DE102007009995A1 - Organic solar cell comprises two electrodes and disposed between photoactive layer having two partial layers, where partial layer emits electrons and later partial layer receives electrons - Google Patents

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Abstract

The organic solar cell comprises two electrodes and is disposed between photoactive layer having two partial layers. The former partial layer emits electrons and latter partial layer receives electrons, where an intermediate layer is disposed between an electrode and photoactive layer. A cathode (Kath) facing the incident light is configured as a transparent window in a multi-layer arrangement. The photoactive layer is configured as a homo or hetero-structure between cathode and anode (An). An electron receiving sublayer (L-Akz) of the photoactive layer is arranged adjacent to the cathode.

Description

Die Erfindung betrifft eine organische Solarzelle, aufweisend zwei Elektroden und zwischen diesen angeordnet mindestens eine mindestens zwei Teilschichten aufweisende photoaktive Schicht, von denen mindestens eine Teilschicht Elektronen abgibt (Donator) und mindestens eine andere Teilschicht Elektronen aufnimmt (Akzeptor), wobei zwischen jeweils einer Elektrode und der photoaktiven Schicht eine Zwischenschicht angeordnet ist.The The invention relates to an organic solar cell comprising two electrodes and between these arranged at least one at least two sub-layers having photoactive layer, of which at least one sub-layer Donating electrons (donor) and at least one other sublayer electrons receives (acceptor), wherein between each one electrode and the photoactive layer is an intermediate layer.

Eine derartige Solarzelle ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 1, 2. July 2001, 126–128 beschrieben. Die dort beschriebene Solarzelle basiert auf einer CuPc-Donator-Teilschicht und einer C60-Akzeptor-Teilschicht für die photoaktive Schicht. Eine PEDOT:PSS-Pufferschicht ist zwischen der ITO-Schicht (Anode) und der CuPc-Teilschicht angeordnet, um eine bessere Anpassung des Fermi-Niveaus der ITO-Schicht an das HOMO-Niveau der CuPc-Schicht zu erreichen. Die BCP-Pufferschicht sichert den Transport der Elektronen von der C60-Schicht zur Al-Kathode und blockiert den Transport der Excitonen zur Kathode und verhindert damit die Rekombination. Eine Trennung der Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die entsprechend in den Absorberteilschichten CuPc und C60 erzeugt werden, erfolgt bei dieser Anordnung an der Grenzfläche der beiden Teilschichten der photoaktiven Schicht.Such a solar cell is for example in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, no. 1, 2 July 2001, 126-128 described. The solar cell described there is based on a CuPc donor sublayer and a C 60 acceptor sublayer for the photoactive layer. A PEDOT: PSS buffer layer is interposed between the ITO (anode) layer and the CuPc sublayer to better match the Fermi level of the ITO layer to the HOMO level of the CuPc layer. The BCP buffer layer ensures the transport of the electrons from the C 60 layer to the Al cathode and blocks the transport of the excitons to the cathode, thereby preventing recombination. A separation of the charge carriers, electrons and holes, which are generated correspondingly in the absorber sublayers CuPc and C 60 , takes place in this arrangement at the interface of the two partial layers of the photoactive layer.

In DE 103 26 546 A1 ist eine organische Solarzelle mit erhöhtem Parallelwiderstand beschrieben, die auf einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen Komponenten – einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor – basiert, wobei dem Bereich der Elektronenakzeptoren eine Kathode und dem Bereich der Elektronendonatoren eine Anode zugeordnet ist. Zwischen zumindest einer der Elektroden und der photoaktiven Schicht ist eine Zwischenschicht mit asymmetrischer Leitfähigkeit angeordnet, deren Bandlücke größer oder gleich der Bandlücke der photoaktiven Schicht ist. Hierbei ist das Leitungsband der zwischen der aktiven Schicht und der negativen Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Elektronenmobilität an das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) des Elektronenakzeptors und das Valenzband der zwischen aktiver Schicht und positiver Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Löchermobilität an das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) des Elektronendonators angepasst ist. Für das Material der dem Lichteinfall zugewandten Elektrode wird beispielsweise Al, Cu, ITO angegeben. Diese Elektrode sollte vorzugsweise durchsichtig bzw. semitransparent sein und/oder eine Gitterstruktur aufweisen.In DE 103 26 546 A1 is described an organic solar cell with increased parallel resistance, which is based on a photoactive layer of two molecular components - an electron donor and an electron acceptor - wherein the region of the electron acceptors, a cathode and the region of the electron donors associated with an anode. Between at least one of the electrodes and the photoactive layer is disposed an intermediate layer of asymmetric conductivity whose bandgap is greater than or equal to the bandgap of the photoactive layer. Here, the conduction band of the high electron mobility layer disposed between the active layer and the negative electrode is the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the electron acceptor and the valence band of the high hole mobility layer located between active layer and positive electrode is the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO ) of the electron donor is adjusted. For the material of the light incident electrode is given, for example, Al, Cu, ITO. This electrode should preferably be transparent or semitransparent and / or have a lattice structure.

