有機(jī)光伏器件的雜化平面緩變異質(zhì)結(jié)的制作方法
【專利說明】有機(jī)光伏器件的雜化平面緩變異質(zhì)結(jié)
[0001] 相關(guān)申請的交互參考
[0002] 本申請要求2012年11月28日提交的美國臨時申請No. 61/730,687的權(quán)益,所述 申請?jiān)诖薟其全部內(nèi)容引為參考。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦資助研究的聲明
[0004] 根據(jù)美國能源部扣.S.D巧artmentofEnergy)授予的合約號DE-SC0000957和 DE-EE0005310和空軍科學(xué)研究局(AirForceOfficeofScientificResearch)授予的合 約FA9550-10-1-0339,本發(fā)明在美國政府支持下完成。政府在本發(fā)明中具有一定的權(quán)利。
[0005] 聯(lián)合研究協(xié)定
[0006] 本公開的主題W-個或多個W下團(tuán)體的名義和/或?qū)⒁粋€或多個W下團(tuán) 體借大學(xué)-企業(yè)聯(lián)合研究協(xié)議相結(jié)合來完成的;密歇根大學(xué)董事會(TheRegents oftheUniversityofMichigan)和全球光子能源公司(GlobalPhotonicElnergy corporation)。所述協(xié)議在本公開的主題籌備之日和之前生效,并作為在協(xié)議范圍內(nèi)從事 的活動的結(jié)果而完成。 發(fā)明領(lǐng)域
[0007] 本公開總體設(shè)及有機(jī)光敏光電子器件,特別是包含至少一個雜化平面緩變異質(zhì)結(jié) (gradedheterojunction)的有機(jī)光敏光電子器件。
[000引發(fā)明背景
[0009] 光電子器件依靠材料的光學(xué)和電子性質(zhì),通過電子產(chǎn)生或檢測電磁福射或者從環(huán) 境電磁福射生成電。
[0010] 光敏光電子器件將電磁福射轉(zhuǎn)變成電。太陽能電池,也稱為光伏(PV)器件,是專 口用于產(chǎn)生電力的光敏光電子器件類型??蓮奶柟釽外的光源產(chǎn)生電能的PV器件可用 于驅(qū)動耗電負(fù)載W提供,例如,照明、加熱、或者給電子線路或裝置例如計(jì)算器、收音機(jī)、電 腦或遠(yuǎn)程監(jiān)控或通訊設(shè)備供能。該些發(fā)電應(yīng)用還經(jīng)常包括電池充電或其他貶能裝置,W便 當(dāng)?shù)貌坏綇奶柣蚱渌庠吹闹苯诱彰鲿r可W繼續(xù)運(yùn)行,或者平衡有??趹?yīng)用需要的光伏 (PV)器件的功率輸出。在本文中使用時,術(shù)語"電阻性負(fù)載"是指任何電力消耗或儲存型電 路、器件、設(shè)備或系統(tǒng)。
[0011] 另一種類型的光敏光電子器件是光電導(dǎo)體電池。在該種功能中,信號檢測電路監(jiān) 測所述器件的電阻來檢測光吸收引起的改變。
[0012] 另一種類型的光敏光電子器件是光電檢測器。在工作中,光電檢測器結(jié)合電流檢 測電路使用,所述電流檢測電路測量當(dāng)所述光電檢測器暴露于電磁福射時產(chǎn)生的電流并可 W具有外加偏壓。在此描述的檢測電路能夠向光電檢測器提供偏壓和測量所述光電檢測器 對電磁福射的電子響應(yīng)。
[0013] 該=類光敏光電子器件可W根據(jù)是否存在如下文定義的整流結(jié)W及根據(jù)所述器 件是否在外加電壓、亦稱偏壓或偏置電壓下運(yùn)行來鑒定。光電導(dǎo)體電池不具有整流結(jié)并且 通常在偏壓下運(yùn)行。PV器件具有至少一個整流結(jié)并且在沒有偏壓下運(yùn)行。光電檢測器具有 至少一個整流結(jié)并且通常但不總是在偏壓下運(yùn)行。作為一般規(guī)則,光伏電池向電路、裝置或 設(shè)備提供電力,但是不提供控制檢測電路的信號或電流、或從檢測電路的信息輸出。相反, 光電檢測器或光電導(dǎo)體提供控制檢測電路的信號或電流、或從檢測電路的信息輸出,但是 不向電路、裝置或設(shè)備提供電力。
