DE102009038633A1 - Photoaktives Bauelement mit organischen Doppel- bzw. Mehrfach-Mischschichten - Google Patents

Photoaktives Bauelement mit organischen Doppel- bzw. Mehrfach-Mischschichten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein photoaktives Bauelement, insbesondere eine organische Solarzelle, mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden wenigstens zwei organischen photoaktiven Mischschichten, wobei die beiden Mischschichten direkt aneinandergrenzen und wenigstens eines der beiden Hauptmaterialien der einen Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein photoaktives Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Seit der Demonstration der ersten organischen Solarzelle mit einem Wirkungsgrad im Prozentbereich durch Tang et al. 1986 [C. W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986)], werden organische Materialien intensiv für verschiedene elektronische und optoelektronische Bauelemente untersucht.
  • Organische Solarzellen bestehen aus einer Folge dünner Schichten (typischerweise 1 nm bis 1 μm) aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung aufgeschleudert werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen.
  • Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. In diesem Sinne wird hier der Begriff ”photoaktiv” verstanden, nämlich der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluß beitragen.
  • Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2 × 105 cm–1), die es erlauben, effiziente Absorberschichten von nur wenigen Nanometern Dicke herzustellen, so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, wobei die verwendeten organischen Halbleitermaterialien bei Herstellung in größeren Mengen sehr kostengünstig sind, die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie.
  • Eine in der Literatur bereits vorgeschlagene Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle besteht in einer pin-Diode [Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications", PhD thesis TU-Dresden, 1999.] mit folgendem Schichtaufbau:
    • 0. Träger, Substrat,
    • 1. Grundkontakt, meist transparent,
    • 2. p-Schicht(en),
    • 3. i-Schicht(en),
    • 4. n-Schicht(en),
    • 5. Deckkontakt.
  • Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. In diesem Sinne sind derartige Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine undotierte Schicht (intrinsische Schicht). Eine oder mehrere i-Schicht(en) können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke) bestehen. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen. Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In organischen Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle Erfolg versprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Diese kann zwischen der p-(n-)Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i-Schichten liegen. Im eingebauten elektrischen Feld der Solarzelle werden die Elektronen nun zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet abtransportiert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transportschichten um transparente oder weitgehend transparente Materialien mit großer Bandlücke (wide-gap). Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450 nm liegt, bevorzugt bei < 400 nm.
  • Da durch das Licht immer erst Exzitonen erzeugt werden und noch keine freien Ladungsträger, spielt die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche eine kritische Rolle bei organischen Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss daher in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig.
  • Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin vorhanden sind.
  • Aus US 5,093,698 ist die Dotierung organischer Materialien bekannt: Durch Beimischung einer akzeptorartigen bzw. donatorartigen Dotiersubstanz wird die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in der Schicht erhöht und die Leitfähigkeit gesteigert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien in elektrolumineszierenden Bauelementen verwendet. Ähnliche Dotierungsansätze sind analog auch für Solarzellen zweckmäßig.
  • Aus der Literatur sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die photoaktive i-Schicht bekannt: So kann es sich hierbei um eine Doppelschicht ( EP 0 000 829 ) oder eine Mischschicht (Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991)) handeln. Bekannt ist auch eine Kombination aus Doppel- und Mischschichten (Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991); US 6 559 375 ). Ebenfalls bekannt ist, dass das Mischungsverhältnis in verschiedenen Bereichen der Mischschicht unterschiedlich ist ( US 2005 0 110 005 ) bzw. das Mischungsverhältnis einen Gradienten aufweist.
  • Weiterhin sind Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990); DE 10 2004 014 046 ).
  • Das Problem von organischen Solarzellen besteht darin, dass aus elektrischen Gründen (nur eingeschränkt guter Transport für die Ladungsträger) die i-Schicht(en) nur sehr dünn gemacht werden kann (können). Dies hat zur Folge, dass nur ein Teil des Lichts im Bauelement absorbiert wird. Weiterhin sind die Absorptionsbanden von organischen Materialien begrenzt breit und haben für die meisten effizienten in Solarzellen eingesetzten Materialien typischerweise eine spektrale Breite von ca. 200 nm. Dies hat zur Folge, dass die beiden Materialien, die den photoaktiven Übergang bilden (Doppelschicht oder Mischschicht) nur einen spektralen Bereich von ca. 400 nm abdecken können. Eine Solarzelle mit einem sehr hohen Wirkungsgrad muss aber möglichst über den kompletten Spektralbereich von ca. 350 nm bis ca. 1000 nm über eine sehr hohe Absorption verfügen.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, dass die photoaktiven Schichten des Bauelementes möglichst viel Licht absorbieren sollen. Insbesondere soll der Spektralbereich, in dem das Bauelement Licht absorbiert, möglichst breit gestaltet werden können.
