DE102016011319A1

DE102016011319A1 - Lösungsprinzip und Verfahren sowie EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente

Info

Publication number: DE102016011319A1
Application number: DE102016011319.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Lösungsprinzip und Verfahren sowie EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente, umfasst das Zusammenwirken eines Gasphasenabscheidungsprozesses und eines Bestrahlungsprozesses mit elektromagnetischer Strahlung derart, dass bei chemischen Stoffen vor und/oder während und/oder nach und/oder zwischen dem depositionieren, die mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken, eine lokal veränderte Geschwindigkeit des Schichtwachstums eintritt und sich eine Struktur im Nanometerbereich einstellt. Die Erfindung beschreibt Verfahren zur Nanoimprint-Lithografie, Nanoimprint-Stempeln, Thermischen Verdampfen sowie Verschweißen von Verkapselungen, die mit dem Lösungsprinzip zusammenwirken können oder zum gleichen technischen Erfolg führen.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Lösungsprinzip und Verfahren sowie EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente, welche vakuum- und nassfilmbasierte Depositionstechnologien, sowie eine Kombination daraus, umfassen.
Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Herstellung von organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente, insbesondere organischer Photovoltaik, organische lichtemittierende Dioden, organische Feldeffekttransistoren, organische Sensoren, organische Speicher, organische Prozessoren, organische Dioden und anorganische Elektronik sowie hybride Elektronik mit anorganisch-organischen Materialien in Funktionsbereichen und Bauelemente mit Strukturen im Nanometerbereich und/oder Mikrometerbereich.
Die Herstellung von organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente ist durch einen hohen Leistungs- und Kostendruck gekennzeichnet. Immer effizientere Bauartarchitekturen werden für diese Zwecke in der Elektrotechnik entwickelt, welche jedoch die verfügbaren Fertigungstechnologien aufgrund physikalischer Limitierungen der Werkzeuge sowohl hinsichtlich des Prozessdurchsatzes als auch der Herstellungskosten an ihre Grenzen bringen. Die erste Gruppe der Herstellungsverfahren umfasst vakuumbasierte Depositionstechnologien, diese wichtige Gruppe setzt Vakuum oder zumindest eine Unterdruck-Atmosphäre während der Aufbringung von Materialien ein. Hierbei sind besonders Verfahren der physikalischen und chemischen Gasphasenabscheidung zu nennen. Dazu zählen insbesondere die Kathodenzerstäubung (Sputtern), das Thermische Verdampfen in verschiedenen Varianten z. B. unter Einsatz eines Laser- oder Elektronenstrahls sowie die Atomlagendeposition. Welche mit hohem technischen Aufwand für die verschiedenen Anwendungsfälle praxistaugliche Produktionsqualität, bei vergleichsweise hohen Herstellungskosten, liefern. Jedoch besonders Limitierungen in der Größe der herzustellenden inneren Strukturen, aus denen die Bauelemente aufgebaut sind, aufweisen. Eine zweite Gruppe von Herstellungsverfahren umfasst nassfilmbasierte Depositionstechnologien und arbeitet mit Flüssigkeiten, die durch Drucktechniken oder mittels anderer mechanischer Mittel auf einen zu beschichtenten Körper aufgebracht werden. Dazu werden oftmals Tinten verwendet, in denen ein oder mehrere, für den Aufbau eines Bauelementes, geeigneten Materialien wie z. B. organische Halbleitermaterialien oder sehr kleine Metall-(oxid-)partikel in einem Lösungsmittel gelöst werden. Sodass sie ein flüssig prozessierbares Gemisch bilden, welches nach einem Trockenvorgang in seiner Dicke schrumpft und eine feste Schicht bildet. Allerdings eignen sich nur bestimmt Kombinationen aus Lösungsmittel und Halbleitermaterial bzw. Metallen, die größte Herausforderung ist dabei der Schichtaufbau, auf eine bereits mittels Tinte hergestellte Schicht, da ein Auflösen der ersten Schicht, unter Vermischung mit dem Material für die zweite Schicht, vermieden werden muss. Hierfür werden in der Regel unterschiedliche Lösungsmittel verwendet, die sich nicht gegenseitig auflösen, wodurch die Beherrschbarkeit des gesamten Herstellprozesses jedoch oftmals erschwert wird. Die so aufgetragenen Schichten können anschließend zur Funktionserfüllung, je nach Material, durch trocknen, sintern, ausheizen oder strukturieren weiter bearbeitet werden. Die mit vergleichweise niedrigem technischen Aufwand gekennzeichnete Gruppe der nassfilmbasierten Depositionstechnologien erlaubt bei hohen Prozessdurchsatzraten, relativ niedrige Herstellungskosten für bestimmte Anwendungsfälle. Die Produktionsqualität und Auflösung der herzustellenden inneren Strukturen der Bauelemente ist jedoch tendenziel wesentlich stärker eingeschränkt und die nassfilmbasierten Depositionstechnologien können aufgrund der eingesetzten Lösungsmittel mehrschichtige Bauelemente nur erschwert produzieren. Beiden Verfahrensgruppen der vakuum- und nassfilmbasierten Depositionstechnologien ist gemeinsam, dass die aktuell immer effizienteren Bauartarchitekturen, mit tendenziel kleinerwerdenden Strukturen im Nanometerbereich, immer größere Herausforderungen an die Fertigungstechnologien stellen, welche die Fertigungstechnologien nur teilweise oder nicht erfüllen können und deshalb werden bessere Herstellungsverfahren benötigt, die Bauelemente mit höherer Effizienz oder einem höheren Prozessdurchsatz erlauben.
Aus der Patentanmeldung DE 10 2013 021 223 A1 ist eine vakuumbasierte Produktionsanlage vorbekannt. Es wird ein Verfahren zur Herstellung organischer Elektronik beschrieben, mit dem sich sowohl organische lichtemittierende Dioden als auch organische Photovoltaikzellen herstellen lassen. Das Rolle-zu-Rolle-Verfahren, umfasst die Hauptschritte: Vorbehandlung des Substrates (z. B. Reinigung mittels Plasma), Aufbringung einer Barrierebeschichtung, Abscheidung organischer Materialien und Elektroden (z. B. mittels mehrerer thermischer Verdampfer), Abscheiden einer umschließenden Dünnfilmeinkapselung, Untersuchung mit ggf. Behandlung von Defekten (z. B. markieren und/oder entfernen mittels Laser), Laminierung einer Folie unter Inertatmospähre, ggf. mittels Kleber, zur Verbesserung der Barriereeigenschaften und mechanischen Belastbarkeit. Dabei finden die Beschichtungs- und Abscheidungsprozesse, bis auf das Laminieren, unter Vakuumbedingungen und direkt in Prozessfolge statt, sodass sowohl eine hohe Reinheit des Prozesses als auch eine Minimierung des Energiebedarfes zur Aufrechterhaltung eines Vakuums in den, i. d. R. über Schleußen verbundenen, einzelnen Prozesskammern realisiert wird. Besonders hervorzuheben ist, dass ausdrücklich vorgesehen ist, dass für den jeweiligen Prozessschritt, wie z. B. Beschichtung des Substrates mit ITO, ein dafür effizientes Verfahren, in dem Fall die Kathodenzerstäubung, zur Anwendung kommen soll. Für die Deposition der organischen Halbleitermaterialien sollen bevorzugt mehrere thermische Verdampfungszonen genutzt werden. Eine Schwachstelle des hier vorgestellten Verfahrens stellt jedoch die Lamination mittels Klebstoff dar, weil dieser immer das Risiko für den Eintritt späterer Diffusionsprozesse mit Degradation der Bauelemente, insbesondere organischer Elektronik erhöht.
Die Patentanmeldung DE 10 2012 105 810 A1 beschreibt, dass zur Abscheidung von Metall-Elektroden, Thermisches Verdampfen in den Ausführungen mit Elektronenstrahl, Laserstrahl oder Lichtbogen, sowie die Verfahren Molekularstrahlepitaxie, Kathodenzerstäubung, Ionenstrahlgestützte Deposition und Ionenplattieren, besonders homogene und glatte Schichten in einer bevorzugten Dicke von 5 bis 10 nm, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit erzeugen können.
Weiterhin ist allgemein bekannt ist, dass anders als bei der Kathodenzerstäubung, mittels Thermischen Verdampfen, neben Metallen und TCO-Materialien, auch kleine organische Moleküle und kleine Oligomere deponiert werden. Dazu wird das Material in Pulverform oder in flüssiger Phase durch Energiezuführung z. B. mittels Heizung, Elektronenstrahl oder Laser im Ultra- oder Hochvakuum verdampft. Durch das Vakuum wird die freie Weglänge vergrößert und chemische Reaktionen z. B. eine Oxidation mit Sauerstoff, stark reduziert. Dadurch können sich die gasförmigen Stoffe an einer gegenüberliegenden Oberfläche z. B. dem zu beschichtenden Substrat ansammeln und eine dünne Schicht ausbilden, die je nach eingesetzter Technik, insbesondere Düsen, eine sehr hohe Homogenität aufweisen kann. Es ist auch bekannt, dass sich Strukturen durch Thermisches Verdampfen mittels Schattenmasken erzeugen lassen und eine Schädigung der temperaturempfindlichen organischen Halbleitermaterialien durch Regelung der Substrattemperatur z. B. durch Kühlung und Regelung der Abscheidungsrate verhindern lässt.
In der Patentanmeldung DE 10 2012 102 565 A1 ist dargestellt, das mehrere Verdampfungsquellen gleichzeitig betrieben werden können, um Schichten aus verschiedenen Stoffen zu erzeugen z. B. dotierte Halbleiterschichten und um die Aufdampfrate zu erhöhen. Die Heizleistung der einzelnen Tiegel wird dabei so gesteuert, dass die jeweils benötigte Materialmenge verdampft. Zusätzlich können die Tiegel durch eine Klappe verschlossen werden.
Die Patentanmeldung JP002014214379A beschreibt die Beschichtung großer Flächen mittels mehreren Düsen und/oder Verdampfungsquellen. So wird zur Massenproduktion ein 1300 mm breites Substrat mittels sechs Verdampfungsquellen mit organischem Material beschichtet. Dabei werden homogene Schichten mit einer maximalen Schichtdickenabweichung von 3% erreicht.
Offenbart wird in der Patentanmeldung KR20140055721A2 die Beschichtung eines großflächiges Substrates mittels eines Düsensystems, welches mit mehreren Verdampfungsquellen verbunden ist. Die Austrittsdüsen der jeweiligen Verdampfungskammern greifen dabei ineinander, sodass eine homogene Bedampfung möglich ist, in dem aus zwei Gasströmen a und b ein gemeinsamer Gasstrom geformt wird.
Um die Effizienz der Verdampfung zu steigern beschreibt die Patentanmeldung DE 10 2011 117 023 A1 die Anordnung eines porösem Materials als Wand zwischen Verdampfungsbereich und Austrittsdüsen, die für festes Material, nicht jedoch für gasförmiges, undurchlässig ist. Durch die Einschließung des Verdampfungsbereiches lässt sich die Vorrichtung zudem frei im Raum positionieren.
Dieser Stand der Technik zu den vakuumbasierten Depositionstechnologien umfasst damit eine Vielzahl von innovativen Verbesserungen, die jedoch nicht die grundsätzlichen fertigungstechnischen Herausforderungen, zur Herstellung immer kleinerer Funktions-Strukturen in den elektrischen Bauelemente, insbesondere im Nanometerbereich, lösen. Wodurch Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit beispielsweise von organischer Photovoltaik oder organischen Feldeffektransistoren wesentlich gesteigert werden könnten. Die Limitierungen der Fertigungstechnologien wirken sich somit direkt auf die Qualität und Leistungsfähigkeit der elektrischen Bauelemente aus.
Zu den nassfilmbasierten Depositionstechnologien beschreibt die Patentschrift KR101343603B1 eine Produktionsanlage, die verschiedene Ausführungen von Druckanlagen beschreibt. Die Druckanlage stellt organische Photovoltaikzellen auf einem Substrat mit einer ersten Elektrode mit Ladungsträgertransportschicht, einer photoaktiven Schicht und einer zweiten Elektrode mit Ladungsträgertransportschicht her.
Die koreanische Patentschrift beschreibt dabei verschiedene Ausführungsvarianten, die einfachste Variante der Druckanlage. In einer Ausführungsvariante kann die Produktionsanlage aus den die folgenden Komponenten umfassen: Rolle mit PEN- oder PET-Basissubstrat, Antielektrostatische Einheit, Ausricht-Einheit, Plasma-Coronabehandlung zur Oberflächenmodifikation für eine bessere Benetzbarkeit, Kleine Umlenkrollen, Erstes Druckwerk mit mind. einem Slot-Die-Coater zum sequentiellen drucken von Elektrode mit Ladungsträgertransportschicht z. B. ITO- oder Silber-Anode mit Lochtransportschicht z. B. PEDOT:PSS sowie photoaktive Schicht z. B. P3HT:PCBM und Elektronentransportschicht, Prozessüberwachungskameras, Führungen, Zweites Druckwerk mit z. B. mind. einer Siebdruckeinheit oder einem Druckverfahren mit Rotations-Druckwerk wie z. B. Tiefdruck zum drucken der zweiten Elektrode z. B. Kathode, Thermischer UV-Heizer zum Trocknen und Nachbehandeln der applizierten Tinte, Heißlufttrockner zum Trocknen der applizierten Tinte, Rolle mit Decksubstrat, Laminierwalzen, Aufwickelrolle. In einer komplexeren Ausfühung wird die Druckanlage mit einem weiteren Druckwerk, in Form eines Slot-Die-Coaters, welche nach den ersten beiden Druckwerken und einer Trockeneinheit angeordnet ist, ausgestattet. Bei Bedarf ist eine weitere nachgeordnete, vierte Druckeinheit in Form eines Ink-Jet Druckers vorgesehen. Dabei wird explizit beschrieben, dass die Anordnung von Trockeneinheiten, zwischen den verschiedenen Druckwerken, die Produktionszeit verkürzt. Der Typ der Trockeneinheiten wird dabei unter Berücksichtigung der zu trocknenden Tinten gewählt. So stehen auch Trockner die mit Nahen-IR-Licht arbeiten zur Verfügung. Trockeneinheiten werden in den Ausführungsvarianten nach dem zweiten Druckwerk und nach dem dritten oder vierten Druckwerk vorgesehen.
Allgemein bekannt sind Konzepte ähnlicher Rolle-zu-Rolle Druckanlagen, die zur Vorbehandlung ebenfalls eine Plasmabehandlung des Substrates oder zumindest eine kontaktlose Reinigung und zur Deposition Slot-Die-Coater und/oder Rotationssiebdruck, sowie zum Trocknen Mikrowellentrockner und/oder Thermotrockner vorsehen. Weiterhin ist der Einsatz von Laserschneidsystemen, mittels Strahlführung durch einen Scanner, die zur Erzeugung von unterteilten, elektrisch getrennten Bauelementen wie beispielsweise Photovoltaikzellen einsetzt werden sowie mechanische Schneider, der die fertig laminierten elektrischen Bauelemente vereinzeln, allgemein bekannt. Der Einsatz der Laserstrukturierung ermöglicht es, die elektrische Bauelemente wie organische Photovoltaikzellen mittels Slot-Die-Coating aufzubauen. Durch die Kombination dieser beiden Technologien sind sowohl sehr homogene Materialschichten möglich, als auch individuelle Struktuierungen. Alternative Druckverfahren die eine zweidimensionale Strukturierung wie Sieb- oder Tiefdruck und Ink-Jet zulassen, erzielen schließlich nicht die gleiche hohe Homogenität, wodurch das Slot-Die-Coating mit nachträglicher Strukturierung die erste Wahl darstellt.
Als Nachteilig sind jedoch die erzielbaren Barriereeigenschaften zu beurteilen, weil diese durch die Barriereeigenschaften von Basis- und Decksubstrat sowie dem eingesetzten Klebstoff zur Lamination bestimmt werden. Der Klebstoff stellt jedoch, als potenzieller Diffusionsweg für atmospährische Stoffe, grundsätzlich ein Risiko für eine vorzeitige Degradation der elektrischen Bauelemente, insbesondere von organischer Elektronik dar, sodass insbesondere auch unter Betrachtung der vergleichsweise niedrigeren Fertigungsqualität und erzielbaren Wirkungsgrade der nassfilmbasierten Depositionsverfahren im Vergleich zu den vakuumbasierten Depositionsverfahren, die Technische Machbarkeit zur Herstellung hochwertiger organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente eingeschränkt ist.
Insgesamt unterliegen deshalb sowohl die vakuumbasierten, als auch die nassfilmbasierten Depositionstechnologien zur Herstellung organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente signifikanten Limitierungen, sodass Wirkungsgrad, Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der herzustellenden organischen Elektronik oder elektrischer Bauelemente durch die Herstellungsverfahren eingeschränkt sind. Es bestehen somit insbesondere fertigungstechnische Hürden, die es zu überwinden gilt.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Lösungsprinzip und Verfahren sowie EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente, der zuvor erwähnten Art bereitzustellen, die eine Herstellung qualitätiv hochwertiger organische Elektronik und elektrische Bauelemente, insbesondere gesteigerten Wirkungsgrad oder Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer erlauben und zudem eine wirtschaftliche Produktion mit wettbewerbsfähigen Herstellungskosten erzielen können.
Für die Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Lösungsprinzip und Verfahren sowie EUV-Laserbearbeitungssystem mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 bereit, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Durch die Bezugnahme wird der Wortlaut der Ansprüche zum Inhalt der Beschreibung erklärt.
