DE102010031829A1 - Thermoelectric device useful as a temperature sensor, a thermoelectric cooler, a thermoelectric heater or a thermoelectric power generator, comprises a flexible ceramic substrate and a layer arrangement, which is formed onto the substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit dünnen SchichtenThe The invention relates to a thermoelectric device with thin layers
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Thermoelektrische Eigenschaften von Materialien sind seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung, um thermoelektrische Effekte zum Transport von Wärme oder zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie zu nutzen. Trotz vieler ermutigender Ergebnisse, vor allem auch in jüngster Zeit, ist eine breite Anwendung noch nicht erfolgt.thermoelectric Properties of materials have been the subject for many years research to thermoelectric effects to transport heat or to convert heat into electrical energy use. Despite many encouraging results, especially in Recently, a wide application has not yet taken place.
Die thermoelektrischen Eigenschaften von Materialien spiegeln den Umstand wieder, dass der Wärmetransport z. T. vom elektronischen System getragen wird, dass heißt mit dem Transport von Ladungsträgern einhergeht. Umgekehrt für der Transport von Ladungsträgern ebenfalls zu einem Wärmestrom. Der Zusammenhang von elektrischen und Wärmestrom wird durch den sogenannten Seebeck-Koeffizienten angegeben. Dieser beträgt für Halbleiter typischerweise einige 100 μV/K und ist damit erheblich größer als für Metalle (~1 μV/K).The thermoelectric properties of materials reflect the circumstance again, that the heat transfer z. T. from the electronic System is worn, that means with the transport of Charge carriers. Conversely, for the transport of charge carriers also to a heat flow. The connection of electrical and heat flow is through the so-called Seebeck coefficient specified. This is for semiconductors typically some 100 μV / K and is thus considerably larger than for Metals (~ 1 μV / K).
Vielfach wird vorgeschlagen, den thermoelektrischen Effekt zur Gewinnung von Energie aus natürlich vorhandenen Temperaturdifferenzen bzw. aus Abwärme zu gewinnen. In der Regel kann das nur erfolgreich sein, wenn die Investitionskosten für ein thermoelektrisches Bauelement in einem vernünftigen Verhältnis zur erzeugten Energie bzw. Leistung stehen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Thermoelemente mit besonders geringem Kostenaufwand bereitzustellen.frequently it is proposed to use the thermoelectric effect for recovery of energy from naturally occurring temperature differences or to recover from waste heat. In general, that can only be be successful when the investment costs for a thermoelectric Component in a reasonable proportion to the generated Energy or performance stand. It is an object of the invention To provide thermocouples with a very low cost.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Thermoelement bevorzugt mit einem Lösungsmittelverfahren (zum Beispiel Beschichten oder Drucken) hergestellt. Diese Verfahren zeichnen sich durch geringe Investitionskosten in die Herstellungsapparatur aus. Weiterhin haben sie in der Regel eine hohe Materialausbeute. Schließlich ist der Einsatz von preiswerten Foliensubstraten (z. B. Metallfolie) in einer Rollenbeschichtungsanlage möglich.to To solve this problem, the thermocouple is preferred with a solvent method (for example, coating or printing). These methods are characterized by low Investment costs in the manufacturing equipment. Still have they usually have a high material yield. After all is the use of inexpensive film substrates (eg metal foil) possible in a roller coating plant.
Durch diesen Produktionsprozess können insbesondere großflächige Thermoelemente wirtschaftlich sinnvoll hergestellt werden. Dies erlaubt die Ausnutzung von Wärmequellen, die eine große Oberfläche, aber nur eine geringe Temperaturdifferenz zur Umgebung aufweisen. Solche Wärmequellen sind häufig in der Natur zu finden.By This production process can in particular large-scale Thermocouples are made economically sensible. This allows the exploitation of heat sources, which is a big one Surface, but only a slight temperature difference to Environment. Such heat sources are common to find in nature.
Für Lösungsmittelverfahren können verschiedene Materialien zum Einsatz kommen. Am bekanntesten sind organische Materialien (kleine Moleküle oder Oligo- bzw. Polymere), die häufig in geeigneten Lösungsmitteln prozessiert werden können. Anorganische Materialien können jedoch ebenfalls häufig mit Lösungsmittelverfahren prozessiert werden. Typischerweise werden diese Materialien als funktionalisierte(nano)-Partikel bereitgestellt, und die löslichkeitsvermittelnde Funktionsgruppe nach Abscheidung in einem Ausheizschritt abgetrennt. Beispiele für anorganische Halbleitermaterialien, die bereits in Lösungsmittelprozessen verwendet wurden, sind: Si, ZnO, TiO2, GaN, CdTe, Copper indium gallium (di)selenide (CIGS), Cu2S und andere. Aufgrund der „natürlichen” Löslichkeitseigenschaften der organischen Materialien erscheinen diese bevorzugt für die Ausführung dieser Erfindung, insbesondere für die Verwendung als thermoelektrisch aktive Funktionsmaterialien.For Solvent methods can use different materials be used. The best known are organic materials (small molecules or oligo- or polymers) that are common can be processed in suitable solvents. However, inorganic materials can also be common be processed by solvent method. typically, these materials are provided as functionalized (nano) particles, and the solubilizing functional group after deposition separated in a baking step. Examples of inorganic Semiconductor materials already used in solvent processes are: Si, ZnO, TiO2, GaN, CdTe, Copper indium gallium (di) selenide (CIGS), Cu2S and others. Due to the "natural" solubility properties Of the organic materials, these are preferred for the embodiment of this invention, in particular for the use as thermoelectrically active functional materials.
Die vorgeschlagene Bauelementstruktur kann jedoch auch teilweise oder vollständig mit anderen Prozessen, insbesondere Vakuumabscheideprozessen hergestellt werden. Auch hier ist es möglich, großflächige Bauelemente herzustellen, und auch die Prozessierung auf Rollensubstraten ist möglich.The However, proposed component structure may also partially or completely with other processes, in particular vacuum deposition processes getting produced. Again, it is possible, large-scale components and also processing on roll substrates possible.
Organische Halbleiter wurden vereinzelt in der Literatur für thermoelektrische Anwendungen vorgeschlagen, allerdings sind die entsprechenden Materialeigenschaften wenig untersucht. Erst in jüngster Zeit sind organische Halbleiter stärker in den Fokus systematischer Forschung geraten, so dass für diese Arbeit einige Vergleichswerte zur Verfügung stehen.organic Semiconductors have been isolated in the literature for thermoelectric Applications suggested, however, are the appropriate material properties little studied. Only recently are organic Semiconductors more in the focus of systematic research advised, so for this work some comparative values be available.
LeistungszahlCOP
Die Leistungsfähigkeit von thermoelektrischen Materialien kann mit einer Leistungszahl (im Englischen figure of merit) beschrieben werden. Sie enthält die relevanten Materialeigenschaften und beschreibt sowohl für Heiz-/Kühlelemente als auch für die Stromgewinnung den maximal möglichen Wirkungsgrad. Bei der Betrachtung der Leistungszahl ist allerdings zu beachten, dass dieser maximale Wirkungsgrad u. U. fernab des technisch interessanten Bereichs der maximalen Leistungsfähigkeit des Bauelements erzielt wird. Die Leistungszahl Z ist wobei σ die elektrische Leitfähigkeit, S der Seebeck-Koeffizient und λ die thermische Leitfähigkeit des Materials ist. Werte für Z·T größer 1 erlauben, thermoelektrische Anwendungen eines Materials in Erwägung zu ziehen (T ist die mittlere Temperatur, bei der das Bauelement betrieben wird).The performance of thermoelectric materials can be described by a figure of merit. It contains the relevant material properties and describes the maximum possible efficiency both for heating / cooling elements and for power generation. at the consideration of the coefficient of performance is to be noted, however, that this maximum efficiency u. U. far from the technically interesting range of maximum performance of the device is achieved. The coefficient of performance Z is where σ is the electrical conductivity, S the Seebeck coefficient and λ the thermal conductivity of the material. Values for Z · T greater than 1 allow thermoelectric applications of a material to be considered (T is the average temperature at which the device operates).
