Приемник оптического излучения и устройства на его основе

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам. Сущность изобретения: в приемнике оптического излучения, содержащем, по крайней мере, одну расположенную на прозрачной подложке гетероструктуру, заключенную между двумя светопропускающими анодным и катодным электродами и состоящую из двух слоев органических полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны, слои гетероструктуры выполнены из материалов с максимумами спектров поглощения, расположенными в области λ≤450 нм и высоким светопропусканием в видимой части спектра, при этом светопропускание падающего потока излучения приемника оптического излучения в видимой части спектра составляет не менее 30%. Техническим результатом изобретения является создание приемника оптического излучения, прозрачного в видимой области спектра. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Приемники оптического излучения являются одним из классообразующих типов оптоэлектронных приборов, которые широко используются в различных областях науки и техники.

Объектом настоящего изобретения является конструкция приемника оптического излучения, прозрачная для видимой части спектра.

Известен приемник оптического излучения (патент США №4559552), содержащий последовательно сформированные на прозрачной подложке два слоя прозрачного электрода на основе оксида индия - олова, слой немонокристаллического полупроводникового материала (SiC) - n-типа проводимости, слой немонокристаллического полупроводникового материала n-типа (SiC), слой немонокристаллического полупроводникового материала (SiC) p-типа проводимости, слой прозрачного верхнего электрода на основе оксида индия - олова, отражающий электродный слой с высоким коэффициентом отражения.

Недостатком указанного подхода является непрозрачность конструкции прибора.

Известны различные типы приемников оптического излучения, имеющих конструкцию, практически прозрачную в видимой области спектра, содержащих гетероструктуру InGaN/GaN, выращенную на подложке сапфира определенной ориентации, и непрозрачные точечные контакты к областям n- и p-типа проводимости (О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004 г., стр.57). Недостатками указанного подхода являются необходимость использования дорогостоящих подложек сапфира определенной ориентации ограниченных размеров, а также высокая себестоимость процесса формирования слоев методом эпитаксии из металлоорганических соединений.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №5504323. Устройство имеет тонкопленочную структуру и состоит из 3 частей: прозрачного слоя инжекции дырок (анода) на основе оксида индия - олова, нанесенного на твердую прозрачную подложку, органического полимерного слоя и непрозрачного металлического электрода инжекции электронов (катода).

Недостатком этого подхода является непрозрачная конструкция приемника. Вместе с тем целый ряд применений, например пространственно-временные модуляторы света (О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника М.: Техносфера, 2004 г., стр.86), требует использования прозрачной конструкции прибора.

Указанная цель достигается в конструкции приемника оптического излучения, содержащего, по крайней мере, одну расположенную на прозрачной подложке (L₁) гетероструктуру, заключенную между двумя светопропускающими электродами (L₂, L₅) и состоящую из двух слоев (L₃, L₄) органических полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (фиг.1). В качестве материала прозрачной подложки могут быть использованы различные прозрачные материалы (стекло, сапфир, полимеры и т.д.)

Прозрачность активной области приборной структуры достигается за счет выбора слоев L₂ и L₃, образующих гетероструктуру. Спектры пропускания и поглощения гетероструктуры, в которой в качестве слоев L₂ и L₃ используются, например, соответственно DABuTAZ 3-(4-бифенил)-(4-третбутилфенил)-5(4-диметиламинофенил)-1,2,4 триазол [И.Я.Якушенко, М.Г.Каплунов, С.Ш.Шамаев и др. Патент РФ №2131411 от 10.06.99] и РТА - политрифениламин [О.Н.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004, с.59], иллюстрируются фиг.2.

Спектры поглощения 1-го (кривая 1) и 2-го (кривая 2) органических слоев смещены друг относительно друга, что свидетельствует о том, что они образуют гетероструктуру, при этом максимумы их поглощения располагаются в области λ≤450 нм (фиг.2). Спектр интегрального пропускания структуры в целом (кривая 3 на фиг.2) показывает, что структура обладает достаточно высоким светопропусканием в видимой области спектра. Подбор слоев L₂ и L₃ по вышеуказанным критериям может быть осуществлен из большой номенклатуры известных на сегодня органических полупроводников (низкомолекулярных, металлоорганических, полимерных) [О.Н. Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004, с.59].

Фотоэлектрические характеристики приемника иллюстрирует фиг.3, на которой представлены зависимости дифференциального сопротивления прибора в темновых условиях (кривая 1) и условиях засветки (кривая 2).

Различные варианты в соответствии с формулой изобретения иллюстрируются приведенными примерами.

Пример 1.

Используется базовая конструкция, приведенная на фиг.1: стеклянная подложка с прозрачным слоем нижнего анодного электрода на основе окиси индия - олова, активная область в виде, например, гетероструктуры на основе DABuTAZ, РТА. Верхний катодный электрод выполняется в виде проводящего композита, содержащего Ag и обладающего светопропусканием в видимой области спектра, или на основе светопропускающего слоя из углеродных нанотрубок.

