DE102009024953A1 - Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente, Verfahren zu ihrer Herstellung und photovoltaisches Bauelement mit einer solchen Mehrschichtelektrode - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Mehrschichteleketrode angegeben, die mindestens aufweisend zwei auf einem Absorber angeordnete Metallschichten aufweist, bei der die die Grenzfläche mit einem Absorber bildende erste Elektrodenschicht Eals eine Mischschicht A : B eines Metalls A dieser Elektrodenschicht Eund des Metalls B der zweiten Elektrodenschicht Egebildet ist, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht Egrößer ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht Eund im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B und die Dicke der ersten Elektrodenschicht Ekleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E. Weiterhin wird ein Herstellungsverfahren für eine derartige Mehrschichtelektrode angegeben sowie eine organische Solarzelle mit einer solchen Mehrschichtelektrode.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Mehrschichtelektrode mit mindestens zwei Schichten für photovoltaische Bauelemente, ein Verfahren zu deren Herstellung und ein photovoltaisches Bauelement mit einer solchen Mehrschichtelektrode.
- Organische Solarzellen sind seit Jahren von großem Interesse für die Fachwelt wegen ihrer Umweltverträglichkeit und ihren niedrigen Herstellungskosten. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität eröffnen sie auch neue technische Anwendungsgebiete.
- Die heute funktionierenden Strukturen von organischen Solarzellen basieren auf Ladungsträger trennenden Strukturen mit (i) einer Donator:Akzeptor-Schicht, (ii) Donator-Akzeptor-Zweifachschichten oder (iii) Donator-Donator:Akzeptor-Akzeptor-Dreifachschichten, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, von denen mindestens eine semitransparent oder transparent ist. Diese Strukturen enthalten auch organische oder anorgansiche Pufferschichten zwischen der organischen aktiven Schicht und mindestens einer der Elektroden. Die Pufferschicht dient mindestens einer der folgenden Funktionen: a) Anpassung des Molekularniveaus des Absorbermaterials an das entsprechende Fermi-Niveau der Elektroden, b) Ladungsträgertransport, c) Ladungsträger- und/oder Excitonen-Blockierschicht, d) Schutzschicht und e) optische Abstandsschicht.
- Eine organische Solarzelle mit einer Donator-Akzeptor-Zweifachschicht ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 1, 2. July 2001, 126–128beschrieben. Diese Solarzelle basiert auf einer CuPc-Donator-Teilschicht und einer C60-Akzeptor-Teilschicht für die photoaktive Schicht. Eine PEDOT:PSS-Pufferschicht ist zwischen der ITO-Schicht (Anode) und der CuPc-Teilschicht angeordnet, um eine bessere Anpassung des Fermi-Niveaus der ITO-Schicht an das HOMO-Niveau der CuPc-Schicht zu erreichen. Die BCP-Pufferschicht sichert den Transport der Elektronen von der C60-Schicht zur Al-Kathode und blockiert den Transport der Excitonen zur Kathode und verhindert damit die Rekombination. Eine Trennung der Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die entsprechend in den Absorberteilschichten CuPc und C60 erzeugt werden, erfolgt bei dieser Anordnung an der Grenzfläche der beiden Teilschichten der photoaktiven Schicht.
