DE102004024461A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit zumindest einer aktiven organischen Schicht - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung offenbart erstmals, wie in einem komplett auf Rolle-zu-Rolle ausgelegten Verfahren ein organisches Bauelement herstellbar ist. Der Vorteil des hier beschriebenen, kontinuierlichen Herstellungsverfahrens ist weiterhin, dass die aktiven Bereiche der aktiven Halbleiterschicht zu keiner Zeit während des Herstellungsprozesses ungeschützten Lösungsmitteln und/oder Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt sind. Dadurch wird die Fertigung eines qualitativ hochwertigen organischen Bauelements ermöglicht.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit zumindest einer aktiven organischen Schicht, wobei eine Folie als Substrat eingesetzt wird.
- Bekannt sind Herstellungsverfahren für elektronische Bauelemente mit zumindest einer aktiven organischen Schicht, bei denen eine Schicht nach der anderen in aufeinander folgenden einzelnen Verfahrensschritten wie Aufsputtern, spin coating oder Bedrucken aufgebracht und durch Strukturierungsmaßnahmen wie Laserstrukturierung oder nasslithographische Strukturierung strukturiert werden.
- Problematisch ist dabei, dass die Schichten in einzelnen Arbeitsschritten aufgebracht und strukturiert werden, wobei die schon fertigen Schichten zwischen den Arbeitsschritten immer vor Lösungsmitteln und/oder mechanischen Schäden bewahrt werden müssen. Die bisher bekannten Herstellungsverfahren sind daher nicht massenfertigungstauglich und oft entstehen Bauelemente nur minderer Qualität, weil die einzelnen Schichten der Bauelement Schäden haben.
- Organische elektronische Bauelemente haben bevorzugt eine klassische Z-Verschaltung, bei der in einer Serienschaltung die obere Elektrode des ersten Bauelements mit der unteren Elektrode des folgenden Bauelements verbunden ist.
- Bislang ist es nicht möglich, die klassische Z-Verschaltung bei organischen elektronischen Bauelementen massenfertigungstauglich herzustellen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine massenfertigungstaugliche Produktion organischer photovoltaischer und/oder elektrochromer Bauelemente von hoher Qualität und/oder mit dem Layout der klassischen Z-Verschaltung ermöglicht.
- Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines organischen elektronischen photovoltaischen und/oder elektrochromen Bauelements zumindest eine erste und eine zweite Rolle und zwischen den zwei Rollen zumindest eine Reihe von 3 Modulen umfassend, wobei die erste Rolle ein Band unbeschichteten Substrats enthält, mit dem ersten Modul in der Reihe, das zwischen der ersten Rolle und dem zweiten Modul der Reihe angeordnet ist, die untere, gegebenenfalls semitransparente, Elektrode, mit dem zweiten Modul in der Reihe zumindest eine organische aktive Schicht und mit dem dritten Modul die Gegenelektrode aufbringbar und strukturierbar ist, wobei auf der, auf das dritte Modul folgenden, zweiten Rolle schließlich das durch diese Module beschichtete flexible organische Bauelement auf rollbar ist.
- Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Rolle zu Rolle Herstellung eines organischen, zumindest eine aktive organische Schicht umfassenden Bauelements, zumindest folgende Schritte umfassend:
- a) einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der semitransparenten unteren Elektrode,
- b) einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der organischen Halbleiterschicht
- c) einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der oberen Gegenelektrode.
- Nach einer Ausführungsform ist zumindest ein weiterer Arbeitsschritt/ein weiteres Modul vorgesehen mit dem zumindest eine „Opferschicht" auf eine der unteren Schichten aufbringbar ist.
- Unter „Opferschicht" wird eine zusätzliche Schicht auf dem Bauelement verstanden, die, nach weiterer Beschichtung mitsamt den auf ihr befindlichen Schichten wieder so entfernt werden kann, dass die anderen Schichten durch die Entfernung der Opferschicht keinen Schaden erleiden. Materialien, die für eine Opferschicht geeignet sind, sind beispielsweise Öle, Wachse oder ähnliches, die beispielsweise thermisch entfernt werden können. Als Opferschicht kann aber auch eine Schicht aus Photolack oder ein Polymerfilm bezeichnet werden, die unter Umständen auf dem organischen Bauelement verbleibt oder in einem sehr späten Arbeitsschritt wieder entfernt wird.
- Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die semitransparente untere Elektrode beispielsweise durch eine oder mehrere der folgenden Methoden aufgebracht und/oder strukturiert:
- i) Sputtern mit Schattenmaske
- ii) Nasslithographische Strukturierung und/oder
- iii) Laserstrukturierung einer großflächig applizierten Elektrode
- iv) Drucken des Elektrodenmaterials
- v) Bedrucken des Substrats mit einer Hilfsschicht vor dem Besputtern. Die Hilfsschicht kann später wieder entfernt werden oder auf dem Element verbleiben.
- Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die organische halbleitende Schicht durch eine oder mehrere der folgenden Methoden aufgebracht und/oder strukturiert:
- i) strukturierte Aufbringung (z.B. Drucken) des Halbleitermaterials,
- ii) Vordrucken einer Opferschicht (z.B. Öl), großflächiges Beschichten des Halbleiters und anschließendes entfernen der Opferschicht, wobei die halbleitende Schicht dort abgelöst wird, wo der Precursor gedruckt wurde,
- iii) Großflächiges Beschichten mit anschließender Strukturierung, beispielsweise durch Laserstrukturierung.
- Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Gegenelektrode durch eine oder mehrere der folgenden Methode aufgebracht und strukturiert:
- i) Herstellung einer geeigneten Opferschichtstruktur über Nasslithographie (kann auch vor dem Beschichten mit, beispielsweise organischem, Halbleitermaterial geschehen), großflächiges Bedampfen mit Metall oder einem anderen leitfähigen Material, Entfernen der Opferschicht durch z.B. Belichten mit UV-Licht, Hitzeschritt und/oder Lösungsmittel
- ii) Herstellung einer geeigneten nicht leitfähigen Struktur über Nasslithographie (kann auch vor dem Beschichten mit, beispielsweise organischem, Halbleitermaterial geschehen) oder Druckprozesse, die bei einem anschließenden großflächigen Bedampfen mit Metall oder einem anderen leitfähigen Material zu einem Abriss der bedampften Schicht führt
- iii) Drucken einer Opferschichtstruktur (kann auch vor dem Beschichten mit dem, beispielsweise organischem, Halbleitermaterial geschehen), großflächiges Bedampfen mit Metall oder einem anderen leitfähigen Material, Entfernen der Opferschicht durch z.B. Belichten mit UV-Licht, Hitzeschritt und/oder Lösungsmittel
- iv) Drucken einer nicht leitfähigen Struktur (kann auch vor dem Beschichten mit dem, beispielsweise organischem, Halbleitermaterial geschehen), großflächiges Bedampfen im flachen Winkel mit Metall oder einem anderen leitfähigen Material. Das Bedampfen im flachen Winkel führt zu einem Riss in der Metallschicht, der die Leitung der Schicht unterbindet.
- v) Sputtern oder Bedampfen mit Metall oder einem anderen leitfähigen Material durch eine Schattenmaske
- vi) Großflächiges Bedampfen mit anschließender Laserstrukturierung des Metalls oder des leitfähigen Materials.
- Nach einer Ausführungsform, insbesondere bei empfindlichem Material, wird das organische Bauelement noch versiegelt und/oder verkapselt.
- Der Vorteil des hier beschriebenen, kontinuierlichen Herstellungsverfahrens ist, dass alle Prozessschritte für einen Rolle zu Rolle Prozess geeignet sind. Außerdem sind die aktiven Bereiche der aktiven Halbleiterschicht zu keiner Zeit während des Herstellungsprozesses ungeschützten Lösungsmitteln und/oder Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt. Nur dadurch wird die Fertigung eines qualitativ hochwertigen organischen Bauelements ermöglicht.
- Ein organisches elektronisches Bauelement ist beispielsweise ein Photodetektor, eine Solarzelle, ein elektrochromes Bauelement, ein OLED Display, ein elektronischer Schaltkreis, ein Sensor, wie beispielsweise ein Lab on a Chip.
- Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand ausgewählter Beispiele, die in den
1 bis13 schematisch gezeigt sind, näher erläutert: -
1 zeigt eine Graphik, die den Strompfad6 durch eine Reihe organischer Elemente in Z-Verschaltung auf einem Substrat32 zeigt. Beim Querschnitt ist der Strompfad6 gestrichelt eingezeichnet. Er führt durch die untere Elektrode31 des Bauelements30.1 den Halbleiter35 des gleichen Bauelements30 und die obere Elektrode36 zur unteren Elektrode31 des nächsten Bauelements30.2 dort durch den Halbleiter35 und die obere Elektrode36 zur unteren Elektrode31 des dritten Bauelements30.3 und so weiter. Die Graphik gibt an, in welchen Maßen beispielsweise so ein Bauelement geschaffen sein kann. -
2 zeigt eine Ausführungsform des kontinuierlichen Verfahrens als Rolle-zu-Rolle-Prozess (schematisiert):
Links oben erkennt man die Rolle11 auf der das Substrat32 , das mit der unteren semitransparenten Elektrode31 beschichtet ist, aufgerollt ist. Durch einen quer liegenden Balken wird die Grenze zwischen zwei Prozessschritten symbolisiert. Vor dem ersten Querbalken14 findet Prozessschritt2.1 statt, durch den die untere Elektrode großflächig aufgebracht wird. Im Prozessschritt2.2 findet die Strukturierung der unteren, semitransparenten Elektrode31 statt. Die untere, semitransparente Elektrode ist bevorzugt eine ITO (Indium Tin Oxide) Elektrode. Der Prozessschritt2.3 dient dazu, den Halbleiter35 großflächig aufzutragen. Im Prozessschritt2.4 wird der Halbleiter35 , der beispielsweise aus einem organischen Material geschaffen ist, strukturiert. Nach dem Prozessschritt2.4 folgt2.5 in dem großflächig mit Metall bedampft wird. In der Figur ist relativ realistisch gezeigt, wie durch die dünnen Filme35 /36 immer noch die Strukturen der unteren Schichten durchscheinen. Über die Rolle15 wird das organische Bauelement versiegelt und das versiegelte Bauelement wird immer noch in Bandform auf Rolle16 aufgerollt. - Ein Beispiel dafür, wie ein organisches Bauelement nach dem jeweiligen Prozessschritt aussieht, wird in den
3 bis9 gezeigt, die jeweils das gleiche organische Bauelement30 in verschiedenen Prozessierungsstufen zeigen. Der Prozess läuft unter Benutzung zweier Opferschichten, der Schichten33 und34 ab. -
3 zeigt eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein organisches Bauelement30 . Zu erkennen ist das Substrat32 das beispielsweise eine Folie sein kann, die möglicherweise noch mit einer Barriereschicht (z.B.: anorganische Keramiken wie Al2O3, SiO2, SiN3... oder anorganische / organische Hybridschichten wie Al2O3 / Parylene / Al2O3...) versehen sein kann, und die untere semitransparente Elektrode31 . Die Barriereschicht befindet sich zwischen dem Substrat und der Elektrode. Die Barriereschicht ist unstrukturiert. -
4 zeigt das organische elektronische Bauelement aus3 nach einem weiteren Prozessschritt, nach der Herstellung und Strukturierung der ersten Opferschicht33 , die beispielsweise ein Öl oder ein Photolack sein kann, das in einem späteren Prozessschritt entfernt werden kann. Die Herstellung und Strukturierung der Opferschicht kann beispielsweise über Nasslithographie oder durch Drucken erfolgen. -
5 zeigt einen weiteren Prozessschritt, die fertige Herstellung und Strukturierung der zweiten Opferschicht34 . Die zweite Opferschicht34 wird so gewählt, dass sie durch einen Prozess wieder entfernt werden kann, der die Opferschicht33 und die anderen Schichten des Bauelements35 nicht beschädigt.6 schließlich zeigt einen weiteren Prozessschritt, in dem großflächig das organische Bauelement30 mit zumindest einer aktiven Schicht35 , beispielsweise der halbleitenden Schicht aus Polythiophen/Fulleren, beschichtet wurde. -
7 zeigt das organische Bauelement30 nach Ablösen der zweiten Opferschicht34 . Die Opferschicht34 kann beispielsweise durch Verdampfen abgelöst worden sein. Die Opferschicht33 ist noch auf dem Substrat32 und der unteren Elektrode31 , die aktive Schicht 35 wiederum bedeckt sowohl Teile des Substrates32 als auch vollständig die untere Elektrode31 und die erste Opferschicht33 . - Das Bauelement
30 wird, wie in8 gezeigt, darauf folgend großflächig mit zumindest einer leitfähigen, beispielsweise metallischen Schicht36 überzogen. Die metallische Schicht36 kann beispielsweise aus Aluminium oder Calcium/Aluminium in zwei Schichten bestehen. - In
