ES2301078T3 - Dispositivos fotosensibles organicos. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo que comprende: un primer electrodo (230); un segundo electrodo (240); una región fotoactiva (260) que comprende un material orgánico, dispuesta entre el primer electrodo (230) y el segundo electrodo (240), y conectada eléctricamente al primer electrodo (230) y al segundo electrodo (240); y una pluralidad de nanopartículas encapsuladas (250) dispuestas dentro de la región fotoactiva en la que las nanopartículas tienen una resonancia de plasmón.

Description

Dispositivos fotosensibles orgánicos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere por lo general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. De manera más específica, está dirigida a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen nanopartículas.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o para detectar la radiación electromagnética de manera electrónica o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiental.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en electricidad. Las células solares, también denominadas dispositivos fotovoltaicos (PV), son un tipo de dispositivos optoelectrónico fotosensible que se usa de manera específica para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz distintas a la luz del Sol, se pueden usar para excitar cargas consumidoras de energía para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calor, o para alimentar circuitería electrónica o dispositivos tales como calculadoras, radios, ordenadores o equipo de supervisión remota o de comunicaciones. Estas aplicaciones de generación de energía a menudo implican también la carga de baterías o a otros dispositivos de almacenamiento de energía de forma que pueda continuar el funcionamiento cuando no se encuentre disponible la iluminación directa proveniente del Sol o de otras fuentes de luz, o para equilibrar la salida de energía del dispositivo PV con requisitos de una aplicación específica. De la manera en que se usa en este documento, el término "carga resistiva" hace referencia a cualquier circuito, dispositivo, equipo o sistema que consuma o almacena energía.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es una célula fotoconductora. En esta función, la circuitería de detección de señal supervisa la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la absorción de luz.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es un fotodetector. En funcionamiento, se usa un fotodetector junto con un circuito detector de corriente que mide la corriente generada cuando se expone el fotodetector a la radiación electromagnética y puede tener una tensión de polarización aplicada. Un circuito detector como se describe en este documento es capaz de proporcionar una tensión de polarización a un fotodetector y medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética.

Se pueden caracterizar estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles de acuerdo a si está presente una unión rectificadora como se define más adelante y también de acuerdo a si se hace funcionar al dispositivo con una tensión externa aplicada, también conocida como una polarización o como una tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y normalmente se hace funcionar con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión rectificadora y se hace funcionar sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y generalmente, pero no siempre, se hace funcionar con una polarización. Como una regla general, una célula fotovoltaica proporciona energía a un circuito, dispositivo o equipo, pero no proporciona una señal o corriente para controlar la circuitería de detección, o la salida de información proveniente de la circuitería de detección. En contraposición, un fotodetector o un fotoconductor proporciona una señal o una corriente para controlar la circuitería de detección, o la salida de información proveniente de la circuitería de detección, pero no proporciona energía a la circuitería, al dispositivo o al equipo.

De manera tradicional, los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles han sido construidos de un número de semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, teluro de cadmio y otros. En este documento, el término "semiconductor" denota materiales que pueden conducir la electricidad cuando los portadores de carga son inducidos por excitación térmica o excitación electromagnética. El término "fotoconductor" se refiere por lo general al proceso en el que la energía radiante electromagnética es absorbida y por lo tanto convertida en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica de forma que los portadores puedan conducir, es decir, transportar la carga eléctrica en un material. Los términos "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en este documento para hacer referencia a materiales semiconductores que son elegidos por su propiedad de absorción de la radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica.

Los dispositivos PV se pueden caracterizar por la eficiencia con la que pueden convertir la energía solar incidente en energía eléctrica útil. Los dispositivos que utilizan silicio cristalino o silicio amorfo dominan las aplicaciones comerciales, y algunos han conseguido eficiencias del 23% o superiores. Sin embargo, los dispositivos eficientes basados en cristalinos, en especial de gran área de superficie son difíciles y caros de producir debido a problemas inherentes en la producción de grandes cristales sin defectos significativos que degraden la eficiencia. Por otra parte, los dispositivos de silicio amorfos de alta eficiencia sufren aún de problemas de estabilidad. Las células de silicio amorfo disponibles actualmente comerciales han estabilizado coeficientes entre el 4% y el 8%. Esfuerzos más recientes se han centrado en el uso de células fotovoltaicas orgánicas para conseguir aceptables eficiencias de conversión fotovoltaica con económicos costes de producción.

Los dispositivos PV se pueden optimizar para la máxima generación de energía eléctrica bajo condiciones de iluminación estándar (es decir, Condiciones de Prueba Estándar que son de 1000 W/m^{2}, iluminación espectral de AM1.5), para el producto máximo de fotocorriente multiplicada por fototensión. La eficiencia de conversión de potencia de dicha célula bajo condiciones de iluminación estándar depende de los siguientes tres parámetros: (1) la corriente bajo polarización cero, es decir, la corriente en cortocircuito I_{sc}, (2) la fototensión bajo condiciones de circuito abierto, es decir, la tensión en circuito abierto V_{OC}, y (3) el factor de relleno, ff.

Los dispositivos PV producen una corriente fotogenerada cuando se conectan a través de una carga y son irradiados por medio de luz. Cuando se irradian bajo una carga infinita, un dispositivo PV genera su máxima tensión posible, V en circuito abierto, o V_{OC}. Cuando se irradian con sus contactos eléctricos cortocircuitados, un dispositivo PV genera su máxima corriente posible, I en circuito abierto o I_{SC}. Cuando se usan realmente para generar energía, un dispositivo PV se conecta a una carga resistiva finita y la salida de energía viene dada por el producto de la corriente por la tensión, I x V. La máxima energía total generada por un dispositivo PV es de manera inherente incapaz de sobrepasar el producto I_{SC} x V_{OC}. Cuando se optimiza el valor de la carga para la máxima extracción de energía, la corriente y la tensión tienen los valores I_{máx} y V_{máx}, respectivamente.

Una figura de mérito para los dispositivos PV es el factor de relleno, ff, definido como:

(1)ff = \{I_{max} V_{max}\}/\{I_{SC} V_{OC}\}

donde ff es siempre menor que 1, mientras I_{SC} y V_{OC} nunca se obtienen de manera simultánea en uso real. Sin embargo, a medida que ff se aproxima a 1, el dispositivo tiene menos resistencia en serie o resistencia interna y de esta manera entrega un porcentaje mayor del producto de I_{SC} y V_{OC} a la carga bajo condiciones óptimas. Donde P_{inc} es la energía que incide en un dispositivo, la eficiencia de energía del dispositivo \eta_{P}, se puede calcular por medio de:

\eta p = ff \text{*} (I_{SC} \text{*} V_{OC})/P_{inc}

Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide sobre un material orgánico semiconductor, por ejemplo, un material de cristal molecular orgánico (OMC), o un polímero, se puede absorber un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa de manera simbólica como S_{0} + h\nu \Rightarrow S_{0}*. Aquí S_{0} y S_{0}* denotan estados moleculares sin excitar y excitado, respectivamente. Esta absorción de energía está asociada con la promoción de un electrón desde un estado de enlace en el nivel de energía HOMO, que puede ser un enlace \pi, al nivel de energía LUMO, que puede ser un enlace \pi*, o de manera equivalente, la promoción de un hueco desde el nivel de energía LUMO al nivel de energía HOMO. En fotoconductores orgánicos de película delgada, el estado molecular generado se cree por lo general que es un excitón, es decir, un par de electrón - hueco en un estado de enlace que es transportado como una cuasi partícula. Los excitones pueden tener un tiempo de vida apreciable antes de la recombinación de geminación, que se refiere al proceso de recombinación original de electrón y hueco uno con el otro, en contraposición con los huecos o los electrones de otros pares. Para producir una fotocorriente, el par electrón - hueco pasa a estar separado, de manera típica en una interfaz donador - aceptador entre dos películas delgadas orgánicas de contacto diferentes. Si las cargas no se separan, se pueden recombinar en un proceso de recombinación de geminación, también conocido como desactivación, de manera radiante, por medio de la emisión de luz de una energía más baja que la de la luz incidente, o no radiante, por medio de la producción de calor. Cualquiera de estos resultados no es deseable en un dispositivo optoelectrónico fotosensible.

Los campos eléctricos o las inhomogeneidades en un contacto puede provocar un excitón inactivo en lugar de disociarse en la interfaz donador - aceptador, dando como resultado una contribución neta nula a la corriente. Por lo tanto, se desea conservar los excitones fotogenerados lejos de los contactos. Esto tiene el efecto de limitar la difusión de excitones a la región cercana a la unión, de forma que el campo eléctrico asociado tenga una oportunidad aumentada para separar los portadores de carga liberados por la disociación de los excitones cerca de la unión.

Para producir campos eléctricos generados internamente que ocupen un volumen sustancial, el procedimiento general es yuxtaponer dos capas de material con propiedades conductoras seleccionadas de manera apropiada, especialmente con respecto a su distribución de estados de energía cuánticos moleculares. La interfaz de estos dos materiales se denomina una heterounión fotovoltaica. En teoría tradicional de semiconductores, los materiales para formar heterouniones PV se han denotado generalmente como siendo del tipo n o de tipo p. Aquí, el tipo n denota que el tipo de portador mayoritario es el electrón. Esto se podría ver como el material que tiene muchos electrones en estados de energía relativamente libres. El tipo p denota que el tipo de portador mayoritario es el hueco. Dicho material tiene muchos huecos en estados de energía relativamente libres. El tipo de la concentración de portadores mayoritarios fundamentales, es decir, no fotogenerados, depende principalmente de dopado no intencionado por defectos e impurezas. El tipo y la concentración de impurezas determina el valor o el nivel de la energía de Fermi dentro de la banda prohibida entre el nivel de energía orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el nivel de energía orbital molecular no ocupado más bajo (LUMO), denominada la banda prohibida HOMO - LUMO. La energía de Fermi caracteriza la ocupación estadística de estados de energía cuántica moleculares denotados por el valor de energía para la que la probabilidad de ocupación sea igual a 1/2. Una energía de Fermi cerca del nivel de energía LUMO indica que los electrones son los portadores predominantes. Una energía de Fermi cerca del nivel de energía HOMO indica que los huecos son los portadores predominantes. De acuerdo con esto, la energía de Fermi es una propiedad caracterizadora primaria de los semiconductores tradicionales y la heterounión PV prototipo ha sido de manera tradicional la interfaz p-n.

