DE112005001791T5

DE112005001791T5 - Laminierte Verbindungsleitungen für organische, optoelektronische Bauelementemodule

Info

Publication number: DE112005001791T5
Application number: DE112005001791T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Cambridge Halls; Richard Cambridge Wilson
Original assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Current assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-06-06
Also published as: GB0416701D0; WO2006010911A2; WO2006010911A3; US20090189515A1; GB0700916D0; US8425272B2; GB2430806B; JP5142715B2; GB2430806A; GB2416621A; JP2008508673A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines eingekapselten Moduls von miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen, das folgendes umfaßt:
Bildung einer strukturierten ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat in einer Struktur, um eine Anordnung von ersten Elektroden zu definieren;
Bildung einer Schicht von optoelektronisch aktivem Material über der strukturierten ersten Elektrodenschicht auf dem Substrat, so daß wenigstens Hauptteile der ersten Elektroden überdeckt werden;
Bildung einer strukturierten zweiten Elektrodenschicht über der Schicht von optoelektronisch aktivem Material, die eine entgegengesetzte Polarität zu der ersten Elektrode aufweist, in einer Struktur um eine Anordnung von zweiten Elektroden zu definieren, die der ersten Elektrodenanordnung entspricht, wobei die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und das optoelektronisch aktive Material zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen auf dem Substrat definiert; wobei die Schicht von optoelektronisch aktivem Material und die strukturierte zweite Elektrodenschicht so gebildet sind, daß sie einen Hauptteil jeder ersten Elektrode überlagern und...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Miteinanderverbinden und Einkapseln individueller optoelektronisch aktiver Zellen von organischen, optoelektronischen Bauelementen wie organischen fotovoltaischen (PV) Elementen oder organischen lichtemittierenden Diodenelementen (OLED), um eingekapselte Module zu bilden. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Ein-Blatt-Laminierverfahren, das eine Anordnung von optoelektronischen Elementen, die auf einem Substrat gebildet sind, miteinander verbindet und einkapselt, um ein eingekapseltes organisches optoelektronisches Bauelementemodul zu bilden.
Organische optoelektronische Elemente wie organische PV Bauelemente und OLED Bauelemente umfassen im allgemeinen eine optoelektronisch aktive Schicht, die aus einer oder mehreren Schichten von elektrolumineszentem oder lichtabsorbierendem Material gebildet ist, wobei die aktive Schicht sandwichartig im allgemeinen mit einer oder mehreren Schichten von Löcher-transportierendem Material zwischen einer Kathodenschicht und einer Anodenschicht eingefügt ist. Im Fall eines organischen PV Elements ist die aktive Schicht typischerweise aus einer oder mehreren lichtabsorbierenden Schichten gebildet, beispielsweise aus einer Mischung von Donor- und Akzeptor-Polymeren wie in US 5670791 offenbart, einer Mischung eines Donorpolymers mit einem kleinen Akzeptormolekül wie beispielsweise [6,6]-Phenyl-C61-Butylsäuremethylester (PCBM) oder einer Mischung von kleinen Molekülen. Eine optionale Löcher-sammelnde Schicht aus einem Material wie beispielsweise Polystyrolsulfonat-dotiertem Polyethylen-dioxythiophen (PEDOT:PSS) kann zwischen der Anodenschicht und der aktiven Schicht vorgesehen sein. Für ein OLED Element ist die aktive Schicht typischerweise gebildet aus einer oder mehreren elektrolumineszenten Schichten, die ein lichtaussendendes Material umfassen, wie beispielsweise ein lichtaussendendes Polymer (LEP), z.B. Poly(p-phenylenvinylen) (PPV), oder ein lichtemittierendes Material mit geringem Molekulargewicht (kleine Moleküle) wie beispielsweise Aluminium-tris(8-Hydroxychinolin) (Alq₃). Eine optionale Löcherinjizierende Schicht aus einem Material wie PEDOT:PSS oder ein Polyanilin derivat kann zwischen der Anodenschicht und der aktiven Schicht vorgesehen werden.
Organische optoelektronische Bauelemente wie organische PV Elemente und OLED Elemente können mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden, im allgemeinen durch das Aufbringen von Schichten des funktionellen Materials durch Rotationsbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Kammerrakelbeschichtung und ähnliches. Wenn eine Mehrzahl von Elementen auf einem einzelnen Substrat gebildet werden, folgt einer derartigen Aufbringung eine selektive Entfernung des Materials von Gebieten zwischen den Elementen, wo es nicht gewünscht ist, z.B. durch Plasmaätzen oder Laserabtragung. WO 01/39287 offenbart beispielsweise die selektive Materialabtragung von einer PEDOT Schicht durch Plasmaätzen.