Eine Erhöhung der Effizienz und eine bessere Stabilität bei geringen Produktionskosten wird bisher über die Verbesserung der Technologien für die Herstellung bekannter organischer Solarzellenstrukturen angestrebt.A Increase efficiency and better stability low production costs so far is about the improvement of technologies for the production of known organic Solar cell structures sought.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine weitere Anordnung für eine organische Solarzelle anzugeben, mit der eine höhere Effizienz und bessere Stabilität als mit bisher bekannten Solarzellenanordnungen erreicht werden soll.task The invention is now a further arrangement for a specify organic solar cell, with a higher efficiency and better stability than with previously known solar cell assemblies should be achieved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Solarzelle der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention the problem solved by a solar cell of the aforementioned Type with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Danach ist:

  • – die dem Lichteinfall zugewandte Kathode als transparentes Fenster in einer Mehrschichtanordnung ausgebildet,
  • – die photoaktive Schicht als Homo- oder Heterostruktur derart zwischen der Kathode und der Anode ausgebildet, dass eine Trennung der Ladungsträger an zwei Grenzflächen erfolgt,
  • – die Elektronen aufnehmende Teilschicht der photoaktiven Schicht der Kathode benachbart und die Elektronen abgebende Teilschicht der photoaktiven Schicht der Anode benachbart angeordnet, wobei • das Minimum des Leitungsbandes der transparenten Kathode an der Grenzfläche zur photoaktiven Schicht derart zwischen dem HOMO- und dem LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht liegt, d. h. HOMOAkz ≤ CBMKath ≤ LUMOAkz, dass die Differenz der energetischen Lage des HOMO-Niveaus der Elektronen aufnehmenden Teilschicht und des Minimums des Leitungsbandes der transparenten Kathode mindestens der Dissoziationsenergie der schwach gebundenen Excitonen entspricht, d. h. |HOMOAkz – CBMKath| ≥ EExcDiss und gleichzeitig • die Differenz der energetischen Lage des Minimums des Leitungsbandes der transparenten Kathode und des LUMO-Niveaus der Elektronen aufnehmenden Teilschicht ausreichend für einen effektiven Transport der Elektronen von der Elektronen aufnehmenden Teilschicht zur Kathode ist, d. h. |LUMOAkz| – CBMKath| ≥ ETransp,
  • – die zwischen Kathode und dieser zugewandten Teilschicht angeordnete Zwischenschicht, der Elektronen aufnehmende Teilschicht, als eine erste Pufferschicht aus einem organischen Material mit einer für Licht mit Wellenlängen im UV-Bereich undurchlässigen Bandlücke als weitere Fensterschicht ausgebildet, wobei • das Minimum des Leitungsbandes der ersten Pufferschicht an der Grenzfläche Kathode und Elektronen aufnehmenden Teilschicht gleich hoch wie oder höher liegt als das Minimum des Leitungsbandes der Kathode, d. h. CBMKath ≤ CBMPuff1, und gleichzeitig • das Minimum des Leitungsbandes der Pufferschicht nicht höher liegt als das LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht, d. h. CBMPuff1 ≤ LUMOAkz oder • für sehr dünne Schichten bei Vorliegen des Tunneleffekts das Minimum des Leitungsbandes der Pufferschicht höher liegt als das LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht, d. h. LUMOAkz < CBMPuff1,
  • – die zwischen Anode (An) und dieser zugewandten anderen Teilschicht, der Elektronen abgebenden Teilschicht, angeordnete Zwischenschicht als zweite Pufferschicht ausgebildet und
  • – das Material der Anode (An) keine oder eine solch niedrige Barriere zur zweiten Pufferschicht (Puff2) aus dotiertem Material der zweiten Teilschicht (LDon) der photoaktiven Schicht bildet, dass die positiven Ladungsträger die Grenzfläche der zweiten Pufferschicht (Puff2) zur Anode (An) ohne Verluste passieren.
After that is:
  • The cathode facing the light incidence is designed as a transparent window in a multilayer arrangement,
  • The photoactive layer is in the form of a homo or heterostructure between the cathode and the anode in such a way that the charge carriers are separated at two interfaces,
  • The electron-accepting sub-layer adjacent to the photoactive layer of the cathode and the electron-emitting sub-layer adjacent the photoactive layer of the anode, wherein the minimum of the conduction band of the transparent cathode at the interface to the photoactive layer between the HOMO and the LUMO level of electron-accepting sub-layer is located, ie HOMO Acc ≤ CBM Kath ≤ LUMO Acc that the difference of the energy position of the HOMO level of the electron-accepting sub-layer and the minimum of the conduction band of the transparent cathode is at least equal to the dissociation of the weakly bound excitons, ie | HOMO Acc - CBM Kath | ≥E ExcDiss and at the same time • the difference of the energetic position of the minimum of the conduction band of the transparent cathode and the LUMO level of the electron-accepting sublayer is sufficient for an effective transport of the electrons from the electron-accepting sublayer to the cathode, ie | LUMO Akz | - CBM Kath | ≥E transp ,
  • - The intermediate layer arranged between the cathode and this facing sub-layer, the electron-receiving sub-layer, formed as a first buffer layer of an organic material having a light with wavelengths in the UV region impermeable band gap as another window layer, wherein • the minimum of the conduction band of the first buffer layer at the interface cathode and electron receiving sub-layer is equal to or higher than the minimum of the conduction band of the cathode, ie CBM Kath ≤ CBM Puff1 , and simultaneously • the minimum of the conduction band of the buffer layer is not higher than the LUMO level of the electron-accepting sublayer, ie CBM Puff1 ≤ LUMO Akz or • for very thin layers in the presence of the tunneling effect the minimum of the conduction band of the buffer layer is higher than the LUMO level of the buffer layer Electron-accepting sublayer, ie LUMO Akz <CBM Puff1 ,
  • - The between the anode (An) and this facing other sub-layer, the electron-emitting sub-layer, arranged intermediate layer formed as a second buffer layer and
  • - The material of the anode (An) no or such a low barrier to the second buffer layer (Puff2) of doped material of the second sub-layer (L Don ) of the photoactive layer forms that the positive charge carriers, the interface of the second buffer layer (Puff2) to the anode ( An) without losses happen.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet eine effektive Trennung der Ladungsträger und deren Transport zu den Elektroden, wie im Folgenden ausgeführt werden soll.The inventive arrangement allows an effective Separation of the charge carriers and their transport to the electrodes, as explained below.

