetische Strahlung eine photoleitende Schicht(en) erreichen, wo sie durch photoleitende Absorption in Elektrizität umgewandelt werden kann. Dies macht es häufig erforderlich, dass wenigstens einer der elektrischen Anschlüsse minimal absorbierend und minimal reflektierend bezüglich der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist. Das bedeutet, dass ein solcher Anschluss im Wesentlichen transparent sein sollte. Die gegenüberliegende Elektrode kann aus einem reflektierenden Material bestehen, so dass Licht, das, ohne absorbiert zu werden, die Zelle durchtreten hat, zurück durch die Zelle reflektiert wird. Entsprechend dem Gebrauch im vorliegenden Zusammenhang wird eine Materialschicht oder eine Folge verschiedener Schichten unterschiedlicher Materialien als „transparent" bezeichnet, wenn die Schicht oder Schichten es wenigstens 50% der elektromagnetischen Umgebungsstrahlung mit relevanten Wellenlängen ermöglicht/en, dass diese durch die Schicht oder die Schichten hindurchgeschickt wird. In ähnlicher Weise bezeichnet man Schichten, die einen teilweisen, aber geringeren als 50% ausmachenden Durchgang der elektromagnetischen Umgebungsstrahlung im relevanten Wellenlängenbereich ermöglichen, als „semi-transparent".
  • Entsprechend der Verwendung im vorliegenden Zusammenhang bedeutet „oben/oberer Teil" am weitesten vom Substrat entfernt, während „unten/Boden" als am nächsten zum Substrat befindlich bedeutet. Beispielsweise ist für eine Einrichtung mit zwei Elektroden die untere oder Boden-Elektrode diejenige Elektrode, die sich am nächsten zum Substrat befindet, und es handelt sich dabei ganz allgemein um die erste hergestellte Elektrode. Die Bodenelektrode hat zwei Flächen, eine Bodenfläche, die sich am nächsten zum Substrat befindet, und eine obere Fläche, die weiter vom Substrat entfernt ist. Wenn eine erste Schicht als „angeordnet über" einer zweiten Schicht beschrieben wird, so ist die erste Schicht weiter vom Substrat weg angeordnet bzw. abgelagert. Es können weitere Schichten zwischen der ersten und zweiten Schicht bestehen, wenn nicht spezifiziert ist, dass die erste Schicht sich „in physischem Kontakt mit" der zweiten Schicht befindet. Beispielsweise kann eine Kathode als „angeordnet über" einer Anode beschrieben werden, selbst wenn sich noch verschiedene organische Schichten dazwischen befinden.
  • Die Elektroden sind vorzugsweise aus Metallen oder „Metallsubstituten" zusammengesetzt. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Ausdruck bzw. Begriff „Metall" so verwendet, dass er beide Materialien umfasst, wenn sie aus einem elementar reinen Metall zusammengesetzt sind, z. B. Mg, aber ebenso Metalllegierungen, die Materialien sind, die aus zwei oder mehr elementar reinen Metallen zusammengesetzt sind, z. B. Mg und Ag zusammen, bezeichnet als Mg:Ag. Dabei bezieht sich der Ausdruck „Metallsubstitut" auf ein Material, das kein Metall innerhalb der normalen Definition ist, sondern den Umstand, dass bei ihm die Metall-ähnlichen Eigenschaften vorhanden sind, die in bestimmten geeigneten Anwendungsformen wünschenswert sind. Üblicherweise verwendete Metallsubstitute für Elektroden und Ladungsübermittlungsschichten umfassen dotierte Breit-Bandlücken-Halbleiter, beispielsweise transparente leitende Oxide wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), Gallium-Indium-Zinn-Oxid (GITO) und Zink-Indium-Zinn-Oxid (ZITO). Insbesondere ist ITO ein hoch-dotierter degenerierter n+-Halbleiter mit einer optischen Bandlücke von ungefähr 3.2 eV, wodurch es für Wellenlängen mit mehr als ungefähr 390 nm (3900 Å) transparent gemacht wird. Weitere geeignete Metallsubstitute sind das transparente leitende Polymer Polyanalin (PANI) und seine chemischen Verwandten. Metallsubstitute können weiter aus einem breiten Bereich nicht-metallischer Materialien ausgewählt werden, wobei der Begriff bzw. Ausdruck „nicht-metallisch" bedeutet, dass ein breiter Bereich von Materialien umfasst wird, vorausgesetzt, dass das Material in seiner chemisch nicht-kombinierten Form frei von Metall ist. Wenn ein Metall in seiner chemisch nicht-kombinierten Form vorhanden ist, und zwar entweder allein oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Metallen als Legierung, so kann man auf dieses Metall wahlweise als in seiner metallischen Form vorliegend oder als ein „freies Metall" Bezug nehmen. Damit kann auf die Metall-Substitut-Elektroden der vorliegenden Erfindung manchmal als „metall-frei" Bezug genommen werden, wobei der Begriff bzw. Ausdruck „metall-frei" ausdrücklich besagen soll, dass ein Material mit erfasst wird, das frei von Metall in seiner chemisch nicht-kombinierten Form ist. Freie Metalle haben typischerweise eine Form einer Metallbindung, die von einem Überfluss an Valenz-Elektronen herrührt, die frei sind, um sich in einem elektronischen Leiterband über das gesamte metallische Gitterwerk zu bewegen. Während Metallsubstitute Metallbestandteile enthalten können, sind sie auf verschiedenen Grundlagen „nicht-metallisch". Sie sind weder reine freie Metalle, noch sind sie Legierungen freier Metalle. Wenn Metalle in ihrer metallischen Form vorliegen, neigt das elektronische Leitungsband dazu, unter anderen metallischen Eigenschaften eine hohe elektrische Leitfähigkeit ebenso wie ein hohes Reflektionsvermögen für optische Strahlung bereitzustellen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können als eine oder mehrere der transparenten Elektroden der lichtempfindlichen optoelektonischen Einrichtung eine hoch transparente, nicht-metallische Kathode niedrigen Widerstands, wie sie in US Patent Nr. 6,420,031 an Parthasarathy et al. („Parthasarathy '031") beschrieben ist, oder eine hoch effiziente Kathode niedrigen Widerstands mit metallischem/nicht-metallischem Verbund, wie sie in US Patent Nr. 5,703,436 an Forrest et al. („Forrest '436") offenbart ist, umfassen, wobei auf beide dieser Druckschriften in ihrer Gesamtheit Bezug als Bestandteil der vorliegenden Offenbarung genommen wird. Jeder Kathodentyp wird vorzugsweise in einem Herstellungsprozess bereitet, der den Schritt des Sputter-Aufbringen einer ITO-Schicht entweder auf ein organisches Material wie Kupfer-Phthalocyanin (CuPc), um eine hoch transparente, nicht-metallische Kathode niedrigen Widerstands zu bilden, oder auf eine dünne Mg:Ag Schicht, um eine hoch effiziente Kathode niedrigen Widerstands mit metallischem/nicht-metallischem Verbund zu bilden, umfasst.
  • Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff bzw. Ausdruck „Kathode" in der folgenden Art und Weise verwendet. In einer nicht-gestapelten PV-Einrichtung oder in einer einzelnen Einheit einer gestapelten PV-Einrichtung unter Umgebungsstrahlung und verbunden mit einer ohmschen Last sowie mit keiner von außen angelegten Spannung, z. B. einer PV-Einrichtung, bewegen sich Elektronen von dem photo-leitenden Material zur Kathode hin. In ähnlicher Weise wird im vorliegenden Zusammenhang der Begriff bzw. Ausdruck „Anode" so verwendet, dass sich in einer unter Beleuchtung stehenden PV-Einrichtung Löcher von dem photo-leitenden Material zur Anode hin bewegen, was äquivalent dem Umstand ist, dass sich Elektronen in der entgegengesetzten Weise bewegen. Es ist zu bemerken, dass so, wie im vorliegenden Zusammenhang die Begriffe benutzt werden, Anoden und Kathoden Elektroden oder Ladungsdurchtrittsschichten sein können.
  • Eine organische lichtempfindliche Einrichtung umfasst mindestens einen photoaktiven Bereich, in dem Licht absorbiert wird, um einen erregten Zustand oder ein „Exziton" zu bilden, das in der Folge in ein Elektron und ein Loch zerfallen kann. Der Zerfall des Exzitons tritt typischerweise an dem Heteroübergang auf, der sich durch Nebeneinanderanordnen einer Akzeptorschicht und einer Donorschicht ergibt. Beispielsweise kann in der Einrichtung der 1 der „photoaktive Bereich" eine Donorschicht 125 und eine Akzeptorschicht 130 umfassen.
