Dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico con una capa de bloqueo de excitones.

Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico que comprende:

dos electrodos en una relación superpuesta;

una capa de transporte de huecos entre los dos electrodos, la capa de transporte de huecos formada por un primer material semiconductor orgánico fotoconductor;

una capa de transporte de electrones entre los dos electrodos y adyacente a la capa de transporte de huecos, la capa de transporte de electrones formada por un segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; y por lo menos una capa de bloqueo de excitones que está situada entre los dos electrodos y adyacente a por lo menos uno de los electrodos,

en el que la por lo menos una capa de bloqueo de excitones

- es de BCP, está situada entre la capa de transporte de electrones y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; o

- es uno del grupo que consiste en m-MTDATA o PEDOT, está situada entre la capa de transporte de huecos y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor.

Dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico con una capa de bloqueo de excitones Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles de película delgada orgánicos. De manera más específica, esta se dirige a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos, por ejemplo, células solares y fotodetectores de espectro visible, que tienen una capa de bloqueo de excitones.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos optoelectrónicos dependen de las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para o bien producir o bien detectar la radiación electromagnética de forma electrónica o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiente. Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten radiación electromagnética en electricidad. Las células solares, que también se conocen como dispositivos fotovoltaicos (FV), se usan de manera específica para generar potencia eléctrica. Los dispositivos FV se usan para accionar cargas que consumen potencia para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calefacción, o para operar equipo electrónico tal como ordenadores o equipo de supervisión o de comunicaciones a distancia. Estas aplicaciones de generación de potencia también comportan a menudo la carga de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía de tal modo que la operación del equipo puede continuar cuando no hay disponible iluminación directa alguna a partir del sol u otras fuentes de luz ambiente. Tal como se usa en el presente documento, la expresión "carga resistiva" hace referencia a cualquier dispositivo, equipo o sistema de consumo o de almacenamiento de potencia.

Tradicionalmente, los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se han construido de un número de semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, teluro de cadmio y otros. En el presente documento, la expresión "semiconductor" denota unos materiales que pueden conducir electricidad cuando se inducen portadores de carga mediante excitación térmica o electromagnética. La expresión "fotoconductor" se refiere en general al proceso en el que se absorbe energía radiante electromagnética y, de ese modo, se convierte en energía de excitación de portadores de carga eléctrica de tal modo que los portadores pueden conducir, es decir, transportar, carga eléctrica en un material. Las expresiones "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en el presente documento para hacer referencia a materiales semiconductores que se eligen por su propiedad de absorción de radiación electromagnética de unas energías espectrales seleccionadas para generar portadores de carga eléctrica. Las células solares están caracterizadas por la eficiencia con la que estas pueden convertir la potencia solar incidente en una potencia eléctrica útil. Los dispositivos que utilizan silicio cristalino o amorfo dominan las aplicaciones comerciales y algunos han conseguido unas eficiencias de un 23 % o más grandes. No obstante, los dispositivos basados en materiales cristalinos eficientes, en especial de gran área superficial, son difíciles y costosos de producir debido a los problemas inherentes en la producción de cristales grandes sin unos defectos significativos que deterioren de la eficiencia. Por otro lado, los dispositivos de silicio amorfo de alta eficiencia aún adolecen de problemas con la estabilidad. Las células de silicio amorfo comercialmente disponibles en la actualidad tienen unas eficiencias estabilizadas entre un 4 y un 8 %. Esfuerzos más recientes se han centrado en el uso de células fotovoltaicas orgánicas para conseguir unas eficiencias de conversión fotovoltaica aceptables con unos costes de producción económicos.

Por lo general, los dispositivos FV tienen la propiedad de que, cuando estos están conectados de un lado a otro de una carga y se irradian mediante luz, estos producen un voltaje fotogenerado. Cuando se irradia sin carga electrónica externa alguna, un dispositivo FV genera su máximo voltaje posible, V de circuito abierto, o Voc- Si un dispositivo FV se irradia con sus contactos eléctricos cortocircuitados, se produce una corriente de cortocircuito, o Isc, máxima. Cuando se usa en la práctica para generar potencia, un dispositivo FV se conecta a una carga resistiva finita y la salida de potencia viene dada por el producto de corriente y voltaje, I x V. La máxima potencia total que se genera por un dispositivo FV es inherentemente incapaz de superar el producto, Isc x Voc- Cuando el valor de carga se optimiza para una máxima extracción de potencia, la corriente y el voltaje tienen, respectivamente, unos valores Imáx y Vmáx- Un factor de calidad para las células solares es el factor de relleno ff, que se define como:

I. V ,

max max

1 V Jscr oc

)

en la que ff es siempre menor que 1 debido a que, durante el uso real, Isc y Voc nunca se obtienen de forma simultánea. Sin embargo, a medida que ff se aproxima a 1, el dispositivo es más eficiente.