In
der Literatur sind die benötigten Materialgrößen
nur sporadisch zu finden. Arbeiten aus jüngerer Zeit betreffen
vor allem dotierte Polymersysteme bzw. Charge-Transfer-Komplexe.
Typische Größen sind in der Tabelle angeben.
Es ist erkennbar, dass sich für dotierte Polymere sehr hohe Leitfähigkeiten erzielen lassen. Der Seebeck-Koeffizient ist (vermutlich wg. des sehr hohen Dotierniveaus) gering. Zu qualitativ ähnlichen Einschätzungen kommt man bei Charge-Transfer-Komplexen.It It can be seen that for doped polymers very high To achieve conductivities. The Seebeck coefficient is low (presumably because of the very high doping level). To qualitatively similar Assessments come with charge transfer complexes.
Da mit niedrigerer Dotierkonzentration die Leitfähigkeit zunimmt, der Seebeck-Koeffizient jedoch abnimmt, ist es interessant, ein niedrigmolekulares organische Materialsystem zu untersuchen.There with lower doping concentration the conductivity increases, However, the Seebeck coefficient decreases, it is interesting to one to study low molecular weight organic material system.
Thermoelektrische Eigenschaften des Systems ZnPc:F4-TCNQThermoelectric properties of the system ZnPc: F4-TCNQ
Für die Untersuchungen wurde das Materialsystem ZnPc:F4-TCNQ ausgewählt. Die chemische Struktur der Materialien ist in der Graphik zu entnehmen.For the investigations were selected the material system ZnPc: F4-TCNQ. The chemical structure of the materials can be seen in the graph.
ZnPc (Zink Phthalozyanin) ist ein löchertransportierender organischer Halbleiter. F4-TCNQ (Tetrafluoro-tetracyanochinodimethan) wirkt in diesem Wirtssystem als p-Dotand. Aus der Literatur ist bereits bekannt, dass F4-TCNQ zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit der Matrix führt. Der Seebeck-Koeffizient liegt für eine dotierte Dünnschicht dieses Materialsystems im Bereich von einigen Hundert μV/K. Die Materialien sind außerdem gut verfügbar.ZnPc (zinc phthalocyanine) is a hole-transporting organic semiconductor. F4-TCNQ (tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane) acts as a p-dopant in this host system. It is already known from the literature that F4-TCNQ leads to an increase in the conductivity of the matrix. The Seebeck coefficient for a doped thin film of this material system is in the range of a few hundred μV / K. The materials are also readily available.
Zur Probenherstellung wurden die Pulver beider Materialien im Verhältnis 10:1 (ZnPc:F4-TCNQ) gemischt und zu einem Pressling von 0.5 mm Dicke verpresst (Probe D). Zum Vergleich wurde ebenfalls ein Pressling aus reinem ZnPc hergestellt (Probe U). Die Verwendung organischer Materialien in solchen makroskopischen Geometrien ist zwar unüblich. Jedoch stehen die benötigten Meßmethoden für diese Proben zur Verfügung, im Gegensatz zu Dünnschicht-Proben, für keine etablierten Methoden zur Probenpräparation zur Verfügung stehen.to Sample preparation, the powders of both materials were in proportion 10: 1 (ZnPc: F4-TCNQ) mixed and to a compact of 0.5 mm thickness pressed (sample D). For comparison, was also a compact made of pure ZnPc (Sample U). The use of organic Although materials in such macroscopic geometries are unusual. However, the required measuring methods are available for these samples are available, as opposed to thin-layer samples, for no established methods for sample preparation be available.
Die
Graphik (
Für die Wärmeleitfähigkeit wird für beide Proben ein Wert von etwa 0,2 W/mK gefunden. Bemerkenswert ist dabei neben der absoluten Höhe des Wertes, dass sich die Wärmeleitfähigkeit durch die Dotierung nicht ändert. Dies bedeutet, dass Ladungsträger nur unwesentlich zum Transport von Wärme durch den organischen Festkörper beitragen. Dies hat wichtige Implikationen für die Anwendbarkeit des Materials.For the thermal conductivity is for both Samples found a value of about 0.2 W / mK. It is remarkable in addition to the absolute level of the value, that is the thermal conductivity not changed by the doping. This means that charge carriers only insignificant for the transport of heat through the organic Contribute solids. This has important implications for the applicability of the material.
Mit Hilfe des aus der Literatur bekannten Seebeck-Koeffizienten von ZnPc:F4-TCNQ von etwa 400 μV/K (maennig01) lässt sich die Leistungszahl des Materialsystems berechnen: With the aid of the Seebeck coefficient of ZnPc: F4-TCNQ of about 400 μV / K (maennig01) known from the literature, the coefficient of performance of the material system can be calculated:
Hierbei wurden in einer optimistischen Abschätzung soweit vorhanden die günstigeren Werte der Dünnschichtstruktur verwendet.in this connection were available in an optimistic estimate so far the more favorable values of the thin-film structure used.
Es zeigt sich, dass die Leistungszahl des organischen Materials trotz eines geeigneten Seebeck-Koeffizienten bei Betrieb bei Raumtemperatur sehr gering ist.It shows that the coefficient of performance of the organic material despite a suitable Seebeck coefficient when operating at room temperature is very low.
Verwendung als ThermogeneratorUse as thermogenerator
Um
zu einer Einschätzung der praktischen Verwendbarkeit von
organischen Dünnschichten zu kommen, werden verschiedene
Szenarien untersucht. Dabei werden 2 Materialsysteme gegenübergestellt.
Zum einen wird ein idealisiertes organisches, Material betrachtet,
dessen thermoelektrischen Parameter als realisierbar betrachtet
werden. Allerdings stellt diese Kombination von Materialgrößen
einen erheblichen Unterschied gegenüber den gegenwärtigen
Messgrößen dar. Zum Vergleich werden Daten für
Dünnschichten aus Wismut-Tellurid herangezogen. Dieses
Material ist für thermoelektrische Anwendungen gut untersucht.
Aus der Leistungszahl ergibt sich der maximal möglicher Wirkungsgrad für die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Dabei gehen die Temperaturen des warmen und kalten Reservoirs ein. Für Anwendungen für Wärmesenken bei Raumtemperatur (T = 330 K) und einer Temperaturdifferenz von 5 K zur Wärmequelle ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad von nur 0,002%.Out The coefficient of performance gives the maximum possible efficiency for the conversion of thermal energy into electrical Energy. The temperatures of the warm and cold reservoir go by one. For applications for heat sinks at room temperature (T = 330 K) and a temperature difference of 5 K to the heat source results in a maximum efficiency of only 0.002%.
Um einen Betrieb im Bereich des maximalen Wirkungsgrads zur gewährleisten, müssen der elektrische Lastwiderstand und die Dimension des thermoelektrischen Einzelelements aufeinander abgestimmt werden. Für eine Schichtdicke von 100 nm und quadratischen Einzelelementen mit den Abmessungen 0,1 × 0,1 mm2 ergibt sich ein optimaler Lastwiderstand von 2.5 kΩ bei einer Gesamtfläche des Bauelements von 1 cm2 (d. h. einer Anordnung von 10 000 Einzelelementen auf dieser Grundfläche). Die elektrische Leistung beträgt in diesem Fall ca. 10 mW (bzw. 10 mW/cm2). Dieser Wert bezieht sich auf eine vollständige Ausfüllung der verfügbaren Fläche mit aktiven Elementen, ist also als obere Abschätzung eines tatsächlich möglichen Wertes zu verstehen.In order to ensure operation in the area of maximum efficiency, the electrical load resistance and the dimension of the individual thermoelectric element must be matched to one another. For a layer thickness of 100 nm and square individual elements with the dimensions 0.1 × 0.1 mm 2 results in an optimal load resistance of 2.5 kΩ for a total area of the device of 1 cm 2 (ie an arrangement of 10,000 individual elements on this base) , The electrical power in this case is about 10 mW (or 10 mW / cm 2 ). This value refers to a complete filling of the available area with active elements, so it should be understood as an upper estimate of an actually possible value.
