DE102021130501A1

DE102021130501A1 - Schichtsystem mit mindestens einer photoaktiven Schicht mit mindestens einer Zwischenschicht für ein organisches elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102021130501A1
Application number: DE102021130501.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Pfeiffer-Jacob; Ivan Ramirez; Marieta Levichkova; Karsten Walzer
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (1) für ein organisches elektronisches Bauelement (10) mit mindestens einer photoaktiven Schicht (5), die mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) horizontal zum Schichtsystem (1) angeordnete Zwischenschicht (8) aufweist, ein organisches elektronisches Bauelement (10) mit einem solchen Schichtsystem (1), eine Verwendung eines solchen Schichtsystems (1) in einem organischen elektronischen Bauelement (10), und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement mit mindestens einer photoaktiven Schicht, die mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht horizontal zum Schichtsystem angeordnete Zwischenschicht aufweist, ein organisches elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, eine Verwendung eines solchen Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems.
Elektronische Bauelemente mit photoaktiven Schichten, insbesondere LED's oder Solarzellen, finden heute eine breite Anwendung im alltäglichen sowie industriellen Umfeld. Bekannte Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphem Silicium (a-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)₂) auf. Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen photoaktiven Schichten. Die organischen photoaktiven Schichten können dabei aus Polymeren oder kleinen Molekülen aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar. Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu Solarzellen auf Basis von Silizium werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluss beitragen.
Organische elektronische Bauelemente auf Basis von kleinen Molekülen oder polymeren Verbindungen finden zunehmend Anwendungen in vielen Bereichen der Elektroindustrie. Organische Halbleiter werden beispielsweise in elektronischen Bauelementen, wie organischen Feldeffekttransistoren (OFETs), organischen Leuchtdioden (OLEDs), organischen photovoltaischen Elementen (OPVs) und Fotodetektoren, eingesetzt.
Organische photovoltaische Elemente, insbesondere organische Solarzellen, bestehen in der Regel aus einer Folge dünner Schichten zwischen zwei Elektroden, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen.
Die Effizienz von organischen photovoltaischen Elementen ist unter anderem von der Morphologie der photoaktiven Schicht abhängig, dies gilt insbesondere für bulk-hetrojunctions (BHJ). Bei im Vakuum aufgetragenen photoaktiven Schichten von organischen photovoltaischen Elementen (OPV) ist die dadurch erhaltene Morphologie insbesondere bei zunehmenden Abscheideraten problematisch. Hohe Verdampfungsraten, die eine Produktion bei einer kommerziell relevanten Geschwindigkeit ermöglichen, führen häufig zu einem verringerten Füll-Faktor (FF) und einer verringerten Kurzschlussstromdichte (short-circuit current - Jsc) im Vergleich zu geringeren Verdampfungsraten und damit einer Produktion mit geringerer Geschwindigkeit.
Zwischenschichten (interlayers) und Templatschichten (templating layers) sind im Bereich der organischen Photovoltaik aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Schichten werden vor oder nach dem Aufbringen einer photoaktiven Schicht angeordnet, oder im Falle einer planar heterojunction (PHJ) zwischen einer Donor-Schicht und einer Akzeptor-Schicht des dadurch gebildeten Donor-Akzeptor-Systems.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenschichten eines Schichtsystems eines organischen elektronischen Bauelements, insbesondere an einer photoaktiven Schicht des Schichtsystems, sind jedoch nicht innerhalb eines als bulk-Heterojunction (BHJ) ausgebildeten Donor-Akzeptor-Systems angeordnet.
Nikolis et al (Reducing Voltage Losses in Cascade Organic Solar Cells while Maintaining High External Quantum Efficiencies, Adv. Energy Mater., 2017, 1700855, 1-8), offenbart ein Schichtsystem für Solarzellen, wobei das Schichtsystem als planer-Heterojunction (PHJ) mit einer Schicht aus einem Donor und einer Schicht aus einem Akzeptor ausgebildet ist, und zwischen dem Donor und dem Akzeptor zur Reduzierung eines Spannungsverlustes eine Zwischenschicht angeordnet ist.
US2010/0025663A1 offenbart die Anordnung einer Zwischenschicht aus C60 zwischen einer Donorschicht und einer Akzeptorschicht einer PHJ-Zelle eines optoelektronischen Bauelements.
Ein Problem von organischen photovoltaischen Elementen ist, dass die insbesondere in der industriellen Produktion erreichten Wirkungsgrade noch zu gering sind. Für die meisten Anwendungen wird ein Wirkungsgrad von über 10% als notwendig erachtet.
Nachteilig ist zudem, dass üblicherweise der relative Wirkungsgrad (relative PCE) bei zunehmender Schichtdicke und/oder zunehmender Abscheiderate abnimmt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, ein organisches elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, und eine Verwendung eines solchen Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement bereitzustellen, wobei die zuvor genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere eine verbesserte Effizienz eines organischen elektronischen Bauelements mit einem solchen Schichtsystem bereitgestellt wird. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Morphologie photoaktiver Beschichtung bei der Herstellung derartiger Schichten unter hohen Abscheideraten zu verbessern, ohne dass dabei die Substrattemperatur wesentlich erhöht werden muss.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, und mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht als bulk-Heterojunction (BHJ) mit mindestens einem Akzeptor und mindestens einem Donor ausgebildet ist, bereitgestellt wird. Die mindestens eine photoaktive Schicht weist mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht horizontal zum Schichtsystem angeordnete Zwischenschicht auf, wobei die mindestens eine Zwischenschicht in der mindestens einen photoaktiven Schicht getrennte photoaktive Bereiche bildet, und wobei die mindestens eine Zwischenschicht mindestens ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat aufweist.
Unter getrennten photoaktiven Bereichen werden insbesondere Bereiche innerhalb einer photoaktiven Schicht mit einem Donor-Akzeptor-System eines Schichtsystems verstanden, die durch mindestens eine Zwischenschicht zumindest teilweise physisch voneinander getrennt sind, bevorzugt vollständig physisch voneinander getrennt, insbesondere verläuft die Struktur der photoaktiven Bereiche nicht durchgehend. Dabei weisen die photoaktiven Bereiche einer photoaktiven Schicht bevorzugt die gleiche Zusammensetzung auf.
Unter einer Zwischenschicht wird insbesondere eine im Schichtsystem innerhalb einer photoaktiven Schicht relativ horizontal zum Schichtsystem angeordnete weitere Schicht verstanden, die insbesondere Teil der photoaktiven Schicht ist, die die photoaktive Schicht jedoch in zwei Bereiche trennt.