- In
DE 103 26 546 A1 ist eine organische Solarzelle mit erhöhtem Parallelwiderstand beschrieben, die auf einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen Komponenten – einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor – basiert, wobei dem Bereich der Elektronenakzeptoren eine Kathode und dem Bereich der Elektronendonatoren eine Anode zugeordnet ist. Zwischen zumindest einer der Elektroden und der photoaktiven Schicht ist eine Zwischenschicht mit asymmetrischer Leitfähigkeit angeordnet, deren Bandlücke größer oder gleich der Bandlücke der photoaktiven Schicht ist. Hierbei ist das Leitungsband der zwischen der aktiven Schicht und der negativen Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Elektronenmobilität an das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) des Elektronenakzeptors und das Valenzband der zwischen aktiver Schicht und positiver Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Löchermobilität an das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) des Elektronendonators angepasst ist. Für das Material der dem Lichteinfall zugewandten Elektrode wird beispielsweise Al, Cu, ITO angegeben. Diese Elektrode sollte vorzugsweise durchsichtig bzw. semitransparent sein und/oder eine Gitterstruktur aufweisen. - Eine Polymer-Tandem-Solarzelle ist in Science, Vol. 317, 13 July 2007, 222–225 beschrieben. Diese basiert auf einem Heteroübergangs-Verbundwerkstoff als Ladungsträger trennende Schicht mit zwei Pufferschichten, die eine ist eine organische PEDOT:PSS-Schicht zwischen der ITO-Anode und dem Heteroübergangs-Absorber und die andere ist eine organische TiOx-Schicht zwischen dem Absorber und der Al-Kathode.
- In den letzten Jahren wurden umfangreiche Untersuchungen im Rahmen der Entwicklungen von Solarzellen der 2. und 3. Generation durchgeführt. Diese Solarzellen basieren auf anorganischen Nanokristalliten, organischen dünnen Filmen mit Dicken in der Größenordnung von 100 nm, organisch-organischen Misch- oder hybriden organisch-anorgansichen Heteroübergängen.
- Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer organischen Solarzelle sind neben den eigentlichen Absorbermaterialien und deren Schichtausbildung bzw. -struktur auch die Ausführungen der Elektroden von besonderem Interesse der Fachwelt.
- So ist in J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12828–12833 eine Zweischichtelektrode, bestehend aus einer Ca- und Al-Schicht, auf der Absorberschicht einer organischen Solarzelle angeordnet. Es wurde festgestellt, dass die geringe Austrittsarbeit der Kathodenmetalle eine Oxidation nach sich zieht, wenn die Strukturen an Luft aufbewahrt werden, wodurch sich ihre Leistung stark verschlechtert.
- Andere Materialien mit geringer Austrittsarbeit für eine Mehrschichtelektrode sind in http://www.pa.ibf.cnr.it/nabla/T10.html (Ausdruck vom 10.06.09) genannt: stabile Metalle, z. B. Mg:Ag (1:10), Ca oder LiF/Al.
- In
AT E 56 105 B - Ein Mehrschichtkontakt, welcher einen sehr dünnen, halb transparenten ohmschen Kontakt in Verbindung mit einer dicken, reflektierenden Schicht, die als Stromverteilungsschicht wirkt, ist für AlGaIn-Flip-Chip-LEDs in
DE 102 13 701 A1 beschrieben. Als Beispiel für einen p-leitenden Mehrschichtkontakt ist Au/NiOx/Al angegeben, für einen n-leitenden Kontakt Ti/Al. - Der in
DE 10 2004 050 891 A1 beschriebene Mehrschichtkontakt für eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung weist eine Al-Schicht auf als eine Reflektorschicht hoher Güte mit einer Schichtdicke von 75 nm bis 500 nm und darauf angeordnet eine Al-Legierungsschicht aus Al-Si, Al-Si-Ti, Al-Cu, Al-Cu-W mit einer Schichtdicke von 0,5 μm bis 5 μm, die eine Elektrowanderung des Al in die erste Schicht bei hoher Stromdichte verhindern soll. Mit dieser Kontaktstruktur soll über die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten auch eine bessere Haftung des Kontakts auf der aktiven Schicht erreicht werden. - In Appl. Phys. Lett. 89, 163501 (2006) wird die Rolle einer Pufferschicht zwischen unterschiedlich ausgestalteten Absorberschichten und einem Al-Kontakt untersucht. Es wurde festgestellt, dass bei einer Zweifachabsorberschicht (Pc und C60) durch die Anwesenheit der Pufferschicht der Elektronentransport aus der C60-Schicht in die Al-Elektrode wesentlich verbessert wird, wohingegen das Vorsehen einer Pufferschicht bei einer als Mischschicht ausgebildeten Absorberschicht diese Wirkung nicht nachgewiesen wurde.
