光檢測器用的有機發(fā)光涂層制造技術

將有機發(fā)光涂層，如三喹啉鋁，涂在光檢測器上，把紫外光轉換成綠光，以提高光檢測器的效率。當該涂層足夠厚時，它還提供減反射特性。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術的領域總體上涉及包括太陽能電池的光電檢測器，更為具體地說，涉及光電檢測器的減反射(AR)涂層。
技術介紹
光檢測器包括用于將光轉換成電能的太陽能電池，和用于檢測光強的光電池及光電二極管。光檢測器的材料包括半導體，如硅，砷化鎵，鍺，硒等等。通過加減反射(AR)涂層，這些器件的聚光效率常?？傻玫礁纳啤Ｈ绻瓷涞墓廨^少，則將有更多的光用于吸收并轉換成電信號。這些涂層可以是單層厚度，這種情況下它們通常是1/4波長的厚度，或者可以是多層涂層以獲得更高的效率。這種涂層通常由玻璃狀絕緣材料構成，如氧化鋁，氧化鈦，二氧化硅，氮化硅，或氟化鎂。而且，由于半導體材料的反射率在藍光和紫外區(qū)大大增加，所以傳統(tǒng)半導體檢測器在該區(qū)上難以獲得高的靈敏度。另外，傳統(tǒng)的AR-涂層通常對于綠光區(qū)進行優(yōu)化，使藍光和紫外區(qū)效果較差。專利技術概述本專利技術的目的是提供適用于寬光譜波段范圍的高效太陽能電池和光電二極管。本專利技術的另一個目的是提供具有更高靈敏度的光電池和光電二極管，尤其是在藍光和紫外區(qū)的靈敏度得到提高。本專利技術的另一個目的是提供用于測量諸如內外發(fā)光量子效率等薄膜特性的裝置，其精度是諸如積分球等傳統(tǒng)測量方法所達不到的。該裝置可以用于為高效太陽能電池，和高靈敏度光電池與光電二極管選擇涂層。本專利技術的這些及其它目的將通過改進的光檢測器達到，該檢測器包括在光檢測器上的有機發(fā)光材料涂層，如三喹啉鋁〔Aluminum-Tris-Quinolate，Alq3，又被稱之為8-羥基喹啉鋁，Alq)，或TPD{N，N′-二苯基-N，N′-雙(3-甲基苯基)1，1′-二苯基-4，4′二胺}，或Gaq′2Cl{雙-(8-羥基喹哪啶)-氯化鎵}，適宜為傳統(tǒng)減反涂層的替代品。當用有機薄膜替代減反涂層時，該薄膜只要它足夠地厚也起減反涂層的作用，因為該膜在其熒光光譜區(qū)幾乎不吸收。如果涂層有100％的內發(fā)光效率(吸收光對熒光的轉換效率)，有這種涂層的非晶態(tài)硅太陽能電池的功率效率可提高11％。傳統(tǒng)的減反涂層可以抗劃傷，并使增益稍有減小。而有機薄膜可以被設計成多層減反涂層的最后一層。附圖簡介本專利技術的各種實施例將在下文結合附圖進行說明和描述，圖中相同的項目用相同的標記來識別，其中附圖說明圖1a表示現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)光電池或太陽能電池，涂覆在該器件表面的AR涂層部分地反射光譜的紫外部分’圖1b表示本專利技術的一個優(yōu)選實施例，其中光電池或太陽能電池上涂覆著將紫外轉換成綠光并起減反射涂層作用的有機發(fā)光涂層；圖1c表示另一個實施例，其中發(fā)光有機材料涂覆在傳統(tǒng)AR涂層之上。圖2表示傳統(tǒng)太陽能電池與涂有100％量子效率(Q.E.)有機材料的該器件性能比較的曲線；圖3表示當涂有100％QE有機材料的電池與傳統(tǒng)的電池比較時，計算出的10.9％量子效率改進的曲線；圖4表示測量薄膜光譜和發(fā)光特性的裝置；圖5表示由三種不同厚度Alq3薄膜所得到的吸收光譜曲線，同時插圖表示λ＝370nm處光衰減與薄膜厚度的關系，斜率給出吸收系數(shù)；圖6表示150和1.35μm薄膜厚度的光致發(fā)光(PL)激勵光譜曲線，同時插圖示意性表示Alq3受激態(tài)的弛豫過程；圖7表示在λ＝530nm波段上內發(fā)光效率與玻璃上生長的薄膜膜厚的關系曲線，用于獲得這些數(shù)據(jù)的激勵波長是370nm；和圖8表示搭建的一個簡單裝置的端視圖和測量本專利技術另一個實施例薄膜發(fā)光特性的方法。