MX2007001690A

MX2007001690A - Dispositivos fotosensibles organicos

Info

Publication number: MX2007001690A
Application number: MXMX/A/2007/001690A
Authority: MX
Inventors: Forrest Stephen; P Rand Barry
Original assignee: Forrest Stephen R; P Rand Barry; The Trustees Of Princeton University
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2008-10-03

Abstract

La presente invención se refiere en general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, se refiere a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen una región orgánica fotoactiva que contiene nanopartículas encapsuladas que exhiben resonancias de plasmón. Se logra un incremento del campoóptico incidente a través de resonancias de polaritones de plasmones de superficie. Este incremento aumenta la absorción de la luz incidente, lo cual conduce a un dispositivo más eficiente.

Description

DISPOSITIVOS FOTOSENSIBLES ORGÁNICOS Campo de la invención La presente invención se refiere en general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos, Más específicamente, se refiere a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen nanopartículas .

Antecedentes de la invención Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o detectar radiación electromagnética en forma electrónica, o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética del ambiente .

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en electricidad. Las células solares, también denominadas dispositivos fotovoltaicos (PV) son un tipo de dispositivo optoelectronico fotosensible usado específicamente para generar energía eléctrica. Los dispositivos PV, que pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz distintas de la luz solar, se pueden usar para impulsar cargas que consumen energía para proporcionar, por ejemplo, iluminación, calefacción o para alimentar circuitos o dispositivos electrónicos tales como calculadoras, radios, computadoras o equipos de monitoreo o de comunicación remota. Estas aplicaciones de generación de energía con frecuencia también incluyen la carga de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía, de manera que la operación puede continuar cuando no se dispone de iluminación solar directa, o de otras fuentes, o equilibrar la salida de energía del dispositivo PV, con requisitos de aplicación específicos. Tal como se usa en la presente, el término "carga resistiva" se refiere a cualquier circuito, dispositivo, equipo o sistema que consume o almacena energía.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es una célula fotoconductora . En esta función, el circuito de detección de señales monitorea la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la absorción de luz.

Otro tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible es un fotodetector . En la operación, se usa un fotodetector en conjunción con un circuito detector de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector se expone a la radiación electromagnética, y puede tener una tensión de polarización aplicada. En la presente se describe un circuito de detección capaz de proveer una tensión de polarización a un fotodetector y medir la respuesta electrónica del fotodetector a la radiación electromagnética. Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se pueden caracterizar de acuerdo con la presencia de una unión rectificadora, según se define más adelante, y también de acuerdo a si el dispositivo se opera con una tensión aplicada externa, también denominada polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora carece de unión rectificadora, y normalmente se opera con una polarización. Un dispositivo PV tiene al menos una unión rectificadora y se opera sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora, y por lo general, pero no siempre, se opera con una polarización. Como regla general, una célula fotovoltaica provee energía a un circuito, dispositivo o equipo, pero no provee una señal o corriente para controlar el circuito de detección, o la salida de información del circuito de detección. En cambio, un fotodetector o fotoconductor provee una señal o corriente para controlar el circuito de detección, o la salida de información del circuito de detección, pero no provee energía al circuito, dispositivo o equipo.

Tradicionalmente, se han construido dispositivos optoelectrónicos fotosensibles de numerosos semiconductores inorgánicos, por ejemplo, silicio cristalino, policristalino y amorfo, arseniuro de galio, telururo de cadmio y otros. En la presente, el término "semiconductor" denota materiales que pueden conducir la electricidad cuando se inducen los portadores de carga por excitación térmica o electromagnética. En general, el término "fotoconductor" se refiere al proceso mediante el cual se absorbe energía radiante . electromagnética, y se convierte así en energía de excitación de portadores de carga eléctrica de manera que los portadores puedan conducir, es decir, transportar, la carga eléctrica en un material. Los términos "fotoconductor" y "material fotoconductor" se usan en la presente para referirse a materiales semiconductores que se eligen por su propiedad de absorber radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica.

Los dispositivos PV se pueden caracterizar por la eficiencia con la cual pueden convertir la energía solar incidente en energía eléctrica útil. Los dispositivos que utilizan silicio cristalino o amorfo dominan las aplicaciones comerciales, y algunos logran eficacias del 23% o superiores. Sin embargo, los dispositivos con base cristalina eficientes, en especial de gran superficie, son difíciles y onerosos de producir, debido a los problemas inherentes a la producción de grandes cristales sin significativos defectos de degradación de la eficiencia. Por otra parte, los dispositivos de silicio amorfos con alta eficiencia aún presentan problemas de estabilidad. Las actuales células de silicio amorfo disponibles en el comercio tienen eficiencias estabilizadas entre 4 y 8%. Los esfuerzos más recientes han centrado la atención en el uso de células fotovoltaicas orgánicas, con el fin de obtener eficiencias de conversión fotovoltaica aceptables con costos de producción económicos.

Los dispositivos PV se pueden optimizar para una máxima generación de energía eléctrica en condiciones de iluminación estándar (es decir, Condiciones de Ensayo Estándar que son 1.000 W/m2, AM 1,5 de iluminación espectral), para la máxima producción de corriente fotoeléctrica por la tensión fotoeléctrica. La eficiencia de conversión de energía de dichas células en condiciones de iluminación estándar depende de los siguientes tres parámetros: 1) la corriente con polarización cero, es decir, la corriente de cortocircuito ISc, 2) la tensión fotoeléctrica en condiciones de circuito abierto, es decir, la tensión de circuito abierto V0c, y 3) el factor de llenado ff.

Los dispositivos PV producen una corriente fotogenerada cundo se conectan a través de una carga y son irradiados por luz. Cuando se irradia con carga infinita, un dispositivo PV genera su máxima tensión posible, V de circuito abierto, o V0c- Cuando se irradia con sus contactos eléctricos en corto, un dispositivo PV genera su máxima corriente posible, cortocircuito I, o Isc. Cuando en realidad se usa para generar energía, un dispositivo PV se conecta a una carga de resistencia finita, y la salida de energía está dada por el producto de la corriente y la tensión, I x V. La máxima energía total generada por un dispositivo PV es inherentemente capaz de exceder el producto, Isc x V0c. Cuando se optimiza el valor de carga para extraer la máxima energía, la corriente y la tesnsión tienen los valores Imax y Vmax, respectivamente .

Una cifra de mérito para los dispositivos PV es el factor de llenado ff, definido como: ff = {Imax Vmax}/{ISC Voc} (1) en donde ff siempre es inferior a 1, dado que Isc y voc nunca se logran al mismo tiempo en el uso real. No obstante, a medida que ff se acerca a 1, el dispositivo tiene menos resistencia en serie o interna, por lo que provee un mayor porcentaje del producto de Isc y V0c a la carga, en condiciones óptimas. Cuando Pj.nc es la energía incidente sobre el dispositivo, se puede calcular la eficiencia de energía del dispositivo ?? por: Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide sobre un material orgánico semiconductor, por ejemplo un material de cristal molecular orgánico (OMC) , o un polímero, se puede absorber un fotón para producir un estado molecular excitado. Esto se representa simbólicamente como S0 + hv => . S0* . Aquí S0 y S0* denotan los estados moleculares de tierra y excitado, respectivamente. Esta absorción de energía se asocia con la promoción de un electrón desde un estado ligado en el nivel de energía HOMO, que puede ser un enlace n, con el nivel de energía LUMO, que puede ser un enlace n*, o equivalentemente, la promoción de un hueco desde el nivel de energía LUMO al nivel de energía HOMO. En los fotoconductores orgánicos de película delgada, en general, se cree que el estado molecular generado es un excitón, es decir, un par de electrón y hueco en estado ligado, que se transportan como cuasipartículas . Los excitones pueden tener una tiempo de vida apreciable antes de la recombinación geminada, que se refiere al proceso de recombinación del electrón y el hueco originales entre sí, en oposición a la recombinación con huecos o electrones de otros pares. Para producir una corriente fotoeléctrica, el par electrón-hueco se separa, en general en una interfaz donante-aceptor entre dos películas delgadas orgánicas disímiles en contacto. Si las cargas no se separan, se pueden recombinar en un proceso de recombinación geminada, también denominado atemperado, ya sea radiactivo, por la emisión de luz de una energía inferior a la luz incidente, o no radiactiva, por producción de calor. Cualquiera de estos resultados es indeseable en un dispositivo optoelectrónico fotosensible. Los campos eléctricos o faltas de homogeneidad en un contacto pueden causar el atemperado de un excitón en lugar de disociarse en la interfaz donante-aceptor, lo cual da por resultado una falta de contribución neta a la corriente. En consecuencia, es deseable mantener los excitones fotogenerados lejos de' los contactos. Esto tiene el efecto de limitar la difusión de los excitones a la región cercana a la unión, por lo que el campo eléctrico asociado tiene mayor oportunidad de separar los portadores de carga liberados por la disociación de los excitones cerca de la unión.

