AT13264U1 - Lösungen für die Herstellung homogener großflächiger photoaktiver Schichten bestehend aus einem elektroaktiven Polymer und Halbleiternanopartikeln und deren Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik - Google Patents

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AT13264U1
AT13264U1 ATGM8043/2012U AT80432012U AT13264U1 AT 13264 U1 AT13264 U1 AT 13264U1 AT 80432012 U AT80432012 U AT 80432012U AT 13264 U1 AT13264 U1 AT 13264U1
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cis
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Thomas Dipl Ing Dr Rath
Gregor Dipl Ing Dr Trimmel
Michael Dipl Ing Edler
Wernfried Dipl Ing Haas
Gernot Dipl Ing Dr Mauthner
Roman Dipl Ing Trattnig
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Abstract

Die Erfindung liegt im Gebiet der Nanotechnologie mit Hinblick auf eine Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Halbleiternanopartikel direkt (in situ) in unterschiedlichsten Polymer-Matrizen herzustellen. Die so erhaltenen Nanokompositschichten können zur Herstellung von Halbleiter-Bauteilen, wie zum Beispiel Solarzellen verwendet werden.

Description

Merreicfcische;; AT13 264U1 2013-09-15
Beschreibung [0001] Lösungen für die Herstellung homogener großflächiger photoaktiver Schichten bestehend aus einem elektroaktiven Polymer und Halbleiternanopartikeln und deren Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik [0002] Die Erfindung liegt im Gebiet der Nanotechnologie mit Hinblick auf eine Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Halbleiternanopartikel direkt (in situ) in unterschiedlichsten Polymer-Matrizen herzustellen. Die so erhaltenen Nanokompositschichten (Mischung aus anorganischen Nanostrukturen mit einem Polymer) können zur Herstellung von Halbleiter-Bauteilen wie zum Beispiel Solarzellen (Nano-komposit-Solarzellen) verwendet werden.
[0003] Nanokomposit-Solarzellen sind eine Alternative zu anorganischen Solarzellentechnologien, da diese kostengünstiger und energieeffizienter produziert werden können. Literaturzitat1. Die Aktivschichten von Nanokomposit-Solarzellen bestehen aus anorganischen Nanostrukturen und elektroaktiven Polymeren. Als anorganische Nanopartikel-Komponente werden Materialien wie CdSe,2,3 CdTe ,4’5 CdS,6 CIS,7’8 CulnSe2,9'10 PbS,11'12'13'14 PbSe,15'16 HgTe,17 Ti02,18’19’20’21 ZnO22,23,24’25’26 oder (Zn,Mg)027, aber auch modifizierte Fullerene, beispielsweise PCBM, eingesetzt.28'29'30'31'32'33'34'33'36'37^'39 Als Polymer-Komponente können verschiedenste elektroaktive Polymere verwendet werden.
[0004] Nanokomposit-Solarzellen werden nach zwei grundlegenden Prinzipien aufgebaut. Einerseits kann ein Bilayeraufbau realisiert werden, wobei zuerst eine geeignete Elektrode mit der anorganischen Halbleiter- oder der Polymer-Komponente beschichtet und erst anschließend die jeweils andere Komponente aufgebracht wird. Nachteilig ist hier die geringe Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten, an der die Ladungstrennung stattfindet. Der anschließende Transport der Ladungen zu den jeweiligen Elektroden ist allerdings bei diesem Aufbau erleichtert.
[0005] Andererseits ist es möglich, einen Bulk-Heterojunction Aufbau zu verwenden, wodurch die Grenzschicht zwischen den beiden Komponenten im Vergleich zum Bilayeraufbau wesentlich vergrößert wird, und eine signifikant größere Anzahl von freien Ladungsträgern erzeugt werden kann. Aufgrund des sich ausbildenden interpenetrierenden Netzwerks beider Komponenten ist hier jedoch der Transport der Ladungsträger zu den Elektroden erschwert. Im Allgemeinen werden jedoch mit diesem Aufbau Solarzellen mit deutlich höheren Wirkungsgraden erhalten.
[0006] Um einen Bulk-Heterojunction Aufbau für Nanokomposit-Solarzellen zu realisieren, gibt es mehrere Methoden. Verfahrensziel ist hierbei, die Herstellung von dünnen Schichten von 100 - 500 nm, die aus einem interpenetrierenden Netzwerk von zwei unterschiedlichen Materialklassen, nämlich anorganischen Halbleitern einerseits, und Polymeren andererseits, bestehen.
[0007] Einerseits kann ein Bulk-Heterojunction Aufbau dadurch erreicht werden, dass eine der beiden Komponenten (anorganische Halbeiter- oder Polymer-Komponente) zuerst mit einer definierten Struktur auf einer Elektrode aufgebracht wird. Beispielsweise können Nanopartikel als erste Schicht porös abgeschieden bzw. Nanostrukturen gebildet werden 40,4142 Diese strukturierten Schichten werden dann mit der jeweils anderen Komponente aufgefüllt und überdeckt. Diese Methode ist dem Bilayer-Aufbau ähnlich, jedoch wird hierbei eine wesentlich größere Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten erreicht.
