RU2354011C2 - Receiver of optical radiation and device on its basis - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in receiver of optical radiation comprising at least one heterostructure located on transparent substrate and enclosed between two light-transmitting anode and cathode electrodes and consisting of two layers of organic semi-conducting materials with different width of prohibited zone, layers of heterostructure are made of materials with maximums of absorption spectrums located in area λ≤450 nm and high light transmission in visible area of spectrum, at that light transmission of incident flux of radiation from receiver of optical radiation in visible area of spectrum makes at least 30%.

EFFECT: creation of optical radiation receiver transparent in visible area of spectrum.

3 cl, 5 dwg

Description

Приемники оптического излучения являются одним из классообразующих типов оптоэлектронных приборов, которые широко используются в различных областях науки и техники.Optical radiation receivers are one of the class-forming types of optoelectronic devices that are widely used in various fields of science and technology.

Объектом настоящего изобретения является конструкция приемника оптического излучения, прозрачная для видимой части спектра.The object of the present invention is the design of an optical radiation receiver that is transparent to the visible part of the spectrum.

Известен приемник оптического излучения (патент США №4559552), содержащий последовательно сформированные на прозрачной подложке два слоя прозрачного электрода на основе оксида индия - олова, слой немонокристаллического полупроводникового материала (SiC) - n-типа проводимости, слой немонокристаллического полупроводникового материала n-типа (SiC), слой немонокристаллического полупроводникового материала (SiC) p-типа проводимости, слой прозрачного верхнего электрода на основе оксида индия - олова, отражающий электродный слой с высоким коэффициентом отражения.A known optical radiation detector (US patent No. 4559552), containing two layers of a transparent electrode based on indium tin oxide, a layer of non-monocrystalline semiconductor material (SiC) - n-type conductivity, a layer of non-monocrystalline n-type semiconductor material (SiC) ), a layer of p-type non-monocrystalline semiconductor material (SiC), a layer of a transparent upper electrode based on indium tin oxide, a reflecting electrode layer with a high coefficient th reflection.

Недостатком указанного подхода является непрозрачность конструкции прибора.The disadvantage of this approach is the opacity of the device design.

Известны различные типы приемников оптического излучения, имеющих конструкцию, практически прозрачную в видимой области спектра, содержащих гетероструктуру InGaN/GaN, выращенную на подложке сапфира определенной ориентации, и непрозрачные точечные контакты к областям n- и p-типа проводимости (О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004 г., стр.57). Недостатками указанного подхода являются необходимость использования дорогостоящих подложек сапфира определенной ориентации ограниченных размеров, а также высокая себестоимость процесса формирования слоев методом эпитаксии из металлоорганических соединений.Various types of optical radiation detectors are known that have a structure that is practically transparent in the visible region of the spectrum, containing an InGaN / GaN heterostructure grown on a sapphire substrate of a certain orientation, and opaque point contacts to regions of n- and p-type conductivity (O.N. Ermakov. Applied Optoelectronics. M.: Technosphere, 2004, p. 57). The disadvantages of this approach are the need to use expensive sapphire substrates of a certain orientation of limited dimensions, as well as the high cost of the process of layer formation by epitaxy from organometallic compounds.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №5504323. Устройство имеет тонкопленочную структуру и состоит из 3 частей: прозрачного слоя инжекции дырок (анода) на основе оксида индия - олова, нанесенного на твердую прозрачную подложку, органического полимерного слоя и непрозрачного металлического электрода инжекции электронов (катода).Closest to the present invention is the technical solution described in US patent No. 5504323. The device has a thin-film structure and consists of 3 parts: a transparent layer of hole injection (anode) based on indium tin oxide deposited on a solid transparent substrate, an organic polymer layer and an opaque metal electron injection electrode (cathode).

Недостатком этого подхода является непрозрачная конструкция приемника. Вместе с тем целый ряд применений, например пространственно-временные модуляторы света (О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника М.: Техносфера, 2004 г., стр.86), требует использования прозрачной конструкции прибора.The disadvantage of this approach is the opaque design of the receiver. At the same time, a number of applications, for example, spatio-temporal light modulators (O. N. Ermakov. Applied Optoelectronics M .: Tekhnosfera, 2004, p. 86), require the use of a transparent device design.