Die Dissoziation der Excitonen erfolgt bei Lichteinfall in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht nur an einer Grenzfläche – wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt –, sondern an beiden Grenzflächen der Elektronen aufnehmenden Teilschicht der photoaktiven Schicht. Das heißt, die Ladungsträgertrennung findet sowohl an der Grenzfläche der Elektronen aufnehmenden Schicht und der Kathode als auch an der anderen Grenzfläche der genannten Teilschicht und der die Elektronen abgebenden Teilschicht der photoaktiven Schicht statt, wodurch höhere Photoströme realisierbar sind. Die erfindungsgemäße Anordnung kann also auch als „bifacial structure" (zweiseitige Struktur) bezeichnet werden und nutzt das Streulicht in der vorgeschlagenen Schichtenfolge für eine effiziente Umwandlung. Die Ladungstrennung an den beiden erwähnten Grenzflächen erfolgt für die beiden Ladungsträgerarten – Elektronen und Löcher – in unterschiedliche Richtungen, d. h. jeweils in Richtung der Elektroden. Da die Excitonen an beiden Grenzflächen der Elektronen aufnehmenden Schicht dissoziiert werden, kann die Dicke dieser Teilschicht im Vergleich zu bekannten Solarzellen aus dem Stand der Technik vergrößert werden, d. h. um die selbe Anzahl von Ladungsträgern gemäß Stand der Technik mit einer Grenzfläche zu erhalten, kann in der erfindungsgemäßen Lösung diese Teilschicht dicker ausgeführt sein.The Dissociation of the excitons occurs when light enters the inventive Arrangement not only at an interface - like already known from the prior art - but at both interfaces of the electron-accepting sublayer the photoactive layer. That is, the charge carrier separation takes place both at the interface of the electron-receiving Layer and the cathode as well as at the other interface said sub-layer and the electron donating sub-layer the photoactive layer instead, resulting in higher photocurrents are feasible. The inventive arrangement can also be called "bifacial structure" (two-sided structure) be designated and uses the stray light in the proposed Layer sequence for efficient conversion. The charge separation takes place at the two mentioned interfaces for the two types of charge carriers - electrons and Holes - in different directions, d. H. each in the direction of the electrodes. Because the excitons at both interfaces the electron-accepting layer can be dissociated, the Thickness of this sub-layer compared to known solar cells be increased in the prior art, d. H. by the same number of load carriers according to state The technique with an interface can be obtained in the solution according to the invention this sub-layer be made thicker.

In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material der Elektronen aufnehmenden Teilschicht C60 oder CuPcF16 und das der Elektronen abgebenden Teilschicht CuPc ist. Die Teilschichten können zur weiteren Verbesserung der Effizienz der Solarzelle auch hoch strukturierte Oberflächen aufweisen.In embodiments of the invention it is provided that the material of the electron-accepting sub-layer is C 60 or CuPcF 16 and that of the electron-emitting sub-layer is CuPc. The sublayers can also have highly structured surfaces to further improve the efficiency of the solar cell.

Die als transparentes Fenster in einer Mehrschichtanordnung ausgebildete Kathode ermöglicht durch Verwendung unterschiedlicher Materialien, d. h. Materialien, die unterschiedliche verbotene Zonen (Bandlücken) aufweisen, mittels unterschiedlicher Dicken die gezielte Einstellung eines elektrischen Feldes an der Kathode und damit die Einstellung der für den Transport der Ladungsträger notwendigen Austrittsarbeit.The formed as a transparent window in a multi-layer arrangement Cathode made possible by using different materials, d. H. Materials that have different forbidden zones (band gaps) have, by means of different thicknesses the targeted adjustment an electric field at the cathode and thus the setting the necessary for the transport of the carriers Work function.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Mehrschichtanordnung für die transparente Kathode als Zweischichtanordnung aus ZnO:Al/i-ZnO auszubilden. Diese Elektrode ist Indium-frei und in ihrer Herstellung billiger als ITO.In An embodiment of the invention is provided which Multilayer arrangement for the transparent cathode as a two-layer arrangement from ZnO: Al / i-ZnO form. This electrode is indium-free and cheaper to manufacture than ITO.

