Células fotovoltaicas orgánicas que usan una capa de sensibilización ultradelgada.

Un dispositivo fotosensible que comprende:

un primer electrodo y un segundo electrodo;

una pluralidad de materiales fotoconductores orgánicos dispuestos en una pila entre el primer electrodo y elsegundo electrodo incluyendo una primera capa continua (152) de material anfitrión donador;

una segunda capa continua (154) de material anfitrión aceptor; y

al menos un material fotoconductor orgánico distinto, dispuesto como una pluralidad de islas discontinuas(1002, 2380a, 2380b) entre la primera capa continua (152) y la segunda capa continua (154), teniendo cadauno de dicho al menos un material fotoconductor distinto un espectro de absorción diferente que el materialanfitrión donador y el material anfitrión aceptor;

caracterizado por que cada una de las islas discontinuas (1002, 2380a, 2380b) consiste básicamente en uncristalito del respectivo material fotoconductor orgánico, no teniendo ningún cristalito una dimensión mayor de100 nm.

Células fotovoltaicas orgánicas que usan una capa de sensibilización ultradelgada Campo de la invención La presente invención se refiere generalmente a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, se dirige a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que incluyen una capa activa de baja movilidad ultradelgada que es receptiva al infrarrojo cercano.

Antecedentes Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales que producen o detectan radiación electromagnética electrónicamente o que generan electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiente.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en una señal eléctrica o en electricidad. Las células solares, también denominadas dispositivos fotovoltaicos ("PV") , son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa junto con circuitería de detección de señal que monitoriza la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la luz absorbida. Los fotodetectores, que pueden recibir una tensión de polarización aplicada, son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa junto con circuitos de detección de corriente que miden la corriente generada cuando el fotodetector se expone a la radiación electromagnética Existen tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles que se pueden distinguir si está presente una unión rectificadora tal como se define más adelante y también si el dispositivo opera con una tensión externa aplicada, también conocida como polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene unión rectificadora y opera normalmente con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión rectificadora y opera sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y opera habitualmente, pero no siempre, con una polarización.

Como se usa en el presente documento, el término "rectificadora" denota, entre otras cosas, que la interfase posee la característica de conducción asimétrica, es decir, la interfase soporta el transporte de carga electrónica preferentemente en una dirección. El término "semiconductor" designa materiales que pueden conducir la electricidad cuando se inducen portadores de carga mediante excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" se refiere generalmente al procedimiento en el que se absorbe la energía de una radiación electromagnética y después de esto se convierte en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica, de modo que los portadores puedan conducir (es decir, transportar) la carga eléctrica en un material. El término "material fotoconductor" se refiere a materiales semiconductores que se usan por su propiedad de absorber radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica. Como se usa en el presente documento, "parte superior" significa lo más alejado del sustrato, mientras que "fondo" significa lo más cerca del sustrato. Pueden existir capas intermedias, a menos que se especifique que la primera etapa esta "en contacto físico con" la segunda capa.

Cuando una radiación electromagnética de una energía apropiada incide en un material semiconductor orgánico, se puede absorber un fotón para producir un estado molecular excitado. Se cree generalmente que, en los materiales fotoconductores orgánicos, el estado molecular excitado es un "excitón”, es decir, un par electrón-hueco en un estado de unión que se transporta como una cuasipartícula. Un excitón puede tener una vida útil apreciable antes de formar un par por recombinación ("inactivación") , que se refiere a la recombinación del electrón y del hueco originales entre sí (a diferencia de la recombinación con huecos o electrones de otros pares) . Para producir una fotocorriente, el electrón-hueco que forma el excitón se separa normalmente en una unión rectificadora.

En el caso de los dispositivos fotosensibles, la unión rectificadora se denomina heterounión fotovoltaica. Los tipos de heterouniones fotovoltaicas orgánicas incluyen una heterounión donador-aceptor formada en una interfase de un material donador y un material aceptor, y una heterounión de barrera Schottky formada en la interfase de un material fotoconductor y un metal.

