具有寬帶響應(yīng)和增加的光電響應(yīng)度的有機(jī)聚合物光電裝置的制造方法
【專利說明】具有寬帶響應(yīng)和増加的光電響應(yīng)度的有機(jī)聚合物光電裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年12月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/702，785號(hào)和2012年12月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/738，000號(hào)的權(quán)益，藉此每個(gè)申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]一般來說，本發(fā)明涉及聚合物光電裝置，如光伏裝置和光電檢測(cè)器。具體地說，本發(fā)明涉及利用有機(jī)聚合物光吸收部件的聚合物光電裝置，所述部件具有大于到最近的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)的距離的載流子收集長(zhǎng)度。更具體地說，本發(fā)明是針對(duì)聚合物光電裝置，其中有機(jī)聚合物光吸收部件被并入到具有光吸收區(qū)域的共混材料中，所述光吸收區(qū)域具有大于有機(jī)光吸收部件的載流子收集長(zhǎng)度的尺寸。
[0004]發(fā)明背景
[0005]對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體光電裝置，如有機(jī)光電檢測(cè)器(PD)和光伏電池(PV)的興趣已增大，因?yàn)榇祟愌b置現(xiàn)在可在任何適合的襯底如柔性襯底或非平面/彎曲襯底上廉價(jià)地制造。然而，歸因于與有機(jī)半導(dǎo)體相關(guān)聯(lián)的電荷載流子的降低的迀移率，電流產(chǎn)生光電裝置具有許多缺點(diǎn)，包括降低的操作性能。舉例來說，與光電檢測(cè)器(PD)的操作相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵性能特征是響應(yīng)度和噪聲，而與光伏電池(PV)的操作相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵性能特征是短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)和填充因數(shù)(FF)。光電檢測(cè)器(PD)的響應(yīng)度，和類似地光伏電池(PV)的短路電流(Isc)由允許光電裝置吸收的光量以及其電荷載流子收集效率來確定。明確地說，光電裝置吸收光的能力主要取決于光電裝置的吸收層厚度?；蛘?，光電裝置的載流子收集效率取決于電荷載流子相對(duì)于從光電載流子產(chǎn)生的位置到收集結(jié)的距離的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)所需水平的光吸收和載流子收集效率，制造PIN光電檢測(cè)器(PD)或光伏(PV)電池的標(biāo)準(zhǔn)方法(其中P型材料用作絕緣體，或η型材料用作吸收層)是不可行的。具體地說，為了獲得足夠量的光吸收，光電裝置的吸收層的厚度必須為微米(μπι)量級(jí)。此夕卜，光電裝置的擴(kuò)散長(zhǎng)度可由公式L= (μ TVt)"2計(jì)算，其中L是擴(kuò)散長(zhǎng)度，Vt是熱電壓(室溫下為0.0259eV)，μ是載流子迀移率，以及τ是電荷載流子壽命。在有機(jī)材料中，針對(duì)10-3cm2/Vsec的典型電荷載流子迀移率和10ns的典型載流子壽命的擴(kuò)散長(zhǎng)度(L)是約16nm。此類擴(kuò)散長(zhǎng)度(L)基本上短于從吸收層的位置到收集結(jié)的距離(例如，大約為標(biāo)準(zhǔn)光電裝置中的吸收層的微米厚度)。因此，具有電流設(shè)計(jì)的光電裝置獲得足夠光吸收所需的光吸收層的厚度太長(zhǎng)而無法提供符合要求的載流子收集效率。
[0007]與光電裝置的制造相關(guān)聯(lián)的另一個(gè)問題是噪聲，并且具體地說，在光伏(PV)裝置的情況下，低開路電壓(Voc)。舉例來說，光電檢測(cè)器中的噪聲和光伏裝置中的低開路電壓(Voc)的主要原因之一是暗電流。暗電流因帶間泄漏或因光電裝置中的缺陷泄漏而產(chǎn)生。明確地說，帶間泄漏取決于帶隙，所述帶隙由所接收光的波長(zhǎng)確定，而缺陷泄漏是光電裝置中的表面/界面缺陷的結(jié)果。由此，缺陷泄漏是大多數(shù)光電裝置(包括光電檢測(cè)器(PD)裝置和光伏(PV)裝置)的主要漏電流。碳納米管，如I1-VI納米棒，通常具有良性的表面性能，并且適用于非晶應(yīng)用。因此，即使這些非晶有機(jī)材料具有大量的界面缺陷，但是此類缺陷是良性的，并且不會(huì)導(dǎo)致載流子復(fù)合。缺陷漏電流由于低電荷載流子迀移率而被進(jìn)一步減小，這傾向于使與缺陷相關(guān)聯(lián)的漏電流的影響局部化。
[0008]因此，存在對(duì)聚合物光電裝置的需要，如利用能夠吸收超過寬光譜范圍的光的光吸收材料的光電檢測(cè)器(PD)或光伏電池(PV)，以便提供寬帶操作。另外，存在對(duì)聚合物光電裝置的需要，如利用實(shí)現(xiàn)增加的載流子收集效率的光吸收材料的光電檢測(cè)器(PD)或光伏電池(PV)。此外，存在對(duì)聚合物光電裝置的需要，所述聚合物光電裝置具有增加的光電響應(yīng)度或光吸收。另外，存在對(duì)聚合物光電裝置的需要，如利用允許光電裝置具有降低的暗電流的光吸收材料的光電檢測(cè)器(PD)或光伏電池(PV)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于前述內(nèi)容，本發(fā)明的第一方面在于提供一種光電裝置，所述光電裝置包括:陽(yáng)極端子和陰極端子，所述陽(yáng)極端子包括空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)，所述陰極端子包括電子傳輸網(wǎng)絡(luò)；以及包括至少一個(gè)有機(jī)光吸收部件的共混材料，所述有機(jī)光吸收部件被定位成與空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)和電子傳輸網(wǎng)絡(luò)電氣連通，其中至少一個(gè)有機(jī)光吸收部件具有收集長(zhǎng)度，所述收集長(zhǎng)度大于到最近的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)的距離，并且其中共混材料具有光吸收區(qū)域，所述光吸收區(qū)域具有大于至少一個(gè)有機(jī)光吸收部件的收集長(zhǎng)度的尺寸。