A fin de producir campos eléctricos generados internos que ocupan un volumen sustancial, el método usual consiste en yuxtaponer dos capas de material con propiedades conductoras elegidas adecuadamente, en especial respecto de su distribución de estados de energía cuántica molecular. La interfaz de estos dos materiales se denomina heterounión fotovoltaica . En la teoría tradicional de los semiconductores, los materiales para formar heterouniones PV se han indicado generalmente como de tipo n o p. Aquí el tipo n denota que el tipo de portador mayoritario es el electrón. Esto se podría visualizar como el material con muchos electrones en estados de energía relativamente libres. El tipo p denota que el tipo de portador mayoritario es el hueco. Dicho material tiene muchos huecos en estados de energía relativamente libres. El tipo del fondo, es decir, la concentración del portador mayoritario no fotogenerada depende principalmente de una interrupción involuntaria por defectos o impurezas. El tipo y la concentración de las impurezas determinan el valor o el nivel de energía Fermi en la brecha entre el máximo nivel de energía orbital molecular ocupada (HOMO) y el mínimo nivel de energía orbital molecular no ocupada (LÜMO) , denominado brecha HOMO-LUMO. La energía de Fermi caracteriza la ocupación estadística de estados .de energía cuántica molecular denotada por el valor de energía para el cual la probabilidad de ocupación es igual a la mitad. Una energía de Fermi cercana al nivel de energía LUMO indica que los electrones son el portador predominante. Una energía de Fermi cercana al nivel de energía HOMO indica que los huecos son el portador predominante. En consecuencia, la energía de Fermi es una propiedad de caracterización principal de los semiconductores tradicionales, y la heterounión PV prototípica ha sido tradicionalmente la interfaz p-n.

El término "rectificador" denota, entre otros, que una interfaz tiene una característica de conducción asimétrica, es decir, la interfaz sostiene el transporte de carga electrónica, de preferencia en una dirección. La rectificación se asocia normalmente con un campo eléctrico interno que se produce en la heterounión entre materiales seleccionados adecuadamente.

Tal como se usa en la presente, y lo entendería generalmente un experto en el arte, un primer nivel de energía de "Mayor orbital molecular ocupada" (HOMO) o "Menor orbital molecular no ocupada" (LUMO) es "superior a" o "mayor que" un segundo nivel de energía HOMO o LUMO, si el primer nivel de energía está más cercano al nivel de energía de vacío. Dado que los potenciales de ionización (IP) se miden como energía negativa respecto de un nivel de vacío, un mayor nivel de energía HOMO corresponde a un IP con menor valor absoluto (un IP menos negativo) . De modo similar, un mayor nivel de energía LUMO corresponde a una afinidad electrónica (EA) con un valor absoluto menor (un EA menos negativo) . En un diagrama de nivel de energía convencional, con el nivel de vacío en la parte superior, el nivel de energía LUMO de un material es superior al nivel de energía HOMO del mismo material. Un "mayor" nivel de energía HOMO o LUMO aparece más cerca de la parte superior de dicho diagrama que un "menor" nivel de energía HOMO o LUMO.

En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donante" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de niveles de energía HOMO y LUMO de dos materiales orgánicos en contacto, pero diferentes. Esto contrasta con el uso de estos térmicos en el contexto inorgánico, en donde "donante" y "aceptor" se puede referir a tipos de interruptores que se pueden usar para crear capas inorgánicas de tipo n y p, respectivamente. En el contexto orgánico, si el nivel de energía LUMO de un material en contacto con otro es inferior, entonces ese material es un aceptor. De otro modo, es un donante. En ausencia de polarización externa, es energéticamente favorable que los electrones de una unión donante-aceptor se desplacen al interior del material aceptor, y que los huecos se desplacen hacia el interior del material donante.

Una propiedad significativa de los semiconductores orgánicos es la movilidad del portador. La movilidad mide la facilidad con la cual un portador de carga se puede desplazar a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de los dispositivos fotosensibles orgánicos, una capa que incluye un material que de preferencia es conducida por electrones, debido a la elevada, movilidad de los electrones se puede denominar capa de transporte de electrones, o ETL. Una capa que incluye un material que conduce de preferencia a través de huecos, debido a la elevada movilidad de huecos, se puede denominar capa de transporte de huecos, o HTL. De preferencia, pero no necesariamente, un material aceptor es una ETL, y un material donante es una HTL. Las células PV semiconductoras inorgánicas convencionales emplean una unión p-n para establecer un campo interno. Las primeras células de película orgánica delgada, tales como las informadas por Tang, Appl. Phys Lett. 48, 183 (1986), contienen una heterounión análoga a la empleada en una célula PV inorgánica convencional. Sin embargo, ahora se reconoce que, además del establecimiento de una unión de tipo p-n, la compensación del nivel de energía de la heterounión también juega un papel importante .

Se cree que la compensación del nivel de energía de la heterounión D-A orgánica es importante para la operación de dispositivos PV orgánicos, debido a la naturaleza fundamental del proceso de fotogeneración en materiales orgánicos. Tras la excitación óptica de un material orgánico se generan excitones de Frenkel o de transferencia de carga localizados. Para que ocurra la detección o la generación de corriente eléctrica se deben disociar los excitones ligados en sus electrones y huecos constituyentes. Dicho proceso se puede inducir mediante un campo eléctrico interno, pero la eficiencia de los campos eléctricos que generalmente se encuentran en los dispositivos orgánicos (F~ 106 V/cm) es baja. La disociación más eficiente de excitones en materiales orgánicos ocurre en la interfaz de donante-aceptor (D-A) . En dicha interfaz, el material donante con bajo potencial de ionización forma una heterounion con un material aceptor con alta afinidad electrónica. Según la alineación de los niveles de energía de los materiales donante y aceptor, la disociación del excitón puede ser energéticamente favorable en dicha interfaz, lo cual conduce a un polaron de electrones libres en el material aceptor, y un polaron de huecos libres en el material donante. Las células PV orgánicas tienen muchas ventajas potenciales, si se las compara con los dispositivos tradicionales, basados en silicio. Las células PV orgánicas son livianas, usan materiales económicos y se pueden depositar sobre sustratos de bajo costo, tales como láminas de plástico flexible. Sin embargo, algunos dispositivos PV orgánicos en general tienen eficiencia cuántica externa relativamente baja, en el orden del 1%, o inferior. En parte, se cree que esto se debe a la naturaleza de segundo orden del proceso fotoconductor intrínseco. Es decir, la generación de portadores requiere que se generen; difundan y ionicen o junten excítones. Hay una eficiencia ? asociada a cada uno de estos procesos. Se pueden usar subíndices de la siguiente manera: P para eficiencia de energía, EXT para eficiencia cuántica externa, A para absorción de fotones, ED para difusión de excitones, CC para reunión de carga e INT para eficiencia cuántica interna. Con esta notación: ?? ~ ???? = ??* ??0 r\cc La longitud de difusión (LD) de un excitón es generalmente mucho menor (LD 50Á) que la longitud de absorción óptica (-500 Á) , por lo que se requiere una compensación entre el uso de una célula rápida, y en consecuencia resistente, con interfaces múltiples o muy plegadas, o una célula delgada con escasa eficiencia de absorción óptica.

En general, cuando se absorbe luz para formar un excitón en una película orgánica delgada, se forma un excitón singulete. Por el mecanismo de entrecruzamiento intersistemas, el excitón singulete se puede degradar a excitón triplete. En este proceso se pierde energía, lo cual da por resultado una menor eficiencia para el dispositivo. Si no fuera por la pérdida de energía debida al entrecruzamiento intersistemas, sería deseable usar materiales que generaran excitones tripletes, dado que en general los excitones tripletes tienen una vida más prolongada, y por lo tanto una mayor longitud de difusión que los excitones singulete.

Mediante el uso de material organometálico en la región fotoactiva, los dispositivos de la presente invención pueden utilizar con eficiencia excitones triplete. Se cree que la mezcla de singulete-triplete puede ser tan · fuerte para los compuestos organometálicos que las absorciones implican la excitación desde los estados de conexión a tierra de singulete directamente a los estados excitados de triplete, eliminando las pérdidas asociadas con la conversión desde el estado excitado de singulete al estado excitado de triplete. La vida más prolongada y la mayor longitud de difusión de los excitones triplete, en comparación con los excitones singulete pueden permitir el uso de una región fotoactiva más gruesa, dado que los excitones triplete pueden difundir una mayor distancia para alcanzar la heterounión donante-aceptor, sin sacrificar eficiencia del dispositivo.

Extracto de la invención La presente invención se refiere en general dispositivos optoelectronicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, se refiere a dispositivos optoelectronicos fotosensibles orgánicos con una región orgánica fotoactiva que contiene nanoparticulas encapsuladas que presentan resonancias de plasmones . Se logra un incremento del campo óptico incidente a través de resonancias de polaritones de plasmones de superficie. Este incremento aumenta la absorción de la luz incidente, lo cual conduce a un dispositivo más eficiente.

Breve descripción de los dibujos La Figura 1 muestra un dispositivo PV orgánico.

La Figura 2 muestra una micrografia esquemática y electrónica de transmisión de un corte transversal de una célula fotovoltaica orgánica en tándem.

La Figura 3 muestra las funciones dieléctricas real (e?) e imaginaria {e2) para Ag, calculado como funciones de energía de fotones .

La Figura 4 muestra la longitud de onda de resonancia de polaritón de plasmón de superficie (SPP) simulada para una partícula de Ag esférica de 5nm, como función de la función dieléctrica em del medio de incrustación.

La Figura 5 muestra la longitud de onda de resonancia de SPP simulada versus la relación axial para una partícula de Ag en el vacío.

La Figura 6 muestra los espectros de absorbencia para Ag de 1 nm (curva de puntos) , CuPc de 7 nm (curva de guiones) y película de CuPc de 7 nm en Ag de 1 nm (curva llena) depositada sobre sustratos de cuarzo.

La Figura 7 muestra un mapa de contorno del incremento de la intensidad calculado (I/Jo) de una cadena de partículas de Ag con un diámetro de 2R = 5 nm y un espaciado de centro a centro d = 10 nm a ? = 690 nm.

La Figura 8 muestra el incremento de intensidad calculado promedio (T/J0) en la superficie de una partícula de Ag de 5 mm de diámetro en función de la longitud de onda para los distintos medio de incrustación.

La Figura 9 muestra la absorción (línea de puntos) y el incremento de intensidad promedio {I/I0) (líneas llenas) simuladas en la superficie de una partícula esférica y elíptica de 5 nm de diámetro (relación axial de 0,5).

