AT411306B

AT411306B - Photovoltaische zelle mit einer photoaktiven schicht aus zwei molekularen organischen komponenten

Info

Publication number: AT411306B
Application number: AT0073400A
Authority: AT
Inventors: Sean Dr Shaheen; Christoph Dr Brabec; Thomas Dr Fromherz; Franz Dipl Ing Padinger; N Serdar Dr Sariciftci; Erhard Dr Gloetzl
Original assignee: Qsel Quantum Solar Energy Linz
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2003-11-25
Also published as: CN1426607A; EP1284027A1; WO2001084645A1; US20040094196A1; JP5517386B2; JP2003533034A; AU2001252014A1; ATA7342000A; JP2013157633A; US6933436B2

Description


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   Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Zelle mit einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen organischen Komponenten, nämlich einer konjugierten Polymerkomponente als Elektronendonator und einer Fullerenkomponente als Elektronenakzeptor, mit zwei beidseits der photoaktiven Schicht vorgesehenen metallischen Elektroden und mit einer Zwischenschicht zwi- schen der photoaktiven Schicht und wenigstens einer Elektrode. 



   Kunststoffe mit ausgedehnten TT-Elektronensystemen, bei denen abwechselnd Einfach- und Doppelbindungen aufeinanderfolgen, werden als konjugierte Kunststoffe bezeichnet. Diese konju- gierten Kunststoffe weisen hinsichtlich der Elektronenenergie mit Halbleitern vergleichbare Ener- giebänder auf, so dass sie auch durch ein Dotieren vom nichtleitenden in den metallisch leitenden Zustand überführt werden können. Beispiele für solche konjugierten Kunststoffe sind Polyphe- nylene, Polyvinylphenylene (PPV), Polythiophene oder Polyaniline. Der Wirkungsgrad der Energie- umwandlung von photovoltaischen Polymerzellen aus einem konjugierten Polymer liegt allerdings typischerweise zwischen   10-3   und 10-2 %.

   Zur Verbesserung dieses Wirkungsgrades wurden zwar bereits heterogene Schichten aus zwei konjugierten Polymerkomponenten vorgeschlagen (US 5 670 791 A), von denen eine Polymerkomponente als Elektronendonator und die andere Polymerkomponente als Elektronenakzeptor dienen. Durch den Einsatz von Fullerenen, also von Kohlenstoff-Clustern mit einer sterischen Gerüststruktur aus Kohlenstoffatomen, insbesondere Buckminsterfullerenen C60, als Elektronenakzeptoren (US 5 454 880 A) konnte die sonst übliche Ladungsträgerrekombination in der photoaktiven Schicht weitgehend vermieden werden, was zu einer Wirkungsgradsteigerung auf 0,6 % bis 1 % unter AM 1,5 Bedingungen (Durchstrahlung der 1,5fach grösseren Luftmasse (Air Mass) aufgrund einer Sonneneinstrahlung unter einem Winkel von 41,5 ) führte.

   Trotzdem bleibt der erreichbare Wirkungsgrad für einen wirtschaftlichen, techni- schen Einsatz von solchen photoaktiven Schichten zum Aufbau von photovoltaischen Zellen im allgemeinen zu gering. 



   Im Zusammenhang mit lichtemittierenden Zellen ist es bekannt (US 5 247 190A), zwischen ei- ner wenigstens ein konjugiertes Polymer enthaltenden photoaktiven Schicht und einer Aluminium- elektrode eine Kontaktschicht aus Aluminiumoxid vorzusehen, um beim Anlegen einer äusseren Spannung die Injektion von Elektronen in die photoaktive Schicht zu verbessern. Da bei einer photovoltaischen Zelle jedoch nicht Elektronen in die photoaktive Schicht injiziert, sondern aus der photoaktiven Schicht abgezogen werden sollen, kann eine elektrolumineszierende Zelle diesbe- züglich nicht mit einer photovoltaischen Zelle verglichen werden. 



   Bei einer photovoltaischen Zelle mit einer mehrlagigen photoaktiven Schicht aus organischen Komponenten ist es zur Steigerung der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstromes ausserdem bekannt (US 5 350 459 A), zwischen einer einen Elektronenakzeptor bildenden Lage der photoak- tiven Schicht und der anschliessenden Elektrode eine Zwischenschicht aus einem anorganischen Halbleiter vorzusehen, der einen Elektronenüberschuss aufweist. Eine solche Zwischenschicht bedingt allerdings den Einsatz von anorganischen Halbleitern. 



   Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Zelle der eingangs ge- schilderten Art so auszugestalten, dass eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades der Energie- umwandlung möglich wird. 



   Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Zwischenschicht eine elektrisch iso- lierende Übergangsschicht mit einer keine durchgehend geschlossene Abdeckung der photoakti- ven Schicht ergebenden Dicke von höchstens 5 nm bildet. 