Unter dem Begriff „photoaktiv“ wird insbesondere eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Dabei weisen Absorbermaterialien in photoaktiven Schichten einen großen Absorptionskoeffizienten zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich auf. Vorzugsweise wird unter photoaktiv verstanden, dass Absorbermaterialien, insbesondere mindestens ein Donor und/oder mindestens ein Akzeptor, unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.
Unter einer photoaktiven Schicht wird insbesondere eine Schicht eines elektronischen Bauelements verstanden, die einen Beitrag zur Absorption von Strahlung und/oder zur Emission von Strahlung liefert, insbesondere absorbiert die photoaktive Schicht Strahlung. Vorzugsweise ist die photoaktive Schicht für einen Donor/Akzeptor-Heteroübergang ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Absorbermaterial auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht als Absorbermaterial ein Donor-Akzeptor-System auf, das als bulk-Heterojunction ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht kleine Molekülen als Absorbermaterial auf.
Unter kleinen Molekülen werden insbesondere nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Vorzugsweise sind die kleinen Moleküle photoaktiv.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird die Morphologie einer photoaktiven Schicht, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems, verbessert, insbesondere bei Hochrate-Abscheidung im Vakuum. Vorteilhafterweise wird der relative Wirkungsgrad (relative Power Conversion Efficiency - PCE) von photovoltaischen Elementen erhöht. Vorteilhafterweise werden photovoltaische Elemente mit einer verbesserten Effizienz erhalten im Vergleich zu photovoltaischen Elementen mit photoaktiven Schichten ohne mindestens einer Zwischenschicht, insbesondere bei einer Produktion bei höherer Geschwindigkeit mit höherer Abscheiderate. Vorteilhafterweise werden höhere relative Wirkungsgrade ermöglicht, ohne eine hohe Temperatur des Substrats beim Abscheiden einer photoaktiven Schicht zu benötigen. Vorteilhafterweise verbessert die mindestens eine Zwischenschicht den Ladungstransport innerhalb der photoaktiven Schicht. Vorteilhafterweise erlaubt die mindestens eine Zwischenschicht eine Vergrößerung der Schichtdicke einer photoaktiven Schicht weitgehend ohne eine Verringerung der Effizienz eines organischen elektronischen Bauelements. Vorteilhafterweise wird eine Verringerung des relativen Wirkungsgrads, wie bei einer Produktion mit niedrigeren Abscheideraten, beispielsweise im Labor, zu einer Produktion mit höheren Abscheideraten (lab rate to fab rate), beispielsweise der kommerziellen Produktion, reduziert. Vorteilhafterweise wird beim Aufbringen des Donor-Akzeptor-Systems die Bildung von Aggregaten und/oder die Kristallinität des Donor-Akzeptor-Systems erhöht.
Unter einem photoaktiven Bereich einer photoaktiven Schicht wird insbesondere ein Teil der photoaktiven Schicht mit einer Ausdehnung horizontal zum Schichtsystem verstanden, der durch eine Zwischenschicht von einem folgenden photoaktiven Bereich der photoaktiven Schicht mit einer Ausdehnung horizontal zum Schichtsystem zumindest teilweise getrennt, bevorzugt vollständig getrennt, ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 5 nm aufweist, bevorzugt von 0,1 nm bis 3 nm, bevorzugt von 0,1 nm bis 2 nm, bevorzugt von 0,1 nm bis 1 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 5 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 3 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 2 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 1 nm, bevorzugt von 1 nm bis 3 nm, oder bevorzugt von 1 nm bis 2 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die einzelnen Bereiche der photoaktiven Schicht eine unterschiedliche Schichtdicke auf. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weisen die einzelnen Bereiche der photoaktiven Schicht die gleiche Schichtdicke auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein photoaktiver Bereich der mindestens einen photoaktiven Schicht eine Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm aufweist, bevorzugt von 1 nm bis 30 nm, bevorzugt von 1 nm bis 20 nm, bevorzugt von 1 nm bis 10 nm, bevorzugt von 5 nm bis 30 nm, bevorzugt von 5 nm bis 20 nm, bevorzugt von 5 nm bis 15 nm, bevorzugt von 5 nm bis 10 nm, bevorzugt von 10 nm bis 30 nm, bevorzugt von 10 nm bis 20 nm, oder bevorzugt von 10 nm bis 15 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die photoaktive Schicht, also umfassend die photoaktiven Bereiche und die Zwischenschichten dieser Schicht, eine Schichtdicke von 10 nm bis 300 nm auf, bevorzugt von 10 nm bis 200 nm, bevorzugt von 10 nm bis 150 nm, bevorzugt von 10 nm bis 100 nm, bevorzugt von 10 nm bis 50 nm, bevorzugt von 20 nm bis 200 nm, bevorzugt von 20 nm bis 150 nm, bevorzugt von 20 nm bis 100 nm, bevorzugt von 20 nm bis 50 nm, bevorzugt von 30 bis 300 nm, bevorzugt von 30 bis 150 nm, oder bevorzugt von 30 bis 100 nm, bevorzugt von 30 nm bis 50 nm, bevorzugt von 50 nm bis 200 nm, oder bevorzugt von 50 nm bis 100 nm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht jeweils in einem Abstand von 10 nm bis 30 nm, von 5 nm bis 20 nm, von 2 nm bis 12 nm, von 1 nm bis 9 nm, oder von 0,5 nm bis 5 nm eine Zwischenschicht aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht der erste photoaktive Bereich und der zweite photoaktive Bereich durch die mindestens eine Zwischenschicht physisch vollständig voneinander getrennt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Zwischenschicht direkt an einem photoaktiven Bereich angeordnet, insbesondere zwei photoaktiven Bereichen angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor der mindestens einen photoaktiven Schicht ein Donor-Akzeptor-System bilden, wobei der mindestens eine Donor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren oder Fulleren-Derivat ist, wobei bevorzugt der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor kleine Moleküle sind.
Unter einer BODIPY-Verbindung wird insbesondere eine Verbindung der allgemeinen Formel C₉H₇BN₂F₂ verstanden, also eine Verbindung mit einer Bor-Difluorid-Gruppe mit einer Dipyrromethen-Gruppe, insbesondere eine Verbindung 4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-Indacene.
