MXPA06011789A - Celulas fotovoltaicas organicas de alta eficiencia que emplean heterouniones planares mezcladas hibridas. - Google Patents

Celulas fotovoltaicas organicas de alta eficiencia que emplean heterouniones planares mezcladas hibridas.

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Stephen Forrest
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Abstract

Se proporciona un dispositivo, que tiene un primer electrodo un segundo electrodo, y una region fotoactiva dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo. La region fotoactiva incluye una primera capa organica que comprende una mezcla de un material aceptor organico y un material donador organico, en donde la primera capa organica tiene un espesor no mayor de 0,8 longitudes de transporte de carga caracteristicas y una segunda capa organica en contacto directo con la primera capa organica, en donde: la segunda capa organica comprende una capa no mezclada del material aceptor organico o el material donador organico de la primera capa organica, y la segunda capa organica tiene un espesor no menor de 0,1 longitud de absorcion optica. Preferentemente, al primera capa organica tiene un espesor no mayor de 0,3 longitudes de transporte de carga caracteristicas. Preferentemente, al segunda capa organica tiene un espesor no menor de 0,2 longitudes de absorcion optica. Las realizaciones de la invencion pueden ser capaces de eficiencias de energia del 2% o mas, y preferentemente del 5% o mas.

Description

- . ja. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ORGÁNICAS DE ALTA EFICIENCIA QUE EMPLEAN HETEROUNIONES PLANARES MEZCLADAS HÍBRIDAS Campo de la Invención La presente invención se relaciona con dispositivos orgánicos fotosensibles eficientes.
Antecedentes de la Invención Los dispositivos optoelectrónicos que usan materiales orgánicos se están haciendo crecientemente deseables por numerosos motivos. Muchos de los materiales que se utilizan para fabricar esos dispositivos son relativamente poco costosos, de manera tal que los dispositivos orgánicos optoelectrónicos tienen el potencial de ventajas de costo comparados con otros dispositivos inorgánicos. Además, las propiedades implícitas de los materiales orgánicos, tales como su flexibilidad, pueden hacerlos adecuados para aplicaciones particulares tales como la fabricación sobre un sustrato flexible. Ejemplos de dispositivos orgánicos optoelectrónicos incluyen dispositivos orgánicos emisores de luz (OLED) , transistores/fototransistores orgánicos, células fotovoltaicas orgánicas, y fotodetectores orgánicos. Para los OLED, los materiales orgánicos pueden tener ventajas de rendimiento sobre los materiales convencionales (es decir, inorgánicos) . Por ejemplo, la longitud de onda a la cual una capa emisora orgánica emite luz generalmente pueden sintonizarse rápidamente con impurificantes apropiados. Para los transistores/fototransistores orgánicos, los sustratos sobre los cuales se construyen pueden ser flexibles, proporcionando aplicaciones más amplias en la industria y el comercio.
Como se utiliza aquí, el término "orgánico" incluye materiales poliméricos así como materiales orgánicos de moléculas pequeñas - que pueden utilizarse para fabricar dispositivos orgánicos que incluyen dispositivos optoelectrónicos. "Molécula pequeña" se refiere a todos los materiales orgánicos que no son polímeros, y las "moléculas pequeñas" pueden en realidad ser bastante grandes. Las moléculas pequeñas pueden incluir unidades de repetición en algunas circunstancias. Por ejemplo, el uso de un grupo alquilo de cadena larga como sustituyente no quita una molécula de la clase "molécula pequeña". Las moléculas pequeñas también pueden incorporarse en polímeros, por ejemplo como un grupo dependiente de la cadena principal del polímero o como parte de la cadena principal. Las moléculas pequeñas también pueden servir como el grupo núcleo del dendrímero, que comprende una serie de cubiertas químicas que se forman sobre el grupo núcleo. Las moléculas pequeñas generalmente tienen un peso molecular bien definido, 4r mientras que los polímeros generalmente no tienen un peso molecular bien definido.
La información de antecedentes general sobre fotodetectores orgánicos de película delgada de bajo peso molecular y células solares pueden hallarse en Peu ans et al, "Small Molecular Weight Organic Thin-Film Photodetectors and Solar Cells", Journal of Applied Physics-Applied Physics Reviews-Focused Review, Vol. 93, N° 7 , páginas 3693-3723 (abril de 2003) .
El "factor de carga" ( FF) de una célula solar es Pmax / (Jsc * Voc) , donde Pma? es la energía máxima de la célula solar, que se determina hallando el punto en la curva de I-V para el cual el producto de la corriente y la tensión es el máximo. Un alto FF es una indicación de qué "cuadrada" parece la curva de I-V para una célula solar.
Los dispositivos optoelectrónicos dependen de las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o detectar la radiación electromagnética electrónicamente o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiente. Los dispositivos fotosensibles optoelectrónicos convierten la radiación electromagnética en electricidad. Los dispositivos fotovoltaicos (PV) o células solares, que son un tipo de dispositivo fotosensible optoelectrónico, se usan específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energia eléctrica a partir de fuentes de luz diferentes de la luz solar, se usan para impulsar cargas que consumen energía para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calefacción o para operar equipos electrónicos tales como computadoras o equipos de monitoreo o comunicaciones remotos. Estas aplicaciones de generación de energía con frecuencia consisten en la carga de baterías u otros dispositivos para almacenamiento de energía de manera tal que la operación del equipo puede continuar cuando no está disponible la iluminación directa del sol u otras fuentes de luz ambiente. Como se usa aquí el término "carga resistiva" se refiere a cualquier otro dispositivo, equipo o sistema de consumo o almacenamiento. Otro tipo de dispositivo fotosensible optoelectrónico es una célula fotoconductora. En esta función, el circuito de elección 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. Durante la operación un fotodetector tiene una tensión aplicada y un circuito detector de corriente mide la corriente que se genera cuando se expone al fotodetector a la radiación electromagnética. Un circuito detector que se describe aquí es capaz de proporcionar una tensión de polarización a un fotodetector y de medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética ambiente. Estas tres clases de los dispositivos fotosensibles optoelectrónicas pueden caracterizarse según si una unión de rectificación definida a continuación está presente y también según si el dispositivo se opera con una tensión aplicada externa, también llamada polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión de rectificación y normalmente se opera con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión de rectificación y se opera sin ninguna polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión de rectificación y generalmente no se opera siempre con una polarización.
Existe una necesidad de células fotovoltaicas orgánicas con más alta eficiencia.
Extracto de la Invención Se proporciona un dispositivo, que tiene un primer electrodo, un segundo electrodo, y una región fotoactiva dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo. La región fotoactiva incluye una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material orgánico aceptor y un material orgánico donador, en donde la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,8 longitudes de transporte de carga características, y una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en donde la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material orgánico aceptor o el material orgánico donador de la primera capa, y la segunda capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,1 longitudes de absorción óptica. Preferentemente, la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,3 longitudes de transporte de carga características. Preferentemente, la segunda capa orgánica tiene un espesor de no menos de 0,2 longitudes de absorción óptica. Las realizaciones de la invención puede ser capaz de tener eficiencias de energía del 2% o más, y preferentemente del 5% o más.
Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es un diagrama esquemática de una célula fotovoltaica orgánica de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 2 es un diagrama esquemática de otra célula fotovoltaica orgánica de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 3 es un diagrama esquemático de aún otra célula fotovoltaica orgánica de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 4 ilustra un método de fabricación de una célula fotovoltaica orgánica de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 5 muestra un diagrama del nivel de energía de un dispositivo.
La Figura 6 muestra las características J-V de un dispositivo híbrido.
La Figura 7 muestra características fotovoltaicas adicionales del dispositivo descrito con referencia a la Figura 6.
La Figura 8 muestra los espectros de absorción de las películas de CuPc:C6o con diferentes relaciones de mezcla, depositadas en ITO.
La Figura 9 muestra las características de corriente fotoeléctrica y tensión normalizadas bajo diferentes intensidades de la luz para los dispositivos descritos con respecto a la Figura 6.
La Figura 10 muestra las características de densidad de corriente en función de la tensión (J-V) a la sombra para un dispositivo de heterounión planar y un dispositivo de heterounión híbrida.
La Figura 11 muestra las dependencias de n y Js con respecto al espesor de la capa mezclada dm, para las células de heterounión híbrida con dD = dA - 200 Á = 200 Á - dm/2.
La Figura 12 muestra la densidad de la corriente fotoeléctrica, Jph, a una intensidad de iluminación de P0 = 120 mW/cm2 para los dispositivos híbridos que tienen diferentes espesores de capas mezcladas .
La Figura 13 muestra características J-V experimentales a diferentes P0 para un dispositivo híbrido con un espesor de capa mezclada de 200 Á.
La Figura 14 muestra espectros de absorción de un dispositivo de heterounión planar y un dispositivo de heterounión híbrida con un espesor de capa mezclada de 200 A.
La Figura 15 muestra las dependencias de la intensidad de iluminación con respecto a ?Pr FF, y Voc para los dispositivos de heterounión híbrida y un dispositivo de heterounión planar.
La Figura 16 muestra los resultados de la difracción de rayos X para las películas de CuPc y C6o homogéneas y mezcladas.
