ES2857904T3 - Componente fotoactivo con capas orgánicas - Google Patents

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Bert Männig
Martin Pfeiffer
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Abstract

Componente fotoactivo con capas orgánicas, que está constituido por una célula individual, tándem o múltiple con dos electrodos (2, 9)y entre los electrodos (2, 9) un sistema de capas fotoactivas de aceptor-donador (4), que comprende al menos tres materiales absorbentes 1, 2, 3, en donde al menos dos materiales absorbentes del sistema de capas fotoactivas de aceptor-donador (4) están presentes al menos en una capa mixta, en donde al menos el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son donadores y el material absorbente 3 es un aceptor, o al menos el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son un aceptor y el material absorbente 3 es un donador, caracterizado por que (i) el material absorbente 2 absorbe en una longitud de ondas mayor que el material absorbente 1, y (ii) el material absorbente 2 tiene una desviación-Stokes menor y/o presenta una anchura de absorción más reducida en la película que el material absorbente 1, y (iii) el material absorbente 2 presenta una absorción más elevada, valor de la densidad óptica en el máximo, en comparación con el material absorbente 1.

Description

DESCRIPCIÓN
Componente fotoactivo con capas orgánicas
La invención se refiere a un componente fotoactivo con capas orgánicas, que está constituido por una célula sencilla, tándem o múltiple con dos electrodos y entre los electrodos un sistema de capas aceptor-donador fotoactivo con al menos tres materiales absorbentes.
Desde la demostración de la primera célula solar orgánica con un rendimiento en la zona porcentual a través de Tang et al. 1986 [C.W. Tang et al. Appl. Fys. Lett. 48, 183 (1986)], se investigan materiales orgánicos intensivamente para diferentes componentes electrónicos y opto-electrónicos. Las células solares orgánicas están constituidas por una secuencia de capas finas (típicamente de 1 nm a 1 gm) de materiales orgánicos, que son evaporados con preferencia en vacío o son centrifugados a partir de una solución. El contacto eléctrico se puede realizar a través de capas metálicas, óxidos conductores transparentes (TCOs) y/o polímeros conductores transparentes (PEDOT-PSS, PANI).
Una célula solar convierte energía luminosa en energía eléctrica. El concepto de fotoactivo designa en este caso igualmente la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. En oposición a las células solares inorgánicas, en las células solares orgánicas a través de la luz no se generan directamente portadores de carga libres, sino que se forman en primer lugar excitones, es decir, estados de excitación eléctricamente neutros (parejas ligares de electróntaladro). Sólo en una segunda etapa se separan estos excitones en portadores de carga libres, que contribuyen entonces al flujo de corriente eléctrica.
Una ventaja de tales componentes sobre base orgánica frente a los componentes convencionales sobre base inorgánica (semiconductores como silicio, arseniuro de galio) son los coeficientes de absorción óptica en parte extremadamente altos (hasta 2x105 cm-1), de manera que se ofrece la posibilidad de fabricar con coste reducido de material y de energía células solares muy finas. Otros aspectos tecnológicos son los bajos costes, la posibilidad de fabricar componentes flexibles de superficies grandes sobre láminas de plástico, y las posibilidades de variación casi ilimitadas y la disponibilidad ilimitada de la química orgánica.
Una posibilidad de realización ya propuesta en la literatura de una célula solar orgánica consiste en un diodo de pin[Martin Pfeiffer, "Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications",tesis doctoral TU-Dresden, 1999.]con la siguiente estructura de capas:
0. Soporte, substrato,
1. Contacto de base, la mayoría de las veces transparente,
2. capa(s) p
3. capa(s) i
4. capa(s) n
5. Contacto de cubierta
En este caso, n o p significa una dotación n o p, que conduce a una elevación de la densidad de electrones libres o bien taladros en el estado de equilibrio térmico. No obstante, también es posible que la(s) capa(s) n ocapa(s) p no estén dopadas nominalmente al menos parcialmente y sólo en virtud de las propiedades del material (por ejemplo, diferentes movilidades), en virtud de contaminaciones desconocidas (por ejemplo restos remanentes de la síntesis, productos de descomposición o de reacción durante la fabricación de la capa) o en virtud de influencias del medio ambiente (por ejemplo, capas adyacentes, difusión interna de metales o de otros materiales orgánicos, dotación de gas desde la atmósfera ambiental) posean propiedades con preferencia n-conductoras o con preferencia pconductoras. En este sentido, tales capas deben entenderse principalmente como capas de transporte. La designación capa i designa, en cambio, una capa no dopada nominalmente (capa intrínseca). Una o varias capas i pueden ser en este caso capas constituidastanto de un material como también de una mezcla de dos materiales (las llamadas redes inter-penetrantes o bien hetero-conexión a granel; M. Hiramoto et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, páginas 33-40). La luz que incide a través del contacto básico transparente genera en la capa i o bien en la capa n/p excitones (parejas ligadas de electrón-taladro). Restos excitones sólo se pueden separar a través de campos eléctricos muy altos o en superficies límites adecuadas. En las células solares orgánicas no están disponibles campos suficientemente altos, de manera que todos los conceptos prometedores de éxito para células solares orgánicas se banda en la separación de excitones en superficies limites fotoactivas. Los excitones llegan a través de difusión a una superficie límite activa de este tipo, donde se separan electrones y taladros unos de los otros. El material, que recibe los electrones, se designa como aceptor, y el material que recibe el taladro, se designa como donante (o donador). La superficie límite de separación puede estar entre la p-(n-) capa y la capa i o bien entre dos capas i. En el campo eléctrico integrado de la célula solar se transportan los electrones ahora hacia la región ny los taladros se transportan hacia la región p. Con preferencia, en las capas de transporte se trata de materiales transparentes o ampliamente transparentes con amplio desfase (wide-gap), como se describen, por ejemplo, en WO 2004083958. Como materiales de amplio desfase se designan en este caso materiales, cuyo máximo de absorción está en el intervalo de longitudes de ondas < 450nm, con preferencia en < 400nm.
Puesto que a través de la luz se generan siempre primero excitones y todavía no portadores de carga libres, la difusión pobre en recombinación de excitones en la superficie límite activa juega un papel crítico en células solares orgánicas. Para prestar una contribución a la fotocorriente, por lo tanto, en una célula solar orgánica buena la longitud de difusión de excitones debe exceder claramente la profundidad de penetración típica de la luz, para que se pueda utilizar la parte predominantes de la luz. Los cristales orgánicos estructurales perfectos y con respecto a la pureza química o las capas límites cumplen, en general, este criterio. Sin embargo, para aplicaciones de superficies grandes, no es posible la utilización de materiales orgánicos monocristalinos y la fabricación de capas múltiples con perfección estructural suficiente es todavía muy difícil hasta ahora.
[F. A. Castro y otros: On the use of cyanine dyes as low-bandgap materials in bulk heterojunction fotovoltaic devices. SYNTETIC METALS, Vol. 156, No. 14-15, páginas 973 - 978, 2006.] describe la utilización de colorantes líquidos, que se aplican a partir de una solución, como materiales en dispositivos fotovoltaicos. En este caso, se muestran espectros de fotocorriente para dispositivos que utilizan MEH-PPV en combinación con un colorante líquido.