Unter einem ADA-Oligomer wird insbesondere ein konjugiertes Akzeptor-Donor-Akzeptor-Oligomer (A-D-A'-Oligomer) mit einer Akzeptor-Einheit (A) und einer weiteren Akzeptor-Einheit (A'), die jeweils an eine Donor-Einheit (D) gebunden sind verstanden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Fulleren und/oder Fulleren-Derivat der mindestens einen Zwischenschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94, oder einem Derivat davon, wobei das Derivat bevorzugt ein halogeniertes Fulleren, ein hydroxyliertes Fulleren, ein carboxyliertes Fulleren, oder ein aminiertes Fulleren ist, insbesondere bevorzugt ist das Fulleren C60, C70 und/oder ein Derivat davon.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens zwei Zwischenschichten aufweist, bevorzugt mindestens drei Zwischenschichten, bevorzugt mindestens vier Zwischenschichten, bevorzugt mindestens fünf Zwischenschichten, oder bevorzugt mehr als fünf Zwischenschichten, und/oder die mindestens eine Zwischenschicht in direktem Kontakt zu einem photoaktiven Bereich der mindestens einen photoaktiven Schicht angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Zwischenschicht einen Anteil des Fullerens und/oder Fulleren-Derivats von mindestens 50 Vol.-% aufweist, bevorzugt mindestens 60 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70 Vol.-%, bevorzugt mindestens 75 Vol.-%, bevorzugt mindestens 80 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-%, bevorzugt mindestens 90 Vol.-%, oder bevorzugt mindestens 95 Vol.-%, bevorzugt mindestens 96 Vol.%, bevorzugt mindestens 97 Vol.-%, bevorzugt mindestens 98 Vol.%, besonders bevorzugt besteht die mindestens eine Zwischenschicht aus dem Fulleren und/oder Fulleren-Derivat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Zwischenschicht eine Mischschicht aus dem Donor-Akzeptor-System der photoaktiven Schicht und dem Fulleren und/oder Fullerenderivat der Zwischenschicht auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenschicht das mindestens eine Fulleren und/oder Fulleren-Derivat und das Material des photoaktiven Bereichs auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenschicht keinen Donor auf, so dass kein Donor/Akzeptor-System gebildet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht und die mindestens eine Zwischenschicht mittels Dampfphasenabscheidung aufgebracht sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Substrat und/oder eine auf dem Substrat angeordnete Schicht eine Temperatur von 0°C bis 120°C auf, bevorzugt von 0°C bis 100°C, bevorzugt von 0°C bis 80°C, bevorzugt von 0°C bis 60°C, bevorzugt von 0°C bis 30°C, bevorzugt von 0°C bis 20°C, bevorzugt von 10°C bis 120°C, bevorzugt von 10°C bis 100°C, bevorzugt von 10°C bis 80°C, bevorzugt von 10°C bis 60°C, bevorzugt von 10°C bis 40°C, bevorzugt von 10°C bis 30°C, bevorzugt von 10°C bis 20°C, bevorzugt von 20°C bis 120°C, bevorzugt von 20°C bis 80°C, oder bevorzugt von 20°C bis 60°C.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Zwischenschicht eine nicht-dotierte Schicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der zweiten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest eine Transportschicht angeordnet, wobei die mindestens eine Transportschicht eine Lochtransportschicht und/oder eine Elektronentransportschicht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die mindestens eine photoaktive Schicht an mindestens eine Transportschicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein organisches elektronisches Bauelement mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für das organische elektronische Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Schichtsystem erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das organische elektronische Bauelement ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine OLED (organic light emitting diode), ein organischer Feldeffekttransistor (OFET), oder ein organischer Fotodetektor ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der zweiten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest eine Ladungstransportschicht angeordnet, insbesondere eine Elektronentransportschicht oder eine Lochtransportschicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die mindestens eine photoaktive Schicht an mindestens eine Ladungstransportschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten auf, wobei mindestens eine photoaktive Schicht die mindestens eine Zwischenschicht aufweist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das einfallende Licht mehrere photoaktive Schichten innerhalb des Schichtsystems passiert in denen das einfallende Licht absorbiert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schichtsystem als eine Tandemzelle, Triplezelle oder Mehrfachzelle ausgebildet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Verwendung des Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Schichtsystem und dem organischen elektronischen Bauelement erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem in einem organischen photovoltaischen Element (OPV), einer OLED (organic light emitting diode), einem organischen Feldeffekttransistor (OFET), oder einem organischen Fotodetektor verwendet wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems mit mindestens einer als bulk-Heterojunction (BHJ) ausgebildeten photoaktiven Schicht eines organischen elektronischen Bauelements bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für das Verfahren insbesondere die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Schichtsystem, dem organischen elektronischen Bauelement mit dem Schichtsystem, und der Verwendung des Schichtsystems in dem organischen elektronischen Bauelement erläutert wurden. Das Verfahren umfasst die die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Elektrode;
B) Co-Verdampfen mindestens eines Donors und mindestens eines Akzeptors zum Aufbringen eines ersten photoaktiven Bereichs der mindestens einen photoaktiven Schicht als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung;
C) Verdampfen mindestens eines Materials zum Bilden einer Zwischenschicht mittels Dampfphasenabscheidung;
D) Co-Verdampfen des mindestens einen Donors und des mindestens einen Akzeptors zum Aufbringen eines zweiten photoaktiven Bereichs der mindestens einen photoaktiven Schicht als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung;
E) Aufbringen einer zweiten Elektrode, und
F) Erhalten des Schichtsystems auf dem Substrat.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Donor-Akzeptor-System und/oder die mindestens eine Zwischenschicht im Vakuum prozessiert, also durch Verdampfen im Vakuum auf eine Schicht des Schichtsystems aufgetragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor der mindestens einen photoaktiven Schicht im Vakuum-verdampfbar, bevorzugt im Vakuum prozessierbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Material der mindestens einen Zwischenschicht im Vakuum-verdampfbar, bevorzugt im Vakuum prozessierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine Zwischenschicht mittels Vakuumprozessieren durch Verdampfen auf den ersten Bereich der mindestens einen photoaktiven Schicht aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nach Schritt D) die Schritte C) und D) zumindest einmal wiederholt, bevorzugt mehrmals wiederholt, so dass zumindest eine weitere Zwischenschicht und ein weiterer photoaktiver Bereich der mindestens einen photoaktiven Schicht aufgebracht wird, bevorzugt mehrere weitere Zwischenschichten und mehrere weitere photoaktiven Bereiche der mindestens einen photoaktiven Schicht aufgebracht werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert.
Es konnte in den folgenden Ausführungsbeispielen insbesondere aufgezeigt werden, dass ein erfindungsgemäßes Schichtsystem mit mindestens einer Zwischenschicht in einer photoaktiven Schicht eines organischen elektronischen Bauelements überraschenderweise dazu führt, dass die Effizienz des Schichtsystems erhöht wird. Dabei zeigt:

1 in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems eines organischen elektronischen Bauelements;
2 in einem Ausführungsbeispiel ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtsystems mit mindestens einer Zwischenschicht;
3 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem ohne Zwischenschicht in einer photoaktiven Schicht basierend auf Absorber1;
4 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem mit einer photoaktiven Schicht basierend auf Absorber1 mit einer Zwischenschicht;
5 in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien organischer elektronischer Bauelemente in Abhängigkeit einer Position einer Zwischenschicht in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems;
6 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem mit einer photoaktiven Schicht basierend auf Absorber2 ohne Zwischenschicht und mit einer Zwischenschicht;
7 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem mit unterschiedlichem Anteil an Fulleren C60 in einer Zwischenschicht einer photoaktiven Schicht basierend auf Absorber2; und
8 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem mit einer photoaktiven Schicht basierend auf Absorber3 ohne Zwischenschicht und mit einer Zwischenschicht bei unterschiedlicher Abscheiderate.

Die Verbindungen Absorber1, Absorber2 und Absorber3 sind jeweils Absorber aus der Klasse der kleinen Moleküle.
Dabei zeigt sich durch den Einbau der mindestens einen Zwischenschicht in die photoaktive Schicht eine Erhöhung des relativen Wirkungsgrads (PCE) eines organischen elektronischen Bauelements. Des Weiteren wurde gezeigt, dass auch bei einer Hochrate-Abscheidung einer solchen photoaktiven Schicht ein hoher relativer Wirkungsgrad (PCE) erreicht wird.
Der Wirkungsgrad (Power Conversion Efficiency, PCE) organischer elektronischer Bauelemente, insbesondere organischer photovoltaischer Elemente, wird unter anderem durch die Morphologie von photoaktiven Schichten der Absorbermaterialien bestimmt, insbesondere der Morphologie des Donor-Akzeptor-Systems. Die Morphologie wird unter anderem durch die Wahl der Akzeptor- und Donormoleküle bestimmt, wodurch ein Ausmaß der Nanophasenseparation eingestellt wird. Eine verbesserte Nanophasenseparation führt in organischen elektronischen Bauelementen zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems 1 eines organischen elektronischen Bauelements 10.
Das Schichtsystem 1 für ein organisches elektronisches Bauelement 10, weist eine erste Elektrode 3, eine zweite Elektrode 7, und mindestens eine photoaktive Schicht 5 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 7 angeordnet ist. Die mindestens eine photoaktive Schicht 5 ist als bulk-Heterojunction (BHJ) mit mindestens einem Akzeptor und mindestens einem Donor ausgebildet. Die mindestens eine photoaktive Schicht 5 weist mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 horizontal zum Schichtsystem 1 angeordnete Zwischenschicht 8 auf, wobei die mindestens eine Zwischenschicht 8 in der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 getrennte photoaktive Bereiche 11,12 bildet, und wobei die mindestens eine Zwischenschicht 8 mindestens ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat aufweist.
Dadurch wird insbesondere eine verbesserte Effizienz von organischen elektronischen Bauelementen 10, insbesondere von organischen photovoltaischen Elementen, mit einem solchen Schichtsystem 1 erhalten. Die Zwischenschicht 8 ermöglicht eine Verbesserung der Morphologie der photoaktiven Schicht 5, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems der photoaktiven Schicht 5.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Zwischenschicht 8 eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 5 nm auf, bevorzugt von 0,1 nm bis 3 nm, bevorzugt von 0,1 nm bis 2 nm, bevorzugt von 0,1 nm bis 1 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 5 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 3 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 2 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 1 nm, bevorzugt von 1 nm bis 3 nm, oder bevorzugt von 1 nm bis 2 nm.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist ein photoaktiver Bereich 11,12 der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 eine Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm auf, bevorzugt von 1 nm bis 30 nm, bevorzugt von 1 nm bis 20 nm, bevorzugt von 1 nm bis 10 nm, bevorzugt von 5 nm bis 30 nm, bevorzugt von 5 nm bis 20 nm, bevorzugt von 5 bis 15 nm, bevorzugt von 5 bis 10 nm, bevorzugt von 10 bis 30 nm, oder bevorzugt von 10 bis 15 nm.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht 5 jeweils in einem Abstand von 10 nm bis 30 nm, von 5 nm bis 20 nm, von 2 nm bis 12 nm, oder von 0,5 bis 5 nm eine Zwischenschicht 8 auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 ein Donor-Akzeptor-System, wobei der mindestens eine Donor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat ist, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt kleine Moleküle sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine photoaktive Schicht 5 eine Absorberschicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 als Mischschicht mit mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ausgebildet ist, und der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden. Der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor werden in einer Mischschicht zur Bildung von Donor-Akzeptor-Heteroübergängen (bulk heterojunctions) innerhalb der photoaktiven Schicht 5 eingesetzt, in denen zumindest ein Donor und/oder ein Akzeptor die Lichtabsorbierende Komponente ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Fulleren und/oder Fulleren-Derivat der mindestens einen Zwischenschicht 8 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94, oder einem Derivat davon, wobei das Derivat bevorzugt ein halogeniertes Fulleren, ein hydroxyliertes Fulleren, ein carboxyliertes Fulleren, oder ein aminiertes Fulleren ist, insbesondere bevorzugt ist das Fulleren C60, C70 und/oder ein Derivat davon.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht 5 mindestens zwei Zwischenschichten 8 auf, bevorzugt mindestens drei Zwischenschichten 8, bevorzugt mindestens vier Zwischenschichten 8, bevorzugt mindestens fünf Zwischenschichten 8, oder bevorzugt mehr als fünf Zwischenschichten 8.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Zwischenschicht 8 in direktem Kontakt zu einem photoaktiven Bereich 11,12 der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Zwischenschicht 8 einen Anteil des Fullerens und/oder Fulleren-Derivats von mindestens 50 Vol.-% auf, bevorzugt mindestens 60 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70 Vol.-%, bevorzugt mindestens 80 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-%, bevorzugt mindestens 90 Vol.-%, oder bevorzugt mindestens 95 Vol.-%, besonders bevorzugt besteht die mindestens eine Zwischenschicht 8 aus dem Fulleren und/oder dem Fulleren-Derivat.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Zwischenschicht 8 einen Anteil des mindestens einen Donors und des mindestens einen Akzeptors von 0,1 bis 50 Vol.-% auf, bevorzugt von 0,1 bis 40 Vol.-%, bevorzugt von 0,1 bis 30 Vol.-%, bevorzugt von 0,1 bis 20 Vol.-%, bevorzugt von 0,1 bis 10 Vol.-%, bevorzugt von 1 bis 50 Vol.-%, bevorzugt von 1 bis 40 Vol.-%, bevorzugt von 1 bis 30 Vol.-%, bevorzugt von 1 bis 20 Vol.-%, bevorzugt von 1 bis 10 Vol.-%, oder bevorzugt mindestens 10 Vol.- %.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem 1 mindestens eine Transportschicht 4,6 auf, bevorzugt mindestens zwei Transportschichten 4,6, die zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 7 angeordnet sind, wobei eine Transportschicht 4,6 eine Lochtransportschicht und eine Transportschicht 4,6 eine Elektronentransportschicht ist.
Das organische elektronische Bauelement 10, insbesondere das organische photovoltaische Element, weist ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 mit mindestens einer photoaktiven Schicht 5 auf. Die mindestens eine photoaktive Schicht 5 weist mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 horizontal zum Schichtsystem 1 angeordnete Zwischenschicht 8 auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das organische elektronische Bauelement 10 bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine OLED (organic light emitting diode), ein organischer Feldeffekttransistor (OFET), oder ein organischer Fotodetektor.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 wird insbesondere in einem organischen elektronischen Bauelement 10 verwendet, bevorzugt in einem photovoltaischen Element (OPV), einer OLED, einem OFET, oder einem organischen Fotodetektor.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das organische elektronische Bauelement 10 mit dem Schichtsystem 1 ein organisches photovoltaisches Element. Das Schichtsystem 1 ist auf einem transparenten Substrat 2 angeordnet, welches vorzugsweise flexibel ausgeführt ist, insbesondere als Folie. Das Schichtsystem 1 ist auf dem Substrat 2 angeordnet. Das Schichtsystem 1 für ein organisches elektronisches Bauelement 10, weist eine erste Elektrode 3, eine zweite Elektrode 7, und mindestens eine photoaktive Schicht 5 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 7 angeordnet ist. Die erste Elektrode 3 ist aus transparentem Indium-Zinn-Oxid (ITO) ausgebildet, alternativ ist jedoch auch eine Elektrode aus einem Metall, einem anderen leitfähigen Oxid, insbesondere ZnO:Al oder einem leitfähigen Oxid oder Polymer, wie etwa PEDOT:PSS oder PANI möglich. Auf der ersten Elektrode 3 ist eine Ladungstransportschicht 4 angeordnet, welche als Elektronentransportschicht (ETL) ausgebildet ist. Auf der Ladungstransportschicht 4 ist die photoaktive Schicht 5 angeordnet, mit mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor, welche zusammen ein Donor-Akzeptor-System als bulk-Heterojunction (BHJ) ausbilden. Die photoaktive Schicht 5 weist mindestens eine horizontal zum Schichtsystem 1 angeordnete Zwischenschicht 8 auf, beispielsweise aus dem Fulleren C60 gebildet, die die photoaktive Schicht 5 in einen ersten photoaktiven Bereich 11 und einen zweiten photoaktiven Bereich 12 trennt. Der erste photoaktive Bereich 11 und der zweite photoaktive Bereich 12 sind jeweils als bulk-Heterojunction (BHJ) ausgebildet. Auf der photoaktiven Schicht 5 ist eine weitere Ladungstransportschicht 6 angeordnet, welche als Lochtransportschicht (HTL) ausgebildet ist, beispielsweise aus Fulleren C60 oder dotiertem Fulleren C60. Die zweite Elektrode 7 ist beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise Al oder Au, ausgebildet.
2 zeigt in einem Ausführungsbeispiel ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtsystems 1 mit mindestens einer Zwischenschicht 8. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Schichtsystem 1 mit mindestens einer als bulk-Heterojunction ausgebildeten photoaktiven Schicht 5 eines organischen elektronischen Bauelements 10 nach einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte hergestellt:

A) Bereitstellen eines Substrats 2 mit einer ersten Elektrode 3;
B) Co-Verdampfen mindestens eines Donors und mindestens eines Akzeptors zum Aufbringen eines ersten photoaktiven Bereichs 11 der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung;
C) Verdampfen mindestens eines Materials zum Bilden einer Zwischenschicht 8 mittels Dampfphasenabscheidung;
D) Co-Verdampfen des mindestens einen Donors und des mindestens einen Akzeptors zum Aufbringen eines zweiten photoaktiven Bereichs 12 der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung;
E) Aufbringen einer zweiten Elektrode 7; und
F) Erhalten des Schichtsystems 1 auf dem Substrat 2. Bei der Dampfphasenabscheidung werden die Materialien durch Verdampfen im Vakuum abgeschieden. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 wird also unterbrochen, um die Zwischenschicht 8 einzubauen. Die Abscheidung der photoaktiven Bereiche 11,12 und der mindestens einen Zwischenschicht 8 ist sowohl bei geringen Abscheideraten im Bereich von 0,1 bis 0,8 Ä/s als auch bei höheren Abscheideraten von über 0,8 Ä/s, bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 10 Ä/s, insbesondere bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 Ä/s, möglich.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das organische elektronische Bauelement 10 mit dem Schichtsystem 1 ein organisches photovoltaisches Element.
Zur Bildung der mindestens einen Zwischenschicht 8 wird das Aufbringen, bevorzugt das Aufdampfen, der photoaktiven Schicht 5, die als BHJ ausgebildet ist, nach dem Aufbringen des ersten photoaktiven Bereichs 11 unterbrochen. Das Material der Zwischenschicht 8 wird zumindest auf einen Teil des ersten photoaktiven Bereichs 11, bevorzugt auf den ganzen photoaktiven Bereich 11, aufgebracht. Anschließend wird das Aufbringen der photoaktiven Schicht 5 fortgesetzt, um den zweiten photoaktiven Bereich 12 zu bilden. Die Zwischenschicht 8 bildet so innerhalb der photoaktiven Schicht 5 eine Schicht, die den ersten photoaktiven Bereich 11 von dem zweiten photoaktiven Bereich 12 zumindest teilweise trennt. Das Material zum Bilden der Zwischenschicht 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel C60. Das Aufbringen der photoaktiven Schicht 5 wurde unterbrochen, nachdem der erste photoaktive Bereich 11 in einer Schichtdicke von 15 nm erhalten wurden, die Zwischenschicht 8 wurde in einer Schichtdicke von 2 nm aufgebracht, und der zweite photoaktive Bereich 12 wurde in einer Schichtdicke von 15 nm aufgebracht.
Nach Schritt D) können die Schritte C) und D) wiederholt werden, um weitere Zwischenschichten 8 mit weiteren photoaktiven Bereichen der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 zu erhalten.
3 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 in einer photoaktiven Schicht 5 basierend auf Absorber1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das organische elektronische Bauelement 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element.
Das Schichtsystem 1 des organischen elektronischen Bauelements 10 mit der photoaktiven Schicht 5 mit einer bulk-Heterojunction (BHJ) ist in diesem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel folgendermaßen aufgebaut:

Auf einem Substrat 2 aus Glas ist eine Elektrode 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und darauf eine Elektronentransportschicht (ETL) 4 aus undotiertem C60 von 15 nm angeordnet. Die photoaktive Schicht 5 sind als bulk-Heterojunction (BHJ) ausgebildet und weisen als Akzeptor Fulleren C60 und als Donor einen Absorber, in diesem Ausführungsbeispiel den Absorber1, auf. Die Schichtdicke der photoaktiven Schicht 5 beträgt 20 bzw. 30 nm. Auf der photoaktiven Schicht 5 ist eine Lochtransportschicht 6 (HTL) aus EHT022 dotiert mit NDP9 (4,4 Gew.-%) von 45 nm aufgebracht. Die zweite Elektrode 7 ist aus Au von 50 nm ausgebildet. Der Schichtaufbau ist in Tabelle 1 zusammengefasst.

