EP3516693A1 - Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung - Google Patents

Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung

Info

Publication number
EP3516693A1
EP3516693A1 EP17777865.1A EP17777865A EP3516693A1 EP 3516693 A1 EP3516693 A1 EP 3516693A1 EP 17777865 A EP17777865 A EP 17777865A EP 3516693 A1 EP3516693 A1 EP 3516693A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optoelectronic
bypass diode
layer
cells
organic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17777865.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno HEIMKE
Christian Uhrich
Martin Pfeiffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heliatek GmbH
Original Assignee
Heliatek GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heliatek GmbH filed Critical Heliatek GmbH
Publication of EP3516693A1 publication Critical patent/EP3516693A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/10—Organic photovoltaic [PV] modules; Arrays of single organic PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/20—Organic diodes
    • H10K10/26—Diodes comprising organic-organic junctions
    • 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
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/353—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising blocking layers, e.g. exciton blocking layers
    • 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
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/81—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/16—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering
    • H10K71/162—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering using laser ablation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention describes, using the example of organic solar cells, an arrangement of an optoelectronic module comprising
  • Optoelectronic components for example solar cells, are produced as modules, which are connected in series and / or in parallel. Individual modules consist of several cells usually interconnected in series, often in the form of
  • shaded cells represent reverse-biased diodes with respect to the serially interconnected, unshaded or shaded cells. Thus, they impede the outflow of photogenerated electricity, which has a negative effect on the efficiency. There is also a risk that in the shaded cells
  • FIG. 1 An example of a targeted, induced degradation / degradation is shown in FIG. It is clear that this leads to a punctual destruction of the visible surface of the module and is not desirable.
  • the aim of economic production is the production of large, efficient modules that have a long service life.
  • bypass diodes are used in conventional thin-film photovoltaics. In this case, single or multiple modules are subsequently provided with bypass diodes.
  • EP 1 920 468 B1 proposes equipping a module or a solar cell with a bypass diode arranged next to it, the bypass diode and the solar cells differing in structure, above all in the structure of the transport layers.
  • the related original international application WO 2007 028 036 A2 further discloses a dye-sensitive solar cell in which fluorinated tin oxide is used between an electrode and the photoactive layer. Disadvantage of this arrangement is that this only for
  • dye-sensitive solar cells can be used.
  • WO 2007 028 036 A2 further discloses the necessary use of two layers 160 (top cover) and 170 (bottom cover), which are applied to the electrodes of the bypass diode region, so that the bypass diode does not generate current when the
  • Photovoltaic cells are illuminated.
  • the aim of the present invention is an arrangement of an optoelectronic component, preferably a solar cell comprising at least one module, with a better efficiency in (partial) shading of individual cells or cell areas and an increase in the life of partially and / or fully shaded cells or cell strips to achieve and reduce the disadvantages described in the prior art.
  • the proposed solution for improving the efficiency and the life of partial shading affects the optical surface of the solar cell (modules) for a user as little as possible and the production of the inventive components in a roll-to-roll Process can be integrated and is also suitable for large-area optoelectronic modules.
  • a further object is to specify a production method for the arrangement according to the invention, wherein this method can preferably be integrated in a roll-to-roll process.
  • An optoelectronic component consists of at least one module with photoactive layers.
  • An organic one is
  • Optoelectronic component is an optoelectronic
  • Component with at least one organic photoactive layer This consists of at least one module.
  • a module consists of different (photoactive) cells, which are particularly preferably connected in series, but also a parallel connection is possible.
  • a strip or cell strip is a particular one
  • a portion of a strip which is bounded by at least one bypass diode or contains a bypass diode when bypassing on a strip Diodes are arranged.
  • the inventors understand under a "bypass diode integrated" a device that a
  • Voltage blocking region and a passband has, wherein the integrated bypass diode according to the invention causes a low current flow at V M pp of the corresponding optoelectronic cell of the optoelectronic device and a high current flow at backward loading of the corresponding optoelectronic cell of the optoelectronic device.
  • integrated bypass diode is understood below to mean all variations according to the invention if they fulfill the required task, even if they do not designate a classic diode.
