ES2877701T3 - Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados - Google Patents
Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados Download PDFInfo
- Publication number
- ES2877701T3 ES2877701T3 ES05783123T ES05783123T ES2877701T3 ES 2877701 T3 ES2877701 T3 ES 2877701T3 ES 05783123 T ES05783123 T ES 05783123T ES 05783123 T ES05783123 T ES 05783123T ES 2877701 T3 ES2877701 T3 ES 2877701T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- organic
- photoactive region
- layer
- electrode
- region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 257
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 201
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 99
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 claims abstract description 58
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 85
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 25
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 25
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 13
- XCJYREBRNVKWGJ-UHFFFAOYSA-N copper(II) phthalocyanine Chemical compound [Cu+2].C12=CC=CC=C2C(N=C2[N-]C(C3=CC=CC=C32)=N2)=NC1=NC([C]1C=CC=CC1=1)=NC=1N=C1[C]3C=CC=CC3=C2[N-]1 XCJYREBRNVKWGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims 1
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 claims 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 144
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 67
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 58
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 35
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 34
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 25
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 16
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 16
- 238000004770 highest occupied molecular orbital Methods 0.000 description 16
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 15
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 14
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- STTGYIUESPWXOW-UHFFFAOYSA-N 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline Chemical compound C=12C=CC3=C(C=4C=CC=CC=4)C=C(C)N=C3C2=NC(C)=CC=1C1=CC=CC=C1 STTGYIUESPWXOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 8
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 8
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 8
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 7
- 238000013086 organic photovoltaic Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- XQNMSKCVXVXEJT-UHFFFAOYSA-N 7,14,25,32-tetrazaundecacyclo[21.13.2.22,5.03,19.04,16.06,14.08,13.020,37.024,32.026,31.034,38]tetraconta-1(36),2,4,6,8,10,12,16,18,20(37),21,23(38),24,26,28,30,34,39-octadecaene-15,33-dione 7,14,25,32-tetrazaundecacyclo[21.13.2.22,5.03,19.04,16.06,14.08,13.020,37.025,33.026,31.034,38]tetraconta-1(37),2,4,6,8,10,12,16,18,20,22,26,28,30,32,34(38),35,39-octadecaene-15,24-dione Chemical group O=c1c2ccc3c4ccc5c6nc7ccccc7n6c(=O)c6ccc(c7ccc(c8nc9ccccc9n18)c2c37)c4c56.O=c1c2ccc3c4ccc5c6c(ccc(c7ccc(c8nc9ccccc9n18)c2c37)c46)c1nc2ccccc2n1c5=O XQNMSKCVXVXEJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 4
- RBTKNAXYKSUFRK-UHFFFAOYSA-N heliogen blue Chemical compound [Cu].[N-]1C2=C(C=CC=C3)C3=C1N=C([N-]1)C3=CC=CC=C3C1=NC([N-]1)=C(C=CC=C3)C3=C1N=C([N-]1)C3=CC=CC=C3C1=N2 RBTKNAXYKSUFRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004768 lowest unoccupied molecular orbital Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- DIVZFUBWFAOMCW-UHFFFAOYSA-N 4-n-(3-methylphenyl)-1-n,1-n-bis[4-(n-(3-methylphenyl)anilino)phenyl]-4-n-phenylbenzene-1,4-diamine Chemical compound CC1=CC=CC(N(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(=CC=2)N(C=2C=CC(=CC=2)N(C=2C=CC=CC=2)C=2C=C(C)C=CC=2)C=2C=CC(=CC=2)N(C=2C=CC=CC=2)C=2C=C(C)C=CC=2)=C1 DIVZFUBWFAOMCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 3
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 3
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 3
- 150000004032 porphyrins Chemical class 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- VPUGDVKSAQVFFS-UHFFFAOYSA-N coronene Chemical compound C1=C(C2=C34)C=CC3=CC=C(C=C3)C4=C4C3=CC=C(C=C3)C4=C2C3=C1 VPUGDVKSAQVFFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004776 molecular orbital Methods 0.000 description 2
- YTVNOVQHSGMMOV-UHFFFAOYSA-N naphthalenetetracarboxylic dianhydride Chemical compound C1=CC(C(=O)OC2=O)=C3C2=CC=C2C(=O)OC(=O)C1=C32 YTVNOVQHSGMMOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000000962 organic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 150000002979 perylenes Chemical class 0.000 description 2
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical class N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CLYVDMAATCIVBF-UHFFFAOYSA-N pigment red 224 Chemical compound C=12C3=CC=C(C(OC4=O)=O)C2=C4C=CC=1C1=CC=C2C(=O)OC(=O)C4=CC=C3C1=C42 CLYVDMAATCIVBF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N pyrene Chemical compound C1=CC=C2C=CC3=CC=CC4=CC=C1C2=C43 BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- IXHWGNYCZPISET-UHFFFAOYSA-N 2-[4-(dicyanomethylidene)-2,3,5,6-tetrafluorocyclohexa-2,5-dien-1-ylidene]propanedinitrile Chemical compound FC1=C(F)C(=C(C#N)C#N)C(F)=C(F)C1=C(C#N)C#N IXHWGNYCZPISET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 9,10-dicarbamoylperylene-3,4-dicarboxylic acid Chemical compound C=12C3=CC=C(C(O)=O)C2=C(C(O)=O)C=CC=1C1=CC=C(C(O)=N)C2=C1C3=CC=C2C(=N)O PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003026 Acene Polymers 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 NPD) Chemical class 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XBDYBAVJXHJMNQ-UHFFFAOYSA-N Tetrahydroanthracene Natural products C1=CC=C2C=C(CCCC3)C3=CC2=C1 XBDYBAVJXHJMNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N ac1mqpva Chemical compound CC12C(=O)OC(=O)C1(C)C1(C)C2(C)C(=O)OC1=O GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 125000003342 alkenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000003719 b-lymphocyte Anatomy 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 150000004985 diamines Chemical class 0.000 description 1
- RAABOESOVLLHRU-UHFFFAOYSA-N diazene Chemical compound N=N RAABOESOVLLHRU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000071 diazene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000010893 electron trap Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 229920002457 flexible plastic Polymers 0.000 description 1
- GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N fluoranthrene Natural products C1=CC(C2=CC=CC=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- HRHKULZDDYWVBE-UHFFFAOYSA-N indium;oxozinc;tin Chemical compound [In].[Sn].[Zn]=O HRHKULZDDYWVBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 1
- 150000002790 naphthalenes Chemical class 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- SLIUAWYAILUBJU-UHFFFAOYSA-N pentacene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC4=CC5=CC=CC=C5C=C4C=C3C=C21 SLIUAWYAILUBJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-M phenolate Chemical compound [O-]C1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940031826 phenolate Drugs 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 1
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 125000002577 pseudohalo group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- IFLREYGFSNHWGE-UHFFFAOYSA-N tetracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC4=CC=CC=C4C=C3C=C21 IFLREYGFSNHWGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Chemical class 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 238000010396 two-hybrid screening Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
- H10K30/211—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions comprising multiple junctions, e.g. double heterojunctions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
- H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
- H10K71/60—Forming conductive regions or layers, e.g. electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
- H10K2102/10—Transparent electrodes, e.g. using graphene
- H10K2102/101—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO]
- H10K2102/103—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO] comprising indium oxides, e.g. ITO
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
- H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/30—Coordination compounds
- H10K85/311—Phthalocyanine
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/611—Charge transfer complexes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
- H10K85/621—Aromatic anhydride or imide compounds, e.g. perylene tetra-carboxylic dianhydride or perylene tetracarboxylic di-imide
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Abstract
Un dispositivo (200) que comprende: un primer electrodo (220); un segundo electrodo (260); una primera región fotoactiva orgánica (230) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); y una segunda región fotoactiva orgánica (250) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) tienen diferentes características de absorción; en el que el dispositivo (200) incluye una capa reflectante, y la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) se disponen en el mismo lado de la capa reflectante, en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) se dispone más cerca de la capa reflectante que la segunda región fotoactiva orgánica (250), en el que la segunda región fotoactiva orgánica (250) es un absorbente más fuerte a longitudes de onda más largas que la primera región fotoactiva orgánica (230), en el que cada región fotoactiva (230, 250) comprende, además: un material aceptor orgánico; y un material donante orgánico en contacto directo con el material aceptor orgánico, y en el que cada región fotoactiva orgánica (230, 250) incluye el mismo material aceptor orgánico y material donante orgánico, y en el que la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la primera región fotoactiva orgánica (230) es diferente de la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la segunda región fotoactiva orgánica (250); caracterizado porque cada región fotoactiva (230, 250) - comprende una primera capa orgánica (232,252) que comprende una mezcla del material aceptor orgánico y el material donante orgánico, y una segunda capa orgánica (231,251) en contacto directo con la primera capa orgánica (232,252) , en el que la segunda capa orgánica (231,251) comprende una capa no mixta del material orgánico aceptor de la primera capa orgánica 232,252), o - - consiste en una primera capa orgánica (232, 252) que comprende una mezcla del material orgánico aceptor y el material donante orgánico; el dispositivo (200) que comprende además una primera capa de bloqueo de excitones (234) dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la primera capa orgánica (232) de la primera región fotoactiva orgánica (230), y una segunda capa de bloqueo de excitones (254) dispuesta adyacente a, y en contacto físico directo con la primera capa orgánica (252) de la segunda región fotoactiva orgánica (250).
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, se dirige a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen una mayor eficiencia. Antecedentes de la Invención
Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o detectar radiaciones electromagnéticas electrónicamente 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 llamadas dispositivos fotovoltaicos (PV), son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz distintas de la luz solar, se pueden usar para impulsar abastecimiento a consumidores de energía para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calefacción o para alimentar circuitos electrónicos o dispositivos como calculadoras, radios, ordenadores o equipos de monitoreo o comunicaciones remotos. Estas aplicaciones de generación de energía también a menudo implican la carga de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía para que la operación pueda continuar cuando la iluminación directa del sol o de otras fuentes de luz no estén disponibles, o para equilibrar la potencia de salida del dispositivo PV con los requerimientos de una aplicación específica. Como se usa en la presente memoria, el término "carga resistiva" se refiere a cualquier circuito, dispositivo, equipo o sistema que consuma o almacene energía.
Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es una célula fotoconductora. En esta función, los circuitos de detección de señal monitorean la resistencia del dispositivo para detectar cambios debido a la absorción de luz. Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es un fotodetector. En operación, se usa un fotodetector junto con un circuito de detección de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector se expone a radiación electromagnética y puede tener una tensión de polarización aplicada. Un circuito de detección como se describe en la presente memoria es capaz de proporcionar una tensión de polarización a un fotodetector y de medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética.
Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se pueden caracterizar de acuerdo con si existe una unión rectificadora como se define más abajo y también de acuerdo con si el dispositivo funciona con una tensión externa aplicada, también conocida como polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y normalmente funciona con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión rectificadora y funciona sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y generalmente, pero no siempre, se opera con una polarización. Como regla general, una célula fotovoltaica proporciona energía a un circuito, dispositivo o equipo, pero no proporciona una señal o corriente para controlar los circuitos de detección, o la salida de información de los circuitos de detección. Por el contrario, un fotodetector o fotoconductor proporciona una señal o corriente para controlar los circuitos de detección, o la salida de información de los circuitos de detección, pero no proporciona energía a los circuitos, dispositivos o equipos.
Tradicionalmente, los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se construyen con varios semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, telururo de cadmio y otros. En la presente memoria el término "semiconductor" denota materiales que pueden conducir electricidad cuando los portadores de carga son inducidos mediante la excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" generalmente se refiere al procedimiento en el que la energía radiante electromagnética se absorbe y, de esta manera, se convierte en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica para que los portadores puedan conducir, es decir, transportar, la carga eléctrica en un material. Los términos "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en la presente memoria para referirse a materiales semiconductores que se eligen por su propiedad de absorber radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica.
Los dispositivos PV se pueden caracterizar por la eficiencia con la cual pueden convertir la energía solar incidente en energía eléctrica útil. Los dispositivos que utilizan silicio cristalino o amorfo dominan las aplicaciones comerciales, y algunos han logrado eficiencias del 23 % o más. Sin embargo, los dispositivos basados en cristales eficientes, especialmente de área superficial grande, son difíciles y costosos de producir debido a los problemas inherentes a la producción de cristales grandes sin defectos significativos que degraden la eficiencia. Por otro lado, los dispositivos de silicio amorfo de alta eficiencia aún sufren de problemas con la estabilidad. Las actuales células de silicio amorfo comercialmente disponibles tienen eficiencias estabilizadas entre 4 y 8 %. Los esfuerzos más recientes se han centrado en el uso de células fotovoltaicas orgánicas para lograr eficiencias de conversión fotovoltaica aceptables con costos de producción económicos.
Los dispositivos PV se pueden optimizar para la máxima generación de energía eléctrica en condiciones de iluminación estándar (es decir, condiciones de prueba estándar que son 1.000 W/m2, iluminación espectral AM1.5), para el producto máximo de fotocorriente por fototensión. La eficiencia de conversión de energía de dicha célula en condiciones de iluminación estándar depende de los siguientes tres parámetros: (1) la corriente bajo polarización cero, es decir, la corriente de cortocircuito Isc, (2) la fototensión en condiciones de circuito abierto, es decir, la tensión de circuito abierto Voc, y (3) el factor de llenado, ff.
Los dispositivos PV producen una corriente fotogenerada cuando están conectados a través de una carga y son irradiados por la luz. Cuando se irradia bajo carga infinita, un dispositivo PV genera su tensión máxima posible, V circuito abierto o Voc. Cuando se irradia con sus contactos eléctricos en cortocircuito, un dispositivo PV genera su corriente máxima posible, cortocircuito I o Isc. Cuando realmente se usa para generar energía, un dispositivo PV está conectado a una carga resistiva finita y la potencia de salida es dada por el producto de la corriente y la tensión, I x V. La energía máxima total generada por un dispositivo PV es inherentemente incapaz de exceder el producto, Isc x Voc. Cuando el valor de la carga está optimizado para la máxima extracción de energía, la corriente y la tensión tienen los valores, Imax y Vmax, respectivamente.
Una figura de mérito para los dispositivos PV es el factor de llenado, ff, definido como:
donde ff siempre es menor de 1, como Isc y Voc nunca se obtienen simultáneamente en uso real. No obstante, como ff se aproxima a 1, el dispositivo tiene menos series o resistencia interna y, por lo tanto, entrega un mayor porcentaje del producto de Isc y Voc a la carga en condiciones óptimas. Donde Pinc es la energía incidente en un dispositivo, la eficiencia energética del dispositivo, r|P, puede calcularse mediante:
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, puede absorberse un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa simbólicamente como So hv ^ So* Aquí So y So* denotan estados moleculares básicos y excitados, respectivamente. Esta absorción de energía se asocia con la promoción de un electrón desde un estado ligado en el nivel de energía HOMO, que puede ser un enlace n, al nivel de energía LUMO, que puede ser un enlace n*, o equivalentemente, la promoción de un agujero desde el nivel de energía LUMO al nivel de energía HOMO. En los fotoconductores orgánicos de película delgada, se cree generalmente que el estado molecular generado es un excitón, es decir, un par electrón-hueco en un estado unido que se transporta como una cuasi-partícula. Los excitones pueden tener una vida útil apreciable antes de la recombinación geminizada, que se refiere al procedimiento de recombinación del electrón original y el hueco entre sí, en contraposición a la recombinación con huecos o electrones de otros pares. Para producir una fotocorriente, el par electrón-agujero se separa, típicamente en una interfaz donante-aceptor entre dos películas delgadas orgánicas en contacto diferentes. Si las cargas no se separan, pueden recombinarse en un procedimiento de recombinación geminante, también conocido como extinción, ya sea radiativamente, mediante la emisión de luz de menor energía que la luz incidente, o no radiativamente, mediante la producción de calor. Cualquiera de estos resultados es indeseable en un dispositivo optoelectrónico fotosensible.