La Figura 10 muestra (a) el incremento de 'intensidad calculado máximo (J/I0) en el centro de una cadena de ID de partículas versus d; y (b) la longitud de onda pico de polariton de plasmón de superficie (SPP) simulada como función del espaciado entre superficie y superficie d, de una cadena de ID de partículas esféricas de 5 nm de diámetro (linea llena) y partículas elípticas (líneas de puntos) .

La Figura 11 muestra el incremento de intensidad (I/I0) calculado en el eje de una cadena de ID de partículas incrustadas en un medio n = 2 + 0,5 i, versus longitud de onda del medio.

La Figura 12 muestra la absorbencia medida A, de espesores variables de CuPc sobre cuarzo a una longitud de onda de ? = 690 nm con (triángulos) y sin (cuadrados) una capa de grupos de Ag de 10 Á. Los ajustes (curvas enteras) a los datos se describen en el texto .

La Figura 13 muestra la diferencia medida de la absorbencia (??) de las películas de CuPc con o sin una capa de Ag vs . Espesor CuPc t.

La Figura 14 muestra la longitud incrementada efectiva calculada para una cadena de ID de partículas esféricas de 5 nm de diámetro (línea llena) y elípticas (relación axial = 0,5) (líneas de guiones) incrustadas en un medio dieléctrico con n = 2 + 0,5i, como función del espaciado entre las superficies de las partículas de la cadena.

La Figura 15 muestra los espectros de la eficiencia cuántica externa calculada (Í]EQE) para una célula PV en tándem de CuPc/PTCBI (a) con y b) sin grupos de Ag.

Descripción detallada Se provee un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico. Los dispositivos orgánicos de las formas de realización de la presente invención se pueden usar, por ejemplo, para generar una corriente eléctrica útil a partir de la radiación electromagnética incidente (por ejemplo, dispositivos PV) o se pueden usar para detectar radiación electromagnética incidente. Las formas de realización de la presente invención pueden comprender un ánodo, un cátodo y una región fotoactiva entre el ánodo y el cátodo. La región fotoactiva es la porción del dispositivo fotosensible que absorbe radiación electromagnética para generar excitones que se pueden disociar, a fin de generar una corriente eléctrica. Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos también pueden incluir al menos un electrodo transparente para permitir la absorción de la radiación incidente por el dispositivo. Se describen varios materiales y configuraciones para dispositivos PV en las patentes de los Estados Unidos N° 6.657.378, 6.5800.027 y 6.352.777, que se incorporan en su totalidad a la presente como referencia.

La Figura 1 muestra un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico 100. Las figuras no están necesariamente dibujadas en escala. El dispositivo 100 puede incluir un sustrato 110, un ánodo 115 y un capa suavizante de ánodo 120, una capa donante 125, una capa aceptora 1230, una capa bloqueadora 135 y un cátodo 140. El cátodo 140 puede ser un cátodo compuesto con una primera capa conductora y una segunda capa conductora. El dispositivo 100 se puede fabricar al depositar las capas descritas en orden. La separación de cargas puede ocurrir predominantemente en la heterounión entre la capa donante 125 y la capa aceptora 130. El potencial interno en la heterounión está determinado por la diferencia de energía HOMO-LUMO entre los dos materiales en contacto que forman la heterounión. La compensación de la brecha HOMO-LUMO entre los materiales donante y aceptor produce un campo eléctrico en la interfaz donante/aceptor que facilita la separación de las cargas para los excitones creados dentro de una longitud de difusión de excitones de la interfaz.

La disposición específica de las capas ilustrada en la Figura 1 sólo se muestra a modo de ejemplo, sin limitaciones. Por ejemplo, algunas de las capas (por ejemplo las capas bloqueadoras) se pueden omitir. Otras capas (tales como las capas reflectoras u otras capas aceptoras y donantes) se pueden agregar. Se puede alterar el orden de las capas. Se pueden usar disposiciones distintas de las específicamente descritas.

El sustrato puede ser cualquier sustito adecuado que provea las propiedades estructurales deseadas. El sustrato puede ser flexible o rígido, plano o no plano. El sustrato puede ser transparente, translúcido u opaco. El plástico y el vidrio son ejemplos de materiales rígidos de sustrato de preferencia. Las láminas de plástico y de metal son ejemplos de materiales flexibles de sustrato de preferencia. Los materiales y espesores del sustrato se pueden elegir a fin de obtener las propiedades estructurales y ópticas deseadas.

La patente de los Estados Unidos N° 6.352.777, incorporada a la presente como referencia, provee ejemplos de electrodos, o contactos, que se pueden usar en un dispositivo optoelectrónico fotosensible. Cuando se usa en la presente, los términos "electrodo" y "contacto" se refieren a las capas que proveen un medio para proveer corriente fotogenerada a un circuito externo o proveer una tensión de polarización al dispositivo. Es decir, un electrodo, o contacto, provee la interfaz entre las regiones activas de un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico y un alambre, cable, traza u otro medio para transportar los portadores de carga hacia o desde el circuito externo. En un dispositivo optoelectrónico fotosensible se desea permitir la admisión de la máxima cantidad de radiación electromagnética del ambiente desde el exterior del dispositivo hacia la región interior con actividad fotoconductora . Es decir, la radiación electromagnética debe alcanzar una capa(s) fotoconductora, donde puede ser convertida en electricidad por absorción fotoconductora . A menudo esto implica que al menos uno de los contactos eléctricos debe absorber un mínimo y reflejar un mínimo de la radiación electromagnética incidente. Es decir, dicho contacto debería ser sustancialmente transparente. El electrodo opuesto puede ser un material reflector, por lo que la luz que pase a través de la célula sin ser absorbida se refleje hacia atrás a través de la célula. Tal como se usa en la presente, se dice que una capa de material o una secuencia de varias capas de distintos materiales es "transparente" cuando la capa o capas permiten que al menos el 50% de la radiación electromagnética del ambiente se transmita en longitudes de onda relevantes a través de la capa o capas. De modo similar, las capas que permiten algo de transmisión de la radiación electromagnética del ambiente, pero menos del 50%, en longitudes de onda relevantes, se dice que es "semitransparente".

Tal como se usa en la presente, "superior" significa lo más alejado del sustrato, mientras que "inferior" significa lo más cercano al sustrato. Por ejemplo, para un dispositivo que tiene dos electrodos, el electrodo inferior es el electrodo más cercano al sustrato, y por lo general es el primer electrodo fabricado. El electrodo inferior tiene dos superficies, una superficie inferior más cerca del sustrato, y una superficie superior alejada del sustrato. Cuando se describe que una primera capa "se dispone sobre" una segunda capa, la primera capa se dispone más alejada del sustrato. Puede haber otras capas entre la primera y la segunda capas, a menos que se especifique que la primera capa está en "contacto físico con" la segunda capa. Por ejemplo, se puede describir que un cátodo "se dispone sobre" un ánodo, aún cuando haya varias capas entre medio.

De preferencia, los electrodos se componen de metales o "sustitutos de metales". En la presente, se usa el término "metal" para abarcar tanto materiales compuestos por un metal elementalmente puro, por ejemplo, Mg, como aleaciones de metales que son materiales compuestos por dos o más metales elementalmente puros, por ejemplo, Mg junto con Ag, que se denota Mg:Ag. En la presente, el término "sustituto metálico" se refiere a un material que no es un metal, según la definición normal, pero que tiene propiedades similares a los metales, que se desean en ciertas aplicaciones adecuadas. Los sustitutos de metales de uso común para electrodos y capas de transferencia de carga incluyen semiconductores interrumpidos con brecha de banda ancha, por ejemplo óxidos transparentes conductores tales como óxido de indio y estaño (ITO) , óxido de galio, indio y estaño (GITO) , y óxido de zinc, indio y estaño (ZITO) . El particular, ITO es un semiconductor n+ degenerado altamente interrumpido con una brecha de banda óptica de aproximadamente 3,23 eV, que lo hace transparente para longitudes de onda superiores a aproximadamente 3.900 Á. Otro sustituto de metal adecuado es el polímero transparente conductor polianalina (PA I) y sus compuestos químicos relacionados. Los sustitutos de metales se pueden seleccionar además de una amplia gama de materiales no metálicos, en donde el término "no metálico" significa que abarca una amplia gama de materiales, siempre que el material no contenga metal en su forma química no combinada. Cuando un metal está presente en su forma químicamente no combinada, ya sea solo o en combinación con uno o más metales como aleaciones, se puede decir alternativamente que el metal está presente en su forma metálica o como "metal libre". En consecuencia, los electrodos de sustituto de metal de la presente invención en ocasiones se pueden denominar "libres de metal", en donde el término "libre de metal" significa expresamente que abarca un material libre de metal en su forma químicamente no combinada. En general, los metales libres tienen la forma de enlaces metálicos que se producen a partir de un conjunto de electrones de valencia que están en libertad de desplazarse en una banda de conducción eléctrica, a través del enrejado metálico. Si bien los sustitutos metálicos pueden contener constituyentes metálicos, son "no metálicos" en varias bases. No son metales libres puros ni son aleaciones de metales libres. Cuando están presentes metales en su forma metálica, las bandas de conducción eléctrica tienden a proveer, entre otras propiedades metálicas, una elevada conductividad eléctrica, además de alta reflectividad para la radiación óptica.