  • Organic, optoelectronic cells are in dependence of the number of photoactive layer systems, by transport and other layers in the layer structure between the two base and cover contacts, in single, tandem or multiple cells
  • Tandem and multiple cells consist of at least two sub-cells which are arranged one above the other between the electrodes, each sub-cell at least one photoactive
  • (light-absorbing) layer and at least one transport layer comprises.
  • small molecules are understood as meaning non-polymeric organic molecules having monodisperse molar masses of between 100 and 2000 g / mol, which are disclosed in US Pat
  • the object is achieved by an arrangement of an optoelectronic component, a solar cell, in which at least one bypass diode is integrated.
  • the integrated bypass diode can be printed or vapor deposited.
  • at least one integrated bypass diode and the layers of the organic component of a cell are arranged one above the other between the electrodes, wherein the layers of the organic component in the region of the bypass diode are at least partially interrupted or bridged so that a direct electrical contact the layers of the bypass diode to ground and cover contact exists.
  • This arrangement will be referred to as a sandwich arrangement hereinafter.
  • the integrated bypass diode and the organic optoelectronic cells are arranged side by side on the substrate and are targeted
  • this arrangement is referred to as laser-processed arrangement hereinafter.
  • the structuring can be designed such that the bypass diode is integrated in such a way next to the strips of the optoelectronic cells or in the stiffeners of the optoelectronic cells on the substrate that the base contact of a strip of the
  • Optoelectronic cells with the cover contact of the associated bypass diode and the base contact of the associated bypass diode with the base contact of the adjacent strip of optoelectronic cells is electronically connected.
  • the bypass diode should have the same reverse direction between the ground and cover contacts as the strips of the optoelectronic cells.
  • this approach has the advantage that a very homogeneous visual impression is created since the area of the bypass diodes does not differ in color
  • bypass diodes (Less than 10%, but preferably less than 5% or more preferably less than 2%, most preferably less than 0.5% of the area of the associated strip). According to the invention, the proportion of area required for bypass diodes can also be minimized by making the bypass diodes very narrow
  • bypass diodes (less than 8 mm, preferably less than 5 mm, more preferably less than 2 mm). Although this requires that a total of more bypass diodes are integrated into a specific total area, but is still advantageous because the heat generation of many small bypass diodes can be dissipated more easily than for less but larger bypass diodes.
  • the optimum dimensioning of the bypass diodes depends on the accuracy of the
  • the aforementioned losses can be reduced according to the invention by the photovoltaic function (external quantum efficiency of the charge carrier generation) of the layer stack of the optoelectronic component in the region of the bypass diode by suitable photovoltaic function (external quantum efficiency of the charge carrier generation) of the layer stack of the optoelectronic component in the region of the bypass diode by suitable photovoltaic function (external quantum efficiency of the charge carrier generation) of the layer stack of the optoelectronic component in the region of the bypass diode by suitable
  • After-treatment e.g., by laser radiation, UV radiation,
  • Electron or ion bombardment is deliberately reduced. If the optoelectronic component is a multiple cell (tandem, triple or quadruple cell), it is sufficient in accordance with the invention to purposefully reduce the quantum yield of at least one subcell in the region of the bypass diode.
  • a reduction in the relative area requirement of the bypass diodes requires the highest possible load capacity of the bypass diode with current flow in the forward direction.
  • This load capacity can be used as an optoelectronic component in the case of multiple cells
  • Charge carrier type with applied forward voltage Particularly preferred according to the invention are devices with bipolar injection into the depletion zone with applied forward voltage, in which the injected charge carrier clouds interpenetrate, which reduces the space charge limit of the current flow.
  • a bipolar injection according to the invention can be made possible by a mixed layer of a
  • the layer stack of the optoelectronic component is deposited on the entire surface, ie also on the region in which a layer stack for the bypass diode was applied to the base contact, this must at least partially by a suitable Ablations vide in the field of bypass diode (eg Laser Ablation) are removed again to allow electrical contact of the layer stack of the bypass diode with the cover contact.
  • the layer stack of the bypass diode as the last layer may comprise a conductive layer, for example a metal or PED0T: PSS, so that the entire area of the bypass diode does not have to be exposed by ablation. Rather, it is sufficient in this case by ablation point or line-like electrical connections between the bypass diode and the cover contact to allow.