Los campos eléctricos o las inhomogeneidades en un contacto pueden hacer que un excitón se apague en lugar de disociarse en la interfaz donante-aceptor, lo que no produce una contribución neta a la corriente. Por lo tanto, es deseable mantener 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 modo que el campo eléctrico asociado tiene una mayor oportunidad de separar los portadores de carga liberados por la disociación de los excitones cerca de la unión.
Para producir campos eléctricos generados internamente que ocupan un volumen sustancial, el procedimiento habitual es yuxtaponer dos capas de material con propiedades conductoras seleccionadas adecuadamente, especialmente con respecto a su distribución de estados de energía cuántica molecular. La interfaz de estos dos materiales se llama heterounión fotovoltaica. En la teoría tradicional de semiconductores, los materiales para formar heterouniones PV se designan generalmente como del tipo n o 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. Tal material tiene muchos huecos en estados de energía relativamente libres. En el tipo del fondo, es decir, no fotogenerado, la concentración del portador mayoritario depende principalmente del dopaje involuntario por defectos o impurezas. El tipo y la concentración de impurezas determinan el valor de la energía de Fermi, o nivel, dentro de la brecha entre el nivel de energía del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el nivel de energía del orbital molecular desocupado (LUMO) más bajo, llamado brecha HOMO-LUMO. La energía de Fermi caracteriza la ocupación estadística de los estados de energía cuántica molecular indicados por el valor de la energía para la cual la probabilidad de ocupación es igual a 1. Una energía de Fermi cerca del nivel de energía LUMO indica que los electrones son el portador predominante. Una energía de Fermi cerca del nivel de energía HOMO indica que los agujeros son el portador
predominante. En consecuencia, la energía de Fermi es una propiedad de caracterización primaria de los semiconductores tradicionales y la heterounión PV prototípica es tradicionalmente la interfaz p-n.
El término "rectificador" denota, entre otros, que una interfaz tiene una característica de conducción asimétrica, es decir, la interfaz admite el transporte electrónico de carga preferentemente en una dirección. La rectificación se asocia normalmente con un campo eléctrico incorporado que se produce en la heterounión entre los materiales seleccionados adecuadamente.
Como se usa en la presente memoria, y como lo entendería generalmente un experto en la técnica, un primer nivel de energía de "Orbital molecular ocupado más alto" (HOMO) u "Orbital molecular desocupado más bajo" (LUMO) es "mayor que" o "más alto que" un segundo nivel de energía HOMO o LUMO si el primer nivel de energía está más cerca del nivel de energía del vacío. Dado que los potenciales de ionización (IP) se miden como una energía negativa en relación con un nivel de vacío, un nivel de energía HOMO más alto corresponde a un IP que tiene un valor absoluto más pequeño (un IP que es menos negativo). De manera similar, un nivel de energía LUMo más alto corresponde a una afinidad electrónica (EA) que tiene un valor absoluto menor (un EA que es menos negativo). En 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 "más alto" de HOMO o LUMO aparece más cerca de la parte superior de dicho diagrama que un nivel de energía "más bajo" de HOMO o LUMO.
En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donante" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía de HOMO y LUMO de dos materiales orgánicos en contacto, pero diferentes. Esto contrasta con el uso de estos términos en el contexto inorgánico, donde "donante" y "aceptor" pueden referirse a tipos de dopantes que pueden usarse 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 más bajo, entonces ese material es un aceptor. De cualquier otra manera, es un donante. Es energéticamente favorable, en ausencia de una polarización externa, que los electrones en una unión donante-aceptor se muevan hacia el material aceptor, y que los huecos se muevan hacia el material donante.
Una propiedad importante en los semiconductores orgánicos es la movilidad del portador. La movilidad mide la facilidad con que un portador de carga se puede mover a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de los dispositivos fotosensibles orgánicos una capa que incluye un material que conduce preferentemente mediante electrones, debido a una alta movilidad de electrones, se puede denominar capa de transporte de electrones o ETL. Una capa que incluye un material que conduce preferentemente por huecos debido a una alta movilidad de los huecos se puede denominar capa de transporte de huecos, o HTL. Preferentemente, no necesariamente, un material aceptor es un ETL y un material donante es un HTL.
Las células PV semiconductoras inorgánicas convencionales emplean una unión p-n para establecer un campo interno. Las primeras células orgánicas de película delgada, como las reportadas por Tang, 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 del tipo p-n, el desplazamiento del nivel de energía de la heterounión también juega un papel importante.
Se cree que el desplazamiento del nivel de energía en la heterounión (D-A) orgánica es importante para la operación de los dispositivos PV orgánicos debido a la naturaleza fundamental del procedimiento de fotogeneración en los materiales orgánicos. Tras la excitación óptica de un material orgánico, se generan excitones de Frenkel o de transferencia de carga localizadas. Para que se produzca la detección eléctrica o la generación de corriente, los excitones unidos se deben disociar en sus electrones y huecos constituyentes. Tal procedimiento puede inducirse por el campo eléctrico incorporado, pero la eficiencia en los campos eléctricos que típicamente se encuentra en los dispositivos orgánicos (F ~ 106 V/cm) es baja. La disociación de excitones más eficiente en materiales orgánicos ocurre en una interfaz donante-aceptor (D-A). En tal interfaz el material donante con un potencial de ionización bajo forma una heterounión con un material aceptor con una alta afinidad electrónica. En función de la alineación de los niveles de energía de los materiales donantes y aceptores, la disociación de excitones puede ser energéticamente favorable en dicha interfaz, lo que lleva a un polarón de electrones libres en el material aceptor y a un polarón de huecos libres en el material donante.
Las células PV orgánicas tienen muchas ventajas potenciales en comparación con los dispositivos tradicionales basados en el silicio. Las células fotovoltaicas orgánicas son livianas, económicas en el uso de materiales y se pueden depositar en sustratos de bajo costo, como hojas de plástico flexibles. Sin embargo, algunos dispositivos PV orgánicos suelen tener una eficiencia cuántica externa relativamente baja, del orden del 1 % o menos. Se cree que esto se debe, en parte, a la naturaleza de segundo orden del procedimiento fotoconductor intrínseco. Es decir, la generación de portadores requiere la generación, difusión e ionización o recolección de excitones. Hay una eficiencia n asociada con cada uno de estos procedimientos. Los subíndices se pueden usar de la siguiente manera: P para eficiencia energética, EXT para eficiencia cuántica externa,
A para absorción de fotones, ED para difusión de excitones, CC para recolección de carga e INT para eficiencia cuántica interna. Mediante el uso de esta notación:
La longitud de difusión (Ld) de un excitón es típicamente mucho menor (Ld ~ 50 A) que la longitud de absorción óptica (~500 A), lo que requiere una compensación 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.
Típicamente, cuando se absorbe luz para formar un excitón en una película orgánica delgada, se forma un excitón singlete. Por el mecanismo de cruce entre sistemas, el excitón singlete puede decaer a un excitón triplete. En este procedimiento se pierde energía, lo que dará como resultado una menor eficiencia del dispositivo. Si no fuera por la pérdida de energía del cruzamiento entre sistemas, sería deseable utilizar materiales que generen excitones triplete, ya que los excitones triplete generalmente tienen una vida útil más larga y, por lo tanto, una longitud de difusión más larga que los excitones singlete.
Tang, C.W.: "Two-layer organic photovoltaic cell" publicado en Appl. Phys. Lett. 48(3), 12 de enero de 1986 enseña una célula fotovoltaica orgánica de dos capas de película fina fabricada a partir de ftalocianina de cobre y un derivado de perileno tetracarboxílico. Se logra una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente el 1 % bajo iluminación AM2 simulada. Una característica novedosa del dispositivo es que la eficiencia de generación de carga es relativamente independiente de la tensión de polarización, lo que da como resultado células con valores de factor de llenado tan altos como 0,65. La interfaz entre los dos materiales orgánicos, en lugar de los contactos electrodo/orgánicos, es crucial para determinar las propiedades fotovoltaicas de la célula.
El documento JPH 04337673 A reivindica una célula en tándem mejorada con respecto a Tang, C.W.: "Two-layer organic photovoltaic cell" publicado en Appl. Phys. Lett. 48(3), 12 de enero de 1986.
Peumanns, P. y otros: "Small molecular weight organic thin-film photodetectors and solar cells", publicado en JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NUEVA YORK, Estados Unidos, Vol. 93, núm. 7, 1 de abril 2003 (2003-04-01), páginas 3693-3723, ISSN: 0021-8979 analiza la física subyacente a la operación de células solares orgánicas depositadas al vacío, de heterounión simple y múltiple, en base a películas delgadas de pequeño peso molecular. Para células de heterounión simple descubren que la necesidad de contacto directo entre el electrodo depositado y los compuestos orgánicos activos conduce a la extinción de los excitones. Se muestra que una arquitectura de dispositivo mejorada, la doble heterounión, confina los excitones dentro de las capas activas, lo que permite lograr eficiencias internas sustancialmente más altas. Un análisis óptico y eléctrico completo de la arquitectura de doble heteroestructura conduce a un diseño de célula óptimo en función de las propiedades ópticas y las longitudes de difusión de excitones de los materiales fotoactivos.
Yakomov, A. y otros: "High photovoltage multiple-heterojunction organic solar cells incorporating interfacial metallic nanoclusters", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, Estados Unidos, Vol. 80, núm. 9, 4 de marzo 2002 (2002-03-04), páginas 1667-1669, ISSN: 0003-6951 enseña células orgánicas fotovoltaicas (PV) que incorporan dos, tres o cinco heterouniones delgadas (HJ) apiladas que consisten en Cu-ftalocianina como donante y 3,4,9,10 perilentetracarboxílico bis-bencimidazol como aceptor B. Maennig y otros: "Organic p-i-n solar cells" en Appl. Phys. A, vol. 79, págs. 1-14, (2004) divulga una estructura de célula en tándem solar con dos regiones fotoactivas, cada una de las cuales comprende MeO/TPD dopado p/ZnPc:C60 mezclado/C60 dopado n y una capa interfacial de oro entre las regiones fotoactivas.
Sumario de la invención
La invención se refiere a un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones. Se proporciona un dispositivo que puede tener un primer electrodo, un segundo electrodo, una primera región fotoactiva que tiene una longitud de onda de absorción característica A1 y una segunda región fotoactiva que tiene una longitud de onda de absorción característica Á2. Las regiones fotoactivas se disponen entre el primer y segundo electrodos, y además se colocan en el mismo lado de una capa reflectante, de modo que la primera región fotoactiva está más cerca de la capa reflectante que la segunda región fotoactiva. Los materiales que comprenden las regiones fotoactivas pueden seleccionarse de modo que A1 es al menos un 10 % diferente de A2. El dispositivo puede comprender además una capa de bloqueo de excitones dispuesta adyacente y en contacto directo con el material aceptor orgánico de cada región fotoactiva, en el que el LUMo de cada capa de bloqueo de excitones distinta de la más cercana al cátodo no es más de aproximadamente 0,3 e V mayor que el LUMO del material aceptor.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un dispositivo PV orgánico que comprende un ánodo, una capa de suavizado de ánodo, una capa donante, una capa aceptora, una capa de bloqueo y un cátodo.
La Figura 2 muestra un dispositivo orgánico en tándem formado al apilar dos células en serie.
La Figura 3 muestra las intensidades del campo óptico a A = 450 nm (línea continua) y A = 650 nm (línea discontinua) como una función de la distancia desde el cátodo en la célula en tándem asimétrica orgánica B (ver Tabla I), la estructura la cual se muestra esquemáticamente en la parte superior de la Figura 3.
La Figura 4 muestra los espectros de eficiencia cuántica externa calculados para la célula frontal (línea discontinua) y posterior (línea continua) de la célula B.
La Figura 5 muestra la densidad de corriente contra tensión (J-V) características de la célula en tándem asimétrica orgánica A, en la oscuridad y bajo diversas intensidades de iluminación solar AM1.5G simulada.
La Figura 6 muestra la dependencia de intensidad de la iluminación (Po) de las eficiencias de conversión de potencia (qp) de célula en tándem asimétrica orgánica (A, cuadrados rellenos; B, círculos abiertos; C, triángulos rellenos) bajo iluminación solar AM1.5G simulada, en comparación con la del 5 % de una célula de heterounión híbrida plana-mixta simple de CuPc/C60 (triángulos abiertos invertidos).
La Figura 7 muestra el factor de llenado (FF) de las células PM-HJ híbridas simples y en tándem que se muestran en la Figura 6.
La Figura 8 muestra dos posibles geometrías de un dispositivo fotovoltaico con longitudes de trayectoria óptica perpendiculares representativas.
La Figura 9 muestra los espectros de absorción de películas de CuPc:C60 con varias proporciones de mezcla, depositadas en ITO.
Descripción detallada
Se proporciona un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico. Los dispositivos orgánicos de las realizaciones de la presente invención pueden usarse, por ejemplo, para generar una corriente eléctrica útil a partir de radiación electromagnética incidente (por ejemplo, dispositivos PV) o pueden usarse para detectar 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 pueden disociarse para generar una corriente eléctrica. Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos también pueden incluir al menos un electrodo transparente para permitir que la radiación incidente se absorba por el dispositivo. Varios materiales y configuraciones de dispositivos PV se describen en las Patentes de Estados Unidos Núms. 6,657,378, 6,580,027 y 6,352,777.
La Figura 1 muestra un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico 100 que no está de acuerdo con la invención reivindicada. Las figuras no están necesariamente dibujadas a escala. El dispositivo 100 puede incluir un sustrato 110, un ánodo 115, una capa de suavizado de ánodo 120, una capa donante 125, una capa aceptora 130, una capa de bloqueo 135 y un cátodo 140. El cátodo 140 puede ser un cátodo compuesto que tiene una primera capa conductora y una segunda capa conductora. El dispositivo 100 puede fabricarse al depositar las capas descritas, en orden. La separación de la carga puede ocurrir predominantemente en la heterounión orgánica entre la capa donante 125 y la capa aceptora 130. El potencial incorporado en la heterounión se determina por la diferencia de nivel de energía HOMO-LUMO entre los dos materiales que entran en contacto para formar la heterounión. La compensación de la brecha HOMO-LUMO entre los materiales donante y aceptor produce un campo eléctrico en la interfaz donante/aceptor que facilita la separación de carga para los excitones creados dentro de una longitud de difusión de excitones de la interfaz.
La disposición específica de capas ilustrada en la Figura 1 es solo a modo de ejemplo y no pretende ser limitante. Por ejemplo, algunas de las capas (como las capas de bloqueo) pueden omitirse. Pueden añadirse otras capas (como capas reflectantes o capas aceptoras y donantes adicionales). El orden de las capas puede modificarse. Pueden usarse disposiciones distintas a las específicamente descritas.
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 rígidos preferidos. Las hojas de plástico y metal son ejemplos de materiales de sustrato flexibles preferidos. El material y el grosor del sustrato pueden elegirse para obtener las propiedades estructurales y ópticas deseadas.
La patente de Estados Unidos Núm. 6,352,777, proporciona ejemplos de electrodos o contactos que pueden usarse en un dispositivo optoelectrónico fotosensible. Cuando se usan en la presente memoria, los términos "electrodo" y "contacto" se refieren a capas que proporcionan un medio para suministrar corriente fotogenerada a un circuito externo o proporcionar una tensión de polarización al dispositivo. Es decir, un electrodo o contacto proporciona la interfaz entre las regiones activas de un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico y un cable, conductor,
traza u otro medio para transportar los portadores de carga hacia o desde el circuito externo. En un dispositivo optoelectrónico fotosensible puede ser conveniente permitir que la cantidad máxima de radiación electromagnética ambiental desde el exterior del dispositivo sea admitida en la región interior activa fotoconductora. Es decir, la radiación electromagnética debe alcanzar una(s) capa(s) fotoconductora(s), donde se puede convertir en electricidad mediante la absorción fotoconductora. Esto a menudo dicta que al menos uno de los contactos eléctricos debe ser mínimamente absorbente y mínimamente reflectante de la radiación electromagnética incidente. Es decir, dicho contacto debería ser sustancialmente transparente. El electrodo opuesto puede ser un material reflectante, de manera que la luz que pasa a través de la célula sin absorberse se refleje de vuelta a través de la célula. Como se usa en la presente memoria, una capa de material o una secuencia de varias capas de diferentes materiales se dice que es "transparente" cuando la capa o capas permiten que al menos el 50 % de la radiación electromagnética ambiental en longitudes de onda relevantes se transmita a través de la capa o capas. Similarmente, las capas que permiten algo, pero menos del 50 % de transmisión de la radiación electromagnética ambiental en longitudes de onda relevantes, se dice que son "semitransparentes".