El término "rectificador" denota, inter alia, que una interfaz tiene una característica de conducción asimétrica, es decir, la interfaz soporta transporte de carga electrónica de manera preferible en una dirección. La rectificación se asocia normalmente con un campo eléctrico incorporado que ocurre en la heterounión entre materiales seleccionados de manera apropiada.

De la manera en que se usa en este documento, y como sería comprendido por lo general por alguien experto en la técnica, un primer nivel de energía "Orbital Molecular Ocupado más Superior" (HOMO) o un primer nivel de energía "Orbital Molecular no Ocupado más Inferior" (LUMO) es "mayor que" o "más alto que" un segundo nivel de energía HOMO o LUMO si el primer nivel de energía está más cercano al nivel de energía en el vacío. Como los potenciales de ionización (IP) se miden como una energía negativa relativa a un nivel de vacío, un nivel de energía HUMO superior corresponde a un IP que tenga un valor absoluto más pequeño (un IP que sea menos negativo). De manera similar, un nivel de energía LUMO superior corresponde a una afinidad electrónica (EA) que tenga un valor absoluto más pequeño (una EA que sea menos negativa). Sobre un diagrama de nivel de energía convencional, con el nivel de vacío en la parte superior, el nivel de energía LUMO de un material es más alto que el nivel de energía HOMO del mismo material. Un nivel de energía HOMO o LUMO "superior" aparece más cercano a la parte superior de dicho diagrama que un nivel de energía HOMO o LUMO "inferior".

En el contexto de materiales orgánicos, los términos "donador" y "aceptador" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía HOMO y LUMO de dos materiales que hacen contacto entre sí pero que son materiales orgánicos diferentes. Esto está en contraposición con el uso de estos términos en el contexto inorgánico, en el que "donador" y "aceptador" se pueden referir a tipos de dopantes que se pueden usar para crear capas de tipos n y p inorgánicas, respectivamente. En el contexto orgánico, si el nivel de energía LUMO de un material en contacto con otro es inferior, entonces ese material es un aceptador. En caso contrario, es un donador. Es favorable desde el punto de vista energético, en ausencia de una polarización externa, para el desplazamiento de los electrones en una unión donador-aceptador dentro del material aceptador, y para el desplazamiento de los huecos dentro del material
donador.

Una propiedad significativa en semiconductores orgánicos es la movilidad de portadores. La movilidad mide la facilidad con la que un portador de carga puede desplazarse a través de un material conductor como respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de dispositivos fotosensibles orgánicos, se puede hacer referencia a una capa que incluya un material que conduzca de manera preferente por medio de electrones debido a una alta movilidad de electrones como una capa de transporte de electrones, o ETL. Se puede hacer referencia a una capa que incluya un material que conduzca de manera preferente por medio de huecos debido a la alta movilidad de los huecos como una capa de transporte de huecos o HTL. De manera preferible, pero no de manera necesaria, un material aceptador es una ETL y un material donador es una HTL.

Las células PV de semiconductores inorgánicos convencionales emplean una unión p-n para establecer un campo interno. Las células de película delgada orgánicas anticipadas, tal como informa Tnag, Appl. Phys Lett. 48, 183 (1986), contienen una heterounión análoga a la empleada en una célula PV inorgánica convencional. Sin embargo, ahora se reconoce que además del establecimiento de una unión de tipo p-n, el desplazamiento del nivel de energía de la heterounión también juega un papel importante.

El desplazamiento del nivel de energía en la heterounión D-A orgánica se cree que es importante para el funcionamiento de dispositivos PV orgánicos debido a la naturaleza fundamental del proceso de fotogeneración en materiales orgánicos. Al producirse la excitación óptica de un material orgánico, se generan excitones de Frenkel o de transferencia de carga localizados. Para que ocurra la detección eléctrica o la generación de corriente, los excitones de enlace deben estar disociados en sus electrones y huecos constituyentes. Dicho proceso se puede inducir por medio del campo eléctrico incorporado, pero la eficiencia en los campos eléctricos típicamente encontrada en dispositivos orgánicos (F \sim 10^{6} V/cm) es baja. La disociación de excitones más eficiente en materiales orgánicos ocurre en una interfaz donador - aceptador (D-A). En dicha interfaz, el material donador con un bajo potencial de ionización forma una heterounión con un material aceptador con una alta afinidad de electrón. Dependiendo del alineamiento de los niveles de energía de los materiales donadores y aceptadores, la disociación del excitón puede convertirse en favorable desde el punto de vista energético en dicha interfaz, conduciendo a un polarón de electrón libre en el material aceptador y a un polarón de hueco libre en el material donador.

Las células PV orgánicas tienen muchas ventajas potenciales cuando se comparan con los dispositivos tradicionales basados en silicio. Las células PV orgánicas son ligeras de peso, económicas en el uso de materiales y pueden depositarse sobre sustratos de bajo coste, tales como hojas de plástico flexibles. Sin embargo, algunos dispositivos PV orgánicos de manera típica tienen una eficiencia cuántica externa relativamente baja, estando en el orden de un 1% o inferior. Esto, en parte, se piensa que es debido a la naturaleza de segundo orden del proceso fotoconductor intrínseco. Esto es, la generación de portadores requiere una generación, difusión e ionización o recogida de excitones. Existe una eficiencia \eta asociada con cada uno de estos procesos. Se pueden usar subíndices de la siguiente manera: P para la eficiencia de potencia, EXT para la eficiencia cuántica externa, A para la absorción de fotones, ED para la difusión de excitones, CC para la recogida de carga, y INT para la eficiencia cuántica interna. Usando esta notación:

\eta_{P} \sim \eta_{EXT} = \eta_{A} \text{*} \eta_{ED} \text{*} \eta_{CC}

\eta_{EXT} = \eta_{A} * \eta_{INT}

La de difusión (L_{D}) de un excitón es de manera típica mucho menor (L_{D} 5,0 nm (50 \ring{A})) que la longitud de absorción óptica (\sim50,0 nm \sim500 \ring{A}), requiriendo un equilibrio de compromiso entre el uso de una célula gruesa, y por lo tanto resistiva, con interfaces múltiples o altamente plegadas, o una célula delgada con una baja eficiencia de absorción óptica.

De manera típica, cuando se absorbe la luz para formar un excitón en una película orgánica delgada, se forma un excitón singlete. Por medio del mecanismo de cruce entre sistemas, el excitón singlete puede descomponerse en un excitón triplete. En este proceso, se pierde energía, lo que dará como resultado una eficiencia más baja del dispositivo. Si no es para la pérdida de energía del cruce entre sistemas, sería deseable usar materiales que generen excitones tripletes, ya que los excitones tripletes, por lo general, tienen un tiempo de vida más largo y por lo tanto una longitud de difusión más larga que la de los excitones singletes.

Mediante el uso de un material organometálico en la región fotoactiva, los dispositivos de la presente invención pueden utilizar de manera eficiente excitones tripletes. Se cree que la mezcla singlete - triplete puede ser tan fuerte para compuestos organometálicos, que las absorciones implican la excitación desde los estados de singlete tierra directamente a estados excitados triplete, eliminando las pérdidas asociadas con la conversión desde el estado excitado singlete al estado excitado triplete. El tiempo de vida más largo y la longitud de difusión de los excitones tripletes en comparación con los excitones singletes puede permitir el uso de una región fotoactiva más gruesa, ya que los excitones tripletes se pueden difundir en una distancia mayor para alcanzar la heterounión donador - aceptador, sin sacrificar eficiencia del dispositivo.

El documento de los Estados Unidos 2003/0042846 A1 describe una célula solar orgánica en tándem que comprende una capa de nanopartículas de plata en la región fotoactiva.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere por lo general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. De manera más específica, está dirigida a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen una región orgánica fotoactiva que contiene nanopartículas encapsuladas que muestran resonancias de plasmón. Se consigue una mejora del campo óptico incidente a través de resonancias de polaritón de plasmón de superficie. Esta mejora aumenta la absorción de la luz incidente, dando como resultado un dispositivo más eficiente.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un dispositivo orgánico PV.

La figura 2 muestra un micrográfico esquemático y de electrón de transmisión de una sección transversal de una célula fotovoltaica orgánica en tándem.

La figura 3 muestra las funciones dieléctricas real (\varepsilon_{1}) e imaginaria (\varepsilon_{2}) para la plata, calculadas como funciones de la energía de fotón.

La figura 4 muestra la longitud de onda de resonancia de polaritón de plasmón de superficie (SPP) simulada para una partícula de plata esférica de 5 nm como una función de la función dieléctrica, \varepsilon_{m}, del medio embebedor.

La figura 5 muestra la longitud de onda de resonancia SPP simulada frente a la relación axial para una partícula de plata en el vacío.

La figura 6, muestra los espectros de absorción para películas de 1 nm de Ag (curva de puntos), de 7 nm de CuPc (curva de línea discontinua) y de 7 nm de CuPc sobre 1 nm de Ag (curva de línea continua) depositadas sobre sustratos de cuarzo.

La figura 7 muestra un mapa de contorno de la mejora de la intensidad calculada (I/I_{0}) de una cadena de partículas de plata con un diámetro 2R = 5 nm y un espaciado de centro a centro d = 10 nm a una \lambda = 690 nm.

La figura 8 muestra una mejora de la intensidad calculada promedio (I/I_{0}) sobre la superficie de una partícula de plata de 5 nm de diámetro como una función de la longitud de onda para diferentes medios embebedores.

La figura 9 muestra la mejora de la absorción (líneas discontinuas) y la mejora de la intensidad promedio (I/I_{0}) (líneas continuas) simuladas sobre la superficie de una partícula esférica de 5 nm de diámetro y elíptica (relación axial de 0,5).

La figura 10 muestra (a) la mejora de la intensidad máxima calculada (I/I_{0}) en el centro de una cadena 1D de partículas frente a \delta; y (b) la longitud de onda de pico de polaritón de plasmón de superficie (SPP) simulada como una función del espaciado de superficie a superficie, \delta, de una cadena ID de partículas esféricas de 5 nm de diámetro (líneas continuas) y de partículas elípticas (líneas discontinuas).