[0008] Weiters besteht die Möglichkeit Nanostrukturen wie Nanopartikel, Nanostäbchen43 Nanodendrite44 Sonderfall: modifizierte Fullerene, in einer separaten Synthese herzustellen und anschließend mit einem elektroaktiven Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel zu mischen. Aus der erhaltenen Lösung wird danach eine Schicht auf einer Elektrode aufgebracht, wobei sich nach dem Verdampfen des Lösungsmittels eine Nanokompositschicht ausbildet. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass den anorganischen Nanostrukturen bei der Synthese oft langkettige 1/22
Merreöiise-ts piiesSasnt AT 13264U1 2013-09-15
Stabilisatoren wie Liganden oder Capper zugegeben werden müssen um eine Agglomeration zu vermeiden. Diese Stabilisatoren verhindern allerdings eine effiziente Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Anorganischer Halbleiterstruktur und Polymer-Komponente. Durch Austausch der langkettigen Liganden durch kurzkettigere Stabilisatoren vor dem Mischen mit einem elektroaktiven Polymer kann dieses Problem zumindest etwas verringert werden.2,3 [0009] Dieses Problem kann teilweise auch dadurch umgangen werden, indem die Nanoparti-kel direkt in einer Polymerlösung synthetisiert werden. Das Polymer stabilisiert jedoch die Na-nopartikel nicht so effektiv wie langkettige Liganden, was oftmals zu einer Agglomeration der Nanopartikel führt. Bleisulfid-Nanopartikel wurden zum Beispiel schon in einer Polymerlösung (MEH-PPV) synthetisiert, welche anschließend auf eine Elektrode aufgebracht wurde.11,45 [0010] Bei einerweiteren Methode werden anorganische Nanostrukturen direkt in einer elektroaktiven Polymermatrix (in situ) hergestellt. Dafür werden Precursorverbindungen, die durch Zersetzung bzw. Reaktion Nanostrukturen, wie Nanopartikel, Nanostäbchen, Nanodendrite, poröse Strukturen mit Löchern im Nanometerbereich, ausbilden - in weiterer Folge Nanostruk-tur-Precursorverbindung genannt - gemeinsam mit einem elektroaktiven Polymer gelöst, um eine Precursorlösung zu erhalten. Diese Lösung wird auf eine geeignete Elektrode aufgebracht und die erhaltene Nanostruktur-Precursorverbindung/Polymer-Schicht anschließend so behandelt, dass Nanostrukturen der anorganischen Halbleiterkomponente direkt in der Polymermatrix gebildet werden.
[0011] Diese Methode wurde bereits für die direkte Herstellung von oxidischen46,47 und sulfidischen48,49,50 Nanostrukturen angewendet.
[0012] Ti02-Nanostrukturen wurden in einer MDMO-PPV-Schicht erzeugt.51 Dabei wurde Tita-nisopropoxid mit MDMO-PPV in Tetrahydrofuran gelöst, eine Schicht auf eine Elektrode aufgebracht und danach der Ti02-Precursor durch Hydrolyse in Ti02 umgesetzt. Weiters wurden ZnO/MDMO-PPV Nanokomposite durch Hydrolyse von Diethylzink hergestellt46,47 [0013] Binäre Sulfide, beispielsweise CdS, wurden durch Reaktion von Cd(N03)2 mit Thioace-tamid in einer Polyvinylpyrrolidon (PVP) Matrix hergestellt.52 Hierbei handelt es sich jedoch um ein nicht elektroaktives bzw. konjugiertes Polymer, wodurch derartige Nanokompositschichten nicht als Aktivschichten für Solarzellen verwendet werden können.
[0014] Eine in situ Methode für die Herstellung von sulfidischen Halbleitern, wie z.B. CIS, wurde bereits beschrieben 48 Dabei wurden CIS-Nanopartikel in einer PPV Matrix aus den Metallsalzen, Thioacetamid als Schwefelquelle und einer PPV-Precursorverbindung hergestellt. Zur Herstellung der Precursorlösung muss in diesem Fall jedoch ein Lösungsmittelgemisch aus polaren Lösungsmitteln, wie Pyridin, Ethanol und Wasser verwendet werden, um die jeweiligen Metallsalze und die Schwefelquelle lösen zu können. Dadurch wird die Auswahl an verwendbaren elektroaktiven Polymeren stark eingeschränkt, da diese typischerweise in apolaren Lösungsmitteln löslich sind. Weiters ist die Aufbringung von homogenen Precursor-Schichten auf geeignete Elektroden aufgrund der verwendeten Lösungsmittel, z.B. hohe Oberflächenspannung, und Precursorverbindungen, zum Beispiel stark unterschiedliche Löslichkeiten, äußerst problematisch.
[0015] Diese bekannten Methoden zeigen folgende Nachteile: [0016] · stark eingeschränkte Auswahl der Lösungsmittel, da polare Lösungsmittel, z.B. Was ser, zum Lösen der Metallsalze und/oder Metall-Precursorverbindungen notwendig sind, [0017] · eingeschränkte Auswahl der elektroaktiven Polymere aufgrund ihrer meist geringen Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln, [0018] · limitierte Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursorlösung auf großflächige
Substrate, da die hohe Oberflächenspannung von wässrigen oder polaren Lösungsmitteln Substrate oft schlecht benetzen und somit eine homogene Schichtbildung nicht möglich ist, 2/22
äsSwwidHsdses jjäfeiiEawt AT 13264U1 2013-09-15 [0019] · Reaktionsnebenprodukte bei der direkten Herstellung der Nanopartikel in der Poly mermatrix können bei Temperaturen, bei denen elektroaktive Polymere typischerweise stabil sind nur unzureichend entfernt werden, [0020] · Verwendung einer zusätzlichen Chalkogenidquelle.
[0021] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
[0022] Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Nanokomposit-Schicht bestehend aus Metall-sulfid-Nanostrukturen und einem elektrisch (halb)leitenden Polymer durch Aufbringen einer homogenen Lösung aus Nanostruktur-Precursorverbindungen und einem elektrisch (halb)leitenden Polymer sowie anschließender, direkter Umwandlung in der aufgebrachten Schicht durch Energieeintrag.
[0023] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 11 offenbart.
[0024] Als elektroaktives Polymer im Sinne der Erfindung ist ein (halb)leitendes Polymer zu verstehen.
[0025] Die Erfindung betrifft ebenso die Verwendung dieser Nanokompositschichten zur Herstellung von Bauteilen oder Bauelementen, wie Solarzellen, Sensoren oder Detektoren, elektrischen oder optischen (einschließend den UV- und IR- und Mikrowellenbereich) Bauelementen, Schaltern, Displays oder Strahlung emittierenden Bauelementen, wie Lasern oder Light Emitting Diodes (LEDs).
[0026] Das technische Problem, das mit dieser Erfindung gelöst werden kann, bezieht sich auf die Herstellungsmethoden für Bulk-Heterojunction Solarzellen. Die bekannte Herstellung der Precursorlösung für diese Methode ist schwierig, da typischerweise die Precursorverbindungen für die Halbleiternanopartikel in polaren, und die elektroaktiven Polymere jedoch besser in apolaren Lösungsmitteln löslich sind.
[0027] Zentraler Punkt der hier vorgestellten Erfindung ist es, dass die Möglichkeit geschaffen wird, Precursorlösungen aus Nanostruktur-Precursorverbindungen und elektroaktiven Polymeren, die besser in apolaren Lösungsmitteln löslich sind, herzustellen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die nötigen Metallverbindungen für die Bildung der Nanopartikel chemisch so modifiziert werden, dass sie als Nanostruktur-Precursorverbindung in vielen gängigen organischen Lösungsmitteln gelöst werden können.
