DE102007025975A1

DE102007025975A1 - Organischer Photodetektor mit einstellbarer Transmission, sowie Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102007025975A1
Application number: DE102007025975A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Fürst; Debora Dr. Henseler; Edgar Zaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008148705A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen organischen Photodetektor, der eine einstellbare Transmission hat und ein Herstellungsverfahren dazu. Die Erfindung zeigt ein organisches Halbleiterblend oder eine organische photoaktive Schicht, zumindest eine Schicht einer lochtransportierenden und einer Elektronen transportierenden Komponente umfassend, mit optimierten Transmissionseigenschaften. Die Transmission wird dadurch optimiert, dass in die organische photoaktive Schicht eine weitere Komponente eingebracht wird, die das Transmissionsspektrum der Mischung oder der Schichten verändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen organischen Photodetektor, der eine einstellbare Transmission hat und ein Herstellungsverfahren dazu.
Organische Photodetektoren, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2005 037 290.2 bekannt sind, umfassen in der Regel ein Schichtsystem aus einer unteren ggf. metallischen Elektrode, einer photoaktiven Schicht, die beispielsweise ein Blend (Mischung) verschiedener Komponenten sein kann und einer Gegenelektrode, die wiederum metallisch sein kann.
Im Gegensatz zu den meisten handelsüblichen anorganischen Photodetektoren können organische Photodetektoren mit einer organischen photoaktiven Schicht semitransparent hergestellt werden. Diese Schicht umfasst in der Regel zwei Komponenten, die entweder als separate Schichten oder als Blend vorliegen können.
Dabei wird, um die Transmission zu erhöhen, die Schichtdicke des Schichtsystems derart verringert, dass die Schichten allein schon wegen der Reduktion ihrer Schichtdicke durchscheinend werden, also erhöhte Transmission aufweisen.
Nachteilig daran ist, dass die spektrale Verteilung der Transmission durch die Verringerung der Schichtdicke nicht beeinflusst werden kann, so dass lediglich durch in Kauf nehmen einer ansonsten schlechteren Performance des Detektors, insbesondere im Hinblick auf Dunkelströme, wegen der geringen Schichtdicke die Transmission des Detektors insgesamt erhöht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen organisch basierten Photodetektor zur Verfügung zu stellen, bei dem die spektrale Verteilung der Transmission gezielt verändert werden kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Photodetektor auf Basis organischer Halbleiter, ein Schichtsystem umfassend, bei dem sich zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Gegenelektrode eine photoaktive Schicht befindet, die in einem Elend und/oder in einem Schichtaufbau zumindest drei Komponenten enthält, die als Loch- und/oder Elektronentransportkomponente wirken. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors, wobei auf eine zumindest semitransparente untere Elektrode eine Blendschicht aufgeschleudert wird, auf die wiederum eine weitere zumindest semitransparente Topelektrode aufgebracht wird.
In der Regel fungieren Lochtransportkomponenten als Elektronendonatoren und Elektronentransportkomponenten als Elektronenakzeptoren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei oder mehrere Lochtransportkomponenten kombiniert, da in der Regel diese das Absorptionsverhalten des Elends dominieren.
Soll ein Bild mit dem Flachbilddetektor aufgenommen werden, so durchdringt die dem Bild zugeordnete Lichtverteilung die der Lichtverteilung zugewandte Elektrode, die daher aus einem zumindest semitransparentem Material gefertigt ist. Des Weiteren wandelt die Halbleiterschicht in Verbindung mit den beiden Elektroden die Lichtverteilung in elektrische Signale um, die an den einzelnen Teilelektroden der strukturierten Elektrode anliegen.
In dieser Halbleiterschicht befindet sich beispielsweise ein Elend aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber-, Elektronen donator und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente), die als Bulk-Heterojunction wirkt, das heißt die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden. Ebenso gut kann die Halbleiterschicht als eine mehrere Einzelschichten umfassende Schicht aufgebaut sein, in der Lochtransportkomponente und Elektronentransportkomponente in separaten Schichten vorliegen.
Gemäß der Erfindung werden nun weitere Materialien zugegeben, die das Transmissionsspektrum der Bulk Heterojunction verändern, bevorzugt gezielt verändern. So können z. B. neben P3HT weitere Lochtransportkomponenten zugegeben werden, beispielsweise solche, die im sichtbaren Bereich wenig absorbieren oder bei anderen Wellenlängen als die im Blend vorliegenden Komponenten absorbieren. Je nach gewünschtem Transmissionsspektrum müssen die Anteile der zusätzlichen Lochtransportkomponenten entsprechend gewählt werden.