Las formas de realización de la presente invención pueden incluir, como uno o más de los electrodos transparentes del dispositivo optoelectrónico fotosensible un cátodo altamente transparente, no metálico y de baja resistencia como el descrito en la patente de los Estados Unidos N° 6.420.031 de Parthasarathy et al. ("Parthasarathy ? 031") o un cátodo de un compuesto metálico/no metálico altamente eficiente, de baja resistencia, tal como el que se describe en la patente de los Estados Unidos N° 5.703.436 de Forrest et al. ("Forrest 36") , ambas incorporadas en su totalidad en la presente como referencia. Cada tipo de cátodo se prepara de preferencia en un proceso de fabricación que incluye el paso de depositar por salpicado una capa de ITO sobre un material orgánico, tal como ftalocianina de cobre (CuPc) , para formar un cátodo altamente transparente, no metálico y de baja resistencia, o en una capa delgada de g:Ag, para formar un cátodo compuesto metálico/no metálico altamente eficiente y de baja resistencia.

En la presente, se usa el término "cátodo" de la siguiente manera. En un dispositivo PV no apilado o una unidad aislada de un dispositivo PV apilado bajo irradiación ambiental y conectado con una carga resistiva y sin tensión externa aplicada, por ejemplo, un dispositivo PV, los electrones se desplazan hacia el cátodo desde el material fotoconductor . De modo similar, el término "ánodo" se usa en la presente de manera tal que en un dispositivo PV bajo iluminación los huecos se desplazan hacia el ánodo desde el material fotoconductor, que es equivalente a los electrones que se desplazan en sentido opuesto. Cabe destacar que según los términos se usan en la presente., los ánodos y cátodos pueden ser electrodos o capas de transferencia de cargas.

Un dispositivo fotosensible orgánico comprende al menos una región fotoactiva, en la cual se absorbe la luz para formar un estado excitado, o "excitón", que luego se puede disociar en un electrón y un hueco. La disociación del excitón en general ocurre en la heterounión formada por la yuxtaposición de una capa aceptora y una capa donante. Por ejemplo, en el dispositivo de la Figura 1, la "región foto-activa" puede incluir la capa donante 125 y la capa aceptora 130.

El material aceptor puede comprender, por ejemplo, perilenos, naftálenos, fulerenos o nanotúbulos. Un ejemplo de material aceptor es bis-benzimidazol 3, 4, 9, 10-perilentetracarboxilico (PTCBI) . Como alternativa, la capa aceptora puede comprender un material de fulereno como se describe en la patente de los Estados Unidos N° 6.580.027, incorporada a la presente en su totalidad como referencia. Adyacente a la capa aceptora hay una capa de material orgánico de tipo donante. El limite de la capa aceptora y la capa donante forma la heterounión que puede producir un campo eléctrico de generación interna. El material para la capa donante puede ser una ftalocianina o una porfirina, o uno de sus derivados o complejos de metales de transición, por ejemplo ftalocianina de cobre (CuPc) . Se pueden usar otros materiales aceptores y donantes adecuados. En una forma de realización de preferencia de la invención, las capas orgánicas apiladas incluyen una o más capas bloqueadoras de excitón (EBL) como se describe en la patente de los Estados Unidos N° 6.097.147, Peumans et al., Applied Physics Letters 2000, 76, 2650-52, y la solicitud en trámite acta número 09/449.801, presentada el 26 de noviembre de 1999, ambas incorporadas a la presente como- referencia. Se han logrado eficiencias cuánticas externas e internas más elevadas mediante la inclusión de una EBL para confinar los excitones fotogenerados a la región cercana a la interfaz de disociación, e impedir el atemperado parasitario de excitones en la interfaz fotosensible orgánica/electrodo. Además de limitar el volumen sobre el cual pueden difundir los excitones, una EBL también puede actuar como barrera . de difusión para las sustancias introducidas durante la deposición de los electrodos. En algunas circunstancias, se puede preparar una EBL de espesor suficiente para llenar huecos puntuales o defectos de cortocircuito -que de otro modo harían que el dispositivo PV orgánico no fuera funcional. En consecuencia, una EBL puede contribuir a proteger capas orgánicas frágiles del daño producido cuando se depositan los electrodos sobre los materiales orgánicos.

Se cree que las EBL derivan su propiedad de bloqueadores de excitones del hecho de tener una brecha de energía LUMO-HOMO sustancialmente mayor que la del semiconductor orgánico adyacente, del cual se bloquean los excitones. En consecuencia, los excitones confinados no pueden existir en la EBL, debido a consideraciones de energía. Si bien es deseable que la EBL bloquee los excitones, no es deseable que la EBL bloquee todas las cargas. Sin embargo, debido a la naturaleza de los niveles de energía adyacentes, una EBL puede bloquear un signo de portador de cargas. Según el diseño, una EBL existirá entre dos otras capas, por lo general una capa semiconductora fotosensible orgánica y un electrodo o capa de transferencia de carga. El electrodo o capa de transferencia de carga adyacente será en el contexto un cátodo o un ánodo. En consecuencia, se elegirá el material de una EBL en determinada posición en un dispositivo para que el signo deseado del portador no se vea impedido en el transporte al electrodo o capa de transferencia de carga. La adecuada alineación del nivel de energia asegura que no exista barrera al transporte de cargas, lo cual impide un aumento de la resistencia en serie. Por ejemplo, es deseable que el material usado como EBL de cátodo tenga un nivel de energia LUMO que sea bastante coincidente con el nivel de energia LUMO del material adyacente, a fin de minimizar cualquier barrera no deseada de los electrones.

Se apreciará que la naturaleza del bloqueo del excitón por un material no es una propiedad intrínseca de su brecha de energía HOMO-LUMO. Que determinado material actúe como bloqueador de excitones depende de los relativos niveles de energía HOMO y LUMO del material fotosensible orgánico adyacente. En consecuencia, no es posible identificar un clase de compuestos aislados como bloqueadores de excitones, sin considerar . el contexto del dispositivo en el cual se va a usar. Sin embargo, con las enseñanzas de la presente, un experto en el arte podrá identificar si determinado material actuará como capa bloqueadora de excitones cuando se utilice con un conjunto seleccionado de materiales, para construir un dispositivo PV orgánico.

En una forma de realización de preferencia de la invención, se ubica una EBL entre la capa aceptora y el cátodo. Un material de preferencia de EBL comprende 2 , 9~dimetil-4 , 7-difenil-1 , 10-fenantrolina (también denominado batrocuproina o BCP) , que se considera con una separación de nivel de energía LUMO-HOMO de aproximadamente 3,5 eV, o bis (2-metil-8~hidroxiquinolinato) -fenolato de aluminio (III) (Alq20PH) . BCP es un efectivo bloqueador de excitones que puede transportar fácilmente electrones al cátodo desde una capa aceptora.

La capa EBL se puede interrumpir con un interruptor adecuado, por ejemplo, pero sin limitaciones dianhidrido 3,4,9,10-perilentetracarboxílico (PTCDA) , dimida 3,4,9,10-perilentetracarboxílica (PTCDI) , bis-benzimidazol 3,4,9,10-perilentetracarboxílico (PTCBI) , dianhidrido 1,4,5,8-naftalentetracarboxílico (NTCDA) y sus derivados. Se cree que la BCP que se deposita en los presentes dispositivos es amorfa. Las presentes capas bloqueadoras de excitones de BCP, aparentemente amorfas pueden exhibir recristalización de película, que es especialmente rápida bajo elevadas intensidades de luz. El cambio de morfología obtenido en el material policristalino da por resultado una película de menor calidad, con posibles defectos tales como cortos, errores e intrusiones del material del electrodo. En consecuencia, se halló que la interrupción de ciertos materiales de EBL, tales como BCP, que exhiben este efecto con una molécula adecuada, relativamente grande y estable, puede estabilizar la estructura de la EBL para impedir los cambios de morfología con degradación del rendimiento. Se apreciará además que la interrupción de una EBL que transporta electrones en determinado dispositivo, con un material con nivel de energía cercano a de la EBL contribuirá a asegurar que no se formen trampas de electrones que pueden producir acumulación de carga de espacio y reducir el rendimiento. Además, se apreciará que densidades de interrupción relativamente bajas deberían minimizar la generación de excitones en sitios interruptores aislados. Dado que dichos excitones están impedidos de difundir en el material de EBL circundante, dichas absorciones reducen la eficiencia de fotoconversión del dispositivo.

Las formas de realización representativas también pueden comprender · capas de transferencia de carga o capas de recombinación de carga transparentes. Tal como se describe en la presente, las capas de transferencia de carga se distinguen de las capas donante y aceptora por el hecho de que las capas de transferencia de carga a menudo, pero no siempre, son inorgánicas (a menudo metales) y se pueden elegir para no tener actividad fotoconductora . El término "capa de transferencia de carga" se usa en la presente para referirse a las capas similares pero diferentes de los electrodos, en que la capa de transferencia de carga sólo entrega los portadores de cargas desde una subsección de un dispositivo optoelectrónico a la sección siguiente. El término "capa de recombinación de carga" se usa en la presente para referirse a capas similares pero diferentes de electrodos en que una capa de recombinación de carga siempre permite la recombinación de electrones y huecos entre dispositivos fotosensibles en tándem, y también pueden incrementar la fuerza de campo óptico interno cerca de una o más capas activas. Se puede construir un. capa de recombinación de carga a partir de nanogrupos, nanopart culas o nanobarras de metal semitransparentes, como se describe en la patente de los Estados Unidos N° 6.657.378, incorporada a la presente en su totalidad como referencia.

En otra forma de realización de preferencia de la invención, se ubica una capa suavizante de ánodo entre el ánodo y la capa de donante. Un material de preferencia para esta capa comprende una película de 3, 4-polietildioxitiopenteno : oliestirenosulfonato (PEDOT:PSS). La introducción de la capa de PEDOT:PSS entre el ánodo (ITO) y la capa donante (CuPc) puede conducir a rendimientos de fabricación muy mejorados. Esto se atribuye a la capacidad de la capa de película de PEDOT:PSS de hacer más plano ITO, cuya superficie rugosa de otro modo formaría cortos en las delgadas capas moleculares.