  • the structuring of the individual layers of the cells of the optoelectronic component with the bypass diode and / or on its own can, for example, by means of laser ablation, electron or ion beam ablation, shadow masks, or the like. respectively.
  • the bypass diode which is arranged in parallel to one or more organic cells, allows (partial) shading, as the current flow in the organic cell decreases, a higher current flow in the reverse direction of the organic cell at a given voltage.
  • the advantage of the integrated bypass diode according to the invention allows a constant optical view of the surface of the optoelectronic component, and increases the efficiency of shading individual cells of the device, and thus
  • the integrated bypass diode has an identical or almost identical stack as the arranged next to the integrated bypass diode optoelectronic cells is by the inventive processing, preferably by laser during the manufacturing process, and the optional laser treatment of Stacks in the area of the integrated bypass diode no use of additional cover layers on the area of the integrated bypass diode, so that the bypass diode does not generate electricity when the photovoltaic cells
  • Fig. 1 shows a photograph to illustrate the problem of
  • FIG. 2 shows the arrangement according to the invention, in which the
  • integrated bypass diode and the layer sequence of a cell are arranged as a stack between the base contact and cover contact (sandwich arrangement).
  • Fig. 3 illustrates the possible forms of the integrated bypass diode, which is applied directly to the base contact, according to sandwich arrangement, cf. Fig. 2.
  • FIG. 4 shows the embodiment according to the invention of the integrated bypass diode, which are arranged next to the photovoltaic stack.
  • Fig. 5 illustrates the laser structuring for the production of the integrated bypass diode.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show the current-voltage characteristic and a thermographic photograph for the example shown in FIG. 4.
  • FIG. 8 shows the current-voltage characteristic curve for the example according to structuring shown in FIG. 9.
  • FIGS. 10 and 11 show the current-voltage characteristics of printed integrated bypass diodes for use in FIG.
  • FIG. 12 shows the current-voltage characteristic of a single-carrier device as an integrated bypass diode for use in organic optoelectronic components in a sandwich arrangement.
  • the module according to the invention of the optoelectronic component (0) comprises at least one integrated bypass diode (4), at least one layer stack of an organic cell (3), at least two contacts, wherein contacts near the substrate are referred to as ground contact or ground electrode (1) and contacts remote from the substrate a cover contact or cover electrode (2).
  • layer stack is meant the layer system between the electrodes, ie that the layer stack without electrical ground and cover contact is meant.
  • the layer stacks of the organic optoelectronic cells are arranged as strips with their contacts next to one another and connected in series.
  • Cell strip has its own ground electrode and cover electrode.
  • the series connection is made by electrically connecting the base electrode (1) of one cell with the cover electrode (2) of the next cell.
  • each cell strip is the
  • Optoelectronic cells associated with exactly one integrated bypass diode are associated with exactly one integrated bypass diode.
  • each part of a strip of the optoelectronic cells is associated with an integrated bypass diode.
  • an integrated bypass diode This allows especially for large and wide modules, modules wider than 25 cm, preferably wider than 50 cm and more preferably wider than 1 m, to assign several smaller bypass diodes a strip of optoelectronic cells.
  • Another advantage is that the integrated bypass diode can thereby be chosen small enough, and problems, such as thermal problems, in the removal of the current in larger cells can be avoided with only one bypass diode.
  • an integrated bypass diode can be assigned to a plurality of optoelectronic cells / cell areas.
  • the area fraction of the integrated bypass diode on the ground contact i. the sum of
  • Basic contact or in conjunction with this base contact less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, very particularly preferably less than 1% of the respective base contact surface.
  • the area fraction of all integrated bypass diodes in a module is less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, very particularly preferably less than 1% of the module area.
  • the layer stack of an optoelectronic cell which is arranged between the base contact and the cover contact, comprises several
  • the layer stack can be as single, tandem or
  • the designation is determined by the number of subcells, each subcell containing at least one photoactive layer, which are separated by transport layers, preferably doped transport layers, more preferably by wide-gap layers, and optional recombination layers, and several of them Layers can exist.
  • At least one of the layers of the p or n layer system is p-doped or n-doped, preferably as a p-doped or n-doped wide-gap layer.