   Die Erfindung baut auf dem Umstand auf, dass sich im Übergangsbereich zwischen der photo- aktiven Schicht und der Elektrode ein erheblicher Widerstand gegen einen Ladungsträgerübertritt einstellt, was vermutlich auf Reaktionen zwischen der metallischen Elektrode und der organischen photoaktiven Schicht zurückzuführen ist. Können daher diese unmittelbaren Einflüsse unterbunden werden, so muss bei sonst gleichbleibenden Bedingungen mit einer Verbesserung des Ladungs- übertrittes gerechnet werden, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führt.

   Durch das Vor- sehen einer elektrisch isolierenden Übergangsschicht können nun diese unmittelbaren Reaktionen zwischen photoaktiver Schicht und Elektrode weitgehend ausgeschaltet werden, doch muss die Dicke der elektrisch isolierenden Übergangsschicht auf höchstens 5 nm beschränkt werden, damit nicht der hohe elektrische Widerstand dieser Übergangsschicht den erleichterten Übertritt der Ladungsträger zwischen photoaktiver Schicht und Elektrode verhindert. Aufgrund der sehr kleinen Schichtdicke, die keine durchgehende, geschlossene Zwischenschicht zwischen der photoaktiven 

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 Schicht und der Elektrode ergibt, kann überraschenderweise die sonst zwischen der Elektrode und der photoaktiven Schicht auftretende Barriere weitgehend abgebaut werden, ohne den Ladungs- trägerübertritt zusätzlich zu erschweren.

   Mit Hilfe dieser elektrisch isolierenden Übergangsschicht konnte der Wirkungsgrad von photovoltaischen Zellen im Vergleich zu sonst gleich aufgebauten Zellen ohne diese Übergangsschicht bis zu 20 bis 25 % erhöht werden. Zu diesem Zweck ist allerdings eine Optimierung der elektrisch isolierenden Übergangsschicht erforderlich. 



   Eine solche Optimierung kann durch eine Verminderung der Dicke der Übergangsschicht auf höchstens 2 nm erfolgen. Selbstverständlich kann auch über den chemischen Schichtaufbau die angestrebte Wirkung beeinflusst werden. So haben sich Übergangsschichten aus einem Alkalihalo- genid bewährt, wobei besonders gute Eigenschaften auch hinsichtlich der Verarbeitung mit einer Übergangsschicht aus Lithiumfluorid festgestellt werden konnten, das im Vakuum auf die photo- aktive Schicht oder die Elektrode in der gewünschten Schichtdicke aufgedampft werden kann. 



   In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen 
Fig. 1 eine erfindungsgemässe photovoltaische Zelle in einem schematischen Schnitt und 
Fig. 2 die Strom-Spannungskennlinie einer herkömmlichen und einer erfindungsgemässen photovoltaischen Zelle. 



   Die photovoltaische Zelle besteht gemäss der Fig. 1 aus einem lichtdurchlässigen Glasträger 1, auf dem eine Elektrodenschicht 2 aus einem Indium/Zinn-Oxid (ITO) aufgebracht ist. Diese Elek- trodenschicht 2 weist im allgemeinen eine vergleichsweise rauhe Oberflächenstruktur auf, so dass sie mit einer Glättungsschicht 3 aus einem durch eine Dotierung elektrisch leitfähigen Polymer, üblicherweise PEDOT (Polyäthylendioxythiophen), abgedeckt wird. Auf diese Glättungsschicht 3 wird die photoaktive Schicht 4 aus zwei Komponenten mit einer Schichtdicke je nach Auftragungs- verfahren von beispielsweise 100 nm bis zu einigen um aufgetragen.

   Die photoaktive Schicht 4 besteht aus einem konjugierten Polymer, vorzugsweise einem PPV-Derivat, als Elektronendonator und einem Fulleren, insbesondere funktionalisiertes Fulleren PCBM   ([6.6]-Phenyl-C61-butylsäure-   methylester), als Elektronenakzeptor. Unter dem Begriff Polymer sind dabei sowohl Hochpolymere als auch Oligomere zu verstehen. Die beiden Komponenten werden mit einem Lösungsmittel vermischt und als Lösung auf die Glättungsschicht 3, z. B. durch ein Aufschleudern oder Auftrop- fen, aufgetragen. Zum Beschichten grösserer Flächen mit einer solchen photoaktiven Schicht 4 können auch Rakel- oder Druckverfahren zum Einsatz kommen.

   Als Lösungsmittel wird anstelle des herkömmlichen Toluols (Methylbenzol) vorzugsweise ein Feinungsmittel wie Chlorbenzol, beispielsweise 1.2-Dichlorbenzol, eingesetzt, um eine Feinstruktur der heterogenen Schicht 4 sicherzustellen, die dann eine durchschnittliche Korngrösse kleiner als 500 nm aufweist. Damit kann die Anzahl der Berührungsstellen zwischen dem Elektronendonator und dem Elektronenakzeptor erheblich vergrössert werden, was sich in einer verbesserten Ladungstrennung und einer Wir- kungsgradsteigerung auf ca. 2,6 % unter simulierten AM 1,5 Bedingungen auswirkt. 



