MX2007000603A

MX2007000603A - Dispositivos organicos que tienen una estructura de fibra.

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Publication number: MX2007000603A
Application number: MX2007000603A
Authority: MX
Inventors: Stephen R Forrest; Max Shtein
Original assignee: Univ Princeton
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2008-10-24
Also published as: TWI352221B; CA2573498A1; KR101202106B1; AR049992A1; BRPI0513125A; US20060013549A1; AU2005275399A1; KR20070042179A; CN101019248B; CN102088061A; EP1782486A1; JP2008507133A; US20080025681A1; JP2012124511A; WO2006019576A1; TW200617451A; US7561772B2; CN101019248A; US7194173B2; CN102088061B

Abstract

Se proporciona una fibra fotoactiva, así como un método de fabricación de esa fibra. La fibra tiene un núcleo conductor que incluye un primer electrodo. Una capa orgánica rodea y está conectada eléctricamente al primer electrodo. Un segundo electrodo transparente rodea y está conectado eléctricamente a la capa orgánica. Otras capas, tales como capas de bloqueo o capas de alisamiento, también se pueden incorporar en la fibra. La fibra puede tejerse en una tela.

Description

DISPOSITIVOS ORGÁNICOS QUE TIENEN UNA ESTRUCTURA DE FIBRA Campo de la invención La presente invención se relaciona en general con dispositivos orgánicos optoelectronicos. Más específicamente, se refiere a dispositivos orgánicos optoelectronicos que tienen una estructura de fibra.

Antecedentes de la Invención Los dispositivos optoelectronicos que hacen uso de materiales orgánicos se están haciendo cada vez más deseables por numerosos motivos. Muchos de los materiales usados para fabricar esos dispositivos son relativamente económicos, de manera que los dispositivos orgánicos opto-electrónicos tienen potenciales ventajas de costo comparados con los dispositivos inorgánicos. Además, las propiedades propias de los materiales orgánicos, tales como su flexibilidad, los hacen adecuados para aplicaciones particulares tales como la fabricación sobre un sustrato flexible. Ejemplos de dispositivos orgánicos opto-electrónicos incluyen dispositivos emisores de luz (OLED) , fototransistores orgánicos, células fotovoltaicas orgánicas, y fotodetectores orgánicos. Los materiales orgánicos también tienen ventajas de rendimiento comparados con los materiales convencionales. Por ejemplo, la longitud de onda a la cual una capa emisora orgánica emite luz (para los OLED) puede generalmente colocarse fácilmente en sintonía con los impurificantes apropiados.

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

Los dispositivos fotosensibles optoelectrónicos convierten la radiación electromagnética en electricidad. Las células solares, también denominadas dispositivos fotovoltaicos (PV) son un tipo de dispositivo fotosensible optoelectrónico que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz diferentes de la luz solar, se pueden usar para impulsar cargas que consumen energía para proveer, por ejemplo, de iluminación, calefacción o para alimentar circuitos o dispositivos electrónicos tales como calculadoras, radios, computadoras o equipos remotos de monitoreo o de comunicaciones. Estas aplicaciones de generación de energía con frecuencia también consisten en la carga de baterías u otros dispositivos para almacenamiento de energía de manera tal que la operación puede continuar cuando la iluminación directa proveniente del sol o de otras fuentes de luz ambiental ya no existe, o para equilibrar la salida de energía del dispositivo PV con requerimientos específicos de la aplicación. Como se usa aquí el término "carga resistiva" se refiere a todo circuito, dispositivo, equipo o sistema para consumo o almacenamiento de energía .

Otro tipo de dispositivo fotosensible optoelectrónico es una célula fotoconductora . En esta función, un circuito de detección de señales monitorea la resistencia del dispositivo para detectar cambios debido a la absorción de luz.

Otro tipo de dispositivo fotosensible optoelectrónico es un fotodetector. En funcionamiento un fotodetector se usa en conjunto con un circuito de detección de corriente que mide la corriente que se genera cuando se expone el fotodetector a la radiación electromagnética y puede tener una tensión de polarización aplicada. Un circuito detector descrito aquí es capaz de proveer tensión de polarización a un fotodetector y de medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética .

Estas tres clases de dispositivos fotosensibles optoelectrónicos pueden caracterizarse según si está presente una unión rectificadora definida a continuación y también según si el dispositivo se opera con una tensión aplicada externa, también denominada polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y normalmente se opera con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión rectificadora y se opera sin ninguna 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 provee de energía a un circuito, dispositivo o equipo, pero no provee de una señal o corriente para controlar el circuito de detección, o la salida de información desde el circuito de detección. En cambio, un fotodetector o fotoconductor provee de una señal o corriente para controlar el circuito de detección, o la salida de información desde el circuito de detección pero no provee de energía al circuito, dispositivo o equipo.

Tradicionalmente, los dispositivos fotosensibles optoelectrónicos se han construido de numerosos semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, telururo de cadmio y otros. Aquí, el término ? semiconductor" indica materiales que conducen electricidad cuando los portadores de carga son inducidos por excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" generalmente se relaciona con el proceso en el cual la energía radiante electromagnética se absorbe y se convierte así en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica de manera tal que los portadores pueden conducir, es decir transportar la carga eléctrica en un material. Los términos otoconductor" y "material fotoconductor" se usan aquí para referirse a materiales semiconductores que se eligen por su propiedad de absorción de la radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica.

Los dispositivos PV pueden caracterizarse por la eficiencia con la cual convierten 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 cristalino eficientes, especialmente de área superficial amplia, son difíciles y costosos de producir debido a los problemas inherentes a la producción de cristales grandes sin defectos que degradan la eficiencia significativos. Por otra parte, los dispositivos de silicio amorfo de alta eficiencia aún tienen problemas con la estabilidad. Las células de silicio amorfo disponibles comercialmente en la actualidad tienen eficiencias estabilizadas de entre el 4% y el 8%. Los esfuerzos más recientes han puesto el foco en el uso de células fotovoltaicas orgánicas para lograr eficiencias de conversión fotovoltaica aceptables con costos de producción económicos.

Los dispositivos PV se optimizan para la generación de energía eléctrica máxima en condiciones de iluminación estándar (es decir, Condiciones de Ensayo Estándar que son 1000 W/m2, iluminación espectral de AM1,5), para el producto máximo de corriente fotoeléctrica por tensión fotoeléctrica. La eficiencia de conversión de energía de esa célula en condiciones de iluminación estándar depende de los siguientes tres parámetros: (1) la corriente bajo polarización cero, es decir corriente de cortocircuito IScr (2) la tensión fotoeléctrica en condiciones de circuito abierto, es decir, la tensión de circuito abierto Voc y (3) el factor de carga, ff.

Los dispositivos PV producen una corriente foto-generada cuando se conectan a través de una carga y se irradian con luz. Cuando se lo irradia bajo una carga infinita, un dispositivo PV genera su tensión máxima posible, V circuito abierto, o V0c- Si se irradia con sus contactos eléctricos en cortocircuito, un dispositivo PV genera su corriente máxima posible, I cortocircuito, o Isc. Cuando realmente se usa para generar energía, un dispositivo PV se conecta a una carga resistiva finita y la salida de energía está dada por el producto de la corriente y la tensión, I x V. La energía total máxima generada por un dispositivo PV es implícitamente incapaz de exceder el producto, Isc x V0c- Cuando el valor de la carga se optimiza para la extracción de energía máxima, la corriente y la tensión tienen los valores, Imzx y Vmzx, respectivamente.

Una cifra de mérito para los dispositivos PV es el factor de carga, ff, que se define como: ={ V,nax }/{kcVoc} (1) en donde ff es siempre inferior a l, ya que Isc y Voc nunca se obtienen simultáneamente en el uso real. De todos modos, cuando ff se aproxima a 1, el dispositivo tiene menos resistencia en serie o interna y por lo tanto suministra un mayor porcentaje del producto de Isc y Voc a la carga en condiciones óptimas. Cuando inc es la energía incidente en el dispositivo, la eficiencia de energía del dispositivo, ??, puede calcularse mediante: Voc)/P;nc Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada es incidente en un material orgánico semiconductor, por ejemplo, un material cristalino molecular orgánico (OMC) , o un polímero, se puede absorber un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa simbólicamente como SO + AV¾/SÜ*> Aquí, So y S0* indican los estados moleculares de conexión a tierra y excitado, respectivamente. La absorción de energía está asociada con la promoción de un electrón desde un estado ligado al nivel de energía HOMO, que puede ser una ligadura de p, al nivel de energía LUMO,- que puede ser una ligadura a p*, o en forma equivalente, la promoción de un hueco del nivel de energía LUMO al nivel de energía HOMO. En los fotoconductores orgánicos de película delgada, el estado molecular generado generalmente se cree que es un excitón, es decir un par electrón-hueco en un estado ligado que se transporta como una cuasipartícula . Los excitones pueden tener una duración apreciable antes de la recombinación geminada, que se refiere al proceso de la recombinación del electrón original y el hueco uno con otro, por oposición a la recombinación con huecos o electrones de otros pares. Para producir una corriente fotoeléctrica, el par electrón-hueco debe separarse, generalmente en una interconexión donador-aceptor entre dos películas delgadas orgánicas de contacto disímiles. Si la cargas no se separan, se pueden recombinar en un proceso de recombinación geminante, también denominado interrupción, ya sea en forma radiativa, mediante la emisión de luz de una energía menor que la luz incidente, o en forma no radiativa, mediante la producción de calor. Cualquiera de estos resultados es indeseable en un dispositivo fotosensible optoelectrónico .

Los campos eléctricos o faltas de homogeneidad en un contacto pueden hacer que un excitón se interrumpa en lugar de disociarse en la interconexión donador-aceptor, lo cual deriva en ninguna contribución neta a la corriente. En consecuencia, es deseable mantener los excitones fotogenerados alejados de los contactos. Esto tiene el efecto de limitar la difusión de los excitones a la región cerca de la unión de manera tal que el campo eléctrico asociado tiene una 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 método habitual es yuxtaponer dos capas de material con propiedades conductoras seleccionadas apropiadamente, especialmente con respecto a su distribución de estados de energía cuántica molecular. La interconexión de estos dos materiales se denomina una heterounión fotovoltaica . En la teoría de los semiconductores tradicional, se ha indicado que los materiales para formar heterouniones PV generalmente son de tipo n o p. Aquí, de tipo n indica que el tipo de portador mayoritario es el electrón. Éste se puede observar como el material que tiene muchos electrones en estados de energía relativamente libres. El tipo p indica que el tipo de portador mayoritario es el hueco. Ese material tiene muchos huecos en estados de energía relativamente libres. El tipo del fondo, es decir la concentración del portador mayoritario no fotogenerada depende principalmente de una interrupción involuntaria por defectos o impurezas. El tipo y la concentración de las impurezas determinan el valor o el nivel de la energía de Fermi dentro del espacio entre el nivel de energía orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el nivel de energía orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) , denominado espacio HOMO-LUMO. La energía de Fermi se caracteriza por la ocupación estadística de los estados de energía cuántica molecular indicada por el valor de energía para el cual la probabilidad de ocupación equivale a ½. Una energía de Fermi cercana al nivel energía LUMO indica que los electrones son el portador predominante. Una energía de Fermi cercana al nivel de energía HOMO indica que los huecos son el portador predominante. Por consiguiente, la energía de Fermi es la propiedad de caracterización principal de los semiconductores tradicionales y la heterounión PV fototípica ha sido tradicionalmente la interconexión p-n.

El término "rectificador" indica, entre otros, que una interconexión tiene una característica de conducción asimétrica, es decir la interconexión soporta el transporte de carga electrónica preferentemente en una dirección. La rectificación está asociada normalmente con un campo eléctrico incorporado que ocurre en la heterounión entre materiales seleccionados apropiadamente .