Schicht	Material	Dicke / nm
zweite Elektrode	Au	50
dotierte HTL	EHT022/NDP9 (4,4 Gew.-%)	45
undotierte HTL	EHT022	10
photoaktive Schicht	Absorber1:C60 (2:3)	20/30
ETL	C60	15
erste Elektrode	ITO	100
Substrat	Glas

Das Schichtsystem 1 weist also keine Zwischenschicht 8 auf. Die photoaktive Schicht 5 wurde sowohl bei einer niedrigeren Abscheiderate von 1.0 Ä/s (3A) als auch bei einer höheren Abscheiderate von 7.8 Ä/s (3B) abgeschieden.
Die Parameter des organischen photovoltaischen Elements wurden unter simulierter AM1.5 Beleuchtung gemessen (AM = Air Mass; AM = 1,5 bei diesem Spektrum beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W/m²; AM = 1,5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen). Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig, dass die zweite Elektrode vom Licht abgewandt ist.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt einen typischen Einfluss der Schichtdicke einer photoaktiven Schicht 5 auf den Füllfaktor und den Wirkungsgrad (PCE).
Bei zunehmender Schichtdicke der photoaktiven Schicht 5 zeigt sich eine Abnahme des Füllfaktors. Bei einer niedrigen Abscheiderate (3A) beträgt für eine Schichtdicke von 20 nm der Füllfaktor 68,2 und der Wirkungsgrad (PCE) 3,5%, und für eine Schichtdicke von 30 nm der Füllfaktor 64,5 und der Wirkungsgrad (PCE) 4,0%. Bei einer hohen Abscheiderate (3B) beträgt für eine Schichtdicke von 20 nm der Füllfaktor 66,9 und der Wirkungsgrad (PCE) 3,6%, und für eine Schichtdicke von 30 nm der Füllfaktor 59,7 und der Wirkungsgrad (PCE) 3,9%.
4 zeigt einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 basierend auf Absorber1 mit einer Zwischenschicht 8. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel sind ein nicht-erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 und ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 mit Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 aufgebaut gemäß 3 dargestellt, wobei in die photoaktive Schicht 5 in einer Ausgestaltung eine Zwischenschicht 8 eingebaut ist. Die Zwischenschicht 8 ist aus Fulleren C60 gebildet und weist eine Schichtdicke von 2,5 nm auf (Tabelle 2).

Das nicht erfindungsgemäße photoaktive Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht von 30 nm auf (Absorber1:C60 2:3 vol/vol, 90°C), und das erfindungsgemäße Schichtsystem weist eine photoaktive Schicht 5 von 32,5 nm auf, wobei zwischen einem ersten photoaktiven Bereich 11 von 15 nm (Absorber1:C60 2:3 vol/vol, 90°C) und einem zweiten photoaktiven Bereich 12 von 15 nm (Absorber1:C60 2:3 vol/vol, 90°C) eine Zwischenschicht 8 von 2,5 nm angeordnet ist (C60, 90°C). Der erste photoaktive Bereich 11 und der zweite photoaktive Bereich 12 sind jeweils als BHJ ausgebildet. Tabelle 2

Schicht	Material	Dicke / nm
zweite Elektrode	Au	50
dotierte HTL	EHT022/NDP9 (4,4 Gew.-%)	45
undotierte HTL	EHT022	10
photoaktive Schicht zweiter photoaktiver Bereich	Absorber1:C60 (2:3)	15
photoaktive Schicht Zwischenschicht	C60	2,5
photoaktive Schicht erster photoaktiver Bereich	Absorber1:C60 (2:3)	15
ETL	C60	15
erste Elektrode	ITO	100
Substrat	Glas

ITO: Indium-Zinn-Oxid
NDP9: kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
EHT022: ist ein kommerzielles HTL Matrixmaterial der Merck AG
(Merck SHT-218)

Die photoaktive Schicht 5 wurde bei einer höheren Abscheiderate von 7.0 Ä/s und Substrattemperatur von 90°C (4) abgeschieden.
Der relative Wirkungsgrad (PCE) eines organischen photovoltaischen Elements konnte in beiden Ausführungsbeispielen mit einem Schichtsystem 1 mit einer Zwischenschicht 8 im Vergleich zu einem Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 erhöht werden (4). Bei einer hohen Abscheiderate konnte der Wirkungsgrad (PCE) von 3,7% auf 3,9% um 6,2% relativer Wirkungsgrad erhöht werden. Es wird damit gezeigt, dass durch mindestens eine Zwischenschicht 8 aus mindestens einem Fulleren und/oder Fulleren-Derivat in der photoaktiven Schicht 5, der relative Wirkungsgrad des organischen photovoltaischen Elements erhöht wird. Dies insbesondere bei für die industrielle Produktion relevanten hohen Abscheideraten.
5 zeigt in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien organischer elektronischer Bauelemente 10 in Abhängigkeit einer Position einer Zwischenschicht 8 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Aufbau des Schichtsystems 1 bis auf die Position x der Zwischenschicht 8 innerhalb der photoaktiven Schicht 5 dem gemäß 4. Die Schichtdicke der photoaktiven Schicht 5 beträgt 30 nm, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine Zwischenschicht 8 in einer Schichtdicke von 2 nm nach einer Schichtdicke des ersten photoaktiven Bereichs von 10 nm (x=10nm) bzw. von 20 nm (x=20nm) abgeschieden wurde, und anschließend der zweite photoaktive Bereich 12 bis zu einer gesamten Schichtdicke der photoaktiven Schicht 5 von 30 nm abgeschieden wurde. Die Zwischenschicht 8 befindet sich an unterschiedlicher Position innerhalb der photoaktiven Schicht 5. Die photoaktiven Bereiche 11,12 der photoaktiven Schicht 5 wurden bei einer Abscheiderate von 7,5 Ä/s abgeschieden und die Zwischenschicht 8 wurde bei einer Abscheiderate von 1.0 Ä/s abgeschieden.
In dem photovoltaischen Element ohne Zwischenschicht 8 beträgt der Füllfaktor FF 59,7, die Leerlaufspannung Uoc 0,74 V, und die Kurzschlussstromdichte Jsc 8,9 mA/cm². Der Wirkungsgrad (PCE) beträgt 3,9%.
In dem photovoltaischen Element mit der Zwischenschicht 8 nach einer Schichtdicke des ersten photoaktiven Bereichs 11 von 10 nm (x=10nm) beträgt der Füllfaktor FF 63,4%, die Leerlaufspannung Uoc 0,72 V, und die Kurzschlussstromdichte Jsc 9,2 mA/cm². Der Wirkungsgrad (PCE) beträgt 4,2%. In dem photovoltaischen Element mit der Zwischenschicht 8 nach einer Schichtdicke des ersten photoaktiven Bereichs 11 von 20 nm (x=20nm) beträgt der Füllfaktor FF 63,7%, die Leerlaufspannung Uoc 0,73 V, und die Kurzschlussstromdichte Jsc 8,9 mA/cm². Der Wirkungsgrad (PCE) beträgt 4,1%. Der relative Wirkungsgrad (PCE) der erfindungsgemäßen organischen photovoltaischen Elemente mit einer Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 wird um 6,8% bzw. um 5,3% erhöht.
6 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 basierend auf Absorber2 ohne Zwischenschicht 8 und mit einer Zwischenschicht 8. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.

