TWI411147B - 堆疊之有機光敏感性裝置 - Google Patents

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Description

堆疊之有機光敏感性裝置
本發明一般係關於有機光敏感性光電子裝置。更明確言之，其係關於效率提高之有機光敏感性光電子裝置。
光電子裝置依賴於材料的光學及電子特性以電子式產生或偵測電磁輻射或從環境電磁輻射產生電。
光敏感性光電子裝置將電磁輻射轉換為電。亦稱為光伏打(PV)裝置的太陽能電池為特定用以產生電力的一類光敏感性光電子裝置。可從不同於陽光的光源產生電能之PV裝置，可用以驅動功率消耗負載而提供例如照明、加熱或提供電源給電子電路或裝置，例如計算器、收音機、電腦或遠端監視或通信設備。該等功率產生應用亦通常涉及到給電池或其他能量儲存裝置充電，以便當自太陽或其他光源的直接照明並非可用時操作可繼續進行，或平衡具有特定應用要求之PV裝置的功率輸出。本文所用的術語「電阻負載」指任何功率消耗或儲存電路、裝置、設備或系統。
另一類光敏感性光電子裝置為光導體電池。在此功能中，信號偵測電路監視裝置的電阻以偵測因光的吸收所引起的變化。
另一類光敏感性光電子裝置為光偵測器。在操作中光偵測器係與電流偵測電路結合使用，電流偵測電路測量當光偵測器曝露於電磁輻射時所產生的電流，並可具有施加的偏電壓。本文說明的偵測電路能提供偏電壓給光偵測器並測量光偵測器對電磁輻射的電子回應。
依據是否存在以下定義的整流接面，並依據是否採用外部施加電壓(亦稱為偏壓或偏電壓)操作該裝置，可表示該等三類光敏感性光電子裝置的特徵。光導體電池沒有整流接面，而且通常採用偏壓操作。PV裝置具有至少一個整流接面，而且並非採用偏壓操作。光偵測器具有至少一個整流接面，而且通常但並非總是採用偏壓操作。作為一般規則，光伏打電池提供電源給電路、裝置或裝備，但並非提供信號或電流以控制偵測電路或自偵測電路的資訊之輸出。相反，光偵測器或光導體提供信號或電流以控制偵測電路或自偵測電路的資訊之輸出，但並非提供電源給電路、裝置或設備。
傳統上，光敏感性光電子裝置係由若干無機半導體構成，例如結晶、多晶矽或非晶矽、砷化鎵、碲化鎘或其他半導體。本文中的術語「半導體」表示當藉由熱或電磁激發產生電荷載子時可導電的材料。術語「光導」一般係關於以下程序：電磁輻射能量得到吸收並由此轉換為電荷載子的激發能量，使得載子可進行傳導，即傳輸材料中的電荷。術語「光導體」及「光導材料」在本文中係用以指半導體材料，其係因為其吸收電磁輻射的特性而獲選定以產生電荷載子。
PV裝置的特徵在於其能將入射太陽能轉換為有用電力之效率。利用結晶或非晶矽的裝置成為商業應用的主流，且某些裝置已達到23%或更大的效率。然而，有效率的以結晶為主的裝置，尤其係表面積大的裝置，生產起來比較困難而且昂貴，因為在無顯著效率降低缺陷之條件下生產大晶體存在固有問題。另一方面，高效率非晶矽裝置仍受到穩定性問題之困擾。目前市售非晶矽電池已將效率穩定在4%與8%之間。最近更多的努力已集中在使用有機光伏打電池以經濟的生產成本達到可接受的光伏打轉換效率。
可最佳化PV裝置以獲得在標準照明條件(即標準測試條件，其為1000 W/m2 ，AM1.5光譜照明)下的最大電力產生，並獲得光電流乘以光電壓的最大乘積。此一電池在標準照明條件下的功率轉換效率取決於下列三個參數：(1)零偏壓下的電流，即短路電流IS C ；(2)開路條件下的光電壓，即開路電壓VO C ；及(3)填充因數ff。
當PV裝置係橫跨負載連接並得到光的照射時，其產生光生電流。當在無限負載的情況下得到照射，PV裝置產生其最大可能電壓，即開路電壓V或VO C 。當在其電接頭縮短的情況下得到照射，PV裝置產生其最大可能電流，即開路電流I或IS C 。當實際上用於產生功率時，PV裝置係連接至一有限電阻負載，而功率輸出係給定為該電流與電壓之乘積I×V。由PV裝置產生的最大總功率固有地不能超過該乘積IS C ×VO C 。當負載值係最大化用於最大功率擷取時，電流與電壓分別具有數值Im a x 及Vm a x 。
PV裝置的優質為填充因數ff，其係定義為：ff＝{Im a x Vm a x }/{IS C VO C } (1)其中ff總是小於1，因為決不會在實際使用中同時獲得IS C 及VO C 。然而，當ff接近1時，該裝置之串聯或內部電阻更小，並因此使得該負載在最佳條件下具有更大百分比之IS C 與VO C 的乘積。若Pi n c 係一入射於裝置上的功率，則該裝置之功率效率ηP 可計算為：ηP ＝ff*(IS C * VO C )/Pi n c
當具有適當能量的電磁輻射入射在半導體有機材料上時(例如有機分子晶體(OMC)材料或聚合物)，可吸收光子以產生受激分子狀態。此係用符號表示為S0 ＋hvS0 ＊ 。此處S0 及S0 ＊ 分別表示接地及受激分子狀態。此能量吸收係與促使電子從HOMO能量位準中的束縛態(其可能為π鍵)至LUMO能量位準(其可能為π＊ 鍵)，或等效地，促使電洞從LUMO能量位準至HOMO能量位準的增進。在有機薄膜光導體中，一般咸信所產生的分子狀態為激子，即傳輸為準粒子而處於束縛態之電子電洞對。激子可在成雙再組合之前具有可評估的壽命，該再組合指原始電子與電洞相互再組合的程序，如同與來自其他對之電洞或電子的再組合相反。為產生光電流，通常在二相異接觸有機薄膜之間的施體與受體介面處，電子電洞對變為分離式。若電荷不分離，則其可在成雙再組合程序(亦稱為淬火)中再組合，即以輻射方式藉由發射具有比入射光低的能量之光，或以非輻射方式藉由產生熱量來進行再組合。該等結果之任一個在光敏感性光電子裝置中均不合需要。
電場或接點處的不均勻性可引起激子淬火而非在施體與受體介面處進行解離，從而導致沒有對電流的淨貢獻。因此，需要保持光生激子遠離接點。此具有限制激子擴散至接面附近區域的效果，以便相關電場具有增加的機會分離由接面附近的激子之解離所釋放的電荷載子。
為產生佔用實質容量的內部產生電場，常用方法係並置具有適當選定的導電特性之二材料層，尤其針對其分子量子能量狀態的分佈來並置。該等二種材料的介面係稱為光伏打異質接面。在傳統的半導體理論中，將用於形成PV異質接面之材料表示成一般為n型或p型。此處n型表示多數載子類型為電子。此可視為具有許多在相對自由能量狀態中的電子之材料。p型表示多數載子類型為電洞。此類材料具有許多在相對自由能量狀態中的電洞。背景之類型，即非光生的多數載子濃度，主要取決於採用缺陷或雜質所作的非故意摻雜。雜質的類型及濃度決定最高佔用分子軌域(HOMO)能階與最低未佔用分子軌域(LUMO)能階之間的間隙(稱為HOMO－LUMO間隙)內之費米(Fermi)能量的數值或費米能階。費米能量表示由佔用機率等於1/2之能量值所表示的分子量子能量狀態之統計佔用之特徵。接近於LUMO能階之費米能量指示電子為主要載子。接近於HOMO能階之費米能量指示電洞為主要載子。因此，費米能量為傳統半導體的主要特徵化特性，並且典型PV異質接面傳統上已成為p－n介面。
術語「整流」尤其表示介面具有不對稱傳導特徵，即該介面支援較佳為一個方向上的電子電荷傳輸。整流係通常與出現在適當選定材料之間的異質接面處之內建電場相關。
若第一能階更接近於真空能階，則本文所使用並且熟習此項技術者一般應瞭解的第一「最高佔用分子軌域」(HOMO)，或「最低未佔用分子軌域」(LUMO)能階「大於」或「高於」第二HOMO或LUMO能階。因為游離電位(IP)係測量為相對於真空位準的負能量，所以較高HOMO能階對應於具有較小絕對值的IP(負數值較小的IP)。同樣，較高LUMO能階對應於具有較小絕對值的電子親和力(EA)(負數值較小的EA)。在真空位準處於頂部的傳統能階圖中，材料的LUMO能階高於相同材料的HOMO能階。與「較低」HOMO或LUMO能階相比，「較高」HOMO或LUMO能階顯現為更接近於此類圖的頂部。
在有機材料的背景下，術語「施體」或「受體」指二相互接觸但為不同的有機材料之HOMO及LUMO能階的相對位置。此與以下無機背景下該等術語的使用形成對比：「施體」或「受體」可表示可用以分別建立無機n型及p型層的摻雜劑之類型。在有機背景下，若與另一材料接觸的一材料之LUMO能階較低，則該材料為受體。否則其為施體。在缺乏外部偏壓的情況下，積極有利的係使處於施體－受體之接面處的電子移入受體材料，而使電洞移入施體材料。
有機半導體中之一重要特性為載子遷移率。遷移率測量電荷載子回應電場而穿過導電材料之容易度。在有機光敏感性裝置的背景下，包括因高電子遷移率而優先藉由電子進行傳導之材料的一層，可稱為電子傳輸層或ETL。包括因高電洞遷移率而優先藉由電洞進行傳導之材料的一層，可稱為電洞傳輸層或HTL。較佳(但並非必要)的係，受體材料為ETL，而施體材料為HTL。
傳統無機半導體PV電池使用p－n接面來建立內部電場。早先的有機薄膜電池，例如由Tang報導的應用物理學刊48,183(1986)中提到的電池，包含類似於傳統無機PV電池所用的異質接面。然而，現在認識到除p－n類型接面的建立以外，異質接面的能階偏移亦起重要作用。