- In
DE 10 2007 009 995 A1 wird eine organische Solarzelle beschrieben, bei der eine Einfach- bzw. Zweifachschicht für die Elektrode, die auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite angeordnet ist und als Anode wirkt, mit den Materialien Al, Ag, Ca, Mg oder Ca/Al, Mg/Al oder Mg/Ag verwendet wird. Auch in dieser Anordnung sind jeweils zwischen den Elektroden und den Absorberteilschichten Pufferschichten angeordnet, um die Parameter der Solarzelle zu verbessern. - Bisher ist in keiner der dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen eine Möglichkeit angegeben worden, über die Elektrodenschichtstruktur und/oder deren Zusammensetzung ganz gezielt die Leistungsparameter photovoltaischer Bauelemente zu verbessern, indem nur die Ladungsträger eines Typs in ihrer gerichteten Bewegung unterstützt werden. Über den verbesserten Ladungsträgertransport zu den äußeren Elektroden wird aber z. B. die Klemmspannung vergrößert.
- Deshalb ist es nun Aufgabe der Erfindung, eine selektive Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente anzugeben, die für Ladungsträger des einen Leitungstyps durchlässig ist und für die Ladungsträger des anderen Leitungstyps eine Barriere darstellt. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung dieser Mehrschichtelektrode angegeben werden, sowie ein photovoltaisches Bauelement mit einer solchen selektiven Mehrschichtelektrode, die einfach herstellbar ist und gute Leistungsparameter aufweist.
- Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe bezüglich der Mehrschichtelektrode ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen der erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung im Einzelnen näher erläutert werden.
- Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode weist mindestens zwei Metallschichten auf, wobei die die Grenzfläche mit dem Absorber bildende erste Elektrodenschicht E1 als eine Mischschicht A:B eines Metalls A dieser Elektrodenschicht E1 und des Metalls B der zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet ist, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht E1 in der Mischschicht größer ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B, oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B, und die Dicke der ersten Elektrodenschicht E1 kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2.
- Der Absorber kann gebildet sein aus einer Mischschicht organischer Materialien des n-Typs und des p-Typs oder aus einer Mischschicht eines organischen Materials eines Leitungstyps und eines anorganischen Materials des anderen Leitungstyps, oder aus einer Mischschicht organischer und anorganischer Materialien des n- und p-Typs entsprechend. Der Absorber kann aber auch als Einzelschicht eines anorganischen oder organischen Absorbermaterials ausgebildet sein.
- Bei der erfindungsgemäßen Lösung für die Mehrschichtelektrode wird die effektive Selektion der freien Ladungsträger gewährleistet durch die Formierung der Grenzfläche zwischen Absorber und Elektrodenschicht. Die Elektrode bildet einen Ohmschen Kontakt oder einen ladungsselektiven Kontakt. Ein Ohmscher Kontakt wird ausgebildet an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und einer Schicht eines anorganischen oder organischen Absorbermaterials. Ladungsselektive Kontakte bilden sich aus an Grenzflächen zwischen Elektrode und einer Absorberschicht, die als hybride Mischschicht organischer Materialien des n-Typs (Akzeptor) bzw. des p-Typs (Donator) ausgebildet ist, oder alternativ organische und anorganische Materialien aufweist.
- Die erfindungsgemäße ladungsselektive Mehrschichtelektrode bildet sofort bei direkter Anordnung mit einem Material eines Leitungstyps einen Ohmschen Kontakt und eine Potential-Barriere (z. B. Schottky-Barriere oder eine blockierende Grenzflächenbarriere) mit Materialien des entgegengesetzten Leitungstyps.