En otra forma de realización de la invención, una o más de las capas se puede tratar con plasma antes de depositar la nueva capa. Las capas se pueden tratar, por ejemplo, con un plasma suave de argón o de oxígeno. Este tratamiento es beneficioso, pues reduce la resistencia en serie. Es particularmente ventajoso someter la capa de PEDOT:PSS a tratamiento suave con plasma, antes de depositar la siguiente capa.

Se provee la estructura de capa simple ilustrada en la Figura 1 como ejemplo no limitante, y se entiende que las formas de realización de la invención se pueden usar en conexión con una amplia variedad de otras estructuras. Los materiales específicos y estructuras descritas son de naturaleza ej emplificativa, y se pueden usar otros materiales y estructuras. Se pueden obtener dispositivos funcionales al combinar las diversas capas descritas de distintas maneras, u omitir por completo las capas, en base al diseño, el rendimiento y los factores de costo. También se pueden incluir otras capas no específicamente descritas. Se pueden usar materiales distintos a los específicamente descritos. Si bien muchos de los ejemplos provistos en la presente describen diversas capas que comprenden un único material, se entiende que se pueden usar las combinaciones de materiales, tales como una mezcla de huésped e interruptor, o más generalmente una mezcla. Además, las capas pueden tener varias subcapas. Los nombres dados a las diversas capas en la presente no pretenden ser limitantes estrictamente. Las capas orgánicas que no son parte de la región fotoactiva, es decir, las capas orgánicas que generalmente no absorben fotones, que realizan contribuciones significativas a la corriente fotoeléctrica se pueden denominar "capas no fotoactivas". Entre los ejemplos de capas no fotoactivas se incluyen EBL y capas suavizantes del ánodo. También se pueden usar otros tipos de capas no fotoactivas.

Los materiales preferidos para su uso en las capas fotoactivas de un dispositivo fotosensible incluyen compuestos organometálicos ciclometalizados . Tal como se usa en la presente, el término "orgnometálico" será comprendido generalmente por un experto en el arte, y dado, por ejemplo en "Inorganic Chemistry" 2° edición, por Gary Miessler y Donald A. Tarr, Prentice Hall (a998) . En consecuencia, el término organometálico se refiere a compuestos que tienen un grupo orgánico unido a un metal a través de un enlace carbono-metal. Esta clase no incluye per se los compuestos de coordinación que son sustancias que sólo tienen enlaces de donante en heteroátomos, tales como los complejos metálicos de aminas, haluros, seudohaluros (CN, etc.) y similares. En la práctica, los compuestos organometálicos por lo general comprenden, además de uno o más enlaces carbono-metal con una especie inorgánica, uno o más enlaces donantes provenientes de un heteroátomo. El enlace carbono-metal con una especie orgánica se refiere a un enlace directo entre un metal y un átomo de carbono de un grupo orgánico, tal como fenilo, alquilo, alquenilo, etc., pero no se refiere a un enlace metal como "carbono inorgánico", por ejemplo el carbono de CN o CO. El término ciclometálico se refiere a compuestos que comprenden un ligando organometálico bidentado, de manera tal que al unirse a un metal se forma una estructura en anillo, que incluye el metal como uno de los miembros del anillo.

Las capas orgánicas se pueden fabricar por deposición al vacio, cubierta por rotación, deposición por fase orgánica de vapor, impresión con chorro de tinta y otros métodos conocidos en el arte .

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de las formas de realización de la presente invención pueden actuar como PV, fotodetector o fotoconductor . Siempre que los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención actúen como dispositivo PV se deben seleccionar los materiales usados en las capas orgánicas fotoconductoras y su espesor, por ejemplo, con el fin de optimizar la eficiencia cuántica externa del dispositivo. Siempre que los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos de la presente invención actúen como fotodetectores o fotoconductores se pueden seleccionar los materiales utilizados en las capas orgánicas fotoconductoras y sus espesores, por ejemplo, para maximizar la sensibilidad del dispositivo en las regiones espectrales deseadas.

Este resultado se puede lograr al considerar varias pautas que se pueden usar en la selección del espesor de la capa. Es deseable que la longitud de difusión del excitón LD sea superior o comparable al espesor de la capa L, dado que se cree que la mayor disociación de los excitones tiene lugar en la interfaz. Si LD es inferior a L, muchos excitones se pueden recombinar antes de la disociación. También es deseable que el espesor total de la capa fotoconductora sea del orden de la longitud de la absorción de la radiación electromagnética I/a (donde a es' el coeficiente de absorción) , por lo que casi la totalidad de la radiación incidente en el dispositivo PV se absorba para producir excitones. Además, el espesor de la capa fotoconductora debe ser tan delgada como sea posible, a fin de evitar exceso resistencia en serie, debida a la elevada resistencia en masa los semiconductores orgánicos.

En consecuencia, estas pautas de competencia requieren compensaciones inherentes al seleccionar el espesor de las capas orgánicas fotoconductoras de una célula optoelectrónica fotosensible. En consecuencia, por una parte es deseable un espesor comparable o mayor que la longitud de la absorción (para un dispositivo de célula única) , a fin de absorber la máxima cantidad de radiación incidente. Por otra parte, a medida que aumenta el espesor de la capa fotoconductora aumentan dos efectos indeseables. Uno se debe a la elevada resistencia en serie de los semiconductores orgánicos, por lo que el mayor espesor de la capa orgánica aumenta la resistencia del dispositivo y reduce la eficiencia. Otro efecto indeseable consiste en que al aumentar el espesor de la capa fotoconductora aumenta la probabilidad de que los excitones se generen lejos del campo efectivo en una interfaz separadora de cargas, lo que da por resultado mayor probabilidad de recombinación geminada y, nuevamente, menor eficiencia. En consecuencia, es deseable una configuración del dispositivo que equilibre estos efectos en competencia de manera tal que se produzca una elevada eficiencia cuántica externa para el dispositivo en general.

Los dispositivos optoelectronicos fotosensibles orgánicos de la presente invención pueden funcionar como fotodetectores . En esta forma de realización, el dispositivo pude ser un dispositivo orgánico multicapa, por ejemplo como el descrito en la solicitud de patente de los Estados Unidos acta N° 10/723.953, presentada el 26 de noviembre de 2003, e incorporada en su totalidad a la presente como referencia. En este caso, por lo general se aplica un campo eléctrico externo para facilitar la extracción de las diferentes cargas. Se puede emplear una configuración concentradora o atrapadora para aumentar la eficiencia del dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico, en donde los fotones se vean forzados a hacer múltiples pasajes a través de las delgadas regiones de absorción. Las patentes de los Estados Onidos N° 6.333.458 y 6.440.769, incorporadas a la presente en su totalidad como referencia, resuelven esta cuestión mediante el uso de diseños estructurales que incrementan la eficiencia de la fotoconversión por los dispositivos optoelectronicos fotosensibles, al optimizar la geometría óptica para alta absorción y para el uso con concentradores ópticos que incrementan la eficiencia de la recuperación. Dichas geometrías de los dispositivos fotosensibles aumentan sustancialmente el camino óptico a través del material, al atrapar la radiación incidente dentro de una cavidad reflectora o estructura guía de las ondas, por lo que se recicla la luz a través de reflexiones múltiples por el material fotosensible. Las geometrías descritas en las patentes de los Estados Unidos N° 6.333.458 y 6.440.769 en consecuencia incrementan la eficiencia cuántica externa de los dispositivos, sin causar un aumento sustancial de la resistencia global. En la geometría de dichos dispositivos se incluye una primera capa reflectora, una capa aislante transparente, que debería ser más larga que la longitud de coherencia óptica de la luz incidente en todas las dimensiones, a fin de impedir efectos de interferencia por microcavidades ópticas; una capa de primer electrodo transparente, adyacente a la capa aislante transparente; una heteroestructura fotosensible adyacente al electrodo transparente y un segundo electrodo, que también es reflector.

Se pueden usar cubiertas para focalizar la energía óptica en las regiones deseadas de un dispositivo. La solicitud de patente de los Estados Unidos N° 10/857.747, incorporada en su totalidad a la presente como referencia, provee ejemplos de dichos revestimientos.

En células solares de bicapa en tándem, cada subcélula puede ser lo suficientemente delgada para permitir que un gran porcentaje de exeitones se disocie, mientras que el dispositivo tiene espesor suficiente para lograr una elevada eficiencia de absorción. La Figura 2 muestra un diagrama esquemático 200 y micrografías electrónicas de transmisión con alta resolución 290 de un corte transversal de una célula PV orgánica en tándem. Las dos células 210 y 220 se contactan mediante un ánodo de óxido de indio y estaño (ITO) 230 y un cátodo de Ag 240, y están separadas por una capa de nanoparticulas de Ag 250. Tal como se usa en la presente, el término "nanopartícula" se refiere a una partícula que se ajusta dentro y/o entre las capas orgánicas de un dispositivo orgánico, ün tamaño de preferencia de nanoparticulas es de aproximadamente 300 Á o menos, aunque las nanoparticulas pueden estar encapsuladas dentro de otros materiales, que pueden aumentar este tamaño. Las distancias de aumento y las longitudes de difusión LDD y ??? de la capa donante (D) y de la capa aceptora (A) de cada dispositivo están rotulados. Los grupos de Ag son visibles en la micrografia y se muestran (círculos llenos) en el esquema. El esquema muestra una representación de la generación de corriente en la célula en tándem. Ante la absorción de luz, se forman los excitones en ambas células fotovoltaicas 210 y 220. Después de la disociación en una interfaz DA 270· o 280, se recogen el hueco en la subcélula PV 210 y los electrones en la subcélula PV 220 en los electrodos adyacentes 230 y 240. Para impedir la acumulación de carga dentro de las células, el electrón de la subcélula PV 210 y el hueco de la subcélula PV 220 difunden a la capa de nanoparticulas de metal 250, en donde se recombinan. La atracción de la carga inicial hacia la nanoparticula es principalmente consecuencia de efectos de carga de imagen. Una vez que la partícula de metal tiene una carga aislada, la atracción de Coulomb de la contracarga libre produce la rápida recombinación de la superficie de Ag 250.

