DE102012105812A1

DE102012105812A1 - Elektrodenanordnung für optoelektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE102012105812A1
Application number: DE102012105812.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Uhrich; Toni Müller; Rico Meerheim
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014006566A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist und die zweite Elektrode eine Gegenelektrode bildet, wobei zwischen diesen Elektroden zumindest ein photoaktives Schichtsystem angeordnet ist, welches zumindest ein Donor-Akzeptorsystem mit organischen Materialien umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Elektrode für optoelektronische Bauelemente.
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. US 7825326 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.
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu anorganische 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.
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. Es ist allerdings auch möglich, dass die n-Schicht(en) bzw. p-Schicht(en) zumindest teilweise nominell undotiert sind und nur aufgrund der Materialeigenschaften (z.B. unterschiedliche Beweglichkeiten), aufgrund unbekannter Verunreinigungen (z.B. verbliebene Reste aus der Synthese, Zerfalls- oder Reaktionsprodukte während der Schichtherstellung) oder aufgrund von Einflüssen der Umgebung (z.B. angrenzende Schichten, Eindiffusion von Metallen oder anderen organischen Materialien, Gasdotierung aus der Umgebungsatmosphäre) bevorzugt n-leitende bzw. bevorzugt p-leitende Eigenschaften besitzen. In diesem Sinne sind derartigen Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine nominell undotierte Schicht (intrinsische Schicht). Eine oder mehrere i-Schichten können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke bzw. bulk-heterojunction; M. Hiramoto et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, pp. 33–40) bestehen. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen (gebundene Elektron-Loch-Paare). Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In Organische Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle Erfolg versprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Das Material, welches die Elektronen aufnimmt, wird dabei als Akzeptor, und das Material, welches das Loch aufnimmt, als Donator (oder Donor) bezeichnet. Die trennende Grenzfläche 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) wie sie z.B. in WO 2004083958 beschrieben sind. Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450nm liegt, vorzugsweise bei < 400nm.
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 Organische Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss daher in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig.
Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin vorhanden sind.
Aus der US 5,093,698 ist die Dotierung organischer Materialien bekannt. Durch Beimischung einer akzeptorartigen bzw. donatorartigen Dotiersubstanz wird die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in der Schicht erhöht und die Leitfähigkeit gesteigert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien in elektrolumineszierenden Bauelementen verwendet. Ähnliche Dotierungsansätze sind analog auch für Solarzellen zweckmäßig.
Aus der Literatur sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die photoaktive i-Schicht bekannt. So kann es sich hierbei um eine Doppelschicht ( EP 0000829 ) oder eine Mischschicht (Hiramoto, Appl. Phys.Lett. 58,1062 (1991)) handeln. Bekannt ist auch eine Kombination aus Doppel- und Mischschichten (Hiramoto, Appl. Phys.Lett. 58,1062 (1991); US 6,559,375 ). Ebenfalls bekannt ist, dass das Mischungsverhältnis in verschiedenen Bereichen der Mischschicht unterschiedlich ist ( US 20050110005 ) bzw. das Mischungsverhältnis einen Gradienten aufweist.
Weiterhin sind Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990); DE 102004014046 ).
Aus der Literatur schon lange bekannt sind organische Tandemsolarzellen (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990). In der Tandemzelle von Hiramoto et al. befindet sich eine 2nm dicke Goldschicht zwischen den beiden Einzelzellen. Die Aufgabe dieser Goldschicht besteht darin für eine gute elektrische Verbindung zwischen den beiden Einzelzellen zu sorgen: die Goldschicht bewirkt eine effiziente Rekombination der Löcher aus der einen Teilzelle mit den Elektronen aus der anderen Teilzelle und bewirkt damit, dass die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind. Weiterhin absorbiert die Goldschicht wie jede dünne Metallschicht (bzw. Metallcluster) einen Teil des einfallenden Lichts. Diese Absorption ist in der Tandemzelle von Hiramoto ein Verlustmechanismus, da dadurch den photoaktiven Schichten (H2Pc (metallfreies Phthalocyanin)/ Me-PTC (N,N′’-dimethylperylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide) in den beiden Einzelzellen der Tandemzelle weniger Licht zur Verfügung steht. Die Aufgabe der Goldschicht ist in dieser Tandemstruktur daher rein auf der elektrischen Seite. Innerhalb dieser Konzeption sollte die Goldschicht möglichst dünn sein bzw. im besten Fall komplett wegfallen.