9 schließlich wird gezeigt, wie das Bauelement30 , nachdem die Opferschicht33 abgelöst wurde, aussieht. Die Ablösung der ersten Opferschicht kann beispielsweise durch UV-Belichtung oder im Lösungsmittelbad passieren. Das Bauelement30 liegt in einer Z-Verschaltung vor, wobei nur noch Substrat32 , untere Elektrode31 , halbleitende Schicht35 und obere Elektrode36 zu sehen sind. Wenn die Empfindlichkeit der Materialien es erfordern, so kann das Bauelement30 jetzt noch mit einer Schutzschicht überzogen werden. -
10 bis13 zeigen ein weiteres Beispiel für einen Herstellungsprozess, allerdings nur mit einer Opfer- oder Hilfsschicht. -
10 zeigt wiederum das Substrat32 mit der semitransparenten unteren Elektrode31 . In11 ist gezeigt, wie eine strukturierte Hilfsschicht37 , beispielsweise ein Photolack mit scharfen und/oder negativen Kanten über beispielsweise Nasslithographie oder einen Druckschritt aufgebracht wurde. -
12 zeigt, wie in einem weiteren Prozessschritt durch strukturiertes Drucken oder großflächiges Coaten und nachträgliche Strukturierung durch mechanische Verfahren, Laserstrukturierung, Lithographische Verfahren, der zumindest einen aktiven Schicht mit einer Auflösung von beispielsweise 5 mm die Schicht38 aus einem Polythiophen/Fulleren-Gemisch aufgebracht wurde. Die zumindest eine aktive Schicht kann mit einem oder mehreren Modulen der Vorrichtung aufgebracht/abgeschieden werden. Diese Schichten können org. Halbleiter, org. Leiter, Nanoteilchen, anorganische Halbleitersuspensionen, kl. Moleküle etc. sein. - In der
13 schließlich ist gezeigt, wie trotz der großflächigen Aufbringung der zumindest einen leitenden, beispielsweise metallischen Schicht39 Teile der unteren Elektrode31 noch frei liegen, weil an den scharfen oder negati ven Kanten der Hilfsschicht37 der Film reißt und somit Freiräume in den unteren Schichten ermöglicht. Nach der in13 gezeigten Prozessstufe kann das fertige Bauteil30 zur Versiegelung noch mit einer Schutzschicht überzogen werden. - Die Erfindung offenbart erstmals, wie in einem komplett auf Rolle-zu-Rolle ausgelegten Verfahren ein organisches organisches Bauelement herstellbar ist. Der Vorteil des hier beschriebenen, kontinuierlichen Herstellungsverfahrens ist weiterhin, dass die aktiven Bereiche der aktiven Halbleiterschicht zu keiner Zeit während des Herstellungsprozesses ungeschützten Lösungsmitteln und/oder Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt sind. Dadurch wird die Fertigung eines qualitativ hochwertigen organischen Bauelements ermöglicht.
Claims (7)
- Vorrichtung zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements zumindest eine erste und eine zweite Rolle und zwischen den zwei Rollen zumindest eine Reihe von 3 Modulen umfassend, wobei die erste Rolle ein Band unbeschichteten Substrats enthält, mit dem ersten Modul in der Reihe, das zwischen der ersten Rolle und dem zweiten Modul der Reihe angeordnet ist, die untere Elektrode, mit dem zweiten Modul in der Reihe die organische halbleitende Schicht und mit dem dritten Modul die Gegenelektrode aufbringbar und strukturierbar ist, wobei auf der, auf das dritte Modul folgenden, zweiten Rolle schließlich das durch diese Module beschichtete flexible organische Bauelement aufrollbar ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest noch ein weiteres Modul in der Reihe vorgesehen ist, durch das eine Opferschicht auf das organische Bauelement aufbringbar ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der weitere Module in der Reihe zum Entfernen der zumindest einen Opferschicht vorgesehen sind.
- Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine weitere Rolle zur Versiegelung des organischen Bauelements unmittelbar vor der zweiten Rolle vorgesehen ist.
- Verfahren zur kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle Herstellung eines organischen, zumindest eine aktive organische Schicht umfassenden Bauelements, zumindest folgende Schritte umfassend: einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der semitransparenten unteren Elektrode, einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der organischen Halbleiterschicht einen Arbeitsschritt zum Aufbringen und/oder Strukturieren der oberen Gegenelektrode.
- Verfahren nach Anspruch 5, zusätzliche zumindest einen Arbeitsschritt zur Herstellung und/oder Entfernung einer Opferschicht umfassend.
- Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, zumindest einen Arbeitsschritt zur Versiegelung des Bauelements umfassend.
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8131 | Rejection |