DE102012104118A1

DE102012104118A1 - Lochtransportmaterialien für optoelektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE102012104118A1
Application number: DE102012104118A
Authority: DE
Inventors: Gunter Mattersteig; Andre Weiss; Martin Pfeiffer; Miriam Belz; Dirk Hildebrandt; Dr. Männig Bert; Dr. Uhrich Christian
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: WO2013168084A1; DE102012104118B4

Abstract

Die Erfindung betrifft optoelektronisches Bauelement, die mindestens eine Schicht aus Diarylamin-Derivaten der Formel (I) als Lochtransportmaterial besitzt und sich zwischen transparenter Anode und photoaktiver Schicht befindet. Die erfindungsgemäße Solarzelle wird vakuumprozessiert, wobei die einzelnen Schichten durch Aufdampfen erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Lochtransportmaterialien sowie deren Verwendung in optoelektronischen Bauelementen.
Optoelektronische Bauelemente, wie etwa Solarzellen oder LED's, TFT's, etc. finden heute eine breite Anwendung im alltäglichen sowie industriellen Umfeld. Von besonderem Interesse sind dabei solche Bauelemente, welche aufgrund ihrer Ausgestaltung eine Anordnung auf gekrümmten der gewölbten Oberflächen erlauben.
So sind beispielsweise Dünnschicht-Solarzellen bekannt, welche eine flexible Ausgestaltung aufweisen und damit eine Anordnung auf gekrümmten Oberflächen erlauben. Solche Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphen Silicium (α-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)₂) auf.
Nachteilig bei diesen Dünnschicht-Solarzellen sind die vor allem durch die Materialien bedingten hohen Produktionskosten.
Bekannt sind ebenfalls organische Leuchtdioden (OLED's), welche aufgrund der nicht benötigten Hintergrundbeleuchtung sehr dünn und damit auch flexibel ausgestaltet werden können.
Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen aktiven Schichten, welche flexibel ausgestaltet sind (Konarka – Power Plastic Series). Die organischen aktiven Schichten können dabei aus Polymeren (z. B. US7825326 B2 ) oder kleinen Molekülen (z. B. EP 2385556 A1 ) aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar.
Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2 × 10⁵ cm^–1), so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie.
Organische Solarzellen bestehen aus einer Folge dünner Schichten (die typischerweise jeweils 1 nm bis 1 μm dick sind) aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung aufgeschleudert werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen.
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. In diesem Sinne wird der Begriff ”photoaktiv” als Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluß beitragen.
Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2 × 10⁵ cm^–1), die es erlauben, effiziente Absorberschichten von nur wenigen Nanometern Dicke herzustellen, so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, wobei die verwendeten organischen Halbleitermaterialien bei Herstellung in größeren Mengen sehr kostengünstig sind; die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie.
Da im Herstellungsprozess keine hohen Temperaturen benötigt werden, ist es möglich, organische Solarzellen als Bauteile sowohl flexibel als auch großflächig auf preiswerten Substraten, z. B. Metallfolie, Plastikfolie oder Kunststoffgewebe, herzustellen. Dies eröffnet neue Anwendungsgebiete, welche den konventionellen Solarzellen verschlossen bleiben. Auf Grund der nahezu unbegrenzten Anzahl verschiedener organischer Verbindungen können die Materialien für ihre jeweilige Aufgabe maßgeschneidert werden.
Eine in der Literatur bereits vorgeschlagene Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle besteht in einer pin-Diode [Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications", PhD thesis TU-Dresden, 1999.] mit folgendem Schichtaufbau:

0. Träger, Substrat,
1. Grundkontakt, meist transparent,
2. p-Schicht(en),
3. i-Schicht(en)
4. n-Schicht(en),
5. Deckkontakt.

Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. In diesem Sinne sind derartige Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine undotierte Schicht (intrinsische Schicht). Eine oder mehrere i-Schicht(en) können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke) bestehen.
Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen liegen die Ladungsträgerpaare in organischen Halbleitern nach Absorption jedoch nicht frei vor, sondern sie bilden wegen der weniger starken Abschwächung der gegenseitigen Anziehung ein Quasiteilchen, ein so genanntes Exziton. Um die im Exziton vorhandene Energie als elektrische Energie nutzbar zu machen, muss dieses Exziton in freie Ladungsträger getrennt werden. Da in organischen Solarzellen nicht ausreichend hohe Felder zur Trennung der Exzitonen zur Verfügung stehen, wird die Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen vollzogen. Die photoaktive Grenzfläche kann als eine organische Donator-Akzeptor-Grenzfläche [C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 183] oder eine Grenzfläche zu einem anorganischen Halbleiter [B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737])] ausgeprägt sein. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Diese kann zwischen der p-(n-)Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i-Schichten liegen.
Im eingebauten elektrischen Feld der Solarzelle werden die Elektronen nun zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet abtransportiert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transportschichten um transparente oder weitgehend transparente Materialien mit großer Bandlücke (wide-gap). Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450 nm liegt, bevorzugt bei < 400 nm.
Da durch das Licht immer erst Exzitonen erzeugt werden und noch keine freien Ladungsträger, spielt die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche eine kritische Rolle bei organischen Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss daher in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig.
Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide.
Der Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin vorhanden sind. Diese geschlossenen Perkolationspfade werden üblicherweise durch eine gewisse Phasenseparation in der Mischschicht realisiert, d. h. die beiden Komponenten sind nicht völlig durchmischt, sondern es befinden sich (bevorzugt kristalline) Nanopartikel aus jeweils einem Material in der Mischschicht. Diese teilweise Entmischung wird als Phasenseparation bezeichnet.
Die so generierten freien Ladungsträger können nun zu den Kontakten transportiert werden. Durch Verbinden der Kontakte über einen Verbraucher kann die elektrische Energie genutzt werden. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass Exzitonen, die im Volumen des organischen Materials generiert wurden, an diese photoaktive Grenzfläche diffundieren können.
Die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche spielt daher eine kritische Rolle bei organischen Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss deshalb in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge zumindest in der Größenordnung der typischen Eindringtiefe des Lichts liegen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Die bereits erwähnten möglichen hohen Absorptionskoeffizienten sind dabei besonders vorteilhaft für die Herstellung besonders dünner organischer Solarzellen.
Optoelektronische Bauelemente beruhen auf dem Prinzip entweder elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren oder aus elektromagnetischer Strahlung Elektrizität zu gewinnen. Beispiele sind OLED's, organische Solarzellen oder Fotodetektoren.
Triarylaminverbindungen wie MeO-TPD (N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)benzidin oder N,N'-Bis(tolyl)-N,N'-diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamin (TPD) werden bevorzugt als Löchertransportmaterialien wegen ihres geringen Ionisationspotentials und ihres hervorragenden Elektronenblockierverhaltens eingesetzt (Uhrich et al. JAP, 104, 043107, 2008; Zhou et al. APL, 81, 922, 2002).
Zur Verbesserung des Löchertransports in einem optoelektronischen Bauelement ist eine erhöhte Löcherbeweglichkeit in hohem Maße wünschenswert. Dadurch wären etwa eine geringere Dotierungsdichte und/oder geringere Spannungsverluste realisierbar. Zudem wäre es wünschenswert, dass die verwendeten Löchertransportmaterialien eine geringe oder keine Absorption im Bereich > 400 nm aufweisen, um parasitäre Absorption im Bauelement zu minimieren bzw. zu verhindern. Weiterhin ist es wünschenswert, wenn die Löchertransportmaterialien eine Anpassung der Energieniveaulagen, insbesondere des HOMOs, erlauben würden. Weiterhin wäre es zudem wünschenswert, wenn die Löchertransportmaterialien dotierbar sind, um die Leitfähigkeit der Schichten gezielt einstellen zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die vorbenannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein optoelektronisches Bauelement mit einer verbesserten Löcherbeweglichkeit in der Löchertransportschicht anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin geeignete Löchertransportmaterialien anzugeben, welche eine im Vergleich zu den bekannten Materialien erhöhte Beweglichkeit für Löcher aufweisen.
Die Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird auch durch Oligoarylaminverbindungen nach Anspruch 5 bis 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein optoelektronisches Bauelement vorgeschlagen, wobei das Bauelement auf einem Substrat angeordnet ist, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode sowie zumindest eine organische Schicht, wobei die organisches Schicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Dabei enthält die organische Schicht eine Verbindung der allgemeinen Formel (I)
wobei
Ar1–Ar17 unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Homo- oder Heterocyclen aus der Gruppe Phenyl, Carbazol, Fluoren, Spirobifluoren, Diphenylether, Selenophen, Furan, Thiophen, Pyrrol oder Phosphol sind, a–q unabhängig voneinander 0 oder 1 sind mit der Voraussetzung, dass a + b + (...) + p + q ≥ 6, wobei zumindest an einer Position eine Einheit aus zwei unmittelbar benachbarte Ar-Einheiten der allgemeinen Formel (II)
vorhanden sind, wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se, wobei R3 unabhängig voneinander H, Alkyl oder Aryl ist und R, R1, R2 unabhängig voneinander H oder Alkyl, Alkoxy oder Thioalkyl sind, jedoch R1 und R2 nicht gleichzeitig H sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) zwischen den beiden Stickstoffatomen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen Oligoarylamine der allgemeinen Formel (I) zwischen den beiden Stickstoffatomen einen der nachfolgenden Konfigurationen aufweisen:
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung befindet sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) nicht zwischen den beiden Stickstoffatomen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befindet sich zwischen den beiden Stickstoffatomen eine Einheit der allgemeinen Formel (III)
wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se und R4 ausgewählt ist aus Alkyl, Thioalkyl oder Alkoxy und