Alternativ können funktionelle Materialien selektiv nur in den Gebieten aufgebracht werden, in denen sie gewünscht sind. Für eine derartige selektive Aufbringung geeignete Techniken beinhalten den Tintenstrahldruck wie in EP 0880303 offenbart, Siebdruck und laserinduzierte thermische Abbildungsverfahren.
Ein Querschnitt durch eine Grundstruktur 100 eines typischen organischen optoelektronischen Elements aus dem Stand der Technik ist in 7a gezeigt. Ein Glas- oder Kunststoffsubstrat 102 trägt eine transparente Anodenschicht 104 aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO), z.B. Indiumzinnoxid (ITO), auf die eine Löchertransportschicht 106 aufgebracht ist, eine aktive Schicht 108 und eine Kathode 110. Die Löchertransportschicht 106 hilft, die Energielevel der Löcher der Anodenschicht 104 und der lichtaktiven Schicht 108 aneinander anzupassen. Die Kathodenschicht 110 ist typischerweise aus einem Metall wie Aluminium gebildet und kann eine zusätzliche Schicht unmittelbar angrenzend an die aktive Schicht 108 umfassen, z.B. eine Alkalihalogenidschicht wie eine Schicht aus Lithiumfluorid, für eine verbesserte Anpassung der Elektronenenergielevel. Alternativ kann die Kathodenschicht 110 in direktem Kontakt mit der aktiven Schicht 108 angeordnet sein, falls sie aus einem Metall wie Calcium besteht, das eine geringere Austrittsarbeit hat als Aluminium. Kontaktdrähte 114 und 116 zur Anode bzw. zur Kathode stellen eine Verbindung zu einer Spannungsquelle oder einer Speicherzelle 118 zur Verfügung.
Optoelektronische Bauelemente wie OLED Elemente können auf einem Substrat in einer Anordnung von optisch aktiven Zellen aufgebracht sein. Im Fall beispielsweise einer OLED Elementeanordnung, sind die Zellen Pixel, die eine ein- oder mehrfarbige Anzeigevorrichtung aus Pixeln bilden. Bekannterweise werden in solchen Anzeigevorrichtungen die individuellen Elemente im allgemeinen adressiert und beschrieben durch Aktivieren von Reihen und/oder Spaltenleitungen, um die Pixel auszuwählen. Umgekehrt, im Fall einer PV Elementematrix, sind die Zellen fotoaktive Zellen, die adressiert werden, und von denen fotogenerierter Strom über Leitungen gesammelt werden, die Reihen und/oder Spalten von fotoaktiven Zellen zugeordnet sind.
7b zeigt einen Querschnitt durch eine optoelektronische Matrix 150 aus dem Stand der Technik, in der Elemente, die denen aus 7a entsprechen, mit entsprechend gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Matrix 150 umfaßt die optoaktive Schicht 108 eine Mehrzahl von optoaktiven Teilen 152 und die Kathodenschicht 110 umfaßt eine Mehrzahl von gegenseitig elektrisch isolierten Leitungen 154, die in die Zeichenebene der 7b hineinlaufen, jede mit einem zugeordneten Kontakt 156. Entsprechend umfaßt auch die Anodenschicht 104 eine Mehrzahl von Anodenleitungen 158, von denen nur eine in 7b gezeigt ist, die in rechten Winkeln zu den Kathodenleitungen verlaufen. Kontakte (nicht in 7b gezeigt) sind ebenfalls für jede Anodenleitung vorgesehen.
7c zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine optoelektronische Matrix aus dem Stand der Technik. Wiederum sind entsprechende Elemente zu denen aus den 7a und 7b mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Da die optoelektronisch aktiven Materialien anfällig sind für Oxidation und Feuchtigkeit, ist die Vorrichtung in eine Metallhülle 111 eingekapselt, die mit einem Kleber 113 auf der Kontaktschicht 105 befestigt ist, wobei kleine Glasperlen innerhalb des Klebers verhindern, daß die Kontakte kurzgeschlossen werden.
