CN109791988A - 分层装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种分层装置包括：基板(100)，在基板(100)上并与基板(100)接触的第一导电层(102)，与第一导电层(102)接触的第二图案化导电层(104)，第三导电层(112)，与第一导电层(102)、第二图案化导电层(104)和第三导电层(112)电绝缘的第四导电层(114)，以及在第一导电层(102)和第四导电层(114)之间的操作性有源层(108)。第二图案化导电层(104)比操作性有源层(108)厚，并且第二图案化导电层(104)的顶部部分(104A)延伸跨越操作性有源层(108)以便具有与第三导电层(112)的电接触。

Description

分层装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种分层装置及其制造方法。

背景

通过使用各种逐卷式(R2R)兼容的印刷和涂覆技术制造薄膜光伏(PV)、有机PV(OPV)和有机发光二极管(OLED)。这些结构通常以条纹形式印刷。然而，使用透明或半透明的材料限制了在配准(register)中对准印刷层的能力。此外，一些中间层材料的流变性质与通过机械印刷方法(即凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、胶印、移印、喷墨印刷、气雾喷印或类似物)确定的规格完全不同，并且获得足够的尺寸精度是具有挑战性的。已经努力产生可由配准相机检测到的用于带有OPV的定制形状(任意)结构的配准标记。然而，这并不是一个令人满意的方法。

因此，需要改进该结构和该结构的制造方法。

简要说明

本发明寻求装置中的改进。根据本发明的一个方面，提供了一种如权利要求1所述的分层装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造权利要求10的分层装置的方法。

本发明提供了多个优点。使用(诸)完全覆盖的薄膜层和较厚的印刷母线(busbar)电极进行操作性接触的图案化结构的制造有助于解决与现有技术相关的对准问题，而不会降低设备的电气性能和视觉外观。可使用对配准相机不可见的材料。

附图列表

现将参照附图仅以示例的方式描述本发明的示例性实施例，附图中：

图1A例示了从侧面观察的分层装置的示例；

图1B例示了从上方观察的分层装置的示例；

图2A例示了在一个与公共电路耦合的基板上的多个分层装置的示例；

图2B例示了在一个与不同电路耦合的基板上的多个分层装置的示例；以及

图3例示了制造方法的流程图的示例。

具体实施方式

以下实施例仅仅是示例。虽然说明书可能在多个地方提及“一个/一”实施例，这并不一定意味着每个这样的引用是针对相同的实施例，或者该特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可被组合以提供其他实施例。此外，词“包含”和“包括”应当被理解为并非将所描述的实施例限定于由已经提及的这些特征组成，并且这些实施例可以包含未明确提及的特征/结构。

应注意，虽然附图显示了不同实施例，但是其是简化的图，显示了一些结构和/或功能实体。附图中显示的连接可能是指逻辑连接或物理连接。所述装置可以包含处理附图和文中所述之外的其他功能和结构对本领域技术人员而言是显而易见的。应理解一些功能或结构的细节与实际发明无关。因此，在本文中不需要详细讨论。

涂覆方法的使用限制了直接图案化任意、定制形状的二维(2D)特征的能力，这被认为是成功商业化的关键因素，尤其是对于最近被许多商业参与者认可的OPV。实际上，定制是使用涂覆上印刷(printing over coating)的关键优势，因此对任何2D形状的非受限设计是可能的，从而提供了真正的设计自由。然而，透明/半透明的材料难以与印刷层对准。一些材料的流变性质与通过机械印刷方法(诸如凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、胶印、移印、喷墨印刷、气雾喷印或类似物)确定的规格不同，从而导致尺寸精度的变化。在本申请中，图案化层可以例如指在表面上直接形成图案化层的材料的图案化转移、或首先以非图案化形式转移到表面上并通过蚀刻或类似方式单独图案化的材料。非图案化层进而覆盖其上形成有该非图案化层的整个层。