Como se utiliza aquí, y como lo entiende generalmente un experto en el arte, un primer nivel de energía "Orbital Molecular Ocupado Más Alto" (HOMO) u "Orbital Molecular No Ocupado Más Bajo" (LÜMO) es "mayor que" o "más alto que" un segundo nivel de energía HOMO o LUMO si el primer nivel de energía es más cercano al nivel de energía de 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 menor (un IP que es menos negativo) . En forma similar, un nivel de energía LUMO más alto corresponde a una afinidad de electrones (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 arriba, el nivel de energía LÜMO de un material es más alto que el nivel de energía HOMO del mismo material, ün nivel de energía HOMO o LÜMO "más alto" parece más cerca de la parte superior de ese diagrama que un nivel de energía HOMO o LUMO "más bajo".

En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donador" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía HOMO y LUMO de dos materiales orgánicos en contacto pero diferentes. Esto difiere del uso de estos términos en el contexto inorgánico, donde "donador" y "aceptor" pueden referirse a tipos de impurificantes que pueden usarse para crear capas de tipos n y p, respectivamente. En el contexto orgánico, si el nivel de energía LUMO de un material en contacto con otro es menor, entonces ese material es un aceptor. De lo contrario es un donador. Es energéticamente favorable, en la ausencia de una ¦polarización externa, que electrones en una unión de donador y aceptor se muevan en el material aceptor, y que los huecos se muevan en el material donador.

Una propiedad significativa en los semiconductores orgánicos es la movilidad del portador. La movilidad mide la facilidad con la cual un portador de carga puede moverse a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de los dispositivos orgánicos fotosensibles, una capa que incluye un material que conduce en forma preferencial electrones debido a una alta movilidad de electrones puede denominarse capa de transporte de electrones, o ETL. Una capa que incluye un material que conduce en forma preferencial huecos debido a una alta movilidad de los huecos puede denominarse capa de transporte de huecos, o HTL. Preferentemente, pero no necesariamente, un material aceptor es una ETL y un material donador es una HTL.

Las células PV semiconductoras inorgánicas convencionales emplean una unión de p y n para crear un campo interno. Las primeras células orgánicas de capa delgada, tales como las informadas por Tang et al, Appl . Phys . Lett . 48, 183 (1986), contienen una heterounión análoga a la empleada en una célula PV inorgánica convencional. Sin embargo, ahora se reconoce que además del establecimiento de una unión de tipo de p y n, el desvio del nivel de energía de la heterounión también juega un papel importante.

Se cree que el desvío del nivel de energía en la heterounión de D-A orgánica es importante para la operación de dispositivos PV debido a la naturaleza fundamental del proceso de fotogeneración en materiales orgánicos. Cuando ocurre la excitación óptica de un material orgánico, se generan excitones de Frenkel o de transferencia de carga localizados. Para que ocurra la detección eléctrica o la generación de corriente, los excitones ligados deben disociarse en sus electrones y huecos constituyentes. Ese proceso puede ser inducido por el campo eléctrico incorporado, pero la eficiencia en los campos eléctricos que generalmente se halla en los dispositivos orgánicos (F 106 V/cm) es baja. La disociación de excitones más eficiente en los materiales orgánicos ocurre en una interconexión de donador y aceptor (D-A) . En esa interconexión, el material donador con un bajo potencial de ionización forma una heterounión con un material aceptor con una alta afinidad de electrones. Según la alineación de los niveles de energía de los materiales donador y aceptor, la disociación del excitón puede hacerse energéticamente favorable en esa interconexión, llevando a un polarón de electrón libre en un ' material aceptor y un polarón de hueco libre en el material donador.

Las células PV orgánicas tienen muchas ventajas potenciales cuando se las compara con los dispositivos basados en silicio tradicionales. Las células PV orgánicas son livianas, económicas en el uso de materiales, y pueden depositarse sobre sustratos de bajo costo, tales como láminas de plástico flexibles. Sin embargo, algunos dispositivos PV orgánicos generalmente tienen una eficiencia cuántica externa relativamente baja, que está en el orden del 1% o menos. Se piensa que esto se debe, en parte, a la naturaleza de segundo orden del proceso fotoconductor intrínseco. Es decir, la generación del portador requiere la generación, difusión y ionización o recolección de excitones . Hay una eficiencia ? asociada con cada uno de estos procesos. Se pueden usar los subíndices siguientes: P para eficiencia de energía, EXT para eficiencia cuántica externa, A para absorción de fotones, ED para difusión, CC para recolección e INT para eficiencia cuántica interna. Usando esta notación: G???? ~ l']A * TjINT La longitud de difusión (LD) de un excitón es generalmente mucho menor (LD 50 A) que la longitud de absorción óptica (500 A), lo cual requiere un punto intermedio entre usar una célula gruesa, y en consecuencia resistiva, con varias interconexiones o interconexiones altamente plegadas, o una célula delgada con una eficiencia de absorción óptica baja.

Generalmente, cuando se absorbe luz para formar un excitón en una película delgada orgánica, se forma un excitón de singulete. Mediante el mecanismo de cruce inetersistema, el excitón de singulete puede decaer a un excitón de triplete. En este proceso se pierde energía lo cual deriva en una menor eficiencia para el dispositivo. Si no fuera por la pérdida de energía desde el cruce intersistema, sería deseable usar materiales que generan excitones de triplete, ya que los excitones de triplete generalmente tienen una duración más prolongada, y en consecuencia una longitud de difusión más prolongada, que los excitones de singulete.

Extracto de la Invención Se proporciona una fibra fotoactiva, asi como un método de fabricación de esa fibra. La fibra tiene un núcleo conductor que incluye un primer electrodo. Una capa orgánica rodea ye está conectada eléctricamente con el primer electrodo. Un segundo electrodo transparente rodea y está conectado eléctricamente a la capa orgánica. También se pueden incorporar en la fibra otras capas, tales como capas de bloqueo o capas de alisamiento. La fibra puede tejerse en una tela.

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 muestra un dispositivo PV orgánico que comprende un ánodo, una capa de alisamiento del ánodo, una capa de donador, una capa de aceptor, una capa de bloqueo y un cátodo.

La Figura 2 muestra una fibra fotoactiva.

La Figura 3 muestra una fibra fotoactiva que incluye una capa de bloqueo .

La Figura 4 muestra un dispositivo orgánico emisor de luz.

Descripción Detallada Se proporciona un dispositivo orgánico optoelectrónico, que tiene una estructura de fibra. Se pueden proporcionar diferentes tipos de dispositivos orgánicos optoelectrónicos , que incluyen dispositivos orgánicos fotosensibles y dispositivos orgánicos emisores de luz. Las realizaciones de la presente invención pueden comprender un ánodo, un cátodo, y una capa orgánica dispuesta entre el ánodo y el cátodo y conectada eléctricamente con ellos.

Los orgánicos fotosensibles de realizaciones de la presente invención se pueden usar, por ejemplo, para generar una corriente eléctrica utilizable a partir de radiación electromagnética incidente (por ejemplo, dispositivos PV) o pueden usarse para detectar la radiación electromagnética incidente. Una "región fotoactiva" es la porción del dispositivo fotosensible que absorbe la radiación electromagnética para generar excitones que pueden disociarse para generar una corriente eléctrica. Los dispositivos orgánicos fotosensibles optoelectrónicos pueden incluir al menos un electrodo transparente para permitir que la radiación incidente sea absorbida por el dispositivo. Varios materiales y configuraciones de dispositivos PV se describen en las Patentes Estadounidenses N° 6.657.378, 6.580.027, y 6.352.777, que se incorporan en la presente como referencia en su totalidad.

La Figura 1 muestra un dispositivo orgánico fotosensible optoelectrónico 100. Las figuras no necesariamente están dibujadas en escala. El dispositivo 100 puede incluir un sustrato 110, un ánodo 115, una capa de alisamiento del ánodo 120, una capa de donador 125, una capa de aceptor 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 depositando las capas descritas, en orden. La separación de carga puede ocurrir predominantemente en la heterounión orgánica entre la capa de donador 125 y la capa de aceptor 130. El potencial incorporado en la heterounión se determina mediante la diferencia de nivel de energía HOMO-LÜMO entre los dos materiales que entran en contacto para formar la heterounión. El desvío del espacio HOMO-LÜMO entre los materiales de donador y aceptor produce un campo eléctrico en la interconexión de donador y aceptor que facilita la separación de carga para los excitones creados dentro de una longitud de difusión de excitones de la interconexión.

Los OLED usan películas orgánicas delgadas que emiten luz cuando se aplica tensión a través del dispositivo. Los OLED se están haciendo una tecnología cada vez más interesante para su uso en aplicaciones tales como visores de panel plano, iluminación e iluminación de fondo. Varios materiales y configuraciones de OLED se describen en las Patentes Estadounidenses N° 5.844.363, 6.303.238 y 5.707.745, que se incorporan aquí como referencia en su totalidad.

Generalmente, un OLED comprende al menos una' capa orgánica dispuesta entre un ánodo y un cátodo y conectada eléctricamente a ellos. Cuando se aplica una corriente, el ánodo inyecta huecos y el cátodo inyecta electrones en la capa(s) orgánica. Los huecos y electrones inyectados migran cada uno hacia el electrodo de carga contraria. Cuando un electrón y hueco se localizan en la misma molécula, se forma un "excitón", que es un par de electrón y hueco localizado que tiene un estado de energía excitado. Se emite luz cuando el excitón se relaja a través de un mecanismo emisor de luz. En algunos casos, el excitón puede localizarse en un excímero o un exciplex. También pueden ocurrir mecanismos no radiativos, tales como relajación térmica, pero generalmente se consideran indeseables.

La Figura 4 muestra un dispositivo orgánico de emisión de luz 400. Las figuras no necesariamente están dibujadas en escala. El dispositivo 400 puede incluir un sustrato 410, un ánodo 415, una capa de inyección de huecos 420, una capa de transporte de huecos 425, una capa de bloqueo de electrones 430, una capa emisora 435, una capa de bloqueo de huecos 440, una capa de transporte de electrones 445, una capa de inyección de electrones 450, una capa fotoactiva 455, y un cátodo 460. El cátodo 460 es un cátodo compuesto que tiene una primera capa conductora 462 y una segunda capa conductora 464. El dispositivo 400 puede fabricarse depositando las capas descriptas, en orden.

La composición y la disposición especificas de las capas que se ilustran en las Figuras 1 y 4 es solamente un ejemplo, y no es taxativa. Por ejemplo, se pueden omitir algunas de las capas (tales como las capas de bloqueo) . Se pueden agregar otras capas (tales como capas reflectoras y/o capas antirreflectoras) . Para dispositivos fotosensibles, se pueden usar capas de aceptor y donador adicionales (es decir, células en tándem) , o se pueden usar otros tipos de dispositivos orgánicos fotosensibles que no tienen capas orgánicas de aceptor y donador separadas. Se pueden usar otros tipos de OLED, tales como OLED sin capas de transporte de electrones y/o de huecos. Se puede alterar el orden de las capas. Se pueden usar disposiciones diferentes de aquellas descritas específicamente aquí. Un experto en el arte, con el beneficio de esta descripción, debe poder adaptar diferentes configuraciones del dispositivo a una estructura de la fibra.

Los materiales y estructuras específicas que se describen son ejemplos, y se pueden usar otros materiales y estructuras. Se pueden lograr dispositivos funcionales combinando las diferentes capas descritas de diferentes maneras, o las capas se pueden omitir en lo absoluto, basado en factores de diseño, rendimiento y costo. También se pueden incluir otras capas que no se describen específicamente. Se pueden usar materiales diferentes de aquellos descritos específicamente. Aunque muchos de los ejemplos que se dan aquí describen diferentes capas que comprenden un solo material, se entiende que se pueden usar combinaciones de materiales, tales como una mezcla de huésped e impurificante, o más generalmente una mezcla. Además, las capas pueden tener diferentes subcapas. Los nombres que se dan aquí a las diferentes capas no son estrictamente taxativos. Por ejemplo, en un OLED, una capa de bloqueo de electrones también puede funcionar como una capa de transporte de huecos. En una realización, un OLED o un dispositivo fotosensible se puede describir como que tiene una "capa orgánica" dispuesta entre un cátodo y un ánodo. Esta capa orgánica puede comprender una sola capa, o puede comprender además varias capas de materiales orgánicos diferentes como se describe, por ejemplo, con respecto a las Figuras 1 y 2.