專利技術的詳細描述在圖1a中，表示出具有對λ＝500nm優(yōu)化的傳統(tǒng)單層AR涂層3的光電池4。有這種涂層的器件幾乎反射掉了λ＜400nm的全部紫外光，使光電池4中產(chǎn)生的電流減少。應注意，即使未被反射，紫外光的能量也難以被傳統(tǒng)半導體(諸如硅Si)制成的光電池利用。在圖1b中，如下文將描述的那樣，通過用有機減反涂層2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減反涂層，在本專利技術一個實施例中提供的改進太陽能電池4。Alq3可以是這種涂層。已知Alq3可以用作綠光發(fā)光二極管(OLEDs)的電子發(fā)光涂層，在這種情況下，它具有1-2％的外量子效率。Alq3有機薄膜光致發(fā)光的外和內量子效率(分別為ηe和ηi)的絕對值在本專利技術之前不曾被量化，盡管J.Appl.Phys.65，No.9，p.3610(1989)上C.W.Tang等人的“摻雜有機薄膜的電子發(fā)光”提到了從未公開的實驗數(shù)據(jù)中得出的效率8％。本專利技術人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，當正確地測量時，內量子效率高達32％。在整個近紫外區(qū)(250-400nm)中，作為激勵波長函數(shù)的該效率保持不變。本專利技術人對Alq3吸收的研究顯示，250-300nm光的吸收系數(shù)為105cm-1至4×105cm-1，而大于400nm波長的吸收系數(shù)＜10cm-1。這種薄膜將有效地把吸收的近紫外光轉換成波長為530nm的綠光。而且，大于400nm的波長低損耗地透過該薄膜，同時超過一半的近紫外光被300-400厚的Alq3薄膜吸收。有機薄膜2因而可以用作紫外-綠光轉換器，且同時用作λ＞400nm光的減反涂層2，如圖1b所示。眾所周知，傳統(tǒng)光電二極管和太陽能電池的效率在近紫外區(qū)迅速地降低。圖2中虛線(曲線16)表示太陽AMO(大氣質量為零，空間中陽光強度與波長分布的標準)光譜中光子的能量分布。而且圖2中還用實心圓之間的曲線12(R.A.Street，《Hydrogenated Amorphous Silicon》，劍橋大學出版，1991)表示了帶有減反涂層3的常規(guī)傳統(tǒng)太陽能電池的量子效率。很清楚，對于比400nm短的波長，傳統(tǒng)電池(見圖1a)不能有效地轉換太陽輻射。而且，在圖2方形點間連接出的曲線14表示涂有100％Q.E.有機材料的傳統(tǒng)電池其計算出的量子效率。這里，假設波長小于420nm的所有太陽輻射都被Alq3吸收并轉換成530nm光(100％的內發(fā)光效率)。而且假設Alq3涂層發(fā)射的所有光子都被耦合到太陽能電池4中(見圖1b)，這是合理的，因為Si的折射率(x.xx)比Alq3(1.73)或空氣(-1.00)大得多。圖3用實心圓間連線形成的曲線18表示了傳統(tǒng)太陽能電池光電流-波長曲線(取自M.A.Green的“高效率的硅太陽能電池”，Tran TechPubishing，p.416，1987)，并用空心方形間連線形成的曲線20表示了相同太陽能電池的計算光譜，該電池涂有厚度足以吸收所有入射紫外光的100％Q.E.