Weiterhin aus der Literatur bekannt sind organische pin-Tandemzellen ( DE 102004014046 ): Die Struktur solch einer Tandemzelle besteht aus zwei pin-Einzelzellen wobei die Schichtfolge „pin“ die Abfolge aus einem p-dotierten Schichtsystem, einem undotierten photoaktiven Schichtsystem und einem n-dotierten Schichtsystem beschreibt. Die dotierten Schichtsysteme bestehen bevorzugt aus transparenten Materialien, so genannten wide-gap Materialien/Schichten und sie können hierbei auch teilweise oder ganz undotiert sein oder auch ortsabhängig verschiedene Dotierungskonzentrationen aufweisen bzw. über einen kontinuierlichen Gradienten in der Dotierungskonzentration verfügen. Speziell auch sehr gering dotierte oder hochdotierte Bereiche im Grenzbereich an den Elektroden, im Grenzbereich zu einer anderen dotierten oder undotierten Transportschicht, im Grenzbereich zu den aktiven Schichten oder bei Tandem- oder Mehrfachzellen im Grenzbereich zu der anliegenden pin- bzw. nip-Teilzelle, d.h. im Bereich der Rekombinationszone sind möglich. Auch eine beliebige Kombination aus allen diesen Merkmalen ist möglich. Natürlich kann es sich bei einer solchen Tandemzelle auch um eine sogenannte invertierte Struktur (z.B. nip-Tandemzelle; handeln. Im Folgenden werden alle diese möglichen Tandemzellen-Realisierungsformen mit dem Begriff pin-Tandemzellen bezeichnet. Ein Vorteil einer solchen pin-Tandemzelle besteht darin, dass durch die Verwendung von dotierten Transportschichten eine sehr einfache und gleichzeitig sehr effiziente Realisierungsmöglichkeit für die Rekombinationszone zwischen den beiden Teilzellen möglich ist. Die Tandemzelle weist z.B. eine pinpin-Struktur auf (oder auch z.B. möglich nipnip). An der Grenzfläche zwischen den beiden pin-Teilzellen befinden sich jeweils eine n-dotierte Schicht und eine p-dotierte Schicht, die ein pn-System (bzw. np-System) bilden. In einem solchen dotierten pn-System erfolgt eine sehr effiziente Rekombination der Elektronen und Löcher. Die Stapelung von zwei pin-Einzelzellen ergibt damit direkt eine vollständige pin-Tandemzelle, ohne dass noch weitere Schichten benötigt werden. Speziell von Vorteil ist hier, dass keine dünnen Metallschichten mehr benötigt werden wie bei Hiramoto, um die effiziente Rekombination zu gewährleisten. Hierdurch kann die Verlustabsorption solcher dünnen Metallschichten komplett vermieden werden...
Die bisher in der Literatur beschriebenen Topkontakte sind zur Realisierung optoelektronischer Bauelemente mit hoher Transparenz nicht ausreichend und weisen zu hohe Reflexionen auf. Weiterhin besteht ein hohes Interesse an der Realisierung transparenter Topkontakte auf opaken Substraten.
Zur Realisierung von transparenten Topkontakten auf organischen Bauelementen sind aus der Literatur dünne thermisch aufgedampfte Metallschichten mit Zwischenschichten und gesputterte ITO Schichten bekannt.
Bailey-Salzmann et al. zeigen in ihrer Veröffentlichung von 2006 (APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 233502 _2006) die Verwendung von dünnen Ag Schichten (25nm) zu Realisierung von semitransparenten organischen Solarzellen.
Meiss et al. zeigen 2009 in ihrer Veröffentlichung (APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 213306 _2009) die Verwendung von dotierten Transportschichten und dünnen Ag Schichten (14nm) zur Realisierung von transparenten organischen Solarzellen. Darüber hinaus wird in dieser Veröffentlichung eine dünne Al Zwischenschicht unter der Ag Schicht zur Glättung selbiger verwendet. Auch die Verwendung von organischen Schichten auf der dünnen Ag Schicht zur Erhöhung der Transparenz des Top-Kontaktes wird hier gezeigt.