[0028] Weiters wandeln sich die Nanostruktur-Precursorverbindungen bei niedrigen Temperaturen, d.h. unterhalb von 400 °C, vorzugsweise unter 200 °C, bzw. geringem Energieeintrag in die Halbleiternanostrukturen innerhalb der Polymermatrix um, und es wird somit eine thermische Degradation des elektroaktiven Polymers verhindert.
[0029] Durch die gute Löslichkeit der Nanostruktur-Precursorverbindungen in verschiedensten Lösungsmitteln ist die Verwendung von vielen elektroaktiven organischen Verbindungen, die in diesen Lösungsmitteln löslich sind, als zweite Komponente für die Herstellung von Nanokompositschichten möglich. Als elektroaktive anorganische Verbindungen im Sinne der Erfindung sind halbleitende organische Verbindungen zu verstehen.
[0030] Die Verwendung dieser speziellen Nanostruktur-Precursorverbindungen (zum Beispiel: Metallthiocarbamate, Metalldithiocarbamate, Metallthiocarboxylate, Metalldithiocarboxylate, Metall-Xanthate, Metall-Trithiocarbonate, Metall-Thiolate, Metall-Thiocyanate und/oder Metall-Isothiocyanate) erlaubt auch die Herstellung einer Lösung mit diesen Verbindungen und dem elektroaktiven Polymer in einem weiten Konzentrationsbereich.
[0031] Es muss im Falle der Herstellung von Metallchalkogenid-Nanostrukturen auch keine externe Chalkogenidquelle zur Herstellung der Metallchalkogenid-Nanostrukturen der Lösung beigefügt werden, da die Chalkogenidquelle schon in der Precursorverbindung vorhanden ist. Als externe Chalkogenidquelle werden Verbindungen verstanden, die bei Energieeintrag bzw. bei der Bildung der Metallchalkogenid-Nanostrukturen zusätzlich Elemente der 6. Hauptgruppe 3/22
AT 13264U1 2013-09-15 zur Verfügung stellen.
[0032] E in weiterer Vorteil ist, dass sich die Chalkogenidquelle in der Precursorverbindung bereits in räumlicher Nähe zu den Metallen befindet, was die Reaktion zur Bildung der Halblei-ternanostrukturen erleichtert. Diese Methode ermöglicht auch die Herstellung sehr reiner Halb-leiternanostrukturen.
[0033] Durch chemische Modifikation der Nanostruktur-Precursorverbindungen kann deren Löslichkeit stark beeinflusst werden, wodurch die Herstellung von Precursorlösungen in den verschiedensten Lösungsmitteln und Lösungsmittelgemischen ermöglicht wird. Im Speziellen können typische Lösungsmittel für elektroaktive Polymere (organische Lösungsmittel wie zum Beispiel: Chloroform, Toluol, Chlorbenzol, Tetrahydrofuran, Xylol) verwendet werden. Folglich können viele gängige elektroaktive Polymere für die Herstellung von Nanokompositschichten und Nanokomposit-Solarzellen eingesetzt werden. Weiters lassen sich die Eigenschaften der Precursorlösung (Viskosität, Siedepunkt, Oberflächenspannung, etc.) über einen weiten Bereich durch Auswahl des Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches und geeigneter Nanostruktur-Precursorverbindungen variieren, wodurch die Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursorlösung vor allem für großflächige Substrate maßgelblich erweitert wird.
[0034] E in großer Vorteil im Vergleich zu anderen Verfahren ist, dass man eine große Menge an Metallverbindungen (Metall-Schwefel-Vorstufen) zusammen mit einem elektroaktiven Polymer in Lösung bringen kann. Es können Lösungen mit hohem Metallgehalt aber auch mit hohem Polymergehalt erreicht werden.
[0035] Somit kann die Viskosität der Lösung gut eingestellt werden, was wiederum das Spektrum der verschiedenen Aufbringmethoden bzw. Beschichtungsmethoden erweitert. Durch die Veränderung der Viskosität der Lösung kann auch die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht eingestellt werden.
[0036] Durch die exzellente Löslichkeit der Komponenten in organischen Lösungsmitteln ist eine sehr gute Prozessierbarkeit und auch eine homogene Verteilung der Komponenten in der Precursorlösung, sowie in weiterer Folge nach der Schichtaufbringung auch in der Schicht, gegeben.
[0037] Durch die Wahl des Lösungsmittels können sowohl raue als auch glatte Schichten erreicht werden. Die Verwendung von sehr flüchtigen Lösungsmitteln mit niedrigem Siedepunkt fördert die Bildung von rauen Schichten, während die Verwendung von weniger flüchtigen Lösungsmitteln mit höherem Siedepunkt die Herstellung von sehr glatten Schichten ermöglicht.
[0038] Die erhaltenen Nanokompositschichten zeichnen sich durch eine hohe Reinheit aus, da die entstehenden Reaktionsnebenprodukte leicht flüchtig sind und dadurch schon bei sehr niedrigen Temperaturen aus der Nanokompositschicht entfernt werden können.
[0039] An der Erfindung ist nicht nahe liegend, dass alle nötigen Nanostruktur-Precursorver-bindungen soweit modifiziert werden können, dass sie in organischen Lösungsmitteln, in denen auch organische elektroaktive Verbindungen gelöst werden können, löslich sind. Weiters ist nicht nahe liegend, dass mit Lösungen, die einen hohen Anteil an diesen Nanostruktur-Precursorverbindungen und ein elektroaktives Polymer beinhalten, homogene großflächige Schichten auf geeigneten Substraten aufgebracht werden können und diese durch kontrollierten Energieeintrag zu Nanokompositschichten umgewandelt werden können. Zusätzlich ist es nicht nahe liegend, dass sich Nanopartikel im Größenbereich zwischen 3 und 30 nm bilden, die abhängig von dem Konzentrationsverhältnis der Nanostruktur-Precursorverbindungen zum elektroaktiven Polymer unterschiedlich stark ausgeprägte interpenetrierende Netzwerke ausbilden.