有機涂層(精確的薄膜厚度還應該滿足對太陽光譜最大輻射的減反射條件)。兩曲線18和20下方面積之差，響應于預期的太陽能電池功率效率而增加，并接近于11％。還應該注意，光電池2，4本身的設計可以對530nm波長優(yōu)化，以可以利用太陽能電池效率更高的深部p-n結。顯然，可以用類似的方法提高光電二極管的紫外光靈敏度。有機薄膜的低反射率造成了紫外區(qū)的低反射率。但是在此情況下，膜厚應該滿足紫外光的減反射條件。對于波長250nm的紫外光來說，四分之一波長減反涂層厚度應該大約為350。如上所述，這個膜厚度足以完全吸收入射的紫外光。還應該注意，根據(jù)本專利技術人的測量結果，由于非晶態(tài)有機化合物中受激態(tài)的擴散長度比較短，所以對于比100厚的涂層，發(fā)光量子效率與薄膜厚度無關。所以，沒有什么可以妨礙用這些化合物的極薄薄膜作為減反發(fā)光涂層。帶有有機涂層的紫外光電二極管具有兩個附加的優(yōu)點。第一個優(yōu)點是在波長比有機材料吸收邊沿短本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種組合，包括： 一光檢測器，選自由光電池、光電二極管和太陽能電池構成的組中，及 涂覆在所述光檢測器上的有機發(fā)光涂層，當光通過所述涂層進入光檢測器而被吸收時，該涂層能夠以高量子效率將紫外光轉換成可見光。

【技術特征摘要】
US 1996-1-11 60/010,0131.一種組合，包括一光檢測器，選自由光電池、光電二極管和太陽能電池構成的組中，及涂覆在所述光檢測器上的有機發(fā)光涂層，當光通過所述涂層進入光檢測器而被吸收時，該涂層能夠以高量子效率將紫外光轉換成可見光。2.一種組合，包括一光檢測器，及一有機發(fā)光涂層，當光通過所述涂層進入光檢測器而被吸收時，該涂層能夠以高量子效率將紫外光轉換成藍綠光至紅光范圍的可見光。3.如權利要求2的組合，其中所述的涂層選自如下一組三喹啉鋁，Gaq′2Cl，TPD，聚(亞苯基1，2-亞乙烯基)，及二苯乙烯基亞芳基衍生物。4.如權利要求2的組合，其中光檢測器選自如下一組光電池，光電二極管和太陽能電池。5.一種組合，包括光檢測器，和一有機發(fā)光涂層，當光通過所述涂層進入光檢測器時，該涂層能夠以高量子效率將紫外光轉換成綠光。6.如權利要求5的組合，其中所述的涂層選自如下一組三喹啉鋁，Gaq′2Cl，TPD，聚(亞苯基1，2-亞乙烯基)，及二苯乙烯基亞芳基衍生物。7.如權利要求5的組合，其中光檢測器選自如下一組光電池，光電二極管和太陽能電池。8.如權利要求7的組合，其中光檢測器由硅制成。9.如權利要求7的組合，其中光檢測器由砷化鎵制成。10.如權利要求5的組合，其中光檢測器還包括傳統(tǒng)的減反射涂層。11.如權利要求6的組合，其中三喹啉鋁涂層的厚度大約100至1.35μm左右。12.如權利要求6的組合，其中三喹啉鋁涂層的厚度大約300至400。13.一種用于測量薄膜光譜特性的裝置，包括提供單色光的裝置；通斷單色光的裝置；將單色光聚焦到樣品上的裝置，該樣品是其表面上帶有待分析薄膜的基板；通過油浸使樣品薄膜一側與第一光檢測器耦合；將樣品所發(fā)射的光聚焦到第二光檢測器...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：斯蒂芬R福雷斯特，保羅E伯羅斯，蒂米特里Z加布佐，弗拉蒂米布洛維克，
申請(專利權)人：普林斯頓大學理事會，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]