DE69934786T2

DE69934786T2 - Mehrschichtige photovoltaische oder photoleitende vorrichtung

Info

Publication number: DE69934786T2
Application number: DE69934786T
Authority: DE
Inventors: Klaus Petritsch; Magnus Granstrom
Original assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Current assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: TW471183B; DE69934786D1; CN1258827C; GB9806066D0; US6340789B1; JP2002508599A; KR100609885B1; EP1064686A1; CN1298554A; AU2433799A; KR20010042070A; WO1999049525A1; EP1064686B1; JP4440465B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optisch absorptive photonische Vorrichtungen und im Besonderen auf photoelektrische und photoleitende Vorrichtungen und ihre Ausgestaltung. Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich besonders auf aus mehrfachen halbleitenden Schichten ausgeformte Vorrichtungen, die vorzugsweise aus organischen halbleitenden Polymeren zusammengesetzt sind.
Hintergrund zur Erfindung
Halbleitende photoelektrische Vorrichtungen basieren auf dem Abstand von Elektronenlochpaaren, die als Folge der Absorption eines Photons ausgeformt werden. Im Allgemeinen wird für die Abspaltung ein elektrisches Feld verwendet. Das elektrische Feld kann von einem Schottky Kontakt herrühren, wo ein eingebautes Potential an einer Metall-Halbleiter-Schnittstelle vorhanden ist, oder von einem pn-Übergang zwischen halbleitenden Materialien vom p-Typ und n-Typ. Solche Vorrichtungen werden üblicherweise aus anorganischen Halbleitern, besonders Silizium hergestellt, das in monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Formen verwendet wird. Silizium wird normalerweise wegen seiner hohen Konversionseffizienz und der großen industriellen Investitionen gewählt, die bereits in Siliziumtechnik gemacht worden sind. Siliziumtechnik ist jedoch mit hohen Kosten verbunden und komplexen Schritten im Fertigungsverfahren, die zu Vorrichtungen führen, die teuer sind in Bezug auf die Leistung, die sie erzeugen.
„Two-layer organic photovoltaic cell", Applied Physics Letters 48(2), 13. Januar 1986, C. W. Tang, US 4,164,431 und US 4,281,053 beschreiben vielschichtige organische photoelektrische Elemente. Diese Vorrichtungen werden in einer Schicht auf Schicht Ausführungsform ausgeformt. Eine erste organische halbleitende Schicht wird auf einer Elektrode aufgebracht, ei ne zweite organische halbleitende Schicht wird auf der ersten organischen Schicht aufgebracht, und eine Elektrode wird auf der zweiten organischen Schicht aufgebracht. Die ersten und zweiten organischen halbleitenden Schichten stellen Elektronenakzeptoren und Lochakzeptoren dar. Im Folgenden bezieht sich ein „Elektronen aufnehmendes Material" auf ein Material, das auf Grund einer mit einem anderen Material verglichenen höheren Elektronenaffinität dazu in der Lage ist, ein Elektron von diesem anderen Material aufzunehmen. Ein „Loch aufnehmendes Material" ist ein Material, das auf Grund eines mit einem anderen Material verglichenen geringeren Ionisierungspotentials dazu in der Lage ist, Löcher von diesem anderen Material aufzunehmen. Die Absorption von Licht in organischen photoleitenden Materialien führt zur Erzeugung von gebundenen Elektronenlochpaaren, die getrennt werden müssen, bevor eine Ladungsaufnahme stattfinden kann. Die Erwägungen in Bezug auf das Material für organische Vorrichtungen sind andere verglichen mit anorganischen Vorrichtungen, wo das Elektron und die Löcher, die von der Absorption eines Photons erzeugt werden, nur schwach gebunden sind. Die Trennung des gebundenen Elektronenlochpaars wird erleichtert durch die Schnittstelle zwischen der Schicht des Materials, das als ein Lochakzeptor wirkt, und der Schicht des halbleitenden Materials, das als ein Elektronenakzeptor wirkt. Die Löcher und Elektronen wandern durch ihre entsprechenden Akzeptormaterialien, um bei den Elektroden angesammelt zu werden.
Die Gestaltung von photoelektrischen Vorrichtungen, die in einer Schicht auf Schicht Weise hergestellt werden, ist beschränkt. Wenn eine organische Schicht auf eine andere organische Schicht aufgebracht wird, muss die zweite Schicht auf solch eine Weise hinzugefügt werden, dass die zuvor aufgebrachte Schicht nicht auf eine abträgliche Weise beeinflusst wird. Folglich sind die für anschließende Schichten verwendeten Lösungsmittel eingeschränkt, um die vorherigen Schicht nicht vollständig aufzulösen oder auf andere Weisen zu zerstören.
„Efficient photodiodes from interpenetrating polymer networks", Nature, vol 376, 10. August 1995, Seiten 498–500, J. J. M. Halls et al, und US 5,670,791 beschreiben die Ausformung einer photoelektrischen Vorrichtung durch das Ablagern einer einzelnen Schicht, die eine Mischung von ersten und zweiten halbleitenden Polymeren umfasst und die Ablagerung einer zweiten Elektrode oben auf diese Schicht. Das erste halbleitende Polymer wirkt als Elektronenakzeptor, und das zweite halbleitende Polymer wirkt als ein Lochakzeptor. Die ersten und zweiten halbleitenden Polymere formen entsprechende durchgängige Verbunde aus, die sich gegenseitig durchdringen, so dass es einen durchgängigen Weg durch jedes der halbleitenden Polymere gibt und ein Ladungsträger innerhalb einem der ersten und zweiten halbleitenden Polymere zwischen den ersten und zweiten Elektroden wandern kann, ohne in das andere halbleitende Polymer überzutreten. Jedoch zeigen diese Vorrichtungen nicht die hohe Effizienz, die erwartet würde, wenn die Vorrichtungen so arbeiten würden, wie man sich dies ideale Weise vorgestellt hat. Dies kann auf der Tatsache beruhen, dass es wahrscheinlich ist, dass sich mindestens eines der Polymere durch die ganze Vorrichtung erstrecken kann und dadurch ein paralleles System von einzelnen realen Dioden erzeugen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte photoelektrische Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, um eine photoelektrische oder photoleitende Vorrichtung gemäß Anspruch 1 auszuformen. Ausführungsformen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 10 und 14 bis 45 definiert.
Laminierung kann die Anwendung von Druck oder Wärme oder Druck und Wärme umfassen. Wenn Wärme angewandt wird, kann dies einbeziehen, eine oder beide der halbleitenden Schichten über ihren Glasübergangstemperaturen zu erhitzen. Die halbleitenden Schichten können vor der Laminierung zum Beispiel durch organische oder anorganische Dotierung individuell behandelt werden. Eine solche Behandlung kann die Morphologie, die Eigenschaften der Lichtabsorption, die Transporteigenschaften oder die Injektionseigenschaften von einer oder beiden halbleitenden Schichten verändern. Die Dicke der halbleitenden Schichten vor der Laminierung kann zum Beispiel durch Drallbeschichtung mit einer Lösung aus halbleitendem Material gesteuert werden. Weiterhin können die verbleibende Dicke der gemischten Schicht und/oder die Dicke der ersten und zweiten halbleitenden Schichten zum Beispiel durch Tempern gesteuert werden.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine photoelektrische oder photoleitende Vorrichtung gemäß Anspruch 11 zur Verfügung gestellt. Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 12 bis 45 definiert.
Entsprechend jedem der verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung kann die gemischte Schicht ein sich gegenseitig durchdringender Verbund aus den ersten und zweiten halbleitenden Materialien sein. Die ersten und ebenso die zweiten halbleitenden Materialien können eine Mischung aus Materialkomponenten oder eine einzelne Materialkomponente umfassen. Die ersten und zweiten Substrate und die ersten und zweiten Komponenten können selbsttragend sein. Die halbleitenden Materialien können die Eigenschaften aufweisen, wie sie in einem der Ansprüche 18 bis 31 definiert sind. Die ersten und zweiten halbleitenden Schichten können vor und nach der Laminierung die Eigenschaften aufweisen, wie sie durch die Ansprüche 33 bis 38 definiert sind. Die erste Elektrode kann physikalischen Kontakt mit der ersten halbleitenden Schicht herstellen, oder ei ne einer Vielzahl von Schichten kann zwischen der ersten Elektrode und der ersten halbleitenden Schicht eingebracht werden. Ebenso kann die zweite Elektrode physikalischen Kontakt mit der zweiten halbleitenden Schicht herstellen, oder eine einer Vielzahl von Schichten kann zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten halbleitenden Schicht eingebracht werden. Die Elektroden können die Gleichen oder verschiedene Austrittsarbeiten aufweisen. Eine Elektrode kann selbst eines der selbsttragenden Substrate ausformen, oder die Elektrode kann von einem der selbsttragenden Substrate umfasst oder getragen werden. Vorzugsweise senden eines oder beide der Substrate Licht aus. Weiterhin können eines oder beide der Substrate (und Komponenten) flexibel sein.
Laminierungsverfahren haben sich gut bewährt und ermöglichen es, dass Anordnungen auf eine problemlose Weise in einem großen Umfang und zu niedrigen Kosten hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht vor der Ausführung der Laminierung die Behandlung der ersten halbleitenden Schicht und/oder zweiten halbleitenden Schicht vor. Diese Behandlung war nach dem Stand der Technik nicht möglich.
Von einer entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellten Vorrichtung wird angenommen, dass sie hilft, die Schaffung einer parallelen Anordnung von Dioden zu vermeiden und eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber der zuvor in der genannten Offenlegung von Hall et al beschriebenen Vorrichtung aufweist. Die ersten und zweiten halbleitenden Schichten stellen sicher, dass sich ein einzelnes Material nicht von der ersten Elektrode zu der zweite Elektrode erstreckt.
Eine entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellte Vorrichtung weist eine hohes Nutzen-Kosten-Verhältnis auf.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellte Vorrichtungen weisen im Vergleich mit der zuvor angezeigten Vorrichtung aus Polymermischung eine hohe Effizienz auf.
Entsprechend der Erfindung hergestellte Vorrichtungen machen es möglich, das Risiko der Ausformung von Fehlstellen oder direkten leitfähigen Wegen von einer Elektrode zur Anderen zu reduzieren. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von großflächigen Vorrichtungen.
Da die Vorrichtung nicht in der Form der Aufbringung von Schicht auf Schicht erzeugt wird, wird die Auswahl an geeigneten Materialien gesteigert, da die Auswirkungen der Erzeugung der zweiten halbleitende Schicht über der ersten halbleitenden Schicht in der Form der Aufbringung von Schicht auf Schicht weniger kritisch sind. Dies erlaubt eine größere Flexibilität bei der Konfektionierung der Vorrichtung, um in spezifischen Wellenlängenbereichen zu absorbieren und ermöglicht eine effizientere Verwendung des Spektrums, wenn diese als eine Solarzelle verwendet wird. Es ermöglicht auch, dass andere Eigenschaften der Vorrichtung gesteuert oder verbessert werden, wie zum Beispiel deren Leitfähigkeit und Reihenwiderstand.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu verstehen, wie diese in Kraft gesetzt werden kann, wird jetzt beispielhaft nur auf die beigefügten Abbildungen Bezug genommen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt die chemische Struktur des organischen Polymers POPT;
2 zeigt die chemische Struktur des organischen Polymers MCP;
3 zeigt die chemische Struktur des organischen Polymers P3HT;
Die 4a, 4b und 4c dienen als Beispiel für das Verfahren der Erfindung;
5 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung; und
6 zeigt ein Diagramm, das eine Vorrichtung zeigt, die für die Ausführung des Verfahrens der Erfindung entsprechend bestimmten Ausführungsformen geeignet ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die 4a, 4b, 4c und die 5 veranschaulichen die Herstellung einer photoelektrischen oder photoleitenden Vorrichtung 20. Die Vorrichtung 20 weist eine erste Teilkomponente 8 und eine zweite Teilkomponente 16 auf, die zusammen laminiert werden, wie in 4c veranschaulicht ist. Die erste Teilkomponente 8 wird in 4a veranschaulicht und weist ein erstes selbsttragendes Substrat 2, eine erste Elektrode 4 und eine erste halbleitende Schicht 6 auf. Die zweite Teilkomponente 16 wird in 4b veranschaulicht und weist ein zweites selbsttragendes Substrat 10, eine zweite Elektrode 12 und eine zweite halbleitende Schicht 14 auf. Bei der Laminierung wird, wie in 5 veranschaulicht, eine gemischte Schicht 28 an der Schnittstelle der ersten halbleitenden Schicht 6 und der zweiten halbleitenden Schicht 14 ausgeformt, die Material von den ersten und zweiten halbleitenden Schichten enthält.
Das Material der ersten halbleitenden Schicht 6 wirkt als Elektronendonator, während das Material der zweiten halbleitenden Schicht 14 bei dieser Materialkombination als Elektronenakzeptor wirkt. Halbleitende Polymere, die als Elektronenakzeptoren wirken können sind zum Beispiel Polymere, die CN- oder CF₃-Gruppen wie CN-PPV, MEH-CN-PPV, CF₃ substituierte Gruppen oder Buckminsterfulleren (C₆₀) alleine oder funktionalisiert enthalten, um die Löslichkeit zu verbessern. Halbleiten de Polymere, die keine solchen oder andere Elektronen entziehende Gruppen enthalten, können häufig als Lochakzeptoren wirken, zum Beispiel die folgenden Polymere (und ihre Derivate) oder Copolymer enthaltende Einheiten der folgenden Polymere (und ihrer Derivate): Poly(Phenylen), Poly(Phenylenvinylen), Poly(Thiophen), Poly(Silan), Poly(Thienylenvinylen) und Poly(Isothianaphthen).
Andere geeignete halbleitende Materialien umfassen: organometallische Polymere; Phthalocyanine, Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate; und Azofarbstoffe, die aus Azochromoforen (-N=N-) bindenden aromatischen Gruppen bestehen.
Andere geeignete halbleitende Materialien umfassen Perylenpolymer, Poly(Squaraine) und organische Moleküle. Beispiele für halbleitende organische Moleküle umfassen Farbstoffe und Pigmente, wie sie in US 4,281,053 , US 4,164,431 , US 5,201,961 und US 5,350,459 beschrieben sind.
Die halbleitenden Schichten können aus einer Mischung von halbleitenden Materialien ausgeformt werden, die Mischungen von Polymeren mit Polymeren und Mischungen von Polymeren mit Molekülen umfasst.
Das erste Substrat 2 und die erste Elektrode 4 und/oder die zweite Elektrode 12 und das zweite Substrat 10 sind transparent, um es Licht zu erlauben, die gemischte Schicht zu erreichen. Bei Beleuchtung ist die Vorrichtung dazu fähig, entweder elektrische Leistung abzugeben, oder – unter angewandter Vorspannung – einen von Licht abhängigen Strom.
Im Allgemeinen weisen die Elektroden verschiedene Austrittsarbeiten auf, um ein elektrisches Feld über die Vorrichtung hinweg zu induzieren. Wenn jedoch die Vorrichtung mit entgegen gesetzter Vorspannung (von außen angelegte Spannung) verwendet wird, können die Elektroden dieselbe Austrittsarbeit aufweisen und aus demselben Material hergestellt werden. Beispiele für Materialien mit hoher Austrittsarbeit sind: Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, dotiertes Poly(Anilin), dotiertes Poly(Äthylendioxythiophen) und andere Poly(Thiophen) Derivate, dotiertes Poly(Pyrrol), Indiumzinnoxid, fluoriniertes Zinnoxid, Zinnoxid und Zinkoxid. Beispiele für Materialien mit niedriger Austrittsarbeit sind Li, Al, Ca, Mg, Sm, Tb, Yb, Zr und Legierungen von diesen. Wenn eine Metallelektrode verwendet wird, kann das Metall selbst sowohl das selbsttragende Substrat als auch die Elektrode ausformen. Ein Beispiel dafür ist Aluminiumfolie.
In der endgültigen Vorrichtung 20 sind die ersten und zweiten halbleitenden Schichten 6 und 14 dick genug, um die gemischte Schicht 28 daran zu hindern, in direkten Kontakt mit den Elektroden zu kommen, sollten aber andererseits so dünn wie möglich sein.
Obwohl in den 4a, 4b, 4c und 5 die erste halbleitende Schicht 6 in physikalischem Kontakt mit der ersten Elektrode 4 stehend gezeigt worden ist und die zweite halbleitende Schicht 14 in physikalischem Kontakt mit der zweiten Elektrode 12 stehend gezeigt worden ist, ist ein solcher physikalischer Kontakt nicht notwendig für den Betrieb der Vorrichtung. Eine oder mehrere Zwischenschichten können zwischen der ersten Elektrode 4 und der ersten halbleitenden Schicht 6 liegen. Ebenso können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der zweiten Elektrode 12 und der zweiten halbleitenden Schicht 14 liegen. Diese Zwischenschichten können eine Schicht aus dotiertem Poly(Äthylendioxythiophen) oder aus Poly(Anilin) oder aus einem dotierten konjugierten Polymer sein. Diese Schichten sind besonders nützlich auf der oberen Seite einer Indiumzinnoxidelektrode, wo sie die halbleitende Schicht vor Sauerstoff und anderen Verunreinigungen schützen, die aus dem Indiumzinn oxid hervorgehen. Andere Beispiele für Zwischenschichtmaterialien sind Polymere, die Triphenyleneinheiten umfassen, die den Lochtransport verbessern, und Tri(8-Quinolinato) Aluminium (111) Komplexe (Alq₃), die den Elektronentransport verbessern.
Ausführungsform 1
Ein erstes Verfahren, um die Vorrichtung 20 auszuformen, wird mit Bezug auf 4 erläutert. Ein Glassubstrat 2 wird mit Indiumzinnoxid, ITO, bedeckt, um die erste Elektrode 4 auszuformen. Die ITO Oberfläche wird mit Hilfe von Aceton und Methanol gereinigt. Eine organische Polymerlösung von 10 Milligramm von regioregulärem POPT (Poly(3-(4-Octylphenyl)Thiophen)), dessen chemische Anordnung in 1 veranschaulicht ist, wird durch Auflösen in 2 Millilitern Chloroform zubereitet. Die Lösung wird mit Filtern von 0,45 Mikrometern gefiltert und dann auf die ITO Oberfläche drallbeschichtet, um eine Dicke zwischen 40 und 150 nm zu erzeugen. Das mit dem Polymer beschichtete Substrat wird dann bei einer Rate von 4° C pro Minute von Raumtemperatur auf 230° C erwärmt und 30 Minuten bei 230° C gehalten. Diese Erwärmung geschieht in einer Vakuumkammer mit einem Gasdruck von unterhalb 10^–5 Torr und führt einen Phasenwechsel beim POPT herbei, der dessen Absorption zu längeren Wellenlängen hin verschiebt.
Mit Bezug auf 4b wird die Formung einer zweiten Teilkomponente 16 beschrieben. Die zweite Elektrode 12 wird auf dem zweiten Substrat 10 durch thermisches Aufdampfen von Aluminium auf ein Glassubstrat ausgeformt. Die zweite halbleitende Schicht 14 wird über der Aluminiumelektrode 12 durch Drallbeschichten einer organischen Polymerlösung auf das mit Aluminium beschichtete Substrat ausgeformt. Die Lösung wird ausgeformt durch Auflösen von 10 mg MCP (Poly(2,5-bis(Nitrilmethyl)-1-Methoxy-4-(2'-Äthylhexyloxy)Benzol-co-2,5 Dialdehyd-1-Methoxy-4-(2'-Ethylexyloxy)Benzol)), dessen Anord nung in 2 veranschaulicht ist, in 2 Millilitern von Chloroform und Filtern der Lösung unter Verwendung eines 0,45 Mikrometer Filters. Die Formung der Aluminiumelektrode 12 und der halbleitenden MCP Schicht 14 wird in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt, um eine Oxidation der Aluminiumkontakte zu vermeiden.
Nach der individuellen Herstellung der ersten Teilkomponente 8 und der zweiten Teilkomponente 16 werden diese zusammen laminiert, um die Vorrichtung 20 auszuformen, wie diagrammatisch in 4c durch die Pfeile A aufgezeigt. Die erste Teilkomponente 8 wird, während sie sich bei ihrer erhöhten Temperatur befindet, mit der zweiten Teilkomponente ausgerichtet, so dass die halbleitende POPT Schicht 6 und die halbleitende MCP Schicht 14 einander gegenüber liegen. Die halbleitenden Schichten werden zwei bis vier Minuten in Kontakt gebracht und ein Druck von etwa 30 kPa wird angewandt, um die Teilkomponenten zusammen zu laminieren. Während der Laminierung befindet sich die halbleitende POPT Schicht 6 bei einer Temperatur von etwa 230° C, was über der Glaswechseltemperatur von POPT liegt.
Die Dicke der POPT Schicht 6 und der MCP Schicht 14 kann vor der Laminierung durch Variieren der Drehgeschwindigkeit gesteuert werden, bei der die Drallbeschichtung auftritt. Wenn eine Lösung drallbeschichtet wird, wird die Filmdicke auch von der Konzentration der Lösung, der Temperatur und dem Lösungsmittel bestimmt, die verwendet werden.
5 veranschaulicht die Anordnung, die sich aus dem Laminierungsprozess ergibt. Die POPT Homoschicht 6 und die MCP Homoschicht 14 interagieren, so dass die gemischte Schicht 28 ausgeformt wird. Diese Schicht umfasst eine Mischung aus POPT, das von der POPT Schicht 6 herrührt und aus MCP, das von der MCP Schicht 14 herrührt. Die erste aus POPT ausgeformte halb leitende Schicht 6 wirkt als ein Lochakzeptor und die zweite, aus MCP ausformte halbleitende Schicht, wirkt als Elektronenakzeptor.
Die erste halbleitende Schicht 6 kann alternativ aus P3HT (regioregulärem Poly(3-Hexylthiophen)) ausgeformt werden, dessen Strukturformel in 3 veranschaulicht ist. 10 Milligramm von diesem Polymer werden in 2 Millilitern von Chloroform aufgelöst und dann mit Hilfe von einem 0,45 Mikrometer Filter gefiltert, um eine Polymerlösung zu erzeugen. Diese Lösung wird über die ITO Elektrode 4 drallbeschichtet. P3HT zeigt nicht den Phasenwechsel, der in POPT gefunden wird. Die erste Teilkomponente 8 wird jedoch über ihre Glaswechseltemperatur auf etwa 200° C erhitzt und mit der zweiten Teilkomponente 16 auf die zuvor beschriebene Art laminiert. In der entstehenden Vorrichtung 20 ist die gemischte Schicht 28 eine Mischung aus P3HT und MCP.
Als eine andere Alternative zur Verwendung von MCP, könnte ein mit Cyan substituiertes Poly(Phenylenvinylen) Derivat ohne die Methylethylhexyloxy Gruppe als das Elektronen aufnehmende Material in der zweiten halbleitenden Schicht 14 verwendet werden, mit entweder einem Poly(Thiophen) Derivat oder einem Poly(Phenylenvinylen) Derivat als Löcher aufnehmendes Material in der ersten halbleitend Schicht 6.
Ausführungsform 2
In der zweiten Ausführungsform werden die erste halbleitende Schicht 6 und die zweite halbleitende Schicht 14 durch ein unterschiedliches Verfahren ausgeformt. Mit Bezug auf 4 ist die erste halbleitende Schicht 6 eine Polymermischung, die ausgeformt wird durch Auflösen von 19 Milligramm von POPT und 1 Milligramm von MCP in 4 Millilitern von Chloroform, Filterung der Lösung mit Hilfe eines 0,45 Mikrometer Filters und Drallbeschichtung der gefilterten Lösung auf die Oberfläche der Indiumzinnoxidelektrode 4. Die zweite halbleitende Schicht 14 der zweiten Teilkomponente 16 ist ebenfalls eine Polymermischung. Diese Polymermischung wird durch Auflösen von 1 Milligramm von POPT und 19 Milligramm von MCP in 4 Millilitern von Chloroform und Filtern der Lösung mit Hilfe eines 0,45 Mikrometer Filters ausgeformt. Die Polymermischung wird dann auf die Aluminiumelektrode 12 drallbeschichtet. Das Verfahren ist dann das Gleiche, wie zuvor beschrieben. Die erste Teilkomponente 8 wird erwärmt, und die zwei Teilkomponenten werden zusammen laminiert, um die vollständige Vorrichtung 20 auszuformen.
In der ersten halbleitenden Schicht 6 herrscht POPT vor, und das bevorzugte Verhältnis von POPT zu MCP beträgt von 95% bis 5% in Gewichtsanteilen. Die Effizienz der fertigen Vorrichtung nimmt ab in der Weise, wie der Prozentsatz von MCP zu POPT zunimmt, gute Ergebnisse werden jedoch immer noch mit einem Verhältnis von 80% POPT zu 20% MCP in Gewichtsanteilen erzielt.
Ebenso herrscht in Bezug auf die zweite halbleitende Schicht 14 MCP vor und das bevorzugte Verhältnis von MCP zu POPT beträgt 95% bis 5% in Gewichtsanteilen, aber es kann ebenfalls variieren, und gute Ergebnisse werden mit einem Verhältnis von 80% MCP zu 20% POPT in Gewichtsanteilen erreicht.
5 veranschaulicht die Anordnung, die sich aus dem Laminierungsprozess ergibt. Die erste gemischte halbleitende Schicht 6 und die zweite gemischte halbleitende Schicht 14 interagieren, so dass die gemischte Schicht 28 ausgeformt wird. Diese Schicht umfasst eine von der ersten gemischten Schicht 6 und der zweiten gemischten Schicht 14 abgeleitete Mischung. Die gemischte Schicht 28 weist einen kleineren Prozentanteil an POPT auf, als die erste gemischte Schicht 6 und einen kleineren Prozentanteil an MCP auf, als die zweite gemischte Schicht 14. POPT wirkt als ein Lochakzeptor und MCP wirkt als ein Elektronenakzeptor.
Als Alternative zu der Verwendung von POPT und MCP können POPT und MCP entsprechend durch ein Derivat von Poly(Thiophen) und ein mit Cyan substituiertes Derivat von Poly(Phenylenvinylen) ersetzt werden.
Entsprechend den beschriebenen Verfahren können die getrennten ersten und zweiten halbleitenden Schichten vor der Laminierung individuell behandelt werden. Eine solche Behandlung kann die Veranlassung von einem Phasenwechsel in einem halbleitenden Polymer einschließen, um seine Absorptionseigenschaften zu verändern, den Aufbau des Materials zu verändern, um seine Transporteigenschaften zu verbessern, oder die Dotierung des Materials zu verändern. Getrenntes Tempern der zwei Komponenten 8 und 16, bevor diese zusammen laminiert werden, ermöglicht es, dass Spuren von Lösungsmittel, Wasser und Sauerstoff entfernt werden. Selektives Dotieren (mit molekularen, polymeren oder anorganischen Dotierungsmaterialien) jeder Schicht kann ein sehr leistungsfähiges Mittel darstellen, um den Reihenwiderstand zu vermindern und/oder interne elektrische Felder zu erzeugen oder zu verbessern. Die Bandlücke der Halbleiterschichten kann je nach dem Grad der Dotierung vermindert oder sogar entfernt werden. Mögliches Entdotieren (Neutralisierung) an der Schnittstelle nach der Laminierung beider Substrate kann zu einer (erneuten) Schaffung oder Änderung einer Bandlücke und/oder der Transporteigenschaften führen, die die Effizienz einer solchen Vorrichtung verbessern könnten. Dies ist teilweise in Synthetic Metals 84 (1997) 477–482, Yoshino et al erörtert worden. Mit der vorliegenden Erfindung können der Donator und das Akzeptormaterial und jegliche zugrunde liegende Schichten gesondert dotiert und optimiert werden.
Die gemischte Schicht wird ausgeformt durch die Diffusion der ersten halbleitenden Schicht in die zweite halbleitende Schicht, dementsprechend kann die Vorrichtung 2 nach der Laminierung angelassen werden, um die Trennung der Phasen und die Dicke der gemischten Schicht 16 zu steuern. Dies stellt eine Zunahme des Grenzflächenbereichs in der fertigen Vorrichtung zur Verfügung. Die Zunahme des Grenzflächenbereichs zwischen dem Material der ersten halbleitenden Schicht 6 und dem Material der zweiten halbleitenden Schicht 14 in der fertigen Vorrichtung kann bedeutend verbessert werden, verglichen mit einer in der Weise des Ablagerns von Schicht auf Schicht erzeugten Vorrichtung.
In den vorhergehenden beschriebenen Verfahren wurden Lösungen hergestellt für das Beschichten der ersten und zweiten halbleitenden Schichten mit einem Verhältnis von Polymer zu Lösung von 5 Milligramm je 1 Milliliter. Jedoch ist dieser Bereich von der Löslichkeit des Polymers in der Lösung abhängig und kann sich je nach der Art des verwendeten Polymers von 0,1 Milligramm pro Milliliter bis zu 75 Milligramm pro Milliliter erstrecken.
Als Alternative zu dem, was zuvor beschrieben worden ist, werden das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 10 aus flexiblem Kunststoffmaterial ausgeformt. Das erste Substrat 2 ist Wärme stabilisiertes Polyester (PET), das kommerziell bereits mit ITO beschichtet verfügbar ist. Die erste Elektrode kann alternativ durch Ablagern des Indiumzinnoxids oder Ausformen eines leitfähigen Polymers auf dem Polyestersubstrat 2 ausgeformt werden. Um ein leitfähiges Polymer auszuformen, wird eine Lösung aus Poly(Äthylendioxythiophen)/Polystyren schwefeliger Säure über das Polyestersubstrat 2 drallbeschichtet. Eine geeignete Lösung ist kommerziell von der Bayer AG, Deutschland erhältlich. Der elektrisch leitende Polymerfilm ergibt eine durchsichtige Elektrode, auf die die erste halbleitende Schicht drallbeschichtet werden kann. Die erste halbleitende Schicht 6 wird dann, wie zuvor in Bezug auf 4 beschrieben, über der Elektrode 4 ausgeformt. Das zweite Substrat 10 ist ebenfalls ein Wärme stabilisierter Polyesterfilm. Die zweite Elektrode 12 wird durch thermisches Aufdampfen einer dünnen Schicht aus Aluminium auf den Polyesterfilm ausgeformt und die zweite halbleitende Schicht 14 wird ausgeformt wie zuvor beschrieben.
6 veranschaulicht eine Vorrichtung, die für das Ausführen der Laminierung der ersten halbleitenden Schicht auf die zweite halbleitende Schicht geeignet ist. Die erste Teilkomponente 8 kann als selbsttragender Film 2 zugeführt werden, der eine erste Indiumzinnoxidelektrode trägt, und eine erste halbleitende Schicht 6 von einer Folienrolle 22. Die zweite Teilkomponente 16 kann als eine selbsttragende Folie 10 zugeführt werden, die eine zweite Aluminiumelektrode 12 und eine zweite halbleitende Schicht 14 von einer Folienrolle 24 trägt. Die zwei selbsttragenden, beschichteten Filme 8 und 16 werden einem Paar geheizter Walzen 26 zugeführt, die die Filme zusammen laminieren, um, wie in 5 veranschaulicht, eine fortlaufende laminierte Multischichtanordnung zu erzeugen.
Alternativ dazu können eines oder beide der flexiblen Substrate 2 und 10 von einer Rolle zugeführt werden. Ein Substrat, das von der Rolle herunter kommt, wird fortlaufend beschichtet, um eine Teilkomponente auszuformen. Dies kann die kontinuierliche sequentielle Ablagerung von einer Schicht erfordern, um eine Elektrode auszuformen, gefolgt von einer halbleitenden Schicht, oder, wenn das Substrat schon eine Elektrode aufweist, der kontinuierlichen Ablagerung einer halbleitenden Schicht. Eine oder beide der Teilkomponenten können auf diese Weise stetig einem Paar geheizter Walzen 26 zugeführt werden, die die Teilkomponenten zusammen laminieren, um eine kontinuierliche laminierte Vielschichtanordnung zu erzeugen, wie in 5 veranschaulicht.
Die flexiblen Substrate 2 und 10 können aus Wärme stabilisiertem Poly(Äthylenterephthalae), Poly(Imid), Poly(Ätherimid), Poly(Äthylennaphthalat), Poly(Karbonat), dünnen flexible Blättern aus Glas- und Metallfolie ausgeformt werden.
Obwohl nur ein Drallbeschichtungsverfahren beschrieben worden ist, um die ersten und zweiten halbleitenden Schichten auf die ersten beziehungsweise zweiten Bauteile aufzubringen, sollte es verstanden werden, dass verschiedene Verfahren verwendet werden können, zum Beispiel: Sprühbeschichten, Tauchbeschichten, Rollbeschichten, Kügelchenbeschichten, Wulstrandbeschichten, Langmuir-Blodgett Verfahren, Rasterdruck und Eigenmontageverfahren.

Claims

Verfahren zur Ausformung einer photoelektrischen oder photoleitenden Vorrichtung, umfassend das Zusammenlaminieren einer ersten Komponente, die eine erste Elektrode (4) und eine erste halbleitende Schicht (3) aufweist, die vorwiegend ein organisches halbleitendes Elektronendonatormaterial umfasst, und einer zweiten Komponente, die eine zweite Elektrode (12) und eine zweite halbleitende Schicht (14) aufweist, die vorwiegend ein organisches halbleitendes Elektronenakzeptormaterial umfasst, wobei der Schritt des Laminierens das kontrollierte Zusammenfügen der ersten halbleitenden Schicht und der zweiten halbleitenden Schicht umfasst, um eine gemischte Schicht auszuformen, die anteilmäßig weniger des halbleitenden Elektronendonatormaterials als die erste halbleitende Schicht und anteilmäßig weniger des halbleitenden Elektronenakzeptormaterials als die zweite halbleitende Schicht umfasst, während die erste und die zweite halbleitende Schicht mit einer reduzierten Dicke beibehalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Laminierens die Anwendung von Druck und/oder Wärme umfasst.
Verfahren nach Anspruche 2, wobei die Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien Polymere sind, und die Anwendung von Wärme die Erwärmung von mindesten einer der ersten und zweiten halbleitenden Schichten über ihre Glasübergangstemperatur umfasst.
Verfahren gemäß jedem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt des Laminierens weiterhin Tempern umfasst, um eine gemischte Schicht von gewünschter Dicke auszuformen.
Verfahren gemäß jedem vorhergehenden Anspruch, das weiterhin vor dem Laminieren die Behandlung von mindestens einer der ersten oder zweiten halbleitenden Schichten durch organische oder anorganische Dotierung umfasst.
Verfahren entsprechend jedem vorhergehenden Anspruch, das vor dem Schritt des Laminierens weiterhin die Behandlung von mindestens einer der ersten oder zweiten halbleitenden Schichten umfasst, um ihre Eigenschaften der Lichtabsorption und/oder ihre Transport- und Injektionseigenschaften zu verändern.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Dicke der ersten halbleitenden Schicht vor dem Laminieren und die Dicke der zweiten halbleitenden Schicht vor dem Laminieren gesteuert werden.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die erste Komponente selbsttragend ist und erstes halbleitendes Material über einem selbsttragenden ersten Substrat (2) umfasst, das eine erste Elektrode trägt oder umfasst.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die zweite Komponente selbsttragend ist und zweites halbleitendes Material über einem selbsttragenden zweiten Substrat (10) umfasst, das eine erste Elektrode trägt oder umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei mindestens eine der Komponenten flexibel als Rolle gelagert ist und von dieser zur Laminierung mit dem selbsttragenden Substrat der anderen der Komponenten bereitgestellt wird.
Photoelektrische oder photoleitende Vorrichtung, die nachfolgendes umfasst: eine erste Elektrode (4); eine erste halbleitende Schicht (6), die vorwiegend ein organisches halbleitendes Elektronendonatormaterial über mindestens einen Teil der ersten Elektrode umfasst; eine gemischte Schicht (28) über der ersten halbleitenden Schicht; eine zweite halbleitende Schicht (14), die vorwiegend ein organisches halbleitendes Elektronenakzeptormaterial über der gemischten Schicht umfasst; und eine zweite Elektrode (12) über mindestens einen Teil der zweiten halbleitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die gemischte Schicht, die mit den ersten und zweiten halbleitenden Schichten verbunden ist, anteilmäßig weniger des halbleitenden Elektronendonatormaterials als die erste halbleitende Schicht und anteilmäßig weniger des halbleitenden Elektronenakzeptormaterials als die zweite halbleitende Schicht aufweist.
Photoelektrische oder photoleitende Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei ein erstes Substrat die erste Elektrode trägt oder umfasst, und ein zweites Substrat die zweite Elektrode trägt oder umfasst.
Photoelektrische oder photoleitende Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten Substrate selbsttragend sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Substrate flexibel ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 oder 14, wobei die erste oder/und zweite Elektrode selbst jeweils die ersten oder/und zweiten Substrate ausformt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei eines der Substrate eine Metallfolie ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8, 9 und 14 bis 16, wobei das erste und/oder zweite Substrat für die Aussendung von Licht eingerichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8, 9 und 14 bis 16, wobei mindestens eines von dem Elektronendonatormaterial und dem Elektronenakzeptormaterial eine Mischung aus Materialkomponenten umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 18, wobei mindestens eines von dem Elektronendonatormaterial und dem Elektronenakzeptormaterial ein Material aus einer einzelnen Komponente umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 19, wobei mindestens eines der Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien ein halbleitendes Polymer umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei mindestens eines der Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien ein konjugiertes Polymer umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21 oder Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei mindestens eines der organischen konjugierten Polymere aus der Gruppe ausgewählt ist, die nachfolgendes umfasst: Poly(Phenylen) und Derivate, Poly(Phenylenvinylen) und Derivate, Poly(Thiophen) und Derivate, Poly(Thienylenvinylen) und Derivate und Poly(Isothianaphthen) und Derivate.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei mindestens eines der Polymere ein Poly(Squarain) oder ein Derivat davon ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei mindestens eines der Polymere ein Polymer ist, das Peryleneinheiten enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mindestens einer aus Elektronendonator und Elektronenakzeptor ein organisches Pigment oder einen organischen Farbstoff umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei mindestens eines der Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien ein organometallisches Polymer umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 19, wobei mindestens eines der Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Phthalocyanine, Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 19, wobei mindestens eines der halbleitenden Materialien einen Azofarbstoff umfasst, der aus Azochromoforen (-N=N-) bindenden aromatischen Gruppen besteht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 29 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 28, wobei mindestens eines des zweiten halbleitenden Materials mit organischen oder anorganischen Dotierungsmaterialien dotiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 19, wobei das Elektronenakzeptormaterial POPT umfasst und das Elektronendonatormaterial MCP umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 19, wobei das Elektronenakzeptormaterial P3HT umfasst und das Elektronendonatormaterial MCP umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 31 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 31, wobei die gemischte Schicht ein sich gegenseitig durchdringender Verbund der Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 32 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 32, wobei die erste halbleitende Schicht zu mehr als 80% (in Gewicht) aus Elektronendonatormaterial besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 33, wenn von Anspruch 19 abhängig oder Verfahren gemäß Anspruch 33, wenn von Anspruch 19 abhängig, wobei die erste halbleitende Schicht eine Homoschicht aus dem Elektronendonatormaterial ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 33 oder Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei die erste halbleitende Schicht auch das Elektronenakzeptormaterial enthält.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 35 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 35, wobei die zweite halbleitende Schicht zu mehr als 80% (in Gewicht) aus Elektronenakzeptormaterial besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 36, wenn von Anspruch 19 abhängig oder Verfahren gemäß Anspruch 36, wenn von Anspruch 19 ab hängig, wobei die zweite halbleitende Schicht eine Homoschicht aus dem Elektronenakzeptormaterial ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 36 oder Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei die erste halbleitende Schicht auch das Elektronendonatormaterial enthält.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 38 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 38, wobei sich eine oder eine Vielzahl von Schichten zwischen der ersten Elektrode und der ersten halbleitenden Schicht befinden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 38 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 38, wobei die erste Elektrode in physikalischem Kontakt mit der ersten halbleitenden Schicht steht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 40 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 40, wobei sich eine oder eine Vielzahl von Schichten zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten halbleitenden Schicht befinden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 40 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 40, wobei die zweite Elektrode in physikalischem Kontakt mit der zweiten halbleitenden Schicht steht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 42 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 42, wobei die zweite Elektrode eine höhere Austrittsarbeit als die erste Elektrode aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 43 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und 6 bis 43, wobei die zweite Elektrode Indiumzinnoxid umfasst und die erste Elektrode Aluminium umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 42 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 42, wobei die ersten und zweiten Elektroden im Wesentlichen dieselbe Austrittsarbeit aufweisen.