In ihrer Veröffentlichung von 2011 zeigen Meiss et. al alternativ zu der zuvor beschriebenen dünnen Al Zwischenschicht die Verwendung von einer dünnen Ca Schicht.
Aus der Literatur ist auch die Realisierung von organischen Bauelementen mit transparentem TopKontakt auf opaken Grundkontakt bekannt. Hoffmann et al. zeigen beispielsweise in ihrer Veröffentlichung von 2012 (APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 253308, 2010) eine organische Leuchtdiode (OLED) unter Verwendung von dotierten Transportschichten, einer dünnen Ag-Metallschicht (13nm) und einer organischen Schicht auf der Ag-Schicht zur Erhöhung der Transparenz des Top-Kontaktes.
Die bisher in der Literatur beschriebenen Topkontakte mit dünnen Metallschichten werden alle mit Hilfe von thermischem Verdampfen realisiert. Typische Schichtdicken der dünnen Metallschichten liegen im Bereich von 13–15nm. Zur Realisierung von höherer Transparenz von Semitransparenten organischen Bauelementen bzw. Erhöhung der Effizienz von organischen Bauelementen auf opaken Substrat mit transparentem Top-Kontakt ist es notwendig die Transparenz des Top-Kontaktes durch Verminderung der Schichtdicke des dünnen Metallkontaktes zu erhöhen.
Bei opaken Substraten führen die bekannten Lösungen zu verstärkter parasitärer Absorption und Reflexionsverlusten und damit zu einer Verringerung der Effizienz gegenüber transparenten Substraten, wie etwa mit ITO-Grundkontakten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die vorbenannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen transparenten Topkontakt für optoelektronische Bauelemente anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat vorgeschlagen, welches eine erste und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist und die zweite Elektrode eine Gegenelektrode bildet, wobei zwischen diesen Elektroden zumindest ein photoaktives Schichtsystem angeordnet ist, wobei zwischen der Gegenelektrode und dem photoaktiven Schichtsystem zumindest eine Transportschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gegenelektrode und der zumindest einen Transportschicht eine Elektronentransportschicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das photoaktive Schichtsystem ein Donor-Akzeptorsystem mit organischen Materialien.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Elektronentransportschicht zumindest ein organisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Elektronentransportschicht zumindest ein Fulleren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Elektronentransportschicht ein anorganisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Elektronentransportschicht eine n-Dotierung auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Gegenelektrode zumindest eine Schicht umfasst, welche in Richtung der Elektronentransportschicht angeordnet ist und zumindest ein Metall.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schicht Ag, Au, Pt, Cr, Ti, Al, Zr, Cu, Zn, Sn, Sr, La, In, Sc, Hf oder Legierungen zumindest eines der vorbenannten Elemente.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schicht eine Mischschicht ist, enthaltend Ag, Au, Pt, Cr, Ti, Al, Zr, Cu, Zn, Sn, Sr, La, In, Sc, Hf oder Legierungen zumindest eines der vorbenannten Elemente sowie ein Alkali- oder Erdalkalimetall, ein Metalloxid oder ein organisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Mischschicht Ag und Ca.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Zwischenschicht zwischen der Gegenelektrode und der Elektronentransportschicht angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Zwischenschicht zwischen der Gegenelektrode und der Elektronentransportschicht angeordnet, wobei die Zwischenschicht ein Alkali- oder Erdalkalimetall, ein Metalloxid oder ein organisches Material umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Zwischenschicht Ca.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,5nm bis 5nm auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Transportschicht als eine Löchertransportschicht ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Transportschicht als eine Löchertransportschicht ausgebildet, wobei die Transportschicht aus einem organischen oder anorganischen Material ausgebildet ist, wobei die Transportschicht undotiert oder p-dotiert ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronsiche Bauelement eine organische Solarzelle.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauelement den nachfolgenden Aufbau auf:
Elektrode/ Donor-Akzeptor-System/ Transportschicht/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauelement den nachfolgenden Aufbau auf:
Elektrode/ Donor-Akzeptor-System/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauelement den nachfolgenden Aufbau auf:
Elektrode/ (p-dotierte) Löcher-Transportschicht / Donor-Akzeptor-System/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauelement den nachfolgenden Aufbau auf:
Elektrode/ Donor-Akzeptor-System/ (p-dotierte) Löcher-Transportschicht/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauelement den nachfolgenden Aufbau auf:
Elektrode/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Donor-Akzeptor-System/ (p-dotierte) Löcher-Transportschicht/ (n-dotierte) Elektronen-Transportschicht/ Gegenelektrode.
