有機光伏器件的雜化平面緩變異質結的制作方法
【專利說明】有機光伏器件的雜化平面緩變異質結
[0001] 相關申請的交互參考
[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的權益，所述 申請在此W其全部內容引為參考。
[0003] 關于聯邦資助研究的聲明
[0004] 根據美國能源部扣.S.D巧artmentofEnergy)授予的合約號DE-SC0000957和 DE-EE0005310和空軍科學研究局（AirForceOfficeofScientificResearch)授予的合 約FA9550-10-1-0339,本發明在美國政府支持下完成。政府在本發明中具有一定的權利。
[0005] 聯合研究協定
[0006] 本公開的主題W-個或多個W下團體的名義和/或將一個或多個W下團 體借大學-企業聯合研究協議相結合來完成的；密歇根大學董事會（TheRegents oftheUniversityofMichigan)和全球光子能源公司（GlobalPhotonicElnergy corporation)。所述協議在本公開的主題籌備之日和之前生效，并作為在協議范圍內從事 的活動的結果而完成。 發明領域
[0007] 本公開總體設及有機光敏光電子器件，特別是包含至少一個雜化平面緩變異質結 (gradedheterojunction)的有機光敏光電子器件。
[000引發明背景
[0009] 光電子器件依靠材料的光學和電子性質，通過電子產生或檢測電磁福射或者從環 境電磁福射生成電。
[0010] 光敏光電子器件將電磁福射轉變成電。太陽能電池，也稱為光伏（PV)器件，是專 口用于產生電力的光敏光電子器件類型。可從太陽光W外的光源產生電能的PV器件可用 于驅動耗電負載W提供，例如，照明、加熱、或者給電子線路或裝置例如計算器、收音機、電 腦或遠程監控或通訊設備供能。該些發電應用還經常包括電池充電或其他貶能裝置，W便 當得不到從太陽或其他光源的直接照明時可W繼續運行，或者平衡有專口應用需要的光伏 (PV)器件的功率輸出。在本文中使用時，術語"電阻性負載"是指任何電力消耗或儲存型電 路、器件、設備或系統。
[0011] 另一種類型的光敏光電子器件是光電導體電池。在該種功能中，信號檢測電路監 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，光電檢測器結合電流檢 測電路使用，所述電流檢測電路測量當所述光電檢測器暴露于電磁福射時產生的電流并可 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。
[0013] 該=類光敏光電子器件可W根據是否存在如下文定義的整流結W及根據所述器 件是否在外加電壓、亦稱偏壓或偏置電壓下運行來鑒定。光電導體電池不具有整流結并且 通常在偏壓下運行。PV器件具有至少一個整流結并且在沒有偏壓下運行。光電檢測器具有 至少一個整流結并且通常但不總是在偏壓下運行。作為一般規則，光伏電池向電路、裝置或 設備提供電力，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、裝置或設備提供電力。
[0014] 傳統上，光敏光電子器件由許多無機半導體例如結晶娃、多晶娃和無定形娃、神化 嫁、蹄化簡等構成。在本文中，術語"半導體"表示當通過熱或電磁激發誘導電荷載流子時 可導電的材料。術語"光電導"一般是指吸收電磁福射能并從而轉變成電荷載流子的激發 能W致所述載流子可在材料中傳導、即傳輸電荷的過程。術語"光電導體"和"光電導材料" 在本文中用于指示因它們吸收電磁福射產生電荷載流子的性質而被選擇的半導體材料。
[0015] 可W通過PV器件將入射太陽能轉變成有效電力的效率對所述PV器件進行表征。 利用結晶娃或無定形娃的器件在商業應用中占優勢，并且一些已經達到23%或更高的效 率。然而，由于在產生沒有顯著的效率降低缺陷的大晶體中固有的問題，生產有效的結晶基 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 定性的問題。當前可商購的無定形娃電池具有在4和8%之間的穩定效率。最近的努力集 中在利用有機光伏電池W經濟的生產成本達到可接受的光伏轉換效率。