La figura 11 muestra la mejora de la intensidad (I/I_{0}) en el eje de una cadena 1D de partículas embebidas en un medio n = 2 + 0,5i frente a la longitud de onda.

La figura 12 muestra la absorbancia medida, A, de grosores variables de CuPc sobre cuarzo a una longitud de onda de \lambda = 690 nm con (triángulos) y sin (cuadrados) una capa de agrupaciones de 1,0 mm (10 \ring{A}) de plata. Los ajustes (líneas continuas) a los datos se describen en el texto.

La figura 13 muestra la diferencia medida de la absorbancia (\DeltaA) de las películas de CuPc con y sin una capa de plata frente al grosor de CuPc, t.

La figura 14 muestra la longitud de mejora efectiva calculada para una cadena ID de partículas esféricas de 5 nm de diámetro (líneas continuas) y partículas elípticas (relación axial = 0,5) (líneas discontinuas) embebidas en un dieléctrico con \overline{n} = 2 + 0,5i como una función del espaciado de superficie a superficie de las partículas de la cadena.

La figura 15 muestra el espectro de la eficiencia cuántica externa calculada (\eta_{EQE}) para una célula PV en tándem CuPc/PTCBI (a) con, y (b) sin la presencia de agrupaciones de plata.

Descripción detallada

Se proporciona un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico. Los dispositivos orgánicos de las realizaciones de la presente invención se pueden usar, por ejemplo, para generar una corriente eléctrica utilizable a partir de radiación electromagnética incidente (por ejemplo, dispositivos PV) o se puede usar para detectar la radiación electromagnética incidente. Las realizaciones de la presente invención pueden comprender un ánodo, un cátodo y una región fotoactiva entre el ánodo y el cátodo. La región fotoactiva es la parte del dispositivo fotosensible que absorbe la radiación electromagnética para generar excitones que se pueden disociar con el fin de generar una corriente eléctrica. Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos también pueden incluir al menos un electrodo transparente para permitir que la radiación incidente sea absorbida por el dispositivo. En las patentes de los Estados Unidos con números 6.657.378, 6.580.027 y 6.352.777 se describen varios materiales y configuraciones de dispositivos PV, que se incorporan a este documento por medio de referencia en su integridad.

La figura 1 muestra un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico 100. Las figuras no están dibujadas a escala necesariamente. El dispositivo 100 puede incluir un sustrato 110, un ánodo 115, una capa de suavizado del ánodo 120, una capa de donadores 125, una capa de aceptadores 130, una capa de bloqueo 135 y un cátodo 140. El cátodo 140 puede ser un cátodo compuesto que tenga una primera capa conductora y una segunda capa conductora. El dispositivo 100 se puede fabricar mediante la deposición de las capas descritas en orden. La separación de carga puede ocurrir de manera predominante en la heterounión orgánica entre la capa de donadores 125 y la capa de aceptadores 130. El potencial incorporado en la heterounión se determina por medio de la diferencia del nivel de energía HOMO-LUMO entre los dos materiales que hacen contacto para formar la heterounión. El desplazamiento de la capa prohibida HOMO-LUMO entre los materiales donadores y aceptadores produce un campo eléctrico en la interfaz donadores/aceptadores que facilita la separación de carga para los excitones creada dentro de una longitud de difusión de excitones de la interfaz.

La disposición específica de capas que se ilustra en la figura 1 solamente es un ejemplo, y no está destinada a ser limitadora. Por ejemplo, se pueden omitir algunas de las capas (tales como las capas de bloqueo). Se pueden añadir otras capas (tales como las capas reflectoras o las capas adicionales de donadores y aceptadores). El orden de las capas se puede alterar. Se pueden usar otras disposiciones distintas a las disposiciones descritas de manera específica.

El sustrato puede ser cualquier sustrato adecuado que proporcione las propiedades estructurales deseadas. El sustrato puede ser flexible o rígido, plano o no plano. El sustrato puede ser transparente, traslúcido u opaco. El plástico y el vidrio son ejemplos de materiales de sustrato rígido preferidos. Las hojas de plástico y de metal son ejemplos preferidos de materiales de sustrato flexible preferidos. El material y el grosor del sustrato se pueden elegir para obtener las propiedades estructurales y ópticas deseadas.

La patente de los Estados Unidos número 6.352.777, incorporada a este documento por referencia, proporciona ejemplos de electrodos o de contactos que se pueden usar en un dispositivo optoelectrónico fotosensible. Cuando se usan en este documento, los términos "electrodo" y "contacto" se refieren a capas que proporcionan un medio para la entrega de corriente fotogenerada a un circuito externo o proporcionando una tensión de polarización al dispositivo. Esto es, un electrodo o un contacto proporciona la interfaz entre las regiones activas de un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico y un hilo, terminal, línea u otro medio para transportar los portadores de carga a o desde el circuito externo. En un dispositivo optoelectrónico fotosensible, se desea permitir la admisión de la máxima cantidad de radiación electromagnética ambiental proveniente desde el exterior del dispositivo hasta la región interior fotoconductoramente activa. Esto es, la radiación electromagnética debe alcanzar una capa o capas fotoconductoras, donde se pueda convertir en electricidad por medio de la absorción fotoconductora. Esto a menudo dicta que al menos uno de los contactos eléctricos debería ser mínimamente absorbente y mínimamente reflector de la radiación electromagnética incidente. Esto es, dicho contacto debería ser sustancialmente transparente. El electrodo opuesto puede ser un material reflector de forma que la luz que pasa a través de la célula sin ser absorbida se refleja hacia atrás a través de la célula. De la manera en que se usa en este documento, una capa de material o una secuencia de varias capas de materiales diferentes se dice que es "transparente" cuando la capa o las capas permiten al menos la transmisión del 50% de la radiación electromagnética ambiental en longitudes de onda pertinentes a través de la capa o de las capas. De manera similar, las capas que permiten algo, pero menos del 50% de transmisión de la radiación electromagnética ambiental en longitudes de onda pertinentes se dice que son "semitransparentes".

De la manera en que se usa en este documento, "superior" quiere decir lo más alejado del sustrato, mientras que "inferior" significa lo más cercano al sustrato. Por ejemplo, para un dispositivo que tenga dos electrodos, el electrodo inferior es el electrodo más cercano al sustrato, y por lo general es el primer electrodo fabricado. El electrodo inferior tiene dos superficies, una superficie inferior más cercana al sustrato, y una superficie superior alejada del sustrato. Donde se describe una primera capa como "dispuesta sobre" una segunda capa, la primera capa está dispuesta alejada del sustrato. Puede haber otras capas entre la primera y la segunda capa, a menos que se especifique que la primera capa está "en contacto físico con" la segunda capa. Por ejemplo, se puede describir un cátodo como "dispuesto sobre" un ánodo, incluso aunque haya varias capas orgánicas entre medias.

Los electrodos están compuestos de manera preferible de metales o de "sustitutos de metales". En este documento, el término "metal" se usa para abarcar ambos materiales compuestos de un metal puro desde el punto de vista elemental, por ejemplo, Mg, y también aleaciones metálicas que son materiales compuestos de dos o más metales puros desde el punto de vista elemental, por ejemplo, Mg y Ag juntos, denotada Mg:Ag. En este documento, el término "sustituto de metal" se refiere a un material que no es un metal dentro de la definición normal, pero que tiene propiedades similares a la de los metales que se desean en ciertas aplicaciones apropiadas. Sustitutos de metales usados de manera común para electrodos y capas de transferencia de carga incluirían semiconductores de banda prohibida ancha dopados, por ejemplo, óxidos conductores transparentes tales como el óxido de indio - estaño (ITO), óxido de galio - indio - estaño (GITO) y óxido de zinc - indio - estaño (ZITO). En particular, el ITO es un semiconductor n+ degenerado altamente dopado con una banda prohibida óptica de aproximadamente 3,2 eV, haciendo que sea transparente para las longitudes de onda mayores de aproximadamente 390 nm (3900 \ring{A}). Otro sustituto del metal adecuado es el polímero conductor transparente polianalina (PANI) y sus parientes químicos. Los sustitutos de los metales pueden seleccionarse además de un amplio abanico de materiales no metálicos, en donde el término "no metálico" se usa para dar a entender que abarca un amplio abanico de materiales con tal de que el material esté libre de metal en su forma no combinada químicamente. Cuando un metal está presente en su forma no combinada químicamente, ya sea solo o en combinación con uno o más metales distintos como una aleación, se puede hacer referencia de manera alternativa al metal como que está presente en su forma metálica o como siendo un "metal libre". De esta manera, se puede hacer referencia a veces a los electrodos metálicos sustitutos de la presente invención como "libre de metales", en donde el término "libre de metales" significa de manera expresa que abarca un material libre de metales en su forma no combinada químicamente. Los metales libres de manera típica tienen una forma de enlace metálico que es el resultado de un mar de electrones de valencia que están libres para su movimiento en una banda electrónica de conducción por toda la estructura del metal. Mientras que los sustitutos de los metales pueden contener constituyentes metálicos, son "no metálicos" sobre varias bases. No son metales libres puros ni son aleaciones de metales libres. Cuando los metales están presentes en su forma metálica, la banda electrónica de conducción tiende a proporcionar, entre otras propiedades metálicas, una alta conductividad eléctrica así como una alta reflectividad para la radiación óptica.

Las realizaciones de la presente invención pueden incluir, como uno o más de los electrodos transparentes del dispositivo optoelectrónico fotosensible, un cátodo de baja resistencia, altamente transparente y no metálico tal como se describe en la patente de los Estados Unidos número 6.420.031, concedida a Parthasarathy y colaboradores ("Parthasarathy 0'31"), o un cátodo compuesto metálico de baja resistencia/no metálico y altamente eficiente tal como se describe en la patente de los Estados Unidos número 5.703.436 concedida a Forrest y colaboradores, ("Forrest '436"), ambas patentes incorporadas a este documento por medio de referencia en su integridad. Cada tipo de cátodo está de manera preferible preparado en un proceso de fabricación que incluye el paso de escupido, depositando una capa de ITO sobre un material orgánico, tal como ftalocianina de cobre (CuPc), para formar un cátodo de baja resistencia, altamente transparente y no metálico o sobre una delgada capa de Mg:Ag para formar un cátodo compuesto metálico de baja resistencia/no metálico y altamente eficiente.

