包括有機層的光敏部件制造技術

本發明專利技術涉及包括有機層的光敏部件，由具有兩個電極2、9的單電池、串聯電池或并聯電池、以及在電極2、9之間的包括至少三種吸收材料的光敏受主-施主層系統4組成。根據本發明專利技術，至少兩種吸收材料為施主或受主，兩種吸收材料中的一種吸收材料構造為比另一種吸收材料吸收更長的波長的施主或受主，并且兩種吸收材料中的一種吸收材料的斯托克斯位移和/或吸收寬度小于另一種吸收材料的。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】包括有機層的光敏部件
本專利技術涉及包括有機層的光敏部件，有機層由具有兩個電極的單電池、串聯電池或并聯電池以及在電極之間的至少包括三種吸收材料的光敏受主-施主層系統組成。
技術介紹
自1986年由Tang等人證實了效率在百分比范圍內的第一有機太陽能電池(C.W.Tang等人，Appl.Phys.Lett.48，183(1986))以來，已經廣泛地研究了將有機材料用于各種電子部件和光電子部件。有機太陽能電池由一系列有機材料薄層(通常是1nm至1μm)組成，這些有機材料優選在低的壓力下被氣相沉積或從溶液旋涂。可以用金屬層、透明導電氧化物(TCO)和域透明導電聚合物(PEDOT-PSS，PANI)來建立電接觸。太陽能電池將光能轉化成電能。此處，術語“光敏”同樣表示光能到電能的轉化。與無機太陽能電池相比，在有機太陽能電池中，光不直接生成自由電荷載流子；相反，首先形成激子，即，電中性激發狀態(束縛的電子-空穴對)。僅在第二步驟中，這些激子被分離成自由電荷載流子，這然后促進電流流動。與傳統的基于無機物的部件(半導體，如硅、砷化鎵)相比，這樣的基于有機物的部件的優點是：光學吸收系數有時非常高(高達2×105cm-1)，并且因此能夠以低的材料消耗和能量消耗制造非常薄的太陽能電池。另外的技術方面是低的成本、能夠在塑料膜上制造柔性大面積部件以及有機化學的實際上無限的可能的變體和無限的可用性。在文獻中已經提出的有機太陽能電池的一個可能的實現方式是具有以下層結構的pin二極管[MartinPfeiffer，“Controlleddopingoforganicvacuumdepositeddyelayers：basicsandapplications(有機真空沉積染料層的受控摻雜：基礎和應用)”，PhD論文TU-Dresden，1999]：0.載流子，基板，1.底部接觸，通常是透明的，2.p層，3.i層，4.n層，5.頂部接觸。在該上下文中，n和p分別表示n摻雜和p摻雜，n摻雜和p摻雜分別導致在熱平衡狀態下的自由電子和空穴的密度的增加。但是，由于材料的特性(例如，不同的遷移率)、由于未知的雜質(例如，在層制造期間來自反應產物、分解或合成的剩余殘余物)或由于環境影響(例如，接合層、金屬或其他有機材料的向內擴散、來自環境大氣的氣體摻雜)，也可能n層或p層是至少部分名義上未摻雜的或單獨地優選地具有n導電特性或優選地具有p導電特性。在該上下文中，這樣的層應該主要被理解為傳輸層。相反地，術語“i層”表示名義上未摻雜的層(本征層)。在該上下文中，一個或更多個i層可以是包括一種材料或兩種材料的混合物的層(稱作互穿網絡或本體異質結；M.Hiramoto等人.Mol.Cryst.Liq.Cryst.，2006，444，33-40頁)。穿過透明底部接觸入射的光在i層或n/p層中產生激子(束縛的電子-空穴對)。這些激子僅可以通過非常高的電場或在適當的界面處分離。在有機太陽能電池中，無法獲得充分高的電場，并且因此用于有機太陽能電池的所有有前景的概念是基于光敏界面處的激子分離。由于擴散，激子到達這樣的活性界面：在該界面處，電子與空穴彼此分離。吸收電子的材料稱作受主，吸收空穴的材料稱作施主。分離界面可以在p(n)層與i層之間或在兩個i層之間。在安裝的太陽能電池的電場中，之后，電子傳輸到n區域，空穴傳輸到p區域。例如，如WO2004083958所述，傳輸層優選地為具有寬帶隙的透明材料或基本透明材料。在此，寬帶隙材料指吸收最大值在＜450nm、優選地在＜400nm的波長范圍內的材料。由于光總是首先產生激子并且還沒有自由電荷載流子，因此，激子到活性界面的低復合擴散在有機太陽能電池中起關鍵作用。為了有助于光電流，因此，在良好的有機太陽能電池中的激子擴散長度必須明顯超過光的通常的滲透深度，以使得可以利用光的主要部分。在結構方面并且關于化學純度是完美的薄層或有機晶體的確滿足該標準。但是，對于大面積應用，不能使用單晶有機材料，并且制造具有充分的結構完整性的多層迄今為止仍非常困難。如果i層是混合層，則光吸收的任務僅由部件中的一個部件或另外地通過兩者來承擔?