- Ein Ohmscher Kontakt für anorganische Materialien ist bekanntermaßen derart charakterisiert, dass dieser keine Potentialbarriere für die Majoritätsladungsträger bildet und ausgebildet ist an der Grenzfläche Elektrode/Halbleitermaterial. Ein Ohmscher Kontakt erfordert Metalle oder Halbmetalle mit einer geringen Austrittsarbeit für n-Typ Halbleiter bzw. Metalle oder Halbmetalle mit großer Austrittsarbeit für p-Typ Halbleiter.
- Dagegen bilden sich Schottky-Barrieren aus, wenn Metalle oder Halbmetalle mit hoher Austrittsarbeit mit n-Typ-Halbleitermaterial bzw. Metalle oder Halbmetalle mit geringer Austrittsarbeit mit p-Typ-Halbleitermaterial in Kontakt gebracht werden.
- Die Formierung von Ohmschen oder blockierenden Kontakten an organischen Materialen ist abhängig von den elektronischen Eigenschaften (Austrittsarbeit) des in Kontakt gebrachten Absorbermaterials sowie von dessen physikalischen (Diffusionsvermögen) und chemischen Eigenschaften (Reaktivität).
- Eine Grenzfläche Elektrode/organisches Absorbermaterial mit ähnlichen Eigenschaften wie für einen Ohmschen oder blockierenden Kontakt kann sowohl als Ergebnis eines Ladungstransferprozesses an dieser Grenzfläche als auch durch Diffusion von Elektrodenmaterial in den Absorber und Bildung von Ladungstransferkomplexen (z. B. Plasmonen) realisiert werden.
- Die erfindungsgemäße Lösung für die Mehrschichtelektrode zielt nun ganz definiert darauf, dass diese Elektrode gebildet wird durch eine „Feinabstimmung” der elektronischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials bezüglich der elektrophysikalischen Eigenschaften des benachbarten organischen Absorbermaterials.
- Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode kann beispielsweise für organische Solarzellen und organische Lichtemitterdioden angewendet werden.
- Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode beziehen sich auf ihre Materialien. So ist vorgesehen, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Austrittsarbeit der Absorberschicht des n-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Elementen der Hauptgruppe IA oder IIA oder IIIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon, insbesondere ausgewählt ist aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen. Eine andere Ausführung betrifft das Metall mit der größeren Austrittsarbeit in den Elektrodenschichten E1 und E2 im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls, das auch eine Austrittsarbeit größer oder gleich der Austrittsarbeit der Absorberschicht des p-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder Al oder Mischungen hiervon.
- Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe bezüglich der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1 ist den Merkmalen des Anspruchs 6 zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Mehrschichtelektrode umfasst mindestens die folgenden Verfahrensschritte: Nacheinander oder gleichzeitiges Aufbringen der Metalle A und B auf einen Absorber, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht E1 kleiner ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und die Dicke der ersten Elektrodenschicht E1 größer ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B.
- Das Aufbringen der Metalle auf den Absorber kann mittels sequentieller Abscheidung oder mittels Koverdampfung erfolgen.
- Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich auch hier auf die verwendeten Metalle. So ist vorgesehen, dass das Metall A ausgewählt wird aus der Gruppe der Metalle aus der Hauptgruppe IA oder IIA oder IIIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon, insbesondere wird es ausgewählt aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen. Das Metall B wird ausgewählt aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder Al oder Mischungen hiervon.
- Als Absorber, auf den die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode aufgebracht wird, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Mischschicht aus organischen Materialien des n-Typs und des p-Typs oder aus einem organischen Material eines Leitungstyps und einem anorganischen Material des anderen Leitungstyps, oder aus einer Mischschicht organischer und anorganischer Materialien der n- und p-Typs verwendet oder auch eine Einzelschicht eines anorganischen oder eines organischen Absorbermaterials. Dabei weisen die Komponenten der Mischschichten unterschiedliche Austrittsarbeiten auf.
- Die oben beschriebene Feinjustierung der notwendigen elektronischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften wird entweder durch das Aufbringen der Metallschichten mittels sequentieller Abscheidung oder durch Ko-Aufbringung von Metallschichten mit vorgegebener Dicke auf die Oberfläche des Absorbers realisiert, wobei eine teilweise Durchmischung der beiden Metallschichten erfolgt.