Das organische Material mit großer verbotener Zone der als Pufferschicht ausgebildeten weiteren Fensterschicht ist Alq3 (tris(8-hydroxyquinoline)aluminium) oder CBP (4,4'-N,N'-dicarbazolyl-biphenyl).The organic material with large forbidden zone of the further window layer formed as a buffer layer is Alq 3 (tris (8-hydroxyquinoline) aluminum) or CBP (4,4'-N, N'-dicarbazolyl-biphenyl).

Durch die elektronische Struktur dieser organischen Pufferschicht wird eine bessere Anpassung der physikalischen und elektronischen Parameter der anorganischen Frontelektrode/Kathode an die der photoaktiven Schicht, der Absorberschicht, erreicht. Die Pufferschicht komplettiert die Fensterschicht der Solarzelle. Durch die Breite der verbotene Zone der Pufferschicht wird einfallendes Licht mit einer Wellenlänge im UV-Bereich „abgeschnitten". Da dieser Wellenlängenbereich verantwortlich für die Photodegradation von organischen Solarzellen ist, wird eine erhöhte Stabilität der Zellen erreicht.By the electronic structure of this organic buffer layer becomes a better adaptation of the physical and electronic parameters the inorganic front electrode / cathode to the photoactive Layer, the absorber layer reached. The buffer layer completed the window layer of the solar cell. By the breadth of the forbidden Zone of the buffer layer becomes incident light having a wavelength in the UV range "cut off." Because of this wavelength range responsible for the photodegradation of organic Solar cells is increased stability reached the cells.

Auf der Seite der Rückelektrode/Anode wird die Einstellung des für den Transport der Ladungsträger zur Anode notwendigen elektrischen Feldes durch die zweite Pufferschicht erreicht, die vorzugsweise aus dotiertem Material der dieser Elektrode benachbarten Teilschicht der photoaktiven Schicht gebildet ist. Hierdurch wird die Rekombination der Ladungsträger an der Grenzfläche photoaktive Schicht und Rückelektrode/Anode verringert, wodurch eine weitere Erhöhung der Photoströme realisierbar ist. Es ist vorgesehen, dass das Material der zweiten Pufferschicht CuPc:FeCl13 ist. Diese zweite Pufferschicht kann aber auch aus einem Material gebildet sein, das Löcher transportiert, Elektronen und Excitonen jedoch nicht.On the side of the back electrode / anode, the adjustment of the necessary for the transport of the charge carrier to the anode electric field is achieved by the second buffer layer, which is preferably formed of doped material of this electrode adjacent part-layer of the photoactive layer. As a result, the recombination of the charge carriers at the photoactive layer and back electrode / anode interface is reduced, as a result of which a further increase in the photocurrents can be achieved. It is envisaged that the material of the second buffer layer is CuPc: FeCl 13 . However, this second buffer layer can also be formed from a material that transports holes but not electrons and excitons.

Zur weiteren Verbesserung des Transports der Ladunsgträger weist das Material der Anode/Rückelektrode keine Barriere oder eine solche niedrige Barriere zur zweiten Pufferschicht auf, dass die positiven Ladungsträger ohne Verluste die Pufferschicht/Anode Grenzfläche passieren. Das Material der Rückelektrode/Anode kann Al, Ag, Ca, Mg oder Ca/Al, Mg/Al, Mg/Ag sein.To further improve the transport of the charge carriers, the material of the anode / back electrode has no barrier or low barrier to the second buffer layer such that the positive carriers carry the buffers without loss layer / anode interface to pass. The material of the back electrode / anode may be Al, Ag, Ca, Mg or Ca / Al, Mg / Al, Mg / Ag.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine mindestens semitransparente Anode vorgesehen. Mit einer transparenten Frontelektrode (Kathode) und einer semitransparenten Rückelektrode (Anode) kann die erfindungsgemäße organische Solarzelle aus beiden Richtungen (Front- und Rückseite) bestrahlt werden – nacheinader oder gleichzeitig. Damit wandelt die vorgeschlagene Solarzelle effektiv das einfallende Licht in elektrische Energie um (Innen- und Außenbeleuchtung).In Another embodiment of the invention is an at least semitransparent anode provided. With a transparent front electrode (cathode) and a semitransparent back electrode (anode) the organic solar cell according to the invention Both directions (front and back) are irradiated - nacheinader or at the same time. Thus, the proposed solar cell effectively converts the incident light into electrical energy (indoor and outdoor lighting).