Zunächst werden weitere Begriffe erläutert. Mit parallel, im geometrischen Zusammenhang, ist im wesentlichen parallel angeordnet, zzgl. der üblichen Fertigungstoleranzen auf dem jeweiligen Gebiet, gemeint. Mit Depositionieren sind Beschichtungsvorgänge von Oberflächen, Substraten, Gegenständen oder Körpern gemeint, welche auch eine Oberflächenmodifikation wie Implantation oder Subimplantation umfassen kann. Nanoimprint-Stempel meint Stempel die zumindest anteilig Strukturen im Nanometerbereich aufweisen und zum applizieren oder depositionieren von Tinte oder Pasten oder anderen Stoffen oder Stoffgemischen auf eine Oberfläche geeignet sind. Die folgenden Abkürzungen stehen für: ALD (Atomlagendeposition), CVD (Chemische Gasphasenabscheidung), EUV (Extrem-Ultra-Violett), IR (Infrarot), ITO (Indiumzinnoxid), OLED (organische Leuchtdioden), OPV (organische Photovoltaik), P3HT (Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl)), PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester), PEDOT (Poly-3,4-ethylendioxythiophen), PEN (Polyethylennaphthalat), PET (Polyethylenterephthalat), PSS (Poly(styrenesulfonate)), TCO (Transparente elektrisch leitfähige Oxide), UV (Ultraviolett).
Kohlenstoff ist der Grundbaustein organischer Halbleiter, daneben kommen häufig Wasserstoff und Sauerstoff sowie seltener Stickstoff, Schwefel und Metalle in den organischen Verbindungen vor sowie naturgemäß Fremdatome anderer Stoffe. Unter diesen organischen Verbindungen werden alle kohlenstoffhaltigen Stoffe, bis auf Oxide und Carbonate, verstanden. Mit ähnlicher Wirkung wie bei den anorganischen Hableitern können die organischen Halbleiter durch den Einbau von Störstellen p- und n-dotiert werden. Dazu werden starke Elektronen-Donatoren bzw. -Akzeptoren in den organischen Halbleiter eingebracht. Zur Dotierung kommen insbesondere Alkalimetalle und kationische Farbstoffe wie z. B. Acridine Orange Base (AOB), Leuko Kristall Violett (LCV), Pyronin B (PyB), Rhodamin B (RhB) zur Herstellung von n-dotierten organischen Halbleitermaterialien infrage und zur Herstellung von p-dotierten Halbleitermaterialien wird z. B. Tetrafluorotetracyano-Quinodimethan (F₄TCNQ) eingesetzt. Die Dotierung organischer Halbleitermaterialien kann also mittels geeigneter Akzeptor- oder Donatormoleküle erfolgen
Als Morphologie wird die innere Struktur eines Bauelementes, insbesondere die innere Struktur der photoaktiven Schicht einer organischen Photovoltaikzelle, verstanden. In der OPV bezeichnet eine Mehrfachzelle eine OPV-Zelle mit einer Vielzahl von photoaktiven Schichten, dies können mind. 2 bis über 50 sein. Bei einer Interdigidated Heterojunction Morphologie bildet jeweils der Akzeptor oder der Donator eine Wand bzw. den Wandzwischenraum, sodass eine ineinanderegreifende Morphologie entsteht. Solche Strukturen könnten beispielsweise die Form, von parallel zueinander verlaufenden Wänden, aufweisen. Sodass sich Akzeptor- und Donatormaterial stets abwechseln. Die Wände müssen nicht geradlinig verlaufen. Eine optische Distanzschicht ermöglicht insbesondere bei OPV, dass bei Bedarf die Absorberschicht(en) zum elektrischen Feld, mittels einer zusätzlichen optischen Distanzschicht, insbesondere aus TiO₂ oder ZnO, die zwischen der photoaktiven Schicht und der Elektrode angeordnet werden kann, so positioniert werden, dass eine effizientere Stromerzeugung möglich ist.
Graphen ist ein einschichtiges Material, welches aus Kohlenstoffatomen gebildet wird, welche sich in Sechsecken angeordnet haben. Aufgrund des, über das Kohlenstoff-Sechseckgitter, durchgängig vorhandene delokalisierte Elektronensystem, weist Graphen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf, es reduziert das für den Menschen sichtbare Licht um nur ca. 2,3%. Das besondere Potenzial in Graphen besteht in der Kombination aus einer flächigen Graphen-Elektrode mit Kohlenstoffnanoröhrchen oder anderen dünnen Leitern, die hohe Ströme transportieren können, und gitter- oder geflechtartig angeordnet sind. Dadurch kann eine flächige Elektrode mit niedrigem ohmschen Widerstand und hoher Transparenz realisiert werden.
Nanoröhren aus Kohlenstoff können als zueinander gebogene und aus gegenüberliegenden Enden verbundene Graphenschicht angesehen werden. Sie sind hervorragende elektrische Leiter, insbesondere können mehrwandige Kohlenstoffnanorohren noch höhere Ströme für einen definierten Gesamtdurchmesser erlauben. Ein geringer Querschnitt wiederum minimiert Verluste durch Absorption und Reflexion von Licht. Kohlenstoffnanoröhren können nicht nur in einer Elektodenschicht zum Einsatz kommen, sondern eröffnen auch die Möglichkeit den Ladungsträgertransport zwischen Elektrode und einer anderen Funktionsschicht, insbesondere photoaktiver Schicht, zu verbessern, indem sie zwischen beiden ein dreidimensionales Netzwerk mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausbilden können.
Metallnanodrähte sind z. B. Silbernanodrähte mit einem Durchmesser im Nanometerbereich, von z. B. 20 nm und können übereinandergelegt eine netzwerkartige Schicht bilden, die über sehr gute elektrische Eigenschaften verfügt.
Eine Versiegelung organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente gegen Degradation und Beschädigung, welche häufig auf Diffusion von Gasen, Wasser und UV-Licht zurüchzuführen sind, ist mittels Verkapselung und/oder Barriereschichten möglich. Das Eindringen von Wasser, Sauerstoff und weiterer Gase findet auch an Fehlstellen der äußeren Schichten statt, sowie an Seitenkanten, die oftmals andersartig beschaffen sind. Die Folge können Dotierung und chemische Reaktionen wie Oxidationen an einer Elektrode und anderen Schichten, mit Störstellenbildung für den Ladungsträgertransport. UV-Strahlung kann zudem Bindungen von organischen Halbleitermolekühle aufbrechen und stellt zusätzlich für einige chemische Reaktionen, die zur Degradation führen, einen Teil der notwendigen Aktivierungsenergie bereit.
Polymerfolien können mit Nanomaterialien beschichtet werden um die Barrierewirkugn zu erhöhen. Dabei handelt es sich insbesondere um dünne Schichten aus Aluminium und Siliziumoxid in Verbindung mit PET-Folie. Sowie Al₂O₃, mit typischen Dicken von 15 bis 30 nm oder 100 bis 1000 Atomen.
Fertigungstechnologien die Massenproduktionsfähig sind, basieren insbesondere auf Rolle-zu-Rolle-Anlagen oder vergleichbar auf Sheet-to-Sheet basierten Anlagen.
Die Kathodenzerstäubung ist eine Fertigungstechnologie bei der durch den Beschuss des aufzutragenden Materials, im Fein- oder Hochvakuum, mit energiereichen Edelgasionen, z. B. positiv geladene Argonionen und freie Elektronen, dieses vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht und es schlägt sich auf einem ggf. bereits beschichteten Substrat nieder. Dieses Verfahren ist sehr leistungsfähig und erlaubt somit hohe Abscheideraten, welche insbesondere bei der Beschichtung von Substraten mit ITO genutzt werden. Realisiert werden kann dies, durch den zusätzlichen Einsatz eines Magnetfeldes zum elektrischen Feld. Bei dieser Variante, des Magnetron-Sputterns, konzentrieren Magnetfelder die Ionen über dem aufzutragenden Material für einen effektiveren Beschichtungsprozess. Allerdings besteht durch die hohe kinetische Energie, mit der das gasförmige Material auf einem Substrat deponiert wird, die Gefahr, dass bereits abgeschiedene Schichten, insbesondere organische, beschädigt werden.
Die chemische Gasphasenabscheidung findet in der Regel im Grob- oder Feinvakuum statt, es gibt jedoch auch Varianten, die unter Atmosphärendruck stattfinden. Die verdampften Ausgangsmaterialien werden zusammen mit einem inerten Trägergas in die Reaktionskammer geleitet. Dort kommen sie mit der Oberfläche des zu beschichtenden Materials in Berühung und werden bei einer spezifischen Temperatur schließlich mittels einer chemischen Reaktion anteilig auf dieser angelagert, sodass es zu einem Schichtwachstum kommt. Die dabei entstehenden gasförmigen, chemischen Nebenprodukte müssen aus der Kammer abgeleitet werden. Als Energiequelle dienen insbesondere Heizungen, Plasma und Laser sowie andere elektromagnetische Strahlung. Aufgrund der notwendigen chemischen Reaktion lassen sich nur bestimmte Beschichtungen erzeugen, dies sind insbesondere Schichten aus Diamant, Kohlenstoffnanoröhren, Zinnoxid, Titanoxid und Titannitrid.
Bei der Atomlagendeposition wird zuerst ein gasförmiges Ausgangsmaterial zur Oberfläche des zu beschichteten Körpers geleitet, woraufhin eine erste chemische Reaktion, i. d. R. unter Bildung von Nebenprodukten stattfindet. Anschließend wird die Reaktionskammer mit einem Inertgas gespült oder evakuiert und ein zweites gasförmiges Ausgangsmaterial zur Beschichtungskörperoberfläche geleitet, wodurch erneut eine chemische Reaktion stattfindet und eine weitere Atomlage gebildet wird. Je nach Anzahl dieser Reaktionszyklen lassen sich unterschiedlich dicke Schichten erzeugen, da jeweils immer nur eine Lage pro Ausgangsstoff gebildet wird, ist der Prozess des Schichtwachstums sehr gut zu kontrollieren. So können großflächige Beschichtungen aus Metall- und Halbmetalloxiden, insbesondere aluminiumdotiertes Zinkoxid als TCO, Al₂O₃ sowie Kupfer, Palladium und Titan hergestellt werden. Wird ein Substrat über mehrere, getrennte Atomlagenabscheidungsbereiche transportiert, die mit unterschiedlichen gasförmigen Ausgangsmaterialien arbeiten, sodass Prozesszeiten und Energieaufwand für Spül- und/oder Evakuierungsprozesse minimiert werden und zudem die Abscheidungsrate wesentlich gesteigert werden kann, dann lassen sich beispielsweise Polymerfolien mit Barriereschichten aus Al₂O₃ effizient beschichten.
Mittels Inkjet, oftmals auch Tintenstrahldruck genannt, werden aus hunderten bis tausenden feinen Düsen kleinste Tintentropfen erzeugt, die in der Regel sehr kleine, kreisförmige Beschichtungen an der Oberfläche eines gegenüberliegenden Körpers erzeugen. Je nach Menge und Dichte der aufgebrachten Tinte, lassen sich flächige Schichten erzeugen. Durch die Verbindung von einzelnen Düsengruppen mit unterschiedlichen Tintentanks können zudem unterschiedliche Materialien oder Materialgemische aufgedruckt werden. Die digitale Steuerung der Düsen erlaubt es individuelle, zwei Dimensionale, Strukturen aufzubringen, sodass eine anschließende Strukturierung i. d. R. nicht notwendig ist. In Massenproduktionsanlagen kann die Durchsatzrate durch Multiplikation der Druckköpfe entsprechend aufskaliert werden, sodass sich günstige Herstellkosten erzielen lassen. Neben organischen Halbleitermaterialien wie P3HT:PCBM, lassen sich auch Beschichtungen aus Metallnanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhren mittels Ink-Jet herstellen.
Beim Tiefdruck befindet sich eine Druckwalze mit der Unterseite in einem Tinten-Reservoir und mit der Oberseite im Kontakt mit dem zu bedruckenden Substrat. Vertiefungen in der Druckwalze nehmen im Reservoir Tinte auf und durch Rotation der Druckwalze wird diese zum Substrat transportiert, überschüssige Tinte wird dabei mittels eines Abstreichers zurückgehalten. Die Tinte haftet schließlich durch Adhäsion an der Oberfläche des Substrates. Damit das Druckverfahren optimal funktioniert, werden die Vertiefungen in der Druckwalze durch hunderte bis tausende mikroskopisch kleine eingravierte Tintenaufnahmebereiche, i. d. R. in einer Kupferlegierung, ausgeformt. Um den Verschleiß zu reduzieren, wird die so feinstrukturierte Kupferoberfläche anschließend verchromt. Es sind somit verschiedene Druckmuster möglich, bei sehr hohen Durchsatzraten. Verarbeitet werden können insbesondere Tinten mit TCO-Nanopartikeln wie ITO und organische Halbleitermaterialien wie P3HT:PCBM und PEDOT:PSS.
Beim Flexodruck wird die Tinte mittels eines Druckformzylinders mit Gummi- oder Polymeroberfläche auf die Oberfläche des Substrates aufgerollt. Die Oberfläche des Druckformzylinders wird je nach gewünschtem Druckbild strukturiert. Der Druckformzylinder selbst wird mittels einer Rasterwalze mit Tinte versorgt, diese entweder direkt mit Tinte gespeist wird oder über eine Tauchwalze, die sich in einem Tintenreservoir befindet. Überschüssige Tinte wird dabei von einem Abstreicher zurückgehalten. Anders als beim Tiefdruck befindet sich die Tinte nicht in den Vertiefungen einer Druckwalze, sondern auf hervorgehobenen Gummi- oder Polymeroberflächen eines Druckformzylinders. Verarbeitet werden können insbesondere Polymere wie z. B. PEDOT:PSS und Metallpasten wie z. B. mit Silber.
Der Siebdruck basiert auf einem Sieb, je nach gewünschtem Druckbild, mit für die Tinte durchlässigen und undruchlässig gestalteten Bereichen. Die aufgetragene Tinte wird dabei mittels Rakel duch das Sieb hindurch, auf die Substratoberfläche befördert. Für Massenproduktionsprozesse eignet sich dabei die Ausführung mit einem rotierenden Sieb, in Form eines Zylinders mit innen angebrachten Rakel und Tintenzuführung besonders gut. Es können insbesondere Tinten mit höherer Viskosität eingesetzt werden, sodass sich die Zeit für einen Trockenvorgang ggf. reduzieren lässt. Hergestellt werden können insbesondere Elektroden und elektrische Verbindungen auf Basis von silberhaltiger Tinte, aber auch photoaktive Schichten z. B. aus P3HT:PCBM.
Organisches und/oder anorganisches Material kann in Lösungsmittel gelöst oder im gasförmigen Zustand in einem Gasstrom auf eine Substratoberfläche transportiert werden. Ein solcher Gasstrom kann auch Metallnanopartikel und -drähte transportieren. Dazu kann grundsätzlich das zu applizierende Material mittels eines Schlauch- oder Rohrsystems in eine Düse geleitet werden, die durch zerstäuben, z. B. mit einem Ultraschallgenerator, einen feinen Nebel erzeugt, dessen Strömungsform und Bewegung durch einen interagierenden Gasstrahl gesteuert werden kann. Zur Verringerung der Rauhigkeit kann das in Lösungsmittel gelöste organische Halbleitermaterial, welches durch Sprühen auf eine Substratoberfläche befördert wird, mittels eines Hochtemperatur-Gasstromes vermischt werden, wodurch das Lösungsmittel bereits auf dem Sprühweg verdampft. Zusätzlich kann die Lösung in der Düseneinheit positiv und das Substrat negativ elektrisch aufgeladen werden. Eine anschließende Wärmebehandlung zur Trocknung kann so minimiert oder sogar eingespart werden.
Eine weitere Alternative des Sprühens stellt Organic Vapor Jet Printing (OVJP) dar. Dabei wird organisches Material als Flüssigkeit oder Pulver verdampft und durch einen Transportstrahl aus Inertgas von einer Düse abgegeben. Das gasförmige Material kann durch Kondensation, auf eine gekühlte Substratobfläche appliziert werden. Der Prozess kann unter Atmophärendruck stattfinden.
Der Laser, monochromatische elektromagnetische Strahlung mit hoher Energiedichte, ist ein universelles Werkzeug, dass durch Stahlformung und -führung gezielt mit Materie wechselwirken kann und dabei insbesondere Aufgaben des Materialabtrages (z. B. struktuieren, trennen, bohren), der thermischen Materialbehandlung und des Schweißens oder Sinterns mit sehr hoher Präzision erfüllen kann. Durch entsprechende Fokusierung des Laserstrahls innerhalb eines mehrschichtigen, teiltransparenten Bauteils können Löcher und/oder Schnitte eingebracht werden. Die darüberliegende Schicht bleibt aufgrund zu geringer Fokussierung und/oder zu geringem Absorptiongrad für die gewählte Wellenlänge des Lasers unbeschädigt. Femto- und pikosekundenlaser erwärmen umgebendes Material dabei am geringsten und zirkular polarisiertes Laserlicht eignet sich für sehr hohe Bearbeitungsqualitäten.
Freiliegende Bereiche mit organischen Materialien können z. B. durch ein Sauerstoffplasma weggeätzt werden. Dabei werden unter Unterdruck die organischen Materialien durch chemische Reaktion mit den energiereichen Ionen und Elektronen im Plasma aufgebrochen und stückweise abgetragen. Zu schützende Bereiche können mit einer Materialschicht z. B. einer Metallschicht, abgedeckt werden.
Mittels Plasmabehandlung, insbesondere einem Sauerstoffplasma, können Substrate nicht nur von organischen Rückständen befreit werden sondern insbesondere Oberflächen der häufig eingesetzten Polymerfolien modifiziert werden. Dabei werden vom Plasma einzelne organische Bindungen aufgebrochen, wodurch der Rauhigkeitsgrad der Oberfläche und die Oberflächenenergie, für eine bessere Benetzbarkeit der Polymerfolie, steigen. Dadurch kann insbesondere bei den nassfilmbasierten Depositionstechnologien eine höhere Beschichtungsqualität (höhere Homogenität, weniger Fehlstellen) erreicht werden.
Vor, während oder nach einem Prozessschitt wie z. B. Beschichten oder Laserstrukturieren kann eine Reinigung von Substrat oder einer Schichtoberfläche notwendig sein. Hierzu bieten sich insbesondere das Absaugen, ggf. in Kombination mit einem Gasstrom, der kleine Partikel von der Oberfläche ablöst, aufwirbelt und Richtung Absaugung befödert sowie elektrostatische und mechanische Verfahren an.