Descripción Detallada de la Invención Las células fotovoltaicas (PV) orgánicas han atraído considerablemente la atención debido a su potencial para la conversión de la energía solar o ambiente de bajo costo. Los primeros resultados, con una célula PV orgánica basada en una sola heterounión de donador y aceptor (D-A) , derivaron en una película delgada con un 1% de eficiencia. Véase C.W. Tang, Appol. Phys. Lett., 48, 183 (1986). La eficiencia de conversión de energía, ?p, ha mejorado en forma estacionaria desde entonces a través del uso de materiales y estructuras de dispositivos nuevos. Véase P. Peumans et al, J. Appl. Phys. 93, 3693 (2003); A. Yakismov y S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 80, 1667 (2002); P. Peumans y S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (2001); S. E. Shaheen et al, Appl. Phys. Lett. 78, 841 (2001); P. Peumans et al, Nature (Londres) 425, 158 (2003) . En particular, se logró ?p (3,6±0,2)% bajo una iluminación solar simulada de 1 sol (100 mW/cm2) AM1,5G en una célula de película delgada de ftalocianina de cobre de heteroestructura doble (CuPc)/C6o- P. Peumans y S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (200). Sin embargo, estos dispositivos de una sola heterounión son limitados en que la "región activa" del dispositivo, es decir la región en la cual los fotones absorbidos pueden contribuir a la corriente fotoeléctrica, se limita a la región desde la cual los excitones excitados por fotones se pueden difundir con una probabilidad razonable a una sola hetarounión.
Las heterouniones globales de donador (D) y aceptor (A) (BHJ) pueden usarse para mejorar las eficiencias de las células fotovoltaicas (PV) basadas en polímeros y en moléculas pequeñas. Como la eficiencia cuántica externa (?EQe) de una estructura orgánica de dos capas de D-A con frecuencia está limitada por una longitud de difusión de electrones corta, la BHJ se ha sugerido como un medio para resolver esta limitación, lo cual deriva en ?EQE y eficiencia de conversión de energía (?p) mejoradas. Esa BHJ puede consistir en una película delgada mezclada de una ftalocianina similar al donador (Pe) y C6o similar al aceptor. Recientemente, ?p = 3,37% se ha informado bajo una iluminación de 0,1 sol (10 mW/cm2, AM1,5) en una célula PV de ZnPc:C60- Véase D.
Gebeyechu et al, Solar Energy Mater. Solar Cells, 79, 81 (2003) . Lamentablemente, ese dispositivo tenía una resistencia en serie de célula grande (Rs) , que deriva en una densidad de corriente de cortocircuito reducida ( Jsc) , y por lo tanto la eficiencia de la energía cayó a = 1,04% a una intensidad de 1 sol. El motivo para esta Rs grande puede atribuirse a la presencia de capas orgánicas resistivas que incluyen poli (3,4-etilendioxitiofeno) :poli (estirensulfonato) (PEDOT:PSS) y, más fundamentalmente, sus resistencias al contacto. Por otra parte, recientes resultados muestran que un dispositivo de dos capas de CuPc/C60 con una Rs muy baja muestra una mejora significativa en ?p, especialmente a una intensidad de iluminación más alta, logrando una eficiencia de energía máxima de = (4,2 V 0,2) I de 4 a 12 soles. Véase, Xue et al, Appl. Phys. Lett., 84, 3013 (2004).
Haciendo referencia ahora en detalle a los dibujos, en la Figura 1 se ilustra un diagrama esquemático de una célula fotovoltaica orgánica 100 de acuerdo con una realización de la invención. El dispositivo 100 incluye un primer electrodo 102, una primera capa orgánica 106, una segunda capa orgánica 108, una tercera capa orgánica 114, y un segundo electrodo 104, dispuestas en ese orden sobre un sustrato. La primera capa orgánica 106 comprende una mezcla de un material orgánico aceptor y un material orgánico donador. La segunda capa orgánica 108 comprende el material orgánico aceptor de la primera capa orgánica 106, pero no incluye el material donador de la primera capa orgánica 106. La segunda capa orgánica 108 tiene un espesor de entre 0,5 longitud de difusión de excitones y 10 longitudes de difusión de excitones. Preferentemente, la capa orgánica 108 tiene un espesor de 1 a 10 longitudes de difusión de excitones. Como resultado, la primera, capa orgánica 106 actúa como una hetarounión global, en la cual los excitones fotogenerados pueden disociarse en electrones y huecos. La segunda capa orgánica 108 puede ser fotoactiva en el sentido de que absorbe fotones para producir excitones que pueden más tarde contribuir a la corriente fotoeléctrica, pero estos excitones pueden primero difundirse a la heterounión de la primera capa orgánica 106. La tercera capa orgánica 114 comprende una capa de bloqueo de excitones, compuesta de materiales que se seleccionan para impedir que los excitones salgan de la capa orgánica 108 en la tercera capa orgánica 114. La tercera capa orgánica 114 puede denominarse como una capa orgánica- no fotoactiva, porque puede no ser responsable de los fotones absorbentes que contribuyen significativamente a la corriente fotoeléctrica .
La Figura 2 es un diagrama esquemático de otra célula fotovoltaica orgánica 200 de acuerdo con una realización de la invención. El dispositivo 200 puede incluir un primer electrodo 202, una primera capa orgánica 204, una segunda capa orgánica 208, y un segundo electrodo 204, dispuestos en ese orden sobre el sustrato. La primera capa orgánica 206 comprende una mezcla de un material orgánico aceptor y un material orgánico donador. La segunda capa orgánica 208 comprende el material orgánico donador de la primera capa orgánica 206, pero no incluye el material aceptor de la primera capa orgánica 206. La segunda capa orgánica 208 tiene un espesor de entre 0,5 longitud de difusión de excitones y 10 longitudes de difusión de excitones, y preferentemente entre 1 y 10 longitudes de difusión de excitones. Como resultado, la primera capa orgánica 206 actúa como una heterounión global, en la cual los excitones fotogenerados pueden disociarse en electrones y huecos. La segunda capa orgánica 208 puede ser fotoactiva en el sentido de que absorbe fotones para producir excitones que más tarde pueden contribuir a la corriente fotoeléctrica, pero estos excitones pueden primero difundirse a la heterounión de la primera capa orgánica 206. La tercera capa orgánica 214 comprende una capa de bloqueo de excitones, compuesta por materiales que se seleccionan para impedir que los excitones salgan de la segunda capa orgánica 208 en la tercera capa orgánica 214.
Ejemplos de longitudes de difusión para los diferentes materiales orgánicos aceptores y donadores se ilustran en la Tabla 1, a continuación: TABLA 1 - Longitudes de Difusión de Excitones Informadas a PPEI = perileno bis (feniletilimida) , Alq3= tris (8-hidroxiquinolina) aluminio b Usando el resultado para la superficie de enfriamiento de Sn02 y suponiendo una velocidad de recombinación de superficie infinita. Los resultados que llevan a LDPPEI - 2,5+0,5 µm se ven probablemente influidos por cambios de difusión y morfológicos del enfriador durante el recocido asistido por vapor solvente. c Los efectos de la interferencia óptica no se consideran.
Se entenderá que el listado de materiales orgánicos de la Tabla 1 precedente, son ejemplos y no son taxativos. Se pueden utilizar otros materiales que tienen longitudes de fusión similares o diferentes sin apartarse del alcance de la invención. Más aún, se entenderá que las longitudes de difusión enumeradas en la Tabla 1 no restringen la invención que se revela aquí a solamente aquellas longitudes enumeradas. Se pueden usar otras longitudes, ya sea en virtud del uso de otros materiales o en virtud de diferentes métodos de determinación, cálculos o mediciones de las longitudes de difusión de los materiales identificados anteriormente, sin apartarse del alcance de la invención.
En una realización, la mezcla del material orgánico aceptor y el material orgánico donador en una capa orgánica mezclada, tales como la primera capa orgánica 106 (o 206) puede ocurrir en una relación en la gama de 10:1 a 1:10 en peso, respectivamente. En una realización, una capa orgánica que incluye una mezcla de materiales aceptor y donador (tales como la primera capa orgánica 106) , y una capa orgánica que incluye solamente un material aceptor o un material donador (tal como la segunda capa orgánica 108 o 208) pueden cada una aportar un 5% o más, y preferentemente un 10% o más, de la salida de energía total del dispositivo fotoactivo. En una realización, una capa orgánica que incluye una mezcla de materiales aceptor y donador (tal como la primera capa orgánica 106 o 206) y una capa orgánica que incluye solamente un material aceptor o un material donador (tal como la capa segunda orgánica 108 o 208) pueden cada una absorber un 5% o más, y preferentemente un 10% o más, de la energía incidente sobre el dispositivo fotoactivo. Se puede considerar que una capa que tiene un porcentaje más bajo de contribución a la energía y/o absorción no participa significativamente como una parte de la región fotoactiva del dispositivo. En una realización, el material orgánico aceptor puede seleccionarse de un grupo formado por: fulerenos; perilenos; sistemas moleculares conjugados catacondensados tales como poliacenos lineales (que incluyen antraceno, naftaleno, tetraceno y pentaceno) , pireno, coroneno, y variantes con funcionalidades de ellos. En una realización, el material orgánico donador puede seleccionarse de un grupo formado por: porfirinas que contienen metal, porfirinas que no contienen metal, rubreno, ftalocianinas que contienen metal, ftalocianinas que no contienen metal, diaminas (tales como NPD) y variantes con funcionalidades de ellos, que incluyen naftalocianinas . Este listado no es abarcativo, y se pueden utilizar otros materiales aceptores y donadores adecuados. En una realización, la primera capa orgánica 206 puede comprender esencialmente una mezcla de CuPc y C6o. En una realización, el dispositivo fotoactivo 100, 20 puede comprender además una tercera capa orgánica 114, 214 que puede disponerse entre el segundo electrodo 104, 204 y la segunda capa orgánica 108, 208, y puede ser una capa no fotoactiva. En una realización, la tercera capa orgánica 114, 214 puede comprender 2, 9-dimetil-, 7-difenil-1, 10-fenantrolina (BCP). En una realización, la tercera capa orgánica 114, 214 puede ser una capa de bloqueo de excitones. En una realización, el primer electrodo 102, 202 puede estar compuesta por óxido de indio y estaño u otro óxido conductor. En una realización, el segundo electrodo 104, 204 puede comprender Ag, LiF/Al, Mg:Ag, Ca/Al, y otros metales. Se pueden usar otras selecciones de materiales.