También pueden usarse estructuras y materiales que no se describen específicamente, tales como los OLED que comprenden materiales poliméricos (PLED) tales como los que se describen en la Patente Estadounidense N° 5.247.190 de Friend et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. A modo de otro ejemplo, se pueden usar OLED que tienen una sola capa orgánica. Los OLED se pueden apilar, por ejemplo como se describe en la Patente Estadounidense N° 5.707.745 de Forrest et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. La estructura del dispositivo puede diferir de la estructura de capas simple ilustrada en las Figuras 1 y 4. Por ejemplo, el sustrato puede incluir una superficie reflectora en ángulo para mejorar la conexión exterior, tal como una estructura de meseta que se describe en la Patente Estadounidense N° 6.091.195 de Forrest et al, y/o una estructura de picadura que se describe en la Patente Estadounidense N° 5.834.893 de Bulovic et al, que se incorporan aquí como referencia en su totalidad.

El sustrato puede ser cualquier sustrato adecuado que proporciona propiedades estructurales deseadas. El sustrato puede ser flexible o r gido. El sustrato puede ser transparente, translúcido u opaco. Plástico y vidrio son ejemplos de materiales rígidos preferidos del sustrato. Láminas de plástico y metal son ejemplos de materiales flexibles preferidos del sustrato. El material y el espesor del sustrato pueden elegirse para obtener las propiedades estructurales y ópticas estructurales deseadas.

La Patente Estadounidense N° 6.352.777, incorporada aquí como referencia, da ejemplos de electrodos, o contactos, que pueden usarse en un dispositivo optoelectrónico . Cuando se usan aquí, los términos "electrodo" y "contacto" se refieren a las capas que proporcionan un medio para suministrar corriente fotogenerada a un circuito externo o proporcionar una tensión de polarización al dispositivo. Un electrodo, o contacto, proporciona la interconexión entre las regiones fotoactivas de un dispositivo orgánico fotosensible optioelectrónico y un cable, correa, tirante u otro medio para transportar los portadores de carga hacia o desde el circuito externo. En un dispositivo fotosensible optoelectrónico, es deseable permitir que se admita la cantidad máxima de la radiación electromagnética ambiente desde el exterior del dispositivo en la región interior activa fotoconductora . La radiación electromagnética que llega a una capa(s) fotoconductora puede convertirse en electricidad mediante absorción fotoconductora . Esto con frecuencia indica que al menos uno de los contactos eléctricos debe estar absorbiendo mínimamente y reflejando mínimamente la radiación electromagnética incidente. Preferentemente, ese contacto es sustancialmente transparente. El electrodo opuesto puede se un material reflector de manera que la luz que ha pasado a través de la célula sin ser absorbida se refleja hacia atrás a través de la célula. Como se usa aquí, se dice que una capa de material o una secuencia de varias capas de diferentes materiales es "transparente" cuando la capa o capas permiten que al menos el 50% de la radiación electromagnética ambiente en longitudes de onda relevantes se transmita a través de la capa o capas. En forma similar, se dice que las capas que permiten algo, pero menos del 50% de la transmisión de la radiación electromagnética ambiente en longitudes de onda relevantes son "semitransparentes" .

Como se usa aquí, "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 es generalmente el primer electrodo que se fabrica. 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 está dispuesta 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, aún cuando haya diferentes capas orgánicas entre ellos. En el contexto de un dispositivo coaxial u otra configuración no planar, "dispuesto sobre" significa dispuesto más alejado de la parte de la estructura que sirve como núcleo o sustrato, es decir, la parte de la estructura sobre la cual se fabrica el resto de la estructura.

Los electrodos preferentemente están compuestos de metales o "sustitutos de metales". Aquí, el término "metal" se usa para abarcar tanto materiales compuestos de un material puro como elemento, por ejemplo Mg, como aleaciones de metales que son materiales compuestos de dos o más metales puros como elementos, por ejemplo, Mg y Ag juntos, que se indica 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 propiedades similares a los metales que se desean en ciertas aplicaciones apropiadas. Sustitutos de metales usados comúnmente para electrodos y capas de transferencia de carga incluyen semiconductores de espacio de banda ancha interrumpidos, por ejemplo, óxidos conductores transparentes tales como óxido de indio y estaño (ITO) , óxido de galio indio y estaño (GITO) , y óxido de zinc indio y estaño (ZITO) . En particular ITO es un semiconductor n+ degenerado altamente interrumpido con un espacio de banda óptica de 3,2 eV, que lo hace transparente a longitudes de onda superiores a 3900 A. Otro sustituto de metal adecuado es la polianalina polimérica conductora transparente (PAÑI) y sus parientes químicos. Los sustitutos de metal pueden seleccionarse también de una amplia gama de materiales no metálicos, en donde el término "no metálico" abarca una amplia gama de materiales siempre que el material esté libre de metal en su forma no combinada químicamente. Cuando un metal está presente en su forma no combinada químicamente, solo o en combinación con uno o más metales como una aleación, se puede decir alternativamente que el metal está presente en su forma metálica o que es un "metal libre". En consecuencia, los electrodos de sustituto de metal de la presente invención pueden algunas veces denominarse "libre de metal" en donde el término "libre de metal" abarca expresamente un material libre de metal en su forma no combinada químicamente. Los metales libres generalmente tienen una forma de enlace metálico que deriva de numerosos electrones de valencia que son libres de moverse en una banda de conducción electrónica por toda la red del metal. Si bien los sustitutos de metal pueden contener constituyentes metálicos son "no metálicos" basados en varias cosas. No son metales libres puros ni son 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 asi como una alta reflexión para la radiación óptica.

Las realizaciones de la presente invención pueden incluir, como uno o más de los electrodos transparentes de un dispositivo optoelectrónico, un cátodo de baja resistencia, no metálico, altamente transparente tal como los que se describen en la Patente Estadounidense N° 6.420.031 de Parthasarathy et al ("Parthasarathy ?031") , o un cátodo compuesto metálico/no metálico de baja resistencia, altamente eficiente tal como los que se describen en la Patente Estadounidense N° 5.703.436 de Forrest et al ("Forrest et al") , ambas incorporadas aquí como referencia en su totalidad. Cada tipo de cátodo preferentemente se prepara en un proceso de fabricación que incluye el paso de deposición electrónica de una capa de ITO sobre un material orgánico, tal como ftalocianina de cobre (CuPc) , para formar un cátodo de baja resistencia, no metálico, altamente transparente o sobre una capa delgada de Mg:Ag para formar un cátodo compuesto metálico/no metálico de baja resistencia, altamente eficiente.

Aquí, 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 ambiente y conectado con una carga resistiva y con ninguna tensión aplicada en forma externa, por ejemplo, un dispositivo PV, los electrones se mueven hacia el cátodo desde el material fotoconductor . En un OLED, se inyectan electrones en el dispositivo desde el cátodo. En forma similar, el término "ánodo" se usa aqui de manera tal que en un dispositivo PV bajo iluminación, los huecos se mueven hacia el ánodo desde el material fotoconductor, lo cual equivale a electrones que se mueven en la forma opuesta. Se señala que como se usan los términos aquí, ánodos y cátodos pueden ser electrodos o capas de transferencia de carga.

Un dispositivo orgánico fotosensible comprende al menos una región fotoactiva en la cual se absorbe luz para formar un estado excitado, o "excitón", que puede posteriormente disociarse en un electrón y un hueco. La disociación del excitón generalmente ocurre en la heterounión que se forma mediante la yuxtaposición de una capa de aceptor y una capa de donador. Por ejemplo, en el dispositivo de la Figura 1, la "región fotoactiva" puede incluir la capa de donador 125 y la capa de aceptor 130.

El material aceptor puede estar compuesto, por ejemplo de perilenos, naftálenos, fulerenos o nanotúbulos. Un ejemplo de un material aceptor es bis-bencimidazol 3,4,9,10-perilentetracarboxilico (PTCBI) . Alternativamente, la capa de aceptor puede comprender un material fulereno descrito en la Patente Estadounidense N° 6.580.027, incorporada aqui como referencia en su totalidad. Adyacente a la capa de aceptor, hay una capa del material de tipo de donador orgánico. El limite de la capa de aceptor y la capa de donador forma la heterounion que puede producir un campo eléctrico generado internamente. El material para la capa de donador puede una ftlocianina o una porfirina, o un derivado o un complejo de metal de transición de él, tal como ftalocianina de cobre (CuPc) . Se pueden usar otros materiales de aceptor o de donador adecuados.

Mediante el uso de un material organometálico en la región fotoactiva, los dispositivos fotosensibles que incorporan esos materiales pueden utilizar eficientemente excitones de triplete. Se cree que la mezcla de singulete y triplete puede ser tan potente para los compuestos organometálicos, que las absorciones involucran la excitación desde estados de conexión a tierra de singulete directamente a estados excitados de triplete, eliminando las pérdidas asociadas con la conversión desde el estado excitado de singulete al estado excitado de triplete. La duración y la longitud de difusión más prolongadas de los excitones de triplete comparados con los excitones de singulete pueden permitir el uso de una región fotoactiva más gruesa, ya que los excitones de triplete pueden difundir una mayor distancia para llegar a la hetarounión de donador y aceptor, sin sacrificar la eficiencia del dispositivo. También se pueden usar materiales diferentes de los organometálicos.

En una realización preferida de la invención, las capas orgánicas apiladas de un dispositivo fotoactivo incluyen una o más capas de bloqueo de excitones (EBL) que se describen en la Patente Estadounidense N° 6.097.147 de Peumans et al, Applied Physics Letters 2000, 76, 2650-52, y la solicitud en trámite acta número 09/449.801, presentada el 26 de noviembre de 1999, ambas incorporadas aqui como referencia. En los dispositivos PV, se han logrado eficiencias cuánticas interna y externa más altas incluyendo una EBL para confinar los excitones fotogenerados a la región cercana a la interconexión de disociación y para impedir la interrupción de excitones parásitos en una interconexión de orgánico fotosensible/electrodo. Además de limitar el volumen sobre el cual se pueden difundir los excitones, una EBL también puede actuar como barrera para la difusión para sustancias introducidas durante la deposición de los electrodos. En algunas circunstancias, una EBL puede hacerse suficientemente gruesa para llenar orificios o defectos en cortocircuito que pueden de lo contrario hacer a un dispositivo PV orgánico no funcional. Una EBL puede en consecuencia ayudar a proteger capas orgánicas frágiles del daño producido cuando los electrodos se depositan sobre los materiales orgánicos.

Se cree que las EBL obtienen su propiedad de bloqueo de excitones del hecho de que tienen un espacio de energía de LUMO-HOMO sustancialmente de mayor tamaño que la del semiconductor orgánico adyacente desde el cual se bloquean los excitones. Por lo tanto, se prohibe que los excitones confinados existan en la EBL debido a consideraciones energéticas. Si bien es deseable que la EBL bloquee los excitones, no es deseable que la EBL bloquee toda la carga. Sin embargo, debido a la naturaleza de los niveles de energía adyacentes, una EBL necesariamente bloquea un signo del portador de carga. Por su diseño, siempre existe una EBL entre otras dos capas, generalmente una capa de semiconductor orgánico fotosensible y un electrodo o una capa de transferencia de carga. El electrodo o la capa de transferencia de carga adyacente está en el contexto de un cátodo o un ánodo. En consecuencia, el material para una EBL en una posición dada en un dispositivo se elige de manera tal que el signo deseado del portador no se impide en su transporte al electrodo o a la capa de transferencia de carga. La alineación del nivel de energía correcta asegura que no existe ninguna barrera para el transporte de la carga, impidiendo un aumento en la resistencia en serie. Por ejemplo, es deseable que un material usado como una EBL lateral de cátodo tenga un nivel de energía LUMO estrechamente igualado al nivel de energía LUMO del material de ETL adyacente de manera tal que no se minimiza ninguna barrera indeseada para los electrones.