Um die Morphologie, insbesondere bei OPV, von Bulk-Heterojunction Zellen, zu optimieren, können die Bauteile in einer Inertgasatmosphäre durch Erwärmung, am Beispiel OPV auf bis zu 120°C, in jedem Fall jedoch unterhalb einer jeweils kritischen Zersetzungstemperatur für die organischen Moleküle oder andere Materialien, für mehrere Sekunden bis zu einigen Minuten erwärmt werden. Zusätzlich kann durch die Erwärmung Sauerstoff aus einer z. B. organischen Schicht entweichen. Neben der Erwärmung des gesamten Bauteils lässt sich eine Funktionsschicht, wie z. B. die photoaktive Schicht einer OPV oder OLED gezielt mittels Licht, insbesondere Laserstrahlung, mit auf das Absorptionsspektrum abgestimmter Wellenlänge erwärmen.
Lamination verbindet zwei flächige Objekte mittels Hitze und Druck, ggf. unter Zuhilfenahme eines Klebstoffes. Eine Verkapselung eines Bauteils, insbesondere einer organischen Photovoltaikzelle, mittels Lamination einer Barrierefolie von oben und/oder unten, ist mittels zuvor aufgetragenen, per Licht aktivierbaren, Adhesives möglich, welches kurz vor oder nach dem Zusammenbringen mit dem Bauteil, durch Druck, per Licht aktiviert wird, sodass eine chemische Reaktion startet, die eine dauerhafte Verbindung herstellt. Kontaktierungslöcher zu den Elektroden können nach erfolgter Kontaktierrung mittels einer vergleichsweise dicken Sicht eines Klebers abgedichtet werden.
Gasphasenabscheidung + Lithografie meint insbesondere ein kombiniertes Verfahren umfassend eine Gasphasenabscheidung (bevorzugt Thermisches Verdampfen, aber auch andere Verfahren wie CVD) und die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (bevorzugt EUV- oder Röntgenlithografie, Interferenz-Lithographie und EUV-Interferenz-Lithographie sowie Lithographie mit Masken, die für EUV- oder Röntgenstrahlung insbesondere in Reflexion betrieben werden und EUV- oder Röntgenlithografie die sowohl nach dem Interferenz- als auch mit dem Maskenprinzip in Kombination arbeiten, um das jeweils benötigte dreidimensionale Strahlungsfeld zu formen), ggf. auch zeitlich getrennt und periodisch. Nanoimprint-Lithografie meint bekannte Verfahren sowie in dieser Patentschrift verbesserte Ausführungen. Verkapselung mit Verschweißen meint insbesondere, das verschweißen (bevorzugt mit Laserstrahlung) eine Polymer- und/oder Glasverkapselung eines oder mehrerer Bauteile der organischen Elektronik oder elektrischer Bauelemente, diese können auch mit weiteren, insbesondere nicht elektrischen Bauteilen, kombiniert sein oder werden. Das verschweißen muss nicht in allen Bereichen geschehen, insbesondere sind kombinierte Verfahren aus verschweißen, insbesondere von Randbereichen der Verkapselung sowie möglicher Kontaktierungen und Lamination anderer Bereiche möglich. Kathodenzerstäubung für Grundschicht meinst insbesondere die Depositionierung einer ersten Schicht auf ein Substrat z. B. einer Elektrode aus ITO. Laserablation meint insbesondere dreidimensionales Laserstrukturieren, Laserbohren, Laserschneiden, in spezifischen Anwendungsfällen auch Laserschweißen.
Mehrfach-Nanometer-Bilayer OPV oder Multinano-Bilayer OPV meint insbesondere eine organische Photovoltaikzelle mit einer Vielzahl von photoaktiven Schichten, die viele Bilayer Heterojunction Teilzellen bilden. Die einzelnen Teilzellen weisen dabei jeweils eine Akzeptor- und Donatorschicht auf, die nicht Dicker sind als die maximale Diffusionsstrecke der Exzitonen, welche Materialabhängig insbesondere zwischen ca. 5 und 20 nm beträgt. Der photoaktive Bereich aller Teilzellen zusammen kann bis zu mehrere hundert Nanometer Dicke betragen. Kombination Nr. 3, 4, 12 meint die beispielhafte Herstellung einer Variante einer organischen Photovoltaikzelle, die aus mehreren Teilzellen besteht (Mehrfachzelle) und die Morphologie Interdigitated Heterojunctions sowie eine Glasverkapselung, bevorzugt mittels Verschweißen, aufweißt. Bevorzugt umfasst das Herstellungsverfahren das bereits erwähnte kombinierte Gasphasenabscheidungsverfahren mit Lithografie oder aber das im Ausführungsbeispiel beschriebene verbesserte Verfahren der Nanoimprint-Lithografie. Davon abweichend sind beliebige andere Kombinationen von Herstellungsverfahren möglich, die insbesondere andere Bauarten organischer Photovoltaik, mit anderen Morphologien, Verkapselungs- bzw. Versiegelunsarten, Einfach- oder Mehrfachzellen und verschiedenen anderen Strukturen, insbesondere anderen Elektrodenaufbau und/oder -materialien, wie insbesondere mit TCO-Schicht und/oder Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren und/oder Metallnanodrähten und/oder Metallgitter erlauben, sowie die Herstellung anderer organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente erlauben, möglich. Einige Beispiele gibt 1 an. Es können auch verschiedene Substrate z. B. Metallfolie, Polymerfolie oder Flexibles Dünngals verwendet werden.
Mit Laserkühlen sind die verschiedenen Varianten der Bestrahlung von Materie mit Photonen umfasst, insbesondere um die Materie mittels Laserlicht abzukühlen oder in einer Gasphase die kinetische Energie von Atomen und/oder Molekülen gezielt zu reduzieren und/oder zu steigern sowie optische Levitation. Als Prinzipien des Laserkühlens können besonders die stoßinduzierte Laserkühlung, die kollisionsinduzierte Redistributionskühlung, Festkörper-Laserkühlung oder Dopplerkühlung zum Einsatz kommen, wobei das Licht auch in Form von Interferenzmustern und/oder durch Formung mittels Masken lokal in unterschiedlicher Intensität, beispielsweise mit Intensitätsminima und -maxima, wirken kann.
Von lokalen Bereichen in denen die kinetische Energie reduziert oder gesteigert wird, kann Materie zu anderen Bereichen, durch die elektromagnetische Strahlung, insbesondere durch Laserkühlen, befördert werden. Sodass sich in einer Gasphase eine spezifische Materieverteilung ergibt. Durch das Zusammenwirken von lokalen Bereichen in denen die kinetische Energie der Materie in der Gasphase mittels Laserkühlen reduziert wird und in anderen, insbesondere angrenzenden, lokalen Bereichen gesteigert wird, kann dieser Effekt in seiner Effektivität und Effizienz weiter gesteigert werden. Insbesondere unter Nutzung optischer Levitation sind so unterschiedliche, spezifische Verteilungen von Materie bzw. Atomen und/oder Molekülen in einer Gasphase realisierbar, welche bei einer Abscheidung bzw. Kondensation auf einem Substrat ein entsprechend spezifisches Schichtwachstum bilden. Dazu kann auch der Effekt genutzt werden, dass zuerst eine spezifische Verteilung der Materie in einer Gasphase mittels Laserkühlen erzeugt wird und die so erzeugte Materieverteilung in Richtung eines Substrates mittels Laserkühlens, durch Steigerung der kinetischen Energie, beschleunigt wird.
Die vorher stehenden Erklärungen sind nicht als abschließend zu verstehen, insbesondere sind Varianten und Weiterentwicklungen der verschiedenen Technologien, sowie Ausführungen für spezielle Anwendungen, möglich und mit einzubeziehen.
Nachfolgend werden grundlegende Zusammenhänge zwischen den Verfahren zur Herstellung organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente sowie der organischen Elektronik und der elektrischen Bauelemente selbst beschrieben, weil sich Herstellungsverfahren und Elektronik bzw. Bauelemente gegenseitig beeinflussen.
Insbesondere kann mittels organischer Photovoltaik (OPV) die mind. 3 photoaktive Schichten, für mit jeweils zueinander ergänzenden Absorptionsspektren, aufweisst der Wirkungsgrad erhöht werden. Jedoch sind derzeit keine organischen Halbleitermaterialien zur Absorption des gesamten Sonnenlichtspektrums bekannt. insbesondere ein oder mehrere Infratrot-Licht-Absorbermaterialien (IR-Absorber) können das Absorptionsspektrum einer organischen Photovoltaikzelle erweitern, allerdings ist kein geeigneter IR-Absorber mit ausreichend großen Absoptionsspektrum bekannt. Das organische Molekül muss die physikalischen Eigenschaften zur Absorption von Licht mit Wellenlängen im IR-Bereich aufweisen.
Erfindungsgemäß können organische Halbleitermoleküle mit signifikanter Ausprägung von IR-Lichtabsorption aus der Natur, wie z. B. Bacteriochlorophyll a und b welche sich zu Chlorosomen, in Form von ineinander windenden Röhren, als Lichtantenne anordnen und so Tiefseelebewesen die Photosynthese mit Infrarot-Licht (IR-Licht) ermöglichen, verwenden werden. Zudem können diese organischen Halbleitermoleküle durch Modifikation verbessert und synthetisch hergestellt werden. Als organische Halbleitermoleküle können auch bereits bekannten organischen Halbleitermaterialien wie z. B. PBDTT-SeDPP mit einem Absorptionsspektrum im IR-Licht, verwendet werden. Es ist auch möglich die verwendeten Chlorosomen, in oder auf die Oberfläche von porösem Titandioxid, ähnlich wie bei einer Dye-Sensitized oder Perowskit Photovoltaikzelle, anzuordnen. Sodass IR-Licht gut absorbiert wird, Elektronen über das poröse leitfähige Material zu einer ersten Elektrode transportiert werden und Löcher mittels eines Lochleiters, beispielsweise dem bekannten Spiro-OMeTAD zu einer zweiten Elektrode transportiert werden.
In einer anderen erfindungsgemäßen Lösung wird IR-Licht durch Blauverschiebung in Licht mit höherer Frequenz umgewandelt, sodass es von den verfügbaren organischen Halbleitermaterialien mit einem Absorptionsspektrum vom blauen bis roten Licht genutzt werden kann. Dazu kann insbesondere ein Hochkonverter, eine Schicht aus Polymeren in denen Natrium-Yttrium-Fluorid und dotiertes Erbium, welches den Platz von Yttrium einnehmen kann, eingebettet sind und welche auf der Rückseite der Photovoltaikzelle zusammen mit einer reflektierenden Schicht angebracht wird, dienen. Dabei regen mehrere Photonen mit der Frequenz im IR-Bereich nacheinander Erbiumionen an, bis das mehrfach erhöhte Energienievau auf den Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon mit höherer Frequenz emittiert wird. Auch andere Effekte, insbesondere der Hypsochromer Effekt könnten zur Anwendung kommen. Es ist zudem möglich das IR-Licht zur effizienteren Blauverschiebung mittels einer Materialschicht vorher speziell zu polarisieren, damit es von z. B. Erbiumionen besser absorbiert wird. Das IR-Licht kann auch mittels Mikro- oder Nanolinsen oder einer sonstigen geeigneten Mikro- oder Nanostruktur für eine effizientere Blauverschiebung zuvor gebündelt werden, damit z. B. einzelne Erbiumionen häufiger von Photonen getroffen werden, um die Anregungszustände effizienter zu erreichen. Diese Fokussierung und die spezielle Polarisation des IR-Lichtes kann alleine oder in Kombination genutzt werden.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass das für organische Halbleitermoleküle schädliche Ultraviolett-Licht (UV-Licht) mittels Rotverschiebung in Licht mit geringerer Frequenz umgewandelt wird. Dazu kann z. B. vor der photoaktiven Schicht eine Schicht mit fluoreszierendem Stoff (mittels Stokes-Verschiebung) genutzt werden, die nur UV-Licht absorbiert. Ein Rest an UV-Licht kann bei Bedarf mittels eines UV-Licht-Filters zwischen fluoreszierender und photoaktiver Schicht ausgeblendet werden.
Es ist auch möglich von organischen Halbleitermaterialien nicht absorbierbare UV- und IR-Strahlung mittels geeignetem anorganischen Absorbermaterial zu nutzen, indem eine anorganisch-organische Kombi-Photovoltaikzelle gebaut wird.
Für einen hohen Wirkungsgrad von organischer Elektronik oder elektrischen Bauelemtenen müssen im Herstellungsverfahren häufig dreidimensionale Strukturen im Nanometerbereich erzeugt werden. Insbesondere bei einer organischen Photovoltaikzelle kann eine Mehrfach-Bilayer-Heterojunction Morphologie mit einer Akzeptor- oder Donatorschichtdicke von jeweils 5 bis 20 nm die Exzitonen effizient trennen. Die dafür jedoch notwendigen 4 bis 40 photoaktiven Schichten, um eine ausreichende Gesamtdicke des photoaktiven Bereiches zu erzielen, erfordern eine Fertigungstechnologie die 5 bis 20 nm dicke Schichten depositionieren kann. Folglich müssen die zur Fertigung eingesetzen Kräfte in diesem Nanometerbereich begrenzt wirken können. Für diesen speziellen Anwendungsfall ist außerdem zu beachten, dass Energieverluste in den Rekombinationszonen zwischen den einzelnen Bilayern der organischen Photovoltaikzelle den Wirkungsgrad limitieren können.
In einer erfindungsgemäßen Variante kann der Wirkungsgrad maximiert werden, indem die Moleküle in der photoaktiven Schicht, wie die in der Natur bei der Photosynthese beteiligten, die Eigenschaft einer quantenmechanischen Verschränkung, zum effizienteren Transport der angeregten Energiezustände, aufweisen.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung sieht eine organische Photovoltaikzelle mit einer Vielzahl von photoaktiven Schichten vor, die eine vielzahl von Teilzellen bilden. Jeweils einzelne oder mehrere Teilzellen werden untereinander parallel verschaltet, wodurch nicht nur die Photoströme zwischen den so verbundenen Teilzellen nicht gleich groß sein müssen, sondern Energieverluste durch Rekombinationszonen minimiert werden können. Bei der parallelen Verschaltung von mehreren Teilzellen bzw. Stapeln von Teilzellen werden die Teilzellen im Stapel selbst in Serie verschalten.
Zur Herstellung Leistungsfähiger organische Elektronik oder elektrischer Bauelemente sind häufig dreidimensionale Strukturen im Nanometerbereich notwendig. Insbesondere bei einer organischen Photovoltaikzelle erlaubt die Interdigitated Heterojunction Morphologie mit einer Nanostrukturauflösung von 10 bis 40 nm eine hocheffiziente Trennung der Exzitonen. Es ist jedoch kein praxisrelevantes Fertigungsverfahren bekannt, welches solche kleinen Strukturen auf großen Flächen erzeugen kann. Mechanische Verfahren wie die Nanoimprint-Lithografie weissen das grundsätzliche physikalische Problem auf, dass die Adhäsionskräfte zwischen Werkzeug und organischen Halbleitermaterial der photoaktiven Schicht bzw. einem anderen Material elektrischer Bauelemente, im Vergleich zu den Kohäsionskräften im organischen Halbleitermaterial bzw. einem anderen Material elektrischer Bauelemente zu groß sind. Da es mit bisher bekannten mechanischen Technologien nicht möglich ist großflächige organische Halbleitermaterialschichten oder einem anderen Material elektrischer Bauelemente mit Nanostrukturen von ca. 10 nm zu erzeugen, wird vorgeschlagen das mechanische System mit seinen Kräften als Werkzeug zu ersetzen.
