Các tế bào quang điện và cảm biến quang học phim mỏng hữu cơ trọng lượng phân tử nhỏ

Journal of Applied Physics - Tập 93 Số 7 - Trang 3693-3723 - 2003
Peter Peumans1, Aharon Yakimov1,2, Stephen R. Forrest1
1Department of Electrical Engineering and the Princeton Materials Institute, Center for Photonics and Optoelectronic Materials (POEM), Princeton University, Princeton, New Jersey 08544
2General Electric

Tóm tắt

Trong bài tổng quan này, chúng tôi thảo luận về các nguyên lý vật lý cơ bản liên quan đến hoạt động của các tế bào quang điện heterojunction đơn và đa, được chế tạo bằng cách bay hơi chân không từ các màng mỏng hữu cơ trọng lượng phân tử nhỏ. Đối với các tế bào heterojunction đơn, chúng tôi nhận thấy rằng nhu cầu tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực đã bám và các hợp chất hữu cơ hoạt động dẫn đến sự tiêu tán của các exciton. Một kiến trúc thiết bị cải tiến, heterojunction đôi, được chứng minh là có khả năng giới hạn các exciton trong các lớp hoạt tính, cho phép đạt được hiệu suất nội bộ cao hơn đáng kể. Một phân tích quang học và điện đầy đủ về kiến trúc heterostructure đôi dẫn đến thiết kế tế bào tối ưu dựa trên các đặc tính quang học và chiều dài khuếch tán exciton của các vật liệu quang hoạt. Khi kết hợp heterostructure đôi với các sơ đồ bắt sáng mới, các thiết bị có hiệu suất bên ngoài gần đạt được hiệu suất nội bộ của chúng. Khi áp dụng cho một tế bào quang điện hữu cơ với hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 1,0%±0,1% dưới ánh sáng 1 mặt trời AM1.5, các thiết bị đã được báo cáo có hiệu suất chuyển đổi năng lượng bên ngoài là 2,4%±0,3%. Hơn nữa, chúng tôi cho thấy rằng bằng cách sử dụng các vật liệu có chiều dài khuếch tán exciton mở rộng LD, các tế bào quang điện heterojunction đôi có hiệu suất cao được thu được, ngay cả khi không có hình học bắt sáng. Khi sử dụng C60 làm vật liệu chấp nhận, hiệu suất chuyển đổi năng lượng bên ngoài của heterostructure đôi đạt 3,6%±0,4% dưới ánh sáng 1 mặt trời AM1.5. Việc xếp chồng các thiết bị heterojunction đơn dẫn đến các cấu trúc quang điện và cảm biến quang học heterojunction mỏng nhiều lớp. Các tế bào quang điện mỏng hai lớp có thể được xếp chồng với các lớp Ag siêu mỏng (∼5 Å), ngắt quãng giữa các tế bào liền kề phục vụ như các vị trí tái kết hợp hiệu quả cho electron và lỗ tạo ra trong các tế bào lân cận. Các tế bào xếp chồng như vậy có điện áp mạch hở gấp n lần điện áp của một tế bào đơn lẻ, trong đó n là số lượng tế bào trong chồng. Trong các cấu trúc tối ưu, dòng photocurrent ngắn mạch vẫn gần như không đổi khi xếp chồng các tế bào mỏng, dẫn đến các hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn có thể đạt được, như được xác nhận bởi mô hình hóa các hiệu ứng giao thoa quang học và di chuyển exciton. Hiệu suất năng lượng 2,5%±0,3% dưới điều kiện ánh sáng 100 mW/cm2 AM1.5 đạt được bằng cách xếp chồng hai thiết bị có hiệu suất khoảng 1%. Ngoài ra, khi các lớp tiếp xúc giữa các tế bào chồng được loại bỏ, một cấu trúc đa lớp bao gồm các màng vật liệu cho và chấp nhận được thu được. Do độ dày của các lớp riêng lẻ (∼5 Å) nhỏ hơn đáng kể so với chiều dài khuếch tán exciton, gần như 100% exciton phát quang được phân tán, và các điện tích tự do thu được được phát hiện. Hơn nữa, các lớp hữu cơ siêu mỏng tạo điều kiện cho sự vận chuyển electron và lỗ qua chồng đa lớp nhờ vào hiện tượng đường hầm. Khi những thiết bị này được hoạt động như cảm biến quang trong các trường điện áp lớn hơn >106 V/cm, hiệu suất thu thập bề mặt đạt tới 80%, dẫn đến các hiệu suất lượng tử bên ngoài đạt 75%±1% trong toàn bộ phổ nhìn thấy ở các tế bào chứa các lớp mỏng nhất. Chúng tôi nhận thấy rằng do quá trình đường hầm của các mang tải nhanh, phản ứng tạm thời của các cảm biến đa lớp này là một phép đo trực tiếp về động lực học exciton. Thời gian phản ứng đạt 720±50 ps, dẫn đến băng thông 3 dB đạt 430±30 MHz. Một tóm tắt các kết quả đại diện thu được cho cả tế bào quang điện polymer và phân tử nhỏ cùng các cảm biến quang cũng được bao gồm trong tổng quan này. Triển vọng cho những cải tiến thêm trong các tế bào quang điện hữu cơ và cảm biến quang được xem xét.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