En el caso de que en la capa i se trate de una capa mixta, entonces el cometido de la absorción de la luz asume o bien solo uno de los componentes o también ambos. La ventaja de las capas mixtas es que los excitones generados sólo tienen que recorrer un camino muy corto hasta que llegan a un límite de dominios, donde se separan. El transporte de los electrones o bien de los taladros se realiza de forma separada en los materiales respectivos. Puesto que en la capa mixta los materiales están, en general, en contacto entre sí, en este contacto es decisivo que las cargas separadas posean una duración de vida larga sobre el material respectivo y estén presentes trayectorias de perforación cerradas desde cada lugar para ambos tipos de portadores de carga hacia el contacto respectivo.
Se conoce a partir del documento US 5.093.698 la dotación de materiales orgánicos, A través de la mezcla de una sustancia de dotación de tipo aceptor o bien de tipo donador se eleva la concentración de portadores de carga de equilibrio en la capa y se eleva la conductividad. Según el documento US 5.093.698 se utilizan las capas dopadas como capas de inyección en la superficie límite con los materiales de contacto en componentes electroluminiscentes. Principios de dotación similares son convenientes de manera similar también parta células solares.
Se conocen a partir de la literatura diferentes posibilidades de realización para la capa i fotoactiva. Así, por ejemplo, en este caso se puede tratar de una capa doble (EP0000829) o de una capa mixta (Hiramoto, Appl. Fys.Lett. 58,1062 (1991)). También se conoce una combinación de capas dobles y mixtas (Hiramoto, Appl. Fys.Lett. 58,1062 (1991); US 6.559.375). Igualmente se conoce que la relación de mezcla en diferentes zonas de la capa mixta es diferente (US 20050110005) o bien la relación de mezcla presenta un gradiente.
[T. Yamanari y otros: Dye-Sensitized Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells", FOTOVOLTAIC ENERGY CONVERSION, Páginas 240 - 243, 2006.] se refiere a células solares de polímeros sensibilizadas a colorante de hetero-unión como célula sencilla, en la que se añade Squarylium como colorante.
Además, se conocen a partir de la literatura células solares tándem o bien mixtas (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990); DE 102004014046).
[Bruder, I. y otros: "Efficient organic tandem cell combining a solid state dye-sensitized and a vacuum deposited bulk heterojunction solar cell", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, Vol. 93, No. 10, páginas 1896 - 1899, 2009.]describe una célula solar tándem como combinación de una primera célula parcial, que representa una célula solar-BHJ separada en vacío con ZnPc y C60 como capa activa,y una segunda célula parcial, que representa una célula solar de sustancia sensibilizada con colorante con Np-TiO2/colorante indolina/Spiro-MeOTAD como capa activa.
Además, se conocen a partir de la literatura células orgánicas pin-tándem (DE 102004014046). La estructura de tal célula tándem consta de dos células individuales-pin, en donde la secuencia de capas “pin” describe la secuencia de un sistema de capas dopadas p, un sistema de capas fotoactivas no dopadas y un sistema de capas dopadas n. Los sistemas de capas dopadas están constituidos preferiblemente de materiales transparentes, los llamados materiales/capas de amplio desfase y en este caso pueden estar también parcial o totalmente no dopadas o también pueden presentar diferentes concentraciones de dotación en función del lugar o bien pueden disponer de un gradiente continuo en la concentración de la dotación. Especialmente también son posibles zonas doradas muy reducidas o altamente dopadas en la zona límite en los electrodos, en la zona límite a otra capa de transporte dopada o no dopada, en la zona límite a las capas activas o en el caso de células tándem o múltiples en la zona límite a la célula parcial-pin o bien —nip, es decir, en la zona de recombinación. También es posible una combinación discrecional de todas estas características. Naturalmente, en tal célula tándem se puede tratar también de una llamada estructura invertida (por ejemplo, célula tándem-nipo. A continuación, se designan todas estas formas de realización de células tándem posible con el concepto de células tándem-pin.
[Stolz, R. y otros: Trapping Light in Polymer fotodiodes with soft embossed gratings. ADVANCED MATERIALS, Vol.
12, No. 3, páginas 189 - 195, 2000.] describe le recepción de luz en fotodiodos de polímeros con rejillas estampadas blandas.
Por moléculas pequeñas se entienden en el sentido de la presente invenciónmoléculas orgánicas no-polímeras con masas molares mono-dispersas entre 100 y 2000, que están presenten a presión normal (presión del aire de la atmósfera que nos rodea) y a temperatura ambiente en fase sólida. En particular, estas moléculas pequeñas pueden ser también fotoactivas, en donde por fotoactiva se entiende que las moléculas modifican su estado de carga bajo incidencia de luz.
El problema de células solares orgánicas es actualmente que incluso los máximos rendimientos alcanzados hasta ahora en el laboratorio de 6 a 7 % son todavía demasiado reducidos. Para la mayoría de las aplicaciones, especialmente aplicaciones de superficies grandes, se considera necesario un rendimiento de aproximadamente 10%. En virtud de las peores propiedades de transporte de semiconductores orgánicos (en comparación con semiconductores inorgánicos) y los espesores de capa aplicables limitados implicados con ello de los absorbentes en células solares orgánicas, se parte, en general, de que tales rendimientos se pueden realizar mucho antes con la ayuda de células tándem (Tayebeh Ameri et al., Organic tandem solar cells: A review, Energy Environ. Sci., 2009, 2, 347-363; DE 102004014 046.4).Especialmente rendimientos hasta 15% sólo serón posibles en el futuro con la ayuda de células tándem. La estructura clásica de tal célula solar tándem es en este caso tal que en las dos células parciales se emplean diferentes sistemas absorbentes que absorben en diferentes partes (dado el caso también a solape) del espectro solar, para aprovechar una zona lo más ancha posible. El sistema absorbente de una célula parcial absorbe en este caso en la zona espectral de onda más corta (preferiblemente en la zona visible) y el sistema absorbente de la otra célula parcial absorbe en la zona espectral de onda más larga (con preferencia en la zona infrarroja). En la figura 1 se representa la distribución esquemática de los espectros de absorción en las dos células parciales de una célula tándem con estructura clásica.
El inconveniente de estas células tándem reside en que la célula parcial con el absorbente infrarrojo suministra una tensión de marcha en vacío más reducida que la otra célula parcial y de esta manera esta célula parcial sólo puede prestar una aportación más reducida al rendimiento del componente.
El cometido de la presente invención consiste, por lo tanto, en indicar un componente fotoactivo orgánico, que soluciona los inconvenientes mostrados.
Según la invención, este cometido se soluciona por medio de un componente fotoactivo orgánico según la reivindicación principal. Las configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.
El componente según la invención, que está realizado como célula sencilla, tándem o múltiple, presenta dos electrodos, en donde un electrodo está dispuesto sobre un sustrato y uno está dispuesto como contra-electrodo superior. Entre los electrodos está dispuesto un sistema fotoactivo de capas-aceptor-donador como sistema absorbente, que presenta al menos tres materiales absorbentes 1, 2, 3. En este caso, están presentes al menos dos materiales absorbentes del sistema fotoactivo de capas-aceptor-donador al menos parcialmente en una capa mixta y al menos el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son donadores y el material aceptor 3 es un aceptor o el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son aceptores y el material absorbente 3 es un donador, en donde uno de los dos materiales absorbentes configurados como donadores o aceptores absorbe con longitudes de ondas mayores que el otro material absorbente, es decir, que el material absorbente 2 absorbe a una longitud de onda más elevada que el material absorbente 1 y en donde uno de estos dos materiales absorbentes (material absorbente 2) presenta una desviación-Stokes más reducida y/o una anchura de absorción más reducida en la película que el oro material absorbente (material absorbente 1) y en donde uno de estos dos materiales absorbentes del mismo tipo (material absorbente 2) presenta una absorción más elevada, es decir, un valor más elevado de la densidad óptica en el máximo, en comparación con el otro material absorbente (material absorbente 1).