因為有機材料中的光產生程序之基本性質，所以相信有機D－A異質接面中的能階偏移對於有機PV裝置的操作而言很重要。在有機材料的光學激發之後，可產生局部法蘭克(Frenkel)或電荷傳送激子。為出現電性偵測或電流產生，必須將束縛激子解離為其成分電子及電洞。可由內建電場引起此類程序，但是通常在有機裝置中發現的電場中的效率(F~106 V/cm)較低。有機材料中最有效率的激子解離出現在施體－受體(D－A)介面上。在此類介面上，具有較低游離電位的施體材料與具有高電子親和力的受體形成異質接面。取決於施體及受體材料之能階的對準，激子的解離可在此類介面上變得積極有利，從而導致受體材料中的自由電子極化子及施體材料中的自由電洞極化子。
當與傳統矽基裝置相比時，有機PV電池具有許多潛在優點。有機PV電池重量輕，所用的材料比較經濟實惠，並且可沈積在低成本基板(例如可撓性塑膠箔)上。然而，某些有機PV裝置通常具有相對較低的外部量子效率，約為1%或更低等級。將此點部分地視為係因內在的光導程序之第二順序性質所致。即，載子產生需要激子產生、擴散及游離或收集。存在與該等程序之各個相關的效率η。可如下使用下標：P指功率效率，EXT指外部量子效率，A指光子吸收，ED指激子擴散，CC指電荷收集，以及INT指內部量子效率。使用以下符號：ηP ~ηE X T ＝ηA * ηE D * ηC C ηE X T ＝ηA * ηI N T
激子的擴散長度(LD )通常比光學吸收長度(~500)小甚多(LD ~50)，從而需要在採用具有多個或高度折疊介面的較厚並因而為電阻性的電池或採用具有較低光學吸收效率的較薄電池兩者之間進行取捨。
通常而言，當吸收光以形成有機薄膜中的激子時，可形成單重態激子。藉由系統間交叉機制，單重態激子可衰退為三重態激子。在此程序中會損失能量，此將導致裝置的較低效率。若並非因源於系統間交叉的能量損失，則需要使用產生三重態激子的材料，因為與單重態激子相比，三重態激子一般具有較長的壽命，並因而具有更長的擴散長度。
提供一種具有一第一電極、一第二電極、一具有一特性吸收波長λ1 的第一光活性區域及一具有一特性吸收波長λ2 的第二光活性區域之裝置。該等光活性區域係配置於該等第一與第二電極之間，而進一步係定位於一反射層之相同側上，而使得該第一光活性區域比該第二光活性區域更接近該反射層。包含該等光活性區域之材料可能係選擇成使得λ1 與λ2 至少相差約10%。該裝置可進一步包含激子阻擋層，該激子阻擋層係配置成鄰近並直接接觸每一光活性區域之有機受體材料，其中除最接近陰極的部分外每一激子阻擋層之LUMO皆不會比該受體材料的LUMO高出超過約0.3 eV。
本發明提供一種有機光敏感性光電子裝置。本發明之具體實施例的有機裝置可用以(例如)從入射電磁輻射產生可用電流(例如PV裝置)，或可用以偵測入射電磁輻射。本發明之具體實施例可包括一陽極、一陰極及陽極與陰極之間的光活性區域。光活性區域為光敏感性裝置的一部分，其吸收電磁輻射來產生激子，該等激子可解離以便產生電流。有機光敏感性光電子裝置亦可包括至少一透明電極，以允許由該裝置吸收入射輻射。美國專利第6,657,378、6,580,027及6,352,777號中說明若干PV裝置材料及組態，該等專利之全部內容係以引用的方式併入於此。
圖1顯示一有機光敏感性光電子裝置100。該等圖式不一定係按比例繪製。裝置100可包括一基板110、一陽極115、一陽極平滑層120、一施體層125、一受體層130、一阻擋層135及一陰極140。陰極140可以係具有一第一導電層與一第二導電層之一化合物陰極。藉由按順序沈積各層，可製造裝置100。電荷分離可主要發生於施體層125與受體層130之間的有機異質接面處。藉由該等接觸形成該異質接面的二材料之間的HOMO－LUMO能階差，來決定該異質接面處的內建電位。施體材料與受體材料之間的HOMO－LUMO間隙偏移在施體/受體介面處產生電場，該介面輔助電荷分離用於產生於該介面的激子擴散長度內之激子。
圖1所解說的各層之特定配置僅具有範例性，而並不希望其具有限制性。例如，可省略某些層(例如阻擋層)。可添加其他層(例如反射層或額外受體層及施體層)。可改變各層的順序。可使用不同於所特定說明的配置之配置。
基板可以為提供所需結構特性之任一適合基板。基板可以為可撓性或剛性、平面式或非平面式。基板可以為透明、半透明或不透明式。塑膠及玻璃為較佳剛性基板材料之範例。塑膠及金屬箔為較佳的可撓性基板材料之範例。可選擇基板的材料及厚度以獲得所需結構及光學特性。
美國專利第6,352,777號提供可用於光敏感性光電子裝置之電極或接點之範例，該案係以引用方式併入於此。本文所使用的術語「電極」及「接點」表示為遞送光生電流至外部電路或提供偏電壓給該裝置而提供媒介之各層。即，電極或接點提供有機光敏感性光電子裝置之活動區域與導線、引線、跡線或其他用以傳輸電荷載子至外部電路或從外部電路傳輸電荷載子的構件之間的介面。在光敏感性光電子裝置中，需要允許自裝置外部之最大數量的環境電磁輻射被准許進入光導活動內部區域。即，電磁輻射必須到達光導層，在光導層可藉由光導吸收將電磁輻射轉換為電。此點常常指示電性接點之至少一個應最低程度地吸收並最低程度地反射入射電磁輻射。即，此一接點應實質上應為透明接點。相反電極可為反射材料，以便透過電池將已穿過電池而未被吸收的光反射回來。如本文所使用，當一材料層或一序列不同材料之數層允許以相關波長之至少50%的環境電磁輻射透過該層或該等層時，其係視為「透明」。同樣，允許對相關波長之環境電磁輻射少於50%之透射的層係視為「半透明」。
本文所使用的「頂部」意味著離基板最遠，而「底部」意味著離基板最近。例如，對於具有二電極的裝置而言，底部電極為離基板最近的電極，並且一般為所製造的第一電極。底部電極具有二個表面：離基板最近的底部表面及離基板較遠的頂部表面。若一第一層係說明為「配置於」一第二層「上」，則該第一層係配置成離基板較遠。在第一層與第二層之間可存在其他層，除非指定該第一層係與該第二層「實體接觸」。例如，可將一陰極說明為「配置於」陽極「上」，即使在兩者之間存在各有機層。
電極較佳係由金屬或「金屬替代物」組成。本文中的術語「金屬」係用以包含由純元素金屬(例如Mg)組成的材料，以及亦包括由二或多種純元素金屬(例如Mg與Ag一起，表示為Mg：Ag)組成的材料之金屬合金。此處，術語「金屬替代物」表示並非在通常定義範圍內的金屬，但是具有某些適當應用所需要的金屬狀特性之材料。用於電極及電荷傳輸層之常用金屬替代物將包括摻雜寬帶隙半導體，例如透明導電氧化物，例如氧化銦錫(ITO)、氧化鎵銦錫(GITO)及氧化鋅銦錫(ZITO)。特定言之，ITO係一高度摻雜而退化的n＋半導體，其光學帶隙約為3.2 eV，從而描繪其對大於約3900之波長具透明性。其他合適的金屬替代物係透明導電聚合物聚苯胺(PANI)及其化學同族物。金屬替代品可進一步選自大範圍的非金屬材料，其中若材料不含未化合形式的金屬，則術語「非金屬」意味著包含大範圍的材料。當金屬係單獨或與一或多種其他金屬組合如合金而以未化學化合形式出現時，替代性的係可將該金屬稱為以其金屬形式或作為「游離金屬」而出現。因此，本發明之金屬替代物電極可有時稱「金屬游離」，其中術語「金屬游離」清楚地表示包括一不含未化合形式的金屬之材料。游離金屬通常具有源自大量價電子的金屬結合鍵之形式，該等電子可在整個金屬晶格中於電子傳導頻帶中自由移動。雖然金屬替代物可包含金屬成分，但是他們在有些條件下為「非金屬」。其既非純游離金屬亦非游離金屬之合金。當金屬以其金屬形式存在時，電子傳導頻帶傾向於提供高導電率以及光學輻射之高反射率等金屬特性。
本發明之具體實施例可包括作為該光敏感性光電子裝置之透明電極中的一或多個電極：一高度透明、非金屬、低電阻陰極，例如授予Parthasarathy等人的美國專利第6,420,031號中所揭示者(「Parthasarathy '031」)；或一高效、低電阻金屬/非金屬化合物陰極，例如授予Forrest等人的美國專利第5,703,436號中所揭示者(「Forrest '436」)，該等二專利之全部內容皆係以引用方式併入於此。較佳在一製程中製備各類型陰極，該程序包括以下噴濺步驟：將一ITO層沉積到一有機材料(例如銅鈦菁(CuPc))上以形成高度透明、非金屬、低電阻陰極，或沉積到一薄Mg：Ag層上以形成高效、低電阻金屬/非金屬化合物陰極。
此處，術語「陰極」係採用以下方式使用。受周圍照射且與電阻負載連接而且沒有外部施加電壓之非堆積之PV裝置或堆積之PV裝置之一單一單元中，電子從光導材料移向該陰極。同樣，此處使用術語所稱之「陽極」以便在受照射之一PV裝置中，電洞從該光導材料移向陽極，其等效於採用相反方式移動的電子。應注意因為本文使用該等術語，所以陽極及陰極可以為電極或電荷傳輸層。
有機光敏感性裝置將包括至少一光活性區域，其中光得以吸收從而形成受激狀態或「激子」，其後來可解離為電子及電洞。激子的解離將通常出現在由一受體層及一施體層之並列所形成的異質接面處。例如，在圖1的裝置中，「光活性區域」可包括施體層125及受體層130。
舉例而言，受體材料可由二萘嵌苯、萘、富勒烯或奈米管組成。受體材料之範例為3,4,9,10－二萘嵌苯四羧酸二苯並咪唑(PTCBI)。或者，受體層可由富勒烯材料組成，如美國專利第6,580,027號所說明，其全部內容係以引用的方式併入於此。一有機施體類型材料層係鄰近於該受體層。受體層與施體層的邊界形成異質接面，其可產生內部產生電場。用於該施體層的材料可以為鈦菁染料或紫質，或其衍生物或過渡金屬錯合物，例如銅鈦菁(CuPc)。可使用其他適合受體材料及施體材料。
