DE10235012A1 - Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements, Herstellungsverfahren und Verwendung dazu sowie ein photovoltaisches Bauelement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements mit verbesserter Effizienz. Die Effizienz wird durch Anpassung der Arbeitsfunktion gesteigert.
Description
- Unter einem photovoltaischen Bauelement versteht man sowohl eine Solarzelle als auch einen Photodetektor.
- Die Erfindung betrifft ein Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements mit verbesserter Effizienz.
- Bekannt sind organische photovoltaische Bauelemente des folgenden strukturellen Schichtaufbaus:
An eine Elektrode, beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid wie Indium tin oxide „ITO" schließt eine organische Zwischenschicht PEDOT/PSS an, auf der sich die photoaktive Halbleiterschicht z.B. eine konjugierte Polymer-Fulleren Mischung, befindet, also eine Donor-Aktzeptor-Mischung, die an die negative Elektrode, z.B. einen Metallkontakt wie Ca/Ag oder LiF/Al, anschließt. Die einzelnen Schichten können jedoch abweichen, insbesondere die Elektroden, der Donor (konj. Polymer) als auch der Akzeptor (PCBM, ein lösliches Methanofullerene). - Einer der Schlüsselparameter organischer Solarzellen ist die „built-in-voltage" des photovoltaischen Bauelementes. Die built-in-Spannung entspricht der Kompensationsspannung, die an eine Solarzelle angelegt wird, um die Zelle bei intensiver Beleuchtung und bei niedrigen Temperaturen (im Idealfall 0K) stromfrei zu halten. Als Maß für die Built-in-Spannung wird üblicherweise die Leerlaufspannung einer voll funktionstüchtigen Solarzelle akzeptiert. Die Obergrenze der Leerlaufspannung ist gegeben durch die elektrischen Potentiale der verwendeten Halbleitermaterialien (dem HOMO oder Valenzband des Donors (p-Halbleiters) und dem LUMO oder Leitungsband des Akzeptors (n-Halbleiter). Für den Fall, dass die elektrischen Kontakte der Solarzelle keinen idealen ohmschen Kontakt bilden, kann das Built-in-Potential bzw. die Leerlaufspannung auch Werte kleiner als den oben definierten Maximalwert erreichen. In diesem Fall wird das Built in Potential bzw. die Leerlaufspannung durch die Arbeitsfunktion der Metallkontakte beeinflusst oder sogar dominiert. Dem Material der organischen („polymeren" der Begriff „polymer" steht hier für organische oder nicht herkömmliche, d.h. auf Silizium basierende Halbleitertechnologie schlechthin) Zwischenschicht, die die transparente Elektrode mit der photoaktiven Halbleiterschicht verbindet, kommt somit eine Schlüsselposition bei der Verbesserung der Effizienz der organischen Solarzellen zu, insbesondere in Hinsicht auf die Optimierung der elektrischen Verluste durch den Elektroden/Halbleiter Kontakt. Die erfolgreiche Funktionsweise wird demonstriert durch „Zero built in field" und/oder „inverted" organische Solarzellen die über eine chemische und/oder physikalische Veränderung der organischen Zwischenschicht zu realisieren sind.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements zu schaffen, das chemisch und/oder physikalisch an die elektrischen Eigenschaften der anschließenden Halbleiterschicht anpassbar ist.
- Gegenstand der Erfindung ist ein Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements, dessen Austrittsarbeit (elektrochemisches Potential oder Fermifunktion) an die physikalischen Eigenschaften der Halbleiterschicht angepasst ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Materials für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements und schließlich ist die Verwendung eines Materials für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements Gegenstand der Erfindung. Gegenstand ist auch ein orga nisches photovoltaisches Bauelement, das die Bedingungen einer „inverted" Solarzelle oder einer „zero-built-in-field" Solarzelle erfüllt, Gegenstand der Erfindung.
- Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen für diese PEDOT:PSS Schicht. PEDOT:PSS steht stellvertretend für alle weiteren Materialien, die als Lochtransportschichten bekannt sind. Diesen Materialien ist gemein, dass Ihre Leitfähigkeit durch Dotierung (Oxidation) geändert werden kann. Das Einfügen einer PEDOT:PSS (oder eventuell PANI) Schicht in den Zellaufbau dient zur Verbesserung der elektrischen Kontakte, die Ladungsträgerinjektion/extraktion kann dadurch besser kontrolliert und auch verbessert werden. PEDOT:PSS ist vor allem von Leuchtdioden als Lochtransportschicht (HTL, hole transport layer) bekannt.
- Die Erfindung offenbart Ersatzlösungen für diese PEDOT:PSS Schichten. Das Verwenden von bekannten, elektrochemisch dotierten Schichten aus konjugierten Polymeren an Stelle von PEDOT:PSS in organischen photovoltaischen Bauelementen ist die wesentliche Neuerung der Erfindung und dadurch kann die Funktion und die Effizienz eines organischen photovoltaischen Elements verbessert werden.