- Das Aufbringen der Metallschichten erfolgt bei einer Substrattemperatur, die abgestimmt ist bezüglich Mischungsverhaltens der Metalle und der Kontaktbildung mit dem Absorbermaterial. Eine anschließende Temperung der aufgebrachten Metallschichten kann die Ausbildung der gewünschten Eigenschaften der Mehrschichtelektrode an der Grenzfläche noch unterstützen.
- Die Erfindung umfasst weiterhin ein photovoltaisches Bauelement, ausgebildet als organische Solarzelle mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode, wie sie in Anspruch 10 und dazugehörigen Unteransprüchen beschrieben ist.
- Die organische Solarzelle weist auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite eine transparente Elektrode auf, darauf angeordnet eine aktive organische Absorberschicht beliebiger Struktur zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren und darauf angeordnet eine Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1. Die organische Absorberschicht kann als hybride Mischschicht oder als organisch-anorganische Mischschicht ausgebildet sein.
- In einer konkreten Ausführung der organischen Solarzelle weist die transparente Elektrode, die aus einer TCO-Schicht gebildet ist, einen Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 60 Ω/auf,
die Absorberschicht ist als Mischschicht von CuPc und C60 im Verhältnis 1:1 in einer Dicke von 50 bis 150 nm ausgebildet und die Mehrschichtelektrode ist eine Zweischichtelektrode, die ohne Pufferschicht direkt auf der Absorberschicht angeordnet ist, wobei das erste Metall Mg und das zweite Metall Ag ist und die Dicke der ersten Elektrodenschicht, bestehend aus einer Mg-Ag-Mischschicht, 20 bis 40 nm beträgt, und die Dicke der zweiten Elektrodenschicht aus Ag 70 bis 150 nm beträgt. - Außerdem kann auch eine – dem Stand der Technik nach bekannte – Anpassung der Austrittsarbeit der TCO-Elektrode durch Feintuning ihrer Oberflächenzusammensetzung erfolgen, beispielsweise während ihrer Präparation oder durch anschließende Oberflächenmodifikation.
- Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel, bei dem die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen
-
1 : Messkurven des Wirkungsrads, der offenen Klemmenspannung und der Kurzschlussstromdichte sowie des Füllfaktors in Abhängigkeit der Dicke einer Mg-Schicht für eine erfindungsgemäße Zweischichtelektrode Ag-Mg; -
2 : ebensolche Kurven, jedoch für die zweite Metallschicht, hier eine Ag-Schicht; -
3 : Abbildung verschiedener organischer Absorberstrukturen -
4 : Banddiagramm an der Grenzfläche von Donator-Akzeptor-Grenzfläche einer organischen nanostrukturierten Mischschicht; -
5 : Banddiagramm an der Grenzfläche Mehrschichtelektrode/organischer Absorber. - Organische Solarzellen mit der Struktur ITO/PEDOT:PSS/CuPc:C60/Mg/Ag wurden auf ITO-beschichteten Glassubstraten (R☐ ≤ 5 Ω) hergestellt. Nach der Reinigung wurden die Substrate durch Spin-Coating mit PEDOT:PSS beschichtet (nur für vergleichende Messungen ist die letztgenannte Schicht aufgebracht worden) und anschließend in Inertgasatmosphäre gelagert. Eine organische Mischschicht aus CuPc:C60 mit einem Mischungsverhältnis von 1:1 wurde mit Hilfe der OVPD-Technik (Organic Vapour Phase Deposition) in einer Dicke von 70 nm abgeschieden.