[0014] 傳統(tǒng)上,光敏光電子器件由許多無機(jī)半導(dǎo)體例如結(jié)晶娃、多晶娃和無定形娃、神化 嫁、蹄化簡等構(gòu)成。在本文中,術(shù)語"半導(dǎo)體"表示當(dāng)通過熱或電磁激發(fā)誘導(dǎo)電荷載流子時 可導(dǎo)電的材料。術(shù)語"光電導(dǎo)"一般是指吸收電磁福射能并從而轉(zhuǎn)變成電荷載流子的激發(fā) 能W致所述載流子可在材料中傳導(dǎo)、即傳輸電荷的過程。術(shù)語"光電導(dǎo)體"和"光電導(dǎo)材料" 在本文中用于指示因它們吸收電磁福射產(chǎn)生電荷載流子的性質(zhì)而被選擇的半導(dǎo)體材料。
[0015] 可W通過PV器件將入射太陽能轉(zhuǎn)變成有效電力的效率對所述PV器件進(jìn)行表征。 利用結(jié)晶娃或無定形娃的器件在商業(yè)應(yīng)用中占優(yōu)勢,并且一些已經(jīng)達(dá)到23%或更高的效 率。然而,由于在產(chǎn)生沒有顯著的效率降低缺陷的大晶體中固有的問題,生產(chǎn)有效的結(jié)晶基 器件、尤其是大表面積的器件是困難和昂貴的。另一方面,高效無定形娃器件仍然遭受到穩(wěn) 定性的問題。當(dāng)前可商購的無定形娃電池具有在4和8%之間的穩(wěn)定效率。最近的努力集 中在利用有機(jī)光伏電池W經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)成本達(dá)到可接受的光伏轉(zhuǎn)換效率。
[0016] 可W優(yōu)化PV器件W在標(biāo)準(zhǔn)照明條件(即,標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件是lOOOW/m2,AM1. 5光譜 照度)下產(chǎn)生最大電功率,W便得到光電流與光電壓的最大乘積。該樣的電池在標(biāo)準(zhǔn)照明 條件下的功率轉(zhuǎn)換效率取決于W下S個參數(shù);(1)在零偏壓下的電流,即短路電流Ise,W安 培計(jì),似在開路條件下的光電壓,即開路電壓伏計(jì),和做填充因子,F(xiàn)F。
[0017] PV器件當(dāng)它們跨負(fù)載連接并受到光照射時,產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無限負(fù)載下照射 時,PV器件產(chǎn)生它的最大可能電壓,V開路,或V。。。當(dāng)在它的電接觸短路下照射時,PV器件 產(chǎn)生它的最大可能電流,I短路,或Ise。當(dāng)實(shí)際用于發(fā)電時,PV器件與有限電阻性負(fù)載連接 并由電流和電壓的乘積IXV給出功率輸出。由PV器件產(chǎn)生的最大總功率固有地不能超過 乘積IseXV。。。當(dāng)針對最大功率提取來優(yōu)化負(fù)載值時,電流和電壓分別具有1。"和VmJ直。 [001引PV器件的品質(zhì)因數(shù)是填充因子,F(xiàn)F,定義為:
[0019] FF=UmaxVmaJV也CV〇cl(D
[0020] 其中FF總是小于1,因?yàn)镮s郝V。廟實(shí)際應(yīng)用中從未同時獲得。然而,隨著FF在 最佳條件下接近1,所述器件具有較小的串聯(lián)或內(nèi)電阻,因此向負(fù)載傳送較高百分率的Isc 和V。。乘積。在Pi。。是入射到器件上的功率的情況下,所述器件的功率系數(shù),np,可W如下 計(jì)算:
[0021] n尸F(xiàn)F*(Isc*V〇c)/Pinc