Como se usa en la presente memoria, "superior" significa lo más alejado del sustrato, mientras que "inferior" significa lo más cercano al sustrato. Por ejemplo, para un dispositivo que tiene dos electrodos, el electrodo inferior es el electrodo más cercano al sustrato y generalmente es el primer electrodo fabricado. El electrodo inferior tiene dos superficies, una superficie inferior más cercana al sustrato y una superficie superior más alejada del sustrato. Cuando una primera capa se describe como "dispuesta sobre" una segunda capa, la primera capa se dispone más lejos 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, un cátodo puede describirse como "dispuesto sobre" un ánodo, incluso aunque haya varias capas orgánicas en el medio.
Los electrodos se componen preferentemente de metales o "sustitutos de metales". En la presente memoria, el término "metal" se usa para abarcar tanto materiales compuestos de un metal elementalmente puro, por ejemplo, Mg, como también aleaciones metálicas que son materiales compuestos de dos o más metales elementalmente puros, por ejemplo, Mg y Ag juntos, denominados Mg:Ag. Aquí, el término "sustituto de metal" se refiere a un material que no es un metal dentro de la definición normal, pero que tiene las propiedades similares al metal que se desean en ciertas aplicaciones apropiadas. Los sustitutos metálicos comúnmente utilizados para los electrodos y las capas de transferencia de carga incluirían semiconductores dopados con banda prohibida amplia, por ejemplo, óxidos conductores transparentes como el óxido de indio y estaño (ITO), el óxido de indio y estaño (GITO) y el óxido de zinc, indio y estaño (ZITO). En particular, ITO es un semiconductor n degenerado altamente dopado con una banda prohibida óptica de aproximadamente 3,2 eV, lo que lo hace transparente a longitudes de onda superiores a aproximadamente 3.900 A. Otro sustituto de metal adecuado es el polímero conductor transparente polianalino (PANI) y sus parientes químicos. Los sustitutos metálicos pueden seleccionarse además de un amplio rango de materiales no metálicos, en el que el término "no metálico" pretende abarcar un amplio rango de materiales con la condición de que el material esté libre de metal en su forma químicamente no combinada. Cuando un metal está presente en su forma químicamente no combinada, ya sea solo o en combinación con uno o más de otros metales como una aleación, alternativamente puede hacerse referencia al metal como presente en su forma metálica o como un "metal libre". Por tanto, los electrodos sustitutos de metal de la presente invención pueden denominarse a veces "exentos de metal", en el que el término "exento de metales" pretende expresamente abarcar un material libre de metal en su forma químicamente no combinada. Los metales libres suelen tener una forma de enlace metálico que resulta de un mar de electrones de valencia que pueden moverse libremente en una banda de conducción electrónica a lo largo de la red metálica. Aunque los sustitutos metálicos pueden contener componentes metálicos, son "no metálicos" en varias bases. No son metales libres puros ni aleaciones de metales libres. Cuando los metales están presentes en su forma metálica, la banda de conducción electrónica 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 altamente transparente, no metálico y de baja resistencia, tal como se divulga en la Patente de Estados Unidos Núm. 6,420,031, de Parthasarathy y otros ("Parthasarathy '031"), o un cátodo compuesto metálico/no metálico altamente eficiente y de baja resistencia, tal como se divulga en la Patente de Estados Unidos Núm. 5,703,436 de Forrest y otros ("Forrest '436"). Cada tipo de cátodo se prepara preferentemente en un procedimiento de fabricación que incluye el paso de pulverización catódica al depositar una capa de ITO sobre un material orgánico, como ftalocianina de cobre (CuPc), para formar un cátodo altamente transparente, no metálico y de baja resistencia o sobre una fina capa de Mg:Ag para formar un cátodo compuesto metálico/no metálico altamente eficiente y de baja resistencia.
En la presente memoria, el término "cátodo" se usa de la siguiente manera. En un dispositivo PV no apilado o una sola unidad de un dispositivo PV apilado bajo irradiación ambiental y conectado con una carga resistiva y sin tensión aplicada externamente, por ejemplo, un dispositivo PV, los electrones se mueven al cátodo desde el material fotoconductor adyacente. De manera similar, el término "ánodo" se usa en la presente memoria de manera que, en un dispositivo PV bajo iluminación, los huecos se mueven hacia el ánodo desde el material fotoconductor adyacente, lo cual es equivalente a los electrones que se mueven de manera opuesta. Se observará que, como se usan los términos en la presente memoria, los ánodos y cátodos pueden ser electrodos o capas de transferencia de carga.
Un dispositivo fotosensible orgánico comprenderá al menos dos regiones fotoactivas de acuerdo con las reivindicaciones, en las que la luz se absorbe para formar un estado excitado, o "excitón", que posteriormente puede disociarse en un electrón y un agujero. La disociación del excitón se producirá típicamente en la heterounión formada por la yuxtaposición de una capa aceptora y una capa donante. Por ejemplo, en el dispositivo de la Figura 1, la "región fotoactiva" puede incluir la capa donante 125 y la capa receptora 130.
El material aceptor puede comprender, por ejemplo, perilenos, naftalenos, fullerenos o nanotúbulos. Un ejemplo de un material aceptor es 3,4,9,10-perilentetracarboxílico bis-bencimidazol (PTCBI). Alternativamente, la capa aceptora puede componerse por un material de fullereno como se describe en la Patente de Estados Unidos Núm. 6,580,027. Adyacente a la capa aceptora, hay una capa de material de tipo donante orgánico. El límite de la capa aceptora y la capa donante forma la heterounión que puede producir un campo eléctrico generado internamente. El material para la capa donante puede ser una ftalocianina o una porfirina, o un derivado o complejo de metal de transición de las mismas, tal como ftalocianina de cobre (CuPc). Pueden usarse otros materiales aceptores y donantes adecuados.
Mediante el uso de un material organometálico en la región fotoactiva, los dispositivos que incorporan tales materiales pueden utilizar eficazmente excitones tripletes. Se cree que la mezcla singlete-triplete puede ser tan fuerte para los compuestos organometálicos, que las absorciones involucran la excitación de los estados básicos del singlete directamente a los estados excitados del triplete, al eliminar las pérdidas asociadas con la conversión del estado excitado singlete al estado excitado triplete. La vida más larga y la longitud de difusión de los excitones triplete en comparación con los excitones singlete pueden permitir el uso de una región fotoactiva más gruesa, ya que los excitones triplete pueden difundir una mayor distancia para alcanzar la heterounión donante-aceptor, sin sacrificar la eficiencia del dispositivo. También pueden utilizarse materiales distintos de los organometálicos.
En una realización preferente de la invención, las capas orgánicas apiladas incluyen una o más capas de bloqueo de excitones (EBL) como se describe en la Patente de Estados Unidos Núm. 6,097,147, Peumans y otros, Cartas de Física Aplicada 2000, 76, 2650-52, y la Patente de Estados Unidos Núm. 6,451,415. Se logran eficiencias cuánticas internas y externas más altas mediante la inclusión de una EBL para confinar los excitones fotogenerados a la región cercana a la interfaz de disociación y para evitar la extinción de excitones parásitos en una interfaz de electrodo/orgánico fotosensible. Además de limitar el volumen sobre el que pueden difundirse los excitones, una EBL también puede actuar como barrera de difusión para las sustancias introducidas durante la deposición de los electrodos. En algunas circunstancias, una EBL puede hacerse lo suficientemente gruesa como para rellenar poros o defectos de cortocircuito que de otro modo podrían hacer que un dispositivo fotovoltaico orgánico no funcione. Por lo tanto, una EBL puede ayudar a proteger las frágiles capas orgánicas del daño producido cuando los electrodos se depositan sobre los materiales orgánicos.
Se cree que las EBL derivan su propiedad de bloqueo de excitones al tener un espacio de energía LUMO-HOMO sustancialmente mayor que el del semiconductor orgánico adyacente del que se bloquean los excitones. Por lo tanto, se prohíbe la existencia de excitones confinados en la EBL debido a consideraciones de energía. Si bien es deseable que la EBL bloquee los excitones, no es deseable que la EBL bloquee todas las cargas. Sin embargo, debido a la naturaleza de los niveles de energía adyacentes, una EBL puede bloquear un signo de portador de carga. Por diseño, existirá una EBL entre otras dos capas, generalmente una capa semiconductora fotosensible orgánica y un electrodo o capa de transferencia de carga. El electrodo adyacente o la capa de transferencia de carga será en contexto un cátodo o un ánodo. Por tanto, el material para una EBL en una posición dada en un dispositivo se elegirá de modo que el signo de portador deseado no se vea impedido en su transporte al electrodo o capa de transferencia de carga. La alineación adecuada del nivel de energía asegura que no exista una barrera para el transporte de carga, y evita un aumento en la resistencia en serie. Por ejemplo, es deseable que un material utilizado como EBL del lado del cátodo tenga un nivel de energía LUMO que coincida estrechamente con el nivel de energía LUMO del material ETL adyacente, de modo que se minimice cualquier barrera no deseada a los electrones.
Debe apreciarse que la naturaleza de bloqueo de excitones de un material no es una propiedad intrínseca de su brecha de energía HOMO-LUMO. El hecho de que un material determinado actúe como bloqueador de excitones depende de los niveles relativos de energía HOMO y LUMO del material fotosensible orgánico adyacente. Por lo tanto, no es posible identificar una clase de compuestos de forma aislada como bloqueadores de excitones sin tener en cuenta el contexto del dispositivo en el que pueden usarse. Sin embargo, con las enseñanzas en la presente memoria, un experto en la técnica puede identificar si un material dado funcionará como una capa de bloqueo de excitones cuando se use con un conjunto seleccionado de materiales para construir un dispositivo Pv orgánico.
En una realización preferente de la invención, una EBL se sitúa entre la capa aceptora y el cátodo. Un material preferido para la EBL comprende 2,9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (también llamado bathocuproine o BCP), que se cree que tiene una separación de niveles de energía LUMO-HOMO de aproximadamente 3,5 eV, o fenolato de bis (2-metil-8-hidroxiquinolinoato) -aluminio (III) (Alq2OPH). BCP es un bloqueador de excitones eficaz que puede transportar fácilmente electrones al cátodo desde una capa aceptora.
La capa de EBL puede doparse con un dopante adecuado, que incluye, entre otros, 3,4,9,10-dianhídrido perilentracarboxílico (PTCDA), 3,4,9,10-diimida perilentracarboxílica (PTCDI), 3,4,9,10-perilentetracarboxílico-bisbencimidazol (PTCBI), dianhídrido 1,4,5,8-naftalenotetracarboxílico (NTCDA) y derivados de los mismos. Se cree
que el BCP depositado en los presentes dispositivos es amorfo. Las presentes capas de bloqueo de excitones BCP aparentemente amorfas pueden exhibir una recristalización de la película, que es especialmente rápida bajo intensidades de luz elevadas. El cambio de morfología resultante a material policristalino da como resultado una película de menor calidad con posibles defectos como cortos, huecos o intrusión del material del electrodo. Por consiguiente, se sabe que el dopaje de algunos materiales EBL, tales como BCP, que exhiben este efecto con una molécula adecuada, relativamente grande y estable, puede estabilizar la estructura EBL para evitar cambios morfológicos que degraden el rendimiento. Debe apreciarse además que el dopaje de una EBL que transporta electrones en un dispositivo de entrega con un material que tiene un nivel de energía LUMO cercano al de la EBL ayudará a asegurar que no se formen trampas de electrones que puedan producir acumulación de carga espacial y reducir el rendimiento. Además, debe apreciarse que densidades de dopaje relativamente bajas deberían minimizar la generación de excitones en sitios de dopantes aislados. Dado que el material EBL circundante tiene efectivamente prohibido difundir tales excitones, tales absorciones reducen la eficacia de la fotoconversión del dispositivo.
Las realizaciones representativas también pueden comprender capas de transferencia de carga transparentes o capas de recombinación de carga. Como se describe en la presente memoria, las capas de transferencia de carga se distinguen de las capas aceptora y donante por el hecho de que las capas de transferencia de carga son frecuentemente, pero no necesariamente, inorgánicas (a menudo metales) y pueden elegirse para que no sean fotoconductivamente activas. El término "capa de transferencia de carga" se usa en la presente memoria para referirse a capas similares pero diferentes a los electrodos en que una capa de transferencia de carga solo 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 la presente memoria 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 del campo óptico interno cerca de uno o más capas activas. Una capa de recombinación de carga se puede construir a partir de nanoclusters, nanopartículas o nanobarras de metal semitransparentes como se describe en la Patente de Estados Unidos Núm. 6,657,378.
En una realización preferente de la invención, una capa de suavizado del ánodo se sitúa entre el ánodo y la capa donante. Un material preferido para esta capa comprende una película de 3,4-polietilendioxitiofeno:poliestirenosulfonato (PEDOT:PSS). La introducción de la capa PEDOT:PSS entre el ánodo (ITO) y la capa donante (CuPc) puede conducir a rendimientos de fabricación muy mejorados. Esto se atribuye a la capacidad de la película PEDOT:PSS recubierta por rotación para planarizar el iTo , cuya superficie rugosa podría resultar, de cualquier otra manera, en cortos a través de las capas moleculares delgadas.
En una realización adicional de la invención, una o más de las capas pueden tratarse con plasma antes de depositar la siguiente capa. Las capas pueden tratarse, por ejemplo, con argón suave o plasma de oxígeno. Este tratamiento es beneficioso ya que reduce la resistencia en serie. Es particularmente ventajoso que la capa de PEDOT:PSS se someta a un tratamiento de plasma suave antes de la deposición de la siguiente capa.
La estructura en capas simple ilustrada en la Figura 1 se proporciona a modo de ejemplo no limitativo, y se entiende que las realizaciones de la invención pueden usarse en conexión con una amplia variedad de otras estructuras. Los materiales y estructuras específicos descritos son de naturaleza ejemplar, y pueden usarse otros materiales y estructuras. Los dispositivos funcionales pueden lograrse mediante la combinación de las diversas capas descritas de diferentes maneras, o las capas pueden omitirse por completo, en base al diseño, el rendimiento y los factores de costo. También pueden incluirse capas adicionales no descritas específicamente. Se pueden usar materiales distintos a los específicamente descritos. Aunque muchos de los ejemplos proporcionados en la presente memoria describen varias capas que comprenden un solo material, se entiende que pueden usarse combinaciones de materiales, tales como una mezcla de huésped y dopante, o más generalmente una mezcla. Además, las capas pueden tener varias subcapas. Los nombres dados a las diversas capas en la presente memoria no pretenden ser estrictamente limitantes. Las capas orgánicas que no forman parte de la región fotoactiva, es decir, capas orgánicas que generalmente no absorben fotones que hacen una contribución significativa a la fotocorriente, pueden denominarse "capas no fotoactivas". Ejemplos de capas no fotoactivas incluyen EBL y capas de suavizado de ánodo. También pueden usarse otros tipos de capas no fotoactivas.