– R4 und R5 unabhängig voneinander Alkyl, Thioalkyl, Alkoxy; R4-R5: C-Alkyl-C, O-Alkyl-O und S-Alkyl-S sind oder
– R5 H ist, wenn R4 = Alkyl, Alkoxy, Thioalkyl ist oder
– R4 und R5 H sind, wenn R6 = Alkyl, Alkoxy, Thioalkyl sind.

Gegenstand der Erfindung sind auch Oligoarylamine der allgemeinen Formeln (IV)–(X) bei denen sich mindestens eine Einheit der Formel (II) zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen Oligoarylamine der allgemeinen Formel (IV) die nachfolgende Konfiguration auf:
a, b, c = 1 sind,
d, e = 0 sind und
[Ar₁]_a-[Ar₂]_b-[Ar₃]_c der allgemeinen Formel (XI) entspricht,
wobei

– R4 und R5 unabhängig voneinander Alkyl, Thioalkyl, Alkoxy; R4-R5: C-Alkyl-C, O-Alkyl-O und S-Alkyl-S oder
– R5 = H ist, dann R4 = Alkyl, Thioalkyl, Alkoxy;

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Oligoarylamine der allgemeinen Formeln (IV)–(X) bei denen sich mindestens eine Einheit der Formel (II) zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet, zwischen den beiden Stickstoffatomen die nachfolgende Konfiguration auf:
Gegenstand der Erfindung sind auch Oligoarylamine der allgemeinen Formel (XII), wobei sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) nicht zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Oligoarylamine der allgemeinen Formel (XII) dadurch gekennzeichnet, dass
f, g, l, m, i, j, a, p = 1 sind,
h, k, n, q = 0 sind,
[Ar6]_f-[Ar7]_g, [Ar9]_i-[Ar10]_j, [Ar12]_l-[Ar13]_m und [Ar15]_c-[Ar16]_p der allgemeinen Formel (II) entsprechen, wobei X ausgewählt ist N-R3, O, P-R3, S oder Se,
R3 unabhängig voneinander H, Alkyl oder Aryl sind und
R, R1, R2 unabhängig voneinander H oder Alkyl, Alkoxy oder Thioalkyl sind, jedoch R1 und R2 nicht gleichzeitig H sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Oligoarylamine der allgemeinen Formel (XII), wobei sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) nicht zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet, zwischen den beiden Stickstoffatomen die nachfolgende Konfiguration auf:
Bevorzugte Vertreter der erfindungsgemäßen Substanzen sind nachfolgend dargestellt:
Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Verbindungen sind nachfolgend dargestellt:
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch die nachfolgenden Verbindungen, welche 2-verknüpfte 9,9-Diaryl-9H-fluorene und 2-verknüpfte 9,9'-Spirobi[9H-fluorene] in den Seitenketten, also nicht zwischen den beiden N-Atomen besitzen, wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se und R4 ausgewählt ist aus Alkyl, Thioalkyl oder Alkoxy und

– R4 und R5 unabhängig voneinander Alkyl, Thioalkyl, Alkoxy; R4-R5: C-Alkyl-C, O-Alkyl-O und S-Alkyl-S sind oder
– R5 H ist, wenn R4 = Alkyl, Alkoxy, Thioalkyl ist oder