En este documento, el término "cátodo" se usa de la siguiente manera. En un dispositivo PV no apilado o en una única unidad de un dispositivo PV apilado bajo irradiación ambiental y conectado con una carga resistiva y sin una tensión externa aplicada, por ejemplo, un dispositivo PV, los electrones se desplazan desde al cátodo desde el material fotoconductor. De manera similar, el término "ánodo" se usa en este documento de forma que en un dispositivo PV bajo iluminación, los huecos se desplazan al ánodo desde el material fotoconductor, lo que es equivalente a electrones desplazándose de la manera contraria. Se notará que de la manera en que se usan en este documento los términos, los ánodos y los cátodos pueden ser electrodos o capas de transferencia de carga.

Un dispositivo fotosensible orgánico comprenderá al menos una región fotoactiva en la que la luz sea absorbida para formar un estado excitado, o "excitón" que pueda disociarse posteriormente en un electrón y en un hueco. La disociación del excitón de manera típica ocurrirá en la heterounión formada por la yuxtaposición de una capa de aceptadores y una capa de donadores. Por ejemplo, en el dispositivo de la figura 1, la "región fotoactiva" puede incluir la capa de donadores 125 y la capa de aceptadores 130.

El material aceptador puede estar comprendido, por ejemplo, de perilenos, naftalenos, fullerenos o nanotúbulos. Un ejemplo de un material aceptador es el bis-bencimidazol 3,4,9,10-perilenotetracarboxílico (PTCBI). De manera alternativa, la capa de aceptadores puede estar comprendida de un material de fullereno como se describe en la patente de los Estados Unidos número 6.580.027, incorporada a este documento por medio de referencia en su integridad. Adyacente a la capa de aceptadores, está una capa de material orgánica de tipo donador. El límite de la capa de aceptadores y la capa de donadores forma la heterounión que puede producir un campo eléctrico generado internamente. El material para la capa de donadores puede ser una ftalocianina o una porfirina, o un derivado o metal de transición complejo de los mismos, tal como ftalocianina de cobre (CuPc). Se pueden usar otros materiales aceptadores y donadores adecuados.

En una realización preferida de la invención, las capas orgánicas apiladas incluyen una o más capas de bloqueo de excitones (EBL) como se describe en la patente de los Estados Unidos número 6.097.147, concedida a Peumans y colaboradores, Applied Physics Letters 2000, 76, 2650-52, y a la solicitud en trámite junto con la presente con número de serie 09/449.801, de fecha 26 de noviembre de 1999, ambas incorporadas a este documento por medio de referencia. Las eficiencias cuánticas más altas interna y externa se han conseguido por medio de la inclusión de una EBL para confinar los excitones fotogenerados a la región cerca de la interfaz de disociación y para evitar el templado de excitón parásito en una interfaz orgánica/de electrodo fotosensible. Además de limitar el volumen sobre el que pueden difundirse los excitones, una EBL también puede hacer actuar como una barrera de difusión para sustancias introducidas durante la deposición de los electrodos. En algunas circunstancias, una EBL puede estar hecha los suficientemente gruesa para rellenar los poros o defectos de cortos que en caso contrario producirían un dispositivo PV orgánico no funcional. Una EBL por lo tanto, puede ayudar a proteger a las capas orgánicas frágiles del daño producido cuando se depositan los electrodos sobre los materiales orgánicos.

Se cree que las EBL derivan su propiedad de bloqueo de los excitones de tener una banda prohibida de energía LUMO-HOMO sustancialmente más grande que la de el semiconductor orgánico adyacente desde el que se están bloqueando los excitones. De esta manera, se prohíbe a los excitones confinados que existan en la EBL debido a consideraciones de energía. Mientras que se desea que la EBL bloquee excitones, no es deseable que la EBL bloquee toda la carga. Sin embargo, debido a la naturaleza de los niveles de energía adyacentes, una EBL puede bloquear un signo de portador de carga. Por medio de diseño, una EBL puede existir entre otras dos capas, generalmente una capa de semiconductor fotosensible orgánica y un electrodo o una capa de transferencia de carga. El electrodo o la capa de transferencia de carga adyacente estará en el contexto de un cátodo o un ánodo. Por lo tanto, el material para una EBL en una posición dada en un dispositivo se elegirá de forma que no se dificulte al signo deseado de portadores en su transporte al electrodo o capa de transferencia de carga. Un apropiado alineamiento del nivel de energía asegura que no exista una barrera para el transporte de la carga, evitando un aumento de la resistencia en serie. Por ejemplo, se desea para un material usado como una EBL de lado de cátodo que tenga un nivel de energía LUMO que casi coincida con el nivel de energía LUMO del material ETL adyacente de forma que se minimiza cualquier barrera no deseada para los electrones.

Se debe apreciar que la naturaleza de bloqueo de los excitones de un material no es una propiedad intrínseca de su banda prohibida de energía HOMO-LUMO. Si un material dado actuará como un bloqueador de excitones dependerá de los niveles de energía relativos HOMO y LUMO del material fotosensible orgánico adyacente. Por lo tanto, no es posible identificar una clase de compuestos en aislamiento como bloqueadores de excitones sin relación con el contexto del dispositivo en el que se pueden usar. Sin embargo, con las enseñanzas de este documento, alguien que sea experto en la técnica puede identificar si un material dado funcionará como una capa de bloqueo de los excitones cuando se use con un conjunto seleccionado de materiales para construir un dispositivo PV orgánico.

En una realización preferida de la invención, se sitúa una EBL entre la capa de aceptadores y el cátodo. Un material preferido para el EBL comprende 2,9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (también denominada batocuproína o BCP), que se cree que tiene una separación de nivel de energía LUMO-HOMO de aproximadamente 3,5 eV, o bis(2-metil-8-hidroxi-quinolinoato-aluminio (III) fenolato (Alq2OPH). El BCP es un bloqueador efectivo que puede transportar fácilmente electrones al cátodo desde una capa de aceptadores.

La capa EBL puede estar dopada con un dopante adecuado, incluyendo, pero no limitándose a, dianhídrido 3,4,9,10-perilenotetracarboxílico (PTCDA), dimida 3,4,9,10-perilenotetracarboxílica (PTCDI), bis-bencimidazol 3,
4,9,10-perilenotetracarboxílico (PTCBI), dianhídrido 1,4,5,8-naftalenotetracarboxílico (NTCDA) y derivados de los mismos. Se piensa que la BCP de la manera en que se deposita en el presente dispositivo es amorfa. Las presentes capas de bloqueo de excitones BCP aparentemente amorfas pueden mostrar recristalización de película, que es especialmente rápido bajo altas intensidades de luz. El cambio de morfología resultante a material policristalino da como resultado una película de calidad inferior con posibles defectos tales como cortos, vacíos o la entrada de material de electrodo. De acuerdo con esto, se ha descubierto que el dopado de algunos materiales EBL, tales como BCP, que muestran este efecto con una molécula adecuada, relativamente grande y estable, puede estabilizar la estructura EBL para evitar cambios de la morfología que degraden el funcionamiento. Se debería apreciar de manera adicional, que el dopado de un EBL que esté transportando electrones en un dispositivo dado con un material que tenga un nivel de energía LUMO cercano al nivel de la EBL, ayudará a asegurar que no están formadas las trampas para electrones lo que podría producir una acumulación de carga espacial y un funcionamiento reducido. De manera adicional, se debería apreciar que las densidades de dopado relativamente bajas deberían minimizar la generación de excitones en sitios dopantes aislados. Como a dichos excitones efectivamente se les prohíbe efectivamente difundirse por todo el material EBL circundante, dichas absorciones reducen la eficiencia de fotoconversión del dispositivo.

Las realizaciones representativas pueden comprender también capas de transferencia de carga transparentes o capas de recombinación de carga. Como se describe en este documento, las capas de transferencia de carga se distinguen de las capas de donadores y de aceptadores por el hecho de que las capas de transferencia de carga son de manera frecuente, pero no de manera necesaria, inorgánicas (a menudo metales) y se pueden elegir para que no sean activas desde el punto de vista fotoconductor. El término "capa de transferencia de carga" se usa en este documento para hacer referencia a capas similares pero diferentes de los electrodos en que una capa de transferencia de carga solamente entrega portadores de carga desde una subsección de un dispositivo optoelectrónico a la subsección adyacente. El término "capa de recombinación de carga" se usa en este documento para referirse a capas similares pero diferentes a los electrodos en que una capa de recombinación de carga permite la recombinación de electrones y huecos entre dispositivos fotosensibles en tándem y también puede mejorar la intensidad de campo óptico interno cerca de una o más capas activas. Una capa de recombinación de carga se puede construir de nanoagrupaciones, nanopartículas o nanofilas metálicas semitransparentes como se describe en la patente de los Estados Unidos número 6.657.378, incorporada a este documento por referencia en su totalidad.

En otra realización preferida de la invención, se sitúa una capa suavizadora del ánodo entre el ánodo y la capa de donadores. Un material preferido para esta capa comprende una película de 3,4-polietilenodioxitiofeno:poliestirenosul-
fonato (PEDOT:PSS). La introducción de la capa PEDOT:PSS entre el ánodo (ITO) y la capa de donadores (CuPc) puede conducir a producciones de fabricación mejoradas en gran medida. Esto se atribuye a la capacidad de la película recubierta PEDOT:PSS de torsión para aplanar el ITO, cuya superficie rugosa podría en caso contrario dar como resultado cortos a través de las delgadas capas moleculares.

En una realización adicional de la invención, se pueden tratar una o más de las capas con plasma antes de depositar la siguiente capa. Las capas pueden ser tratadas, por ejemplo, con argón templado o plasmas de oxígeno. Este tratamiento es beneficioso ya que reduce la resistencia en serie. Es particularmente ventajoso que la capa PEDOT:PSS esté sometida a un tratamiento de plasma templado antes de la deposición de la siguiente capa.