Eine Mehrzahl derartiger optoelektronischer Elemente können auf einem einzelnen Substrat 160 hergestellt werden, wie beispielsweise in 7d gezeigt. Das Substrat wird unter Verwendung eines Fotoresist strukturiert und organische Schichten 106, 108 werden dann durch Rotationsbeschichtung aufgebracht, bevor die Kathodenschicht 110 angebracht wird. Da jedoch die Rotationsbeschichtungstechnik nicht selektiv ist, d.h. sie einen dünnen Film von organischem Material gleichmäßig auf dem Substrat aufbringt, muß Material anschließend von dort abgetragen werden, wo es nicht erwünscht ist. Insbesondere muß das rotationsbeschichtete organische Material von Gebieten entfernt werden, wo die einkapselnde Hülle 111 auf dem Substrat befestigt werden wird und ebenso von Gebieten, wo elektrische Verbindungen zu den Elementen gemacht werden. In 7d zeigen waagerechte und senkrechte Streifen oder Anrißlinien 162, wo Material entfernt werden muß, um die Hülle 111 anzubringen. Das organische Material kann mechanisch durch Abschaben entfernt werden oder unter Benutzung eines naßchemischen Fotolithographieprozesses, (relativ lang und teuer) aber die bevorzugte Methode zum Entfernen des organischen Materials ist die Laserabtragung.
WO 04/057674, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart die Bildung einer Anordnung von miteinander verbundenen Elementen, durch Bilden einer Mehrzahl von Elementen auf einem Substrat, Aufbringen metallischer Verbindungsleitungen durch eine Schattenmaske, um benachbarte Elemente elektrisch miteinander zu verbinden, und Einkapselung der Anordnung mit einer Glasabdeckung, die einen Epoxidklebstoff trägt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Verbindung und Einkapselung in einem einzigen Schritt durchzuführen, der in einem Roll-to-Roll-Verfahren ausführbar ist.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von eingekapselten Modulen von miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen bereit, das folgendes umfaßt:
Bildung einer strukturierten ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat in einer Struktur, um eine Anordnung von ersten Elektroden zu definieren;
Bildung einer Schicht von optoelektronisch aktivem Material über der strukturierten ersten Elektrodenschicht auf dem Substrat, so daß wenigstens Hauptteile der ersten Elektroden überdeckt werden;
Bildung einer strukturierten zweiten Elektrodenschicht über der Schicht von optoelektronisch aktivem Material, die eine entgegengesetzte Polarität zu der ersten Elektrode aufweist, in einer Struktur um eine Anordnung von zweiten Elektroden zu definieren, die der ersten Elektrodenanordnung entspricht, wobei die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und das optoelektronisch aktive Material zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen auf dem Substrat definiert; wobei die Schicht von optoelektronisch aktivem Material und die strukturierte zweite Elektrodenschicht so gebildet sind, daß sie einen Hauptteil jeder ersten Elektrode überlagern, und so daß ein kleinerer Teil jeder ersten Elektrode freiliegt und nicht überdeckt ist von der strukturierten Schicht von optoelektronisch aktivem Material und der zweiten Elektrodenschicht;
Bildung einer strukturierten Verbindungsschicht auf einem einkapselnden Blatt in einer Struktur zur Definition einer Anordnung von Verbindungsanschlußflächen, um die freiliegenden Teile der ersten Elektroden mit zweiten Elektroden benachbarter Zellen zu verbinden;
Laminieren des strukturierten einkapselnden Blatts auf die Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen, dergestalt, daß die Anordnung aus den Verbindungsanschlußflächen in Kontakt gebracht wird mit den freiliegenden Teilen der ersten Elektroden und den zweiten Elektroden von benachbarten Zellen, wodurch die freiliegenden Teile der ersten Elektroden mit den zweiten Elektroden der benachbarten Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen verbunden werden und die miteinander verbundenen Zellen durch das einkapselnde Blatt eingekapselt werden, so daß eingekapselte Module gebildet werden.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein eingekapseltes Modul von miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen zur Verfügung, das folgendes umfaßt:
eine Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen auf einem Substrat, wobei jede Zelle eine auf dem Substrat gebildete erste Elektrodenschicht, eine über einem Hauptteil der ersten Elektrodenschicht gebildete Schicht aus optoelektronisch aktivem Material, und eine über der Schicht aus optoelektronisch aktivem Material gebildete zweite Elektrodenschicht umfaßt, die einen Hauptteil der ersten Elektrodenschicht überdeckt, wobei ein kleinerer Teil der ersten Elektrodenschicht weder von der Schicht aus optoelektronisch aktivem Material noch von der zweiten Elektrodenschicht überdeckt ist; und
ein einkapselndes Blatt, auf dem eine Anordnung von Verbindungsleitungen vorhanden ist und das über die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen laminiert ist;
wobei die Zellen durch die Verbindungsleitungen verbunden sind, die den kleineren Teil der ersten Elektroden von einer Zelle und die zweite Elektrodenschicht einer anderen Zelle kontaktieren.