- Als Austrittsarbeit oder Arbeitsfunktion der organischen Zwischenschicht bezeichnet man die Energie, die nötig ist um Ladungsträger aus den Bändern in das Vakuumniveau zu heben. Für dotierte Halbleiter spricht man auch von der Fermieenergie oder von dem elektrochemischen Potential.
- Die Anpassung des Materials der organischen Zwischenschicht geschieht durch Dotierung, das heißt, dass das Material entweder vor oder nach seiner Aufbringung auf der transparenten Elektrode oder einer sonstigen unteren Schicht des organischen photovoltaischen Bauelements mit chemischen oder elektrochemischen Mitteln, also durch einen chemischen Prozess (Versetzen mit einem Oxidations- oder Reduktionsmittel, z.B. J2, Na, FeCl3) oder (bevorzugt, weil bessere Feineinstellung möglich wird) durch einen elektrochemischen, galvanischen Prozess dotiert, das heißt kontrolliert oxidiert oder reduziert, wird.
- „Kontrolliert" oder „systematisch" heißt vorliegend, dass das elektrochemische Potential der organische Halbleiterschicht mit einer Genauigkeit, die eine Feineinstellung von +/– 10 mV oder weniger realisiert, aber auch beliebig zufällig oder statistisch sein kann, die Arbeitsfunktion des Materials verschoben werden kann.
- Als organisches Material dienen beispielsweise ein PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) mit PSS, wobei PSS für Polystyrolsulfonat steht, und/oder andere Sorten von Gegenionen, wie Hexafluorophosphat, Tetraphenylborat, Perchlorat und/oder Tetraalkylammoniumsalze. Ebenso wird PDBT (Poly(4,4'-dimethoxy-bithiophene) als organisches Material eingesetzt.
- Der Begriff "organisches Material" und/oder "organisch" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z.B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium) und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keinerlei Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich.
- Nach einer Ausführungsform geschieht die Anpassung oder Dotierung der Zwischenschicht während des Herstellungsprozesses der organischen Zwischenschicht, das heißt es werden die Monomeren aufgebracht und elektrochemisch polymerisiert und gleichzeitig dotiert, also elektrochemisch z.B. mittels angeschlossener und/oder eingetauchter Elektroden kontrolliert reduziert oder oxidiert. Dabei ist eine relativ genaue Feineinstellung der gewünschten Arbeitsfunktion gewährleistet. Die Dotierung kann natürlich ebenso gut an dem bereits vollständig polymerisierten oder vernetzten organischen Material durchgeführt werden.
- Nach einer anderen Ausführungsform wird das Material vor seiner Aufbringung, beispielsweise aus der Lösung, durch Zugabe und/oder Umsetzung mit einem chemischen Reduktions- oder Oxidationsmittel dotiert. Beispiele für chemische Reduktions- oder Oxidationsmittel sind neben Jod, Eisen(III)chlorid, Natrium, Lithium, Kalium....auch alle weiteren stark oxidierenden oder reduzierenden Substanzen.
- Das Dotieren des organischen Materials ist bereits aus der Veröffentlichung M.Gross, D.C. Müller, H.-G. Nothofer, U. Scherf, D. Neher, C. Bräuchle und K. Meerholz in NATURE 2000, 405, 661 bekannt, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Dort wird insbesondere auf Seite 662, letzter Absatz, rechte Spalte bis Seite 663 rechte Spalte beispielhaft beschrieben, wie die Dotierungen konkret durchgeführt werden.
- Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele schematisch wiedergeben, näher erläutert:
-
1 bis3 zeigen schematisch den Schichtaufbau eines organischen photovoltaischen Bauelements wieder. -
1 zeigt ein organisches photovoltaisches Bauelement, das, wie bekannt, ein Substrat1 , eine semitransparente Elektrode2 , einen Halbleiter4 , der auch mehrere Schichten umfassen kann, und eine negative Elektrode5 umfasst. Eine nach der Erfindung dotierte Schicht3 wird zwischen die semitransparente p-Elektrode2 und dem Halbleiter4 eingebracht. - Die Schicht
3 wird in diesem Fall positiv dotiert (oxidiert). Durch den Dotiergrad wird die Austrittsarbeit dieser Schicht3 festgelegt und kann an das photovoltaische System angepasst werden. Die Dotierung der Halbleiterschicht kann chemisch oder elektrochemisch erfolgen. - In
2 ist ein photovoltaisches organisches Bauelement zu sehen, das wie in1 ein Substrat1 , eine semitransparente Elektrode2 , einen Halbleiter4 und eine negativen Elektrode5 . Die dotierte Schicht3 wird zwischen die negative Elektrode5 und dem Halbleiter4 eingebracht. - Die Schicht
3 wird in diesem Fall negativ dotiert (reduziert). Durch den Dotiergrad wird die Austrittsarbeit dieser Schicht3 festgelegt und kann an das photovoltaische System angepasst werden. Die Dotierung der Halbleiterschicht kann chemisch oder elektrochemisch erfolgen. - In
3 ist schließlich der Aufbau eines weiteren organischen photovoltaischen Bauelements, das ein Substrat1 , eine semitransparente Elektrode2 , einen Halbleiter4 und eine negative Elektrode5 umfasst. Es werden zwei dotierte Schichten3a und3b eingebracht. Dabei wird die Schicht3b zwischen der negative Elektrode5 und dem Halbleiter4 eingebracht und die dotierte Schicht3a zwischen der positiven Elektrode2 und dem Halbleiter4 eingebracht. - Die Schicht
3b wird in diesem Fall negativ dotiert (reduziert), die Schicht3a wird in diesem Fall positiv dotiert (oxidiert). Durch den Dotiergrad wird die Austrittsarbeit der Schichten (3a ,3b ) festgelegt und kann an das photovoltaische System angepasst werden. Die Dotierung der Halbleiterschichten kann chemisch oder elektrochemisch erfolgen. - In allen Fällen ist es möglich, die positive oder die negative Elektrode semitransparent auszuführen.
- Organische photovoltaische Bauelemente sind eine vielversprechende neue Technologie zur preiswerten Wandlung und/oder Detektion von Photonen, insbesondere von Solarenergie. Durch elektrochemische Veränderung der Arbeitsfunktion des organischen Materials für die organische Zwischenschicht eines Bauelements des generellen Aufbaus Elektrode/organische Zwischenschicht/funktionelle organische Halbleiterschicht/Elektrode konnte systematisch die Arbeitsfunktion oder die „built-in voltage" angepasst werden. „Zero-built-in-field" und „inverted" organische photovoltaische Bauelemente konnten damit erstmals mit der gleichen chemischen Zwischenschicht realisiert werden wie organische photovoltaische Bauelemente mit optimierten Elektroden/Halbleiter Kontakten. Bei inverted photovoltaischen Bauelementen dient diese organische Zwischenschicht als negative Elektrode, das heißt, dass die organische Zwischenschicht die elektronensammelnde Elektrode ist, was bisher noch nicht bei diesen organischen photovoltaischen Bauelementen bekannt war. Bemerkenswert ist, dass alleine durch die unterschiedliche Dotierung die gleiche Zwischenschicht sowohl als Anode als auch Kathode funktionieren kann.
- Mit Hilfe der Erfindung ist erstmals ein Weg geschaffen worden, um eine kontrollierte Anpassung organischer Materialien für die Zwischenschicht zur Optimierung der Effizienz organischer Solarzellen durchzuführen. „Normale" organische photovoltaische Bauelemente, die kommerziell erhältliches PEDOT verwenden, können durch die Änderung der Arbeitsfunktion (des Dotierungsniveaus) von PEDOT verbessert werden. Die Tatsache, dass ein „inverted" organisches photovoltaisches Bauelement durch Einstellung der Arbeitsfunktion des PEDOTs hergestellt werden kann, zeigt, dass die Arbeitsfunktion kontinuierlich zwischen der Valenzband des Polymers und dem Leitungsband (bzw. über das Niveau des Leitungsbands) des PCBM [6,6]-phenyl-C6l-butyricacid-methylester variiert werden kann. Damit ist diese organische Zwischenschicht in der Lage die Arbeitsfunktion und damit auch das Kontaktverhalten von beinahe beliebigen Metallen zu erreichen.
- Mit Hilfe der Erfindung konnten erstmals „inverted" organische photovoltaische Bauelemente wie oben erklärt geschaffen werden.
Claims (8)
- Organisches Material für eine Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Elements, dessen Austrittsarbeit (bzw. elektrochemisches Potential) an die physikalischen Eigenschaften der Halbleiterschicht angepasst ist.
- Organisches Material nach Anspruch 1, dessen Austrittsarbeit durch Variation der Arbeitsfunktion der Zwischenschicht so angepasst ist, dass sowohl ein optimiertes „normales" organisches photovoltaisches Bauelement als auch ein inverted photovoltaisches Bauelement dargestellt werden kann. Dazu ist es nötig, dass die Arbeitsfunktion der Zwischenschicht zwischen und bzw. außerhalb dem LUMO des Donors und dem HOMO des Akzeptors variiert wird
- Organisches Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material zumindest zum Teil ein PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) wie das PEDOT-PSS, wobei PSS für Polystyrolsulfonat) steht, ist.
- Verfahren zur Anpassung einer Arbeitsfunktion eines Materials einer Zwischenschicht eines organischen photovoltaischen Bauelements, durch systematische Reduktion oder Oxidation des organischen Materials mit elektrochemischen Mitteln.
- Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren während des Herstellungsprozesses der Zwischenschicht durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Verfahren vor und/oder nach der Aufbringung der Zwischenschicht durchgeführt wird.
- Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem organischen photovoltaischen Bauelement.
- Photovoltaisches Bauelement, das die Bedingungen einer „inverted" Solarzelle oder einer „zero-built-in-field" Solarzelle erfüllt.
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