Die erfindungsgemäße Solarzelle kann sowohl – wie oben bereits beschrieben – als Superstrat-Konfiguration (mit transparentem Träger, z. B. auf Glassubstrat sind die Fensterschicht, d. h. die transparente Kathode, die photoaktive Schicht und der Rückseitenkontakt angeordnet) realisiert sein, wobei in diesem Falle der Lichteinfall durch das Substrat erfolgt, – als auch als „übliche" Substrat-Konfiguration (Glassubstrat/Rückseitenkontakt/photoaktive Schicht (Absorber)/Fensterschicht) in einer invertierten Struktur realisiert werden. Im letzten Fall erfolgt der Lichteinfall durch die Fensterschicht. Das Material des „üblichen" Substrats – semitransparent oder nicht-transparent – kann auch metallisch oder kristallin oder ein Polymer und auch flexibel sein. Auch das Material des Superstrats ist relativ frei wählbar und kann je nach Anwendung ebenfalls ein Polymer oder kristallin und auch wiederum flexibel sein.The Solar cell according to the invention can both - as already described above - as Superstrat configuration (with transparent support, eg on glass substrate) the window layer, d. H. the transparent cathode, the photoactive Layer and the backside contact arranged) realized be, in which case the light through the substrate takes place, as well as a "common" substrate configuration (Glass substrate / back contact / photoactive layer (absorber) / window layer) be realized in an inverted structure. In the last case the light is incident through the window layer. The material of the "usual" substrate - semitransparent or non-transparent - can also be metallic or crystalline or a polymer and also be flexible. Also the material of the superstrat is relatively freely selectable and depending on the application also a polymer or crystalline and also be flexible again.

Die erfindungsgemäße Solarzelle kann auch als Tandemsolarzelle ausgebildet sein und weist dann zwischen zweiter Pufferschicht der Topzelle (1. Zelle) und photoaktive Schicht der Rückzelle (2. Zelle) eine Ladungsträgerrekombinationszone auf, die Rekombinationszentren (Edelmetallen (Au, Ag)-Nanocluster) eingebettet in eine ca. 50 Å dicke mit 5 Mol% (tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane) p-dotierte m-MTDATA (4,4', 4''-tris(3methyl-phenyl-phenyl-amino)triphenylamine)-Schicht oder in eine ca. 80 Å dicke mit (2,5-cyclohexadine-1,4-diylidene)-dimalononitrile dotierte MTDATA-Schicht (d. h. MTDATA:F4TCNQ-Schicht) enthält. An diese Schicht schließt sich eine zweite, wieder aus einer Elektronen aufnehmenden Teilschicht und einer Elektronen abgebenden Teilschicht bestehende photoaktive Schicht an. Die Materialien für die Teilschichten der zweiten photoaktiven Schicht weisen gleiche oder geringere Bandlücken auf als die der Teilschichten der ersten photoaktiven Schicht, damit das Absorptionsspektrum der Topzelle ergänzt oder ausgedehnt wird, um so einen breiten Absorptionsbereich für die Tandemzelle zu realisieren. Mindestens die Bandlücke der Elektronen abgebenden Teilschicht sollte geringer sein, damit Ladungsträger mit größerer Wellenlänge im Vergleich zur selben Teilschicht der ersten photoaktiven Schicht absorbiert werden. Das Material für diese Teilschicht kann ZnPc oder TiOPc oder ein anderes dem Stand der Technik nach bekanntes Material sein. Da die Teilschichten der erfindungsgemäßen Solarzelle sehr dünn ausgebildet sind und nicht alle Strahlung in der ersten Solarzelle absorbiert wird, dient die zweite Solarzelle somit der besseren Ausnutzung des einfallenden Lichtspektrums und führt zur Verbesserung des Wirkungsgrades.The solar cell according to the invention can also be configured as a tandem solar cell and then has a charge carrier recombination zone between the second buffer layer of the top cell (1st cell) and the photoactive layer of the back cell (2nd cell), the recombination centers (noble metals (Au, Ag) nanoclusters) embedded in an about 50 Å thick with 5 mol% (tetrafluoro-tetracyano quinodimethane) p-doped m-MTDATA (4,4 ', 4''- tris (3methyl-phenyl-phenyl-amino) triphenylamine) layer or in a about 80 Å thick (2,5-cyclohexadine-1,4-diylidene) -dimalononitrile doped MTDATA layer (ie, MTDATA: F 4 TCNQ layer). This layer is followed by a second photoactive layer, which again comprises an electron-absorbing sub-layer and an electron-emitting sub-layer. The materials for the sub-layers of the second photoactive layer have equal or smaller band gaps than those of the sub-layers of the first photoactive layer, so that the absorption spectrum of the top cell is supplemented or expanded so as to realize a broad absorption range for the tandem cell. At least the bandgap of the electron donating sublayer should be lower so that charge carriers with a longer wavelength are absorbed compared to the same sublayer of the first photoactive layer. The material for this sublayer may be ZnPc or TiOPc or other material known in the art. Since the partial layers of the solar cell according to the invention are formed very thin and not all radiation is absorbed in the first solar cell, the second solar cell thus serves the better utilization of the incident light spectrum and leads to the improvement of the efficiency.

Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand einer Figur näher erläutert.The Invention will be described in the following embodiment a figure explained in more detail.

Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung der Schichtfolgen und ihrer elektronischen Struktur für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle in einer Superstrat-Konfiguration mit einer photoaktiven Schicht in Heterostruktur.there the figure shows a schematic representation of the layer sequences and their electronic structure for one embodiment the solar cell according to the invention in a superstrate configuration with a photoactive layer in heterostructure.

