DE102012024599A1

DE102012024599A1 - Anordnung mit optisch transparenten und/oder funktionalen Bauelementen

Info

Publication number: DE102012024599A1
Application number: DE102012024599A
Authority: DE
Inventors: Olaf R. Hild; Beatrice Beyer; Dirk Schlebusch; Susan Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: DE102012024599B4; US20130175511A1; US8664650B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit optisch transparenten und/oder funktionalen Bauelementen. Für viele Anwendungen ist es gewünscht eine hohe Funktionalität und Variabilität bei der Nutzung elektronischer Bauelemente auf sehr geringer Fläche oder mit geringem Raumbedarf für einen solchen Aufbau zu erreichen. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung sind auf einem Substrat ein organisches elektronisches Bauelement und mindestens ein weiteres organisches oder anorganisches elektronisches Bauelement schichtweise übereinander gestapelt angeordnet. Dabei sind flächige elektrisch leitende Elektroden an den Oberflächen der Bauelemente so ausgebildet, dass die Bauelemente elektrisch in Reihe geschaltet und die Bauelemente über die Elektroden entsprechend ihrer Polarität jeweils einzeln elektrisch ansteuerbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit optisch transparenten und/oder funktionalen Bauelementen. Für viele Anwendungen ist es gewünscht eine hohe Funktionalität und Variabilität bei der Nutzung elektronischer Bauelemente auf sehr geringer Fläche oder mit geringem Raumbedarf für einen solchen Aufbau zu erreichen. Dies ist insbesondere bei optischen Bauelementen sinnvoll. Dabei sind aber Grenzen durch die Möglichkeit der Dichte einer Anordnung solcher Bauelemente nebeneinander gesetzt, die einen bestimmten Abstand der nebeneinander angeordneten Bauelemente erfordern, der natürlich nicht genutzt werden kann.
Bei optischen Anwendungen bereitet aber auch eine übereinander gestapelte Anordnung von Bauelementen Probleme, was sich besonders bei übereinander gestapelten Bauelementen mit unterschiedlicher Funktionalität nachteilig auswirkt. Dabei bestehen Defizite bei einer gemeinsamen oder ggf. gewünschten sequentiellen Nutzung der unterschiedlichen Funktionalität der Bauelemente.
So ist in EP 1 388 894 A2 ein Aufbau beschrieben, bei dem zwei oder drei organische Leuchtdioden in gestapelter Form übereinander ausgebildet sind. Jede organische Leuchtdiode ist dabei von zwei Elektroden eingefasst. Diese Elektroden bilden dabei ausschließlich die elektrisch leitende Verbindung der elektrisch parallel geschalteten organischen Leuchtdioden. Ein unabhängiger Betrieb dieser so gestapelten organischen Leuchtdioden ist möglich. Die organischen Leuchtdioden weisen dabei ein PIN-NIP-Übergangsverhalten auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten anzugeben bei denen elektronische Bauelemente auf kleinem Raum und mit geringem Flächenbedarf angeordnet sind und ihre Funktionalität variabel genutzt werden kann, wobei der Aufwand für die Herstellung und den Betrieb gering gehalten werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind optisch transparente und/oder funktionale Bauelemente vorhanden. Dabei sind auf einem Substrat ein organisches elektronisches Bauelement und mindestens ein weiteres organisches oder anorganisches elektronisches Bauelement schichtweise übereinander gestapelt angeordnet. An den Oberflächen der Bauelemente sind flächige elektrisch leitende Elektroden der Bauelemente ausgebildet, so dass die senkrecht übereinander auf dem Substrat angeordneten Bauelemente (z-Achse) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Elektroden jeweils einzeln elektrisch angesteuert und dabei einzeln ein- und ausgeschaltet werden können. Durch diese variable Ansteuermöglichkeit der jeweils äußeren Elektroden können die einzelnen unmittelbar über einander gestapelten Bauelemente unabhängig voneinander angesteuert und dementsprechend betrieben werden Zwischen zwei Bauelementen soll nur eine gemeinsame Elektrode ausgebildet sein, die für die beiden Bauelemente genutzt werden kann. Die beiden jeweils anderen Elektroden, der übereinander angeordneten Bauelemente, sollen jeweils die gleiche Polarität aufweisen, die entgegengesetzt zur Polarität der gemeinsamen Elektrode dieser beiden Bauelemente ist.