La Figura 1 es un diagrama de niveles de energía que ilustra un ejemplo de heterounión donador-aceptor. En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donador" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía del orbital molecular ocupado de mayor energía ("HOMO") y del orbital molecular vacío de menor energía ("LUMO") de dos materiales orgánicos en contacto pero diferentes. Si el nivel de energía del LUMO de un material en contacto con otro es inferior, entonces ese material es un aceptor. De lo contrario es un donador. Es favorable energéticamente, en ausencia de una polarización externa, que los electrones en una unión donadoraceptor se muevan hacia el material aceptor.

Como se usa en el presente documento, un primer nivel de energía de un HOMO o un LUMO es "mayor que" o "menor que" un segundo nivel de energía de un HOMO o un LUMO si el primer nivel de energía está más cerca del nivel de energía vacío 10. Un mayor nivel de energía de un HOMO corresponde a un potencial de ionización ("IP")

que tiene un valor absoluto de energía más pequeño con respecto al nivel vacío. De forma similar, un mayor nivel de energía de un LUMO corresponde a una afinidad electrónica ("EA") que tiene un valor absoluto de energía más pequeño con respecto al nivel vacío. En un diagrama convencional de niveles de energía, con el nivel vacío en la parte superior, el nivel de energía del LUMO de un material es mayor que el nivel energía del HOMO del mismo material.

Después de la absorción de un fotón 6 en el donador 152 o en el aceptor 154 se crea un excitón 8, y el excitón 8 se disocia en la interfase rectificadora. El donador 152 transporta el hueco (círculo sin rellenar) y el aceptor 154 transporta el electrón (círculo con relleno oscuro) .

Una propiedad importante de los semiconductores orgánicos es la movilidad de portadores. La movilidad mide la facilidad con la que un portador de carga se puede mover a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de los dispositivos fotosensibles orgánicos, un material que conduce de manera preferencial mediante electrones debido a una alta movilidad de electrones se puede denominar material de transporte de electrones. Un material que conduce de manera preferencial mediante huecos debido a una alta movilidad de huecos se puede denominar material de transporte de huecos. Una capa que conduce de forma preferencial mediante electrones, debido a la movilidad y/o posición del dispositivo, se puede denominar capa de transporte de electrones ("ETL") . Una capa que conduce de forma preferencial mediante huecos, debido a la movilidad y/o posición del dispositivo, se puede denominar capa de transporte de huecos ("HTL") . Preferentemente, pero no necesariamente, un material aceptor es un material de transporte de electrones y un donador es un material de transporte de huecos.

Se conoce bien en la técnica la forma de emparejar dos materiales fotoconductores orgánicos para que sirvan como donador y como aceptor en una heterounión fotovoltaica basada en las movilidades de portadores y a los niveles relativos de HOMO y LUMO, y no se aborda en el presente documento.

Una característica común de los semiconductores masivos, así como de los aislantes, es la "banda prohibida". La banda prohibida es la diferencia de energía entre el nivel de energía lleno de electrones más alto y el nivel de energía más bajo que está vacío. En un semiconductor inorgánico o en un aislante inorgánico, esta diferencia de energía es la diferencia entre el borde de la banda de valencia (la parte superior de la banda de valencia) y el borde de la banda de conducción (fondo de la banda de conducción) . En un semiconductor orgánico o en un aislante orgánico, esta diferencia de energía es la diferencia entre el HOMO y el LUMO. La banda prohibida de un material puro está desprovista de estados de energía en los que puedan existir electrones y huecos. Los únicos portadores disponibles para la conducción son los electrones y los huecos que tienen suficiente energía para que se puedan excitados a través de la banda prohibida. En general, los semiconductores tienen una banda prohibida relativamente pequeña en comparación con los aislantes.

