Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico que comprende una región orgánica fotoactiva (260) que contiene nanopartículas (250) que presentan resonancias de plasmón caracterizado porque dichas nanopartículas están encapsuladas

Dispositivos fotosensibles orgánicos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, se refiere a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen nanopartículas.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos optoelectrónicos dependen de las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o detectar radiación electromagnética electrónicamente o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiente.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en electricidad. Las celdas solares, denominadas también dispositivos fotovoltaicos (PV), son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes luminosas distintas de la luz del sol, pueden usarse para dirigir las cargas de consumo eléctrico para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calefacción o para conectar un circuito electrónico o dispositivos tales como calculadoras, radios, ordenadores o equipo de control remoto o de comunicaciones. Estas aplicaciones de generación de energía a menudo implican la carga de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía de manera que la operación puede continuar cuando la iluminación directa desde el sol u otras fuentes de luz no está disponible, o equilibrar la producción de energía del dispositivo PV con unos requisitos de aplicación específicos. Como se usa en el presente documento, el término "carga resistida" se refiere a cualquier circuito, dispositivo, equipo o sistema que consuma o almacene energía.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es una celda fotoconductora. En esta función, el circuito de detección de señales controla la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la absorción de luz.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es un fotodetector. Durante la operación se usa un fotodetector junto un circuito de detección de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector se expone a radiación electromagnética y puede tener una tensión de polarización aplicada. Un circuito de detección como se describe en el presente documento es capaz de proporcionar una tensión de polarización a un fotodetector y medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética.

Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles pueden caracterizarse de acuerdo con si una unión de rectificación como se define más adelante está presente o no y también de acuerdo con si el dispositivo funciona o no con una tensión externa aplicada, conocida también como polarización o tensión de polarización. Una celda fotoconductora no tiene una unión de rectificación y normalmente funciona con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión de rectificación y funciona sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión de rectificación y normalmente, pero no siempre, funciona con una polarización. Como regla general, una celda fotovoltaica proporciona energía a un circuito, dispositivo o equipo, pero no proporciona una señal o corriente a un circuito de detección de control, o la salida de información desde el circuito de detección. En contraste, un fotodetector o fotoconductor proporciona una señal o corriente para controlar el circuito de detección, o la salida de información desde el circuito de detección pero no proporciona energía al circuito, dispositivo o equipo.

Tradicionalmente, los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se han construido de numerosos semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, telururo de cadmio y otros. En el presente documento el término "semiconductor" denota materiales que pueden conducir la electricidad cuando se introducen portadores de carga mediante excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" generalmente se refiere al procedimiento en el que la energía radiante electromagnética se absorbe y, de esta manera, se convierte en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica de manera que los portadores pueden conducir, es decir, transportar carga eléctrica en un material. Los términos "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en el presente documento para referirse a materiales semiconductores que se eligen por sus propiedades de absorción de la radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica.

Los dispositivos PV pueden caracterizarse por la eficacia con la que pueden convertir la energía solar incidente en energía eléctrica útil. Los dispositivo que utilizan silicio cristalino o amorfo dominan las aplicaciones comerciales y algunos han conseguido eficacias del 23% o mayores. Sin embargo, los dispositivos basados en material cristalino eficaces, 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 degraden la eficacia. Por otro lado, los dispositivos de silicio amorfo altamente eficaces aún padecen problemas de estabilidad. Las presentes celdas de silicio amorfo disponibles en el mercado tienen eficacias estabilizadas entre el 4 y el 8%. Los esfuerzos más recientes se han centrado en el uso de celdas fotovoltaicas orgánicas para conseguir eficacias de conversión fotovoltaica aceptables con costes de producción económicos.

Los dispositivos PV pueden optimizarse para una generación de energía eléctrica máxima en condiciones de iluminación convencionales (es decir, condiciones de ensayo convencionales que son 1000 W/m², iluminación espectral AM1.5), para el producto máximo de fotocorriente por la fototensión. La eficacia de conversión de energía de dicha celda en condiciones de iluminación convencionales depende de los siguientes tres parámetros: (1) la corriente a polarización cero, es decir, la corriente de cortocircuito I_SC, (2) la fototensión en condiciones de circuito abierto, es decir, la tensión de circuito abierto V_OC y (3) el factor de forma, ff.