Cuando una capa se describe como una capa de aceptor o donador "no mezclada", la capa "no mezclada" puede incluir muy pequeñas cantidades del material opuesto como una impureza. Un material se puede considerar como una impureza si la concentración es significativamente menor que la cantidad necesaria para la infiltración en la capa, es decir menos del 5% en peso. Preferentemente, todas las impurezas están presentes en una cantidad mucho menor, tal como menos del 1% en peso o más preferentemente menos del 0,1% en peso. Según qué procesos y parámetros del proceso se utilicen para fabricar los dispositivos, algunas impurezas de los materiales en capas inmediatamente adyacentes son inevitables.
Preferentemente, las capas de bloqueo son transparentes a las longitudes de onda de la luz absorbida por la región fotoactiva. Las capas de bloqueo preferentemente aceptan rápidamente la inyección y conducen el tipo de portador de carga que puede estar viajando a través de ellas, por ejemplo, una capa de bloqueo dispuesta sobre la cara aceptora de una región fotoactiva, dispuesta entre el material aceptor y un electrodo, debe aceptar rápidamente la inyección de electrones desde el aceptor y debe conducir rápidamente electrones.
Una capa se describe como "fotoactiva" si los fotones absorbidos por esa capa contribuye significativamente a la corriente fotoeléctrica del dispositivo. Un dispositivo puede tener una región fotoactiva que comprende varias capas fotoactivas . En diferentes realizaciones de la invención, la región fotoactiva comprende una pluralidad de capas fotoactivas, que incluyen una capa que es una mezcla de materiales aceptores y donadores, así como una capa que incluye un material aceptor o un donador, pero no ambos (aunque las impurezas pueden estar presentes como se discutió anteriormente) . Un dispositivo que combina una capa fotoactiva mezclada con una o más capas fotoactivas no mezcladas puede denominarse un dispositivo híbrido, porque combina propiedades favorables del dispositivo de capa mezclada (una capa de D-A mezclada con ninguna capa de A o D no mezclada, o solamente capas no mezcladas mínimas de los materiales A y D) .
La Figura 3 es un diagrama esquemático de aún otra célula fotovoltaica orgánica 300 de acuerdo con una realización de la invención. El dispositivo 300 puede incluir un primer electrodo 302, una tercera capa orgánica 310, una primera capa orgánica 306, una segunda capa orgánica 308, una cuarta capa orgánica 314, y un segundo electrodo 304, dispuestos en ese orden sobre un sustrato. La primera capa orgánica 306 comprende una mezcla de un material orgánico aceptor y un material orgánico donador. La segunda capa orgánica 308 comprende el material orgánico aceptor de la primera capa orgánica 306, pero no incluye el material donador de la primera capa orgánica 306. La segunda capa orgánica 308 tiene un espesor de entre 0,5 longitud de difusión de excitones y 10 longitudes de difusión de excitones, y preferentemente entre 1 y 10 longitudes de difusión de excitones. La tercera capa orgánica 310 comprende el material orgánico donador de la primera capa orgánica 306, pero no incluye el material aceptor de la primera capa orgánica 306. La segunda capa orgánica 310 tiene un espesor de entre 0,5 longitud de difusión de excitones y 10 longitudes de difusión de excitones, y preferentemente entre 1 y 10 longitudes de difusión de excitones. Como resultado, la primera capa orgánica 306 actúa como una heterounión global, en al cual los excitones fotogenerados pueden disociarse en electrones y huecos. La segunda capa orgánica 308 y la tercera capa orgánica 310 pueden ser fotoactivas en el sentido de que absorben fotones para producir excitones que pueden más tarde contribuir a la corriente fotoeléctrica, pero esos excitones pueden primero difundirse a la heterounión de la primera capa orgánica 306. La cuarta capa orgánica 314 comprende una capa de bloqueo de excitones, compuesta de materiales que se seleccionan para impedir que los excitones salgan de la segunda capa orgánica 308 en la tercera capa orgánica 314. La cuarta capa orgánica 314 puede denominarse como una capa no fotoactiva, porque puede no ser responsable de absorber fotones que contribuyen significativamente a la corriente fotoeléctrica.
Los parámetros preferidos para la realización de la Figura 3, tales como los espesores de las capas, las selecciones de los materiales, las proporciones de los materiales en la primera capa orgánica 306 (la capa mezclada) , las cantidades relativas de la energía incidente absorbida, y la cantidad relativa de la salida de energía total, son similares a aquellas para las Figuras 1 y 2.
En diferentes realizaciones de la invención, existe una capa orgánica que incluye una mezcla de un material aceptor y donador (tales como las capas 106, 206 y 306) y al menos una capa que incluye solamente el material donador o aceptor desde la capa mezclada (tal como las capas 108, 208, 308 y 310) . Cuando el dispositivo absorbe un fotón, se puede crear un excitón. El excitón puede entonces disociarse y contribuir a la corriente fotoeléctrica si puede llegar a una hetero-unión diseñada apropiadamente. Una capa que incluye una mezcla del material aceptor y donador proporciona una heterounión global, de manera tal que existe favorablemente un gran volumen sobre el cual puede ocurrir esa disociación. Sin embargo, esa capa puede tener menor conductividad que una capa no mezclada, y la menor conductividad es indeseable. Los problemas de conductividad se ven agravados por las capas más gruesas, de manera tal que hay un límite sobre el espesor que puede tener esa capa mezclada si se desea una conductividad razonable.
Una capa que incluye solamente un aceptor o un donador puede favorablemente tener una más alta conductividad que una capa mezclada. Sin embargo, no hay ninguna heterounión en esa capa, de manera tal que los excitones formados por la absorción de un fotón necesitan viajar a una heterounión para disociarse eficientemente. Como resultado, también hay un límite sobre el espesor útil de las capas no mezcladas en una célula solar, pero el límite puede relacionarse más con la longitud de difusión de los excitones por oposición a los problemas de conductividad.
Además, una región fotoactiva gruesa es deseable, porque una capa fotoactiva más gruesa puede absorber más fotones que pueden contribuir a la corriente fotoeléctrica que una capa fotoactiva más delgada.
Diferentes realizaciones de la invención proporcionan un dispositivo que combina las propiedades favorables de un dispositivo que tiene una heterounión global (tal como la capa mezclada 106, 206 o 306) , pero ninguna capa no mezclada, con las propiedades favorables de un dispositivo que no tiene una heterounión global, es decir un dispositivo que tiene una capa de aceptor pura que forma una unión planar con una capa de donador pura. Las capas mezcladas y no mezcladas cada una son una parte de la región fotoactiva, de manera tal que los espesores se suman para los propósitos de absorber algunos fotones. En consecuencia se pueden lograr espesores mayores de las capas que contribuyen a la corriente fotoeléctrica que con un dispositivo donde la región fotoactiva incluye solamente una capa mezclada o solamente capas no mezcladas, o donde la mayor parte del espesor se debe a solamente una capa mezclada o solamente capas no mezcladas. 0 se puede lograr un dispositivo con una menor resistencia para un espesor dado de la región fotoactiva.
En una realización preferida de la invención, una capa o capas que incluyen solamente un solo material aceptor o donador, pero no una mezcla de ambos, tal como las capas 108, 208, 308 y 310, pueden seleccionarse para tener alta conductividad, y simultáneamente ser capaces de contribuir a la corriente fotoeléctrica. Los excitones formados por un fotón absorbido en esa capa deben difundirse a una heterounión para contribuir a la corriente fotoeléctrica. Como resultado, se prefiere un espesor para esa capa que es de 0,5 longitudes de difusión de excitones a 10 longitudes de difusión de excitones y más preferentemente, de 1 a 10 longitudes de difusión de excitones. Para las capas que tienen un espesor que es mayor que 10 longitudes de difusión, cualquier espesor adicional puede no hacer una contribución significativa a la corriente fotoeléctrica, porque los fotones absorbidos demasiado lejos de una heterounión no pueden llegar a la heterounión.
En el limite inferior de las capas fotoactivas no mezcladas, la absorción óptica es un parámetro más importante que la longitud de difusión de excitones. La "longitud de absorción óptica" de un material es la longitud en la cual la intensidad alta incidente se reduce a (1/e), o un 37%. Las longitudes de absorción típicas para los materiales fotoactivos orgánicos están en la gama de 500 A - 1000 A. Para CuPc, la longitud de absorción óptica es de 500 A para las longitudes de onda en la gama de 500 nm - 700 nm. Para C6o la longitud de absorción óptica es de 1000 Á para una longitud de onda de 450 nm. Para que una capa contribuya significativamente a la corriente fotoeléctrica, el espesor de la capa debe ser al menos una fracción significativa de una longitud de absorción. Preferentemente, el espesor de una capa fotoactiva, tal como una capa fotoactiva orgánica no mezclada, no es menos de 0,1 longitudes de absorción y más preferentemente no menos de 0,2 longitudes de absorción. Para espesores menores, la capa puede no hacer una contribución significativa a la corriente fotoeléctrica .
En una realización preferida de la invención, una capa que incluye una mezcla de materiales aceptor y donador, tales como las capas 106, 206 y 306, incluyen un 10% o más de un material aceptor y un 10% o más de un material donador. Se cree que el 10% es el límite inferior en el cual hay suficiente material para la infiltración. La infiltración es deseable tanto en los materiales aceptor como donador, porque permite electrones y huecos fotogenerados que derivan de la disociación en cualquier lugar de la capa mezclada para llegar a los electrodos apropiados viajando a través del aceptor y el donador, respectivamente, sin viajar a través de la capa (donador o aceptor) opuesta. Preferentemente, las capas no mezcladas de la región fotoactiva comprenden uno de los materiales que está presente en la capa mezclada, para evitar que algún HOMO/LOMO sean desiguales para los portadores de carga que se están infiltrando a través de la capa mezclada y lleguen a una capa no mezclada.