1986, Appl. Phys. Lett., 48, 183, 10.1063/1.96937

1995, Science, 270, 1789, 10.1126/science.270.5243.1789

1995, Nature (London), 376, 498, 10.1038/376498a0

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 2650, 10.1063/1.126433

2001, Appl. Phys. Lett., 78, 841, 10.1063/1.1345834

2001, Appl. Phys. Lett., 79, 126, 10.1063/1.1384001

2002, Thin Solid Films, 403–404, 223

2000, Chem. Phys. Lett., 217, 181

2002, Phys. Rev. B, 65, 033204

1998, Phys. Rev. Lett., 81, 1082, 10.1103/PhysRevLett.81.1082

1998, Phys. Rev. B, 57, R4202, 10.1103/PhysRevB.57.R4202

1997, Phys. Rev. Lett., 79, 4445, 10.1103/PhysRevLett.79.4445

1994, Phys. Rev. Lett., 73, 1440, 10.1103/PhysRevLett.73.1440

1996, Phys. Rev. B, 53, 10

1999, Phys. Rev. B, 60, 5721, 10.1103/PhysRevB.60.5721

2001, Chem. Phys. Lett., 345, 33, 10.1016/S0009-2614(01)00874-0

2001, Synth. Met., 119, 637, 10.1016/S0379-6779(00)00909-7

2000, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 61, 1, 10.1016/S0927-0248(99)00091-4