[0022] 為了產(chǎn)生占據(jù)半導(dǎo)體的顯著體積的內(nèi)生電場,通常的方法是將具有適當(dāng)選擇的導(dǎo) 電性質(zhì)的兩層材料(供體和受體)并置,所述選擇尤其是根據(jù)它們的分子量子能態(tài)分布。該 兩種材料的界面被稱作光伏結(jié)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體理論中,用于形成PV結(jié)的材料一般表示為 是n或P型的。在此n-型表示多數(shù)載流子類型是電子。該可W視為所述材料具有許多處 于相對自由能態(tài)的電子。P-型表示多數(shù)載流子類型是空穴。該樣的材料具有許多處于相對 自由能態(tài)的空穴。本底的類型、即非光生的多數(shù)載流子濃度,主要取決于瑕疵或雜質(zhì)的無意 滲雜。雜質(zhì)的類型和濃度決定了導(dǎo)帶最低和價(jià)帶最高能量之間的能隙(亦稱冊M0-LUM0能 隙)中的費(fèi)米能或費(fèi)米能級的值。費(fèi)米能表征了占據(jù)概率等于1/2的能值所表示的分子量 子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)學(xué)占據(jù)情況。費(fèi)米能接近導(dǎo)帶最低(LUMO)能量表明電子是優(yōu)勢載流子。費(fèi) 米能接近價(jià)帶最高(HOMO)能量表明空穴是優(yōu)勢載流子。因此,費(fèi)米能是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要 特征性性質(zhì),并且原型的PV結(jié)傳統(tǒng)上是p-n界面。
[0023] 術(shù)語"整流"尤其表示界面具有不對稱傳導(dǎo)特性,即,所述界面支持電子電荷優(yōu)先 W-個方向傳輸。整流通常與在適當(dāng)選擇的材料之間的結(jié)處出現(xiàn)的內(nèi)建電場有關(guān)。
[0024] 在本文中使用時,并如本領(lǐng)域技術(shù)人員通常會了解的,第一"最高占據(jù)分子軌 道"(HOMO)或"最低未占分子軌道"(LUM0)能級是"大于"或"高于"第二HOMO或LUM0能 級的,如果所述第一能級更接近真空能級的話。因?yàn)殡婋x電位(I巧作為相對于真空能級的 負(fù)能量測量,所W較高的HOMO能級對應(yīng)于具有較小絕對值的IP(負(fù)性較小的IP)。類似地, 較高的LUM0能級對應(yīng)于具有較小絕對值的電子親和勢(EA)(負(fù)性較小的EA)。在常規(guī)能 級圖上,真空能級在頂部,材料的LUM0能級高于同樣材料的HOMO能級。"較高的"HOMO或 LUM0能級顯得比"較低的"HOMO或LUM0能級更靠近該種圖的頂部。
[0025] 有機(jī)半導(dǎo)體中的重要性質(zhì)是載流子遷移率。遷移率度量了電荷載流子可響應(yīng)電場 而移動通過導(dǎo)電材料的容易度。在有機(jī)光敏器件的情況下,包含由于高電子遷移率而優(yōu)先 傳導(dǎo)電子的材料的層可W稱為電子傳輸層,或ETL。包含由于高空穴遷移率而優(yōu)先傳導(dǎo)空穴 的材料的層可W稱為空穴傳輸層,或HTL。在有些情況下,受體材料可W是E化,而供體材料 可W是OTL。
[0026] 常規(guī)的無機(jī)半導(dǎo)體PV電池可W采用P-n結(jié)來建立內(nèi)場。然而,現(xiàn)在認(rèn)識到,除了 建立p-n型結(jié)之外,異質(zhì)結(jié)的能級偏移也可W起到重要作用。
[0027] 由于有機(jī)材料中光生作用過程的基本性質(zhì),有機(jī)供體-受體值-A)異質(zhì)結(jié)處的能 級偏移被認(rèn)為對有機(jī)PV器件的運(yùn)行是重要的。在光激發(fā)有機(jī)材料時,產(chǎn)生局部化的弗倫克 爾(Frenkel)或電荷傳遞激子。為了發(fā)生電檢測或電流生成,結(jié)合的激子必須解離成它們 的組成電子和空穴。該樣的過程可由內(nèi)建電場誘導(dǎo),但是在有機(jī)器件中通常發(fā)現(xiàn)所述電場 處的效率(F~l〇6v/cm)低下。有機(jī)材料中最有效的激子解離出現(xiàn)在D-A界面處。在該樣 的界面處,電離電位低的供體材料與電子親和勢高的受體材料形成異質(zhì)結(jié)。取決于所述供 體和受體材料的能級對齊,激子的解離在該種界面處可變得能量上有利,