  • the i-layer system also as i-layer
  • n-, p-, i- layers may consist of further layers, wherein the n- or p-layer consists of at least one doped n- or p-layer, which by their doping to an increase of
  • the layer stack of the optoelectronic cell consists of a meaningful combination of p-, n-, and i-layer systems, i. each subcell comprises an i-layer system and at least one p- or n-layer system.
  • WO 2011 138 021 A2 WO 2011 161 108 AI disclosed.
  • layer stacks are preferably used in which the photoactive layers comprise absorber materials which are vaporisable and are applied by evaporation (vapor deposition).
  • materials belonging to the group of "small molecules" are used, which inter alia in WO 2006 092 134 AI, WO
  • Layers thus form acceptor-donor systems, and may consist of several single layers, or of mixed layers, as planar heteroj unction, and preferably as bulk heterojunction.
  • Inventors prefer optoelectronic layer stacks, which can be applied completely by evaporation.
  • layer stacks can be in addition to opaque and transparent or partially transparent optoelectronic
  • Components are produced.
  • the inventors understand under transparent layers / electrodes, if they have a transmission greater than 80%, wherein ideally the other electrode is designed to be at least 50% reflective.
  • a partially transparent or semitransparent layer / electrode the inventors understand that when the layer / electrode has a
  • Transmission has between 10% and 80%.
  • Opaque electrodes are not transparent layers.
  • the cover electrode comprises silver or a silver alloy, aluminum or an aluminum alloy, gold or a gold alloy, or a combination thereof
  • Materials preferably comprising as silver alloy Ag: Mg or Ag: Ca.
  • the layer stack of optoelectronic cells can be any type of optoelectronic cells.
  • pervoskite-based solar cells also comprise pervoskite-based solar cells. Furthermore, it is possible passivation layers, preferably comprising molybdenum oxide or tungsten oxide, adjacent to the
  • Insert electrodes preferably adjacent to the top electrode, to a degradation of the organic layer stack by
  • the finished modules can be provided with additionally applied barrier layers or be encapsulated in order to further minimize degradation due to environmental influences.
  • the arrangement of the bypass diode can be carried out in an embodiment in a sandwich arrangement with the optoelectronic stack, wherein between the common base contact and the cover contact the integrated bypass diode and the optoelectronic layer stack are arranged one above the other, see Fig. 2nd
  • the implementation of the integrated bypass diode can be effected by a single layer stack (4), see FIG. 2 a), or by at least two separate layer stacks (4, 5), see FIG. 2 b).
  • the optional intermediate layers (12) and / or (13) are shown as an example of the cover electrode (2). These intermediate layers (12, 13) may also optionally be used for
  • Base electrode (1) may be arranged.
  • the bypass diode is applied to the electrode near the substrate.
  • At least one further layer (12) / (13) may be introduced between the electrode near the substrate and the integrated bypass diode and / or also between the integrated bypass diode and the electrode remote from the substrate (cover contact).
  • Passivation layers (English: passivation layer) for the protection of the bypass diode or the layer structure of the optoelectronic cells or coupling layers (English: injection layer) makes sense.
  • passivation layer for the protection of the bypass diode or the layer structure of the optoelectronic cells or coupling layers (English: injection layer) makes sense.
  • injection layer for the contacting of the integrated bypass diode, it is necessary that the layers of the organic component, the layer stack of optoelectronic cells, after the bypass diode on the Base electrode and the bypass diode have been applied, at least partially interrupted or bridged in the region of the integrated bypass diode, so that there is a direct electrical contact of the layers of the integrated bypass diode to ground contact and cover contact.
  • the structuring of the individual layers in order to ensure a direct electrical contact of the integrated bypass to the cover contact can, for example, by means of laser ablation,
  • the individual cells of the organic optoelectronic module are connected in series.
  • the integrated bypass diode is parallel to an organic cell.
  • the integrated bypass diode can be connected in parallel to several organic cells.
  • the layer stack of the optoelectronic cells is preferably designed as an organic layer stack, the layer stack comprising at least one photoactive layer system, preferably an organic photoactive layer
  • the layer stack of optoelectronic cells contains small molecules that can be vaporized.