Se debe apreciar que la naturaleza de bloqueo de excitones no es una propiedad intrínseca de su espacio de energía de HOMO-LUMO. Si un material dado actúa como un bloqueador de excitones depende de los niveles de energía HOMO y LUMO relativos del material orgánico fotosensible adyacente. En consecuencia, no es posible identificar una clase de compuestos aislados como bloqueadores de excitones sin tener en cuenta el contexto del dispositivo en el cual se pueden usar. Sin embargo, con las enseñanzas de la presente un experto en el arte puede identificar si un material dado funciona como una capa de bloqueo de excitones cuando se usa con un conjunto de materiales seleccionado para construir un dispositivo PV orgánico.

En una realización preferida de la invención, una EBL está situada entre la capa de aceptor y el cátodo de un dispositivo fotosensible. Un material preferido para la EBL comprende 2,9-dimetil-4, 7-difenil-l, 10-fenantrolina (también denominada batocuproína o BCP) , que se cree que tiene una separación de nivel de energía LUMO-HOMO de 3,5 eV, o fenolato de bis (2-metil-8-hidroxiquinolinoato) -aluminio (III) (Alq2OPH) . La BCP es un bloqueador de excitón eficaz que puede transportar fácilmente electrones hacia el cátodo desde la capa de aceptor.

La capa EBL puede interrumpirse con un interruptor adecuado, que incluye en forma no taxativa dianhídrido de 3,4,9,10-perilentetracarboxílico (PTCDA) , 3, 4, 9, 10-perilentetracarboxílico diimida (PTCDI) , 3, 4 , 9, 10-perilentetracarboxílico-bis-bencimidazol (PTCBI), dianhidrido de 1,4,5,8-naftalentetracarboxílico (NTCDA) , y derivados de ellos. Se piensa que la BCP depositada en los presentes dispositivos es amorfa. Las presentes capas de bloqueo de excitones de BCP aparentemente amorfas pueden presentar recristalización de la película, que es especialmente rápida bajo altas intensidades de luz. El cambio de la morfología resultante a un material policristalino deriva en una película de menor calidad con posibles defectos tales como cortocircuitos, vacíos o intrusión del material de electrodo. Por consiguiente, se ha hallado que la interrupción de algunos materiales de EBL, tales como BCP, que presentan este efecto con una molécula relativamente grande y estable, adecuada puede estabilizar la estructura de la EBL para impedir cambios de morfología que degradan el rendimiento. Se debe apreciar además que la interrupción de una EBL que transporta electrones en un dispositivo con un material que tiene un nivel de energía de LUMO cercano al de la EBL ayuda a asegurar que no se formen trampas de electrones que pueden producir una formación de carga de espacio y reducir el rendimiento. Además, se debe apreciar que densidades de interrupción relativamente bajas deben minimizar la generación de excitones en sitios de interrupción aislados. Dado que se prohibe eficazmente que esos excitones se difundan rodeando el material de EBL, esas absorciones reducen la eficiencia de fotoconversión del dispositivo.

Las realizaciones representativas de dispositivos fotoactivos también pueden comprender capas de transferencia de carga o capas de recombinación de carga transparentes. Como se describen aquí las capas de transferencia de carga se distinguen de las capas de aceptor y donador por el hecho de que las capas de transferencia de carga frecuentemente, pero no necesariamente son inorgánicas (con frecuencia metales) y se elige que no sean activas fotoconductoras . El término "capa de transferencia de carga" se usa aquí para referirse a las capas similares pero diferentes de los electrodos en que una capa de transferencia de carga solamente suministra portadores de carga desde una subsección de un dispositivo optoelectrónico a la subsección adyacente. El término "capa de recombinación de carga" se usa aquí para referirse a capas similares pero diferentes de electrodos en que una capa de recombinación de carga permite la recombinación de electrones y huecos entre dispositivos fotosensibles en tándem y también puede aumentar la resistencia del campo óptico interno cercano a una o más capas fotoactivas . Una capa de recombinación de carga se puede construir de nanogrupos, nanoparticulas y nanobarras de metales semitransparentes que se describen en la Patente Estadounidense N° 6.657.378, incorporada aqui como referencia en su totalidad.

En una realización preferida de la invención, una capa de alisamiento de ánodo se sitúa entre el ánodo y la capa de donador. Un material preferido para esta capa comprende una película de 3 , 4-polietilentioferio : poliestirensulfonato (PEDOT:PSS). La introducción de la capa de PEDOT-.PSS entre el ánodo (ITO) y la capa de donador (CuPC) puede llevar a rendimientos de fabricación muy mejorados. Esto se atribuye a la capacidad de la película de PEDOTrPSS recubierta con rotación para hacer planar el ITO, cuya superficie rugosa puede de lo contrario derivar en cortocircuitos a través de las capas moleculares delgadas.

En otra realización de la invención, una o más de las capas pueden tratarse con plasma antes de depositar la capa siguiente.

Las capas pueden tratarse, por ejemplo, con un plasma de argón u oxigeno moderado. Este tratamiento es beneficioso ya que reduce la resistencia en serie. Es particularmente ventajoso que la capa de PEDOTrPSS está sujeta a un tratamiento con plasma moderado antes de la deposición de la capa siguiente.

La estructura con capas simple ilustrada en la Figura 1 se proporciona a modo de ejemplo no taxativo, y se entiende que las realizaciones de la invención pueden usarse en relación con una amplia variedad de otras estructuras. Los materiales y las estructuras especificas que se describen son ejemplos y se pueden usar otros materiales y estructuras. Los dispositivos funcionales pueden lograrse combinando las diferentes capas descritas de diferentes maneras, o las capas pueden omitirse totalmente, basado en factores de diseño, rendimiento y costo. También se pueden incluir otras capas que no se describen específicamente. Se pueden usar materiales diferentes de aquellos descritos específicamente. Aunque muchos de los ejemplos proporcionados aquí describen diferentes capas que comprenden un solo material, se entiende que se pueden usar combinaciones de materiales, tales como una mezcla de huésped e interruptor, o más generalmente una mezcla. Además, las capas pueden tener diferentes subcapas. Los nombres dados a las diferentes capas aquí no son estrictamente taxativos. Las capas orgánicas no forman parte de la región fotoactiva, es decir las capas orgánicas que generalmente no absorben fotones que hacen un aporte significativo a la corriente fotoeléctrica, se pueden denominar "capas no fotoactivas" . Ejemplos de capas no fotoactivas incluyen EBL y capas de alisamiento del ánodo. También se pueden usar otros tipos de capas no fotaocativas .

Materiales orgánicos preferidos para su uso en las capas fotoactivas de un dispositivo fotoactivo incluyen compuestos organometálicos ciclometalizados . El término "organometálico" como se usa aqui es lo que entiende generalmente un experto en el arte y que se da, por ejemplo en "Inorganic Chemistry" (2nd Edition) por Gary L. Miessler y Donald ?. Tarr, Pentice-Hall (1-998). Por lo tanto, el término "organometálico" se refiere a compuestos que tienen un grupo orgánico enlazado a un metal a través de un enlace de carbono-metal. Esta clase no incluye per se compuestos de coordinación, que son sustancias que tienen solamente enlaces de donadores desde heteroátomos, tales como complejos de aminas, haluros, pseudohaluros (CN, etc) y similares. En la práctica los compuestos organometálicos comprenden, además de uno o más enlaces de carbono-metal a una especie orgánica, uno o más enlaces de donadores desde un heteroátomo. El enlace de carbono-metal a una especie orgánica se refiere a un enlace directo entre un metal y un átomo de carbono de un grupo orgánico, tal como fenilo, alquilo, alquenilo, etc, pero no se refiere a un enlace de metal a un "carbono inorgánico", tal como el carbono de CN o CO. El término "ciclometalizado" se refiere a compuestos que comprenden un ligando organometálico bidentado de manera tal que, al enlazarlo 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 usando deposición de vacio, recubrimiento con rotación, deposición de fase de vapor orgánica, impresión de chorro de tinta y otros métodos conocidos en el arte .

Los dispositivos orgánicos fotosensibles optoelectronicos de realizaciones de la presente invención pueden funcionar como PV, fotodetector o fotoconductor . Cada vez que los dispositivos orgánicos fotosensibles optoelectronicos de la presente invención funcionan como un dispositivo PV, los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y los espesores de ellas se pueden seleccionar, por ejemplo, para optimizar la eficiencia cuántica externa del dispositivo. Cada vez que los dispositivos orgánicos fotosensibles optoelectronicos de la presente invención funcionan como fotodetectores o fotoconductores , los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y los espesores de ellas pueden seleccionarse, por ejemplo, para maximizar la sensibilidad del dispositivo a regiones espectrales deseadas .

Este resultado puede lograrse teniendo en cuenta varias pautas que pueden usarse en la selección de los espesores de las capas. Es deseable que la longitud de difusión de excitones, LD, sea mayor que o comparable con el espesor de la capa, L, ya que se cree que la mayor parte de la disociación de excitones ocurre en una interconexión. Si LD es menor que 1, entonces muchos excitones pueden recombinarse antes de la disociación. También es deseable que el espesor total de la capa fotoconductora sea del orden de la longitud de absorción de radiación electromagnética, 1/ (donde a es el coeficiente de absorción) , de manera que casi la totalidad de la radiación incidente sobre el dispositivo PV sea absorbida para producir excitones. Además, el espesor de la capa fotoconductora debe ser tan delgado como sea posible para evitar la resistencia en serie en exceso debido a la alta resistividad global de los semiconductores orgánicos. Por consiguiente, estas pautas competidoras implícitamente requieren que se establezcan puntos intermedios en la selección de los espesores de las capas orgánicas fotoconductoras de una célula fotosensible optoelectrónica . Por lo tanto, por otra parte, es deseable un espesor que es comparable o mayor que la longitud de absorción (para un dispositivo de una sola célula) para absorber la cantidad máxima de radiación incidente. Por otra parte, a medida que aumenta el espesor de la capa fotoconductora, aumentan dos efectos indeseables. Uno es que debido a la alta resistencia en serie de los semiconductores orgánicos, un espesor aumentado de la capa orgánica aumenta la resistencia del dispositivo y reduce la eficiencia. Otro efecto indeseable es que el aumento del espesor de la capa fotoconductora aumenta la posibilidad de que los excitones se generen lejos del campo eficaz en una interconexión de separación de carga, lo cual deriva en una mayor probabilidad de recombinación geminada y, nuevamente, una eficiencia reducida. En consecuencia, se desea una configuración del dispositivo que equilibre entre estos efectos competidores en una forma que produzca una alta eficiencia cuántica externa para el dispositivo total.

Los dispositivos orgánicos fotosensibles optoelectrónicos pueden funcionar como fotodetectores . En esta realización, el dispositivo puede ser un dispositivo orgánico de varias capas, como se describe por ejemplo en la Solicitud de Patente Estadounidense Acta N° 10/723.953, presentada el 26 de noviembre de 2003, incorporada aqui como referencia en su totalidad. En este caso se puede aplicar generalmente un campo eléctrico externo para facilitar la extracción de las cargas separadas.