Die Schichtenfolge in der Figur zeigt eine Fenster-Mehrschichtanordnung, die gebildet ist aus einer ZnO:Al-Schicht K1 mit einer Schichtdicke von ca. 400 nm, einer i-ZnO-Schicht K2 mit einer Schichtdicke von ca. 90 nm und einer ersten Pufferschicht Puff1 aus Alq3. Die Breite der verbotenen Zone von Alq3 liegt bei 2,7 eV (n-Typ), dieses Material ist in einer Dicke von ca. 10 nm aufgebracht.The Layer sequence in the figure shows a window multilayer arrangement, which is formed from a ZnO: Al layer K1 with a layer thickness of about 400 nm, an i-ZnO layer K2 with a layer thickness of about 90 nm and a first buffer layer Puff1 from Alq3. The width The forbidden zone of Alq3 is 2.7 eV (n-type), this material is applied in a thickness of about 10 nm.

Benachbart zu dieser ersten Pufferschicht Puff1, die elektromagnetische Wellen im UV-Bereich abschneidet, ist die Elektronen aufnehmende Schicht LAkz – hier aus C60 mit einem Bandgap von 1,7 eV bis 2,3 eV und einer Dicke zwischen 40 nm und 70 nm (n-Typ). Die dann folgende zweite Teilschicht der photoaktiven Schicht, die Elektronen abgebende Schicht LDon ist CuPC mit einer Dicke von ca. 15 nm bis 30 nm (p-Typ) und einem Bandgap von 1,7 eV.Adjacent to this first buffer layer Puff1, which cuts off electromagnetic waves in the UV region, the electron-accepting layer L is Akz - here C 60 with a band gap of 1.7 eV to 2.3 eV and a thickness between 40 nm and 70 nm (n-type). The subsequent second sub-layer of the photoactive layer, the electron donating layer L Don is CuPC with a thickness of about 15 nm to 30 nm (p-type) and a band gap of 1.7 eV.

Zwischen dieser Teilschicht LDon und der Anode An ist eine zweite Pufferschicht Puff2 aus CuPc:FeCl3 vom p-Typ in einer Dicke zwischen 5 nm und 10 nm angeordnet. Die Anode An ist aus Al gebildet.Between this part layer L Don and the anode is at a second buffer layer of CuPc Puff2: arranged FeCl 3 p-type with a thickness between 5 nm and 10 nm. The anode An is formed of Al.

Die Bandanpassung ist – wie bereits beschrieben – gemäß der Erfindung durch die verwendeten Materialien so realisiert, dass an den beiden Grenzflächen der Elektronen aufnehmenden Teilschicht LAkz der photoaktiven Schicht eine Trennung der Ladungsträger erfolgt. In der Figur sind die Elektronen mit ausgefüllten Kreisen schematisch dargestellt und die Löcher mit leeren Kreisen.The band matching is - as already described - realized according to the invention by the materials used so that takes place at the two boundary surfaces of the electron-accepting sub-layer L Akz the photoactive layer, a separation of the charge carriers. In the figure, the electrons are shown schematically with filled circles and the holes with empty circles.

Fällt nun Licht auf die Kathode Kath der erfindungsgemäßen Anordnung, werden Ladungsträgerpaare (Elektronen-Loch-Paare/Excitonen) in den beiden Teilschichten LAkz, LDon der photoaktiven Schicht erzeugt. Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt die Ausbildung von elektrischen Feldern in dem vorliegenden Schichtsystem derart, dass diese Excitonen sowohl an die Grenzfläche Donator/Akzeptor als auch an die Grenzfläche Akzeptor/Kathode wandern, dort dissoziieren in Elektronen und Löcher und diese Ladungsträger dann zu den entsprechenden Elektroden transportiert werden (durch Pfeile dargestellt). Da die Trennung der Ladungsträgerpaare an zwei Grenzflächen erfolgt, die den energetischen Abständen – wie beschrieben – genügen, wird mit dieser Lösung ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad im Vergleich zu organischen Solarzellen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erreicht.If light now strikes the cathode Kath of the arrangement according to the invention, charge carrier pairs (electron-hole pairs / excitons) are produced in the two partial layers L Akz , L Don of the photoactive layer. The arrangement according to the invention causes the formation of electric fields in the front lying layer system such that these excitons migrate both to the donor / acceptor interface and to the acceptor / cathode interface, there dissociate into electrons and holes and these charge carriers are then transported to the corresponding electrodes (shown by arrows). Since the separation of the charge carrier pairs takes place at two boundary surfaces which satisfy the energetic distances-as described-a substantially improved efficiency is achieved with this solution compared to organic solar cells which are known from the prior art.

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Claims (17)