Dieser
Wert ist zu vergleichen mit Ergebnissen an Miniaturthermoelementen
der Firma Micropelt, die auf einer Bi2Te3 Technologie beruhen. Hier werden 1,2 mW/cm2 angegeben. Es ist zu beachten, dass es
sich hierbei um einen realen Wert handelt, dass insbesondere die
Flächeausnutzung nur < 10%
beträgt und dass der Wirkungsgrad dieses Bauelements erheblich über
dem organischen Bauelements liegt. Technische Herausforderungen für
ein Dünnschicht-Bauelement
Aus dem Vergleich der Materialparameter organischer Schichten mit den Parametern von Wismut-Tellurid ergibt sich, dass die erheblich geringere Leistungsfähigkeit des organischen Materials durch andere Vorteile ausgeglichen werden muss, um eine Anwendung ins Auge zu fassen. Hierbei könnten insbesondere geringe Produktionskosten (durch Verwendung von Lösungsmittelprozessen und Skalierbarkeit des Bauelements) und die Einpassung in die gewünschte Applikationsgeometrie aufgrund der potentiellen Flexibilität des Bauelements eine Rolle spielen. Der Leistungsbedarf des elektrischen Verbrauchers kann allerdings nur gering sein. Eine denkbare Anwendung ist die Versorgung elektrischer Funktionskleidung mit elektrischer Energie, die aus der Körperwärme gespeist wird.Out the comparison of the material parameters of organic layers with the Parameters of bismuth telluride shows that the significantly lower Performance of organic material by others Benefits must be balanced to target an application believe it. This could, in particular, low production costs (by using solvent processes and scalability of the component) and the adaptation to the desired application geometry due to the potential flexibility of the device play a role. The power requirement of the electrical consumer but it can only be small. A conceivable application is the Supply of electrical functional clothing with electrical energy, which is fed from the body heat.
Es darf dabei aber nicht verkannt werden, dass die typische Bauelementgeometrie eines thermoelektrischen Elements erheblich von denen anderer organischer Bauelemente wie zum Beispiel organische Leuchtdioden oder organische Dünnschichttransistoren abweicht. Eine Übertragung der Fertigungsprozesse für jene Strukturen auf thermoelektrische Anwendung bedarf eines hohen Anpassungsaufwands. Weiterhin besteht gerade für dünne Schichten die Schwierigkeit, dass zur Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten ein hoher Wärmestrom benötigt wird. Ein solcher Wärmestrom kann in praktischen Situationen nur schwer kontinuierlich aufrecht erhalten werden. Dies kann erfordern, auf Dickschichttechnologien zur Fertigung der thermoelektrisch aktiven Schicht zurückzugreifen. Dies kann ebenfalls neue Herausforderungen bedeuten.It However, it should not be forgotten that the typical component geometry a thermoelectric element significantly different from those of other organic Components such as organic light-emitting diodes or organic Thin-film transistors deviates. A transmission the manufacturing processes for those structures on thermoelectric Application requires a high adaptation effort. Continue to exist especially for thin layers the difficulty that for maintaining the temperature gradient, a high heat flow is needed. Such heat flow can be in Practical situations difficult to sustain continuously become. This may require on thick-film technologies for manufacturing to access the thermoelectrically active layer. This can also mean new challenges.
In Hinblick auf die thermoelektrischen Eigenschaften eines organischen Materials erscheinen Anwendungsbereiche interessant, die eine kostengünstige, großflächige Lösung bzw. ein flexibles Thermoelement benötigen.In Regarding the thermoelectric properties of an organic Materials appear interesting areas of application, which are cost-effective, large-scale solution or a flexible one Need thermocouple.
Hinsichtlich der verwendeten Materialien ist insbesondere die Kombination eines molekularen Dotanden mit einer Matrix mit hoher Beweglichkeit vorteilhaft. Damit ist es ermöglicht, die in der Tabelle 2 angenommenen Materialparameter zu zeigen.Regarding the materials used is in particular the combination of a molecular dopants with a matrix with high mobility advantageous. This makes it possible to adopt the in Table 2 Show material parameters.
Gewöhnlich wird für thermoelektrische Bauelemente, welche sich nebeneinander auf einem Substrat befinden, eine Reihenschaltung als Struktur für p- und n-Typ Halbleiterbereiche gewählt.Usually is used for thermoelectric components, which are next to each other on a substrate, a series circuit as a structure for selected p- and n-type semiconductor regions.
Für organische Bauelemente kann die Anschlussfläche für diese p- und n-Bereichen relativ groß sein, z. B. im mm2 Bereich. Das vereinfacht die Strukturierung der p- und n-Bereichen. Die Schichtdicke der organischen Schichten sollte groß genug sein um einen genügenden Wärmewiderstand zu gewährleisten der dabei den Temperaturgradienten erhält (oder mit anderen Worten, den Wärmefluss begrenzt). Je nach Anwendung, ist es erforderlich dass die Schichten aus den p- und n-Typ Materialien etwas dicker sind und im Mikrometerbereich liegen. Dickschicht-Herstellungsverfahren sind in diesem Fall besser geeignet als Dünnschicht-Herstellungsverfahren.For organic devices, the pad may be relatively large for these p and n regions, e.g. B. in mm 2 range. This simplifies the structuring of the p and n regions. The layer thickness of the organic layers should be large enough to ensure a sufficient thermal resistance thereby preserving the temperature gradient (or in other words limiting the heat flow). Depending on the application, it is necessary that the layers of the p- and n-type materials are slightly thicker and in the micrometer range. Thick film production processes are more suitable in this case than thin film production processes.
Unter
diesen Bedingungen werden für eine Bauelementstruktur folgende
Bausteine und deren Herstellungsprozesse vorgeschlagen:
Ein
Substrat wird bereitgestellt. Dieses sollte genügend Wärmeleitfähigkeit
und eine ausreichende mechanische Stabilität besitzen.
Eine vorteilhafte Wahl sind Substrate aus Metall, wie z. B. Scheiben
oder Folien aus Aluminium-, Zink-, Silizium- oder Kupfer. Elektrisch
isolierende Substrate wie Keramikscheiben können auch eingesetzt
werden. Falls das Substrat elektrisch leitfähig ist, kann
es mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden. Die
elektrisch isolierende Schicht kann aus organischen Materialien,
z. B. Polymeren (z. B. Polyimide, Parylene), Oxidschichten oder
anderen Schichten bestehen.Under these conditions, the following building blocks and their production processes are proposed for a component structure:
A substrate is provided. This should have sufficient thermal conductivity and sufficient mechanical stability. An advantageous choice are substrates made of metal, such as. As discs or films of aluminum, zinc, silicon or copper. Electrically insulating substrates such as ceramic discs can also be used. If the substrate is electrically conductive, it may be provided with an electrically insulating layer. The electrically insulating layer may be made of organic materials, for. As polymers (eg., Polyimides, Parylene), oxide layers or other layers.
Im folgenden Beispiel wird eine Aluminiumfolie mit einer PMMA als isolierender Schicht verwendet.in the The following example is an aluminum foil with a PMMA as insulating Layer used.