[0040] Die wichtigsten Vorteile der beschriebenen Methode sind in folgender Auflistung angeführt: [0041] · einfache chemische Modifikation der Nanostruktur-Precursorverbindungen und eine damit verbundene Löslichkeit der Nanostruktur-Precursorverbindungen in organi- 4/22
Merreicfcischts jBteiiiKat AT13 264U1 2013-09-15 sehen Lösungsmitteln, in denen auch organische elektroaktive Verbindungen gelöst werden können [0042] · große Auswahl an organischen Lösungsmitteln, in denen elektroaktive Polymere löslich sind, für die Herstellung der Precursorlösung [0043] · große Auswahl an elektroaktiven Polymeren für die Herstellung der Precursorlösung [0044] · Eigenschaften der Precursorlösung (Siedepunkt, Viskosität, Oberflächenspannung, etc.) können in einem großen Bereich variiert werden [0045] · große Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursorlösung auf großflächige
Substrate [0046] · Reaktionsnebenprodukte der direkten Herstellung der Nanopartikel in der Polymer matrix können bei Temperaturen, bei denen elektroaktive Polymere typischerweise stabil sind, gut entfernt werden.
[0047] Die folgenden Beispiele geben einen Überblick über mögliche Bereiche, in denen diese Erfindung realisiert werden kann.
[0048] Es wurden Lösungen mit unterschiedlichsten Kombinationen an Nanostruktur-Precursorverbindungen für die Herstellung der Halbleiternanostrukturen und elektroaktiven Polymeren in zahlreichen Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen mit verschiedenen Konzentrationsverhältnissen hergestellt.
[0049] Weiters wurden mittels dieser Precursorlösungen Nanokompositschichten mit unterschiedlichen elektroaktiven Polymeren (zum Beispiel: MEH-PPV, MDMO-PPV, F8T2, P3HT) und anorganischen Halbleitern (zum Beispiel: Kupferindiumdisulfid (CIS), Zinksulfid-Kupferindiumdisulfid (ZnS-CIS), Kupferzinkzinnsulfid (CZTS)) hergestellt. Der Energieeintrag zur Umwandlung der Precursor-Schichten in die Nanokompositschichten erfolgte thermisch (Heizplatte oder IR-Strahlung) oder auch durch Strahlung (Elektronenstrahl). Die Charakterisierung dieser Schichten zeigte, dass sich Nanopartikel im Größenbereich zwischen 3 und 30 nm bilden, die abhängig von der Konzentration der Nanostruktur-Precursorverbindungen unterschiedlich stark ausgeprägte interpenetrierende Netzwerke bilden. Solarzellen mit diesen Nanokompositschichten als Aktivschichten erzielten Wirkungsgrade über 1,7%. Messungen der spektralen Empfindlichkeit dieser Solarzellen zeigten, dass die Halbleiternanostrukturen maßgeblich zur Ladungsträgergenerierung in der Aktivschicht beitragen.
BEISPIELE
BEISPIEL 1: SYNTHESE VON CU-, IN- UND ZN-XANTHATEN
[0050] Die Synthese der unterschiedlichen Cu-, In- und Zn-Xanthate wird mit folgendem Reaktionsschema erläutert. Im ersten Schritt wird der gewünschte Alkohol mit Schwefelkohlenstoff in Gegenwart einer Base (z.B.: Kaliumhydroxid oder Kalium-tert-butoxid) umgesetzt, um das entsprechende Kalium-Xanthat zu erhalten53. Im zweiten Schritt wird nun das entsprechende Kalium-Xanthat mit einer Cu-, In- oder Zn-Quelle umgesetzt54. k K* -Salz + K S^S 2. Mn+-Sa1z + «i J - O.
R 1-t koh+cs2+r-oh [0051] Im Folgenden sind Beispiele für synthetisierte Cu-, In- und Zn-Xanthate zusammen- 5/22 österreichische;! AT 13264U1 2013-09-15 gefasst, wobei die Substituenten R, R2 und R3 Alkylgruppen in substituierter, unsubstituierter, verzweigter und geradkettiger Form darstellen und beispielsweise wie folgt abgekürzt werden: Et = -ethyl, Amyl = -amyl, Dec = -decyl, HepB = -2,4-dimethyl-3-pentyl, Hex = -3,3-dimethyl-2-butyl, Hep = -2,2-dimethyl-3-pentyl, HepC = -4,4-dimethyl-pentyl, OHep =-1-tert-butoxy-2-propyl, PhEt =-1-phenyl-1-propyl.
[0052] Weiters werden Beispiele für synthetisierte Cu-, In- und Zn-Xanthate, die in der Literatur noch nicht bekannt sind, angegeben. In Abhängigkeit von dem verwendeten Metall und dem gewählten R-Rest ist die Löslichkeit des erhaltenen Xanthats sehr unterschiedlich. In(lll)- und Zn(ll)-Xanthate besitzen im allgemeinen eine sehr gute Löslichkeit im Gegensatz zu Cu(l)-Xanthaten, da sie auf Grund der höheren Metall-Valenzen mehrere Xanthatgruppen, die eine bessere Löslichkeit bedingen, tragen können.
Cu''
Cu-R ln-R3 X^ Zn-R2 . 1 . TY R— HepB Hex Hep HepC 4 OHep PhEt [0053] Hinsichtlich Definition von R, R3 und R2 sowie HepB, Hex, Hep, HepC, OHep und PhEt wird auf die oben angeführte Definition bzw. Nomenklatur verwiesen. 6/22 österreichische;! föteüSawi AT 13264U1 2013-09-15
BEISPIEL 2: SYNTHESE VON CU- UND IN-DITHIOCARBAMATEN
[0054] Die Synthese von In-, und Cu-Dithiocarbamaten ist ähnlich der Xanthat-Synthese und ist im Folgenden kurz beschrieben. Im ersten Schritt wird das gewünschte Amin und Schwefelkohlenstoff in Gegenwart einer Base (z.B.: Natriumhydroxid) zum entsprechenden Natrium-Dithiocarbamat umgesetzt55’56. Danach wird das Natrium-Dithiocarbamat mit einer Cu- oder In-Quelle umgesetzt, um das entsprechende In-, und Cu-Dithiocarbamat zu erhalten.