La separación de fases de D-A es necesaria para la recolección eficiente del portador en las células solares de BHJ poliméricas y basadas en moléculas pequeñas. Por otra parte, la capa mezclada de CuPc:C60 muestra ?p grande comparable con dispositivos de dos capas optimizadas que emplean los mismos materiales, contrariamente a los dispositivos de capas mezcladas de CuPc: 3, 4, 9, 10-perilentetracarboxílico bis-bencimidazol que requieren recocido y separación de fases para mejorar la eficiencia. Véase Peumans et al, Nature, 425, 158 (2003) . De hecho, después de un procedimiento de recocido similar para células de capas mezcladas de CuPc:C6o deriva en una reducción significativa en ?p. Esto sugiere que un sistema de CuPc:c6o mezclado puede pasar por la separación de fases durante el proceso de deposición propiamente dicho, de manera tal que la capa mezclada es una red de infiltración de ambos materiales, siempre que las concentraciones de ambos materiales estén por encima del umbral de infiltración.
Las heterouniones de donador y aceptor orgánicas no mezcladas pueden usarse para proporcionar una fotogeneración eficiente de portadores de carga al absorberse la luz incidente. La eficiencia de este tipo de célula puede estar limitada por la capacidad de los excitones (es decir pares de electrones y huecos ligados) de difundirse a la superficie del donador y aceptor. Una capa mezclada, es decir una mezcla de donador y aceptor, puede usarse para aliviar este problema creando una interconexión de donador y aceptor distribuida espacialmente que es accesible para todos los excitones fotogenerados que se generan en la capa mezclada. Sin embargo, como la movilidad de carga puede reducirse significativamente en una mezcla comparada con una película homogénea, es más probable que la recombinación de huecos y electrones fotogenerados ocurra en una mezcla, que deriva en la recolección incompleta de los portadores de carga.
En una realización de la invención, se proporciona una microestructura preferida para una mezcla de donador y aceptor molecular. Una capa mezclada que tiene la microestructura preferida puede usarse en dispositivos fotosensibles que tienen o no tienen una o más capas fotoactivas no mezcladas. Un ejemplo de la microestructura preferida se describe con respecto una mezcla de CuPc y ßor aunque se pueden usar otros materiales donadores y aceptores. La microestructura preferida incluye caminos de infiltración para el transporte de huecos y electrones a través de la capa de donador y mezclador mezclada, cada camino tiene solamente una o algunas moléculas de ancho. Preferentemente, el ancho del camino es de 5 moléculas de ancho o menos, y más preferentemente 3 moléculas de ancho o menos. Las cargas fotogeneradas pueden transportarse eficientemente por esos caminos a sus respectivos electrodos sin una recombinación significativa con sus contracargas. La red de interpenetración de los materiales donador y aceptor forma una interconexión de donador y aceptor distribuida espacialmente, nanoestructurada para la difusión de excitones eficiente y la posterior disociación.
La microestructura preferida se demostró en una mezcla de CuPc:C60c una relación de 1:1 en peso, preparada mediante evaporación térmica al vacío. En la mezcla, se halló que la longitud de transporte de carga, es decir, la distancia media que recorren las cargas antes de la recombinación con sus contra cargas, cuando no se aplica ninguna polarización, fue de 40 nm, en el mismo orden de la longitud de absorción óptica. Se cree que no existe ningún dominio donador o aceptor puro en la mezcla de CuPc. Se prefiere la falta de esos dominios puros. La tendencia de la agregación de CuPc se redujo aumentando el contenido de C6o en la capa.
La difracción de rayos X se realizó para estudiar la estructura cristalina de las películas de CuPc y C6o mezcladas, como se muestra en la Figura 16. Se halló que una película de CuPc homogénea es policristalina, mientras que una película de Ceo homogénea es amorfa. Una película de CuPc:C6o mezclada, a una relación de 1:1 en peso, también es amorfa, que indica que ocurre una separación de fases no significativa. Por "separación de fases no significativa" se entiende que no hay ninguna agregación medible mediante las técnicas de medición que existen actualmente. Se cree que la más sensible de estas técnicas en la actualidad es la medición con una fuente de rayos X de sincrotrones (por ejemplo, Brookhaven) , que es capaz de medir agregados de 5 moléculas de ancho y más. Obsérvese que estas definiciones de "separación de fases no significativa" y "agregación" no excluyen la posibilidad de interfiltrar cuerdas de moléculas que pueden tener muchas moléculas de largo.
Los espectros de absorción óptica se midieron para películas de CuPc:C6o con diferentes relaciones de mezcla, como se muestra en la Figura 8. A partir de la dependencia de las intensidades relativas de los dos picos de absorción de CuPc (620 nm y 690 nm) en la relación de mezcla, se halló que las moléculas de CuPc presentan una tendencia reducida a agregarse con un contenido de Cßo creciente.
Se fabricaron células fotovoltaicas orgánicas con una capa de CuPc:C6o mezclada colocada entre capas de CuPc y Ceo homogéneas para formar una célula fotovoltaica de heterounión mezclada planar híbrida, y se ensayaron bajo iluminación solar de AM1,5G simulada-. La región fotoactiva de la célula tuvo 15 nm de CuPc/10 nm de CuPc:C6o (relación de 1:1 en peso) /35 nm de C60. La célula tuvo una corriente fotoeléctrica tan alta como una célula que tiene una sola capa fotoactiva mezclada de 33 nm de espesor, y una eficiencia de recolección de carga tan alta como una célula sin una capa mezclada (es decir, una célula de heterounión planar) . Se obtuvo una eficiencia de conversión de energía máxima del 5,0% bajo 1 a 4 soles de iluminación solar de AM1,5G simulada, comparado con un 3,5% para la célula de capa mezclada bajo 1 a 4 soles (3,6% bajo 1 sol) y un 4,2% bajo 4 a 12 soles para la célula de heterounión planar. Ajustando las caracteristicas de corriente y tensión de las células de heterounión mezclada planar híbrida bajo iluminación usando un modelo basado en la longitud de transporte de carga, se obtuvo una longitud de transporte de carga de 40 nm para las células en condiciones de cortocircuito (como se muestra en la Figura 13) , que está en el mismo orden de magnitud que la longitud de absorción óptica. Una capa mezclada de CuPc: PTCBI (3,4,9,10-perilentetracarboxílico bis-bencimidazol) tiene una longitud de transporte de carga estimada en menos de 5-10 nm, para la comparación.
Aunque diferentes realizaciones se describen con respecto a capas orgánicas no impurificadas, se entiende que los impurificantes pueden agregarse a diferentes capas orgánicas para aumentar la conductividad y/o para modificar las características de absorción de luz de la capa orgánica impurificada para impactar ventajosamente en el rendimiento del dispositivo o la capa.
Se entiende que las realizaciones ilustradas en las Figuras 1-3 son solamente ejemplos, y que se pueden usar otras realizaciones de acuerdo con la presente invención. Todas las células fotovoltaicas que tienen una capa orgánica mezclada que incluye tanto un material aceptor como un material donador, así como una capa adyacente que incluye solamente un material aceptor o un material donador, donde la capa mezclada y la capa no mezclada contribuyen significativamente a la corriente fotoeléctrica, está dentro del alcance de las realizaciones de la invención. Por ejemplo, el orden de las capas ilustradas en las Figuras 1-3 se puede alterar. Por ejemplo, en las Figuras 1 y 2, las posiciones de las capas fotoactivas, es decir la primera capa orgánica 106 (o 206) y la segunda capa orgánica 108 (o 208) se puede cambiar, con un reposicionamiento de las capas de bloqueo, etc. También pueden o no estar presentes capas adicionales, tales como capas de bloqueo, capas de recombinación de carga, etc. Por ejemplo, se pueden eliminar la capas de bloqueo, es decir, la tercera capa orgánica 114 o la cuarta capa orgánica 314, y/o capas de bloqueo adicionales pueden estar presentes (tales como una capa de bloqueo entre la primera capa orgánica 106 y el primer electrodo 104 que está debajo de ella) . Se pueden usar diferentes configuraciones de células solares, tales como células solares en tándem. Se pueden usar materiales diferentes de aquellos descritos específicamente. Por ejemplo, un dispositivo donde todos los electrodos son ITO se pueden fabricar de manera tal que el dispositivo puede ser transparente en alguna medida. Además, el dispositivo puede fabricarse sobre un sustrato, y luego aplicarse a una superficie de soporte, de manera tal que el último electrodo depositado está más cerca de la superficie de soporte. Aunque se describen muchas realizaciones con respecto a las células solares, se pueden usar otras realizaciones en otros tipos de dispositivos fotosensibles que tienen una heterounión de D-A, tal como un fotodetector.
La Figura 4 ilustra un método de fabricación de una célula fotovoltaica orgánica de acuerdo con una realización de la invención. El método empieza en el paso 400. En el paso 402, una primera capa orgánica puede depositarse sobre un primer electrodo. La primera capa orgánica puede ser una capa mezclada, que incluye tanto un material aceptor orgánico como un material donador orgánico. En el paso 404, una segunda capa orgánica se puede depositar sobre la primera capa orgánica. La segunda capa orgánica puede ser una capa no mezclada, que incluye el material aceptor orgánico o el material donador orgánico de la primera capa orgánica, por no ambos. Las capas orgánicas pueden depositarse mediante cualquier método adecuado, que incluye evaporación térmica (o evaporación conjunta para varios materiales) y OVPD. En el paso 406, un segundo electrodo puede depositarse sobre la segunda capa orgánica. El método puede ser terminar en el paso 408.