[0016] 可W優化PV器件W在標準照明條件（即，標準試驗條件是lOOOW/m2,AM1. 5光譜 照度）下產生最大電功率，W便得到光電流與光電壓的最大乘積。該樣的電池在標準照明 條件下的功率轉換效率取決于W下S個參數；（1)在零偏壓下的電流，即短路電流Ise，W安 培計，似在開路條件下的光電壓，即開路電壓伏計，和做填充因子，FF。
[0017] PV器件當它們跨負載連接并受到光照射時，產生光生電流。當在無限負載下照射 時，PV器件產生它的最大可能電壓，V開路，或V。。。當在它的電接觸短路下照射時，PV器件 產生它的最大可能電流，I短路，或Ise。當實際用于發電時，PV器件與有限電阻性負載連接 并由電流和電壓的乘積IXV給出功率輸出。由PV器件產生的最大總功率固有地不能超過 乘積IseXV。。。當針對最大功率提取來優化負載值時，電流和電壓分別具有1。"和VmJ直。 [001引PV器件的品質因數是填充因子，FF，定義為：
[0019] FF=UmaxVmaJV也CV〇cl(D
[0020] 其中FF總是小于1，因為Is郝V。廟實際應用中從未同時獲得。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或內電阻，因此向負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，np，可W如下 計算：
[0021] n尸FF*(Isc*V〇c)/Pinc
[0022] 為了產生占據半導體的顯著體積的內生電場，通常的方法是將具有適當選擇的導 電性質的兩層材料（供體和受體）并置，所述選擇尤其是根據它們的分子量子能態分布。該 兩種材料的界面被稱作光伏結。在傳統的半導體理論中，用于形成PV結的材料一般表示為 是n或P型的。在此n-型表示多數載流子類型是電子。該可W視為所述材料具有許多處 于相對自由能態的電子。P-型表示多數載流子類型是空穴。該樣的材料具有許多處于相對 自由能態的空穴。本底的類型、即非光生的多數載流子濃度，主要取決于瑕疵或雜質的無意 滲雜。雜質的類型和濃度決定了導帶最低和價帶最高能量之間的能隙（亦稱冊M0-LUM0能 隙）中的費米能或費米能級的值。費米能表征了占據概率等于1/2的能值所表示的分子量 子能態的統計學占據情況。費米能接近導帶最低（LUMO)能量表明電子是優勢載流子。費 米能接近價帶最高（HOMO)能量表明空穴是優勢載流子。因此，費米能是傳統半導體的主要 特征性性質，并且原型的PV結傳統上是p-n界面。
[0023] 術語"整流"尤其表示界面具有不對稱傳導特性，即，所述界面支持電子電荷優先 W-個方向傳輸。整流通常與在適當選擇的材料之間的結處出現的內建電場有關。
[0024] 在本文中使用時，并如本領域技術人員通常會了解的，第一"最高占據分子軌 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。因為電離電位（I巧作為相對于真空能級的 負能量測量，所W較高的HOMO能級對應于具有較小絕對值的IP(負性較小的IP)。類似地， 較高的LUM0能級對應于具有較小絕對值的電子親和勢（EA)(負性較小的EA)。在常規能 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] 有機半導體中的重要性質是載流子遷移率。遷移率度量了電荷載流子可響應電場 而移動通過導電材料的容易度。在有機光敏器件的情況下，包含由于高電子遷移率而優先 傳導電子的材料的層可W稱為電子傳輸層，或ETL。包含由于高空穴遷移率而優先傳導空穴 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] 常規的無機半導體PV電池可W采用P-n結來建立內場。然而，現在認識到，除了 建立p-n型結之外，異質結的能級偏移也可W起到重要作用。
[0027] 由于有機材料中光生作用過程的基本性質，有機供體-受體值-A)異質結處的能 級偏移被認為對有機PV器件的運行是重要的。在光激發有機材料時，產生局部化的弗倫克 爾（Frenkel)或電荷傳遞激子。為了發生電檢測或電流生成，結合的激子必須解離成它們 的組成電子和空穴。該樣的過程可由內建電場誘導，但是在有機器件中通常發現所述電場 處的效率（F~l〇6v/cm)低下。有機材料中最有效的激子解離出現在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結。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，