  • the individual subcells in the optoelectronic cells include next
  • the optoelectronic layer stack may comprise further doped, partially doped or undoped layers, for example passivation and cavity layers, so that each subcell represents an in, ip, pin, nip, pnip, etc. cell. wherein each of the individual i, n, p layers may be represented by multiple layers.
  • the sub-cells can be separated by recombination layers.
  • the bypass diodes are in the form of various discrete shapes, for example, round, angular, rectangular, solid or broken lines.
  • FIG. 3 shows the possible plan views as a function of the discrete form of the integrated bypass diode used, the components according to the invention shown in FIG. 2.
  • the layer stack of the bypass diode as the last layer comprises a conductive layer, for example a metal or PEDOT: PSS, so that the entire area of the bypass diode does not have to be exposed by ablation. Rather, it is sufficient in this case by ablation point or line-like electrical connections between the bypass diode and the cover contact to allow.
  • a conductive layer for example a metal or PEDOT: PSS
  • the base contact forms the
  • Solar cell is a cathode and the cover contact an anode.
  • the cover electrode as the anode, comprises predominantly or completely of a metal having a thermal work function of less than 4.5 eV, for example of aluminum or of one
  • Aluminum alloy of silver or of a silver alloy, these preferably as Ag: Mg or Ag: Ca.
  • the integrated bypass diode at least one of the subsequent layers or
  • Layer sequences comprises: an inorganic or organic, preferably intrinsic or lightly doped layer, wherein the concentration of the dopants, with weak doping of the layer, in this layer is less than 10%, preferably less than 5% and particularly preferably less than 1%, these being hole-conducting Layer is executed; a non-intrinsic organic or inorganic layer, ie, p- or n-doped layer, having a workfunction greater than 4.5 eV, followed by an insulating layer to form a tunnel diode to the anode; a layer comprising a highly doped organic p-type conductor, for example PEDOT: PSS, which oxidizes the surface of the cathode by the oxidants it contains, and thus to form an insulating layer at the interface with the anode, for example metal oxide, metal sulfur compound or metal-acceptor complexes leads.
  • an inorganic or organic, preferably intrinsic or lightly doped layer wherein the concentration of the dopants, with weak doping of the
  • the cover electrode as anode, comprising predominantly or completely of a metal or a material with a
  • any thermal work function or wherein in the region of the integrated bypass diode under the cover contact a layer comprising a degenerate or heavily doped n-type conductor with a thermal work function is less than about 4.5 eV arranged and the bypass diode at least one of subsequent layers or layer sequences comprises:
  • an inorganic or organic layer preferably intrinsically or lightly doped, wherein the concentration of the dopants in the layer is less than 10%, preferably less than 5% and particularly preferably less than 1%, wherein the layer on the
  • a non-intrinsic layer having a work function greater than 4.5 eV followed by an insulating layer to form a tunnel diode to the degenerate or heavily doped n-type conductor layer.
  • the thermal work function of the base electrode (cathode) in a further embodiment by suitable intermediate layers, for example molybdenum oxide, tungsten oxide, PEDOT: PSS, suitable self-assembled monolayer (German: self-assembling monolayer), and / or by suitable pretreatment, for example UV-ozone treatment or oxygen plasma treatment, to a value greater than 4.5 eV,
  • the hole-conducting layer comprises
  • integrated bypass diode at least one of the following materials or material classes:
  • Contain material which can react via appropriately functionalized side groups with the actual hole-conducting substance, which can be polymerized, for example, after deposition thermally or under the action of light, preferably UV light.
  • Such functional groups are, for example, vinyl, methacrylates, trichlorosilane, azides,
  • Epoxides or oxetanes are absorbed by UV rays
  • Nitrene converted which then cause the cross-linking.