  • Das Akzeptormaterial kann beispielsweise Perylene, Naphthalin, Fullerene oder Nanoröhren umfassen. Ein Beispiel eines Akzeptormaterials ist 3,4,9,10-perylentetracarboxylisches Bis-benzimidazol (PTCBI). Wahlweise kann die Akzeptorschicht ein Fulleren-Material umfassen, wie es in US Patent Nr. 6,580,027 beschrieben ist, das in seiner Gesamtheit zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht wird. Benachbart zu der Akzeptorschicht befindet sich eine Schicht organischen Materials des Donor-Typs. Die Grenze der Akzeptorschicht und der Donorschicht bildet den Heteroübergang, der ein intern erzeugtes elektrisches Feld erzeugen kann. Das Material für die Donorschicht kann ein Pthalocyanin oder ein Porphyrin oder ein Abkömmling oder ein Übergangsmetallkomplex davon sein, wie z. B. Kupfer-Pthalocyanin (CuPc). Andere geeignete Akzeptor- und Donor-Materialien können ebenfalls verwendet werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die gestapelten organischen Schichten eine oder mehrere Exziton-Sperrschichten (EBL's), wie dies in US Patent Nr. 6,097,147 von Peumans et al, Applied Physics Letters 2000, 76, 2650–52 und der damit zusammenhängenden anhängigen Anmeldung Nr. 09/449,801, eingereicht am 26. November 1999, beschrieben ist, die beide vorliegend als Referenz in die Offenbarung einbezogen werden. Höhere interne und externe Quantenwirkungsgrade wurden durch Einschließen einer EBL erreicht, um photo-erzeugte Exzitonen auf den Bereich nahe der Zerfall-Grenzfläche zu beschränken und um ein Quenching von parasitischen Exzitonen an einer lichtempfindlichen organischen/Elektroden-Grenzfläche zu verhindern. Zusätzlich zur Begrenzung des Volumens, über dem Exzitonen diffundieren können, kann auch eine EBL als Diffusionssperre für Substanzen wirken, die während der Ablagerung der Elektroden eingeführt werden. Unter Umständen kann eine EBL stark genug hergestellt werden, um Pinholes oder Kurzschlussfehler zu füllen, die anderenfalls zum Nichtfunktionieren einer organischen PV-Einrichtung führen würden. Eine EBL kann deshalb dazu beitragen, schwache organische Schichten vor Schäden zu bewahren, die entstehen, wenn Elektroden auf organische Materialien abgelagert werden.
  • Es wird angenommen, dass die EBLs ihre Eigenschaft des Exzitonen-Sperrens daraus herleiten, dass sie eine LUMO-HOMO-Energielücke aufweisen, die wesentlich größer als die des benachbarten organischen Halbleiters ist, von dem Exzitonen gesperrt werden. Damit werden aufgrund von Energiebetrachtungen die begrenzten Exzitonen daran gehindert, in der EBL zu existieren. Während es wünschenswert ist, dass die EBL Exzitonen sperrt, ist es bezüglich der EBL nicht wünschenswert, sämtliche Ladung zu sperren. Aufgrund der Natur der benachbarten Energieniveaus kann jedoch eine EBL einen Wert (Vorzeichen) von Ladungsträgern sperren. Durch den Aufbau existiert eine EBL zwischen zwei anderen Schichten, normalerweise einer organischen lichtempfindlichen Halbleiterschicht und einer Elektrode oder Ladungsdurchtrittsschicht. Die benachbarte Elektroden oder Ladungsdurchtrittsschicht ist im Kontext entweder eine Kathode oder eine Anode. Daher wird das Material für eine EBL in einer gegebenen Position in einer Einrichtung so gewählt werden, dass das gewünschte Vorzeichen eines Trägers bei seinem Transport zur Elektrode oder Ladungsdurchtrittsschicht nicht gehemmt wird. Eine einwandfreie Energieniveauausrichtung stellt sicher, dass gegenüber dem Ladungstransport keine Sperre existiert, wodurch ein Anstieg im Vorwiderstand verhindert wird. Beispielsweise ist es hinsichtlich eines Materials, das als kathodenseitige EBL verwendet wird, wünschenswert, ein LUMO-Energieniveau zu haben, das dem LUMO-Energieniveau des benachbarten ETL- Materials sehr nahe kommt, so dass jegliche ungewünschte Sperre gegen Elektronen minimiert wird.
  • Es sollte klar sein, dass die Eigenschaft eines Materials, Exzitonen zu sperren, keine intrinsische Eigenschaft seiner HOMO-LUMO-Energielücke ist. Ob ein gegebenes Material als Exzitonen-Blocker wirkt, hängt von den relativen HOMO- und LUMO-Energieniveaus des benachbarten organischen lichtempfindlichen Materials ab. Daher ist es nicht möglich, eine Klasse von Verbindungen isoliert als Exzitonen-Blocker ungeachtet des Einrichtungszusammenhangs, in dem sie benutzt werden können, zu identifizieren. Mit den im vorliegenden Zusammenhang vermittelten Lehren kann jedoch eine Person mit normalen technischen Fähigkeiten auf diesem Gebiet identifizieren, ob ein gegebenes Material als Exzitonen-Sperrschicht funktioniert, wenn es mit einem ausgewählten Satz an Materialien verwendet wird, um eine organische PV-Einrichtung herzustellen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich eine EBL zwischen der Akzeptorschicht und der Kathode. Ein bevorzugtes Material für die EBL umfasst 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin, (auch bezeichnet als Bathocuproin oder BCP), bei dem man davon ausgeht, dass es eine LUMO-HOMO-Energieniveau-Separation von ungefähr 3,5 eV hat, oder Bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinat)-Aluminium (III) Phenolat (Alq2OPH). BCP ist ein wirksamer Exzitonenblocker, der Elektronen von einer Akzeptorschicht leicht zur Kathode heran transportieren kann.
  • Die EBL-Schicht kann mit einer geeigneten Dotierungssubstanz dotiert werden, die, ohne darauf beschränkt zu sein, 3,4,9,10-perylentracarboxylisches Dianhydrid (PTCDA), 3,4,9,10-perylentracarboxylisches Diimid (PTCDI), 3,4,9,10-perylentetracarboxylisches Bisbenzimidazol (PTCBI), 1,4,5,8-naphthalentetracarboxylisches Dianhydrid (NTCDA) und Derivate davon enthalten kann. Es wird angenommen, dass das BCP, wie es bei den vorliegenden Einrichtungen abgelagert wird, amorph ist. Die vorliegend augenscheinlich amorphen BCP-Exziton-Sperrschichten können eine Schicht-Rekristallisation hervorrufen, die unter hohen Lichtstärken besonders schnell ist. Die sich daraus für polykristallines Material ergebende Änderung in der Morphologie führt zu einer Schicht geringerer Qualität mit möglichen Mängeln wie Kurzschlüssen, Leerstellen oder Eindringen von Elektrodenmaterial. Demgemäß wurde herausgefunden, dass das Dotieren einiger EBL-Materialien wie z. B. BCP, die diesen Effekt mit einem geeigneten, relativ großen und stabilen Molekül hervorrufen, die EBL-Struktur stabilisieren kann, um die Qualität mindernde morphologische Änderungen zu verhindern. Es sei weiterhin beachtet, dass das Dotieren einer EBL, die in einer gegebenen Einrichtung Elektronen transportiert, mit einem Material, das ein LUMO-Energieniveau nahe dem der EBL aufweist, dazu beiträgt sicherzustellen, dass keine Elektronenfangstellen gebildet werden, die einen Aufbau von Ladungslücken erzeugen und die Leistung reduzieren könnten. Zusätzlich sollte beachtet werden, dass relativ niedrige Dotierungsdichten eine Exzitonen-Erzeugung an isolierten Dotierungsstellen minimieren würden. Da solche Exzitonen durch das umgebende EBL-Material wirkungsvoll am Diffundieren gehindert werden, reduzieren solche Absorptionen den Wirkungsgrad der Photoumwandlung der Einrichtung.