Die Grundelektrode sollte die Flächen, die später von den p- und n-Typ Bereichen benutzt wird, bedecken. Eine vollständige Bedeckung dieser Bereiche ist nicht nötig, da die p- und n-Typ Bereiche eine gewisse eigene Leitfähigkeit besitzen. Die Grundelektrode kann durch Schattenmasken mit thermischer Verdampfung im Vakuum oder auch durch Drucken hergestellt werden. Die Grundelektrode muss ausreichend leitfähig sein um den inneren elektrischen Widerstand des Bauelements gering zu halten. Demzufolge sollten leitfähige Materialien, wie leitfähige Polymere (z. B. auf PEDOT basierende Mischungen wie Polyethylenedioxithiopen dotiert mit Polysulfonsäuren, PEDOT:PSS, oder leitfähiges Polyanilin) oder Metalle wie Kupfer, Gold, Silber, Aluminium für die Elektroden benutzt werden.The Base electrode should be the surfaces later used by the p- and n-type areas. A complete Covering these areas is not necessary as the p and n-type areas have a certain own conductivity. The base electrode can be replaced by shadow masks with thermal evaporation in the Vacuum or even produced by printing. The bottom electrode must be sufficiently conductive around the internal electrical Resistance of the device to keep low. Consequently, should conductive materials, such as conductive polymers (eg, PEDOT-based blends such as polyethylene dioxithiophene doped with polysulfonic acids, PEDOT: PSS, or conductive Polyaniline) or metals such as copper, gold, silver, aluminum for the electrodes are used.
In
einem bevorzugten Beispiel werden ITO-Elektroden durch Zerstäuben
(Sputtern) abgelagert. Das ITO hat eine Schichtdicke von 100 nm.
Die Graphik (
Nächstfolgend wird eine Passivierungsstruktur bereitgestellt. Diese dient dazu, die Fläche für die p- und n-Typ Bereiche zu definieren, die thermische und elektrische Isolierung zwischen Grund und Deckelektrode herzustellen und die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Die Öffnungen (Durchbrüche) in der Passivierungsschicht haben vorzugsweise eine sechseckige Struktur um die Fläche des aktiven Materials (organischer Halbleiter) größtmöglich zu wählen. Aus Gründen der Prozessvereinfachung sind aber auch eher rechteckige, quadratische oder runde Formen denkbar. Die Passivierungsstruktur kann durch Verdampfung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Lösungsmittelbeschichtung, Photolithographie und/oder Druckmethoden hergestellt werden. Nützliche Materialien sind Polyimide, Photolacke (z. B. SU-8 oder AZ1518 [Microchemicals]), PMMA (Polymethylmethacrylate), isolierende Oxide, Parylene. Falls nötig, können die Schichten auch durch Vernetzung (Crosslinking) stabilisiert werden.next, a passivation structure is provided. This serves to define the area for the p- and n-type areas, the thermal and electrical insulation between ground and cover electrode produce and to ensure the mechanical stability. The openings (openings) in the passivation layer preferably have a hexagonal structure around the surface of the active material (organic semiconductor) as much as possible to choose. For the sake of process simplification but are also more rectangular, square or round shapes conceivable. The passivation structure can by evaporation, chemical Vapor deposition (CVD), solvent coating, Photolithography and / or printing methods are produced. helpful Materials are polyimides, photoresists (eg SU-8 or AZ1518 [Microchemicals]), PMMA (polymethyl methacrylates), insulating oxides, parylenes. If necessary, the layers can also be crosslinked (Crosslinking) are stabilized.
In einem bevorzugten Beispiel, wird die Passivierung aus AZ1518 hergestellt und durch eine Schattenmaske belichtet. Die Passivierungsschicht hat eine Schichtdicke von 500 nm.In In a preferred example, the passivation is made from AZ1518 and exposed through a shadow mask. The passivation layer has a layer thickness of 500 nm.
Die
Graphik (
Danach werden die Öffnungen mit den aktiven p- und n-Materialien gefüllt. Die oberste Oberfläche der Passivierung kann so verändert werden (z. B. indem die Oberfläche hydrophob oder hydrophil gemacht wird), dass das aktive Material nicht auf die Passivierung abgeschieden wird. Solche Veränderungen der Passivierungsstruktur können z. B. durch die Nutzung geeigneter sich selbst organisierter Monolagen (z. B. durch Verwendung von Fluoroalkylsilanen (FAS) und Octadecyltrimethoxysilanen (ODS)), durch Plasmabehandlung der Oberfläche oder durch Behandlung mit Säuren oder Laugen erreicht werden. Das vereinfacht die Strukturierung der aktiven Schicht. Die p- und n-Typ Materialien können durch Tintenstrahldruck und/oder Spritz-Methoden (Spritzautomat) aufgetragen werden. Die aktiven Schichten sollten Materialien enthalten die eine hohe Löcher- und/oder Elektronenbeweglichkeit besitzen, i. e. größer als 10^–1 cm2/Vs. Diese Materialien können aus Polymeren oder aus so genannten kleinen Molekülen bestehen. Als Polymere könnte man Poly(3-hexylthiophene) (P3HT), Polyfluoren oder Copolymere (mit wiederholenden Thiophen oder Fluoren Einheiten) verwenden. Als Small molecules eignen sich Phthalocyanin (z. B. Zn Phthalocyanin oder perfluoriertes Zn Phthalocyanin), Fullerene (u. a. C60, lösbares PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) oder fluoriniertes Fluoren), Pentacene, Porphyrine (z. B. Zn Porphyrin), Oligothiophene oder fluorierte Oligothiophene. Weiterhin sollten die aktiven Materialien Dotierungsmaterialien enthalten, welche für die Leitfähigkeit der p- oder n-Typen in den entsprechenden Öffnungen sorgen. Geeignete Dotierungsmaterialien sind Tetracyano quinodimethan (TCNQ) oder Tetrafluoro tetracyano Quinodimethan (F4TCNQ), oder ähnliche Materialien welche einen starken Akzeptorcharakter aufweisen. Diese Materialien induzieren die p-Typ Leitfähigkeit.Thereafter, the openings are filled with the active p and n materials. The top surface of the Passivation can be changed (eg by making the surface hydrophobic or hydrophilic) so that the active material is not deposited on the passivation. Such changes in the passivation structure may e.g. By using suitable self-assembled monolayers (eg, by using fluoroalkylsilanes (FAS) and octadecyltrimethoxysilanes (ODS)), by plasma treatment of the surface, or by treatment with acids or alkalis. This simplifies the structuring of the active layer. The p- and n-type materials can be applied by ink jet printing and / or spraying methods. The active layers should contain materials that have high hole and / or electron mobility, ie greater than 10 ^ -1 cm 2 / Vs. These materials may consist of polymers or of so-called small molecules. As polymers one could use poly (3-hexylthiophene) (P3HT), polyfluorene or copolymers (with repeating thiophene or fluorene units). Suitable small molecules are phthalocyanine (eg Zn phthalocyanine or perfluorinated Zn phthalocyanine), fullerenes (including C60, soluble PCBM (phenyl-C61-butyric acid methyl ester) or fluorinated fluorene), pentacenes, porphyrins (eg Zn Porphyrin), oligothiophenes or fluorinated oligothiophenes. Furthermore, the active materials should contain dopants that provide the conductivity of the p or n types in the respective openings. Suitable doping materials are tetracyano quinodimethane (TCNQ) or tetrafluoro tetracyano quinodimethane (F4TCNQ), or similar materials which have a strong acceptor character. These materials induce p-type conductivity.
Weitere geeignete Dotierungsmaterialien sind Tetrathiafulvalene (TTF) und deren Derivate, Metallkomplexe wie Kobaltozen oder Dotanden wie LCV (Leukokristall Violett Base). Diese Materialien sind dadurch charakterisiert, dass sie einen starken donatorartigen Charakter haben, bzw. ein geringes Ionisierungspotential aufweisen. Diese Materialien induzieren die n-Typ Leitfähigkeit. Ladungstransferkomplexe oder radikale ionische Salze wie TCNQ:TTF können auch als aktive Materialien verwendet werden.Further suitable dopants are tetrathiafulvalene (TTF) and their derivatives, metal complexes such as cobalt salts or dopants such as LCV (leucocrystal violet base). These materials are characterized that they have a strong donor-like character, respectively have low ionization potential. Induce these materials the n-type conductivity. Charge transfer complexes or radicals Ionic salts like TCNQ: TTF can also act as active materials be used.