[0055] I m Folgenden wird jeweils ein Beispiel für ein synthetisiertes Cu- bzw. In-Dithiocarbamat, nämlich Kupfer-2-hexyldithiocarbamat und lndium-2-hexyldithiocarbamat angegeben:
BEISPIEL 3: SYNTHESE VON SN-XANTHATEN
[0056] Bei der Synthese von Sn-Xanthaten entscheidet die Auswahl des Lösungsmittels über das erhaltene Hauptprodukt. Wird beispielsweise Zinntetrachlorid mit Kalium-Xanthat in Benzol umgesetzt, erhält man SnExa4. Verwendet man jedoch Methanol oder Ethanol liegt Sn2S2Exa4, ein durch 2 Schwefel verbrücktes Sn-Xanthat, als Hauptprodukt vor.
[0057] Es werden folgende Beispiele für synthetisierte Sn-Xanthate, nämlich SnExa4 = Zin-nethylxanthat, Sn2S2Exa4 = Zinndiethylxanthat und Sn2S2Hex4 = Zinnthiodihexylxanthat angegeben:
SnExa4 Sn2S2Exa4 Sn2S2Hex4
BEISPIEL 4: HERSTELLUNG VON KUPFERINDIUMDISULFID/POLYMER-NANOKOMPOSIT-SCHICHTEN DURCH UNTERSCHIEDLICHE AUFBRINGUNGSMETHODEN
[0058] Für die Precursor-Lösung zur Herstellung der Nanokompositschicht wurde das jeweilige Cu(l)-xanthat und ln(lll)-xanthat im gewünschten Cu/In-Verhältnis in einem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch gelöst. Die klare Precursor-Lösung wurde danach durch eine geeignete Aufbringungsmethode auf ein Glas-ITO-Substrat aufgebracht. Um die Kupferindiumdisul-fid/Polymer-Nanokompositschicht (CIS/Polymer-Nanokompositschicht) zu erhalten, wurde das Substrat mit der zuvor aufgebrachten Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min getempert. Demzufolge erfolgt die Herstellung der CIS-Nanopartikel aus den Cu- und In-Xanthaten innerhalb der Matrix des konjugierten Polymers in situ während dieses Heizschrittes.
[0059] Figur 1 zeigt ein Diffraktogramm einer CIS/Poly(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-p-phenylenvinylen-Nanokompositschicht (CIS/MEH-PPV-Nanokompositschicht) bei der die Lösung durch Sprühen aufgebracht wurde. Die genauen Herstellungsparameter sind in Tabelle 1 angeführt. Die drei breiten Reflexe bei 28,1° (112), 46,5° (204/220) und 54,9° (312) sind charak- 7/22 teristisch für Kupferindiumdisulfid in der Chalkopyrit-Struktur. Die Partikelgröße beträgt in etwa 3 nm, berechnet nach der Scherrer Formel mit den zwei intensivsten Reflexen.
[0060] Analog dazu wurde auch eine CIS/Poly-co-(dioctylfluorenyl-dithiophenyl)-Nanokomposit-schicht (CIS/F8T2-Nanokompositschicht) durch Spin-coaten der Precursorlösung hergestellt. Detaillierte Herstellungsparameter sind wiederum in Tabelle 1 angegeben. In Figur 2 ist ein TEM-Bild (Transmissionselektronen-Bild) dieser photoaktiven Nanokompositschicht gezeigt. Die Nanopartikel (dunkle Bereiche) sind in der Polymermatrix eingebettet und weisen eine ungefähre Größe von 5 nm auf.
[0061] Weiters kann die photoaktive Nanokompositschicht auch durch Rakeln auf ein Glas-ITO-Substrat aufgebracht werden. In diesem Zusammenhang wird auf das im Folgenden angeführte Beispiel 9 verwiesen, in dem Solarzellen mit dieser Aufbringungsmethode hergestellt wurden.
[0062] Tabelle 1: Detaillierte Herstellungsparameter für die Herstellung von ClS/Polymer-Nanokompositschichten
Beispiel 1 2 Polymer MEH-PPV F8T2 Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Hex In-Xanthat In-Et3 In-Hex3 Cu/In-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 3/1 4/1 Lösungsmittel CHCla/Pyridine (1/0,25) CHCI3 Aufbringungsmethode Sprühen Spin-coaten [0063] Die in Tabelle 1 verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung: MEH-PPV = Poly(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-p-phenylenvinylen), F8T2 = Poly-co-(dioctylfluorenyl-dithio-phenyl), Cu-Amyl = Kupferamylxanthat, Cu-Hex = Kupfer-3,3-dimethyl-2-butylxanthat, In-Et3 = Indiumethylxanthat, In-Hex3 = lndium-3,3-dimethyl-2-butylxanthat, CHCI3 = Chloroform.
BEISPIEL 5: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-NANOKOMPOSITSCHICHTEN DURCH UNTERSCHIEDLICHE UMWANDLUNGSVERFAHREN
[0064] Eine Möglichkeit zur Bildung der CIS/Polymer-Nanokompositschicht ist das Aufheizen der Precursor-Schicht in einem Röhrenofen. Als Beispiel hierfür kann die unter Beispiel 4 angeführte CIS/F8T2-Nanokompositschicht herangezogen werden. In diesem Fall wurde die Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min in einem Röhrenofen getempert.
[0065] Zusätzlich kann die Umwandlung der Precursor zu CIS auch durch hochenergetische Strahlung, wie zum Beispiel einem Elektronenstrahl erfolgen. In Figur 3 und Figur 4 sind die Beugungsbilder und die dazugehörigen radialen Intensitätsprofile einer CIS/Poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)]-p-phenylenvinylen-Nanokompositschicht (CIS/MDMO-PPV-Nanokom-positschicht) nach unterschiedlich langer Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Precursor-Schicht gezeigt.
[0066] Der Elektronenstrahl eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) hat üblicherweise eine Energie von 100-300 keV. Dies kann im speziellen bei Polymeren zur Schädigung der Probe durch den Energieeintrag führen. Im Zuge dieser Experimente wurde untersucht, ob die Umwandlung der Xanthate auch durch die Energie des Elektronenstrahls möglich ist.
[0067] Dazu wurde ein Film mittels Spin-coating auf einem NaCI-Einkristall hergestellt, in aqua dest. abgelöst und als TEM-Probe vermessen. Eine Probenstelle wurde mit dem Elektronenstrahl beleuchtet und im Beugungsmodus beobachtet.