Se proporciona la estructura en capas sencilla ilustrada en la figura 1 a modo de ejemplo no limitante, y se entenderá que las realizaciones de la invención se pueden usar junto con una amplia variedad de otras estructuras. Los materiales y las estructuras específicos descritos son ejemplos en su naturaleza, y se pueden usar otros materiales y estructuras. Se pueden conseguir dispositivos funcionales por medio de la combinación de las varias capas descritas de diferentes maneras, o se pueden omitir capas en su totalidad, en base al diseño, funcionamiento y factores de coste. También se pueden incluir otras capas no descritas de manera específica. Se pueden usar otros materiales distintos a los materiales descritos de manera específica. Aunque muchos de los ejemplos proporcionados en este documento describen varias capas como comprendiendo un único material, se comprenderá que se pueden usar combinaciones de materiales, tales como una mezcla de huésped y dopante, o de manera más general una mezcla. También, las capas pueden tener varias subcapas. Los nombres dados a las varias capas en este documento no están destinados a ser estrictamente limitadores. Las capas orgánicas que no sean parte de la región fotoconductora, es decir, se puede hacer referencia a las capas orgánicas que por lo general no absorben fotones que hagan una contribución significativa a la fotocorriente como "capas no fotoactivas". Ejemplos de capas no fotoactivas incluyen EBL y las capas suavizadoras del ánodo. Se pueden usar otros tipos de capas no fotoactivas también.

Los materiales orgánicos preferidos para su uso en las capas fotoactivas de un dispositivo fotosensible incluyen compuestos organometálicos ciclometalados. El término "organometálico" de la manera en que se usa en este documento será comprendido por lo general por alguien que sea experto en la técnica y como se da, por ejemplo, en "Química inorgánica" (2ª edición) de Gary L. Miessler y Donald A. Tarr, Prentice Hall (1998). De esta forma, el término organometálico se refiere a compuestos que tienen un grupo orgánico enlazado a un metal a través de un enlace de carbono-metal. Esta clase no incluye de por sí compuestos de coordinación, que son sustancias que tienen solamente enlaces donadores de heteroátomos, tales como complejos metálicos de amines, haluros, pseudohaluros (CN, etc.), y similares. En la práctica, los compuestos organometálicos por lo general comprenden, además de uno o más enlaces de carbono-metal a una especie orgánica, uno o más enlaces de donadores de un heteroátomo. El enlace de carbono-metal a una especia orgánica hace referencia a un enlace directo entre un metal y un átomo de carbono de un grupo orgánico, tal como fenil alquil, alquenil, etc., pero no se refiere a un enlace metálico a un "carbono inorgánico", tal como el carbono del CN o CO. El término ciclometalados se refiere a compuestos que comprenden un ligante organometálico bidentado de forma que, al enlazarse a un metal, se forma una estructura en anillo que incluye el metal como uno de los miembros del anillo.

Las capas orgánicas se pueden fabricar usando la deposición de vacío, recubrimiento de torsión, deposición orgánica en fase de vapor, impresión por inyección de tinta y otros procedimientos conocidos en la técnica.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de las realizaciones de la presente invención pueden funcionar como un fotodetector o fotoconductor PV. Siempre que los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención funcionen como un dispositivo PV, se pueden seleccionar los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y el grosor de los mismos, por ejemplo, para optimizar la eficiencia cuántica externa del dispositivo. Siempre que los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención funcionen como fotodetectores o como fotoconductores, se pueden seleccionar los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y el grosor de los mismos, por ejemplo, para maximizar la sensibilidad del dispositivo para las regiones espectrales deseadas.

Este resultado se puede conseguir por medio de la consideración de varias directrices que se pueden usar en la selección de un grosor de capa. Es deseable que la longitud de difusión del excitón, L_{D}, sea mayor que o comparable con el grosor de la capa, L, ya que se cree que la mayoría de las disociaciones de excitones ocurrirán en una interfaz. Si L_{D} es menor que L, entonces muchos excitones se pueden recombinar antes de la disociación. Además es deseable que el grosor total de la capa fotoconductora sea del orden de la longitud de onda de absorción de la radiación electromagnética, 1/\alpha (donde \alpha es el coeficiente de absorción), de forma que casi toda la radiación incidente sobre el dispositivo PV es absorbida para producir excitones. Además, el grosor de la capa fotoconductora debería ser tan delgado como sea posible para evitar la resistencia en serie en exceso debido a la alta resistividad de bloque de los semiconductores orgánicos.

De acuerdo con esto, estas directrices que entran en competencia, requieren de manera inherente el llegar a compromisos en la selección del grosor de las capas orgánicas fotoconductoras de una célula optoelectrónica fotosensible. De esta forma, por otra parte, es deseable un grosor que sea comparable o mayor que la longitud de absorción (para un único dispositivo de célula) con el fin de absorber la cantidad máxima de radiación incidente. Por otra parte, a medida que aumenta el grosor de la capa fotoconductora, aumentan dos efectos no deseados. Uno es que debido a la alta resistencia en serie de los semiconductores orgánicos, un grosor de capa orgánica aumentado incrementa la resistencia del dispositivo y reduce la eficiencia. Otro efecto no deseable es que el incremento del grosor de la capa fotoconductora aumenta la probabilidad de que los excitones serán generados lejos del campo efectivo en una interfaz separadora de la carga, dando como resultado una probabilidad mejorada de recombinación de geminación, y de nuevo, reduciendo la eficiencia. Por lo tanto, es deseable una configuración del dispositivo que dé un equilibrio entre estos efectos rivales de una manera que produzca una alta eficiencia cuántica externa para todo el dispositivo en su globalidad.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención pueden funcionar como fotodetectores. En esta realización, el dispositivo puede ser un dispositivo orgánico multicapa, por ejemplo como se describe en la Solicitud de los Estados Unidos con número de serie 10/723.953, de fecha 26 de noviembre de 2003, incorporada a este documento por referencia en su totalidad. En este caso, se puede aplicar por lo general un campo eléctrico externo para facilitar la extracción de las cargas separadas.

Se puede emplear un concentrador o configuración de atrape para aumentar la eficiencia del dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico, en donde los fotones son forzados a hacer múltiples pases a través de las regiones absorbentes delgadas. Las patentes de los Estados Unidos números 6.333.458 y 6.440.769, incorporadas a este documento por referencia en su totalidad, abordan esta cuestión por medio del uso de diseños estructurales que mejoran la eficiencia de fotoconversión de los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles por medio de la optimización de la geometría óptica para la alta absorción y para el uso con concentradores ópticos que aumentan la eficiencia de la recogida. Dichas geometrías para los dispositivos fotosensibles aumentan de manera sustancial el camino óptico a través del material por medio de atrapar la radiación incidente dentro de una cavidad reflectora o estructura de guía de ondas, y por lo tanto, recirculando la luz por medio de reflexiones múltiples a través del material fotosensible. Las geometrías descritas en las patentes de los Estados Unidos números 6.333.458 y 6.440.769 mejoran por lo tanto la eficiencia cuántica externa de los dispositivos sin provocar un aumento sustancial en la resistencia de bloque. Incluida en la geometría de dichos dispositivos hay una primera capa reflectora; una capa aislante transparente que debería ser más larga que la longitud de coherencia óptica de la luz incidente en todas las dimensiones para evitar efectos de interferencia de microcavidad óptica; una capa de primer electrodo transparente adyacente a la capa aislante transparente; una heteroestructura fotosensible adyacente al electrodo transparente; y un segundo electrodo que también es reflector.

Las cubiertas se pueden usar para focalizar la energía eléctrica en las regiones deseadas de un dispositivo. La solicitud de patente de los Estados Unidos número 10/857.747 que se incorpora por referencia en su totalidad, proporciona ejemplos de dicha cubierta.

En células solares bicapa en tándem, cada subcélula puede ser lo suficientemente delgada como para permitir que un gran porcentaje de excitones se disocien, mientras que el dispositivo es lo suficientemente grueso como para generar una alta eficiencia de absorción. La figura 2 muestra un diagrama esquemático 200 y un micrográfico de electrones de transmisión de alta resolución 290 de una sección transversal de una célula PV orgánica en tándem. Las dos células 210 y 220 están en contacto por medio de un ánodo de indio-estaño-óxido (ITO) 230 y un cátodo de plata 240, y separados por una capa de nanopartículas de plata. De la manera en que se usa en este documento, el término "nanopartícula" se refiere a una partícula que cabe dentro y/o entre las capas orgánicas de un dispositivo orgánico. Un tamaño preferido de nanopartícula es de aproximadamente 30 nm (300 \ring{A}) o menor, aunque las nanopartículas pueden estar encapsuladas dentro de otros materiales que pueden aumentar este tamaño. La distancia de mejora y las longitudes de difusión, L_{D}^{D} y L_{D}^{A} de la capa de donadores (D) y de la capa de aceptadores (A) de cada dispositivo están etiquetadas. Las agrupaciones de plata son visibles en el micrográfico, y se muestran (círculos rellenos) en el esquemático. El esquemático muestra una representación de generación de corriente en la célula en tándem. Al producirse la absorción de la luz, se forman excitones en ambas subcélulas fotovoltaicas 210 y 220. Después de la disociación en una interfaz DA 270 ó 280, el hueco en la subcélula PV 210 y el electrón en la subcélula PV 220 se recogen en los electrodos adyacentes 230 y 240. Para evitar la creación de carga dentro de las células, el electrón de la subcélula PV 210 y el hueco de la subcélula PV 220 se difunden en la capa de nanopartículas metálicas 250 donde se recombinan. La atracción de la carga inicial a la nanopartícula es principalmente un resultado de efectos de carga de imagen. Una vez que la partícula metálica se ha cargado únicamente, la atracción de Coulomb de la contra carga libre conduce a una rápida recombinación en la superficie de plata 250.