新的分层结构150(其示例在图1A中例示)包括在第一导电层102和第四导电层114之间的有源层结构110A。有源层结构110A至少包括有源层108。有源层结构110A的至少一个中间层110和非图案化的非导电层106是可选的。位于第一导电层102和第四导电层114之间的操作性有源层结构110A包括至少一个非图案化层，有源层结构110A中的至少一个非图案化层是非图案化的非导电层106、有源层108或中间层110。有源层结构110A的厚度通常可小于1μm。

第一导电层102位于基板100上以便为装置150提供支撑和强度。第二图案化导电层104(其可以比任何单独的其他层都厚并且其与第一导电层102电接触)延伸跨越有源层结构110A并且具有与第三导电层112的电接触。它延伸跨越有源层结构110A是由于其相对于其他层的厚度。

第二图案化导电层104可以比操作性有源层结构110A的一个或多个非图案化层厚。即，一个或多个非图案化层位于第二图案化导电层104层之上或上方，但由于第二图案化导电层104较厚，其延伸跨越并还穿过有源层结构110A的一个或多个非图案化层。操作性有源层结构110A的一个或多个图案化层进而被认为是如下图案化的：它们不位于第二图案化导电层104之上或上方，而第二图案化导电层104在操作性有源层结构110A的图案化层的各部分旁边或之间。

第三导电层112进而可以与第四导电层114电绝缘。在一个实施例中，第三导电层112和第四导电层114可彼此电接触。电接触可被认为至少与电流接触大致相同，即接触是导电的。

更详细地，分层装置150包括基板100，并且第一导电层102位于基板100上并与基板100接触。在一个实施例中，第一导电层102可以是非图案化的，其需要位于第一导电层102与有源层结构110A或有源层108之间的绝缘层(未在图中示出)。在一个实施例中，第一导电层102可被图案化。第二图案化导电层104与第一导电层102相接触。第二图案化导电层104也可被称为母线。第三导电层112和第四导电层114位于分层装置150相对于基板100的相对侧。第四导电层114与第一导电层102、第二图案化导电层104和第三导电层112电绝缘。操作性有源层结构110A位于第一导电层102和第四导电层114之间。

第二图案化导电层104比操作性有源层结构110A厚。因此，第二图案化导电层104的顶部部分104A延伸跨越操作性有源层结构110A以便具有与第三导电层112的电接触。因此，第二图案化导电层104的顶部部分104A可穿过或刺穿非导电层106和操作性有源层结构110A。

基板100可以是柔性的。基板100在可见光下可以是透明的。可见光是电磁辐射，其波长范围为约390nm至700nm。基板100可以薄于约1mm。基板100的材料可以是像塑料或玻璃之类的聚合物。例如，基板100的材料可包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或柔性玻璃。

第一导电层102可至少部分地覆盖基板100。第一导电层102的材料可包括氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、和/或掺杂氧化锌、石墨烯、碳纳米管、纳米大小的导电墨水(例如银、铜)、纳米银线、PEDOT：PSS(聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。至少一个电极或两个电极都是导电的并且在可见光下是透明的。

非导电层106通常是薄的(薄于30nm)并且由透明的材料(例如，ZnO、掺杂ZnO、TiOx或聚合物)制成。这就是它对用于将层彼此对准的配准相机不可见的原因。如果第一导电层102是透明的，则可将至少部分透明的栅格结构用于第二导电层104，该第二导电层104可以与PEDOT：PSS一起使用。具有第一导电层102的基板100可以是柔性的，并且适合于逐卷式印刷工艺。