  • Repräsentative Ausführungsformen können ebenfalls transparente Ladungsübergangsschichten oder Ladungs-Rekombinationsschichten umfassen. Wie im vorliegenden Zusammenhang beschrieben, werden Ladungsübergangs- oder durchtrittsschichten von Akzeptor- und Donorschichten durch die Tatsache unterschieden, dass Ladungsübergangsschichten häufig, aber nicht notwendigerweise, anorganisch (oftmals Metalle) sind und dass sie ausgewählt werden können, nicht photoleitend aktiv zu sein. Der Begriff „Ladungsübergangsschichten" wird im vorliegenden Zusammenhang verwendet, tun einen Bezug zu Schichten zu erhalten, die dadurch Elektroden ähnlich, aber von diesen verschieden sind, dass eine Ladungsübergangsschicht nur Ladungsträger von einem Unterabschnitt einer optoelektronischen Einrichtung an den benachbarten Unterabschnitt liefert. Der Begriff „Ladungs-Rekombinationsschicht" wird im vorliegenden Zusammenhang verwendet, um einen Bezug zu Schichten zu haben, die dadurch ähnlich Elektroden aber von diesen verschieden sind, dass eine Ladungs-Rekombinationsschicht die Rekombination von Elektronen und Löchern zwischen lichtempfindlichen Einrichtungen in Tandem-Anordnung ermöglicht und ebenfalls die interne optische Feldstärke nahe einer oder mehrerer aktiver Schichten verbessern kann. Eine Ladungs-Rekombinationsschicht kann aus halbtransparenten metallischen Nanoclustern, Nanopartikeln oder Nanostangen aufgebaut sein, wie dies im US Patent Nr. 6,657,378 , das in seiner Gesamtheit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird, beschrieben wird.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich eine Anoden-Glättungsschicht zwischen der Anode und der Donorschicht. Ein bevorzugtes Material für diese Schicht umfasst eine Schicht von 3,4- Polyethylendioxythiophen:Polystyrolsulfat (PEDOT:PSS). Die Einführung der PEDOT:PSS-Schicht zwischen der Anode (ITO) und der Donorschicht (CuPc) kann zu stark verbesserten Herstellungsausbeuten führen. Dieses wird der Fähigkeit der Spin-beschichteten PEDOT:PSS-Schicht zum Ebnen der ITO zugeschrieben, deren raue Oberfläche anderenfalls zu Kurzschlüssen durch die dünnen molekularen Schichten führen könnte.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können eine oder mehrere der Schichten vor dem Ablagern der nächsten Schicht mit Plasma behandelt werden. Die Schichten können beispielsweise mit einem milden Argon- oder Sauerstoffplasma behandelt werden. Diese Behandlung ist nutzbringend, da sie den Vorwiderstand reduziert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die PEDOT:PSS-Schicht vor der Ablagerung der nächsten Schicht einer milden Plasmabehandlung unterzogen wird.
  • Die einfache geschichtete, in 1 dargestellte Struktur ist mittels eines nicht beschränkenden Beispiels vorgesehen, und es ist verständlich, dass Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit einer breiten Auswahl anderer Strukturen verwendet werden können. Die beschriebenen spezifischen Materialien und Strukturen sind von Natur aus beispielhaft, und es können auch andere Materialien und Strukturen verwendet werden. Es lassen sich funktionale Einrichtungen erzielen, indem man die verschiedenen, beschriebenen Schichten auf verschiedene Art und Weise kombiniert, oder es können auch Schichten völlig weggelassen werden, was jeweils auf Entwurf und Konstruktion, Leistung und Kostenfaktoren beruht. Andere, nicht spezifisch beschriebene Schichten können ebenfalls einbezogen werden. Es können auch andere Materialien als diejenigen, die spezifisch beschrieben sind, verwendet werden. Obwohl viele der hierin vorgesehenen Beispiele verschiedene Schichten dahingehend beschreiben, dass sie ein einzelnes Material umfassen, ist es verständlich, dass Kombinationen von Materialien, wie beispielsweise eine Mischung aus Wirt- und Dotiersubstanz, oder, noch allgemeiner ausgedrückt, eine Mischung (als solche) verwendet werden können. Auch können die Schichten verschiedene Unterschichten aufweisen. Es ist nicht beabsichtigt, dass die den verschiedenen Schichten im vorliegenden Zusammenhang erteilten Namen/Bezeichnungen streng begrenzend sind. Auf organische Schichten, die kein Teil des photoaktiven Bereiches sind, d. h. organische Schichten, die im Allgemeinen Photonen nicht absorbieren, die einen signifikanten Beitrag zum Photostrom leisten, kann als „nicht-photoaktive Schichten" Bezug genommen werden. Beispiele nicht- photoaktiver Schichten schließen EBL's und Anoden-glättende Schichten ein. Andere Arten nicht-photoaktiver Schichten können ebenfalls verwendet werden.
  • Bevorzugte organische Materialien zur Verwendung in den photoaktiven Schichten einer lichtempfindlichen Einrichtung umfassen organometallische Verbindungen der Zyclometallat-Art. Der Ausdruck „organometallisch", wie er im vorliegenden Zusammenhang verwendet wird: ist dem Fachmann allgemein verständlich und beispielsweise in „Inorganic Chemistry" (2. Auflage) von Gary L. Miessler und Donald A. Tarr, Prentice Hall (1998), dargelegt. Demgemäss bezieht sich der Begriff „organometallisch" auf Verbindungen bzw. Zusammensetzungen, die eine organische Gruppe aufweisen, die durch eine Carbonmetallische Bindung an ein Metall gebunden sind. Diese Klasse umfasst nicht per se Koordinationsverbindungen, bei denen es sich um Substanzen handelt, die nur Donor-Bindungen von Heteroatomen wie z. B. Metallkomplexen von Aminen, Haliden, Pseudohaliden (CN, etc.) und dergleichen aufweisen. In der Praxis umfassen organometallische Verbindungen allgemein zusätzlich zu einer oder mehreren Kohlenstoff-Metall-Bindungen an eine organische Spezies eine oder mehrere Donor-Bindungen von einem Heteroatom. Die Kohlenstoff-Metall-Bindung an eine organische Spezies bezieht sich auf eine Direktbindung zwischen einem Metall und einem Kohlenstoffatom einer organischen Gruppe wie Phenyl, Alkyl, Alkenyl etc., aber sie bezieht sich nicht auf eine Metallbindung an einen „anorganischen Kohlenstoff" wie den Kohlenstoff in CN oder CO. Der Begriff „Zyklometallat" (mit Zyklometallat verbunden, Zyklometallat tragend) bezieht sich auf Verbindungen, die einen zweizahnigen organometallischen Liganden derart umfassen, dass nach der Bindung an ein Metall eine Ringstruktur gebildet wird, die das Metall als eines der Ringelemente einschließt.
  • Organische Schichten können hergestellt werden, indem man Vakuum-Ablagerung oder -Beschichtung, Rotationsbeschichtung (Spin-Coating), organische Dampfphasen-Ablagerung oder -Beschichtung, Tintenstrahl-Drucken und andere im Stand der Technik bekannte Verfahren einsetzt.
  • Organische lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können als PV, Photodetektor oder Photoleiter funktionieren. Wann immer die organischen lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung als eine PV-Einrichtung arbeiten, können die in den lichtleitenden organischen Schichten verwendeten Materialien und deren Stärken beispielsweise ausgewählt werden, um den externen Quantenwirkungsgrad der Einrichtung zu optimieren. Wann immer die organischen lichtempfindlichen optoelektronischen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung als Photodetektoren oder Photoleiter arbeiten, können die in den lichtleitenden organischen Schichten verwendeten Materialien und deren Stärken ausgewählt werden, um beispielsweise die Empfindlichkeit der Einrichtung bezüglich gewünschter spektraler Bereiche zu maximieren.
  • Dieses Ergebnis kann man erreichen, indem man verschiedene Richtlinien in Betracht zieht, die bei der Auswahl der Schichtstärken verwendet werden können. Es ist für die Exzitonen-Diffusionslänge LD wünschenswert, dass diese größer als die oder vergleichbar der Schichtstärke L ist, da man annehmen kann, dass der größte Teil des Exzitonen-Zerfalls an einer Grenzfläche auftritt. Wenn LD geringer als L ist, so können sich vor dem Zerfall viele Exzitonen neu, d. h. re-kombinieren. Es ist weiter für die gesamte Stärke der lichtleitenden Schicht wünschenswert, dass sie in der Größenordnung der Absorptionslänge 1/α (worin α der Absorption-Koeffizient ist) der elektromagnetischen Strahlung liegt, so dass nahezu die gesamte Strahlung, die in die PV-Einrichtung einfällt, absorbiert wird, um Exzitonen zu erzeugen. Weiterhin sollte die Stärke der lichtleitenden Schicht so dünn wie möglich sein, um einen überschüssigen Vorwiderstand aufgrund des hohen Massenwiderstandes organischer Halbleiter zu vermeiden.