En términos de un modelo de bandas de energía para los semiconductores orgánicos, solamente son portadores... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo fotosensible que comprende:

un primer electrodo y un segundo electrodo; una pluralidad de materiales fotoconductores orgánicos dispuestos en una pila entre el primer electrodo y el

segundo electrodo incluyendo una primera capa continua (152) de material anfitrión donador; una segunda capa continua (154) de material anfitrión aceptor; y al menos un material fotoconductor orgánico distinto, dispuesto como una pluralidad de islas discontinuas (1002, 2380a, 2380b) entre la primera capa continua (152) y la segunda capa continua (154) , teniendo cada uno de dicho al menos un material fotoconductor distinto un espectro de absorción diferente que el material

anfitrión donador y el material anfitrión aceptor; caracterizado por que cada una de las islas discontinuas (1002, 2380a, 2380b) consiste básicamente en un cristalito del respectivo material fotoconductor orgánico, no teniendo ningún cristalito una dimensión mayor de 100 nm.

2. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la primera capa continua (152) está en contacto directo con la segunda capa continua (154) entre las islas (1002, 2380a, 2380b) de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto.

3. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que un primer material fotoconductor orgánico de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto es una molécula pequeña.

4. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 3, en el que el material anfitrión donador y el material anfitrión 20 aceptor son moléculas pequeñas.

5. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que una banda prohibida de un primer material fotoconductor orgánico de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto es menor que una banda prohibida del material anfitrión donador y menor que una banda prohibida del material anfitrión aceptor.

6. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que una banda prohibida de un primer material

fotoconductor orgánico de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto es mayor que una banda prohibida del material anfitrión donador y mayor que una banda prohibida del material anfitrión aceptor.

7. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que una banda prohibida de un primer material fotoconductor orgánico de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto es intermedia a una banda prohibida del material anfitrión donador y una banda prohibida del material anfitrión aceptor.

8. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que un primer material fotoconductor orgánico de dicho al menos un material fotoconductor orgánico distinto tiene una movilidad de huecos de menos de 1 x 10-9 cm2/Vs y un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitudes de onda de 600 nm a 900 nm.

9. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que un primer material fotoconductor orgánico de dicho al

menos un material fotoconductor orgánico distinto se selecciona entre ftalocianina de estaño (II) (SnPc) y ftalocianina de plomo (PbPc) .

10. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 9, en el que el material anfitrión aceptor es C60.

11. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que un primer material fotoconductor orgánico de dicho al

menos un material fotoconductor orgánico distinto tiene un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a 40 través de una banda de longitudes de onda de 600 nm a 900 nm.

12. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente una superficie reflectora, en el que al menos una parte de las islas (1002, 2380a, 2380b) del primer material fotoconductor orgánico se dispone con una longitud de camino óptico de λ1•d + λ1/4 a partir de la superficie reflectora del dispositivo, en donde:

λ1 es una longitud de onda en la banda de longitudes de onda de 600 nm a 900 nm, 45 d es un número entero 0, y la superficie reflectora es reflectora de al menos un 50 % de la luz incidente a λ1.

13. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 12, en el que la superficie reflectora se proporciona mediante uno del primer electrodo, el segundo electrodo y un reflector.

14. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 12, siendo la pluralidad de materiales fotoconductores orgánicos

parte de una primera célula en una pila de células fotoactivas dispuestas entre el primer electrodo y el segundo electrodo, comprendiendo el dispositivo adicionalmente una segunda célula de la pila de células fotoactivas, comprendiendo la segunda célula al menos una heterounión donador-aceptor, en el que la primera célula y la segunda célula tienen diferentes características de absorción, siendo la absorción media de la primera célula mayor que la absorción media de la segunda célula en un intervalo de longitudes de onda λ1 ± 5 %, y siendo la absorción media de la segunda célula mayor que la absorción media de la primera célula en un intervalo de longitudes de onda λ2 ± 5 %, en donde λ1 λ2 +10 %.

15. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de islas discontinuas (2380a, 2380b) incluye islas (2380a) de un primer material fotoconductor de dicho al menos un material fotoconductor distinto e islas (2380b) de un segundo material fotoconductor de dicho al menos un material fotoconductor distinto, teniendo el primer material fotoconductor un espectro de absorción diferente que el segundo material fotoconductor.