DE102004030628A1 - Organisches elektronisches Element mit elektrisch leitfähiger semitransparenter Schicht - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein organisches elektronisches Element, mit einer leitfähigen semitransparenten Schicht, wie sie beispielsweise als Elektrode für photovoltaische Elemente oder Solarzellen eingesetzt werden kann. Dabei wird ein neues Material für die transparente Elektrode vorgestellt, das kostengünstiger ist als das bisher in der Regel verwendete ITO und in ersten Tests bereits ähnliche Leitfähigkeiten erreicht hat.
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektronisches Element mit zumindest einer organischen aktiven Funktionsschicht und einer neuartigen leitfähigen semitransparenten oder transparenten Schicht, wie sie beispielsweise als Elektrode für organische photovoltaische Elemente oder Solarzellen eingesetzt werden kann.
- Es gibt beliebig viele Arten elektronischer Bauteile aus vorwiegend organischem Material, wobei die Gruppe der photovoltaischen Elemente – Solarzellen oder Photodetektoren-; der elektrochromen Farbelemente und der „self-emissive devices" – wie Leuchtdioden – sich dadurch auszeichnet, dass zumindest eine der Elektroden lichtdurchlässig, also zumindest semitransparent sein sollte. Diese Gruppe von organischen elektronischen Bauelementen mit semitransparenter Elektrode oder semitransparenter elektrisch leitfähiger Schicht umfasst in herkömmlicher Weise eine positive Elektrode aus ITO (Indium Tin Oxide), doch es gibt wenig Alternativen zu diesem Material, die in der organischen Elektronik einsetzbar sind, weil das Herstellungsverfahren zu Erzeugung der Elektrodenschicht auf die folgenden organischen Schichten insofern angepasst sein sollte, dass bei der Herstellung einer oberen Schicht keine untere Schicht zu Schaden kommt und die Austrittsarbeit der Elektrode der organischen Halbleiterschicht angepasst ist. Insofern gibt es bislang keine Alternative zu ITO, weil ITO die Erfordernisse bezüglich Transparenz und Austrittsarbeit einerseits und bezüglich Stabilität andererseits während der Herstellung der organischen Schichten erfüllt.
- Insbesondere kritisch ist der Punkt, dass die untere Schicht oder Teile davon beim Aufbringen der oberen Schicht nicht angelöst wird.
- Es besteht daher der Bedarf, weitere Materialien zur Verfügung zu stellen, die zum Aufbau eines organischen elektronischen Bauelements mit einer semitransparenten elektrisch leitfähigen Schicht geeignet sind.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Material zur Verfügung zu stellen, das im Hinblick auf zumindest eine der Eigenschaften Stabilität, Austrittsarbeit, Leitfähigkeit, Transparenz und Oberflächenrauhigkeit in einem Bereich liegt, der es zum Einsatz in der organischen Photovoltaik, für organische Photodetektoren, bei den organischen self-emissive diodes oder Leuchtdioden und/oder bei organischen elektrochromen Farbelementen befähigt. Dabei ist es wichtig, dass die Leitfähigkeit und die Austrittsarbeit des Elektrodenmaterials an die Eintrittsarbeit der organischen Funktionsschicht angepasst ist, wobei dabei die energetische Lage der HOMO/LUMO-Orbitale der Verbindungen kritisch ist.
- Gegenstand der Erfindung ist ein organisches elektronisches Bauteil mit zwei Elektroden und zumindest einer organischen aktiven Funktionsschicht, die photosensitiv, das heißt entweder photovoltaisch aktiv, elektrochrom und/oder emittierend ist, wobei zumindest eine der Elektroden und/oder die elektrisch leitfähige Schicht Zinkoxid umfasst. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung von Zinkoxid und/oder von Zinkoxid umfassenden Mischoxiden für transparente Elektroden organischer elektronischer Bauteile.
- Überraschend wurde gefunden, dass die anorganische Elektrodenschicht aus dotiertem Zinkoxid, wie sie schon seit längerem in der anorganischen, herkömmlichen Halbleiterelektronik eingesetzt wird, auch für organische Halbleiter geeignet ist.
- Als organisches elektronisches Bauteil mit zumindest zwei Elektroden und einer aktiven Funktionsschicht die photosensitiv, das heißt beispielsweise photovoltaisch aktiv ist, wird beispielsweise eine Solarzelle und/oder ein Photodetektor bezeichnet. Ein organisches elektronisches Bauteil, das ebenso aufgebaut ist mit einer elektrochromen Funktionsschicht ist beispielsweise ein organisches elektrochromes Farbelement wie ein Display oder eine organische Anzeigeeinheit. Schließlich versteht man beispielsweise unter einem organischen elektronischen Bauteil, das eine emittierende Funktionsschicht umfasst beispielsweise eine Leuchtdiode oder OLED oder ein so genanntes „self-emissive device". Für all die hier genannten Elemente und Bauteile sowie für andere mit transparenten Elektroden, ist die vorliegende Erfindung anwendbar. Insbesondere wurde die Erfindung im Zusammenhang mit organischen elektronischen Bauteilen entwickelt.
- Als „semitransparente und/oder transparente Elektrode" wird hier jede so genannte Fensterelektrode bezeichnet, die lichtdurchlässig sein soll, damit Licht durch sie hindurch auf die, beispielsweise, organische(n) Funktionsschicht(en) oder von der(n) Funktionsschicht(en) nach außen dringen kann.