Como desviación-Stokes en el sentido de la invención se define la distancia en nm entre el máximo de la absorción y el máximo de la fotoluminiscencia.
Como donador se designa un material que cede electrones. Como aceptor se designa un material que recibe electrones.
Como materiales absorbentes se entienden en este caso materiales que absorben en una zona de longitudes de ondas de > 400nm.
Como anchura de absorción o bien zona de absorción de una película orgánica se entiende aquí la anchura del semivalor (anchura al 50 % del máximo de absorción local) en nm de un máximo de absorción local o la anchura del espectro de absorción en nm en el valor del 20% del máximo de absorción local. Está en el sentido de la invención, cuando se aplica al menos una de las dos definiciones.
En una forma de realización de la invención, el sistema de capas fotoactivo presenta al menos tres materiales absorbentes 1, 2, 3, en donde el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son donadores y el material absorbente 3 es un aceptor. En este caso, el material absorbente 2 presenta una desviación-Stokes menor que el material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, el sistema de capas fotoactivo presenta al menos tres materiales absorbentes 1, 2, 3, en donde el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son donadores y el material absorbente 3 es un aceptor. En este caso, el material absorbente 2 presenta una anchura de absorción más reducida que el material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, el sistema de capas fotoactivo presenta al menos tres materiales absorbentes 1, 2, 3, en donde el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son aceptores y el material absorbente 3 es un donador. En este caso, el material absorbente 2 presenta una anchura de absorción más reducida que el material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, el sistema de capas fotoactivo presenta tres materiales absorbentes 1, 2, 3, siendo del material absorbente 1 y el material absorbente 2 aceptores, y siendo el material absorbente 3 un donador. En este caso, el material absorbente 2 presenta una anchura de absorción más reducida que el material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, el sistema absorbente está constituido por un sistema-donador-aceptor, en donde la anchura de absorción del sistema absorbente tiene una anchura de al menos 200nm a 250nm.
En una forma de realización de la invención, uno de los al menos dos materiales absorbentes, que están configurados como donadores o aceptores en el sistema absorbente, absorbe con longitudes de ondas mayores que el otro material absorbente.
En una forma de realización de la invención, el sistema absorbente contiene en este caso al menos dos materiales absorbentes 1, 2, en donde el segundo material absorbente 2 absorbe con longitudes de ondas mayores que el material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, uno de los al menos dos materiales absorbentes, que están configurados como donadores o aceptores en el sistema absorbente, absorbe con longitudes de ondas más pequeñas que el otro material absorbente.
En otra forma de realización de la invención, el segundo material absorbente 2 tiene una zona de absorción más estrecha que el primer material absorbente 1.
La ventaja de esta estructura de acuerdo con la invención es que las células solares pueden suministrar una tensión de marcha en vacío más alta en la misma zona de absorción en comparación con el estado de la técnica.
Para generar ahora, en general, corriente suficiente para que el rendimiento de la célula solar pueda contribuir un 10 % o más, las anchuras de absorción de los sistemas absorbentes respectivos en células tándem o células múltiples deben tener al menos de 200nm a 250nm de anchura. Así, por ejemplo, una célula parcial puede absorber de 400nm a 650nm y la otra célula parcial puede absorben de 650nm a 900 nm (figura 2).
En otra forma de realización de la invención, el componente está realizado como célula solar-pin orgánica o bien como célula solar tándem-pin orgánica. Como célula solar tándem se designa en este caso una célula solar que está constituida por una pila vertical de dos células solares conectadas en serie.
En una forma de realización de la invención, el primer material absorbente 1 y el segundo material absorbente 2 o bien son ambos donadores o ambos aceptores.
En otra forma de realización de la invención, el segundo material absorbente 2 tiene una desviación-Stokes más reducida que el primer material absorbente 1.
En otra forma de realización de la invención, el primer material absorbente 1 y/o el segundo material absorbente 2 están presentes al menos parcialmente en una capa mixta.
En otra forma de realización de la invención, al menos dos materiales absorbentes del sistema absorbente están presentes al menos parcialmente en una capa mixta.
En otra forma de realización de la invención, las capas-HOMO de uno de los al menos dos materiales absorbentes, que están configurados como donadores o aceptores en el sistema absorbente, se diferencian máximo 0,2eV del otro material absorbente, con preferencia máximo 0,1eV. De esta manera, por ejemplo, las capas-HOMO del material absorbente 2 y del material absorbente 1 se diferencian máximo 0,2eV, con preferencia máximo 0,1 eV. En el caso de que el material absorbente 2 absorbe en longitudes de ondas más largas que el material absorbente 1, entonces en general, el material absorbente 2 limitará la tensión de marcha en vacío y la capa-HOMO del material absorbente 2 no debería estar esencialmente más alta que para el material absorbente 1, para no perder todavía tensión innecesariamente.
En otra forma de realización de la invención, en el componente están presentes todavía una o varias capas de transporte no dopadas, parcialmente dopadas o totalmente dopadas. Con preferencia, estas capas de transporte tienen un máximo de la absorción a < 450nm, muy preferido < 400nm.
En otra forma de realización de la invención, al menos otro material absorbente (material absorbente 3) está presente en el sistema absorbente y dos o más de los materiales absorbentes 1, 2 y 3 presentan diferentes espectros de absorción óptica, que se complementan mutuamente para cubrir una zona espectral lo más amplia posible.
En otra forma de realización de la invención, la zona espectral de al menos uno de los materiales absorbentes 1,2 ó 3 se extienden en la zona infrarroja en la zona de longitudes de ondas de >700 nm a 1500 nm.
En otra forma de realización de la invención, al menos uno de los materiales absorbentes 1, 2 o 3 es un material absorbente seleccionado de la clase que está constituida por fullereno o bien derivados de fullereno, ftalocianina, derivados de perileno, derivados-TPD o derivados de oligotiofeno.
En otra forma de realización de la invención, el componente está constituido de una célula tándem o célula múltiple. Con preferencia, el componente está constituido de una combinación de estructuras- nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin o pipn, en las que varias combinaciones independientes, que contienen al menos una capa i, están apiladas superpuestas.
En otra forma de realización de la invención, las capas del sistema de capas del componente están configuradas como una trampa de luz que prolonga la vía óptica de la luz incidente.
En otra forma de realización de la invención, en los materiales orgánicos utilizados se trata de moléculas pequeñas. Por moléculas pequeñas se entienden en el sentido de la presente invención moléculas orgánicas no-polímeras con masas molares mono-dispersas entre 100 y 2000, que están presentes a presión normal (presión del aire de la atmósfera que nos rodea) y a temperatura ambiente en fase sólida. En particular, estas moléculas pequeñas pueden ser también fotoactivas, en donde por fotoactiva se entiende que las moléculas modifican su estado de carga bajo la incidencia de la luz.