Dadurch kann der Herstellungsaufwand reduziert werden. Bei Elektroden, die optisch transparent sein sollen, wirkt sich dies ebenfalls günstig aus, da lediglich Grenzflächen zu den beiden Bauelementen und keine weitere Grenzfläche zu einer weiteren Elektrode vorhanden sind.
Mit einer zwischen zwei auf dem Substrat übereinander angeordneten Bauelementen ausgebildeten gemeinsamen Elektrode können zusätzlich auch auf dem Substrat in gleicher Weise nebeneinander angeordnete Bauelemente (x- und/oder y-Achse) elektrisch in Reihe geschaltet sein.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit übereinander angeordnete Bauelemente unabhängig voneinander zu betreiben, so dass entweder ein Bauelement, das unterhalb eines Bauelements angeordnet ist oder ein Bauelement, das oberhalb eines Bauelements angeordnet ist, durch eine angelegte elektrische Spannung aktiv betrieben wird.
Bei den elektrisch in Reihe geschalteten Bauelementen können entweder die unterhalb der gemeinsamen Elektrode angeordneten Bauelemente oder die oberhalb der gemeinsamen Elektrode angeordneten Bauelemente durch eine angelegte elektrische Spannung aktiv betrieben werden. Die gemeinsame Elektrode kann Bestandteil des jeweiligen Bauelements sein.
Die Unterscheidung welches Bauelement betrieben werden soll, also oberhalb beziehungsweise unterhalb, erfolgt über die Wahl der Polaritäten der Elektroden.
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit ein Bauelement über zwei an das Bauelement angeschlossene Elektroden mit einem elektrischen Strom bei einer geeigneten elektrischen Spannung zu versorgen, so dass beispielsweise eine Leuchtdiode Licht emittiert, während ein weiteres im Stapel vorhandenes Bauelement ausgeschaltet bleiben kann. Dabei wird ein Bauelement in Durchlassrichtung und das zweite Bauelement in Sperrrichtung betrieben werden kann durch eine ebenfalls an dieses Bauelement über die beiden an diesem Bauelement vorhandenen Elektroden ebenfalls mit elektrischem Strom gleichzeitig betrieben werden kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit in einem Stapel Bauelemente mit unterschiedlicher Funktionalität, beispielsweise eine organische oder eine anorganische Leuchtdiode mit einem organischen oder anorganischem photovoltaischen Element bzw. einem solchen Photosensor einzusetzen. Dabei soll aber immer ein organisches elektronisches Bauelement im Stapel vorhanden sein.
In diesem Fall kann ein elektrischer Spannungsabgriff an den beiden Elektroden eines photovoltaischen Elements bzw. Photosensors erfolgen, wobei dessen elektrischer Spannungswert und/oder der jeweilige elektrische Strom als Messsignal genutzt werden kann. Mit Hilfe dieses Messsignals kann dann vorteilhaft eine Regelung oder Steuerung des Betriebes der Leuchtdiode erfolgen, die entweder lediglich bei Über- oder ggf. auch Unterschreitung eines Schwellwertes des erfassten Messsignals durch Anlegen einer elektrischen Spannung an deren Elektroden eingeschaltet werden kann oder mittels der ermittelten Größe des Messsignals eine Regelung der Leuchtdiode erreicht werden kann. So kann beispielsweise bei verringerter Umgebungshelligkeit weniger Licht emittiert werden, als dies bei zunehmender bis vollständiger Dunkelheit der Fall ist. Diese Technik kann beispielsweise für die Beleuchtung von Displays, besonders vorteilhaft bei Mobiltelefonen eingesetzt werden. Ein photovoltaisches Element und eine Leuchtdiode, als elektromagnetische Strahlung emittierendes Element, werden zeitlich unabhängig voneinander betrieben, wobei entweder das photovoltaische Element oder das elektromagnetische Strahlung emittierende Element aktiv betrieben wird.