第一导电层102和第二图案化导电层104之间的接触是电接触。第二图案化导电层104位于第一导电层102之上。第二图案化导电层104可穿透第一导电层102并且与基板100相接触。如果第一导电层102被图案化，则第二图案化导电层104可与第一导电层102不同地图案化。如果非导电层106和/或第一导电层102与有源层结构110A之间的一些其他层是绝缘层，则第一导电层102可以是非图案化的。尽管第一导电层102可以是非图案化的，但是第二图案化导电层104被图案化。例如，第二图案化导电层104可以由银膏制成。通常，在湿法工艺(wet-process)中，第二图案化导电层104的材料(其是液体状的)被转移到具有或不具有第一导电层102的基板100上。在此应用中，将第二图案化导电层104的液体状的材料转移到基板100或第一导电层102上被认为是印刷。例如，可因此使用凹版印刷、柔性版印刷和/或丝网印刷来印刷第二图案化导电层104。印刷能够形成厚层，该厚层可延伸穿过(诸)其他层。印刷还产生直接图案化的导电层104，其不需要进一步的图案化。以此方式，自动相机配准可基于第二图案化导电层104被用于与第一导电层102的层对准，该第二图案化导电层104不是透明的并且该第二图案化导电层104对配准相机是可见的。第二导电层104可具有栅格结构以便于透明。以类似的方式，第四导电层114A可具有用于允许光通过的栅格结构，并且第四导电层114B可由例如图案化的PEDOT:PSS制成。非导电层106进而是可见性透明的或高度透明的。第一导电层102可与第二图案化导电层104一起被引导到期望位置，这就是为什么它们两者可能都需要能被配准相机检测到的原因。

如在图1A中可以看到的，例如，第三导电层112在第二图案化导电层104上方，该第二图案化导电层104可以是不透明的。因此，第三导电层112阻碍从装置的上方对第二图案化导电层104进行视觉观察。这就是为什么装置150对于观察它的人看起来很整洁的原因。

在一个实施例中，第二图案化导电层104的最大厚度可以在例如约0.1μm至20μm的范围之间。在一个实施例中，非图案化的非导电层106的厚度可以在1nm至100nm的范围之间。中间层110的厚度也可以在1nm至100nm的范围内。非图案化的非导电层106的材料可包括氧化锌(ZnO)、掺杂ZnO、TiOx、SnO、和聚合物，诸如低导电性PEDOT：PSS(非导电PEDOT：PSS)、PEIE(乙氧基化聚乙烯亚胺)或PEI(聚乙烯亚胺)或氨基酸或其衍生物。在此情况下，氧化锌是非掺杂的或非常轻掺杂的，以保持其电绝缘。非图案化的非导电层106可在第二导电层102上具有完全覆盖，这意味着非图案化的非导电层106未被图案化并且非图案化的非导电层106完全覆盖第一图案化导电层102。因为非图案化的非导电层106未被图案化并且具有完全覆盖，所以它的应用不需要相机配准。可通过使用印刷或涂覆方法制造非图案化的非导电层106。例如，非图案化的非导电层106可由凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、雕版印刷、槽模涂覆或类似物制成。

在本申请中，非导电层106指的是减少或阻碍电流转移的层。非导电层106减少或阻碍DC电流的流动。非导电层106减小或阻碍电流在横向方向上(即在垂直于非导电层106的法线的方向上)的转移。非导电层106减少或阻碍诸如电子和/或空穴之类的电荷载流子的移动。这样的非导电意味着电流的转移被减少或阻挡。非导电层106可在装置150中和各层之间释放静电。在一个实施例中，非导电层106可完全连续地覆盖有源层结构110A。附加地或替换地，有源层108可在装置150中和各层之间释放静电。

在一个实施例中，有源层结构110A可包括至少一个中间层110，该至少一个中间层110可以是图案化的或非图案化的。中间层110可在装置150中和各层之间释放静电。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于该至少一个中间层110中的一个的最大厚度。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于有源层108、至少一个中间层110、非图案化的非导电层106单独的或其任何组合的厚度。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于有源层108的最大厚度。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于非图案化的非导电层106的厚度。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于一个中间层110的厚度。第二图案化导电层104的顶部部分104A处的高度变化可以大于至少一个中间层110、非图案化的非导电层106和有源层108的厚度一起的厚度。

可释放静电的层可在装置或基板100上方以一维或一维形状(如直或弯的窄条纹)延伸。在制造期间，例如，在逐卷式工艺中，可释放静电的层可在机器方向上在基板100上方以一维延伸。当可释放静电的层为非图案化时，释放静电也是可能的。可释放静电的层可被电连接到导电结构，该导电结构在基板100的边缘处与装置或基板100分离。与装置或基板100分离的导电结构可以是环境的一部分。