[0010]本發(fā)明的另一方面在于提供一種光電裝置，所述光電裝置包括:陽(yáng)極端子和陰極端子，所述陽(yáng)極端子包括空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)，所述陰極端子包括電子傳輸網(wǎng)絡(luò)；以及包括多個(gè)光吸收部件的共混材料，每個(gè)光吸收部件被定位成與空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)和電子傳輸網(wǎng)絡(luò)電氣連通，其中多個(gè)有機(jī)光吸收部件中的每一個(gè)具有收集長(zhǎng)度，所述收集長(zhǎng)度大于到最近的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)的距離，并且其中每一個(gè)有機(jī)光吸收部件被配置來吸收不同頻帶的光，并且共混材料具有光吸收區(qū)域，所述光吸收區(qū)域具有大于多個(gè)有機(jī)光吸收部件中的任一個(gè)的收集長(zhǎng)度的尺寸。
[0011]本發(fā)明的又一方面在于提供制造光電裝置的方法，所述方法包括:提供陽(yáng)極端子和陰極端子，所述陽(yáng)極端子具有空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)，所述陰極端子包括電子傳輸網(wǎng)絡(luò)；調(diào)整至少一個(gè)有機(jī)光吸收部件，以便具有大于到最近的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)的距離的收集長(zhǎng)度；以及形成共混材料，所述共混材料包括有機(jī)光吸收部件、空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)的粒子和電子傳輸網(wǎng)絡(luò)的粒子，所述共混材料與空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)和電子傳輸網(wǎng)絡(luò)電氣連通；其中所述共混材料界定光吸收區(qū)域，所述光吸收區(qū)域具有大于有機(jī)光吸收部件的收集長(zhǎng)度的尺寸。
【附圖說明】
[0012]參考以下描述、所附權(quán)利要求和附圖將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的概念的兩部件光電裝置的分子圖，其中所述部件之一包括光吸收材料；
[0014]圖2A到圖2D是根據(jù)本發(fā)明的概念的三部件光電裝置的分子圖，其中包括光吸收材料；
[0015]圖3是根據(jù)本發(fā)明的概念的光電裝置的示意圖；
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明的概念的可用作納米棒的PBDT-DTNT的分子圖；
[0017]圖5是根據(jù)本發(fā)明的概念的用來制造光電裝置的預(yù)合成材料的替代性實(shí)施方案；
[0018]圖6A是根據(jù)本發(fā)明的概念的用來制造光電裝置的預(yù)合成材料的另一替代性實(shí)施方案；
[0019]圖6B是根據(jù)本發(fā)明的概念的用來制造光電裝置的預(yù)合成材料的另一替代性實(shí)施方案；
[0020]圖7是根據(jù)本發(fā)明的概念的用來制造光電裝置的預(yù)合成材料的另一替代性實(shí)施方案；
[0021]圖8是低聚(亞噻吩基亞乙烯基)的多邊形分子式；
[0022]圖9是3’，4，3’，4’ -四[2-乙基己氧基]_2，2’ -并噻吩(PBEHTB)的多邊形分子式;
[0023]圖10是缺電子2，I, 3-苯并噻二唑的多邊形分子式；
[0024]圖11是PCBM的多邊形分子式；
[0025]圖12是二萘嵌苯-3，4，9，10-四羧基-雙苯并咪唑(PTCBI)的多邊形分子式；以及
[0026]圖13是一種PRNM(R6G衍生物)的多邊形分子式。
【具體實(shí)施方式】
[0027]附圖的圖1示出一般用數(shù)字10表示的聚合物光電裝置。兩部件光電裝置10包括陽(yáng)極20和陰極30，所述陽(yáng)極20和陰極30充當(dāng)電觸點(diǎn)或電極。在一個(gè)方面中，陽(yáng)極20可包括高功函數(shù)材料，如氧化銦錫(ITO)，而陰極30可包括低功函數(shù)材料，如鈣、鋇、鋁或銀，以便實(shí)現(xiàn)帶隙對(duì)齊。空穴傳輸材料40或電子供體(D)被提供為與陽(yáng)極20接觸，而電子傳輸材料50或電子受體(A)被定位成與空穴傳輸材料40和陰極30接觸。在一個(gè)方面中，空穴傳輸材料40可包括P型共軛聚合物和P型有機(jī)半導(dǎo)體材料，而電子傳輸材料50可包括η型共軛聚合物和η型有機(jī)半導(dǎo)體材料。
[0028]因此，為了實(shí)現(xiàn)提高的載流子收集效率和提高的光吸收量，光電裝置10中的每個(gè)有機(jī)部件40、50的最高所占用分子軌道(HOMO)和最低未占用分子軌道(LUMO)被配置成使得所述部件對(duì)齊，所述最高所占用分子軌道是半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)帶，所述最