透過使用光活性區域中的有機金屬材料，併入此類材料之裝置可有效率地利用三重態激子。已發現單重態激子與三重態激子的混合對於有機金屬化合物而言可以非常牢固，因此吸收涉及到將單重態基態直接激發為三重態受激狀態，從而消除與從單重態受激狀態至三重態受激狀態的轉換相關之損失。與單重態激子相比，三重態激子的較長壽命及擴散長度允許使用較厚的光活性區域，因為三重態激子可擴散較大距離以到達施體與受體的異質接面，而不犧牲裝置的效率。還可使用除有機金屬外的其他材料。
在本發明之較佳具體實施例中，堆積之有機層包括一或多個激子阻擋層(EBL)，例如以下文獻所說明：美國專利第6,097,147號(Peumans等人所著，應用物理學刊2000,76,2650－52)及1999年11月26日申請的序列號為09/449,801號之共同待審申請案，其皆係以引用的方式併入於此。藉由包括一個EBL以將光生激子限於解離介面附近的區域並防止光敏感性有機/電極介面處之寄生激子淬火，從而獲得較高的內部與外部量子效率。除限制激子可能擴散的容量以外，EBL亦可作為對在沈積電極期間所引入的物質之擴散阻障。在某些情況下，可使EBL足夠厚以填充針孔或短路缺陷，以免其在不受填充情況下導致有機PV裝置無法發揮功能。EBL因此可有助於保護易碎有機層，免遭將電極沈積於有機材料上時產生的損壞。
咸信EBL之激子阻擋特性係源自使LUMO－HOMO能隙實質上大於阻擋激子的鄰近有機半導體之能隙。因此，鑒於能量考量而禁止在於EBL中存在受限制激子。雖然需要EBL阻擋激子，但是並不需要EBL阻擋所有電荷。然而，困鄰近能階的性質，EBL可能阻擋一種符號的電荷載子。根據設計，EBL將存在於二層之間，通常在有機光敏感性半導體層與電極或電荷傳輸層之間。鄰近電極或電荷傳輸層將為陰極或陽極，視上下文而定。因此，將選擇用於裝置中給定位置處的EBL之材料，以便所需符號的載子在其傳輸至電極或電荷傳輸層時將不會受阻。適當的能階對準可確保不會存在對電荷傳輸的阻障，從而防止增加串聯電阻。例如，需要用作陰極側EBL的材料之LUMO能階接近匹配鄰近ETL材料之LUMO能階，以便最小化任一不合需要的電子阻障。
應明白材料的激子阻擋性質並非其HOMO－LUMO能隙的內在特性。給定材料是否將作為激子阻擋物取決於鄰近有機光敏感性材料之相對HOMO及LUMO能階。因此，在不考慮使用化合物的裝置背景之情況下，不能識別作為激子阻擋物的隔離化合物之等級。然而，採用本文的原理，熟習此項技術者可識別當將給定材料用於一組選定材料來構建有機PV裝置時，給定材料是否將作為激子阻擋層。
在本發明之一較佳具體實施例中，EBL係位於該受體層與該陰極之間。用於EBL的較佳材料包括2,9－二甲基4,7－二苯－1,10－二氮雜菲(亦稱為價銅或BCP)，咸信其具有約3.5 eV之LUMO－HOMO能階分離，或雙(2－甲基8－羥基喹啉醇)－鋁(III)酚鹽(Alq2 OPH)。BCP為一有效的激子阻擋物，其可輕易地從一受體層傳輸電子給該陰極。
EBL層之摻雜可採用適合的摻雜劑，包括但不限於3,4,9,10－二萘嵌苯四羧酸二酐(PTCDA)、3,4,9,10－二萘嵌苯四羧酸二醯亞胺(PTCDI)、3,4,9,10－二萘嵌苯四羧酸－二－苯並咪唑(PTCBI)、1,4,5,8－萘四羧酸二酐(NTCDA)及其衍生物。沈積於該等裝置中的BCP係視為具有非晶性。出現的顯然為非晶性的BCP激子阻擋層可呈現薄膜再結晶，其在較高的光強度條件下尤其迅速。所獲得的多晶材料之形態變化導致薄膜品質較低，其可能具有缺陷，例如短路、空隙或電極材料的侵入。因此，已發現具有合適的、相對較大且穩定的分子而呈現此效果之某些EBL材料(例如BCP)的摻雜，可穩定EBL結構以防止性能降低之形態變化。應進一步明白，採用具有接近於EBL之能階的LUMO能階之材料來摻雜在給定裝置中傳輸電子之EBL，將有助於確保不形成可能會產生空間電荷積聚並減小性能的電子陷阱。此外，應瞭解相對低摻雜密度應使得隔離摻雜劑場所處的激子產生最小化。因為周圍的EBL材料有效地禁止此類激子擴散，所以此類吸收可減小裝置光電轉換效率。
有代表性的具體實施例亦可包括透明電荷傳輸層或電荷再組合層。如本文所說明，電荷傳輸層根據以下事實而有別於施體層及受體層：電荷傳輸層係經常但並非一定係無機物(常為金屬)，且其可選擇為具有光導作用。本文中使用的術語「電荷傳輸層」係表示在以下方面類似於但不同於電極的各層：電荷傳輸層僅從光電裝置的一個子區段遞送電荷載子至鄰近子區段。本文中使用的術語「電荷再組合層」係表示在以下方面類似於但不同於電極的各層：電荷再組合層允許串列式光敏感性裝置之間的電子及電洞之再組合，並且亦可增強一或多個活動層附近的內部光場強度。電荷再組合層可由半透明金屬奈米簇、奈米粒子或奈米棒構建而成，如美國專利第6,657,378號所說明，其全部內容係以引用的方式併入於此。
在本發明之另一較佳具體實施例中，陽極平滑層係位於陽極與施體層之間。用於此層的較佳材料包括3,4－聚乙烯二氧吩：磺酸化聚苯乙烯(PEDOT：PSS)膜。陽極(ITO)與施體層(CuPc)之間的PEDOT：PSS層之引入可導致製造良率大大提高。可將此歸因於旋塗PEDOT：PSS膜平面化ITO之能力，否則ITO粗糙表面可能導致透過該等薄分子層而短路。
在本發明之另一項具體實施例中，可先採用電漿來處理一或多層，然後再沈積下一層。例如可採用適度氬氣或氧氣電漿來處理各層。此處理有利，因其可減小串聯電阻。尤其有利的係，PEDOT：PSS層可在沈積下一層之前經受適度電漿處理。
經由非限制性範例提供圖1所解說的簡單層狀結構，並且應瞭解本發明之具體實施例可結合各種其他結構來使用。所說明的特定材料及結構係範例性質，並且可使用其他材料及結構。藉由採用不同方法組合各層，可獲得功能裝置，或可依據設計、性能及成本因素而全部省略各層。亦可包括其他未特定說明之層。可使用除特定說明的材料以外之其他材料。雖然本文提供的許多範例將各層說明為包含一單一材料，但是應瞭解可使用材料的組合，例如主要材料與摻雜劑的混合物或更通用的混合物。而且，各層可具有各種子層。不希望本文提供給各層的名稱具有嚴格的限制性。並非光活性區域之一部分的有機層，即一般不吸收對光電流作出重要貢獻之光子的有機層，可稱為「非光活性層」。非光活性層之範例包括EBL及陽極平滑層。亦可使用其他類型的非光活性層。
在光敏感性裝置的光活性層中所使用之較佳的有機材料包括環金屬化有機金屬化合物。本文所使用的術語「有機金屬」一般為熟習此項技術者所瞭解，且在Gary L.Miessler及Donald A.Tarr、Prentice Hall所著的「無機化學」(第2版)(1998)中有相關說明。因此，該術語有機金屬表示具有一經由一碳金屬鍵結而鍵結至一金屬的有機基團之化合物。此類別不包括本身協調之化合物，即僅具有來自異原子的施體鍵結之物質，例如胺的金屬錯合物、鹵化物、類鹵化物(CN等)之類。實務上，有機金屬化合物除包含一或多個與一有機物種之碳金屬鍵結外，一般還包含來自一異原子之一或多個施體鍵結。與一有機物種之碳金屬鍵結表示在一金屬與一有機基團(例如，苯基、烷基、烯基)的一碳原子之間的一直接鍵結，但不表示與一「無機碳」(例如CN或CO之碳)之金屬鍵結。術語環金屬化表示包含雙牙有機金屬配位體而使得一旦鍵結至一金屬便形成一包括該金屬(作為環成員之一)的環結構之化合物。
採用真空沈積、旋塗、有機汽相沈積、噴墨印刷及該技術中所熟知的其他方法，可製造有機層。
有機光敏感性光電子裝置可用作PV、光偵測器或光導體。無論何時本發明之有機光敏感性光電子裝置用作PV裝置，用於光導有機層的材料及其厚度均可選擇成，例如，使裝置的外部量子效率最佳化。無論何時本發明之有機光敏感性光電子裝置用作光偵測器或光導體，用於光導有機層的材料及其厚度均可選擇成，例如，使裝置的敏感度最大化至所需頻譜區域。
藉由考量在選擇層厚度時可使用的若干準則可獲得此結果。需要激子擴散長度LD 大於層厚度L或可與後者相比，因為咸信大多數激子解離發生在介面上。若LD 小於L，則許多激子可在解離前進行再組合。進一步需要總光導層厚度為電磁輻射吸收長度1/α(其中α為吸收係數)之等級，以便吸收幾乎所有入射在PV裝置上的輻射從而產生激子。此外，該光導層之厚度應儘可能薄以避免因有機半導體之較高的大塊電阻率而引起的過度串聯電阻。
因此，此等競爭性的準則在選擇光敏感性光電電池裝置之光導有機層之厚度時固有地需要進行取捨。因而，一方面，需要可與吸收長度相比或大於吸收長度的厚度(對於單一電池裝置)，以便吸收最大量的入射輻射。另一方面，當先導層厚度增加時，會增強二不合需要的效果。其一為，由於有機半導體之高串聯電阻，增加之有機層厚度會使得裝置電阻增加而效率降低。另一不合需要之效果係，增加光導層厚度會增加遠離電荷分離介面處之有效電場而產生激子之可能性，從而增加成雙再組合的機率，並且會再次降低效率。因此，需要以產生整體裝置之高外部量子效率之方式在此等競爭性效果之間進行平衡的裝置組態。
本發明之有機光敏感性光電子裝置可用作光偵測器。在此具體實施例中，裝置可以為多層有機裝置，例如於2003年11月26日提出申請的美國申請案第10/723,953號所說明，其全部內容係以引用的方式併入於此。在此情況下，一般可施加外部電場以便於擷取分離的電荷。