Los dispositivos PV producen una corriente fotogenerada cuando se conectan a través de una carga y se irradian con luz. Cuando se irradia a una carga infinita, un dispositivo PV genera su máxima tensión posible, V circuito abierto o V_OC. Cuando se irradia con sus contactos eléctricos cortocircuitados, un dispositivo PV genera su máxima corriente posible, I cortocircuito o I_SC. Cuando realmente se usa para generar energía, un dispositivo PV se conecta a una carga resistiva finita y la salida de energía se da por el producto de la corriente y la tensión, I x V. La energía total máxima generada por un dispositivo PV es inherentemente incapaz de superar el producto I_SC x V_OC. Cuando el valor de la carga se optimiza para una extracción de energía máxima, la corriente y la tensión tienen los valores I_máx y V_máx, respectivamente.

Una cifra meritoria para los dispositivos PV es el factor de forma, ff, definido como:

en la que ff siempre es menor de 1, puesto que I_SC y V_OC nunca se obtienen simultáneamente en el uso real. Independientemente de ello, a medida que ff se aproxima a 1, el dispositivo tiene menos resistencia en serie o interna y, por lo tanto, suministra un mayor porcentaje de producto de I_SC y V_OC a la carga en condiciones óptimas. En la que P_inc es la energía incidente sobre un dispositivo, la eficacia energética del dispositivo 0_P puede calcularse mediante:

Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide sobre un material orgánico semiconductor, por ejemplo, un material de cristal molecular orgánico (OMC), o un polímero, puede absorberse un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa simbólicamente como S₀ + hv ? S₀*. Aquí S₀ y S₀* denotan los estados moleculares fundamental y excitado, respectivamente. Esta absorción de energía está asociada con la promoción...

1. Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico que comprende una región orgánica fotoactiva (260) que contiene nanopartículas (250) que presentan resonancias de plasmón caracterizado porque dichas nanopartículas están encapsuladas.

2. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que las nanopartículas están constituidas por metal, están encapsuladas dentro de un óxido, están encapsuladas dentro de un material aislante o están distribuidas por toda la región fotoactiva.

3. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la región fotoactiva comprende una primera subcelda (210), comprendiendo adicionalmente la primera subcelda:

quaduna primera capa dadora; y quaduna primera capa aceptora en contacto físico directo con la primera capa dadora.

4. El dispositivo de la reivindicación 3 en el que la región fotoactiva comprende adicionalmente una segunda subcelda (220), comprendiendo adicionalmente la segunda subcelda:

quaduna segunda capa dadora; y quaduna segunda capa aceptora en contacto físico indirecto con la primera capa dadora, en el que quadla segunda subcelda (220) está dispuesta entre la primera subcelda (210) y el segundo electrodo (240).

5. El dispositivo de la reivindicación 3 en el que las nanopartículas están dispuestas dentro de la primera capa aceptora y la primera capa dadora.

6. El dispositivo de la reivindicación 4 en el que las nanopartículas están dispuesta entre la primera subcelda (210) y la segunda subcelda (220).

7. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que las nanopartículas no son esféricas.

8. El dispositivo de la reivindicación 7 en el que la región fotoactiva (260) es plana y el eje más largo de cada nanopartícula es aproximadamente paralelo al plano de la región fotoactiva.

9. El dispositivo de la reivindicación 7 en el que la proporción axial de cada nanopartícula no es menor de aproximadamente 0,1.

10. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la separación de superficie a superficie promedio entre nanopartículas no es mayor de aproximadamente 30 nm (300 Å).

11. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el eje más pequeño de cada nanopartícula no es mayor de aproximadamente 30 nm (300 Å).

12. El dispositivo de la reivindicación 2 en el que el espesor del material aislante no es menor de aproximadamente 1 nm (10 Å).

13. El dispositivo de la reivindicación 2 en el que el espesor del material aislante no es mayor de aproximadamente 10 nm (100 Å).

14. El dispositivo de la reivindicación 2 en el que las nanopartículas comprenden Ag, Au o Cu.

15. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la región fotoactiva comprende una heterounión masiva.

16. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la región fotoactiva comprende un material sensibilizado a colorante.

17. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que las nanopartículas comprenden un material conductor.

18. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que las nanopartículas comprenden un material semiconductor.

19. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que las nanopartículas comprenden un semiconductor degenerativo dopado.