Die Erfindung kann ausgeweitet werden auf die Verbindung von allen Arten organischer optoelektronischer Elemente, einschließlich aber nicht begrenzt auf PV-Elemente, Fotodetektoren, Transistoren und OLEDs. Vorzugsweise ist das optoelektronische Bauelement ein organisches PV-Element oder ein OLED-Element.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Elementeanordnung auf einem Substrat aufgebaut, das aus Glas, Kunststoff, einem Glas/Kunststofflaminat, Keramik oder irgendeinem anderen geeigneten Substratmaterial hergestellt ist. Falls gewünscht, kann das Substrat zusätzlich ein oder mehrere Barriereschichten wie z.B. Keramikschichten umfassen.
Vorzugsweise ist die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode ist eine Kathode, und die Erfindung wird weiter beschrieben mit Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform. Es ist jedoch klar erkennbar, daß sogenannte Upside-Down-Elemente in Übereinstimmung mit der Erfindung gebaut werden können, bei denen die Kathode auf dem Substrat als erste Elektrode aufgebracht wird und die Anode über der aktiven Schicht als zweite Elektrode aufgebracht ist.
Das Substrat ist beschichtet mit einer Anodenschicht, die aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) wie Indiumzinnoxid (ITO) gebildet ist. Die Anodenschicht wird strukturiert, indem ausgewählte Regionen in herkömmlicher Weise entfernt werden, um individuelle Elementanoden und beliebige zusätzliche Verbindungsstrecken zu definieren. Falls gewünscht, können ausgewählte Gebiete des Substrats weiterhin metallisiert werden, um zusätzliche Verbindungsbahnen auf der Substratoberfläche bereitzustellen.
Das mit der strukturierten Anodenschicht beschichtete Substrat wird dann mit einer Löchertransportschicht wie PEDOT:PSS beschichtet und kann dann gehärtet werden. Die Löchertransportschicht, die über der Anodenschicht und dem Substrat aufgebracht ist, wird dann beschichtet mit aktiven Schicht(en) aus einem oder mehreren aktiven Polymermaterialien. Die aktiven Schicht(en) können aus einer Mischung von Donor- und Akzeptor-Polymeren, einer Mischung eines Donor-Polymers mit kleinen Akzeptormolekülen wie PCBM, einer Mischung aus kleinen Molekülen oder anderen passenden optoelektronischen Systemen bestehen. Die Löchertransportschicht (ein leitfähiges Polymermaterial wie PEDOT:PSS) und die aktive Polymerschicht können mit irgendeiner Verfahrenstechnik, die eine angemessene Lösung bereitstellt, aufgebracht werden, wie beispielsweise aber nicht begrenzt auf Rotationsbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tintenstrahldruck oder Siebdruck.
Danach wird eine Kathodenschicht bestehend aus einer oder mehreren metallischen Schichten, z.B. aus Aluminium über der aktiven Schicht aufgebracht. Eine Alkalihalogenid-Schicht, wie z.B. LiF, kann über der aktiven Schicht aufgebracht werden, bevor die metallische Kathodenschicht aufgebracht wird. Die Kathodenschicht wird strukturiert, vorzugsweise unter Verwendung einer Schattenmaske, so daß eine Kathode einen Hauptteil von, aber nicht alles, jeder Anode in der strukturierten Anodenschicht überdeckt. Ein schematischer Querschnitt einer so erhaltenen Elementeanordnung ist in 1 gezeigt.
Die aktive Polymer- und die Löchertransport-Schichten, die in 1 gezeigt sind, werden so aufgebracht, daß sie im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Substrats überdecken. Diese Schichten werden dann durch selektives Entfernen von den Teilen dieser Schichten strukturiert, die Gebiete überdecken, in denen Verbindungen zu den Anodengebieten oder zu anderen leitenden Bahnen und Anschlußflächen gemacht werden sollen, wie in 2 gezeigt. Auf diese Weise werden die Teile der aktiven Schichten, die die Teile einer jeden Anode überdecken, die nicht von einer Kathode überdeckt sind, entfernt, so daß ein kleinerer Teil jeder Anode freiliegt. Geeignete Techniken zum selektiven Entfernen von Teilen der Polymerschicht um die aktive Polymer- und Löchertransport-Schichten zu strukturieren, beinhalten Laserabtragung und Plasmaätzen.
