DISPOSITIVOS FOTOSENSIBLES ORGANICOS APILADOS.
Un dispositivo (200) que comprende:
un ánodo (220);
un cátodo (260);
una pluralidad de regiones orgánicas fotoactivas apiladas (230, 250) dispuesta entre el ánodo (220) y el cátodo (260) y conectada eléctricamente a los mismos, comprendiendo cada región fotoactiva un material orgánico receptor (231, 251) y un material orgánico donante (233, 253); caracterizado por
una capa (234, 254) de bloqueo de los excitones proporcionada en más de una de la pluralidad de regiones orgánicas fotoactivas apiladas, estando dispuesta cada capa de bloqueo de los excitones adyacente y en contacto físico directo con el material orgánico receptor de la respectiva región orgánica fotoactiva,
en el que un LUMO de cada capa de bloqueo de los excitones distinta de la capa de bloqueo de los excitones más cercana al cátodo (260) no es más de aproximadamente 0,3 eV mayor que un LUMO del material receptor adyacente
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08011338.
Solicitante: THE TRUSTEES OF PRINCETON UNIVERSITY.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: P.O. BOX 36,PRINCETON, NJ 08544.
Inventor/es: FORREST,STEPHEN R., RAND,BARRY,P, XUE,JIANGENG, UCHIDA,SOICHI.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 2 de Agosto de 2005.
Fecha Concesión Europea: 16 de Junio de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L27/30B2
- H01L51/00A8
- H01L51/42F2
- H01L51/42H
Clasificación PCT:
- H01L27/00 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores o de otros componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común (detalles H01L 23/00, H01L 29/00 - H01L 51/00; conjuntos que consisten en una pluralidad de dispositivos de estado sólido individuales H01L 25/00).
- H01L51/42 H01L […] › H01L 51/00 Dispositivos de estado sólido que utilizan materiales orgánicos como parte activa, o que utilizan como parte activa una combinación de materiales orgánicos con otros materiales; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dichos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes formados en o sobre un sustrato común H01L 27/28; dispositivos termoeléctricos que utilizan material orgánico H01L 35/00, H01L 37/00; elementos piezoeléctricos, magnetoestrictivos o electroestrictivos que utilizan material orgánico H01L 41/00). › especialmente adaptados para detectar radiación infrarroja, luz, radiación electromagnética de menor longitud de onda o radiación corpuscular; especialmente adaptados bien para la conversión en energía eléctrica de la energía de dicha radiación o bien para el control de energía eléctrica mediante dicha radiación.
Países PCT: Alemania, España, Francia, Reino Unido.
Fragmento de la descripción:
Dispositivos fotosensibles orgánicos apilados.
Campo de la invención
La presente invención versa, en general, acerca de dispositivos optoelectrónicos orgánicos fotosensibles. Más específicamente, está dirigida a dispositivos optoelectrónicos orgánicos fotosensibles que tienen una eficiencia aumentada.
Antecedentes de la invención
Los dispositivos optoelectrónicos se valen de las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales o bien para producir o para detectar electrónicamente radiación electromagnética o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética del entorno.
Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en electricidad. Las células solares, denominadas también dispositivos fotovoltaicos (FV), son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos FV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes lumínicas distintas de la luz solar, puede usarse para alimentar cargas consumidoras de energía, por ejemplo, de alumbrado, calefacción o para alimentar circuitería o dispositivos electrónicos como calculadoras, radios, ordenadores o monitorización remota o equipos de comunicaciones. Estas aplicaciones de generación de energía implican a menudo también la carga de baterías o de otros dispositivos de almacenamiento de energía, de modo que el funcionamiento pueda proseguir cuando no esté disponible la iluminación directa del sol o de otras fuentes lumínicas, o para equilibrar la potencia de salida del dispositivo FV con los requisitos de una aplicación específica. Tal como se usa en el presente documento, la expresión "carga resistiva" se refiere a cualquier circuito, dispositivo, equipo o sistema que consuma o almacene energía.
Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es una célula fotoconductora. En esta función, una circuitería de detección de señales monitoriza la resistencia del dispositivo a la detección de cambios debidos a la absorción de la luz.
Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es un fotodetector. En funcionamiento, un fotodetector se usa en unión con un circuito detector de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector se expone a la radiación electromagnética, y puede tener aplicada una tensión de polarización. Un circuito detector como el que se describe en el presente documento es capaz de proporcionan una tensión de polarización a un fotodetector y de medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética.
Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles pueden clasificarse según si está presente una unión rectificadora tal como se define más abajo y también según si el dispositivo funciona con una tensión externa que se le aplica, también denominada polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y, normalmente funciona con una polarización. Un dispositivo FV tiene al menos una unión rectificadora y funciona sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y, normalmente, aunque no siempre, funciona con una polarización. Como regla general, una célula fotovoltaica proporciona energía a un circuito, un dispositivo o un equipo, pero no proporciona una señal ni una corriente para controlar un circuito de detección, ni la salida de información de la circuitería de detección. En cambio, un fotodetector o un fotoconductor proporcionan una señal o una corriente para controlar la circuitería de detección o la salida de información de la circuitería de detección, pero no proporciona energía a un circuito, un dispositivo o un equipo.
Tradicionalmente, los dispositivos fotosensibles optoelectrónicos se han construido de varios semiconductores inorgánicos, por ejemplo, de silicio cristalino, policristalino y amorfo, de arseniuro de galio, de telururo de cadmio y otros. En el presente documento, el término "semiconductor" denota materiales que conducen la electricidad cuando se inducen los portadores de carga mediante excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" generalmente se refiere al procedimiento en el que se absorbe energía electromagnética radiante y es convertida con ello en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica para que los portadores puedan conducir, es decir, transportar, una carga eléctrica en un material. Las expresiones "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en el presente documento para referirse a materiales semiconductores que se escogen por su propiedad de absorber la radiación electromagnética para generar portadores de cargas eléctricas.
Los dispositivos FV pueden clasificarse por la eficiencia con la que pueden convertir la energía solar incidente en energía eléctrica útil. Los dispositivos que utilizan silicio cristalino o amorfo dominan las aplicaciones comerciales, y algunos han logrado eficiencias del 23% o mayores. Sin embargo, los dispositivos eficientes de base cristalina, especialmente de gran área superficial, son difíciles y caros de producir debido a los problemas inherentes en la producción de grandes cristales sin defectos significativos que degradan la eficiencia. Por otra parte, los dispositivos de silicio amorfo de gran eficiencia siguen sufriendo problemas de estabilidad. Las células de silicio amorfo comercialmente disponibles en la actualidad tienen eficiencias estabilizadas entre el 4 y el 8%. Los empeños más recientes se han centrado en el uso de células fotovoltaicas orgánicas para lograr eficiencias de conversión fotovoltaica aceptables con costes de producción económicos.
Los dispositivos FV pueden optimizarse para una máxima generación de energía eléctrica en condiciones de iluminación estándar (por ejemplo, situaciones estándar de ensayo, que son 1000 W/m2, iluminación espectral AM1.5) para el producto máximo de la fotocorriente multiplicada por la fototensión. La eficiencia de la conversión de energía de tal célula bajo condiciones de iluminación estándar depende de los siguientes tres parámetros: (1) la corriente bajo polarización cero, es decir, la corriente ICC de cortocircuito, (2) la fototensión en condiciones de circuito abierto, la tensión VCA de circuito abierto, y (3) el factor de forma, ff.
Los dispositivos FV producen una corriente fotogenerada cuando se conectan entre los extremos de una carga y se irradian con luz. Cuando se irradia bajo una carga infinita, un dispositivo FV genera su máxima tensión posible, V de circuito abierto, o VCA. Cuando se irradia con sus contactos eléctricos cortocircuitados, un dispositivo FV genera su máxima corriente posible I de cortocircuito, o ICC. Cuando se usa realmente para generar energía, un dispositivo FV está conectado a una carga resistiva finita, y la producción de energía está dada por el producto de la corriente y la tensión, I × V. La máxima energía total generada por un dispositivo FV es inherentemente incapaz de superar el producto ICC × VCA. Cuando el valor de la carga se optimiza para una extracción máxima de energía, la corriente y la tensión tienen los valores Imáx y Vmáx, respectivamente.
Una cifra de mérito para los dispositivos FV es el factor de forma, ff, definido como:
en la que ff es siempre menos de 1, ya que ICC y VCA nunca se obtienen simultáneamente en el uso real. No obstante, a medida que ff se acerca a 1, el dispositivo tiene menos resistencia en serie o interna y, así, suministra un porcentaje mayor del producto de ICC y VCA a la carga bajo condiciones óptimas. Cuando Pinc es la potencia incidente en un dispositivo, la eficiencia de la potencia del dispositivo, ?P, puede calcularse mediante:
Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide en un material semiconductor orgánico, por ejemplo un cristal molecular orgánico (OMC), o un polímero, puede absorberse un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa simbólicamente como S0 + hv
Reivindicaciones:
1. Un dispositivo (200) que comprende:
un ánodo (220);
un cátodo (260);
una pluralidad de regiones orgánicas fotoactivas apiladas (230, 250) dispuesta entre el ánodo (220) y el cátodo (260) y conectada eléctricamente a los mismos, comprendiendo cada región fotoactiva un material orgánico receptor (231, 251) y un material orgánico donante (233, 253); caracterizado por
una capa (234, 254) de bloqueo de los excitones proporcionada en más de una de la pluralidad de regiones orgánicas fotoactivas apiladas, estando dispuesta cada capa de bloqueo de los excitones adyacente y en contacto físico directo con el material orgánico receptor de la respectiva región orgánica fotoactiva,
en el que un LUMO de cada capa de bloqueo de los excitones distinta de la capa de bloqueo de los excitones más cercana al cátodo (260) no es más de aproximadamente 0,3 eV mayor que un LUMO del material receptor adyacente.
2. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que cada región fotoactiva comprende, además:
una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material orgánico receptor y un material orgánico donante;
una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en el que la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material orgánico donante de la primera capa orgánica; y
una tercera capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en el que la tercera capa orgánica comprende una capa no mezclada del material orgánico receptor de la primera capa orgánica;
en el que cada capa de bloqueo de los excitones está dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la tercera capa orgánica.
3. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que cada región fotoactiva comprende, además:
una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material orgánico receptor y un material orgánico donante; y
una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en el que la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material orgánico donante de la primera capa orgánica;
en el que cada capa de bloqueo de los excitones está dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la primera capa orgánica.
4. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que cada región fotoactiva consiste en:
una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material orgánico receptor y un material orgánico donante; y
una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica, en el que la segunda capa orgánica comprende una capa no mezclada del material orgánico receptor de la primera capa orgánica;
en el que cada capa de bloqueo de los excitones está dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la segunda capa orgánica.
5. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que cada región fotoactiva comprende, además:
una primera capa orgánica que comprende una capa no mezclada de un material orgánico receptor; y
una segunda capa orgánica en contacto directo con la primera capa orgánica que comprende una capa no mezclada del material orgánico donante;
en el que cada capa de bloqueo de los excitones está dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la primera capa orgánica.
6. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que cada región fotoactiva consiste en:
una primera capa orgánica que comprende una mezcla de un material orgánico receptor y un material orgánico donante,
en el que cada capa de bloqueo de los excitones está dispuesta adyacente y en contacto físico directo con la primera capa orgánica.
7. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes que, además, comprende una zona de recombinación de cargas dispuesta entre cada par adyacente de regiones orgánicas fotoactivas apiladas y eléctricamente conectada al mismo.
8. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que el material de la capa de bloqueo de los excitones más cercana al cátodo comprende BCP, y un material de todas las demás capas de bloqueo de los excitones comprende PTCBI.
9. El dispositivo (200) de las reivindicaciones 7 u 8 en el que la zona de recombinación de cargas comprende una capa de un material orgánico con dopaje p que tiene nanopartículas dispersas en el mismo.
10. El dispositivo (200) de la reivindicación 9 en el que el material orgánico con dopaje p es m-MTDATA dopada con F4-TCNQ o BTQBT dopado con PTCDA.
11. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que el material orgánico donante de cada región orgánica fotoactiva es CuPc y el material orgánico receptor de cada región orgánica fotoactiva es C60.
12. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que un LUMO de un material de bloqueo de los excitones más cercano al cátodo no es más de aproximadamente 0,3 eV mayor que un LUMO del material receptor adyacente.
13. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que un LUMO de un material de bloqueo de los excitones más cercano al cátodo es más de aproximadamente 0,3 eV mayor que un LUMO del material receptor adyacente.
14. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que cada uno de los materiales orgánicos receptores está seleccionado de un grupo constituido por: fullerenos, perilenos, sistemas moleculares conjugados catacondensados, pireno, coroneno y variantes funcionalizadas de los mismos.
15. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que cada uno de los materiales orgánicos donantes está seleccionado de un grupo constituido por: porfirinas que contienen metales, porfirinas libres de metal, rubreno, ftalocianinas que contienen metales, ftalocianinas libres de metal, diaminas y variantes funcionalizadas de los mismos, incluyendo naftalocianinas.
16. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que el dispositivo es un dispositivo fotovoltaico o un fotodetector.
17. El dispositivo (200) de la reivindicación 14 en el que los sistemas moleculares conjugados catacondensados incluyen poliacenos lineales.
18. El dispositivo (200) de la reivindicación 1 en el que la pluralidad de regiones orgánicas fotoactivas apiladas comprende:
una primera región orgánica fotoactiva que comprende un primer material orgánico receptor y un primer material orgánico donante; y
una segunda región orgánica fotoactiva que comprende un segundo material orgánico receptor y un segundo material orgánico donante,
en el que el primer material orgánico receptor, el primer material orgánico donante, el segundo material orgánico receptor y el segundo material orgánico donante son materiales diferentes.
19. El dispositivo (200) de una de las reivindicaciones precedentes en el que dicho dispositivo es uno de un dispositivo de heterounión híbrida planar mixta o un dispositivo de heterounión masiva.
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