Los materiales orgánicos preferidos para su uso en las capas fotoactivas de un dispositivo fotosensible incluyen compuestos organometálicos ciclometalizados. El término "organometálico" como se usa en la presente memoria es como lo entiende generalmente un experto en la técnica y como se da, por ejemplo, en "Química Inorgánica "(segunda edición) por Gary L. Miessler y Donald A. Tarr, Prentice Hall (1998). Por tanto, el término organometálico se refiere a compuestos que tienen un grupo orgánico unido a un metal a través de un enlace carbono-metal. Esta clase no incluye compuestos de coordinación per se, que son sustancias que solo tienen enlaces donantes de heteroátomos, tales como complejos metálicos de aminas, haluros, pseudohaluros (CN, etc.) y similares. En la práctica, los compuestos organometálicos comprenden generalmente, además de uno o más enlaces carbono-metal a una especie orgánica, uno o más enlaces donantes de un heteroátomo. El enlace carbono-metal con una especie orgánica se refiere a un enlace directo entre un metal y un átomo de carbono de un grupo orgánico, como fenilo, alquilo, alquenilo, etc., pero no se refiere a un enlace metálico con un "carbono inorgánico", como el carbono de CN o Co . El término ciclometalado se refiere a compuestos que comprenden un ligando organometálico bidentado de
modo que, al unirse a un metal, se forma una estructura de anillo que incluye el metal como uno de los miembros del anillo.
Las capas orgánicas pueden fabricarse mediante el uso de deposición al vacío, recubrimiento por rotación, deposición orgánica en fase de vapor, impresión por chorro de tinta y otros procedimientos conocidos en la técnica.
Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos pueden funcionar como un PV, fotodetector o fotoconductor. Siempre que los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención funcionen como un dispositivo PV, los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y sus grosores pueden seleccionarse, 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 fotoconductores, los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y sus grosores pueden seleccionarse, por ejemplo, para maximizar la sensibilidad del dispositivo a las regiones espectrales deseadas.
Este resultado puede lograrse al considerar varias pautas que pueden usarse en la selección de grosores de capa. Es deseable para la longitud de difusión del excitón, Ld, sea mayor o comparable al grosor de capa, L, ya que se cree que la mayor parte de la disociación de excitones se producirá en una interfaz. Si Ld es menor que L, entonces muchos excitones pueden recombinarse antes de la disociación. Además, es deseable que el grosor total de la capa fotoconductora sea del orden de la longitud de absorción de radiación electromagnética, 1/a (donde a es el coeficiente de absorción), de modo que casi toda la radiación incidente en el dispositivo PV se absorba para producir excitones. Además, el grosor de la capa fotoconductora debe ser lo más delgado posible para evitar un exceso de resistencia en serie debido a la alta resistividad en volumen de los semiconductores orgánicos.
Por consiguiente, estas directrices en competencia requieren inherentemente que se hagan concesiones al seleccionar el grosor de las capas orgánicas fotoconductoras de una célula optoelectrónica fotosensible. Así, por un lado, es deseable un grosor que sea comparable o mayor que la longitud de absorción (para un dispositivo de célula simple) para absorber la máxima cantidad de radiación incidente. Por otro lado, a medida que aumenta el grosor de la capa fotoconductora, aumentan dos efectos indeseables. Una es que, debido a la alta resistencia en serie de los semiconductores orgánicos, un mayor grosor de capa orgánica aumenta la resistencia del dispositivo y reduce la eficiencia. Otro efecto indeseable es que el aumento del grosor de la capa fotoconductora aumenta la probabilidad de que los excitones se generen lejos del campo efectivo en una interfaz de separación de cargas, lo que aumenta la probabilidad de recombinación geminada y, nuevamente, reduce la eficiencia. Por lo tanto, es deseable una configuración de dispositivo que equilibre estos efectos en competencia de una manera que produzca una alta eficiencia cuántica externa para el dispositivo en general.
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 Patente de Estados Unidos Núm. 6,972,431. En este caso, generalmente puede aplicarse un campo eléctrico externo para facilitar la extracción de las cargas separadas.
Puede emplearse una configuración de concentrador o atrapamiento para aumentar la eficiencia del dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico, donde los fotones se ven obligados a realizar múltiples pases a través de las regiones absorbentes delgadas. Las patentes de Estados Unidos Núms. 6,333,458 y 6,440,769, abordan este problema mediante el uso de diseños estructurales que mejoran la eficiencia de la fotoconversión de los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles al optimizar la geometría óptica para una alta absorción y para su uso con concentradores ópticos que aumentan la eficiencia de recolección. Tales geometrías para dispositivos fotosensibles aumentan sustancialmente la trayectoria óptica a través del material y atrapan la radiación incidente dentro de una cavidad reflectante o estructura de guía de ondas, y reciclan así la luz por reflexión múltiple a través del material fotosensible. Las geometrías divulgadas en las Patentes de Estados Unidos Núms. 6,333,458 y 6,440,769 por lo tanto, mejoran la eficiencia cuántica externa de los dispositivos sin causar un aumento sustancial en la resistencia en volumen. En la geometría de tales dispositivos se incluye una primera capa reflectante; 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 microcavidades ópticas; una primera capa de electrodo transparente adyacente a la capa aislante transparente; una heteroestructura fotosensible adyacente al electrodo transparente; y un segundo electrodo que también es reflectante.
Pueden usarse revestimientos para enfocar energía óptica en regiones deseadas de un dispositivo. La solicitud de patente de Estados Unidos Núm. 2005/266218 proporciona ejemplos de tal recubrimiento.
La eficiencia de conversión de energía (rp) de las células orgánicas puede mejorarse mediante el uso de nuevos materiales y la introducción de nuevas estructuras de dispositivos. La eficiencia de las células orgánicas puede mejorarse mediante el uso del material aceptor C60 con una gran longitud de difusión de excitones (Ld ~ 400 A), o mediante la formación de una estructura de heterounión en volumen, donde una red interpenetrante de materiales donantes y aceptores aumenta la probabilidad de que los excitones se difundan a una interfaz D-A "local" cercana. Una realización de la presente invención proporciona una célula orgánica ftalocianina de cobre (CuPc)/C60 que incorpora una heterounión híbrida plana-mixta (PM-HJ), que consiste en una capa de D-A mixta intercalada entre
capas homogéneas donantes y aceptoras. El dispositivo demuestra rp = 5 % bajo iluminación solar AM1.5G simulada.
Apilar dos o más células en serie es una forma de recolectar más fotones mientras se aumenta la tensión de circuito abierto (Voc) de la célula. Más del doble de las eficiencias individuales de las células CuPc/PTCBI de r|p = 1 % a rp = 2,5 % se demuestra, como se describe en A. Yakimov y SR Forrest, Appl. Phys. Lett. 80, 1667 (2002), al apilar dos células delgadas en serie, con nanoclusters de Ag entre las subcélulas que proporcionan tanto mejora del campo óptico como sitios de recombinación eficientes para las cargas fotogeneradas. El fotovoltaje de esta célula "tándem" puede ser el doble que el de cada célula individual (o subcélula). Una realización de la presente invención comprende dos células PM-HJ híbridas de CuPc/C60 en serie, con cada célula con una proporción diferente de CuPc a C60. Esta configuración da como resultado rp = (5,7 ± 0,3) % bajo 1 sol = 100 mW/cm2 iluminación solar simulada AM1.5G, que representa ~un aumento del 15 % de una célula pM-HJ híbrida simple. También, Voc de la célula en tándem es mayor que la de una sola célula PV, y alcanza hasta aproximadamente 1,2 V bajo iluminación de alta intensidad. Una realización de la presente invención emplea la combinación de materiales altamente eficiente de CuPc y C60 en estructuras de doble heterounión híbridas plana-mixta. Sin incluir revestimientos antirreflejos en los sustratos, pueden ser posibles células PV orgánicas con eficiencias de conversión de energía solar del 6,5 % mediante el uso de estructuras en tándem de este tipo.
Una célula en tándem CuPc/PTCBI de dos subcélulas tiene una respuesta espectral simétrica de cada una de las dos subcélulas. La interferencia óptica entre la luz incidente y la reflejada por el cátodo metálico conduce a una intensidad óptica máxima en una longitud de trayectoria óptica perpendicular de A/4 desde la interfaz orgánica/cátodo, donde A es la longitud de onda de la luz incidente. Como se usa en la presente memoria, "longitud de trayectoria óptica perpendicular" se refiere a distancia /n, medido perpendicularmente a la superficie del dispositivo e integrado sobre la trayectoria recorrida por la luz, donde n es el índice de refracción del material y puede variar dentro del material. Por lo tanto, una célula en tándem "asimétrica" con una célula frontal rica en moléculas absorbentes de longitud de onda larga y una célula posterior rica en moléculas absorbentes de longitud de onda corta, puede absorber más luz incidente que una célula en tándem equivalente que tiene mezclas iguales de CuPc y C60 en cada subcélula. Por ejemplo, si CuPc absorbe entre A = 550 nm y 750 nm, y C60 entre A = 350 nm y 550 nm, una célula en tándem híbrida PM-HJ de CuPc/C60 asimétrica puede incluir una célula frontal con una capa de CuPc homogénea más gruesa y una capa C más delgada60 que la célula trasera. También puede utilizarse una compensación entre los grosores de capa homogénea y mixta para equilibrar la fotocorriente en las dos subcélulas, debido a las cortas longitudes de difusión del excitón en las capas homogéneas y las bajas movilidades de carga en las capas mixtas.
La eficiencia de una célula en tándem híbrida PM-HJ de CuPc/C60 puede maiximizarse al modelar la densidad de corriente contra tensión (J-V) características de la subcélula i (i = 1,2 que denota la célula frontal y posterior, respectivamente) siguiente:
donde Jd,i y Jph,i son las densidades de corriente oscura y fotocorriente, respectivamente, Js,i es la corriente de saturación de polarización inversa, n es el factor de idealidad, Rs,i es la resistencia de la serie de células, q es la carga de electrones, k es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura. Mediante el uso de un modelo que considera tanto la interferencia óptica como la difusión de excitones, la densidad de fotocorriente
bajo una densidad de energía óptica incidente Po puede obtenerse, al asumir que todas las cargas fotogeneradas se recogen en los electrodos. Esta suposición puede no ser válida para una célula con una capa mixta, donde las movilidades del portador de carga se reducen significativamente de las de las capas homogéneas debido al entremezclado molecular, lo que lleva a la recombinación de cargas fotogeneradas dentro de la capa mixta. La eficiencia de recolección de carga r|cc, o la proporción de cargas recogidas en los electrodos, en función de la tensión aplicada V y el grosor de la capa mixta dm es
donde Lc(V) = Lc0 (Vbi - V)/V es la duración del cobro de la carga, Lc0 es una constante, y Vb¡ es el potencial incorporado. Dado Ji = J(V) (i = 1,2), las J-V características de la célula en tándem se obtienen a partir del requisito de que J = Ji = J2, y V = Vi + V2, a partir del cual los parámetros de rendimiento de la célula PV (densidad de
corriente de cortocircuito Jsc, tensión del circuito abierto Voc, factor de llenado FF, y eficiencia de conversión de energía r|p) se obtienen.
La Tabla 1 proporciona las estructuras de dispositivo de tres células en tándem. La Tabla 2 resume los valores de los parámetros usados en el modelo. Con referencia a la Tabla 1, la célula A tiene grosores de capa mixta en base a grosores de capa homogéneos asimétricos dados, lo que lleva a r|p = 5,2 % bajo 1 sol de iluminación solar AM1.5G. La combinación de grosores de capa fotoactiva en la célula B conduce a una mayor eficiencia de r|p = 5,9 %. Una capa de PTCBI en la célula frontal también puede contribuir a la fotocorriente cuando la capa C60 homogénea de la célula frontal se elimina, de modo que las moléculas de CuPc en la capa mixta pueden formar una interfaz de disociación de excitones con PTCBI. Esto conduce a una mayor Jsc y un máximo rp = 6,5 % en la célula C, ya que la absorción de PTCBI llena el espacio entre las regiones de absorción de CuPc y C60, alrededor de A = 550 nm.
Tabla 1.
Etiqueta de Célula frontal Célula trasera JSC Voc FF np célula CuPc CuPc:C60 C60 PTCBI CuPc CuPc:C60 C60 BCP (mA/cm2)1 (V) (%) A 100 180 20 50 20 130 250 75 9,4 1,03 0,54 5,2 B 75 125 80 50 60 130 160 75 9,7 1,03 0,59 5,9 C 90 110 0 50 50 100 210 100 10,3 1,04 0,61 6,5
Tabla 2.
Js Rs n Lc0 Vb¡ Ld (A)
(nA/cm2) (Qcm2) (A) (V) CuPc C60 PTCBI
35 0,25 1,6 400 0,65 80 400 30
En una realización de la invención, las regiones fotoactivas se disponen entre dos electrodos. En realizaciones preferentes de la invención, las regiones fotoactivas comprenden dispositivos híbridos de heterounión plana-mixta (PM-HJ), como se describe en la Solicitud de patente de Estados Unidos Núm. 2005/224905.
La Figura 2 muestra un dispositivo fotoactivo orgánico 200 de acuerdo con una realización de la invención. El dispositivo 200 puede comprender un sustrato 210 sobre el que se deposita un primer electrodo 220, una primera región fotoactiva orgánica 230 (o "frontal"), una capa intermedia 240, una segunda región fotoactiva 250 (o "posterior") y un segundo electrodo 260. Las regiones fotoactivas orgánicas 230 y 250 comprenden un material aceptor orgánico y un material donante orgánico. En realizaciones preferentes de la invención, la primera región fotoactiva 230 comprende además una primera capa orgánica 231 que comprende un material aceptor orgánico no mixto; una segunda capa orgánica 232 que comprende una mezcla del material orgánico aceptor de la capa orgánica aceptora 231 no mixta y un material orgánico donante; una tercera capa orgánica 233, que comprende el material donante no mixto de la segunda capa orgánica 232; y una capa de bloqueo de excitones 234. En otras realizaciones preferentes, las capas aceptoras 231 y 251 o las capas donantes 233 y 253 pueden estar ausentes. En otra realización preferente de la invención, la segunda región fotoactiva 250 comprende una disposición similar de materiales orgánicos a la primera región fotoactiva 230. En una realización preferente de la invención, la capa intermedia 240 comprende una zona de recombinación de carga. En otra realización preferente, la capa intermedia 240 puede comprender uno o más electrodos, donde múltiples electrodos pueden encontrarse separados por una capa aislante.
En otra realización de la presente invención, la mezcla del material aceptor orgánico y el material donante orgánico en una capa orgánica mixta, tal como la capa orgánica 232, puede ocurrir en una proporción que varía de aproximadamente 10:1 a aproximadamente 1:10 en peso, respectivamente. En una realización, puede estar presente una capa orgánica que incluye una mezcla de materiales aceptores y donantes (como la capa orgánica 232) y una capa orgánica que incluye solo un material aceptor o un material donante (como la segunda capa orgánica 231 o 233).
Cuando una EBL se deposita en una capa adyacente y en contacto directo con un cátodo depositado, la EBL puede dañarse. Se cree que este daño es ventajoso porque puede permitir que los portadores de carga pasen a través de la EBL más fácilmente, mientras que aún evita que los excitones lo hagan. Se cree que la selección de materiales para la EBL y las capas aceptoras orgánicas de manera que el LUMO de cada EBL no sea más de aproximadamente 0,3 eV mayor que el LUMO del material aceptor adyacente produce un resultado similar. Por lo tanto, para obtener propiedades favorables de transporte de carga, es preferente que una EBL dispuesta adyacente a una capa aceptora (1) no se encuentre separada del segundo electrodo por una región fotoactiva; y/o (2) tenga un LUMO no más de aproximadamente 0,3 eV mayor que el LUMO de una región fotoactiva adyacente. Si una EBL en particular no se encuentra separada del segundo electrodo por una región fotoactiva, de modo que la EBL esté
sujeta a daños durante la deposición del segundo electrodo, la diferencia de LUMO entre la EBL y el aceptor es menos importante y los criterios utilizados para seleccionar el material EBL puede tener más peso en factores distintos a LUMO.
En una realización preferente del dispositivo, la segunda capa de bloqueo de excitones 254 comprende un material diferente al de la primera capa de bloqueo de excitones 234. Debido a que la capa de bloqueo de excitones 254 no se encuentra separada del segundo electrodo por una región fotoactiva, puede estar disponible una selección más amplia de materiales. El material de bloqueo de excitones 254 puede tener un LUMO de no más de aproximadamente 0,3 eV mayor que el LUMO de la capa de aceptor orgánica 253, o puede tener un LUMO que es mayor, aunque el transporte de carga aún puede ser favorable debido al daño causado por la deposición del segundo electrodo 260. Los materiales preferidos para la capa de bloqueo de excitones 254 incluyen BCP, y los materiales preferidos para la capa de bloqueo de excitones 234 incluyen PTCBI.