可採用集中器或截獲組態來提高該有機光敏感性裝置的效率，其中迫使光子多次穿過薄吸收區域。美國專利案第6,333,458與6,440,769號之全部內容係以引用的方式併入於此，其利用結構設計使得光學幾何結構最佳化以獲得高吸收率並與提高收集效率的光學集中器結合使用，來提高該光敏感性光電子裝置之光轉換效率，從而解決此問題。用於光敏感性裝置的此類幾何結構藉由截獲反射空腔或波導結構內的入射輻射並因此藉由透過光回應材料之多次反射對光進行再循環，從而實質上增大透過該材料之光學路徑。因此，美國專利第6,333,458號及第6,440,769號中揭示的幾何結構增強該等裝置之外部量子效率而不會引起大塊電阻實質上的增加。此類裝置的幾何結構中包括第一反射層；應在所有尺度上長於入射光的光學相干長度以防止光學微腔干擾效應之一透明絕緣層；鄰近於該透明絕緣層之一透明第一電極層；鄰近於該透明電極之一光敏感性異質結構；以及亦為反射性之一第二電極。
塗層可用以將光學能量集中至裝置的所需區域。全部以引用的方式併入本文之美國專利申請案第10/857,747號提供此一塗層之範例。
可經由使用新材料並引入新穎的裝置結構來提高有機電池之功率轉換效率(ηP )。可藉使用一較長的激子擴散長度(LD 400)受體材料C6 0 或藉由形成一大塊異質接面結構來提高有機電池之效率，其中施體與受體材料之一互相滲透的網路增加激子向附近(「局部」D－A介面)擴散之機率。本發明之一具體實施例提供一銅鈦菁(CuPc)/C6 0 有機電池，其併入由夾在均勻施體與受體層之間的一混合的D－A層組成之一混合型平面混合異質接面(PM－HJ)。該裝置在受到模擬的AM1.5G陽光照射時，表現出ηP ＝5%。
串聯堆積二或更多電池係獲得更多光子同時增加該電池之開路電壓(VO C )之一方法。藉由串聯堆積二個薄電池，且在為光生電荷提供光場增強及效率再組合場之子電池之間有Ag奈米簇，如A.Yakimov及S.R.Forrest在應用物理學刊80,1667(2002)中的論文所說明，表現出個別CuPc/PTCBI電池效率ηP ＝1 %至ηP ＝2.5%會比加倍更高。此「串列式」電池之光電壓可能係每一個別電池(或子電池)之二倍。本發明之一項具體實施例包含二個串聯的CuPc/C6 0 混合型PM－HJ電池，且每一電池皆具有與C6 0 不同之一CuPc比率。此組態使得在1 sun＝100 mW/cm2 的模擬陽光照射下產生ηP ＝(5.7±0.3)%，表示與一單一的混合型PM－HJ電池相比增加~15%。該串列式電池之VO C 亦大於一單一的PV電池之VO C ，在高強度照射下最高達到約1.2 V。本發明之一項具體實施例將CuPc與C6 0 之高效材料組合用於混合型平面混合雙異質接面結構。由於該等基板上不包括抗反射塗層，因此使用此類串列式結構可使得有機PV電池具有6.5%之太陽能功率轉換效率。
二子電池CuPc/PTCBI的串列式電池中該等二個子電池中的每一個會產生對稱的光譜回應。入射光與來自該金屬陰極的反射光之間之光學干擾使得從該有機/陰極介面起λ/4之光垂直學路徑長度(其中λ係該入射光波長)條件下會產生最大的光強度。本文所使用的「垂直光學路徑長度」表示測量出的距離/n，其係垂直於該裝置之表面且整合於光的整個行進路徑範圍內，其中n係該材料之折射率且可在該材料內變化。因此，具有一富含長波長吸收分子的前部電池與一富含短波長吸收分子的後部電池之一「對稱」串列式電池可吸收的入射光比在每一子電池中具有相等的CuPc與C6 0 混合物之其他等效串列式電池更多。例如，若CuPc吸收波長介於λ＝550 nm與750 nm之間，而C6 0 介於λ＝350 nm與550 nm之間，則一不對稱CuPc/C6 0 的混合型PM－HJ串列式電池可包括一與該後部電池相比具有一更厚的均勻CuPc層與一更薄的C6 0 層之CuPc/C6 0 混合型PM－HJ串列式電池。可利用均勻與混合層厚度之間的取捨，來平衡二子電池中的光電流，此係由於該等均勻層中較短的激子擴散長度及該等混合層中較低的電荷遷移率。
可藉由將子電池i(i＝1,2分別表示前部及後部電池)的電流強度對電壓(J－V)之特徵模擬如下，來使得一CuPc/C6 0 混合型PM－HJ串列式電池之效率最大化： 其中，Jd , i 及JP h , i 分別係黑暗及光電流強度，Js , i 係反向偏壓飽和電流，ni 係理想因數，RS , i 係電池串聯電阻，q係電子電荷，k係(波茲曼)Boltzmann常數，而T係溫度。使用兼顧光學干擾與激子擴散之一模型可獲得在一入射光功率強度PO 條件下的光電流強度，其中假定所有光生電荷皆係收集於該等電極處。此假定不適用於具有一混合層之一電池，其中電荷載子遷移率與均勻層中情形相比明顯減小，此係由於分子互混所致，從而引起該混合層內光生電荷之再組合。該電荷收集效率ηC C 或收集於該等電極處的電荷比例與所施加的電壓V及該混合層厚度dm 成函數關係，即： 其中，Lc (V)＝Lc 0 (Vb i －V)/V係該電荷收集長度，Lc 0 係一常數，且Vb i 係內建電位。假定Ji ＝Ji (Vi )(i＝1,2)，則因要求J＝J1 ＝J2 及V＝V1 ＋V2 而獲得該串列式電池之J－V特徵，由此獲得PV電池性能參數(短路電流強度JS C 、開路電壓VO C 、填充因數FF及功率轉換效率ηP )。
表1提供三個串列式電池之裝置結構。表2概括該模型中使用的參數值。參考表1，電池A依據給定的不對稱均勻層厚度而具有混合層厚度，從而在1 sun AM1.5G陽光照射下產生ηP ＝5.2%。電池B中光活性層厚度之組合產生ηP ＝5.9%之更高效率。當移除該前部電池均勻C6 0 層時，該前部電池中的PTCBI層亦可對該光電流作出貢獻，而使用得該混合層中的CuPc分子可形成與PTCBI之一激子解離介面。此點使得在約λ＝550 nm時，電池C中產生更高的JS C 及最大ηP ＝6.5%，因為該PTCBI吸收填充介於CuPc與C6 0 之吸收區域之間的間隙。
在本發明之一項具體實施例中，光活性區域係配置於二電極之間。在本發明之較佳具體實施例中，該等光活性區域包含混合型平面混合異質接面(PM－HJ)裝置，如美國專利申請案第10/822774號所說明，該案之全部內容係以引用的方式併入於此。
圖2顯示依據本發明之一項具體實施例之一有機光活性裝置200。裝置200可包含一基板210，在該基板210上沉積一第一電極220、一第一(或「前部」)有機光活性區域230、一插入層240、一第二(或「後部」)光活性區域250及一第二電極260。該等有機光活性區域230及250包含一有機受體材料與一有機施體材料。在本發明之較佳具體實施例中，該第一光活性區域230進一步包含：一第一有機層231，其包含一非混合的有機受體材料；一第二有機層232，其包含非混合的有機受體層231之有機受體材料與一有機施體材料之一混合物；一第三有機層233，其包含第二有機層232之非混合的施體材料；以及一激子阻擋層234。在其他較佳具體實施例中，可能缺少受體層231與251或施體層233與253。在本發明之另一項較佳具體實施例中，該第二光活性區域250包含作為第一光活性區域230之一類似的有機材料配置。在本發明之一項較佳具體實施例中，插入層240包含一電荷再組合區域。在另一項具體實施例中，插入層240可包含一或多個電極，其中多個電極可以係藉由一絕緣層而分離。
在本發明之另一項具體實施例中，在一混合有機層(例如有機層232)中該有機受體材料與該有機施體材料之混合物可分別以從按重量計約10：1至約1：10範圍之一比率出現。在一項具體實施例中，可能存在：一有機層，其包括受體與施體材料之一混合物(例如，有機層232)；以及一有機層，其包括僅一受體材料或一施體材料(例如，有機層231或233)。
當一EBL係沉積於一層中而該層係鄰近且直接接觸一沉積陰極時，該EBL可能受到損壞。咸信此損壞係有利的，因為其可允許電荷載子更容易地穿越該EBL，而同時仍避免激子作如此運動。咸信，為該EBL及有機受體層選擇材料以致每一EBL之LUMO不會比相鄰受體材料之LUMO高出超過約0.3 eV，會產生一類似效果。為獲得有利的電荷傳輸特性，因而較佳的係鄰近一受體層而配置之一EBL係(1)並不藉由一光活性區域而與該第二電極分離，及/或(2)其LUMO不會比一鄰近光活性區域的LUMO高出超過0.3 eV。若一特定的EBL並不藉由一光活性區域而與該第二電極分離，以致該EBL在該第二電極沉積期間受到損壞，則該EBL與該受體之間的LUMO差異不太重要而用來選擇該EBL材料之標準可能更側重於LUMO以外的因素。
在該裝置之一項較佳具體實施例中，該第二激子阻擋層254包含一不同於該第一激子阻擋層234之材料。由於激子阻擋層254並不藉由一光活性區域而與該第二電極分離，因此材料可供選擇的範圍較廣。激子阻擋層254之材料之LUMO可能不會比有機受體層251之LUMO高出超過約0.3 eV，或者可能具有更大的LUMO，但電荷傳輸可能因該第二電極260之沉積所引起的損壞而仍然有利。激子阻擋層254之較佳材料包括BCP，而激子阻擋層234之較佳材料包括PTCBI。
