專(zhuān)利名稱：具有隧穿勢(shì)壘嵌在有機(jī)基質(zhì)中的量子點(diǎn)的中能帶光敏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光敏光電器件。更具體地說(shuō)，涉及具有在有機(jī) 半導(dǎo)體基質(zhì)中提供中能帶的有機(jī)或無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的中能帶光敏光電器 件。
背景技術(shù)：
光電器件依靠材料的光學(xué)和電學(xué)屬性，以電子地產(chǎn)生或探測(cè)電磁 輻射，或從環(huán)境電磁輻射產(chǎn)生電。
光敏光電器件將電磁輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或電。太陽(yáng)能電池，也稱 作光生伏打("PV")器件，是一種光敏光電器件，特別用來(lái)產(chǎn)生電能。 光電導(dǎo)體電池是一種光敏光電器件，與信號(hào)探測(cè)電路結(jié)合使用，其中， 信號(hào)探測(cè)電路監(jiān)測(cè)器件的電阻以探測(cè)由于吸收光而引起的變化。光電 探測(cè)器，可以接收施加的偏壓，是一種光敏光電器件，與電流探測(cè)電路結(jié)合使用，電流探測(cè)電路測(cè)量光探測(cè)器暴露于電磁輻射時(shí)產(chǎn)生的電 流。
根據(jù)是否存在下面限定的整流結(jié)以及也根據(jù)該器件是否利用外部 施加電壓而工作，可以區(qū)分這三類(lèi)光敏光電器件，外部施加的電壓亦 稱為偏置或偏壓。光電導(dǎo)體電池不具有整流結(jié)，以及通常利用偏壓工
作。PV器件具有至少一個(gè)整流結(jié)以及不利用偏壓工作。光探測(cè)器具有
至少一個(gè)整流結(jié)以及通常但不是一直利用偏壓工作。
在此使用的術(shù)語(yǔ)"整流"表示，尤其，具有不對(duì)稱導(dǎo)電特性的界面，
即，優(yōu)選在一個(gè)方向上支持電荷傳輸?shù)慕缑妗Ｐg(shù)語(yǔ)"光電導(dǎo)的"通常 涉及其中吸收電磁輻射能并由此轉(zhuǎn)化為電荷載流子的激發(fā)能，以便載
流子可以在材料中傳導(dǎo)(即，傳輸)電荷的過(guò)程。術(shù)語(yǔ)"光電導(dǎo)材料" 指利用它們吸收電磁輻射的性能來(lái)產(chǎn)生電荷載流子的半導(dǎo)體材料。除 非規(guī)定第一層"物理接觸"或"直接接觸"第二層，否則可以有插入 層。
當(dāng)在有機(jī)半導(dǎo)體材料上入射適當(dāng)能量的電磁輻射時(shí)，光子可以被 吸收，以產(chǎn)生激發(fā)態(tài)。在有機(jī)光導(dǎo)材料中，產(chǎn)生的激發(fā)分子態(tài)通常被 認(rèn)為是"激子"，即，作為準(zhǔn)粒子傳輸?shù)氖`態(tài)中的電子-空穴對(duì)。在 成對(duì)再結(jié)合之前("淬火")，所述成對(duì)再結(jié)合指初始電子和空穴互相再 結(jié)合，(與來(lái)自其它對(duì)的空穴或電子再結(jié)合相反)，激子可以具有可 估計(jì)的壽命。為了產(chǎn)生光電流，典型地在整流結(jié)處分開(kāi)形成激子的電 子和空穴。
激子也形成在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中。但是，無(wú)機(jī)材料中的電子和空穴之 間的庫(kù)侖作用弱于有機(jī)材料，以致在無(wú)機(jī)材料中，在到達(dá)整流結(jié)之前， 電子和空穴可能脫離。
在光敏器件的情況下，整流結(jié)被稱為光生伏打異質(zhì)結(jié)。為了在占
據(jù)大量體積的光生伏打異質(zhì)結(jié)處內(nèi)部地產(chǎn)生電場(chǎng)，通常的方法是利用 適當(dāng)?shù)剡x擇的半導(dǎo)體屬性并置(juxtapose)兩個(gè)材料層，特別相對(duì)于它
們的能態(tài)分布。
有機(jī)光生伏打異質(zhì)結(jié)的類(lèi)型包括在施主材料和受主材料的界面處 形成的施主-受主異質(zhì)結(jié)和在有機(jī)光電導(dǎo)材料和金屬的界面處形成的肖 特基-勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)。無(wú)機(jī)光生伏打異質(zhì)結(jié)的類(lèi)型包括在p-型摻雜材料和
n-型摻雜材料的界面處形成的p-n異質(zhì)結(jié)和在無(wú)機(jī)光電導(dǎo)材料和金屬的 界面處形成的肖特基-勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)。光生伏打異質(zhì)結(jié)也可以在無(wú)機(jī)材料 和有機(jī)材料之間的界面處形成。
在有機(jī)光生伏打異質(zhì)結(jié)中，將形成異質(zhì)結(jié)的材料表示為施主或受 主。在有機(jī)材料的環(huán)境中，術(shù)語(yǔ)"施主"和"受主"指兩種接觸但是 不同有機(jī)材料的最高占據(jù)分子軌道("HOMO")和最低未占分子軌 道("LUMO")能級(jí)的相對(duì)位置。如果與另一材料接觸的一種材料的 LUMO能級(jí)較低，那么該材料是受主。否則是施主。在沒(méi)有外部偏壓 的情況下，對(duì)于施主-受主結(jié)處的電子移動(dòng)到受主材料中是積極有利的。
有機(jī)半導(dǎo)體和絕緣體可以具有在HOMO下面和LUMO上面的額 外的離散的分子軌道，典型地，被確定為HOMO-1 、 HOMO-2、LUMO+1 、 LUMO+2等。
有機(jī)材料的"施主"和"受主"的使用具有與無(wú)機(jī)材料不同的含 義。在有機(jī)材料的環(huán)境中，術(shù)語(yǔ)"施主"和"受主"指兩種接觸但是 不同材料的HOMO和LUMO能級(jí)的相對(duì)位置。這與無(wú)機(jī)內(nèi)容中的這些 術(shù)語(yǔ)的使用相反，在無(wú)機(jī)材料中，"施主"和"受主"指摻雜原子的 類(lèi)型，摻雜原子可以用來(lái)分別產(chǎn)生無(wú)機(jī)n-和p-型層。
半導(dǎo)體和絕緣體的一個(gè)共同特點(diǎn)是"帶隙"。帶隙是用電子填充 的最高能級(jí)和通常為空的最低能級(jí)之間的能量差。在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或無(wú)
機(jī)絕緣體中，該能量差是價(jià)帶邊緣Ev(價(jià)帶的頂部)和導(dǎo)帶邊緣Ec(導(dǎo)
帶的底部)之間的差值。在有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)絕緣體中，該能量差是
HOMO和LUMO之間的差值。純材料的帶隙缺乏電子和空穴可能存在 的能量態(tài)。用于傳導(dǎo)唯一可用的載流子是電子和空穴，這些電子和空 穴具有足夠的被激發(fā)的能量穿越帶隙。通常，與絕緣體相比，半導(dǎo)體 具有較小的帶隙。
根據(jù)能帶/能級(jí)模型，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中的價(jià)帶電子到導(dǎo)帶中的激發(fā)產(chǎn) 生載流子；亦即，電子是在帶隙的導(dǎo)電側(cè)時(shí)的電荷載流子，空穴是在 帶隙的價(jià)帶側(cè)時(shí)的電荷載流子。同樣，對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，電子是在帶 隙的未占分子軌道側(cè)上的電荷載流子，空穴是在帶隙的占據(jù)分子軌道 側(cè)上的電荷載流子。更簡(jiǎn)潔地說(shuō)，電子是帶隙上面的載流子，空穴是 帶隙下面的載流子。
如果第一能級(jí)更靠近真空能級(jí)，那么在此使用的第一能級(jí)"超過(guò)"、 "大于"或"高于"第二能級(jí)。較高的HOMO能級(jí)對(duì)應(yīng)于相對(duì)于真空 能級(jí)具有較小絕對(duì)能量的電離電位("IP")。類(lèi)似地，較高的LUMO 能級(jí)對(duì)應(yīng)于相對(duì)于真空能級(jí)具有較小絕對(duì)能量的電子親合力("EA")。 在傳統(tǒng)能級(jí)圖上，在頂部的真空能級(jí)，材料的LUMO能級(jí)高于相同材 料的HOMO能級(jí)。
與傳統(tǒng)的能帶圖一樣，對(duì)于電子，移動(dòng)到低能級(jí)是積極有利的， 而對(duì)于空穴，移動(dòng)到高能級(jí)是積極有利的(對(duì)于空穴，該高能級(jí)是低 勢(shì)能，但是相對(duì)于能帶圖是高勢(shì)能)。更簡(jiǎn)潔地說(shuō)，電子下降而空穴 上升。
載流子遷移率是無(wú)機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體中的重要屬性。遷移率測(cè)量電 荷載流子響應(yīng)于電場(chǎng)可以穿過(guò)導(dǎo)電材料移動(dòng)的容易性。在光敏器件的 環(huán)境中，由于高電子遷移率而優(yōu)選地可以將通過(guò)電子傳導(dǎo)的材料稱為 電子傳輸材料。由于高空穴遷移率而優(yōu)選地可以將通過(guò)空穴傳導(dǎo)的材
料稱為空穴傳輸材料。由于器件中的遷移率和/或位置而優(yōu)選地可以將 通過(guò)電子傳導(dǎo)的層稱為電子傳輸層("ETL")。由于器件中的遷移率 和/或位置而優(yōu)選地可以將通過(guò)空穴傳導(dǎo)的層被稱為空穴傳輸層
("HTL")。優(yōu)選地，但不是必須，受主材料(有機(jī))和n-型材料 (無(wú)機(jī))是電子傳輸材料；施主材料(有機(jī))和p-型材料(無(wú)機(jī))是
空穴傳輸材料。與半導(dǎo)體相比，絕緣體通常提供差的載流子遷移率。
在此使用的術(shù)語(yǔ)"有機(jī)"包括聚合材料以及小分子有機(jī)材料，這 些材料可以用來(lái)制造有機(jī)光電器件。"小分子"指不是聚合物的任意 有機(jī)材料，"小分子"實(shí)際上可能是非常大的。在某些情況下，小分
子可以包含重復(fù)單元。例如，使用長(zhǎng)鏈烷基作為取代基(substituent)， 不從"小分子"類(lèi)去除分子。也可以將小分子也歸入聚合物，例如作 為聚合物主鏈上的側(cè)基或作為主鏈的一部分。小分子也可以用作樹(shù)枝 狀聚合物的核心部分(core moiety)，該核心部分由在核心部分上建立 的一系列化學(xué)外殼構(gòu)成。樹(shù)枝狀聚合物的核心部分可以是熒光或磷光 小分子發(fā)射體。樹(shù)枝狀聚合物可以是"小分子"。通常，小分子具有 從分子到分子有相同分子量的定義的化學(xué)式，而聚合物具有從分子到 分子可能有不同分子量的定義的化學(xué)式。在此使用的"有機(jī)"包含烴 基的金屬絡(luò)合物和異質(zhì)原子-替代的烴基配位體。