Organische Solarzelle, aufweisend zwei Elektroden und zwischen diesen angeordnet mindestens eine mindestens zwei Teilschichten aufweisende photoaktive Schicht, von denen mindestens eine Teilschicht Elektronen abgibt (Donator) und mindestens eine andere Teilschicht Elektronen aufnimmt (Akzeptor), wobei zwischen jeweils einer Elektrode und der photoaktiven Schicht eine Zwischenschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die dem Lichteinfall zugewandte Kathode (Kath) als transparentes Fenster in einer Mehrschichtanordnung ausgebildet ist, – die photoaktive Schicht als Homo- oder Heterostruktur derart zwischen der Kathode (Kath) und der Anode (An) ausgebildet ist, dass eine Trennung der Ladungsträger an zwei Grenzflächen erfolgt, – die Elektronen aufnehmende Teilschicht (LAkz) der photoaktiven Schicht der Kathode (Kath) benachbart und die Elektronen abgebende Teilschicht (LDon) der photoaktiven Schicht der Anode (An) benachbart angeordnet ist, wobei • das Minimum des Leitungsbandes der transparenten Kathode (CBMKath) an der Grenzfläche zur photoaktiven Schicht derart zwischen dem HOMO- und dem LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) liegt, d. h. HOMOAkz≤ CBMKath ≤ LUMOAkz, dass die Differenz der energetischen Lage des HOMO-Niveaus der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) und des Minimums des Leitungsbandes der transparenten Kathode (CBMKath) mindestens der Dissoziationsenergie der schwach gebundenen Excitonen entspricht, d. h. |HOMOAkz – CBMKath|≥ EExcDiss und gleichzeitig • die Differenz (ETransp) der energetischen Lage des Minimums des Leitungsbandes (CBM) der transparenten Kathode (Kath) und des LUMO-Niveaus der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) ausreichend für einen effektiven Transport der Elektronen von der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) zur Kathode (Kath) ist, d. h. |LUMOAkz – CBMKath|≥ ETransp, – die zwischen Kathode (Kath) und dieser zugewandten Teilschicht angeordnete Zwischenschicht, der Elektronen aufnehmende Teilschicht (LAkz), als eine erste Pufferschicht (Puff1) aus einem organischen Material mit einer für Licht mit Wellenlängen im UV-Bereich undurchlässigen Bandlücke als weitere Fensterschicht ausgebildet ist, wobei • das Minimum des Leitungsbandes der ersten Pufferschicht (CBMPuff1) an der Grenzfläche Kathode (Kath) und Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) gleich hoch wie oder höher liegt als das Minimum des Leitungsbandes der Kathode (CBMKath), d. h. CBMKath≤ CBMPuff1, und gleichzeitig • das Minimum des Leitungsbandes der Pufferschicht (CBMPuff1) nicht höher liegt als das LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LUMOAkz), d. h. CBMPuff1 ≤ LUMOAkz oder • für sehr dünne Schichten bei Vorliegen des Tunneleffekts das Minimum des Leitungsbandes der Pufferschicht (CBMPuff1) höher liegt als das LUMO-Niveau der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LUMOAkz), d. h. LUMOAkz < CBMPuff1, – die zwischen Anode (An) und dieser zugewandten anderen Teilschicht, der Elektronen abgebenden Teilschicht (LDon), angeordnete Zwischenschicht als zweite Pufferschicht (Puff2) ausgebildet ist und – das Material der Anode (An) keine oder eine solch niedrige Barriere zur zweiten Pufferschicht (Puff2) aus dotiertem Material der zweiten Teilschicht (LDon) der photoaktiven Schicht bildet, dass die positiven Ladungsträger die Grenzfläche der zweiten Pufferschicht (Puff2) zur Anode (An) ohne Verluste passieren.Organic solar cell, comprising two electrodes and between them arranged at least one at least two partial layers having photoactive layer, of which at least one sub-layer emits electrons (donor) and at least one other sub-layer electrons receives (acceptor), wherein between each one electrode and the photoactive layer Intermediate layer is arranged, characterized in that - the light incidence facing cathode (Kath) is formed as a transparent window in a multi-layer arrangement, - the photoactive layer is formed as homo- or heterostructure such between the cathode (Kath) and the anode (An) in that the charge carriers are separated at two interfaces, - the electron-accepting sub-layer (L Akz ) is adjacent to the photoactive layer of the cathode (Kath) and the electron-emitting sub-layer (L Don ) is adjacent to the photoactive layer of the anode (An), where • the minimum of the conduction band of the transparent cathode (CBM Kath ) at the interface with the photoactive layer lies between the HOMO and LUMO levels of the electron-accepting sublayer (L Akz ), ie HOMO Akz ≤ CBM Kath ≤ LUMO Akz , that is the difference of the energetic Position of the HOMO level of the electron-accepting sublayer (L Akz ) and the minimum of the conduction band of the transparent cathode (CBM Kath ) at least equal to the dissociation energy of the weakly bound excitons, ie | HOMO Akz - CBM Kath | ≥ E ExcDiss and at the same time • the difference (E transp ) of the energetic position of the minimum of the conduction band (CBM) of the transparent cathode (Kath) and the LUMO level of the electron-accepting sublayer (L Akz ) sufficient for effective transport of the electrons from the electron-accepting sublayer (L Akz ) Cathode (Kath) is, ie | LUMO Akz - CBM Kath | ≥ E Transp , - the partschi between Kathode (Kath) and this facing The intermediate layer, the electron-accepting sub-layer (L Akz ), is formed as a further window layer as a first buffer layer (Puff1) of an organic material with a light gap with wavelengths in the UV range impermeable to light, wherein the minimum of the conduction band of the first buffer layer (CBM Puff1) at the interface of cathode (Kath) and electron-accepting sub-layer (L Acc) is equal to or higher is than the minimum of the conduction band of the cathode (CBM Kath), ie CBM Kath ≤ CBM Puff1, and at the same time • the minimum of the conduction band of the buffer layer (CBM Puff1 ) is not higher than the LUMO level of the electron-accepting sublayer (LUMO Akz ), ie CBM Puff1 ≤ LUMO Akz or • for very thin layers in the presence of the tunneling effect the minimum of the conduction band of the buffer layer (CBM Puff1 ) is higher than the LUMO level of the electron accepting sublayer (LUMO Akz ), ie LUMO Akz <CBM Puff1 In that the intermediate layer arranged between the anode (An) and the other sub-layer facing the electron-emitting sub-layer (L Don ) is formed as a second buffer layer (Puff2) and the material of the anode (An) has no or such a low barrier to the second Buffer layer (Puff2) of doped material of the second sub-layer (L Don ) of the photoactive layer forms that the positive charge carriers pass through the interface of the second buffer layer (Puff2) to the anode (An) without losses. Organische Solarzelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der Ladungsträger an beiden Grenzflächen der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) der photoaktiven Schicht erfolgt.