Die übereinander gestapelten elektronischen Bauelemente sollten ein PIN-PIN oder NIP-NIP Übergangsverhalten und die Funktion entsprechender Dioden aufweisen. Dadurch kann eine unabhängige Nutzung der einzelnen elektronischen Bauelemente innerhalb eines Stapels sicher gewährleistet werden.
Ein bei der Erfindung einsetzbares organisches elektronischen Bauelement kann ausgewählt sein aus organischen lichtemittierenden Elementen (OLED's), organischen photovoltaischen Elementen (OPV's), organischen Photosensoren (OPS), organischen Thermoelementen, elektrochrome Elemente und Elemente zum Elektrowetting.
Analog dazu kann ein anorganisches elektronisches Bauelement ausgewählt sein aus anorganischen lichtemittierenden Elementen, anorganischen photovoltaischen Elementen, anorganischen Photosensoren, Thermoelementen und LCD's. Dadurch soll hier definiert werden, was unter organischen und anorganischen elektronischen Bauelementen, die bei der Erfindung eingesetzt werden können, verstanden werden soll.
Wie bereits angesprochen, können eine oder mehrere Elektrode(n) und/oder das Substrat optisch transparent sein. Die Elektroden können dabei aus elektrisch leitenden Oxiden, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid, ZnAlO, Indium-Zink-Oxid, FTO oder Zinnoxid (Beispiele für TCO's) bzw. aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie geeigneten Kohlenstoffmodifikationen (Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen bzw. auch synthetischen Metallen gebildet sein. Bei Elektroden aus Metall ist die optische Transparenz bei kleinen Schichtdicken gegeben, wie dies beispielsweise bei sehr dünnen Silberschichten mit einer Schichtdicke kleiner 50 nm, die dann auch noch ausreichend elektrisch leitend sein kann, der Fall ist. Elektroden können auch aus einer Kombination Metall-TCO gebildet sein. Für eine Einfärbung können Elektroden beispielsweise auch mit MgO, CrO oder Au gebildet sein. Die Austrittsarbeit der Elektroden kann beliebig sein. Vorteilhaft ist aber eine niedrige Austrittsarbeit an Anoden und eine hohe Austrittsarbeit an Kathoden. Durch den Einsatz von dotierten Transportschichten, wie es bei PIN-Dioden typisch ist, kann die Austrittsarbeit der Elektrodenmaterialien aber unterstützend wirken. Für das Kathodenmaterial ist eine niedrige, wie z. B. bei Mg, und für die Anode eine hohe Austrittsarbeit, wie z. B. bei Au oder ITO, von Vorteil.
Substrate können aus Glas oder transparenten Polymeren gebildet und dabei ein Polymer zusätzlich noch flexibel verformbar sein.
Eine oder mehrere Elektroden sowie das Substrat können aber auch optisch opak sein. Optisch nicht transparente Substrate können mit einer reflektierenden Metallschicht versehen werden, die dann gleichzeitig eine Elektrode bildet, auf der ein Bauelement unmittelbar ausgebildet werden kann.
Zwischen mindestens einer Elektrode und einem Bauelement kann eine die Austrittsarbeit unterstützende Schicht ausgebildet sein, die bevorzugt aus einem Metall, einem Metalloxid, einer Legierung, einer organischen Verbindung oder einer ionischen Verbindung gebildet ist. Beispiele für geeignete Elemente und chemische Verbindungen, die hierfür eingesetzt werden können, sind: Ca, Mg, PEDOT:PSS, Cs, LiF, Cs₂CO₃. Es können auch dotierte Transportschichten, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Metall-Nanodrähte, TCOs, Graphen oder Metalle mit Kohlenstoff dafür genutzt werden.
Ein organisches elektronisches Bauelement, das bei der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden kann, kann mit einer Loch-leitenden Schicht (HTL), einer Elektronen-leitenden Schicht (ETL), einer Lochblockierenden Schicht (HBL), einer Elektronenblockierenden Schicht (EBL), einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Schicht (EML) oder einer elektromagnetische Strahlung absorbierenden Schicht (AL) gebildet sein. Dabei kann es sich um eine organische Leuchtdiode oder ein organisches photovoltaisches Element handeln.