Указанная цель достигается в конструкции приемника оптического излучения, содержащего, по крайней мере, одну расположенную на прозрачной подложке (L₁) гетероструктуру, заключенную между двумя светопропускающими электродами (L₂, L₅) и состоящую из двух слоев (L₃, L₄) органических полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (фиг.1). В качестве материала прозрачной подложки могут быть использованы различные прозрачные материалы (стекло, сапфир, полимеры и т.д.)This goal is achieved in the design of the optical radiation receiver containing at least one heterostructure located on a transparent substrate (L ₁ ), enclosed between two light transmitting electrodes (L ₂ , L ₅ ) and consisting of two layers (L ₃ , L ₄ ) organic semiconductor materials with different bandgaps (figure 1). As the material of the transparent substrate, various transparent materials (glass, sapphire, polymers, etc.) can be used.

Прозрачность активной области приборной структуры достигается за счет выбора слоев L₂ и L₃, образующих гетероструктуру. Спектры пропускания и поглощения гетероструктуры, в которой в качестве слоев L₂ и L₃ используются, например, соответственно DABuTAZ 3-(4-бифенил)-(4-третбутилфенил)-5(4-диметиламинофенил)-1,2,4 триазол [И.Я.Якушенко, М.Г.Каплунов, С.Ш.Шамаев и др. Патент РФ №2131411 от 10.06.99] и РТА - политрифениламин [О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004, с.59], иллюстрируются фиг.2.The transparency of the active region of the instrument structure is achieved by choosing the layers L ₂ and L ₃ forming the heterostructure. The transmission and absorption spectra of a heterostructure in which, for example, DABuTAZ 3- (4-biphenyl) - (4-tert-butylphenyl) -5 (4-dimethylaminophenyl) -1,2,4 triazole are used as L ₂ and L ₃ layers [ I.Ya. Yakushenko, M. G. Kaplunov, S. Sh. Shamaev and others. Patent of the Russian Federation No. 2131411 dated 10.06.99] and PTA - polytriphenylamine [O. N. Ermakov. Applied Optoelectronics. M .: Technosphere, 2004, p. 59], illustrated in Fig.2.

Спектры поглощения 1-го (кривая 1) и 2-го (кривая 2) органических слоев смещены друг относительно друга, что свидетельствует о том, что они образуют гетероструктуру, при этом максимумы их поглощения располагаются в области λ≤450 нм (фиг.2). Спектр интегрального пропускания структуры в целом (кривая 3 на фиг.2) показывает, что структура обладает достаточно высоким светопропусканием в видимой области спектра. Подбор слоев L₂ и L₃ по вышеуказанным критериям может быть осуществлен из большой номенклатуры известных на сегодня органических полупроводников (низкомолекулярных, металлоорганических, полимерных) [О.Н. Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004, с.59].The absorption spectra of the 1st (curve 1) and 2nd (curve 2) organic layers are shifted relative to each other, which indicates that they form a heterostructure, while their absorption maxima are located in the region λ≤450 nm (Fig. 2 ) The integrated transmission spectrum of the structure as a whole (curve 3 in FIG. 2) shows that the structure has a sufficiently high light transmission in the visible region of the spectrum. The selection of layers L ₂ and L ₃ according to the above criteria can be carried out from a wide range of currently known organic semiconductors (low molecular weight, organometallic, polymer) [ON. Ermakov. Applied Optoelectronics. M .: Technosphere, 2004, p. 59].

Фотоэлектрические характеристики приемника иллюстрирует фиг.3, на которой представлены зависимости дифференциального сопротивления прибора в темновых условиях (кривая 1) и условиях засветки (кривая 2).The photoelectric characteristics of the receiver are illustrated in Fig. 3, which shows the dependences of the differential resistance of the device under dark conditions (curve 1) and illumination conditions (curve 2).

Различные варианты в соответствии с формулой изобретения иллюстрируются приведенными примерами.Various options in accordance with the claims are illustrated by the examples.

Пример 1.Example 1

Используется базовая конструкция, приведенная на фиг.1: стеклянная подложка с прозрачным слоем нижнего анодного электрода на основе окиси индия - олова, активная область в виде, например, гетероструктуры на основе DABuTAZ, РТА. Верхний катодный электрод выполняется в виде проводящего композита, содержащего Ag и обладающего светопропусканием в видимой области спектра, или на основе светопропускающего слоя из углеродных нанотрубок.The basic design shown in Fig. 1 is used: a glass substrate with a transparent layer of the lower anode electrode based on indium tin oxide, the active region in the form, for example, of a heterostructure based on DABuTAZ, PTA. The upper cathode electrode is made in the form of a conductive composite containing Ag and having light transmission in the visible region of the spectrum, or based on a light transmitting layer of carbon nanotubes.