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Oligoarylamins nach einem der Ansprüche 5 bis 8 in einem optoelektronischen Bauelement.
Optoelektronische Bauelemente beruhen auf dem Prinzip entweder elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren oder aus elektromagnetischer Strahlung Elektrizität zu gewinnen. Beispiele sind OLED's, organische Solarzellen oder Fotodetektoren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement auf einem flexibel ausgeführten Substrat angeordnet.
Unter einem flexiblen Substrat wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Substrat verstanden, welches eine Verformbarkeit infolge äußerer Krafteinwirkung gewährleistet. Dadurch sind solche flexiblen Substrate zur Anordnung auf gekrümmten Oberflächen geeignet. Flexible Substrate sind beispielsweise Folien oder Metallbänder.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist opak oder transparent ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktive Schicht mindestens eine Mischschicht mit mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein photoaktives Donor-Akzeptor-System bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Hauptmaterial ein organisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material um kleine Moleküle. Unter dem Begriff kleine Moleküle werden im Sinne der Erfindung Monomere verstanden, die verdampft und damit auf dem Substrat abgeschieden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material zumindest teilweise um Polymere.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der aktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode zumindest eine dotierte, teilweise dotierte oder undotierte Transportschicht angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Gegenelektrode und dem photoaktiven Schichtsystem eine dotierte, teilweise dotierte oder undotierte Transportschicht angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement zumindest in einem gewissen Lichtwellenlängenbereich semitransparent.
Unter Semitransparenz wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Transparenz <= 100% und > 1% verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronsiche Bauelement eine organische Solarzelle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement eine organische Leuchtdiode.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin-Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip-Tandemzelle oder nip-Mehrfachzelle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Elektrodenvorrichtung aus einem Schichtsystem umfassend zumindest eine erste Schicht aus einem Metall oder Metalloxid, eine zweite Schicht aus einem Metall und eine dritte Schicht aus einer Deckschicht, wobei das Schichtsystem eine Transparenz von 40 bis 95% aufweist.
Weiterhin ist auch Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Elektrodenvorrichtung in einem optoelektronischen Bauelement.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement zumindest in einem gewissen Lichtwellenlängenbereich semitransparent.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin-Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip-Tandemzelle oder nip-Mehrfachzelle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das optoelektronische Bauelement zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mehr als eine photoaktive Schicht auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung absorbieren die aktiven Schichten des Bauelementes möglichst viel Licht. Hierzu wird der Spektralbereich, in dem das Bauelement Licht absorbiert, möglichst breit gestaltet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das aktive Schichtsystem des optoelektronischen Bauelementes mindestens aus zwei Mischschichten, die direkt aneinandergrenzen und mindestens eine der beiden Hauptmaterialien einer Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht. Jede Mischschicht besteht aus mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein photoaktives Donor-Akzeptor-System bilden. Das Donor-Akzeptor-System zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für die Photoanregung der Donor-Komponente gilt, dass die gebildeten Exzitonen an der Grenzfläche zum Akzeptor bevorzugt in ein Loch auf dem Donor und ein Elektron auf dem Akzeptor getrennt werden. Als Hauptmaterial wird ein Material bezeichnet, dessen Volumen- oder Massen-Anteil in der Schicht größer als 16% ist. Weitere Materialien können technisch bedingt oder aber zur Einstellung von Schichteigenschaften beigemischt sein. Bereits bei einer Doppelmischschicht enthält das Bauelement drei bzw. vier verschiedene Absorbermaterialien, kann damit einen Spektralbereich von ca. 600 nm bzw. ca. 800 nm abdecken.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Doppelmischschicht auch dazu benutzt werden, für einen bestimmten Spektralbereich deutlich höhere Photoströme zu erzielen, indem Materialien gemischt werden, die bevorzugt in demselben Spektralbereich absorbieren. Dies kann dann im Weiteren benutzt werden, um in einer Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle eine Stromanpassung zwischen den verschiedenen Teilzellen zu erreichen. Damit ist neben der Verwendung der Kavitätsschicht eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Ströme der Teilzellen gegeben.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Verbesserung der Ladungsträgertransporteigenschaften der Mischschichten die Mischungsverhältnisse in den verschiedenen Mischschichten gleich oder auch unterschiedlich sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mischschichten bevorzugt aus jeweils zwei Hauptmaterialien.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in den einzelnen Mischschichten ein Gradient des Mischungsverhältnisses vorhanden sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement als Tandemzellen ausgeführt und es besteht durch die Verwendung von Doppel- bzw. Mehrfachmischschichten der weitere Vorteil, dass die Strom-Angleichung (current matching) zwischen den Teilzellen durch die Wahl der Absorbermaterialien in den Mischschichten optimiert und damit der Wirkungsgrad weiter erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die einzelnen Materialien dabei in unterschiedlichen Maxima der Lichtverteilung der charakteristischen Wellenlängen, die dieses Material absorbiert, positioniert sein. So kann beispielsweise ein Material in einer Mischschicht im 2. Maximum seiner charakteristischen Wellenlänge liegen und das andere Material im 3. Maximum.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das optoelektronische Bauelement, insbesondere eine organische Solarzelle, aus einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden wenigstens zwei organischen aktiven Mischschichten, wobei die Mischschichten jeweils im wesentlichen aus zwei Materialien bestehen und die beiden Hauptmaterialien jeweils einer Mischschicht ein Donator-Akzeptor-System bilden sowie die beiden Mischschichten direkt aneinandergrenzen und wenigstens eine der beiden Hauptmaterialien der einen Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform sind mehrere oder alle Hauptmaterialien der Mischschichten voneinander verschieden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um drei oder mehr Mischschichten, welche zwischen der Elektrode und Gegenelektrode angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich zu den genannten Mischschichten noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der einen Elektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der Gegenelektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere der weiteren organischen Schichten dotierte wide-gap Schichten, wobei das Maximum der Absorption bei < 450 nm liegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen mindestens zwei Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf, die sich gegenseitig ergänzen, um einen möglichst breiten Spektralbereich abzudecken.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich im Wellenlängenbereich von > 700 nm bis 1500 nm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die HOMO- und LUMO-Niveaus der Hauptmaterialien so angepasst, dass das System eine maximale Leerlaufspannung, einen maximalen Kurzschlussstrom und einen maximalen Füllfaktor ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C₆₀, C₇₀, etc.).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthalten alle photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C₆₀, C₇₀, etc.).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Donator ein Material aus der Klasse der Phthalocyanine, Perylenderivate, TPD-Derivate, Oligothiophene oder ein Material wie es in WO2006092134 beschrieben ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor das Material Fulleren C₆₀ und als Donator das Material 4P-TPD.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder anderen TCOs oder einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT:PSS oder PANI.
Im Sinne der Erfindung sind auch Polymersolarzellen, die zwei oder mehrere photoaktive Mischschichten beinhalten, umfasst, wobei die Mischschichten direkt aneinandergrenzen. Bei Polymersolarzellen besteht aber das Problem das die Materialien aus Lösung aufgebracht werden und somit eine weitere aufgebrachte Schicht sehr leicht dazu führt, dass die darunter liegenden Schichten angelöst, aufgelöst oder in ihrer Morphologie verändert werden. Bei Polymersolarzellen können daher nur sehr eingeschränkt Mehrfachmischschichten hergestellt werden und auch nur dadurch, dass verschiedene Material- und Lösungsmittelsysteme verwendet werden, die sich bei der Herstellung gegenseitig nicht oder kaum beeinflussen. Solarzellen aus kleinen Molekülen haben hier einen ganz klaren Vorteil, da durch den Aufdampfprozess im Vakuum beliebige Systeme und Schichten aufeinander gebracht werden können und somit der Vorteil der Mehrfachmischschichtstruktur sehr breit genutzt und mit beliebigen Materialkombinationen realisiert werden kann.
In einer weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes besteht darin, dass zwischen der ersten elektronenleitenden Schicht (n-Schicht) und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p-dotierte Schicht vorhanden ist, so dass es sich um eine pnip oder pni-Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in dem Bauelement zwischen der aktiven Schicht und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p-dotierte Schicht vorhanden sein, so dass es sich um eine pip oder pi-Struktur handelt, wobei die zusätzliche p-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV unterhalb des Elektronentransportniveaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Elektronenextraktion aus der i-Schicht in diese p-Schicht kommen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist noch ein n-Schichtsystem zwischen der p-dotierten Schicht und der Gegenelektrode vorhanden, so dass es sich um eine nipn oder ipn-Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
In einer weiteren Ausführungsform kann in dem Bauelement noch ein n-Schichtsystem zwischen der intrinsischen, photoaktiven Schicht und der Gegenelektrode vorhanden sein, so dass es sich um eine nin- oder in-Struktur handelt, wobei die zusätzliche n-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV oberhalb des Löchertransportnivaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Löcherextraktion aus der i-Schicht in diese n-Schicht kommen kann.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes besteht darin, dass das Bauelement ein n-Schichtsystem und/oder ein p-Schichtsystem enthält, so dass es sich um eine pnipn, pnin, pipn- oder p-i-n-Struktur handelt, die sich in allen Fällen dadurch auszeichnen, dass – unabhängig vom Leitungstyp – die substratseitig an die photoaktive i-Schicht angrenzende Schicht eine geringere thermische Austrittsarbeit hat als die vom Substrat abgewandte an die i-Schicht grenzende Schicht, so dass photogenerierte Elektronen bevorzugt zum Substrat hin abtransportiert werden, wenn keine externe Spannung an das Bauelement angelegt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Konversionskontakte hintereinandergeschaltet, so dass es sich z. B. um eine npnipn, pnipnp, npnipnp, pnpnipnpn oder pnpnpnipnpnpn Struktur handelt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der oben beschriebenen Strukturen sind diese als organische Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle ausgeführt. So kann es sich bei dem Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen handeln, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind (Kreuzkombinationen).
In einer weiteren Ausführungsform der oben beschriebenen Strukturen ist diese als eine pnipnipn-Tandemzelle ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Akzeptor-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Donator-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform liegen sowohl das Akzeptor-Material als auch das Donator-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Akzeptor-Material über ein Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich > 450 nm.