在本發明之另一項具體實施例中，有機電池200進一步包含一插入層240。插入層240可包含一電荷再組合區域。在本發明之一項較佳具體實施例中，該電荷再組合區域包含一p型摻雜的有機材料如m－MTDATA：F4 －TCNQ或BTQBT：PTCDA，而該電荷再組合區域進一步包含奈米粒子241。尤其較佳的係，該等奈米粒子包含Ag或另一金屬或金屬性材料。還可使用其他材料。
在一串列式電池中，在每一子電池中若使用不同的受體與施體材料或比率不同之相同的受體與施體材料，則可能有利。使用不同材料或不同比率之相同材料可允許該電池吸收波長範圍比在每一子電池中使用相同比率的相同材料情況下更大之光。在本發明之一項較佳具體實施例中，有機區域230及250包含不同的受體及施體材料。有機區域230及250還可包含相同的受體及施體材料，其中該等混合的有機層232及252包含不同比率的受體及施體材料。有機區域230及250的有機受體材料可以係C6 0 。光活性區域230及250的有機施體材料可以係CuPc。其他合適的有機施體材料包括鉛鈦菁(PbPc)、含卟啉之金屬、金屬游離之卟啉、紅螢烯、含鈦菁之金屬、金屬游離之鈦菁、二胺(例如NPD)及該些材料之功能化的變化，包括萘菁。其他合適的有機受體材料包括PTCBI、C7 0 、富勒烯、二萘嵌苯、線性聚並苯(包括蔥、萘、並四苯及五苯)之類向下濃縮的共軛分子系統、芘、六苯併苯及該些材料之功能化的變化。此並不意味著完全列出了該等材料，而可使用其他合適的受體及施體材料。
在本發明之一項尤其較佳的具體實施例中，該陽極包含在一玻璃基板上之一透明的導電氧化銦錫(ITO)層，而該陰極包含一1000厚之熱蒸發的Ag電極。每一子電池之光活性區域皆包含一混合的PM－HJ，即配置於均勻CuPc及C6 0 的層之間的一混合CuPc：C6 0 層，其將均勻層之間的一平面HJ之優點(能將光生電荷載子很好地傳輸至其個別電極)與一混合層之優點(高激子擴散效率)組合起來。使用一3,4,9,10－二萘嵌苯四羧酸二－苯並咪唑(PTCBI)及價銅(BCP)薄層分別作為該等前部(最靠近該ITO)及後部(最靠近該陰極)子電池中的激子阻擋層(EBL)；從而形成一高效率的雙異質接面PV結構。用於產生於該前部電池中的電子與產生於該後部電池中的電洞之一電荷再組合區域係配置於該等子電池之間。再組合中心包含沉積於一超薄(平均厚度~5)層中之Ag奈米簇，該超薄層係配置於一採用5莫耳%的四氟－四氰－醌二甲烷(F4 －TCNQ)之p型摻雜之50厚的4,4',4"」－三(3－甲基－苯基－苯基－氨基)三苯胺(m－MTDATA)。可採取此項技術中已知的裝置製程及特性方法。
應瞭解，本文所說明的具體實施例僅係範例性，而可依據本發明使用其他具體實施例。例如，可更改所說明的層順序。例如，可藉由適當地重新定位阻擋層等來切換該等有機層230及250之位置。額外層可能或也可能不存在，例如阻擋層，電荷再組合層等。例如，可移除阻擋層，及/或可存在額外的阻擋層。非有機區域可能存在且可用來調整該等有機區域相對於一反射層之位置。可使用不同於所明確說明的材料之材料。例如，其中所有電極皆係ITO之一裝置可以係製造成使得該裝置可以具有一定程度之透明度。此外，可將該裝置製造到一基板上，且然後施加於一支撐表面，而使得最後沉積的電極最接近該支撐表面。可能不存在受體及施體層。例如，可能缺少施體或受體層231、251、233及253。儘管許多具體實施例係結合太陽能電池來說明，但在其他類型的裝置(例如光偵測器)中可使用其他具體實施例。
若將一層說明為「非混合」受體或施體層，則該「非混合」層可包括極小數量的相反材料作為一雜質。若一材料之濃度明顯低於該層中滲透所需的數量，即按重量計低於約5%，則可將該材料視為一雜質。較佳的係，任何雜質皆係以一甚低於此之數量而存在，例如按重量計小於1%或最佳的係按重量計小於約0.1%。視製造裝置所用的程序及程序參數而定，在緊鄰層中的材料可能不可避免地存在某些雜質。
有機材料之吸收光譜可能在特定的波長具有最大光譜。本文所使用的術語「特性吸收波長」表示一材料之吸收光譜具有一最大值之波長。
裝置200可包括至少一反射層。在本發明之一項具體實施例中，第二電極260係一反射層。可使用其他組態，例如，使用一分離的反射層，或將該基板或該第一電極作為該反射層之一頂部發射(吸收)裝置。「反射」層可以係一金屬層，或反射一非週期性或週期性介電堆積之類的另一類層。使用一反射層所產生之一光場強度會隨在垂直於該反射層之方向上的波長及位置而改變。對於任何給定波長，光場強度中存在與位置成函數關係的最大值。例如，參見圖3。對於光敏感性裝置，需要將具有一特定的特性吸收波長之一光活性區域定位，使得一最大值與該波長所對應位置成函數關係的位置位於該光活動性區域內部或附近。對於具有多個材料之一光活性區域，該特性吸收波長係依據整個區域的吸收光譜之最大值。「附近」可表示，例如，與所討論的光活性區域之距離不超過約.05 λ/n，其中n係出現最大值的材料之折射率。較佳的係，該最大值係配置於該光活性區域內。以此方式定位該光活性區域將引起增強的吸收。對於某些應用，需要使用特性吸收波長明顯不同的光吸收區域。此一不同可允許吸收更寬範圍的波長。在本發明之一項具體實施例中，有機區域250、230在分別處於λ1 與λ2 時具有特性吸收波長。較佳的係，λ1 與λ2 至少相差約10%。特性吸收波長僅係對「不同」吸收光譜作量化之一方式。對不同的吸收光譜作量化之另一方式係，一光活性區域之三個吸收峰值中的至少一個之波長與另一光活性區域之最高3個吸收峰值的所有波長至少相差10%。但是對不同的吸收光譜作量化之另一方式係讓二個規格化的光譜彼此疊加，以測量重疊面積。若此重疊面積相係該等光譜之一的總面積之80%或更小，則可將該光譜視為明顯不同。例如，二材料可具有類似的特性吸收波長，但其他特徵(例如次峰值)明顯不同且可以對吸收一寬光譜的入射光之目的起到互補作用。希望此一具體實施例屬於本發明之特定方面之範圍內。
許多光活性材料(及材料組合，此係對於具有多個材料之光活性區域而言)可具有複數個吸收峰值。對一特定波長的光有很強吸收力之一光活性區域可以係放置於該波長有很強的光場強度之一位置。在一項具體實施例中，使用一光活性區域之吸收光譜中之一局部峰值來決定該光活性區域之一有利位置。該光活性區域可以係位於當該光活性區域具有一局部最大值時對應波長的光場強度之一最大值處或附近。對於希望吸收太陽光譜之裝置，介於350與1300 nm之間的波長可能更為重要。總體上說，較佳的係令處於一特定的波長或波長範圍時的光場強度與對該些波長有較強吸收能力之一光活性區域的重疊面積增加或最大化。達成此點之一方法係將一光活性區域之位置調整朝向一位置，在該位置處該光活性區域之吸收率與該光場強度(二者皆與波長成函數關係)有較大的重疊。另一方法係藉由改變一光活性區域中的材料或材料之比率來改變該光活性區域之吸收特徵，以獲得在該光活性區域處該吸收光譜與該光場強度(二者皆與波長成函數關係)之間更大的重疊。
說明此一匹配之一方法係決定一光活性區域的最高三個吸收峰值之波長，並將該光活性區域放置成使得該些三個波長之一的光場強度之一峰值處於該光活性區域中或在.05 λ/n的光活性區域內，其中λ係與該光場強度中最大值匹配之峰值波長，而n係該光場強度之峰值所在層之折射率。說明此一匹配之另一方法係考量該(等)光活性區域的所有吸收峰值之波長。吸收峰值的「波長」係該峰值的吸收光譜之局部最大值，而該等「最高三個」峰值係具有三個最高局部最大值之峰值。在決定該或該等「最高」波長時，波長範圍在某些具體實施例中可能受到限制。例如，對於某些希望吸收太陽光譜之裝置而言，所考量的波長範圍可能限於350至1300 nm，因為該等太陽光譜之可用能量中的大部分係在此範圍內，但是在某些具體實施例(包括希望吸收太陽光譜之具體實施例)中亦可使用更寬的範圍。
如本文之說明來定位光活性區域可能引起吸收的入射光數量增加。在本發明之較佳具體實施例中，該等光活性區域之材料及位置係選擇成使得總入射電場強度的至少約10%而更佳的係至少約20%處於一因所具有的吸收特徵而可吸收能量之光活性區域內。本文中使用的「光場強度」表示對一區域上的電場之平方求出的積分。因此，總入射電場強度係對整個裝置上的電場之平方求出的積分，而該等光活性區域之總電場係整合於每一光活性區域上的電場之和。因此，對一區域R，可將強度IR 計算為： 熟習此項技術者將會明白此點。此外，每一點處的光場強度亦與波長成函數關係。較佳的係與該裝置之光活性區域上的位置成函數關係而增加該積分，即對該光活性區域之吸收特徵(其可與位置及波長成函數關係)與該光場強度(其亦可與位置及波長成函數關係)之乘積之波長求出的積分。此數量除以總光場強度，便係該裝置可吸收的光場強度百分比，及其較佳的係至少10%而更佳的係至少20%。例如，可藉由選擇對特定波長的光有良好吸收器之材料，並將該等材料放置於該特定波長所對應的光場強度較大之處，來增加可吸收的光場強度百分比。咸信此舉將引起該等光活性區域之吸收增加，並因此使得該裝置效率提高。在一項較佳具體實施例中，該光場強度係依據一太陽光譜。應注意，峰值匹配可能並非如上所述獲得10%或20%之唯一方法。實現此目標的此類方法之一係，將在一特定波長具有較強吸收(不論是否為波峯)的光活性區域與一該光場強度中對應該波長之一較強值匹配。藉由計算如上所述之積分，可以決定裝置是否將具有較強的吸收。