Esta estructura de célula en tándem conectada en serie es ventajosa porque conduce a un incremento de la tensión en circuito abierto V_{OC}, en comparación con el caso de célula bicapa única. Dado que \eta_{P} = J_{SC}V_{OC}FF/P_{inc} (donde J_{SC} es la densidad de corriente en cortocircuito, FF es el factor de relleno y P_{inc} es la densidad de potencia óptica incidente), esto puede conducir a un incremento en \eta_{P}, dado que los otros parámetros permanecen sin cambios. El reto de realizar células en tándem está por lo tanto en equilibrar la fotocorriente proveniente de cada una de las células ya que la corriente en el dispositivo está limitada por la más pequeña de las dos corrientes producidas en la subcélula PV 210 o en la subcélula PV 220. Esto se puede llevar a cabo mediante la variación del grosor o las composiciones del material de las varias capas del dispositivo, pero pasa a convertirse en complicado debido a los efectos de interferencia óptica. Las células en tándem en serie pueden comprender también múltiples subcélulas conectadas eléctricamente, incluyendo más de dos subcélulas, donde cada una de las subcélulas comprende una capa de aceptadores y una capa de donadores. Se pueden utilizar otras disposiciones de subcélulas, como será aparente para alguien que sea experto en la técnica.

Además de funcionar como una capa eficiente de recombinación de portadores para evitar la carga de la célula, las nanopartículas también pueden mejorar el campo eléctrico incidente, que a su vez puede aumentar la absorción en la película delgada orgánica cercana. El área sombreada 260 en el diagrama de la figura 2 indica la región en la que el campo eléctrico está influenciado por las nanopartículas de plata 250. La mejora del campo es el resultado de las resonancias de polaritón de plasmón de superficie (SPP) ópticamente excitadas sobre las superficies de las nanopartículas. De la manera en que se usa en este documento, y como será entendido por los que sean expertos en la técnica, "resonancia de polaritón de plasmón de superficie" se refiere al acoplamiento de los fotones incidentes a la oscilación del plasma de las superficies de partículas, donde "oscilación de plasma" se refiere a la excitación colectiva de electrones de conducción en la partícula. La resonancia SPP se origina a partir del desplazamiento de los electrones de conducción negativa frente a fondo cargado positivamente debido a un campo eléctrico aplicado. Esto da como resultado las cargas de polarización en la superficie de nanopartículas, lo que conduce a una fuerza de restablecimiento y de esta forma a una frecuencia propia de resonancia. La propiedad de las nanopartículas de metal también se puede aplicar tanto a células Schottky como a células PV sensibles a colorantes, en las que la región fotoactiva esté en contacto con la capa de nanopartículas.

La posición de resonancia SPP de las nanopartículas o agregados de las nanopartículas puede verse influenciada por formas irregulares de partículas, diferentes medios dieléctricos embebedores y diferentes efectos de sustrato, y el acoplamiento entre partículas. Tomando ventaja de estos varios efectos, la resonancia de una nanopartícula o de una matriz de nanopartículas se puede sintonizar a longitudes de onda que estén dentro del espectro visible y del espectro infrarrojo.

Como la resonancia SPP mejora el campo electromagnético local, la nanopartícula y la región fotoactiva no necesitan estar en contacto directo para conseguir los beneficios de la resonancia SPP. En una realización de la invención, las nanopartículas encapsuladas se dispersan dentro de una región orgánica activa dispuesta entre dos electrodos. Las nanopartículas se pueden distribuir de manera aleatoria o de manera uniforme por toda la región. También son posibles otras disposiciones de las nanopartículas y puede ser ventajoso para aplicaciones específicas. En una realización preferida de la invención, la región fotoactiva comprende una o más células PV. En esta realización, las nanopartículas encapsuladas se pueden disponer en capas planas entre células adyacentes PV. La región fotoactiva puede comprender otro material orgánico adecuado, incluyendo materiales sensibles a colorantes. La dispersión de las nanopartículas dentro de la región fotoactiva mejora el campo eléctrico incidente sobre la región circundante debido a las resonancias SPP sobre las superficies de partículas. Las nanopartículas están de manera preferible comprendidas de un metal, siendo particularmente preferidos Ag, Cu, y Au. El uso de estos materiales proporciona una resonancia SPP que dé como resultado una absorción aumentada en las longitudes de onda visibles. Las nanopartículas también pueden estar comprendidas de un semiconductor degenerativo dopado o de otro material semiconductor.

La longitud de onda de resonancia ocurre cuando se minimiza la siguiente expresión:

[\varepsilon_{1}(\omega) + 2\varepsilon_{m}(\omega)]^{2} + \varepsilon_{2}(\omega)^{2} = constante

donde \varepsilon_{1}(\omega) y \varepsilon_{2}(\omega) son para el metal, y \varepsilon_{m}(\omega) para el medio embebedor. Esto se puede simplificar a

\varepsilon_{1}(\omega) = -2\varepsilon_{m}(\omega)

dado que \varepsilon_{2}(\omega) o \delta\varepsilon_{2}/\delta\omega son pequeños, lo que es cierto de manera típica para, por ejemplo, la plata, en la región de resonancia desde 3,0 a 3,5 eV. La figura 3 muestra la función dieléctrica real 310 y la función dieléctrica imaginaria 320 para la plata como funciones de energía de fotón. La plata en bloque se muestra como una línea continua y también se muestran agrupaciones de plata de 10 nm (línea discontinua) y de 5 nm (línea punteada) de diámetro. La figura 4 muestra el efecto del medio embebedor sobre la resonancia SPP de 2R = 4 nm nanopartícula de plata, en la que se han tenido en cuenta los cambios en la función dieléctrica. Las líneas discontinuas indican las longitudes de onda de resonancia para una partícula con una relación axial de b/\alpha = 0,6. el recuadro muestra la geometría de la simulación.

La forma de la nanopartícula es otro factor que puede afectar de manera particular a la resonancia SPP. Por ejemplo, para las partículas elípticas, el SPP puede dividirse en dos modos, uno de ellos correspondiente al eje largo \alpha, y el otro al eje corto b del esferoide. En la figura 5, se muestra la posición del pico de SPP para una nanopartícula elíptica en el vacío. Como se ha usado en este documento, el término "relación axial" se refiere a la relación del eje más corto respecto del eje más largo, es decir, b/\alpha. Para valores pequeños de la relación axial, el espaciado de la longitud de onda entre los piscos de resonancia alcanza valores de 300 nm, y para b/\alpha = 1, la posición SPP corresponde a la posición de una nanopartícula esférica en el vacío a \lambda_{b} = 338 nm. Por ejemplo, las líneas discontinuas de la figura 5 muestran una que relación axial de 0,6 conduce a modos SPP a \lambda_{b} = 334 y \lambda_{\alpha} = 360 nm. Esta división de modos de dipolo puede ser generalizada a casos de cualquier forma de partícula no esférica, debido a la distribución resultante de carga en la nanopartícula asimétrica. En las realizaciones preferidas de la invención, las nanopartículas tienen un eje más pequeño que no es mayor de aproximadamente 30 nm (300 \ring{A}), y una relación axial no menor de aproximadamente 0,1. Para partículas más esféricas (es decir, aquéllas con una relación axial de aproximadamente 1), se prefiere que la separación media de superficie a superficie no sea mayor de aproximadamente 10 nm (100 \ring{A}). Tamaños de partícula más grandes y/o separaciones medias menores disminuyen la cantidad de material orgánico disponible para la absorción, lo que puede disminuir la mejora del campo óptico incidente debido a las resonancias SPP. Sin embargo, para algunos propósitos, se pueden usar otras dimensiones distintas de las dimensiones descritas de manera específica. Se prefiere además que las nanopartículas sean no esféricas, y que estén dispuestas con los ejes más largos paralelos a una interfaz. Se cree que dicha disposición aumenta la mejora para el campo óptico incidente resultante de las interacciones de dipolo y de las resonancias SPP de las nanopartículas. Para partículas no esféricas, (aquéllas con una relación axial menor de 1), el acoplamiento entre partículas puede tener menos influencia en las mejoras del campo local. Por lo tanto, se prefiere que la separación media de superficie a superficie de las partículas no esféricas no sea mayor de 30 nm (300 \ring{A}). Se pueden usar otras disposiciones y separaciones para algunos propósitos. En algunos casos, las nanopartículas encapsuladas pueden comprender un porcentaje significativo del volumen de la región activa.

Para aplicaciones de célula PV, es ventajoso introducir una mejora de campo sobre el margen completo del espectro solar que solape el espectro de absorción de los materiales fotoactivos. La dependencia espectral de la absorbancia será tratada a continuación.

La figura 6 muestra los espectros de absorción medidos representativos para tres películas sobre cuarzo con y sin nanopartículas. Las nanopartículas en la capa de plata de 1 nm de grosor tienen un diámetro medio de aproximadamente 2R = 5 nm, y una separación de centro a centro de aproximadamente d = 10 nm. La curva 610 para una película isla de plata de 10 \ring{A} de grosor tiene un pico de 100 nm (anchura completa en el máximo mitad) centrada en una longitud de onda de \lambda_{p} = 440 nm debido a la excitación de plasmón de superficie de las nanopartículas. La posición de pico y la intensidad son indicativas de una distribución en la forma y en el tamaño de la partícula, así como el acoplamiento dipolar entre nanopartículas que ensancha la respuesta óptica con la disminución del espaciado de partícula. También se muestran la absorción de una película de 7 nm de grosor de Cu Pc (curva 620) y de una película de 7 nm de CuPc depositadas sobre la parte superior de la película de isla de plata de 1 nm de grosor de cobertura (curva 630). El pico de plasmón de la capa de nanopartículas de plata está desplazado hacia el rojo en 30 nm a \lambda_{p} = 470 nm debido a la presencia del dieléctrico CuPc circundante, aunque las posiciones de los picos de CuPc en \lambda_{c} 625 nm y en 690 nm no se ven cambiadas. La característica más destacable, sin embargo, es el aumento de la absorción de CuPc en longitudes de onda \lambda > 470 nm. Esta mejora de banda ancha no resonante puede conducir a un aumento de aproximadamente el 15% en la eficiencia de las células PV en tándem sobre la eficiencia esperada simplemente por la combinación de las eficiencias de varias bicapas apiladas de CuPc/PTCBI.

La mejora puede ocurrir por debajo de la frecuencia de plasmón de superficie, \omega_{p}. Por debajo de \omega_{p}, una colección de nanopartículas distribuidas de manera aleatoria puede generar "puntos calientes" en el campo eléctrico debido a las interacciones de dipolo, mientras que la absorción de la película de nanopartículas es debida a modos de plasmón dipolares formados sobre las superficies de la partícula.