Zusätzlich können Exciton-blockierende Schichten vorhanden und/oder die Loch-leitende und/oder die Elektronenleitende Schicht zur Erhöhung ihrer Leitfähigkeit dotiert sein. Für eine Dotierung können beispielsweise 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8,-tetracyanoquinodimethane (F4-TCNQ) (Lit: Chem. Mater. 2010, 22, 3926–3932) oder 1,3,4,5,7,8-Hexafluorotetracyanonaphthoquinodimethane (F6-TNAP) (Lit: Chem. Mater. 2010, 22, 3926–3932) eingesetzt werden.
Werden mehrere Bauelemente in einem Schichtstapel eingesetzt, können diese über die gleiche Funktionalität verfügen, was zum Beispiel bei Tandemsolarzellen oder gestapelten OLED's der Fall sein kann. Die Bauelemente können mehrere Schichten gleicher Funktion aufweisen, wie es zum Beispiel bei Tandem-Solarzellen oder gestapelten OLEDs vorkommt.
Mit der Erfindung können mehrere Bauelemente bei reduziertem Raumbedarf übereinander angeordnet und elektrisch verschaltet sein. Sie können unabhängig voneinander betrieben werden und es ist auch der Einsatz unterschiedlicher Bauelemente möglich, deren unterschiedliche Funktion natürlich auch unabhängig voneinander genutzt werden können. Es kann dabei das elektrische Sperrverhalten eines beim Betrieb elektrisch nicht angesteuerten Bauelements ausgenutzt werden.
Eine Elektrode, die zwischen zwei Bauelementen angeordnet ist, kann je nach elektrischer Verschaltung zumindest eines der beiden Bauelemente, zwischen denen sie angeordnet bzw. ausgebildet ist, einmal elektrisch eine Anode oder eine Kathode sein. Diese Elektrode(n) können bevorzugt optisch transparent sein, was auf ein ausgewähltes Wellenlängenintervall, bevorzugt aus dem Wellenlängenspektrum des sichtbaren Lichts und/oder des NIR- oder des IR-Lichts zutreffen sollte. In diesem Fall können die Bauelemente bevorzugt organische Leuchtdioden und/oder photovoltaische organische Elemente oder Photosensoren sein.
Selbstverständlich können erfindungsgemäß übereinander angeordnete und elektrisch miteinander verschaltete Bauelemente auch in einer Reihen- oder Array-Anordnung eingesetzt werden. Dabei können Reihen- oder Array-Anordnungen ausschließlich mit erfindungsgemäß angeordneten Bauelementen oder auch so eingesetzt werden, dass herkömmliche Bauelemente einzeln betreibbar und daneben erfindungsgemäß übereinander angeordnete Bauelemente dabei vorhanden sind. Dabei kann es ausreichend sein, wenn eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Reihen- oder Array-Anordnung vorhanden ist.
Bei der Erfindung ist es außerdem vorteilhaft, dass weniger kostenintensive Werkstoffe (z. B. TCO's, Silber, Gold) mit denen Elektroden, insbesondere optisch transparente Elektroden, hergestellt werden müssen, erforderlich sind, da eine Elektrode für zwei Bauelemente genutzt werden kann, was sinngemäß auch Tandemsolarzellen und gestapelte OLED's zutrifft.
Außerdem kann auf isolierende Passivierungsschichten verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten zusätzlich reduziert werden können.
Die Erfindung kann beispielsweise für die Überwachung der Helligkeit bzw. Lichtintensität in einer Umgebung, beispielsweise eines Raumes eingesetzt werden. Hierfür kann ein eingesetztes Bauelement ein organisches photovoltaisches Element oder eine organischer Photosensor sein. Die elektrische Aussgangsspannung oder der jeweilige elektrische Strom kann als Messsignal und dabei für eine Steuerung, Regelung oder die Generierung eines Warnsignals genutzt werden. Hierfür kann eine organische Solarzelle gleichzeitig die Funktion der Elektroenergiegewinnung und die Sensorfunktion erfüllen. Fällt die elektrische Leistung bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung auf einen vorgebbaren Schwellwert ab, kann dies als Signal genutzt werden, um beispielsweise ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element, wie z. B. eine OLED einzuschalten. Die entsprechend übereinander angeordneten Bauelemente (organisches photovoltaisches Element und elektromagnetische Strahlung emittierendes Element) werden zeitlich unabhängig voneinander betrieben.