對(duì)于有機(jī)光敏器件的技術(shù)現(xiàn)狀的附加背景說(shuō)明和描述，包括它們 的一般結(jié)構(gòu)、特征、材料和特點(diǎn)，在此引入Forrest等人的美國(guó)專(zhuān)利 6,657,378， Forrest等人的美國(guó)專(zhuān)利6,580,027，以及Bulovic等人的美 國(guó)專(zhuān)利6，352，777作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
多個(gè)量子點(diǎn)，每個(gè)都具有外殼，并被嵌入在有機(jī)基質(zhì)中。至少這 些量子點(diǎn)和有機(jī)基質(zhì)是光導(dǎo)半導(dǎo)體。在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)耐鈿け辉O(shè)置 為隧穿勢(shì)壘，以要求在有機(jī)基質(zhì)中的隧穿勢(shì)壘基部處的電荷載流子(電 子或空穴)執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)各個(gè)量子點(diǎn)。每個(gè)量子點(diǎn)中
的第一量子態(tài)在其中嵌入量子點(diǎn)的有機(jī)基質(zhì)的最低未占分子軌道
(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)之間。該多個(gè)量子點(diǎn)的第一
量子態(tài)的波函數(shù)可以重疊，以形成中能帶。
在載流子為電子的情況下，第一量子態(tài)是量子點(diǎn)中的帶隙上面的 量子態(tài)。在載流子為空穴的情況下，第一量子態(tài)是量子點(diǎn)的帶隙下面 的量子態(tài)。
每個(gè)量子點(diǎn)也可以具有第二量子態(tài)。在電荷載流子是電子的情況
下，第二量子態(tài)在第一量子態(tài)上面，并在有機(jī)基質(zhì)的LUMO的士0.16eV 范圍內(nèi)。在電荷載流子是空穴的情況下，第二量子態(tài)在第一量子態(tài)下 面，并在有機(jī)基質(zhì)的HOMO的i0.16eV范圍內(nèi)。
隧穿勢(shì)壘的高度是隧穿勢(shì)壘的峰值和基部之間的能級(jí)差值的絕對(duì) 值。其中，隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)耐鈿?厚度的組合可以對(duì)應(yīng)于電荷載流子將從有機(jī)基質(zhì)隧穿到各個(gè)量子點(diǎn)中 的在0.1和0.9之間的隧穿概率。對(duì)于在0.1和0.9之間的隧穿概率， 外殼的厚度優(yōu)選在O.l至10納米的范圍內(nèi)。
更優(yōu)選地，隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)耐?殼的厚度的組合對(duì)應(yīng)于電荷載流子將從有機(jī)基質(zhì)隧穿到各個(gè)量子點(diǎn)中 的0.2和0.5之間的隧穿概率。對(duì)于0.2和0.5之間的隧穿概率，外殼 的厚度優(yōu)選在0.1至10納米的范圍內(nèi)。
有機(jī)基質(zhì)可以由光導(dǎo)小分子半導(dǎo)體構(gòu)成，或可以由光導(dǎo)聚合物半 導(dǎo)體構(gòu)成。
如果每個(gè)量子點(diǎn)由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，那么在各個(gè)量子點(diǎn)周?chē)耐?殼可以是無(wú)機(jī)半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)電絕緣體、有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體。
對(duì)于由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成的量子點(diǎn)，可以將嵌入的量子點(diǎn)設(shè)置在還 包括處于層疊關(guān)系的有機(jī)施主層和有機(jī)受主層的器件中，將嵌入在該 有機(jī)基質(zhì)中的量子點(diǎn)設(shè)置在施主層和受主層之間。在載流子是電子的 情況下，施主層的最低未占分子軌道(LUMO)優(yōu)選高于隧穿勢(shì)壘的峰
值。在載流子是空穴的情況下，受主層的最高占據(jù)分子軌道(HOMO) 優(yōu)選低于隧穿勢(shì)壘的峰值。
如果每個(gè)量子點(diǎn)由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，那么在各個(gè)量子點(diǎn)周?chē)耐?殼可以是有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體。
對(duì)于量子點(diǎn)是有機(jī)半導(dǎo)體，那么可以將嵌入的量子點(diǎn)設(shè)置在還包 括處于層疊關(guān)系的有機(jī)施主層和有機(jī)受主層的器件中，將該有機(jī)基質(zhì) 中嵌入的量子點(diǎn)設(shè)置在施主層和受主層之間。在載流子是電子的情況 下，施主層的最低未占分子軌道(LUMO)優(yōu)選高于隧穿勢(shì)壘的峰值。 在載流子是空穴的情況下，受主層的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)優(yōu) 選低于隧穿勢(shì)壘的峰值。
多個(gè)量子點(diǎn)的量子點(diǎn)和在各個(gè)點(diǎn)周?chē)耐鈿た梢员唤Y(jié)合為一個(gè)樹(shù) 枝狀聚合物分子。在此情況下，樹(shù)枝狀聚合物分子的核心部分可以用 作量子點(diǎn)，樹(shù)枝狀聚合物分子的化學(xué)外殼可以用作隧穿勢(shì)壘，g卩，在 量子點(diǎn)周?chē)耐鈿ぁ?br> 對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，外殼厚度優(yōu)選在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。更優(yōu) 選地，在0.1至IO納米的范圍內(nèi)，外殼的厚度等于不超過(guò)穿過(guò)各個(gè)量 子點(diǎn)中心的平均截面厚度的10%，。
可以將嵌入的量子點(diǎn)設(shè)置在諸如太陽(yáng)能電池的光敏器件中。


圖1示出了中能帶太陽(yáng)能電池。
圖2A和2B是無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，在 提供中能帶的導(dǎo)帶中具有最低量子態(tài)。
圖3A和3B是無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，在 提供中能帶的價(jià)帶中具有最高量子態(tài)。
圖4是圖1的中能帶太陽(yáng)能電池的能帶圖，具有圖2A和2B中所 示的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)。
圖5示出了通常是理想化的并在膠狀溶液形成的圖1中的器件中 的量子點(diǎn)陣列的截面。
圖6是無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，示出了經(jīng) 過(guò)電子的去激發(fā)和俘獲。
圖7示出了圖5中所示的量子點(diǎn)陣列的截面圖，被改進(jìn)為包括隧 穿勢(shì)壘。
圖8A和8B是有機(jī)基質(zhì)材料中嵌入的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶 圖。該量子點(diǎn)包括如圖7所示的隧穿勢(shì)壘，在提供中能帶的帶隙上面 具有最低量子態(tài)。
圖9是基于圖1中的設(shè)計(jì)的中能帶太陽(yáng)能電池的能帶圖，包括如 圖8A和8B所示的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)。
圖IOA和10B是有機(jī)基質(zhì)材料中嵌入的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶 圖。該量子點(diǎn)包括如圖7所示的隧穿勢(shì)壘，在提供中能帶的帶隙下面 具有最高量子態(tài)。
圖11是基于圖1中的設(shè)計(jì)的中能帶太陽(yáng)能電池的能帶圖，包括如 圖IOA和IOB所示的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)。
圖12A和12B是有機(jī)基質(zhì)材料中嵌入的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶 圖。該量子點(diǎn)包括如圖7所示的隧穿勢(shì)壘，在提供中能帶的帶隙上面 具有最低量子態(tài)。
圖13A和13B是有機(jī)基質(zhì)材料中嵌入的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶 圖。該量子點(diǎn)包括如圖7所示的隧穿勢(shì)壘，在提供中能帶的帶隙下面 具有最高量子態(tài)。
圖14是基于圖1中的設(shè)計(jì)的中能帶太陽(yáng)能電池的能帶圖，包括如 圖12A和12B所示的有機(jī)量子有機(jī)點(diǎn)。
圖15是基于圖1中的設(shè)計(jì)的中能帶太陽(yáng)能電池的能帶圖，包括如
圖13A和13B所示的有機(jī)量子有機(jī)點(diǎn)。
圖16-18示出了有機(jī)基質(zhì)中具有隧穿勢(shì)壘的量子點(diǎn)的截面設(shè)置的 附加示例。
圖19和20表示穿過(guò)矩形勢(shì)壘的隧穿。
圖21表示三角形隧穿勢(shì)壘。
圖22表示拋物線隧穿勢(shì)壘。
這些圖不必按比例繪制。
具體實(shí)施例方式
為了提高太陽(yáng)能電池的效率正研究的一種方法是使用量子點(diǎn)在太 陽(yáng)能電池的帶隙內(nèi)產(chǎn)生中能帶。量子點(diǎn)將三維中的電荷載流子(電子、 空穴和/或激發(fā)子)限制為離散量子能態(tài)。每個(gè)量子點(diǎn)的截面尺寸典型 地約為數(shù)百?；蚋?。在其他方法之中，通過(guò)重疊點(diǎn)之間的波函數(shù)， 可區(qū)分中能帶結(jié)構(gòu)。"中間"能帶是通過(guò)重疊波函數(shù)形成的連續(xù)微帶。 盡管波函數(shù)重疊，但是在相鄰點(diǎn)之間沒(méi)有物理接觸。