In einem bevorzugten Beispiel, wurden der p-Typ Bereich mit F4-TCNQ dotiertem P3HT hergestellt. Die n-Typ Bereich wurden aus mit LCV dotiertem PCBM hergestellt. Beide Schichten haben eine Dicke von 500 nm und werden durch Lösungsprozessierung der Materialien in den geeigneten Öffnungen gebildet.In A preferred example was the p-type region with F4-TCNQ made of doped P3HT. The n-type area were made out with LCV made of doped PCBM. Both layers have a thickness of 500 nm and are by solution processing of the materials formed in the appropriate openings.
Die
Grafik (
Danach wird die Deckelektrode auf der Struktur bereitgestellt. Die Deckelektrode stellt einen elektrischen Kontakt zwischen den p- und n-Typ Bereichen her. Die gebildeten p/n Streifenpaare sind in Reihe geschaltet, um so an den Polen A und B die Thermospannung bereitzustellen. Die Deckelektrode sollte die Bereiche, die von den p- und n-Typ Bereichen belegt sind, bedecken. Eine vollständige Abdeckung ist nicht nötig, weil die p- und n-Typ Bereichen eine gewisse eigene Leitfähigkeit besitzen. Die Deckelektrode kann durch Schattenmasken mit thermischer Verdampfung im Vakuum hergestellt werden, oder auch durch Drucken. Die Materialien können aus derselben Materialiengruppe ausgewählt werden, die für die Grundelektrode geeignet ist.After that the cover electrode is provided on the structure. The cover electrode provides electrical contact between the p- and n-type regions ago. The formed p / n strip pairs are connected in series, so as to provide at the poles A and B, the thermoelectric voltage. The Cover electrode should be the areas covered by the p- and n-type areas are covered, cover. A complete cover is not necessary, because the p- and n-type areas have a certain own conductivity. The cover electrode may be through shadow masks be prepared with thermal evaporation in a vacuum, or also by printing. The materials can be from the same group of materials be selected for the base electrode suitable is.
In einem bevorzugten Beispiel, wurden Silberelektroden (100 nm Dick) bei Vakuum-Verdampfung durch eine Schattenmaske hergestellt. Eine 500 nm dicke Passivierungsschicht aus Parylene wurde darauf folgend bereitgestellt.In a preferred example, silver electrodes (100 nm thick) were used produced by a shadow mask during vacuum evaporation. A 500 nm thick passivation layer of parylene was subsequently provided.
Die
Grafik (
Je nach Bedarf können zusätzliche Merkmale hinzugefügt werden, z. B. eine Passivierungsschicht oder über die Deckelektrodestruktur ein zweites Substrat. Die Materialien für die Passivierungsschicht können aus den Materialien, die für die Passivierungsschicht auf dem ersten Substrat benutzt wurden, ausgewählt werden. Das zweite Substrat kann aus der Gruppe der Materialien, die für das erste Substrat geeignet sind, ausgewählt werden.ever additional features may be added as needed be, for. B. a passivation layer or over the cover electrostructure a second substrate. The materials for the passivation layer can be made from the materials required for the passivation layer selected on the first substrate. The second substrate may be selected from the group of materials suitable for the first substrate are suitable to be selected.
Literaturliterature
-
Aich01:
R. D. Aich et al., Chem. Mater., 2009, 21 (4), 751 RD Aich et al., Chem. Mater., 2009, 21 (4), 751 -
Choi86:
M.-Y. Choi et al., Phys. Rev. B, 1986, 34 (11), 7727 M.-Y. Choi et al., Phys. Rev. B, 1986, 34 (11), 7727 -
Jiang08:
F.-X. Jiang, Chin. Phys. Lett., 2008, 25 (6), 2202 F.-X. Jiang, Chin. Phys. Lett., 2008, 25 (6), 2202 -
Mannig01:
B. Maennig et al., Phys. Rev. B, 2001, 64, 195208 Maennig et al., Phys. Rev. B, 2001, 64, 195208 -
Wüsten08:
J. Wüsten, K. Potje-Kamloth, J. Phys. D, 2008, 41, 135113 J. Deserts, K. Potje-Kamloth, J. Phys. D, 2008, 41, 135113 -
Yakuphanoglu08:
F. Yakuphanoglu et al., J. Electron. Mater., 2008, 27 (6), 930 F. Yakuphanoglu et al., J. Electron. Mater., 2008, 27 (6), 930
Glossarglossary
- Grundelektrode: dem Substrat nächstliegende Elektrode, mit n- oder p-Typ Schicht (Bereich) in elektrischem Kontakt, bevorzugt auch in direktem BerührungskontaktBase electrode: electrode closest to the substrate, with n- or p-type layer (region) in electrical contact, preferred also in direct contact
- Deckelektrode: mit n- oder p-Typ Schicht (Bereich) in elektrischem Kontakt, bevorzugt auch in direktem Berührungskontakt, n- oder p-Typ Schicht (Bereich) ist zwischen Grundelektrode und Deckelektrode angeordnetCover electrode: with n- or p-type layer (area) in electrical Contact, preferably in direct contact, n- or p-type layer (area) is between ground electrode and Cover electrode arranged
- Elektrisch isolierend: Schicht oder Substrat die nicht elektrisch leitfähig ist, bevorzugt weist die Schicht einen elektrischen Widerstand größer als 10^6 Ohm·cm2 auf; weiter bevorzugt besteht eine elektrisch isolierende Schicht oder Substrat aus einem isolierenden Material das eine Leitfähigkeit kleiner als 10^–8 S/cm^–1 aufweist.Electrically insulating: layer or substrate which is not electrically conductive, preferably, the layer has an electrical resistance greater than 10 ^ 6 ohm cm 2 ; more preferably, an electrically insulating layer or substrate is made of an insulating material having a conductivity less than 10 ^ -8 S / cm ^ -1.
- Wärmeleitfähigkeit des Substrates: Das Substrat sollte aus ein Material sein, das eine Leitfähigkeit größer oder gleich der Wärmeleitfähigkeit vom Glas aufweisen (–1 W/(m. K)), bevorzugt größer oder gleich 10 W/(m. K) (Stahl), weiter bevorzugt größer oder gleich 200 W/(m. K) (Al).Thermal conductivity of the substrate: the substrate should be made of a material that has a conductivity greater or equal to the thermal conductivity of the glass (-1 W / (m.K)), preferably greater or equal to 10 W / (m.K) (steel), more preferably larger or equal to 200 W / (m.K) (Al).
- Thermisch isolierend: Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 0,5 W/(m. K) (Epoxid), bevorzugt kleiner oder gleich 0,15 W/(m. K), weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,03 W/(m. K).Thermally insulating: thermal conductivity smaller or equal to 0.5 W / (m.K) (epoxy), preferably less than or equal to 0.15 W / (m.K), more preferably less than or equal to 0.03 W / (m.K).
- Flächige Schichten: sind Schichten die ein Verhältnis von der längsten Seite bis zur Schichtdicke von mindestens 1 zu 10, bevorzugt von 1 zu 100, weiter bevorzugt von 1 zu 1000 haben. Das Substrat ist bevorzugt dicker als die anderen Schichten.Flat Layers: Layers are a relationship from the longest side to the layer thickness of at least 1 to 10, preferably from 1 to 100, more preferably from 1 to 1000 to have. The substrate is preferably thicker than the other layers.
Bevorzugte Dicken:Preferred thicknesses:
Elektrodenschichtdicken sind bevorzugt größer als 50 nm. Elektrodenschichtdicken sind bevorzugt kleiner als 10 μm, bevorzugt kleiner als 300 nm.Electrode layer thickness are preferably greater than 50 nm. Electrode layer thicknesses are preferably less than 10 microns, preferably less than 300 nm.
