EP1642348A2 - Verfahren zur herstellung von organischen solarzellen oder photodetektoren - Google Patents

Verfahren zur herstellung von organischen solarzellen oder photodetektoren

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EP1642348A2
EP1642348A2 EP04740497A EP04740497A EP1642348A2 EP 1642348 A2 EP1642348 A2 EP 1642348A2 EP 04740497 A EP04740497 A EP 04740497A EP 04740497 A EP04740497 A EP 04740497A EP 1642348 A2 EP1642348 A2 EP 1642348A2
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semi
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Christoph Brabec
Schilinsky Pavel
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Definitions

  • the invention relates to the production of organic solar cells, which are constructed in particular on a polymer basis.
  • the typical cell structure of a solar cell consists of a layer structure that contains a positive electrode, an organic semiconductor mixture and a negative electrode.
  • ITO / PEDOT: PSS can be used as the material for the positive electrode.
  • the semiconductor mixture consists of an organic material, for example a polymer.
  • the semiconductor mixture contains both n-type semiconductor molecules and p-type semi-conductor molecules.
  • This semiconductor mixed layer is referred to as a bulk heterojunction layer.
  • Materials that are also used relate, for example, to the negative electrode, which can consist of Ca / Ag or LiF / Al. However, the substances listed above do not exclusively represent the corresponding elements, but other material combinations are also possible.
  • the donor present in the bulk mixed layer can be, for example, a conjugated polymer and the acceptor can be, for example, a soluble methanofullerene.
  • a major difficulty in the production of bulk heterojunction solar cells is the formation of a desired phase morphology with respect to the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. This problem comes among other things due to the different solubility of the individual components in the common solvent.
  • the object of the invention is to specify a production method for an organic solar cell, by means of which a bulk heterojunction mixed layer can be formed.
  • the invention is based on the finding that a bulk heterojunction mixed layer is possible by the serial application of solutions with only one organic semiconductor in each case.
  • the focus is on the phase morphology of the n and p semiconductors.
  • the phase formation must be precisely controlled during the deposition or solidification times.
  • An essential contribution of the invention consists in the technologically simpler production of a bulk heterojunction cell. Although two layers to be applied in series are provided, overall there is greater freedom in the choice of solvent, combined with significant advantages for the entire production. If the layer of the heterojunction is represented as a bulk, there is an overall mixture of the n-semiconductors and the p-semiconductors.
  • the figure shows the comparison of characteristic curves of solar cells which are manufactured on the one hand according to the prior art and on the other hand according to the invention.
  • characteristic curves shown in the figure relate, on the one hand, shown with filled circles, to a solar cell produced with normal spin coating, both n-semiconductors and p-semiconductors being solved in one solution.
  • Characteristic curves depicted with solid squares relate to a solar cell that is produced by successively applying layers, wherein during the production of each layer in the solution used either only n-
  • Semiconductors are present or corresponding p-semiconductors.
  • the characteristic curve according to the prior art and according to the invention do not differ significantly, both when recording a dark characteristic and when recording a characteristic under lighting.
  • the main advantages of the invention are the great freedom in solvent formulation.
  • An organic solar cell with a bulk heterojunction mixed layer can be represented as follows, for example:
  • An organic semiconductor is first applied to a carrier substrate, for example glass, ITO / PEDOT: PSS. This is done, for example, by spin coating, knife coating or printing.
  • the choice of the first solvent can be matched particularly advantageously to the solubility of the first semiconductor.
  • P3HT, PPV is used as the first semiconductor.
  • the formulation of the second solution is also optimized with regard to the solubility of the second semiconductor.
  • a fullerene is used as the second semiconductor.
  • the first semiconductor or the first semiconductor layer must have a slight solubility in the solvent for processing the second semiconductor layer.