La figura 7 muestra una distribución de campo representativa para una matriz plana de cilindros de plata, sobre un sustrato de cuarzo rodeado por un dieléctrico CuPc, con un diámetro 2R = 5 nm y un espaciado de superficie a superficie uniforme \delta = 5 nm. Las partículas yacen sobre un sustrato de cuarzo sobre un sustrato de cuarzo (n = 1,46, z = 0) y están embebidos en un medio dieléctrico (CuPc). Las etiquetas de contorno representan la mejora de la intensidad calculada y están separadas en 0,5. El vector de polarización está indicado por la flecha, y la dirección es en la dirección +z. La distribución de campo para una longitud de onda de excitación es de \lambda = 690 m, y la polarización paralela a la cadena de nanopartículas. Los contornos indican la mejora de la intensidad del campo eléctrico (I/I_{0}), donde I es la intensidad de campo local, y I_{0} es la intensidad de campo incidente. Estas intensidades son proporcionales a |\overline{E}|^{2} y |\overline{E_{0}}|^{2}, respectivamente, donde \overline{E} es la amplitud del campo local, y \overline{E_{0}} es la amplitud del campo incidente. Se pueden encontrar mejoras de intensidad de doce pliegues en los intersticios de los cilindros. La naturaleza dipolar de la intensidad de campo es evidente, con atenuación de campo encontrada en la "sombra" de la esfera.

El efecto del medio embebedor sobre la posición de la resonancia SPP y también sobre el ancho de banda espectral de la mejora es de una particular importancia para la aplicación a células solares, donde se mejore un amplio margen de longitudes de onda de interés. La figura 8 muestra la mejora de la intensidad de un campo incidente integrado sobre la superficie de una única partícula esférica 2R = 5 nm. El pico de resonancia se desplaza al rojo como resultado del aumento de la constante dieléctrica del medio embebedor. Cuando n se aumenta de 1 a 2, el pico de resonancia comienza a ser más fuerte, mientras que la extensión de la zona plana de mejora en el lado de longitud de onda larga del pico SPP se reduce. El embeber la partícula en un material con \overline{n} = 2 + 0,5i, un valor típico para una película delgada orgánica fuertemente absorbente, provoca que el pico SPP del dipolo sea suprimido en un orden de magnitud comparado con un dieléctrico no absorbente.

La figura 9 muestra los espectros de una nanopartícula esférica (2R = 5 nm) y de una partícula elíptica b/\alpha = 0,5 de igual área a la nanopartícula esférica embebida en el dieléctrico con \overline{n} = 2 + 0,5i. Ambas partículas tienen la misma área, y están embebidas en un dieléctrico con \overline{n} = 2 + 0,5i. La absorción (líneas punteadas) de los picos de nanopartícula elíptica a \lambda = 470 nm, está desplazada al rojo desde la absorción de la partícula esférica a \lambda = 392 nm. La polarización de la luz incidente es paralela al eje largo de la partícula elíptica, y por lo tanto ese modo está excitado. La partícula elíptica tiene una cola de mejora desplazada al rojo que se extiende más allá de la absorción de la mayoría de los materiales PV, haciendo que esta forma de partícula sea más adecuada para su uso en células PV orgánicas.

La capa de recombinación de carga en una célula PV orgánica en tándem puede consistir en una matriz aleatoria y térmicamente evaporada de nanopartículas de varios tamaños, formas y espaciados. La figura 10 muestra la mejora de intensidad en el centro de una matriz de nanopartículas de plata esféricas 1010, 1020 y nanopartículas elípticas 1030, 1040 en un medio con \overline{n} = 2 + 0,5i. Para \delta > 10 nm, la mejora disminuye de manera monótona con el espaciado, aumentando rápidamente para \delta < 10 nm debido al aumento no lineal en el acoplamiento dipolar entre nanopartículas vecinas. La posición de resonancia SPP se desplaza hacia el rojo para \delta \leq 10 nm, mientras para \delta mayores, la resonancia SPP converge a la longitud de onda de partícula única.

La figura 11 muestra la respuesta espectral para \delta = 10 nm 1110 y 1120, 5 nm 1130 y 1140, y 2,5 nm 1150 y 1160, para ambas matrices esféricas (líneas continuas) 1110, 1130 y 1150, y matrices elípticas (líneas punteadas) 1120, 1140 y 1160. Las líneas continuas indican una matriz de agrupaciones de 5 nm de diámetro mientras que las líneas punteadas indican partículas elípticas de relación axial 0,5 con la misma área. Se muestran los espaciados de superficie a superficie de \delta = 10 nm (cuadrados abiertos), 5 nm (círculos rellenos) y 2,5 (triángulos abiertos). En cada uno de los casos, la matriz elíptica tiene una mejora máxima mayor que para el caso esférico. A medida que se reduce \delta, los efectos de acoplamiento son más fuertes que el efecto de la forma. La zona plana de mejora para estas estructuras es ancha debido al acoplamiento entre partículas. También, existe una región de atenuación a longitudes de onda justo por debajo de la resonancia SPP. La intensidad espectral solar a \lambda < 350 - 400 nm es débil y por lo tanto no tiene un impacto significativo en el funcionamiento del dispositivo en comparación con las mejoras experimentadas en longitudes de onda largas.

También es de interés la distancia sobre la que existe una mejora desde la capa de recombinación de la célula PV orgánica en tándem. La figura 12 muestra la absorbancia medida, A, de grosores variables de CuPc sobre cuarzo a una longitud de onda de \lambda = 690 nm con (triángulos) y sin (cuadrados) una capa de agrupaciones de plata de 1,0 nm
(10 \ring{A}). Los valores de absorbancia medidos de las películas de CuPc de grosores variables (t) depositadas directamente sobre sustratos de cuarzo, así como sobre películas de isla de plata, a una longitud de onda de resonancia de \lambda =690 nm, se muestran en la figura 12. A esta longitud de onda, la absorción debida a las nanopartículas de plata puede ser despreciable, proporcionando una comparación directa de cambios en la absorción de CuPc. La absorbancia aumenta más rápidamente para la película de CuPc absorbida sobre las islas de plata 1210 que para la película neta 1220 cuando t \leq 10 nm. A un t grande, la absorción no se mejora más. La figura 13 muestra la diferencia medida de la absorbancia (\DeltaA) de las películas de CuPc con y sin una capa de plata frente al grosor CuPc, t.

Las películas de nanopartículas de plata de tamaño de nanómetros poseen eficiencias de dispersión y de reflexión que se aproximan a cero. Las pérdidas de dispersión del modo dipolo solamente pueden ser mayores que las pérdidas de absorción para partículas con 2R \geq 30 nm.

La figura 14 muestra el grosor efectivo de una región dieléctrica de película delgada con \overline{n} = 2 + 0,5i rodeando una matriz de partículas que está dentro de la "zona de mejora" de esa matriz, incluyendo el área dentro de esa matriz de partículas. Para un \delta muy pequeño, la mejora en los intersticios de nanopartícula es grande, aunque está principalmente confinada a esta pequeña región. La mejora para los picos de la matriz esférica 1410 y de las matrices elípticas 1420 a aproximadamente \delta = 25 nm, se extiende a distancias de aproximadamente 7 y 9 nm, respectivamente.

Una célula PV en tándem que consista en dos heterouniones CuPc/PTCBI DA apiladas en capas en serie, y separadas por medio de una delgada capa de recombinación de nanopartículas de plata, tiene una eficiencia de potencia, \eta_{P}, de aproximadamente (2,5 \pm 0,1)%, mientras que \eta_{P} para una única subcélula CuPc/PTCBI es de (1,1 \pm 0,1)% bajo una iluminación simulada de 1 sol (100 mW/cm^{2}) simulado AM1,5G (masa de aire 1,5 global). V_{OC} para la célula en tándem es de aproximadamente dos veces el valor de la célula única. Un aumento en J_{SC} puede significar aproximadamente un 15% de aumento en el \eta_{P} al 2,5%. J_{SC} se encuentra usando la siguiente expresión:

(3)J_{SC} = \frac{q}{hc} \int\lambda\eta_{EQE}(\lambda)S(\lambda)D\lambda,

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donde S(\lambda) es el espectro de irradiancia solar AM1,5G simulado, q es la carga del electrón, c es la velocidad de la luz, y h es la constante de Planck.

La figura 15 muestra \eta_{EQE}(\lambda) calculado con la capa de nanopartículas de plata 1510 y sin la capa de nanopartículas de plata 1520 para la estructura en tándem: 150 nm ITO/10 nm CuPc/13 nm PTCBI/1 nm Ag/13 nm CuPc/30 nm PTCBI/100 nm Ag. Los círculos abiertos muestran \eta_{EQE} para la célula delantera (PV 1, más cercana al ánodo), mientras que los cuadrados rellenos muestran \eta_{EQE} para la célula trasera (PV 2, más cercana al cátodo). También se muestran las contribuciones al \eta_{EQE} de las capas CuPc y PTCBI para PV 1 (curvas continuas) y PV 2 (curvas discontinuas). La célula trasera es más gruesa que la célula delantera para compensar la reducción en la intensidad de campo debida a la absorción en la célula delantera así como efectos de interferencia óptica parásitos. En la estructura sin nanopartículas de plata 1520, \eta_{EQE}(\lambda) para PV 1 (círculos abiertos) y para PV 2 (cuadrados rellenos) son similares en su forma, aunque PV 1 tiene una J_{SC} mayor debido a su \eta_{EQE} más alto por toda la mayoría de la región fotoactiva. Este desequilibrio de corriente limita J_{SC} a la corriente más pequeña en PV 2. Tanto para PV 1 como para PV 2, la contribución principal a \eta_{EQE}(\lambda) es proveniente de la capa CuPc, ya que la longitud de difusión para CuPc, L_{D}^{CuPc} = 10,0 \pm 3,0 nm
((100 \pm 30) \ring{A}), es mayor que la de PTCBI con L_{D}^{PTCBI} = 3,0 \pm 0,3 nm ((30 \pm 3) \ring{A}). La densidad de corriente en cortocircuito se equilibra para el caso mejorado, aunque \eta_{EQE}(\lambda) para PV 1 y PV 2 tienen formas diferentes. Debido a la mejora de campo de las nanopartículas, existe una gran contribución a \eta_{EQE} proveniente de la capa PTCBI para PV 1 y proveniente de la capa CuPc para PV 2.