Die Schichtdicke der p- und n-Bereiche ist bevorzugt größer als 100 nm, bevorzugt größer als 1 μm; Schichtdicke der p- und n-Bereichen ist bevorzugt kleiner als 100 μm; p- und n-Bereiche können unterschiedliche Schichtdicken aufweisen; die unterschiedlichen Dicken können zumindest teilweise die unterschiedlichen elektronischen und thermoelektrischen Materialeigenschaften ausgleichen.The Layer thickness of the p and n regions is preferably larger as 100 nm, preferably larger than 1 μm; layer thickness the p and n regions are preferably less than 100 μm; p and n regions can have different layer thicknesses exhibit; the different thicknesses can at least partly the different electronic and thermoelectric Balance material properties.
Elektrische DotierungElectric doping
Die n- und p-Dotierung in dieser Erfindung wird auch als Elektrische Dotierung bezeichnet.The n- and p-doping in this invention is also referred to as electrical Doping referred to.
Es ist bekannt, organische Halbleiter durch Dotierung hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihrer elektrischen Leitfähigkeit, zu verändern, wie dies auch bei anorganischen Halbleitern, wie Siliziumhalbleitern, der Fall ist. Hierbei wird durch Erzeugung von Ladungsträgern im Matrixmaterial eine Erhöhung der zunächst recht niedrigen Leitfähigkeit sowie je nach Art des verwendeten Dotanden eine Veränderung im Fermi-Niveau des Halbleiters erreicht. Eine Dotierung führt hierbei zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit von Ladungstransportschichten, wodurch ohmsche Verluste verringert werden, und zu einem verbesserten Übergang der Ladungsträger zwischen Kontakten und organischer Schicht. Die Dotierung im Leitfähigkeitssinne ist durch einen Ladungsübertrag vom Dotand auf ein nahe liegendes Matrixmolekül gekennzeichnet (n-Dotierung, Elektronenleitfähigkeit erhöht), bzw. durch den Übertrag eines Elektrons von einem Matrixmolekül auf einen nahe liegenden Dotanden (p-Dotierung, Löcherleitfähigkeit erhöht). Der Ladungsübertrag kann unvollständig oder vollständig erfolgen und lässt sich z. B. durch die Interpretation von Schwingungsbanden einer FTIR (fourier-transformed infrared-spectroscopy) Messung bestimmen.It It is known to treat organic semiconductors by doping their electrical properties, in particular their electrical Conductivity, change, as with inorganic semiconductors, such as silicon semiconductors, is the case. This is done by generating charge carriers in the matrix material an increase in the initially low conductivity and depending on the type of dopant used a change achieved in the Fermi level of the semiconductor. A doping leads in this case an increase in the conductivity of Charge transport layers, whereby ohmic losses are reduced, and to an improved transfer of charge carriers between contacts and organic layer. The doping in the conductivity sense is due to a charge transfer from the dopant to a close lying matrix molecule (n-doping, electron conductivity increased), or by the transfer of an electron from a matrix molecule to a nearby dopant (p-doping, hole conductivity increased). The charge transfer may be incomplete or complete done and can be z. By interpretation of vibrational bands of a FTIR (Fourier-transformed infrared spectroscopy) Determine measurement.
Dotierungsmaterialiendopants
Die
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn für eine p-Dotierung (n-Dotierung) das LUMO eines p-Dotanden (HOMO des n-Dotanden) maximal 0.5 eV größer (maximal 0.5 eV kleiner) ist als das HOMO (LUMO) einer p-Typ-(n-Typ-)Matrix. Hierbei werden der Konvention entsprechend die Größen HOMO bzw. LUMO als betragsmäßig gleich den Ionisationspotentials bzw. Elektronenaffinität angesehen, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.In In many cases it is beneficial if for one p-doping (n-doping) the LUMO of a p-dopant (HOMO of the n-dopant) maximum 0.5 eV larger (maximum 0.5 eV smaller) is the HOMO (LUMO) of a p-type (n-type) matrix. Here are according to the convention, the sizes HOMO or LUMO as amount equal to the ionization potential or electron affinity, but with opposite Sign.
n-Dotanden (Donoren oder auch als Donatoren bezeichnet)n-dopants (donors or as donors designated)
Molekül und/oder neutrales Radikal mit einem HOMO Niveau (Festkörperionisationspotential) typischerweise positiver als –5,5 eV (bevorzugt positiver als –5 eV). Das HOMO des Donatoren kann man aus cyclovoltammetrischen Messungen des Oxidationspotentials bestimmen. Alternativ kann das Reduktionspotential des Donatorkations in einem Salz des Donators bestimmt werden. Molare Masse des Donators zwischen 100 und 2000 g/mol, bevorzugt zwischen 200 und 1000 g/mol. Molare Dotierkonzentration zwischen 1:1000 (Akzeptormolekül:Matrixmolekül) und 1:2, bevorzugt zwischen 1:100 und 1:5, mehr bevorzugt zwischen 1:100 und 1:10. In Einzelfällen kommt auch ein Dotierverhältnis in Betracht, bei dem das Dotiermolekül mit einer höheren Konzentration als 1:2 angewendet wird, beispielsweise wenn eine besonders hohe Leitfähigkeit benötigt wird.molecule and / or neutral radical with a HOMO level (solid-state ionization potential) typically more positive than -5.5 eV (preferably more positive as -5 eV). The HOMO of donors can be derived from cyclovoltammetric Determine the oxidation potential. Alternatively, the Reduction potential of the donor cation in a salt of the donor be determined. Molar mass of the donor between 100 and 2000 g / mol, preferably between 200 and 1000 g / mol. Molar doping concentration between 1: 1000 (acceptor molecule: matrix molecule) and 1: 2, preferably between 1: 100 and 1: 5, more preferably between 1: 100 and 1:10. In individual cases, there is also a doping ratio into consideration, in which the doping molecule with a higher Concentration is applied as 1: 2, for example when a especially high conductivity is needed.
Der
Donator kann sich während des Schichtherstellungsprozesses
oder des darauf folgenden Schichtherstellungsprozesses aus einem
Pre-Cursor (siehe Werner et al.
Während molekulare Dotanden (d. h. Dotanden mit mehr als 6, insbesondere mehr als 20 Atomen) aufgrund ihrer Größe eine hohe Stabilität der dotierten Schichten gewährleisten, können in besonderen bzw. weniger anspruchsvollen Fällen auch weniger molekulare Dotanden eingesetzt werden. Diese können beispielsweise Alkali-Metalle, oder Alkalimetallverbindungen, bzw. Erdalkalimetalle oder Erdalkaliverbindungen sein. Beispiele sind dafür Cäsium, Lithium, Rubidium, Kalium, Cäsium, Magnesium; Cäsium Karbonat, Cäsium Oxalat, Lithium Karbonat.While molecular dopants (i.e., dopants greater than 6, in particular more than 20 atoms) due to their size ensure high stability of the doped layers, can in special or less demanding cases less molecular dopants can be used. these can for example, alkali metals, or alkali metal compounds, or Be alkaline earth metals or alkaline earth compounds. examples are cesium, lithium, rubidium, potassium, cesium, Magnesium; Cesium carbonate, cesium oxalate, lithium Carbonate.