  • the crosslinking takes place via a cationic ring-opening polymerization
  • polymeric hole-conducting preferred are compounds with a moderate work function between about 4.8 eV and about 5.8 eV, preferably between about 5.0 eV and about 5.5 eV and / or
  • Substances which have correspondingly functionalized side groups are preferred in that they can be cross-linked thermally or under the action of light, preferably UV light, after the deposition, for example polythiophene, such as PEDOT, conductive dyes, for example Plexcore, polypyrroles, polyamines, such as polyaniline, Polyparaphenylene, polyphenylenevinylene, polyphenyleneethynylene, polyvinylcarbazole, polymers containing triarylamine, fluorene or carbazole groups; or
  • the electron-conducting layer of the integrated bypass diodes comprises at least one of the following
  • Dicyanovinyl phenomenon include, or
  • the core skeleton of the bisimides may be both unsubstituted and possess electron-withdrawing substituents (F, Cl, CN). Likewise, this includes book-linked dimers,
  • Fluoranthenfused imides with solubilizing groups are Fluoranthenfused imides with solubilizing groups.
  • Tetraazabenzodifluoranthenediimides and diketopyrrolopyrrole (DPP) -functionalized acceptors with the solubility-promoting groups mentioned above also form low molecular weight, electron-conducting compounds.
  • Middle group such as fluorene, dibenzosilol, indacenodithiophene and indacenodithieno [3, 2-b] thiophene, flanked by electron-deficient terminal acceptors, such as rhodanines, imides, indandiones, dicyanovinylenes, which are often linked via vinyl bridges;
  • polymeric electron-conducting substance for example cyano-substituted polyphenylenevinylene; preferred are compounds with moderate electron affinity between ca.
  • the integrated bypass diode may be an organic bipolar conductive layer comprising a mixture preferably of any of the foregoing
  • the integrated bypass diode may comprise materials which, prior to the layer system of the optoelectronic cells, may be applied to the base electrode or to the pretreated base electrode,
  • the structure of the integrated bypass diode is analogous to the above-integrated bypass diodes or alternatively in the form of a single-carrier devices (Translated: single-carrier device).
  • the inventors have further surprisingly found that the same effect of an integrated bypass diode is achieved when using a layer stack as an "integrated bypass diode" between two electrodes in the form of a single-carrier device comprising three layers of a charge carrier type with a intrinsic layer with low energetic barrier in the middle and two more hole- or electron-conducting ones
  • the thickness of the intrinsic layer is preferably less than 100 nm, preferably less than 50 nm, more preferably less than 20 nm, very particularly preferably less than 10 nm, very particularly preferably about 5 nm.
  • a layer stack between the two electrodes as an "integrated bypass diode" in the form of a single-carrier device comprising three layers of a charge carrier type, with a weakly doped (intrinsic) layer with a higher energy barrier in the middle and two more heavily doped layers to create a stopband
  • the lightly doped intrinsic layer preferably has a thickness of less than 100 nm, preferably less than 5 nm,
  • the doping is in one
  • Range of small approx. 1 mol% preferably less than 0.5 mol%, more preferably less than 0.1, most preferably less than 0.05 mo 1%, most preferably about 0, 01 mol%.
  • the layers in the single-carrier device for example, CBP (4,4 ⁇ bis (N-carbazolyl) -1, 1 ⁇ -biphenyl), TCTA (tris (4-carbazoyl-9-ylphenyl) amine), AZO, or the above-mentioned hole-conducting or electron-conducting
  • F4-TCNQ can be used. It is also possible to use all other dopants known for doping transport layers in organic solar cells.
  • the single-carrier device can furthermore be embodied as MoOx / i-HTL / MoOx, in FIG. 12 by way of example as MoOx / ATO / MoOx.
  • the first MoOx layer or the last MoOx layer may be formed as part of the base contact (1), the cover contact (2) or as part of the intermediate layers (12, 13).
  • Base electrode of each cell applied and patterned (PI).
  • bypass diodes is applied without electrodes on the base contacts, wherein the bypass diodes do not cover the entire surface of the
  • Ground contact i. the sum of the area fraction of all integrated bypass diodes above this base contact or in conjunction with this base contact is less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, very particularly
  • the area fraction of all integrated bypass diodes in a module is less than 20%, preferably less than 10%, especially preferably less than 5%, very particularly preferably less than 1% of the module area.
  • bypass diodes can be carried out by printing the individual layers, preferably by an Injket-, screen printing, gravure printing or flexoprinting process, or by vapor deposition of the layer stack, or a combination of printing and vapor deposition, preferably with the above materials, especially preferably with organic materials or inks comprising organic materials.