由于印刷，第二图案化导电层104的表面粗糙度可导致高度变化大于至少一个中间层110中的一个的最大厚度。两个中间层110可被布置成使得一个中间层110位于有源层108的一侧上而另一中间层110位于有源层108的另一侧上。即，有源层108可被夹在两个中间层110之间以便具有有源层结构110A。中间层110可以是印刷的。在有源层结构110A的相对侧上的两个中间层110可以具有相同材料或不同材料。

中间层110可包括由金属氧化物(诸如MoO₃(氧化钼)、V₂O₅(氧化钒)、WO₃(氧化钨)、ZnO(氧化锌)、TiOx(氧化钛)、SnO(氧化锡)或富勒烯)或聚合物(诸如低导电等级的PEDOT：PSS、聚乙烯亚胺(PEI)、乙氧基化聚乙烯亚胺(PEIE)、聚[(9,9-双(3’-(N，N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-alt-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)或氨基酸及其衍生物)制成的层。材料的使用可取决于对空穴/电子的选择性。例如，可由于三氧化钨(WO₃)、MoO₃、V₂O₅或PEDOT:PSS对空穴的选择性而使用它。另一方面，由于ZnO、TiOx、富勒烯、PEIE、PEI或PFN对电子的选择性而使用它们。非图案化的非导电层106和中间层110还可包括金属氧化物和聚合物/氨基酸或其衍生物的组合。中间层110的材料在有源层108的不同侧上可以是不同的。然而，在所有可能的分层装置150中，至少一个中间层110不是必须的。类似地，在所有可能的分层装置150中，非导电层106不是必须的。

在一个实施例中，中间层110可具有比图案化导电层104低的导电率。在一个实施例中，中间层110可连续且完全地覆盖有源层108。即，中间层110可以是非图案化的。

在一个实施例中，可印刷第二图案化导电层104以在顶部部分104A处具有期望的高度变化。在一个实施例中，可蚀刻第二图案化导电层104以在顶部部分104A处具有期望的高度变化。在一个实施例中，第二导电层102可通过蚀刻制成。

在一个实施例中，该装置包括在第一导电层102和有源层108之间的非图案化的非导电层106。然后，有源层结构110A包括非图案化的非导电层106。非导电层106可以是绝缘体或ZnO、TiOx、SnOx(氧化锡)或类似的薄层。第二图案化导电层104的顶部部分104A可穿透非图案化的非导电层106。换言之，第二图案化导电层104的顶部部分104A穿过或刺穿有源层108和非图案化的非导电层106。

在一个实施例中，有源层108可包括由例如聚(3-己基噻吩)：[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(P3HT：PCBM)制成的层。有源层108可以是印刷的。有源层108的厚度也可以在50nm至500nm的范围内。印刷方法可以是凹版印刷。该装置可以例如是有机太阳能电池，但不限于此。

在一个实施例中，有源层108和/或有源层结构110A可具有比第二图案化导电层104低的导电率。在一个实施例中，有源层108可在较低的中间层110上、非导电层106上或第一导电层102上具有完全覆盖。即，有源层108可连续地覆盖整个第一导电层102的区域，并因此有源层108可以是非图案化的。在另一实施例中，有源层108可以是图案化的。当形成有源层108或有源层结构110A时，相机配准可以被或可以不被用于层对准。中间层110进而在有源层108上可以具有或可以不具有完全覆盖。有源层108和中间层110具有低导电率，该低导电率介于电导体的导电率和电绝缘体的导电率之间。