  • Demgemäß erfordern diese konkurrierenden Richtlinien von Natur aus, dass Kompromisse bei der Auswahl der Stärke der lichtleitenden organischen Schichten einer lichtempfindlichen optoelektronischen Zelle eingegangen werden. Daher ist (für eine Einrichtung mit einzelner Zelle) einerseits eine Stärke wünschenswert, die vergleichbar mit der oder größer als die Absorptionlänge ist, um die maximale Menge einfallender Strahlung zu absorbieren. Andererseits werden, wenn die Stärke der lichtleitenden Schicht ansteigt, zwei ungewünschte Auswirkungen erhöht. Eine davon liegt darin, dass wegen des hohen Vorwiderstands organischer Halbleiter eine erhöhte Stärke der organischen Schicht den Einrichtungswiderstand erhöht und den Wirkungsgrad reduziert. Ein weiterer unerwünschter Effekt liegt darin, dass eine Steigerung der Stärke der lichtleitenden Schicht die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Exzitonen weit entfernt von dem wirksamen Feld an einer Ladung-trennenden Grenzfläche erzeugt werden, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer doppelten Rekombination und, wiederum, zu einem reduziertem Wirkungsgrad führt.
  • Deshalb ist eine Gestaltung der Einrichtung wünschenswert, die ein Gleichgewicht zwischen diesen miteinander konkurrierenden Wirkungen in einer Weise herstellt, mit der sich für die Gesamteinrichtung ein hoher externer Quantenwirkungsgrad erzeugen lässt.
  • Die organischen photosensitiven optoelektronischen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung können als Photodetektoren arbeiten. Bei dieser Ausführungsform kann die Einrichtung eine organische mehrschichtige sein, wie sie beispielsweise in der US Anmeldung Nr. 10/723,953, eingereicht am 26. November 2003, beschrieben ist, auf die im vorliegenden Zusammenhang zur Gänze Bezug genommen und die vollständig in die Offenbarung einbezogen wird. In diesem Fall kann allgemein ein externes elektrisches Feld vergewendet werden, um die Extraktion der getrennten Ladungen zu erleichtern.
  • Es kann eine Konzentrator- oder Haftkonfiguration zum Einsatz gelangen, um den Wirkungsgrad der organischen lichtempfindlichenm optoelektronischen Einrichtung zu erhöhen, wobei Photonen dazu gebracht werden, mehrfach durch die dünnen absorbierenden Bereiche hindurchzutreten. US Patente Nr. 6,333,458 und 6,440,769 , auf die im vorliegenden Zusammenhang in ihrer Gänze Bezug genommen wird und die zum Gegenstand dieser Offenbarung gemacht werden, sprechen dieses Thema dadurch an, dass strukturelle Anordnungen verwendet werden, die den Lichtwandlungswirkungsgrad photosensitiver optoelektronischer Einrichtungen vergrößern, indem die optische Geometrie für hohe Absorption und für die Verbindung mit optischen Konzentratoren optimiert wird, die den Sammlungswirkungsgrad steigern. Solche geometrischen Gegebenheiten für photosensitive Einrichtungen vergrößern im Wesentlichen den optischen Weg durch das Material, indem sie die einwirkende Strahlung innerhalb eines reflektierenden Hohlraums oder einer Wellenleitungsstruktur einschließen und dadurch Licht mittels mehrfacher Reflektion durch das auf Licht ansprechende Material recyceln. Die in den US Patenten Nr. 6,333,458 und 6,440,769 offenbarten geometrischen Gegebenheiten erhöhen daher den externen Quantenwirkungsgrad der Einrichtungen, ohne dass sie eine wesentliche Steigerung im Massenwiderstand verursachen. Die Geometrie solcher Einrichtungen schließt eine erste reflektierende Schicht; eine transparente isolierende Schicht, die länger als die optische Kohärenzlänge des einfallenden Lichtes in allen Dimensionen sein sollte, um optische Effekte von Mikrokavitäts-Interferenzen zu vermeiden; eine transparente erste Elektrodenschicht benachbart zu der transparenten isolierenden Schicht; eine lichtempfindliche Heterostruktur benachbart zu der transparenten Elektrode; und eine zweite Elektrode ein, die ebenfalls reflektierend ist.
  • Es können Beschichtungen verwendet werden, um die optische Energie in bzw. auf gewünschte Bereiche einer Einrichtung zu fokussieren. Die US Patent Anmeldung Nr. 10/857,747, auf die vorliegend in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird und die als solche in die Offenbarung einbezogen wird, gibt Bespiele solcher Beschichtungen wieder.
  • Bei Zweischichten-Solarzellen in Tandem-Anordnung kann jede Unterzelle hinreichend dünn sein, um den Zerfall eines großen Prozentsatzes der Exzitonen zu ermöglichen, während die Einrichtung dick genug ist, um einen hohen Absorptionswirkungsgrad zu verwirklichen. 2 zeigt ein schematisches Diagramm 200 und ein hoch aufgelöstes Transmissionselektronen-Gefügebild 290 eines Querschnitts einer organischen PV-Zelle in Tandem-Anordnung. Die zwei Zellen 210 und 220 werden von einer Indium-Zinn-Oxid(ITO)-Anode 230 und einer Ag-Kathode 240 berührt und durch eine Ag-Nanopartikel-Schicht 250 getrennt. Bei der Verwendung im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck bzw. Begriff „Nanopartikel" auf ein Partikel, das in und/oder zwischen die organischen Schichten einer organischen Einrichtung passt. Die bevorzugte Nanopartikel-Größe beträgt ungefähr 30 nm (300 Å) oder weniger, obwohl die Nanopartikel in andere Materialien eingekapselt sein können, die diese Größe erhöhen können. Es sind der gesteigerte Abstand und die Diffusionslängen, nämlich LD D und LA D, der Donor(D)-Schicht bzw. der Akzeptor(A)-Schicht jeder Einrichtung bezeichnet. Es sind in dem Gefügebild Ag-Cluster sichtbar und in dem Schema (als ausgefüllte Kreise) gezeigt. Das Schema zeigt eine Darstellung der Stromerzeugung in der Zelle in Tandem-Anordnung. Nach Lichtabsorption werden in beiden photovoltaischen Unterzellen 210 und 220 Exzitonen gebildet. Nach Zerfallen an einer DA Grenzfläche 270 oder 280 werden das Loch in der PV-Unterzelle 210 und das Elektron in PV-Unterzelle 220 an den benachbarten Elektroden 230 und 240 aufgenommen. Um einen Aufbau von Ladung innerhalb der Zellen zu vermeiden, diffundieren das Elektron in PV-Unterzelle 210 und das Loch in PV-Unterzelle 220 zur Metall-Nanopartikel-Schicht 250 hin, wo sie sich neu bzw. re-kombinieren. Die Anziehung der anfänglichen Ladung auf das Nanopartikel ist primär ein Ergebnis von Bildladungseffekten. Wenn das Metallpartikel einzeln geladen wird, führt die Coulomb-Anziehung der freien entgegengesetzten Ladung zur schnellen Neu-Kombination an der Ag-Oberfläche 250.
  • Diese in Reihe geschaltete Zellenstruktur in Tandem-Anordnung ist vorteilhaft, weil sie im Vergleich mit dem Zweischichten-Einzelzellen-Fall zu einer Steigerung der Spannung VOC der offenen Schaltung führt. Wenn man bedenkt, dass ηP = JSCVCCFFIPinc (worin JSC die Kurzschluss-Stromdichte, FF der Füllfaktor und Pinc die einwirkende optische Energiedichte ist) ist, kann dies zu einer Erhöhung von ηP führen, vorausgesetzt, dass die anderen Parameter unverändert bleiben. Die Anregung zur Verwirklichung von Zellen in Tandem-Anordnung besteht deshalb darin, den Photostrom von jeder Zelle abzugleichen, da der Strom in der Einrichtung durch den geringeren der zwei Ströme begrenzt wird, die in der PV-Unterzelle 210 oder der PV-Unterzelle 220 erzeugt werden. Dies kann man dadurch erreichen, dass man die Stärken oder die Materialzusammensetzungen der verschiedenen Schichten der Einrichtung variiert, was sich aber wegen der optischen Interferenzeffekte kompliziert gestaltet. In Reihe angeordnete Tandem-Zellen können ebenfalls elektrisch geschaltete Mehrfach-Unterzellen umfassen, die mehr als zwei Unterzellen einschließen, wobei jede Unterzelle eine Akzeptor-Schicht und eine Donor-Schicht umfasst. Es können auch andere Anordnungen von Unterzellen verwendet werden, wie dies dem Fachmann des Gebietes offenbar ist.