Cuando una radiación electromagnética de una energía apropiada es incidente sobre un material orgánico semiconductor, por ejemplo, un material de cristal molecular orgánico (OMC, organic molecular crystal), o un polímero, un fotón puede absorberse para producir un estado molecular excitado. Esto se representa de forma simbólica como So + /tv=>S*. En el presente caso, So y So* denotan unos estados moleculares no excitado y

excitado, respectivamente. Esta absorción de energía está asociada con la promoción de un electrón desde un estado de enlace en la banda de valencia, que puede ser un enlace n, a la banda de conducción, que puede ser un enlace jt*, o de forma equivalente, la promoción de un hueco desde la banda de conducción a la banda de valencia. En los fotoconductores de película delgada orgánicos, se cree en general que el estado molecular generado es un excitón, es decir, un par de electrón - hueco en un estado de enlace que se transporta como una cuasipartícula. Los excitones pueden tener un periodo de vida apreciable antes de una recombinación geminada, que hace referencia al proceso de que el electrón y el hueco originales se recombinen uno con otro en contraposición a la recombinación con huecos o electrones a partir de otros pares. Para producir una fotocorriente, el par de electrón - hueco ha de quedar separado. Si las cargas no se separan, estas puede recombinarse en un proceso de recombinación de geminación, que también se conoce como desactivación, o bien de forma radiativa -- volviendo a emitir luz de una energía inferior a la de la luz incidente -, o bien de forma no radiativa - con la producción de calor.

Ninguno de estos resultados es deseable en un dispositivo optoelectrónico fotosensible. A pesar de que la ionización, o disociación, de excitones no se entiende completamente, en general se cree que esta tiene lugar en los defectos, impurezas, contactos, superficies de contacto u otras inhomogeneidades. Con frecuencia, la ionización tiene lugar en el campo eléctrico que se induce en torno a un defecto en el cristal, que se denota, M. Esta reacción se denota S* + M => e' + h'. Si la ionización tiene lugar en un defecto aleatorio en una región de material sin un campo eléctrico global, probablemente se recombinará un par de electrón - hueco generado. Para conseguir una fotocorriente útil, el electrón y el hueco han de captarse por separado en electrodos opuestos respectivos, a los que con frecuencia se hace referencia como contactos. La disociación de excitones tiene lugar o bien en regiones de campo eléctrico elevado por emisión de campo, o bien en una superficie de contacto entre, por ejemplo, materiales de tipo donador y de tipo aceptor tales como ftalocianina de cobre (CuPc) y bis-bencimidazol 3,4,9,1- perilenotetracarboxílico (PTCBI), mediante transferencia de carga. Esto último puede verse como una reacción química exotérmica, es decir, una reacción en la que una cierta energía se libera como energía de vibración. Esta reacción tiene lugar debido a que la separación energética de los excitones disociados, es decir, la diferencia de energía entre el electrón libre en, por ejemplo, PTCBI, y el hueco libre en, por ejemplo, CuPc, es más pequeña que la energía del excitón antes de la disociación.

Los campos eléctricos o inhomogeneidades en un contacto pueden dar lugar a que un excitón se desactive en lugar de disociarse, dando como resultado una no contribución neta a la corriente. Por lo tanto, se desea mantener los excitones fotogenerados lejos de los contactos. Esto tiene el efecto de limitar la difusión de excitones a la región cerca de la unión de tal modo que el campo eléctrico... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico que comprende:

dos electrodos en una relación superpuesta;

una capa de transporte de huecos entre los dos electrodos, la capa de transporte de huecos formada por un primer material semiconductor orgánico fotoconductor;

una capa de transporte de electrones entre los dos electrodos y adyacente a la capa de transporte de huecos, la capa de transporte de electrones formada por un segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; y por lo menos una capa de bloqueo de excitones que está situada entre los dos electrodos y adyacente a por lo menos uno de los electrodos,

en el que la por lo menos una capa de bloqueo de excitones

- es de BCP, está situada entre la capa de transporte de electrones y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; o