En otra realización de la invención, la célula orgánica 200 comprende además una capa intermedia 240. La capa intermedia 240 puede comprender una zona de recombinación de carga. En una realización preferente de la invención, la zona de recombinación de carga comprende un material orgánico dopado p, como m-MTDATA:F4-TCNQ o BTQBT:PTCDA, y la zona de recombinación de carga comprende además nanopartículas 241. Se prefiere especialmente que las nanopartículas comprendan Ag u otro metal o material metálico. Pueden usarse otros materiales.
En una célula en tándem, en un dispositivo que no es de acuerdo con la invención reivindicada, puede ser ventajoso utilizar diferentes materiales aceptores y donantes, o los mismos materiales aceptores y donantes en diferentes proporciones, en cada subcélula. El uso de diferentes materiales o diferentes proporciones de los mismos materiales puede permitir que la célula absorba luz en un rango mayor de longitudes de onda que si se usaran los mismos materiales en las mismas proporciones en cada subcélula. En un ejemplo que no forma parte de la invención, las regiones orgánicas 230 y 250 comprenden diferentes materiales aceptores y donantes. En el dispositivo de acuerdo con la invención, las regiones orgánicas 230 y 250 comprenden los mismos materiales aceptores y donantes, en el que las capas orgánicas mixtas 232 y 252 comprenden diferentes proporciones de los materiales aceptores y donantes. El material aceptor orgánico de las regiones orgánicas 230 y 250 puede ser C60. El material donante orgánico de las regiones fotoactivas 230 y 250 puede ser CuPc. Otros materiales donantes orgánicos adecuados incluyen ftalocianina de plomo (PbPc), porfirinas que contienen metales, porfirinas libres de metales, rubrena, ftalocianinas que contienen metales, ftalocianinas libres de metales, diaminas (tales como NPD) y variantes funcionalizadas de las mismas, incluidas las naftalocianinas. Otros materiales aceptores orgánicos adecuados incluyen PTCBI, C70, fullerenos, perilenos, sistemas moleculares conjugados catacondensados tales como poliacenos lineales (que incluyen antraceno, naftaleno, tetraceno y pentaceno), pireno, coroneno y variantes funcionalizadas de los mismos. Esta lista no pretende ser exhaustiva y pueden utilizarse otros materiales de donantes y aceptadores adecuados.
En una realización especialmente preferente de la presente invención, el ánodo comprende una capa conductora de óxido de indio-estaño (ITO) transparente sobre un sustrato de vidrio, y el cátodo comprende un electrodo de Ag evaporado térmicamente de 1.000 A de grosor. La región fotoactiva de cada subcélula comprende un PM-HJ híbrido, es decir, una capa mixta de CuPc:C60 dispuesta entre las capas homogéneas de CuPc y C60, que combina las ventajas de un HJ plano entre capas homogéneas (buen transporte de portadores de carga fotogenerados a sus respectivos electrodos) y una capa mixta (alta eficiencia de difusión de excitones). Se usa una capa delgada de bisbenzimidazol 3,4,9,10-perilentetracarboxílico (PTCBI) y bathocuproína (BCP) como capa de bloqueo de excitones (EBL) en la parte delantera (más cercana al ITO) y trasera (más cercana al cátodo) de las subcélulas, respectivamente, y forman así una estructura PV de doble heterounión de alta eficiencia. Entre las subcélulas se dispone una zona de recombinación de carga para los electrones generados en la célula frontal y los orificios generados en la célula posterior. Los centros de recombinación comprenden nanoclusters de Ag depositados en una capa ultrafina (~5A, grosor medio) dispuesta en una de 50 A de grosor de 4,4',4"-tris(3-metil-fenil-fenilamino)trifenilamina (m-MTDATA) dopado p con 5 mol% de tetrafluoro-tetraciano-quinodimetano (F4-TCNQ). Los procedimientos de fabricación de dispositivos y los procedimientos de caracterización pueden ser los conocidos en la técnica.
Se entiende que las realizaciones descritas en la presente memoria son únicamente a modo de ejemplo, y que pueden usarse otras realizaciones de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, puede modificarse el orden de las capas ilustradas. Por ejemplo, las posiciones de las capas orgánicas 230 y 250 pueden cambiarse, con el reposicionamiento apropiado de las capas de bloqueo, etc. También pueden estar presentes o no capas adicionales, como capas de bloqueo, capas de recombinación de carga, etc. Por ejemplo, pueden eliminarse las capas de bloqueo y/o pueden estar presentes capas de bloqueo adicionales. Pueden estar presentes regiones no orgánicas y pueden usarse para ajustar la posición de las regiones orgánicas con respecto a una capa reflectante. Pueden usarse materiales distintos a los específicamente descritos. Por ejemplo, un dispositivo en el que todos los electrodos son ITO puede fabricarse de manera que el dispositivo sea transparente hasta cierto punto. Además, el dispositivo podría fabricarse sobre un sustrato y luego aplicarse a una superficie de soporte, de modo que el último electrodo depositado esté más cerca de la superficie de soporte. Es posible que las capas receptora y donante no estén presentes. Por ejemplo, las capas donantes o aceptoras 231, 25l, 233 y 253 pueden estar ausentes. Aunque
se describen muchas realizaciones con respecto a las células solares, pueden usarse otras realizaciones en otros tipos de dispositivos, tales como un fotodetector.
Cuando una capa se describe como una capa aceptora o donante "no mixta", la capa "no mixta" puede incluir cantidades muy pequeñas del material opuesto como impureza. Un material puede considerarse una impureza si la concentración es significativamente menor que la cantidad necesaria para la percolación en la capa, es decir, menos de aproximadamente el 5 % en peso. Preferentemente, cualquier impureza está presente en una cantidad mucho menor, tal como menos del 1 % en peso o con la máxima preferencia menos de aproximadamente el 0,1 % en peso. En dependencia de los procedimientos y parámetros de procedimiento usados para fabricar dispositivos, algunas impurezas de los materiales en capas inmediatamente adyacentes pueden ser inevitables.
Los materiales orgánicos pueden tener espectros de absorción con máximos en longitudes de onda específicas. Como se usa en la presente memoria, el término "longitud de onda de absorción característica" se refiere a la longitud de onda a la que el espectro de absorción de un material tiene un máximo.
El dispositivo 200 incluye al menos una capa reflectante. En una realización de la invención, el segundo electrodo 260 es una capa reflectante. Pueden usarse otras configuraciones, tales como el uso de una capa reflectante separada, o un dispositivo emisor (o absorbente) superior donde el sustrato o el primer electrodo es la capa reflectante. Una capa "reflectante" puede ser una capa de metal u otro tipo de capa que refleja, como una pila dieléctrica periódica o aperiódica. El uso de una capa reflectante conduce a una intensidad de campo óptico que varía con la longitud de onda y con la posición en una dirección perpendicular a la capa reflectante. Para cualquier longitud de onda dada, existen máximos en la intensidad del campo óptico en función de la posición. Por ejemplo, ver la Figura 3. Para dispositivos fotosensibles, es deseable ubicar una región fotoactiva que tenga una longitud de onda de absorción característica particular de manera que la posición que tiene un máximo en función de la posición para esa longitud de onda se ubique dentro o cerca de la región fotoactiva. Para una región fotoactiva que tiene múltiples materiales, la longitud de onda de absorción característica es en base a los máximos de los espectros de absorción de toda la región. "Cerca" puede significar, por ejemplo, a una distancia que no es más de aproximadamente 0,05 A/n de la región fotoactiva en cuestión, donde n es el índice de refracción del material en el que se produce el máximo. Preferentemente, el máximo se dispone dentro de la región fotoactiva. Ubicar la región fotoactiva de esta manera conducirá a una absorción mejorada. Para algunas aplicaciones, es deseable utilizar regiones de absorción de luz que tengan longitudes de onda de absorción características significativamente diferentes. Tal diferencia puede permitir la absorción de un rango más amplio de longitudes de onda. En una realización de la invención, las regiones orgánicas 250 y 230 tienen longitudes de onda de absorción características en Ai y A2 , respectivamente. Se prefiere que A1 sea al menos un 10 % diferente de A2. La longitud de onda de absorción característica es sólo una forma de cuantificar espectros de absorción "diferentes". Otra forma de cuantificar diferentes espectros de absorción es que la longitud de onda de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de una región fotoactiva es al menos un 10 % diferente de todas las longitudes de onda de los 3 picos de absorción superiores de otra región fotoactiva. Otra forma más de cuantificar diferentes espectros de absorción es superponer dos espectros normalizados entre sí y medir el área que se solapa. Si esta área de solapamiento es el 80 % o menos del área total de uno de los espectros, los espectros pueden considerarse significativamente diferentes. Por ejemplo, dos materiales pueden tener longitudes de onda de absorción características similares, pero otras características (como los subpicos) que son significativamente diferentes y posiblemente complementarias con el propósito de absorber un amplio espectro de luz incidente. Se pretende que tal realización esté dentro del ámbito de ciertos aspectos de la invención.
Muchos materiales fotoactivos (y combinaciones de materiales, para regiones fotoactivas que tienen múltiples materiales) pueden tener una pluralidad de picos de absorción. Una región fotoactiva que absorbe fuertemente una longitud de onda de luz particular puede colocarse en una posición donde la intensidad del campo óptico para esa longitud de onda es fuerte. En una realización, se usa un pico local en los espectros de absorción de una región fotoactiva para determinar una posición favorable para la región fotoactiva. La región fotoactiva puede ubicarse en o cerca de un máximo en la intensidad del campo óptico para la longitud de onda para la cual la región fotoactiva tiene un máximo local. Para los dispositivos destinados a absorber el espectro solar, las longitudes de onda entre 350 y 1.300 nm pueden ser de mayor importancia. En términos generales, es preferente aumentar o maximizar el solapamiento de la intensidad del campo óptico en una longitud de onda particular o rango de longitudes de onda con una región fotoactiva que es un fuerte absorbedor de esas longitudes de onda. Una forma de lograr esto es ajustar la posición de una región fotoactiva hacia una posición en la que haya un mayor solapamiento entre la absorción de la región fotoactiva y la intensidad del campo óptico (ambas en función de la longitud de onda). Otra forma es alterar las características de absorción de una región fotoactiva alterando los materiales en la misma, o la proporción de materiales, para lograr un mayor solapamiento entre el espectro de absorción y la intensidad del campo óptico (ambos en función de la longitud de onda) en la posición de la región fotoactiva.
Una forma de describir tal coincidencia es determinar la longitud de onda de los 3 picos de absorción superiores para una región fotoactiva y colocar la región fotoactiva de manera que un pico en la intensidad del campo óptico para una de estas tres longitudes de onda esté en la región fotoactiva o dentro de 0,05 A/n de la región fotoactiva, donde A es la longitud de onda del pico que coincide con el máximo en la intensidad del campo óptico, y n es el índice de refracción de la capa en la que se encuentra el pico en la intensidad del campo óptico. Otra forma de
describir tal coincidencia es considerar las longitudes de onda de todos los picos de absorción de las regiones fotoactivas. La "longitud de onda" de un pico de absorción es el máximo local de los espectros de absorción del pico, y los "tres primeros" picos son los picos que tienen los tres máximos locales más altos. Al determinar la longitud de onda o longitudes de onda "superiores", el rango de longitud de onda puede limitarse en algunas realizaciones. Por ejemplo, para algunos dispositivos destinados a absorber el espectro solar, el rango de longitud de onda considerado puede limitarse a 350-1.300 nm porque una gran fracción de la energía utilizable de los espectros solares cae dentro de este rango, aunque también pueden usarse rangos más amplios en algunas realizaciones, incluidas las realizaciones destinadas a absorber el espectro solar.
La localización de regiones fotoactivas como se describe puede conducir a un aumento en la cantidad de luz incidente absorbida. En realizaciones preferentes de la invención, los materiales y las posiciones de las regiones fotoactivas se seleccionan de manera que al menos aproximadamente el 10 %, y con mayor preferencia al menos aproximadamente el 20 %, de la intensidad total del campo eléctrico incidente se encuentre en una región fotoactiva que tiene características de absorción tales que la energía pueda absorberse. Como se usa en la presente memoria, "intensidad del campo óptico" se refiere a la integral del cuadrado del campo eléctrico sobre una región. Por tanto, la intensidad del campo eléctrico incidente total es la integral del cuadrado del campo eléctrico en todo el dispositivo, y el campo eléctrico total de las regiones fotoactivas es la suma del campo eléctrico integrado en cada una de las regiones fotoactivas. Por tanto, para una región R, la intensidad Ir se calculará como:
como apreciará un experto en la técnica. Además, la intensidad del campo óptico en cada punto también es función de la longitud de onda. Se prefiere aumentar la integral en función de la posición sobre las regiones fotoactivas del dispositivo de: la integral sobre la longitud de onda del producto de la característica de absorción de la región fotoactiva (que puede ser una función de la posición y la longitud de onda) con la intensidad del campo óptico (que también puede ser una función tanto de la posición como de la longitud de onda). Esta cantidad, dividida por la intensidad total del campo óptico, es el porcentaje de intensidad del campo óptico que puede absorberse por el dispositivo, y que es preferentemente al menos el 10 %, y con mayor preferencia al menos el 20 %. El porcentaje de intensidad del campo óptico que puede absorberse puede aumentarse, por ejemplo, al seleccionar materiales que absorban bien las longitudes de onda de luz particulares y colocarlas donde la intensidad del campo óptico para esa longitud de onda en particular sea grande. Se cree que esto conducirá a una mayor absorción por parte de las regiones fotoactivas y, por tanto, a una eficiencia mejorada del dispositivo. En una realización preferente, la intensidad del campo óptico se basa en un espectro solar. Tenga en cuenta que la coincidencia de picos puede no ser la única forma de lograr el 10 % o el 20 % como se describe anteriormente. Hacer coincidir regiones fotoactivas que tienen una fuerte absorción en una longitud de onda particular (independientemente de si hay un pico) con un valor fuerte para esa longitud de onda en la intensidad del campo óptico es una forma de lograr este objetivo. Al calcular la integral descrita anteriormente, es posible determinar si un dispositivo tendrá una fuerte absorción o no.
Para el caso de una sola capa reflectante, que es una buena aproximación de muchas realizaciones, existe un máximo en la intensidad del campo óptico para una longitud de onda particular A a una longitud de trayectoria óptica A/4 distante de la capa reflectante. Por lo tanto, se prefiere además que al menos una parte de la primera región fotoactiva 250 se disponga en una longitud de trayectoria óptica perpendicular de aproximadamente A-i/4 ± 25 % desde el borde de la capa reflectante más cercana a la primera región fotoactiva, y al menos una parte de la segunda región fotoactiva 230 se dispone en una longitud de trayectoria óptica perpendicular de aproximadamente A2 /4 ± 25 % desde el borde de la capa reflectante más cercana a la segunda región fotoactiva, donde A1 y A2 son las longitudes de onda en las que la primera y segunda regiones fotoactivas son absorbentes fuertes. Un "absorbente fuerte" puede cuantificarse de varias formas. En una realización, la longitud de onda de al menos uno de los picos de absorción de la segunda región fotoactiva puede ser mayor que la longitud de onda de al menos uno de los picos de absorción de la primera región fotoactiva. En otra realización, la longitud de onda de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la segunda región fotoactiva puede ser mayor que la longitud de onda de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la primera región fotoactiva. El margen del 25 % es una medida de qué tan lejos puede estar la longitud de onda del pico de absorción del máximo en la intensidad del campo óptico, mientras se mantiene un solapamiento significativo entre una intensidad de campo óptico fuerte y una absorción fuerte para esa longitud de onda y promedios cercanos. De manera más general, para el caso de una sola capa reflectante y configuraciones que tienen un perfil de intensidad del campo óptico similar, la invención reivindicada requiere colocar materiales absorbentes de longitud de onda más larga proporcionalmente más lejos de la superficie reflectante que los materiales absorbentes de longitud de onda más corta, donde la constante de proporcionalidad es A/n, donde n es el índice de refracción de los materiales en la pila. Cuando n varía a lo largo de la pila, puede usarse un índice de refracción medio ponderado espacialmente de los materiales que componen la pila. Para configuraciones ópticas más complejas, un experto en la técnica, con el beneficio de esta divulgación, podrá determinar la ubicación de los máximos en la intensidad del campo óptico.