In weiteren Fällen kann der p-Dotand auch durch quarternäre Ammonium-Verbindung (z. B. Tetraalkylamonium) oder durch andere kationische Verbindungen bereitgestellt werden. Dies können beispielsweise sein: Kristallviolett Kation, Imidazol-Kation, Benzimidazol-Kation, Pyridinium-Kation. Wenn Kationen als Dotanden verwendet werden, bildet in der Schicht ein Matrixmolekül das zur Ladungsneutralität benötigte Anion.In In other cases, the p-dopant may also be quaternary Ammonium compound (eg Tetraalkylamonium) or by others cationic compounds are provided. This can for example: crystal violet cation, imidazole cation, benzimidazole cation, Pyridinium cation. If cations are used as dopants, forms a matrix molecule in the layer that leads to charge neutrality needed anion.
p-Dotanden (Akzeptoren)p-dopants (acceptors)
Molekül oder/und neutrales Radikal mit einem LUMO Niveau mehr negativ als –4 eV ist (bevorzugt mehr negativ als –4,5 eV, mehr bevorzugt mehr negativ als –5 eV) besteht. Das LUMO des Akzeptoren kann man aus cyclovoltammetrischen Messungen des Reduktionspotentials bestimmen. Molare Masse des Akzeptors zwischen 100 und 2000 g/mol, bevorzugt zwischen 200 und 1000 g/mol, mehr bevorzugt between 300 g/mol and 2000 g/mol. Molare Dotierkonzentration zwischen 1:1000 (Akzeptormolekül:Matrixmolekül) und 1:2, bevorzugt zwischen 1:100 und 1:5, mehr bevorzugt zwischen 1:100 und 1:10. In Einzelfällen kommt auch ein Dotierverhältnis in Betracht, bei dem das Dotiermolekül mit einer höheren Konzentration als 1:2 angewendet wird, beispielsweise wenn eine besonders hohe Leitfähigkeit benötigt wird. Der Akzeptor kann sich während des Schichtherstellungsprozesses oder des darauf folgenden Schichtherstellungsprozesses aus einem Pre-Cursor erst bilden. Das oben angegebene LUMO Niveau des Akzeptors bezieht sich dann auf die entstehende Spezies.Molecule and / or neutral radical having a LUMO level more negative than -4 eV (preferably more negative than -4.5 eV, more preferably more negative than -5 eV). The LUMO of the acceptor can be determined from cyclovoltammetric measurements of the reduction potential. Molar mass of the acceptor between 100 and 2000 g / mol, preferably between 200 and 1000 g / mol, more preferably between 300 g / mol and 2000 g / mol. Molar doping concentration between 1: 1000 (acceptor molecule: matrix molecule) and 1: 2, preferably between 1: 100 and 1: 5, more preferably between 1: 100 and 1:10. In individual cases, a doping ratio is also considered, in which the doping molecule is used with a concentration higher than 1: 2, for example when a particularly high conductivity is needed. The acceptor may first form from a pre-cursor during the layering process or the subsequent layering process. The above LUMO level of the acceptor then refers to the resulting species.
Während molekulare Dotanden (d. h. Dotanden mit mehr als 6, insbesondere mehr als 20 Atomen) aufgrund ihrer Größe eine hohe Stabilität der dotierten Schichten gewährleisten, können in besonderen bzw. weniger anspruchsvollen Fällen auch weniger molekulare Dotanden eingesetzt werden. Diese können beispielsweise Metalloxide wie WO3 oder MoO3, aber auch Lewissäuren wie FeCl3 oder SbCl5 sein. Iod kann ebenfalls als p-Dotand eingesetzt werden. Weiterhin können die p-Dotanden auch durch Säurenreste gebildet werden. Im einfachsten Fall kann diese ein Chlorid-Anion (Cl-), aber auch Perchlorat-Anion sein, aber auch Verbindungen mit Säureresten wie Sulfonate (z. B. Polystyren-Sulfonat (PSS), Tosylate). FeCl4- und SbCl6-Unterfallen ebenfalls dieser Kategorie. Wenn Anionen als Dotanden verwendet werden, bildet in der Schicht ein Matrixmolekül das zur Ladungsneutralität benötigte Kation.While molecular dopants (i.e., dopants greater than 6, in particular more than 20 atoms) due to their size ensure high stability of the doped layers, can in special or less demanding cases less molecular dopants can be used. these can For example, metal oxides such as WO3 or MoO3, but also Lewis acids like FeCl3 or SbCl5. Iodine can also be used as a p-dopant become. Furthermore, the p-dopants can also be replaced by acid radicals be formed. In the simplest case, this can be a chloride anion (Cl-), but also be perchlorate anion, but also compounds with Acid residues such as sulfonates (eg polystyrene sulfonate (PSS), Tosylate). FeCl4 and SbCl6 subclass also fall into this category. When anions are used as dopants, forms in the layer a matrix molecule needed for charge neutrality Cation.
Löchertransportmaterialien (p-Typ Materialien)Hole transport materials (p-type Materials)
Als Matrixmaterialien für Löchertransportschichten (p-Typ Schichten) können beispielsweise Benzidin-Derivate wie MeO-TPD, Spiro-TAD, NPD, etc verwendet werden. Insbesondere sind Löchertransportmaterialien mit einer hohen Beweglichkeit vorteilhaft, um eine hohe Leitfähigkeit bei niedriger Dotierkonzentration zu gewährleisten. Eine niedrige Dotierkonzentration ermöglicht einen hohen Seebeck-Koeffizienten. Die Beweglichkeit für Löcher sollte deshalb größer sein als 10^–2 cm2/Vs, bevorzugt größer 10^–1 cm2/Vs. Solche Beweglichkeiten sind häufig für kristalline Transportschichten möglich. Geeignete Materialien sind beispielsweise Phthalozyanine (wie z. B. Phthalozyanin Kupfer) oder Pentazen oder dessen Derivate.When Matrix materials for hole transport layers (p-type layers) may, for example, benzidine derivatives such as MeO-TPD, Spiro-TAD, NPD, etc are used. Especially are hole transport materials with a high mobility advantageous to high conductivity at low doping concentration guarantee. A low doping concentration allows a high Seebeck coefficient. The mobility for Holes should therefore be larger than 10 ^ -2 cm 2 / Vs, preferably greater than 10 ^ -1 cm2 / Vs. Such mobilities are common for crystalline transport layers possible. Suitable materials are, for example, phthalocyanines (such as phthalocyanine copper) or pentacene or its derivatives.
Matrixmaterialien für Löchertransportschichten sind in der Regel neutrale nichtradikalisch konjugierte Moleküle. Durch Dotierung mit Akzeptorverbindungen werden entsprechend einfach (seltener mehrfach) geladene Kationen des Matrixmaterials erzeugt. Im Falle der Bildung eines einfach geladenen Kations ist dieses ein Radikalkation. Die aus Matrixmaterial und Dotand gebildete Schicht enthält also neutrale Moleküle des Matrixmaterials und durch Dotierung gebildete Kationen des Matrixmaterials.matrix materials for hole transport layers are usually neutral nonradical conjugated molecules. By doping with acceptor connections become correspondingly simple (rarely several times) charged cations of the matrix material produced. In the case of education of a simply loaded cation this is a radical cation. The contains layer formed from matrix material and dopant ie neutral molecules of the matrix material and by doping formed cations of the matrix material.
Im allgemeinen Fall wird durch die Dotierung der Ladungszustand der Matrixmoleküle um ein oder mehrere positive Ladungen verändert. Ist beispielsweise das Matrixmaterial selbst ein Anion, wird durch die Dotierung das Anion in ein Neutralmolekül oder ein Kation überführt.in the general case, the charge state of the Matrix molecules changed by one or more positive charges. For example, if the matrix material itself is an anion, is through the doping of the anion into a neutral molecule or a Transferred cation.
Löchertransportmaterialien für organische Bauelemente weisen in der Regel ein Oxidationspotential im Bereich von 0 V vs. Fc/Fc+ bis 0.9 V vs. Fc/Fc+ auf.Hole transport materials for organic components usually have an oxidation potential in Range of 0 V vs. Fc / Fc + to 0.9 V vs. Fc / Fc + on.
Vor allem wenn Bauelemente mit Lösungsmittelprozessen hergestellt werden sollen, kommen auch polymere Matrixmaterialien in Betracht. Für sie gelten ähnliche Anforderungen für die Beweglichkeit und die Oxidationspotentiale. Ein geeignetes Matrixmaterial können beispielsweise Oligo- bzw. Polythiophene oder deren Derivate sein.In front especially when components are manufactured using solvent processes are to be, are also polymeric matrix materials into consideration. They are subject to similar requirements for the mobility and the oxidation potentials. A suitable matrix material For example, oligo- or polythiophenes or their Be derivatives.