  • Zusätzlich zu ihrer Funktion als wirksame Träger-Rekombinationsschicht zur Verhinderung des Ladens von Zellen können Nanopartikel auch das einwirkende elektrische Feld fördern bzw. verbessern, was wiederum die Absorption in der sich in der Nähe befindenden organischen Dünnschicht erhöht. Der schattierte Bereich 260 in der Darstellung der 2 deutet die Region an, in der das elektrische Feld durch die Ag-Nanopartikel 250 beeinflusst wird. Die Feldverbesserung ergibt sich aus Oberflächen-Plasmon-Polariton(SPP)-Resonanzen, die optisch auf den Nanopartikel-Oberflächen angeregt werden. Wie im vorliegenden Zusammenhang verwendet und allgemein vom Fachmann des Gebietes verstanden wird,, bezieht sich „Oberflächen-Plasmon-Polariton-Resonanz" auf das Koppeln der einfallenden Photonen an die Plasma-Oszillation der Partikeloberflächen, wobei sich „Plasma-Oszillation" auf die kollektive Erregung leitender Elektronen in dem Partikel bezieht. Die SPP-Resonanz ergibt sich aus der Verlagerung der negativen leitenden Elektronen gegen den positiv geladenen Hintergrund aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes. Dies führt zu Polarisationsladungen an der Nanopartikel-Oberfläche, was eine Rückstellkraft und damit eine Resonanz-Eigenfrequenz ergibt. Diese Eigenschaft metallischer Nanopartikel kann sowohl auf Schottky- als auch auf mit Farbstoff sensibilisierte PV-Zellen angewendet werden, wobei der photoaktive Bereich sich in Kontakt mit der Nanopartikel-Schicht befindet.
  • Die SPP-Resonanz-Position von Nanopartikeln oder Agregaten von Nanopartikeln kann durch irreguläre Partikelformen, unterschiedliche Wirkungen von der Einbettung dienenden dielektrischen Medien und Substraten und eine Interpartikel-Kopplung beeinflusst werden. Indem man Vorteile aus diesen verschiedenen Effekten zieht, kann die Resonanz eines Nanopartikels oder einer Nanopartikel-Anordnung auf Wellenlängen innerhalb des sichtbaren und infraroten Spektrums abgeglichen bzw. eingestellt werden.
  • Da die SPP-Resonanz das lokale elektromagnetische Feld fördert, brauchen Nanopartikel und photoaktiver Bereich nicht in direktem Kontakt zu stehen, um die Vorzüge der SPP-Resonanz zu verwirklichen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden verkapselte Nanopartikel innerhalb eines aktiven organischen Bereichs, der zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, dispergiert. Die Nanopartikel können zufällig oder einheitlich über den (gesamten) Bereich verteilt werden. Andere Anordnungen der Nanopartikel sind ebenfalls möglich und können für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der photoaktive Bereich eine oder mehrere PV-Zellen. Bei dieser Ausführungsform können die verkapselten Nanopartikel in Planaren Schichten zwischen benachbarten PV-Zellen angeordnet sein. Der photoaktive Bereich kann anderes geeignetes organisches Material einschließlich Farbstoff-sensibilisierter Materialien enthalten. Dispergieren der Nanopartikel innerhalb des photoaktiven Bereiches fördert das elektrische Feld, das auf den umliegenden Bereich einwirkt, und zwar aufgrund der SPP-Resonanzen an den Partikel-Oberflächen. Die Nanopartikel umfassen vorzugsweise ein Metall, wobei Ag, Cu und Au besonders bevorzugt sind. Die Verwendung dieser Materialien sorgt für eine SPP-Resonanz, die zur gesteigerten Absorption bei sichtbaren Wellenlängen führt. Die Nanopartikel können ebenfalls von einem dotierten degenerativen Halbleiter oder anderem Halbleitermaterial umfasst sein.
  • Die Resonanz-Wellenlänge tritt auf, wenn die folgende Gleichung minimiert wird: [ε1(ω) + 2εm(ω)]2 + ε2(ω)2 = constant wobei ε1(ω) und ε2(ω) für das Metall und εm(ω) für das einbettende Medium stehen. Dies kann vereinfacht werden zu: ε1(ω) = –2εm(ω)vorausgesetzt, dass ε2(ω) oder λε2/λω klein sind, was typisch beispielsweise für Ag im Bereich der Resonanz von 3.0 bis 3.5 eV zutrifft. 3 zeigt die reale dielektrische Funktion 310 und eine imaginäre dielektrische Funktion 320 für Ag als Funktionen der Photon-Energie. Masse-Ag ist als ausgezogene Linie gezeigt, und es sind auch Ag-Cluster mit 10 nm (gestrichelte Linie) und 5 nm (punktierte Linie) Durchmesser gezeigt. 4 zeigt die Wirkung des einbettenden Mediums auf die SPP-Resonanz von 2R = 5 nm Nanopartikel-Ag, wobei Änderungen in der dielektrischen Funktion in Betracht gezogen worden sind. Die gestrichelten Linien deuten Resonanz-Wellenlängen für ein Partikel mit einem Achsverhältnis von b/α = 0,6 an. Die Einfügung zeigt die Geometrie der Simulation.
  • Die Form der Nanopartikel ist ein weiterer Faktor, der besonders die SPP-Resonanz beeinflussen bzw. beeinträchtigen kann. Beispielsweise kann die SPP sich in zwei Modi aufteilen, wobei der eine der langen Achse α und der andere der kurzen Achse b des Sphäroids entspricht. In 5 ist die SPP-Scheitel(Peak)-Position für ein elliptisches Nanopartikel im Vakuum gezeigt. Entsprechend der Benutzung im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck „Achsverhältnis" auf das Verhältnis der kürzesten Achse zur längsten Achse, d. h. b/α. Für kleine Werte des Achsverhältnisses erreicht der Wellenlängenabstand zwischen den zwei Resonanzspitzen Werte von 300 nm, und für b/α = 1 entspricht die SPP-Position jener eines sphärischen Nanopartikels im Vakuum bei λp = 338 nm. Beispielsweise zeigen die gestrichelten Linien in 5, dass ein axiales Verhältnis von 0,6 zu SPP-Moden bei λb = 334 und λα = 360 nm führt. Dieses Aufteilen von Dipol-Moden kann auf Fälle jeglicher nicht-sphärischer Partikelformen verallgemeinert werden, und zwar aufgrund der sich ergebenden Verteilung der Ladung in dem asymmetrischen Nanopartikel. Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung weisen die Nanopartikel eine kleinste Achse nicht größer als ungefähr 30 nm (300 Å) und ein Achsverhältnis von nicht geringer als ungefähr 0.1 auf. Für in stärkerem Maße sphärische Partikel (d. h. jenen mit einem Achsverhältnis von ungefähr 1) ist es bevorzugt, dass die durchschnittliche Oberfläche-zu-Oberfläche-Trennung nicht mehr als ungefähr 10 nm (100 Å) beträgt Größere Partikelabmessungen und/oder kleinere durchschnittliche Trennungen vermindern die Menge organischen Materials, das für die Absorption verfügbar ist, was die Verbesserung des einwirkenden optischen Feldes aufgrund von SPP-Resonanzen vermindern kann. Es können jedoch aus einigen Gründen andere Dimensionierungen als jene, die spezifisch beschrieben sind, verwendet werden. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Nanopartikel nicht-sphärisch sind und dass sie mit den längsten Achsen parallel zu einer Grenzfläche angeordnet werden. Man nimmt an, dass eine solche Anordnung die Verbesserung bezüglich des einwirkenden optischen Feldes steigert, was sich aus Dipol-Interaktionen und SPP-Resonanzen der Nanopartikel resultiert. Für nicht-sphärische Partikel (jenen mit einem Achsverhältnis geringer als 1) kann bei Lokalfeld-Verbesserungen eine Verbindung oder Kopplung zwischen den Partikeln weniger einflussreich sein. Es ist daher bevorzugt, wenn die durchschnittliche Oberfläche-zu-Oberfläche-Trennung nicht-sphärischer Partikel nicht mehr als ungefähr 30 nm (300 Å) beträgt. Aus einigen Gründen können andere Anordnungen und Trennungen verwendet werden. In einigen Fällen können verkapselte Nanopartikel einen bemerkenswerten Prozentsatz des Volumens des aktiven Bereiches umfassen.
  • Für PV-Zellen-Anwendungen ist es vorteilhaft, eine Feld-Verbesserung über den vollständigen Bereich des solaren Spektrums einzuführen, das die Absorptionsspektren der photoaktiven Materialien überlappt. Es wird nunmehr die spektrale Abhängigkeit des Absorptionsvermögens erörtert.