In diesem Ausführungsbeispiel sind ein nicht-erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 und ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 mit Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 dargestellt. Der Aufbau des Schichtsystems 1 entspricht weitgehend dem Aufbau gemäß 4, wobei der Absorber2 anstatt des zuvor verwendeten Absorbers1 eingesetzt wurde (Tabelle 3).

Tabelle 3

Schicht	Material	Dicke / nm
zweite Elektrode	Au	50
dotierte HTL	EHT032/NDP9 (10,2 Gew.-%)	45
undotierte HTL	EHT032	10
photoaktive Schicht zweiter photoaktiver Bereich	Absorber2:C60 (2:3)	10
photoaktive Schicht Zwischenschicht	C60	2
photoaktive Schicht erster photoaktiver Bereich	Absorber2:C60 (2:3)	25
ETL	C60	15
erste Elektrode	ITO	100
Substrat	Glas

ITO: Indium-Zinn-Oxid
NDP9: kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
EHT032: ist ein kommerzielles HTL Matrixmaterial der Novaled GmbH

Das nicht erfindungsgemäße photoaktive Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht 5 von 35 nm auf (Absorber2:C60 2:3 vol/vol, 70°C), und das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht 5 von 37 nm auf, wobei zwischen einem ersten photoaktiven Bereich 11 von 25 nm (Absorber2:C60 2:3 vol/vol, 70°C) und einem zweiten photoaktiven Bereich 12 von 10 nm (Absorber2:C60 2:3 vol/vol, 70°C) eine Zwischenschicht 8 von 2 nm angeordnet ist (C60, 70°C). Der erste photoaktive Bereich 11 und der zweite photoaktive Bereich 12 sind jeweils als BHJ ausgebildet. Die Abscheiderate betrug 9.0 Ä/s für die photoaktiven Bereiche 11,12 und 5,5 Ä/s für die Zwischenschicht 8.
Der relative Wirkungsgrad (PCE) eines organischen photovoltaischen Elements konnte mit einem Schichtsystem 1 mit einer Zwischenschicht 8 (Wirkungsgrad (PCE) von 4,6%) im Vergleich zu einem Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 (Wirkungsgrad (PCE) von 4,4%) um 5% erhöht werden (6).
7 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 mit unterschiedlichem Anteil an Fulleren C60 in einer Zwischenschicht 8 einer photoaktiven Schicht 5 basierend auf Absorber2. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.

In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Aufbau des Schichtsystems 1 mit einer Zwischenschicht 8 dem Aufbau gemäß 6, wobei der Anteil an Fulleren C60 in der Zwischenschicht 8 geändert wurde (Tabelle 4). Das Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht 5 mit einer Schichtdicke von 37,5 nm auf, wobei zwischen einem ersten photoaktiven Bereich 11 von 20 nm (Absorber2:C60 2:3 vol/vol, 75°C) und einem zweiten photoaktiven Bereich 12 von 15 nm (Absorber2:C60 2:3 vol/vol, 75°C) eine Zwischenschicht 8 von 2,5 nm angeordnet ist (C60, 75°C). Die Zwischenschicht 8 weist einen Anteil an C60 von 80 Vol.-% und einen Anteil des Absorbers2 von 20 Vol.-% auf. Die Abscheiderate betrug 7,5 Ä/s für die photoaktiven Bereiche 11,12, und 0,2 Ä/s für Absorber2 und 0,8 Ä/s für C60 der Zwischenschicht 8. Tabelle 4

Schicht	Material	Dicke / nm
zweite Elektrode	Au	50
dotierte HTL	EHT032/NDP9 (10,2 Gew.-%)	45
undotierte HTL	EHT032	10
photoaktive Schicht zweiter photoaktiver Bereich	Absorber2:C60 (2:3)	15
photoaktive Schicht Zwischenschicht	Absorber2:C60 (1:4)	2,5
photoaktive Schicht erster photoaktiver Bereich	Absorber2:C60 (2:3)	20
ETL	C60	15
erste Elektrode	ITO	100
Substrat	Glas

Im Vergleich zu einem entsprechenden Schichtsystemen ohne Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 (control, Tabelle 5), zeigte sich für ein Schichtsystem 1 mit einer Zwischenschicht 8 bestehend aus C60 eine Erhöhung des relativen Wirkungsgrads (PCE) um 3,4% (C60 IL, Tabelle 5), und für das Schichtsystem 1 mit einer Zwischenschicht 8 bestehend aus einer Mischung aus Absorber2 und C60 (1:4) eine Erhöhung des relativen Wirkungsgrads (PCE) um 22,7% (mixed IL, Tabelle 5). Tabelle 5