圖1示出了中能帶器件的例子。該器件包括第一接觸件110、第一 過(guò)渡層115、在半導(dǎo)體塊狀基質(zhì)材料120中嵌入的多個(gè)量子點(diǎn)130、第 二過(guò)渡層150以及第二接觸件155。
在由無(wú)機(jī)材料制成的器件中， 一個(gè)過(guò)渡層(115、 150)可以是p-型，另一過(guò)渡層是n-型。塊狀基質(zhì)材料120和量子點(diǎn)130可以是本征 的(未摻雜)。過(guò)渡層115、 150和塊狀基質(zhì)材料120之間的界面可以 提供整流，極化器件內(nèi)流動(dòng)的電流。
層的這些相同基本圖案也可以用于由有機(jī)材料或有機(jī)和無(wú)機(jī)材料 的混合物制成的器件。例如，過(guò)渡層(115， 150)可以包括施主層和 受主層，相對(duì)于塊狀基質(zhì)材料120具有能級(jí)偏移，以致過(guò)渡層和塊狀
基質(zhì)材料之間的界面提供整流。作為有機(jī)或無(wú)機(jī)材料的替換，可以通
過(guò)接觸件(110， 155)和過(guò)渡層(115， 150)之間的界面，提供電流整流。
根據(jù)能帶的設(shè)置，中能帶可以對(duì)應(yīng)于量子點(diǎn)130中的帶隙上面的 最低量子態(tài)，或量子點(diǎn)130中的帶隙下面的最高量子態(tài)。
圖2A、 2B、 3A和3B是穿過(guò)無(wú)機(jī)塊狀基質(zhì)材料120中的示例無(wú)機(jī) 量子點(diǎn)130的截面的能帶圖。在該點(diǎn)內(nèi)，將導(dǎo)帶分為量子態(tài)275，以及 將價(jià)帶分為量子態(tài)265。
在圖2A和2B中，點(diǎn)的導(dǎo)帶中的最低量子態(tài)(Ee，》提供中能帶 280。具有能量力力的第一光子的吸收使電子能量增加EL，將電子從價(jià) 帶激發(fā)到該量子點(diǎn)的導(dǎo)帶電子基態(tài)Ee;1。具有能量/z力的第二光子的吸 收使電子能量增加EH，將電子從該量子點(diǎn)的基態(tài)Ee，,激發(fā)到塊狀半導(dǎo) 體120的導(dǎo)帶邊緣，因此，電子對(duì)光電流無(wú)貢獻(xiàn)。具有能量/n^的第三 光子的吸收使電子能量增加Ec，將電子從價(jià)帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶中(這 也可能發(fā)生在塊狀基質(zhì)材料120本身中)，因此電子對(duì)光電流無(wú)貢獻(xiàn)。
在圖3A和3B中，價(jià)帶中的最高量子態(tài)(Eh,)提供中能帶280。 具有能量A巧的第一光子的吸收使具有能量Eh,,的電子能量增加EH，將 電子從帶隙的價(jià)帶側(cè)激發(fā)到導(dǎo)帶中，由此產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。概念上， 這些可以被認(rèn)為通過(guò)EH激發(fā)導(dǎo)帶中的空穴，由此將空穴移動(dòng)到Eh，,量 子態(tài)中。具有能量/n^的第二光子的吸收使空穴的勢(shì)能增加EL，將電 子從該量子點(diǎn)的基態(tài)Eh>1激發(fā)到塊狀半導(dǎo)體120的價(jià)帶邊緣，因此空穴 對(duì)光電流無(wú)貢獻(xiàn)。
圖4示出了利用具有圖2A和2B表示的分布圖的點(diǎn)陣列的中能帶 器件的能帶圖。相鄰量子點(diǎn)之間的Ee，,能態(tài)的重疊波函數(shù)的集合 (aggregate)在塊狀基質(zhì)半導(dǎo)體120的導(dǎo)帶邊緣(Ec)和價(jià)帶邊緣(Ev)
之間提供中能帶280。在相同的器件中，如果省略量子點(diǎn)，那么能量
/n^的光子的吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由此產(chǎn)生光電流。中能帶280允許 兩個(gè)子帶隙光子A力和/n^的吸收，導(dǎo)致附加光電流的產(chǎn)生。在圖4中， 設(shè)置過(guò)渡層115和150以產(chǎn)生整流。
具有相同基本結(jié)構(gòu)的類(lèi)似中能帶設(shè)置可以使用有機(jī)半導(dǎo)體來(lái)制 造，以及使用有機(jī)半導(dǎo)體的混合物，作為塊狀基質(zhì)材料，和使用無(wú)機(jī) 半導(dǎo)體，作為量子點(diǎn)。如果使用有機(jī)塊狀基質(zhì)材料120，那么過(guò)渡層 (115， 150)可以包括有機(jī)施主層和有機(jī)受主層。如果使用具有有機(jī) 塊狀基質(zhì)材料的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)，那么Ee，,或Ew能態(tài)可以提供中能帶。如 果使用具有有機(jī)塊狀基質(zhì)材料的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)，那么該點(diǎn)的LUMO或
HOMO可以提供中能帶。
圖5示出了包括陣列球形量子點(diǎn)的器件的截面圖。實(shí)際上，該點(diǎn) 的實(shí)際形狀取決于制造技術(shù)的選擇。例如，可以在膠狀溶液中，如巳 知的"溶膠-凝膠"工藝，形成無(wú)機(jī)量子點(diǎn)，作為半導(dǎo)體納米微晶。即 使實(shí)際的點(diǎn)不是真正的球面，球面可以提供精確模型。
關(guān)于無(wú)機(jī)中能帶量子點(diǎn)器件及制造的附加背景，參見(jiàn)A.Marti等人 的"Design constraints of quantum-dot intermediate band solar cell," Physica E 14， 150-157 (2002); A. L，e等人的"Progress towards the practical implementation of the intermediate band solar cell," Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1190-1193 (2002) ; A. Marti等人的"Partial Filling of a Quantum Dot Intermediate Band for Solar Cells," IEEE Transactions on Electron Devices, 48, 2394-2399 (2001); Y.Ebiko等人的"Island Size Scaling in InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots," Physical Review Letters 80， 2650-2653(1998);以及Petroff等人的U.S. Patent 6，583，436B2( June 24 2003);在此引入每個(gè)文獻(xiàn)作為參考，用于描述技術(shù)現(xiàn)狀。
盡管形成改進(jìn)器件性能的中能帶，但是該結(jié)果未能解決光電流的 預(yù)期理論改進(jìn)。已確定的一個(gè)問(wèn)題是通過(guò)自由載流子的量子點(diǎn)俘獲， 該自由載流子的量子點(diǎn)將另外有助于光電流。圖6示出了當(dāng)電荷載流
子衰退到激發(fā)態(tài)Ee,2 (601)或基態(tài)Ee，、 (602， 603)時(shí)，自由電子被量 子點(diǎn)130俘獲。該去激發(fā)處理減小光電流，因?yàn)槟芰勘晃盏阶鳛槁?子的晶格中。類(lèi)似地，空穴也發(fā)生載流子去激發(fā)和俘獲。由此，為了 提高中能帶太陽(yáng)能電池的性能，需要減小由于電荷俘獲引起的載流子 去激發(fā)。
用于減小去激發(fā)俘獲的解決辦法是用薄的勢(shì)壘殼包封每個(gè)量子 點(diǎn)，以要求載流子執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而進(jìn)入該點(diǎn)。在經(jīng)典力學(xué)中， 當(dāng)電子撞擊高電位的勢(shì)壘時(shí)，它完全由電位"壁"約束。在量子力學(xué) 中，該電子可以由其波函數(shù)表示。該波函數(shù)不會(huì)在有限電位高度的壁 處突然終止，它可以穿透該勢(shì)壘。這些相同的原理也應(yīng)用于空穴。電
子或空穴隧穿通過(guò)有限高度的勢(shì)壘的概率r,不是零，該概率r,可以通
過(guò)求解Schr6dinger公式來(lái)確定。根據(jù)r,，在勢(shì)壘的另一側(cè)上簡(jiǎn)單地再 現(xiàn)電子或空穴撞擊勢(shì)壘。關(guān)于量子機(jī)械隧穿現(xiàn)象和Schr6dinger公式的 附加背景論述，參見(jiàn)下面圖19-22的論述，以及Robert F.Pierret， "Modular Series On Solid State Devices Volume VI, Advanced Semiconductor Fundamentals," CAop/er 2, ^Ve,"Zs o/ Qw朋/證 Mec/mm' , 25-51, Addison-Wesley Publishing (1989);以及Kwok K.Ng， "Complete Guideto Semiconductor Devices," 2d ed.， j/^ew^x 5& r畫(huà)e〃"g, 625-627，Wiley-Interscience (2002)。在此弓l入Pierret禾口 Ng 的這些章節(jié)作為它們的背景說(shuō)明的參考。
圖7是量子點(diǎn)陣列的概括截面圖，將每個(gè)量子點(diǎn)改進(jìn)為包括隧穿 勢(shì)壘140。量子點(diǎn)130和在量子點(diǎn)130周?chē)乃泶﹦?shì)壘140可以是在本 質(zhì)上和分子上互相不同，或可以被集成為單個(gè)樹(shù)枝狀聚合物分子的核 心部分和外殼。
圖8A和8B是表示有機(jī)基質(zhì)材料中120的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)130的能帶 圖。量子點(diǎn)130已經(jīng)被改進(jìn)為包括用于電子的隧穿勢(shì)壘140。對(duì)于有機(jī) 基質(zhì)中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)，可以從無(wú)機(jī)或有機(jī)材料構(gòu)造隧穿勢(shì)壘。帶隙上 面的第一量子態(tài)提供中能帶280。 一些自由電子將被隧穿勢(shì)壘排斥 (801)。這種電子仍然可以有助于光電流。 一些自由電子將通過(guò)隧穿 勢(shì)壘(802)隧穿到該點(diǎn)中，然后從該點(diǎn)出去。