Se puede emplear una configuración de concentrador o atrapador para aumentar la eficiencia del dispositivo orgánico fotosensible optoelectrónico, donde se impulsan fotones para hacer varios pasos a través de las regiones absorbentes delgadas. Las Patentes Estadounidenses N° 6.333.458 y 6.440.769, incorporadas aqui como referencia en su totalidad, enfrenta este problema usando diseños estructurales que aumentan la eficiencia de fotoconversión de los dispositivos fotosensibles optoelectrónicos optimizando la geometría óptica para la alta absorción y para su uso con concentradores ópticos que aumentan la eficiencia de recolección. Esas geometrías para los dispositivos fotosensibles aumentan sustancialmente el camino óptico a través del material atrapando la radiación incidente dentro de una cavidad reflectora o estructura guíaondas, y reci'clando así la luz mediante la reflexión múltiple a través del material fotosensible. Las geometrías que se describen en las Patentes Estadounidenses N° 6.333.458 y 6.440.769 en consecuencia aumentan la eficiencia cuántica externa de los dispositivos sin producir un aumento sustancial en la resistencia global. En la geometría de esos dispositivos está incluida una primera capa reflectora; una capa aisladora transparente que debe ser más larga que la longitud de coherencia óptica de la luz incidente en todas las dimensiones para impedir los efectos de interferencia de microcavidad óptica; una primera capa de electrodos transparente adyacente a la capa aisladora transparente; una heteroestructura fotosensible adyacente al electrodo transparente; y un segundo electrodo que también es reflector.

Se pueden usar recubrimientos para enfocar la energía óptica en regiones deseadas de un dispositivo. La Solicitud de Patente Estadounidense N° 10/857.747, que se incorpora como referencia en su totalidad, proporciona ejemplos de ese recubrimiento.

Las células solares orgánicas generalmente comprenden capas delgadas (100 nm) de compuestos orgánicos moleculares o poliméricos colocados entre electrodos de metal y de ITO. El ITO puede depositarse electrónicamente sobre hojas de vidrio o plástico, los materiales orgánicos pueden depositarse mediante evaporación térmica al vacio (VTE) , deposición de fase de vapor (OVPD) , moldeado por centrifugado o recubrimiento por inmersión. Los cátodos de metal se pueden evaporar térmicamente en vacio. El dispositivo puede iluminarse desde el lado de ITO. A diferencia de la célula fotovoltaica de silicio, la absorción de fotones puede no generar inmediatamente pares de carga. La generación de corriente fotoeléctrica en esta estructura puede ocurrir en cuatro pasos consecutivos: 1) absorción de fotones para generar un par de carga ligado, denominado excitón de Frenkel, 2) difusión de excitones hacia la interconexión de donador y aceptor, 3) disociación de excitones en un par de electrones y huecos, y 4) recolección de los electrones y los huecos en los electrodos. Generalmente, se elige el material de donador que tiene un potencial de ionización bajo (IP) , mientras que el material aceptor tiene una afinidad de electrones alta (EA) , excitando la disociación exotérmica del excitón en la interconexión .

Las capas individuales pueden preferentemente ser suficientemente gruesas para la absorción eficiente de luz, mientras que están dentro de la longitud de difusión característica de los excitones. La Tabla 1, a continuación, proporciona una lista de longitudes de difusión de excitones típicas para algunos materiales de células PV orgánicas preferidas.

Material Técnica de LD (A) Referencia Sistemas de Moléculas Pequeñas PTCBI 30+3 enfriamiento PL (1) PTCDA 880±60 desde ??0? (3) PPEI 700 enfriamiento PL (5) CuPc 100+30 desde T)EQE (1) 680±200 desde ???3? (6) ZnPc 300±100 desde ??0? (7) C60 400±50 desde ??0? (1) 141 desde ??0? (2) Alq3 200 (8) 200 (9) Q Sistemas Poliméricos PPV 70±10 desde ??0? (4) 120+30 desde ??0? (6) PEOPT 47 desde ??0? (2) 50 enfriamiento PL (10) En la tabla precedente, PPEI es perilen bis (feniletilimida) , alq3 es tris ( 8-hidroxiquinilina) aluminio, CuPc es ftalocianina de cobre, ZnPc es ftalocianina de zinc. El resultado para PPEI se calcula usando el resultado para la superficie de enfriamiento de SnO2 y suponiendo una velocidad de recombinación superficial infinita. Los resultados que derivan en LD para PPEI de 2,5±0,5 µ?? probablemente estén influidos por la difusión del enfriador y los cambios morfológicos durante la recocción asistida por vapor de solvente. El resultado para PPV con 120±30 no tiene en cuenta los efectos de la interferencia óptica. Las mediciones de la longitud de difusión se obtuvieron de las siguientes fuentes: (1) Peumans, P; Yakimov, A; Forrest, SR, J. Appl. Phys . 2003, 93, 3693; (2) L.A.A. Petterson et al, J. Appl. Phys. 86, 487 (1999); (3) V. Bulovic y S.R. Forrest, Chem. Phys. 210, 13 (1996); (4) J.J. M. Halls et al, Appl. Phys. Lett . , 68, 3120 (1996); (5) B.A. Gregg et al, J.Phys. Chem. B 101, 5362 (1997); (6) T. Stübinger y W.l Brütting, J. Appl. Phys 90, 3632 (2001); (7) H.R. Kerp y E.E. van Fassen, Nord. Hydrol. 1, 1761 (1999); (8) A.L. Burin y M.A. Ratner, J.Phys. Chem. A 104, 4704 (2000); (9) V.E. Choong et al, J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1838 (1998); (10) M. Theander et al, Phys. Rev. B 61, 12957 (2000) .

Debido a los altos coeficientes de absorción en muchos compuestos orgánicos (por ejemplo, ftalocianina de cobre) en equilibrio que deriva en espesores de la capa deseables de 100 a 1000 A, mucho más delgada que las capas activas de células basadas en silicio o fotovoltaicas de Gratzel. Las moléculas orgánicas y las cadenas polxméricas pueden mantenerse juntas mediante fuerzas de van der Waals, y pueden formar películas sólidas de baja densidad (1,1 g/cm3) en condiciones ambiente. Las películas pueden depositarse a bajas temperaturas del sustrato, permitiendo que las células fotovoltaicas orgánicas se construyan sobre una variedad de sustratos, sin necesidad de igualar en red las capas activas al sustrato, y con un presupuesto térmico modesto.

Tang y Van Slyke demostraron una célula orgánica de heterounion en 1986, que tiene una eficiencia cuántica del 1%. Principalmente sin embargo, esta primera célula fotovoltaica de heterounion era limitada debido a la longitud de difusión corta de los excitones, que produjo que la mayor parte de los excitones decayeran (en fotones) antes de llegar a la interconexión. El progreso en las células fotovoltaicas orgánicas de heterounion plana ha sido lenta, hasta recientemente, cuando se introdujeron materiales tales como ?ß? que tienen longitudes de difusión de excitones largas, asi como estructuras de dispositivos novedosas, tales como la heterounion global.

La heterounion global puede ser una red de interpenetración de materiales donador y aceptor. A diferencia de una heterounion sustancialmente plana, la absorción de un fotón puede ocurrir cerca de la interconexión de donador y aceptor, aumentando la probabilidad de disociación de carga. Para fabricar heterouniones globales, una película- molecular mezclada de donador y aceptor puede depositarse sobre un sustrato y recocerse para inducir la separación de fase. En forma similar, dos polímeros pueden fundirse con espín y dejarse segregar la fase, produciendo una estructura de ineterpenetración. Se han logrado eficiencias tan alta como 3,5% en ambos sistemas polimérico y de moléculas pequeñas .

Información general sobre C6o y eficiencias pueden estar disponibles en, por ejemplo, Peumans, P. Y S.R. Forrest, Very-High Effieciency Double-Heterostructure Koper Phthalocyanine/C60 Photovoltaic Cells, Applied Physics Letters, 2001, 79(1): página 126. Se puede hallar información general con respecto a las estructuras de heterounión global (heterounión global) en Peumans, P., S. Uchida y S.R. Forrest, Efficient Bulk Heterojunction Photovoltaic Cells Using Small-Molecular-Weight Organic Thin Films, Nature, 2003, 425(6954): página 158 y/o en Shaheen, S.E. et al, Efficient Organic Plástic Solar Cells, Applied Physics Letters, 2001, 78(6): página 841.

Se pueden anticipar mayores aumentos usando mejores materiales orgánicos, células fotovoltaicas en tándem, y nanogrupos metálicos. La lista precedente es un ejemplo y es excluyente. Se puede encontrar información general con respecto a nanogrupos metálicos en Yakimov, A. y S.R. Forrest, High Photovoltage Múltiple-Heterojunction Organic Solar Cells Incorporating Interfacial Metallic Nanoclusters. Applied Physics Letters, 2002, 80(9) página 1667-1669.

Si bien las células fotovoltaicas orgánicas conocidas pueden no ser más eficientes que las células de silicio o de Gratzel, son potencialmente más fáciles y menos costosas de producir. Los materiales orgánicos también permiten una elección más amplia de los sustratos. En una realización de la presente se describe un método de fabricación de una célula fotovoltaica orgánica (en forma de fibra) que, con el estado actual del arte y los materiales actuales, debe derivar en células solares con un 3,5% o más eficientes, pero a un costo significativamente reducido y en un factor de forma más versátil en conjunto con células fotovoltaicas orgánicas conocidas .

La Figura 2 muestra una representación de una estructura de fibra fotoactiva 200 de acuerdo con una realización de la invención. Para la claridad de la ilustración, la Figura 2 puede no estar en escala. La estructura de fibra fotoactiva 200 puede comprender un elemento de soporte 202; un primer electrodo 204, que puede rodear sustancialmente al elemento de soporte 202; una capa orgánica 206, que puede rodear sustancialmente a la primera capa de electrodo 204 y que comprende una región fotoactiva; un segundo electrodo 208, que puede rodear sustancialmente a la capa orgánica 206; y un conductor auxiliar 210, que puede estar en contacto eléctrico con alguna superficie del electrodo transparente 208. La estructura de fibra fotoactiva 200 de acuerdo con una realización de la invención puede también comprender una capa exterior 212.

En una realización, el elemento de soporte 202 puede fabricarse de un material sólido flexible. Ejemplos de ellos pueden incluir una fibra óptica, una fibra de telecomunicaciones, y una hebra de nylon sólido. En una realización, el núcleo puede ser una hebra de nylon sólido. Se pueden usar otros materiales son aceptables sin apartarse del alcance de la invención, y una amplia variedad de dimensiones según los requerimientos estructurales de una aplicación particular. Juntos, el elemento de soporte 202 y el primer electrodo 204 comprenden un "núcleo conductor". El elemento de soporte 202 puede ser conductor o no conductor. En una realización, el núcleo conductor puede ser un solo elemento, sin necesidad de un elemento de soporte 202 separado del primer electrodo 204. Preferentemente, ese núcleo conductor comprende un material que proporciona suficientes propiedades estructurales y conductividad. Los cables de metal son un ejemplo preferido de ese núcleo conductor. Sea o no que haya un elemento de soporte 202 separado, el primer electrodo 204 puede estar compuesto de dos o más capas (tales como, por ejemplo, una primera capa de aluminio rodeada por una segunda capa de litio) . Ejemplos de materiales conductores adecuados incluyen plata, oro, cobre y aluminio. Se pueden usar otros materiales conductores. Preferentemente, el núcleo conductor es flexible.