In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Donator-Material über ein Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich > 450 nm.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das aktive Schichtsystem zusätzlich zu der genannten Mischschicht noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das n-Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das p-Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten. Der Begriff wide-gap Schichten definiert dabei Schichten mit einem Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450 nm.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement zwischen der ersten elektronenleitenden Schicht (n-Schicht) und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode eine p-dotierte Schicht, so dass es sich um eine pnip oder pni-Struktur handelt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement zwischen der photoaktiven i-Schicht und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode eine p-dotierte Schicht, so dass es sich um eine pip oder pi-Struktur handelt, wobei die zusätzliche p-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV unterhalb des Elektronentransportnivaus der i-Schicht liegt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem zwischen der p-dotierten Schicht und der Gegenelektrode, so dass es sich um eine nipn oder ipn-Struktur handelt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem zwischen der photoaktiven i-Schicht und der Gegenelektrode, so dass es sich um eine nin- oder in-Struktur handelt, wobei die zusätzliche n-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV oberhalb des Löchertransportnivaus der i-Schicht liegt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem und/oder ein p-Schichtsystem, so dass es sich um eine pnipn, pnin, pipn- oder p-i-n-Struktur handelt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das zusätzliche p-Materialsystem und/oder das zusätzliche n-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement noch weitere n-Schichtsysteme und/oder p-Schichtsysteme, so das es sich z. B. um eine npnipn, pnipnp, npnipnp, pnpnipnpn oder pnpnpnipnpnpn-Struktur handelt.
In einer weiteren Ausführungsform enthält eines oder mehrere der weiteren p-Materialsysteme und/oder der weiteren n-Materialsysteme eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere, wobei aber zumindest eine photoaktive i-Schicht aus kleinen Molekülen gebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Akzeptor-Material ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (bevorzugt C₆₀ oder C₇₀) oder ein PTCDI-Derivat (Perylen-3,4,9,10-bis(dicarboximid)-Derivat).
In einer weiteren Ausführungsform ist das Donator-Material ein Oligomer, insbesondere ein Oligomer nach WO2006092134 , ein Porphyrin-Derivat, ein Pentacen-Derivat oder ein Perylenderivat, wie DIP (Di-Indeno-Perylen), DBP (Di-benzoperylene).
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem ein TPD-Derivat(Triphenylamin-Dimer), eine Spiro-Verbindung, wie Spiropyrane, Spiroxazine, MeO-TPD (N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidin), Di-NPB (N,N'diphenyl-N,N'-bis(N,N'-di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl) 4,4'-diamine), MTDATA (4,4',4''-Tris-(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamin), TNATA (4,4',4''-Tris[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino] triphenylamin), BPAPF (9,9-bis{4-[di-(p-biphenyl)aminophenyl]}fluorene), NPAPF (9,9-Bis[4-(N,N'-bis-naphthalen-2-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene), Spiro-TAD (2,2',7,7'-Tetrakis-(diphenylamino)-9,9'-spirobifluoren), PV-TPD (N,N-di 4-2,2-diphenyl-ethen-1-yl-phenyl-N,N-di 4-methylphenylphenylbenzidine), 4P-TPD (4,4'-bis-(N,N-diphenylamino)-tetraphenyl), oder ein in DE 10 2004 014 046 beschriebenes p-Material.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem Fullerene, wie beispielsweise C₆₀, C₇₀; NTCDA (1,4,5,8-Naphthalene-tetracarboxylic-dianhydride), NTCDI (Naphthalenetetracarboxylic diimide) oder PTCDI (Perylen-3,4,9,10-bis(dicarboximid).
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem einen p-Dotanden, wobei dieser p-Dotand F4-TCNQ, ein p-Dotand wie in DE10338406 , DE10347856 , DE10357044 , DE 10 2004 010 954 , DE 10 2006 053 320 , DE 10 2006 054 524 und DE 10 2008 051 737 beschrieben oder ein Übergangsmetalloxid (VO, WO, MoO, etc.) ist.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem einen n-Dotanden, wobei dieser n-Dotand ein TTF-Derivat (Tetrathiafulvalen-Derivat) oder DTT-Derivat (dithienothiophen), ein n-Dotand wie in DE10338406 , DE10347856 , DE10357044 , DE 10 2004 010 954 , DE 10 2006 053 320 , DE 10 2006 054 524 und DE 10 2008 051 737 beschrieben oder Cs, Li oder Mg ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Elektrode transparent mit einer Transmission > 80% und die andere Elektrode reflektierend mit einer Reflektion > 50% ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement semitransparent mit einer Transmission von 10-80% ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Elektroden aus einem Metall (z. B. Al, Ag, Au oder eine Kombination aus diesen), einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder einem anderen TCO (Transparent Conductive Oxide), einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT/PSS Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate) oder PANI (Polyanilin), oder aus einer Kombination aus diesen Materialien.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien einen niedrigem Schmelzpunkt, bevorzugt < 100°C, auf.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien eine niedrige Glasübergangstemperatur, bevorzugt < 150°C, auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement als organische pin-Solarzelle bzw. organische pin-Tandemsolarzelle ausgeführt. Als Tandemsolarzelle wird dabei eine Solarzelle bezeichnet, die aus einem vertikalen Stapel zweier in Serie verschalteter Solarzellen besteht.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelements, also eine kurzschlussfreie Kontaktierung und homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche, durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Ultradünne Bauelemente weisen auf strukturierten Substraten eine erhöhten Gefahr zur Bildung lokaler Kurzschlüsse auf, so dass durch eine solche offensichtliche Inhomogenität letztlich die Funktionalität des gesamten Bauelements gefährdet ist. Diese Kurzschlussgefahr wird durch die Verwendung der dotierten Transportschichten verringert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorberschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen und Breiten jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat. Die rauhe Grenzfläche kann beispielsweise durch eine periodische Mikrostrukturierung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die rauhe Grenzfläche, wenn sie das Licht diffus reflektiert, was zu einer Verlängerung des Lichtweges innerhalb der photoaktiven Schicht führt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtstruktur des optoelektronischen Bauelements mit transparentem Grund- und Deckkontakt versehen.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente in Verbindung mit Energiepuffer bzw. Energiespeichermedium wie beispielsweise Akkus, Kondensatoren, etc. zum Anschluss an Verbraucher bzw. Geräte verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente in Kombination mit Dünnfilmbatterien verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente auf gekrümmten Oberflächen, wie beispielsweise Glas, Beton, Dachziegeln, Ton, Autoglas, etc. verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäßen organischen Solarzellen gegenüber herkömmlichen anorganischen Solarzellen auf flexiblen Trägern wie Folien, Textilen, etc. aufgebracht werden können.
Zur Realisierung der Erfindung können auch die vorbeschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden.
Die erfindungsgemäßen Oligoaryamine werden bevorzugt als Lochtransportmaterialien in Transportschichten optoelektronischer Bauelemente, wie etwa organischen Solarzellen, OLEDs, OFETs, etc. eingesetzt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Es zeigen in
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements und in
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements auf einem strukturierten Substrat.
Ausführungsbeispiele:
Ausführungsbeispiel 1:
Synthese von 2,5-Bis(4-trimethylsilanylphenyl)thiophen 4a:
Zu einer Supension von Magnesiumspänen (0.2430 g, 10.0 mmol) in 2 ml Diethylether in einem 25 ml Zweihalskolben mit Rückflußkühler, Magnetrührstab und Tropftrichter wird unter Argonatmosphere und Rühren eine Lösung von (4-Bromophenyl)trimethylsilan (2.2919 g, 10.0 mmol) in 8 ml Diethylether derart zugetropft, dass das Reaktionsgemisch am gelinden Sieden bleibt. Danach wird für 2 Stunden weiter unter Argonschutzatmosphere refluxiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Grignardreagens zu einer Lösung von 2,5-Dibromthiophen (0.9445 g, 3.903 mmol) und Ni(dppp)Cl₂ (12.0 mg, 10 μmol) in 5 ml Diethylether, die sich in einem 50 ml Dreihalskolben mit Rückflußkühler, Tropftrichter und Magnetrührstab befindet unter Rühren und Argonschutzatmosphere derart zugetropft, dass das Reaktionsgemisch am gelinden Sieden verbleibt. Das Reaktionsgemisch wird für weiter 12 Stunden unter Argon refluxiert und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur mit 2 M Salzsäure hydrolysiert (10 Minuten Rühren bei RT). Der Kolbeninhalt wird in einen Scheidetrichter überführt und nach Zugabe von 30 ml Diethylether und 10 ml Wasser die organische Phase von der wässrigen abgetrennt. Die wässrige Phase wird noch zweimal mit je 30 ml Diethylether extrahiert und die vereinigten org. Phasen nacheinander mit gesättigter NaHCO₃-Lösung (30 ml) und zweimal mit je 30 ml Wasser gewaschen. Nach dem Trocknen über Na₂SO₄, Abfiltrieren und zweimaliger Extraktion des Trockenmittels mit Ether (50 ml) wird das Lösemittel am Rotationsverdampfer abgezogen. Es werden 1.480 g (100%) eines gelborangenen Feststoffes erhalten.
In analoger Vorgehensweise werden 4b und 4c hergestellt.
Ausführungsbeispiel 2:
Synthese von 2,5-Bis(4-bromophenyl)thiophen 5a:
In einem 100 ml Dreihalskolben mit Argoninlet, Innenthermometer, Magnetrührstab und Septum werden nacheinander 2,5-Bis(4-trimethylsilanylphenyl)thiophen 4a (1.500 g, 3.95 mmol), wasserfreies Natriumacetat (0.647 g, 7.89 mmol) und trockenes THF (63 ml) vorgelegt. Unter Rühren, Eis-Kochsalz-Kühlung, Argonschutzgas und Lichtausschluß wird bei –5-0°C Brom (0.41 ml, 1.274 g, 8.0 mmol) über einen Zeitraum von 5 Minuten mittels Spritze zugetropft und danach das Reaktionsgemisch für 12 Stunden weiter bei 0°C gerührt. Danach wird durch Zugabe von Triethylamin (2.23 ml, 16.0 mmol) und gesättigter, wässriger Na₂CO₃-Lösung (10 ml) gequencht. Nach 5 minütigem Rühren wird der Kolbeninhalt in einen 250 ml Rundkolben überführt und das THF am Rotationsverdampfer abgezogen. Der Rückstand wird in einen Scheidetrichter überführt und mit Diethylether (40 ml) und Wasser (40 ml) versetzt. Nach dem Schütteln werden die Phasen getrennt und die wässrige noch dreimal mit je 40 ml Ether extrahiert. Die vereinigten etherischen Phasen werden nacheinander mit wässriger Natriumsulfitlösung und Wasser (je 30 ml) gewaschen. Nach dem Trocknen über Na₂SO₄ wird abfiltriert und das Lösemittel am Rotationsverdampfer abgezogen. Es wird in wenig DCM aufgenommen und aus eiskaltem Methanol umgefällt. Nach dem Absaugen und Trocknen werden 1.119 g (72%) eines hellgelben Feststoffes erhalten.
In analoger Vorgehensweise werden 5b und 5c hergestellt.
Ausführungsbeispiel 3:
Synthese von Lochleiter LL1:
14 ml trockenes und entgastes o-Xylol werden in einem trockenen Schraubdeckelglas vorgelegt und nacheinander unter leichtem Argongegenstrom mit 6d (1.00 g, 3.11 mmol), 5a (0.613 g, 1.555 mmol) und NaO-t-Bu (0.3587 g, 3.732 mmol) versetzt. Dann wird die Apparatur viermal sekuriert. Unter leichtem Argongegenstrom wird der Katalyator Pd[P(t-Bu)₃]₂ (1 Mol%, 8.0 mg, 0.01555 mmol) zugegeben. Es wird mit dem Schraubdeckel verschlossen und noch dreimal sekuriert. Es wird 4 Stunden auf 120°C erwärmt. Danach wird auf Raumtemperatur abgekühlt und mit 100 ml THF versetzt (Schraubdeckelgefäßinhalt in 80 ml THF gegossen und zweimal mit je 10 ml THF nachgespült). Das Filtrat wird am Rotationsverdampfer zur Trockene einrotiert und danach mit wenig MeOH versetzt. Es wird abgesaugt und der Rückstand in wenig heißem Toluol gelöst und aus MeOH umgefällt. Nach dem Absaugen und Trocknen wird in 20 ml Wasser suspendiert und für 2 Minuten ins Ultraschallbad gestellt. Es wird erneut abgesaugt und nunmehr der Waschgang mit Methanol (Ultraschallbad) wiederholt. Nach dem Absaugen und Trocknen wird zweimal im Wechsel mit MeOH und Toluol soxhletiert. Nach der zweiten Toluolsoxhletextraktion wird eingeengt und noch heiß aus MeOH umgefällt. Nach Abkühlen, Absaugen und Trocknung werden 550 mg eines hellgelben Feststoffes erhalten. 1H-NMR in TCE-d2, 375 K: δ = 7.68 (dd, 8H, BiPh-H), 7.62 (zwei d (überlag.), 12H, Bi-Ph-H und Ph-H (N-C-H)), 7.50 (dd, 8H, BiPh-H), 7.39 (dt, 4H, BiPh-H), 7.30 (d und s (überl.), 10H, BiPh-H und T-H), 7.25 (d, 4H, Ph-H); 13C-NMR in TCE-d2, 375K: δ = 147.13, 146.83, 143.00, 140.64, 135.96, 129.18, 128.87, 127.96, 127.06, 126.74, 126.64, 124.71, 124.36, 123.53, Maldi-MS: 874,33584 (M+); UV-Vis in DCM: λ_ax = 350 nm, 400 nm.