  • Optoelectronic cells applied as a single, tandem or multiple cell, preferably by evaporation of small molecules. Subsequently, the structuring of the layer stack of the optoelectronic cells (P2) takes place and preferably at the same time
  • the structuring can be done by shadow masks, structured printing or laser ablation, preferably laser ablation using ultrashort pulse lasers
  • Pulse lengths in the nano-, pico- or femtosecond range done.
  • Structuring / exposure of the integrated bypass diode ( ⁇ 2 ⁇ ) must be adapted to the process parameters (intensity, overlap, profiles) for P2 ⁇ structuring.
  • the module can then be encapsulated in order to protect the layer structure from external influences.
  • passivation layers for protecting the organic layers of the optoelectronic layer system and / or to protect the bypass diode during the
  • Optoelectronic cells to be arranged on the substrate between the cover contact and the ground contact see. Fig. 4 and are prepared by targeted structuring during production and connected appropriately.
  • integrated bypass diode is associated with a cell strip.
  • the integrated bypass diode is electrically connected in parallel with the cell strips and the cells, represented by cell strips, are connected in series for parallel cell strips.
  • the structuring is inventively designed so that the integrated bypass diode in such a way next to the strips of the optoelectronic cells or in the stiffeners of
  • optoelectronic cells is integrated on the substrate, that the base contact of a strip of the optoelectronic cells with the cover contact of the associated bypass diode and the base contact of the associated bypass diode with the base contact of the
  • bypass diode should have the same reverse direction between the ground and cover contacts as the strips of the optoelectronic cells.
  • bypass diode and the optoelectronic cells Layer stack it is simplest in this case, and the same for the bypass diode and the optoelectronic cells Layer stack to use.
  • this approach has the advantage that a very homogeneous visual impression is created because the area of the bypass diodes does not differ in color from the
  • the area of the bypass diode is small, that is less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 0.5 to 2% of the area of the
  • bypass diodes are made very narrow, i. the width of the integrated bypass diodes is less than 8 mm, preferably less than 5 mm, more preferably less than 2 mm. Although this requires that a total of more bypass diodes in one
  • bypass diodes certain total area are integrated, but is still advantageous because the heat generation of many small bypass diodes can be dissipated easier than less but larger bypass diodes.
  • the optimum dimensioning of the bypass diodes depends on the accuracy of the
  • the said losses can be further reduced according to the invention by the photovoltaic function, i. external
  • Quantum yield of the charge carrier generation, the layer stack of the optoelectronic device in the bypass diode by appropriate treatment, for example by laser radiation, UV radiation, electron or ion bombardment is deliberately reduced.
  • the optoelectronic component is a multiple cell (tandem, triple or quadruple cell), it is sufficient according to the invention for the quantum yield of
  • bypass diode targeted to reduce at least one subcell in the region of the bypass diode.
  • a reduction in the relative area requirement of the bypass diodes requires the highest possible load capacity of the bypass diode with current flow in the forward direction. This load capacity can be used as an optoelectronic component in the case of multiple cells
  • Particularly preferred according to the invention are components with bipolar injection into the depletion zone with applied forward voltage, in which the injected charge carrier clouds interpenetrate, which reduces the space charge limit of the current flow.
  • Depletion zone of the bypass diode a bipolar injection according to the invention are made possible by a mixed layer of a hole-conducting and an electron-conducting material, which form an interpenetrating, bicontinuous network is used. Furthermore, it is advantageous to use doped layers and to select the doping profile or the doping density so that the depletion zone is just as thick as it is necessary for a sufficiently good blocking behavior, for organic semiconductors typically about 15 to 50 nm. Alternatively, also in the embodiment that the integrated bypass diode and the organic cells are arranged side by side on the substrate, the at least one integrated bypass diode before the application of the optoelectronic
  • Layer stack are applied. In this case, printing or vapor deposition of the bypass diode is possible, preferably in a vacuum.
  • the structuring of the individual layers of the cells of the optoelectronic component with the bypass diode and / or on its own can, for example, by means of laser ablation, electron or ion beam ablation, shadow masks, or the like. respectively.