En la invención, se proporciona un dispositivo fotoactivo que tiene múltiples regiones fotoactivas con diferentes características de absorción, dispuestas entre un primer electrodo y un segundo electrodo. Preferentemente, las
características de absorción se seleccionan para complementarse entre sí, de manera que una región fotoactiva absorbe preferentemente en un primer rango de longitudes de onda, y la segunda región fotoactiva absorbe preferentemente en un segundo rango de longitudes de onda diferentes del primer rango. Un rango de longitudes de onda centradas alrededor de una longitud de onda Ai puede considerarse significativamente diferente de otro rango Á2 si Ai y A2 son al menos un 10 % diferentes. Por "preferentemente" se entiende que una región fotoactiva es un absorbente más fuerte que otra región fotoactiva con la que se compara. Una región fotoactiva que absorbe "preferentemente" un rango particular de longitudes de onda no necesita ser un absorbente particularmente fuerte de esas longitudes de onda, o tener un máximo en los espectros de absorción en esas longitudes de onda, aunque se preferirían estos criterios. La absorción "preferencial" en un rango particular de longitudes de onda significa simplemente que un material fotoactivo es un mejor absorbente que otro material fotoactivo con el que se compara.
Para comparar qué tan bien absorben dos regiones fotoactivas diferentes en un rango particular de longitudes de onda, la "absorción media" en el rango en cuestión es una cantidad útil. La absorción media es la integral sobre el rango de longitudes de onda de los espectros de absorción, dividida por el ancho del rango. Para una región fotoactiva que tiene diferentes concentraciones de materiales en diferentes lugares, la absorción media es la integral sobre la longitud de onda y la posición de los espectros de absorción, que puede ser una función tanto de la longitud de onda como de la posición, dividida por el ancho del rango de longitud de onda y el volumen de material. La absorción media permite una comparación que tiene en cuenta los picos y valles localizados dentro del rango, sin proporcionar un peso indebido a la absorción en ninguna longitud de onda específica. La absorción media en un rango de A ± 5 % proporciona un punto de referencia útil para diseñar dispositivos.
Puede considerarse que dos regiones fotoactivas tienen características de absorción significativamente diferentes en un rango centrado en una longitud de onda particular A si la absorción media para un rango A ± 5 % para las dos regiones es al menos un 5 % diferente. Las diferencias más pequeñas en la absorción media pueden ser el resultado de variaciones inadvertidas en los procedimientos de fabricación u otros factores no dirigidos específicamente a controlar los espectros de absorción.
La cantidad de energía que una región fotoactiva particular puede absorber en un rango particular de longitudes de onda se determina tanto por las características de absorción de la región fotoactiva como por la intensidad del campo óptico para el rango de longitudes de onda. Matemáticamente, la integral sobre el espacio de la región fotoactiva y sobre el rango de longitudes de onda de la intensidad del campo óptico multiplicada por la característica de absorción (tanto en función de la posición como de la longitud de onda) proporciona una medida de esta energía. Multiplicar la absorción media y la intensidad media del campo óptico en un rango de longitudes de onda y posición es una forma de cuantificar este concepto. La "intensidad media del campo óptico" de una región fotoactiva es la integral sobre el espacio y la longitud de onda de la intensidad del campo óptico, dividida por el volumen de espacio y el ancho del rango de longitud de onda.
Para optimizar la cantidad de energía absorbida por una región fotoactiva, es deseable solapar una característica de alta absorción en un rango de longitudes de onda con una alta intensidad del campo óptico en el mismo rango de longitudes de onda. Sin embargo, hay muchos otros factores que afectan el diseño del dispositivo. Debido a consideraciones de fabricación, puede ser deseable limitar el número de materiales utilizados para fabricar el dispositivo. Las propiedades de otros materiales además de la absorción, como la conductividad y la inyección de portadores de carga en otros materiales, también influyen. La posición de las regiones fotoactivas puede verse afectada por factores distintos de la intensidad del campo óptico, como el deseo de bloquear capas, capas de inyección, electrodos, regiones de recombinación, etc. de varios grosores.
En algunas realizaciones de la invención, la absorción de luz por una célula en tándem solar se optimiza al seleccionar las características de absorción y las posiciones de las regiones fotoactivas, posiblemente sujetas a varias otras limitaciones. Una célula en tándem solar tiene al menos dos regiones fotoactivas apiladas y puede tener más de dos. Una célula en tándem puede considerarse "optimizada" si incluye al menos dos regiones fotoactivas con diferentes características de absorción, y la célula absorbe significativamente más luz que un dispositivo equivalente en el que las regiones fotoactivas tienen la misma característica de absorción, es decir, características de absorción que no son significativamente diferentes. La optimización puede extenderse a más de 2 células.
En una realización que incluye más de 2 células, algunas de las células pueden tener regiones fotoactivas con la misma característica de absorción. La intensidad del campo ópti
puede tener más de una región donde la intensidad del campo óptico para un rango particular de longitudes de onda es alta. Puede ser deseable colocar múltiples células que tengan la misma característica de absorción (es decir, características de absorción que no sean significativamente diferentes), que absorban preferentemente un rango particular de longitudes de onda, en múltiples ubicaciones en un dispositivo donde la intensidad del campo óptico para ese rango de longitudes de onda es alta. Por ejemplo, en dispositivos que tienen una capa reflectante, la intensidad del campo óptico para una longitud de onda particular puede tener máximos locales a distancias periódicas de la capa reflectante, comenzando a una distancia de A/4, y que recurre periódicamente cada A/2 a partir de entonces, es decir, puede haber máximos locales en A/4, 3A/4, 5A,/4, etc. Por lo tanto, puede ser deseable colocar células que absorban preferentemente una longitud de onda Ai a distancias Ai/4 y Ai/5 de la capa reflectante, con una célula que absorbe preferentemente una longitud de onda diferente A2 dispuesta entre las dos células que
absorben preferentemente Ai, preferentemente en un lugar donde la intensidad del campo óptico para la longitud de onda A2 es alto.
Si bien se describen muchas realizaciones de la invención con respecto a dos células apiladas, se entiende que puede usarse un mayor número de células apiladas, y los conceptos relacionados con el posicionamiento de las células y las capas de bloqueo usadas adyacentes a las células son generalmente aplicables a pilas que tienen más de dos células.
Como se usa en la presente memoria, y como entendería un experto en la técnica, el término "capa de bloqueo" significa que la capa proporciona una barrera que inhibe significativamente el transporte de portadores de carga y/o excitones a través del dispositivo, sin sugerir que la capa necesariamente bloquea completamente los portadores de carga y/o excitones. La presencia de tal capa de bloqueo en un dispositivo puede resultar en eficiencias sustancialmente más altas en comparación con un dispositivo similar que carece de una capa de bloqueo.
La Figura 3 muestra las intensidades del campo óptico a A = 450 nm (línea continua) y A = 650 nm (línea discontinua) en función de la distancia desde el cátodo en la célula en tándem orgánica asimétrica B (ver Tabla 1), cuya estructura se muestra esquemáticamente en la parte superior de la Figura 3. La intensidad a A = 450 nm alcanza un máximo a aproximadamente 400 A del cátodo de Ag reflectante, o aproximadamente 300 A más cerca que para A = 650 nm. Por lo tanto, hacer que la célula frontal sea rica en materiales absorbentes de longitud de onda más corta y la célula posterior rica en materiales absorbentes de longitud de onda más baja puede conducir a una mayor absorción de un amplio espectro. En la célula B, la célula posterior tiene una capa C60 homogénea significativamente más gruesa que la célula frontal, lo que lleva a una mayor eficiencia cuántica externa en la región de absorción C60 (A < 550 nm), como se muestra en la Figura 4. Como la intensidad de la luz a A = 650 nm se encuentra principalmente en la célula frontal, la eficiencia cuántica a 550 nm < A < 750 nm puede ser mayor para la célula frontal, aunque los grosores de las capas homogéneas de CuPc y las mixtas son aproximadamente los mismos en ambas subcélulas para equilibrar sus fotocorrientes.
La Figura 4 muestra los espectros de eficiencia cuántica externa calculados para la célula frontal (línea discontinua) y posterior (línea continua) de la célula B. Las respuestas espectrales asimétricas de las dos subcélulas resultan de la estructura celular en tándem asimétrica, así como de la interferencia óptica.
La Figura 5 muestra la densidad de corriente contra tensión (J-V) características de la célula en tándem asimétrica orgánica A, en la oscuridad y bajo diversas intensidades de iluminación solar AM1.5G simulada. Se muestran las características experimentales J-V de la célula en tándem A en la oscuridad y bajo diversas intensidades de iluminación solar AM1.5G simulada (símbolos abiertos). Una relación de rectificación de 105 - 106 a ± 1,5 V es típica. La tensión de circuito abierto es Voc = 1,04 V bajo iluminación de 1 sol, y se acerca a 1,2 V bajo 10 soles, que puede ser el doble de la de una célula PM-HJ híbrida simple de CuPc/C60. Las líneas continuas son características modeladas J-V, que concuerdan con los datos experimentales, excepto por la corriente oscura de polarización inversa, en cuyo caso la corriente de recombinación de generación o la tunelización asistida térmicamente pueden contribuir significativamente a Jd.
La Figura 6 muestra la dependencia de intensidad de iluminación medida (Po) de las eficiencias de conversión de potencia (r|p) de varias células en tándem asimétricas orgánicas (A, cuadrados rellenos; B, círculos abiertos; C, triángulos rellenos) bajo iluminación solar AM1.5G simulada, en comparación con la del 5 % de una célula de heterounión híbrida plana-mixta simple de CuPc/C60 (triángulos abiertos invertidos). La eficiencia de conversión de potencia de la célula en tándem A (cuadrados rellenos), derivada de las características experimentales J-V en la Figura 5, alcanza un máximo de r|p = (5,4 ± 0,3) % en Po = 0,34 soles. Bajo una iluminación de mayor intensidad, el FF disminuye (ver Figura 7) debido a las capas mixtas relativamente gruesas. Con capas mixtas más delgadas, la célula en tándem B (círculos abiertos) exhibe una alta FF = 0,56 incluso bajo una intensa iluminación de aproximadamente 11 soles. Esto conduce a r|p = (5,7 ± 0,3) % en Po s 1 sol, de acuerdo con el modelo. Sin embargo, la célula en tándem C (triángulos rellenos) tiene una eficiencia menor que la predicción del modelo (6,5 %), principalmente debido a una baja FF ~ 0,51. Esto puede sugerir una pequeña barrera de energía en la interfaz C60/PTCBI que impide el transporte de electrones a la zona de recombinación de carga. Sin embargo, las eficiencias de las células en tándem A y B son más altas que las del 5 % de una célula PM-HJ híbrida simple de CuPc/C60 (triángulos abiertos invertidos en la Figura 6), lo que demuestra la eficacia de las células de apilamiento.
La Figura 7 muestra el factor de llenado (FF) de las células PM-HJ híbridas simples y en tándem que se muestran en la Figura 6. Bajo una iluminación de mayor intensidad, el FF disminuye debido a las capas mixtas relativamente gruesas. Con capas mixtas más delgadas, la célula en tándem B (círculos abiertos) exhibe una alta FF = 0,56 incluso bajo una intensa iluminación de aproximadamente 11 soles.
La Figura 8 muestra dos posibles geometrías de un dispositivo PV 810 y 820, con longitudes de trayectoria óptica perpendiculares representativas 815 y 825. La longitud de la trayectoria óptica perpendicular se mide perpendicular a la superficie del dispositivo.
La Figura 9 muestra los espectros de absorción de películas de CuPc:C60 con varias proporciones de mezcla, depositadas en ITO. Las concentraciones de CuPc en películas mixtas son 100 % CuPc(CuPc monocapa) 910, 62 % 920, 40 % 930, 33 % 940 y 21 % 950. La película de CuPc puro tiene dos picos centrados en longitudes de onda de 620 nm y 695 nm. El pico de longitud de onda más larga se debe a la generación de excitones de Frenkel molecular, mientras que la característica de longitud de onda más corta se atribuye a la formación de agregados de CuPc. El pico de longitud de onda más larga es dominante en la fase gaseosa o en la solución diluida. La Figura 9 muestra que la magnitud del pico de longitud de onda más larga aumenta con el aumento de C60 contenido. En consecuencia, las moléculas de CuPc muestran una menor tendencia a agregarse con el aumento de C60 contenido. Esto sugiere que un aumento en la concentración de C60 inhibe la agregación de CuPc, lo que reduce el transporte de huecos en la película mixta, lo que quizás conduce a una baja eficiencia de recolección de portadores. Esto se refleja en la reducción de la eficiencia energética (np = (2,6 ± 0,1) %, ver Tabla 2) de una célula PV de capa mixta CuPc:C60 (1:2). Sin embargo, a una concentración de 1:1, hay suficiente agregación de moléculas de CuPc para permitir el transporte de huecos de baja resistencia, mientras que la simetría mucho mayor de las moléculas C60 también pueden formar una trayectoria de percolación para un transporte de electrones eficiente al cátodo.
La Tabla 1 muestra los grosores de capa (en A) de tres células en tándem fotovoltaicas orgánicas, así como los parámetros de rendimiento previstos (densidad de corriente de cortocircuito Jsc, tensión de circuito abierto Voc, factor de llenado FF, y eficiencia de conversión de energía r|p) bajo 1 sol de iluminación solar AM1.5G. La zona de recombinación de carga en cada célula en tándem consta de una capa de nanoclusters de Ag de 5 A de grosor y un m-MTDATA de 50 A de grosor dopado con 5 mol% de F4-TCNQ.
La Tabla 2 muestra los parámetros utilizados en las características de modelado J-V de una célula PV en tándem PM-HJ híbrida de CuPc/C60.
Se entiende que las realizaciones descritas en la presente memoria son únicamente a modo de ejemplo, y que pueden usarse otras realizaciones de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, puede modificarse el orden de las capas ilustradas. También pueden estar presentes o no capas adicionales, como capas de bloqueo, capas de recombinación de carga, etc. Por ejemplo, pueden eliminarse las capas de bloqueo y/o pueden estar presentes capas de bloqueo adicionales. Pueden estar presentes regiones no fotoactivas y pueden usarse para ajustar la posición de las regiones fotoactivas con respecto a una capa reflectante. Pueden usarse varias configuraciones de células solares, tales como células en tándem solares. Pueden usarse materiales distintos a los específicamente descritos. Por ejemplo, un dispositivo en el que todos los electrodos son ITO puede fabricarse de manera que el dispositivo sea transparente hasta cierto punto. Además, el dispositivo podría fabricarse sobre un sustrato y luego aplicarse a una superficie de soporte, de modo que el último electrodo depositado esté más cerca de la superficie de soporte. Aunque se describen muchas realizaciones con respecto a las células solares, pueden usarse otras realizaciones en otros tipos de dispositivos fotosensibles que tienen una heterounión D-A, tal como un fotodetector.