Es besteht aber auch die Möglichkeit mindestens zwei elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelemente erfindungsgemäß übereinander anzuordnen. Dabei besteht die Möglichkeit, Bauelemente einzusetzen, die elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge, also unterschiedlicher Farbe emittieren. Dadurch können abwechselnd mindestens drei Farbtöne erreicht werden, wenn die zwei Bauelemente entsprechend sequentiell elektrisch angesteuert und dabei jeweils ein Bauelement allein betrieben wird. Mindestens zwei elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge emittierende Bauelemente können so angesteuert werden, dass die Intensität der jeweils emittierten Strahlung variiert wird. Dadurch können Farbtöne erreicht werden, die im Wellenlängenbereich zwischen den beiden Wellenlängen der beiden von den Bauelementen emittierten Strahlung liegen. Die zwei Bauelemente können dabei gepulst betrieben werden, wobei ein Bauelement ausgeschaltet ist, während über das andere Bauelement ein elektrischer Strom fließt. Eine Beeinflussung der emittierten Strahlung kann dabei über die jeweilige Länge der Ein- und Ausschaltzeiten der beiden Bauelemente erreicht werden. Es besteht allein oder zusätzlich auch die Möglichkeit, die jeweilige elektrische Leistung, mit der die Bauelemente betrieben werden zu variieren, so dass die Intensität mit der das jeweilige Bauelement Strahlung emittiert entsprechend größer oder kleiner ist.
Die Farbtöne können durch das Abklingen der emittierten Strahlung nach dem Ausschalten eines Bauelementes beeinflusst werden, während das jeweils andere Bauelement gerade eingeschaltet worden ist und mit der Emission von Strahlung beginnt.
Die Anordnung von Bauelementen innerhalb eines Stapels kann nahezu beliebig gewählt werden. So kann ein Bauelement mit einer gewählten Funktionalität auf einem Substrat, zwischen zwei Bauelementen oder am oberen Ende eines Stapels angeordnet sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Polarität der Bauelemente beliebig oft und in frei wählbaren Zeitintervallen zu wechseln. Bei schnellen mit hoher Frequenz durchgeführten Umpolarisationen kann bei mindestens zwei übereinander angeordneten organischen Leuchtdioden der Farbort und/oder die Helligkeit mit der elektromagnetische Strahlung emittiert wird, durch Pulsen oder Modulation beeinflusst werden. Es kann aber auch die Beleuchtungsstärke eines Bauelements an die Umgebungsbeleuchtungsstärke so angepasst werden. Dabei können bevorzugt organische photovaltische Bauelemente mit organischen Leuchtdioden eingesetzt werden. So ist eine energiesparende Regelung beim Betrieb von Displays oder von Beleuchtungsanlagen möglich.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form zwei nebeneinander angeordnete erfindungsgemäße Anordnungen, die bei diesem Beispiel jeweils mit einer organischen Leuchtdiode und einer organischen Solarzelle gebildet ist;
2 in schematischer Form zwei nebeneinander angeordnete erfindungsgemäße Anordnungen, die bei diesem Beispiel jeweils mit zwei übereinander angeordneten organischen Leuchtdioden gebildet ist;
3 drei elektrische Ersatzschaltbilder für Beispiele erfindungsgemäßer Anordnungen;
4 ein Diagramm des Strom-Spannungs-Kurvenverlaufs (J-V) einer organischen Solarzelle für eine Anordnung mit einer OLED und einer organischen Solarzelle und
5 ein Diagramm des Leuchtdichte-Stromdichte-Spannungs-Kurvenverlaufs für eine Anordnung mit einer OLED und einer organischen LED (L-J-V).
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist auf einer Elektrode 1 eine durchgehende flächige Potentialtrennung 7 für die Elektrode 1 durch Laserablation, Ätzen, strukturierter Abscheidung oder durch Druckprozesse ausgebildet. Dabei sind mehrere Elektroden 1 nebeneinander auf dem Substrat 9 ausgebildet und elektrisch voneinander isoliert. Auf der Potentialtrennung 7 ist in einem Abstand zueinander ein Schichtaufbau, der eine organische Solarzelle 2, als ein organisches elektronisches Bauelement 2 bildet, ausgebildet. Auf dessen Oberfläche ist wieder eine Elektrode 3 ausgebildet, die bevorzugt optisch transparent aber auch opak sein kann und eine gemeinsame Elektrode 3 mit einer organischen Leuchtdiode 4 bildet.