Geeignete Lochtransportmaterialien:Suitable hole transport materials:
Elektronentransportmaterialien (n-Typ Materialien)Electron transport materials (n-type Materials)
Als
Matrixmaterialien für Elektronentransportschichten (n-Typ
Schichten) könnten beispielweise Fullerene, wie beispielsweise
C60, Oxadiazolderivate, wie beispielsweise 2-(4-Biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazol,
Chinoxalinbasierte Verbindungen wie beispielsweise Bis(phenylchinoxaline),
oder Oligothiophene, Perylenderivate, wie z. B. Perylentetracarbonsäuredianhydrid,
Naphthalenderivate, wie z. B. Naphthalintetracarbonsäuredianhydrid,
oder andere Elektronentransportmaterialien eingesetzt werden, wie
sie z. B. in
Es ist vorteilhaft, wenn die Matrixmaterialien für Elektronentransportschichten so gewählt werden, dass die entstehende Schicht eine möglichst geringe Empfindlichkeit gegenüber Einwirkung von Luft aufweist. Ein entscheidender Parameter ist hierbei das Reduktionspotential des Matrixmaterials. Dies sollte vorteilhaft größer als –1.5V vs. Fc/Fc+, insbesondere größer als –1 V vs. Fc/Fc+ gewählt werden. Eine besonders hohe Luftstabilität wird für Matrixmaterialien mit einem Reduktionspotential von größer 0.8 V vs. Fc/Fc+ erreicht.It is advantageous when the matrix materials for electron transport layers be chosen so that the resulting layer a possible has low sensitivity to exposure to air. One The decisive parameter here is the reduction potential of the Matrix material. This should be advantageous bigger as -1.5V vs. Fc / Fc +, in particular larger as -1 V vs. Fc / Fc + are selected. A special high air stability is used for matrix materials with a reduction potential greater than 0.8V vs. Fc / Fc + reached.
Die Abbildung zeigte einige für luftstabile Elektronentransportschichten gut geeignete Matrixmaterialien: The figure showed some well-suited matrix materials for air-stable electron-transport layers:
Als Matrixmaterialien für Elektronentransportschichten können weiterhin Quinolinato komplexe, beispielsweise des Aluminiums oder anderer Hauptgruppenmetalle, wobei der Quinolinatoligand auch substituiert sein kann, eingesetzt werden. Insbesondere kann das Matrixmaterial Tris(8-hydroxy-quinolinato)-aluminium sein. Auch andere Aluminiumkomplexe mit O- und/oder N-Donoratomen können gegebenenfalls eingesetzt werden. Die Quinolinatokomplexe können beispielsweise einen, zwei oder drei Quinolinatoliganden enthalten, wobei die anderen Liganden vorzugsweise mit O- und/oder N-Donoratomen an das Zentralatom komplexieren, wie beispielsweise untenstehender Al-Komplex.Quinolinato complexes, for example of aluminum or other main group metals, where the quinolinato ligand can also be substituted, can furthermore be used as matrix materials for electron transport layers. In particular, the matrix material may be tris (8-hydroxyquinolinato) aluminum. Other aluminum complexes with O and / or N donor atoms may also be used become. The quinolinato complexes may contain, for example, one, two or three quinolinato ligands, the other ligands preferably complexing with O and / or N donor atoms to the central atom, such as, for example, the Al complex below.
Matrixmaterialien für Elektronentransportschichten sind in der Regel neutrale nichtradikalische konjugierte Moleküle. Durch Dotierung mit Donorverbindungen werden entsprechend einfach (seltener mehrfach) geladene Anionen des Matrixmaterials erzeugt. Im Falle der Bildung eines einfach geladenen Anions ist dieses ein Radikalanion. Die aus Matrixmaterial und Dotand gebildete Schicht enthält also neutrale Moleküle des Matrixmaterials und durch Dotierung gebildete Anionen des Matrixmaterials.matrix materials for electron transport layers are usually neutral non-radical conjugated molecules. By doping with Donorverbindungen are accordingly easy (rarely several times) charged Anions of the matrix material produced. In case of formation of a Simply charged Anions this is a radical anion. Made of matrix material and Dotand formed layer thus contains neutral molecules of the matrix material and anions of the matrix material formed by doping.
Im allgemeinen Fall wird durch die Dotierung der Ladungszustand der Matrixmoleküle um ein oder mehrere negative Ladungen verändert. Ist beispielsweise das Matrixmaterial selbst ein Kation, wird durch die Dotierung das Kation in ein Neutralmolekül oder ein Anion überführt.in the general case, the charge state of the Matrix molecules changed by one or more negative charges. For example, if the matrix material itself is a cation, is through the doping of the cation into a neutral molecule or a Converted anion.
Matrixmaterialien für Elektronentransportschichten in organischen Leuchtdionden weisen häufig ein Reduktionspotential zwischen –1.9 V vs Fc/Fc+ und –2.4 V vs. Fc/Fc+ auf.matrix materials for electron transport layers in organic light emitting diodes often have a reduction potential between -1.9 V vs. Fc / Fc + and -2.4 V vs. Fc / Fc + on.
Insbesondere sind Elektronentransportmaterialien mit einer hohen Beweglichkeit vorteilhaft, um eine hohe Leitfähigkeit bei niedriger Dotierkonzentration zu gewährleisten. Eine niedrige Dotierkonzentration ermöglicht einen hohen Seebeck-Koeffizienten. Die Beweglichkeit für Elektronen sollte deshalb größer sein als 10^–2 cm2/Vs, bevorzugt größer 10^–1 cm2/Vs. Solche Beweglichkeiten sind häufig für kristalline Transportschichten möglich.Especially are electron transport materials with a high mobility advantageous to high conductivity at low doping concentration to ensure. A low doping concentration allows a high Seebeck coefficient. The mobility for Therefore, electrons should be larger than 10 ^ -2 cm2 / Vs, preferably greater than 10 ^ -1 cm2 / Vs. Such mobilities are often for crystalline ones Transport layers possible.
Vor allem wenn Bauelemente mit Lösungsmittelprozessen hergestellt werden sollen, kommen auch polymere Matrixmaterialien in Betracht. Für sie gelten ähnliche Anforderungen für die Beweglichkeit und die Reduktionspotentiale. Ein geeignetes Matrixmaterial können beispielsweise Polyfluorene oder deren Derivate sein.In front especially when components are manufactured using solvent processes are to be, are also polymeric matrix materials into consideration. They are subject to similar requirements for the mobility and the reduction potentials. A suitable matrix material may be, for example, polyfluorene or derivatives thereof.
Als Matrixmaterial können auch Phenanthroline eingesetzt werden, die substituiert oder unsubstituiert sein können, insbesondere Aryl-substituiert, beispielsweise Phenyl- oder Naphthyl-substituiert, oder auch beispielsweise Bathocuproin (BCP). Insbesondere kann Bathophenanthrolin (Bphen) als Matrixmaterial eingesetzt werden.When Matrix material can also phenanthrolines be used, which may be substituted or unsubstituted, in particular Aryl-substituted, for example phenyl or naphthyl-substituted, or also, for example, bathocuproine (BCP). In particular, bathophenanthroline (Bphen) can be used as a matrix material.
Des Weiteren können als Matrixmaterialien auch Heteroaromaten wie insbesondere Triazolderivate eingesetzt werden, gegebenenfalls auch Pyrrole, Imidazole, Triazole, Pyridine, Pyrimidine, Pyridazine Chinoxaline, Pyrazino-chinoxaline und dergleichen. Die Heteroaromaten sind vorzugsweise substituiert, insbesondere Aryl-substituiert, beispielsweise Phenyl- oder Naphthyl-substituiert. Insbesondere kann untenstehendes Triazol als Matrixmaterial eingesetzt werden.Of Further, as matrix materials and heteroaromatics in particular triazole derivatives are used, if appropriate also pyrroles, imidazoles, triazoles, pyridines, pyrimidines, pyridazines Quinoxalines, pyrazinoquinoxalines and the like. The heteroaromatics are preferably substituted, in particular aryl-substituted, for example, phenyl or naphthyl substituted. Especially The below triazole can be used as a matrix material.
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