Erfindungsgemäß werden elektrische und/oder magnetische Felder zur dreidimensionalen Modifizierung der Gasphase bzw. des Stoffgemisches z. B. beim Thermischen Verdampfen oder CVD genutzt, sodass die Gasphase bzw. das Stoffgemisch auf einer Substratoberfläche die gewünschte Nanostruktur abbildet. Insbesondere können optische und/oder thermische Felder genutzt werden, die Auflösungen im Nanometerbereich bereitstellen. Hierzu wirkt auf die Gasphase bzw. das Stoffgemisch vor dem Erreichen oder Ablagern an der Substratoberfläche elektromagnetischer Strahlung ein. Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich insbesondere um Licht z. B. EUV-, UV-Licht oder Röntgenstrahlung handeln. Die elektromagnetische Strahlung wird so geformt, dass sie der gewünschten, z. B. aufzudampfenden, Nanostruktur in ihrer Intensitätsverteilung ähnelt, das heißt dass Bereiche mit hoher Intensität und mit geringer Intensität, im Nanometerbereich aneinander angrenzen. Eine solche Strahlformung kann z. B. nach bekannten Prinzipien der Lithografie, z. B. Extrem-Ultra-Violett-(EUV-) und Röntgen-Lithografie, erzeugt werden, da Interferenzmuster, die z. B. mittels Diffraktiver optischer Elemente erzeugt werden können, nicht die hohe Auflösung im Nanometerbereich erreichen. Anstelle Diffraktiver optischer Elemente kommen zur Strahlformung insbesondere Masken und Interferenzverfahren, insbesonder für EUV- oder Röntgenstrahlung, zum Einsatz. Je nach zu erzeugender Struktur sind dabei insbesondere Masken, die in Reflexion betrieben werden oder Interferenzverfahren, die insbesondere Interferenzmuster für unterschiedliche Strukturen, wie periodische Muster z. B. Linienstrukturen, Punktmuster oder komplexe Strukturen erzeugen, besonders vorteilhaft geeignet. Zur Erzeugung der gewünschten Interferenzmuster können insbesondere, dazu entsprechend strukturierte Spiegel, Transmissionsgitter bzw. optische Gitter bevorzugt für kohärente Strahlung wie Laser im EUV- oder Röntgenbereich, insbebesondere EUV-Femto- oder Attosekundenlaser zum Einsatz kommen. Das jeweils benötigte Interferenzmuster kann auch durch Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen untereinander, direkt im Raum bzw. in lokalen Bereichen durch konstruktive und/oder destruktive Interferenz erzeugt werden. Zur Strahlformung, insbesondere von komplexen dreidimensionalen Strahlprofilen kann es sinnvoll sein, eine oder mehrere Masken in Kombination mit mind. einem optischen Bauteil zur Interferenzmustererzeugung zu betreiben. Dadurch nehmen die Moleküle in der Gasphase oder Stoffe in einem Gemisch, die bzw. welches von der elektromagnetischen Strahlung getroffen werden, durch Absorption Energie auf und weisen dadurch beim Auftreffen auf die Substratoberfläche, je nach Umgebungsparameter, ein verändertes Wachstumsverhalten auf. Bei manchen Varianten eignen sich dazu auch die Wirkprinzipien der Elektronen- und Ionenstrahllithografie. In jedem Fall jedoch, können bei zu hoher Energie einzelne Moleküle oder Atome nicht sofort kondensieren sondern lösen sich durch erneute Verdampfung von der Oberfläche, ohne zum Schichtwachstum an dieser lokalen Stelle beizutragen. Entsprechend wachsen andere Bereiche stärker, woraus sich letztendlich eine Nanostruktur bildet. Dieser Effekt kann auch erzielt oder sogar verstärkt werden, indem die elektromagnetische Strahlung direkt auf die Substratoberfläche trifft. In Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen kann es sein, dass das organische Halbleitermaterial oder ein anderer chemischer Stoff in der Gasphase oder in einem Stoffgemisch über nicht ausreichend Energie verfügt, um an der Substratoberfläche ausreichend zu kondensieren, sodass die elektromagnetische Strahlung die dazu notwendige Energie liefert und besonders die organischen Halbleitermoleküle oder anderen Moleküle oder Materialien an der Substratoberfläche kondensieren können, welche die elektromagnetische Strahlung absorbiert haben. Auch in diesem Fall kann die Absorption direkt durch Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Strahlung in der Gasphase oder im Stoffgemisch oder auf der Substratoberfläche stattfinden. Beim Einsatz von CVD wird entsprechend die Reaktionsgeschwindigkeit der beteiligten Stoffe, anstelle der Geschwindigkeit des Schichtwachstums durch Kondensation wie beim Thermischen Verdampfen, durch die Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung lokal verändert. Einzelne Moleküle oder Gruppen von Molekülen oder Materialbereiche können auch mittels thermischer Felder erwärmt werden. Zudem kann bei Bedarf überflüssiges Material in der Gasphase oder im Stoffgemisch elektrisch aufgeladen werden und durch ein elektromagnetisches Feld abtransportiert werden. Dieses Verfahren eignet sich somit neben der Herstellung organischer Photovoltaikzellen auch für die Depositionierung anderer organischer und anorganischer Materialien, die mit einer Struktur im Nanometerbereich gezielt abgeschieden werden müssen, insbesondere für die Herstellung anderer elektrischer Bauteile wie z. B. Transistoren und Prozessoren.
Eine Modifizierung der Gasphase und/oder des Schichtwachstums durch Depositionieren auf einem Subtrat kann insbesondere auch durch elektromagnetische Strahlung wie Licht, EUV-Licht, Röntgenstrahlung, durch die Anwendung von EUV-Laser, Freie-Elektronen-Laser oder Röntgen-Freie-Elektronen-Laser erfolgen, insbesondere Femto- und Attosekundenlaser. Dabei kann die elektromagnetische Strahlung nach den bekannten Prinzipien mittels Interferenz, insbesondere durch dazu entsprechend struktuierte Spiegel oder Transmissionsgitter, und/oder Maske, insbersondere Masken die in Reflexion betrieben werden, je nach Erfordernis, für die herzustellende Struktur(en), geformt werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausnutzung von Pausen während des Depositionsvorganges, welcher beispielsweise periodisch stattfinden kann. Insbesondere in einer Pause und/oder in dem Zeitraum um das Ende einer Pause herum, kann die elektromagnetische Strahlung lokal auf dem Substrat und/oder der im Anflug befindlichen Gasphase wirken, um lokal Bereiche zu erwärmen und/oder lokal Bereiche zu kühlen. Besonders vorteilhaft ist dabei auch eine Variante zum Ablenken der Gase in andere lokale Bereiche. So kann zum Beispiel von lokalen Bereichen in denen die kinetische Energie reduziert oder gesteigert wird, Materie zu anderen Bereichen, durch die elektromagnetische Strahlung, insbesondere durch Laserkühlen, befördert werden. Sodass sich in einer Gasphase eine spezifische Materieverteilung ergibt. Durch das Zusammenwirken von lokalen Bereichen in denen die kinetische Energie der Materie in der Gasphase mittels Laserkühlen reduziert wird und in anderen, insbesondere angrenzenden, lokalen Bereichen gesteigert wird, kann dieser Effekt in seiner Effektivität und Effizienz weiter gesteigert werden. Insbesondere unter Nutzung optischer Levitation sind so unterschiedliche, spezifische Verteilungen von Materie bzw. Atomen und/oder Molekülen in einer Gasphase realisierbar, welche bei einer Abscheidung bzw. Kondensation auf einem Substrat ein entsprechend spezifisches Schichtwachstum bilden. Dazu kann auch der Effekt genutzt werden, dass zuerst eine spezifische Verteilung der Materie in einer Gasphase mittels Laserkühlen erzeugt wird und die so erzeugte Materieverteilung in Richtung eines Substrates mittels Laserkühlens, durch Steigerung der kinetischen Energie, beschleunigt wird. Optischer Felder nach dem Prinzip des Laserkühlens und optischen Levitation können somit zum beschleunigen, abbremsen oder halten, und damit zum dynamischen positionieren, von Materie in einer Gasphase, insbesondere in lokalen Bereichen, gezielt eingesetzt werden. Durch Veränderung dieser optischen Felder über die Zeit, kann die Materie gezielt von lokalen Bereichen in andere lokale Bereiche befördert werden, insbesondere zu speziel dazu vorgesehenen Bereichen auf einer Substratoberfläche, zur Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich.
Bevorzugt findet eine Wechselwirkung kurz vor dem Auftreffen bzw. Kondensation der Gasphase auf einer Oberfläche bzw. dem Substrat statt, es kann jedoch in Varianten auch effektiver sein, eine Wechselwirkung über eine längere Wegstrecke stattfinden zu lassen. Um bis zum Ort der gewünschten Wechselwirkung möglichst geringe Absorptionsverluste der elektromagnetischen Strahlung zu erzielen, kann möglichst nah am Depositionsort bzw. der Substratoberfläche und/oder der letzten Strahlführungen und/oder Strahlformungsbauteile für die elektromagnetische Strahlung eine leistungsfähige Vakuumabsaugung vorgesehen werden, um so störende oder nicht benötige Materie effizient, besonders in Pausen, abzusaugen.
Als Wirkmechanismus beim lokalen Aufheizen kommt insbesondere die Desorption auf der Depositionsoberfläche bzw. Substrat infrage, indem lokal Bereiche mittels elektromagnetischer Strahlung z. B. EUV-Laserlicht auf eine Temperatur erwärmt werden, bei welcher sich die Schichtwachstumsrate verringert, indem die Kondensationswärme aus der Gasphase nicht mehr im ausreichenden Maße auf das Substrat übergehen kann. Hingegen kann das Schichtwachstum in den lokal kühleren Bereichen des Substrates mit einer höheren Rate erfolgen, sodass aufgrund der lokalen Wärmeunterschiede gezielt eine dreidimensionale Struktur im Nanometerbereich erzeugt werden kann. Zusätzlich kann das Substrat mittels weitere Mittel temperiert werden, z. B. mittels einer rückseitigen Kühlung, um eine Überhitzung zu verhindern. Anstelle oder zu Ergänzung der lokalen Erwärmung der Substratoberfläche mittels elektromagnetischer Strahlung kann auch der Effekt der lokalen Erwärmung der Gasphase mittels elektromagnetischer Strahlung genutzt werden, insbesondere wenn vor der Bestrahlung die kinetische Energie der Gasphase niedrig oder minimal ist, so können durch gezielte Steigerung der kinetischen Energie in lokalen Bereichen der Gasphase lokal unterschiedliche Depositionsraten erzielt werden. Um die kinetische Energie in der Gasphase lokal zu steuern, kann auch Laserkühlen eingesetzt werden. Ebenso können lokale Bereiche auf dem Substrat mit elektromagnetischer Strahlung erwärmt und gleichzeitig lokale Bereiche, die sich von den zu erwärmenden unterschieden können, mittels Laserkühlen gekühlt werden, umso in sehr kurzer Zeitspanne einen größeren lokalen Temperaturunterschied zu erzielen, um ein schnelleres Wachstum der Strukturen im Nanometerbereich zu erreichen. Diese Variante hat den Vorteil, dass die lokalen Wachstumsbereiche, welche kühl gehalten werden ggf. beim Einsatz organischer Moleküle, diese zeitgleich vor einer temperaturinduzierten Degeneration schützen. Es ist auch möglich unerwünschtes Beschichtungsmaterial auf einem Substrat durch einen lokalen Wärmeeintrag, lokal zu verdampfen.
Als Wirkmechanismus zum Abkühlen kommt insbesondere der Effekt des Laserkühlens infrage. Neben herkömmlichen Verfahren können insbesondere Puffergase wie z. B. atomare Edelgase wie Argon oder Neon mit Anregungsfrequenzen im EUV- oder UV-Wellenlängenbereich genutzt werden. Eine Anregung der Puffergase kann dann mittels einen EUV- oder UV-Lasers stattfinden, wobei das Licht je nach Aufbau der Beschichtungsanlage mehrmals durch die, oder einen Teil der Gasphase, hin und her reflektiert werden kann. Fluoreszlicht kann z. B. spektral herausgefiltert werden, um eine unerwünschte zusätzliche Aufwärmung der Gasphase zu minimieren. So gekühlte atomare Puffergase kühlen durch Interaktion mit der Gasphase zur Deposition, die darin enthaltenen Moleküle und/oder Atome. Die Puffergase könnten sich sowohl in der Gasphase befinden als auch zwischen zu beschichtenten Substrat und der Gasphase, sodass eine lokale Temperaturbeeinflussung über das Mittel der Puffergase, in der Gasphase möglich ist. Es ist auch möglich kurz vor und/oder in etwa zeitgleich mit der z. B. mittels Thermischen Verdampfens generierten Gasphase zur Beschichtung, eine Gasphase aus Pufferatomen in den Wirkraum zwischen Substrat und Gasphase zur Beschichtung auszusenden, ggf. ebenfalls durch Thermisches Verdampfen. Dadurch können die kinetischen Energien der beiden Gasphasen lokal noch präziser beeinflußt werden und wechselwirken. Je nach Art und Stoffen in der Gasphase zur Beschichtung, kann die Gasphase auch direkt mittels Laserkühlung lokal in ihrer kinetischen Energie beeinflußt, sowohl beschleunigt als auch abgrebremst, werden. Je effektiver und effizienter die Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit der Gasphase ist, desto schneller kann ein Effekt z. B. des Laserkühlens im ausreichenden Maße erzielt werden, um einen Ausgleich der kinetischen Energien einzelner lokaler Bereiche in der Gasphase mit umgebenden Bereichen in der Gasphase möglichst zu minieren sollte die Zeit für solch einen Ausgleich möglichst gering gehalten werden und/oder eine kontinuierliche Steuerung der kinetischen Energien, in den verschiedenen lokalen Bereichen der Gasphase, bis zum Auftreffen dieser auf ein Substrat, z. B. mittels Laserkühlen, zum lokalen kühlen und/oder heizen von Bereichen der Gasphase, erfolgen. Eine weitere Möglichkeit stelle die Laserkühlung von lokalen Bereichen des Substrates dar. Wobei verschiedene Kominationen aus Laserkühlung der Gasphase und/oder des Substrates möglich sind, insbesondere können lokale Bereiche in der Gasphase gekühlt und/oder erwärmt werden sowie zeitgleich lokale Bereiche auf der Substratoberfläche gekühlt und/oder erwärmt werden, um die lokale unterschiedlichen Wachstumsraten der Beschichtung, infolge unterschiedlicher Kondensationsbedingungen und/oder kinetischer Energieverteilung in der Gasphase zu maximieren und um so die gewünschte Struktur im Nanometerbereich zu erzeugen.
Laserkühlen ist sowohl von Festkörpern als auch von Gasphasen möglich, verschiedene Verfahren werden hierzu weltweit angewandt und weiterentwickelt, diese Verfahren können auch in der Kombination mit dem Thermischen Verdampfen, zur lokalen Steuerrung bzw. Beeinflussung der örtlichen Schichtwachstumsrate auf einem Substrat genutzt werden. Zur Laserkühlung von lokalen Bereichen in einer Gasphase, können insbesondere um das zu beschichtende Substrat herum ein oder mehrere optische Elemente zur Strahlführung und/oder -formung wie insbesondere Spiegel, wie Beispielweise speziel zur Strahlformung geeignete strukturierte Spiegel die auch als Maske in Reflexion betrieben werden können oder durch ihre Beschaffenheit zur Erzeugung eines entsprechenden Interferenzmusters dienen können, plaziert werden, welche die Elektromagnetische Strahlung z. B. Laser wie UV- oder EUV-Laser, in die entsprechenden Bereiche der Gasphase reflektieren, sodass im Idealfall mehrere Strahlen z. B. Laser mit der Gasphase für eine möglichst hohe Wirksamkeit wirken können. Die optischen Elemente zur Strahlführung und/oder -formung wie insbesondere Spiegel oder andere Mittel zur Reflexion elektromagnetischer Strahlung können insbesondere auf Ebene des Substrates, über diesen oder unter diesem angeordnet werden, auch die Anordnung in mehreren Ebenen sowie seitlich in einem größeren Abstand zum Substrat kann sinnvoll sein, insbesondere wenn hierdurch die erzielbare Kühl- oder Heizleistung der elektromagnetischen Strahlung so gesteigert werden kann, dass die thermische Energie lokal in der Gasphase in einer kurzen Zeitspanne geändert werden kann, sodass die Geschwindigkeit des Beschichtungsprozesses erhöht wird. Hierzu können insbesondere eine Vielzahl von lokalen Bereichen in der Gasphase nach dem Prinzip des Laserkühlens mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. Besonders effizient ist diese Wechselwirkung kurz bevor die Gasphase das Substrat erreicht, es muss jedoch ausreichend Zeit für eine Wechselwirkung verbleiben. Deshalb ist besonders eine zeitlich periodische Wechselwirkung von einzelnen Gasphasen, welche mit dem Prinzip des Laserkühlens wechselwirken, bevor nach einer kurzen Pause, dieser Ablauf erneut beginnt, sinnvoll. Alternativ kann eine kontinuierliche Gasphase z. B. mittels thermischen Verdampfen erzeugt werden und die elektromagnetische Strahlung des Laserkühlens über entsprechende technische Hilfsmittel in der Gasphase lokal wirken, hierfür ist es in der Regel erforderlich, dass die elektromagnetische Strahlung zwischen den z. B. Spiegeln und dem Wirkort in der Gasphase nicht zu stark absorbiert oder auf andere Weise reduziert wird. Deshalb kommen als technische Hilfsmittel insbesondere elektrische- und/oder magnetische Kraftfelder und/oder mechanische Vorrichtungen wie rotierende Schaufeln mit integrierter Vakuumabsaugung infrage, um den Raum zwischen z. B. Spiegel und anfliegender Gasphase kurzzeitig zu räumen. Eine sehr einfache Variante besteht darin, die Gasphase z. B. über eine rotierende Blende nur periodisch in eine Vakuumkammer zum Substrat fliegen zu lassen.
Die z. B. Spiegel können vor der Gasphase über eines oder mehrere technsiche Prinzipien, wie eine dynamische wirkende Schutzblende, elektro- und/oder magnetisches Kraftfeld und/oder eine so hohe Körpertemperatur bzw. Oberflächentemperatur, dass eine Kondensation der Gasphase auf den z. B. Spiegeln vermieden wird, geschützt werden. Es sei darauf hingewiesen dass nicht nur das Laserkühlen in Kombination von lokalen Bereichen auf dem Substrat und/oder lokalen Bereichen in der Gasphase möglich ist, sondern das Laserkühlen sowohl zur Reduzierung der kinetischen Energie in einer Gasphase als auch zur Erhöhung dieser verwendet werden kann, sodass es mehrere Möglichkeiten gibt, um die Erzeugung von Nanostrukturen gezielt zu steuern, eine Kombination dieser Möglichkeiten kann insbesondere die Wachstumsrate dieser Nanostrukturen erhöhen und zu höheren Auflösungen führen. Insbesondere ist auch die lokale Erwärmung des Substrates eine weitere Kombinationsmöglichkeit, um den Prozess effizienter zu gestalten und/oder effektiver zu steuern. Werden für den Prozess des Laserkühlens in der Gasphase chemisch reaktionsträge Edelgasatome zugesetzt, so können insbesondere UV- und EUV-Laser die benötigte elektromagnetische Strahlung generieren.
Die beschriebenen Möglichkeiten des Laserkühlens können auch mit anderen Depositionsverfahren wie z. B. der chemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung kombiniert werden.
Hochleitfähige Schichten mit gleichzeitig hoher Transparenz, insbesondere für sichtbares Licht können durch Graphen erzeugt werden, wenn die Struktur der Graphenschicht nicht durchgängig ist, sondern regelmäßig Leerstellen oder leere Bereiche aufweisst. Ein solches Graphen-Geflecht, ähnlich eines Maschendrahtzaunes, kann elektrische Ladungsträger in den ausgebildeten Bereichen transportieren und in den leeren Bereichen das Licht ungehindert hindurchlassen. Besonders vorteilhaft, insbesondere in der Photovoltaik, kann die Kombination mehrerer Graphen- und/oder Graphen-Geflechtschichten sein, so kann Beispielsweise über eine durchgängige Graphenschicht eine Schicht mit Graphen-Geflecht aufgebracht werden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen, bei nur geringer Verschlechterung der Gesamttransparenz.