Auf der Oberfläche dieser gemeinsamen Elektrode 3 ist dann ein Schichtsystem einer organischen Leuchtdiode, als Bauelement 4 ausgebildet, die wiederum von der Elektrode 5 überdeckt ist. Auch diese Elektrode 5 kann optisch transparent oder opak sein.
Die beiden Elektroden 1 und 5 sind elektrisch leitend miteinander verbunden und daher gleichpolig.
Die beiden Bauelemente 2 und 4 weisen dabei ein PIN-PIN Übergangsverhalten auf.
Die nebeneinander auf der Elektrode 1 angeordneten erfindungsgemäßen Anordnungen können je nach Strukturierung der Potentialtrennung 7, die durch eine Laserablation oder den Einsatz von Masken bei der Beschichtung erfolgt ist, elektrisch voneinander getrennt oder miteinander verbunden sein.
In 1 und 2 ist außerdem ein Verkapselungsrand 6 eingezeichnet, der Bestandteil einer Verkapselung, wie sie bei organischen elektronischen Bauelementen üblich ist, ist. Bei beiden Beispielen ist die untere Elektrode 1 optisch transparent und aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) gebildet.
Das Beispiel nach 2 unterscheidet sich vom Beispiel nach 1 dadurch, dass an Stelle der organischen Solarzelle 2 eine zweite organische Leuchtdiode 8 mit ihrem Schichtaufbau zwischen den Elektroden 1 und 3 ausgebildet ist. Auch hier weisen die beiden organischen Leuchtdioden 8 und 4 ein PIN-PIN-Übergangsverhalten auf.
In beiden 1 und 2 ist ein Aufbau mit mehreren nebeneinander angeordneten Anordnungen, die jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass sie eine Reihenanordnung oder auch ggf. ein zweidimensionales Array bilden. Ein Array kann gebildet werden, wenn zusätzlich erfindungsgemäße Anordnungen auch in der Ebene in die Zeichnung hinein bzw. aus der Zeichnungsebene angeordnet und über die gemeinsamen Elektroden 3 elektrisch in Reihe geschaltet sein können.
Bei einer Ausführung eines Beispiels gemäß 1 kann durch die Kombination der beiden unterschiedlichen Bauelemente 2 und 4 deren unterschiedliche Funktionalität, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, ausgenutzt werden.
So konnte mit einer monochromen roten organischen Leuchtdiode 4 in Kombination mit einer ZnPc:C₆₀ basierten organischen Solarzelle 2, der besonders im Wellenlängenspektrum von rotem Licht empfindlich ist, und mit entsprechend optisch transparenten Elektroden 3 und 5 bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum von rotem Licht mit der organischen Solarzelle 2 ein elektrischer Strom erhalten und dabei sein elektrisches Sperrverhalten abgesenkt werden. Die Solarzelle veränderte dabei ihre elektrische Leitfähigkeit nur soweit, dass mit Sicherheit kein elektrischer Kurzschluss auftrat und die gewünschte Funktionalität eines solchen Beispiels eingehalten werden konnte.
In 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine erfindungsgemäße Anordnungen mit jeweils zwei Bauelementen, die in einem Stapel und übereinander angeordnet sind, gezeigt.