En una realización de la invención, se proporciona una célula solar orgánica eficiente con una capa mezclada de (CuPc) :C6o de ftalocianina de cobre de donador y aceptor depositada conjuntamente al vacío. Se fabricó un dispositivo con una estructura de óxido de indio y estaño/330 Á de CuPc:C6o (1:1) /100 Á de Ceo/75 Á de 2, 9-dimetil-4, 7-difenil-l, 10-fenantrolina/Ag. El dispositivo tenía una resistencia en serie de solamente Rs= 0,25 O-cm2, que deriva en una densidad de corriente de lA/cm2 a una polarización directa de +IV, y una relación de rectificación de 106 a ±IV. Bajo una iluminación solar simulada (todos los espectros solares simulados que se describen aquí eran el espectro solar simulado de AM1,5G), la densidad de corriente en cortocircuito aumenta en forma lineal con la intensidad de la luz hasta 2,4 soles. Se midió una eficiencia de conversión de energía máxima de ?p = (3,6 + 0,2)% a 0,3 soles y ?p = (3,5 + 0,2)% a 1 sol. Aunque el factor de carga disminuye con el aumento de la intensidad, una eficiencia de energía tan alta como ?p = (3,3 + 0,2)% se observa a una intensidad de 2,4 soles.
En otra realización de la invención, se proporciona una célula solar eficiente. Se proporciona un dispositivo con la estructura: óxido de indio y estaño / 150 Á de CuPc:C6o (1:1 en ?eso)/350 Á de C60 /100 Á de batocuproína / 1000 Á de Ag. La célula fotovoltaica presentó una eficiencia de conversión de energía máxima de (5,0 ± 0,2)% bajo 1 a 4 soles de iluminación solar de AM1,5G simulada.
Las eficiencias de energía que lograron las realizaciones de la invención son más altas que cualquier otra anterior lograda para células solares orgánicas. Estos resultados sorprendentes se deben a interacciones entre varias características de la realización de la invención, que incluyen el uso de una capa fotoactiva orgánica no mezclada en relación con una capa fotoactiva orgánica mezclada, con espesores seleccionados teniendo en cuenta la eficiencia. Las realizaciones de la invención son capaces de eficiencias de energía del 2%, 3,5%, o 5% o más. Se espera que la refinación y optimización de los dispositivos consistente con realizaciones de la invención, se pueden lograr eficiencias de energía aún más altas. Un parámetro para considerar en la selección de los espesores de la capa mezclada es la longitud de transporte de carga característica L, que puede considerarse como la distancia promedio que recorre un electrón o un hueco en la capa mezclada bajo un campo eléctrico antes de ser recombinada. Si el espesor de la capa mezclada es demasiado grande, muchos de los portadores de carga se recombinan por oposición a la generación de corriente fotoeléctrica. La selección del espesor de la capa mezclada en consecuencia es punto intermedio entre varios factores, que incluyen el deseo de una capa gruesa para aumentar al absorción, el deseo de una capa delgada para evitar la recombinación. Se prefiere que el espesor de la capa mezclada no sea mayor que 0,8 longitudes de transporte de carga características, y más preferentemente no mayor de 0,3 longitudes de transporte de carga características. Para algunas de las realizaciones específicas descritas aquí que usan una capa mezclada de CuPc:C6o (1:1) la longitud de transporte de carga característica de la capa mezclada es de 45 nm. Se obtuvieron eficiencias excelentes para dispositivos que tienen espesores de la capa mezclada de 330 Á y 100 Á.
Un dispositivo que se revela en la Figura 1 de Hiromoto, Three-layered organic cell with a photoactive interlayer of codeposited pigments, Appl. Phys. Lett. 58 (10(1991) tiene una capa mezclada con una longitud de transporte característica de 40 nm, y el espesor de la capa es de 1 longitud de transporte de carga característica. Como resultado, la recombinación en la capa mezclada del dispositivo puede explicar en parte la baja eficiencia del dispositivo.
Las características fotovoltaicas de los dispositivos mezclados de MPc:C6o de diferentes estructuras se resumen en la Tabla 2. Tabla 2 Estructura (A) ~P0~ J^ Jsc/Po Voc FF ~P~ (mW/crt ,T2v) (,„mA-,,//cpT2,) (A/W) (V) (%) ITO/370 CuPc:C60 100 12,3+0,6 0,12 0,53 0,43 2,8+0,1 (1:1) /75 BCP/Ag ITO/330 CuPc:C60 10 4,2±0,1 0,16 0,43 0,51 3,5+0,2 (1:1)/100 C6o/75 27 4, 2+0,2 °'16 °'47 °'49 3,6±0,2 BCP/Ag 100 0,15 0,50 0,46 y 15,4±0,7 3,5±0,2 ITO/300 CuPc:C60 100 11,1+0,5 0,11 0,54 0,44 2,6±0,1 (1:2)/100 Ceo/75 BCP/Ag ITO/150 CuPc/00 100 0,5 0,6 5,0±0,2 CuPc:C60 (l:l)/350 Ceo/100 BCP/1000 Ag ITO/PEDOT:PSS/ 100 1,5 0,15 0,45 0,5 3,37 500 m-MTDATA/ 500 ZnPc:C6o(l:2)/ 100 6,3 0,063 0,50 0,33 1,07 500 MPP/10 LiF/Al donde P0 es la intensidad de luz incidente, JSc es la densidad de corriente en cortocircuito, Voc es la tensión de circuito abierto, FF es el factor de carga, ?P es la eficiencia de conversión de energía, MPP es N,N' -dimetil-3, 4, 9, 10-perilen bis (dicarboximida) , m-MTDATA es 4, 4' , 4"-tris (3-metilfenilfenilamino) trifenilamina .
La estructura mezclada más simple de ITO/370 Á de CuPc:C6o/75 A de BCP/ Ag muestra una Jsc = (12,0±0,6) mA/cm2 a 1 sol, comparable con un dispositivo de dos capas optimizado usando al misma combinación de materiales donador y aceptor. Véase Xue et al, Appl. Phys. Lett., 84, 3013 (2004). Sin embargo, ?P = (2,8±0,1)% observada en este dispositivo mezclado es menor que en el de dos capas optimizado debido al factor de carga reducido, FF <0,5, contra FF 0,6 en el dispositivo de dos capas. Véase, id. Tanto Jsc como ?P se mejoran adicionalmente con el agregado de una capa delgada (100 A) de C6o entre las capas de CuPc-.Cßo y BCP. Se cree que, desplazando la región activa desde el cátodo de metal reflector, la capa de C6o adicional deriva en un campo óptico aumentado en la interconexión de D-A. Véase Peumans et al, J.
Appl. Phys., 93, 3693 (2003). Un dispositivo con un espesor de CuPc: C6o optimizado de 330 A muestra Jsc = (15,2+0,7) mA/cm y ?P = (3,5+0,2)% a 1 sol. En este caso, sc es un 20% mayor que aquella del dispositivo de dos capas a un 1 sol, y ?P es escasamente igual a aquella del dispositivo de dos capas a 1 sol.
EXPERIMENTOS Y CÁLCULOS Se fabricaron dispositivos fotovoltaicos sobre capas de 1300 Á de espesor de óxido de indio y estaño (ITO) que precubren sustratos de vidrio. La superficie de ITO limpiada con una solución se expuso a radiación ultravioleta/03 antes de la deposición. Los materiales de origen orgánico: CuPc, C6o y 2, 9-dimetil-4, 7-difenil-1, 10-fenantrolina (BCP) se purifican mediante sublimación de gradiente térmico, también antes del uso, como se describe en Forrest, Chem. Rev., 97, 1793 (1997). Todos los materiales orgánicos se evaporaron térmicamente en alto vacío (<10~6 Torr) usando monitores de cristal de cuarzo para determinar el espesor de la película y la velocidad de deposición. La relación de mezcla de CuPc a C6o basado en el % en peso medido usando el monitor del espesor se fija a 1:1, a menos que se indique de otro modo. Los cátodos de Ag se evaporaron a través de una máscara de pantalla de metal con orificios de 1 mm de diámetro. Las características de densidad de corriente y tensión (J-V) se midieron a la sombra y bajo una iluminación del espectro solar simulado de AM1,5G desde una fuente de lámpara de arco de Xe filtrado. Las intensidades de iluminación se midieron usando un medidor de energía calibrada.
La Figura 5 muestra un diagrama del nivel de energía del dispositivo. Una película mezclada de D:A homogénea permite el transporte de electrones y huecos a los contactos, además de la disociación eficiente de los excitones. Mediante la deposición de un cátodo de Ag sobre BCP, se crean estados de defecto que transportan electrones eficientemente desde C6o al cátodo de metal, mientras bloquean eficazmente el transporte de huecos y electrones. En el ánodo, la capa mezclada de CuPc:C6o se depositó directamente sobre la superficie de ITO que se limpió previamente.
La Figura 6 muestra las características de J-V de un dispositivo híbrido con una estructura de ITO/300 Á de CuPc:C6o / 100 A de C6o / 75 Á de BCP / Ag, en la oscuridad y bajo diferentes intensidades de iluminación del espectro solar simulado de AM1,5G. Específicamente, se proporcionan características de J-V en la oscuridad, y a intensidades de luz de 0,01 soles, 0,03 soles, 0,08 soles, 0,3 soles, 0,9 soles, y 2,4 soles. Las características de J-V oscuras muestran una relación de rectificación de 106 a + 1 V, y la corriente directa a +1 V es 1 > A/cm2, indicando una baja resistencia en serie de Rs = 0,25 O-cm2 que se obtiene ajustando la características de J-V de acuerdo con una ecuación de diodo ideal modificada. Véase Xue et al, Appl. Phys. Lett., 84, 3013 (2004).
La Figura 7 muestra características fotovoltaicas adicionales del dispositivo descrito con referencia a la Figura 6. JSc aumenta en forma lineal con una intensidad de luz incidente (P0) , con una respuesta de (0,15 ± 0,07) A/W. Además, Voc aumenta y FF se reduce con el aumento de P0. Como resultado, ?P es casi constante a todas las intensidades de luz entre 0,01 y 2,4 soles, con un máximo de ?P = (3,6 ± 0,2) %, y Jsc = (4,2 ± 0,1) mA/cm, Voc = 0,47 V y FF = 0,49, bajo 0,3 sol de iluminación. A intensidades más altas, FF disminuye a 0,42, que deriva en ?P = (3,3 + 0,2) % a 2,4 soles.