- es uno del grupo que consiste en m-MTDATA o PEDOT, está situada entre la capa de transporte de huecos y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la por lo menos una capa de bloqueo de excitones es una primera capa de bloqueo de excitones y una segunda capa de bloqueo de excitones,

en el que la primera capa de bloqueo de excitones es de BCP, está situada entre la capa de transporte de electrones y el electrodo adyacente a la primera capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor, y

en el que la segunda capa de bloqueo de excitones es uno del grupo que consiste en m-MTDATA o PEDOT, está situada entre la capa de transporte de huecos y el electrodo adyacente a la segunda capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor.

3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor y el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor se seleccionan para tener sensibilidad espectral en el espectro visible.

4. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la capa de transporte de electrones es de PTCBI.

5. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la capa de transporte de huecos es de CuPc.

6. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la capa de transporte de electrones, la capa de transporte de

huecos y la por lo menos una capa de bloqueo de excitones están dispuestas entre dos superficies reflectantes

planas paralelas que forman una guía de ondas.

7. El dispositivo de la reivindicación 6, en el que una de las dos superficies reflectantes tiene un orificio para admitir luz incidente sobre el dispositivo.

8. El dispositivo de la reivindicación 6, que tiene una abertura transparente entre las dos superficies reflectantes de tal modo que la luz es admitida en el dispositivo desde una dirección en paralelo con respecto a los planos de las superficies reflectantes.

9. Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico apilado que comprende:

una pluralidad de subcélulas optoelectrónicas fotosensibles, en el que por lo menos una subcélula comprende dos electrodos en una relación superpuesta; una capa de transporte de huecos entre los dos electrodos, la capa de transporte de huecos formada por un primer material semiconductor orgánico fotoconductor; una capa de transporte de electrones entre los dos electrodos y adyacente a la capa de transporte de huecos, la capa de transporte de electrones formada por un segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; y por lo menos una capa de bloqueo de excitones que está situada entre los dos electrodos y adyacente a por lo menos uno de los electrodos,

en el que la por lo menos una capa de bloqueo de excitones

- es de BCP, está situada entre la capa de transporte de electrones y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; o

- es uno del grupo que consiste en m-MTDATA o PEDOT, está situada entre la capa de transporte de huecos y el electrodo adyacente a la capa de bloqueo de excitones, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor.

1. El dispositivo de la reivindicación 9, en el que la capa de transporte de electrones incluye PTCBI y la capa de transporte de huecos incluye CuPc.

11. Un fotodetector orgánico que comprende:

un cátodo y un ánodo en una relación superpuesta;

una pluralidad de pares de una capa de transporte de huecos formada por un primer material semiconductor orgánico fotoconductor adyacente a una capa de transporte de electrones formada por un segundo material semiconductor orgánico fotoconductor, los pares dispuestos entre el cátodo y el ánodo; y 1 una capa de bloqueo de excitones que está dispuesta entre uno del cátodo y el ánodo, y la pluralidad de pares, en el que la capa de bloqueo de excitones

- es de BCP, está dispuesta entre el cátodo y la pluralidad de pares, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el segundo material semiconductor orgánico fotoconductor; o 15 - es uno del grupo que consiste en m-MTDATA o PEDOT, está dispuesta entre el ánodo y la pluralidad de

pares, y tiene una brecha de energía de HOMO - LUMO más grande que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor.

12. El dispositivo de la reivindicación 11, en el que el primer material semiconductor orgánico fotoconductor y el 2 segundo material semiconductor orgánico fotoconductor se seleccionan para tener sensibilidad espectral en el

espectro visible.

13. El dispositivo de la reivindicación 11, en el que cada capa de transporte de huecos es de CuPc y cada capa de transporte de electrones es de PTCBI.

14. El dispositivo de la reivindicación 11, en el que la pluralidad de pares es por lo menos de 5 pares.

15. El dispositivo de la reivindicación 11, en el que la pluralidad de pares es por lo menos de 1 pares.