Hierbei werden zwei organische Leuchtdioden (z. B. D1n und D2n), die elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, übereinander in z-Richtung angeordnet. Die Bauelemente D1n und D2n sind hierbei elektrisch parallel verschaltet. Je nach gewählter Polarität der äußeren Kontakte, wird ein Bauelement immer in Sperrrichtung betrieben und leuchtet daher nicht. Die Leuchtflächen der Bauelemente D1n und D2n können beliebig n-zahlig in Reihe in x- oder y-Richtung über die Substratebene miteinander verschaltet werden.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung kann wie folgt erfolgen:
Auf einem starren oder flexiblen Substrat (nicht dargestellt) kann entweder bereits eine leitfähige Schicht, z. B. ITO vorhanden sein oder es wird eine solche Schicht, z. B. durch ein Sputter- oder PVD-Verfahren, abgeschieden. Sie bildet dann eine Elektrode 1. Eine Strukturierung kann z. B. mit einem Druckverfahren, Laserablation oder durch Schattenmasken erfolgen. Anschließend wird ein OLED oder OPV-Schichtstapel, z. B. durch PVD, abgeschieden, mit dem ein Bauteil 2 oder 8 als organisches photovoltaisches Bauelement oder als organische Leuchtdiode ausgebildet wird. Hier kann auf bekannte Schichtaufbauten für diese organischen elektronischen Bauelemente zurück gegriffen werden. Eine Strukturierung dieser Schichtaufbauten kann z. B. durch Druckprozesse, Abscheidung mit Schattenmasken im Vakuum oder Laserablation erfolgen. Auf die OLED bzw. OPV-Schichtstapel kann eine leitfähige Schicht abgeschieden werden, die die Elektrode 3 bildet. Diese Schicht kann z. B. durch PVD- oder Sputterverfahren abgeschieden werden. Diese Elektrode 3 kann optisch transparent oder opak ausgeführt sein. Vorzugsweise kann FTO, ITO, AZO (elektrisch leitfähige Oxide TCO's) einem Metall oder einer Legierung z. B. Ag, Al, Ca, Mg, Yb, Cu oder Au als elektrisch leitfähiges Material eingesetzt werden. Es sind auch Mischungen davon oder Mehrschichtsysteme möglich. Eine Strukturierung kann z. B. durch Abscheidung durch Schattenmasken erfolgen. Auf die Elektrode 3 wird ein weiterer Schichtstapel für eine organische Leuchtdiode oder ein organisches Photoelement, als Bauelement 4 abgeschieden und wie zuvor strukturiert. Abschließend wird eine transparente oder opake Topelektrode 5 abgeschieden, die vorzugsweise aus FTO, ITO, AZO (elektrisch leitfähige Oxide), einem Metall oder einer Legierung, wie z. B. Ag, Al, Ca, Mg, Yb, Cu oder Au bestehen kann. Auch hier sind Mischungen oder Mehrschichtsysteme davon möglich. Eine Strukturierung kann z. B. durch Abscheidung durch Schattenmasken erfolgen. Zuletzt wird die Anordnung verkapselt, was z. B. durch Aufkleben eines Deckglases oder dem Laminieren eine Folie erfolgen kann. Die Schichtdicken für die leitfähigen Schichten, insbesondere die Elektroden 1, 3 und 5 liegen typisch bei 10 nm bis 200 nm. Dabei kann die jeweilige elektrische Leitfähigkeit und ggf. die gewünschte optische Transparenz berücksichtigt werden.
Für elektrisch leitfähige Schichten können aber auch Graphene, PEDOT:PSS, Silbernanodrähte oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen genutzt werden.
Dem in 4 gezeigten Diagramm kann man den Strom-Spannungs-Kurvenverlauf (J-V) einer organischen Solarzelle, als organisches photovoltaisches Bauelement unter Bestrahlung mit AM1.5 (Linie mit Symbol) und deren Dunkelkennlinie (Linie ohne Symbole) entnehmen. Dabei wurde eine Effizienz der aktiven Flächen von 1.45% ermittelt.