En otra forma de realización de la invención, en los materiales orgánicos utilizados se trata al menos en parte de polímeros.
En otra forma de realización de la invención, las capas orgánicas están constituidas al menos en parte de moléculas pequeñas, al menos en parte de polímeros o de una combinación de moléculas pequeñas y polímeros.
En otra forma de realización de la invención, el componente es semi-transparente al menos en una cierta zona de longitudes de ondas de luz.
En otra forma de realización de la invención, el componente se utiliza sobre superficies de soporte planas, curvadas o flexibles. Con preferencia, estas superficies de soporte son láminas de plástico o láminas metálicas (por ejemplo, aluminio, acero), etc.
En otra forma de realización de la invención, el componente está realizado como célula tándem. En las células tándem es importante que ambas células parciales absorben en la misma cantidad o generen la misma cantidad de corriente. En efecto, en el caso de que la absorción en una célula parcial sea demasiado pequeña, entonces la célula parcial respectiva no genera corriente suficiente, y puesto que en una célula tándem la corriente más reducida está limitada, todo el componente tiene un rendimiento más reducido. El problema en un absorbente orgánico con una absorción más amplia es, sin embargo, que entonces también la fotoluminiscencia está más desplazada y la desviación-Stokes es mayor. Pero una desviación-Stokes mayor significa una pérdida mayor de energía en el material (en virtud de procesos de reorganización; la posición de la fotoluminiscencia es un medidor del grado de la cantidad de energía que está presente en el sistema). Esto significa finalmente que sólo se puede conseguir una tensión de marcha en vacío menor con materiales con una absorción más amplia (con la misma longitud máxima de longitudes de absorción). De esta manera resulta ahora directamente un problema para absorbentes de infrarrojos. En virtud del hueco de banda reducido, la tensión de marcha en vacío alcanzable ya tanto más reducida. Pero para que ahora la célula parcial con el sistema de absorbente de infrarrojos genere exactamente tanta corriente como la otra célula parcial, el absorbente de infrarrojos debe poseer igualmente una absorción amplia, con lo que resulta, en general, una tensión de marcha en vacío muy pequeña. Esto conduce a que con tal sistema sólo se pueda alcanzar muy difícilmente, en general, el objetivo del 10% de eficiencia. En una forma de realización de la invención, este problema se soluciona por que el sistema absorbente está constituido por una combinación de un material absorbente amplio (material 1), que absorbe en longitudes de ondas más cortas (con preferencia VIS) y, por lo tanto, puede suministrar una tensión de marcha en vacío mayor, y de un material absorbente estrecho (material 2), que absorbe en longitudes de ondas más largas (con preferencia infrarrojos), pero en virtud de la desviación-Stokes reducida puede suministrar igualmente la tensión de marcha en vacío de la misma magnitud que el material 1 (figura 3).
En una forma de realización de la invención, la anchura de absorción del material absorbente 2 es 20nm a 250nm menor que la anchura de absorción del material absorbente 1, especialmente preferido de 50nm a 100nm.
En una forma de realización de la invención, el segundo material absorbente 2 dispone de una absorción más elevada o bien muy alta (valor de la densidad óptica en el máximo) en comparación con el primer material absorbente 1.
En una forma de realización de la invención, la estructura preferida de un componente fotoactivo según la invención contiene una combinación de un material absorbente de absorción amplia (material 1), que absorbe con longitudes de ondas más cortas (con preferencia VIS) y de un material absorbente de absorción estrecha (material 2), que absorbe con longitudes de ondas más largas (con preferencia infrarrojos). En este caso, los materiales 1 y 2 pueden estar presentes como capas individuales o bien como capas mixtas o bien pueden existir combinaciones discrecionales.
En una forma de realización de la invención, ambos materiales absorbentes 1 y 2 o bien son donadores o aceptores. El sistema absorbente está constituido por al menos tres materiales absorbentes, en donde el material absorbente 3 es un donador, para el caso de que los materiales 1 y 2 sean aceptores o bien el material absorbente 3 es un aceptor, en el caso de que los materiales absorbentes 1 y 2 sean donadores.
El sistema absorbente de un componente fotoactivo según la invención en la realización como célula individual puede tener una de las siguientes estructuras, en donde significan ES = capa individual y MS = capa mixta.
ES Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 1 / MS Material 2
MS Material 1 / MS Material 2 / ES Material 3
MS Material 2 / MS Material 1 / ES Material 3
Capa mixta triple de los materiales 1, 2 y 3
En una forma de realización de la invención, se realiza un componente fotoactivo según la invención en la realización como célula tándem o célula múltiple de la siguiente manera:
La primera célula parcial contiene una combinación de un material de absorción amplia (material 1) y de un material de absorción estrecha (material 2), que absorbe con longitudes de ondas más largas que el material 1y
la segunda célula parcial contiene una combinación de un material de absorción amplia (material 4) y de un material de absorción estrecha (material 5), que absorbe con longitudes de ondas más largas que el material 4.
En una forma de realización de la invención, los materiales 1 y 2 absorben en la zona visible de longitudes de ondas (VIS) y los materiales 4 y 5 absorben en la zona infrarroja (IR).
La célula tándem absorbe de esta manera, respectivamente, en ambas células parciales tanto en la zona VIS como también en la zona-IR y de este modo cubre de nuevo, como en la estructura tándem clásica, una zona amplia del espectro solar (con preferencia de 400nm a 900nm) y proporciona, por lo tanto, una corriente grande. Pero en virtud de la estructura especial según la invención de estas células tándem, ambas células parciales pueden suministrar una tensión de marcha en vacío grande y el rendimiento es, por lo tanto, más alto en comparación con una célula tándem con una estructura clásica.
En una forma de realización de la invención, en una célula tándem según la invención ambos materiales 1 y 2 o bien 4 y 5 son, respectivamente, o bien donadores o aceptores. Por ejemplo, el sistema absorbente 1 de la célula parcial 1 puede tener una de las siguientes estructuras (ES = capa individual y MS = capa mixta; material):
ES Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 1 / MS Material 2
MS Material 1 / MS Material 2 / ES Material 3
MS Material 2 / MS Material 1 / ES Material 3
Capa mixta triple de los materiales 1,2 y 3
Y el sistema absorbente 2 de la célula parcial 2 puede tener la siguiente estructura:
ES Material 4 / ES Material 5 / ES Material 6
ES Material 5 / ES Material 4 / ES Material 6
MS Material 4 / ES Material 5
MS Material 4 / ES Material 5 / ES Material 6
ES Material 6 / MS Material 4 / ES Material 5
MS Material 5 / ES Material 4
MS Material 5 / ES Material 4 / ES Material 6
ES Material 6 / MS Material 5 / ES Material 4
MS Material 4 / MS Material 5
MS Material 4 / MS Material 5 / ES Material 6
MS Material 5 / MS Material 4 / ES Material 6
Capa mixta triple de los materiales 4, 5 y 6.
En una forma de realización de la invención,el material 6 es un donador, en el caso de que los materiales 4 y 5 sean aceptores o bien el material 6 es un aceptor en el caso de que los materiales 4 y 5 sean donadores.
En una forma de realización de la invención, los materiales 3 y 6 pueden ser idénticos. También uno o varios de los materiales 1,2, 4 y 5 pueden ser idénticos.
La célula tándem o célula múltiple de más de dos células parciales puede ser entonces una combinación discrecional de las estructuras anteriores de las células parciales 1 y 2.