IL Position Voc FF EQE PCE [%] relative PCE

control - 0,97 57,1 9, 1 3,5 1,00

C60IL 25 0,98 55,8 9,5 3,6 1,034

mixed IL (20 Vol.-% Absorber2) 20 0,99 62,7 9,8 4,3 1,227

IL = Zwischenschicht
8 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines organischen elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 basierend auf Absorber3 ohne Zwischenschicht 8 und mit einer Zwischenschicht 8 bei unterschiedlicher Abscheiderate. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel sind ein nicht-erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 und ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 mit Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 dargestellt. Der Aufbau des Schichtsystems 1 entspricht weitgehend dem Aufbau gemäß 4, wobei der Absorber3 anstatt des zuvor verwendeten Absorbers1 eingesetzt wurde.
Das nicht erfindungsgemäße photoaktive Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht von 40 nm auf (Absorber3:C60 2:3 vol/vol, 90°C), und das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 weist eine photoaktive Schicht 5 von 42 nm (8A) bzw. 42,5 nm (8B) auf, wobei zwischen einem ersten photoaktiven Bereich 11 von 25 nm (Absorber3:C60 2:3 vol/vol, 90°C) und einem zweiten photoaktiven Bereich 12 von 15 nm (Absorber3:C60 2:3 vol/vol, 90°C) eine Zwischenschicht 8 von 2 nm bzw. 2,5 nm angeordnet ist (C60, 90°C). Der erste photoaktive Bereich 11 und der zweite photoaktive Bereich 12 sind jeweils als BHJ ausgebildet.
Die photoaktive Schicht 5 wurde bei unterschiedlichen Abscheideraten abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel wurden die photoaktiven Bereiche 11,12 bei einer Abscheiderate von 7.5 Ä/s und die Zwischenschicht 8 von 0.3 Ä/s abgeschieden (8A). In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden die photoaktiven Bereiche 11,12 bei einer Abscheiderate von 7,5 Ä/s und die Zwischenschicht 8 von 1,5 Ä/s abgeschieden (8B).
Der relative Wirkungsgrad (PCE) verbesserte sich durch die Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 um 10.6% gegenüber dem entsprechend Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 (8A), und um 3.8% (8B).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde ein Schichtsystem 1 mit einem dem vorhergehenden Beispiel entsprechenden Aufbau ohne Zwischenschicht 8 und mit Zwischenschicht 8 in einer unterschiedlichen Schichtdicke der Zwischenschicht 8 verglichen. Die Schichtdicke der Zwischenschicht 8 beträgt 2,5 nm bzw. 4 nm (Tabelle 6). Tabelle 6

IL Position Voc FF EQE PCE [%] relative PCE

control - 0,72 60,3 12,5 4, 0

C60 IL 2,5nm 25 0,71 58, 9 13,8 4,3 1,080

C60 IL 4nm 25 0,70 59,1 13,3 4,1 1,026

IL = Zwischenschicht
Für beide Schichtdicken der Zwischenschicht 8 konnte im Vergleich zu einem Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 eine Verbesserung des relativen Wirkungsgrads (PCE) von 2,6% bzw. 8% beobachtet werden.
Des Weiteren konnte die Externe-Quanten-Effizienz (EQE) eines elektronischen Bauelements 10 mit einem Schichtsystem 1 ohne Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 von 12,5 im Vergleich zu einem Schichtsystem 1 mit Zwischenschicht 8 in der photoaktiven Schicht 5 bei unterschiedlichen Schichtdicken der Zwischenschicht 8 auf 13,8 bzw. 13,3 erhöht werden.
Die experimentellen Daten zeigen, dass mittels mindestens einer Zwischenschicht 8 aus mindestens einem Fulleren und/oder Fulleren-Derivat in der photoaktiven Schicht 5, der relative Wirkungsgrad (PCE) eines organischen photovoltaischen Elements erhöht werden kann. Dies insbesondere bei für die industrielle Produktion relevanten hohen Abscheideraten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20100025663 A1 [0009]

Claims

Schichtsystem (1) für ein organisches elektronisches Bauelement (10), mit einer ersten Elektrode (3), einer zweiten Elektrode (7), und mindestens einer photoaktiven Schicht (5), wobei die mindestens eine photoaktive Schicht (5) zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (7) angeordnet ist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht (5) als bulk-Heterojunction (BHJ) mit mindestens einem Akzeptor und mindestens einem Donor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Schicht (5) mindestens eine innerhalb der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) horizontal zum Schichtsystem (1) angeordnete Zwischenschicht (8) aufweist, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (8) in der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) getrennte photoaktive Bereiche (11,12) bildet, und wobei die mindestens eine Zwischenschicht (8) mindestens ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat aufweist.
Schichtsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (8) eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 5 nm aufweist, bevorzugt von 0,5 nm bis 5 nm, und/oder ein photoaktiver Bereich (5) der mindestens einen photoaktiven Schicht eine Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm aufweist, bevorzugt von 10 nm bis 30 nm, und/oder die mindestens eine photoaktive Schicht (5) jeweils in einem Abstand von 10 nm bis 30 nm, oder von 5 nm bis 20 nm eine Zwischenschicht (8) aufweist.
Schichtsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) ein Donor-Akzeptor-System bilden, wobei der mindestens eine Donor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat ist, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt kleine Moleküle sind.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Fulleren und/oder Fulleren-Derivat der mindestens einen Zwischenschicht (8) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94, oder einem Derivat davon, wobei das Derivat bevorzugt ein halogeniertes Fulleren, ein hydroxyliertes Fulleren, ein carboxyliertes Fulleren, oder ein aminiertes Fulleren ist, insbesondere bevorzugt ist das Fulleren C60, C70 und/oder ein Derivat davon.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht (5) mindestens zwei Zwischenschichten (8) aufweist, bevorzugt mindestens drei Zwischenschichten (8), bevorzugt mindestens vier Zwischenschichten (8), bevorzugt mindestens fünf Zwischenschichten (8), oder bevorzugt mehr als fünf Zwischenschichten (8), und/oder die mindestens eine Zwischenschicht (8) in direktem Kontakt zu einem photoaktiven Bereich (11,12) der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) angeordnet ist.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (8) einen Anteil des Fullerens und/oder Fulleren-Derivats von mindestens 50 Vol.-% aufweist, bevorzugt mindestens 60 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70 Vol.-%, bevorzugt mindestens 80 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-%, bevorzugt mindestens 90 Vol.-%, oder bevorzugt mindestens 95 Vol.-%, besonders bevorzugt besteht die mindestens eine Zwischenschicht (8) aus dem Fulleren und/oder Fulleren-Derivat.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht (5) und die mindestens eine Zwischenschicht (8) mittels Dampfphasenabscheidung aufgebracht sind.
Organisches elektronisches Bauelement (10) mit einem Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das organische elektronische Bauelement (10) bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine OLED, ein OFET, oder ein organischer Fotodetektor ist.
Verwendung eines Schichtsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem organischen elektronischen Bauelement (10), bevorzugt einem organischen photovoltaischen Element, einer OLED, einem OFET, oder einem organischen Fotodetektor.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems (1) mit mindestens einer als bulk-Heterojunction ausgebildeten photoaktiven Schicht (5) eines organischen elektronischen Bauelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen eines Substrats (2) mit einer ersten Elektrode (3); B) Co-Verdampfen mindestens eines Donors und mindestens eines Akzeptors zum Aufbringen eines ersten photoaktiven Bereichs (11) der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung; C) Verdampfen mindestens eines Materials zum Bilden einer Zwischenschicht (8) mittels Dampfphasenabscheidung; D) Co-Verdampfen des mindestens einen Donors und des mindestens einen Akzeptors zum Aufbringen eines zweiten photoaktiven Bereichs (12) der mindestens einen photoaktiven Schicht (5) als bulk-Heterojunction (BHJ) mittels Dampfphasenabscheidung; E) Aufbringen einer zweiten Elektrode (7); und F) Erhalten des Schichtsystems (1) auf dem Substrat (2).