Пример 2.

Используется базовая конструкция, приведенная на фиг.1.

Стеклянная подложка с прозрачным слоем нижнего анодного электрода на основе окиси индия - олова, активная область в виде гетероструктуры, например, на основе DABuTAZ, РТА. Верхний катодный электрод из непрозрачного материала (Al, Mg или Са) имеет распределенный характер (например, выполняется в виде сетки) и занимает меньшую часть площади поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

Пример 3.

Используется конструкция, приведенная на фиг.4.

В рассматриваемом случае на верхней поверхности прозрачной подложки формируется последовательность слоев в соответствии с фиг.1, при этом на нижней стороне стеклянной подложки формируется зеркально-симметричная последовательность слоев: L₅ - слой нижнего прозрачного анодного электрода на основе окиси индия - олова, слои L₆ и L₇ на основе органических полупроводников, образующих гетероструктуру, а также слой светопропускающего катодного электрода L₈.

Пример 4.

Используется конструкция, приведенная на фиг.5.

Приемник содержит прозрачную подложку со слоем нижнего прозрачного анодного электрода (L₁) на основе окиси индия - олова, слои L₂ и L₃ на основе органических полупроводников, образующие гетероструктуру, слой светопропускающего катодного электрода L₄, слои L₅ и L₆ на основе органических полупроводников, образующие 2-ю гетероструктуру, а также 2-й светопропускающий анодный электрод L₇.

Пример 5.

Используется конструкция приемника в виде двух ярусов в соответствии с базовой конструкцией, приведенной на фиг.1.

На основе заявляемого приемника оптического излучения предлагаются устройства, описанные в примерах 6 и 7.

Пример 6.

Устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный над приемником оптического излучения последовательно для падающего потока излучения с чувствительностью в видимой и ближней ИК-области спектра.

Использование такого устройства должно приводить к увеличению КПД фотопреобразования в режиме СЭ.

Пример 7.

Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный рядом с поверхностью электрохромного индикатора и составляющий часть его поверхности, при этом обе секции устройства электрически соединены друг с другом.

В рассматриваемом случае возможна автоматическая регулировка селективного коэффициента пропускания электрохромного индикатора (Дисплеи. Под ред. Ж.Панкова, М.: Мир, 1982, стр.229).

Практическая полезность заявляемого подхода заключается в широкой гамме возможных применений:

- солнечные элементы (СЭ), прозрачные в видимой области спектра, могут быть использованы в строительстве при изготовлении бифункциональных оконных стекол.

Конструктивно такие солнечные элементы и батареи могут быть изготовлены с минимальными затратами на базе стандартных энергосберегающих стеклопакетов - К-стекло + аргон + стекло.

Прозрачная в видимой части спектра гетероструктура из органических полупроводниковых материалов и светопропускающий катодный электрод формируются на электропроводящем покрытии К-стекла. К-стекло в такой конструкции выполняют функцию прозрачной подложки с прозрачным анодным электродом.

Относительно невысокий КПД (порядка 3%) такой прозрачной солнечной батареи компенсируется большой площадью фотоприемной поверхности.

Для аналогичных целей такие стекла могут быть использованы в авиастроении и автомобилестроении.

1. Приемник оптического излучения, содержащий, по крайней мере, одну, расположенную на прозрачной подложке гетероструктуру, заключенную между двумя светопропускающими анодным и катодным электродами и состоящую из двух слоев органических полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны, слои гетероструктуры выполнены из материалов с максимумами спектров поглощения, расположенными в области λ≤450 нм и высоким светопропусканием в видимой части спектра, при этом светопропускание падающего потока излучения приемника оптического в видимой части спектра составляет не мене 30%.

2. Приемник по п.1, в котором анодный и катодный электроды выполнены из материалов, прозрачных в видимой части спектра.

3. Приемник по п.1, в котором анодный электрод выполнен из материала, прозрачного в видимой части спектра, а катодный электрод распределен по поверхности полупроводникового слоя и занимает меньшую ее часть.

4. Приемник по п.1, в котором гетероструктуры с электродами расположены с обеих сторон прозрачной подложки.

5. Приемник по п.1, в котором, по крайней мере, две гетероструктуры имеют общий катодный электрод, а полупроводниковые слои расположены симметрично относительно общего электрода.

6. Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный над приемником оптического излучения с чувствительностью в видимой и ближней ИК-области спектра.

7. Оптическое устройство, содержащее приемник оптического излучения по п.1, расположенный рядом с поверхностью электрохромного индикатора и составляющий часть его поверхности, при этом обе части устройства электрически могут быть соединены друг с другом.