En la arquitectura CuPc/PTCBI, la L_{D} pequeña de estos materiales permite la deposición de capas delgadas en las células delanteras y traseras, y de esta forma la interfaz DA recae dentro de la zona de mejora. Para materiales con L_{D} grande, tales como C_{60}, la arquitectura actual no permite una mejora significativa en la interfaz DA si el grosor de la capa es de aproximadamente L_{D}, ya que es el grosor de capa óptimo para la célula PV orgánica bicapa. Para dichos materiales, puede ser posible hacer dispositivos en tándem, a partir de películas delgadas evaporadas a la vez de materiales D y A, en los que la disociación del excitón no esté limitada por L_{D}. En este caso, las subcélulas PV se pueden mantener delgadas para conservar una alta FF, mientras que la mejora de la capa de recombinación de carga de nanopartículas aumenta la absorción en la célula.

La intensidad de campo óptico en el campo cercano de una cadena de nanopartículas metálicas puede aumentar en un factor de cien en comparación con la intensidad de la luz incidente. Esta mejora cubre un ancho margen espectral, y se puede extender a distancias de hasta 10,0 nm (100 \ring{A}), permitiendo una absorción aumentada en películas orgánicas delgadas colocadas en contacto con las nanopartículas o cerca de las nanopartículas. La mejora puede dar como resultado eficiencias de potencia más altas en células PV orgánicas bicapa en tándem.

Las longitudes de difusión relativamente pequeñas en células PV CuPc/PTCBI permiten capas delgadas con absorción mejorada en la interfaz DA generadora de corriente. Para materiales con L_{D} > 10,0 nm (100 \ring{A}), la desactivación del excitón en las nanopartículas de plata puede limitar el potencial para las mejoras de la eficiencia a través de la absorción aumentada. Un posible medio para evitar la desactivación de excitón de competir con las ganancias de eficiencia es encapsular las nanopartículas de metal en una capa aislante delgada. Estas nanopartículas encapsuladas pueden ser dispersadas después por toda las películas orgánicas, mejorando la absorción sin degradar la eficiencia eléctrica de la célula. Las nanopartículas encapsuladas pueden comprender un porcentaje significativo del volumen de la película orgánica.

Las nanopartículas encapsuladas pueden ser creadas usando un automontaje capa por capa, como se describe en el documento de Ung y colaboradores, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 3441-52 y en el documento de Slagueirino-Maceira y colaboradores, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10990-10994, el procedimiento Turkevich como se describe en el mismo, y otros procedimientos como se describe en el documento de Liz-Marzan y Mulvaney, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7312-26, los tres incorporados a este documento por medio de referencia. Se pueden usar otros procedimientos de creación y de encapsulado de nanopartículas, como apreciarán los que sean expertos en la técnica.

El uso de estas nanopartículas encapsuladas puede permitir el ajuste de efectos de acoplamiento partícula con partícula, propiedades macroscópicas del material huésped, y otros efectos. En una realización de la invención, las nanopartículas se encapsulan dentro de un material aislante. En una realización preferida de la invención, las nanopartículas están encapsuladas dentro de un óxido. Es especialmente preferido que la capa aislante no sea menor de aproximadamente 10 \ring{A} y no sea mayor de aproximadamente 10,0 nm (100 \ring{A}). Por debajo de aproximadamente
10,0 nm (100 \ring{A}) los efectos cuánticos pueden pasar a convertirse en no triviales, y por encima de aproximadamente 10,0 nm (100 \ring{A}) la separación de las nanopartículas puede comenzar a frustrar los efectos de resonancia SPP. Las nanopartículas puede que no necesiten estar en contacto físico con la región fotoactiva orgánica. En otra realización de la invención, las nanopartículas pueden disponerse por toda una "zona activa". De la manera en que se usa en este documento, "zona activa" es una región ligeramente más grande que la "región fotoactiva". De manera específica, la "zona activa" es una región de la que las nanopartículas pueden tener un efecto positivo significativo sobre la absorción en la región fotoactiva. Generalmente, la "zona activa" incluye materiales orgánicos que comprenden la región fotoactiva, así como materiales orgánicos dentro de aproximadamente 10,0 nm (100 \ring{A}) de la región fotoactiva. La zona activa puede incluir materiales no fotoactivos, y puede mayoritariamente por lo común incluir, por ejemplo, capas de bloqueo dispuestas adyacentes a la región fotoactiva.

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Una vez fabricadas de acuerdo con cualquiera de una variedad de procedimientos, las partículas encapsuladas pueden incorporarse dentro de un dispositivo por medio de cualquier procedimiento adecuado. En una realización preferida, las nanopartículas se incorporan dentro de una capa orgánica depositada en una solución por medio de suspensión en la solución antes de la deposición. Se pueden usar también otros procedimientos, tales como depositar a la vez nanopartículas encapsuladas con una capa orgánica depositada por medio de evaporación. La orientación de dichas nanopartículas (cuando las partículas no sean esféricas) se puede controlar a través de medios mecánicos, tales como el recubrimiento de torsión, y/o por medio de la aplicación de un campo, tal como un campo magnético o un campo eléctrico, durante el proceso de deposición. En algunas realizaciones, las nanopartículas encapsuladas se pueden fabricar in situ.

Aunque la presente invención se describe con respecto a ejemplos particulares y realizaciones preferidas, se entenderá que la presente invención no se limita a estos ejemplos y realizaciones. La presente invención en la forma reivindicada, puede por lo tanto, incluir variaciones de los ejemplos particulares y de las realizaciones preferidas descritas en este documento, como será obvio para los expertos en la técnica.

Claims (29)

1. Un dispositivo que comprende:

un primer electrodo (230);

un segundo electrodo (240);

una región fotoactiva (260) que comprende un material orgánico, dispuesta entre el primer electrodo (230) y el segundo electrodo (240), y conectada eléctricamente al primer electrodo (230) y al segundo electrodo (240); y

una pluralidad de nanopartículas encapsuladas (250) dispuestas dentro de la región fotoactiva en la que las nanopartículas tienen una resonancia de plasmón.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas están comprendidas de metal.

3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas están encapsuladas dentro de un óxido.

4. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas están encapsuladas dentro de un material aislante.

5. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas están distribuidas por toda la región fotoactiva.

6. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la región fotoactiva comprende una primera subcélula (210), la primera subcélula comprendiendo:

una primera capa de donadores; y

una primera capa de aceptadores en contacto físico con la primera capa de donadores.

7. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que la región fotoactiva comprende de manera adicional una segunda subcélula (220), la segunda subcélula comprendiendo además:

una segunda capa de donadores; y

una segunda capa de aceptadores en contacto físico con la primera capa de donadores, en la que la segunda subcélula (220) está dispuesta entre la primera subcélula (210) y el segundo electrodo (240).

8. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que las nanopartículas están dispuestas dentro de la primera capa de aceptadores y la primera capa de donadores.

9. El dispositivo de a reivindicación 7, en el que las nanopartículas están dispuestas entre la primera subcélula (210) y la segunda subcélula (220).

10. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas son no-esféricas.

11. El dispositivo de la reivindicación 10, en el que la región fotoactiva (260) es plana, y el eje más largo de cada nanopartícula es aproximadamente paralelo al plano de la región fotoactiva.

12. El dispositivo de la reivindicación 10, en el que la relación axial de cada nanopartícula no es menor de aproximadamente 0,1.

13. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la separación promedio de superficie a superficie entre nanopartículas no es mayor de aproximadamente 30,0 nm (300 \ring{A}).

14. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el eje más pequeño de cada nanopartícula no es mayor de aproximadamente 30,0 nm (300 \ring{A}).

15. El dispositivo de la reivindicación 4, en el que el grosor del material aislante no es menor de aproximadamente 1,0 nm (100 \ring{A}).

16. El dispositivo de la reivindicación 4, en el que el grosor del material aislante no es mayor de aproximadamente 10,0 nm (100 \ring{A}).

17. El dispositivo de la reivindicación 2, en el que la nanopartícula comprende plata.

18. El dispositivo de la reivindicación 2, en el que la nanopartícula comprende oro.

19. El dispositivo de la reivindicación 2, en el que la nanopartícula comprende cobre.

20. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la región fotoactiva (260) comprende una heterounión de bloque.

21. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la región fotoactiva (260) comprende un material sensibilizado por colorantes.

22. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas comprenden un material conductor.

23. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas comprenden un material semiconductor.

24. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas comprenden un semiconductor degenerativo dopado.

25. Un dispositivo que comprende:

un primer electrodo (230);

un segundo electrodo (240);

una zona activa (260) dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo y conectada eléctricamente al primer electrodo y al segundo electrodo, comprendiendo la zona activa además:

una región fotoactiva dispuesta dentro de la zona activa y dispuesta entre el primer electrodo (230) y el segundo electrodo (240) y conectada eléctricamente al primer electrodo (230) y al segundo electrodo (240); y

materiales orgánicos dispuestos dentro de 10,0 nm (100 \ring{A}) de la región fotoactiva; y una pluralidad de nanopartículas encapsuladas dispuestas dentro de la zona activa, en la que las nanopartículas tienen una resonancia de plasmón.

26. El dispositivo de la reivindicación 25, en el que la zona activa comprende de manera adicional una capa orgánica de bloqueo de excitones dispuesta adyacente a la región fotoactiva (260).

27. Un procedimiento para fabricar un dispositivo, que comprende:

la obtención de nanopartículas encapsuladas;

la fabricación de un primer electrodo (230);

la fabricación de una región fotoactiva orgánica (260), en la que las nanopartículas encapsuladas están dispuestas dentro de la región fotoactiva (260); y

la fabricación de un segundo electrodo.

28. El procedimiento de la reivindicación 27, comprendiendo de manera adicional un procedimiento para depositar la región fotoactiva (260) por medio de un proceso de solución, en el que las nanopartículas son dispersadas dentro de la solución que comprende los materiales fotoactivos.

29. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que las partículas encapsuladas se depositan a la vez con una capa orgánica depositada por medio de evaporación.