如果理論上考慮勢(shì)壘140，從勢(shì)壘的兩側(cè)中的任何 一側(cè)，自由電子將隧穿通過(guò)它的概率是相同的。例如，如果勢(shì)壘 存在0.5的隧穿概率(7p ，那么撞擊勢(shì)壘的電子(具有能量E)有50% 的機(jī)會(huì)將隧穿。但是，由于空間的限制，具有LUMObu,k或更高能量的 電子不斷地碰撞該勢(shì)壘，因此量子點(diǎn)本身內(nèi)的小區(qū)域限制導(dǎo)致在致使 電子下降到較低能態(tài)的放松和/或去激發(fā)之前，個(gè)別電子將更可能逸出。
通過(guò)具有能量A"的光子，該點(diǎn)內(nèi)的帶隙下面的電子被激發(fā)為提供 中能帶的第一量子態(tài)(例如，Ee，,)。由該中能帶，具有能量A力的光 子將電子激發(fā)到它將通過(guò)(803)隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材料120 的LUMObulk能級(jí)的能量。此外，具有能量A"的光子可以激發(fā)勢(shì)壘140 上面(804)的電子。勢(shì)壘上面被激發(fā)的電子具有AE,的過(guò)剩能量。該 過(guò)剩能量AE,隨勢(shì)壘上面被激發(fā)的電子衰退到LUMObulk能級(jí)而迅速地 損失。與沒(méi)有隧穿勢(shì)壘140的情況下俘獲的能量損失相比，該過(guò)剩能 量的損失是較次要的，通常，發(fā)生在電子可能被相鄰點(diǎn)俘獲之前(即， 進(jìn)入隧穿勢(shì)壘140上面的而不是穿過(guò)隧穿勢(shì)壘140的相鄰量子點(diǎn))。
能量/n^的光子可以將電子從HOMObuIk能級(jí)直接激發(fā)到它通過(guò) (805)隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材料120的LUMObu,k能級(jí)的能 級(jí)。此外，具有能量力vj的光子可以從勢(shì)壘140上面(806)的HOMObu,k 能級(jí)直接激發(fā)電子。
為了進(jìn)一步最小化經(jīng)過(guò)該點(diǎn)(802)和從該點(diǎn)出去的自由電子將受
到去激發(fā)的概率，優(yōu)選第二量子態(tài)(例如，Ee,2)基本上等于塊狀材料
的LUMOb^能級(jí)。特別地，第二量子態(tài)優(yōu)選在LUMOb^能級(jí)的士5fcr
范圍內(nèi)，(A是波耳茲曼常數(shù)和r是工作溫度)，由此在第二量子態(tài)和
LUMObulk能級(jí)之間產(chǎn)生重疊。自由電子，如果在對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)內(nèi)的禁帶 能級(jí)的能量下，進(jìn)入該點(diǎn)，那么由于去激發(fā)，在統(tǒng)計(jì)上更可能被俘獲，
通過(guò)在LUMObulk能級(jí)的i^r內(nèi)的量子點(diǎn)中定位第二量子態(tài)，俘獲的概 率減小。
用于有機(jī)光敏器件的工作溫度通常被規(guī)定為r=-40°c至+ioo。c的 溫度范圍。因此，使用+ioo。c作為最大極限并求出對(duì)于士5^r (即，
5xl.3806505E-23 (J/K) /1.602E-19 (J/eV) x (n>273.15) °K)，第 二量子態(tài)應(yīng)該在塊狀基質(zhì)材料120的帶隙邊緣的士0.16eV的范圍內(nèi)。
圖9是使用來(lái)自圖8A和8B的量子點(diǎn)的器件的能帶圖。設(shè)置過(guò)渡 層115 (施主)和過(guò)渡層150 (受主)以產(chǎn)生整流，由此控制電流流動(dòng) 方向，并提供用于電子-空穴分離的界面。過(guò)渡層115， 150優(yōu)選是光導(dǎo) 體，有助于通過(guò)該器件產(chǎn)生的光電流。根據(jù)量子點(diǎn)和過(guò)渡層115之間 的相對(duì)接近度和電子逸出勢(shì)壘140上面(804或806)的點(diǎn)至衰退為 LUM0bdk能級(jí)需要花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，逸出勢(shì)壘140上面的 點(diǎn)的電子可能具有足夠的能量，以產(chǎn)生流入過(guò)渡層115的反向電流。 因此，根據(jù)接近度和衰變時(shí)間，應(yīng)該對(duì)AE3給予考慮，AE3是過(guò)渡層 115的LUMO和隧穿勢(shì)壘140的峰值之間的差值。為了在與過(guò)渡層115 的界面處保持整流，過(guò)渡層115的LUMO優(yōu)選大于隧穿勢(shì)壘的峰值。 如果隧穿勢(shì)壘140是有機(jī)的，那么該峰值是LUOb^e,峰值。如果隧穿 勢(shì)壘140是無(wú)機(jī)的，那么該峰值是導(dǎo)帶邊緣(Ec,ba ie,)峰值。
圖IOA和IOB是表示有機(jī)基質(zhì)材料120中的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)130的能 帶圖。已經(jīng)將量子點(diǎn)130改進(jìn)為包括用于空穴的隧穿勢(shì)壘140。對(duì)于有 機(jī)基質(zhì)中的無(wú)機(jī)點(diǎn)，可以從無(wú)機(jī)或有機(jī)材料構(gòu)造該隧穿勢(shì)壘。帶隙下 面的第一量子態(tài)提供中能帶280。 一些空穴將被隧穿勢(shì)壘排斥(1001)。
這種空穴仍然可以有助于光電流。
一些空穴將通過(guò)隧穿勢(shì)壘(1002) 隧穿到該點(diǎn)中，然后從該點(diǎn)出去。
如同上面用圖8A和8B論述的電子示例一樣，由于空間限制，具 有HOMObu,k或更低能量的空穴不斷地撞擊在勢(shì)壘上，因此量子點(diǎn)本身 內(nèi)的限制小區(qū)域?qū)е略诜潘珊?或去激發(fā)之前個(gè)別空穴將更可能逸出， 致使空穴"下降"到較高能態(tài)。
在該點(diǎn)內(nèi)，通過(guò)具有能量&7的光子，帶隙上面的空穴被激發(fā)為第 一量子態(tài)(例如，Eh，》，提供中能帶。如同上面用圖3A和3B論述的 原理一樣，LUMO中的空穴的激發(fā)概念上可與中能帶中的電子-空穴對(duì) 產(chǎn)生，以及電子被激發(fā)到LUMO中和空穴被留在中能帶中互換。
由該中能帶，具有能量/n^的光子可以激發(fā)空穴至它將通過(guò)(1003) 隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊基質(zhì)材料120的HOMObu,k能級(jí)的能量。此外， 具有能量/n^的光子可以激發(fā)勢(shì)壘140 (1004))上面的空穴(由于空 穴上升，使用"上面")。勢(shì)壘上面被激發(fā)的空穴具有AE2的過(guò)剩能 量。該過(guò)剩能量AE2隨勢(shì)壘上被激發(fā)的空穴衰退至HOMObuUc能級(jí)而迅 速地?fù)p失。與沒(méi)有隧穿勢(shì)壘140的情況下俘獲的能量損失相比，該過(guò) 剩能量的損失是較次要的，通常，發(fā)生在空穴可能被相鄰點(diǎn)俘獲之前 (即，進(jìn)入隧穿勢(shì)壘140上面的而不是穿過(guò)隧穿勢(shì)壘140的相鄰點(diǎn))。
能量&4的光子可以從HOMObulk能級(jí)直接激發(fā)電子到它穿過(guò) (1005)隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材料120的LUMObulk能級(jí)的能 級(jí)。此外，具有能量Av5的光子可以從勢(shì)壘140上面(1006)的LUMObulk 能級(jí)直接激發(fā)空穴。
為了進(jìn)一步最小化經(jīng)過(guò)該點(diǎn)(1002)和從該點(diǎn)出去的空穴將受到 去激發(fā)的概率，優(yōu)選該量子點(diǎn)的價(jià)帶的第二量子態(tài)(例如，Eh,2)基本 上等于塊狀材料的HOMOb^能級(jí)。具體地，第二量子態(tài)應(yīng)該在塊狀材
料的HOMObu,k能級(jí)的士5/::r的范圍內(nèi)，由此在第二量子態(tài)和HOMObulk 能級(jí)之間產(chǎn)生重疊?？昭?，如果進(jìn)入對(duì)應(yīng)于該量子點(diǎn)內(nèi)的禁帶能級(jí)的 能量的點(diǎn)，那么由于去激發(fā)，在統(tǒng)計(jì)上更可能被俘獲；通過(guò)在LUMObu,k 能級(jí)的i5&r范圍內(nèi)的量子點(diǎn)中定位第二量子態(tài)，俘獲的概率減小。
圖11是使用來(lái)自圖IOA和10B的量子點(diǎn)的器件的能帶圖。再次 設(shè)置過(guò)渡層115 (施主)和過(guò)渡層150 (受主)以產(chǎn)生整流，由此控制 電流流動(dòng)方向，并提供用于電子-空穴分離的界面。過(guò)渡層115， 150 優(yōu)選是光電導(dǎo)，有助于通過(guò)該器件產(chǎn)生的光電流。根據(jù)該量子點(diǎn)和過(guò) 渡層150之間的相對(duì)接近度和空穴逸出勢(shì)壘140 (1004或1006)上面 的點(diǎn)以衰退至HOMObu,k能級(jí)所需要花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，逸出 勢(shì)壘140上面的點(diǎn)的空穴可以具有足夠的能量，以產(chǎn)生流入過(guò)渡層150 的反向電流。因此，根據(jù)接近度和衰變時(shí)間，應(yīng)該對(duì)AE4給予考慮，AE4 是過(guò)渡層150的HOMO和隧穿勢(shì)壘140的峰值之間的差值。為了在與 過(guò)渡層150的界面處保持整流，過(guò)渡層150的HOMO邊緣優(yōu)選低于隧 穿勢(shì)壘的峰值。如果隧穿勢(shì)壘140是有機(jī)的，那么該峰值是HOMObarrier
峰值。如果隧穿勢(shì)壘140是無(wú)機(jī)的，那么該峰值是價(jià)帶邊緣(Evader) 峰值。