Esta estructura de células en tándem conectadas en serie es ventajosa porque conduce a un aumento de la tensión de circuito abierto V0cr comparado con el caso de la célula bicapa aislada. Dado ?? = JscV0cFF/Pinc (-en- donde JSc es la densidad de corriente de cortocircuito, FF es el factor de llenado, y Pinc es la densidad de energía óptica incidente) , esto puede conducir a un aumento de ??, dado que los demás parámetros permanecen sin cambios. El desafío de realizar células en tándem consiste, en consecuencia, en equilibrar la corriente fotoeléctrica de cada célula, dado que la corriente del dispositivo está limitada por la más pequeña de las dos corrientes producidas en la subcélula PV 210 o en la subcélula PV 220. Esto se puede lograr al variar los espesores o las composiciones de los materiales de las diversas capas del dispositivo, pero se complica debido a los efectos de interferencia óptica. Las células de tándem en serie también pueden comprender múltiples subcélulas conectadas eléctricamente, incluso con más de dos subcélulas, en donde cada subcélula comprende una capa aceptora y una capa donante. Se pueden utilizar otras disposiciones de subcélulas, como será aparente para los expertos en el arte.

Además de funcionar como una capa portadora de recombinación eficiente, para impedir -la carga de la célula, las nanoparticulas también pueden incrementar el campo eléctrico incidente, el cual a su vez puede aumentar la absorción en la película delgada orgánica cercana. La superficie sombreada 260 en el diagrama de la Figura 2 indica la región en donde el campo eléctrico recibe influencia de las nanoparticulas de Ag 150. El aumento del campo es consecuencia de las resonancias de polariton de plasmón de superficie (SPP) excitadas ópticamente sobre las superficies de las nanoparticulas. Tal como se usa en la presente, y como comprenderá un experto en el arte, "resonancia de polariton de plasmón de superficie" se refiere al acoplamiento de los fotones incidentes a la oscilación del plasma de las superficies de las partículas, en donde "oscilación del plasma" se refiere a la excitación colectiva de los electrones de conducción en la partícula. La resonancia de SPP se origina en el desplazamiento de los electrones de conducción negativos contra el fondo con carga positiva, debido al campo eléctrico aplicado. Esto da por resultado cargas de polarización en la superficie de las nanoparticulas, lo cual conduce a una fuerza de restablecimiento y en consecuencia una frecuencia de resonancia. Esta propiedad de las nanoparticulas de metal también se puede aplicar a células de Schottky y células PV sensibilizadas a colorantes, en donde la región fotosensibilizada está en contacto con la capa de nanoparticulas.

La posición de resonancia de SPP de las nanoparticulas o los agregados de nanoparticulas puede estar influenciada por la forma irregular de las partículas, los distintos medios dieléctricos de incrustación y los efectos del sustrato, además del acoplamiento entre partículas. Sacando ventaja de estos diversos efectos, se puede afinar la resonancia de una nanoparticula o disposición de nanoparticulas según las longitudes de onda en el espectro visible e infrarrojo.

Dado que la resonancia de SPP aumenta el campo electromagnético local, la nanoparticula y la región fotoactiva no necesitan estar en contacto directo para obtener los beneficios de la resonancia de SPP. En una forma de realización de la invención se dispersan nanoparticulas encapsuladas dentro de una región orgánica activa dispuesta entre dos electrodos. Las nanoparticulas se pueden distribuir al azar o uniformemente en toda la región. También son posibles otras disposiciones de nanoparticulas, y pueden ser ventajosas para aplicaciones específicas. En una forma de realización de preferencia de la invención, la región fotoactiva comprende una o más células PV. En esta forma de realización, las nanoparticulas encapsuladas se pueden disponer en capas planas entre células PV adyacentes. La región fotoactiva puede comprender otros materiales orgánicos adecuados, tales como materiales sensibilizados a colorantes. La dispersión de las nanoparticulas dentro de la región fotoactiva aumenta el campo eléctrico incidente en la región circundante, debido a las resonancias de SPP sobre la superficie de las partículas. De preferencia, las nanoparticulas comprenden un metal, con particular preferencia por Ag, Cu y Au. El uso de estos materiales provee una resonancia de SPP que causa una mayor absorción con las longitudes de onda visibles. Las nanoparticulas también pueden comprender un semiconductor degenerativo interrumpido u otro material semiconductor.

La longitud de onda de resonancia ocurre cuando se minimiza la siguiente ecuación: t e1 (?) + 2em (?) ] 2 + e2 (?) 2 = constante en donde t (?) y e2 (?) corresponden al metal, y sm (?) corresponde al medio de incrustación. Esto se puede simplificar a e? (?) = -2 sm (?) dado que tz (?) o d Zz/d ? son pequeños, lo que generalmente es cierto para, por ejemplo, Ag, en la región de resonancia de 3,0 a 3,5 eV. La Figura 3 muestra la función dieléctrica real 310 y la función dieléctrica imaginaria 320 para Ag como funciones de energía de fotones. La masa, de Ag se muestra como linea llena y también se muestran grupos de Ag de diámetros de 10 nm (línea de guiones) y 5 nm (línea de puntos) . La Figura 4 muestra el efecto del medio de incrustación con la resonancia de SPP de nanopartículas de 2R = 5 nm de Ag, en donde se han tenido en cuenta los cambios de función dieléctrica. Las líneas de guiones indican las longitudes de onda de resonancia para una partícula con una relación axial de partícula de b/a = 0,6. El recuadro muestra la geometría de la simulación.

La forma de una nanopartícula es otro factor que puede afectar particularmente la resonancia de SPP. Por ejemplo, para nanopartículas elípticas, el SPP se puede dividir en dos modos, uno correspondiente al eje mayor a, y el otro al eje menor b de la esferoide. En la Figura 5 se muestra la posición pico de SPP para una nanopartícula elíptica en vacío. Tal como se usa en la presente, el término "relación axial" se refiere a la relación entre el eje menor y el eje mayor, es decir, b/a. Para valores pequeños de relación axial, el espaciado de longitudes de onda entre los dos picos de resonancia alcanza valores de 300 nm, y para b/a = 1, la posición de SPP corresponde a la de una nanoparticula esférica en vacio a ?? = 338 nm. Por ejemplo, las lineas de guiones de la Figura 5 muestran que una relación axial de 0,6 conduce a modos de SPP a h = 334 y a - 360 nm. Esta división de los modos de dipolo se puede generalizar a los casos de cualquier forma de partícula no esférica, debido a la distribución resultante de la carga en la nanoparticula asimétrica. En formas de realización de preferencia de la invención, las nanopartículas tienen el eje menor no mayor de aproximadamente 300 Á, y una relación axial no inferior a aproximadamente 0,1. Para partículas más esféricas (es decir, las que tienen una relación axial de aproximadamente 1) , se prefiere que la separación promedio entre superficies no supere aproximadamente 100Á. Las partículas de mayor tamaño y/o menores separaciones promedio disminuyen la cantidad de material orgánico disponible para la absorción, que puede disminuir el incremento del campo óptico de incidencia debido a las resonancias de SPP. Sin embargo, para algunos fines se pueden usar otras dimensiones distintas de las específicamente descritas. Además, se prefiere que las nanopartículas no sean esféricas, y se dispongan con los ejes mayores paralelos a la interfaz. Se cree que dicha disposición aumenta el incremento del campo óptico de incidencia que resulta de las interacciones de dipolos y las resonancias de SPP de las nanoparticulas . Para partículas no esféricas (las que tienen relación axial inferior a 1) el acoplamiento entre partículas puede tener menor influencia sobre los incrementos de campo local. En consecuencia, se prefiere que la separación promedio entre superficies de partículas no esféricas no sea mayor de aproximadamente 300 Á. Se pueden usar otras disposiciones y separaciones para algunos fines! En algunos casos, las nanoparticulas encapsuladas pueden comprender un porcentaje significativo del volumen de la región activa. Para las aplicaciones de células PV es ventajoso introducir incrementos de campo en todo el rango del espectro solar que se superpone con los espectros de absorción de los materiales fotoactivos . A continuación se analiza la dependencia espectral. de la absorbancia.

La Figura 6 muestra espectros de absorción representativos medidos de tres películas en cuarzo con nanoparticulas y sin ellas. Las nanoparticulas en la capa de Ag de 1 nm de espesor tienen un diámetro promedio de aproximadamente 2R = 5 nm, y un espaciado entre centros de aproximadamente d = 10 nm. La curva 610 de una película insular de Ag de 10 Á de espesor tiene un pico de 100 nm (ancho total a la mitad del máximo) centrado en una longitud de onda de ?? = 440 nm, debido a la excitación de plasmón de superficie de las nanoparticulas . La posición y la intensidad del pico indican la distribución del tamaño y la forma de las partículas, además del acoplamiento bipolar entre nanoparticulas que ensancha la respuesta óptica al disminuir el espaciado de las partículas. También se muestran la absorción de una película de 7 nm de espesor de CuPc (curva 620) y una película de CuPc de 7 nm depositada en la parte superior de la película insular de Ag de espesor de cobertura de 1 nm (curva 630) . El pico de plasmón de la capa de nanopartícula de Ag se desplaza hacia el rojo en 30 nm a ?? = 470 nm debido a la presencia del CuPc dieléctrico circundante, aunque las posiciones de los picos de CuPc a ?? = 625 nm y 690 nm no se modifican. Sin embargo, la característica más notoria es el aumento de la absorción de CuPc a longitudes de onda ? > 470 nm. Esta mejora de banda ancha, no resonante puede llevar a un aumento de aproximadamente un 15% en la eficiencia de las células PV en tándem sobre aquella que se espera simplemente combinando las eficiencias de varias bicapas de CuPc/PTCBI acumuladas.