Es ist auch möglich mechanische Fertigungsverfahren soweit zu verbessern, dass zumindest deutlich höhere Auflösungen der herzustellenden Strukturen erreicht werden. Dazu kann die Nanoimprint-Lithographie verbessert werden, indem Adhäsionskräfte zwischen Werkzeug und auszubildenter organischer Halbleitermaterialschicht oder einem anderen Material durch eine Beschichtung des Stempels minimiert werden oder kurz vor dem Abziehen des Stempels elektromagnetische Strahlung vom Stempel absorbiert wird, für die jedoch das organische Halbleitermaterial oder ein anderes Material transparent ist, damit sich zwischen dem Stempel und der organischen Halbleitermaterialschicht oder dem anderem Material ein leicht abzulösender Bereich ausbildet. In einer Variante ist es zusätzlich möglich, die Form des Stempels so auszuführen, dass er sich leichter ablösen lässt, z. B. durch sich im organischen Halbleitermaterial oder einem anderen Material verjüngender Strukturen und möglichst Rundungen statt Kanten und Ecken. Das organische Halbleitermaterial oder ein anderes Material kann ebenso vor dem Ablösen des Stempels auf eine ideale Temperatur herabgekühlt werden, bei welcher es eine besonders hohe Zugkraft aushält. Die maximale Zugkraft und Strukturstabilität kann auch durch Mischung des organischen Halbleitermaterials oder eines anderen Material, mit einem weiteren Material erhöht werden, wenn das dadurch entstehende Kompositmaterial verbesserte Eigenschaften aufweist.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung wird der Nanoimprint-Stempel nicht zur direkten Umformung genutzt, sondern als eine Druckstempel, indem er ein Nanomuster auf eine später mit organischem Halbleitermaterial oder einem anderen Material zu beschichtenten Oberfläche aufbringt. Zur Beschichtung eignen sich insbesondere vakuumbasierte Depositionstechnologien wie das Thermische Verdampfen. Das aufgebrachte Nanomuster (Muster mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere zwischen 1 und 100 nm, bevorzugt 1 bis 40 nm) kann so wirken, dass das organische Halbleitermaterial oder ein anderen Material an diesen Stellen besonders schnell oder langsam wächst, sodass sich eine dreidimensionale Nanostruktur des organischen Halbleitermaterials oder eines anderen Materials ergibt. Oder es kann durch chemische Reaktion ggf. mithilfe eines zweiten, möglicherweise auch flächig, aufzubringenden Stoffes, lokal Wärme freisetzen, die ebenfalls einen Einfluss auf die Wachstumsrate der organischen Halbleitermaterialschicht oder eines anderen Materials hat. In einer Variante ist es möglich, dass das aufgebrachte Nanomuster elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge besonders gut absorbiert und durch Bestrahlung mit dieser lokal Wärme freisetzt. Sodass wiederum die Wachstumsrate der organischen Halbleitermaterialien oder eines anderen Materials auf dem Nanomuster variiert. Bei der letzten Variante muss dass aufgebrachte Nanomuster nicht unbedingt mit dem organsichen Halbleitermaterial oder einem anderen Material in Kontakt kommen, es kann z. B. durch eine oder mehrere Atomlagen, eines anderen Stoffes, davon getrennt sein und sogar mittels Lithografie (z. B. mit EUV-Licht) eingraviert statt gedruck werden.
Der Einsatz von flexiblem Glas als Substrat und als Verkapselung für organische Elektronik und elektrische Bauelemente, insbesondere organischer Photovoltaik, maximiert durch höchste Transparenz und beste Barriereeigenschaften, insbesondere die Lebensdauer sowie minimal den Wirkungsgrad. Flexibles Dünnglas kann jedoch durch punktuelle Belastungen z. B. Staubkörper bzw. Partikel oder stumpfe Schläge leicht zerstört werden. Denn Glas ist aufgrund seiner Netzwerkstruktur spröde, weil einzelne aufbrechende Bindungen Materialspannungen verursachen und somit zugleich einen Teil der benötigten Energie zum Aufbrechen weiterer Bindungen speichern und bereitstellen, sodass es zu einer kettenartigen Rissbildung kommen kann.
Erfindungsgemäß wird deshalb Flexibles Dünnglas an der mechanisch belasteten Außenseite mit einem Polymerüberzug geschützt, insbesondere mittel einer laminierten Polymerfolie. Gegebenfalls können im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auch Transportwalzen mit flexiblen Materialien eingesetzt werden, sodass einzelne Fremdpartikel das Glas nicht zerstören.
Organische Elektronik und elektrische Bauelemente, insbesondere organische Photovoltaik, können als Substrat oder Verkapselung über eine Polymerfolie, die mit einer Barriereschicht beschichtet, um höhere Lebensdauer zu erzielen, versehen sein. Jedoch können fertigungsbedingte Fehlstellen in der Barriereschicht, beispielsweise Stapelfehler, die von Fremdatomen oder sonstigen Fehlstellen ausgehen, die Barrierwirkung verringern.
Erfindungsgemäß werden Fehlstellen in Barriereschichten weitgehend verhindert, indem das Material der Barriereschicht und/oder ein Vorbehandlungsmaterial, auf welchem die Barrieschicht anschließen aufgebracht wird, mit so hoher Energie auf die Substratoberfläche, z. B. Polymerfolie depositioniert wird, dass es durch Implantation oder Subplantation zu einer so tiefgehenden Oberflächenmodifikation kommt, dass die Durchgängigkeit der Barrriereschicht zu einem sehr hohen Grad gewährleistet wird.
Es könen Reaktanten unter der Oberfläche einer Polymerfolie mit Barriereschicht eingebaut werden, um diffundierende Stoffe zu binden. Jedoch verzögert sich die Degradation der organischen Elektronik oder des elektrischen Bauteils lediglich, weil der Reaktant durch diffundierende Stoffe verbraucht wird.
Erfindungsgemäß werden Reaktanten so ausgewählt, dass sie unter einer Barriereschicht chemisch so mit diffundierenden Stoffen wie Sauerstoff reagieren, dass sie durch diese chemische Reaktion einen lokalen Barrierebereich ausbilden, dieser kann auch nichttransparent sein. Dadurch könnten örtliche Fehlstellen in einer Barriereschicht dynamisch und lokal durch „selbstreaparatur” versiegelt werden.
UV-Licht Blocker können die Lebensdauer organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente verlängern. Insbesondere bei einer organischen Photovoltaikzelle ist jedoch keine Nutzung der Energie des geblockten UV-Lichtes möglich, weil der UV-Licht Blocker das UV-Licht absorbiert und es in Wärme umwandelt.
Erfinderungsgemäß wird Rest-UV-Strahlung nach dem Prinzip einer Schicht mit fluoreszierendem Stoff (insbesondere Umwandlung von schädlichen UV-Licht mittels Rotverschiebung in Licht mit geringerer Frequenz z. B. mittels Stokes-Verschiebung), zurück zu dieser fluoreszeirenden Schicht reflektiert und kann somit durch Rotverschiebung in „nützliches” Licht umgewandelt werden. In einer Variante wird zur Reflexion das Prinzip des Interferenzspiegels, der auf die Wellenlänge des zu reflektierenden UV-Lichtes abgestimmt ist, genutzt.
Durch Ersetzen oder Modifizieren der bekannten Technik der pn-Übergänge oder Mittelelektrode in organischer Elektronik, insbesondere bei organischer Photovoltaik zwischen Teilzellen, kann ein effizienterer Ladungsträgertransport und höhere Transparenz erzielt werden. Denn Mittelelektroden verringern die Transparenz der Teilzelle, durch Absorption von Photonen. PN-Übergänge weisen ebenso eine limitierte Effizienz auf.
Erfindungsgemäß wird das aus der Natur bekannte Prinzip, bei dem zumindest teilweise, bei der Photosynthese, die angeregten Energiezustände der organischen Moleküle quantenmechanisch verschränkt werden und wodurch die Effizienz steigt, genutzt. Dieses Prinzip wird insbesondere für organische Photovoltaikzellen genutzt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung wird, insbesondere bei organischer Photovoltaik, zwischen Teilzellen, Graphen als Mittelelektrode verwendet, damit die Lichtabsorption durch das Graphen minimal gehalten wird, wird das Graphen nicht flächig durchgängig ausgeführt sondern als Muster, wie ein Sieb bzw. Gitter oder Geflecht, mit freien Bereichen ausgeführt. Sofern notwendig werden starke, möglichst mit hoher Transparenz, Elektronen- oder Lochleitermaterialien zusätzlich eingebracht, bevorzugt durch Dotierung. Das modifizierte Graphen kann auch für andere organische Elektronik und elektrische Bauelemente genutzt werden.
Durch das Ersetzen von Lamination durch Verschweißen von Verkapselungsfolie oder -dünnglas, bei organischer Elektronik oder elektrischen Bauelementen, kann zumindest an den Außenflächen, um Diffusion von Stoffen durch den Laminationskleber hindurch in das jeweilige Bauteil zu verhindern, die Lebensdauer des Bauteils erhöht werden. Jedoch dürfen Bauteile beim Verschweißen nicht zu heiß werden, insbesondere um organische Halbleitermaterialien oder andere hitzeempfindliche Materialien nicht zu zerstören. Die zu verschweißenden Lagen aus Folie oder Dünnglas müssen zuvor stofflich in Kontakt gebracht werden ohne das mechanische Zerstörungen am Bauteil eintreten.
Erfindungsgemäß wird, durch vorherriges kühlen der organischen Elektronik oder des elektrischen Bauelementes, insbesondere des OPV-Bauteils, eine Erwärmung dieses, überhalb einer kritischen Temperatur beim Verschweißen verhindert. Die Kühlung kann auch während des Verschweißens z. B. mittels eines Inertgases oder durch den Kontakt mit gekühlten Körperoberflächen fortgeführt werden.
Zur Herstellung organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente können Fertigungsverfahren wie Thermisches Verdampfen oder Slot-Die-Coating so modifizieren werden, das eine Vielzahl von sehr dünnen Schichten, insbesondere aus organischen Halbleitermaterialien, übereinander depositioniert werden können. Dabei dürfen sich einzelne Schichten dabei nicht vermischen. Diffussionsprozesse treten insbesondere bei hohen Temperaturen oder bei flüssigen und gasförmigen Stoffen auf.
Um viele, insbesondere photoaktive Schichten, übereinander zu depositionieren, werden diese einzelnen Depositionsvorgänge Erfindungsgemäß zeitlich getrennt. Dadurch können die bereits depositionierten Schichten z. B. durch aushärten oder kühlen nachbehandelt werden.
Für jeden Fertigungsschritt kann die jeweils effizienteste Fertigungstechnologie zur Herstellung organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente angwendet werden, um die Herstellkosten zu minimieren. Dazu kann es sinnvoll sein vakuumbasierte und nassfilmbasierte Fertigungstechnologien miteinander effizient zu kombinieren. Jedoch gilt es zu vermeiden bzw. zu minimieren, das Wirkungsgrad, Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der organischen Elektronik oder elektrischen Bauelemente, insbesondere organischen Photovoltaikzellen, negativ beeinträchtigt werden. Die jeweiligen Fertigungsverfahren müssen deshalb in ihrer Gesamtheit die physikalisch notwendige Bauteilqualität erreichen und effizient sein.
Erfindungsgemäß werden je nach zu erfüllender Arbeitsbedingung in der Prozesskette, Fertigungsstationen mit unterschiedlichen Eigenschaften eingesetzt. Das bedeutet, dass sowohl vakuum- als auch nassfilmbasierte Fertigungstechnologien sowie verschiedene Vor- und Nachbehandlungstechnologien in einem Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen können, solange die notwendige Qualität der organischen Elektronik oder des elektrischen Bauelements, insbesondere des organischen Photovoltaikbauteils, gewährleitest ist und die Herstellkosten für diesen Zweck, die am geringstmöglichsten sind. Grundsätzliche Zusammenhänge der verschiedenen Fertigungstechnologien und Verfahren zur Herstellung organischer Elektronik oder elektrischer Bauelement werden nachfolgend sowie im Ausführungsbeispiel und in der Zeichnung 1 beschrieben.
Um qualitativ hochwertige Bauelemente mit hohem Wirkungsgrad oder hoher Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer herzustellen, kann ein Herstellungsverfahren je nach herzustellendem elektrischen Bauelement oder organischer Elektronik, Beispielhaft folgende Fertigungstechnologien umfassen.
Am Beispiel von photoaktiven Schichten: Für eine Einfach-Photovoltaikzelle (OPV) eignen sich auf des vergleichweise niedrigen Wirkungsgrades insbesondere kostengünstige Fertigugnstechnologien wie Slot-Die-Coating. Für Tandem-Photovoltaikzellen (2 Absorberschichten) (OPV) eignen sich insbesondere Thermisches Verdampfen als Depositionsverfahren. Für Mehrfach-Photovoltaikzellen (≥ 3 Absorberschichten) (OPV) eignen sich insbesondere Thermisches Verdampfen sowie Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren und Atomlagendeposition (ALD) für Elektroden.
Am Beispiel Morpholovien photoaktiver Schichten (OPV): Multinano-Bilayer Heterojunction, ist vergleichbar mit Mehrfach-Photovoltaikzellen (siehe oben). Bei Bulk Heterojunction eignet sich Thermisches Verdampfen sowie bei Bedarf eine Thermische Nachbehandlung. Für Interdigitated Heterojunction eignet sich ein kombiniertes Verfahren von Gasphasenabscheidung und Lithografie. Für die Herstellung der punktförmigen Strukturen der Nanosäulen lässt sich entweder elektromagnetische Strahlung beim kombinierten Verfahren von Gasphasenabscheidung (bevorzugt Thermisches Verdampfen) und Lithografie im Rolle-zu-Rolle-Prozess nutzen oder ein (verbessertes) Nanoimprint-Lithografieverfahren (siehe Ausführungsbeispiele).
Am Beispiel der pn-Übergänge in Tandem- und Mehrfachzellen (OPV) eignet sich Thermisches Verdampfen zur Dotierung am besten.
Am Beispiel des Elektrodenaufbaus: Lässt sich eine bei Bedarf sinnvolle Optische Distanzschicht mittels Thermischen Verdampfen herstellen. Für Graphen und Graphenoxid oder Kohlenstoffnanoröhren eignen sich CVD und Druckverfahren wie insbesondere Ink-Jet. Für Metallnanodrähte eignen sich Slot-Die-Coating und Siebdruck. Für Transparente elektrisch leitfähige Oxidschichten (TCO-Schichten) eignet sich die Kathodenzerstäubung, weil es in den meisten Fallen ausreichend ist, eine TCO-Schicht als Grundschicht auf das Substrat aufzutragen. Für TCO-Nanosäulen eignet sich Thermisches Verdampfen, weil die Nanosäulen ausgehend von Wachstumskeimen mittels Thermischen Verdampfen unter hohen Temperaturen wachsen. Dieses Wirkprinzip kann auch dazu verwendet werden um andere dreidimensionale Strukturen im Nanometerbereich herzustellen, die Bestandteil organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente sind. Für eine Durchkontaktierung eignet sich insbesondere Laserablation z. B. Laserbohren und Druckverfahren wie z. B. Ink-Jet. Für Metallgitter eignet sich Thermisches Verdampfen mit einer Maske, weil im Vergleich zu Druckverfahren niedrigere elekt. Widerstände, aufgrund homogenerer Materialgitterstruktur, erzielt werden.
Am Beispiel der Versiegelungen: Für Polymerfolien- oder Glasverkapselungverkapselung eignet sich die Verkapselung mittels Verschweißen. Für Nano-Barriereschichten eignet sich ALD. Für den Einbau von Reaktanten eignet sich insebsondere Thermisches Verdampfen oder Slot-Die-Coating.
Am Beispiel der UV-Licht Blocker eignet sich Thermisches Verdampfen. Am Beispiel der Verlängerung des optischen Weges eignet sich eine reflektierende Metallschicht, die mittels Thermischen Verdampfen hergestellt werden kann.
Am Beispiel der Gesamtkonzepte organischer Photovoltaik: Für eine 3-fach-Photovoltaikzelle mit Bulk-Heterojunction Morpohologie, eignet sich zur Herstellung der Mehrfach-Photovoltaikzelle mit Bulk-Heterojunction Morphologie, die sowohl Teilzellen mit organischen Halbleitermaterialien der Klasse der kleinen Moleküle als auch der Polymere aufweist, entsprechend zuerst für die Polymer-Teilzelle ein nassfilmbasiertes Verfahren, ideal Slot-Die-Coating und anschließend für die kleinen Moleküle Thermisches Verdampfen. Eine TCO-Schicht kann mittels Kathodenzerstäubung auf dem Glas- oder Polymersubstrat aufgebracht werden. Für ein weitere Gesamtkonzept einer Invertierte Tandem-Photovoltaikzelle mit Mittelelektrode. Bestehend aus zwei Polymerteilzellen mit Mittelelektrode, eignen sich nassfilmbasierte Depositionstechnologien. Dazu ist Slot-Die-Coating (mehrfach benötigt) die beste technische Losung. Für die ITO-Schicht auf dem Substrat stellt die Kathodenzerstäubung und für eine Silberelektrode, aufgrund vorteilhafter Material-Gitterstruktur, das Thermische Verdampfen die beste techische Lösung dar. Für ein anderen Gesamtkonzept einer Mehrfach-Photovoltaikzelle mit pn-Übergängen, eignet sich, für die photoaktiven Schichten und Gegenelektrode, in Abhängigkeit vom gewählten Material, insbesondere Thermisches Verdampfen erzeugt (mehrfach benötigt). Sowie für eine TCO-Schicht auf dem Substrat, ideal das Verfahren der Kathodenzerstäubung und für eine Barriereschicht auf der Verkapselungspolymerfolie, ideal das Verfahren der ALD sowie eine Versiegelung des Bauteils mittels Verschweißen und/oder Lamination.
Am Beispiel eines weiter verbesserten Aufbaus von organischer Photovoltaik: Für Mehrfach-Nanometer-Bilayer OPV (Multinano-Bilayer OPV) eignet sich eine Prozesslösung, umfassend: Kathodenzerstäubung für Grundschicht, Thermisches Verdampfen (in hoher Anzahl benötigt), CVD von Graphen (mehrfach benötigt), Laserablation, Renigung und Verkapselung mit Verschweißen als optimales Verfahren. Für einen weiteren verbesserten Aufbau einer Mehrfach-Photovoltaikzelle mit Interdigitated Heterojunction Morphologie und Glasverkapselung (Kombination Nr. 3, 4, 12 siehe 1) eignet sich ein Herstellungsverfahren, umfassend: Kathodenzerstäubung für Grundschicht, Gasphasenabscheidung mit Lithographie (mehrfach benötigt), CVD von Graphen, Laserablation, Reinigung und Verkapselung mittels Verschweißen.