  • Die Aufgabe wird durch ein photoaktives Bauelement gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß besteht das i-Schichtsystem des photoaktiven Bauelementes mindestens aus zwei Mischschichten, die direkt aneinandergrenzen und mindestens eine der beiden Hauptmaterialien einer Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht. Jede Mischschicht besteht aus mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein photoaktives Donor-Akzeptor-System bilden. Das Donor-Akzeptor-System zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für die Photoanregung der Donor-Komponente gilt, dass die gebildeten Exzitonen an der Grenzfläche zum Akzeptor bevorzugt in ein Loch auf dem Donor und ein Elektron auf dem Akzeptor getrennt werden. Als Hauptmaterial wird ein Material bezeichnet, dessen Volumen- oder Massen-Anteil in der Schicht größer als 16% ist. Weitere Materialien können technisch bedingt oder aber zur Einstellung von Schichteigenschaften beigemischt sein.
  • Solch ein Bauelement ist noch nicht aus Veröffentlichungen bekannt. Bereits bei einer Doppelmischschicht enthält das Bauelement drei bzw. vier verschiedene Absorbermaterialien, kann damit einen Spektralbereich von ca. 600 nm bzw. ca. 800 nm abdecken und somit die gestellte Aufgabe erfüllen.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Doppelmischschicht auch dazu benutzt werden, für einen bestimmten Spektralbereich deutlich höhere Photoströme zu erzielen, indem Materialien gemischt werden, die bevorzugt in demselben Spektralbereich absorbieren. Dies kann dann im Weiteren benutzt werden, um in einer Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle eine Stromanpassung zwischen den verschiedenen Teilzellen zu erreichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Verbesserung der Ladungsträgertransporteigenschaften der Mischschichten die Mischungsverhältnisse in den verschiedenen Mischschichten gleich oder auch unterschiedlich sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mischschichten bevorzugt aus jeweils zwei Hauptmaterialien.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in den einzelnen Mischschichten ein Gradient des Mischungsverhältnisses vorhanden sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement als organische pin-Solarzelle bzw. organische pin-Tandemsolarzelle ausgeführt. Als Tandemsolarzelle wird dabei eine Solarzelle bezeichnet, die aus einem vertikalen Stapel zweier in Serie verschalteter Solarzellen besteht.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das photoaktive Bauelement als Tandemzellen ausgeführt und es besteht durch die Verwendung von Doppel- bzw. Mehrfachmischschichten der weitere Vorteil, dass die Strom-Angleichung (current matching) zwischen den Teilzellen durch die Wahl der Absorbermaterialien in den Mischschichten optimiert und damit der Wirkungsgrad weiter erhöht werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die einzelnen Materialien dabei in unterschiedlichen Maxima der Lichtverteilung der charakteristischen Wellenlängen, die dieses Material absorbiert, positioniert sein. So kann beispielsweise ein Material in einer Mischschicht im 2. Maximum seiner charakteristischen Wellenlänge liegen und das andere Material im 3. Maximum.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das photoaktive Bauelement, insbesondere eine organische Solarzelle, aus einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden wenigstens zwei organischen photoaktiven Mischschichten, wobei die Mischschichten jeweils im wesentlichen aus zwei Materialien bestehen und die beiden Hauptmaterialien jeweils einer Mischschicht ein Donator-Akzeptor-System bilden sowie die beiden Mischschichten direkt aneinandergrenzen und wenigstens eine der beiden Hauptmaterialien der einen Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht.