En una realización, la capa orgánica 206 puede ser un recubrimiento de heterounión global polimérica o de moléculas pequeñas. En una realización, la capa orgánica 206 puede estar en la gama de 1 a 20 nm. Ejemplos de recubrimientos de heterounión global polimérica o de moléculas pequeñas incluyen PCBM-n DMO-PPV y CUPC-C60A respectivamente. Como se usa aquí, PCBM es metil éster del ácido de 6, 6-fenil-C61-butilo DMO-PPV poli (2-metoxi-5- (3' , 7 ' -dimetiloctiloxi) -1, 4-fenileno-vinileno) PPV es poli (1, 4-fenileno-vinileno) C60 es fulereno de buckminster PtOEP es 2 , 3 , 7 , 8 , 12 , 13, 17 , 18~Octaetil-21H, 23H-porfina platino (II) (también octaetilporfirina de platino) PTCBI es bis-bencimidazol 3, 4 , 9, 10-perilentetracarboxílico Otras capas orgánicas, tales como una capa de heterounión planar o una capa de heterounión mezclada, asi como otras combinaciones de materiales, que proporcionan fotogeneración también se pueden seleccionar sin apartarse del alcance de la invención.

En una realización, el segundo electrodo 208 puede ser transparente y comprender un polímero compuesto de PEDOT-PSS. ITO es otro material preferido. Preferentemente, el segundo electrodo 208 es transparente y flexible. Otros materiales del electrodo transparente, sean metálicos o no metálicos, también se pueden seleccionar sin apartarse del alcance de la invención.

En una realización, la capa exterior 212 puede ser un nylon ópticamente transparente. También se pueden usar otros materiales. Según el nivel de protección del ambiente que se necesite, y el nivel de esa protección que provean otras capas tales como el segundo electrodo 208, la capa exterior 212 se puede omitir.

En la práctica industrial puede ser difícil controlar la orientación acimutal de una estructura de fibra fotoactiva (similar a 200, Figura 2) en, por ejemplo, una tela dentro de la cual se puede tejer la fibra. En algunas configuraciones de tela, solamente el 25% de una superficie de la fibra fotoactiva se puede exponer exitosamente (comparado con el 50% en una célula fotovoltaica plana convencional) . Se puede usar segundo electrodo 208, compuesto de, por ejemplo, ITO o polimero de PEDOT-PSS. Sin embargo, los electrodos transparentes, tales como aquellos compuestos de ITO y PEDOT-PSS, pueden ser generalmente demasiado resistiva para conducir corriente a lo largo de una longitud superior a 1 cm. Por consiguiente, un conductor auxiliar 210 puede aplicarse y estar en contacto eléctrico con la capa orgánica 206 y con el segundo electrodo 208. El conductor auxiliar 210 puede extraer corriente en la longitud completa de la estructura de fibra fotoactiva 200. En una realización, el conductor auxiliar 210 puede estar compuesto de, por ejemplo, plata, oro, cobre o aluminio. El conductor auxiliar puede estar conectado eléctricamente al segundo electrodo 208, y puede cubrir desde un 5% hasta un 50% de una superficie externa del segundo electrodo 208. Además, si bien se describe en la Figura 2 como un cable sólido, el conductor auxiliar puede ser cualquiera de por lo menos un cable metálico, un cable metalizado, una cinta metálica, una cinta metalizada y un recubrimiento metálico. El conductor auxiliar 210 puede arrollarse alrededor de la estructura de fibra fotoactiva 200, o puede aplicarse en una dirección sustancialmente paralela al eje del elemento de soporte 202. Si se arrolla, se prefiere que el régimen de trabajo sea bajo, de manera tal que la cantidad de superficie cubierta por el conductor auxiliar 210 se minimice, porque el conductor auxiliar 210 no es necesariamente transparente y es deseable minimizar la cantidad de luz que bloquea el conductor auxiliar. El "régimen de trabajo" es la distancia axial a lo largo de una fibra en la cual el conductor auxiliar 210 hace una vuelta completa. Se prefiere un régimen de trabajo de por lo menos la circunferencia del segundo electrodo, para evitar el bloqueo de luz desde una porción excesiva de la región activa. Para la mayor parte de los materiales que pueden ser deseables para su uso como el segundo electrodo 208, y para la mayor parte de las dimensiones de la fibra, se espera que la conducción en la dirección axial, y no la conducción alrededor de la circunferencia del electrodo 208, es un problema que enfrenta el conductor auxiliar 210, de manera tal que puede no haber un beneficio de conductividad significativo para un régimen de trabajo muy pequeño. Cuando la fibra solar puede incorporarse en un producto de manera tal que la orientación del conductor auxiliar 210 no se controle fácilmente, tal como tejiendo en ciertas telas donde se espera que solamente una parte de la fibra se exponga a la luz, se puede preferir arrollar el conductor auxiliar 210 con un régimen de trabajo suficientemente bajo para evitar una situación en la cual una fibra tiene un conductor auxiliar 210 está orientado hacia una fuente de luz de manera tal de bloquear una fracción sustancial de la parte de la fibra expuesta a la luz. Además, en una realización, el conductor auxiliar 210 puede ser una trenza de conductores eléctricos (que no se muestran) que rodean al segundo electrodo 208, donde el nivel de obstrucción desde la trenza es preferentemente más del 50%. Aunque la Figura 3 ilustra un conductor auxiliar 210 que está separado de la capa orgánica 206 por el segundo electrodo 208, esa separación no es necesaria y el conductor auxiliar 210 puede estar en contacto con la capa orgánica 206. Por ejemplo, el conductor auxiliar 210 puede fabricarse antes que el segundo electrodo 208.

La Figura 3 muestra una representación de una estructura de fibra fotoactiva 300 similar a aquella de la estructura de fibra fotoactiva de la Figura 2, que además incluye una capa de bloqueo de excitones 320, de acuerdo con una realización de la invención. La capa de bloqueo de excitones 320 puede comprender una capa no fotoactiva dispuesta entre la capa orgánica 206 y el segundo electrodo 208 de manera tal que la capa de bloqueo de excitones no fotoactiva 320 está conectada eléctricamente a cada una de la capa orgánica 206 y el segundo electrodo 208. Preferentemente, la capa de bloqueo de excitones 320 es orgánica. Para facilitar la ilustración, la capa de bloqueo de excitones 320 se muestra solamente en la porción ampliada de la Figura 3. Se pueden incluir otras capas no fotoactivas, preferentemente orgánicas, en una estructura de fibra fotoactiva, entre el primer electrodo 204 y el segundo electrodo 208. Por ejemplo, se pueden incorporar capas de bloqueo, capas de alisamiento, y cualquier otra capa que son conocidas o pueden hacerse conocidas en el arte, en la estructura de la fibra.

Un método de fabricación de una estructura de fibra fotoactiva 200 de acuerdo con la invención es recubrir una fibra de telecomunicaciones con ITO y luego usar evaporación térmica al vacío o recubrimiento por inmersión para depositar la capa(s) orgánica activa. Se puede depositar un conductor (similar al 210, Figura 2) usando evaporación al vacío, después de lo cual la fibra fotoactiva puede ensayarse usando técnicas de pruebas eléctricas comunes.

Las dimensiones de una fibra fotoactiva práctica están sujetas a su arquitectua, y ambas se establecen en forma simultánea y algo iterativa. En general, cuando se considera una geometría del dispositivo cilindrico generalizada como puede usarse en la fibra fotoactiva flexible tejida en tela, el espesor total de la fibra puede estar en la gama de 10-100 µ??, que incluye la capa exterior (similar a 212, Figura 2) , mientras que las capas orgánicas activas (por ejemplo, la capa orgánica 206) pueden generalmente tener solamente 100 nm de espesor. La energía óptica absorbida por las capas orgánicas activas (por ejemplo, la capa orgánica 206) está dada aproximadamente por: P^ -d-L (2) donde F, r2 y L indican el flujo óptico, el radio la fibra en el ánodo y la longitud de la fibra ininterrumpida, respectivamente. La corriente fotoeléctrica total resultante está dada por: en donde r\pWrr FF y V0c indican la eficiencia de energía de la célula fotovoltaica, el factor de carga, y la tensión de circuito abierto, respectivamente. (La eficiencia de energía, f| wr explica todas las pérdidas de absorción adicionales al flujo solar incidente en la estructura.) La energía producida en el circuito de carga es : en donde se permitió una caída de tensión del 5% a lo largo de la longitud de la fibra y durante la operación. Al mismo tiempo, la ley de Ohm indica: (OM-FF-Vj p-L ... en donde p es la resistividad del ánodo (por ejemplo, el segundo electrodo 208 y/o el conductor auxiliar 210) , mientras que Acs « p-d't es el área de corte transversal del ánodo. Combinando las ecuaciones (2) - (5) se obtiene: Si se usara aluminio (p = 5·10~8O·?) como un conductor interior (similar a 204, Figura 2), dado ???G= 3%, FF = 0,5, Voc = 0,5 V, una estimación del espesor mínimo, en metros, del conductor interior (similar a 204, Figura 2) sería: t =5A0r* 'Lz (7) donde L también se expresa en metros. Por lo tanto, se puede usar un recubrimiento de Al de 5 um de espesor si la corriente se golpear cada 10 cm. Esto también fija el diámetro del conductor, es decir: donde dau es el diámetro del conductor auxiliar, tal como el conductor auxiliar 210, Figura 2. Por consiguiente, a partir de lo anterior, dau = 30 um.

En una realización, la estructura de fibra fotoactiva 200, que incluye el conductor auxiliar 210 puede arrollarse junto con y luego encapsularse, por ejemplo, una capa exterior 212 de 10 um para derivar en una estructura de fibra fotoactiva de corte transversal ligeramente oblongo que es 110 um perpendicular a su diámetro mayor. Este diámetro puede ser adecuado para el equipo de procesamiento de telas típico y la incorporación en la tela de uso industrial y personal.

Se cree que la estructura de fibra fotoactiva de acuerdo con una realización de la invención puede fabricarse a bajo costo e incorporarse en la fabricación de alta velocidad de telas. Una posible secuencia de fabricación continua puede ser arrastrar un núcleo de nylon de metal o metalizado a través de una fusión que contiene una mezcla de polímero fotosensible. El polímero fotosensible puede secar y separar en fases, lo cual deriva en una estructura de heterounión global que rodea al núcleo. El núcleo puede entonces recubrirse con un polímero conductor (por ejemplo, PEDOT) . El conductor puede introducirse y arrollarse junto con el núcleo fotogenerador a un bajo régimen de trabajo, o puede aplicarse en forma lineal en una dirección sustancialmente paralela al eje del núcleo de la fibra fotoactiva, para permitir la absorción de luz suficiente en la fibra fotoactiva. Finalmente, la fibra fotoactiva completa puede "acabarse" mediante encapsulación en una funda de plástico transparente u otra capa exterior protectora para ayudar a protegerla del daño mecánico (por ejemplo, abrasivo) y ambiental.

Finalmente, la viabilidad de paneles solares instalados depende del costo de las materias primas, la fabricación, el montaje de módulos el transporte y la instalación en el sitio. Si bien las estimaciones del costo final de las fibras fotoactivas fabricadas en masa son solamente aproximadas, se espera que sea menor que aquel de las células fotovoltaicas de silicio. La masa del polímero fotoactivo usada en la fibra fotoactiva puede calcularse a partir de las dimensiones obtenidas anteriormente. Una fibra de 1 m de longitud requiere 10~5 mg de polímero fotoactivo seco, y una tira de tela de 1 m2 desde la fibra fotoactiva usa 0,1 g de él. Los compuestos químicos tales como ?e? están actualmente disponibles en grandes cantidades a >$30/gramo (99% puro) y se puede esperar que su precio baje en el futuro cercano. La tela de nylon está disponible para los consumidores a precios de $1 a $20 por m2, según el tejido, el tratamiento y la resistencia, y a un costo sustancialmente más bajo para consumidores de gran volumen. Una célula fotovoltaica de 1 m2 con un 3% de eficiencia puede generar un promedio de 30 Watts de energía eléctrica. Si el costo de la fibra fotoactiva está en la gama del precio de la tela basado en sintético técnico, la energía generada puede costar entre $0,1 y $0,8 / Watt. Una célula solar basada en silicio típica tiene un costo instalado de $3-$4 / Watt. Además, la producción de células solares en la forma de tela flexible mecánicamente robusta puede reducir en gran medida los costos de instalación compradas con los módulos fotovoltaicos de silicio pesados y voluminosos.