LL2 und LL3 werden nach analoger Vorgehensweise hergestellt. Zusätzlich wird hier noch das Zielprodukt aus Ethylacetat umkristallisiert.
LL2: 1H-NMR in CD2Cl2: δ = 7.65 (dd, 8H), 7.61 (dt, 8H), 7.48 & 7.45 (zwei d (überl.), 12H), 7.34 (tt, 4H), 7.28 (dt, 8H), 7.23 (dt, 4H), 2.77 (q, 4H), 1.24 (t, 6H); Maldi-MS: 930.1 (M+); UV-Vis in DCM: λ_max = 350 nm.
LL3: 1H-NMR in CD2Cl2: δ = 7.32 (d, 4H), 7.14 (d, 8H), 7.05 (d, 8H), 7.02 (d, 4H), 2.71 (q, 4H), 1.19 (t, 6H); Maldi-MS: (M+).
Ausführungsbeispiel 4:
Schema 2:
Die Synthese von 2,3,4-Trimethylthiophen 10 erfolgt ausgehend von 3,4-Dibromthiophen 7 mittels Standard-Kumada-Reaktionsbedingungen und NBS-Bromierungsbedingungen, welche eingehend in den entsprechenden Fachbüchern beschrieben sind (Schema 2).
Synthese von 4,4,5,5-Tetramethyl-2-(3,4,5-trimethyl-2-thienyl)-1,3,2-dioxaborolan 11 (Schema2):
2,3,4-Trimethylthiophen 10 (1.000 g, 7.92 mmol) und 12 ml trockenes THF werden in einem 50 ml Dreihalskolben mit Innenthermometer, Magnetrührstab, Argoninlet und Septum vorgelegt. Unter Rühren und Argon wird auf –10°C abgekühlt und n-BuLi (2.5 M in Hexanes, 3.2 ml, 8.0 mmol) über den Zeitraum von 30 Minuten zugetropft. Nach dem Erwärmen auf RT wird für 1 Stunde weiter gerührt. Nach erneuter Abkühlung auf –10°C wird der Boronester iso-PrO-B(OR)₂ (1.4744 g, 1.60 ml, 7.92 mmol) in THF (0.6 ml) langsam zugetropft und für 30 Minuten bei –10°C gerührt. Das Reaktionsgemisch wird schnell in einen Scheidetrichter, in dem sich 20 ml eisgekühlte NaHCO₃-Lösung befinden, überführt. Der Reaktionskolben wird mit eisgekühltem Diethylether (2 × 30 ml) gespült und die Waschphasen dem Scheidetrichter zugeführt. Nach Abtrennung der org. Phase wird die wässrige noch dreimal mit je 20 ml Diethylether extrahiert und schließlich die vereinigten org. Phasen mit 10 ml Wasser gewaschen und über Na₂SO₄ getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Lösemittels am Rotationsverdampfer und nach 12 Stunden Stehen im Tiefkühlschrank werden 1.778 g (89%) eines beigen Feststoffes erhalten.
Ausführungsbeispiel 5:
Synthese von Bis-(4-bromphenyl)-carbaminsäure-t-butylester 13 (Schema2):
In einem verschließbaren Überdruckgefäß mit Magnetrührstab werden 6 ml trockenes THF mittels Argonflutung für 20 Minuten entgast. Danach werden nacheinander im Argongegenstrom Bis-(4-bromophenyl)amin 12 (2.000 g, 6.1 mmol), Boc₂O (1.468 g, 6.7 mmol) und DMAP (0.1494 g, 1.2 mmol) zugegeben. Nach weiterer Argonspülung für 5 Min. wird das Überdruckgefäß mit einem Schraubdeckel verschlossen und das Reaktionsgemisch auf 60°C erwärmt und für 60 Minuten bei dieser Temperatur weiter gerührt. Nach dem Abkühlen auf RT wurde über Nacht weiter gerührt. Nach dem Abrotieren des Lösemittels wird aus Methanol umkristallisiert. Nach Absaugen und Trocknen werden 2.212 g (84%) eines weißen Feststoffes erhalten.
Ausführungsbeispiel 6:
Synthese von Bis-[4-(3,4,5-trimethylthiophen-2-yl)phenyl]carbaminsäure-t-butylester 14 (Schema 2):
In einem 50 ml Dreihalskolben mit Rückflußkühler, Argonflutung, Innenthermometer, Magnetrührstab und Septum werden Boc-Amin 13 (681.6 mg, 1.6 mmol), Thiophenboronester 11 (889.0 mg, 3.5 mmol) und Dimethoxyethan (16 ml) vorgelegt. Danach wird eine 2 M wässr. K₃PO₄-Lösung (2.258 g, 10.6 mmol, 5.32 ml) zugegeben. Unter Rühren wird für 20 Minuten Argon durchgeflutet, um danach im leichten Argongegenstrom Pd₂(dba)₃ (14.4 mg, 0.016 mmol) und P(t-Butyl)₃ (6.43 mg, 0.032 mmol) zuzugeben. Es wird für weitere 20 Minuten Argon durchgeflutet und danach für 8 Stunden unter Argonschutzatmosphäre refluxiert. Nach dem Abkühlen wird das Lösemittel am Rotationsverdampfer abgezogen und das Rohprodukt in DCM (100 ml) aufgenommen. Die wässrige Phase wird noch dreimal mit je 20 ml DCM extrahiert. Die vereinigten org. Phasen werden mit Wasser (2 × 20 ml) gewaschen, über Na₂SO₄ getrocknet und nach dem Abfiltrieren einrotiert. Der hellbraune Rückstand wird mit wenig eiskaltem Methanol verrührt und nach der Kristallisation abgesaugt. Nach dem Waschen mit wenig eiskaltem Methanol und Trocknen unter Membranpumpenvakuum werden 486.6 mg (59%) eines beigen Feststoffes erhalten.
Ausführungsbeispiel 7:
Entschützung von 14 (Schema 2):
In einem 25 ml Zweihalskolben mit Argoninlet, Magnetrührstab und Septum werden Ester 14 (0.7555 g, 1.46 mmol) und trockenes DCM (6 ml) vorgelegt. Unter Argonschutzgasatmosphäre wird mittels Spritze Trimethylsilyiodid (0.365 g, 0.25 ml, 1.825 mmol) vorsichtig zugegeben und für 35 Minuten bei RT weiter gerührt. Schließlich werden MeOH (10.5 ml) und Et₃N (0.5 ml) nacheinander zugegeben und die Reaktion dadurch gequencht. Nach 10 minütigem Weiterruhren werden die Lösemittel am Rotationsverdampfer abgezogen. Der Rückstand wird mit gesättigter wässr. NaHCO₃-Lösung (14 ml) versetzt und für 1 Minute ins Ultraschallbad gestellt. Nach dem Absaugen wird mit Wasser (14 ml) gewaschen. Der Waschvorgang wird wiederholt und nach dem Absaugen wird mit MeOH (8 ml) gewaschen. Nach dem Trocknen im Membranpumpenvakuum fallen 0.5462 g (89%) eines weiß-beigen Feststoffes an.
Ausführungsbeispiel 8:
Synthese von LL5 (Schema 2):
In einem mit einem Schraubdeckel verschließbaren Überdruckgefäß werden nacheinander Bis-[4-(3,4,5-trimethylthiophen-2-yl)phenyl]amin 14 (0.5462 g, 1.308 mmol), 4,4'-Dibrombiphenyl (0.2040 g, 0.654 mmol) und Natrium-t-butanolat (150.7 mg, 1.57 mmol) zu 8 ml o-Xylol unter Rühren und Argonspülung zugegeben. Nach fortgesetzter Argonspülung für 20 Minuten wird der Katalyator Pd[P(t-Bu)₃]₂ (1 Mol%, 3.4 mg, 0.0067 mmol) zugegeben. Es wird mit dem Schraubdeckel verschlossen und noch dreimal sekuriert (Entgasen durch Anlegen von Vakuum und anschließendes Überleiten von Argon). Danach wird auf 120°C erwärmt und für 12 Stunden bei dieser Temperatur weiter gerührt. Nach dem Abkühlen wird das o-Xylol am Rotationsverdampfer abgezogen und der Rückstand mit THF (160 ml) aufgenommen. Nach dem Filtrieren und abrotieren des THF wird der Rückstand in 250 ml Toluol aufgenommen. Die org. Phase wird viermal mit je 30 ml Wasser im Scheidetrichter gewaschen und danach über Na₂SO₄ getrocknet. Das Lösemittel wird abrotiert und der Rückstand (0.5618 g eines weiß-beigen Feststoffes) durch Soxhletextraktion (nacheinander mit MeOH und EtOAc) gereinigt. Schließlich wird in Toluol aufgenommen, durch Abrotieren aufkonzentriert und aus kaltem EtOH (150 ml, –15°C) umgefällt. Nach dem Absaugen und Trocknen werden 282 mg eines beigen Feststoffes erhalten. Wiederholung der Soxhletextraktionen und erneute Umfällung lieferten schließlich nach Trocknung 250 mg (39%) eines weiß-beigen Feststoffes. 1H-NMR in CD₂Cl₂: δ = 7.56 (d, 4H), 7.35 (d, 8H), 7.24 (d, 4H), 7.19 (d, 8H), 2.39 (s, 12H), 2.22 (s, 12H), 2.10 (s, 12H); Maldi-MS: 984.5 (M+); UV-Vis in DCM: λ_max = 359 nm.
Schema 3
Ausführungsbeispiel 9:
Synthese von Bis-[4-(3,5-dimethyl-thiophen-2-yl)phenyl]amin 21 (Schema 3):
In einem 50 ml Dreihalskolben mit Rückflußkühler, Innenthermometer, Magnetrührstab und Septum wurde 2-BrDiMeTh 16 (2.0952 g, 10.96 mmol) in trockenem THF (24 ml) gelöst und auf –70°C abgekühlt. Danach wurde n-BuLi (7.2 ml, 1.6 M in Hexan, 11.52 mmol) bei –70°C zugetropft und die Mischung unter Argon für 60 Min. weiter gerührt. Anschließend wurde trockenes ZnCl2 (1.6500 g, 12.03 mmol) in 12 ml trockenem THF gelöst und derart zugetropft, dass die Temperatur unter –60°C gehalten worden ist. Die Reaktionsmischung wurde eine Stunde bei –65°C unter Argon weiter gerührt, danach auf Raumtemperatur gebracht, für 40 Minuten bei RT weiter gerührt und schließlich entgast durch 20 minütiges Durchblubbern von Argon. Danach wurden im Argongegenstrom nacheinander BBrPhA 20 (1.2804 g, 3.9153 mmol) in 5 ml trockenem und entgasten THF gelöst, Palladiumacetat (49.5 mg, 0.2205 mmol, 2 mol%) und SPhos (180.0 mg, 0.4385 mmol, 4 mol%) zugegeben. Nach weiterem Entgasen für 10 Minuten wurde mittels Glasstopfen versiegelt. Die Reaktionsmischung wurde sodann für 24 h unter Argon refluxiert. Die Reaktionsmischung wurde nach dem Abkühlen in 10%-ige wässrige EDTA-Lösung (60 ml) unter Rühren gegossen und danach in einen Scheidetrichter überführt und mit DCM (5 × 50 ml) extrahiert. Die vereinigten org. Phasen wurden zweimal mit je 30 ml Wasser gewaschen und danach über Na₂SO₄ getrocknet. Nach dem Abfiltrieren und dem Abrotieren des Lösungsmittels wurde über eine kurze Säule (Por3-Fritte, Kieselgel, 60 ml Füllvolumen) mit n-Hexan: DCM = 2:1 (400 ml n-Hexan, 200 ml DCM, Rf = 0.50) filtriert. Nach dem Abrotieren der Lösemittel wurden 1.4893 g (3.8227 mmol) eines weiß-beige Feststoffes erhalten (Ausbeute 98%).
1H-NMR in CD₂Cl₂: δ = 7.25 (d, 4H), 7.01 (bs, 4H), 6.50 (s, 2H), 2.35 (bs, 6H), 2.16 (bs, 6H).
Ausführungsbeispiel 10:
Synthese von LL6 und LL7 erfolgte in modifizierter Form der von LL5 über Buchwald-Hartwig-Kupplung von 21 und 22 mit 4,4'-Dibrombiphenyl:
Bis-[4-(3,5-dimethyl-thiophen-2-yl)phenyl]amin 21 (1.4800 g, 3.8 mmol) und 4,4'-Dibrombiphenyl (0.5926 g, 1.9 mmol) wurden in einem verschließbaren Schraubdeckelüberdruckgefäß in 18 ml o-Xylol gelöst und die Lösung im Anschluß für 30 Minuten mittels Durchblubbern von Argon entgast. Danach wurden im leichten Argongegenstrom nacheinander t-OBuNa (0.4382 g, 4.559 mmol) und Pd(P(t-Bu)3)2 (10 mg, 0.0195 mmol) zugegeben. Es wurde für weitere 10 Minuten Argon durchgeblubbert und danach verschlossen. Im Anschluß wurde für 4 Stunden bei 120°C gerührt. Nach dem Abkühlen über Nacht wurde mit 300 ml THF aufgenommen und filtriert (Abtrennung des Katalysators). Nach dem Abrotieren des Lösemittels wurde mit Toluol (250 ml) versetzt und in einen Scheidetrichter überführt. Es wurde viermal mit je 30 ml Wasser gewaschen und die organische Phase im Anschluß über Na2SO4 getrocknet. Nach dem Abfiltrieren wurde das Lösemittel abrotiert bis zu einem Restvolumen von ca. 20 ml bei einer Badtemperatur von etwa 90–100°C, sodass sich der hellgelbe-leicht bräunliche, blau fluoreszierende Feststoff vollständig auflöste. Danach wurde unter kräftigem Rühren in 250 ml eiskaltes Methanol gegossen (Umfällung) und der weiß-beige Feststoff abgesaugt. Der abgesaugte Feststoff wurde nach dem Trocknen mit ca. 10 ml Toluol versetzt und im siedenden Wasserbad gelöst und erneut aus eiskaltem Methanol umgefällt. Nach dem Absaugen und Trocknen wurde in eine Soxhlethülse überführt und für 5 Stunden mit Methanol (60 ml) extrahiert (gewaschen). Danach wurde der Hülsenrückstand (beiger Feststoff) samt Hülse getrocknet und mit Ethylacetat (60 ml) extrahiert. Dabei löste sich der Großteil des Hülsenrückstandes in der Siedehitze im EtOAc auf und fiel nach Abkühlung über Nacht als weiß-beiger Feststoff wieder aus. Zur Vervollständigung der Kristallisation wurde für weitere 8 Stunden in den Tiefkühlschrank gestellt. Nach dem Absaugen und Trocknen wurde erneut in eine Extraktionshülse überführt und erneut mit 60 ml EtOAc am Soxhlet extrahiert. Nach der Abscheidung über Nacht und der Komplettierung der Fällung durch 8 stündiges Stehen im Tiefkühlschrank wurde abgesaugt, getrocknet und schließlich ein drittes Mal mit 60 ml EtOAc am Soxhlet extrahiert. Nach Vervollständigung der Kristallisation, Absaugen und Trocknung im Ölpumpenvakuum wurden 0.560 g (0.603 mmol, 32%) eines weiß-hellgelben Feststoffes erhalten, der die korrekten analytischen Ergebnisse (1H-NMR, Maldi-MS) lieferte. Alle EtOAc Filtrate wurden vereinigt, zur Trockene einrotiert und der Feststoff in eine Soxhlethülse transferriert, um durch zusätzliches Waschen mit MeOH (60 ml, 5 Stunden) und Extraktion mit EtOAc (60 ml, 12 Stunden) am Soxhletextraktor, Ausfällung über Nacht und Vervollständigung dieser durch 8-stündiges Stehen im Tiefkühlschrank weiteres Zielprodukt (0.2500 g, 0.269 mmol) zu erhalten. DC: n-Hexan:DCM = 2:1 (Rf = 0.55). Die Gesamtmenge betrug somit 0.8100 g (0.872 mmol, 46%). LL6: 1H-NMR in CD₂Cl₂: δ = 7.57 (d, 4H), 7.38 (d, 8H), 7.24 (d, 4H), 7.19 (d, 8H), 6.63 (s, 4H), 2.48 (s, 12H), 2.30 (s, 12H); Maldi-MS: 928.5 (M+).
Ausführungsbeispiel 11:
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement in 1 ein photoaktives Bauelement, wie etwa eine organische Solarzelle. Das Bauelement weist dabei folgende beispielhafte Schichtreihenfolge auf:

1.) Glas-Substrat 1,
2.) ITO Grundkontakt 2,
3.) Elektronentransportschicht (ETL) 3,
4.) Absorbermischschicht 1 (10–200 nm) 4
5.) Absorbermischschicht 2 (10–200 nm) 5
6.) Löchertransportschicht (HTL) 6,

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Dabei enthält die Löchertransportschicht (HTL) 6 eines der Löchertransportmaterialien LL1, LL2, LL3 bzw. LL4, welche im Ausführungsbeispiel 1 dargestellt sind. In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass die photoaktive Region aus einer Absorbermischschicht ausgeführt.
Ausführungsbeispiel 12:
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement in 2 ein photoaktives Bauelement, wie etwa eine organische Solarzelle. Dabei wird in 2 eine Lichtfalle zur Verlängerung des optischen Wegs des einfallenden Lichtes im aktiven System verwendet.
Dabei wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorbermischschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise wie in 2 dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen (h) und Breiten (d) jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein. Die Breite der pyramidenartigen Strukturen liegt hierbei zwischen 1 μm und 200 μm. Die Höhe der pyramidenartigen Strukturen kann zwischen 1 μm und 1 mm liegen.
1.) Bezeichnung Fig. 2:

1 μm < d < 200 μm
1 μm < h < 1 mm
11: Substrat
12: Elektrode; z. B. ITO oder Metall (10–200 nm)
13: HTL oder ETL-Schichtsystem (10–200 nm)
14: Absorbermischschicht 1 (10–200 nm)
15: Absorbermischschicht 2 (10–200 nm)
16: HTL oder ETL-Schichtsystem (10–200 nm)
17: Elektrode; z. B. ITO oder Metall (10–200 nm)
18: Weg des einfallenden Lichts