- Nach der Abscheidung der Absorberschicht wurden die Substrate unter Inertgasatmosphäre in die Depositionskammer für Metallkontakte transferiert. Zur Kontaktierung wurden eine Kombination eines Metalls mit niedriger und eines mit hoher Austrittsarbeit verwendet, in diesem Beispiel Mg und Ag. Die Mg/Ag-Kontakte wurden durch sequentielles thermisches Aufdampfen bei einem Druck < 10–6 mbar abgeschieden. Zur Steuerung der Aufdampfprozesse wurde ein Schichtdickensteuergerät mit angeschlossenen Schwingquarz-Sensoren verwendet. Für beide Metalle wurde eine Depositionsrate von 3 Å/s eingestellt. Die Optimierung der Kontakte erfolgte durch systematische Variation der Mg- und Ag-Schichtdicken. Für Magnesium wurde der Dickenbereich bis 100 nm untersucht und für Silber der Bereich 50 bis 120 nm. Die Bestimmung der Solarzellenparameter (Wirkungsgrad, offene Klemmenspannung, Kurzschlussstromdichte und Füllfaktor) wurde durch I-V-Messungen an Solarzellen mit einer Fläche von 0,06 cm2 unter Standardtestbedingungen (AM 1.5, 100 mW/cm2, 25°C) ermittelt. Die sich daraus ergebenen Resultate sind in
1 für Mg und2 für Ag dargestellt. - Mit optimierten PEDOT:PSS- und CuPc:C60-Schichten und einer Zweischicht-Kontaktstruktur von 30-nm-Mg/90-nm-Ag konnten organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 3,0% hergestellt werden. Bereits erste Untersuchungen an Solarzellen ohne PEDOT:PSS-Schicht haben gezeigt, dass die erhaltenen elektrischen Parameter vergleichbar sind mit den oben beschriebenen Messergebnissen.
- Die ladungsträgerselektiven Kontakte können angewendet werden für unterschiedliche Ausführungen der Absorberschicht, wie in
3 dargestellt. Gezeigt ist in (a) eine gemischte molekulare Schicht, in (b) ein Heteroübergang aufweisend gemischte/verschiedene Domainen im Volumen und (c) ein nanostrukturierter Volumen-Hetero-Übergang in einer organischen Solarzelle. Die gemischte Absorberschicht vom Typ (a) für eine Solarzelle weist keine oder nur eine geringe Donator-Akzeptor-Phasentrennung auf. Die Donator- und Akzeptormaterialien der Ausführung (b) bilden Domainen, die für effektive organische Solarzellen Größen im Bereich der Diffusionslänge der Excitonen oder kleiner aufweisen müssen. Die Donator- und Akzeptormaterialien für die Ausführung (c) sind nanostrukturiert. Die Größe der Nanokristallite muss in der Größenordnung der Diffusionslänge der Excitonen in den Materialien liegen. Die Dicke der Mischschicht muss im Bereich des geringsten Weges liegen, den die Ladungsträger bis zu ihrer Trennung an der Grenzfläche Absorber/Mehrschichtelektrode zurücklegen. - In photovoltaischen Zellen mit Mischabsorberschicht des Typs (a) ohne Phasentrennung sowie in organischen Solarzellen des Typs (b) und (c) mit Donator- und Akzeptor-Domain-Trennung, bei denen die o. g. Bedingungen erfüllt sind, generieren die Excitonen an beliebigem Ort nahe der Donator-Akzeptor-Grenzfläche (
4 : Prozess 1, Punkte I und II) und dissoziieren sofort. Die Dissoziation der Excitonen (4 : Prozess 3) erfolgt sofort, da diese praktisch keinen Weg zurücklegen müssen zur Grenzfläche Akzeptor-Donator. Ist ein effektiver ladungsträgerselektiver Kontakt in gemischten Heteroübergängen organischer Solarzellen vorhanden, werden keine Excitonen blockierende Pufferschichten benötigt. - Die ladungsträgerselektiven Kontakte arbeiten wie in
5 gezeigt. Als Beispiel werden hier von einem Ohmschen Kontakt effektiv die Elektronen aus dem n-Typ-Material eingesammelt, während die Löcher gleichzeitig effektiv blockiert und vom Kontakt abgestoßen werden. Der entgegengesetzte Kontakt arbeitet in derselben Weise. - Elektroden mit fein abgestimmter Austrittsarbeitsfunktion können auch für die Formierung von Ohmschen Kontakten an einer Bauelementestruktur vom Typ p-i-n (Donator-Donator:Akzeptor-Akzeptor) eingesetzt werden. Die Dicke der p- und n-leitenden Schichten in dieser Struktur muss in der Größenordnung von einigen molekularen Schichten liegen, so dass die generierten Excitonen sofort an den Grenzflächen dissoziieren, die die Donator-Schicht mit den Akzeptor-Domainen der Misch- oder Volumen-i-Schicht bildet. Die Dicke der i-Schicht wird bestimmt durch die geringste Diffusionslänge der Ladungsträger.
- Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode gewährleistet einen verbesserten Ladungstransport zu den äußeren Elektroden, woraus eine Erhöhung der Stromdichte und der Klemmenspannung Voc der Solarzelle, also eine Steigerung ihres Wirkungsgrades resultiert. Außerdem kann durch den Wegfall der Pufferschichten zwischen dem organischen Absorbermaterial und den Elektroden die Anzahl der Technologieschritte bei der Herstellung der Solarzelle verringert werden bei gleichzeitiger Einsparung der Ausrüstung für das Aufbringen organischer Pufferschichten.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- - Appl. Phys. Lett. 89, 163501 (2006) [0014]
Claims (12)
- Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente, mindestens aufweisend zwei Metallschichten, angeordnet auf einem Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass die die Grenzfläche mit dem Absorber bildende erste Elektrodenschicht E1 als eine Mischschicht A:B eines Metalls A dieser Elektrodenschicht E1 und des Metalls B der zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet ist, wobei – die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht E1 größer ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und – im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B und – die Dicke der ersten Elektrodenschicht E1 kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2.
- Mehrschichtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Austrittsarbeit des Absorbermaterials des n-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Elementen der Hauptgruppe IA oder IIA oder IIIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon.
- Mehrschichtelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen ausgewählt ist.
- Mehrschichtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit der größeren Austrittsarbeit in den Elektrodenschichten E1 und E2 im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit größer oder gleich der Austrittsarbeit des Absorbermaterials des p-Typs aufweist.
- Mehrschichtelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer größeren Austrittsarbeit aus Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder Al oder Mischungen hiervon ausgewählt ist.
- Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1, aufweisend mindestens die Verfahrensschritte nacheinander oder gleichzeitiges Aufbringen der Metalle A und B auf eine Absorberschicht, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht E1 höher ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und die Dicke der ersten Elektrodenschicht E1 kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A ausgewählt wird aus der Gruppe der Metalle aus der Hauptgruppe IA oder IIA oder IIIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen ausgewählt ist.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall B ausgewählt ist aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder Al oder Mischungen hiervon.
- Photovoltaisches Bauelement, ausgebildet als organische Solarzelle, aufweisend auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite eine transparente Elektrode, darauf angeordnet eine aktive organische Schicht beliebiger Struktur zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren und darauf angeordnet eine Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1.
- Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Absorberschicht als hybride Mischschicht oder als organisch-anorganische Mischschicht oder als organische Einzelschicht gebildet ist.
- Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der organischen Solarzelle die transparente Elektrode eine TCO-Schicht mit einem Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 60 Ω/ist, die Absorberschicht als Mischschicht von CuPc und C60 im Verhältnis 1:1 in einer Dicke von 50 bis 150 nm ausgebildet ist und die Mehrschichtelektrode eine Zweischichtelektrode ist, die ohne Pufferschicht direkt auf der Absorberschicht angeordnet ist, wobei das erste Metall Mg und das zweite Metall Ag ist und die Dicke der ersten Elektrodenschicht, bestehend aus einer Mg-Ag-Mischschicht, 20 bis 40 nm beträgt, und die Dicke der zweiten Elektrodenschicht aus Ag 70 bis 150 nm beträgt.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final | ||
| R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20150211 |