Las eficiencias energéticas logradas por las realizaciones de la invención son más altas que las eficiencias anteriores logradas para las células solares orgánicas. Estos resultados pueden deberse a interacciones entre varias características de realización de la invención, incluido el uso de una capa fotoactiva orgánica no mixta en relación con una capa fotoactiva orgánica mixta, con grosores y posiciones seleccionados al tener en cuenta la eficiencia. Las realizaciones de la invención pueden ser capaces de alcanzar eficiencias de conversión de energía cercanas a las de las células a-Si, actualmente en producción, con eficiencias del 7 % al 10 %. Se espera que, con el refinamiento de los dispositivos de acuerdo con las realizaciones de la invención, se puedan lograr eficiencias energéticas incluso más altas. Por ejemplo, al aplicar revestimientos antirreflejos simples a los sustratos de vidrio, puede ser posible una mejora adicional del 10 % en las eficiencias, lo que sugiere que la estructura de célula en tándem propuesta aquí puede alcanzar eficiencias superiores al 7 %. Apilar más de dos células en serie podría ayudar a recolectar más luz, aunque es más difícil lograr una estructura celular eficiente. Una ventaja final de la estructura asimétrica de células en tándem es que permite la incorporación de diferentes combinaciones de material donante-aceptor en las subcélulas individuales para cubrir una región de espectro solar más amplia que el sistema actual de CuPc-C60. Con la condición de que sean posibles altos rendimientos de producción y una larga vida útil en módulos de células solares orgánicas debidamente empaquetados, la célula en tándem híbrida asimétrica PM-HJ tiene un potencial considerable para su uso en una variedad de aplicaciones.
Ejemplos
En una realización de la invención, se proporciona una célula fotovoltaica eficiente. Se fabricó una célula con dos células de heterounión plana-mixta híbridas apiladas sobre un sustrato de vidrio prerrevestido con ITO conductor transparente. El dispositivo tiene la estructura: ITO/75 A CuPc/122 A CuPc:C60 (1,2:1 por peso)/80 A C60/50 A PTCBI/5 A Ag/50 A m-MTDATA:F4-TCNQ/60 A CuPc/132 A CuPc:C60 (1,2:1 por peso)/160 A C60/75 A BCP/Ag. La célula más alejada del cátodo es ligeramente rica en CuPc, que absorbe en la región espectral de 550 nm a 750 nm, mientras que la célula más cercana al cátodo es rica en C60, que absorbe en la región espectral de 350 nm a 550 nm. Se midió una eficiencia energética máxima de (5,6 ± 0,3) % bajo iluminación solar simulada AM1.5G de 1 a 4 soles.
Las células fotovoltaicas de heterounión plana-mixta híbridas orgánicas se fabricaron sobre sustratos de vidrio prerrevestidos con un -ánodo ITO conductor transparente de 1.500 A de grosor con una resistencia de lámina de 15 Q/sq. Los sustratos se limpiaron en disolvente seguido de tratamiento con ozono UV durante 5 minutos. Las capas orgánicas y un cátodo metálico se depositaron mediante evaporación térmica en una cámara de alto vacío con una presión base - 2*10'7 Torr. Una capa de CuPc con un grosor de ód - 50-200 A, una capa codepositada de CuPc:C60 (1:1 en peso) con un grosor de dm - 0 - 300 A y una capa C60 con un grosor de óa - 250 - 400 A, se depositan secuencialmente en el ánodo ITO, seguido de una capa de bloqueo de excitones de 100 A de grosor de BCP. Finalmente, se evaporó un cátodo de Ag de 1.000 A de grosor a través de una máscara de sombra con aberturas de 1 mm de diámetro.
Las características de corriente-tensión de las células PV a 25 °C en la oscuridad y bajo iluminación solar AM1.5G simulada de una lámpara de arco Xe de 150 W (Oriel Instruments) se midieron mediante el uso de un analizador de parámetros de semiconductores HP 4155B. La intensidad de la iluminación se varió mediante el uso de filtros de densidad neutra y se midió con un medidor de potencia óptica de banda ancha calibrado (Oriel Instruments).
Claims (23)
1. Un dispositivo (200) que comprende:
un primer electrodo (220);
un segundo electrodo (260);
una primera región fotoactiva orgánica (230) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); y
una segunda región fotoactiva orgánica (250) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) tienen diferentes características de absorción;
en el que el dispositivo (200) incluye una capa reflectante, y la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) se disponen en el mismo lado de la capa reflectante,
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) se dispone más cerca de la capa reflectante que la segunda región fotoactiva orgánica (250),
en el que la segunda región fotoactiva orgánica (250) es un absorbente más fuerte a longitudes de onda más largas que la primera región fotoactiva orgánica (230),
en el que cada región fotoactiva (230, 250) comprende, además:
un material aceptor orgánico; y
un material donante orgánico en contacto directo con el material aceptor orgánico, y
en el que cada región fotoactiva orgánica (230, 250) incluye el mismo material aceptor orgánico y material donante orgánico, y en el que la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la primera región fotoactiva orgánica (230) es diferente de la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la segunda región fotoactiva orgánica (250);
caracterizado porque cada región fotoactiva (230, 250) - comprende una primera capa orgánica (232,252) que comprende una mezcla del material aceptor orgánico y el material donante orgánico, y una segunda capa orgánica (231.251) en contacto directo con la primera capa orgánica (232,252) , en el que la segunda capa orgánica (231.251) comprende una capa no mixta del material orgánico aceptor de la primera capa orgánica 232,252), o - -consiste en una primera capa orgánica (232, 252) que comprende una mezcla del material orgánico aceptor y el material donante orgánico;
el dispositivo (200) que comprende además una primera capa de bloqueo de excitones (234) dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la primera capa orgánica (232) de la primera región fotoactiva orgánica (230), y una segunda capa de bloqueo de excitones (254) dispuesta adyacente a, y en contacto físico directo con la primera capa orgánica (252) de la segunda región fotoactiva
orgánica (250).
2. Un dispositivo (200) que comprende:
un primer electrodo (220);
un segundo electrodo (260);
una primera región fotoactiva orgánica (230) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); y
una segunda región fotoactiva orgánica (250) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) tienen diferentes características de absorción;
en el que el dispositivo (200) incluye una capa reflectante, y la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) se disponen en el mismo lado de la capa reflectante,
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) se dispone más cerca de la capa reflectante que la segunda región fotoactiva orgánica (250),
en el que la segunda región fotoactiva orgánica (250) es un absorbente más fuerte a longitudes de onda más largas que la primera región fotoactiva orgánica (230),
en el que cada región fotoactiva (230, 250) comprende, además:
un material aceptor orgánico; y
un material donante orgánico en contacto directo con el material aceptor orgánico, y
en el que cada región fotoactiva orgánica (230, 250) incluye el mismo material aceptor orgánico y material donante orgánico, y en el que la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la primera región fotoactiva orgánica (230) es diferente de la proporción del material aceptor orgánico al material donante orgánico en la segunda región fotoactiva orgánica (250);
caracterizado porque cada región fotoactiva (230, 250)
- comprende una primera capa orgánica (232,252) que comprende una mezcla de un material aceptor orgánico y el material donante orgánico, una segunda capa orgánica (233,253) en contacto directo con la primera capa orgánica (232.252) , en el que la segunda capa orgánica (233,253) comprende una capa no mixta del material donante
orgánico de la primera capa orgánica (232,252) y una tercera capa orgánica (231,251) en contacto directo con la primera capa orgánica (232,252), en el que la tercera capa orgánica (231,251) comprende una capa no mixta del material aceptor orgánico de la primera capa orgánica (232,252), la primera capa orgánica (232,252) está entre la segunda capa orgánica (233,253) y la tercera capa orgánica (231,251), o
- consta de una primera capa orgánica (232,252) que comprende una mezcla del material aceptor orgánico y el material donante orgánico, y una segunda capa orgánica (233,253) en contacto directo con la primera capa orgánica (232,252), en el que la segunda capa orgánica (233,253) comprende una capa no mixta del material donante orgánico de la primera capa orgánica (232,252), el dispositivo (200) que comprende además una primera capa de bloqueo de excitones (234) dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la segunda capa orgánica (233) de la primera región orgánica fotoactiva (230), y una segunda capa de bloqueo de excitones (254) dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la segunda capa orgánica (253) de la segunda región orgánica fotoactiva (250).
3. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 o 2, en el que el dispositivo absorbe al menos el 10 % de la intensidad total del campo óptico cuando el dispositivo se expone a luz incidente que tiene un espectro solar.
4. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 o 2, en el que el dispositivo absorbe al menos el 20 % de la intensidad total del campo óptico cuando el dispositivo se expone a luz incidente que tiene un espectro solar.
5. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que la segunda región fotoactiva y la primera región fotoactiva tienen cada una al menos un pico de absorción y una longitud de onda Á2 de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la segunda región fotoactiva es mayor que una longitud de onda A1 de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la primera región fotoactiva.
6. El dispositivo (200) de la reivindicación 5, en el que la longitud de onda A2 de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la segunda región fotoactiva es al menos un 10 % mayor que una longitud de onda A1 de al menos uno de los tres picos de absorción superiores de la primera región fotoactiva.
7. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que el primer electrodo es la capa reflectante.
8. El dispositivo (200) de la reivindicación 5, en el que al menos una parte de la primera región fotoactiva orgánica se dispone en una longitud de trayectoria óptica perpendicular de A1 /4 ± 25 % desde el borde de la capa reflectante más cercana a la primera región fotoactiva orgánica, y al menos una parte de la segunda región fotoactiva orgánica se dispone en una longitud de trayectoria óptica perpendicular de A2/4 ± 25 % desde el borde de la capa reflectante más cercana a la segunda región fotoactiva orgánica.
9. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones 1-8, en el que el material donante orgánico de cada región fotoactiva orgánica es CuPc y el material aceptor orgánico de cada región fotoactiva orgánica es C60.
10. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que el dispositivo es un dispositivo fotovoltaico.
11. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que el dispositivo es un fotodetector.
12. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que el dispositivo comprende además una tercera región fotoactiva orgánica dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo.
13. El dispositivo (200) de la reivindicación 1, en el que A1 es la longitud de onda de uno de los tres picos de absorción superiores de la primera región fotoactiva, y A2 es la longitud de onda de uno de los tres picos de absorción superiores de la segunda región fotoactiva;
en el que A1 es al menos un 10 % diferente de A2;
en el que la primera región fotoactiva orgánica se dispone en una posición tal que existe un máximo en la intensidad del campo óptico para la longitud de onda A1 dentro de la primera región fotoactiva orgánica, o dentro de 0,05 K-i/na de la primera región fotoactiva orgánica, donde na es el índice de refracción del material en el que ocurre el máximo; y
en el que la segunda región fotoactiva orgánica se dispone en una posición tal que existe un máximo en la intensidad del campo óptico para la longitud de onda A2 dentro de la segunda región fotoactiva orgánica o dentro de 0,05 A2/nb de la primera región fotoactiva orgánica, donde nb es el índice de refracción del material en el que se produce el máximo.
14. Un dispositivo (200) que comprende:
un primer electrodo (220);
un segundo electrodo (260);
una primera región fotoactiva orgánica (230) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); y
una segunda región fotoactiva orgánica (250) dispuesta entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260);
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) tienen diferentes características de absorción;
en el que el dispositivo (200) incluye una capa reflectante, y la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) se disponen en el mismo lado de la capa reflectante,
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) se dispone más cerca de la capa reflectante que la segunda región fotoactiva orgánica (250),
en el que la segunda región fotoactiva orgánica (250) es un absorbente más fuerte a longitudes de onda más largas que la primera región fotoactiva orgánica (230),
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250) se disponen en una pila entre el primer electrodo (220) y el segundo electrodo (260); caracterizado en una capa intermedia que comprende una zona de recombinación de carga, comprendiendo la zona de recombinación de carga material orgánico dopado p y nanopartículas metálicas o de metal, en el que la capa intermedia (240) se dispone en la pila entre la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva orgánica (250);
en el que la primera región fotoactiva orgánica (230) y la segunda región fotoactiva (250) tienen cada una, una intensidad media del campo óptico;
en el que la absorción media de la primera región fotoactiva (230) es mayor que la absorción media de la segunda región fotoactiva (250) en un rango de longitudes de onda A1 ± 5 %;
en el que la absorción media de la segunda región fotoactiva (250) es mayor que la absorción media de la primera región fotoactiva (230) en un rango de longitudes de onda A2 ± 5 %;
en el que A2 es al menos un 10 % mayor que Ai;
en el que al menos la primera región fotoactiva orgánica (230) o la segunda región fotoactiva orgánica (250) comprende una heterounión híbrida plana-mixta.
15. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, en el que el primer electrodo es la capa reflectante.
16. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, en el que el primer electrodo y el segundo electrodo no son reflectantes.
17. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, en el que la absorción media de la primera región fotoactiva es al menos un 5 % mayor que la absorción media de la segunda región fotoactiva en un rango de longitudes de onda A1 ± 5 %; y
en el que la absorción media de la segunda región fotoactiva es al menos un 5 % mayor que la absorción media de la primera región fotoactiva en un rango de longitudes de onda A2 ± 5 %.
18. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, en el que la primera región fotoactiva y la segunda región fotoactiva comprenden los materiales C60 y CuPc, y el porcentaje de C60 en la primera región fotoactiva es mayor que el porcentaje de C60 en la segunda región fotoactiva.
19. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, en el que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A1 ± 5 % en la posición de la primera región fotoactiva es mayor que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A1 ± 5 % en la posición de la segunda región fotoactiva, y en el que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A2 ± 5 % en la posición de la segunda región fotoactiva es mayor que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A2 ± 5 % en la posición de la primera región fotoactiva.
20. El dispositivo (200) de la reivindicación 17, en el que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A1 ± 5 % en la posición de la primera región fotoactiva es mayor que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A1 ± 5 % en la posición de la segunda región fotoactiva, y en el que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A2 ± 5 % en la posición de la segunda región fotoactiva es mayor que la intensidad media del campo óptico para el rango de longitudes de onda A2 ± 5 % en la posición de la primera región fotoactiva.
21. El dispositivo (200) de la reivindicación 14, que comprende además una tercera región fotoactiva orgánica dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, en el que la tercera región fotoactiva orgánica tiene una absorción media.
22. El dispositivo (200) de la reivindicación 21,
en el que la primera región fotoactiva orgánica, la segunda región fotoactiva orgánica y la tercera región fotoactiva tienen características de absorción diferentes;
en el que la absorción media de la tercera región fotoactiva es mayor que la absorción media de la primera región fotoactiva y la absorción media de la segunda región fotoactiva en un rango de longitudes de onda A3 ± 5 %; en el que la absorción media de la primera región fotoactiva es mayor que la absorción media de la tercera región fotoactiva en un rango de longitudes de onda A1 ± 5 %; y
en el que la absorción media de la segunda región fotoactiva es mayor que la absorción media de la tercera región fotoactiva en un rango de longitudes de onda A2 ± 5 %.