；旌蠈拥膬烖c是：產生的激子在到達分離的疇界之前必須僅覆蓋非常短的距離。電子或空穴在相應的材料中分別被傳輸。由于材料在整個混合層中彼此接觸，因此，在該概念中如下情況是關鍵的：在相應材料上的分離的電荷具有長的壽命并且具有存在用于兩種電荷載流子類型的從任意位點朝著相應的接觸的連續滲流路徑。US5,093,698公開了有機材料的摻雜。受主型或施主型摻雜劑質的添加提高了層中的平衡電荷載流子濃度并且增強了導電性。根據US5,093,698，在電致發光的部件中，在與接觸材料的界面處，摻雜層用作注入層。同樣的摻雜方法也類似適用于太陽能電池。文獻公開了各種可能的實現光敏i層的方法。例如，光敏i層可以為雙層(EP0000829)或混合層(Hiramoto，Appl.Phys.Lett.58，1062(1991))。也已知的是雙層和混合層的組合(Hiramoto，Appl.Phys.Lett.58，1062(1991)；US6,559,375)。同樣地，已知在混合層的不同區域中的混合比不同(US20050110005)，并且混合比具有梯度。從文獻中也已知的是串聯太陽能電池或并聯太陽能電池(Hiramoto，Chem.Lett.，1990，327(1990)；DE102004014046)。從文獻另外已知的是有機pin串聯電池(DE102004014046)：這樣的串聯電池的結構由兩個單獨的pin電池組成，層順序“pin”描述p摻雜的層系統、未摻雜的光敏層系統以及n摻雜的層系統的順序。摻雜的層系統優選地由稱作寬間隙材料/層的透明材料組成，并且在這種情況下，摻雜的層系統也可以部分地或全部地未摻雜或者另外地具有作為位置的函數的不同的摻雜劑濃度或者在摻雜劑濃度中具有連續的梯度。具體地，具有非常低的摻雜或高的摻雜的區域在如下區域中也是可能的：貼近電極的邊界區域中、貼近另一摻雜的或未摻雜的傳輸層的邊界區域中、貼近有源層的邊界區域中；或者在串聯電池或并聯電池的情況下，在貼近鄰接的pin或nip子電池的邊界區域中，即，在復合區的區域中。所有這些特征的任意期望的組合也是可能的。當然，這樣的串聯電池也可以是稱作反式結構(例如，nip串聯電池)的串聯電池。下文中，由術語“pin串聯電池”指所有這些可能的串聯電池實現形式。在本專利技術的上下文中，小分子理解為表示單分散摩爾質量在100與2000之間的非聚合有機分子，這些小分子在標準壓力(環境大氣的氣壓)下和室溫下處于固相。更具體地，這些小分子也可以是光敏的，“光敏”理解為表示分子在光的入射下改變它們的電荷狀態。有機太陽能電池的問題是：當前在實驗室中迄今為止獲得的6-7％的最高效率仍太低。對于大多數應用，特別是大面積應用，大約10％的效率認為是必須的。由于有機半導體相對弱的傳輸特性(與無機半導體相比)以及可用于有機太陽能電池中的吸收體的層厚度方面的相關限制，通常認為借助于串聯電池(TayebehAmeri等人，Organictandemsolarcells：Areview(有機串聯太陽能電池：綜述)，Ene本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.05.04 EP 10161920.31.一種包括有機層的光敏部件，由具有兩個電極(2，9)的單電池、串聯電池或并聯電池以及在所述電極(2，9)之間的至少包括三種吸收材料1、2、3的光敏受主-施主層系統(4)組成，吸收材料1和吸收材料2為施主以及吸收材料3為受主，或者吸收材料1和吸收材料2為受主以及吸收材料3為施主，其特征在于：(i)吸收材料2比吸收材料1吸收更長的波長(ii)吸收材料2的斯托克斯位移和/或吸收寬度小于吸收材料1的。2.根據權利要求1所述的光敏部件，其特征在于：所述光敏受主-施主層系統(4)的至少兩種吸收材料至少部分地以混合層存在。3.根據權利要求1和2中任一項所述的光敏部件，其特征在于：所述吸收材料中的至少之一的吸收范圍延伸到波長范圍從>700nm到1500nm的紅外范圍中。4.根據權利要求1或2中任一項所述的光敏部件，其特征在于：傳輸層(3，6)中的一個或更多個為未摻雜的、部分摻雜的或全部摻雜的層。5.根據權利要求1或2中任一項所述的光敏部件，其特征在于：傳輸層(3，6)中的一個或更多個為在<450nm處具有最大吸收的未摻雜的、部分摻雜的或全部摻雜的寬間隙層。6.根據權利要求1或2中任一項所述的光敏部件，其特征在于：延伸入射光的光學路徑的光阱借助于形成于周期微結構化的基板上的部件、或者借助于具...

【專利技術屬性】
技術研發人員：貝爾特·梅尼希，馬丁·法伊弗，克里斯蒂安·于里克，
申請(專利權)人：赫里亞泰克有限責任公司，
類型：
國別省市：