Aus dem in 5 gezeigten Diagramm ist erkennbar, dass die eine rote OLED separat betrieben werden kann obwohl hier eine organische Solarzelle, als organisches photovoltaisches Element und eine OLED zusammen integriert wurden. Im Diagramm ist hier die Leuchtdichte-Stromdichte-Spannungs-Kurve (L-J-V) dargestellt. Da die ZnPC:C60-basierende organische Solarzelle sehr empfindlich auf rotes Licht reagiert, wird durch die leuchtende OLED ein Photostrom innerhalb der organischen Solarzelle generiert, was ein Herabsenken des Sperrverhaltens dieser organischen Solarzelle zur Folge hat, dennoch reicht die Sperrwirkung der Solarzelle aus, um die OLED zu betreiben. Sie beginnt ab einer Spannung von 3,8 V zu leuchten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1388894 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Chem. Mater. 2010, 22, 3926–3932 [0023]
Chem. Mater. 2010, 22, 3926–3932 [0023]

Claims

Anordnung mit optisch transparenten und/oder funktionalen Bauelementen, bei der auf einem Substrat ein organisches elektronisches Bauelement (2 oder 8) und mindestens ein weiteres organisches oder anorganisches elektronisches Bauelement (4) schichtweise übereinander gestapelt angeordnet sind, dabei flächige elektrisch leitende Elektroden (1, 3, 5) an den Oberflächen der Bauelemente (2, 4) ausgebildet sind, so dass die Bauelemente (2, 4, 8) elektrisch in Reihe geschaltet und die Bauelemente über die Elektroden (1, 3, 5) jeweils einzeln elektrisch ansteuerbar sind; wobei zwischen zwei Bauelementen (2, 4, 8) eine gemeinsame Elektrode (3) ausgebildet ist und mittels der gemeinsamen Elektroden (3) auf dem Substrat nebeneinander angeordnete Bauelemente (2, 4, 8) elektrisch in Reihe geschaltet sind; und wobei die Elektroden (1) und (5), die jeweils an den beiden Bauelementen (2, 4, 8) angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen, die entgegengesetzt zur Polarität der gemeinsamen Elektrode (3) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (2, 4, 8) ein PIN-PIN- oder NIP-NIP-Übergangsverhalten und die Funktion entsprechender Dioden aufweisen, wodurch übereinander angeordnete Bauelemente (2, 4, 8) unabhängig voneinander betreibbar sind, so dass entweder ein Bauelement (2, 8), das unterhalb eines Bauelements (4) angeordnet ist oder ein Bauelement (4), das oberhalb eines Bauelements (2, 8) angeordnet ist, durch eine angelegte elektrische Spannung betreibbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei den elektrisch in Reihe geschalteten Bauelementen (2, 4, 8) entweder die unterhalb eines Bauelements (4) angeordneten Bauelemente (2, 8) oder die oberhalb der Bauelemente (2, 8) angeordneten Bauelemente (4) durch eine angelegte elektrische Spannung betreibbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Bauelemente (2, 4, 8) übereinander angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander angeordnete Bauelemente (2, 4, 8) sequentiell ansteuerbar und/oder gepulst oder moduliert betreibbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge emittierende Bauelemente (2, 4, 8) übereinander angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein organisches elektronisches Bauelement (2, 4, 8) ausgewählt ist aus organischen lichtemittierenden Elementen, organischen photovoltaischen Elementen, organischen Photosensoren, organischen Thermoelementen, elektrochromen Elementen und Elementen zum Elektrowetting und ein anorganisches elektronisches Bauelement ausgewählt ist aus anorganischen lichtemittierenden Elementen, anorganischen photovoltaischen Elementen, organischen Photosensoren, Thermoelementen und LCD's.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei organische elektronische Bauelemente (2, 4, 8) oder mindestens ein organisches elektronisches Bauelement (2) und ein anorganisches elektronisches Bauelement mit jeweils unterschiedlicher Funktionalität vorhanden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Elektrode(n) (1, 3, 5) und/oder das Substrat optisch transparent ist/sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Elektrode (1, 3, 5) und einem Bauelement (2, 4, 8) eine die Austrittsarbeit unterstützende Schicht ausgebildet ist, die bevorzugt aus einem Metall, einem Metalloxid, einer Legierung, einer organischen Verbindung oder einer ionischen Verbindung gebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein organisches elektronisches Bauelement (2, 4, 8) mit einer Loch-leitenden Schicht (HTL), einer Elektronen-leitenden Schicht (ETL), einer Lochblockierenden Schicht (HBL), einer Elektronenblockierenden Schicht (EBL), einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Schicht (EML) oder einer elektromagnetische Strahlung absorbierenden Schicht (AL) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Exciton-blockierende Schichten vorhanden und/oder die Loch-leitende und/oder die Elektronen leitende Schicht zur Erhöhung ihrer Leitfähigkeit dotiert ist/sind.