Abweichungen vom Herstellungsverfahren mit anderen Kombinationen von Fertigungstechnologien sind insbesondere dann möglich wenn sich die Fertigugnstechnologien gegenseitig substituieren wie z. B. Verkapselung mittels Lamination oder Verschweißen und die Materialien Glas oder mit einer (Nano-)Barriereschicht beschichtete Polymerfolie. insbesondere sind auch Verfahren möglich die vakuum- und nassfilmbasierte Depositionstechnologien kombinieren und andere Bauteile als OPV, insbesonder organische lichtemittierende Dioden, organische Feldeffekttransistoren, organische Sensoren, organische Speicher, organische Prozessoren, organische Dioden und anorganische Elektronik sowie hybride Elektronik mit anorganisch-organischen Materialien in Funktionsbereichen und Bauelemente mit Strukturen im Nanometerbereich herstellen können.
Die Einsatz verschiedener Herstellungsverfahren begründet sich auf den unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen organischen Elektronik oder elektrischer Bauelemente. Am Beispiel der organischen Photovoltaik sind insbesondere folgende Einflussfaktoren zu berücksichtigen: Mit der Anzahl der photoaktiven Schichten und damit Teilzellen, steigt der Wirkungsgrad der organischen Photovoltaikzelle von Einfach-, über Tandem-, bis Mehrfachzellen. Die Ursache ist in den verschiedenen organischen Halbleitermaterialien begründet, die sich im Idealfall in ihren Absorptionsspektren ergänzen, um einen möglichst großen Teil des Sonnenlichtes in elektrische Energie umzuwandeln. Je höher der Absorptionsgrad der verwendeten organischen Halbleitermaterialen für einen jeweils bestimmten, aber sich in der Gesamtheit ergänzenden, Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes ist, desto effizienter kann eine organische Photovoltaikzelle mit einer Vielzahl von photoaktiven Schichten, mit den unterschiedlichen organischen Halbleitermaterialien aufgebaut werden, um ein größtmögliches Spektrum des Sonnenlichtes zu nutzen. Jede photoaktive Schicht absorbiert so im Idealfall nur einen bestimmten Wellenlängenbereich zu einem sehr hohen Grad, das Licht mit anderen Wellenlängen wird jeweils von nachfolgenden photoaktiven Schichten absorbiert. Weil die organischen Halbleitermaterialien nur ein jeweils spezifisches, begrenztes Absorptionsspektrum mit hohem Absorptionsgrad aufweisen, ist es unverzichtbar, eine Vielzahl von unterschiedlichen organischen Halbleitermaterialien für die Realisierung einer Photovoltaikzelle mit hohem Wirkungsgrad einzusetzen. Mehrfach-Photovoltaikzellen stellen deshalb im Bereich der Zell-Struktur die beste Lösung dar.
Die Morphologie der photoaktiven Schichten ist mit ihrer Akzeptor-Donator-Grenzschicht entscheident für die effiziente Aufspaltung, der durch Photonenabsorption generierten Exzitonen. Weil die maximale Diffusionsstrecke der Exzitonen, je nach eingesetzter Materialart, nur 5 bis 20 nm beträgt, für einen hohen Absorptionsgrad jedoch Schichtdicken von ca. 100–200 nm benötigt werden, ergibt sich ein Technischer Widerspruch, der bei der Standart Bilayer Heterojunction Morphologie ungelöst bleibt.
Durch Vermischung von Akzeptor und Donator wird dieser Widerspruch teilweise im Bulk Heterojunctionkonzept gelöst, aufgrund der im Inneren der photoaktiven Schicht nicht immer eingehaltenen maximalen Diffusionsstrecke und elektrisch isolierter Inseln, kann jedoch kein maximaler Wirkungsgrad erzielt werden. Dennoch ist diese Art der Morphologie sehr gut herstellbar, sowohl mittels Thermischen Verdampfen, als auch mittels Slot-Die-Coating. Sodass es sich um eine in der Praxis, für Endprodukte, anwendbare Technologie handelt.
Wesentlich höhere Wirkungsgrade lassen sich mit einer Nanosäulen-Morphologie erzielen, indem entweder Akzeptor- oder Donator-Nanosäulen ausbildet werden und so ineinandergreifen, dass eine ausreichend dicke photoaktive Schicht mit geringen Diffusionsstrecken erzeugt wird. Jedoch sind diese Nanosäulen technisch nur sehr schwierig und kostenintensiv herstellbar. Deshalb war es in der Vergangenheit nicht möglich Nanosäulen von ausreichender kleiner Struktur, mit einer hohen Auflösung und Präzision, in großflächigen Massenproduktionsverfahren herzustellen, welche die Einhaltung der maximalen Diffusionsstrecke für die Exzitonen und damit einen maximalen Wirkungsgrad gewährleisten.
Die Einhaltung der maximalen Diffusionsstrecke für Exzitonen als Grundvorraussetzung für einen maximalen Wirkungsgrad wir nur von den Morphologiearten der Interdigitated Heterojunction und der Multinano-Bilayer Heterojunction gewährleistet. Für Letztere können bekannte Fertigungstechnologien wie das Thermische Verdampfen eingesetzt werden, weshalb im Vergleich eine bessere Technische Machbarkeit mit besseren Herstellkosten gegeben ist. Denn für die Interdigitated Heterojunction Morphologie müssen hingegen die neu entwickelten Fertigungsverfahren, wie z. B. das Gasphasenabscheidungsverfahren mit kombinierter Lithographie, eingesetzt werden. Der Einsatz von Hochtechnologie wird durch die Steigerung des erzielbaren Wirkungsgrades, gerechtfertigt. Zudem sinken Herstellkosten nach dem erfolgreichen Einführen einer neuen Technologie und deren Anwendung in Massenproduktionsverfahren, mit sehr hohen Stückzahlen, innerhalb weniger Jahre rapide. Deshalb ist davon auszugehen, dass die Interdigitated Heterojunction Morphologie langfristig an Bedeutung für die praktische Einsetzbarkeit hinzugewinnen kann.
Die drei bewerteten Gesamtkonzepte organischer Photovoltaikzellen zeigen, dass sich die Technische Machbarkeit nur gering unterscheidet. Der höchste Wirkungsgrad und Lebendauer wird von der Mehrfach-Photovoltaikzelle mit pn-Übergängen erzielt, die unter den drei Gesamtkonzepten, aufgrund eines aufwändigen vakuumbasierten Depositionsverfahrens, die höchsten Herstellkosten aufweist. Ebenso wird eine hochwertige Verkapslung gewählt, die eine mehrjähige Lebensdauer des Bauteils, auch unter anspruchsvollen Klimabedinungen, wie in den Tropen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur, bei gleichzeitig starker UV-Lichteinstrahlung, gewährleisten kann.
Der Einsatz von verschiedenen organischen Halbleitermaterialien als Lichtabsorber in einer Mehrfachzelle zusammen mit einer funktionalen Barrieretechnologie wie z. B. eine beschichtete Polymerfolienverkapselung, vereinen einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von bis zu 12% mit einer ausreichenden Lebensdauer, welche trotz der höheren Kosten in der Herstellung, u. a. mittels Thermischen Verdampfen, den anderen beiden Gesamtkonzepten unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten überlegen ist. Eine Schlüsseltechnologie für dieses gute Ergebniss sind die hochdotierten pn-Übergänge, welche zwischen den Teilzellen effiziente Rekombinationszonen ausbilden und hochpräzise mittels simultanten Themischen Verdampfen aus mehreren Quellen, als Materialgemisch mit spezifischer Konzentration der Dotanden, gesteuert werden kann. Dies ist ein sehr gutes Beispiel wie eine fortschrittliche Fertigungstechnologie leistungsfähigere Produkte erlaubt.
Durch weitere Ausreizung und Weiterentwicklung sowie Kombination der verfügbaren Fertigungstechnologien wird es möglich, organische Photovoltaikzellen mit noch idealerem Aufbau herzustellen. In der vorliegenden Patentanmeldung wurden dazu zwei verbesserte Gesamptkonzepte systematisch erarbeitet. Das Konzept der Mehrfach-Photovoltaikzelle mit Interdigitated Heterojunction Morphologie und Glasverkapselung vereint, die jeweils fortschrittlichsten Technologieaspekte in einer Bauart, insbesondere wird neben der idealen Morphologie, mittels Mehrfachzellentechnologie und sich im Absorptionsspektrum ergänzenden organischen Halbleitermaterialien, ein möglichst großer Teil des Sonnenlichtes absorbiert und speziell optimierte Geflechtstrukturen aus Graphen als Elektrodenmatertal sowie eine verschweißte Glasverkapselung als diffusionssichere Versiegelung gewählt. Diese Vorteile lassen sich nur durch den Einsatz modernster Fertigungstechnologien in ein Produkt umsetzen. Das damit verbundene Hauptproblem einer Schädigung der organischen Halbleitermoleküle durch Röntgen- oder UV-Strahlung lässt sich durch einem sehr flachen Einstrahlungswinkel, auf die zu beschichtende Materialoberfläche minimieren, indem die elektromagnetische Strahlung so möglichst nicht oder nur sehr kurz mit der Gasphase im Vakuum wechselwirken kann. Eine weitere Minimierung dieses Hauptproblems ist durch die zeitliche Trennung der beiden kombinierten Technologien von Gasphasenabscheidung und elektromagnetischer Bestrahlung der Materialoberfläche, durch eine Vielzahl von extrem kurzzeitigen Unterbrechnungen der Gasphasenabscheidung, während denen die Materialoberfläche mit Impulsen der elektromagnetischen Strahlung beschossen wird, möglich.
Wesentlich einfacher ist die Herstellung einer organischen Photovoltaikzelle aus einer Vielzahl von Bilayer Heterojunction Teilzellen, mittels einer Vielzahl von Thermischen Verdampfern. Jedoch sind bei diesem Gesamtkonzept, der sogenannten Mehrfach-Nanometer-Bilayer OPV (Multinano-Bilayer OPV), mit einer hohen Anzahl von wenigen Nanometer dicken Teilzellen, Energieverlust in den Rekombinationszonen der pn-Übergänge zwischen den Teilzellen sowie beim Einsatz von Mittelelektroden, selbst bei Graphen, Verluste in der Transmission problematisch, weil sich diese über die Vielzahl der Schichten summieren.
Abschließend wird das in 3 dargestellte, erweitere Technologie-Potenzialportfolio zu den Arten der Elektroden mit besonderer Betrachtung der pn-Übergänge, die Rekombinationszonen ausbilden, der Verkapselung und weiteren ergänzenden Technologien wie z. B. der Verlängerung des optischen Weges, hinsichtlich des Nutzens und der Umsetzbarkeit in Massenproduktionsverfahren für die Herstellung organischer Photovoltaikzellen diskutiert.
Bei der Betrachtung der Technologien für die Elektroden ist die technische Überlegenheit von Graphen, Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhren gegenüber den bisher hauptsächlich eingesetzten Technologien der TCO-Schichten und Metallgitter sowie flächige Metallschichten (aufrund zu geringer Transparenz nicht weiter betrachtet), bezüglich des Wirkungsgrades klar erkennbar. Das als Lochtransportschicht einsetzbare Graphenoxid weist zudem gute Barriereeigenschaften gegenüber Gasen auf, wodurch eine diffusionsbedingte Degradation des OPV-Bauteils verringert werden kann. Die hohen Bewertungen des Wirkungsgrades für Graphen- und Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden resultieren aus deren delokalisierten Elektronensystemen, welche die Kohlenstoffatome untereinander ausbilden, mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit, bei einer gleichzeitig sehr hohen Transparenz für sichtbares Licht. Herstellbar sind solche Elektrodenschichten mit einem weiterentwickelten Verfahren der Chemischen Gasphasenabscheidung, daneben können Graphen und Kohlenstoffnanoröhren auch in Tinten gelöst, mittels nassfilmbasierten Verfahren wie z. B. Siebdruck aufgedruckt werden.
Die bewährten TCO-Schichten stellen einen guten Kompromis aus elektrischer Leitfähigkeit und Transparenz dar, um jedoch ausreichend kleine elektrische Widerstände zu erreichen, müssen die Zellgrößen begrenzt werden oder die TCO-Schichten mit anderen Technologien wie Metallgittern kombiniert werden, welche jedoch eine teilweise Abschattung der Photovoltaikzelle zur Folge haben können. Grundsätzlich basiert auch die Durchkontaktierung auf dem Wirkprinzip, den elektrischen Widerstand der Elektrode, durch eine musterartige Verbindung mittels Durchkontaktierungen zu einem Metallleiter, auf der anderen Seite des Bauteils, zu begrenzen. Jedoch ist die elektrische Isolation der Durchkontaktierungen zu anderen Schichten problematisch, sodass Fehlströme auftreten können, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Bauteils auswirken.
Metallnanodrähte können, aufgrund ihrer sehr geringen Durchmesser von z. B. ca. 20 nm die Funktion von Metallgittern ersetzen, weil durch entsprechend aufgebrachte Metallnanodraht-Geflechte eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit mit vergleichweise höherer Transparenz erreicht werden kann und zudem kostengünstige nassfilmbasierte Fertigungstechnologien angewendet werden können. Innovativ ist auch der Einsatz von TCO-Nanosäulen, welche die Effizienz des Ladungsträgertransportes verbessern können, jedoch mit Thermischen Verdampfen eine vergleichsweise aufwändige Fertigungstechnologie zur Herstellung benötigen. Vorteilhaft ist auch die Technik der sehr effizienten pn-Übergänge, welche klassische Mittelelektroden, z. B. aus Metall, zur Serienverschaltung zwischen Teilzellen, durch hoch p- und n-dotierte Grenzbereiche, ersetzen können und durch direkte Integration von kleinen Dotanden-Molekülen in die photoaktiven Schichten, nicht die vergleichsweise großen Verluste durch Absorption von Licht, wie in einer Metallmittelelektrode aufweisen. Wozu allerdings ebenfalls ein aufwändiger Thermischer Verdampfungsprozess mit mehreren Verdampfungsquellen unter Vakuum, zur Erzielung der optimalen Dotandenkonzentration, als Fertigungslösung infrage kommt.
Durch den Einsatz spezieller Technologien kann der Wirkungsgrad oder die Lebensdauer einer organischen Photovoltaikzelle weiter gesteigert werden. Hier ist besonders die Verlängerung des optischen Weges zu nennen. Durch einen flachen Einfallswinkel des Lichtes oder durch dessen mehrmaliges Passieren der photoaktiven Schichten wird mehr Licht absorbiert. Ein mehrmaliges Passieren der photoaktiven Schicht kann beispielsweise relativ einfach mittels einer reflektierenden Metallelektrode oder einer spiegelnden Schicht auf der lichtabgewandten Seite des Bauteils realisiert werden.
Um den Ladungsträgertransport in den photoaktiven Schichten zu optimieren, kann zudem eine zusätzliche optische Distanzschicht aus z. B. ZnO, welche photoaktive Schichten relativ zu dem, durch das Elektrodenmaterial erzeugte interne elektrische Feld der organischen Photovoltaikzelle, variabel verschiebt, zur Anwendung kommen.
UV-Licht Blocker verhindern eine vorzeitige Degeneration der organischen Halbleitermoleküle aber auch die anderer Funktionsschichten, weil UV-Licht teilweise die Aktivierungsenergie für chemische Reaktionen bereitstellt. Dazu kann entweder die Verkapselung aus entsprechendem Material mit UV-Licht Filtereigenschaften bestehen oder eine Mehrfachbeschichtung aufgebracht werden, wodurch sich die Lebensdauer des Bauteils verlängern lässt.
Eine optimale Verkapselung unter Betrachtung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer wird durch eine Glasverkapselung erzielt, die sowohl eine sehe hohe Transparenz als auch Barrierewirkung gegenüber Diffusion von atmosphärischen Gasen und Flüssigkeiten aufweist. Eine Polymerfolienverkapselung erreicht hingegen weder den gleichen hohen Grad an Transparenz, noch die hohe Barrierewirkung. Allerdings kann die Barrierewirkung mit Nano-Barriereschichten aus z. B. Al₂O₃ gesteigert werden. Wobei aufgrund von Fehlstellen im Aufbau der, ca. 15 bis 30 nm dünnen Barriereschichten, nicht ohne weiteres die gleiche hohe Barrierewirkung wie bei einer Glasverkapselung erzielbar ist. Ergänzend kann deshalb der Einbau von Reaktanten unterhalb der Versiegelung vorgenommen werden, welche durch Diffusion eindringende Stoffe zumindest begrenzt, durch chemische Reaktionen binden können, bis die Reaktanten verbraucht sind.
Der überwiegende Teil der betrachteten Technologien lässt sich technisch gut bis sehr gut umsetzen, wobei die Herstellkosten neben den Prozessdurchsatz, besonders von den ausgewählten Materialien und Fertigungstechnologien, mit ihren spezifischen Kosten für Abschreibung, Fertigungslöhne, Energieverbrauch und Wartung bestimmt werden.
Zusammenfassend hat sich herausgestellt, dass der Einsatz neuer Technologien wie z. B. von Elektroden auf Basis von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente steigern kann und gleichzeitig Herausforderungen in der Herstellung hocheffizienter Elektronik, insbesondere organischer Photovoltaikzellen mit einer idealen Interdigitated Heterojunction Morphologie und organischen Halbleitermaterialien mit ausgeprägter Absorption für IR-Licht, bestehen.