[0068] Figur 3 zeigt die Beugungsbilder zum Beginn des Experimentes und nach einer Belich-tungsdauer von 800s. Die Ausbildung einzelner Ringe ist deutlich erkennbar. In Figur 4 sind die radialen Intensitätsprofile der Beugungsbilder dargestellt. Die Bildung von CIS kann anhand der beiden entstehenden für CIS charakteristischen Peaks beobachtet und nachgewiesen werden. ästerreidiiscises pitwtot AT13 264U1 2013-09-15 [0069] Nach dem Versuch konnten die gebildeten CIS-Nanopartikel, wie in Figur 5 gezeigt, auch mittels TEM ohne weitere Veränderung der Probe abgebildet werden. Die Partikelgröße liegt im Bereich von 2-3 nm. Im optischen Mikroskop war der bestrahlte Bereich aufgrund der Farbveränderung des Films erkennbar.
BEISPIEL 6: HERSTELLUNG EINER KUPFERZINKZINNSULFID/MDMO-PPV-NANOKOM-POSITSCHICHT
[0070] Um die Kupferzinkzinnsulfid/MDMO-PPV-Nanokompositschicht (CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht) zu erhalten, wurde ein NaCI-Einkristall mit der Precursorlösung beschichtet und danach für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min getempert. Genauere Herstellungsparameter sind in Tabelle 2 angeführt.
[0071] Tabelle 2: Herstellungsparameter der CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht
Polymer MDMO-PPV Cu-Xanthat Cu-Hex Zn-Xanthat Zn-Hex Sn-Xanthat Sn2S2Hex2 Cu/Zn/Sn-Verhältnis 2/1/1 CZTS/Polymer-Verhältnis 4/1 Lösungsmittel CHCI3 Aufbringungsmethode Spin-coaten [0072] Figur 6 zeigt eine TEM-Aufnahme und ein Beugungsbild dieser CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht. Das daraus errechnete radiale Intensitätsprofil entspricht dem von Kupferzinkzinnsulfid. Demzufolge erfolgt die Herstellung der CZTS-Nanopartikel aus den Cu-, Zn-und Sn-Xanthaten innerhalb der Matrix des konjugierten Polymers in situ während dieses Heizschrittes. BEISPIEL 7: HERSTELLUNG EINER CIS/MDMO-PPV-NANOKOMPOSIT-SOLARZELLE: [0073] Für die Precursor-Lösung zur Herstellung der Nanokompositschicht wurde Cu(l)-heptylxanthat und ln(lll)-heptylxanthat in einem molaren Verhältnis von 1/1,7 in Chloroform gelöst. Die erhaltene Lösung wurde anschließend zu MDMO-PPV zugegeben. Bei vollständiger Umsetzung der Cu- und In-Xanthate zu Kupferindiumdisulfid entspricht das Verhältnis CIS/MDMO-PPV 4,5/1 in der photoaktiven Nanokompositschicht. Die klare Precursor-Lösung wurde danach auf ein geeignetes Substrat aufgebracht. Um die CIS/MEH-PPV-Nanokompositschicht zu erhalten, wurden die Substrate mit der zuvor aufgebrachten Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C getempert. Als letzter Schritt wurde danach Kalzi-um/Aluminium als Kathodenmaterial auf die photoaktive Nanokompositschicht aufgedampft.
[0074] Der grundsätzliche Aufbau einer Solarzelle ist in Figur 7 gezeigt. Auf einem Glassubstrat (1) befindet sich eine transparente Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode (2), die als Anode dient. Auf diesem Aufbau wird dann die photoaktive Nanokompositschicht (3) hergestellt und danach die Kathode (4) aufgebracht. Um einen geschlossenen Stromkreis zu erhalten, erfolgt die Kontaktierung über Anode und Kathode.
[0075] Eine repräsentative Strom/Spannungs-Kennlinie ist in Figur 8 gezeigt. Die offene Zellspannung (V0c) liegt bei 510 mV und der Kurzschluss-Strom (lSc) bei 5,79 mA/cm2. Mit dem Füllfaktor (FF) von 44,6% ergibt sich eine berechnete Effizienz (η) von 1,0%.
BEISPIEL 8: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-SOLARZELLEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN PHOTOAKTIVEN POLYMEREN
[0076] Simultan zu der oben beschriebenen Herstellung der CIS/MDMO-PPV Solarzelle wurden auch weitere Nanokomposit-Solarzellen mit anderen konjugierten Polymeren hergestellt.
[0077] Tabelle 3 gibt einen Überblick über mögliche Kombinationen und die damit erhaltenen 9/22
&te^id»scHe$ ρ®ίκηΕδίϊϊί AT 13264U1 2013-09-15
Ergebnisse.
[0078] Tabelle 3: Getestete photoaktive Polymere zur Herstellung von CIS/Polymer Solarzellen
Beispiel 1 2 3 4 5 6 Polymer PF-Gly F8BT F8T2 P3EBT P3HT MEH-PPV Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl In-Xanthat In-Ets In-Et3 In-Ets In-Et3 In-Et3 In-Et3 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 ClS/Polymer- Verhältnis 3/1 3/1 3/1 2/1 2/1 4/1 vocrvi 0,202 0,520 0,377 0,533 0,221 0,65 Isc imA/cm2l 2,41 0,72 0,84 0,52 0,08 1,66 FF [%] 29,0 26,9 28,1 28,0 24,7 33,5 Π \°M 0,14 0,10 0,09 0,08 0,005 0,35 [0079] PF-Gly: Poly(9,9-di{2-[2-(2-methoxy-ethoxy)ethoxy]ethyl}fluorenyl-2,7-diyl) F8BT: Po-ly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-a/f-(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl)] P3EBT: Poly[3-(ethyl-4-butanoate)thiophene-2,5-diyl] P3HT: Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)
BEISPIEL 9: HERSTELLUNG VON ZINKSULFID-CIS/POLYMER-SOLARZELLEN
[0080] Weiters besteht auch die Möglichkeit durch Zugabe von Zn-Xanthat Zinksulfid-CIS-Mischphasen (ZnS-CIS-Mischphasen) zu bilden. Der Einfluss solcher Mischphasen auf die Eigenschaften einer ZnS-CIS/F8T2-Solarzelle ist in Tabelle 4 gezeigt. Bis zu einem Cu/Zn-Verhältnis von 1/0,1 kommt es zu einer deutlichen Verbesserung des Kurzschluss-Stromes und des Füllfaktors und somit zu einer Steigerung des Wirkungsgrades bis auf 0,59%.