Es ist klar erkenntlich, daß selektive Aufbringungstechniken wie Tintenstrahldruck benutzt werden können, um den Schritt des Entfernens von Polymerschichtteilen überflüssig zum machen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Anodenschicht Indiumzinnoxid (ITO), zwischen der ITO Schicht und der aktiven Schicht ist eine Löchertransportschicht aus PEDOT:PSS vorhanden, und die Kathodenschicht umfaßt eine oder mehrere metallische Schichten.
In einem separaten Schritt oder parallel zu der Vorbereitung der Elementeanordnung, wird ein einkapselndes und verbindendes Blatt oder Bogen vorbereitet. Das Blatt bzw. der Bogen besteht aus einem flexiblen Kunststoffsubstrat (z.B. Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN)), auf dem optional Barriereschichten aufgebracht werden können, um die Durchlässigkeit für Sauerstoff und Wasserdampf zu verringern. Geeignete Barriereschichten umfassen keramische Materialien wie Oxide, Karbide oder Nitride. Eine einzelne Barriereschicht kann vorgesehen sein. Für eine erhöhte Undurchlässigkeit, können auch abwechselnde Schichten aus Kunststoffmaterial und Barrierematerial auf dem Blatt vorgesehen sein. Leitende Verbindungsanschlußflächen (oder Bahnen) werden auf dem Kunststoffblatt aufgebracht, wie in 3 gezeigt.
Die leitenden Verbindungsanschlußflächen können auf dem Blatt bzw. dem Bogen durch Techniken wie Sputtern, Aufdampfen mit Schattenmaskentechnik oder Siebdruck aufgebracht werden, z.B.:

– Metalle (z.B. Aluminium) aufgebracht durch Aufdampfen mit Schattenmaskentechnik oder durch Sputtern;
– ITO oder andere TCOs aufgebracht durch Sputtern und strukturiert durch einen fotolithografischen Prozeß;
– kolloidale Metallsuspensionen aufgebracht durch Siebdruck oder andere Drucktechniken; oder
– hochleitfähige Kunststoffe wie beispielsweise PEDOT:PSS, aufgebracht durch Siebdruck oder andere Drucktechniken.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbindungsanschlußflächen aus leitfähigem Material ausgewählt aus Aluminium, ITO, einem kolloidalen Metall und PEDOT:PSS, gebildet.
Die vervollständigte Elementeanordnung wird dann in Kontakt gebracht mit dem Verbindungs/Einkapselungsblatt und mit ihm laminiert, vorzugsweise unter Aufwendung von Druck oder Hitze oder beidem, so daß die zwei Blätter zusammen laminiert werden, wie in 4 gezeigt.
Um die Haftkraft zwischen Verbindungs-/Einkapselungsschichtblatt und Elementeanordnung zu unterstützen, können Klebstoffe benutzt werden. Diese können auf die Elementeanordnung durch Tintenstrahldruck, Siebdruck oder irgendeine andere geeignete Technik aufgebracht werden oder vorzugsweise auf das Verbindungs-/Einkapselungsblatt oder auf beides. Leitfähige Klebstoffe wie kolloidale Metallsuspensionen in einem polymerischen Binder können benutzt werden, um eine gute Verbindung zwischen den Verbindungen und entsprechenden Gebieten auf der Elementeschicht sicherzustellen.
Somit kontaktieren die Verbindungen die Kathoden und freiliegende ITO Anoden oder metallisierte Bahnen der Elementeanordnung und die Einkapselungsschicht schützt zusätzlich die Elementeanordnung, wobei sie Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bietet und die Robustheit erhöht. Die vollständige laminierte Struktur ist in 5 gezeigt.
Das erfindungsgemäße eingekapselte Modul kann beispielsweise eine Anordnung von Elementen umfassen wie in 7b gezeigt, aber dahingehend abgeändert, daß die Kontakte 156 so angeordnet sind, daß sie eine Kathode mit einer benachbarten Anode verbinden. Die Elemente in dem eingekapselten erfindungsgemäßen Modul können in jeder gewünschten Konfiguration miteinander verbunden werden, beispielsweise als zweidimensionales Array, wie in 7d gezeigt, oder als eine eindimensionale Reihe.