En otra forma de realización de la invención, al menos una de las capas mixtas fotoactivas contiene como aceptor un material del grupo del fullereno o derivados de fullereno (C60, C70, etc.).
En otra forma de realización de la invención, al menos una de las capas mixtas fotoactivas contiene como donador un material de la clase de la ftalocianina, derivados de perileno, derivados-TPD, oligotiofeno o un material como se describe en WO2006092134.
En otra forma de realización de la invención, al menos una de las capas mixtas fotoactivas contiene como aceptor el material fullereno C60y como donador el material 4P-TPD.
En otra forma de realización de la invención, los contactos están constituidos de metal, de un óxido conductor, especialmente de ITO, ZnO:Al o de otros TCOs o de un polímero conductor, especialmente de PEDOT :PSS o PANI.
En sistemas de capas mixtas múltiples aparecen muchas veces problemas de transporte para los portadores de carga. Este transporte se facilita claramente a través del campo incorporado de la estructura-pin. Además, las capas mixtas múltiples se pueden desplazar dentro de una estructura-pin con capas de transporte dopadas de amplio desfase, para conseguir una absorción óptima. A tal fin puede ser también muy ventajoso modificar la estructura-pin en una estructura-nip. Especialmente cuando los diferentes materiales en las capas mixtas múltiples absorben en diferentes zonas de longitudes de ondas, se pueden posicionar a través de una selección adecuada de la estructura (pin o nip) o bien una selección adecuada de los espesores de las capas de transporte los diferentes materiales, respectivamente, en la posición óptima con respecto a la distribución de la intensidad de la luz dentro del componente. Especialmente en células tándem, esta optimización es muy importante para conseguir una compensación de las foto-corrientes de las células individuales y, por lo tanto, para conseguir un rendimiento máximo.
Otra forma de realización del componente según la invención consiste en que entre la primera capa conductora de electrones (capas n) y el electrodo que se encuentra sobre el sustrato está presente todavía una capa dopada p, de manera que se puede tratar de una estructura-pnip o -pni, en donde con preferencia la dotación se selecciona tan alta que el contacto-pn directo no tiene ningún efecto de bloqueo, sino que se produce una recombinación sin pérdida, con preferencia a través de un proceso de túnel.
En otra forma de realización de la invención, en el componente entre la capa i fotoactiva y el electrodo que se encuentra sobre el sustrato puede estar presente todavía una capa dopada p, de manera que se trata de una estructura-pip o -pi, en donde la capa dopada p adicional tiene una capa de nivel Fermi, que está como máximo 0,4eV, pero con preferencia menos de 0,3eV por debajo del nivel de transporte de electrones de la capa i, de manera que se puede producir una extracción de electrones sin pérdidas desde la capa i hasta esta p-capa.
Otra forma de realización del componente según la invención consiste en que está presente todavía un sistema de capas n entre la capa dopada p y el contra-electrodo, de manea que se trata de una estructura-nipn o -ipn, en donde con preferencia la dotación se selecciona tan alta que el contacto-pn directo no tiene ningún efecto de bloqueo, sino que se produce una recombinación sin pérdida, con preferencia a través de un proceso de túnel.
En otra forma de realización, en el componentes puede estar presente todavía un sistema de capas n entre la capa fotoactiva intrínseca y el contra-electrodo, de manera que se trata de una estructura-nin o in, en donde la capa dopada n adicional tiene una capa de nivel Fermi, que está como máximo 0,4eV, pero con preferencia menos de 0,3eV por encima del nivel de transporte de taladros de la capa-i, de manera que se puede producir una extracción de electrones sin pérdidas desde la capa i hasta esta capas n.
Otra forma de realización del componente según la invención consiste en que el componente contiene un sistema de capas-n y/o un sistema de capas-p, de manera que se trata de una estructura-pnipn, pnin, pipn o p-i-n, que se caracteriza en todos los casos por que- independientemente del tipo de línea - la capa en el lado del sustrato adyacente a la capa i fotoactiva tiene un trabajo de salida térmica más reducido que la capa alejada del sustrato, adyacente a la capa i, de manera que se transportan electrones foto-generados hacia el sustrato, cuando no se aplica ninguna tensión externa al componente.
En un desarrollo preferido de las estructuras descritas anteriormente, éstas están realizadas como célula solar tándem orgánica o como célula solar múltiple. De esta manera, en el componente se puede tratar de una célula solar tándem o de una célula solar múltiple de una combinación de estructuras- nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin o pipn, en la que varias combinaciones independientes, que contienen al menos una capa i, están apiladas superpuestas (combinaciones cruzadas).
En una forma de realización especialmente preferida de las estructuras descritas anteriormente, éstas están realizadas como una célula tándem-pnipnipn.
En otra forma de realización, el material aceptor está presente en la capa mixta al menos parcialmente en forma cristalina.
En otra forma de realización, el material donador está presente en la capa mixta al menos parcialmente en forma cristalina.
En otra forma de realización, tanto el material aceptor como también el material donador están presentes en la capa mixta al menos parcialmente en forma cristalina.
En otra forma de realización, el material aceptor dispone de un máximo de absorción en la zona de longitudes de ondas > 450nm.
En otra forma de realización, el material donador dispone de un máximo de absorción en la zona de longitudes de ondas > 450nm.
En otra forma de realización, el sistema de capas i fotoactivo contiene adicionalmente a dicha capa mixta todavía otras capas individuales o mixtas fotoactivas.
En otra forma de realización, el sistema de material n está constituido por una o varias capas.
En otra forma de realización, el sistema de material p está constituido por una o varias capas.
En otra forma de realización, el material donador es un oligómero, especialmente un oligómero según WO2006092134, un derivado de porfirina, un derivado de pentaceno o un derivado de perileno, como DIP (di-indeno-perileno), DBP (dibenzoperileno).
En otra forma de realización, el sistema de material p contiene un derivado de TPD (trifenilamina-dímero), un compuesto espiro, como espiropirano, espiroxacina, MeO-TPD (N,N,N',N'-tetrakis(4-metoxifenil)-benzidina), Di-NPB (N,N'difenil-N,N'-bis(N,N'-di(1 -naftil)-N,N'-difenil-(1,1'-bifenil) 4,4'-diamina), MTDATA (4,4',4"-Tris-(N-3-metilfenil-N-fenil-amino)-trifenilamina), TNATA (4,4',4"-Tris[N-(1-naftil)-N-fenil-amino]-trifenilamina), BpAPF (9,9-bis{4-[di-(pbifenil)aminofenil]}fluoreno), NPAPF (9,9-Bis[4-(N,N'-bis-naftalen-2-il-amino)fenil]-9H-fluoreno), espiro-TAD (2,2',7,7'-tetrakis-(difenilamino)-9,9'-espirobifluoreno), PV-TPD (N,N-di 4-2,2-difenil-eten-1-il-fenil-N,N-di 4-metilfenilfenylbenzidina), 4P-TPD (4,4'-bis-(N,N-difenilamino)-tetrafenil), o un material p descrito en DE102004014046.
En otra forma de realización, el sistema de material n contiene fullereno, como por ejemplo C60, C70; NTCDA (1,4,5,8-dianhídrido de naftaleno-tetracarboxílico), NTCDI (diimida de naftaleno tetracarboxílico) o PTCDI (perilen-3,4,9,10-bis(dicarboximida).