對於一單一反射層(其與許多具體實施例比較接近)之情況，在處於距該反射層之一光學路徑長度λ/4時，對於一特定波長λ，光場強度有一最大值。因此，進一步較佳的係，該第一光活性區域230之至少一部分係配置於距最接近該第一光活性區域的反射層邊緣約λ1 /4±25%之一垂直光學路徑長度處，而該第二光活性區域250之至少一部分係配置於距最接近該第二光活性區域的反射層邊緣約λ2 /4±25%之一垂直光學路徑長度處，其中λ1 及λ2 係該等第一及第二光活性區域具有較強吸收器時所處之波長。「較強吸收器」之量化可採取若干方式。在一項具體實施例中，該第二光活性區域的吸收峰值中的至少一峰值之波長可能大於該第一光活性區域的吸收峰值中的至少一峰值之波長。在另一項具體實施例中，該第二光活性區域的最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長可能大於該第一光活性區域的最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長。該25%的限度測量出該吸收峰值之波長可與該光場強度最大值在相距多遠情況下仍能針對該波長及附近波長保持強光場強度與強吸收之間的一明顯重疊。更一般的係，對於一單一的反射層及具有一類似光場強度輪廓的組態之情況下，較佳的係將較長波長的吸收材料放置成與較短波長吸收材料相比距該反射表面按比例更遠的距離，其中比例常數為λ/n，其中n係該堆積中的材料之折射率。其中n在整個堆積中變化，可使用包含該堆積的材料之一空間加權平均折射率。對於更複雜的光學組態，熟習此項技術者利用此揭示內容之優點，將能夠決定該光場強度最大值的位置。
在本發明之一項具體實施例中，提供一具有多個光活性區域之光活性裝置，該等光活性區域具有不同的吸收特徵且係配置於一第一電極與一第二電極之間。較佳的係，該等吸收特徵係選擇成互補，以便一光活性區域優先吸收一第一範圍之波長，而該第二光活性區域優先吸收不同於該第一範圍的第二範圍之波長。若λ1 與λ2 至少相差10%，則圍繞中心波長λ1 之一波長範圍可視為明顯不同於另一範圍λ2 。「優先」係表示一光活性區域之吸收器較與其相比較的另一光活性區域更強。「優先」吸收一特定範圍波長之一光活性區域不必係一對該些波長具有特別強的吸收器或具有該些波長之吸收光譜的最大值，但較佳的係滿足該些標準。在一特定的波長範圍中的「優先」吸收僅表示一光活性材料較與其相比較的另一光活性材料具有更佳的吸收器。
從比較二個不同的光活性區域在一特定的波長範圍內吸收力如何之目的來看，在所討論範圍內的「平均吸收率」係一有用的數量。平均吸收率係該等吸收光譜的整個波長範圍內之積分除以該範圍之寬度。對於在不同的位置具有不同的材料濃度之一光活性區域，該平均吸收率係該等吸收光譜之波長及位置之積分(其可與波長與位置成函數關係)除以波長範圍之寬度及該材料體積。平均吸收率允許考慮該範圍內局部化的峰值與凹部來作比較而不會不適當的偏重於任何特定波長的吸收。λ±5%範圍內的平均吸收率成為設計裝置時之一有用基準。
若二個光活性區域在範圍λ±5%內的平均吸收率至少相差5%，則可將該等二區域可視為在以一特定波長λ為中心之一範圍內具有明顯不同的吸收特徵。製程中無意的變化或其他不與控制吸收光譜明確相關之因素可能使得平均吸收率之差異更小。
一特定的光活性區域在一特定波長範圍內能吸收的能量數目係由該波長範圍所對應的光活性區域之吸收特徵與光場強度所決定。藉由以算術方法將該光活性區域之空間與該光場強度的波長範圍之積分乘以該吸收特徵(皆與位置及波長成函數關係)，可對此能量進行測量。將一波長範圍及位置條件下的平均吸收率與平均光場強度相乘係將此概念量化之一方法。光活性區域之「平均光場強度」係該光場強度的空間及波長之積分除以該波長範圍的空間體積及寬度。
為使一光活性區域所吸收的能量數量最佳化，需要讓在一波長範圍內之一高吸收特徵與在相同波長範圍內之一高光場強度重疊。但是，有許多其他因素會影響裝置設計。由於製造方面的考慮因素，因此可能需要限制製造該裝置所使用的材料數目。除吸收外的材料特性，例如導電率及電荷載子注入其他材料，亦起一定作用。光活性區域之位置可能受到除光場強度以外的其他因素影響，例如，對各種厚度的阻擋層、注入層、電極、再組合區域等之需要。
在本發明之某些具體實施例中，一串列式太陽能電池之吸收率係藉由選擇該等光活性區域之吸收特徵及位置而最佳化，且可受到各種其他限制。一串列式太陽能電池具有至少二個堆積的光活性區域，且可能具有二個以上此類區域。若一串列式電池包括具有不同吸收特徵的至少二個光活性區域，則可將其視為「最佳化」，而該電池吸收的光比光活性區域具有相同吸收特徵(即，吸收特徵無明顯差異)之其他等效裝置明顯更多。最佳化可以延伸至二個以上電池。
在包括二個以上電池之一項具體實施例中，該等電池中的有些電池可具有吸收特徵相同的光活性區域。一特定裝置組態之光場強度可具有多個區域，在該等區域中對應於一特定的波長範圍之光場強度較高。可能需要將具有相同吸收特徵(即，吸收特徵無明顯差異)且優先吸收一特定範圍的波長之多個電池定位於一裝置內具有對應於一特定波長範圍的較高光場強度之多個位置。例如，在具有一反射層之裝置中，一特定波長所對應的光場強度在與該反射層相距週期性距離處具有局部最大值，始於λ/4距離處，而此後每隔λ/2便會週期性地重現，即可在λ/4、3λ/4、5λ/4等處有局部最大值。因此，可能需要將優先吸收一波長λ1 之電池定位成離開該反射層λ1 /4及λ1 /5距離λ1 /4及λ1 /5處，且在優先吸收之二個電池之間(較佳的係對應於波長λ2 之光場強度較高之一位置處)配置有一電池優先吸收一不同的波長λ2 。
儘管本發明之許多具體實施例係結合二個堆積的電池來說明，但應瞭解，可使用數目更多之堆積電池，而與鄰近該等電池而定位所使用的電池及阻擋層之概念一般適用於具有二個以上電池之堆積。
本文中所使用的術語「阻擋層」表示該層提供一阻障以明顯抑制電荷載子及/或激子透過該裝置之傳輸，而不表明該層必定完全阻擋該等電荷載子及/或激子，熟習此項技術者將會瞭解此點。一裝置中存在此一阻擋層可使其具有與一缺少阻擋層之類似裝置相比實質上更高之效率。
圖3顯示在λ＝450 nm(實線)及λ＝650 nm(虛線)條件下的光場強度，其與從該不對稱有機串列式電池B中的陰極之距離成函數關係(參見表I)，圖3的頂部示意性顯示該電池B之結構。λ＝450 nm的強度峰值自該反射Ag陰極起約為400，或比λ＝650 nm的強度峰值更接近約300。因此，讓該前部電池富含較短波長吸收材料而該後部電池富含較短波長吸收材料，可使得一寬光譜之吸收率增加。在電池B中，該後部電池具有一比該前部電池明顯更厚的均勻C6 0 層，從而使得該C6 0 吸收區域(λ<550 nm)內的外部量子效率更高，如圖4所示。當時λ650 nm的光強度主要位於該前部電池中時，前部電池在550 nm<λ<750 nm時的量子效率可能會更高，但該均勻CuPc及該混合層之厚度在二個子電池中大致相同以平衡其光電流。
圖4顯示針對電池B的前部(虛線)及後部(實線)電池而計算出的外部量子效率光譜。來自該等二個子電池的不對稱光譜回應係因該不對稱串列式電池結構以及光學干擾而產生。
圖5顯示在黑暗中以及在各種強度的模擬AM1.5G陽光照射下，該不對稱有機串列式電池A的電流強度相對於電壓(J－V)之特徵。顯示(開符號)在黑暗中以及在各種強度的模擬AM1.5G陽光照射下根據實驗得出的串列式電池A之J－V特徵。典型的係在±1.5 V時105 －106 之整流比率。開路電壓在1 sun照射下係VO C ＝1.04 V，而在10 sun條件下接近1.2 V，其可能係一單一的CuPc/C6 0 混合型PM－HJ電池之二倍。該等實線係模擬的J－V特徵，其與實驗資料一致，不同之處僅係反向偏壓的黑暗電流，在此情況下產生－再組合電流或熱輔助下的穿隧可對Jd 作出顯著貢獻。
圖6顯示與5%單一的CuPc/C6 0 混合型平面混合異質接面電池相比(開放的倒三角)，在模擬的AM1.5G陽光照射下，各種不對稱有機串列式電池(A為實心正方形；B為開放圓形；C為實心三角形)的功率轉換效率(ηP )與照明強度(PO )的相關性。從圖5中根據實驗得出的J－V特徵導出之串列式電池A(實心正方形)的功率轉換效率在PO ＝0.34 sun條件下達到最大值ηP ＝(5.4±0.3)%。在受到更高的強度照射時，FF會因相對較厚的混合層而減小(參見圖7)。在具有較薄的混合層條件下，串列式電池B(開放圓形)即使在約11 sun之強烈照射下亦會呈現較高的FF＝0.56。此點使得存PO 1 sun時，ηP ＝(5.7±0.3)%，與該模型一致。但是，串列式電池C(實心三角形)之效率比模型預測值(6.5%)更低，此主要係由於較低的FF0.51所致。此點可表明該C6 0 /PTCBI介面處之一較小的能量阻障阻止電子向該電荷再組合區域傳輸。然而，串列式電池A及B之效率高於5%單一的CuPc/C6 0 混合型PM－HJ電池(圖6中開放的倒三角形)，而顯示堆積電池之有效性。
圖7顯示圖6所示的串列式及單一混合型PM－HJ電池之填充因數(FF)。在受到更高強度的照射時，FF會因相對較厚的混合層而減小。在具有較薄的混合層條件下，串列式電池B(開放圓形)即使在約11 sun之強烈照射下亦會呈現較高的FF＝0.56。