在此使用的隧穿電子的勢(shì)壘"峰值"是勢(shì)壘的最高能量邊緣(即， 最高電位)，而"基部"與在勢(shì)壘的界面處的塊狀基質(zhì)材料中的能級(jí) 同量。隧穿空穴的勢(shì)壘"峰值"是勢(shì)壘的最低能量邊緣(即，相對(duì)于 能帶圖的最小電位)，而"基部"與在勢(shì)壘的界面處的塊狀基質(zhì)材料
中的HOMObulk能級(jí)同量。
有機(jī)分子上的載流子緊密地束縛到分子軌道，缺乏塊狀無(wú)機(jī)材料 的電荷-云連續(xù)特性。有機(jī)分子可以具有附加的高階離散量化級(jí)如 LUMO+l、 LUMO+2、 HOMO-l、 HOMO-2等。除非逸出勢(shì)壘140上面 的量子點(diǎn)130(即，804， 806， 1004， 1006)的載流子處于靠近有機(jī)塊 狀基質(zhì)120的高階軌道(例如，HOMO-1 、HOMO-2、LUMO+1 、LUMO+2 )
的能量，否則載流子將朝著帶隙的方向躍遷到允許的能態(tài)。優(yōu)選，為 了最小化勢(shì)壘上的電荷載流子俘獲，選擇勢(shì)壘140和塊狀基質(zhì)120材
料，以避免在勢(shì)壘峰值的土5^r范圍內(nèi)定位的塊狀基質(zhì)中具有高階軌道。
在圖8A和8B說(shuō)明和呈現(xiàn)的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的特性是，無(wú)機(jī)量子點(diǎn)，
Ee，i量子態(tài)可以對(duì)應(yīng)于或可以不對(duì)應(yīng)于量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶邊緣(帶隙的
頂部)。該點(diǎn)材料的帶隙通常圖示為似乎它是塊狀材料，即使在量子 點(diǎn)內(nèi)設(shè)置的材料邊緣不是"允許的"量子態(tài)。無(wú)機(jī)量子點(diǎn)內(nèi)允許的量 子態(tài)的位置取決于波函數(shù)。作為巳知技術(shù)，可以設(shè)置波函數(shù)/量子態(tài)的 位置。如圖8A和8B的所示，這可能導(dǎo)致Ee，,量子態(tài)被定位遠(yuǎn)離帶隙 邊緣。換句話說(shuō)，無(wú)機(jī)量子點(diǎn)中的帶隙邊緣不必是允許的量子態(tài)。這 些特性也應(yīng)用于無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的價(jià)帶側(cè)(即，圖IOA和10B中的Eh，。。 這不同于其中限定帶隙的HOMO和LUMO—直是允許態(tài)的有機(jī)量子點(diǎn) 的性能。
如果無(wú)機(jī)量子點(diǎn)通常在膠狀溶液形成為納米微晶，那么此后使用， 例如，相同膠質(zhì)方法、化學(xué)氣相淀積(CVD)、勢(shì)壘材料的蒸發(fā)或?qū)?納米微晶浸漬到溶液或氧化劑中，可以添加無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或無(wú)機(jī)絕緣體 作為隧穿勢(shì)壘140。如果采用有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)絕緣體作為隧穿勢(shì)壘 140，那么可以通過(guò)例如，有機(jī)氣相淀積(OVPD)或通過(guò)將該量子點(diǎn) 浸漬到溶液中，添加有機(jī)勢(shì)壘。
可以一層接一層地淀積勢(shì)壘覆蓋的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)和有機(jī)塊狀基質(zhì)材 料的陣列，在每個(gè)層中淀積該點(diǎn)作為一列線。該勢(shì)壘覆蓋的無(wú)機(jī)量子 點(diǎn)也可以與有機(jī)塊狀基質(zhì)材料一起在真空中共淀積，點(diǎn)和塊狀基質(zhì)材 料的組合形成膠態(tài)分散體(懸浮液)。該有機(jī)塊狀基質(zhì)材料用作分散 介質(zhì)。通過(guò)應(yīng)用克勒尼希-彭尼(Kronig-penney)模型，可以選擇塊狀 基質(zhì)材料內(nèi)的點(diǎn)的合適濃度。
圖12A、 12B、 13A和13B是包括有機(jī)隧穿勢(shì)壘的有機(jī)基質(zhì)材料中
的有機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖。能量過(guò)渡、隧穿操作和設(shè)計(jì)考慮包括
上面分別用圖8和圖10論述的那些。參考圖12A和12B，通過(guò)LUM0QD 提供第一量子態(tài)(即，作為中能帶280)，通過(guò)LUMO+nQD (&1)提 供第二量子態(tài)。參考圖13A和13B，通過(guò)HOMOQD提供第一量子態(tài)(即， 作為中能帶280)，以及通過(guò)HOMO-riQD (n21)提供第二量子態(tài)。
具有有機(jī)量子點(diǎn)的器件與具有無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的器件的區(qū)別特點(diǎn)是限 定帶隙邊緣的LUMO和HOMO狀態(tài)一直是允許的能態(tài)，相反，對(duì)于無(wú)
機(jī)量子點(diǎn)，Ee，,和Eh，i量子態(tài)可以對(duì)應(yīng)于或可以不對(duì)應(yīng)于帶隙邊緣。
盡管可以使用利用隧穿勢(shì)壘覆蓋的任意光導(dǎo)有機(jī)材料(例如，聚 合物，如短-鏈型聚合物)，但是每個(gè)有機(jī)量子點(diǎn)130優(yōu)選由小分子或 樹(shù)枝狀聚合物分子光導(dǎo)材料制成。每個(gè)有機(jī)量子點(diǎn)可以是一個(gè)或多個(gè) 分子，優(yōu)選具有約為相關(guān)電荷載流子(空穴或電子)的德布羅意波長(zhǎng) 的橫截面尺寸，典型地約為數(shù)百?；蚋?。如同無(wú)機(jī)點(diǎn)一樣，優(yōu)選地 將該點(diǎn)設(shè)置為點(diǎn)之間的波函數(shù)重疊，以形成微帶。
通過(guò)例如，有機(jī)氣相淀積(OVPD)或通過(guò)將該量子點(diǎn)浸漬到溶液 中，可以將有機(jī)隧穿勢(shì)壘140添加到有機(jī)量子點(diǎn)130。隧穿勢(shì)壘140也 可以形成為樹(shù)枝狀聚合物的外殼，用作量子點(diǎn)130的樹(shù)枝狀聚合物的 核心部分。
可以一層接一層地淀積勢(shì)壘覆蓋的無(wú)機(jī)點(diǎn)和有機(jī)塊狀基質(zhì)材料的 陣列，在每個(gè)層中淀積該點(diǎn)作為一列線。勢(shì)壘覆蓋的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)也可 以與有機(jī)塊狀基質(zhì)材料一起在真空中共淀積，點(diǎn)和塊狀基質(zhì)材料的組 合形成膠態(tài)分散體(懸浮液)。塊狀基質(zhì)材料用作分散介質(zhì)。通過(guò)應(yīng) 用克勒尼希-彭尼模型，可以選擇塊狀基質(zhì)材料內(nèi)的點(diǎn)的合適濃度。
圖14是使用來(lái)自圖12A和12B的量子點(diǎn)的器件的能帶圖。圖15 是使用來(lái)自圖13A和13B的量子點(diǎn)的器件的能帶圖。設(shè)計(jì)考慮包括上
面分別用圖9和圖11論述的那些。
圖16-18示出了在有機(jī)基質(zhì)中具有隧穿勢(shì)壘140的量子點(diǎn)的截面 設(shè)置的附加示例。與另一示例一樣，該量子點(diǎn)可以是有機(jī)的或無(wú)機(jī)的。
圖16示出了其中將塊狀基質(zhì)120設(shè)置為施主層的施主-受主異質(zhì) 結(jié)。圖17示出了其中將塊狀基質(zhì)120設(shè)置為受主層的施主-受主異質(zhì)結(jié)。
圖18示出了通過(guò)兩個(gè)不同的塊狀基質(zhì)形成的施主-受主異質(zhì)結(jié)。 將第一塊狀基質(zhì)120設(shè)置為施主，將第二塊狀基質(zhì)120'設(shè)置為受主。兩 種塊狀基質(zhì)中的量子點(diǎn)130，130'可以由相同的材料或不同的材料制成。 同樣，可以將一組點(diǎn)勢(shì)壘140、 140'設(shè)置為用于空穴隧穿，以及可以將 另一組點(diǎn)勢(shì)壘設(shè)置為用于電子隧穿，或可以將施主-受主界面的兩側(cè)上 的點(diǎn)和點(diǎn)勢(shì)壘設(shè)置為用于相同類(lèi)型的隧穿。施主-受主界面的每一側(cè)上 的中能帶280的能級(jí)可以不同，經(jīng)由點(diǎn)，橫穿各個(gè)塊狀基質(zhì)的帶隙(即， 穿過(guò)中能帶)，運(yùn)送電荷載流子需要的入射光子能量也可以不同。
如上所述，對(duì)于任意有機(jī)量子點(diǎn)130，可以構(gòu)成該點(diǎn)的有機(jī)半導(dǎo)體 材料的示例包括光導(dǎo)小分子、光導(dǎo)樹(shù)枝狀聚合物分子以及光導(dǎo)聚合物 分子。
對(duì)于任意無(wú)機(jī)量子點(diǎn)130，可以構(gòu)成該點(diǎn)的無(wú)機(jī)光導(dǎo)半導(dǎo)體材料的 示例包括III-V化合物半導(dǎo)體，如AlAs、 AlSb、 A1P、 A1N、 GaAs、 GaSb、 GaP、 GaN、 InAs、 InSb、 InP以及InN; II-VI化合物半導(dǎo)體，如CdS、 CdSe、 CdTe、 ZnO、 ZnS、 ZnSe以及ZnTe;其它的化合物半導(dǎo)體如PbS、 PbSe、 PbTe以及SiC;以及這些化合物半導(dǎo)體的三元和四元合金。
對(duì)于任意無(wú)機(jī)隧穿勢(shì)壘140，可以形成勢(shì)壘的材料示例包括上述的 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料以及絕緣體如氧化物、氮化物或氮氧化物。怎樣選擇 具有適當(dāng)?shù)南鄬?duì)能量的材料是眾所周知的技術(shù)，并不在這里解決。
對(duì)于有機(jī)或無(wú)機(jī)量子點(diǎn)使用的任意有機(jī)隧穿勢(shì)壘140,可以形成勢(shì) 壘的材料示例包括聚合物、硫醇、樹(shù)枝狀聚合物、烷鏈以及有機(jī)氧化 物。
如果將樹(shù)枝狀聚合物用作量子點(diǎn)，那么量子點(diǎn)130和勢(shì)壘層140 都可以結(jié)合(integrate)為一個(gè)樹(shù)枝狀聚合物分子。具體地，將樹(shù)枝狀 聚合物的核心部分用作量子點(diǎn)130，以及樹(shù)枝狀聚合物的外殼用作勢(shì)壘 層140。在可選的情況下，樹(shù)枝狀聚合物分子的整體可用作量子點(diǎn)130， 具有作為勢(shì)壘層140的分開(kāi)敷層(即，聚合物、硫醇、烷鏈、有機(jī)氧 化物或不同的樹(shù)枝狀聚合物的敷層)。