El mejoramiento puede ocurrir por debajo de la frecuencia de plasmón superficial, ??. Por debajo de ??, una colección de nanoparticulas distribuidas al azar puede generar "puntos calientes" en el campo eléctrico debido a las interacciones dipolares entre partículas, mientras que la absorción de películas de nanopartículas se debe a los modos de plasmón dipolares formados sobre la superficie de las partículas.

La Figura 7 muestra una distribución de . campo representativa para una disposición planar de cilindros de Ag, sobre un sustrato de cuarzo rodeado de un CuPc dieléctrico, de diámetro 2R = 5 nm y un espaciamiento uniforme de superficie a superficie d = 5 nm. Las partículas se encuentran sobre un sustrato de cuarzo (n = 1,46, z = 0) y están incrustadas en un medio dieléctrico (CuPc) . Las etiquetas del contorno representan el mejoramiento de intensidad calculado y están espaciadas 0,5. El vector de polarización se encuentra indicado por la flecha, y la propagación es en la dirección + z. La distribución de campo es para una longitud de onda de excitación de ? = 690 nm y polarización paralela a la cadena de nanopartículas. Los contornos indican la intensidad del mejoramiento del campo eléctrico, , (I/Io) , en donde I es la intensidad de campo local e I0 es la intensidad del campo incidente. Estas intensidades son proporcionales a respectivamente, en donde 'es la amplitud de campo local y es la amplitud del campo incidente. Es posible encontrar me oramientos de. la intensidad hasta doce veces mayores en los intersticios de los cilindros. La naturaleza dipolar de la intensidad del campo es evidente, y se encuentra una atenuación del campo en la "sombra" de la esfera.

El efecto del medio de incrustación sobre la posición de la resonancia de SPP y además sobre el ancho de banda espectral del mejoramiento es de particular importancia para la aplicación a células solares, en donde mejorar un amplio rango de longitudes de ondas reviste interés. La Figura 8 muestra el mejoramiento de intensidad de un campo incidente integrado sobre la superficie de una sola partícula esférica, 2R = 5 nm. El pico de resonancia se desplaza hacia el rojo como consecuencia de la creciente constante dieléctrica del medio de incrustación. A medida que n aumenta de 1 a 2, el pico de resonancia se hace más importante, mientras que el grado de la meseta de mejoramiento del lado de la longitud de onda larga del pico de SPP se reduce. Incrustar la partícula en un material con n= 2 + 0,5t, un valor típico para una película orgánica delgada muy absorbente, hace que el pico de SPP dipolar se suprima por más de un orden de magnitud en comparación con un dieléctrico no absorbente.

La Figura 9 muestra los espectros de una nanopartícula esférica (2R = 5 nm) y una elíptica b/a = 0,5 de área igual a la nanopartícula esférica incrustada en un dieléctrico con n= 2 + 0,5i. Ambas partículas tienen la misma área, y están incrustadas en un dieléctrico con n = 2 + 0,5i. La absorción (líneas punteadas) de nanopartículas elípticas alcanza un pico a ? = 470 nm, y se desplaza hacia el rojo desde la de la esférica a ? = 392 nm. La polarización de la luz incidente es paralela al eje mayor de la partícula elíptica, y por lo tanto ese modo es excitado. La partícula elíptica presenta una cola de mejoramiento desplazado hacia el rojo que se extiende más allá de la absorción de la mayoría de los materiales PV orgánicos, lo que hace que esta forma de partícula sea más adecuada para usar en células PV orgánicas .

La capa de recombinación de carga en una célula PV orgánica en tándem puede consistir en una disposición al azar térmicamente evaporada de nanopartículas de diversos tamaños, formas y espaciamiento entre sí. La Figura 10 muestra el mejoramiento de la intensidad en el centro de una disposición de nanopartículas de Ag esféricas 1010, 1020 y nanopartículas elípticas 1030, 1040 en un medio con n = 2 + 0,5i. Para d > .10 nm, el mejoramiento disminuye de manera monótona y el espaciamiento se incrementa rápidamente para o < 10 nm debido ' al aumento no lineal en el acoplamiento dipolar entre nanopartículas vecinas. La posición de resonancia de SPP se desplaza hacia el rojo para d = 10 nm, mientras que para d mayores la resonancia de SPP converge a la longitud de onda de la partícula única.

La Figura 11 muestra la respuesta espectral para d = 10 nm 1110 y 1120, 5 nm 1130 y 1140, y 2,5 nm 1150 y 1160, para disposiciones tanto esféricas (líneas llenas) 1110, 1130 y 1150, como elípticas (lineas punteadas) 1120, 1140 y 1160. Las líneas llenas indican una disposición de grupos de 5 nm de diámetro, mientras que las líneas punteadas indican partículas elípticas de relación axial 0,5 con la misma área. Se muestran los espaciamientos de superficie con superficie de d = 10 nm (cuadrados abiertos) , 5 nm (círculos llenos) y 2,5 nm (triángulos abiertos). En cada caso, la disposición elíptica tiene un mejoramiento máximo mayor que para el caso esférico. A medida que d se reduce, los efectos del acoplamiento son más fuertes que el efecto de la forma. La meseta de mejoramiento para estas estructuras es amplia debido al acoplamiento entre partículas. Además, hay una región de atenuación en la longitud de onda justo debajo de la resonancia de SPP. La intensidad espectral solar en ? < 350 -400 nm es débil y por consiguiente esto no causa un impacto significativo sobre el rendimiento del dispositivo en comparación con los mejoramientos registrados a altas longitudes de onda.

La distancia sobre la cual se produce un mejoramiento desde la capa de recombinación de una célula PV orgánica en tándem también reviste interés. La Figura 12 muestra la absorbencia medida, A, de diversos grosores de CuPc en cuarzo a una longitud de onda de ? = 690 nm con (triángulos) y sin (cuadrados) una capa de grupos de Ag de 10 A. Los valores de absorbancia medidos de películas de CuPc de diversos grosores (t) depositadas directamente sobre sustratos de cuarzo, asi como también sobre películas isla de Ag, a una longitud de onda no resonante ? = 690 nm se muestran en la Figura 12. A esta longitud de onda, la absorción debida a las nanopartículas de Ag puede despreciarse, lo que proporciona una comparación directa de cambios en la absorción de CuPc. La absorbencia aumenta más rápidamente para la película de CuPc absorbida en las islas de Ag 1210 que para la película pura 1220 cuando t = 10 nm. Cuando t ' es grande, la absorción ya no aumenta. La Figura 13 muestra la diferencia medida de la absorbencia (??) de las películas de CuPc con y sin capa de Ag en comparación con el grosor de CuPe, t.

Las películas de nanopartículas de Ag de tamaño nanométrico poseen eficiencias de esparcimiento y reflexión cercanas a cero. La pérdida por esparcimiento desde el modo dipolo sólo puede ser mayor que la pérdida por absorción para las partículas con 2R = 30 nm.

La Figura 14 muestra el grosor efectivo de una región dieléctrica de película delgada con n = 2 + 0,5i rodeando a una disposición de partículas que está dentro de la "zona de mejoramiento" de esa disposición, incluida el área dentro de esa disposición de partículas. Para d muy pequeña, el mejoramiento en los intersticios de la nanopartícula es grande, aunque está mayormente confinado a esta pequeña región. El mejoramiento para la disposición esférica 1410 y la disposición elíptica 1420 alcanza un pico en aproximadamente ó = 25 nm, y se extiende a distancias de alrededor de 7 y 9 nm, respectivamente.

Una célula PV en tándem que consiste en dos heterouniones DA de CuPc/PTCBI ubicadas en serie y separadas por una capa delgada de recombinación de nanopartículas de Ag tiene una eficiencia de potencia, ??, de aproximadamente. (2,5 + 0,1) % mientras que ?? para una sola célula de CuPc/PTCBI es (1,1 + 0,1)% bajo una iluminación AM1,5G (masa del aire 1,5 global) simulada de 1 sol (100 mW/cm2) . V0'c para la célula en tándem es aproximadamente el doble del valor de una sola célula. Un aumento en Jsc puede explicar un aumento de aproximadamente el 15% en ?? a 2,5%. Jsc se determina utilizando: (3) en donde S (?) es el espectro de irradiación solar AM 1,5G simulado, q es la carga del electrón, c es la velocidad de la luz, y h es la constante de Planck.

La Figura 15 muestra ?0?(?) calculado con la capa de nanoparticulas de Ag 1510 y sin la capa de nanoparticulas de Ag 1520 para la estructura en tándem: 150 n ITO / 10 nm CuPc / 13 nm PTCBI / 1 nm Ag / 13 nm CtiPc / 30 nm PTCBI / 100 nm Ag. Los circuios abiertos muestran ???2? para la célula anterior (PV 1, más cerca del ánodo) mientras que los cuadrados llenos muestran nEQE para la célula posterior (PV 2, más cerca del cátodo) . También se muestran las contribuciones a nEQE de parte de las capas de CuPc y PTCBI para PV 1 (curvas llenas) y PV 2 (curvas punteadas) . La célula posterior es más gruesa que la célula anterior para compensar la reducción en la intensidad del campo debido a la absorción en la célula anterior, asi como también debido a los efectos de interferencia óptica parásita. En la estructura sin nanoparticulas de Ag 1520, para PV 1 (circuios abiertos) y PV 2 (cuadrados llenos) tienen formas similares, a pesar de que PV 1 tiene un mayor Jsc debido a su mayor nEQE (?) en la mayor parte de la región fotoactiva. Este desequilibrio de corriente limita el Jsc a una corriente más pequeña en PV 2. Para ambos PV 1 y PV 2, la principal contribución con nEQE (?) es de la capa de CuPc, dado que la longitud de difusión para CuPc, Lc^Pc = (100 ± 30) A, es mayor que de PTCBI con LPCBI = (30 ± 3) A . La densidad de corriente de cortocircuito está equilibrada para el caso mejorado, a pesar de que nEQE (?) para PV 1 y PV 2 tienen diferentes formas. Debido al mejoramiento del campo de las nanopartículas, hay una gran contribución con nEQE(X) desde - la capa de PTCBI para PV 1, y de la capa de CuPc para PV 2.