Aunque JRS puede afectar las características de J-V a intensidades altas, la Rs baja = 0,25 O-cm2 para el dispositivo mezclado deriva en una caída de tensión en condiciones de cortocircuito de solamente JSc ' Rs = 10 mV a 2,4 soles. Esta caída de tensión, a su vez, se estima para reducir ?P en menos del 0,1% comparado con un dispositivo ideal (Rs = 0 O-cm2). Los resultados recientemente informados que emplean una estructura de capa mezclada de ZnPc:C6o- véase D. Gebehu et al, Solar Energy Mater. Solar Cells, - 79, 81 (2003) y la entrada de ZnPc en la Tabla 2, muestra ?P con características fotovoltaicas similares a algunos dispositivos con capas mezcladas bajo una intensidad más baja (1/10 soles), pero con una disminución significativa de Jsc y FF a 1 sol, que deriva en una ?P menor (véase la Tabla 2 ) . Esta reducción en ?P puede deberse a la Rs importante (40 - 60 O-cm2) del primer dispositivo.
Recientemente Sullivan et al, Appl. Phys. Lett., 84, 1210 (2004), ha informado de estructuras similares a aquellas de la Tabla 2 , aunque las eficiencias de esos dispositivos son 3 veces menores que ciertos dispositivos revelados aquí. Peumans et al, J. Appl.
Phys., 93, 3693, han mostrado que la eficiencia disminuye exponencialmente con el espesor de la capa de bloqueo (BCP) una vez que la capa excede el "espesor de daño" inducido durante la deposición de contacto. Las capas de BCP de Sullivan son de 120 A, aparentemente excediendo el espesor de daño. Además, también hemos hallado que la pureza del material es demasiado importante en la determinación de la eficiencia de la célula PV. Para dispositivos fabricados por los inventores y descritos aquí, todas las fuentes de materiales se han sublimado al menos tres veces antes de usarlos en la fabricación de los dispositivos.
La Figura 8 muestra espectros de absorción de películas de CuPc:C6o con diferentes relaciones de mezcla, depositadas sobre ITO. Las concentraciones de CuPc en películas mezcladas son (a) 100% (una sola capa de CuPc), (b) 62%, (c) 40%, (d) 33% y (e) 21%. La película de CuPc tiene dos picos centrados en longitudes de onda de 620 nm y 695 nm. El pico de longitud de onda más largo se debe a la generación de excitón de Frenkel molecular, mientras que la característica de longitud de onda más corta se atribuye a la formación de agregados de CuPc. El pico de longitud de onda más largo es dominante en la fase de gas o la solución diluida. La Figura 8 muestra que la magnitud del pico de longitud de onda más largo aumenta con el aumento del contenido de Cßo- Por consiguiente, las moléculas de CuPc muestran una menor tendencia a agregarse con el aumento del contenido de Cßo- Esto sugiere que un aumento en la concentración de C6o inhibe la agregación CuPc, reduciendo de este modo el transporte de huecos en la película mezclada, tal vez llevando a una baja eficiencia de recolección.
Esto se refleja en la eficiencia de energía reducida (?P= (2,6±0,1)%, véase la Tabla 2) de una célula PV mezclada de CuPc:C6o (1:2). Sin embargo, a la concentración de 1:1, puede haber una agregación suficiente (aunque no una agregación medible) de las moléculas de CuPc, y/o la formación de "cuerdas" de CuPc o caminos de infiltración, para permitir el transporte de huecos de baja resistencia. Las moléculas de Cßo de simetría mucho más alta también pueden formar un camino de infiltración para el transporte de electrones eficiente al cátodo. En la actualidad, se cree que una relación de 1,2:1 (en peso) de CuPc/Cdo es la más preferida, aunque se pueden usar otras concentraciones .
La Figura 9 muestra características de corriente fotoeléctrica y tensión normalizadas bajo diferentes intensidades de luz para los dispositivos descritos con respecto a la Figura 6. Las densidades de corriente se normalizan restando la corriente oscura, y luego dividiendo la intensidad de luz de AM1,5G. La Figura 9 también muestra procesos fotovoltaicos propuestos para dispositivos de dos capas y de capa mezclada. En un dispositivo de dos capas 910, los excitones fotogenerados migran a la interconexión de D-A (1) , donde se separan en portadores de carga en la región de agotamiento incorporada (2) , seguido por el barrido a través de la región neutra mediante la difusión asistida por el gradiente de concentración del portador (3) . En un dispositivo de capa mezclada 920, los excitones se separan inmediatamente en portadores de carga en el par de D-A (4) . Los portadores de carga luego avanzan hacia los electrodos mediante deriva bajo el campo eléctrico incorporado (5) , algunos sufren pérdida debido a la recombinación (6) .
En una célula de dos capas, los fotones pueden no contribuir a la corriente fotoeléctrica si son absorbidos demasiado lejos de la interconexión de D-A. La distancia que es "demasiado lejos" se relaciona con la longitud de difusión de excitones (LD) . La eficiencia cuántica externa ( ?sQE) así como la eficiencia de absorción de un dispositivo de dos capas están limitadas por la eficiencia para la difusión de excitones a la unión de D-A (?ED) • En un dispositivo mezclado, por otra parte, ?ED es alta (100%) porque todos los excitones se generan en el par molecular de D-A, y por lo tanto son fáciles de disociar. Esto sugiere que los dispositivos mezclados no están restringidos por la característica de LD pequeña de las películas delgadas orgánicas. En consecuencia, JSc = 15,4 mA/cm2 de un dispositivo mezclado a 1 sol es mayor que JSc = 11,3 mA/cm2 del dispositivo de dos capas optimizado. Véase, Xue et al, Appl. Phys. Lett., 84, 3013 (2004) . Sin embargo, el dispositivo mezclado muestra una gran dependencia del campo eléctrico en las características de J-V (véase la Figura 9) , que deriva en un menor FF, y por lo tanto una menor eficiencia de conversión de energia que el dispositivo de dos capas.
La recombinación de electrones y huecos pueden ser más probables en un dispositivo de capa mezclada ya que la separación de cargas fuera del sitio de disociación de excitones se dificulta por la alta resistencia de la capa mezclada. Sin embargo, las características de J-V bajo diferentes intensidades de irradiación en la Figura 9 muestran que la corriente fotoeléctrica normalizada no se reduce significativamente, aún a alta intensidad (y por lo tanto concentraciones más altas del portador) , lo cual sugiere que la recombinación bimolecular de los portadores fotogenerados no es significativa en la capa mezclada. Como la generación del portador ocurre a través de la capa mezclada completa, el gradiente de la concentración del portador es muy pequeña, lo cual sugiere que el componente de difusión a la corriente total es también pequeño. Por lo tanto la corriente dentro de la capa mezclada se impulsa principalmente mediante deriva y puede ser afectada fuertemente por un campo eléctrico aplicado (véase la Figura 9, dispositivo 910) . Por otra parte, en un dispositivo de dos capas, los portadores fotogenerados en la interconexión de D-A se difunden a través de la región neutra (véase la Figura 9, dispositivo 920) . Este proceso está asistido por un gran gradiente de concentración de carga que se extiende desde la interconexión de D-A a los electrodos, lo cual deriva en una dependencia del campo eléctrico relativamente pequeña.
Se fabricó otra célula fotovoltaica híbrida, que tiene la estructura: óxido de indio y estaño/ 150 Á CuPc / 100 Á CuPc: Ceo / 100 Á batocuproína / 1000 A Ag. Esta fotovoltaica presentó una eficiencia de conversión de energía máxima de (5,0±0,2)% bajo 1 a 4 soles de iluminación solar de AM1,5G simulada.
Se fabricaron dispositivos de la siguiente manera: Se fabricaron células PV de heterounión híbrida orgánicas sobre sustratos de vidrio precubiertos con un ánodo de ITO conductor, transparente de 150 Á de espesor con una resistencia de la lámina de 15 O/sq, obtenida de Applied Film Corp, Boulder, CO 80301. Los sustratos se limpiaron en solvente como se describió en Burrows et al, J. Appl. Phys., 79, 7991 (1992). El sustrato luego se trató con radiación ultravioleta y ozono durante 5 minutos, como se describió en Xue et al, J. Appl. Phys. 95, 1869 (2004). Las capas orgánicas y un cátodo de metal se depositaron mediante evaporación térmica en una cámara de alto vacío con una presión de base de 2xl0~7 Torr. Una capa de CuPc se depositó sobre el ánodo de ITO, seguida por una capa mezclada en forma homogénea depositada conjuntamente de CuPc:C6o (1:1 en peso), seguida por una capa de C6o- Se fabricaron diferentes dispositivos, que tienen diferentes espesores de las capas orgánicas. El espesor de la capa de CuPc se varió entre dD de 50 A - 200 Á. El espesor de la capa mezclada en forma homogénea depositada conjuntamente de CuPc:C6o (1:1 en peso) se varió entre dm de 0 Á - 300 Á. El espesor de la capa de C6o se varió entre dñ de 250 Á - 400 A. Después de que se depositó C6o/ se depositó una capa de bloqueo de excitones de 100 A de espesor de BCP. Finalmente, un cátodo de Ag de 1000 A de espesor se evaporó a través de una máscara de pantalla con orificios de 1 mm de diámetro. Para los dispositivos que tienen dm superior a cero, los dispositivos aparecen como se ilustran en el dispositivo 1010, es decir los dispositivos son similares a aquellos de la Figura 3, donde la tercera capa orgánica 310 es CuPc, la primera capa 306 es una mezcla de CuPc y Ceo la segunda capa orgánica 308 es Ceo y la cuarta capa orgánica 314 es BCP.