對(duì)于任意有機(jī)塊狀基質(zhì)材料120，可以形成有機(jī)基質(zhì)的材料的示例 包括聚合物和小分子光導(dǎo)材料。
圖19-22進(jìn)一步表示量子機(jī)械隧穿的原理。下面的說(shuō)明和公式基 于"Complete Guide to Semiconductor Devices," 2d ed.， by Kwok K. Ng， y4/ pewcfe: 5& rw"we〃wg， <5Z5-<12 7, Wiley-Interscience (2002)。該i兌明禾口 公式已經(jīng)改進(jìn)，其中，除電子之外包含空穴。此外，盡管量子點(diǎn)材料 和勢(shì)壘材料中的載流子的有效質(zhì)量通常不顯著地改變，但將是該公式 修改為使用為變化而調(diào)整的折合有效質(zhì)量。
通常，不考慮是否使用有機(jī)和/或無(wú)機(jī)材料來(lái)建立光敏器件，如果 載流子相對(duì)于勢(shì)壘高度的能級(jí)￡是巳知的，那么決定載流子的隧穿概 率r,需要三個(gè)參數(shù)隧穿勢(shì)壘的峰值和載流子的能量之間差值的絕對(duì) 值(A)、載流子的能級(jí)處的勢(shì)壘厚度Cdx)以及勢(shì)壘的電位分布t/(;c)。 勢(shì)壘的電位分布U(;c)有時(shí)被稱為勢(shì)壘的"形狀"。在圖19中示出了通 過(guò)矩形勢(shì)壘電子隧穿的示例。
作為已知技術(shù)，為了計(jì)算電子的隧穿概率r,，必須由Schr6dinger
公式?jīng)Q定波函數(shù)0:
么與[五一t/(參0
^是載流子(在此情況下，電子)的折合有效質(zhì):
朗克常數(shù)，以及q是電子電荷。
<formula>formula see original document page 29</formula>(1)
:，A是約化普
電荷載流子的折合有效質(zhì)量是
<formula>formula see original document page 29</formula>(2)
其中，w^是量子點(diǎn)中的電荷載流子的有效質(zhì)量，以及^。^是勢(shì) 壘材料中的電荷載流子的有效質(zhì)量。
由于勢(shì)壘的電位分布t/(;c)沒(méi)有迅速地改變，使用
Wentzel-Kramers-Brillouin近似法，可以簡(jiǎn)化公式(1)，以及綜合確定
波函數(shù) . _ 、
甲")
=exp
由于電子的存在概率與波函數(shù)量
隧穿概率
<formula>formula see original document page 29</formula>(3)
值的平方成比例，通過(guò)下式給出<formula>formula see original document page 29</formula>
(4)
對(duì)于圖19所示的矩形勢(shì)壘的情況，由卞面的公式給出隧穿概率的
求解公式(4):
<formula>formula see original document page 29</formula>(5)
通過(guò)采用^的絕對(duì)值，公式(5)也應(yīng)用于空穴隧穿，如圖20所 示(除圖19中所示的電子隧穿之外)，然后重新設(shè)置該公式，以求出
載流子的能級(jí)處勢(shì)壘的厚度"x)，給出
<formula>formula see original document page 29</formula>(6)
其中，^'是電荷載流子(電子或空穴)的折合有效質(zhì)量。
從觀察點(diǎn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選基于隧穿勢(shì)壘的基部處的能級(jí)，選擇勢(shì)壘的 厚度Jx。在有機(jī)塊狀基質(zhì)120中，HOMO和LUMO能級(jí)的量子化特性
使之近似確定到達(dá)勢(shì)壘140的電子將具有基部的能級(jí)。(如果有存在
插入的可以延遲去激發(fā)到基級(jí)的HOMO-l或LUMO+l， 一種例外可能 是在勢(shì)壘上面的載流子；但是即使發(fā)生這些，具有基本能量的載流子
將仍然占主導(dǎo))。
如果電荷載流子的能量f等于隧穿勢(shì)壘基部的能級(jí)，那么IAI等于 勢(shì)壘高度的絕對(duì)值，是隧穿勢(shì)壘的峰值和基部處的能級(jí)之間的差值。
這些能級(jí)是用于塊狀基質(zhì)材料120和勢(shì)壘材料140的材料的物理特性。 例如，在圖19中，勢(shì)壘高度等于勢(shì)壘材料的LUMO (有機(jī))或?qū)н?緣Ec (無(wú)機(jī))減去塊狀基質(zhì)材料的LUMO;在圖20中，勢(shì)壘高度等于 勢(shì)壘材料的HOMO (有機(jī))或價(jià)帶邊緣Ev (無(wú)機(jī))減去塊狀基質(zhì)材料 的HOMO。勢(shì)壘材料m二^中和量子點(diǎn)材料m"中的電荷載流子的有效 質(zhì)量也是各種材料的物理特性。此外，隧穿勢(shì)壘基部的厚度Jx等于隧 穿勢(shì)壘層140的物理厚度。
例如，如果電子隧穿通過(guò)無(wú)機(jī)勢(shì)壘和近似￡為勢(shì)壘基部的能級(jí)， 那么公式(6)可以表示為<formula>formula see original document page 30</formula>
2^2附》五c加^ —丄t/MO滅 如果電子隧穿通過(guò)有機(jī)勢(shì)壘和近似五為
勢(shì)壘基部的能級(jí)，那么公式(6)可以表示為
<formula>formula see original document page 30</formula>
如果空穴隧穿通過(guò)無(wú)機(jī)勢(shì)壘和近似￡為勢(shì)壘基部的能級(jí)，那么公 式(6)可以表示為<formula>formula see original document page 30</formula>
如果空穴隧穿通過(guò)有機(jī)勢(shì)壘和近似￡為勢(shì)壘基部的能級(jí)，那么公 式(6)可以表示為<formula>formula see original document page 30</formula>
因此，如果該材料是巳知的，那么對(duì)于任意隧穿概率r,，可以確
定勢(shì)壘層140的優(yōu)選厚度zk。
在隧穿勢(shì)壘140的邊界不存在顯著的擴(kuò)散或其它材料混合，隧穿 勢(shì)壘的電勢(shì)分布t/(X)通?？梢越茷榫匦巍４送?，對(duì)于材料的任意組
合，根據(jù)公式(7)，勢(shì)壘層需要的厚度與隧穿概率的自然對(duì)數(shù)的負(fù)數(shù)
成正比-
(7)<formula>formula see original document page 31</formula>
對(duì)于任意函數(shù)t/(;c)，可以導(dǎo)出計(jì)算勢(shì)壘厚度的公式。不考慮隧穿 勢(shì)壘的電勢(shì)分布f/(;c)，公式(7)適用。例如，圖21示出了三角形勢(shì) 壘以及圖19示出了拋物線勢(shì)壘。
義
在圖21中，可以將電位描述為
利用公式(8)求解公式(4)，得出隧穿概率:
<formula>formula see original document page 31</formula>(8)
(9)
<formula>formula see original document page 31</formula>^
公式(9)通過(guò)對(duì)&取絕對(duì)值也應(yīng)用于空穴隧穿，然后重新設(shè)置 該公式，以求出載流子的能級(jí)處的勢(shì)壘厚度(Zlx):<formula>formula see original document page 31</formula>
(10)
在圖19中，可以將電位描述為<formula>formula see original document page 31</formula>(11)
利用公式(10)求解公式(4)，得出隧穿概率
(12)
<formula>formula see original document page 31</formula>
通過(guò)對(duì)^取絕對(duì)值，公式(12)也應(yīng)用于空穴隧穿，然后重新設(shè) 置該公式，以求出載流子的能級(jí)處勢(shì)壘的厚度:
<formula>formula see original document page 32</formula>(13)
因此，在不考慮隧穿勢(shì)壘的電勢(shì)分布圖t/(;c)的條件下，公式(7) 適用。
勢(shì)壘140的隧穿概率優(yōu)選在0.1和0.9之間。對(duì)于任意設(shè)計(jì)，通過(guò)
測(cè)量光電流輸出，可以試驗(yàn)性地確定更精確的概率r,，由此確定獲得
的效率。r,的更優(yōu)選的范圍在0.2和0.5之間。
對(duì)于任意給定的隧穿概率r,，在勢(shì)壘高度和勢(shì)壘厚度之間有撞擊
平衡?？雌饋?lái)，通過(guò)減小能量損失以去激發(fā)在勢(shì)壘上面的量子點(diǎn)跳出 的而不是隧穿的載流子，使得勢(shì)壘降低，將增加效率。但是，這引入
其它的低效率，由于對(duì)于相同的隧穿概率r,，勢(shì)壘層將需要變厚，減 小專(zhuān)用于產(chǎn)生光電流的器件的容量-百分率。即使該勢(shì)壘由光導(dǎo)電材料 構(gòu)成，它們未被預(yù)計(jì)將對(duì)光電流產(chǎn)生(由于它們的相對(duì)大的帶隙)有 顯著貢獻(xiàn)。最終結(jié)果是較厚的勢(shì)壘占據(jù)將另外由光導(dǎo)材料構(gòu)成的空間， 降低光電流產(chǎn)生和效率。由此，隧穿勢(shì)壘的優(yōu)選厚度極限在o.i至10 納米之間。在o.i至io納米的范圍內(nèi)，隧穿勢(shì)壘的厚度優(yōu)選不超過(guò)穿 過(guò)量子點(diǎn)中心的量子點(diǎn)的平均截面厚度的10%。
是否使用空穴或電子作為隧穿電荷載流子，通常優(yōu)選地，帶隙的
相對(duì)側(cè)的能級(jí)不產(chǎn)生用于相反載流子的陷阱。例如，參考圖8A、 8B、 12A和12B，勢(shì)壘層140的Ev,barrier (無(wú)機(jī))或HOMObarrier (有機(jī))優(yōu) 選在塊狀基質(zhì)120的H0M0bu,k的i5^r范圍內(nèi)。這一般±5 ^差值也優(yōu) 選在圖10A、 10B、 13A和13B中的量子點(diǎn)的相對(duì)側(cè)上的LUMObu,k和 Ec,barrier (無(wú)機(jī))或LUMObarrier (有機(jī)))之間?？梢赃x擇量子點(diǎn)材料 來(lái)最小化相反載流子的電位"陷阱"的深度。附加地，優(yōu)選地定位帶 隙的相對(duì)側(cè)的電位"陷阱"內(nèi)的能態(tài)以保持陷阱內(nèi)的最外量子態(tài)在相 鄰勢(shì)壘層140的能級(jí)的i5&r的范圍內(nèi)，稍微改進(jìn)經(jīng)過(guò)電子或空穴不被 去激發(fā)而恰好經(jīng)過(guò)的概率。