  • In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform sind mehrere oder alle Hauptmaterialien der Mischschichten voneinander verschieden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um drei oder mehr Mischschichten, welche zwischen der Elektrode und Gegenelektrode angeordnet sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich zu den genannten Mischschichten noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der einen Elektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der Gegenelektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere der weiteren organischen Schichten dotierte wide-gap Schichten, wobei das Maximum der Absorption bei < 450 nm liegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Bauelement eine pi-, ni-, ip-, in-, pin- oder nip-Struktur.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorberschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen (h) und Breiten (d) jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat. Die rauhe Grenzfläche kann beispielsweise durch eine periodische Mikrostrukturierung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die rauhe Grenzfläche, wenn sie das Licht diffus. reflektiert, was zu einer Verlängerung des Lichtweges innerhalb der photoaktiven Schicht führt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen mindestens zwei Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf, die sich gegenseitig ergänzen, um einen möglichst breiten Spektralbereich abzudecken.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich im Wellenlängenbereich von > 700 nm bis 1500 nm.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die HOMO- und LUMO-Niveaus der Hauptmaterialien so angepasst, dass das System eine maximale Leerlaufspannung, einen maximalen Kurzschlussstrom und einen maximalen Füllfaktor ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine Tandem- oder Mehrfachstruktur.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den verwendeten organischen Materialien um kleine Moleküle. Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen Molmassen zwischen 100 und 2000 verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Insbesondere könnend diese kleinen Molekülen auch photoaktiv sein, wobei unter photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteinfall ihren Ladungszustand ändern.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den verwendeten organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C60, C70, etc.).
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthalten alle photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C60, C70, etc.).
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Donator ein Material aus der Klasse der Phthalocyanine, Perylenderivate, TPD-Derivate, Oligothiophene oder ein Material wie es in WO 2006 092 134 beschrieben ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor das Material Fulleren C60 und als Donator das Material 4P-TPD.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtstruktur mit transparentem Grund- und Deckkontakt versehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder anderen TCOs oder einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT:PSS oder PANI.
  • Im Sinne der Erfindung sind auch Polymersolarzellen, die zwei oder mehrere photoaktive Mischschichten beinhalten, wobei die Mischschichten direkt aneinandergrenzen, möglich. Bei Polymersolarzellen besteht aber das Problem das die Materialien aus Lösung aufgebracht werden und somit eine weitere aufgebrachte Schicht sehr leicht dazu führt, dass die darunter liegenden Schichten angelöst, aufgelöst oder in ihrer Morphologie verändert werden. Bei Polymersolarzellen können daher nur sehr eingeschränkt Mehrfachmischschichten hergestellt werden und auch nur dadurch, dass verschiedene Material- und Lösungsmittelsysteme verwendet werden, die sich bei der Herstellung gegenseitig nicht oder kaum beeinflussen. Solarzellen aus kleinen Molekülen haben hier einen ganz klaren Vorteil, da durch den Aufdampfprozess im Vakuum beliebige Systeme und Schichten aufeinander gebracht werden können und somit der Vorteil der Mehrfachmischschichtstruktur sehr breit genutzt und mit beliebigen Materialkombinationen realisiert werden kann. Weiterhin ist der Einbau der Mehrfachmischschichten in pin-Strukturen (oder nip) mit kontrollierter n- und p-Dotierung sehr vorteilhaft. Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht-polymere organische, photoaktive Moleküle verstanden.
  • In Mehrfachmischschichtsystemen treten vermehrt Transportprobleme für die Ladungsträger auf. Dieser Abtransport wird durch das eingebaute Feld der pin-Struktur deutlich erleichtert. Weiterhin können die Mehrfachmischschichten innerhalb einer pin-Struktur mit dotierten wide-gap Transportschichten verschoben werden, um eine optimale Absorption zu erzielen. Hierfür kann es auch sehr vorteilhaft sein, die pin-Struktur in eine nip-Struktur zu verändern. Speziell wenn die verschiedenen Materialien in den Mehrfachmischschichten in verschiedenen Wellenlängenbereichen absorbieren, können durch eine geeignete Wahl der Struktur (pin oder nip) bzw. eine geeignete Wahl der Schichtdicken der Transportschichten die verschiedenen Materialien jeweils an die optimale Position hinsichtlich der Intensitätsverteilung des Lichtes innerhalb des Bauelementes positioniert werden. Speziell bei Tandemzellen ist diese Optimierung sehr wichtig um einen Ausgleich der Photoströme der Einzelzellen zu erreichen und somit einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung einer Struktur einer erfindungsgemäßen organischen Solarzelle,
  • 2 ein Energieniveau-Schema einer solchen Struktur,
  • 3 die Absorptionsspektren (k-Werte) der Materialien 4P-TPD, C60 und DCV6T
  • 4 die Strom-Spannungskennlinie von zwei erfindungsgemäßen organischen Solarzellen,
  • 5 die Strukturformeln der Materialien 4P-TPD, C60 und DCV6T,
  • 6 die schematische Darstellung einer Struktur eines erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelements auf mikrostrukturiertem Substrat, sowie
  • 7 die schematische Darstellung einer Struktur eines erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelements auf mikrostrukturiertem Substrat.
  • Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen organischen Solarzelle beinhaltet folgende Schichten:
    • 1.) Träger, Substrat
    • 2.) Grundkontakt (z. B. ITO)
    • 3.) Ladungsträgertransportschicht (wide-gap), p- bzw. n-dotiert
    • 4.) aktives i-Schichtsystem,
    • 5.) Ladungsträgertransportschicht (wide-gap), n- bzw. p-dotiert
    • 6.) Deckkontakt (z. B. Gold)
  • In 1 ist ein Energieniveau-Schema dieser erfindungsgemäßen Struktur wiedergegeben. Dabei bedeutet:
    • HOMO
    (Höchstes besetztes Molekül-Orbital)
    LUMO
    (niedrigstes unbesetztes Molekül-Orbital)
    EF
    (Ferminiveau)
    p
    (Löchertransportschicht (HTL, hole transport layer))
    n
    (Elektronentransportschicht (ETL, electron transport layer))
    i1
    (Mischschicht 1)
    i2
    (Mischschicht 2)
  • Die in 1 dargestellten Materialien im i-Bereich zeigen:
    • – durchgezogene Linien: Energieniveaus des einen Hauptmaterials (Akzeptor 1) in i1
    • – gestrichelte Linien: Energieniveaus des anderen Hauptmaterials (Donator 1) in i1
    • – gepunktete Linien: Energieniveaus des einen Hauptmaterials (Akzeptor 2) in i2
    • – langgestricheltete Linien: Energieniveaus des anderen Hauptmaterials (Donator 2) in i2
  • Vorzugsweise sind die HOMO und LUMO-Niveaus der verschiedenen Absorbermaterialien so angepasst, wie in 1 gezeigt, um eine maximale Leerlaufspannung, einen maximalen Kurzschlussstrom und einen maximalen Füllfaktor zu ermöglichen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße photoaktive Bauelement in 2 folgende Schichtreihenfolge auf:
    • 1.) Glas-Substrat 1,
    • 2.) ITO Grundkontakt 2,
    • 3.) Elektronentransportschicht (ETL) 3,
    • 4.) aktives i-Doppel-Schichtsystem 4P-TPD:C60/DCV6T:C60 4, 5,
    • 5.) p-dotierte Löchertransportschicht (HTL) 6,
    • 6.) Deckkontakt (z. B. Gold) 7.
  • In 3 sind die Absorptionsspektren (k-Werte) der Materialien 4P-TPD, C60 und DCV6T dargestellt. Die Materialien absorbieren in verschiedenen Wellenlängenbereichen und ergänzen sich somit, um zusammen einen breiten Bereich des Sonnenspektrums abzudecken.
  • Die 4 zeigt die Strom-Spannungskennlinie von zwei Solarzellen mit dem obigen Aufbau. Die Solarzelle 1 (durchgezogene Kennlinie) enthält als photoaktives i-Schichtsystem nur eine Mischschicht aus den Materialien DCV6T und C60. Die Solarzelle 2 (gestrichelte Kennlinie) enthält als photoaktives i-Schichtsystem eine Doppel-Mischschicht 4, 5 aus den Materialien 4P-TPD und C60 (1. Mischschicht) und den Materialien DCV6T und C60 (2. Mischschicht) als Absorbersystem.
  • Die Solarzelle 2 zeichnet sich durch einen höheren Kurzschlussstrom (jsc) bei gleichbleibend gutem Füllfaktor FF und gleicher Leerlaufspannung (Uoc) gegenüber der Solarzelle 1 aus. Die Solarzelle 2 hat damit einen höheren Wirkungsgrad als die Solarzelle 1 und hat damit die Funktion der Doppelmischschicht 4, 5 demonstriert.
  • Die 5 zeigt die Strukturformeln der verwendeten Hauptmaterialien der in den Mischschichten der in 2 gezeigten Solarzellen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in 6 und 7 eine Lichtfalle zur Verlängerung des optischen Wegs des einfallenden Lichtes im aktiven System verwendet.
  • Dabei wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorberschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise wie in 7 dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen (h) und Breiten (d) jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein. Die Breite der pyramidenartigen Strukturen liegt hierbei zwischen 1 μm und 200 μm. Die Höhe der pyramidenartigen Strukturen kann zwischen 1 μm und 1 mm liegen.