En otra forma de realización, el sistema de material p contiene un dotante p, en donde este dotante p es F4-TCNQ, un dotante p como se describe como DE10338406,DE10347856,DE10357044,DE102004010954,DE102006053320, DE102006054524 y DE10200805173 7 o un óxixo de metal de transición (VO, WO, MoO, etc.).
En otra forma de realización, el sistema de material n es un dotante n, en donde este dotante n es un derivado de TTF (derivado de tetratiafulvaleno) o derivado de DTT (ditienotiofeno), un dotante n como se describe en DE10338406, DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320, DE102006054524 y DE102008051 737 o Cs, Li o Mg.
En otra forma de realización, un electrodo está realizado transparente con una transmisión > 80% y el otro electrodo está realizado reflectante con una reflexión > 50%.
En otra forma de realización, el componente está realizado semitransparente con una transmisión de 10-80%.
En otra forma de realización, los electrodos están constituidos de un metal (por ejemplo, Al, Ag, Au o una combinación de ellos), de un óxido conductor, especialmente ITO, ZnO:Al o de otro TCO (Óxido Conductor Transparente), de un polímero conductor, especialmente PEDOT/PSS poli(3,4-etilenodioxitiofeno)poli(estirenosulfonato) o PANI (polianilina), o por una combinacion de estos materiales.
En otra forma de realización se realiza la trampa de luz construyendo el componente sobre un sustrato microestructurado periódicamente y garantizando la función homogénea del componente, es decir, un contacto libre de cortocircuito y la distribución homogénea del campo eléctrico sobre toda la superficie, a través de la utilización de una capa de amplio desfase dopada. Los componentes ultrafinos presentan sobre sustratos estructurados un peligro elevado para la formación de cortocircuitos locales, de maneras que a través de tal inhomogeneidad evidente se pone en peligro finalmente la funcionalidad de todo el componente. Este peligro de cortocircuito se reduce a través de la utilización de las capas de transporte dopadas.
En otra forma de realización de la invención, se realiza la trampa de luz construyendo el componente sobre un sustrato micro-estructurado periódicamente y garantizando la función homogénea del componente, su contacto libre de cortocircuito y una distribución homogénea del campo eléctrico sobre toda la superficie a través de la utilización de una capa de amplio desfase. En este caso es especialmente ventajoso que la luz recorra la capa de absorción al menos dos veces, lo que puede conducir a una absorción elevada de luz y de esta manera a un rendimiento mejorado de la célula solar. Esto se puede conseguir, por ejemplo, por que el sustrato presenta estructuras piramidales sobre la superficie con alturas (h) y anchuras (d), respectivamente, en el intervalo de uno a varios cientos de micrómetros. La altura y la anchura se pueden seleccionar iguales o diferentes. Igualmente, las pirámides pueden estar constituidas simétricas o asimétricas.
En otra forma de realización de la invención, la trampa de luz se realiza por que una capa de amplio desfase dopada tiene una superficie límite lisa hacia la capa i y una superficie límite rugosa hacia el contacto reflectante. La superficie límite rugosa se puede conseguir, por ejemplo, a través de una micro-estructuración periódica. La superficie límite rugosa es especialmente ventajosa cuando refleja la luz difusa, lo que conduce a una prolongación de la trayectoria de la luz dentro de la capa fotoactiva.
En otra forma de realización, la trampa de luz se realiza por que el componente se construye sobre un sustrato microestructurado periódicamente y una capa de amplio desfasedopada tiene una superficie límite lisa hacia la capa i y una superficie límite rugosa hacia el contacto reflectante.
En otra forma de realización de la invención, la estructura general está provista con contacto de base y contacto de cubierta transparentes.
En otra forma de realización de la invención, el componente fotoactivo, en particular una célula solar orgánica, está constituida por un electrodo y un contra-electrodo y entre los electrodos están dispuestas al menos dos capas mixtas fotoactivas orgánicas, en donde las capas mixtas comprenden, respectivamente, al menos dos materiales y los dos materiales principales de una capa mixta respectiva presentan al menos un sistema absorbente que está constituido por u sistema donador-aceptor, en donde la anchura de absorción del sistema absorbente tiene al menos 200nm a 250nm de anchura. El sistema absorbente contiene en este caso al menos dos materiales absorbentes (materiales 1 y 2), en donde el material 2 absorbe en longitudes de ondas mayores que el material 1 y el material 2 tiene una zona de absorción más estrecha que el material 1.
En otra forma de realización, las dos capas límites están directamente adyacentes entre sí, en donde al menos uno de los materiales principales de una capa mixta es otro material orgánico que los materiales de la otra capa mixta. En un desarrollo de la forma de realización descrita anteriormente, varios o todos los materiales principales de las capas mixtas son diferentes entre sí.
En otra forma de realización de la invención se trata de tres o más capas, que están dispuestas entre el electrodo y el contra-electrodo.
En otra forma de realización de la invención, adicionalmente a dichas capas mixtas están presentes otras capas individuales o mixtas fotoactivas.
En otra forma de realización de la invención, entre el sistema de capas múltiples y un electrodo está presente todavía al menos otra capa orgánica.
En otra forma de realización de la invención, entre el sistema de capas múltiples y el contra-electrodo está presente todavía al menos otra capa orgánica.
En otra forma de realización de la invención, una o varias de las otras capas orgánicas son capas dopadas de amplio desfase, en donde el máximo de la absorción está en < 450nm.
En otra forma de realización de la invención, al menos dos materiales principales de las capas mixtas presentan diferentes espectros de absorción óptica.
En otra forma de realización de la invención, los materiales principales de las capas mixtas presentan diferentes espectros de absorción óptica, que se complementan mutuamente para cubrir al menos una zona espectral lo más amplia posible.
En otra forma de realización de la invención, la zona de absorción de al menos uno de los materiales principales se extiende en la zona infrarroja.
En otra forma de realización de la invención, la zona de absorción de al menos uno de los materiales principales de las capas mixtas se extiende en la zona infrarroja en la zona de longitudes de onda de > 700nm a 1500nm.
En otra forma de realización de la invención, los niveles HOMO y LUMO de los materiales principales están adaptados de tal manera que el sistema posibilita una tensión máxima de marcha en vacío, una corriente máxima de cortocircuito y un factor de llenado máximo.
En otra forma de realización de la invención, la estructura general está provista con contacto básico y contacto de cubierta transparentes.
En otra forma de realización, los componentes fotoactivos según la invención se utilizan sobre superficies curvadas, como por ejemplo hormigón, tejas, arcilla, cristal de automóviles, etc. En este caso es ventajoso que las células solares orgánicas según la invención se pueden aplicar, frente a las células solares inorgánicas convencionales sobre soportes flexibles como láminas, textiles, etc.
En otra forma de realización, se aplican los componentes fotoactivos según la invención sobre una lámina o textil, que presenta sobre el lado opuesto al sistema de capas orgánico según la invención un medio de adhesión, como por ejemplo un pegamento. De esta manera es posible fabricar una lámina adhesiva solar, que se puede disponer sobre superficies opcionales. De esta manera, se puede generar una célula solar autoadhesivo.
En otra forma de realización, los componentes fotoactivos según la invención presentan otro medio de adhesión en forma de una unión Velcro.