  • 6 zeigt repräsentative gemessene Absorptionsspektren für drei Schichten auf Quarz mit und ohne Nanopartikel/n. Die Nanopartikel in der 1 nm starken Ag-Schicht haben einen mittleren Durchmesser von ungefähr 2R = 5 nm und einen Mitte-zu-Mitte-Abstand von ungefähr d = 10 nm. Die Kurve 610 für eine 10 Å starke Ag-Inselschicht hat einen 10 nm Peak- oder Scheitelwert (volle Breite bei halbem Maximum), zentriert bei einer Wellenlänge von λp = 440 nm aufgrund der Oberflächen-Plasmon-Erregung der Nanopartikel. Die Spitzen-Position und -Intensität sind bezeichnend für eine Verteilung in Partikelform und -größe ebenso wie die dipolare Verbindung zwischen Nanopartikeln, die die optische Reaktion mit abnehmendem Partikel-Abstand erweitert. Eine Absorption einer 7 nm starken Schicht CuPc (Kurve 620) und einer 7 nm CuPc-Schicht, abgelagert auf der 1 nm Abdeckstärke-Ag-Inselschicht (Kurve 630), sind ebenfalls gezeigt. Die Plasmon-Spitze der Ag-Nanopartikel-Schicht ist um 30 nm zu λp = 470 nm Rot-verschoben, und zwar wegen der Anwesenheit des umgebenden CuPc-Dielektrikums, obwohl die Positionen der CuPc-Spitzen bei λC = 625 nm und 690 nm nicht geändert werden. Das bemerkenswerteste Merkmal ist jedoch die Erhöhung der CuPc-Absorption bei Wellenlängen λ > 470 nm. Dieses breitbandige, nicht-resonante Verbessern kann zu einer ungefähr 15% betragenden Erhöhung im Wirkungsgrad von PV-Zellen in Tandem-Anordnung gegenüber dem führen, was durch einfaches Kombinieren der Wirkungsgrade verschiedener geschichteter bzw. gestapelter CuPc/PTCBI-Doppelschichten zu erwarten ist.
  • Eine Verbesserung kann unterhalb der Oberflächen-Plasmon-Frenquenz ωP auftreten. Unterhalb ωP kann eine Sammlung zufällig verteilter Nanopartikel aufgrund von Interpartikel-Dipol-Interaktionen „hot-spots" in dem elektrischen Feld erzeugen, wohingegen die Absorption der Nanopartikel-Schicht aufgrund dipolarer Plasmon-Modi, die auf den Partikeloberflächen ausgebildet werden, erfolgen.
  • 7 zeigt eine repräsentative Feldverteilung für eine Planare Anordnung von Ag-Zylindern auf einem Quarz-Substrat, umgeben von einem CuPc-Dielektrikum, mit einem Durchmesser 2R = 5 nm und einer einheitlichen Oberfläche-zu-Oberfläche-Beabstandung δ = 5 nm. Die Partikel liegen auf einem Quarz-Substrat (n = 1,46, z = 0) und sind in ein dielektrisches Medium (CuPc) eingebettet. Kontur-Kennzeichnungen stellen die berechnete Intensitätsverbesserung dar und sind um 0,5 beabstandet. Der Polarisationsvektor wird durch den Pfeil angedeutet, und die Verbreitung erfolgt in der + z-Richtung. Die Feldverteilung erfolgt für eine Erregungswellenlänge von λ = 690 nm und eine Polarisation parallel zur Nanopartikel-Kette. Die Konturen deuten die Intensitätsverbesserung des elektrischen Felds (I/I0) an, wobei I die lokale Feldstärke und I0 die Stärke bzw. Intensität des einwirkenden Feldes ist. Diese Intensitäten sind proportional zu |Ē|2 bzw. |Ē0|2, wobei Ē die lokale Feldamplitude und Ē0 die Amplitude des einwirkenden Feldes ist. In den Zwischenräumen der Zylinder kann man zwölffache Intensitätsverbesserungen feststellen. Die dipolare Natur der Feldstärke ist offensichtlich, wobei man eine Abschwächung des Feldes im „Schatten" der Kugel findet.
  • Der Effekt des Einbettungsmediums auf die Position der SPP-Resonanz und auch auf die spektrale Bandbreite der Verstärkung ist von besonderer Bedeutung für die Anwendung bei Solarzellen, bei denen die Verbesserung eines weiten Bereichs von Wellenlängen von Interesse ist. 8 zeigt die Intensitätssteigerung eines einwirkenden Feldes, integriert über die Oberfläche eines einzelnen kugelförmigen Partikels mit 2R = 5 nm. Als Ergebnis der ansteigenden dielektrischen Konstante des Einbettungsmediums ergibt sich eine Rotverschiebung des Scheitelwerts der Resonanz. Wenn n von 1 auf 2 erhöht wird, so wird die Resonanzspitze stärker bzw. größer, während das Ausmaß des Verbesserungsplateaus an der langen Wellenlänge-Seite des SPP-Peaks reduziert wird. Das Einbetten des Partikels in ein Material mit n = 2 + 0,5 i, einem typischen Wert für eine stark absorbierende organische Dünnschicht, bringt den Dipol-SPP-Scheitel dazu, im Vergleich mit einem nicht-absorbierenden Dielektrikum um über eine Größenordnung unterdrückt zu werden.
  • 9 zeigt die Spektren eines sphärischen (2R = 5 nm) und eines b/α = 0,5 elliptischen Nanopartikels mit einem Bereich gleich dem des sphärischen Nanopartikels, eingebettet in einem Dielektrikum mit n = 2 + 0,5 i. Beide Partikel haben den gleichen Bereich und sind in einem Dielektrikum mit n = 2 + 0,5 i eingebettet. Die Absorption (gestrichelte Linien) des elliptischen Nanopartikels erreicht den Scheitelwert bei λ = 470 nm und ist von dem des sphärischen Partikels bei λ = 392 nm rotverschoben. Eine Polarisierung des einfallenden Lichtes erfolgt parallel zur langen Achse des elliptischen Partikels, und daher wird jener Modus erregt. Das elliptische Partikel hat ein rotverschobenes Verbesserungsende, das sich jenseits der Absorption der meisten organischen PV-Materialien erstreckt, was diese Partikelform besser für die Verwendung bei organischen PV-Zellen geeignet macht.
  • Die Rekombinationsschicht der Ladung in einer organischen PV-Zelle in Tandem-Anordnung kann aus einer thermisch aufgedampften beliebigen Anordnung von Nanopartikeln verschiedener Größen, Formen und Abstände bestehen. 10 zeigt die Intensitätsverstärkung im Zentrum einer Anordnung sphärischer Ag-Nanopartikel 1010, 1020 und elliptischer Nanopartikel 1030, 1040 in einem Medium mit n = 2 + 0,5 i. Für δ > 10 nm nimmt die Verbesserung mit dem Abstand monoton ab und wachst für δ < 10 nm wegen der nicht-linearen Erhöhung in der dipolaren Kopplung zwischen benachbarten Nanopartikeln schnell. Die Position der SPP-Resonanz unterliegt für δ ≤ 10 nm einer Rotverschiebung, wohingegen für größere δ die SPP-Resonanz zur Einzelpartikel-Wellenlänge konvergiert.
  • 11 zeigt mit 1110 und 1120 die spektrale Reaktion für δ = 10 nm, mit 1130 und 1140 für 5 nm und mit 1150 und 1160 für 2,5 nm sowohl für die sphärischen (ausgezogene Linien) Anordnungen 1110, 1130 und 1150 als auch für die elliptischen (gestrichelte Linien) Anordnungen 1120, 1140 und 1160. Ausgezogene Linien deuten eine Anordnung von Cluster mit 5 nm Durchmesser an, während gestrichelte Linien elliptische Partikel eines Achsverhältnisses 0,5 bei dem gleichen Bereich zeigen. Es sind die Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstände oder -Lücken von δ = 10 nm (offene Rechtecke), 5 nm (gefüllte Kreise) und 2,5 nm (offene Dreiecke) gezeigt. In jedem Fall hat die elliptische Anordnung eine größere maximale Verstärkung, als dies für die sphärische der Fall ist. Wenn δ verringert wird, so sind die Kopplungs- oder Bindungseffekte stärker als die Wirkung in Folge der Form. Aufgrund der Interpartikel-Bindung ist das Verbesserungsplateau für diese Strukturen breit. Auch gibt es bei Wellenlängen gerade unterhalb der SPP-Resonanz einen Bereich der Dämpfung. Die solare spektrale Intensität bei λ < 350–400 nm ist schwach, und daher beeinflusst dies die Leistung der Einrichtung keineswegs in bemerkenswerter Weise, wenn man diese mit den Verbesserungen, die bei langen Wellenlängen auftreten, vergleicht.