[0081] Tabelle 4: ZnS-CIS/F8T2-Solarzellen mit unterschiedlichen Anteilen an ZnS
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthat In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 Zn-Xanthat Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 Cu/Zn- Verhältnis 1/0 1/0,05 1/0,1 1/0,15 1/0,4 1/1 1/1,5 > O O > 0,42 0,4 0,45 0,35 0,36 0,47 0,51 Isc [mA/cm^ 2,75 3,39 3,74 3,22 3,36 1,57 0,76 FF [%] 33,7 35,0 35,1 32,15 27,4 28,0 25,6 nl%]_ 0,39 0,47 0,59 0,36 0,32 0,20 0,10
BEISPIEL 10: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-SOLARZELLEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN LÖSUNGSMITTELN
[0082] Aufgrund der hervorragenden Löslichkeit der beschriebenen Cu- und In-Precursor können eine Reihe von unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln im Gemisch oder auch pur zur Herstellung der Precursor-Lösung verwendet werden. Dadurch kann die Morphologie der erhaltenen CIS/Polymer-Nanokompositschicht gezielt verändert und die Effizienz von den Solarzellen stark beeinflusst werden.
[0083] Tabelle 5 und Tabelle 6 geben eine exemplarische Übersicht über mögliche Lösungsmittel und Lösungsmittelkombinationen zur Herstellung einer CIS/F8T2-Solarzelle und einer CIS/MEH-PPV-Solarzelle. 10/22
&*»«id>ische AT13264U1 2013-09-15 [0084] Tabelle 5: Einfluss verschiedener Lösungsmittel und Lösungsmittelkombinationen auf die Parameter von CIS/F8T2-Solarzellen
Beispiel 1 2 3 4 5 Lösungsmittel CHCI3 THF Chlorbenzol Dichlorbenzol CHCh/THN 0,9/0,1 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthat In-Hex3 In-Hep3 In-Hep3 In-Hep3 In-Hep3 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 ClS/Polymer- Verhältnis 4/1 4/1 4/1 4/1 4/1 vocrvi 0,57 0,33 0,47 0,29 0,33 ISC [mA/cm2l 3,71 1,09 4,28 2,98 0,60 FF r%i 31,2 29,8 21,7 38,8 29,8 n r%i 0,66 0,11 0,44 0,34 0,11 [0085] THF: Tetrahydrofuran [0086] THN: Tetrahydronaphthalin [0087] Tabelle 6: Einfluss verschiedener Lösungsmittel auf die Parameter von CIS/MEH-PPV Solarzellen
Beispiel 1 2 Lösungsmittel chci3 Toluol Cu-Xanthat Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthat In-Hep3 In-Hep3 Cu/In-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 4,5/1 5/1 > O O > 0,53 0,33 Isc [mA/cm2l 2,89 1,06 FF [%] 32,7 27,1 nl%]_ 0,50 0,16 [0088] Figur 9 zeigt das „Incident-Photon-to-electron Conversion Efficiency'-Spektrum (IPCE-Spektrum), bei dem der Photostrom spektral gemessen wird, und das Absorptions-Spektrum der CIS/MEH-PPV-Solarzelle aus Tabelle 6/Beispiel 1. Der Anstieg der Absorption im Bereich von 850nm bis 600nm ist hauptsächlich auf die CIS-Nanopartikel zurückzuführen. Ab ca. 600 nm beginnt MEH-PPV zu absorbieren, was sich in einem ausgeprägten Anstieg der Absorption zeigt. Aus der Gegenüberstellung des IPCE-Spektrums und des Absorptionsspektrums ist zu erkennen, dass die anorganischen Nanopartikel eindeutig zur Stromgenerierung beitragen. Schon außerhalb des Absorptionsbereichs des Polymers (> 600nm) kommt es zu einem beträchtlichen Anstieg der IPCE-Kurve beginnend mit dem Absorptionsanfang der Nanopartikel bei etwa 850 nm.
BEISPIEL 11: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-SOLARZELLEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN CU/IN-VERHÄLTNISSEN
[0089] Durch Variation des Verhältnisses von Cu-Xanthat zu In-Xanthat können die Eigenschaften der sich bildenden CIS-Nanopartikel und der damit erhaltenen Nanokompositschicht beeinflusst werden.
[0090] Tabelle 7 gibt eine Übersicht über den Einfluss des Cu/In-Verhältnisses auf die Parameter von CIS/F8T2-Solarzellen. 11 /22
päi:e;:iäfst AT13 264U1 2013-09-15 [0091] Tabelle 7: Einfluss des Cu/In-Verhältnisses auf die Parameter von CIS/F8T2-Solarzellen
Beispiel 1 2 3 4 5 Lösungsmittel CHCI3 CHCI3 CHCI3 CHCI3 CHCI3 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthat In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 Cu/In-Verhältnis 1/1,9 1/1,7 1/1,6 1/1,5 1/1,3 CIS/Polymer- Verhältnis 4/1 4/1 4/1 4/1 4/1 > O O > 0,3 0,55 0,31 0,45 0,02 lSc [mA/cm2] 3,69 3,65 2,37 2,90 1,00 FF [%l 29,3 30,1 26,6 27,6 35,0 Π [%l 0,38 0,66 0,26 0,57 0,01
BEISPIEL 12: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-SOLARZELLEN MITTELS RAKELN
[0092] Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von unterschiedlichsten Lösungsmitteln liegt darin, dass Eigenschaften, wie zum Beispiel Viskosität, Siedepunkt, Löslichkeit der Precursor, etc., genau eingestellt werden können und somit ein breites Spektrum an Aufbringungsmethoden für die Precursor-Schicht zur Verfügung steht. Im Gegensatz zum Spincoaten, das auf recht kleine Substrate limitiert ist, können beim Rakeln (Doctor Blading) auch großflächige Substrate mit der Precursorlösung gleichmäßig beschichtet werden.
[0093] Tabelle 8 gibt die durchschnittlichen Wirkungsgrade von CIS/Polymer-Solarzellen, die entlang eines Substrats mit den Abmaßen von 7cm x 4cm, wie in Figur 10 schematisch gezeigt, wieder.