Пример 2.Example 2

Используется базовая конструкция, приведенная на фиг.1.The basic design shown in FIG. 1 is used.

Стеклянная подложка с прозрачным слоем нижнего анодного электрода на основе окиси индия - олова, активная область в виде гетероструктуры, например, на основе DABuTAZ, РТА. Верхний катодный электрод из непрозрачного материала (Al, Mg или Са) имеет распределенный характер (например, выполняется в виде сетки) и занимает меньшую часть площади поверхности полупроводниковой гетероструктуры.Glass substrate with a transparent layer of the lower anode electrode based on indium tin oxide, the active region in the form of a heterostructure, for example, based on DABuTAZ, PTA. The upper cathode electrode of an opaque material (Al, Mg or Ca) has a distributed character (for example, is made in the form of a grid) and occupies a smaller part of the surface area of the semiconductor heterostructure.

Пример 3.Example 3

Используется конструкция, приведенная на фиг.4.The construction shown in FIG. 4 is used.

В рассматриваемом случае на верхней поверхности прозрачной подложки формируется последовательность слоев в соответствии с фиг.1, при этом на нижней стороне стеклянной подложки формируется зеркально-симметричная последовательность слоев: L₅ - слой нижнего прозрачного анодного электрода на основе окиси индия - олова, слои L₆ и L₇ на основе органических полупроводников, образующих гетероструктуру, а также слой светопропускающего катодного электрода L₈.In the case under consideration, a sequence of layers is formed on the upper surface of the transparent substrate in accordance with Fig. 1, while a mirror-symmetric sequence of layers is formed on the lower side of the glass substrate: L ₅ — layer of the lower transparent anode electrode based on indium tin oxide, layers L ₆ and L ₇ based on organic semiconductors forming a heterostructure, as well as a layer of a light transmitting cathode electrode L ₈ .

Пример 4.Example 4

Используется конструкция, приведенная на фиг.5.The design shown in FIG. 5 is used.

Приемник содержит прозрачную подложку со слоем нижнего прозрачного анодного электрода (L₁) на основе окиси индия - олова, слои L₂ и L₃ на основе органических полупроводников, образующие гетероструктуру, слой светопропускающего катодного электрода L₄, слои L₅ и L₆ на основе органических полупроводников, образующие 2-ю гетероструктуру, а также 2-й светопропускающий анодный электрод L₇.The receiver contains a transparent substrate with a layer of the lower transparent anode electrode (L ₁ ) based on indium tin oxide, layers L ₂ and L ₃ based on organic semiconductors forming a heterostructure, a layer of light transmitting cathode electrode L ₄ , layers L ₅ and L ₆ based on organic semiconductors forming the 2nd heterostructure, as well as the 2nd light-transmitting anode electrode L ₇ .

Пример 5.Example 5

Используется конструкция приемника в виде двух ярусов в соответствии с базовой конструкцией, приведенной на фиг.1.The design of the receiver is used in the form of two tiers in accordance with the basic design shown in figure 1.

На основе заявляемого приемника оптического излучения предлагаются устройства, описанные в примерах 6 и 7.Based on the inventive optical radiation receiver, the devices described in examples 6 and 7 are provided.

Пример 6.Example 6

Устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный над приемником оптического излучения последовательно для падающего потока излучения с чувствительностью в видимой и ближней ИК-области спектра.The device containing the optical radiation receiver according to claim 1, located above the optical radiation receiver in series for the incident radiation flux with sensitivity in the visible and near infrared region of the spectrum.

Использование такого устройства должно приводить к увеличению КПД фотопреобразования в режиме СЭ.The use of such a device should lead to an increase in the photoconversion efficiency in the SE mode.

Пример 7.Example 7

Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный рядом с поверхностью электрохромного индикатора и составляющий часть его поверхности, при этом обе секции устройства электрически соединены друг с другом.An optical device comprising an optical radiation receiver according to claim 1, located next to the surface of the electrochromic indicator and forming part of its surface, while both sections of the device are electrically connected to each other.

В рассматриваемом случае возможна автоматическая регулировка селективного коэффициента пропускания электрохромного индикатора (Дисплеи. Под ред. Ж.Панкова, М.: Мир, 1982, стр.229).In this case, it is possible to automatically adjust the selective transmittance of the electrochromic indicator (Displays. Edited by J. Pankov, M .: Mir, 1982, p. 229).

