CN102142522B - 一种采用金属吸收层的有机光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机光电器件技术领域，具体为一种采用金属吸收层的有机光电器件。本发明在原有的有机光电器件结构中，***金属吸收层Al，该金属吸收层Al的厚度为3~10nm。本发明发现并证实金属材料的光吸收能够促进有机光电器件中载流子的产生，从而填补了传统有机光电器件领域的一个认识盲区，为有机光电器件的性能改善开辟了新的途径。

Description

一种采用金属吸收层的有机光电器件
技术领域
本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种有机光电器件。
背景技术
有机光电器件，又称作有机太阳能电池器件，其光电转换效率一直远低于无机半导体太阳能电池。造成效率低下的主要原因在于有机材料的光生激子具有较高的束缚能，很难在热运动和内建电场的作用下解离成为自由的载流子。以往的有机太阳能电池一般采用电子给体-受体异质结的结构，利用异质结界面处高效的激子拆分过程，提升自由载流子的产生速率。但是光吸收的主要区域，通常并不是异质结界面附近的区域，这导致很多距离界面较远的光生激子被浪费。很多金属材料（如Al）对可见光具有极强的吸收，如果能够将这部分光吸收转化为自由载流子的产生，将对高效有机太阳能电池的结构设计带来很大方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电转换效率高的有机光电器件。
本发明提供的有机光电器件，是利用金属材料对太阳光的强吸收特性，以增加有机太阳能电池中光生载流子的数目，进而提升光电转换效率。
本发明所提出的有机光电器件的核心理论，是金属的光吸收有助于附近有机材料中自由载流子的产生。这一理论的数据支持，来自于发明人一系列的瞬态光电压实验结果。
在对于结构为ITO/CuPc/Al的有机光电器件的瞬态光电压研究中，发现随着Al的厚度由30nm增加至94nm，355nm激光从Al一侧入射时，瞬态光电压的强度仅仅由1.0V衰减至0.9V，如图2所示。理论计算表明94nm的Al对355nm激光的透射率只有10-7量级，如此低的透过率导致有机层基本没有任何光吸收。然而此时瞬态光电压信号却依然保持了较高的强度，这意味着有机层中产生了相当数量的自由载流子。根据前面的分析，光生载流子的能量来源是Al的光吸收。
进一步实验中，发明人设计了结构为ITO /Al (xnm) /NPB (500nm) /Au的器件，x分别为3,6,9。由于Au的功函数大于Al，内建电场由Al指向Au，因此瞬态光电压信号极性为负。实验结果如图3所示，随着Al的厚度从3nm增加至9nm，负信号极值几乎没有变化（~0.55V），而信号的寿命则大幅度延长。考虑到瞬态光电压主要来自于自由载流子在内建电场作用下的定向漂移，当自由载流子消耗殆尽，漂移电流迅速减少，反向扩散电流开始占据主导，信号呈现衰减趋势。因此信号寿命的增加，表明有更多的自由载流子在光照下产生，再次证明了Al的光吸收能够增加有机层中的自由载流子数目。
根据Al光吸收促进有机层内自由载流子产生的效应，本发明在原有有机太阳能电池器件中***金属吸收层Al。金属吸收层Al的厚度为3~10nm。例如选3—9 nm。鉴于金属Al的消光系数较大，以CuPc(20nm)/C60(40nm)结构的传统异质结结构为例，Al***层能够保证光场在该层附近具有极高的分布，从而提高光吸收和电荷分离的效率。
相比传统的有机太阳能电池器件，本发明的优点在于充分利用了金属对太阳光的强吸收。由于有机材料的载流子迁移率较低，非串联器件的薄膜厚度一般只有不到100nm，从而制约了材料对光的吸收。本发明在一定程度上可以克服一定缺陷。根据现有的瞬态光电压实验结果，本发明的金属吸收层的***对有机小分子异质结太阳能电池效率带来20~30%的提升。
附图说明
图1为本发明的器件结构图示。
图2为改变Al厚度的瞬态光电压实验结果对比图。
图3为不同厚度的薄层Al对瞬态光电压实验结果影响对比图。
具体实施方式
实施例：
器件结构如图1所示，采用传统的ITO/CuPc/C60/Al异质结结构，在CuPc和C60之间***薄层Al（3~10nm）。异质结厚度为CuPc(20nm)/C60(40nm)，这样能够保证光场主要分布于Al***层处。另外，如果***层和阴极材料相同，可能会导致二者之间内建电场为零，不利于电子的导出。因此必须将阴极材料替换为功函数更低的金属，如Li或Mg:Ag等。

Claims (1)

1.一种有机光电器件，其特征在于，在原有的有机光电器件结构中，***金属吸收层Al，该金属吸收层Al的厚度为3~10nm；
所述原有的有机光电器件结构为ITO/CuPc/C60/Al异质结结构，在CuPc和C60之间***金属吸收层Al；
所述原有的有机光电器件的阴极材料Al替换为功函数更低的金属Li或Mg:Ag。
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