圖8顯示具有代表性的垂直光學路徑長度815與825之PV裝置810與820的二個可能的幾何結構。測量出的垂直光學路徑長度係垂直於該裝置之表面。
圖9顯示沉積於ITO上而具有各種混合比率的CuPc：C6 0 膜之吸收光譜。混合膜中CuPc的濃度係100% CuPc(CuPc單一層)910、62% 920、40% 930、33% 940及21% 950。純CuPc膜具有二個以波長620 nm及695 nm為中心的峰值。較長的波長峰值係因產生分子法蘭克激子所致，而較短的波長特徵係歸因於CuPc形成物之聚合。較長波長峰值在氣相或稀釋溶液中佔主要地位。圖9顯示較長波長峰值之大小隨C6 0 含量增加而增加。因此，CuPc分子顯示出隨C6 0 含量增加而聚合之趨向性更低。此點表明C6 0 濃度增加抑制CuPc聚合，從而減少該混合膜中的電洞傳輸，從而可能引起較低的載子收集效率。此點反映於一CuPc：C6 0 (1：2)混合層PV電池之降低的功率效率(ηP ＝(2.6±0.1)%，參見表2)。但是，在濃度為1：1時，CuPc分子會充分聚合以允許低電阻電洞傳輸，而同時對稱性甚高於此的C6 0 分子亦可形成一浸透路徑用於向該陰極進行有效的電子傳輸。
表1顯示在1 sun的AM1.5G陽光照射下，三個有機串列式光電電池的層厚度(在中)以及預測的性能參數(短路電流密度JS C 、開路電壓VO C 、填充因數FF及功率轉換效率ηP )。每一串列式電池的電荷再組合區域係由一5厚的Ag奈米簇層與一摻雜有5莫耳% F4 －TCNQ之50厚的m－MTDATA組成。
表2顯示在模擬該CuPc/C6 0 混合型PM－HJ串列式PV電池之J－V特徵時所使用的參數。
應瞭解，本文所說明的具體實施例僅係範例性，而可依據本發明使用其他具體實施例。例如，可更改所說明的層之順序。例如，可藉由適當地重新定位阻擋層等來切換該等光活性層(即有機區域230及250)之位置。額外層可能或也可能不存在，例如阻擋層，電荷再組合層等。例如，可移除阻擋層，及/或可存在額外的阻擋層。非光活性區域可能存在且可用來調整該等光活性區域相對於一反射層之位置。可使用各種太陽能電池組態，例如串列式太陽能電池。可使用與所特定說明的材料不同之材料。例如，其中所有電極皆係ITO之一裝置可以係製造成使得該裝置可以具有一定程度之透明度。此外，可將該裝置製造到一基板上且然後施加於一支撐表面，而使得最後沉積的電極最接近該支撐表面。儘管許多具體實施例係結合太陽能電池來說明，但在具有一D－A異質接面之其他類型的光敏感性裝置中可使用其他具體實施例，例如一光偵測器。
藉由本發明之具體實施例而獲得之功率效率高於先前在有機太陽能電池情況下獲得之效率。該些結果可能係由於本發明之具體實施例的若干特徵之間的相互作用所致，其中包括結合一混合的有機光活性層使用一非混合的有機光活性層且考慮到效率因素來選定厚度及位置。本發明之具體實施例能夠達到的功率轉換效率可接近Si電池之功率轉換效率，當前正在製造的Si電池之效率為7%至10%。藉由與本發明之具一致而精製的裝置，預期可獲得甚至更高的功率轉換效率。例如，藉由向該等玻璃基板施加簡單的抗反射塗層，可使效率提高額外10%，此表明本文所建議的串列式電池結構可達到高出7%之效率。串聯堆積二個以上的電池可有助於獲得更多的光，但是獲得有效的電池結構之難度更大。該不對稱串列式電池結構之一根本優點在於，其使得能在個別的子電池中併入不同的施體－受體材料從而能覆蓋的太陽光譜區域比目前的CuPc－C6 0 系統更寬。假設在適當封裝的有機太陽能電池模組中可以獲得較高的生產良率及較長的操作使用期，則該不對稱混合型PM－HJ串列式電池適於各種應用之潛力相當大。
範例
在本發明之一項具體實施例中，提供一有效的光電電池。在預先塗佈有透明的導電ITO之一玻璃基板上製造具有二個堆積的混合型平面混合異質接面電池之一電池。該裝置具有以下結構：ITO/75CuPc/122CuPc：C6 0 (按重量計為1.2：1)/80C6 0 /50PTCBI/5Ag/50m－MTDATA：F4 －TCNQ/60CuPc/132CuPc：C6 0 (按重量計為1.2：1)/160C6 0 /75BCP/Ag。距該陰極較遠的電池略富含CuPc，其在從550 nm至750 nm之光譜區域中進行吸收，而較接近該陰極的電池富含C6 0 ，其在從350 nm至550 nm之光譜區域中進行吸收。在1至4 sun模擬AM1.5G陽光照射下測量出的最大功率效率為(5.6±0.3)%。
該有機混合型平面混合異質接面光電電池係製造於一玻璃基板上，該玻璃基板預先塗佈有一薄片電阻為15 Ω/sq之~1500厚的透明導電ITO陽極。在溶劑中清洗該基板，接下來對其進行5分鐘的紫外線臭氧處理。該等有機層及一金屬陰極係經由在一基底壓力為~2×10－ 7 托的高真空室中進行熱蒸發而沉積。依次將一厚度為dD ~50至200之CuPc層、一厚度為dm ~0至300之CuPc：C6 0 (按重量計1：1)共沉積層，及一厚度為dA ~250－400之C6 0 層沉積到該ITO陽極上，接下來係一100厚的BCP激子阻擋層。最後，經由一具有1 mm直徑的開口之陰影遮罩來蒸發一1000厚的Ag陰極。
使用一HP 4155B半導體參數分析器來測量在黑暗中及在來自150 W的氣弧燈(Oriel儀器)之模擬AM1.5G陽光照射下處於25℃時該等PV電池之電流對電壓特徵。使用中性密度濾光器來改變照明強度，並藉由一校準的寬頻光功率計(Oriel儀器)來測量照明強度。
雖然本發明已針對特定範例及較佳具體實施例進行說明，但應瞭解，本發明不限於此等範例與具體實施例。因此，所主張之本發明包括與本文所述之特定範例與較佳具體實施例不同之變化，熟習此項技術者會明白此點。
100．．．有機光敏感性光電子裝置
110．．．基板
115．．．陽極
120．．．陽極平滑層
125．．．施體層
130．．．受體層
135．．．阻擋層
140．．．陰極
200．．．(有機光活性)裝置/有機電池
210．．．基板
220．．．第一電極
230．．．第一(或「前部」)有機光活性區域/有機層
231．．．第一有機層/受體層
232．．．第二有機層
233．．．第三有機層/施體層
234．．．第一激子阻擋層
240．．．插入層
241．．．奈米粒子
250．．．第二(或「後部」)有機光活性區域/有機層
251．．．(有機)受體層
252．．．有機層
253．．．施體層
254．．．第二激子阻擋層
260．．．第二電極
810．．．PV裝置
815．．．垂直光學路徑長度
820．．．PV裝置
825．．．垂直光學路徑長度
圖1顯示一有機PV裝置，其包括一陽極、一陽極平滑層、一施體層、一受體層、一阻擋層及一陰極。
圖2顯示藉由串聯堆積二電池而形成之一有機串列式裝置。
圖3顯示在λ＝450 nm(實線)及λ＝650 nm(虛線)條件下的光場強度，其與距該不對稱有機串列式電池B中的陰極之距離成函數關係(參見表I)，圖3的頂部示意性顯示該電池B之結構。
圖4顯示針對電池B的前部(虛線)及後部(實線)電池而計算出的外部量子效率光譜。
圖5顯示在黑暗中以及在各種強度的AM1.5G模擬陽光照射下，該不對稱有機串列式電池A的電流強度對電壓(J－V)之特徵。
圖6顯示與5%單一CuPc/C6 0 混合型平面混合異質接面電池相比(開放的倒三角)相比，在模擬的AM1.5G陽光照射下，不對稱有機串列式電池(A，實心正方形；B，開放的圓形；C，實心三角形)的功率轉換效率(ηP )與照明強度(PO )的相關性。
圖7顯示圖6所示的串列式單一混合型PM－HJ電池之填充因數(FT)。
圖8顯示具有代表性的垂直光學路徑長度之一PV裝置之二個可能的幾何結構。
圖9顯示沉積於ITO上而具有各種混合比率的CuPc：C6 0 膜之吸收光譜。
200．．．(有機光活性)裝置/有機電池
210．．．基板
220．．．第一電極
230．．．第一(或「前部」)有機光活性區域/有機層
231．．．第一有機層/受體層
232．．．第二有機層
233．．．第三有機層/施體層
234．．．第一激子阻擋層
240．．．插入層
241．．．奈米粒子
250．．．第二(或「後部」)有機光活性區域/有機層
251．．．(有機)受體層
252．．．有機層
253．．．施體層
254．．．第二激子阻擋層
260．．．第二電極

Claims (33)

  1. 一種堆疊之有機光敏感性裝置，其包括：第一電極；第二電極；第一有機光活性區域，其配置在該第一電極及該第二電極之間；以及第二有機光活性區域，其配置在該第一電極及該第二電極之間；其中該第一有機光活性區域及該第二有機光活性區域具有不同的吸收特徵；其中該裝置包括反射層，而該第一有機光活性區域與該第二有機光活性區域係配置在該反射層之相同側上；及其中該第一有機光活性區域係配置成比該第二有機光活性區域更接近該反射層，而其中該第二光活性區域之最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長λ2 大於該第一光活性區域之最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長λ1 ；其中各有機光活性區域包含有機受體材料及有機施體材料，其與該有機受體材料直接接觸，其中該第一有機光活性區域與該第二有機光活性區域含有不同的有機受體材料對有機施體材料的比率。