Dabei enthält die Löchertransportschicht (HTL) 6 eines der Löchertransportmaterialien LL1, LL2, LL3 bzw. LL4, welche im Ausführungsbeispiel 1 dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Grundkontakt (Elektrode)
3: Transportschichtsystem (ETL bzw. HTL)
4: photoaktives Schichtsystem 1
5: photoaktives Schichtsystem 2
6: Transportschichtsystem (HTL bzw. ETL)
9: Deckkontakt (Elektrode)
11: Substrat
12: Elektrode
13: HTL oder ETL-Schichtsystem
14: Absorbermischschicht 1
15: Absorbermischschicht 2
16: HTL oder ETL-Schichtsystem
17: Elektrode
18: Weg des einfallenden Lichts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7825326 B2 [0006]
EP 2385556 A1 [0006]
WO 2006092134 [0087, 0120]
DE 102004014046 [0121]
DE 10338406 [0123, 0124]
DE 10347856 [0123, 0124]
DE 10357044 [0123, 0124]
DE 102004010954 [0123, 0124]
DE 102006053320 [0123, 0124]
DE 102006054524 [0123, 0124]
DE 102008051737 [0123, 0124]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications”, PhD thesis TU-Dresden, 1999 [0012]
C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 183 [0014]
B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737 [0014]
Uhrich et al. JAP, 104, 043107, 2008 [0022]
Zhou et al. APL, 81, 922, 2002 [0022]