La naturaleza de los polímeros que se usan para fabricar la fibra fotoactiva puede preferentemente satisfacer requerimientos ópticos, eléctricos, mecánicos y reológicos. Para maximizar la eficiencia de una célula solar, el espectro de absorción de la capa fotogeneradora debe superponerse con el espectro de radiación solar tanto como es posible. Los polímeros conjugados generalmente tienen espacios de banda >2 eV, que omite una porción significativa de la radiación solar incidente. La estructura y la composición de los polímeros activos pueden modificarse para incluir la parte de baja energía del espectro solar usando ramificaciones laterales similares a moléculas pequeñas y grupos funcionales como C6o. Véase, en general, Brabec, C.J. et al, Organic Photovoltaic Devices Produced From Conjugated Polymer/Methanofullerene Bulk Heterojunctions, Synthetic Metals 2001, 121(1-3): página 1517; Shaheen, S.E et al, Low Band-Gap Polymeric Photovoltaic Devices, Synthetic Metals, 2001, 121: página 1583.

Sin embargo, la modificación estructural del polímero también afecta su punto de fusión, comportamiento reológico y orden cristalino. Si bien la reologia de fusión del polímero es un tema bien estudiado, existen pocos estudios sobre la reologia de los polímeros usados en células fotovoltaicas ; muchos se han sintetizado solamente en los últimos 5 años.

Además de modificar la estructura química del polímero fotoactivo, la absorción óptica puede mejorarse ("sensibilizarse") interrumpiendo las moléculas de colorante de espacio de baja banda en la película huésped. Sin embargo, los excitones creados sobre las moléculas de colorante quedan atrapados debido a su baja energía en relación con la matriz polimérica que los rodea. La creación de una morfología de tres fases sobre la escala nanométrica, similar a la empleada en la célula de Gratzel puede superar esta limitación. Una molécula interruptora anfifílica se puede mezclar con polímeros hidrófobos e hidrófilos, de manera tal que al recocer el interruptor anfifílico se puede crear una tercera fase en el límite entre las dos fases poliméricas. El efecto neto puede ser absorber y disociar inmediatamente un excitón de baja energía en la interconexión ternaria.

El salto de carga y de excitones entre cadenas vecinas también limita la corriente de salida de la célula fotovoltaica . La hipótesis de operación para el diseño de recubrimiento de barrera es que la difusión de la especie química (por ejemplo, 02 y H20) en la célula fotovoltaica produce la descomposición de los compuestos fotoactivos y eléctricamente activos, acelerada por esfuerzos térmicos y ópticos. Si bien los coeficientes de difusión de humedad pueden ser bajos en algunos materiales poliméricos, la difusión de oxígeno es más difícil de impedir. Los recubrimientos metálicos frecuentemente se usan en algunas aplicaciones (por ejemplo, envasado de alimentos, recubrimiento de fibra óptica, etc. ) , pero también bloquean el flujo solar. En cambio, los recubrimientos de óxido transparente (por ejemplo, Ti02, Si02 y AI2O3) pueden usarse para la fibra solar. La dificultad en el uso de películas delgadas de óxido como barreras de difusión en dispositivos basados en orgánico tiene origen en puntos de vista de procesamiento y aplicación. La temperatura de deposición para óxidos densos de alta calidad es generalmente alta (>500°C) , mientras que la temperatura de descomposición de los materiales orgánicos es generalmente baja (<500°C) . Los óxidos son también frágiles, con coeficientes de expansión térmica diferentes de los polímeros, de manera se forman fácilmente rajaduras durante la manipulación y el uso. Se han desarrollado recubrimientos de barrera, donde se emplean películas inorgánicas de polímero y óxido de metal depositado electrónicamente alternados. Véase, por ejemplo, Burrows, P.E. et al, Gas Permeation and Lifetime Tests on Polymer-Based Barrier Coatings, en SPIE Annual Meeting, 2000. Las capas inorgánicas actúan para bloquear la difusión de especies químicas dañinas para el dispositivo, mientras que las intercapas poliméricas actúan para amortiguar y desconectar mecánicamente las capas de óxido. También pueden ser aceptables enfoques sintéticos de bajo costo, tales como síntesis en gel de solvente de óxidos.

Para la realización de OLED, la capa orgánica 206 puede comprender las capas orgánicas de un dispositivo orgánico de emisión de luz. Esas capas se ilustran (en forma planar) en la Figura 4, y se describen más detalladamente anteriormente y a continuación. Se puede usar un conductor auxiliar en una realización de OLED para proporcionar corriente.

La capa de transporte de huecos 425 puede incluir un material capaz de transportar huecos. La capa de transporte de huecos 430 puede ser intrínseca (no impurificada) o impurificada. La impurificación puede usarse para aumentar la conductividad. a-NPD y TPD son ejemplos de capas de transporte de huecos intrínsecos. Un ejemplo de una capa de transporte de huecos impurificados con p es m-MTDATA impurificada con F4-TCNQ a una relación molar de 50:1, que se describe en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense N° 2002-0071963 Al de Forrest et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. Se pueden usar otras capas de transporte de huecos .

La capa emisora 435 puede incluir un material orgánico capaz de emitir luz cuando se pasa una corriente entre el ánodo 415 y el cátodo 460. Preferentemente, la capa emisora 435 contiene un material emisor fotoconductor, aunque también se pueden usar materiales emisores fluorescentes. Se prefieren los materiales fosforescentes debido a las eficiencias luminiscentes más altas asociadas con esos materiales. La capa emisora 435 puede también comprender un material huésped capaz de transportar electrones y/o huecos, impurificado con un material emisor que puede atrapar electrones, huecos y/o excitones, de manera tal que los excitones se relajan desde el material emisor a través de un mecanismo fotoemisor. La capa emisora 435 puede comprender un solo material que combina propiedades de transporte y emisión. Ya sea que el material emisor sea un impurificante o un constituyente principal, la capa emisora 435 puede comprender otros materiales, tales como impurificantes que están en sintonía con la emisión del material emisor. La capa emisora 435 puede incluir una cantidad de materiales emisores capaces, en combinación, de emitir un espectro de luz deseado. Ejemplos de materiales emisores fosforescentes incluyen Ir(ppy)3. Ejemplos de materiales emisores fluorescentes incluyen 1DCM y DMQA. Ejemplos de los materiales huésped incluyen Alq3, CBP y mCP. Ejemplos de materiales huésped emisores se describen en la Patente Estadounidense n° 6.303.238 DE Thompson et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. El material emisor puede incluirse en la capa emisora 435 de numerosas maneras. Por ejemplo, se puede incorporar una molécula pequeña emisora en un polímero. Esto se puede lograr de varias maneras: impurificando la molécula pequeña en el polímero como una especie molecular separada y distinguible; o incorporando la molécula pequeña en la cadena principal del polímero, de manera de formar un copolímero; o enlazando la molécula pequeña como un grupo dependiente del polímero. Se pueden usar otros materiales y estructuras de capas emisoras. Por ejemplo, un material emisor de moléculas pequeñas puede estar presente como el núcleo de un dendrímero.

Muchos materiales emisores útiles incluyen uno o más ligandos unidos a un centro de metal. Un ligando puede citarse como "fotoactivo" si contribuye directamente a las propiedades fotoactivas de un material emisor organometálico. Un ligando "fotoactivo" puede proporcionar, en conjunto con un metal, los niveles de energía desde los cuales y hacia los cuales se mueve un electrón cuando se emite un fotón. Otros ligandos pueden denominarse "auxiliares". Los ligandos auxiliares pueden modificar las propiedades fotoactivas de la molécula, por ejemplo corriendo los niveles de energía de un ligando fotoactivo, los ligandos auxiliares no proporcionan directamente los niveles de energía involucrados en la emisión de luz. Un ligando que es fotoactivo en una molécula puede ser auxiliar en otro. Estas definiciones de fotoactivo y auxiliar son teorías no taxativas. Obsérvese que el término "fotoactivo" como se usa aquí significa en general que corresponde directamente a la absorción o emisión de luz. Los significados específicos dados en los contextos de un OLED a diferencia de un dispositivo fotosensible son aplicaciones contextúales de la definición general.

La capa de transporte de electrones 440 pueden incluir un material capaz de transportar electrones. La capa de transporte de electrones 440 puede ser intrínseca (no impurificada) o impurificada. Se puede usar la impurificación para aumentar la conductividad. Alq3 es un ejemplo de una capa de transporte de electrones intrínseca. Un ejemplo de una capa de transporte de electrones impurificada con n es BPhen impurificado con Li a una relación molar de 1:1, como se describe en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense N° 2002-0071963 Al de Forrest et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. Se pueden usar otras capas de transporte de electrones.

El componente portador de carga de la capa de transporte de electrones puede seleccionarse de manera tal que los electrones se pueden inyectar eficientemente desde el cátodo al nivel de energía LUMO (Orbital Molecular No Ocupado Más Bajo) de la capa de transporte de electrones. El "componente portador de carga" es el material responsable del nivel de energía LUMO que realmente transporta electrones. Este componente puede ser el material de base, o puede ser un impurificante. El nivel de energía LUMO de un material orgánico puede caracterizarse en general por la afinidad de electrones de ese material y la eficiencia de inyección de electrones relativa de un cátodo puede caracterizarse en general en términos de la función de trabajo del material de cátodo. Esto significa que las propiedades preferidas de una capa de transporte de electrones y el cátodo adyacente puede especificarse en términos de la afinidad de electrón del componente portador de carga de la ETL y la función de trabajo del material de cátodo. En particular, de manera que se logre una alta eficiencia de inyección de electrones, la función de trabajo del material de cátodo preferentemente es no mayor que la afinidad de electrón del componente portador de carga de la capa de transporte de electrones en más de 0,75 eV, más preferentemente en no más de 0,5 eV. Se aplican consideraciones similares a cualquier capa en la cual se están inyectando los electrones.

Se pueden usar capas de bloqueo en un OLED para reducir el número de portadores de carga (electrones o huecos) y/o excitones que salen de la capa emisora. Una capa de bloqueo de electrones 430 se puede disponer entre la capa emisora 435 y la capa de transporte de huecos 425, para bloquear la salida de electrones de la capa emisora 435 en la dirección de la capa de transporte de huecos 425. En forma similar, una capa de bloqueo de huecos 440 puede disponerse entre la capa emisora 435 y la capa de transporte de electrones 445, para bloquear la salida de huecos de la capa emisora 435 en la dirección de la capa de transporte de electrones 440. También se pueden usar capas de bloqueo para bloquear la difusión de excitones fuera de la capa emisora. La teoría y el uso de capas de bloqueo se describe más detalladamente en la Patente Estadounidense N° 6.097.147 y en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense N° 2002-0071963 Al de Forrest et al, que se incorporan como referencia en su totalidad.

Como se usa aquí, y como lo entendería un experto ene el arte, 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 en forma completa los portadores de carga y/o excitones. La presencia de esa capa de bloqueo en el dispositivo puede derivar en eficiencias sustancialmente más altas comparadas con un dispositivo similar que no tiene una capa de bloqueo. Además, se puede usar una capa de bloqueo para confinar la emisión a una región deseada de un OLED.