Bevorzugt ist die Elektrode ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: ITO; Metall-Nanowire; Metallschicht; dünne, transparente Metallschicht; leitfähiges Polymer; leitfähiges Polymer mit Grid; DMD-Stapel; Carbon-Nano-Tubes; Graphen.
Bevorzugt ist das Donor-Material ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: Phthalocanin (ZnPc, CuPc, etc.); Naphthalocyanin; Sub-Naphthalocyanin; ADA-Oligothiophen; Oligothiophen; DA-Oligothiopghen; Merocyanin.
Bevorzugt ist das Akzeptor-Material ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: Fulleren-Derivat (C60; C70; PCBMC60; PCBMC70; ...), Perylen-Derivat (PTCDA; MePTCDI; etc.); NTCDA (1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride); PTCDA; NDCA; BPDCA.
Das Donor-Akzeptor-System stellt dabei eine Kombination aus Donor und Akzeptor in Form von aufeinander folgenden Schichten und/oder Mischschichten dar.
Bevorzugt ist die Elektronentransportschicht ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: Fulleren-Derivat (C₆₀; C₇₀; PCBMC₆₀; PCBMC₇₀; etc.), Perylen-Derivat (PTCDA; MePTCDI; etc.); NTCDA(1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride); PTCDA; NDCA; BPDCA; ANQ.
Bevorzugt ist die Löchertransportschicht ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: NPB; DiNPB; BPAPF; Spiro-NPB; MeO-TPD; MoO₂.
Bevorzugt sind die p-Dotanden ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: F4-TCNQ; fluoriniertes Fulleren (F36C60; F48C60).
Bevorzugt sind die n-Dotanden ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: AOB (acridine orange base); Ytterbium; Cr2(hpp)4; W2(hpp)4 (hpp = 1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidine).
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 ist das Substrat opak oder transparent ausgeführt.
Unter opak wird im Sinne der Erfindung nicht transparent verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat flexibel ausgeführt.
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 Elektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist, ein Metall, Metalloxid, Metallgrid, Metall-Metalloxid-Schichtsystem, Metallpartikel, Metallnanowire, Graphen oder einen organische Halbleiter.
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. 600nm bzw. ca. 800nm 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 < 450nm 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 >700nm bis 1500nm.
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 WO 2006092134 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 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV 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 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV 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 > 450nm.
In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Donator-Material über ein Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich > 450nm.
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 < 450nm.
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 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV 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 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV 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 WO 2006092134 , ein Porphyrin-Derivat, ein Pentacen-Derivat oder ein Perylenderivat, wie DIP (Di-Indeno-Perylen), DBP (Di-benzo-perylene).
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-di4-2,2-diphenyl-ethen-1-yl-phenyl-N,N-di4-methylphenylphenylbenzidine), 4P-TPD (4,4′-bis-(N,N-diphenylamino)-tetraphenyl), oder ein in DE 102004014046 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 DE 10338406 , DE 10347856 , DE 10357044 , DE 102004010954 , DE 102006053320 , DE 102006054524 und DE 102008051737 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 DE 10338406 , DE 10347856 , DE 10357044 , DE 102004010954 , DE 102006053320 , DE 102006054524 und DE 102008051737 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.
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 einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung einer Elektrodenanordnung und in
2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung einer Elektrodenanordnung.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in 1 eine erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement 1, wie etwa eine Solarzelle, dargestellt. Das optoelektronische Bauelement 1 ist auf einem Substrat 2 angeordnet und umfasst eine erste und eine zweite Elektrode 3, 4, wobei die erste Elektrode 3, etwa ITO, auf dem Substrat 2 angeordnet ist und die zweite Elektrode 4 eine Gegenelektrode, welche beispielsweise Ag umfasst, bildet. Zwischen diesen, diesen Elektroden 3, 4 ist zumindest ein photoaktives Schichtsystem 5 angeordnet. Das photoaktive Schichtsystem 5 umfasst dabei beispielsweise zumindest ein Donor-Akzeptorsystem mit organischen Materialien, wie etwa ZnPc:C₆₀. Weiterhin ist zwischen der Gegenelektrode 4 und dem photoaktiven Schichtsystem 5 zumindest eine Transportschicht 6 angeordnet ist. Die Transportschicht 6, welche beispielsweise als Löchertransportschicht ausgeführt ist und dabei beispielsweise MeO-TPD:F4TCNQ umfasst. Zudem ist zwischen der Gegenelektrode 4 und der zumindest einen Transportschicht 6 eine Elektronentransportschicht 7 angeordnet, welche beispielsweise C60:AOB umfasst.