   Bevor jedoch die Gegenelektrode 5 aufgebracht wird, wird auf die photoaktive Schicht 4 eine dünne Übergangsschicht 6 mit einer Schichtdicke von beispielsweise 0,6 nm aufgetragen, die elektrisch isolierend wirkt. Diese Übergangsschicht besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Alkalihalogenid, nämlich Lithiumfluorid, das in einem Vakuum von   2 x 10  Torr in einer Rate von 0,2 nm/min aufgedampft wird, wobei sich jedoch aufgrund der geringen Schichtdicke keine durch- gehend geschlossene Abdeckung der photoaktiven Schicht 4 ergibt. 



   Bei der Verwendung von ITO als lochsammelnde Elektrode wird als elektronensammelnde Elektrode Aluminium eingesetzt, das auf die elektrisch isolierende Übergangsschicht 6 aufge- dampft wird. Da durch die Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Übergangsschicht 6 zwischen der photoaktiven Schicht 4 und der Elektrode 5 die sich auf den Ladungsübertritt zwi- schen der photoaktiven Schicht 4 und der Elektrode 5 störend auswirkenden Reaktionen im unmit- telbaren Grenzbereich zwischen Elektrode 5 und aktiver Photoschicht 4 weitgehend vermieden werden können, weil eben die Elektrode 5 in grossen Bereichen nicht unmittelbar an die photoaktive Schicht 4 angrenzt, wird der Ladungsträgerübertritt von der photoaktiven Schicht 4 auf die Elektro- de 5 unter der Voraussetzung verbessert,

   dass die Übergangsschicht 6 nicht selbst eine zusätzliche Barriere zwischen der photoaktiven Schicht 4 und der Elektrode 5 aufbaut, was durch die Be- schränkung der Schichtdicke der Übergangsschicht 6 sichergestellt werden kann. Die elektrischen Isoliereigenschaften der Übergangsschicht 6 verhindern dabei offensichtlich, dass insbesondere im Übergangsbereich von der photoaktiven Schicht 4 auf die Übergangsschicht 6 den Übertritt der 

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 Ladungsträger hemmende Einflüsse wirksam werden. 



   In Fig. 2 ist die Stromdichte I über der Spannung U bei einer Anregungsenergie von 80   mW/cm2   unter simulierten AM 1,5 Bedingungen zweier photovoltaischer Zellen aufgetragen, die sich lediglich durch das Vorhandensein einer erfindungsgemässen dünnen Übergangsschicht 6 unterscheiden. Aus dem Vergleich der Kennlinie 7 für eine erfindungsgemässe photovoltaische Zelle mit der Kennlinie 8 einer mit Ausnahme der Übergangsschicht 6 übereinstimmend aufgebau- ten Vergleichszelle ergibt sich, dass bei annähernd gleichem Kurzschlussstrom von ca. 5,2   mA/cm2   eine Steigerung der Leerlaufspannung von 770 mV auf 810 mV gemessen werden konnte.

   Da sich zusätzlich der Füllfaktor, also das Verhältnis zwischen der maximal abgegebenen Zellenleistung und dem Produkt von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung, von 0,52 auf 0,62 verbesserte, konnte der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen photovoltaischen Zelle von 2,6 % der Ver- gleichszelle auf 3,2 % gesteigert werden, was einer Verbesserung der Energieumwandlung von 20 bis 25 % entspricht. 



   Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, das die elektrisch isolierende Übergangsschicht 6 zwischen der elektronensammelnden Elektrode 5 und der photoaktiven Schicht 4 zeigt. So könnte die elektrisch isolierende Übergangsschicht 6 auch zwischen der lochsammelnden Elektrode 2 und der daran anschliessenden organischen Schicht, im Ausführungsbeispiel die Glättungsschicht 3, vorgesehen werden. Ausserdem könnte die elektrisch isolierende Übergangsschicht 6 nur im Bereich der lochsammelnden Elektrode 2 vorge- sehen sein. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Photovoltaische Zelle mit einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen organischen 
Komponenten, nämlich einer konjugierten Polymerkomponente als Elektronendonator und einer Fullerenkomponente als Elektronenakzeptor, mit zwei beidseits der photoaktiven 
Schicht vorgesehenen metallischen Elektroden und mit einer Zwischenschicht zwischen der photoaktiven Schicht und wenigstens einer Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine elektrisch isolierende Übergangsschicht (6) mit einer keine durchgehend geschlossene Abdeckung der photoaktiven Schicht (4) ergebenden Dicke von höchstens 5 nm bildet.

Claims

2. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangs- schicht (6) eine Dicke von höchstens 2 nm aufweist.

3. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Über- gangsschicht (6) aus einem Alkalihalogenid besteht.

4. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangs- schicht (6) aus Lithiumfluorid besteht.