En otra forma de realización, los componentes fotoactivos según la invención se utilizan en conexión con tampones de energía o bien un medio acumulador de energía como, por ejemplo, acumuladores, condensadores, etc. para la conexión en consumidores o bien aparatos.
En otra forma de realización, los componentes fotoactivos según la invención se utilizan en combinación con baterías de película fina.
A continuación, se explica en detalle la invención.
La figura 1 muestra una representación esquemática de la distribución de los espectros de absorción en las dos células parciales de una célula tándem con estructura clásica según el estado de la técnica.
La figura 2 muestra una representación esquemática de la distribución de los espectros de absorción en las dos células parciales de una célula tándem según la invención, en donde las anchuras de absorción de los sistemas absorbentes respectivos tienen al menos de 200nm a 250nm.
La figura 3 muestra una representación esquemática ejemplar de un desarrollo posible de los espectros de absorción de los materiales 1 y 2 en una célula individual según la invención.
La figura 4 muestra una representación esquemática ejemplar de un desarrollo posible de los espectros de absorción y de fotoluminiscencia de un material 1 y de un material 2 en una célula individual según la invención.
La figura 5 muestra una representación esquemática ejemplar de un desarrollo posible de los espectros de absorción de los materiales 1 y 2 en una célula individual según la invención, en donde el material 2 dispone de una absorción más elevada o bien muy alta (valor de la densidad óptica en el máximo) en comparación con el material 1.
La figura 6 muestra una representación esquemática ejemplar de la distribución de los espectros de absorción de los cuatro materiales en las dos células parciales en una célula tándem según la invención.
La figura 7 muestra una representación esquemática ejemplar de la distribución de los espectros de absorción de los cuatro materiales en las dos células parciales en una célula tándem según la invención, en donde los materiales 4 y 5 presentan una absorción más elevada que los materiales 1 y 2.
La figura 8 muestra otra representación esquemática ejemplar de la distribución de los espectros de absorción de los cuatro materiales en las dos células parciales en una célula tándem según la invención.
La figura 9 muestra otra representación esquemática ejemplar de la distribución de los espectros de absorción de los cuatro materiales en las dos células parciales en una célula tándem según la invención, en donde los materiales 2 y 5 presentan una absorción más elevada que los materiales 1 y 4.
La figura 10 muestra otra representación esquemática ejemplar de la distribución de los espectros de absorción de los cuatro materiales en las dos células parciales en una célula tándem según la invención, en donde los cuatro materiales cubren una zona amplia del espectro solar.
La figura 11 muestra la representación esquemática de una estructura de un componente fotoactivo ejemplar sobre sustrato micro-estructurado; y
La figura 12 muestrala representación esquemática de una estructura de un componente fotoactivo ejemplar sobre sustrato micro-estructurado.
En un primer ejemplo de realización, para la ilustración de una disposición según la invención se representan los espectros de absorción y de fotoluminiscencia de un material 1 y de un material 2 en la figura 4.
En otro ejemplo de realización, el material 2 en la figura 5 dispone de una absorción más elevada o bien muy alta (valor de la densidad óptica en el máximo) en comparación con el material 1.
En otro ejemplo de realización, la estructura de un componente fotoactivo según la invención contiene una combinación de un material 1 absorbente amplio, que absorbe en longitudes de ondas más cortas en la zona visible, y de un material 2 absorbente estrecho, que absorbe en longitudes de ondas más largas en la zona infrarroja. Los materiales 1 y 2 están presentes en este caso como capas individuales.
En una configuración del ejemplo de realización anterior, los materiales 1 y 2 están presentes como capas mixtas. Pero también pueden estar presentes combinaciones discrecionales.
En otro ejemplo de realización, ambos materiales 1 y 2 son donadores.
En otro ejemplo de realización, los dos materiales 1 y 2 son aceptores.
En otro ejemplo de realización, la anchura de absorción del material 2 es de 20nm a 150nm menos que la zona de absorción del material 1, especialmente preferido de 50nm a 100nm.
En otro ejemplo de realización, el sistema absorbente está constituido por tres materiales, en donde los materiales 1 y 2 son aceptores y el material 3 es un donador.
En otro ejemplo de realización,el sistema absorbente está constituido por tres materiales, en donde los materiales 1 y 2 son donadores y el material 3 es un aceptor.
En otra forma de realización de la invención, el sistema absorbente del componente fotoactivo según la invención presenta en la realización como célula individual una de las siguientes estructuras, en donde significa (ES = capa individual y MS = capa mixta):
ES Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 1 / MS Material 2
MS Material 1 / MS Material 2 / ES Material 3
MS Material 2 / MS Material 1 / ES Material 3
Capa mixta triple de los materiales 1,2 y 3
En otro ejemplo de realización, la primera célula parcial contiene una combinación de un material de absorción amplia (material 1) y de un material de absorción estrecho (material 2), que absorbe en longitudes de ondas más largas que el material 1y
la segunda célula parcial contiene una combinación de un material de absorción amplia (material 4) y de un material de absorción estrecha (material 5), que absorbe con longitudes de ondas más largas que el material 4.
En otro ejemplo de realización, los materiales 1 y 2 en la figura 6 absorben en la zona visible de longitudes de ondas (VIS) y los materiales 4 y 5 absorben en la zona infrarroja (IR).
En otro ejemplo de realización, los materiales 4 y 5 en la figura 7 poseen una absorción más elevada que los materiales 1 y 2.
En otro ejemplo de realización, los materiales 1 y 4 en la figura 8 absorben en la zona visible de longitudes de ondas (VIS) y los materiales 2 y 5 absorben en la zona infrarroja (IR), en donde los espectros de absorción de los materiales 1 y 4 así como 2 y 5 están distribuidos a solape.
En otro ejemplo de realización, los materiales 1 y 4 en la figura 9 absorben en la zona visible de longitudes de ondas (VIS) y los materiales 2 y 5 absorben en la zona infrarroja (IR), en donde los espectros de absorción de los materiales 1 y 4 así como 2 y 5 están distribuidos a solape y los materiales 4 y 5 poseen una absorción más elevada que los materiales 1 y 2.
En otro ejemplo de realización, los materiales 1 y 4 en la figura 10 absorben en la zona visible de longitudes de ondas (VIS) y los materiales 2 y 5 absorben en la zona infrarroja (IR), en donde los materiales 2 y 5 poseen una absorción más elevadaque los materiales 1 y 4 y los materiales 1 y 4 así como 2 y 5 muestran un solape más reducido de las zonas de absorción.
En otro ejemplo de realización, en una célula tándem según la invención ambos materiales 1 y 2 o bien 4 y 5 son, respectivamente, donadores.
En otro ejemplo de realización, en una célula tándem según la invención ambos materiales 1 y 2 o bien 4 y 5 son, respectivamente, aceptores.