  • the second solution is applied to the first layer, which is also achieved with an additive application method such as knife coating or printing, the first semiconductor is slightly dissolved and mixes with the second semiconductor. After the solvent evaporated, a bulk heterojunction mixed layer was formed when the very thin layers were mixed. In this way, an optimal phase morphology can be achieved for every semiconductor, but at the same time extensive mixing can be achieved.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von organischen Solarzellen oder Photodetektoren, insbesondere auf der Basis von organischen Polymeren, bestehend aus folgenden Schritten: - auf einer Elektrode wird eine erste organische n- oder p- leitende Halbleiterschicht aufgebracht, - auf der festen ersten organischen Halbleiterschicht wird eine zweite organische Halbleiterschicht mit der entsprechend anderen Leitfähigkeit aufgebracht, deren Lösungsmittel die erste organische Halbleiterschicht teilweise anlöst, so dass sich der erste Halbleiter mit dem zweiten Halbleiter vermischt und eine Bulk-Heterojunction-Mischschicht bildet, - eine zweite Elektrode wird gegenüberliegend zur ersten aufgebracht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von organischen Solarzellen oder Photodetektoren
Die Erfindung betrifft die Herstellung von organischen Solarzellen, die insbesondere auf Polymerbasis aufgebaut sind.
Der typische Zellaufbau einer Solarzelle besteht aus einem Schichtaufbau, der eine positive Elektrode beinhaltet, eine organische Halbleitermischung und eine negative Elektrode. Als Material für die positive Elektrode kann beispielsweise ITO/PEDOT: PSS verwendet werden. Die Halbleitermischung besteht aus einem organischen Material, beispielsweise einem Polymer. Die Halbleitermischung beinhaltet sowohl n-leitende Halbleitermoleküle als auch p-leitende Hälbleitermöleküle . " Diese Halbleitermischschicht wird als Bulk-Heterojunction- Schicht bezeichnet ." Weiterhin eingesetzte Materialien beziehen sich beispielsweise auf die negative Elektrode, die aus Ca/Ag oder LiF/Al bestehen kann. Die oben angeführten Stoffe stellen jedoch nicht ausschließlich die entsprechenden Elemente dar, sondern es sind auch andere Materialkombinationen möglich. Der in der Bulk-Mischschicht vorhandene Donor kann beispielsweise ein konjugiertes Polymer und der Akzeptor bei- spielsweise ein lösliches Methanofulleren sein.
Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Produktion von Bulk- Heterojunction-Solarzellen ist die Ausbildung einer gewünschten Phasen-Morphologie bezüglich des n-Halbleiters und des p- Halbleiters. Dieses Problem kommt u.a. durch die unterschiedliche Löslichkeit der einzelnen Komponenten in dem gemeinsamen Lösungsmittel zustande.
Bisher wurde versucht, mit einem einzigen Lösungsmittel, das die verwendeten organischen Halbleiter derart löst, dass entsprechend dicke und homogene, gut durchmischte Halbleiterfilme hergestellt werden können die gewünschte Morphologie zu erhalten. Aufgrund besonders hoher Anforderungen an das Lösungsmittel ist dessen Wahl sehr eingeschränkt. Gewünscht ist beispielsweise, dass die Formierung eines Konzentrationsgradienten in der Verteilung der Halbleiter im sogenannten Bulk mit passender Morphologie der Halbleitermischung im aufgetragenen Film geschieht. Beispielsweise ist man auch bei der Phasentrennung im Bereich der Excitonen Diffusionslänge bei der Wahl eines Lösungsmittels besonders eingeschränkt; [1].
Alternativ wurden bisher Geometrien untersucht, die durch das sukzessive Aufbringen der einzelnen Halbleiterschichten hergestellt wurden. U. a. wurde versucht, einen sogenannten Bi- layer mit scharfer Grenze zwischen den beiden Halbleitern zu verwenden; [2]. Oder es wurde ein , Stratified Multilayer entwickelt; [3]. Bei diesem sind Interdiffusionsschichten ausgebildet, in denen die obere Schicht ein wenig in die untere Schicht eindringen kann. Dies führt zu einer teilweisen Verzahnung oder Vermischung durch Diffusion.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine organische Solarzelle anzugeben, mittels dem eine Bulk-Heterojunction-Mischschicht ausgebildet werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmals ombi- nation des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Bulk- Heterojunction-Mischschicht durch die serielle Auftragung von Lösungen mit nur jeweils einem organischen Halbleiter möglich ist. Im Vordergrund steht die Phasen-Morphologie der n- und p-Halbleiter . Um diese gezielt auszubilden, insbesondere um den Bulk-Heteroübergang darzustellen, ist während der Abscheide- bzw. Erstarrungszeiten die Phasenausbildung genau zu steuern. Ein wesentlicher Beitrag der Erfindung besteht in der technologisch einfacheren Herstellung einer Bulk-Heterojunction- Zelle. Obwohl zwei seriell aufzutragende Schichten vorgesehen sind, ergibt sich insgesamt eine größere Freiheit in der Lö- sungsmittel-Wahl, verbunden mit wesentlichen Vorteilen für die gesamte Herstellung. Wird die Schicht des HeteroÜbergangs als ein Bulk dargestellt, so liegt eine gesamte Vermischung der n-Halbleiter und der p-Halbleiter vor. Diese Darstellung ist anhand der Erfindung möglich, indem sich durch Auftragung zweier serieller Schichten eine Bulk-Heterojunction ergibt und gleichzeitig beim Abscheidevorgang jeder einzelnen Schicht eine optimale Abstimmung zwischen den enthaltenen Halbleiter-Materialien und den entsprechenden Lösungsmitteln möglich ist. Dies ergibt die genannten größt möglichen Frei- heiten bei der Lösungsformierung. Ein wesentlicher Punkt ist die geringfügige Anlösung der ersten Schicht beim Auftragen der zweiten Schicht auf die erste. Somit vermengt sich die erste Halbleiterschicht zumindest teilweise mit der zweiten Halbleiterschicht .
Im Folgenden werden spezielle die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben:
Die Figur zeigt den Vergleich von Kennlinien von Solarzellen, die einerseits nach dem Stand der Technik und andererseits entsprechend der Erfindung hergestellt sind.
Die in der Figur dargestellten Kennlinien betreffen zum einen, dargestellt mit ausgefüllten Kreisen, eine mit normalem Spincoaten hergestellte Solarzelle, wobei in einer Lösung sowohl die n-Halbleiter als auch die p-Halbleiter gelöst sind. Mit ausgefüllten Quadraten dargestellte Kennlinien betreffen eine Solarzelle, die durch aufeinander folgendes Auftragen von Schichten hergestellt wird, wobei bei der Herstellung je- der Schicht in der dazu verwendeten Lösung entweder nur n-
Halbleiter vorhanden sind oder entsprechend p-Halbleiter. Die Kennlinie nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung unterscheiden sich nicht wesentlich, sowohl bei der Aufnahme einer Dunkelkennlinie als auch bei der Aufnahme einer Kennlinie unter Beleuchtung.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen in der großen Freiheit bei der Lösungsmittelformulierung.
Die Darstellung einer organischen Solarzelle mit einer Bulk- Heterojunction-Mischschicht kann beispielsweise wie folgt ab- laufen:
Auf ein Trägersubstrat, beispielsweise Glas, ITO/PEDOT: PSS, wird zuerst ein organischer Halbleiter aufgetragen. Dies geschieht beispielsweise durch Spincoaten, Rakeln oder Prin- ting. Dabei kann die Wahl des ersten Lösungsmittels auf die Löslichkeit des ersten Halbleiters besonders vorteilhaft abgestimmt werden. Als erster Halbleiter wird beispielsweise verwendet P3HT, PPV. Die Formulierung der zweiten Lösung ist in Bezug auf die Löslichkeit des zweiten Halbleiters ebenfalls optimiert. Als zweiter Halbleiter wird beispielsweise ein Fulleren verwendet. Der erste Halbleiter bzw. die erste Halbleiterschicht muss jedoch eine geringfügige Löslichkeit in dem Lösungsmittel zur Prozessierung der zweiten Halbleiterschicht aufweisen. Beim Auftragen der zweiten Lösung auf die erste Schicht, was ebenfalls mit einer additiven Auf- tragsmethode wie Rakeln oder Printing erzielt wird, wird der erste Halbleiter geringfügig angelöst und vermengt sich mit dem zweiten Halbleiter. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels hat sich beim Vermischen der jeweils sehr dünnen Schichten eine Bulk-Heterojunction-Mischschicht ausgebildet. Damit kann für jeden Halbleiter eine optimale Phasen-Morphologie erzielt werden, jedoch gleichzeitig eine weitgehende, Durchmischung realisiert werden. Literaturangaben :
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[3] Shaheen, S.E; Brabec, C.J.; Scariciftci, N. S.; Padin- ger, F.; Fromherz, T.; Hummelen, J. C. : 2.5% efficicent organic plastic solar cells; Applied Physics Letters, 2001, 78, no.6, p. 841-3

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von organischen Solarzellen o- der Photodetektoren, insbesondere auf der Basis von orga- nischen Polymeren, bestehend aus folgenden Schritten: auf einer Elektrode wird eine erste organische n- oder p- leitende Halbleiterschicht aufgebracht, auf der festen ersten organischen Halbleiterschicht wird eine zweite organische Halbleiterschicht mit der entsprechend anderen Leitfähigkeit aufgebracht, deren Lösungsmittel die erste organische Halbleiterschicht teilweise anlöst, so dass sich der erste Halbleiter mit dem zweiten Halbleiter vermischt und eine Bulk-Heterojunction- Mischschicht bildet, eine zweite Elektrode wird gegenüberliegend zur ersten aufgebracht.
2. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel der jeweiligen Schicht auf die Löslichkeit des in dieser Schicht abzuscheidenden Halbleiters abgestimmt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung einer Schicht durch Rakeln oder durch ein Druckverfahren geschieht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Donor ein konjugiertes Polymer verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Akzeptor ein lösliches Methanofulleren verwendet wird.
EP04740497A 2003-07-01 2004-06-30 Verfahren zur herstellung von organischen solarzellen oder photodetektoren Withdrawn EP1642348A2 (de)

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