Claims

Optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat umfassend eine erste und eine zweite Elektrode sowie zumindest eine organische Schicht, wobei die organisches Schicht zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, enthaltend eine Verbindung der allgemeinen Formel (I)
wobei Ar1–Ar17 unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Homo- oder Heterocyclen aus der Gruppe Phenyl, Carbazol, Fluoren, Spirobifluoren, Diphenylether, Selenophen, Furan, Thiophen, Pyrrol oder Phosphol sind, a–q unabhängig voneinander 0 oder 1 sind mit der Voraussetzung, dass a + b + (...) + p + q ≥ 6, wobei zumindest an einer Position eine Einheit aus zwei unmittelbar benachbarte Ar-Einheiten der allgemeinen Formel (II)
vorhanden sind, wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se, wobei R3 unabhängig voneinander H, Alkyl oder Aryl ist und R, R1, R2 unabhängig voneinander H oder Alkyl, Alkoxy oder Thioalkyl sind, jedoch R1 und R2 nicht gleichzeitig H sind.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oligoarylamine der allgemeinen Formel (I) zwischen den beiden Stickstoffatomen eine der nachfolgenden Konfigurationen aufweisen:
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) nicht zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet.
Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den beiden Stickstoffatomen eine Einheit der allgemeinen Formel (III)
befindet, wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se und R4 ausgewählt ist aus Alkyl, Thioalkyl oder Alkoxy und – R4 und R5 unabhängig voneinander Alkyl, Thioalkyl, Alkoxy; R4-R5: C-Alkyl-C, O-Alkyl-O und S-Alkyl-S sind oder – R5 H ist, wenn R4 = Akyl, Alkoxy, Thioalkyl ist oder R4 und R5 H sind, wenn R6 = Alkyl, Alkoxy, Thioalkyl sind.
Oligoarylamine der allgemeinen Formeln (IV)–(X) bei denen sich mindestens eine Einheit der Formel (II) zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet
Oligoarylamine der allgemeinen Formel (IV) dadurch gekennzeichnet, dass a, b, c = 1 sind, d, e = 0 sind und [Ar₁]_a-[Ar₂]_b-[Ar₃]_c der allgemeinen Formel (XI) entspricht,
wobei X ausgewählt ist aus N-R3, O, P-R3, S oder Se und R4 ausgewählt ist aus Alkyl, Thioalkyl oder Alkoxy.
Oligoarylamine der allgemeinen Formel (XII), dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Einheit (II) der allgemeinen Formel (I) nicht zwischen den beiden Stickstoffatomen befindet
Oligoarylamine der allgemeinen Formel (XII), dadurch gekennzeichnet, dass f, g, l, m, i, j, o, p = 1 sind, h, k, n, q = 0 sind, [Ar6]_f-[Ar7]_g, [Ar9]_i-[Ar10]_j, [Ar12]_l-[Ar13]_m und [Ar15]_o-[Ar16]_p der allgemeinen Formel (II) entsprechen, wobei X ausgewählt ist N-R3, O, P-R3, S oder Se, R3 unabhängig voneinander H, Alkyl oder Aryl sind und R, R1, R2 unabhängig voneinander H oder Alkyl, Alkoxy oder Thioalkyl sind, jedoch R1 und R2 nicht gleichzeitig H sind.
Verwendung eines Oligoarylamins nach einem der Ansprüche 5 bis 9 in einem optoelektronischen Bauelement.