En otro ejemplo de realización, el componente orgánico según la invención está realizado como célula tándem, en donde las células parciales respectivas presentan un sistema absorbente 1 para la primera célula parcial y un sistema absorbente 2 para la segunda célula parcial. El sistema absorbente 1 de la célula parcial 1 presenta en este caso una de las siguientes estructuras (ES = capa individual y MS = capa mixta):
ES Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 1 / ES Material 2 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 1 / ES Material 2
MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 2 / ES Material 1 / ES Material 3
ES Material 3 / MS Material 2 / ES Material 1
MS Material 1 / MS Material 2
MS Material 1 / MS Material 2 / ES Material 3
MS Material 2 / MS Material 1 / ES Material 3
Capa mixta triple de los materiales 1,2 y 3
El sistema absorbente 2 de la célula parcial 2 presenta una de las siguientes estructuras (ES = capa individual y MS = capa mixta):
ES Material 4 / ES Material 5 / ES Material 6
ES Material 5 / ES Material 4 / ES Material 6
MS Material 4 / ES Material 5
MS Material 4 / ES Material 5 / ES Material 6
ES Material 6 / MS Material 4 / ES Material 5
MS Material 5 / ES Material 4
MS Material 5 / ES Material 4 / ES Material 6
ES Material 6 / MS Material 5 / ES Material 4
MS Material 4 / MS Material 5
MS Material 4 / MS Material 5 / ES Material 6
MS Material 5 / MS Material 4 / ES Material 6
Capa mixta triple de los materiales 4, 5 y 6
En otro ejemplo de realización, los materiales 4 y 5 son aceptores y el material 6 es un donador.
En otro ejemplo de realización, los materiales 4 y 5 son donadores y el material 6 es un aceptor.
En otro ejemplo de realización, los materiales 3 y 6 son idénticos.
En otro ejemplo de realización, uno o varios de los materiales 1, 2, 4 y 5 son idénticos.
En otro ejemplo de realización, al menos una de las capas mixtas fotoactivas contiene en una de las células parciales como aceptor el material fullereno C60y como donador el material 4P-TPD.
En otro ejemplo de realización de la invención, se utiliza en la figura 11 una trampa de luz para la prolongación de la trayectoria óptica de la luz incidente en el sistema activo.
En otra forma de realización se realiza la trampa de luz construyendo el componente sobre un sustrato microestructurado periódicamente y garantizando la función homogénea del componente, su contacto libre de cortocircuito y la distribución homogénea del campo eléctrico sobre toda la superficie, a través de la utilización de una capa de amplio desfase dopada.En este caso es especialmente ventajoso que la luz recorra la capa de absorción al menos dos veces, lo que puede conducir a una absorción elevada de luz y de esta manera a un rendimiento mejorado de la célula solar. Esto se puede conseguir, por ejemplo, como en la figura 11, por que el sustrato presenta estructuras piramidales sobre la superficie con alturas (h) y anchuras (d), respectivamente, en el intervalo de uno a varios cientos de micrómetros. La altura y la anchura se pueden seleccionar iguales o diferentes. Igualmente, las pirámides pueden estar constituidas simétricas o asimétricas. La anchura de las estructuras piramidales está en este caso entre 1pm y 200pm. La altura de las estructuras piramidales puede estar entre 1pm y 1 mm.
1. 1.) Designación figura 11:
1pm < d < 200pm, 1pm < h < 1 mm
11: Sustrato
12: Electrodo; por ejemplo ITO o metal (10 - 200nm)
13: Sistema de capas HTL o ETL (10 - 200nm)
14: Capa mixta absorbente 1 (10 - 200nm)
15: Capa mixta absorbente 2 (10 - 200nm)
16: Sistema de capas HTL o Et L (10 - 200nm)
17: Electrodo; por ejemplo ITO o Metal (10 - 200nm)
18: Trayectoria de la luz incidente
En otro ejemplo de realización, el componente fotoactivo según la invención presenta en la figurs 12 la siguiente secuencia de capas:
1. ) Sustrato de vidrio 1,
2. ) Contacto de base iTo 2,
3. ) Capa de transporte de electrones (ETL) 3,
4. ) Capa mixta absorbente 1 (10 - 200nm) 4
5. ) Capa mixta absorbente 2 (10 - 200nm) 5
6. ) Capa de transporte de taladros (HTL) 6,
7. ) Contacto de cubierta (por ejemplo, oro) 9.
Lista de signos de referencia
1 Sustrato
2 Cointacto de base (electrodo)
3 Sistema de capas de transporte (ETL o HTL)
4 Sistema de capas fotoactivas 1
5 Sistema de capas fotoactivas 2
6 Sistema de capas de transporte (HTL o ETL)
9 Contacto de cubierta (electrodo)
11 Sustrato
12 Electrodo
13 Sistema de capas HTL o ETL
14 Capa mixta absorbente 1
15 Capa mixta absorbente 2
16 Sistema de capas HTL o ETL
17 Electrodo
18 Trayectoria de la luz incidente

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1.Componente fotoactivo con capas orgánicas, que está constituido por una célula individual, tándem o múltiple con dos electrodos (2, 9)y entre los electrodos (2, 9) un sistema de capas fotoactivas de aceptor-donador (4), que comprende al menos tres materiales absorbentes 1,2, 3, en donde al menos dos materiales absorbentes del sistema de capas fotoactivas de aceptor-donador (4) están presentes al menos en una capa mixta, en donde al menos el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son donadores y el material absorbente 3 es un aceptor, o al menos el material absorbente 1 y el material absorbente 2 son un aceptor y el material absorbente 3 es un donador, caracterizado por que
(i) el material absorbente 2 absorbe en una longitud de ondas mayor que el material absorbente 1, y (ii) el material absorbente 2 tiene una desviación-Stokes menor y/o presenta una anchura de absorción más reducida en la película que el material absorbente 1, y
(iii) el material absorbente 2 presenta una absorción más elevada, valor de la densidad óptica en el máximo, en comparación con el material absorbente 1.
2. Componente fotoactivo según la reivindicación 1, caracterizado por que la zona de absorción de al menos uno de los materiales absorbentes se extiende en la zona infrarroja en la zona de longitudes de ondas de >700nm a 1500nm.
3. Componente fotoactivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la anchura de absorción del material absorbente 2 es de 20 a 250 nm menor que la anchura de absorción del material absorbente 1.
4. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que entre los electrodos y el/los sistema/s de capas fotoactivo/s y entre los sistemas de capas fotoactivos de diferentes células están dispuestas una o varia capas no dopadas, parcialmente dopadas o totalmente dopadas (3, 6) como capas de transporte.
5. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que una o varias de las capas (3, 6) son capas de amplio desfase con un máximo de la absorción a < 450nm.
6. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que las capas del sistema de capas del componente están configuradas como una trampa de luz que prolonga la trayectoria óptica de la luz incidente.
7. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que al menos uno de los materiales absorbentes del sistema de capas fotoactivas aceptor-donador (4) es un material de la clase del fullereno o bien derivados de fullereno, ftalocianina, derivados de perileno, derivados-TPD o derivados de oligotiofeno.
8. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las capas-HMO de uno de los al menos dos materiales absorbentes, que están configurados como donadores o aceptores en el sistema de capas fotoactivas aceptor-donador (4), se diferencian máximo 0,2eV del otro material absorbente, con preferencia máximo 0,1eV.
9. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el componente está constituido por una combinación de estructuras- nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin o pipn, en la que dos o más combinaciones independientes, que contienen al menos una capa i, están apiladas superpuestas, en donde p significa una capa dopada p, n significa una capa dopada n e i significa una capa no dopada en el sentido eléctrico o dopada sólo en una medida reducida en comparación con las capas dopadas.
10. Componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el componente es semi­ transparente al menos en una cierta zona de longitudes de ondas de luz
11. Utilización de un componente fotoactivo según una de las reivindicaciones 1 a 10 sobre superficies de soporte planas, curvadas o flexibles.
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