Im Fall einer Solarzellenanordnung erlauben die Verbindungsanschlußflächen eine serielle Verbindung der Zellen, um ein Modul mit einer vergrößerten Ausgangsspannung zu erhalten. Die Anschlußflächen erlauben auch eine parallele Verbindung, um ein Modul mit vergrößertem Ausgangsstrom zu erhalten. Das Modul kann sowohl parallele als auch serielle Verbindungen enthalten, um für eine gegebene Anwendung optimierte Modulausgangswerte zu erhalten. Zusätzliche Verbindungen zwischen den Zellenanoden und -kathoden und den externen Verbindungen zum Modul können ebenfalls bereitgestellt werden.
Die Laminiertechnik dieser Erfindung bietet eine vereinfachte Möglichkeit, um miteinander verbundene Anordnungen von Elementen zu bilden, die sowohl auf feste Substrate (z.B. Glas) oder flexible Substrate (z.B. Kunststoff, Kunststoff/dünnes Glas oder Kunststoff/Keramik) angewandt werden kann. Des weiteren kann, wenn sowohl Substrat als auch Einkapselungsblatt flexibel sind, diese Herstellungstechnik in einer sehr schnellen Massenproduktion mit Roll-to-Roll-Herstellung, wie in 6 dargestellt, angewandt werden. Entsprechend wird das strukturierte Einkapselungsblatt vorzugsweise durch eine Roll-to-Roll-Herstellungstechnik auf die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen laminiert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Elementeanordnung 100 vor der selektiven Entfernung von Teilen der aktiven Schicht 108. Ein Substrat 102 ist mit einer Anodenschicht 104 beschichtet, die aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) gebildet ist. Die Anodenschicht 104 ist in herkömmlicher Art und Weise strukturiert, um individuelle Elementanoden zu definieren und irgendwelche zusätzlichen leitenden Bahnen. Das mit der strukturierten Anodenschicht 104 beschichtete Substrat 102 wird dann beschichtet durch Aufbringen einer Löchertransportschicht wie PEDOT:PSS, Härtung und Beschichtung der gehärteten Löchertransportschicht mit der optoelektronisch aktiven Schicht 108, die beispielsweise gebildet sein kann aus ein oder mehreren polymeren Materialien oder optoaktiven Materialien mit kleinen Molekülen. Geeignete Techniken für die Aufbringung der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht 108 umfassen Rotationsbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tintenstrahldruck und Siebdruck. Geeignete polymere Materialien oder optoaktive Materialien mit kleinen Molekülen beinhalten kleine Moleküle wie Alq₃ wie in US 4,539,507 offenbart; Polymere wie Polyphenylenvinylen wie in WO 90/13148 offenbart; Polyarylene wie Polyphenylene und Polyfluorene wie beispielsweise in Adv. Mater. 2000, 12(23), 1737–1750 offenbart; und Dendrimere wie in WO 02/067343 offenbart. Sind die erfindungsgemäßen Elemente OLEDs, so kann die elektrolumineszente Schicht, die aus dem optoaktiven Material gebildet ist, fluoreszent oder phosphoreszent sein.
Eine metallische Kathodenschicht 110 ist über der aktiven Schicht 108 aufgebracht, optional nach dem Aufbringen einer dazwischenliegenden Alkalihalogenid-Schicht. Die Kathodenschicht 110 wird vorzugsweise unter Verwendung einer Schattenmaske strukturiert, so daß eine Kathode einen Hauptteil aber nicht alles von jeder Anode in der strukturierten Anodenschicht überdeckt.
Bezug nehmend auf 2, werden die Löchertransportschicht und die aktive Schicht 108 in der Elementeanordnung 100 dann strukturiert, indem selektiv Teile der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht 108 entfernt werden, die über Gebieten liegen, in denen Verbindungen zu den Anodengebieten oder zu anderen leitenden Bahnen oder Anschlußflächen gemacht werden sollen. Somit werden die Teile der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht 108, die die Teile jeder Anode 104 überlagern, die nicht durch eine Kathode 110 überdeckt sind, entfernt, so daß ein kleinerer Teil 104a jeder Anode frei liegt. Zusätzlich können die Teile der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht 108, die die Teile 102a des Substrats 102 überdecken, die nicht von einer Kathode 110 bedeckt sind, auch entfernt werden. Geeignete Techniken für die selektive Entfernung von Teilen der aktiven Schicht 108 umfassen Laserabtragung und Plasmaätzen. Alternativ kann der selektive Entfernungsschritt auch überflüssig gemacht werden durch vorheriges selektives Aufbringen der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht, so daß kleinere Teile der Anode frei bleiben.
Getrennt hiervon wird ein Einkapselungs- und Verbindungsblatt 170, wie in 3 gezeigt, vorbereitet, das aus einem flexiblen Kunststoffsubstrat 172 besteht, auf dem optional Barriereschichten aufgebracht sein können, um die Durchlässigkeit für Sauerstoff und Wasserdampf zu verringern, und auf dem leitende Verbindungsanschlußflächen 171 durch Techniken wie Sputtern, Schattenmaskenbedampfung oder Siebdruck aufgebracht sind.
Die vollständige Elementeanordnung 100, wie in 2 gezeigt, wird dann in Kontakt gebracht mit dem Verbindungs-/Einkapselungsblatt 170, wie in 3 gezeigt, und mit ihm laminiert, vorzugsweise unter Aufwendung von Druck oder Hitze oder beidem, um die zwei Blätter zusammen zu laminieren, wie in 4 gezeigt.
Somit wird eine vollständige laminierte Struktur wie in 5 gezeigt hergestellt, in der die Verbindungsanschlußflächen 171 die Kathoden 110 und freiliegende Anodenteile 104a von benachbarten Elementzellen oder metallisierte Bahnen der Elementeanordnung kontaktieren. Das Kunststoffblatt 172 schützt zusätzlich die Elementeanordnung und bietet damit Schutz gegen Umwelteinflüsse und erhöhte Robustheit. Das Verfahren erlaubt eine Laminierung durch eine Roll-to-Roll-Herstellungstechnik, wie in 6 illustriert.
Ist die Anordnung eine Solarzellenanordnung, bietet eine serielle Verbindung eine erhöhte Ausgangsspannung.
Ist die Anordnung eine OLED Anordnung, können die einzelnen OLEDs benutzt werden zur Darstellung stehender Bilder, für einfache bewegliche Anzeigen wie alphanumerische Anzeigen oder für Beleuchtungszwecke.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines eingekapselten Moduls von miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen, das folgendes umfaßt: Bildung einer strukturierten Anodenschicht (104); Bildung einer Schicht von optoelektronisch aktivem Material (108) über der strukturierten Anodenschicht (104); Bildung einer strukturierten Kathodenschicht (110) über der Schicht von optoelektronisch aktivem Material (108), um eine Bauelementeanordnung (100) aus optoelektronisch aktiven Zellen auf dem Substrat zur Verfügung zu stellen; selektives Entfernen von Teilen der Schicht von optoelektronisch aktivem Material (108) um kleinere Teile (104a) der Anoden (104) freizulegen; Bildung einer strukturierten Verbindungsschicht (171) auf einem einkapselnden Blatt (172) in einer Struktur um eine Anordnung von Verbindungsanschlußflächen (171) zu definieren; und Laminieren des strukturierten einkapselnden Blatts (170) über die Anordnung (100) von optoelektronisch aktiven Zellen, wobei die freiliegenden Anodenteile (104a) durch die Verbindungsanschlußflächen (171) mit den Kathoden (110) von benachbarten Zellen verbunden werden und die miteinander verbundenen Zellen durch das einkapselnde Blatt (172) eingekapselt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines eingekapselten Moduls von miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen, das folgendes umfaßt: Bildung einer strukturierten ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat in einer Struktur, um eine Anordnung von ersten Elektroden zu definieren; Bildung einer Schicht von optoelektronisch aktivem Material über der strukturierten ersten Elektrodenschicht auf dem Substrat, so daß wenigstens Hauptteile der ersten Elektroden überdeckt werden; Bildung einer strukturierten zweiten Elektrodenschicht über der Schicht von optoelektronisch aktivem Material, die eine entgegengesetzte Polarität zu der ersten Elektrode aufweist, in einer Struktur um eine Anordnung von zweiten Elektroden zu definieren, die der ersten Elektrodenanordnung entspricht, wobei die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und das optoelektronisch aktive Material zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen auf dem Substrat definiert; wobei die Schicht von optoelektronisch aktivem Material und die strukturierte zweite Elektrodenschicht so gebildet sind, daß sie einen Hauptteil jeder ersten Elektrode überlagern und daß ein kleinerer Teil jeder ersten Elektrode freiliegt und nicht überdeckt ist von der strukturierten Schicht von optoelektronisch aktivem Material und der zweiten Elektrodenschicht; Bildung einer strukturierten Verbindungsschicht auf einem einkapselnden Blatt in einer Struktur zur Definition einer Anordnung von Verbindungsanschlußflächen, um die freiliegenden Teile der ersten Elektroden mit zweiten Elektroden benachbarter Zellen zu verbinden; Laminieren des strukturierten einkapselnden Blatts über die Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen, dergestalt, daß die Anordnung aus den Verbindungsanschlußflächen in Kontakt gebracht wird mit den freiliegenden Teilen der ersten Elektroden und den zweiten Elektroden von benachbarten Zellen, wobei die freiliegenden Teile der ersten Elektroden mit den zweiten Elektroden der benachbarten Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen verbunden werden und die miteinander verbundenen Zellen durch das einkapselnde Blatt eingekapselt werden, so daß ein eingekapseltes Modul gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optoelektronisch aktive Schicht gebildet wird durch Rotationsbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tintenstrahldruck oder Siebdruck.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optoelektronisch aktive Material so aufgebracht wird, daß es nur die Hauptteile der ersten Elektroden überdeckt und kleinere Teile der ersten Elektroden frei läßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optoelektronisch aktive Material so aufgebracht wird, daß es die Hauptteile und die kleineren Teile der ersten Elektroden überdeckt und wobei die Teile der Schicht aus optoelektronisch aktivem Material, die die kleineren Teile der ersten Elektroden überdecken, durch Laserabtragung oder Plasmaätzen vor dem Laminierschritt entfernt werden, um die kleineren Teile freizulegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode eine Kathode ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Kathodenschicht unter Verwendung einer Schattenmaske strukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die strukturierte Verbindungsschicht auf dem einkapselnden Blatt durch Sputtern, Schattenmaskenbedampfung oder Siebdruck gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das strukturierte einkapselnde Blatt auf die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen unter Druck, Hitze oder beidem laminiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das strukturierte einkapselnde Blatt über die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen unter Verwendung eines Klebstoffs laminiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das strukturierte einkapselnde Blatt durch eine Roll-to-Roll-Herstellungstechnik auf die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen laminiert wird.
Eingekapseltes Modul aus miteinander verbundenen optoelektronischen Bauelementen, das folgendes umfaßt: eine Anordnung von optoelektronisch aktiven Zellen auf einem Substrat, wobei jede Zelle eine auf dem Substrat gebildete erste Elektrodenschicht; eine über einem Hauptteil der ersten Elektrodenschicht gebildete Schicht aus optoelektronisch aktivem Material; und eine über der Schicht aus optoelektronisch aktivem Material gebildete zweite Elektrodenschicht umfaßt, die einen Hauptteil der ersten Elektrodenschicht überdeckt, wobei ein kleinerer Teil der ersten Elektrodenschicht weder von der Schicht aus optoelektronisch aktivem Material noch von der zweiten Elektrodenschicht überdeckt ist; und ein einkapselndes Blatt, auf dem eine Anordnung von Verbindungsleitungen vorhanden ist und das über die Anordnung aus optoelektronisch aktiven Zellen laminiert ist; wobei die Zellen durch die Verbindungsleitungen verbunden sind, die den kleineren Teil der ersten Elektroden von einer Zelle und die zweite Elektrodenschicht einer anderen Zelle kontaktieren.
Eingekapseltes Modul nach Anspruch 11, wobei das optoelektronische Bauelement ein organisches fotovoltaisches (PV) Element oder ein organisches lichtemittierendes Diodenelement (OLED) ist.
Eingekapseltes Modul nach Anspruch 11 oder 12, wobei das einkapselnde Blatt ein flexibles Kunststoffblatt ist.
Eingekapseltes Modul nach Anspruch 13, wobei das flexible einkapselnde Blatt aus Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN) ist.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Substrat aus Glas oder Kunststoff oder ein Glas/Kunststoff-Laminat ist.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode eine Kathode ist.
Eingekapseltes Modul nach Anspruch 16, wobei die Anodenschicht Indiumzinnoxid (ITO) und die Kathodenschicht eine oder mehrere metallische Schichten umfaßt.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Verbindungsanschlußflächen aus einem leitfähigen Material sind, das ausgewählt ist aus Aluminium, Indiumzinnoxid (ITO), einem kolloidalen Metall und PEDOT:PSS.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen in serieller Konfiguration miteinander verbunden sind.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen in einer parallelen Konfiguration miteinander verbunden sind.
Eingekapseltes Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei ein Teil der Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen in serieller Konfiguration und ein anderer Teil der Zellen durch die Verbindungsanschlußflächen in paralleler Konfiguration miteinander verbunden sind.