Es gibt verschiedene Absorber-, Lochtransport-, Elektronenakzeptor- und/oder Elektronentransportkomponenten, die zusätzlich zu den Basiskomponenten wie P3HT/PCBM in die Bulk Heterojunction eingebracht werden können, beispielsweise Kopolymere aus Triarylaminkomponenten und Fluorenen (wie ADS250BE von American Dye Source) und/oder Kopolymere aus Triarylaminkomponenten und Spirobifluorenkomponenten und/oder Poly(paraphenylenvinylen)-Derivate (z. B. MEH-PPV oder MDMO-PPV) und/oder weitere Polythiophen-Derivate (z. B. P3OT).
Durch die Einführung zumindest einer dritten Komponente in die Bulk-Heterojunction und/oder den Schichtaufbau der Photoaktiven Schicht kann – bei nur geringem Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der photoaktiven Schicht – deren spektrale Eigenschaften, also das Transmissionsverhalten spektral und/oder prozentual verändert werden.
Durch die Herstellung von Photodioden aus geeigneten Gemischen organischer Materialien kann das Transmissionsspektrum an die jeweilige Anwendung angepasst werden. So kann z. B. die Farbe, mit der die Detektoroberfläche wahrgenommen wird, beeinflusst werden.
Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass durch Substitution der absorbierenden Komponente, beispielsweise des P3HT, durch ein transparentes Material mit ähnlichen Ladungstransporteigenschaften oder ein transparentes Material, das den elektrischen Transport nicht behindert, die Transmission bei konstanter Schichtdicke ein einem weiten Bereich verändert werden kann, ohne den Dunkelstrom und die Kurzschlussanfälligkeit der Photodetektoren zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft nicht nur Photodioden auf polymerer Basis, sondern kann auch auf photoaktive Schichten, die auf so genannten small molecules oder auf Nanopartikel basieren, angewendet werden.
Bei der Herstellung des Photodetektors nach der Erfindung wird beispielsweise wie folgt vorgegangen: Auf eine semitransparente Bottomelektrode (z. B. ITO) wird eine Blendschicht aufgeschleudert. Dazu werden die Blendkomponenten in einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Chloroform oder Xylol) gelöst. Auf die Blendschicht wird eine semitransparente Topelektrode (z. B. ein dünnes Schichtsysteme aus Ca und Ag) aufgebracht (z. B. durch thermisches Aufdampfen).
Organisch basierte Photodetektoren können relativ einfach hergestellt werden, indem die organische Halbleiterschicht mit drucktechnischen Methoden aus der Lösung aufgebracht wird. Außerdem weisen organische Photodetektoren eine relativ hohe Kompatibilität zu verschiedenen elektronischen Ansteuerungstechnologien auf.
Ein organischer Photodetektor kann zusätzlich zur photoaktiven Schicht, die beispielsweise P3HT/PCBM, CuPc/PTCBI, ZNPC/C60, konjugierte Polymer-Komponenten oder Fulleren-Komponenten umfasst, eine Elektron/Loch blockierende Schicht umfassen. Elektron/Loch blockierende Schichten sind aus der Technologie für organische LEDs bekannt. Ein geeignetes organisches Material für die Elektron blockierende Schicht ist zum Beispiel TFB.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Figuren, die verschiedene Ausführungsformen zeigen, näher erläutert:
1 zeigt ein Beispiel für einen Schichtaufbau eines Photodetektors,
2 zeigt Transmissionsspektren nach dem Stand der Technik,
3 zeigt eine Graphik in der Transmissionsspektren direkt verglichen werden,
4 zeigt den Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Systems und
5 schließlich zeigt ein Beispiel für eine zusätzlich eingebrachte Komponente gemäß der Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der organischen Photodioden ist aus 1 ersichtlich. Der Aufbau ist in Form eines Stacks dargestellt, bestehend aus Topelektrode 5, Bottomelektrode 3, dem Trägersubstrat 1 sowie der organischen Photodiodenschicht 4.
Es ist ein Beispiel für den Aufbau eines organischen Photodetektors im Schichtaufbau (Stack) mit zwei aktiven organischen Schichten 4 und 6 zu sehen. Die Schicht 6 zeigt einen Lochtransporter, der vorhanden sein kann, aber nicht unbedingt vorhanden sein muss. Die eigentliche photoleitfähige Schicht ist mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Zusätzlich zu den gezeigten Schichten 5, 3, 1, 4 und ggf. 6 ist noch der Schutz des Photodetektors mittels einer Verkapselung zweckmäßig. Die photoleitfähige organische Schicht 4 kann eine so genannte „Bulk Heterojunction" sein, z. B. realisiert als Blend aus einem lochtransportierenden Polythiophen und einem Elektronen transportierenden Fulleren-Derivat.