量子點(diǎn)內(nèi)的圖中所示的能級(jí)數(shù)目?jī)H僅是簡(jiǎn)單的示例。在隧穿側(cè)上， 盡管優(yōu)選至少兩個(gè)量子態(tài)(一個(gè)形成中能帶和一個(gè)被定位為重疊相鄰 塊狀基質(zhì)材料的能級(jí))，但是可以僅僅有提供中能帶的單個(gè)量子態(tài)。 同樣，盡管優(yōu)選通過(guò)最靠近帶隙的量子態(tài)形成中能帶，但是可以使用 更高級(jí)的能態(tài)。只要相鄰點(diǎn)之間的波函數(shù)重疊，至于量子態(tài)是否可以 用作中能帶的決定性因素，是通過(guò)EL和EH運(yùn)送載流子需要的兩個(gè)波長(zhǎng) 是否將被入射在該點(diǎn)上。
實(shí)際上，如果運(yùn)送載流子穿過(guò)該頻帶需要的兩個(gè)波長(zhǎng)永不入射在 量子點(diǎn)上，那么該頻帶不能用作中能帶。例如，如果運(yùn)送E!^或EH需要 的一個(gè)波長(zhǎng)被塊狀基質(zhì)材料、阻擋材料等所吸收，那么即使波長(zhǎng)入射 在光敏器件本身上，它將不會(huì)入射在量子點(diǎn)上。對(duì)于許多材料，相同 的問(wèn)題限制穿過(guò)兩個(gè)量子態(tài)(例如，從價(jià)帶運(yùn)送到Ee，,態(tài)，然后運(yùn)送到 Ee,2態(tài)，然后進(jìn)入導(dǎo)帶)帶間運(yùn)送的實(shí)用性。在任何情況下，隧穿勢(shì)壘
140和塊狀基質(zhì)材料120需要對(duì)具有能量El和Eh的光子基本上透明。 選擇材料中的平衡的另一考慮是，對(duì)直接橫穿塊狀基質(zhì)120和在點(diǎn)130
本身中的塊狀基質(zhì)帶隙Ec (不經(jīng)過(guò)中能帶)的遷移載流子的光電流的 效率和貢獻(xiàn)。
盡管優(yōu)選設(shè)置覆蓋的量子點(diǎn)以形成微帶，但是在波函數(shù)之間不產(chǎn) 生重疊的分布仍然可以提高器件的量子效率。此外，在器件內(nèi)可以使 用多個(gè)不同類(lèi)型的覆蓋量子點(diǎn)，以加寬對(duì)較寬范圍的能量的響應(yīng)性。 例如，第一類(lèi)型的量子點(diǎn)可以響應(yīng)于具有能量Eu和EH,的光子，第二
類(lèi)型的量子點(diǎn)可以響應(yīng)于具有能量EL2和EH2的光子，其中Eu、 EH1、
E^和Eh2都不同。
如上所述，本發(fā)明的有機(jī)光敏器件可以用來(lái)從入射電磁輻射(例 如，光生伏打器件)產(chǎn)生電能。該器件可以用來(lái)探測(cè)入射電磁輻射(例 如，光探測(cè)器或光導(dǎo)電池)。如果用作光導(dǎo)電池，那么可以省略過(guò)渡 層115和150。 在此示出和/或描述了本發(fā)明的具體例子。但是，應(yīng)當(dāng)理解在不脫 離本發(fā)明的精神和范圍條件下，上述啟示覆蓋對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)和改變， 且落在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光敏器件，包括多個(gè)量子點(diǎn)，每個(gè)量子點(diǎn)具有外殼；以及有機(jī)基質(zhì)，所述量子點(diǎn)嵌入在該有機(jī)基質(zhì)中，至少所述量子點(diǎn)和所述有機(jī)基質(zhì)是光導(dǎo)半導(dǎo)體，外殼，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)辉O(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求所述有機(jī)基質(zhì)的最低未占分子軌道(LUMO)中的電子執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)所述各個(gè)量子點(diǎn)，以及第一量子態(tài)，在所述有機(jī)基質(zhì)的LUMO和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)之間的每個(gè)量子點(diǎn)中的帶隙上面，所述多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子態(tài)的波函數(shù)重疊為中能帶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光敏器件，每個(gè)量子點(diǎn)還具有第二量子 態(tài)，其中，所述第二量子態(tài)在所述第一量子態(tài)上面，并在所述有機(jī)基 質(zhì)的LUMO的±0.16eV范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏器件，所述隧穿勢(shì)壘的高度是所述 隧穿勢(shì)壘的峰值和所述有機(jī)基質(zhì)的LUMO之間的能級(jí)差值的絕對(duì)值，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?所述外殼的厚度的組合對(duì)應(yīng)于電子將從所述有機(jī)基質(zhì)隧穿到各個(gè)量子 點(diǎn)中的在O.l和0.9之間的隧穿概率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所 述外殼的厚度在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光敏器件，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度 和電位分布以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿さ暮穸鹊慕M合對(duì)應(yīng)于電 子將從所述有機(jī)基質(zhì)隧穿到所述各個(gè)量子點(diǎn)中的在0.2和0.5之間的隧 穿概率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述外殼的厚度在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光敏器件，其中，所述有機(jī)基質(zhì)由光導(dǎo) 小分子半導(dǎo)體構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光敏器件，其中，所述有機(jī)基質(zhì)由光導(dǎo) 聚合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏器件，其中，每個(gè)量子點(diǎn)由無(wú)機(jī)半 導(dǎo)體構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光敏器件，其中，每個(gè)量子點(diǎn)都由選 自由III-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo)體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或無(wú)機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び蛇x自由ni-v化合物半導(dǎo)體、ii-vi化合物半導(dǎo)體、pbs、PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由選自由氧化物、氮化物和氮氧化物構(gòu)成的組的無(wú)機(jī)電絕 緣體構(gòu)成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由選自由聚合物、硫醇、樹(shù)枝狀聚合物、烷鏈和有機(jī)氧化 物構(gòu)成的組的有機(jī)材料構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光敏器件，還包括處于層疊關(guān)系的有機(jī)施主層和有機(jī)受主層，所述量子點(diǎn)嵌入在有機(jī)基質(zhì)中，所述有機(jī)基 質(zhì)被設(shè)置在施主層和受主層之間，其中，所述施主層的最低未占分子軌道(LUMO)高于由在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿ぬ峁┑乃鏊泶﹦?shì) 壘的峰值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光敏器件，其中 每個(gè)量子點(diǎn)由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び捎袡C(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的光敏器件，其中每個(gè)量子點(diǎn)由選自由光導(dǎo)小分子、光導(dǎo)樹(shù)枝狀聚合物分子和光導(dǎo)聚合物分子構(gòu)成的組的第一有機(jī)材料構(gòu)成；以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び蛇x自由聚合物、硫醇、樹(shù)枝狀聚 合物、烷鏈和有機(jī)氧化物構(gòu)成的組的第二有機(jī)材料構(gòu)成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的光敏器件，還包括處于層疊關(guān)系的有 機(jī)施主層和有機(jī)受主層，所述量子點(diǎn)嵌入在有機(jī)基質(zhì)中，所述有機(jī)基 質(zhì)被設(shè)置在施主層和受主層之間，其中，所述施主層的最低未占分子 軌道(LUMO)高于在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿ぬ峁┑乃鏊泶﹦?shì)壘 的峰值。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏器件，其中，所述多個(gè)量子點(diǎn)的 量子點(diǎn)和在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿け唤Y(jié)合為單個(gè)樹(shù)枝狀聚合物分 子。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿さ暮穸仍贠.l至IO納米的范圍內(nèi)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)， 所述外殼的厚度等于不超過(guò)穿過(guò)所述各個(gè)量子點(diǎn)中心的平均截面厚度 的10%。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏器件，其中，所述光敏器件是太 陽(yáng)能電池。