在一个实施例中，第四导电层114可包括两个导电子层114A、114B。导电子层114A可以具有与第一导电层102或第二导电层104类似的材料。第四导电层114和第一导电层102中的至少一个是透明的。如果第一导电层102不是透明的，则第四导电层114需要是透明的材料或栅格。例如，第四导电层114的材料可以是氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、和/或掺杂氧化锌、石墨烯、碳纳米管、银纳米管、纳米大小的导电墨水(例如银、铜)、纳米银线、PEDOT：PSS(聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。在一个实施例中，第四导电层114可以由银膏制成。在一个实施例中，第四导电层114可通过旋转丝网印刷方法或柔性版印刷制成，其保持良好的尺寸精度。当形成第四导电层114时，自动相机配准可被用于层对准。

在一个实施例中，第四导电层114A可以由例如银膏或纳米银线制成。在一个实施例中，第四导电层114A可通过旋转丝网印刷方法或柔性版印刷制成，其保持良好的尺寸精度。当形成第四导电层114A时，自动相机配准可被用于层对准。

图1B例示了从上方观察的第二图案化导电层104的示例。为简单起见，图1B中仅示出了基板100和第二图案化导电层104。可以看出，第二图案化导电层104的形状可以具有自由形式或自由形状。第二图案化导电层104可以具有条纹或带的形状，其厚度大于分层结构的各层中的至少一个层。第二图案化导电层104可具有至少一个弧形边缘和/或至少一个具有锐角的尖锐边缘。第二图案化导电层104的宽度可以是恒定的，或者其可以在纵向方向上变化。第二图案化导电层104可以具有分支或者其可以是无分支的。以此方式，第二图案化导电层104形成三维结构。附加地，在一个基板100上可以存在多个第二图案化导电层104(图1B仅示出一个第二图案化导电层104)。

图2A和2B例示了在一个基板100上存在多于一个的装置150、150'的示例。分层结构本身与图1A和1B中的相同或相似。不同的装置150、150’可以具有极P(1)+、P(1)-和P(2)+，它们形成不同的接触电极对P(1)+、P(1)-和P(2)+。极P(1)+、P(1)-和P(2)+可以是电信号的输入或输出。例如，接触电极P(1)-可以是共用的，并且它可被耦合到接地。在图2A中，极P(1)+、P(1)-和P(2)+被耦合到一个电路CIRCUIT 1(电路1)。在这种情况下，装置150、150'两者以类似的方式操作。即，装置150、150'两者都向CIRCUIT 1输入信号或者两者都从CIRCUIT 1接收信号。注意，第一导电层102在极P(1)和P(2)之间是不连续的。不连续性导致电绝缘。

在图2B中，极P(1)+和P(2)+可被耦合到不同的电路，CIRCUIT 1、CIRCUIT 2(电路2)。在这种情况下，装置150、150'两者可以以不同的方式操作。即，装置150可以向CIRCUIT1输入信号，且装置150'可然后是非有源的。装置150'可以向CIRCUIT 2输入信号，且装置150可然后是非有源的。装置150可以向CIRCUIT 1输入信号，且装置150'可以向CIRCUIT 2输入信号。替换地，装置150可以从CIRCUIT 1接收信号，且装置150'可然后是非有源的。装置150'可以从CIRCUIT 2接收信号，且装置150可然后是非有源的。装置150可以从CIRCUIT1接收信号，且装置150'可以从CIRCUIT 2接收信号。因为分层结构不限制多个结构之间的耦合，所以图1所例示的结构通常可以串联、并联或背板耦合。

用于电子器件/有机电子器件(例如，OPV、薄膜-PV和OLED)的图案化结构的制造,利用薄膜层(S)与印刷母线电极的完全覆盖，能够实现真正的设计自由。以下是可利用分层结构的组件的各示例：

-有机/聚合物发光二极管OLED

-有机太阳能电池(有机光伏)OSC/OPV

-钙钛矿(perovskite)太阳能电池

-太阳能聚光器或类似物

-染料敏化的(dye-sensitized)太阳能电池(DSSC、DSC tai DYSC)

-有限方式的薄膜-PV，其还包括除OPV、钙钛矿电池和DSSC之外的其他结构

-光电检测器(＝光电二极管)