Die entwickelten Lösungen reichen von Herstellungsverfahren wie dem Verschweißen von Glasverkapselungen z. B. mittels mehrerer Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen, zur Maximierung der Barrierewirkung gegenüber Gasen und Flüssigkeiten im Vergleich zum Laminieren mittels Klebstoff. Bis hin zur Gasphasenabscheidung in Kombination mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, zur Erzeugung der idealen Interdigitated Heterojunction Morphologie, in Form von parallel verlaufenden Nanostrukturen mit Auflösungen von ca. 10 bis 40 nm. Der Vorteil die Diffusionsstrecke der Exzitonen von max. 5 bis 20 nm, bis zum Akzeptor-Donator-Grenzbereich einzuhalten, steigert den Wirkungsgrad der OPV-Zelle. Zudem erlaubt ein angepasstes Strahlprofil der kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung in Kombination mit einer Gasphasenabscheidung die Herstellung anderer organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente.
Grundsätzlich zeigt sich klar, dass bei der OPV die Mehrfach-Photovoltaikzellen, bestehend aus einer Vielzahl von photoaktiven Schichten mit unterschiedlichen organischen Halbleitermaterialien, die zusammen einen möglichst großen Bereich des Sonnenlichtspektrums abdecken, technisch überlegen sind. Gleichwohl stellt jedoch auch das Konzept einer Einfach-Photovoltaikzelle, z. B. mit einer Bulk Heterojunction Morphologie, eine mit nassfilm- statt vakuumbasierten Fertigungstechnologien herstellbare, kostengünstige Alternative für die OPV, bei der es nicht auf hohe Wirkungsgrade ankommt, dar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungsfiguren
1 zeigt eine tabellarische Übersicht über beispielhafte Kombinationsmöglichen von Fertigungsverfahren, die Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, wie organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente, insbesondere einzelner Materialschichten dieser Elektronik oder Bauelemente sowie organischer Photovoltaik vorteilhafter Weise (siehe Fett gedruckten Zahlen der arithmetischen Mittelwerte als bevorzugte Kombination, nicht Fett gedrucken Zahlen als Varianten und * als weitere Möglichkeiten) umfassen kann, um qualitativ besonders hochwertige Produkte oder besonders kostengünstige Produkte (siehe Kriterien wie insbesondere Herstellkosten) herzustellen.
2 zeigt ein Technologiepotenzial-Portfolio für organische Elektronik und Photovoltaik, in welchem verschiedene Technologien der Bauelementearchitekturen, insbesondere Gesamtkonzepte organischer Photovoltaik sowie Zellstrukturen und Morphologien nach den Kriterien Wirkungsgrad und Lebensdauer sowie Technische Machbarkeit und Herstellkosten bewertet wurden.
3 zeigt ein erweitertes Technologiepotenzial-Portfolio für organische Elektronik und elektrische Bauelemente, in welchem einzelne Technologien, insbesondere zum Aufbau von Elektroden und Verkapselung nach den Kriterien Wirkungsgrad und Lebensdauer sowie Technische Machbarkeit und Herstellkosten bewertet wurden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Eine Ausführungsform sieht ein Verfahren insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente vor. Dabei wird auf einem Substrat zu deponierendes Material mittels thermischen Verdampfens in eine Gasphase überführt, sodass dieses unter einer Unterdruckatmosphäre bzw. Vakuum auf dem Substrat kondensieren kann und so eine Beschichtung ausbildet. Bevor die Gasphase auf dem Substrat kondensiert werden ein oder mehrere lokale Bereiche in der Gasphase mittels Laserkühlen in ihrer kinetischen Energie soweit herabgesetzt, dass sich die Schichtwachstumsrate auf dem Substrat für die entsprechenden lokalen Bereiche verringert oder auf nahezu Null reduziert. Dazu wird mittels Interferenz zumindest ein Teil der Laserstrahlung, insbesondere durch ensprechend strukturierte Spiegel oder Transmissionsgitter, so geformt, dass sie auf die lokalen Bereiche in der Gasphase mit der zur Nanostrukturerzeugung benötigten Intensitätsverteilung trifft bzw. ein dazu geeignetes Interferenzmuster ausgebildet wird. Zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens wird eine Vielzahl von Gasphasenabscheidungs-Perioden mit Pausen zur Evakuierung der Kammer vorgesehen, damit die elektromagnetische Strahlung des Laserkühlens die Wirkorte in der Gasphase effektiv erreicht.
In einer anderen Ausführungsform wird statt der Reduzierung der kinetischen Energie von Bereichen in der Gasphase mittels Laserkühlen die kinetische Energie eines oder mehrerer lokaler Bereiche in der Gasphase erhöht, sodass diese Bereiche zuerst auf das Substrat auftreffen und zum Schichtwachstum beitragen, wohingegen das Auftreffen der anderen Bereiche der Gasphase zum Großteil oder nahezu vollständig verhindert wird, indem z. B. rechtzeitig vor Erreichen dieser anderen Bereiche der Gasphase, dass Substrat abgedeckt wird z. B. mittels einer Metallplatte oder -blende. Eine besonders hohe Effizienz wird erreicht, indem die Gasphase periodisch ausgesendet wird, sodass auch das Laserkühlen zur Erhöhung der kinetischen Energie und das Verhindern des Auftreffens der anderen Bereiche der Gasphase periodisch stattfinden können.
Eine weitere Ausführungsform sieht ein EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente vor. Ein oder mehrere thermische Verdampfer zur Verdampfung ein oder mehrerer Materialien wie Metalle oder organischer Halbleitermoleküle, der so mit einer Vakuumkammer verbunden ist, dass eine durch verdampfen erzeugte Gasphase in die Vakuumkammer fliegen kann. Zusätzlich ist eine weitere Vorrichtung wie z. B. ein Gaspeicher vorgesehen, der über eine Düse ein oder mehrere atomare Edelgase wie Argon oder Neon in die Gasphase als Puffergas hinzugibt oder die Edelgase werden mit dem Ausgangsmaterial oder eingeschlossen in einem anderen Zusatzmaterial zusammen verdampft und so der Gasphase hinzugegeben. Desweiteren befindet sich ein Substrat in der Vakuumkammer, auf welchem sich Teile der Gasphase abscheiden. Hinter dem thermischen Verdampfer ist ein oder mehrere Spiegel zur Reflexion von EUV-Laserlicht von einer oder mehrere EUV-Laserquellen, zur Gasphase hin, angeordnet. Thermische Verdampferquellen werde mittels einer mechanischen Blende nur periodisch geöffnet. Die Spiegel und/oder EUV-Laserlichtquellen werden vor Teilchen aus der Gasphase mittels ebenfalls dynamisch wirkenden mechanischen Blenden geschützt. Besonders effektiv ist der Schutz, indem die Temperatur der Spiegel, zumindest an deren Oberfläche, so hoch gehalten wird, dass keine Teilchen aus der Gasphase an den Spiegeln kondensieren können. Die Spiegel können hierzu eine Heizvorrichtung enthalten und/oder über die EUV-Laserstrahlung oder eine andere elektromagnetische Strahlungsquelle auf die benötigte Oberflächentermperatur erwärmt werden. Aus zumindest einem Teil der elektromagnetischen Strahlung wird mittels mind. einen speziel strukturierten Spiegel ein benötigtes Interferenzmuster generiert und in einen oder mehrere Bereiche in die Gasphase reflektiert, um lokal, nach einem gewünschten Muster, die kinetische Energie zu erhöhen. Eine mechanische Vorrichtung vor dem Substrat schattet dieses außer zu den Zeiten, in welchen die lokalen, mittels elektromagnetischer Strahlung, mit der erhöhten kinetischen Energie, Bereiche der Gasphase das Substrat erreichen, ab. Hierzu kommt insbesondere eine rotierende Metallblende infrage, die in ihrer Form und Rotationsgeschwindigkeit auf die periodischen austrettende Gasphase abgestimmt wird. Eine Steuerung und mehrere Sensoren zur Erfassung der kinetischen Energie der Gasphase und Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Metallblende können den Gesamtprozess dynamisch steuern.
In einer anderen Ausführungsform werden stattdessen, zumindest die Spiegel nicht hinter der thermischen Verdampfungsquelle, sondern vor dieser plaziert, entsprechend zwischen thermischer Verdampfungsquelle und Substrat oder auf Ebene des Substrates oder hinter diesem angeordnet, und statt der Erhöhung der kinitischen Energie in einzelnen Bereichen der Gasphase, die kinetische Energie durch Laserkühlen reduziert, sodass die Blende über dem Substrat die Anteile der Gasphase mit reduzierter kinetischer Energie zum Auftreffen auf das Substrat zu einem wesentlichen Anteil verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform werden die beiden vorhergehenden Ausführungsformen so miteinander verbunden, dass sowohl lokale Bereiche der Gasphase erwärmt, als auch lokale Bereiche der Gasphase gekühlt werden.
Eine Ausführungsform sieht ein Verfahren insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente vor. Dabei wird auf einem Substrat zu deponierendes Material mittels thermischen Verdampfens in eine Gasphase überführt, sodass dieses unter einer Unterdruckatmosphäre bzw. Vakuum auf dem Substrat kondensieren kann und so eine Beschichtung ausbildet. Bevor die Gasphase auf dem Substrat kondensiert werden ein oder mehrere lokale Bereiche in der Gasphase mittels Laserkühlen in ihrer kinetischen Energie soweit herabgesetzt, dass sich die Schichtwachstumsrate auf dem Substrat für die entsprechenden lokalen Bereiche verringert oder auf nahezu Null reduziert. Zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens wird eine Vielzahl von Gasphasenabscheidungs-Perioden mit Pausen zur Evakuierung der Kammer vorgesehen, damit die elektromagnetische Strahlung des Laserkühlens die Wirkorte in der Gasphase effektiv erreicht.
In einer anderen Ausführungsform wird statt der Reduzierung der kinetischen Energie von Bereichen in der Gasphase mittels Laserkühlen die kinetische Energie eines oder mehrerer lokaler Bereiche in der Gasphase erhöht, sodass diese Bereiche zuerst auf das Substrat auftreffen und zum Schichtwachstum beitragen, wohingegen das Auftreffen der anderen Bereiche der Gasphase zum Großteil oder nahezu vollständig verhindert wird, indem z. B. rechtzeitig vor Erreichen dieser anderen Bereiche der Gasphase, dass Substrat abgedeckt wird z. B. mittels einer Metallplatte oder -blende. Eine besonders hohe Effizienz wird erreicht, indem die Gasphase periodisch ausgesendet wird, sodass auch das Laserkühlen zur Erhöhung der kinetischen Energie und das Verhindern des Auftreffens der anderen Bereiche der Gasphase periodisch stattfinden können.
Eine weitere Ausführungsform sieht ein EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich wie organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente vor. Ein oder mehrere thermische Verdampfer zur Verdampfung ein oder mehrerer Materialien wie Metalle oder organischer Halbleitermoleküle, der so mit einer Vakuumkammer verbunden ist, dass eine durch verdampfen erzeugte Gasphase in die Vakuumkammer fliegen kann. Zusätzlich ist eine weitere Vorrichtung wie z. B. ein Gaspeicher vorgesehen, der über eine Düse ein oder mehrere atomare Edelgase wie Argon oder Neon in die Gasphase als Puffergas hinzugibt oder die Edelgase werden mit dem Ausgangsmaterial oder eingeschlossen in einem anderen Zusatzmaterial zusammen verdampft und so der Gasphase hinzugegeben. Desweiteren befindet sich ein Substrat in der Vakuumkammer, auf welchem sich Teile der Gasphase abscheiden. Hinter dem thermischen Verdampfer ist ein oder mehrere Spiegel zur Reflexion von EUV-Laserlicht von einer oder mehrere EUV-Laserquellen, zur Gasphase hin, angeordnet. Thermische Verdampferquellen werde mittels einer mechanischen Blende nur periodisch geöffnet. Die Spiegel und/oder EUV-Laserlichtquellen werden vor Teilchen aus der Gasphase mittels ebenfalls dynamisch wirkenden mechanischen Blenden geschützt. Besonders effektiv ist der Schutz, indem die Temperatur der Spiegel, zumindest an deren Oberfläche, so hoch gehalten wird, dass keine Teilchen aus der Gasphase an den Spiegeln kondensieren können. Die Spiegel können hierzu eine Heizvorrichtung enthalten und/oder über die EUV-Laserstrahlung oder eine andere elektromagnetische Strahlungsquelle auf die benötigte Oberflächentermperatur erwärmt werden. Die elektromagnetische Strahlung wird über einen Spiegel fokussiert und trifft auf einen oder mehrere Bereiche in der Gasphase, um lokal die kinetische Energie zu erhöhen. Eine mechanische Vorrichtung vor dem Substrat schattet dieses außer zu den Zeiten, in welchen die lokalen, mittels elektromagnetischer Strahlung, mit der erhöhten kinetischen Energie, Bereiche der Gasphase das Substrat erreichen, ab. Hierzu kommt insbesondere eine rotierende Metallblende infrage, die in ihrer Form und Rotationsgeschwindigkeit auf die periodischen austrettende Gasphase abgestimmt wird. Eine Steuerung und mehrere Sensoren zur Erfassung der kinetischen Energie der Gasphase und Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Metallblende können den Gesamtprozess dynamisch steuern.
In einer anderen Ausführungsform werden stattdessen, zumindest die Spiegel nicht hinter der thermischen Verdampfungsquelle, sondern vor dieser plaziert, entsprechend zwischen thermischer Verdampfungsquelle und Substrat oder auf Ebene des Substrates oder hinter diesem angeordnet, und statt der Erhöhung der kinitischen Energie in einzelnen Bereichen der Gasphase, die kinetische Energie durch Laserkühlen reduziert, sodass die Blende über dem Substrat die Anteile der Gasphase mit reduzierter kinetischer Energie zum Auftreffen auf das Substrat zu einem wesentlichen Anteil verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform werden die beiden vorhergehenden Ausführungsformen so miteinander verbunden, dass sowohl lokale Bereiche der Gasphase erwärmt, als auch lokale Bereiche der Gasphase gekühlt werden.
In einer Ausführungsform, die insbesondere die Herstellung verbesserter organischer Photovoltik erlaubt, werden die Konzepte der Bilayer Heterojunction Photovoltaikzelle und der Mehrfach-Photovoltaikzelle so miteinander verbunden, dass eine organische Photovoltailzelle aus einer Vielzahl von Bilayer Heterojunction Teilzellen aufgebaut ist. Das neue Konzept wird Multinano-Bilayer Heterojunction genannt. Die einzelnen Teilzellen weisen dabei jeweils eine Akzeptor- und Donatorschicht auf, die nicht Dicker sind als die Diffusionsstrecke der Exzitonen.
Es werde soviele Teilzellen mit photoaktiven Schichten übereinandergestapelt, dass der photoaktive Bereich insgesamt eine Dicke von bevorzugt 100 bis 200 nm erreicht. Bevorzugt werden unterschiedliche Materialien verwendet, um einen möglichst großen Energieanteil aus dem Sonnenlicht absorbieren zu können.
Die einzelnen Teilzellen können untereinander in Serie oder Parallel verschaltet werden, dabei ist auch eine Kombination der Verschaltungsarten möglich, insbesonder indem mehrere in Serie verschaltete Teilzellen, mit anderen in Serie verschalteten Teilzellen, parallel verschalten werden. Die in Serie verschalten Teilzellen sollten in etwa den gleichen Photostrom liefern.
Für einen effizienten Ladungsträgerstrom zwischen den Teilzellen verfügen die photoaktiven Schichten durch geeignete Materialauswahl, bevorzugt durch p- und n-Dotierung der Randzonen einer Teilzelle über gute Transporteigenschaften für Löcher bzw. Elektronen. Sodass das Prinzip des pn-Übergangs zur verlustarmen Rekombination von Ladungsträgern genutzt wird. Es kann jedoch auch, insbesondere zur Parallelverschaltung, eine Mittelelektrode verwendet werden. Statt die Mittelelektrode unter Verwendung einer Metallschicht aus Gold, Silber oder Aluminium aufzubauen, kann stattdessen Graphen, bevorzug als Gitter bzw. Geflecht (mit freien Bereichen) ausgeführt, verwendet werden. Da durch ein Graphengitter bzw. -geflecht die hohe Transparanz für Sonnenlicht nochmals gesteigert werden kann und damit ebenso der Wirkungsgrad. Sofern zum effizienten Ladungsträgertransport notwendig kann überhalb und unterhalb der Mittelelektrode zusätzlich eine Metalloxidschicht z. B. ZnO oder MoO₃ aufgebracht werden. Alle Teilzellen zusammen befinden sich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode. Zu Maximierung der Lebensdauer ist vorgesehen, die organischen Photovoltaikzellen in einer Verkapselung mit hoher Barrierewirksamkeit einzuschweißen und ergänzend einen UV-Schutz, entweder über einen Filter oder über die Technologie der Rotverschiebung einzubauen.