Практическая полезность заявляемого подхода заключается в широкой гамме возможных применений:The practical usefulness of the proposed approach lies in a wide range of possible applications:

- солнечные элементы (СЭ), прозрачные в видимой области спектра, могут быть использованы в строительстве при изготовлении бифункциональных оконных стекол.- solar cells (SE), transparent in the visible spectrum, can be used in construction in the manufacture of bifunctional window glasses.

Конструктивно такие солнечные элементы и батареи могут быть изготовлены с минимальными затратами на базе стандартных энергосберегающих стеклопакетов - К-стекло + аргон + стекло.Structurally, such solar cells and batteries can be manufactured at minimal cost on the basis of standard energy-saving double-glazed windows - K-glass + argon + glass.

Прозрачная в видимой части спектра гетероструктура из органических полупроводниковых материалов и светопропускающий катодный электрод формируются на электропроводящем покрытии К-стекла. К-стекло в такой конструкции выполняют функцию прозрачной подложки с прозрачным анодным электродом.The heterostructure transparent in the visible part of the spectrum from organic semiconductor materials and the light transmitting cathode electrode are formed on the electrically conductive coating of K-glass. K-glass in this design serves as a transparent substrate with a transparent anode electrode.

Относительно невысокий КПД (порядка 3%) такой прозрачной солнечной батареи компенсируется большой площадью фотоприемной поверхности.The relatively low efficiency (about 3%) of such a transparent solar battery is compensated by the large photodetector surface area.

Для аналогичных целей такие стекла могут быть использованы в авиастроении и автомобилестроении.     For similar purposes, such glasses can be used in aircraft and automotive industries.

Claims (7)

1. Приемник оптического излучения, содержащий, по крайней мере, одну, расположенную на прозрачной подложке гетероструктуру, заключенную между двумя светопропускающими анодным и катодным электродами и состоящую из двух слоев органических полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны, слои гетероструктуры выполнены из материалов с максимумами спектров поглощения, расположенными в области λ≤450 нм и высоким светопропусканием в видимой части спектра, при этом светопропускание падающего потока излучения приемника оптического в видимой части спектра составляет не мене 30%.1. An optical radiation detector containing at least one heterostructure located on a transparent substrate, enclosed between two light transmitting anode and cathode electrodes and consisting of two layers of organic semiconductor materials with different bandgaps, the heterostructure layers are made of materials with spectral maxima absorption located in the region λ≤450 nm and high light transmission in the visible part of the spectrum, while the light transmission of the incident radiation flux of the receiver opt Cesky in the visible part of the spectrum is not less than 30%. 2. Приемник по п.1, в котором анодный и катодный электроды выполнены из материалов, прозрачных в видимой части спектра.2. The receiver according to claim 1, in which the anode and cathode electrodes are made of materials transparent in the visible part of the spectrum. 3. Приемник по п.1, в котором анодный электрод выполнен из материала, прозрачного в видимой части спектра, а катодный электрод распределен по поверхности полупроводникового слоя и занимает меньшую ее часть.3. The receiver according to claim 1, in which the anode electrode is made of a material that is transparent in the visible part of the spectrum, and the cathode electrode is distributed over the surface of the semiconductor layer and occupies a smaller part thereof. 4. Приемник по п.1, в котором гетероструктуры с электродами расположены с обеих сторон прозрачной подложки.4. The receiver according to claim 1, in which heterostructures with electrodes are located on both sides of the transparent substrate. 5. Приемник по п.1, в котором, по крайней мере, две гетероструктуры имеют общий катодный электрод, а полупроводниковые слои расположены симметрично относительно общего электрода.5. The receiver according to claim 1, in which at least two heterostructures have a common cathode electrode, and the semiconductor layers are located symmetrically relative to the common electrode. 6. Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный над приемником оптического излучения с чувствительностью в видимой и ближней ИК-области спектра.6. An optical device containing an optical radiation receiver according to claim 1, located above the optical radiation receiver with sensitivity in the visible and near infrared spectral regions. 7. Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный рядом с поверхностью электрохромного индикатора и составляющий часть его поверхности, при этом обе части устройства электрически могут быть соединены друг с другом. 7. The optical device containing the optical radiation receiver according to claim 1, located next to the surface of the electrochromic indicator and forming part of its surface, while both parts of the device can be electrically connected to each other.

Images