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the separation of the charge carriers takes place at both boundary surfaces of the electron-accepting partial layer (L Akz ) of the photoactive layer. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrschichtanordnung für die transparente Kathode (Kath) mindestens eine Zweischicht-Fensteranordnung aus ZnO:Al/i-ZnO aufweist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that that the multilayer arrangement for the transparent cathode (Kath) at least one two-layer window arrangement of ZnO: Al / i-ZnO having. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material der als weitere Fensterschicht ausgebildeten Pufferschicht (Puff1) Alq3 (tris(8-hydroxyquinoline)aluminium) ist.Organic solar cell according to Claim 1, characterized in that the organic material of the buffer layer (Puff1) formed as a further window layer is Alq 3 (tris (8-hydroxyquinoline) aluminum). Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material der als weitere Fensterschicht ausgebildeten Pufferschicht (Puff1) CBP (4,4'-N,N'-dicarbazolyl-biphenyl) ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that that the organic material formed as a further window layer Buffer layer (Puff1) CBP (4,4'-N, N'-dicarbazolylbiphenyl). Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) C60 ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the material of the electron-accepting sublayer (L Akz ) is C 60 . Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektronen aufnehmenden Teilschicht (LAkz) CuPcF16 ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the material of the electron-accepting sublayer (L Akz ) is CuPcF 16 . Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektronen abgebenden Teilschicht (LDon) CuPc ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the material of the electron donating sublayer (L Don ) is CuPc. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschichten (LAkz und LDon) hoch strukturierte Oberflächen aufweisen.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the partial layers (L Akz and L Don ) have highly structured surfaces. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pufferschicht aus dotiertem Material der Elektronen abgebenden Teilschicht (LDon) gebildet ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the second buffer layer is formed of doped material of the electron donating sublayer (L Don ). Organische Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dotierte Material der zweiten Pufferschicht (Puff2) CuPc:FeCl13 ist.Organic solar cell according to claim 10, characterized in that the doped material of the second buffer layer (Puff2) CuPc: FeCl 13 is. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Anode (An) mindestens semitransparent ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the material of the anode (An) is at least semitransparent. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Anode ausgewählt ist aus Al, Ag, Ca, Mg oder Ca/Al, Mg/Al, Mg/Ag ist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that the material of the anode is selected from Al, Ag, Ca, Mg or Ca / Al, Mg / Al, Mg / Ag. Organische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Tandemzelle mit einer Topzelle und einer Rückzelle ausgebildet ist, wobei zwischen Topzelle und Rückzelle eine Ladungsträgerrekombinationszone, die Rekombinationszentren eingebettet in dotierte 4,4',4''tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine (MTDATA) oder m-MTDATA-Schichten enthält, angeordnet ist und Topzelle und Rückzelle mindestens je eine photoaktive Schicht mit einer Elektronen aufnehmenden Teilschicht und einer Elektronen abgebenden Teilschicht aufweist.Organic solar cell according to claim 1, characterized in that that this as a tandem cell with a top cell and a back cell is formed, wherein between top cell and back cell a charge carrier recombination zone, the recombination centers embedded in doped 4,4 ', 4''tris (N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) -triphenylamines (MTDATA) or m-MTDATA layers is arranged and top cell and back cell at least one photoactive each Layer with an electron-receiving sublayer and a Having electron donating sublayer. Organische Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien für die Teilschichten der zweiten photoaktiven Schicht gleiche oder geringere Bandlücken als die für die Teilschichten der ersten photoaktiven Schicht derart aufweisen, dass das Absorptionsspektrum der Topzelle ergänzt oder ausgedehnt wird.Organic solar cell according to claim 14, characterized characterized in that the materials for the sublayers the second photoactive layer equal or smaller band gaps as that for the sublayers of the first photoactive layer such that the absorption spectrum of the top cell complements or extended. Organische Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens die Bandlücke der Elektronen abgebenden Teilschicht der zweiten photoaktiven Schicht geringer ist als die selbe Teilschicht der ersten photoaktiven Schicht.Organic solar cell according to claim 15, characterized characterized in that this at least the band gap of Electron-donating partial layer of the second photoactive layer is less than the same sub-layer of the first photoactive layer. Organische Solarzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektronen abgebenden Teilschicht der zweiten photoaktiven Schicht ZnPc oder TiOPc ist.Organic solar cell according to claim 16, characterized characterized in that the material of the electron donating sublayer the second photoactive layer is ZnPc or TiOPc.
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