  • Auch der Abstand, über den es eine Verbesserung von der Rekombinationsschicht einer organischen PV-Zelle in Tandem-Anordnung gibt, ist von Interesse. 12 zeigt das gemessene Absorptionsvermögen A bei variierenden Starken von CuPc auf Quarz bei einer Wellenlänge von λ = 690 nm mit (Dreiecke) und ohne (Rechtecke) einer 1,0 nm (10 Å) Ag-Cluster-Schicht. Das gemessene Absorptionsvermögen von CuPc-Schichten variierender Starken (t), die bei einer nicht-resonanten Wellenlänge von λ = 690 nm direkt auf Quarzsubstraten ebenso wie auf Ag-Inselschichten abgelagert werden, sind in 12 gezeigt. Bei dieser Wellenlänge kann die Absorption aufgrund von Ag-Nanopartikeln vernachlässigt werden, was für einen direkten Vergleich von Änderungen in der CuPc-Absorption sorgt. Das Absorptionsvermögen steigt für die auf die Ag-Inseln 1210 adsorbierte CuPc-Schicht, schneller als jene für die pure Schicht 1220, wenn t ≤ 10 nm ist. Bei großen t wird die Absorption nicht mehr verbessert. 13 zeigt die gemessene Differenz der Absorptionsfähigkeit (ΔA) der CuPc-Schichten mit und ohne Ag-Schicht über der CuPc-Stärke t.
  • Die Nanometer-Abmessung aufweisenden Ag-Nanopartikel-Schichten weisen Streuungs- und Reflektionsfähigkeiten, die gegen Null gehen, auf. Der Streuungsverlust von dem Dipol-Modus kann nur größer als der Absorptionsverlust für Partikel mit 2R ≥ 30 nm werden.
  • 14 zeigt die effektive Starke eines Dünnschicht-Dielektrikumbereichs mit n = 2 + 0,5 i, der eine Anordnung von Partikeln umgibt, die sich in der „Verbesserungszone" jener Anordnung befindet, einschließlich des Bereichs innerhalb jener Partikelanordnung. Für jedes kleine δ ist die Verbesserung in den Nanopartikel-Zwischenräumen groß, obwohl sie primär auf diesen kleinen Bereich beschränkt ist. Die Verbesserung für eine sphärische Anordnung 1410 und elliptische Anordnungen 1420 hat ihren Scheitelwert bei ungefähr δ = 25 nm und erstreckt sich auf Abstände von ungefähr 7 bzw. 9 nm.
  • Eine in Tandem-Anordnung vorgesehene PV-Zelle, die aus zwei in Reihe geschichteten CuPc/PTCBI DA-Heteroübergängen besteht und durch eine dünne Ag Nanopartikel-Rekombinationsschicht getrennt ist, hat einen Energiewirkungsgrad ηP von ungefähr (2,5 ± 0,1)%, wohingegen ηP für eine einzelne CuPc/PTCBI-Unterzelle (1,1 ± 0,1)% unter 1 sun (100 mW/cm2) simulierter AM1,5G (Luftmasse 1,5 global) Beleuchtung beträgt. VOC für die Tandem-Zelle beträgt ungefähr zweimal den Einzelzellenwert. Eine Erhöhung von JSC kann eine ungefähr 15% betragende Steigerung in ηP auf 2,5% bedingen. JSC wird gefunden, indem man verwendet:
    Figure 00320001
    worin S(λ) das simulierte solare AM1,5G Strahlungsstärke-Spektrum, q die Elektronenladung, c die Lichtgeschwindigkeit und h das Plancksche-Wirkungsquantum ist.
  • 15 zeigt ηEQE(λ), berechnet mit der Ag-Nanopartikel-Schicht 1510 und ohne die Ag-Nanopartikel-Schicht 1520 für die Struktur mit Tandem-Anordnung: 150 nm ITO/10 nm CuPc/13 nm PTCBI/1 nm Ag/13 nm CuPc/30 nm PTCBI/100 nm Ag. Offene Kreise stellen ηEQE für die vordere Zelle (PV1, am nächsten zur Anode) dar, während gefüllte Rechtecke ηEQE für die hintere Zelle (PV2, am nächsten zur Kathode) zeigen. Die Beiträge für ηEQE, die von den CuPc- und PTCBI-Schichten für PV1 (ausgezogene Linien) und PV2 (gestrichelte Linien) herrühren, sind ebenfalls gezeigt. Die hintere Zelle ist stärker als die vordere Zelle, um die Reduktion in der Feldstärke aufgrund von Absorption in der vorderen Zelle ebenso wie von parasitischen optischen Interferenzeffekten zu kompensieren. Bei der Struktur ohne Ag-Nanopartikel 1520 ist ηEQE(λ) für PV1 (offene Kreise) und PV2 (gefüllte Rechtecke) in der Form ähnlich, obwohl PV1 aufgrund des höheren ηEQE über den meisten Teil des photoaktiven Bereichs einen größeren JSC aufweist. Diese Unausgeglichenheit des Stroms begrenzt JSC auf den geringeren Strom in PV2. Sowohl für PV1 als auch für PV2 leitet sich die hauptsächliche Kontribution zu ηEQE(λ) von der CuPc-Schicht her, da die Diffusionslänge für CuPc, LD CuPc = 10,0 ± 3,0 nm ((100 ± 30)Å), größer ist als jene von PTCBI mit LD PTCBI = 3,0 ± 0,3 nm ((30 ± 3)Å). Die Kurzschlussstromstärke wird für den verbesserten Fall ausgeglichen, obwohl ηEQE(λ) für PV1 und PV2 verschiedene Formen hat. Wegen der Feldverbesserung der Nanopartikel ergibt sich für ηEQE eine starke Kontribution von der PTCBI-Schicht für PV1 und von der CuPc-Schicht für PV2.
  • Bei der CuPc/PTCBI-Struktur ermöglicht das kleine LD dieser Materialien die Ablagerung von Dünnschichten in den vorderen und hinteren Zellen, und damit liegt die DA-Grenzfläche innerhalb der Verbesserungszone. Für Materialien mit großem LD, wie C60, ermöglicht der derzeitige Aufbau keine signifikante Steigerung an der DA-Grenzfläche, wenn die Schichtstärke ungefähr LD ist, wie dies die optimale Schichtstärke für eine organische Zweischicht-PV-Zelle ist. Für solche Materialien kann es möglich sein, Einrichtungen mit Tandem-Anordnung von zusammen aufgedampften Dünnschichten von D- und A-Materialien zu erzeugen, wobei der Exzitonen-Zerfall nicht durch LD begrenzt wird. In diesem Fall können die PV-Unterzellen dünn gehalten werden, um ein hohes FF einzuhalten, während die Verbesserung von der Nanopartikel-Ladungs-Rekombinationsschicht die Absorption in der Zelle erhöht.
  • Die optische Feldstärke in dem nahen Feld einer Kette metallischer Nanopartikel kann bis hinauf zu einem Faktor von 100, verglichen mit der Stärke des einfallenden Lichts, wachsen. Diese Steigerung deckt einen breiten spektralen Bereich ab und kann sich auf Abstände bis zu 10,0 nm (100 Å) erstrecken, was eine erhöhte Absorption in organischen Dünnschichten ermöglicht, die in Berührung mit oder nahe den Nanopartikeln angeordnet sind. Die Steigerung kann zu höheren Energiewirkungsgraden bei organischen Zweischichten-PV-Zellen in Tandem-Anordnung führen.
  • Die relativ kleinen Diffusionslängen in CuPc-PTCBI-PV-Zellen ermöglichen Dünnschichten mit erhöhter Absorption an der Strom erzeugenden DA-Grenzfläche. Für Materialien mit LD > 10.0 nm (100 Å) kann ein Exzitonen-Quenching an den Ag-Nanopartikeln das Potential für Wirkungsgradverbesserungen über erhöhte Absorption begrenzen. Ein mögliches Mittel, um zu verhindern, dass ein Exzitonen-Quenching mit den Wirkungsgradsteigerungen konkurriert, besteht darin, die Metall-Nanopartikel in einer isolierenden Dünnschicht zu verkapseln. Diese eingekapselten Nanopartikel können dann über die organischen Filme dispergiert werden, wodurch die Absorption verbessert wird, ohne dass die elektrische Leistungsfähigkeit der Zelle verschlechtert wird. Die verkapselten Nanopartikel können einen signifikanten Prozentsatz des organischen Schichtvolumens enthalten.