In einer alternativen Ausgestaltung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist in der 2 zwischen der Elektrode 3, welche beispielsweise aus einem Nanowire-Drahtgeflecht ausgeführt ist und der photoaktiven Schicht 5, welche etwa C60:ZnPc umfasst, eine Elektronentransportschicht 8 angeordnet. Diese Elektronentransportschicht 8 umfasst dabei beispielsweise C60:AOB.
Bezugszeichenliste

1: Bauelement
2: Substrat
3: Elektrodenanordnung
4: Gegenelektrode
5: photoaktives Schichtsystem
6: Transportschicht
7: Elektronentransportschicht
8: Elektronentransportschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7825326 B2 [0006]
EP 2385556 A1 [0006]
WO 2004083958 [0010]
US 5093698 [0013]
EP 0000829 [0014]
US 6559375 [0014]
US 20050110005 [0014]
DE 102004014046 [0015, 0017, 0139]
WO 2006092134 [0105, 0138]
DE 10338406 [0141, 0142]
DE 10347856 [0141, 0142]
DE 10357044 [0141, 0142]
DE 102004010954 [0141, 0142]
DE 102006053320 [0141, 0142]
DE 102006054524 [0141, 0142]
DE 102008051737 [0141, 0142]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications“, PhD thesis TU-Dresden, 1999. [0009]
M. Hiramoto et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, pp. 33–40 [0010]
Bailey-Salzmann et al. zeigen in ihrer Veröffentlichung von 2006 (APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 233502 _2006) [0020]
Meiss et al. zeigen 2009 in ihrer Veröffentlichung (APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 213306 _2009) [0021]
Hoffmann et al. zeigen beispielsweise in ihrer Veröffentlichung von 2012 (APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 253308, 2010) [0023]

Claims

Optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist und die zweite Elektrode eine Gegenelektrode bildet, wobei zwischen diesen Elektroden zumindest ein photoaktives Schichtsystem angeordnet ist, wobei zwischen der Gegenelektrode und dem photoaktiven Schichtsystem zumindest eine Transportschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gegenelektrode und der zumindest einen Transportschicht eine Elektronentransportschicht angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photoaktives Schichtsystem zumindest ein Donor-Akzeptorsystem mit organischen Materialien umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronentransportschicht zumindest ein organisches Material enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronentransportschicht zumindest ein Fulleren enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronentransportschicht ein anorganisches Material enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronentransportschicht eine n-Dotierung aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode zumindest eine Schicht umfasst, welche in Richtung der Elektronentransportschicht angeordnet ist und zumindest ein Metall enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht Ag, Au, Pt, Cr, Ti, Al, Zr, Cu, Zn, Sn, Sr, La, In, Sc, Hf oder Legierungen zumindest eines der vorbenannten Elemente umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Mischschicht ist, enthaltend Ag, Au, Pt, Cr, Ti, Al, Zr, Cu, Zn, Sn, Sr, La, In, Sc, Hf oder Legierungen zumindest eines der vorbenannten Elemente sowie ein Alkali- oder Erdalkalimetall, ein Metalloxid oder ein organisches Material umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischschicht Ag und Ca enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht zwischen der Gegenelektrode und der Elektronentransportschicht angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht zwischen der Gegenelektrode und der Elektronentransportschicht angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht ein Alkali- oder Erdalkalimetall, ein Metalloxid oder ein organisches Material umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Ca enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,5nm bis 5nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportschicht als eine Löchertransportschicht ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportschicht als eine Löchertransportschicht ausgebildet ist, wobei die Transportschicht aus einem organischen oder anorganischen Material ausgebildet ist, wobei die Transportschicht undotiert oder p-dotiert ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronsiche Bauelement eine organische Solarzelle ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen besteht, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.