Las características de corriente y tensión de las células PV a 25°C en la oscuridad o bajo iluminación solar de AM1,5G simulada desde una lámpara de arco de Xe de 150 W (Oriel Instruments) se midieron usando un analizador de parámetros de semiconductor HP 4155B. La intensidad de iluminación se varió usando filtros de densidad neutra y se midió con un medidor de energía óptica de banda ancha calibrada (Oriel Instruments) . Para medir la eficiencia cuántica externa, se usó un haz de luz monocromático, que se generó pasando la luz blanca desde la lámpara de arco de Xe a través de un onocromedidor de 0,3 m (Acton Research SpectraPro-300i) y cuya intensidad se determinó usando un fotodetector de Si calibrado (Newport 818-UV) . Con una frecuencia de corte de 400 Hz, la corriente fotoeléctrica luego se midió usando un amplificador de encierro (Stanford Research SR830) en función de la longitud de onda de la luz incidente y la tensión aplicada.
La Figura 10 muestra las características de densidad de corriente en función de tensión (J-V) en la oscuridad para una heterounión planar (dD = 200 A y dA = 400 Á, dm = 0) y una célula de heterounión híbrida (dD = 100 A, dm = 200 Á, y dA = 300 Á) . Ambas células presentan relaciones de rectificación >106 a ±1 V, y resistencias de derivación > 1 MO-cm2. Las características de polarización directa pueden ajustarse usando la ecuación de diodo modificada (1) donde js es la densidad de corriente de saturación de polarización invertida, n es el factor ideal, Rs la resistencia en serie, q la carga de electrones, k la constante de Boltzmann y T la temperatura. Si bien Rs es aproximadamente la misma para ambas células, 0,25 O-cm, n se reduce de 1,94+0,08 para la célula de heterounión a 1,48+0,05 para la célula de hetarounión híbrida, mientras que Js también se reduce de (4+1) x 107 A/cm2 (heterounión planar) a (1,0±0,3) x 10~8 A/cm2 (heterounión híbrida) .
La Figura 11 muestra las dependencias de n y Js del espesor de la capa mezclada dm, para células de heterounión híbrida con dD = dA - 200 Á = 200 A - dm/2. Con el aumento de dm, tanto n (círculos abiertos) como Js (cuadrados rellenos) disminuyen significativamente a dm = 100 Á, y tienden a saturarse a dm = 100 A.
Los menores n y Js para células con una capa mezclada pueden atribuirse a la disminución en la corriente de recombinación en la región de agotamiento de estas células. Para una célula de heterounión planar, debido a la compensación de energía importante (1 eV) de los orbitales moleculares ocupado más alto y no ocupado más bajo (HOMO y LUMO, respectivamente) en la interconexión de CuPc/Ceo? la corriente de emisión de difusión es despreciable; en consecuencia, la corriente oscura está dominada por la corriente de recombinación en la región de agotamiento, que incluye la capa mezclada completa y una parte de las capas fotoactivas no mezcladas en contacto con la capa mezclada, lo cual lleva a n « 2. De acuerdo con el modelo de recombinación de Shockley-Hall-Read, Js, para la corriente de recombinación se puede expresar como: J rs,r<c = ~ qn^'W—' = - l qn,W tv?Nrtsv? , (2) donde n¿ es la concentración de electrones y huecos intrínseca, W es el ancho de agotamiento eficaz, t = 1/ (Nt s vth) es la duración del portador en exceso, Nt es la densidad total de los centros de recombinación, s es el corte transversal de la captura de electrones y huecos y th es la velocidad térmica del portador. En semiconductores desordenados donde los portadores de carga se transportan a través de procesos de salto, Paasch et al, Synth. Met. 132, 97 (2002), ha mostrado que vth oc µ1'1 para µ < 1 cm2/V*s, donde µ es la movilidad del portador. En consecuencia, una reducción de J? en una capa mezclada puede ocurrir como resultado de la µ reducida en una capa mezclada comparada con una capa no mezclada. Con una corriente de recombinación muy reducida, al contribución de la corriente de emisión de difusión a la corriente oscura se hace apreciable, lo cual lleva a 1 < n < 2 en células con una capa mezclada. Comparando Js para la célula de heterounión planar y para las células de heterounión híbrida con dm = 200 Á, se puede deducir que la movilidad de huecos en CuPc y la movilidad de electrones en C6o se reducen aproximadamente un orden y medio de magnitud mezclando CuPc y C6o a una relación de 1:1 en peso.
La Figura 12 muestra la densidad de corriente fotoeléctrica, JPh, a una intensidad de iluminación de P0 = 120 mW/cm2 para células con una capa mezclada que tiene un espesor de 0 A < dm < 300 Á. Nuevamente, dD = 200 A - dm/2 y dA = 400 A - dm/2. A 0 V (cortocircuito, cuadrados rellenos) , JPh aumenta con dm para dm < 200 A, mientras se mantiene casi constante como dm aumenta más a 300 A. Al aplicar una polarización de 1 V (círculos abiertos) , Jph aumenta significativamente, más para las células con una capa mezclada más gruesa. Para la célula de heterounión planar, esto puede atribuirse a la disociación de excitones asistida por el campo fuera de la interconexión de D-A. Sin embargo, para las células de heterounión híbrida, especialmente aquellas con una capa mezclada gruesa (dm = 150 Á) , el aumento significativo en JPh puede atribuirse a una eficiencia de recolección de carga aumentada {r\ccf o una fracción de la carga fotogenerada se recoge en los electrodos) debido a un campo eléctrico aumentado en la capa mezclada, que se relaciona directamente con la propiedad de transporte pobre de la capa mezclada.
Basado en un modelo descrito por Peumans et al, J. Appl. Phys. 93, 3693 (2003) , que considera tanto el efecto de interferencia óptica como la disufisón de excitones, JPll, de las células de heterounión híbrida pueden simularse en función del espesor de la capa mezclada, suponiendo una disociación completa de los excitones ene la capa mezclada y la recolección de carga ideal (?Cc = 1) • Como lo muestra la línea llena 1210 en la Figura 12, usando una longitud de difusión de excitones de 70 Á y 300 Á en CuPc y Ceo, respectivamente, la predicción del modelo está en un acuerdo razonable con los datos experimentales a -1 V. La discrepancia a dm = 150 Á puede atribuirse a la disociación de excitones asistida por el campo en las capas mezcladas, que no se toma en consideración en el modelo usado para generar la línea 1210.
Para explicar la ?Cc limitada en células de hetarounión híbrida, se puede usar un modelo que supone un electrón (o un hueco) en la capa mezclada a una distancia x de la interconexión de la capa mezclada/capa no mezclada de C6o (o CuPc) tiene una probabilidad de que P (x) =exp (-x/L) llegue a la interconexión de capa mezclada/capa no mezclada, donde se transporta a través de la capa no mezclada y se recoge en el electrodo. L es una longitud característica para el transporte del portador. Entonces, la eficiencia de recolección de carga total es: Vcc = J p{x)P{x)dxl J p(x)dx 1-exp --a- if ?{x)= constante, (3) donde p(x) es la concentración de huecos. La densidad de corriente fotoeléctrica J0ph puede obtenerse multiplicando ?cc con los resultados del modelo descrito en el párrafo anterior y usarse para generar la línea 1210, que corresponde a ?cc = 1-Ajustando los datos experimentales de JPh a 0 V usando el modelo descrito en este párrafo, se genera la línea punteada 1220 y se obtiene una longitud de transporte de carga característica de L = 450 Á+50 A.
La característica longitud de transporte de carga L puede considerarse como la distancia promedio que un electrón o un hueco recorre en la capa mezclada bajo un campo eléctrico antes de ser recombinada. Por lo tanto, L puede expresarse como L = tµ{Vb¡ -V)/W L-(Vb. -V)/Vb¡ * (4) donde t es la duración del portador, µ es la movilidad del portador, Vb? es el potencial incorporado, W es el ancho de agotamiento, y L0 = tµVbi/W = L(V = 0) . La aproximación se hace si W no cambia significativamente con la tensión de polarización. La eficiencia de recolección de carga ?Cc ahora se hace una función de V a través de la dependencia de la tensión de L, de manera tal que : JPh{r) = PoR0?cc(v), (5) donde R0 es la respuesta correspondiente a ?Cc = 1. La densidad de corriente total es la suma de JPh y la densidad de corriente oscura descrita por la Ecuación (1) . La Figura 13 muestra las características de J-V experimentales a diferentes P0 para una célula de heterounión híbrida con dm = 200 Á. Usando los resultados para Js, n, y Rs del análisis de corriente oscura y Vbi = 0,6 V, se puede calcular que L0 = 400 A ± 50 Á y R0 = (0,22 ± 0,02) A/W ajustando los datos a -1 V < V < 0,6 V. L0 obtenida aquí está de acuerdo con el resultado del ajuste en la densidad de corriente de cortocircuito.
La Figura 14 muestra los espectros de absorción de la célula de heterounión planar con dm = 200 A (línea de puntos) . La eficiencia de absorción ?A = 1 - R, donde R es la reflectancia de la luz incidente a través del sustrato de vidrio con un cátodo de Ag sobre las capas orgánicas (véase la estructura 1410) . La diferencia ligera en los espectros de absorción para estos dos dispositivos puede atribuirse al perfil de densidad de material diferente y a la distribución no uniforme inducida por la interferencia de la intensidad del campo óptico a través del espesor de las capas orgánicas, además de los diferente estados de agregación de CuPc en la MCL y la PCL.