En la arquitectura CuPc/PTCBI, la LD pequeña de estos materiales permite la deposición de capas delgadas en las células anteriores y posteriores y, asi, la interfaz DA queda dentro de la zona de mejoramiento. Para materiales con una gran LD, tal como C60, la presente arquitectura no permite un mejoramiento significativo en la interfaz DA cuando el espesor de la capa es de aproximadamente LD, dado que es el espesor de la capa óptimo para una célula PV orgánica bicapa. Para estos materiales, puede ser posible producir dispositivos en tándem a partir de películas delgadas coevaporadas de materiales D y A, en donde la disociación de los excitones no esta limitada por la LD. En este caso, las subcélulas PV pueden mantenerse delgadas para preservar un alto FF, mientras que el mejoramiento de la capa de recombinación de carga de nanopartículas aumenta la absorción en la célula.

La intensidad del campo óptico en el campo cercano de una cadena de nanopartículas metálicas puede incrementarse por un factor de hasta cien en comparación con la intensidad de la luz de incidencia. Este mejoramiento cubre un amplio rango de espectros y se puede extender a distancias de hasta 100 A, permitiendo una mayor absorción en películas orgánicas delgadas puestas en contacto con las nanopartículas o nanopartículas cercanas. El mejoramiento puede derivar en mayores eficacias de potencia en células PV orgánicas bicapa en tándem.

Los longitudes de difusión relativamente pequeñas en las células PV de CuPc/PTCBI permiten capas delgadas con una mejor absorción en la interfaz DA generadora de corriente. Para materiales con LD > 100 A, el atemperado de excitones . en las nanopartículas de Ag puede limitar el potencial para las mejoras de eficiencia por medio de la mayor absorción. Un medio posible para impedir que el atemperado de excitones compita con el aumento de la eficiencia consiste en encapsular las nanopartículas metálicas en una capa aislante. Estas nanopartículas encapsuladas se pueden dispersar luego en todas las películas orgánicas, mejorando la absorción sin degradar la eficiencia eléctrica de la célula. Las nanopartículas encapsuladas pueden comprender un porcentaje significativo del volumen de la película orgánica.

Las nanopartículas encapsuladas pueden ser creadas usando un automontaje capa por capa, tal como se describe en Ung et al., J Phys. Chem. B 2001, 105, 3441-52 y Salgueirino-Maceira et al., J: Phys. Chem. B 2003, 107, 10990-10994, el método de Turkevich tal como se describe en ellos, y otros métodos tal como se describe en Liz-Marian y Mulvaney, J. Phys. Chern. B 2003, 107, 7312-26, todos los tres incorporados en la presente por referencia. Pueden emplearse otros métodos para crear y encapsular nanopartículas, tal como apreciará un especialista en el arte.

El uso de estas nanopartículas encapsuladas permitirá el ajuste de los efectos de acoplamiento de partícula con partícula, propiedades macroscópicas del material huésped y otros efectos. En una forma de realización de la invención, las nanopartículas están encapsuladas dentro del material aislante. En una forma de realización preferida de la invención, las nanopartículas están encapsuladas dentro de un óxido. Se prefiere especialmente que la capa aislante no sea inferior a aproximadamente 10 A y no sea mayor a aproximadamente 100 A. A menos de aproximadamente 10 A, los efectos cuánticos se volverán no triviales y, a más de 100 A, la separación de las nanopartículas puede comenzar a amortiguar los efectos de resonancia de SPP. Las nanoparticulas pueden no necesitar estar en contacto físico con la región fotoactiva orgánica. En otra forma de realización de la invención, las nanoparticulas pueden estar dispuestas en toda la "zona activa". Tal como se usa en la presente, "zona activa" es una región ligeramente más grande que la "región fotoactiva". Específicamente, la "zona activa" es una región a partir de la cual las nanoparticulas pueden tener un efecto positivo significativo sobre la absorción en la región fotoactiva. En general, la "zona activa" incluye materiales orgánicos que comprenden la región fotoactiva, así como materiales orgánicos dentro de aproximadamente 100 A de la región fotoactiva. La zona activa puede incluir materiales no fotoactivos y puede incluir, más comúnmente, por ejemplo, capas de bloqueo dispuestas de forma adyacente a la región fotoactiva.

Una vez fabricadas de acuerdo con cualquiera de los diversos métodos, las nanoparticulas éncapsuladas pueden ser incorporadas en un dispositivo por medio de cualquier método apropiado. En una forma de realización preferida, las nanoparticulas se incorporan en una capa orgánica depositada en solución mediante la suspensión en la solución antes de la deposición. También se pueden utilizar otros métodos, tales como codepositar las partículas éncapsuladas con una capa orgánica depositada por evaporación. La orientación de tales nanoparticulas (en donde las partículas son no esféricas) puede controlarse a través de medios mecánicos, tales como revestimiento con rotación, y/o por medio de la aplicación de un campo, tal como un campo magnético o eléctrico, durante el proceso de deposición. En algunas formas de realización, las nanoparticulas encapsuladas se pueden fabricar in situ.

A pesar de que la presente invención se describe respecto de ejemplos particulares y formas de realización preferidas, se entiende que la presente invención no está limitada a estos ejemplos y formas de realización. La presente invención tal como se reivindica incluye variaciones de los ejemplos particulares y formas de realización preferidas descritas en ella, tal como será obvio para un especialista en el arte.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo que comprende: un primer electrodo un segundo electrodo una región fotoactiva que comprende un material orgánico dispuesto entre y eléctricamente conectado con el primer electrodo y el segundo electrodo; y una pluralidad de nanoparticulas encapsuladas dispuestas dentro de la región fotoactiva, en donde las nanoparticulas tienen una resonancia de plasmón.
2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas se componen de metal.
3. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas están encapsuladas dentro de un óxido.
4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas están encapsuladas dentro de un material aislante.
5. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas están distribuidas en toda la región fotoactiva .
6. El- dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la región fotoactiva comprende una primera subcélula que, además, comprende : una primera capa donante; y una primera capa aceptora en contacto . físico directo con la primera capa donante.
7. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la región fotoactiva también comprende una segunda subcélula que, además, comprende: una segunda capa donante;^ y una segunda capa aceptora en contacto físico indirecto con la primera capa donante, en donde la segunda subcélula se dispone entre la primera subcélula y el segundo electrodo.
8. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, en donde las nanopartículas están dispuestas dentro de la primera capa aceptora y la primera capa donante.
9. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, en donde las nanopartículas están dispuestas entre la primera subcélula y la segunda subcélula.
10. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas son no esféricas.
11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la región fotoactiva es planar, y el eje más largo de cada nanopartícula es aproximadamente paralelo al plano de la región fotoactiva.
12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la relación axial de cada nanopartícula no es inferior a aproximadamente 0,1.
13. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la separación promedio superficie a superficie entre nanoparticulas no es mayor a aproximadamente 300 A.
14. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el eje más pequeño de cada nanopartícula no es mayor a aproximadamente 300 A.
15. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el espesor del material aislante no es inferior a aproximadamente 10 A.
16. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el espesor del material aislante no es mayor a aproximadamente 100 A.
17. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en donde las nanopartículas comprenden Ag.
18. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en donde las nanopartículas comprenden Au.
19. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en donde las nanopartículas comprenden Cu.
20. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la región fotoactiva comprende una heterounion en masa.
21. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la región fotoactiva comprende un material sensible a los colorantes .
22. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanopartículas comprende un material conductor.
23. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas comprenden un material semiconductor.
24. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las nanoparticulas comprenden un semiconductor degenerativo interrumpido .
25. Un dispositivo que comprende: un primer electrodo; un segundo electrodo; una zona activa dispuesta entre y eléctricamente conectada al primer electrodo y al segundo electrodo, en donde la zona activa también comprende: una región fotoactiva dispuesta dentro de la zona activa y dispuesta entre y eléctricamente conectada con el primer electrodo y el segundo electrodo; y materiales orgánicos dispuestos dentro de 100 A de la región fotoactiva; y una pluralidad de nanoparticulas encapsuladas dentro de la zona activa, en donde las nanoparticulas tienen una resonancia de plasmón.
26. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 25, en donde la zona activa también comprende una capa de bloqueo del excitón orgánica dispuesta de forma adyacente a la región fotoactiva.
27. Un método para fabricar un dispositivo que comprende: obtener nanopartículas encapsuladas; fabricar un primer electrodo; fabricar una región fotoactiva orgánica, en donde las nanopartículas encapsuladas están dispuestas dentro de la región fotoactiva; y fabricar un segundo electrodo.
28. El método de acuerdo con la reivindicación 27, que también comprende un método para depositar la región fotoactiva mediante un proceso de solución, en donde las nanopartículas están dispersas dentro de la solución que comprende los materiales fotoactivos .
29. El método de acuerdo con la reivindicación 27, en donde las partículas encapsuladas están codepositadas con una capa orgánica depositada por evaporación.