24. —種光敏器件，包括 多個(gè)量子點(diǎn)，每個(gè)量子點(diǎn)具有外殼；以及 有機(jī)基質(zhì)，所述量子點(diǎn)嵌入在該有機(jī)基質(zhì)中， 至少所述量子點(diǎn)和所述有機(jī)基質(zhì)是光導(dǎo)半導(dǎo)體，外殼，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?，被設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求在所述有 機(jī)基質(zhì)的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)中的空穴執(zhí)行量子機(jī)械隧穿， 從而到達(dá)所述各個(gè)量子點(diǎn)，以及第一量子態(tài)，在所述有機(jī)基質(zhì)的最低未占分子軌道(LUMO)和 HOMO之間的每個(gè)量子點(diǎn)中的帶隙下面，所述多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子 態(tài)的波函數(shù)重疊為中能帶。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，每個(gè)量子點(diǎn)還具有第二量 子態(tài)，其中，所述第二量子態(tài)在所述第一量子態(tài)下面，并在所述有機(jī) 基質(zhì)的HOMO的士0.16eV范圍內(nèi)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，所述隧穿勢(shì)壘的高度是所 述隧穿勢(shì)壘的峰值和所述有機(jī)基質(zhì)的HOMO之間的能級(jí)差值的絕對(duì) 值， 其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?所述外殼的厚度的組合對(duì)應(yīng)于空穴將從所述有機(jī)基質(zhì)隧穿到所述各個(gè) 量子點(diǎn)中的在0.1和0.9之間的隧穿概率。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)， 所述外殼的厚度在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光敏器件，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高 度和電位分布以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿さ暮穸鹊慕M合對(duì)應(yīng)于 空穴將從所述有機(jī)基質(zhì)隧穿到所述各個(gè)量子點(diǎn)中的在0.2和0.5之間的 隧穿概率。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)， 所述外殼的厚度在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，所述有機(jī)基質(zhì)由光 導(dǎo)小分子半導(dǎo)體構(gòu)成。
31. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，所述有機(jī)基質(zhì)由光 導(dǎo)聚合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
32. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，每個(gè)量子點(diǎn)由無(wú)機(jī) 半導(dǎo)體構(gòu)成。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光敏器件，其中，每個(gè)量子點(diǎn)由選自 由m-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo)體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC 及其三元和四元合金構(gòu)成的組的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或無(wú)機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び蛇x自由ni-v化合物半導(dǎo)體、n-vi化合物半導(dǎo)體、pbs、PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由選自由氧化物、氮化物和氮氧化物構(gòu)成的組的無(wú)機(jī)電絕 緣體構(gòu)成。
37. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的光敏器件，其中，在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)?的所述外殼由選自由聚合物、硫醇、樹(shù)枝狀聚合物、烷鏈和有機(jī)氧化 物構(gòu)成的組的有機(jī)材料構(gòu)成。
39. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光敏器件，還包括處于層疊關(guān)系的有 機(jī)施主層和有機(jī)受主層，所述量子點(diǎn)嵌入在有機(jī)基質(zhì)中，所述有機(jī)基 質(zhì)設(shè)置在施主層和受主層之間，其中，所述受主層的最高占據(jù)分子軌 道(HOMO)低于由在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿ぬ峁┑乃鏊泶﹦?shì) 壘的峰值。
40. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中 每個(gè)量子點(diǎn)由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，以及在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び捎袡C(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)電絕緣體構(gòu)成。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的光敏器件，其中 每個(gè)量子點(diǎn)由選自由光導(dǎo)小分子、光導(dǎo)樹(shù)枝狀聚合物分子和光導(dǎo)聚合物分子構(gòu)成的組的第一有機(jī)材料構(gòu)成；以及 在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿び蛇x自由聚合物、硫醇、樹(shù)枝狀聚 合物、烷鏈和有機(jī)氧化物構(gòu)成的組的第二有機(jī)材料構(gòu)成。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的光敏器件，還包括處于層疊關(guān)系的有 機(jī)施主層和有機(jī)受主層，所述量子點(diǎn)嵌入在有機(jī)基質(zhì)中，所述有機(jī)基 質(zhì)設(shè)置在施主層和受主層之間，其中，所述受主層的最高占據(jù)分子軌 道(HOMO)低于由在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿ぬ峁┑乃鏊泶﹦?shì) 壘的峰值。
43. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，所述多個(gè)量子點(diǎn)的 量子點(diǎn)和在所述量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿け唤Y(jié)合為單個(gè)樹(shù)枝狀聚合物分 子。
44. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)， 在每個(gè)量子點(diǎn)周?chē)乃鐾鈿さ暮穸仍?.1至IO納米的范圍內(nèi)。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的光敏器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)， 所述外殼的厚度等于不超過(guò)穿過(guò)所述各個(gè)量子點(diǎn)中心的平均截面厚度 的10%。
46. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏器件，其中，所述光敏器件是太 陽(yáng)能電池。
全文摘要
多個(gè)量子點(diǎn)，每個(gè)量子點(diǎn)具有外殼。將所述量子點(diǎn)嵌入在有機(jī)基質(zhì)中。至少所述量子點(diǎn)和所述有機(jī)基質(zhì)是光導(dǎo)半導(dǎo)體。將每個(gè)量子點(diǎn)的所述外殼設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求在所述有機(jī)基質(zhì)中的所述隧穿勢(shì)壘基部處的電荷載流子(電子或空穴)執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)所述各個(gè)量子點(diǎn)。每個(gè)量子點(diǎn)中的第一量子態(tài)在所述有機(jī)基質(zhì)的最低未占分子軌道(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)之間。所述多個(gè)量子點(diǎn)的所述第一量子態(tài)的波函數(shù)可以重疊以形成中能帶。
文檔編號(hào)H01L51/42GK101375425SQ200680052810
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者史蒂芬·R·福里斯特 申請(qǐng)人:普林斯頓大學(xué)理事會(huì)