-发光电池，例如有机/聚合物LEC/LEEC。

对具有对任何2D形状的非受限设计的定制形状的2D特征的制造使用对配准相机不可见的和/或难以以具有高尺寸精度的图案进行印刷的材料。应用领域可以是例如定制形状的OPV、定制形状的薄膜PV、定制形状的钙钛矿、定制形状的OLED或类似物。

图3是测量方法的流程图。在步骤300中，第一图案化导电层102以与基板100的分层结构150接触的方式被形成。在步骤302中，第二图案化导电层104被形成在第一图案化导电层102上并与第一图案化导电层102接触。在步骤304中，有源层结构110A被形成在第一导电层102和第二图案化导电层104上并与第一导电层102接触，第二图案化导电层104比操作性有源层结构110A厚，以便延伸跨越操作性有源层结构110A。

该方法允许使用i)对配准相机不可见的、ii)难以以高尺寸精度的图案进行印刷的、以及iii)通过至少一个导电层释放静电，的材料。这意味着具有对任何2D形状的非受限设计的定制形状的2D特征是可能的，这可提供真正的设计自由。附加地，这种处理方法的使用可从能够保护这些处理阶段的定制特征追溯。即，产品可以在视觉上与现有技术产品区别开。

对本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术进步，本发明概念可按各种方式实现。本发明及其实施例不限于上面描述的示例实施例，而是可在权利要求的范围内改变。

Claims (10)

1.一种分层装置(150)，所述分层装置(150)包括：

基板(100)，

在所述基板(100)上并与所述基板(100)接触的第一导电层(102)，

与所述第一导电层(102)接触的第二图案化导电层(104)，

第三导电层(112)，

与所述第一导电层(102)、所述第二图案化导电层(104)和所述第三导电层(112)电绝缘的第四导电层(114)，其特征在于，

在所述第一导电层(102)和所述第四导电层(114)之间的操作性有源层结构(110A)包括至少一个非图案化层(106、108、110)；以及所述第二图案化导电层(104)被配置成延伸跨越所述操作性有源层结构(110A)穿过操作性有源层结构(110A)的所述至少一个非图案化(106、108、110)层，以便具有与所述第三导电层(112)的电接触。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源层结构(110A)包括非图案化的非导电层(106)和/或至少一个中间层(110)，以及所述第二图案化导电层(104)的顶部部分(104A)处的高度变化被配置成大于所述至少一个中间层(110)、有源层(108)和/或所述至少一个非图案化的非导电层(106)中的至少一者的最大厚度。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二图案化导电层(104)的最大厚度被配置成在0.1μm至20μm的范围之间，所述非图案化的非导电层(106)的最大厚度被配置成在1nm至200nm的范围之间。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述操作性有源层结构(110A)的所述中间层(110)被配置为具有比所述图案化导电层(104)低的导电率。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二图案化导电层(104)被印刷或蚀刻以在顶部部分(104A)处具有期望的高度变化。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二图案化导电层(104)被配置成穿透每个非图案化层(106、108、110、110A)。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源层(110A)被配置成具有比所述第二图案化导电层(104)低的导电率。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第四导电层(114)被配置成包括至少一个导电子层(114A、114B)。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二图案化导电层(104)比所述操作性有源层结构(110A)厚，并且所述第二图案化导电层(104)的顶部部分(104A)被配置成延伸跨越所述操作性有源层结构(110A)。

10.一种用于制造分层装置的方法，所述方法包括：

形成(300)与基板(100)的分层结构(150)接触的第一导电层(102)，其特征在于：

通过将第二图案化导电层(104)印刷在所述第一图案化导电层(102)上并与所述第一图案化导电层(102)接触来形成所述第二图案化导电层(104)；

将有源层结构(110A)形成(304)在所述第一导电层(102)上，并与所述第一导电层(102)接触，所述第二图案化导电层(104)延伸跨越所述操作性有源层结构(110A)穿过操作性有源层结构(110A)的所述至少一个非图案化(106、108、110)层，以便具有与所述第三导电层(112)的电接触。