Generalmente, las capas de inyección están compuestas de un material que puede mejorar la inyección de portadores de carga desde una capa, tal como una electrodo o una capa orgánica, en una capa orgánica adyacente. Las capas de inyección también pueden cumplir una función de transporte de carga. En el dispositivo 400, la capa de inyección de huecos 420 puede ser cualquier capa que mejora la inyección de huecos desde el ánodo 415 en la capa de transporte de huecos 425. CuPc es un ejemplo de que puede usarse como una capa de inyección de huecos desde un ánodo de ITO 415, y otros ánodos. En el dispositivo 400, la capa de inyección de electrones 450 puede ser cualquier capa que mejora la inyección de electrones en la capa de transporte de electrones 445. LiF / Al es un ejemplo de un material que puede usarse como una capa de inyección de electrones en una capa de transporte de electrones desde una capa adyacente. Se pueden usar otros materiales o combinaciones de materiales para las capas de inyección. Según la configuración de un dispositivo particular, las capas de inyección pueden disponerse en lugares diferentes de aquellos que se muestran en el dispositivo 400. Se proporcionan más ejemplos de capas de inyección en la Solicitud de Patente Estadounidense N° 09/931.948 de Lu et al, que se incorpora como referencia en su totalidad. Una capa de inyección de huecos puede comprender un material depositado en solución, tal como un polímero recubierto con- espín, por ejemplo, PED0T:PSS, o puede ser un material de moléculas pequeñas depositado con vapor, por ejemplo CuPc o MTDATA.

Una capa de inyección de huecos (HIL) puede hacer plano o humedecer la superficie del ánodo de manera que provea una inyección de huecos eficiente desde el ánodo al material de inyección de huecos. Una capa de inyección de huecos también puede tener un componente portador de carga que tiene niveles de energía HOMO (Orbital Molecular Más Alto) que igualan favorablemente, como lo definen sus energías de potencial de ionización (IP) relativo descrito aquí, con al capa de ánodo adyacente de un lado de la HIL y la capa de transporte de huecos en el lado opuesto de la HIL. El "componente portador de carga" es el material responsable del nivel de energía HOMO que realmente transporta huecos. Este componente puede ser el material de base de la HIL, o puede ser un impurificante. El uso de una HIL impurificado , permite que el impurificante se seleccione por sus propiedades eléctricas, y que el huésped se seleccione por propiedades morfológicas tales como humectación, flexibilidad, dureza, etc. Las propiedades preferidas para el material de la HIL son tales que los huecos pueden inyectarse eficientemente desde el ánodo en el material de la HIL. En particular, el componente portador de carga de la HIL preferentemente tiene un IP no mayor de 0,7 eV mayor que el IP del material del ánodo. Más preferentemente, el componente portador de carga tiene un IP no mayor de 0,5 eV mayor que el material del ánodo. Consideraciones similares son aplicables a cualquier capa en la cual se están inyectando huecos. Los materiales de la HlL se distinguen además de los materiales de transporte de huecos convencionales que se usan generalmente en la capa de transporte de huecos de un OLED en que esos materiales de la HIL pueden una conductividad de huecos que es sustancialmente menor que la conductividad de huecos de los materiales de transporte de huecos convencionales. El espesor de la HIL de la presente invención puede ser suficientemente grueso para ayudar a hacer plana o humedecer la superficie de la capa del ánodo. Por ejemplo, un espesor de la HIL de tan poco como 10 nm puede ser aceptable para una superficie del ánodo muy lisa. Sin embargo, dado que las superficies del ánodo tienden a ser muy ásperas, en muchos casos se puede desear un espesor para la HIL de hasta 50 nm.

Se puede usar una capa protectora para proteger a las capas subyacentes durante los procesos de fabricación posteriores. Por ejemplo, los procesos usados para fabricar electrodos superiores de metal o de óxido de metal pueden dañar las capas orgánicas, y se puede usar una capa protectora para reducir o eliminar ese daño. En el dispositivo 400, la capa protectora 455 puede reducir el daño a las capas orgánicas subyacentes durante la fabricación del cátodo 460. Preferentemente, una capa protectora tiene una movilidad del portador alta para el tipo de portador que transporta (electrones en el dispositivo 400) , de manera tal que no aumenta significativamente la tensión de operación del dispositivo 400. CuPc, BCP, y diferentes ftalocianinas de metales son ejemplos de materiales que pueden usarse en capas protectoras. Se pueden usar otros materiales o combinaciones de materiales. El espesor de la capa protectora 455 es de preferencia suficientemente alto para que haya escaso o ningún daño a las capas subyacentes debido a l.os procesos de fabricación que ocurren después de que se deposita la capa protectora orgánica 460, aunque no tan grueso como para aumentar significativamente la tensión de operación del dispositivo 400. La capa protectora 455 puede impurificarse para aumentar su conductividad. Por ejemplo, una capa protectora 460 de CuPc o BCP se puede impurificar con Li. Se puede encontrar una descripción más detallada de capas protectoras en la Solicitud de Patente Estadounidense Acta N° 09/931.948 de Lu et al, que se incorpora como referencia en su totalidad.

A menos que se especifique de otro modo, cualquiera de las capas de las diferentes realizaciones se puede depositar mediante cualquier método adecuado. Para las capas orgánicas, métodos preferidos incluyen evaporación térmica, chorro de tinta, que se describen en las Patentes Estadounidenses N° 6.013.982 y 6.087.196, que se incorporan aquí como referencia en su totalidad, deposición de fase de vapor orgánica (OVPD) que se describe en la Patente. Estadounidense N° 6.337.102 de Forrest et al, que se incorpora como referencia en su totalidad, y deposición mediante impresión de chorro de vapor orgánico (OVJP) , que se describe en la Solicitud de Patente Estadounidense N° 10/233.470, que se incorpora como referencia en su totalidad. Otros métodos de deposición incluyen recubrimiento con espin y otros procesos basados en solución. Los procesos basados en solución preferentemente se llevan a cabo en nitrógeno o en una atmósfera inerte. Para las demás capas, los métodos preferidos incluyen evaporación térmica. Los métodos de formación de diseños preferidos incluyen deposición a través de una máscara, soldadura en frió que se describe en las Patentes Estadounidenses N° 6.294.398 y 6.468.819, que se incorporan como referencia en su totalidad, y formación de diseños asociada con algunos de los métodos de deposición tales como chorro de tinta y OVJD. También se pueden usar otros métodos. Los materiales que deben depositarse pueden modificarse para hacerlos compatibles con un método de deposición particular. Por ejemplo, se pueden usar sustituyentes tales como grupos alquilo y arilo, ramificados o no ramificados, y preferentemente que contienen al menos 3 carbonos, en moléculas pequeñas para aumentar su capacidad de pasar por el procesamiento de solución. Se pueden usar sustituyentes que tienen 20 carbonos, y 3-20 carbonos en una gama preferida. Los materiales con estructuras asimétricas pueden tener mejor procesabilidad de solución que aquellos que tienen estructuras simétricas, porque los materiales asimétricos pueden tener una tendencia menor a recristalizarse . Se pueden usar sustituyentes de dendrimeros para aumentar la capacidad de las moléculas pequeñas de pasar por el procesamiento de solución.

Las moléculas que se describen aquí pueden sustituirse en numerosas formas diferentes sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden agregar sustituyentes a un compuesto que tiene tres ligandos bidentados, de manera tal que después de que se agregan los sustituyentes, uno o más de los ligandos se unen juntos para formar, por ejemplo, un ligando tetradentado o hexadentado. Se pueden formar otras de esas ligaduras. Se cree que este tipo de unión puede aumentar la estabilidad en relación con un compuesto similar sin unión, debido a que generalmente se entiende en el arte que es un "efecto quelante".

Se pueden incorporar dispositivos fabricados de acuerdo con realizaciones de la invención en una amplia variedad de productos para el consumidor, que. incluyen visores de panel plano, monitores de computadora, televisores, carteleras, luces para iluminación interior y exterior y/o señalización, visores a la altura de la vista, visores totalmente transparentes, visores flexibles, impresoras láser, teléfonos, teléfonos celulares, agendas digitales personales (PDA) , computadoras laptop, cámaras digitales, flimadoras, visores, microvisores , vehículos, una pared de área amplia, pantalla para teatro o estadio, o un cartel. Se pueden usar diferentes mecanismos para controlar dispositivos fabricados de acuerdo con la presente invención, que incluyen matriz pasiva y matriz activa. Muchos de los dispositivos destinados para su uso a una gama de temperaturas agradables para humanos, tales como 18°C a 30°C, y más preferentemente a temperatura ambiente (20°C-25°C) .

Aunque la presente invención se describe con respecto a ejemplos particulares y realizaciones preferidas, se entiende que la presente invención no se limita a esos ejemplos y realizaciones. La presente invención reivindicada puede en consecuencia incluir variaciones de los ejemplos particulares y realizaciones preferidas descritas aquí, que serán evidentes para un experto en el arte.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una estructura que comprende: un núcleo conductor que incluye un primer electrodo; una capa orgánica que rodea al núcleo y que está conectada eléctricamente con el primer electrodo; y un segundo electrodo transparente que rodea y está conectado eléctricamente a la capa orgánica.

2. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el núcleo incluye un elemento de soporte no conductor y un primer electrodo conductor que rodea al elemento de soporte no conductor .

3. La estructura de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el elemento de soporte comprende una fibra de nylon.

4. La estructura de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el elemento de soporte comprende una fibra óptica.

5. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el núcleo conductor comprende un cable de metal.

6. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un conductor auxiliar conductor eléctrico conectado eléctricamente al segundo electrodo.

7. La estructura de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el conductor auxiliar tiene un eje sustancialmente paralelo a un eje del núcleo.

8. La estructura de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el conductor auxiliar está arrollado alrededor del segundo electrodo con un régimen de trabajo de al menos una circunferencia del segundo electrodo.

9. La estructura de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el conductor auxiliar es uno de un cable metálico, un cable metalizado, una cinta metálica, una cinta metalizada y un recubrimiento metálico.

10. La estructura de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el conductor auxiliar es una trenza de conductores eléctricos que rodea al segundo electrodo.

11. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer electrodo comprende un material seleccionado del grupo formado por plata, oro, cobre y aluminio.

12. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo electrodo comprende un material seleccionado del grupo formado por PEDOT y PSS.

13. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer electrodo, la capa orgánica, y el segundo electrodo comprenden un dispositivo fotosensible, y la capa orgánica comprende una región fotoactiva.

14. La estructura de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la capa orgánica además comprende una región no fotoactiva.

15. La estructura de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la región no fotoactiva es una capa de bloqueo de excitones.

16. La estructura de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la región fotoactiva comprende una heterounión entre un par de materiales orgánicos, el par de materiales orgánicos se selecciona del grupo formado por PCBM/MDMO-PPV, CuPc/C60, CuPc/PTCBI.

17. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende una capa exterior que rodea al segundo electrodo.

18. La estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer electrodo, la capa orgánica, y el segundo electrodo comprenden un dispositivo orgánico emisor ' de luz, y la capa orgánica comprende una capa emisora de luz.

19. La estructura de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la capa orgánica además comprende una capa no emisora.

20. La estructura de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la capa orgánica además comprende primera y segunda capas de bloqueo dispuestas adyacentes y en contacto físico con la capa emisora .

21. Una tela que comprende: una cantidad de fibras, cada fibra además comprende: un núcleo conductor que incluye un primer electrodo; una primera capa orgánica que rodea al núcleo y está conectada eléctricamente al primer electrodo; y un segundo electrodo transparente que rodea y está conectado eléctricamente a la capa orgánica.

22. Un método que comprende: recubrir un núcleo conductor que incluye un primer electrodo con una capa orgánica; depositar un segundo electrodo sobre la capa orgánica.

23. El método de acuerdo con la reivindicación 22, que además comprende : aplicar un conductor eléctrico sobre el segundo electrodo.

24. El método de acuerdo con la reivindicación 22, en donde el primer electrodo, la capa orgánica, y el segundo electrodo comprenden un dispositivo fotosensible, y la capa orgánica comprende una región fotoactiva.

25. El método de acuerdo con la reivindicación 22, en donde el primer electrodo, la capa orgánica y el segundo electrodo comprenden un dispositivo orgánico emisor de luz y la capa orgánica comprende una región emisora.

26. El método de acuerdo con la reivindicación 22, en donde el núcleo conductor se recubre con la capa orgánica mediante recubrimiento por inmersión.