En la Figura 14 también se muestran las eficiencias cuánticas externas, ?e?t, a 0 V para una heterounión planar (linea llena) y una heterounión híbrida (línea de puntos) . La célula de heterounión híbrida tiene una ?ext mucho más alta en la región espectral entre 550 nm y 750 nm, que corresponde a la absorción de CuPc, mientras que en la región de absorción de Cßo (380 nm a 530 nm) , ?ext es ligeramente menor en la célula de heterounión híbrida como resultado de una ?A ligeramente menor. En consecuencia, la eficiencia cuántica interna, ?int = ?e?t/?Ar se mejora significativamente en la región de absorción de CuPc para la célula de heterounión híbrida comparada con la célula de heterounión planar, mientras que es casi la misma en la región espectral donde la absorción de C6o domina. Esto coincide con las longitudes de difusión de excitones diferentes en CuPc (LD 100 Á) y C6o 400 Á) , considerando que en la célula de heterounión planar, dD = 200 A 2 LD, mientras que dA = 400 A LD. Tanto la eficiencia cuántica como los espectros de absorción de la célula de heterounión híbrida muestran un final de longitud de onda larga que se extiende desde 800 nm a 900 nm, más allá del borde de absorción de CuPc (750 nm) . Esto se atribuye a la absorción de estado de transferencia de carga en la mezcla de CUPC:C6O? similar a aquella observada en el sistema mezclado de ftalocianina de Zn : C6o- Véase G Ruani et al, J. Chem. Phys. 116, 1713 (2002) .
La Figura 15 muestra las dependencias de la intensidad de la iluminación de ?P, FF y V0c para una célula de heterounión híbrida (círculos abiertos) con la estructura de ITO/CuPc (150 Á)/CuPc:C60 (100 A, 1:1 en peso) /C60 (350 Á) /BCP (100 Á) / Ag (1000 A) . También se muestran resultados informados previamente para una célula de heterounión planar de Xue et al, Appl. Phys. Lett. 84, 3013 (2004) (cuadrados llenos) y la célula de heterounión híbrida de la Figura 6 (triángulos llenos) . Las tres células muestran una dependencia lineal de Jsc de P0 en la gama de P0 usada en los experimentos. A 1 sol (= 100 mW/cm2) , Jsc = (11,8 + 0,5), (15,5 ± 0,5) y (15,0 ± 0,5) mA/cm2 para la célula de heterounión planar, global e híbrida, respectivamente. La corriente fotoeléctrica más alta obtenida en las células de heterounión global y planar puede ser el resultado de una difusión de excitones más favorable en la capa mezclada comparada con las capas no mezcladas. La célula de heterounión híbrida tiene casi la misma Jsc que la célula de heterounión global a pesar de que solamente usa una capa mezclada delgada. Excepto a las intensidades más altas, V0c aumenta en forma logarítmica con P0 para las tres células, lo cual se puede explicar usando la teoría de unión de p-n. Véase Xue et al, Appl. Phys. Lett., 84, 3013 (2004). La pendiente diferente de V0c a log(P0 se debe al factor de idealidad diferente de estos diodos: n « 2 para la célula de heterounión planar, y n * 1,5 para las células de heterounión global y planar.
La célula de heterounión planar tiene un FF alto 0,6 como resultado de la baja Rs y la buena propiedad de transporte de las capas no mezcladas. El FF se reduce significativamente para la célula de heterounión global, especialmente bajo intensidades altas, por ejemplo FF = 0,45 a 1 sol, comparado con FF = 0,62 para la célula de heterounión planar. Con una capa mezclada mucho más delgada que en la estructura de heterounión global (100 A contra 330 Á) , la célula de heterounión híbrida muestra FF > 0,6 a P0 = 1 sol y se reduce sólo ligeramente a 0,53 a una iluminación intensa de 10 soles, lo cual indica la propiedad de transporte de carga muy mejorada.
En general, la célula de heterounión híbrida tiene una eficiencia máxima de ?P = (5,0 ± 0,2)% a 120 mW/cm2 < P0 < 380 mW/cm2 (véase el panel 1510) . La reducción de la intensidad de iluminación por debajo de 1 sol deriva en la reducción en ?P debido a la reducción en V0c- El aumento de la intensidad por encima de 4 soles también produce una ligera reducción en ?P como resultado del FF reducido. Esa interacción entre las dependencias de V0c y FF con respecto a P0 deriva en un máximo de ?P a una intensidad de iluminación que puede sintonizarse entre una fracción de un sol y unos pocos soles variando el espesor de la capa mezclada. Con una capa mezclada más gruesa en la estructura de heterounión híbrida, el FF disminuye más significativamente con P0, lo cual deriva en una ?P pico a intensidades menores. Para células con una capa mezclada muy delgada (dm < 50 Á) , la resistencia en serie de la célula puede ser un factor que limita FF bajo iluminaciones intensas. Por ejemplo, ?P para una célula de heterounión híbrida con dm = 50 A llega al máximo a P0 4 - 10 soles, mientras que hace pico a 0,4 sol < P0 = 1,2 sol para una célula con dm = 150 Á.
Si bien la presente invención se describe con respecto a los ejemplos particulares y realizaciones preferidas, se entiende que la presente invención no se limita a estos ejemplos y realizaciones. La presente invención reivindicada en consecuencia incluye variaciones de los ejemplos particulares y realizaciones preferidos descritos aquí, como será evidente par aun experto en el arte.

Claims (32)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo, que comprende: un primer electrodo; un segundo electrodo; una región fotoactiva dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, la región fotoactiva además comprende: una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material aceptor orgánico y un material donador orgánico, en donde la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,8 longitudes de transporte de carga características; y una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en donde: la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material aceptor orgánico o el material donador orgánico de la primera capa orgánica, y la segunda capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,1 longitudes de absorción ópticas.
2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,3 longitudes de transporte de carga características.
3. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo tiene una eficiencia de energía del 2% o más.
4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo tiene una eficiencia de energía del 5% o más.
5. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la segunda capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,2 longitudes de absorción ópticas.
6. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la mezcla del material aceptor orgánico y el material donador orgánico en la primera capa orgánica ocurre en una relación en la gama de 10:1 a 1:10, respectivamente.
7. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada una de la primera y la segunda capas orgánicas aporta al menos un 5% de la salida de energía total del dispositivo fotoactivo .
8. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, en donde cada una de la primera y segunda capas orgánicas aporta al menos un 10% de la salida de energía total del dispositivo fotoactivo.
9. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada una de la primera y segunda capas orgánicas absorbe al menos un 5% de la energía absorbida por la región fotoactiva.
10. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en donde cada una de la primera y segunda capas orgánicas absorbe al menos un 10% de la energía absorbida por la región fotoactiva.
11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el material aceptor orgánico se selecciona del grupo formado por: fulerenos, perilenos, sistemas moleculares conjugados catacondensados tales como poliacenos lineales (que incluyen antraceno, naftaleno, tetraceno y pentaceno) , pireno, coroneno y variantes con funcionalidades de ellas.
12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el material donador orgánico se selecciona del grupo formado por: porfirinas que contienen metal, porfirinas que no contienen metal, rubreno, ftalocianinas que contienen metal, ftalocianinas que no contienen metal, diaminas (tales como NPD) , y variantes con funcionalidades de ellas, que incluyen naftalocianinas .
13. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera capa orgánica comprende esencialmente una mezcla de CuPc y C60.
14. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende una primera capa no fotoactiva dispuesta entre el primer electrodo y la segunda capa orgánica.
15. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la primera capa no fotoactiva comprende 2, 9-dimetil-, 7-difenil- 1,10-fenilantrolina (BCP).
16. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la primera capa no fotoactiva es una capa de bloqueo de excitones.
17. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer electrodo comprende óxido de indio y estaño.
18. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo electrodo comprende Ag.
19. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la segunda capa orgánica comprende el material aceptor orgánico de la primera capa orgánica.
20. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la segunda capa orgánica comprende el material donador orgánico de la primera capa orgánica.
21. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo es una célula solar en tándem.
22. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo es una célula solar.
23. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el dispositivo es un fotodetector.
24. Un dispositivo que comprende: un primer electrodo; un segundo electrodo; una región fotoactiva dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, la región fotoactiva además comprende: una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material aceptor orgánico y un material donador orgánico en donde la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,8 longitudes de transprote de carga características; una segunda capa orgánica en contacto directo con una primera capa orgánica, en donde: la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material aceptor orgánico de la primera capa orgánica, y la segunda capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,1 longitud de absorción, y una tercera capa orgánica dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, la tercera capa orgánica está en contacto directo con la primera capa orgánica, en donde: la tercera capa orgánica comprende una capa no mezclada del material donador orgánico de la primera capa orgánica y la tercera capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,1 longitud de absorción óptica.
25. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 24, en donde la primera capa orgánica tiene un espesor no mayor de 0,3 longitud de transporte de carga característica.
26. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 24, en donde el dispositivo tiene una eficiencia de energía del 2% o más.
27. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 24, en donde el dispositivo tiene una eficiencia de energía del 5% o más.
28. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 24, en donde la segunda capa orgánica tiene un espesor no menor de 0,2 longitud de absorción óptica.
29. Una célula solar que comprende: un primer electrodo, un segundo electrodo y una región fotoactiva orgánica dispuesta entre el primer y segundo electrodos, en donde la región fotoactiva está compuesta por una mezcla de dos materiales orgánicos, y en donde la resistencia en serie entre el primer y el segundo electrodos está en la gama de 0,25O cm2 + 0,15 O cm2.
30. Un dispositivo que comprende: un primer electrodo un segundo electrodo una primera capa orgánica dispuesta entre el primer y segundo electrodos, en donde la primera capa orgánica comprende una mezcla de un material aceptor orgánico y un material donador orgánico, y I una segunda capa orgánica dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, en donde: la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material aceptor orgánico' o el material donador orgánico de la primera capa orgánica, y el dispositivo es una célula solar y los fotones absorbidos por la primera capa orgánica aporta al menos un 5% de la corriente fotoeléctrica generada por el dispositivo y los fotones absorbidos por la segunda capa orgánica aportan al menos un 5% de la corriente fotoeléctrica generada por el dispositivo.
31. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 30, en donde los fotones absorbidos por la primera capa orgánica aporta al menos un 10% de la corriente fotoeléctrica generada por el dispositivo, y los fotones absorbidos por la segunda capa orgánica aporta al menos un 10% de la corriente fotoeléctrica generada por el dispositivo.
32. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde hay una separación de fases no significativa entre el material aceptor orgánico y el material donador orgánico en la primera capa orgánica.
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