  2. 如請求項1之裝置，其中當該裝置曝露於具有太陽光譜之入射光時，該裝置吸收該總光場強度的至少10%。
  3. 如請求項1之裝置，其中當該裝置曝露於具有太陽光譜之入射光時，該裝置吸收該總光場強度的至少20%。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第二光活性區域的最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長λ2 比該第一光活性區域之最高三個吸收峰值中的至少一峰值之波長λ1 至少大10%。
  5. 如請求項1之裝置，其中該第一有機光活性區域係配置成比該第二有機光活性區域更接近該反射層，而其中該第二有機光活性區域與該第一有機光活性區域相比，在較長波長時為一較強之吸收器。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第一電極係該反射層。
  7. 如請求項1之裝置，其中該第一有機光活性區域之至少一部分係配置於從最接近該第一有機光活性區域的該反射層之邊緣之λ1 /4±25%的垂直光學路徑長度，而該第二有機光活性區域之至少一部分係配置於從最接近該第二有機光活性區域的該反射層之邊緣之λ2 /4±25%的垂直光學路徑長度。
  8. 如請求項1之裝置，其中各有機光活性區域包括相同的有機受體與有機施體材料。
  9. 如請求項8之裝置，其中各有機光活性區域之有機施體材料係CuPc，而各有機光活性區域之有機受體材料係C60 。
  10. 如請求項9之裝置，其中該第一有機光活性區域之有機受體材料及有機施體材料係不同於該第二有機光活性區域之有機受體材料及有機施體材料。
  11. 如請求項10之裝置，其中該第一有機光活性區域之有機 施體材料係CuPc，該第一有機光活性區域之有機受體材料係C60 ，該第二有機光活性區域之有機施體材料係PbPc，及該第二有機光活性區域之有機受體材料係PTCBI。
  12. 如請求項1之裝置，其中各光活性區域包括：第一有機層，其包含有機受體材料與有機施體材料之混合物；第二有機層，其係與該第一有機層直接接觸，其中該第二有機層包含該第一有機層的有機施體材料之非混合層；以及第三有機層，其係與該第一有機層直接接觸，其中該第三有機層包含該第一有機層的有機受體材料之非混合層，該第一有機層係位於該第二有機層與該該第三有機層之間；該裝置進一步包括配置成鄰近並直接實體接觸第一有機光活性區域之第三有機層的第一激子阻擋層，及配置成鄰近並直接實體接觸第二有機光活性區域之第三有機層的第二激子阻擋層。
  13. 如請求項1之裝置，其中各光活性區域包括：第一有機層，其包含有機受體材料與有機施體材料之混合物；以及第二有機層，其係與該第一有機層直接接觸，其中該第二有機層包含該第一有機層的有機施體材料之一非混合層； 該裝置進一步包括配置成鄰近並直接實體接觸第一有機光活性區域之第一有機層的第一激子阻擋層，及配置成鄰近並直接實體接觸第二有機光活性區域之第一有機層的第二激子阻擋層。
  14. 如請求項1之裝置，其中各光活性區域係由以下層組成：第一有機層，其包含有機受體材料與有機施體材料之混合物；以及第二有機層，其係與該第一有機層直接接觸，其中該第二有機層包含該第一有機層的有機受體材料之一非混合層；該裝置進一步包括配置成鄰近並直接實體接觸第一有機光活性區域之第二有機層的第一激子阻擋層，及配置成鄰近並直接實體接觸第二有機光活性區域之第二有機層的第二激子阻擋層。
  15. 如請求項1之裝置，其中各光活性區域包含：第一有機層，其包含該受體材料之非混合層；以及第二有機層，其係與該第一有機層直接接觸，其包含該有機施體材料之一非混合層；該裝置進一步包括配置成鄰近並直接實體接觸第一有機光活性區域之第一有機層的第一激子阻擋層，及配置成鄰近並直接實體接觸第二有機光活性區域之第一有機層的第二激子阻擋層。
  16. 如請求項1之裝置，其中各光活性區域係由以下層組成：第一有機層，其包含有機受體材料與有機施體材料之 混合物；該裝置進一步包括配置成鄰近並直接實體接觸第一有機光活性區域之第一有機層的第一激子阻擋層，及配置成鄰近並直接實體接觸第二有機光活性區域之第一有機層的第二激子阻擋層。
  17. 如請求項1之裝置，其中該裝置係一光伏打裝置。
  18. 如請求項1之裝置，其中該裝置係一光偵測器。
  19. 如請求項1之裝置，其中該裝置進一步包括一第三光活性區域。
  20. 一種堆疊之有機光敏感性裝置，其包括：第一電極；第二電極；第一有機光活性區域，其係配置於該第一電極與該第二電極之間；第二有機光活性區域，其係配置於該第一電極與該第二電極之間；其中該裝置包括反射層，而該第一有機光活性區域與該第二有機光活性區域係配置於該反射層之相同側上；其中λ1 係該第一光活性區域之最高三個吸收峰值中的峰值之波長，而λ2 係該第二光活性區域之最高三個吸收峰值中的峰值之波長；其中λ1 與λ2 至少相差約10%；其中該第一有機光活性區域係配置於一位置而使得該波長λ1 之光場強度中有一最大值在該第一有機光活性區 域內，或在該第一有機光活性區域之0.05 λ1 /na 內，其中na 係其中出現該最大值的該材料之折射率；以及其中該第二有機光活性區域係配置於一位置而使得該波長λ2 之該光場強度中有一最大值在該第二有機光活性區域內，或在該第一有機光活性區域之0.05 λ2 /nb 內，其中nb 係其中出現該最大值的該材料之該折射率。
  21. 一種堆疊之有機光敏感性裝置，其包括：第一電極；第二電極；第一有機光活性區域，其配置在該第一電極及該第二電極之間；以及第二有機光活性區域，其配置在該第一電極及該第二電極之間，其中該第一有機光活性區域及該第二有機光活性區域係堆積排列在該第一電極及該第二電極之間；及其中該第一有機光活性區域及該第二有機光活性區域具有不同的吸收特徵；其中在λ1 ±5%波長範圍內，該第一光活性區域之平均吸收率大於該第二光活性區域之平均吸收率；其中在λ2 ±5%波長範圍內，該第二光活性區域之該平均吸收率大於該第一光活性區域之平均吸收率；其中λ2 比λ1 至少大10%；其中至少該第一有機光活性區域或該第二有機光活性區域包括混合型平面混合異質接面。
  22. 如請求項21之裝置，其中該裝置包括一反射層，而且其中該第一有機光活性區域與該第二有機光活性區域係配置於該反射層之相同側上，而且其中第一光活性區域係配置成比該第二光活性區域更接近該反射層。
  23. 如請求項22之裝置，其中該第一電極係該反射層。
  24. 如請求項1之裝置，其中該第一電極與該第二電極不具反射性。
  25. 如請求項21之裝置，其中一λ1 ±5%波長範圍內，該第一光活性區域之平均吸收率比該第二光活性區域之平均吸收率至少大5%；以及其中在一λ2 ±5%波長範圍內，該第二光活性區域之平均吸收率比該第一光活性區域之平均吸收率至少大5%。
  26. 如請求項21之裝置，其中該第一光活性區域與該第二光活性區域皆包含該等材料C60 與CuPc，而該第一光活性區域中的C60 之百分比大於該第二光活性區域中的C60 百分比。
  27. 如請求項21之裝置，其中在該第一光活性區域之位置處對應於波長範圍λ1 ±5%之平均光場強度，係大於在該第二光活性區域之位置處對應於波長範圍λ1 ±5%之平均光場強度；而且其中在該第二光活性區域之位置處對應於波長範圍λ2 ±5%之平均光場強度，係大於在該第一光活性區域之位置處對應於波長範圍λ2 ±5%之平均光場強度。
  28. 如請求項25之裝置，其中在該第一光活性區域之位置處 對應於波長範圍λ1 ±5%之平均光場強度，係大於在該第二光活性區域之位置處對應於波長範圍λ1 ±5%之平均光場強度；而且其中在該第二光活性區域之位置處對應於波長範圍λ2 ±5%之平均光場強度，係大於在該第一光活性區域之位置處對應於波長範圍λ2 ±5%之平均光場強度。
  29. 如請求項21之裝置，其進一步包含配置於該第一電極與該第二電極之間的一第三有機光活性區域。
  30. 如請求項29之裝置，其中該第一有機光活性區域、該第二有機光活性區域及該第三有機光活性區域中的每一區域皆具有不同的吸收特徵；其中在一λ3 ±5%波長範圍內，該第三有機光活性區域之平均吸收率大於該第一有機光活性區域之平均吸收率及該第二有機光活性區域之平均吸收率；其中在一λ1 ±5%波長範圍內，該第一有機光活性區域之平均吸收率大於該第三有機光活性區域之平均吸收率；以及其中在一λ2 ±5%波長範圍內，該第二有機光活性區域之平均吸收率大於該第三有機光活性區域之平均吸收率。
  31. 如請求項29之裝置，其中該第三有機光活性區域具有一與該第一有機光活性區域之吸收特徵相同之吸收特徵。
  32. 如請求項21之裝置，其進一步包括配置在該第一有機光 活性區域及該第二有機光活性區域之堆積間的金屬或金屬替代物。
  33. 如請求項32之裝置，其中該金屬或金屬替代物形成電極、電荷重組層或電荷傳輸層。
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