[0094] Tabelle 8: Durchschnittliche Wirkungsgrade von CIS/Polymer-Solarzellen, bei denen die Precursor-Schicht mittels Rakeln aufgebracht wurde
Beispiel 1 2 Polymer F8T2 MDMO-PPV Lösungsmittel CHCI3 Chlorbenzol Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hep In-Xanthat In-Hex3 In-Hep3 Cu/In-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 4/1 4,5/1 < O O < 0,54 0,60 ISC [mA/cm21 2,89 6,89 FF[%] 25,7 41,3 nl%]_ 0,41 1,31
BEISPIEL 13: HERSTELLUNG VON CIS/POLYMER-SOLARZELLEN MIT DITHIOCARBAMA-TEN ALS CU- UND IN-PRECURSOR
[0095] Neben Xanthaten können auch Dithiocarbamate zur Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen verwendet werden. Figur 11 zeigt die Kennlinie einer CIS/MEH-PPV-Solarzelle, basierend auf Cu- und In-Dithiocarbamaten. In der Precursorlösung wurde das Cu/In-Verhältnis auf 1/1,7 bzw. das CIS/Polymer-Verhältnis auf 1/3 eingestellt und als Lösungsmittel Chloroform verwendet.
[0096] Figur 12 zeigt ein Röntgendiffraktogramm einer CIS-Schicht, welche aus Cu- und In-Dithiocarbamaten hergestellt wurde. Neben stöchiometrischem CIS wird auch eine indiumreiche Phase gebildet. Die 3 intensivsten Peaks bei 28°, 46 ° und 55° 26 stimmen mit den intensivsten Peaks von stöchiometrischem CIS überein (PDF 01-075-0106). Die schwächeren Peaks bei 32°, 44°, 58°, 68° und 75° 20 stammen ebenfalls von stöchiometrischem CIS. Die Peaks bei 23°, 33°, 41°, 48°, 60° und 80° 20 stammen höchstwahrscheinlich von indiumreichem Kupferin- 12/22
isterreidiisdÄS pitwiarot AT 13264U1 2013-09-15 diumsulfid In-^Cuo^Cu^^ (PDF 01-081-0785). Die Peaks bei 28°, 44°, 68°, 71°, 77° 2Θ können von beiden Materialien stammen.
[0097] Anhand der durchgeführten Syntheserouten und der in diesem Zusammenhang angefertigten Analysedaten kann gezeigt werden, dass in einem verfahrenstechnisch unkomplizierten Lösungsweg sehr effiziente Nanokompositstrukturen bereitgestellt werden können, welche leistungsstarke Komponenten für den Bereich der Photovoltaik und Optoelektronik darstellen. LITERATURVERZEICHNIS: 1 Saunders, B.R.; Turner, M.L. Adv. Coli. Int. Sei. 2008, 138, 1-23. 2 Huynh, W.; Dittmer, J.; Alivisatos, A. P. Science, 2002, 295, 2425. 3 Alivisatos, A. P. Science, 1996, 271,933. 4 Gur, I.; Fromer, N.A.; Alivisatos, A.P. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 25543. 5 Kumar, S.; Nann, T.J. Mater. Res. 2004, 19, 1990-1994. 6 Wang, L; Liu, Y.-S.; Jiang, X.; Qin, D.-H.; Cao, Y. J. Phys. Chem. C. 2007 111 9538. 7 Arici, E.; Sariciftci, N. S.; Meissner, D. Adv. Func. Mat. 2003, 2, 13. 8 Piber, M.; Rath, T.; Grießer, T.; Trimmei, G.; Stelzer F.; Meissner D. 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Claims (9)

  1. «ierrecrase-ts päie;:iäfst AT13 264U1 2013-09-15 Ansprüche 1. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht bestehend aus Metallsulfid-Nanostrukturen und einem elektrisch halbleitenden Polymer durch Aufbringen einer homogenen Lösung aus einem organischen Lösungsmittel, Nanostruktur-Precursorverbindungen aus Metallxanthaten und dem elektrisch halbleitenden Polymer sowie anschließender, direkter Umwandlung in der aufgebrachten Schicht durch Energieeintrag, wobei die gebildeten Nanostrukturen Größen von unter 1 pm, vorzugsweise unter 100 nm aufweisen.
  2. 2. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht nach Anspruch 1, wobei eine ternäre, quarternäre oder komplexere Metallsulfid-Nanostruktur durch Mischen unterschiedlicher Nanostruktur-Precursorverbindungen aus Metallxanthaten, vorzugsweise Kupfer-, Indium- und Zink-xanthaten, hergestellt wird, und die Stöchiometrie der Zusammensetzung dieses Metallsulfides durch die Mischung der eingesetzten Nanostruktur-Precursorverbindung bestimmt wird.
  3. 3. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanostruktur-Precursorverbindungen organische Metallxanthate darstellen.
  4. 4. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nanostruktur-Precursorverbindungen aus der Gruppe der Metall-0-2,2-dimethylpentan-3-yl-xanthate oder der Metall-0-3,3dimethylbutan-2-yl-xanthate ausgewählt werden.
  5. 5. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Energieeintrag durch Wärmeeintrag bei Temperaturen unter 400°C, vorzugsweise unter 200°C stattfindet.
  6. 6. Herstellung einer Nanokomposit-Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Energieeintrag durch energetische Strahlung, insbesondere durch Elektronenstrahlen, erfolgt.
  7. 7. Herstellung von Nanokompositschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schichtdicke dieser Nanokompositschichten unter 500 nm, vorzugsweise unter 250 nm liegt.
  8. 8. Herstellung von Nanokompositschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als elektroaktive, d.h. elektrisch halbleitende, Polymere Polythiophene, Polyfluorene, Poly-carbazole, Polyphenylene, Polyphenylenvinylene, Polyaniline, Polypyrrole, und/oder deren Derivate, Oligomere und Copolymere dieser Polymere verwendet werden.
  9. 9. Verwendung der Nanokompositschichten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Bauteilen oder Bauelementen, wie Solarzellen, Sensoren oder Detektoren, elektrischen oder optischen (einschließend den UV- und IR- und Mikrowellenbereich) Bauelementen, Schaltern, Displays oder Strahlung emittierenden Bauelementen, wie Lasern oder Light Emitting Diodes (LEDs). Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 16/22
ATGM8043/2012U 2010-01-18 2010-01-18 Lösungen für die Herstellung homogener großflächiger photoaktiver Schichten bestehend aus einem elektroaktiven Polymer und Halbleiternanopartikeln und deren Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik AT13264U1 (de)

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