  • Eingekapselte Nanopartikel können unter Verwendung eines Schicht-um-Schicht-Selbstaufbaus, wie dies bei Ung et al., J. Phys. Chem. B 2001, 105 3441–52 und Salgueirino-Maceira et al., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10990–10994 beschrieben ist, des Turkevich-Verfahrens, wie es dort beschrieben ist, und weiterer Verfahren, wie sie bei Liz-Marzan und Mulvaney, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7312–26 beschrieben sind, erzeugt werden, wobei auf alle drei (Möglichkeiten) im vorliegenden Zusammenhang Bezug genommen wird und diese zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden. Auch können weitere Verfahren des Erzeugen und Einkapseln von Nanopartikeln angewendet werden, wie dies ein Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erkennt.
  • Die Verwendung dieser verkapselten Nanopartikel kann es ermöglichen, Partikel-Partikel-Bindungseffekte, makroskopische Eigenschaften des Wirt-Materials und weitere Effekte anzupassen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Nanopartikel in einem isolierenden Material verkapselt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Nanopartikel in einem Oxid verkapselt. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Isolierschicht nicht weniger als etwa 10 Å und nicht mehr als ungefähr 10,0 nm (100 Å) beträgt. Unterhalb etwa 10 nm (10 Å) können Quanteneffekte nicht-trivial werden, und oberhalb ungefähr 10,0 nm (100 Å) kann die Trennung der Nanopartikel beginnen, SPP-Resonanzeffekte zu dämpfen. Die Nanopartikel brauchen nicht unbedingt mit dem organischen photoaktiven Bereich in physikalischem Kontakt zu stehen. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Nanopartikel über eine „aktive Zone" hinweg angeordnet sein. Bei Verwendung im vorliegenden Zusammenhang bedeutet „aktive Zone" einen Bereich, der etwas größer als der „photoaktive Bereich" ist. Genauer gesagt ist die „aktive Zone" ein Bereich, von dem aus Nanopartikel einen signifikanten positiven Effekt auf die Absorption in dem photoaktiven Bereich haben können. Im Allgemeinen umfasst die „aktive Zone" organische Materialien, die den photoaktiven Bereich umfassen, ebenso wie organische Materialien innerhalb von ungefähr 10,0 nm (100 Å) des photoaktiven Bereichs. Die aktive Zone kann nicht-photoaktive Materialien einschließen und äusserst üblich beispielsweise Sperrschichten umfassen, die in Nachbarschaft zu dem photoaktiven Bereich angeordnet sind.
  • Wenn eingekapselte Nanopartikel einmal gemäß irgendeinem aus der Vielzahl der Verfahren hergestellt sind, können sie durch irgendein geeignetes Verfahren in eine Einrichtung integriert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Nanopartikel in eine mittels Lösung abgelagerte organische Schicht durch Suspension in der Lösung vor der Ablagerung eingearbeitet. Auch können weitere Verfahren wie das zusammen erfolgende Ablagern verkapselter Partikel in einer organischen Schicht, die durch Verdampfen abgelagert wird, verwendet werden. Die Einarbeitung bzw. Ausrichtung solcher Nanopartikel (bei denen die Partikel nicht-sphärisch sind) kann während des Ablagerungsprozesses durch mechanische Mittel wie z. B. Rotationsbeschichtung (Spin-Coating) und/oder durch Einsatz eines Feldes wie eines magnetischen oder elektrischen Feldes gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen können die verkapselten Nanopartikel in situ erzeugt werden.
  • Obwohl die Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf besondere Beispiele und bevorzugte Ausführungsformen erfolgte, ist es verständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele und Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung, wie sie beansprucht wurde, kann daher gegenüber den besonderen Beispielen und bevorzugten Ausführungsformen, die im vorliegenden Zusammenhang beschrieben worden sind, Variationen einschließen, wie diese einem Fachmann des Gebiets offenbar sind.

Claims (29)

  1. Eine Einrichtung umfassend: eine erste Elektrode (230); eine zweite Elektrode (240); einen photoaktiven Bereich (260) umfassend ein organisches Material, angeordnet zwischen sowie elektrisch verbunden mit der ersten Elektrode (230) und der zweiten Elektrode (240); und eine Mehrzahl verkapselter Nanopartikel (250), angeordnet innerhalb des photoaktiven Bereichs, wobei die Nanopartikel eine Plasmonresonanz aufweisen.
  2. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel Metall beinhalten.
  3. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel in einem Oxid verkapselt sind.
  4. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel in einem Isoliermaterial verkapselt sind.
  5. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel über den photoaktiven Bereich verteilt sind.
  6. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der photoaktive Bereich eine erste Unterzelle (210) umfasst, wobei die Unterzelle weiterhin umfasst: eine erste Donatorschicht; und eine erste Akzeptorschicht, die sich in direktem physischem Kontakt mit der ersten Donatorschicht befindet.
  7. Die Einrichtung nach Anspruch 6, bei der der photoaktive Bereich weiter eine zweite Unterzelle (220) umfasst, wobei die Unterzelle ihrerseits weiterhin umfasst: eine zweite Donatorschicht; und eine zweite Akzeptorschicht, die sich in direktem physischem Kontakt mit der ersten Donatorschicht befindet, wobei die zweite Unterzelle (220) zwischen der ersten Unterzelle (210) und der zweiten Elektrode (240) angeordnet ist.
  8. Die Einrichtung nach Anspruch 6, bei der die Nanopartikel in der ersten Akzeptorschicht und der ersten Donatorschicht angeordnet sind.
  9. Die Einrichtung nach Anspruch 7, bei der die Nanopartikel zwischen der ersten Unterzelle (210) und der zweiten Unterzelle (220) angeordnet sind.
  10. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel nicht-sphärisch sind.
  11. Die Einrichtung nach Anspruch 10, bei der der photoaktive Bereich (260) Planar ist und sich die längste Achse jedes Nanopartikels etwa parallel zur Ebene des photoaktiven Bereichs befindet.
  12. Die Einrichtung nach Anspruch 10, bei der das axiale Verhältnis jedes Nanopartikels nicht weniger als ungefähr 0,1 ist.
  13. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die durchschnittliche Oberflächen-Oberflächen-Trennung zwischen den Nanopartikeln nicht größer als ungefähr 30,0 nm (300 Å) ist.
  14. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die kürzeste Achse jedes Nanopartikels nicht größer als ungefähr 30,0 nm (300 Å) ist.
  15. Die Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die Stärke des Isoliermaterials nicht weniger als ungefähr 1,0 nm (10 Å) ist.
  16. Die Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die Stärke des Isoliermaterials nicht größer als ungefähr 10,0 nm (100 Å) ist.
  17. Die Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Nanopartikel Ag beinhalten.
  18. Die Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Nanopartikel Au beinhalten.
  19. Die Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Nanopartikel Cu beinhalten.
  20. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der photoaktive Bereich (260) einen Massen-Heteroübergang beinhaltet.
  21. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der photoaktive Bereich (260) ein Farbstoffsensibilisiertes Material beinhaltet.
  22. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel ein leitfähiges Material beinhalten.
  23. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel ein halbleitendes Material beinhalten.
  24. Die Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nanopartikel einen dotierten degenerativen Halbleiter beinhalten.
  25. Eine Einrichtung umfassend: eine erste Elektrode (230); eine zweite Elektrode (240); eine aktive Zone (260), angeordnet zwischen sowie elektrisch verbunden mit erster Elektrode und zweiter Elektrode, wobei die aktive Zone weiterhin umfasst: einen photoaktiven Bereich, angeordnet innerhalb der aktiven Zone und angeordnet zwischen sowie elektrisch verbunden mit der ersten Elektrode (230) und der zweiten Elektrode (240), und organische Materialien, angeordnet innerhalb 10,0 nm (100 Å) des photoaktiven Bereichs; und eine Mehrzahl verkapselter Nanopartikel, die in der aktiven Zone angeordnet sind, wobei die Nanopartikel eine Plasmonresonanz aufweisen.
  26. Die Einrichtung nach Anspruch 25, bei der die aktive Zone weiterhin eine organische Exziton-Sperrschicht, die benachbart zu dem photoaktiven Bereich (260) angeordnet ist, umfasst.
  27. Ein Verfahren zum Erzeugen einer Einrichtung, umfassend: Bereiten verkapselter Nanopartikel; Erzeugen einer ersten Elektrode (230); Erzeugen eines organischen photoaktiven Bereichs (260), wobei die verkapselten Nanopartikel in dem photoaktiven Bereich (260) angeordnet werden; und Erzeugen einer zweiten Elektrode.
  28. Das Verfahren nach Anspruch 27, weiterhin umfassend ein Verfahren des Ablagerns des photoaktiven Bereichs (260) durch einen Lösungsprozess, wobei die Nanopartikel in der Lösung, die die photoaktiven Materialien umfasst, dispergiert werden.
  29. Das Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die verkapselten Partikel mit einer durch Evaporation abgelagerten organischen Schicht zusammen abgelagert werden.
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