Die Bottomelektrode 3 (Anode) kann aus Indium-Zinn-Oxid bestehen (ITO) oder aus einem anderen Metall. Die Topelektrode 5 (Kathode) kann aus Aluminium (Al) bestehen oder beispielsweise auch aus einem Ca/Ag-Schichtsystem oder auch aus LiF/Al.
2 zeigt den Stand der Technik: Zu sehen sind die Transmissionsspektren von P3HT:PCBM-Schichten in Abhängigkeit von den Schichtdicken. Die oberste, nur noch 22 nm dicke Schicht ist die mit der höchsten Transmission, was einfach durch die Schichtdicke zu erklären ist. Ganz unten mit der geringsten Transmission ist das Spektrum der dicksten Vergleichsschicht, eine 130 nm dicke Schicht, zu sehen. Die anderen Schichten liegen dazwischen, sowohl in den Schichtdicken, als auch in der Transmission. Man erkennt, dass sich durch die Variation der Schichtdicken zwar die Stärke der Transmission ändert, nicht aber die Form des Spektrums.
Die Prozessierungstechnologien organischer Materialien, wie z. B. Spin Coating, ermöglicht es, sehr dünne Schichten herzustellen und in gewissen Grenzen deren Dicke einzustellen. Durch die Reduktion der Schichtdicke kann zwar die Transmission erhöht werden, allerdings die spektrale Verteilung nicht. Hinzu kommt, dass bei hohen Transmissionswerten (z. B. > 50% im Sichtbaren) die elektronische Performance der Dioden normalerweise deutlich schlechter wird, da bei den geringen Schichtdicken (< 70 nm) die Dunkelströme und auch die Häufigkeit von Device-Kurzschlüssen stark ansteigen.
3 zeigt die Transmissionsspektren unterschiedlicher photoaktiver Schichten etwa gleicher Dicke (ca. 40 nm). Durch teilweises Ersetzen des P3HT durch das Material ADS250BE der Firma American Dye Source (Struktur siehe 5) kann die Form des Spektrums verändert werden. So weist die P3HT:PCBM-Schicht (Graph mit einem Minimum bei ca. 520 nm) eine höhere Transmission bei etwa 390 nm auf, während die Schicht (Maximum bei ca. 420 nm) gemäß der Erfindung im Bereich von 500 nm eine höhere Transmission zeigt.
4 zeigt einen Vergleich der Stromspannungskennlinien von gleich dicken photoaktiven Schichten, eine nach dem Stand der Technik und eine gemäß der Erfindung mit und ohne Beleuchtung. Zu erkennen ist, dass die Graphen jeweils nur wenig voneinander abweichen, so dass der Einfluss der zusätzlichen Komponente(n) auf die elektronischen Eigenschaften des Systems als gering bezeichnet werden kann. Die Schichtdicken der gezeigten Schichten sind gleich und ungefähr 40 nm.
5 schließlich zeigt ein Beispiel für eine zusätzlich eingeführte Komponente, das Material ADS250BE der Firma American Dye Source.
Die Erfindung zeigt ein organisches Halbleiterblend oder eine organische photoaktive Schicht, die eine Schicht einer lochtransportierenden und einer Elektronen transportierenden Komponente umfasst, mit optimierten Transmissionseigenschaften. Die Transmission wird dadurch optimiert, dass in der organischen photoaktiven Schicht eine weitere Komponente eingebracht wird, die das Transmissionsspektrum der Mischung oder der Schichten verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005037290 [0002]

Claims

Photodetektor auf Basis organischer Halbleiter, ein Schichtsystem umfassend, bei dem sich zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Gegenelektrode eine photoaktive Schicht befindet, die in einem Blend und/oder in einem Schichtaufbau zumindest drei Komponenten enthält, die als Loch- und/oder Elektronentransportkomponente wirken.
Photodetektor nach Anspruch 1, wobei in der photoaktiven Schicht zumindest zwei Lochtransportkomponenten kombiniert vorliegen.
Photodetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die photoaktive Schicht ein Blend aus den Komponenten P3HT/PCBM/ADS250BE umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors, wobei auf eine zumindest semitransparente untere Elektrode (3) eine Blendschicht (4) aufgeschleudert wird, auf die wiederum eine weitere zumindest semitransparente Topelektrode (5) aufgebracht wird.