- Auch Glas hat „nur" eine Transparenz von ~ 95%, ist daher grundsätzlich auch nur „semitransparent". Transparente Elektroden sind von der Erfindung mit umfasst, in der Regel wird man sich aber mit semitransparenten Elektroden abfinden müssen.
- Vorteilhafterweise umfasst die transparente Elektrode oder leitfähige Schicht einen nicht unerheblichen Anteil an Zinkoxid (ZnO), beispielsweise von über 95 Gew%, bevorzugt von über 98%, wobei es sich um ein dotiertes (das heißt die erste Verbindung liegt in sehr reiner Form vor (keine oder nur geringe Verunreinigung und die zweite Verbindung ist in Mengen kleiner 1,5 Gew % enthalten) Zinkoxid, beispielsweise mit Aluminiumoxid, mit reinem Aluminium, oder mit Fluor, oder Bor dotiertes Zinkoxid und/oder um ein Mischoxid mit einem Anteil an Aluminiumoxid (Al2O3), der zwischen 0,5 bis 3 Gew% beträgt, handeln kann.
- Nach einer Ausführungsform wird als semitransparent elektrisch leitfähige Schicht ein Mischoxid aus Zinkoxid und/oder Aluminiumoxid eingesetzt, das unter dem Handelsnamen Azoy erhältlich ist. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass dieses, für die Anwendung in der anorganischen Photovoltaik bereits erprobte, Material auch für die organische Photovoltaik einsetzbar ist.
- Ein Vorteil der Elektrode eines erfindungsgemäßen Bauteils vor den herkömmlichen, ITO umfassenden, Elektrode ist, dass das Material auch mit den organischen aktiven Schichten korrespondiert aber deutlich kostengünstiger ist.
- Im Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils anhand einer Figur näher erläutert:
Die Figur zeigt ein elektronisches Bauteil beispielsweise eines aus überwiegend organischem Material, mit einem Substrat1 beispielsweise aus transparenter Folie oder Glas, mit einer unteren, transparenten Elektrode2 , zumindest einer aktiven Funktionsschicht aus organischem Material3 und einer oberen Elektrode4 . Die untere transparente Elektrode2 umfasst einen Anteil an Zinkoxid. - In Tests haben sich die elektronischen Bauteile mit transparenten Elektroden, die auf der Basis von Zinkoxid gefertigt wurden, als nahezu ebenso zuverlässig und schnell wie die mit dem bisher gebräuchlichen ITO aufgebauten erwiesen. Dabei ist das hier vorgeschlagene Material für die untere Elektrode wesentlich kostengünstiger und leichter zu beschaffen.
- Eine geeignete photoaktive Schicht (Layer) oder ein geeignetes organisches funktionelles Polymer oder eine organische aktive Halbleiterschicht ist unter anderem aus der
US 5,454,880 bekannt und kann eine oder mehrere halbleitende Kunststoffe, die monomer, oligomer und/oder polymer vorliegen können, sowie anorganische Teilchen und/oder Nanoteilchen um fassen. Es kann eine Mischung aus 2 oder mehreren konjugierten organischen Kunststoffen, anorganischen Teilchen und/oder Nanoteilchen mit ähnlichen oder unterschiedlichen Elektronenaffinitäten und/oder mit ähnlichen oder unterschiedlichen Bandlücken vorliegen. - Der Begriff „Polymer" in „Polymersolarzelle, "organisches Material" oder "Funktionspolymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organischanorganischen Kunststoffen und (Hybride), die photovoltaisch aktiv sind. Gemeint sind beispielsweise alle die, die im Englischen mit Begriffen wie "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung. Als Funktionspolymer können halbleitende, leitende und/oder isolierende Stoffe gemeint sein.
- Die Erfindung betrifft ein elektronisches Element, bevorzugt eines aus überwiegend organischem Material mit einer leitfähigen semitransparenten Schicht, wie sie beispielsweise als Elektrode für photovoltaische Elemente oder Solarzellen eingesetzt werden kann. Dabei wird ein neues Material für die transparente Elektrode vorgestellt, das kostengünstiger ist als das bisher in der Regel verwendete ITO und in ersten Tests bereits ähnliche Leitfähigkeiten erreicht hat.
Claims (6)
- Elektronisches Bauteil mit zumindest zwei Elektroden und einer organischen Funktionsschicht, die photovoltaisch aktiv, elektrochrom und/oder emittierend ist, wobei zumindest eine der transparenten Elektroden und/oder eine elektrisch leitfähige Schicht Zinkoxid umfasst.
- Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die transparente Elektrode ein Mischoxid mit Zinkoxid oder ein dotiertes Zinkoxid umfasst.
- Elektronischen Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die semitransparente Elektrode ein Mischoxid aus Zink und Aluminium umfasst.
- Verwendung von dotiertem oder undotiertem Zinkoxid und/oder von Zinkoxid umfassenden Mischoxiden für semitransparente Elektroden organischer elektronischer Bauteile.
- Verwendung von dotiertem oder undotiertem Zinkoxid und/oder Aluminiumoxid und Zinkoxid umfassender Mischoxide als Material für semitransparente Elektroden organischer elektronischer Bauteile.
- Verwendung von dotiertem oder undotiertem Zinkoxid für zumindest eine Elektrode einer Solarzelle mit einer funktionellen organischen Halbleiterschicht.
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