Eine weitere Ausführungsform erlaubt insbesondere die Herstellung hocheffizienter organischer Photovoltaik mit einer Interdigitated Heterojunction Morphologie. Bei der Beschichtung einer Oberfläche mit organischem Halbleitermaterial mittels Abscheidung aus einer Gasphase oder eienr chemischen Gasphasenabscheidung, wird der Bereich auf dem sich die organischen Halbleitermoleküle ablagern zumindest teilweise mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Besonders vorteilhaft ist die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung auf den Anfangs- und/oder Endbereich der Beschichtungszone, damit die elektromagnetische Strahlung möglichst nur mit den organischen Halbleitermolekülen wechselwirkt, die sich kurz vor oder auf der Oberfläche des zu beschichtenten Körpers befinden. Die Strahlführung sollte so ausgelegt sein, dass die elektromagnetische Strahlung in einem anderen Winkel als der, der Gasphase oder der das Stoffgemisch einfällt, um Überschneidungen zu minimieren. Es kann insbesondere EUV-, UV- oder Röntgenstrahlung genutzt werden. Diese Strahlung wird so geformt, dass sie dem positiv oder negativ Abbild der zu erzeugenden Struktur entspricht, mit einer Auflösung von wenigen Nanometern. Die Auswahl des positiven oder negativen Abbilds ist abhänig von den Prozess- und Umgebungsparametern, insbesondere Substrattemperatur, Arten des Beschichtungsmaterials und Thermische Energie der Gasphase oder des Stoffgemisches. Durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit den organischen Halbleitermolekülen und der Oberfläche des zu beschichtenden Körpers entsteht durch Absorption Wärme. Die das Wachstumsverhalten der organischen Moleküle, auf der Oberfläche des zu beschichtenden Körpers, je nach Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur von Oberfläche und organischen Halbleitermolekülen) beschleunigt oder reduziert. Am Beispiel der Interdigitated Heterojunction OPV sollen einfache Linienstrukturen mit ca. 5 bis 40 nm Breite entsprechende dreidimensionale Sturkturen hervorbingen. Für diesen speziellen Fall ist es also unerheblich, ob ein positives oder negatives Abbild genutzt wird. Möglicherweise sind spezielle dreidimensionale Strahlprofile vorteilhaft, insbesondere mit einer zweidimensionalen Fokusierung von < 5 nm Breite und/oder mit einer Intensitätsspitze in der Mitte. Dies wird insbesondere durch die Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien beeinflusst. Als sehr vorteilhaft wird pulsierende elektromagnetische Strahlung angesehen, die eine definierte Energiemenge, durch kurze Impulse auf die Oberfläche, einbringt. Dadurch wird in den Impulspausen eine Schädigung der organischen Halbleitermoleküle vermieden. Wenn die Energiemenge über größere Bereiche, in Form von Linien, auf die Materialien einwirkt, kann die Intensität soweit gesenkt werden, dass eine Schädigung der organischen Halbleitermaterialien zusätzlich minimiert wird. Möglich ist auch, dass die Struktur erst nach einem Beschichtungsvorgang durch Bestrahlung zu erzeugen, indem organisches Halbleitermaterial in den bestrahlten Bereichen entfernt wird. Zur Aufbrindung der Strahlung eignet sich insbesondere Lithografieverfahren wie die EUV- oder Röntgen-Lithografie mit entsprechender Strahlformung und -führung. Durch einmalige oder mehrmalige Wiederholung eines solchen Beschichtungs- und Bestrahlungverfahrens können komplexe dreidimensionale Strukturen erzeugt werden. Beispielsweise kann eine zweite organischen Halbleitematerialschicht mit umgekehrter Struktur abgeschieden werden, indem die bestrahlen Bereiche ebenfalls umgekehrt werden. So entsteht eine Interdigitated Heterojunction Morphologie. Bei entsprechend angepassten Bestrahlungsmuster können auch andere elektrische Bauelemente oder organische Elektronik wie Transistoren hergestellt werden. Zur Prozessoptimierung können zusätzlich Inertgase oder eine Laserkühlung insbesonder in den Bereichen der Wechselwirkung von Gasphase bzw. des Stoffgemisches und elektromagnetischer Strahlung vorgesehen werden, insbesondere um die Temperatur der Gasphase bzw. des Stoffgemisches zu regulieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Herstellung organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente mittels eines verbesserten Nanoimprint-Lithografieverfahrens ermöglicht. Indem der Stempel mit Nanostruktur so optimiert wird, dass zwischen seiner Oberfläche und der umgeformten organischen Halbleitermaterialschicht beim Ablösen des Stempels sehr geringe Adhäsionskräfte wirken. Dies wird durch eine physikalisch-chemisch wirksame Beschichtung der Stempeloberfläche erreicht. Zum einen kann die Oberflächenrauhigkeit reduziert werden, indem die Oberfläche mit einer homogenen Metallschicht z. B. aus Chrom beschichtet wird oder mit selbstorganisierenden Monolagern aus 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyl-trichlorosilane. Durch optimale Temperatur von Stempel und Gegenmaterial sowie angepasste Konturen im Nanometerbereich mit Rundungen und Verjüngungen des Stempels kann der Ablöseprozess weiter erleichtert werden.
Eine andere Ausführungsform erlaubt das Verkapseln mittels Verschweißen von organischer Elektronik oder elektrischer Bauelemente, insbesondere organischer Photovoltaik. Zur Verschweißung von Polymerfolien oder Dünnschichtglas, welche ein zu verkapselndes Bauelement einschließt, werden die zu verbindenden Polymerfolien oder Dünnschichtgläser der Vorder- und Rückseite zunächst durch Zusammenfügen z. B. mittels einer mechanischen Kraft oder durch vorheriges Einbringen von geeignetem Polymer oder Glas als Füllmaterial, an den zu verschweißenden Bereichen in direkten Kontakt gebracht. Insbesonder die offenen Außenflächen werden nach Herstellung des Kontaktes verschweißt. Dazu wird bei Bedarf das Bauteil vorgekühlt, um eine thermische Schädigung des Bauteils, z. B. OPV, zu verhindern. Anschließend wird die Verschweißung z. B. mit einem Laserstrahl an den Grenzflächen der zu verbindenten Polymer- oder Glasbereiche durchgeführt, vorteilhaft unter Druckeinwirkung. Weitere zu verbindete Bereiche, insbesonder die keinen Kontakt zur Außenoberfläche aufweisen, können ebenfalls verschweißt oder alternativ laminiert werden. Insbesondere beim Einsatz von Glasverkapselungen können so beste Barriereeigenschaften bei höchster Transparenz erzielt werden.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein effizientes Herstellungsverfahren für organische Elektronik oder elektrische Bauelemente, insbesondere OPV, bereit. Es hängt dabei von der Art der herzustellenden organischen Elektronik oder elektrischer Bauteile ab, welche Fertigungstechnologien am besten geeignet sind und das Herstellungsverfahren umfasst. 1 gibt deshalb am Beispiel organischer Photovoltaik an welche Herstellungsverfahren für den jeweiligen Zweck unter den verschiedenen auszuwählenden Kriterien am besten geeignet sind. Wobei die Technische Machbarkeit und Herstellkosten mit eine Gewichtung von jeweils 50% eingehen und zusammen mit Wirkungsgrad mit 66,67% Gewichtung und Lebensdauer mit 33,3% Gewichtung einen arithmetischen Mittelwert bilden.
Anhand 1 lässt sich ablesen, dass beispielsweise zur Herstellung eines verbesserten Ausbaues von OPV, siehe Nr. 2 in 1, bestehend aus einer Mehrfach-Photoviltaikzelle (mehrere photoaktive Schichten) mit Interdigitated Heterojunction Morphologie und einer Glasverkapselung, ein Herstellungs-Verfahren welches folgende Schritte umfasst, besonders geeignet ist:
Plasmavorbehandlung einer Glassubstratoberfläche,
Erzeugung einer ersten Elektrode mit Kathodenzerstäubung und/oder Chemische Gasphasendeposition (CVD),
Gasphasenabscheidung mit elektromagnetischer Strahlung (siehe Ausführungsbeispiele) zur Erzeugung von photoaktiven Schichten, wobei Zwischenelektroden bei Bedarf mit CVD hergestellt werden (bei Bedarf mehrfach wiederholen),
Erzeugung der zweiten Elektrode mit CVD,
Einteilung von einzelnen Zellen durch Trennung mittels Laserablation und bei Bedarf Reinigung,
Glasverkapselung mittels Verschweißen (bevorzugt mit Laserablation zur Kontaktierung)
Es können jedoch in Varianten auch Substitutionstechnologien verwendet werden. So kann die Plasmavorbehandlung einer Glassubstratoberfläche durch ein anderes Reinigungsverfahren ersetzt werden oder durch entsprechende Vorbeugemaßnahmen zur Reinhaltung des Substrates ganz eingespart werden. Insbesondere können auch die photoaktiven Schichten mittels Nanoimprint-Lithografie (siehe Ausführungsbeispiel) erzeugt werden, dabei ist es auch möglich, dass nassfilmbasierte Depositionstechnologien zum Einsatz kommen. Auch Elektroden können grundsätzlich mittels Thermischen Verdampfen oder Atomlagendeposition (ALD) hergestellt werden. Nassfilmbasierte Depositionstechnologien können ebenfalls eine Alternative darstellen z. B. durch applizieren graphenhaltiger Tinte. Nach dem Einsatz von nassfilmbasierten Depositionstechnologien werden in der Regel immer mind. ein oder mehrere Trocknungsprozesse notwendig.
In einer Variante kann das verwendete Glas als Verkapselung und/oder Substrat bereits Materialien enthalten, die kein UV-Licht ins Bauteilinnere gelangen lassen, ebenso ist es jedoch möglich, dass das Glas dazu im Herstellungsverfahren speziel beschichtet wird.
Es gibt demzufolge eine Vielzahl von möglichen technologischen Lösungen zur Herstellung der verschiedensten Bauarten von organischer Photovoltaik und anderer organischer Elektronik und elektrischer Bauelemente. 1 liefert Beispiele, indem die verschiedenen Möglichkeiten verglichen wurden. In der Praxis haben jedoch schon geringe Änderungen im Aufbau des Bauteils z. B. einer OPV-Zelle, wie z. B. das Ersetzen einer Metallelektrode durch eine Graphenelektrode erheblichen Einfluß auf die Wahl der Fertigungstechnologien. Zudem bestimmen Preisvorstellungen z. B. darüber, wieviele photoaktive Schichten eine organische Photovoltaikzelle aufweisen darf, weil damit zwar der Wirkungsgrad gesteigert werden kann, jedoch auch der Aufwand in der Herstellung steigt. So kann es insbesondere für sehr kostengünstige OPV von Vorteil sein, die qualitativ hochwertigen vakkumbasierten Depositionstechnologien durch nassfilmbasierte, mit höherem Prozessdurchsatz, zumindest teilweise, zu ersetzen.
In einer weiteren Ausführungsform können organische Elektronik oder elektrische Bauelemente, insbesondere organische Transistoren oder Speicher hergestellt werden, indem das Herstellungsverfahren zum Aufbau der entsprechenden Schichten der Elektronik oder Bauelemente zumindest folgende Fertigungstechnologien umfassen kann:
Kombinierte Verfahren aus Gasphasenabscheidung und Lithografie, zur Erzeugung von dreidimensionalen Funktionsschichten und elektrisch leitfähigen Gebieten im Nanometerbereich, insbesondere aus organischen Halbleitermaterialien, Isolatoren, Metallen, TCO, Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren. Bevorzugt wird zur Gasphasenabscheidung das Thermische Verdampfen genutzt, je nach zu depositionierenden Material kann auch CVD oder ALD sowohl alleine als auch in Kombination mit den anderen Verfahren genutzt werden. In einer Variante wird die Elektronik, das Bauelement oder eine Gruppe von Bauelementen mit einer Glas- oder Polymerverkapselung, bevorzugt mittels verschweißen und/oder Lamination versiegelt. In einer Variante wird zum Verschweißen der Verkapselung Laserstrahlung genutzt. Die Elektronik, das Bauelement oder eine Gruppe von Bauelementen kann dabei davor oder während des Schweißvorganges gekühlt werden.
Weitere Fertigungstechnologien können das Herstellungsverfahren ergänzen oder erweitern.
In einer anderen Ausführungsform wird OPV. im konkreten Fall eine organische Mehrfach-Photovoltaikzelle, die aus mind. zwei oder mehreren Teilzellen aufgebaut ist, mit einem Herstellungsverfahren hergestellt, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:
Reinigung der Substratoberfläche, bevorzugt eines Polymersubstrates, insbesondere mittels Plasmavorbehandlung zur Oberflächenmodifikation.
Depositionieren einer ersten Elektrode, bevorzugt mittels Kathodenzerstäubung z. B. ITO, alternativ mittels Thermischen Verdampfens oder CVD z. B. Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren.
Depositionieren zumindest einer photoaktiven Schicht mittels Thermischen Verdampfen und mindestens einer photoaktiven Schicht mittels Slot-Die-Coating, wobei mittels Slot-Die-Coating bevorzugt eine Bulk-Heterojunction Morphologie appliziert wird. Bevorzugt wird mittels Thermischen Verdampfen zwischen Teilzellen eine Rekombinationszone, insbesondere in Form eines pn-Übergangs depositioniert. Die mittels Slot-Dia-Coating aufgetragene photoaktive Schicht wird getrocknet, bevorzugt mit einem Heißluftrockner unter Inertgas-Atmosphäre.
Depositionieren einer zweiten Elektrode, insbesondere mittels Thermischen Verdampfens oder CVD z. B. für Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren. Bevorzugt wird die organische Mehrfach-Photovoltaikzelle mit einer Polymerfolie verkapselt, die über eine Barrierebeschichtung verfügt oder auf die eine Nanomaterial-Barriereschicht aufgetragen wurde oder wird. Insbesondere kann das Substrat bereits eine Barrierebeschichtung aufweisen und Bestandteil der Verkapselung sein.
In einer Variante wird eine Mehrfach-Photovoltaikzelle mit einer Glas- oder Polymerverkapselung, bevorzugt mittels verschweißen und/oder Lamination versiegelt. In einer Variante wird zum Verschweißen der Verkapselung bevorzugt Laserstrahlung genutzt. Die Mehrfach-Photovoltaikzelle(n) können dabei davor oder während des Schweißvorganges gekühlt werden. In einer Variante werden organische Mehrfach-Photovoltaikzellen unter Zuhilfenahme von Laserablation kontaktiert.
Weitere Fertigungstechnologien können das Herstellungsverfahren ergänzen oder erweitern, hierzu wird insbesondere auf die generelle Lösung verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013021223 A1 [0004]
DE 102012105810 A1 [0005]
DE 102012102565 A1 [0007]
JP 002014214379 A [0008]
KR 20140055721 A2 [0009]
DE 102011117023 A1 [0010]
KR 101343603 B1 [0012]

Claims

Lösungsprinzip insbersondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere wie organische Elektronik und elektrische Bauelemente, umfasst das Zusammenwirken eines Gasphasenabscheidungsprozesses und eines Bestrahlungsprozesses mit elektromagnetischer Strahlung derart, dass bei chemischen Stoffen vor und/oder während und/oder nach und/oder zwischen dem depositionieren, die mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken, eine lokal veränderte Geschwindigkeit des Schichtwachstums eintritt und sich eine Struktur im Nanometerbereich einstellt.
Lösungsprinzip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, dass als elektromagnetische Strahlung EUV- oder Röntgenlithografie genutzt wird und ein geeignetes dreidimensionales Strahlungsprofil zur Steuerung des Schichtwachstums im Nanometerbereich genutzt wird.
Verfahren zum Herstellen organischer Photovoltaik, umfasst: Vorbehandlung einer Substratoberfläche, bevorzugt mittels Plasma, Erzeugung einer ersten Elektrode, bevorzugt mittels Kathodenzerstäubung und/oder chemischer Gasphasendeposition, Zusammenwirken eines Gasphasenabscheidungsprozess und eines Bestrahlungsprozesses mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass mind. eine photoaktive Schicht mit einer Interdigitated Heterojunction Morphologie erzeugt wird, Erzeugung einer zweiten Elektrode, bevorzugt mittels chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Thermischen Verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkapselung mittels Verschweißen einer Verkapselung zumindest an offenen Verkasplungsbereichen, die zu einer äußeren Atmosphäre in Kontakt stehen, durchgeführt wird, bevorzugt mittels Laserschweißen.
Verfahren zum Herstellen organischer Transistoren oder Speicher, umfasst: Zusammenwirken eines Gasphasenabscheidungsprozesses und eines Bestrahlungsprozesses mit elektromagnetischer Strahlung derart, dass dreidimensionale Funktionsschichten und elektrisch leitfähige Bereiche im Nanometerbereich, insbesondere aus organischen Halbleitermaterialien, Isolatoren, Metallen, TCO, Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren, zumindest einen Teil eines organischen Transistors oder Speichers auf einer Oberfläche bilden.
Verfahren insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, umfasst: das Depositionieren zumindest einer Materialschicht mittels physikalischer und/oder chemischer Gasphasenabscheidung, wobei die kinetische Energie von einem oder mehreren lokalen Bereichen in der Gasphase, mittels Laserkühlen reduziert und/oder erhöht wird, sodass sich aufgrund unterschiedlicher lokaler kinetischer Energien in der Gasphase, lokal verschiedene Schichtwachstumsraten auf einem Substrat ergeben.
EUV-Laserbearbeitungssystem insbesondere zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, umfasst eine oder mehrere thermische Verdampfungsquellen und ein oder mehrere optische Elemente, insbersondere wie Spiegel und eine oder mehrere EUV-Laserquellen, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente, insbesondere wie Spiegel, so ausgebildet oder gesteuert sind, dass EUV-Laserstrahlung in einen oder mehreren Bereiche der Gasphase trifft, um die kinetische Energie der Gasphase in diesen Bereichen zu erhöhen oder zu verringern.
Verfahren zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere wie organische Elektronik und elektrische Bauelemente, umfasst: Nanoimprint-Lithografie mittels eines beschichteten Stempels, insbesondere mit einer Beschichtung aus einer homogenen Metallschicht z. B. aus Chrom oder selbstorganisierenden Monolayern aus 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane, Temperierung des am Stempel haftenden Materials auf eine Temperatur, bei der das Material eine ausreichend hohe Zugfestigkeit aufweißt, bevor der Stempel vom Material entfernt wird.
Verfahren zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere wie organische Elektronik und elektrische Bauelemente, umfasst: die Verkapselung von zu versiegelnden Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere wie organische Elektronik und elektrische Bauelemente, durch Verschweißen einer Polymerfolien- oder Glasverkapselung zumindest an offenen Außenflächen, bevorzugt unter vorheriger oder simultaner Kühlung des Bauelements, Druckeinwirkung auf die zu verschweißenden Bereiche und mittels Laserstrahlung.
Verfahren zum Herstellen von Bauelementen mit Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere wie organische Elektronik und elektrische Bauelemente, umfasst: Nanoimprint-Stempel zum applizieren eines Stoffes oder Stoffgemisches in Form eines Musters im Nanometerbereich auf eine Oberfläche, derart dass der Nanoimprint-Stempel als Druckstempel wirkt, Depositionieren von organischen Halbleitermaterial oder einem anderen Material auf die Oberfläche, bevorzugt mittels Thermischen Verdampfens oder chemischer Gasphasenabscheidung, derart dass sich die Geschwindigkeit des Schichtwachstums in den Bereichen mit einen, mittels Nanoimprint-Stempel, applizierten Stoffes oder Stoffgemisches, von den Bereichen ohne applizierten Stoffes oder Stoffgemisches unterscheidet und sich eine Struktur im Nanometerbereich einstellt.