2001, Synth. Met., 119, 519, 10.1016/S0379-6779(00)00912-7

1999, Synth. Met., 102, 904, 10.1016/S0379-6779(98)00385-3

1997, Chem. Rev., 97, 1793, 10.1021/cr941014o

1992, Appl. Phys. Lett., 61, 2580, 10.1063/1.108133

1999, J. Appl. Phys., 86, 487, 10.1063/1.370757

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 3855, 10.1063/1.126800

1996, Chem. Phys., 210, 13, 10.1016/0301-0104(96)00115-2

1996, Appl. Phys. Lett., 68, 3120, 10.1063/1.115797

1996, J. Appl. Phys., 79, 7991, 10.1063/1.362350

2000, Org. Electronics, 1, 5, 10.1016/S1566-1199(00)00002-1

1997, Adv. Mater., 9, 395, 10.1002/adma.19970090506

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 442, 10.1063/1.123055

1997, Appl. Phys. Lett., 70, 2954, 10.1063/1.119260

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 2128, 10.1063/1.126275

1974, Sol. Energy, 17, 255

2002, J. Appl. Phys., 91, 3324, 10.1063/1.1435422

1991, J. Phys. Chem., 95, 11, 10.1021/j100154a006

1996, J. Appl. Phys., 86, 1388

1996, Solid State Commun., 98, 853, 10.1016/0038-1098(96)00060-9

1996, Phys. Rev. B, 54, 13

2002, Appl. Phys. Lett., 80, 1477, 10.1063/1.1450248

1990, Chem. Lett., 3, 327

2001, Appl. Phys. Lett., 80, 1667

1990, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 182, 307

1998, Appl. Phys. Lett., 72, 2138, 10.1063/1.121301

1999, J. Appl. Phys., 86, 4067, 10.1063/1.371331

1999, J. Appl. Phys., 86, 4076, 10.1063/1.371428

1998, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 4, 24, 10.1109/2944.669459

1998, Appl. Phys. Lett., 73, 662, 10.1063/1.121940

2001, Phys. Rev. B, 64, 085201, 10.1103/PhysRevB.64.085201

1999, Phys. Rev. Lett., 82, 4520, 10.1103/PhysRevLett.82.4520

1998, J. Phys. Chem. B, 102, 657, 10.1021/jp973188q

1975, Phys. Rev. B, 11, 5163, 10.1103/PhysRevB.11.5163

1968, J. Appl. Phys., 39, 5600, 10.1063/1.1656022

1967, Phys. Rev., 155, 657, 10.1103/PhysRev.155.657

1938, Phys. Rev., 54, 647, 10.1103/PhysRev.54.647

1967, J. Appl. Phys., 38, 2738, 10.1063/1.1709998

1967, J. Appl. Phys., 38, 2748, 10.1063/1.1709999

1970, J. Chem. Phys., 52, 4046, 10.1063/1.1673607

1997, Phys. Rev. Lett., 66, 2649

1997, Appl. Phys. Lett., 70, 1935, 10.1063/1.118784

1995, Synth. Met., 73, 123, 10.1016/0379-6779(95)03307-6

1998, Phys. Rev. B, 57, 2667, 10.1103/PhysRevB.57.2667

2002, Thin Solid Films, 403–404, 297

1999, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 5, 146, 10.1109/2944.778271

2000, J. Non-Cryst. Solids, 266, 1208

1999, Thin Solid Films, 337, 213, 10.1016/S0040-6090(98)01179-1

2001, J. Appl. Phys., 89, 1470, 10.1063/1.1332419

1999, Appl. Phys. Lett., 75, 1679, 10.1063/1.124789

1998, J. Phys. Chem. A, 102, 552, 10.1021/jp972863t

1999, J. Appl. Phys., 86, 4515, 10.1063/1.371395

1978, Appl. Phys. Lett., 32, 495, 10.1063/1.90099

1978, J. Appl. Phys., 49, 5982, 10.1063/1.324566

1991, Synth. Met., 41–43, 1173

1989, J. Appl. Phys., 66, 5908, 10.1063/1.343616

1990, Chem. Lett., 1, 119

1995, J. Mater. Chem., 5, 1819, 10.1039/JM9950501819

1993, Appl. Phys. Lett., 64, 1540

2000, Adv. Mater., 12, 1367, 10.1002/1521-4095(200009)12:18<1367::AID-ADMA1367>3.0.CO;2-Z

1998, Nature (London), 395, 257, 10.1038/26183

1997, J. Phys. Chem. B, 101, 5362, 10.1021/jp9703263

2001, J. Appl. Phys., 90, 3632, 10.1063/1.1394920

1999, Nord. Hydrol., 1, 1761

2000, J. Phys. Chem. A, 104, 4704, 10.1021/jp994162x

1998, J. Vac. Sci. Technol. A, 16, 1838, 10.1116/1.581115

2000, Phys. Rev. B, 61, 12, 10.1103/PhysRevB.61.12

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Applied Physics

Tập 93 Số 7

3693-3723

Thông tin tác giả