  • Das in 7 dargestellte Bauelement weist dabei folgenden Aufbau auf, wobei mögliche erfindungsgemäße Schichtdicken der einzelnen Schichten angegeben sind:
    • 11: Substrat
    • 12: Elektrode; z. B. ITO oder Metall (10–200 nm)
    • 13: HTL oder ETL-Schichtsystem (10–200 nm)
    • 14: Absorbermischschicht 1 (10–200 nm)
    • 15: Absorbermischschicht 2 (10–200 nm)
    • 16: HTL oder ETL-Schichtsystem (10–200 nm)
    • 17: Elektrode; z. B. ITO oder Metall (10–200 nm)
    • 1
    Träger, Substrat
    2
    Grundkontakt (z. B. ITO)
    3
    Ladungsträgertransportschicht (wide-gap), p- bzw. n-dotiert
    4
    i2 (2. Mischschicht)
    5
    i1 (1. Mischschicht)
    6
    Ladungsträgertransportschicht (wide-gap), n- bzw. p-dotiert
    7
    Deckkontakt
    8
    Weg des Lichts im Bauelement
    11
    Substrat
    12
    Elektrode
    13
    HTL oder ETL-Schichtsystem
    14
    Absorbermischschicht 1
    15
    Absorbermischschicht 2
    16
    HTL oder ETL-Schichtsystem
    17
    Elektrode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (27)

  1. Photoaktives Bauelement, insbesondere eine organische Solarzelle, mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden wenigstens zwei organische photoaktive Mischschichten, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Mischschichten jeweils mindestens zwei Materialien umfassen, wobei (ii) die beiden Hauptmaterialien jeweils einer Mischschicht ein Donator-Akzeptor-System bilden, (iii) die beiden Mischschichten direkt aneinandergrenzen und (iv) wenigstens eine der beiden Hauptmaterialien der einen Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht.
  2. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Hauptmaterialien der Mischschichten verschieden sind.
  3. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um drei oder mehr Mischschichten handelt.
  4. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den genannten Mischschichten noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten vorhanden sind.
  5. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischschichtsystem und der einen Elektrode noch mindestens eine weitere organische Schicht vorhanden ist.
  6. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischschichtsystem und der Gegenelektrode noch mindestens eine weitere organische Schicht vorhanden ist.
  7. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der weiteren organischen Schichten dotierte wide-gap Schichten mit einem Maximum der Absorption bei < 450 nm sind.
  8. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine pi-, ni-, ip-, in-, pin- oder nip-Struktur beinhaltet.
  9. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert wird.
  10. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle dadurch realisiert wird, dass eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine periodisch mikrostrukturierte Grenzfläche zum Kontakt hat.
  11. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle dadurch realisiert wird, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die kurzschlussfreie Kontaktierung und homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte. Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird.
  12. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren aufweisen.
  13. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren aufweisen, die sich gegenseitig ergänzen, um einen möglichst breiten Spektralbereich abzudecken.
  14. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten sich in den Infrarot-Bereich erstreckt.
  15. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten sich in den Infrarot-Bereich im Wellenlängenbereich von > 700 nm bis 1500 nm erstreckt.
  16. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die HOMO- und LUMO-Niveaus der Hauptmaterialien so angepasst sind, dass das System auf eine maximale Leerlaufspannung, einen maximalen Kurzschlussstrom und einen maximalen Füllfaktor konfiguriert ist.
  17. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauelement um eine Tandem- oder Mehrfachstruktur handelt.
  18. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den organischen Materialien um nicht-polymere Materialien, sogenannte kleine Moleküle handelt.
  19. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere handelt.
  20. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate enthält.
  21. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass alle photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate enthalten.
  22. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Donator ein Material aus der Klasse der Phthalocyanine, Perylenderivate, TPD-Derivate oder Oligothiophen-Derivate ist.
  23. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor das Material Fulleren C60 enthält und als Donator das Material 4P-TPD.
  24. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtstruktur mit transparentem Grund- und Deckkontakt versehen ist.
  25. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:A1 oder anderen TCOs oder einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT:PSS oder PANI bestehen.
  26. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Hauptmaterialien in unterschiedlichen Maxima der Lichtverteilung der charakteristischen Wellenlängen, die das betreffende Material absorbiert, positioniert sein können.
  27. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material in einer Mischschicht im 2. Maximum seiner charakteristischen Wellenlänge liegt und das andere Material in dieser Mischschicht im 3. Maximum.
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