23. El dispositivo (200) de la reivindicación 21, en el que la tercera región fotoactiva tiene una característica de absorción que es la misma que la característica de absorción de la primera región fotoactiva.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/911,560 US7326955B2 (en) | 2004-08-05 | 2004-08-05 | Stacked organic photosensitive devices |
| US10/979,145 US7375370B2 (en) | 2004-08-05 | 2004-11-03 | Stacked organic photosensitive devices |
| PCT/US2005/027093 WO2006017403A2 (en) | 2004-08-05 | 2005-07-29 | Stacked organic photosensitive devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2877701T3 true ES2877701T3 (es) | 2021-11-17 |
Family
ID=35590211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES05783123T Active ES2877701T3 (es) | 2004-08-05 | 2005-07-29 | Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US7375370B2 (es) |
| EP (1) | EP1774604B1 (es) |
| JP (2) | JP5473218B2 (es) |
| KR (1) | KR101219868B1 (es) |
| CN (1) | CN102610627B (es) |
| AR (1) | AR051002A1 (es) |
| AU (1) | AU2005271663B2 (es) |
| BR (1) | BRPI0513643A (es) |
| CA (1) | CA2575776C (es) |
| ES (1) | ES2877701T3 (es) |
| HK (3) | HK1116300A1 (es) |
| TW (1) | TWI411147B (es) |
| WO (1) | WO2006017403A2 (es) |
Families Citing this family (67)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7375370B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-05-20 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| US7326955B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-02-05 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| WO2006073562A2 (en) * | 2004-11-17 | 2006-07-13 | Nanosys, Inc. | Photoactive devices and components with enhanced efficiency |
| EP1815544A2 (en) * | 2004-11-24 | 2007-08-08 | The Trustees of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device having a phenanthroline exciton blocking layer |
| JP5023456B2 (ja) * | 2005-03-28 | 2012-09-12 | 大日本印刷株式会社 | 有機薄膜太陽電池素子 |
| US20070181179A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-08-09 | Konarka Technologies, Inc. | Tandem photovoltaic cells |
| US20070290195A1 (en) * | 2005-08-22 | 2007-12-20 | Stephen Forrest | Increased open-circuit-voltage organic photosensitive devices |
| CN101313424B (zh) * | 2005-09-30 | 2010-09-29 | 普林斯顿大学理事会 | 基于纯有机材料的高迁移率高效率有机膜 |
| US8013240B2 (en) * | 2005-11-02 | 2011-09-06 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer |
| US8017863B2 (en) * | 2005-11-02 | 2011-09-13 | The Regents Of The University Of Michigan | Polymer wrapped carbon nanotube near-infrared photoactive devices |
| US7947897B2 (en) * | 2005-11-02 | 2011-05-24 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer |
| US7897429B2 (en) | 2006-11-20 | 2011-03-01 | The Trustees Of Princeton University | Organic hybrid planar-nanocrystalline bulk heterojunctions |
| US7638356B2 (en) * | 2006-07-11 | 2009-12-29 | The Trustees Of Princeton University | Controlled growth of larger heterojunction interface area for organic photosensitive devices |
| US11031567B2 (en) | 2006-07-11 | 2021-06-08 | The Regents Of The University Of Michigan | Efficient solar cells using all-organic nanocrystalline networks |
| US8987589B2 (en) | 2006-07-14 | 2015-03-24 | The Regents Of The University Of Michigan | Architectures and criteria for the design of high efficiency organic photovoltaic cells |
| ATE498203T1 (de) * | 2007-07-23 | 2011-02-15 | Basf Se | Photovoltaische tandem-zelle |
| US8912036B2 (en) | 2007-08-24 | 2014-12-16 | The Regents Of The University Of Michigan | Growth of ordered crystalline organic films |
| JP2009260209A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-11-05 | Kyocera Corp | 積層型光電変換装置及び光電変換モジュール |
| KR100884536B1 (ko) | 2007-09-28 | 2009-02-18 | 삼성모바일디스플레이주식회사 | 유기 발광 소자 |
| WO2009117613A1 (en) * | 2008-03-19 | 2009-09-24 | The Regents Of The University Of Michigan | Organic thin films for infrared detection |
| KR20110060956A (ko) * | 2008-09-26 | 2011-06-08 | 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 | 유기 탠덤 태양 전지 |
| TWI382552B (zh) * | 2009-02-13 | 2013-01-11 | Nexpower Technology Corp | 具有不透明高反射粒子之薄膜太陽能電池與其製作方法 |
| US8847066B2 (en) * | 2009-05-19 | 2014-09-30 | Regents Of The University Of Minnesota | Graded organic photovoltaic device |
| KR20110003169A (ko) * | 2009-07-03 | 2011-01-11 | 삼성전자주식회사 | 컬러유닛 및 이를 포함한 촬상소자 |
| JP5469943B2 (ja) * | 2009-07-16 | 2014-04-16 | 出光興産株式会社 | 光電変換素子 |
| US9496315B2 (en) * | 2009-08-26 | 2016-11-15 | Universal Display Corporation | Top-gate bottom-contact organic transistor |
| US9017826B2 (en) | 2009-08-26 | 2015-04-28 | The University Of Southern California | Visible/near-infrared porphyrin-tape/C60 organic photodetectors |
| GB0915501D0 (en) * | 2009-09-04 | 2009-10-07 | Univ Warwick | Organic photosensitive optoelectronic devices |
| KR101074290B1 (ko) * | 2009-09-04 | 2011-10-18 | 한국철강 주식회사 | 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법 |
| TWI538271B (zh) * | 2009-11-04 | 2016-06-11 | 國立清華大學 | 具有載子指向性分佈結構之有機太陽能電池及其製造方法 |
| US9768402B2 (en) * | 2010-04-08 | 2017-09-19 | University Of Southern California | Enhanced bulk heterojunction devices prepared by thermal and solvent vapor annealing processes |
| EP2628198B1 (en) | 2010-10-15 | 2016-06-29 | The Regents of the University of Michigan | Materials for controlling the epitaxial growth of photoactive layers in photovoltaic devices |
| US20120097250A1 (en) * | 2010-10-22 | 2012-04-26 | Xerox Corporation | Photovoltaic device |
| US8962994B2 (en) * | 2010-10-22 | 2015-02-24 | Xerox Corporation | Photovoltaic device |
| PL2668680T3 (pl) | 2011-01-26 | 2022-06-13 | Massachusetts Institute Of Technology | Przezroczyste ogniwa fotowoltaiczne |
| WO2013067966A1 (en) | 2011-11-10 | 2013-05-16 | Lei Guo | Chip with semiconductor electricity conversion structure |
| EP2777143A4 (en) | 2011-11-10 | 2015-11-11 | Lei Guo | SEMICONDUCTOR POWER CONVERTERS |
| CN102496649A (zh) * | 2011-11-10 | 2012-06-13 | 郭磊 | 一种半导体直流光电变压器 |
| US20130276886A1 (en) * | 2012-04-18 | 2013-10-24 | The Governors Of The University Of Alberta | Polymer solar cells and functionalized conjugated polymers |
| US10326091B2 (en) | 2012-05-09 | 2019-06-18 | Lg Chem, Ltd. | Organic electrochemical device, and method for manufacturing same |
| JP6745598B2 (ja) * | 2012-06-25 | 2020-08-26 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン | 大面積の有機太陽電池 |
| US9508945B2 (en) * | 2012-06-27 | 2016-11-29 | Regents Of The University Of Minnesota | Spectrally tunable broadband organic photodetectors |
| CN105051929A (zh) * | 2012-11-22 | 2015-11-11 | 密歇根大学董事会 | 有机光伏器件的杂化平面混合异质结 |
| CN103887435A (zh) * | 2012-12-21 | 2014-06-25 | 厦门天马微电子有限公司 | 一种有机发光二极管 |
| CN103887436B (zh) * | 2012-12-21 | 2016-12-28 | 厦门天马微电子有限公司 | 一种有机发光二极管 |
| US10276817B2 (en) | 2013-04-12 | 2019-04-30 | University Of Southern California | Stable organic photosensitive devices with exciton-blocking charge carrier filters utilizing high glass transition temperature materials |
| US10069095B2 (en) | 2013-04-12 | 2018-09-04 | University Of Southern California | Organic photosensitive devices with exciton-blocking charge carrier filters |
| US9768326B1 (en) | 2013-08-07 | 2017-09-19 | Solaero Technologies Corp. | Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive |
| US9214594B2 (en) * | 2013-08-07 | 2015-12-15 | Solaero Technologies Corp. | Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive |
| TW201528494A (zh) * | 2013-10-25 | 2015-07-16 | Univ Michigan | 高效率小分子串聯式光伏打裝置 |
| KR102441210B1 (ko) * | 2013-10-25 | 2022-09-07 | 유니버시티 오브 써던 캘리포니아 | 엑시톤 차단 전하 캐리어 필터를 구비한 유기 감광성 디바이스 |
| TW201539819A (zh) * | 2014-01-15 | 2015-10-16 | Univ Michigan | 高效率多接面小分子光伏裝置 |
| FR3023067B1 (fr) * | 2014-06-26 | 2017-10-20 | Commissariat Energie Atomique | Cellules tandem multifils |
| CN105161633B (zh) * | 2015-08-12 | 2018-02-06 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种有机发光器件 |
| US9929300B2 (en) | 2015-11-13 | 2018-03-27 | Solaero Technologies Corp. | Multijunction solar cells with electrically conductive polyimide adhesive |
| CN105552244B (zh) * | 2016-02-17 | 2018-09-11 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种发光器件及其制备方法、显示装置 |
| KR102605375B1 (ko) * | 2016-06-29 | 2023-11-22 | 삼성전자주식회사 | 유기 광전 소자 및 이미지 센서 |
| CN109384801B (zh) * | 2017-08-10 | 2022-08-09 | 松下知识产权经营株式会社 | 光电转换材料以及光电转换元件 |
| US11145822B2 (en) | 2017-10-20 | 2021-10-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Compound and photoelectric device, image sensor, and electronic device including the same |
| JP6977588B2 (ja) | 2018-01-30 | 2021-12-08 | 昭和電工マテリアルズ株式会社 | 半導体装置の製造方法及び接着フィルム |
| JP6990598B2 (ja) | 2018-02-19 | 2022-01-12 | 浜松ホトニクス株式会社 | 有機光電変換装置及び有機光電変換装置の製造方法 |
| TW202406182A (zh) | 2018-07-26 | 2024-02-01 | 日商索尼股份有限公司 | 光電轉換元件 |
| CN113454795A (zh) * | 2019-01-16 | 2021-09-28 | 密歇根大学董事会 | 用于显示器下指纹和手势传感器的具有半导体活性层的光检测器 |
| KR20210015311A (ko) | 2019-08-01 | 2021-02-10 | 삼성전자주식회사 | 센서 및 전자 장치 |
| US11411192B2 (en) * | 2019-09-02 | 2022-08-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Devices and sensors and electronic devices |
| EP4006994A1 (en) * | 2020-11-26 | 2022-06-01 | Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas | Optoelectronic device |
| CN113540356B (zh) * | 2021-06-08 | 2024-04-05 | 中国科学院大学 | 一种对于近红外光具有高探测率的自驱动有机光电探测器 |
Family Cites Families (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63300575A (ja) * | 1987-05-29 | 1988-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | カラ−センサ |
| FR2646560B1 (fr) * | 1989-04-27 | 1994-01-14 | Solems Sa | Procede pour ameliorer la reponse spectrale d'une structure photoconductrice, cellule solaire et structure photoreceptive ameliorees |
| JPH05308146A (ja) * | 1992-05-01 | 1993-11-19 | Ricoh Co Ltd | 有機光起電力素子 |
| GB9423692D0 (en) * | 1994-11-23 | 1995-01-11 | Philips Electronics Uk Ltd | A photoresponsive device |
| US5703436A (en) | 1994-12-13 | 1997-12-30 | The Trustees Of Princeton University | Transparent contacts for organic devices |
| US6420031B1 (en) | 1997-11-03 | 2002-07-16 | The Trustees Of Princeton University | Highly transparent non-metallic cathodes |
| US6352777B1 (en) | 1998-08-19 | 2002-03-05 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic devices with transparent electrodes |
| US6451415B1 (en) | 1998-08-19 | 2002-09-17 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer |
| EP1048084A4 (en) * | 1998-08-19 | 2001-05-09 | Univ Princeton | ORGANIC OPTOELECTRONIC LIGHT SENSITIVE DEVICE |
| US6097147A (en) | 1998-09-14 | 2000-08-01 | The Trustees Of Princeton University | Structure for high efficiency electroluminescent device |
| EP1061112A4 (en) * | 1998-12-28 | 2004-12-29 | Idemitsu Kosan Co | ORGANIC ELECTROLUMINESCENT ELEMENT |
| US6333458B1 (en) | 1999-11-26 | 2001-12-25 | The Trustees Of Princeton University | Highly efficient multiple reflection photosensitive optoelectronic device with optical concentrator |
| US6440769B2 (en) | 1999-11-26 | 2002-08-27 | The Trustees Of Princeton University | Photovoltaic device with optical concentrator and method of making the same |
| GB0002958D0 (en) * | 2000-02-09 | 2000-03-29 | Cambridge Display Tech Ltd | Optoelectronic devices |
| AU2002329183A1 (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-23 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic devices |
| US6580027B2 (en) | 2001-06-11 | 2003-06-17 | Trustees Of Princeton University | Solar cells using fullerenes |
| US6657378B2 (en) | 2001-09-06 | 2003-12-02 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic devices |
| US6670213B2 (en) | 2001-10-10 | 2003-12-30 | Cambridge Display Technology Limited | Method of preparing photoresponsive devices, and devices made thereby |
| JP2004165474A (ja) * | 2002-11-14 | 2004-06-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光電変換素子及びその製造方法 |
| US20050224905A1 (en) * | 2004-04-13 | 2005-10-13 | Forrest Stephen R | High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions |
| US8586967B2 (en) * | 2004-04-13 | 2013-11-19 | The Trustees Of Princeton University | High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions |
| US7326955B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-02-05 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| US7196366B2 (en) * | 2004-08-05 | 2007-03-27 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| US7375370B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-05-20 | The Trustees Of Princeton University | Stacked organic photosensitive devices |
| US8357849B2 (en) * | 2004-09-22 | 2013-01-22 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive devices |
-
2004
- 2004-11-03 US US10/979,145 patent/US7375370B2/en active Active
-
2005
- 2005-07-29 ES ES05783123T patent/ES2877701T3/es active Active
- 2005-07-29 CA CA2575776A patent/CA2575776C/en not_active Expired - Fee Related
- 2005-07-29 KR KR1020077005251A patent/KR101219868B1/ko active IP Right Grant
- 2005-07-29 WO PCT/US2005/027093 patent/WO2006017403A2/en active Application Filing
- 2005-07-29 AU AU2005271663A patent/AU2005271663B2/en not_active Ceased
- 2005-07-29 CN CN201210099713.9A patent/CN102610627B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2005-07-29 BR BRPI0513643-1A patent/BRPI0513643A/pt not_active Application Discontinuation
- 2005-07-29 JP JP2007524873A patent/JP5473218B2/ja active Active
- 2005-07-29 EP EP05783123.2A patent/EP1774604B1/en active Active
- 2005-08-04 AR ARP050103232A patent/AR051002A1/es unknown
- 2005-08-04 TW TW094126538A patent/TWI411147B/zh active
-
2008
- 2008-05-19 US US12/123,095 patent/US7915701B2/en active Active
- 2008-06-12 HK HK08106474.4A patent/HK1116300A1/xx not_active IP Right Cessation
-
2010
- 2010-04-21 HK HK10103872.5A patent/HK1138679A1/xx not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-01-05 JP JP2012000472A patent/JP5625002B2/ja active Active
- 2012-12-13 HK HK12112883.1A patent/HK1172155A1/xx not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101219868B1 (ko) | 2013-01-08 |
| HK1138679A1 (en) | 2010-08-27 |
| EP1774604A2 (en) | 2007-04-18 |
| HK1116300A1 (en) | 2008-12-19 |
| US20060027802A1 (en) | 2006-02-09 |
| JP2008509558A (ja) | 2008-03-27 |
| JP2012074741A (ja) | 2012-04-12 |
| BRPI0513643A (pt) | 2008-05-13 |
| TW200623478A (en) | 2006-07-01 |
| AR051002A1 (es) | 2006-12-13 |
| US7375370B2 (en) | 2008-05-20 |
| CN102610627A (zh) | 2012-07-25 |
| AU2005271663B2 (en) | 2011-05-12 |
| HK1172155A1 (en) | 2013-04-12 |
| CA2575776C (en) | 2015-05-19 |
| CA2575776A1 (en) | 2006-02-16 |
| US7915701B2 (en) | 2011-03-29 |
| KR20070053240A (ko) | 2007-05-23 |
| TWI411147B (zh) | 2013-10-01 |
| US20080224132A1 (en) | 2008-09-18 |
| JP5625002B2 (ja) | 2014-11-12 |
| EP1774604B1 (en) | 2021-05-26 |
| CN102610627B (zh) | 2014-12-24 |
| JP5473218B2 (ja) | 2014-04-16 |
| AU2005271663A1 (en) | 2006-02-16 |
| WO2006017403A3 (en) | 2007-06-07 |
| WO2006017403A2 (en) | 2006-02-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2877701T3 (es) | Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados | |
| ES2313405T3 (es) | Dispositivos fotosensibles organicos apilados. | |
| KR101333875B1 (ko) | 상호-캐리어 엑시톤 차단층을 보유한 유기 이중-헤테로구조광기전력 전지 | |
| ES2769249T3 (es) | Células fotovoltaicas orgánicas que utilizan una capa de sensibilización ultradelgada | |
| US7326955B2 (en) | Stacked organic photosensitive devices | |
| AU2011202560B2 (en) | Stacked organic photosensitive devices | |
| MX2007001474A (es) | Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados |