EP2441102A2 - Multilayer electrode for photovoltaic components, method for the production thereof, and photovoltaic component comprising such a multilayer electrode - Google Patents

Multilayer electrode for photovoltaic components, method for the production thereof, and photovoltaic component comprising such a multilayer electrode

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EP2441102A2
EP2441102A2 EP10731454A EP10731454A EP2441102A2 EP 2441102 A2 EP2441102 A2 EP 2441102A2 EP 10731454 A EP10731454 A EP 10731454A EP 10731454 A EP10731454 A EP 10731454A EP 2441102 A2 EP2441102 A2 EP 2441102A2
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EP
European Patent Office
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layer
metal
electrode
work function
absorber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10731454A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Marin Rusu
Sven Wiesner
Konstantinos Fostiropoulos
Martha Christina Lux-Steiner
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Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
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Publication date
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Publication of EP2441102A2 publication Critical patent/EP2441102A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Multilayer electrode for photovoltaic devices process for their preparation and photovoltaic device with such a multilayer electrode
  • the invention relates to a multilayer electrode having at least two layers for photovoltaic devices, a process for their production and a photovoltaic device having such a multilayer electrode.
  • Organic solar cells have been of great interest to the art world for years because of their environmental compatibility and their low production costs. Due to their mechanical flexibility, they also open up new technical fields of application.
  • the structures of organic solar cells operating today are based on charge-carrier separating structures with (i) a Donaton acceptor layer, (ii) donor-acceptor bilayers, or (iii) donor-donor acceptor-acceptor trilayers interposed between two electrodes, one of which at least one semitransparent or transparent. These structures also contain organic or inorganic buffer layers between the organic active layer and at least one of the electrodes.
  • Buffer layer serves at least one of the following functions: a) adaptation of the molecular level of the absorber material to the corresponding Fermi level of the electrodes, b) charge carrier transport, c) charge carrier and / or exciton blocking layer, d) protective layer and e) optical spacer layer.
  • An organic solar cell with a donor-acceptor double layer is described, for example, in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, no. 1, 2nd June 2001, 126 - 128 described.
  • This solar cell is based on a CuPc donor sublayer and a Ceo acceptor sublayer for the photoactive layer.
  • a PEDOTPSS buffer layer is interposed between the ITO (anode) layer and the CuPc sublayer to better match the Fermi level of the ITO layer to the HOMO level of the CuPc layer.
  • the BCP buffer layer ensures the transport of the electrons from the C 6 O layer to the Al cathode and blocks the transport of the excitons to the cathode, thereby preventing recombination.
  • a separation of the charge carriers, electrons and holes, which are generated correspondingly in the absorber sublayers CuPc and C ⁇ o, takes place in this arrangement at the interface of the two partial layers of the photoactive layer.
  • Electron acceptor - based wherein the region of the electron acceptors is associated with a cathode and the region of the electron donors an anode. Between at least one of the electrodes and the photoactive layer is disposed an intermediate layer of asymmetric conductivity whose bandgap is greater than or equal to the bandgap of the photoactive layer.
  • the conduction band of the high electron mobility layer disposed between the active layer and the negative electrode is the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the electron acceptor and the valence band of the high hole mobility layer located between active layer and positive electrode is the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO ) of the electron donor is adjusted.
  • the material of the light incident electrode is given, for example, Al, Cu, ITO. This electrode should preferably be transparent or semitransparent and / or have a lattice structure.
  • a polymer tandem solar cell is described in Science, Vol. 317, 13 July 2007, 222-225. This is based on a heterojunction composite as The charge carrier separating layer having two buffer layers, one is an organic PEDOTPSS layer between the ITO anode and the heterojunction absorber and the other is an organic TiO x layer between the absorber and the Al cathode.
  • the embodiments of the electrodes are also of particular interest to experts.
  • a resistive multi-layer contact for p-type semiconductor which in addition to a Cu layer also has a further metal layer, which forms an intimate contact with the first metal layer.
  • the first layer is a thin Cu layer, which is not a sufficient current collector. Therefore, the second layer is made of one of the following materials provided: Ni, Au, Ag, Sb, Mb, Cr, Te, Pt, Pd and mixtures or alloys thereof.
  • a multilayer contact which has a very thin, semi-transparent ohmic contact in conjunction with a thick, reflective layer, which acts as a current distribution layer, is described for AIGaln flip-chip LEDs in DE 102 13 701 A1.
  • Au / NiOx / Al is indicated, for an n-type contact Ti / Al.
  • the multilayer contact for a semiconductor light-emitting device described in DE 10 2004 050 891 A1 has an Al layer as a high-Q reflector layer with a layer thickness of 75 nm to 500 nm and having thereon an Al alloy layer of Al-Si, Al-Si -Ti, Al-Cu, Al-Cu-W with a layer thickness of 0.5 .mu.m to 5 .mu.m, which is to prevent an electrical migration of the AI in the first layer at high current density.
  • a better adhesion of the contact on the active layer is to be achieved via the adaptation of the thermal expansion coefficient.
  • Double absorber layer (Pc and C 6 o) is significantly improved by the presence of the buffer layer, the electron transport from the C ⁇ o layer in the Al electrode, whereas the provision of a buffer layer in an absorber layer formed as a mixed layer, this effect was not detected.
  • DE 10 2007 009 995 A1 an organic solar cell is described in which a single or double layer for the electrode, which is arranged on the side facing away from the light and acts as an anode, with the materials Al, Ag, Ca, Mg or Ca / Al, Mg / Al or Mg / Ag is used. Also in this arrangement are each between the electrodes and the
  • Absorbent layers buffer layers arranged to improve the parameters of the solar cell.
  • Multi-layer electrode is given in claim 1.
  • Advantageous modifications of the multilayer electrode according to the invention can be found in the associated subclaims, which are explained in more detail below in connection with the invention.
  • the multilayer electrode according to the invention has at least two metal layers, the first forming the interface with the absorber Electrode layer Ei as a mixed layer A: B of a metal A of this electrode layer Ei and the metal B of the second electrode layer E 2 is formed, wherein the concentration of the metal A of the electrode layer Ei in the mixed layer is greater than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2nd and in the case where the multilayer electrode is formed as a cathode, the metal A has a smaller work function than the metal B, or in the case where the multilayer electrode is formed as an anode, the metal A has a larger work function than the metal B, and Thickness of the first electrode layer Ei is smaller than the thickness of the second electrode layer E 2 .
  • the absorber may be formed of a mixed layer of n-type and p-type organic materials or a mixed layer of a conductive type organic material and an inorganic material of the other conductive type, or a mixed layer of organic and inorganic
  • the absorber can also be formed as a single layer of an inorganic or organic absorber material.
  • the effective selection of the free charge carriers is ensured by the formation of the interface between the absorber and the electrode layer.
  • the electrode forms an ohmic contact or a charge-selective contact.
  • An ohmic contact is formed at the interface between the electrode and a layer of inorganic or organic absorber material.
  • Charge-selective contacts form at interfaces between the electrode and an absorber layer formed as a hybrid mixed layer of n-type (acceptor) or p-type (donor) organic materials, or alternatively comprises organic and inorganic materials.
  • the charge-selective multilayer electrode of the present invention immediately forms an ohmic when directly arranged with a material of a conductivity type Contact and a potential barrier (eg Schottky Barrier or a blocking interface barrier) with materials of the opposite conductivity type.
  • a potential barrier eg Schottky Barrier or a blocking interface barrier
  • An ohmic contact for inorganic materials is known to be such that it does not form a potential barrier for the majority charge carriers and is formed at the electrode / semiconductor material interface.
  • Ohmic contact requires low work function metals or semimetals for n-type semiconductors or metals with large work function for p-type semiconductors.
  • Schottky barriers are formed when metals or semi-metals with high work function are brought into contact with n-type semiconductor material or metals or semi-metals with low work function with p-type semiconductor material.
  • ohmic or blocking contacts on organic materials is dependent on the electronic properties (work function) of the contacted absorber material as well as its physical (diffusivity) and chemical properties (reactivity).
  • An electrode / organic absorber material interface having similar properties to an ohmic or blocking contact can be realized both as a result of a charge transfer process at that interface and by diffusion of electrode material into the absorber and formation of charge transfer complexes (eg, plasmon).
  • charge transfer complexes eg, plasmon
  • the multilayer electrode according to the invention can be used for example for organic solar cells and organic light emitting diodes.
  • the lower work function metal also has a work function less than or equal to the workfunction of the n-type absorber layer and is selected from the group IA or IIA elements or MI ⁇ or rare earth elements -Metals or
  • Another embodiment relates to the metal with the larger work function in the electrode layers E1 and E2 compared to the work function of the other metal, which also has a work function greater than or equal to the work function of the p-type absorber layer and is selected from the metals Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof.
  • the method according to the invention for producing the multilayer electrode comprises at least the following method steps: sequential or simultaneous application of the metals A and B to an absorber, the concentration of the metal A of the electrode layer Ei being less than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2 and the thickness the first electrode layer Ei is greater than the thickness of the second electrode layer E 2 and in the case that the multilayer electrode is formed as a cathode, the Metal A has a smaller work function than the metal B or in the case that the multi-layer electrode is formed as an anode, the metal A has a larger work function than the metal B.
  • the application of the metals to the absorber can be done by sequential deposition or by co-evaporation.
  • the metal A is selected from the group of metals from the main group IA or IIA or HIB or the rare earth metals or mixtures thereof, in particular it is selected from Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa or their connections.
  • the metal B is selected from the metals Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof.
  • a mixed layer of n-type and p-type organic materials or a conductive type organic material and an inorganic material of the other conductivity type or a mixed layer becomes more organic and n- and p-type inorganic materials, or also a single layer of inorganic or organic absorber material.
  • the components of the mixed layers have different work functions.
  • the above-described fine adjustment of the necessary electronic, physical and chemical properties is realized either by applying the metal layers by sequential deposition or by co-deposition of metal layers of predetermined thickness on the surface of the absorber, wherein a partial mixing of the two metal layers takes place.
  • the application of the metal layers takes place at a substrate temperature which is matched with respect to the mixing behavior of the metals and the contact formation with the absorber material.
  • a subsequent tempering of the applied metal layers can still support the formation of the desired properties of the multilayer electrode at the interface.
  • the invention further comprises a photovoltaic component, designed as an organic solar cell with a multilayer electrode according to the invention, as described in claim 10 and associated subclaims.
  • the organic solar cell has on the light incident side facing a transparent electrode, disposed thereon an active organic absorber layer of any structure for generating charge carrier pairs and arranged thereon a multilayer electrode according to claim 1.
  • the organic absorber layer may be formed as a hybrid mixed layer or as an organic-inorganic mixed layer.
  • the transparent electrode which is formed from a TCO layer, a sheet resistance in the range of 5 to 60 ⁇ / D
  • the absorber layer is a mixed layer of CuPc and C 6 o in the ratio 1: 1 is formed in a thickness of 50 to 150 nm
  • the multilayer electrode is a two-layer electrode disposed directly on the absorber layer without a buffer layer, wherein the first metal is Mg and the second metal Ag and the thickness of the first electrode layer consisting of a Mg-Ag Is 20 to 40 nm, and the thickness of the second electrode layer of Ag is 70 to 150 nm.
  • 1 shows measured curves of the effective wheel, the open terminal voltage and the short-circuit current density and of the fill factor as a function of the thickness of a Mg layer for a two-layer electrode Ag-Mg according to the invention
  • 2 just such curves, but for the second metal layer, here an Ag
  • FIG. 3 Illustration of various organic absorber structures
  • FIG. 4 band diagram at the donor-acceptor interface of an organic nanostructured mixed layer
  • FIG. Fig. 5 Band diagram at the interface multilayer electrode / organic absorber.
  • Organic solar cells having the structure ITO / PEDOT: PSS / CuPc: C 6 o / Mg / Ag on ITO-coated glass substrates (G R ⁇ 5 ⁇ ) was prepared. After cleaning, the substrates were spin-coated with PEDOT: PSS (only for comparative measurements, the latter layer was applied) and then stored in an inert gas atmosphere. An organic mixed layer of CuPc: C 6 o with a mixing ratio of 1: 1 was deposited by means of the OVPD technique (Organic Vapor Phase Deposition) in a thickness of 70 nm.
  • OVPD Organic Vapor Phase Deposition
  • the substrates were transferred under an inert gas atmosphere into the deposition chamber for metal contacts.
  • metal contacts a combination of low and high work function metal were used, in this example Mg and Ag.
  • the Mg / Ag contacts were deposited by sequentially thermal evaporation at a pressure ⁇ 10 "6 mbar.
  • a coating thickness control unit with connected quartz crystal sensors was used.
  • a deposition rate of 3 ⁇ / s was set.
  • the optimization of the contacts was carried out by systematic variation of the Mg and Ag layer thicknesses. For magnesium, the thickness range up to 100 nm was investigated and for silver the range 50 to 120 nm.
  • the charge carrier selective contacts can be used for different embodiments of the absorber layer, as shown in Fig. 3. Shown in (a) is a mixed molecular layer, in (b) a heterojunction comprising mixed / different domains in volume and (c) a nanostructured volume heterojunction in an organic solar cell.
  • the mixed absorber layer of type (a) for a solar cell has little or no donor-acceptor phase separation.
  • the donor and acceptor materials of embodiment (b) form domains which, for effective organic solar cells, must have sizes in the region of the diffusion length of the excitons or smaller.
  • the donor and acceptor materials for embodiment (c) are nanostructured.
  • the size of the nanocrystallites must be of the order of the diffusion length of the excitons in the materials.
  • the thickness of the mixed layer must be in the range of the smallest path that the Cover the charge carrier until it separates at the absorber / multilayer electrode interface.
  • the charge carrier selective contacts operate as shown in FIG.
  • an ohmic contact effectively collects the electrons from the n-type material while effectively blocking the holes and repelling them from contact.
  • the opposite contact works in the same way.
  • Electrodes with finely tuned workfunction function can also be used to form ohmic contacts on a p-i-n (donor donor acceptor) device structure.
  • the thickness of the p- and n-type layers in this structure must be on the order of a few molecular layers, so that the generated excitons immediately dissociate at the interfaces that form the donor layer with the acceptor domains of the mixed or bulk domains.
  • i-layer forms. The thickness of the i-layer is determined by the lowest diffusion length of the charge carriers.
  • the multi-layer electrode according to the invention ensures improved charge transport to the outer electrodes, resulting in an increase in the current density and the terminal voltage V oc of the solar cell, ie a Increasing their efficiency results.
  • the number of technology steps in the manufacture of the solar cell can be reduced while saving the equipment for applying organic buffer layers.

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Abstract

A multilayer electrode is disclosed, at least comprising two metal layers that are arranged on an absorber. In said multilayer electrode, the first electrode layer E1 forming the boundary surface to the absorber is designed as a mixed layer A:B of a metal A of said electrode layer E1 and metal B of the second electrode layer E2, the concentration of metal A of electrode layer E1 being greater than the concentration of metal B of electrode layer E2. Furthermore, if the multilayer electrode is designed as a cathode, metal A has a lower work function than metal B, or if the multilayer electrode is designed as an anode, metal A has a higher work function than metal B and the first electrode layer E1 is thinner than the second electrode layer E2. A method for producing such a multilayer electrode and an organic solar cell comprising such a multilayer electrode are also disclosed.

Description

Bezeichnung description
Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente, Verfahren zu ihrer Herstellung und photovoltaisches Bauelement mit einer solchen MehrschichtelektrodeMultilayer electrode for photovoltaic devices, process for their preparation and photovoltaic device with such a multilayer electrode
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Mehrschichtelektrode mit mindestens zwei Schichten für photovoltaische Bauelemente, ein Verfahren zu deren Herstellung und ein photovoltaisches Bauelement mit einer solchen Mehrschichtelektrode.The invention relates to a multilayer electrode having at least two layers for photovoltaic devices, a process for their production and a photovoltaic device having such a multilayer electrode.
Organische Solarzellen sind seit Jahren von großem Interesse für die Fachwelt wegen ihrer Umweltverträglichkeit und ihren niedrigen Herstellungskosten. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität eröffnen sie auch neue technische Anwendungsgebiete.Organic solar cells have been of great interest to the art world for years because of their environmental compatibility and their low production costs. Due to their mechanical flexibility, they also open up new technical fields of application.
Die heute funktionierenden Strukturen von organischen Solarzellen basieren auf Ladungsträger trennenden Strukturen mit (i) einer DonatonAkzeptor-Schicht, (ii) Donator-Akzeptor-Zweifachschichten oder (iii) Donator-DonatorAkzeptor- Akzeptor-Dreifachschichten, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, von denen mindestens eine semitransparent oder transparent ist. Diese Strukturen enthalten auch organische oder anorgansiche Pufferschichten zwischen der organischen aktiven Schicht und mindestens einer der Elektroden. DieThe structures of organic solar cells operating today are based on charge-carrier separating structures with (i) a Donaton acceptor layer, (ii) donor-acceptor bilayers, or (iii) donor-donor acceptor-acceptor trilayers interposed between two electrodes, one of which at least one semitransparent or transparent. These structures also contain organic or inorganic buffer layers between the organic active layer and at least one of the electrodes. The
Pufferschicht dient mindestens einer der folgenden Funktionen: a) Anpassung des Molekularniveaus des Absorbermaterials an das entsprechende Fermi- Niveau der Elektroden, b) Ladungsträgertransport, c) Ladungsträger- und/oder Excitonen-Blockierschicht, d) Schutzschicht und e) optische Abstandsschicht.Buffer layer serves at least one of the following functions: a) adaptation of the molecular level of the absorber material to the corresponding Fermi level of the electrodes, b) charge carrier transport, c) charge carrier and / or exciton blocking layer, d) protective layer and e) optical spacer layer.
Eine organische Solarzelle mit einer Donator-Akzeptor-Zweifachschicht ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 1 , 2. JuIy 2001 , 126 - 128 beschrieben. Diese Solarzelle basiert auf einer CuPc-Donator-Teilschicht und einer Ceo-Akzeptor-Teilschicht für die photoaktive Schicht. Eine PEDOTPSS- Pufferschicht ist zwischen der ITO-Schicht (Anode) und der CuPc-Teilschicht angeordnet, um eine bessere Anpassung des Fermi-Niveaus der ITO-Schicht an das HOMO-Niveau der CuPc-Schicht zu erreichen. Die BCP-Pufferschicht sichert den Transport der Elektronen von der C6o-Schicht zur AI-Kathode und blockiert den Transport der Excitonen zur Kathode und verhindert damit die Rekombination. Eine Trennung der Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die entsprechend in den Absorberteilschichten CuPc und Cβo erzeugt werden, erfolgt bei dieser Anordnung an der Grenzfläche der beiden Teilschichten der photoaktiven Schicht.An organic solar cell with a donor-acceptor double layer is described, for example, in Appl. Phys. Lett., Vol. 79, no. 1, 2nd June 2001, 126 - 128 described. This solar cell is based on a CuPc donor sublayer and a Ceo acceptor sublayer for the photoactive layer. A PEDOTPSS buffer layer is interposed between the ITO (anode) layer and the CuPc sublayer to better match the Fermi level of the ITO layer to the HOMO level of the CuPc layer. The BCP buffer layer ensures the transport of the electrons from the C 6 O layer to the Al cathode and blocks the transport of the excitons to the cathode, thereby preventing recombination. A separation of the charge carriers, electrons and holes, which are generated correspondingly in the absorber sublayers CuPc and Cβo, takes place in this arrangement at the interface of the two partial layers of the photoactive layer.
In DE 103 26 546 A1 ist eine organische Solarzelle mit erhöhtem Parallelwiderstand beschrieben, die auf einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen Komponenten - einem Elektronendonator und einemIn DE 103 26 546 A1 an organic solar cell with increased parallel resistance is described, which on a photoactive layer of two molecular components - an electron donor and a
Elektronenakzeptor - basiert, wobei dem Bereich der Elektronenakzeptoren eine Kathode und dem Bereich der Elektronendonatoren eine Anode zugeordnet ist. Zwischen zumindest einer der Elektroden und der photoaktiven Schicht ist eine Zwischenschicht mit asymmetrischer Leitfähigkeit angeordnet, deren Bandlücke größer oder gleich der Bandlücke der photoaktiven Schicht ist. Hierbei ist das Leitungsband der zwischen der aktiven Schicht und der negativen Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Elektronenmobilität an das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) des Elektronenakzeptors und das Valenzband der zwischen aktiver Schicht und positiver Elektrode angeordneten Schicht mit hoher Löchermobilität an das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) des Elektronendonators angepasst ist. Für das Material der dem Lichteinfall zugewandten Elektrode wird beispielsweise AI, Cu, ITO angegeben. Diese Elektrode sollte vorzugsweise durchsichtig bzw. semitransparent sein und/oder eine Gitterstruktur aufweisen.Electron acceptor - based, wherein the region of the electron acceptors is associated with a cathode and the region of the electron donors an anode. Between at least one of the electrodes and the photoactive layer is disposed an intermediate layer of asymmetric conductivity whose bandgap is greater than or equal to the bandgap of the photoactive layer. Here, the conduction band of the high electron mobility layer disposed between the active layer and the negative electrode is the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the electron acceptor and the valence band of the high hole mobility layer located between active layer and positive electrode is the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO ) of the electron donor is adjusted. For the material of the light incident electrode is given, for example, Al, Cu, ITO. This electrode should preferably be transparent or semitransparent and / or have a lattice structure.
Eine Polymer-Tandem-Solarzelle ist in Science, Vol. 317, 13 JuIy 2007, 222-225 beschrieben. Diese basiert auf einem Heteroübergangs-Verbundwerkstoff als Ladungsträger trennende Schicht mit zwei Pufferschichten, die eine ist eine organische PEDOTPSS-Schicht zwischen der ITO-Anode und dem Heteroübergangs-Absorber und die andere ist eine organische TiOx-Schicht zwischen dem Absorber und der AI-Kathode.A polymer tandem solar cell is described in Science, Vol. 317, 13 July 2007, 222-225. This is based on a heterojunction composite as The charge carrier separating layer having two buffer layers, one is an organic PEDOTPSS layer between the ITO anode and the heterojunction absorber and the other is an organic TiO x layer between the absorber and the Al cathode.
In den letzten Jahren wurden umfangreiche Untersuchungen im Rahmen der Entwicklungen von Solarzellen der 2. und 3. Generation durchgeführt. Diese Solarzellen basieren auf anorganischen Nanokristalliten, organischen dünnen Filmen mit Dicken in der Größenordnung von 100 nm, organisch-organischen Misch- oder hybriden organisch-anorgansichen HeteroÜbergängen.Extensive research has been carried out in recent years in the development of 2nd and 3rd generation solar cells. These solar cells are based on inorganic nanocrystallites, organic thin films with thicknesses of the order of 100 nm, organic-organic mixed or hybrid organic-inorganic heterojunctions.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer organischen Solarzelle sind neben den eigentlichen Absorbermaterialien und deren Schichtausbildung bzw. -struktur auch die Ausführungen der Elektroden von besonderem Interesse der Fachwelt.To improve the performance of an organic solar cell, in addition to the actual absorber materials and their layer formation or structure, the embodiments of the electrodes are also of particular interest to experts.
So ist in J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12828-12833 eine Zweischichtelektrode, bestehend aus einer Ca- und AI-Schicht, auf der Absorberschicht einer organischen Solarzelle angeordnet. Es wurde festgestellt, dass die geringe Austrittsarbeit der Kathodenmetalle eine Oxidation nach sich zieht, wenn die Strukturen an Luft aufbewahrt werden, wodurch sich ihre Leistung stark verschlechtert.So in J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12828-12833 a two-layer electrode, consisting of a Ca and Al layer, arranged on the absorber layer of an organic solar cell. It has been found that the low work function of the cathode metals entails oxidation when the structures are stored in air, greatly degrading their performance.
Andere Materialien mit geringer Austrittsarbeit für eine Mehrschichtelektrode sind in http://www.pa.ibf.cnr.it/nabla/T10.html (Ausdruck vom 10.06.09) genannt: stabile Metalle, z. B. Mg:Ag (1 :10), Ca oder LiF/AI.Other low work function materials for a multilayer electrode are given in http://www.pa.ibf.cnr.it/nabla/T10.html (term of 10.06.09): stable metals, e.g. Mg: Ag (1:10), Ca or LiF / Al.
In AT E 56 105 B wird ein ohmscher Mehrschichtkontakt für p-Halbleiter beschrieben, der neben einer Cu-Schicht auch eine weitere Metallschicht aufweist, die einen innigen Kontakt mit der ersten Metallschicht bildet. Die erste Schicht ist eine dünne Cu-Schicht, die aber kein ausreichender Stromsammler ist. Deshalb ist die zweite Schicht aus einem der folgenden Materialien vorgesehen: Ni, Au, Ag, Sb, Mb, Cr, Te, Pt, Pd und Mischungen oder Legierungen hiervon. Durch die Cu-Diffusion während einer Wärmebehandlung wird eine stark dotierte Oberfläche des p-Halbleiters erreicht, wodurch ein Ladungsträgertunneln bewirkt wird.In AT E 56 105 B, a resistive multi-layer contact for p-type semiconductor is described, which in addition to a Cu layer also has a further metal layer, which forms an intimate contact with the first metal layer. The first layer is a thin Cu layer, which is not a sufficient current collector. Therefore, the second layer is made of one of the following materials provided: Ni, Au, Ag, Sb, Mb, Cr, Te, Pt, Pd and mixtures or alloys thereof. By Cu diffusion during a heat treatment, a heavily doped surface of the p-type semiconductor is achieved, thereby causing charge carrier tunneling.
Ein Mehrschichtkontakt, welcher einen sehr dünnen, halb transparenten ohmschen Kontakt in Verbindung mit einer dicken, reflektierenden Schicht, die als Stromverteilungsschicht wirkt, ist für AIGaln-Flip-Chip-LEDs in DE 102 13 701 A1 beschrieben. Als Beispiel für einen p-leitenden Mehrschichtkontakt ist Au/NiOx/AI angegeben, für einen n-leitenden Kontakt Ti/Al.A multilayer contact, which has a very thin, semi-transparent ohmic contact in conjunction with a thick, reflective layer, which acts as a current distribution layer, is described for AIGaln flip-chip LEDs in DE 102 13 701 A1. As an example of a p-type multi-layer contact, Au / NiOx / Al is indicated, for an n-type contact Ti / Al.
Der in DE 10 2004 050 891 A1 beschriebene Mehrschichtkontakt für eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung weist eine AI-Schicht auf als eine Reflektorschicht hoher Güte mit einer Schichtdicke von 75 nm bis 500 nm und darauf angeordnet eine AI-Legierungsschicht aus Al-Si, Al-Si-Ti, Al-Cu, Al-Cu-W mit einer Schichtdicke von 0,5 μm bis 5 μm, die eine Elektrowanderung des AI in die erste Schicht bei hoher Stromdichte verhindern soll. Mit dieser Kontaktstruktur soll über die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten auch eine bessere Haftung des Kontakts auf der aktiven Schicht erreicht werden.The multilayer contact for a semiconductor light-emitting device described in DE 10 2004 050 891 A1 has an Al layer as a high-Q reflector layer with a layer thickness of 75 nm to 500 nm and having thereon an Al alloy layer of Al-Si, Al-Si -Ti, Al-Cu, Al-Cu-W with a layer thickness of 0.5 .mu.m to 5 .mu.m, which is to prevent an electrical migration of the AI in the first layer at high current density. With this contact structure, a better adhesion of the contact on the active layer is to be achieved via the adaptation of the thermal expansion coefficient.
In Appl. Phys. Lett. 89, 163501 (2006) wird die Rolle einer Pufferschicht zwischen unterschiedlich ausgestalteten Absorberschichten und einem Al- Kontakt untersucht. Es wurde festgestellt, dass bei einerIn Appl. Phys. Lett. 89, 163501 (2006) investigates the role of a buffer layer between differently designed absorber layers and an Al contact. It was found that at one
Zweifachabsorberschicht (Pc und C6o) durch die Anwesenheit der Pufferschicht der Elektronentransport aus der Cβo-Schicht in die AI-Elektrode wesentlich verbessert wird, wohingegen das Vorsehen einer Pufferschicht bei einer als Mischschicht ausgebildeten Absorberschicht diese Wirkung nicht nachgewiesen wurde. In DE 10 2007 009 995 A1 wird eine organische Solarzelle beschrieben, bei der eine Einfach- bzw. Zweifachschicht für die Elektrode, die auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite angeordnet ist und als Anode wirkt, mit den Materialien AI, Ag, Ca, Mg oder Ca/Al, Mg/AI oder Mg/Ag verwendet wird. Auch in dieser Anordnung sind jeweils zwischen den Elektroden und denDouble absorber layer (Pc and C 6 o) is significantly improved by the presence of the buffer layer, the electron transport from the Cβo layer in the Al electrode, whereas the provision of a buffer layer in an absorber layer formed as a mixed layer, this effect was not detected. In DE 10 2007 009 995 A1 an organic solar cell is described in which a single or double layer for the electrode, which is arranged on the side facing away from the light and acts as an anode, with the materials Al, Ag, Ca, Mg or Ca / Al, Mg / Al or Mg / Ag is used. Also in this arrangement are each between the electrodes and the
Absorberteilschichten Pufferschichten angeordnet, um die Parameter der Solarzelle zu verbessern.Absorbent layers buffer layers arranged to improve the parameters of the solar cell.
Bisher ist in keiner der dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen eine Möglichkeit angegeben worden, über die Elektrodenschichtstruktur und/oder deren Zusammensetzung ganz gezielt die Leistungsparameter photovoltaischer Bauelemente zu verbessern, indem nur die Ladungsträger eines Typs in ihrer gerichteten Bewegung unterstützt werden. Über den verbesserten Ladungsträgertransport zu den äußeren Elektroden wird aber z. B. die Klemmspannung vergrößert.So far, none of the prior art known solutions has given a way to improve over the electrode layer structure and / or their composition quite specifically the performance parameters of photovoltaic devices by only the charge carriers of a type are supported in their directed movement. About the improved charge carrier transport to the outer electrodes but z. B. increases the clamping voltage.
Deshalb ist es nun Aufgabe der Erfindung, eine selektive Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente anzugeben, die für Ladungsträger des einen Leitungstyps durchlässig ist und für die Ladungsträger des anderen Leitungstyps eine Barriere darstellt. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung dieser Mehrschichtelektrode angegeben werden, sowie ein photovoltaisches Bauelement mit einer solchen selektiven Mehrschichtelektrode, die einfach herstellbar ist und gute Leistungsparameter aufweist.Therefore, it is an object of the invention to provide a selective multilayer electrode for photovoltaic devices, which is transparent to carriers of one conductivity type and represents a barrier for the charge carriers of the other conductivity type. Furthermore, a method for producing this multilayer electrode is to be specified, as well as a photovoltaic device with such a selective multilayer electrode, which is easy to produce and has good performance parameters.
Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe bezüglich derThe solution according to the invention for this task with respect to
Mehrschichtelektrode ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen der erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung im Einzelnen näher erläutert werden.Multi-layer electrode is given in claim 1. Advantageous modifications of the multilayer electrode according to the invention can be found in the associated subclaims, which are explained in more detail below in connection with the invention.
Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode weist mindestens zwei Metallschichten auf, wobei die die Grenzfläche mit dem Absorber bildende erste Elektrodenschicht Ei als eine Mischschicht A:B eines Metalls A dieser Elektrodenschicht Ei und des Metalls B der zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet ist, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht Ei in der Mischschicht größer ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B, oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B, und die Dicke der ersten Elektrodenschicht Ei kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2.The multilayer electrode according to the invention has at least two metal layers, the first forming the interface with the absorber Electrode layer Ei as a mixed layer A: B of a metal A of this electrode layer Ei and the metal B of the second electrode layer E 2 is formed, wherein the concentration of the metal A of the electrode layer Ei in the mixed layer is greater than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2nd and in the case where the multilayer electrode is formed as a cathode, the metal A has a smaller work function than the metal B, or in the case where the multilayer electrode is formed as an anode, the metal A has a larger work function than the metal B, and Thickness of the first electrode layer Ei is smaller than the thickness of the second electrode layer E 2 .
Der Absorber kann gebildet sein aus einer Mischschicht organischer Materialien des n-Typs und des p-Typs oder aus einer Mischschicht eines organischen Materials eines Leitungstyps und eines anorganischen Materials des anderen Leitungstyps, oder aus einer Mischschicht organischer und anorganischerThe absorber may be formed of a mixed layer of n-type and p-type organic materials or a mixed layer of a conductive type organic material and an inorganic material of the other conductive type, or a mixed layer of organic and inorganic
Materialien des n- und p-Typs entsprechend. Der Absorber kann aber auch als Einzelschicht eines anorganischen oder organischen Absorbermaterials ausgebildet sein.Materials of the n- and p-type accordingly. However, the absorber can also be formed as a single layer of an inorganic or organic absorber material.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung für die Mehrschichtelektrode wird die effektive Selektion der freien Ladungsträger gewährleistet durch die Formierung der Grenzfläche zwischen Absorber und Elektrodenschicht. Die Elektrode bildet einen Ohmschen Kontakt oder einen ladungsselektiven Kontakt. Ein Ohmscher Kontakt wird ausgebildet an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und einer Schicht eines anorganischen oder organischen Absorbermaterials.In the solution according to the invention for the multilayer electrode, the effective selection of the free charge carriers is ensured by the formation of the interface between the absorber and the electrode layer. The electrode forms an ohmic contact or a charge-selective contact. An ohmic contact is formed at the interface between the electrode and a layer of inorganic or organic absorber material.
Ladungsselektive Kontakte bilden sich aus an Grenzflächen zwischen Elektrode und einer Absorberschicht, die als hybride Mischschicht organischer Materialien des n- Typs (Akzeptor) bzw. des p-Typs (Donator) ausgebildet ist, oder alternativ organische und anorganische Materialien aufweist.Charge-selective contacts form at interfaces between the electrode and an absorber layer formed as a hybrid mixed layer of n-type (acceptor) or p-type (donor) organic materials, or alternatively comprises organic and inorganic materials.
Die erfindungsgemäße ladungsselektive Mehrschichtelektrode bildet sofort bei direkter Anordnung mit einem Material eines Leitungstyps einen Ohmschen Kontakt und eine Potential-Barriere (z. B. Schottky-Barriere oder eine blockierende Grenzflächenbarriere) mit Materialien des entgegengesetzten Leitungstyps.The charge-selective multilayer electrode of the present invention immediately forms an ohmic when directly arranged with a material of a conductivity type Contact and a potential barrier (eg Schottky Barrier or a blocking interface barrier) with materials of the opposite conductivity type.
Ein Ohmscher Kontakt für anorganische Materialien ist bekanntermaßen derart charakterisiert, dass dieser keine Potentialbarriere für die Majoritätsladungsträger bildet und ausgebildet ist an der Grenzfläche Elektrode/Halbleitermaterial. Ein Ohmscher Kontakt erfordert Metalle oder Halbmetalle mit einer geringen Austrittsarbeit für n-Typ Halbleiter bzw. Metalle oder Halbmetalle mit großer Austrittsarbeit für p-Typ Halbleiter.An ohmic contact for inorganic materials is known to be such that it does not form a potential barrier for the majority charge carriers and is formed at the electrode / semiconductor material interface. Ohmic contact requires low work function metals or semimetals for n-type semiconductors or metals with large work function for p-type semiconductors.
Dagegen bilden sich Schottky-Barrieren aus, wenn Metalle oder Halbmetalle mit hoher Austrittsarbeit mit n-Typ-Halbleitermaterial bzw. Metalle oder Halbmetalle mit geringer Austrittsarbeit mit p-Typ-Halbleitermaterial in Kontakt gebracht werden.In contrast, Schottky barriers are formed when metals or semi-metals with high work function are brought into contact with n-type semiconductor material or metals or semi-metals with low work function with p-type semiconductor material.
Die Formierung von Ohmschen oder blockierenden Kontakten an organischen Materialen ist abhängig von den elektronischen Eigenschaften (Austrittsarbeit) des in Kontakt gebrachten Absorbermaterials sowie von dessen physikalischen (Diffusionsvermögen) und chemischen Eigenschaften (Reaktivität).The formation of ohmic or blocking contacts on organic materials is dependent on the electronic properties (work function) of the contacted absorber material as well as its physical (diffusivity) and chemical properties (reactivity).
Eine Grenzfläche Elektrode/organisches Absorbermaterial mit ähnlichen Eigenschaften wie für einen Ohmschen oder blockierenden Kontakt kann sowohl als Ergebnis eines Ladungstransferprozesses an dieser Grenzfläche als auch durch Diffusion von Elektrodenmaterial in den Absorber und Bildung von Ladungstransferkomplexen (z. B. Plasmonen) realisiert werden.An electrode / organic absorber material interface having similar properties to an ohmic or blocking contact can be realized both as a result of a charge transfer process at that interface and by diffusion of electrode material into the absorber and formation of charge transfer complexes (eg, plasmon).
Die erfindungsgemäße Lösung für die Mehrschichtelektrode zielt nun ganz definiert darauf, dass diese Elektrode gebildet wird durch eine „Feinabstimmung" der elektronischen, physikalischen und chemischenThe solution according to the invention for the multi-layer electrode now quite clearly aims to ensure that this electrode is formed by a "fine-tuning" of the electronic, physical and chemical
Eigenschaften des Elektrodenmaterials bezüglich der elektrophysikalischen Eigenschaften des benachbarten organischen Absorbermaterials. Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode kann beispielsweise für organische Solarzellen und organische Lichtemitterdioden angewendet werden.Properties of the electrode material with respect to the electrophysical properties of the adjacent organic absorber material. The multilayer electrode according to the invention can be used for example for organic solar cells and organic light emitting diodes.
Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode beziehen sich auf ihre Materialien. So ist vorgesehen, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Austrittsarbeit der Absorberschicht des n-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Elementen der Hauptgruppe IA oder IIA oder MIß oder der Seltenen Erden-Metalle oderFurther embodiments of the multilayer electrode according to the invention relate to their materials. Thus, it is contemplated that the lower work function metal also has a work function less than or equal to the workfunction of the n-type absorber layer and is selected from the group IA or IIA elements or MIβ or rare earth elements -Metals or
Mischungen hiervon, insbesondere ausgewählt ist aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen. Eine andere Ausführung betrifft das Metall mit der größeren Austrittsarbeit in den Elektrodenschichten E1 und E2 im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls, das auch eine Austrittsarbeit größer oder gleich der Austrittsarbeit der Absorberschicht des p-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder AI oder Mischungen hiervon.Mixtures thereof, in particular selected from Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa or their compounds. Another embodiment relates to the metal with the larger work function in the electrode layers E1 and E2 compared to the work function of the other metal, which also has a work function greater than or equal to the work function of the p-type absorber layer and is selected from the metals Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe bezüglich der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1 ist den Merkmalen des Anspruchs 6 zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden.The achievement of the object with regard to the provision of a method for producing a multilayer electrode according to claim 1 can be taken from the features of claim 6. Advantageous modifications of the method according to the invention are contained in the associated subclaims, which are explained in more detail below in connection with the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Mehrschichtelektrode umfasst mindestens die folgenden Verfahrensschritte: Nacheinander oder gleichzeitiges Aufbringen der Metalle A und B auf einen Absorber, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht Ei kleiner ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und die Dicke der ersten Elektrodenschicht Ei größer ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B.The method according to the invention for producing the multilayer electrode comprises at least the following method steps: sequential or simultaneous application of the metals A and B to an absorber, the concentration of the metal A of the electrode layer Ei being less than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2 and the thickness the first electrode layer Ei is greater than the thickness of the second electrode layer E 2 and in the case that the multilayer electrode is formed as a cathode, the Metal A has a smaller work function than the metal B or in the case that the multi-layer electrode is formed as an anode, the metal A has a larger work function than the metal B.
Das Aufbringen der Metalle auf den Absorber kann mittels sequentieller Abscheidung oder mittels Koverdampfung erfolgen.The application of the metals to the absorber can be done by sequential deposition or by co-evaporation.
Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich auch hier auf die verwendeten Metalle. So ist vorgesehen, dass das Metall A ausgewählt wird aus der Gruppe der Metalle aus der Hauptgruppe IA oder IIA oder HIB oder der Seltenen Erden- Metalle oder Mischungen hiervon, insbesondere wird es ausgewählt aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen. Das Metall B wird ausgewählt aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder AI oder Mischungen hiervon.The following embodiments also refer here to the metals used. Thus, it is envisaged that the metal A is selected from the group of metals from the main group IA or IIA or HIB or the rare earth metals or mixtures thereof, in particular it is selected from Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa or their connections. The metal B is selected from the metals Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof.
Als Absorber, auf den die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode aufgebracht wird, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Mischschicht aus organischen Materialien des n-Typs und des p-Typs oder aus einem organischen Material eines Leitungstyps und einem anorganischen Material des anderen Leitungstyps, oder aus einer Mischschicht organischer und anorganischer Materialien der n- und p-Typs verwendet oder auch eine Einzelschicht eines anorganischen oder eines organischen Absorbermaterials. Dabei weisen die Komponenten der Mischschichten unterschiedliche Austrittsarbeiten auf.As the absorber to which the multilayer electrode of the present invention is applied, in the method of the present invention, a mixed layer of n-type and p-type organic materials or a conductive type organic material and an inorganic material of the other conductivity type or a mixed layer becomes more organic and n- and p-type inorganic materials, or also a single layer of inorganic or organic absorber material. In this case, the components of the mixed layers have different work functions.
Die oben beschriebene Feinjustierung der notwendigen elektronischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften wird entweder durch das Aufbringen der Metallschichten mittels sequentieller Abscheidung oder durch Ko-Aufbringung von Metallschichten mit vorgegebener Dicke auf die Oberfläche des Absorbers realisiert, wobei eine teilweise Durchmischung der beiden Metallschichten erfolgt. Das Aufbringen der Metallschichten erfolgt bei einer Substrattemperatur, die abgestimmt ist bezüglich Mischungsverhaltens der Metalle und der Kontaktbildung mit dem Absorbermaterial. Eine anschließende Temperung der aufgebrachten Metallschichten kann die Ausbildung der gewünschten Eigenschaften der Mehrschichtelektrode an der Grenzfläche noch unterstützen.The above-described fine adjustment of the necessary electronic, physical and chemical properties is realized either by applying the metal layers by sequential deposition or by co-deposition of metal layers of predetermined thickness on the surface of the absorber, wherein a partial mixing of the two metal layers takes place. The application of the metal layers takes place at a substrate temperature which is matched with respect to the mixing behavior of the metals and the contact formation with the absorber material. A subsequent tempering of the applied metal layers can still support the formation of the desired properties of the multilayer electrode at the interface.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein photovoltaisches Bauelement, ausgebildet als organische Solarzelle mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtelektrode, wie sie in Anspruch 10 und dazugehörigen Unteransprüchen beschrieben ist.The invention further comprises a photovoltaic component, designed as an organic solar cell with a multilayer electrode according to the invention, as described in claim 10 and associated subclaims.
Die organische Solarzelle weist auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite eine transparente Elektrode auf, darauf angeordnet eine aktive organische Absorberschicht beliebiger Struktur zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren und darauf angeordnet eine Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1. Die organische Absorberschicht kann als hybride Mischschicht oder als organischanorganische Mischschicht ausgebildet sein.The organic solar cell has on the light incident side facing a transparent electrode, disposed thereon an active organic absorber layer of any structure for generating charge carrier pairs and arranged thereon a multilayer electrode according to claim 1. The organic absorber layer may be formed as a hybrid mixed layer or as an organic-inorganic mixed layer.
In einer konkreten Ausführung der organischen Solarzelle weist die transparente Elektrode, die aus einer TCO-Schicht gebildet ist, einen Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 60 Ω/D auf, die Absorberschicht ist als Mischschicht von CuPc und C6o im Verhältnis 1 : 1 in einer Dicke von 50 bis 150 nm ausgebildet und die Mehrschichtelektrode ist eine Zweischichtelektrode, die ohne Pufferschicht direkt auf der Absorberschicht angeordnet ist, wobei das erste Metall Mg und das zweite Metall Ag ist und die Dicke der ersten Elektrodenschicht, bestehend aus einer Mg-Ag-Mischschicht, 20 bis 40 nm beträgt, und die Dicke der zweiten Elektrodenschicht aus Ag 70 bis 150 nm beträgt.In a specific embodiment of the organic solar cell, the transparent electrode, which is formed from a TCO layer, a sheet resistance in the range of 5 to 60 Ω / D, the absorber layer is a mixed layer of CuPc and C 6 o in the ratio 1: 1 is formed in a thickness of 50 to 150 nm and the multilayer electrode is a two-layer electrode disposed directly on the absorber layer without a buffer layer, wherein the first metal is Mg and the second metal Ag and the thickness of the first electrode layer consisting of a Mg-Ag Is 20 to 40 nm, and the thickness of the second electrode layer of Ag is 70 to 150 nm.
Außerdem kann auch eine - dem Stand der Technik nach bekannte - Anpassung der Austrittsarbeit der TCO-Elektrode durch Feintuning ihrer Oberflächenzusammensetzung erfolgen, beispielsweise während ihrer Präparation oder durch anschließende Oberflächenmodifikation. Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel, bei dem die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigenIn addition, it is also possible to adapt the work function of the TCO electrode by fine-tuning its surface composition, for example during its preparation or by subsequent surface modification, as known in the prior art. The invention will be explained in more detail in the following embodiment, in which the multi-layer electrode is formed as a cathode, with reference to drawings. Show
Fig. 1 : Messkurven des Wirkungsrads, der offenen Klemmenspannung und der Kurzschlussstromdichte sowie des Füllfaktors in Abhängigkeit der Dicke einer Mg-Schicht für eine erfindungsgemäße Zweischichtelektrode Ag- Mg; Fig. 2: ebensolche Kurven, jedoch für die zweite Metallschicht, hier eine Ag-1 shows measured curves of the effective wheel, the open terminal voltage and the short-circuit current density and of the fill factor as a function of the thickness of a Mg layer for a two-layer electrode Ag-Mg according to the invention; 2: just such curves, but for the second metal layer, here an Ag
Schicht;Layer;
Fig. 3: Abbildung verschiedener organischer Absorberstrukturen Fig. 4: Banddiagramm an der Grenzfläche von Donator-Akzeptor-Grenzfläche einer organischen nanostrukturierten Mischschicht; Fig. 5: Banddiagramm an der Grenzfläche Mehrschichtelektrode/organischer Absorber .FIG. 3: Illustration of various organic absorber structures FIG. 4: band diagram at the donor-acceptor interface of an organic nanostructured mixed layer; FIG. Fig. 5: Band diagram at the interface multilayer electrode / organic absorber.
Organische Solarzellen mit der Struktur ITO/PEDOT:PSS/CuPc:C6o/Mg/Ag wurden auf ITO-beschichteten Glassubstraten (RG < 5 Ω) hergestellt. Nach der Reinigung wurden die Substrate durch Spin-Coating mit PEDOT: PSS beschichtet (nur für vergleichende Messungen ist die letztgenannte Schicht aufgebracht worden) und anschließend in Inertgasatmosphäre gelagert. Eine organische Mischschicht aus CuPc:C6o mit einem Mischungsverhältnis von 1 :1 wurde mit Hilfe der OVPD-Technik (Organic Vapour Phase Deposition) in einer Dicke von 70 nm abgeschieden.Organic solar cells having the structure ITO / PEDOT: PSS / CuPc: C 6 o / Mg / Ag on ITO-coated glass substrates (G R <5 Ω) was prepared. After cleaning, the substrates were spin-coated with PEDOT: PSS (only for comparative measurements, the latter layer was applied) and then stored in an inert gas atmosphere. An organic mixed layer of CuPc: C 6 o with a mixing ratio of 1: 1 was deposited by means of the OVPD technique (Organic Vapor Phase Deposition) in a thickness of 70 nm.
Nach der Abscheidung der Absorberschicht wurden die Substrate unter Inertgasatmosphäre in die Depositionskammer für Metallkontakte transferiert. Zur Kontaktierung wurden eine Kombination eines Metalls mit niedriger und eines mit hoher Austrittsarbeit verwendet, in diesem Beispiel Mg und Ag. Die Mg/Ag-Kontakte wurden durch sequentielles thermisches Aufdampfen bei einem Druck < 10"6 mbar abgeschieden. Zur Steuerung der Aufdampfprozesse wurde ein Schichtdickensteuergerät mit angeschlossenen Schwingquarz- Sensoren verwendet. Für beide Metalle wurde eine Depositionsrate von 3 Ä/s eingestellt. Die Optimierung der Kontakte erfolgte durch systematische Variation der Mg- und Ag-Schichtdicken. Für Magnesium wurde der Dickenbereich bis 100 nm untersucht und für Silber der Bereich 50 bis 120 nm. Die Bestimmung der Solarzellenparameter (Wirkungsgrad, offene Klemmenspannung, Kurzschlussstromdichte und Füllfaktor) wurde durch I-V- Messungen an Solarzellen mit einer Fläche von 0,06 cm2 unter Standardtestbedingungen (AM 1.5, 100 mW/cm2, 25°C) ermittelt. Die sich daraus ergebenen Resultate sind in Figur 1 für Mg und Figur 2 für Ag dargestellt.After the deposition of the absorber layer, the substrates were transferred under an inert gas atmosphere into the deposition chamber for metal contacts. For contacting, a combination of low and high work function metal were used, in this example Mg and Ag. The Mg / Ag contacts were deposited by sequentially thermal evaporation at a pressure <10 "6 mbar. In order to control the vapor-deposition a coating thickness control unit with connected quartz crystal sensors was used. For both metals, a deposition rate of 3 Å / s was set. The optimization of the contacts was carried out by systematic variation of the Mg and Ag layer thicknesses. For magnesium, the thickness range up to 100 nm was investigated and for silver the range 50 to 120 nm. The determination of the solar cell parameters (efficiency, open terminal voltage, short-circuit current density and fill factor) was by IV measurements on solar cells with an area of 0.06 cm 2 under Standard test conditions (AM 1.5, 100 mW / cm 2 , 25 ° C). The resulting results are shown in Figure 1 for Mg and Figure 2 for Ag.
Mit optimierten PEDOT:PSS- und CuPc:C6o -Schichten und einer Zweischicht- Kontaktstruktur von 30-nm-Mg / 90-nm-Ag konnten organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 3,0 % hergestellt werden. Bereits ersteWith optimized PEDOT: PSS and CuPc: C 6 o layers and a two-layer contact structure of 30 nm Mg / 90 nm Ag, organic solar cells could be produced with an efficiency of 3.0%. Already first
Untersuchungen an Solarzellen ohne PEDOT: PSS-Schicht haben gezeigt, dass die erhaltenen elektrischen Parameter vergleichbar sind mit den oben beschriebenen Messergebnissen.Investigations on solar cells without PEDOT: PSS layer have shown that the electrical parameters obtained are comparable with the measurement results described above.
Die ladungsträgerselektiven Kontakte können angewendet werden für unterschiedliche Ausführungen der Absorberschicht, wie in Fig. 3 dargestellt. Gezeigt ist in (a) eine gemischte molekulare Schicht, in (b) ein HeteroÜbergang aufweisend gemischte/verschiedene Domainen im Volumen und (c) ein nanostrukturierter Volumen-Hetero-Übergang in einer organischen Solarzelle. Die gemischte Absorberschicht vom Typ (a) für eine Solarzelle weist keine oder nur eine geringe Donator-Akzeptor-Phasentrennung auf. Die Donator- und Akzeptormaterialien der Ausführung (b) bilden Domainen, die für effektive organische Solarzellen Größen im Bereich der Diffusionslänge der Excitonen oder kleiner aufweisen müssen. Die Donator- und Akzeptormaterialien für die Ausführung (c) sind nanostrukturiert. Die Größe der Nanokristallite muss in der Größenordnung der Diffusionslänge der Excitonen in den Materialien liegen. Die Dicke der Mischschicht muss im Bereich des geringsten Weges liegen, den die Ladungsträger bis zu ihrer Trennung an der Grenzfläche Absorber/Mehrschichtelektrode zurücklegen.The charge carrier selective contacts can be used for different embodiments of the absorber layer, as shown in Fig. 3. Shown in (a) is a mixed molecular layer, in (b) a heterojunction comprising mixed / different domains in volume and (c) a nanostructured volume heterojunction in an organic solar cell. The mixed absorber layer of type (a) for a solar cell has little or no donor-acceptor phase separation. The donor and acceptor materials of embodiment (b) form domains which, for effective organic solar cells, must have sizes in the region of the diffusion length of the excitons or smaller. The donor and acceptor materials for embodiment (c) are nanostructured. The size of the nanocrystallites must be of the order of the diffusion length of the excitons in the materials. The thickness of the mixed layer must be in the range of the smallest path that the Cover the charge carrier until it separates at the absorber / multilayer electrode interface.
In photovoltaischen Zellen mit Mischabsorberschicht des Typs (a) ohne Phasentrennung sowie in organischen Solarzellen des Typs (b) und (c) mit Donator- und Akzeptor-Domain-Trennung, bei denen die o.g. Bedingungen erfüllt sind, generieren die Excitonen an beliebigem Ort nahe der Donator- Akzeptor-Grenzfläche (Fig. 4: Prozess 1 , Punkte I und II) und dissoziieren sofort. Die Dissoziation der Excitonen (Fig. 4: Prozess 3) erfolgt sofort, da diese praktisch keinen Weg zurücklegen müssen zur Grenzfläche Akzeptor-Donator. Ist ein effektiver ladungsträgerselektiver Kontakt in gemischten HeteroÜbergängen organischer Solarzellen vorhanden, werden keine Excitonen blockierende Pufferschichten benötigt.In photovoltaic cells with mixed absorber layer of type (a) without phase separation and in organic solar cells of type (b) and (c) with donor and acceptor domain separation in which the o.g. Conditions are met, the excitons generate at any location near the donor-acceptor interface (Figure 4: Process 1, points I and II) and dissociate immediately. The dissociation of the excitons (Figure 4: Process 3) occurs immediately, since they have practically no way to go to the acceptor-donor interface. If there is an effective charge-carrier-selective contact in mixed heterojunctions of organic solar cells, no exciton-blocking buffer layers are required.
Die ladungsträgerselektiven Kontakte arbeiten wie in Fig 5 gezeigt. Als Beispiel werden hier von einem Ohmschen Kontakt effektiv die Elektronen aus dem n- Typ-Material eingesammelt, während die Löcher gleichzeitig effektiv blockiert und vom Kontakt abgestoßen werden. Der entgegengesetzte Kontakt arbeitet in derselben Weise.The charge carrier selective contacts operate as shown in FIG. As an example, an ohmic contact effectively collects the electrons from the n-type material while effectively blocking the holes and repelling them from contact. The opposite contact works in the same way.
Elektroden mit fein abgestimmter Austrittsarbeitsfunktion können auch für die Formierung von Ohmschen Kontakten an einer Bauelementestruktur vom Typ p-i-n (Donator-DonatoπAkzeptor-Akzeptor) eingesetzt werden. Die Dicke der p- und n-leitenden Schichten in dieser Struktur muss in der Größenordnung von einigen molekularen Schichten liegen, so dass die generierten Excitonen sofort an den Grenzflächen dissoziieren, die die Donator-Schicht mit den Akzeptor- Domainen der Misch- oder Volumen-i-Schicht bildet. Die Dicke der i-Schicht wird bestimmt durch die geringste Diffusionslänge der Ladungsträger.Electrodes with finely tuned workfunction function can also be used to form ohmic contacts on a p-i-n (donor donor acceptor) device structure. The thickness of the p- and n-type layers in this structure must be on the order of a few molecular layers, so that the generated excitons immediately dissociate at the interfaces that form the donor layer with the acceptor domains of the mixed or bulk domains. i-layer forms. The thickness of the i-layer is determined by the lowest diffusion length of the charge carriers.
Die erfindungsgemäße Mehrschichtelektrode gewährleistet einen verbesserten Ladungstransport zu den äußeren Elektroden, woraus eine Erhöhung der Stromdichte und der Klemmenspannung Voc der Solarzelle, also eine Steigerung ihres Wirkungsgrades resultiert. Außerdem kann durch den Wegfall der Pufferschichten zwischen dem organischen Absorbermaterial und den Elektroden die Anzahl der Technologieschritte bei der Herstellung der Solarzelle verringert werden bei gleichzeitiger Einsparung der Ausrüstung für das Aufbringen organischer Pufferschichten. The multi-layer electrode according to the invention ensures improved charge transport to the outer electrodes, resulting in an increase in the current density and the terminal voltage V oc of the solar cell, ie a Increasing their efficiency results. In addition, by eliminating the buffer layers between the organic absorber material and the electrodes, the number of technology steps in the manufacture of the solar cell can be reduced while saving the equipment for applying organic buffer layers.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mehrschichtelektrode für photovoltaische Bauelemente, mindestens aufweisend zwei Metallschichten, angeordnet auf einem Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass die die Grenzfläche mit dem Absorber bildende erste Elektrodenschicht Ei als eine Mischschicht A:B eines Metalls A dieser Elektrodenschicht Ei und des Metalls B der zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet ist, wobei - die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht E1 größer ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und1. multi-layer electrode for photovoltaic devices, comprising at least two metal layers, disposed on an absorber, characterized in that the boundary surface with the absorber forming the first electrode layer Ei as a mixed layer A: B of a metal A of this electrode layer Ei and the metal B of the second electrode layer E 2 is formed, wherein - the concentration of the metal A of the electrode layer E 1 is greater than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2 and
- im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B undin the case where the multilayer electrode is formed as a cathode, the metal A has a smaller work function than the metal B or, in the case where the multilayer electrode is formed as an anode, the metal A has a larger work function than the metal B and
- die Dicke der ersten Elektrodenschicht Ei kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2.- The thickness of the first electrode layer Ei is smaller than the thickness of the second electrode layer E 2 .
2. Mehrschichtelektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Austrittsarbeit des Absorbermaterials des n-Typs aufweist und ausgewählt ist aus den Elementen der Hauptgruppe IA oder IIA oder HIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon.2. The multilayer electrode according to claim 1, characterized in that the metal having a lower work function compared to the work function of the other metal also has a work function less than or equal to the work function of the absorber material of the n-type and is selected from the elements of the main group IA or IIA or HIB or the rare earth metals or mixtures thereof.
3. Mehrschichtelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen ausgewählt ist.3. multilayer electrode according to claim 2, characterized in that the metal is selected with a lower work function of Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa or their compounds.
4. Mehrschichtelektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit der größeren Austrittsarbeit in den Elektrodenschichten E1 und E2 im Vergleich zur Austrittsarbeit des anderen Metalls auch eine Austrittsarbeit größer oder gleich der Austrittsarbeit des Absorbermaterials des p-Typs aufweist.4. multilayer electrode according to claim 1, characterized in that the metal with the larger work function in the electrode layers E1 and E2 also has a work function greater than or equal to the work function of the p-type absorber material as compared to the work function of the other metal.
5. Mehrschichtelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit einer größeren Austrittsarbeit aus Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder AI oder Mischungen hiervon ausgewählt ist.5. Multi-layer electrode according to claim 4, characterized in that the metal with a larger work function of Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof is selected.
6. Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1 , aufweisend mindestens die Verfahrensschritte nacheinander oder gleichzeitiges Aufbringen der Metalle A und B auf eine Absorberschicht, wobei die Konzentration des Metalls A der Elektrodenschicht Ei höher ist als die Konzentration des Metalls B der Elektrodenschicht E2 und die Dicke der ersten Elektrodenschicht Ei kleiner ist als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht E2 und im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Kathode ausgebildet ist, das Metall A eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B oder im Falle, dass die Mehrschichtelektrode als Anode ausgebildet ist, das Metall A eine größere Austrittsarbeit aufweist als das Metall B.6. A method for producing a multilayer electrode according to claim 1, comprising at least the method steps sequentially or simultaneously applying the metals A and B to an absorber layer, wherein the concentration of the metal A of the electrode layer Ei is higher than the concentration of the metal B of the electrode layer E 2 and the thickness of the first electrode layer Ei is smaller than the thickness of the second electrode layer E 2, and in the case where the multilayer electrode is formed as a cathode, the metal A has a smaller work function than the metal B or if the multilayer electrode is formed as an anode in that metal A has a larger work function than metal B.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A ausgewählt wird aus der Gruppe der Metalle aus der Hauptgruppe IA oder IIA oder HIB oder der Seltenen Erden-Metalle oder Mischungen hiervon.7. The method according to claim 6, characterized in that the metal A is selected from the group of metals from the main group IA or IIA or HIB or the rare earth metals or mixtures thereof.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A aus Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa oder deren Verbindungen ausgewählt ist. 8. The method according to claim 7, characterized in that the metal A is selected from Cs, Mg, Ca, Sc, La, Sa or their compounds.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall B ausgewählt ist aus den Metallen Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au oder AI oder Mischungen hiervon.9. The method according to claim 6, characterized in that the metal B is selected from the metals Cr, Mb, Wf, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au or Al or mixtures thereof.
10. Photovoltaisches Bauelement, ausgebildet als organische Solarzelle, aufweisend auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite eine transparente Elektrode, darauf angeordnet eine aktive organische Schicht beliebiger Struktur zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren und darauf angeordnet eine Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1.10. A photovoltaic device, designed as an organic solar cell, comprising on the side facing the light incidence, a transparent electrode, disposed thereon an active organic layer of any structure for generating charge carrier pairs and arranged thereon a multilayer electrode according to claim 1.
11. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Absorberschicht als hybride Mischschicht oder als organischanorganische Mischschicht oder als organische Einzelschicht gebildet ist.11. Photovoltaic component according to claim 10, characterized in that the organic absorber layer is formed as a hybrid mixed layer or as an organic-inorganic mixed layer or as an organic single layer.
12. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der organischen Solarzelle die transparente Elektrode eine TCO-Schicht mit einem Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 60 Ω/D ist, die Absorberschicht als Mischschicht von CuPc und C6o im Verhältnis 1 : 1 in einer Dicke von 50 bis 150 nm ausgebildet ist und die Mehrschichtelektrode eine Zweischichtelektrode ist, die ohne Pufferschicht direkt auf der Absorberschicht angeordnet ist, wobei das erste Metall Mg und das zweite Metall Ag ist und die Dicke der ersten Elektrodenschicht, bestehend aus einer Mg-Ag-Mischschicht, 20 bis 40 nm beträgt, und die Dicke der zweiten12. A photovoltaic device according to claim 10, characterized in that in the organic solar cell, the transparent electrode is a TCO layer having a sheet resistance in the range of 5 to 60 Ω / D, the absorber layer as a mixed layer of CuPc and C 6 o in the ratio of 1 1 is formed in a thickness of 50 to 150 nm and the multilayer electrode is a two-layer electrode disposed directly on the absorber layer without a buffer layer, wherein the first metal is Mg and the second metal is Ag and the thickness of the first electrode layer is one of Mg-Ag mixed layer, 20 to 40 nm, and the thickness of the second
Elektrodenschicht aus Ag 70 bis 150 nm beträgt. Electrode layer of Ag is 70 to 150 nm.
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