  • a layer stack is selected as the layer stack of optoelectronic cells by evaporation in a vacuum
  • the module according to the invention comprises an integrated bypass diode and a layer stack of an organic cell, which in
  • the sequence of layers of the integrated bypass diode comprises at least two layers in order to make it clear that a tunnel diode can still be arranged between the electrode and the integrated bypass diode or the integrated bypass diode consists of several layers.
  • FIG. 10 shows the current-voltage characteristic of a
  • Component was a 30nm thick ZnO layer of ZnO nanoparticles in the Inkj et process on a with ITO
  • the ITO is patterned such that an active area of approximately 6 mm 2 is given by the overlap with the back contact.
  • the device shows a low current flow in the range of -2 to + 3V. Current flows in the ranges of voltages less than -2V and greater + 3V and the characteristics show a relatively steep rise.
  • the device whose characteristic is shown in FIG. 10 satisfies the requirements that can be used as an integrated bypass diode in an organic optoelectronic component.
  • Fig. 11 shows the current-voltage characteristic of a device with the layer sequence: glass - ITO (130nm) -PTAA (30nm) -AZO (60nm) - back contact.
  • the PTAA poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine
  • AZO layer of nanoparticles
  • bypass diode is directly on the ground contact
  • Fig. 12 shows the current-voltage curve of another
  • Embodiment of a component for integration as an integrated bypass diode in a sandwich arrangement It is a single-carrier device with hole-conducting materials for two different thicknesses of the i-HTL layer (and the same p-HTL materials p-HTLl and p-HTL3). Coated on an ITO
  • a 40nm dense p-HTLl layer BF-DPB doped with 7wt% of the dopant NDP9 was first deposited by vacuum evaporation followed by an intrinsic layer (i-HTL2) of 4P-TPD. The thickness of this layer was varied from 20 nm to 60 nm. Subsequently, another 40 nm thick BF-DPB layer doped with 7wt% NDP9 was applied. As cover contact, 100 nm of Al were precipitated. All layers were deposited by shadow masks. Due to the barrier of HT1 and HT3 to HTL2 only low current flows at low voltages (+ 1V). At higher voltages, this barrier can be overcome more easily and the current flow increases exponentially with the voltage. Of the barrier of HT1 and HT3 to HTL2 only low current flows at low voltages (+ 1V). At higher voltages, this barrier can be overcome more easily and the current flow increases exponentially with the voltage. Of the barrier of HT1 and HT3 to HTL2 only low current flows
  • Barrier area can be adjusted by the height of the barrier and the thickness of the intrinsic layer.
  • Electrodes ITO / p-HTLI / i-HTL2 / p-HTL3 / AI). This component is also suitable for integration as a bypass diode in a sandwich arrangement.
  • Interlayers in the stack of the organic optoelectronic layer or between the organic stack and the electrodes For example, the application of an electrically conductive layer following the application of the integrated bypass diode.
  • the integrated bypass diode comprises the same stack as the stack of the optoelectronic cells.
  • the stack of optoelectronic cells and the integrated bypass diode is in the same manufacturing process means
  • Evaporation applied in vacuo Due to the structuring according to the invention, preferably as laser structuring, during the production process, the separation into optoelectronic cells and integrated bypass diodes takes place.
  • Fig. 4 shows an arrangement comprising two cell strips with optoelectronic cells (3) in the middle by a
  • Strip with integrated bypass diodes (4) are interrupted.
  • the arrangement is the upper one
  • FIG. 7 shows two
  • the integrated bypass diodes are integrated next to the two adjacent corresponding cell strips.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which, by the additional use of P4 laser cuts, an arrangement of the integrated bypass diode adjacent to the corresponding cell strip has been realized.
  • the advantage of this example over the first embodiment of the laser integrated bypass diode is that the upper band of the "first" integrated bypass diode can be reduced thereby increasing the usable area for power generation
  • the example and the current-voltage diagram are shown in Fig. 8 and Fig. 9.
  • Fig. 8 this is realized by an additional P2 and P3 cut.
  • the current flow is indicated by the arrows.
  • the photogenerated current flows in this example, in particular via the top contact of the shaded optoelectronic cell to the bypass diode and can there via the additional P2 structuring to an improved extent in the base contact of the bypass diode
  • FIG. 1 A further embodiment with offset current flow behavior is shown in FIG.
  • the necessary structuring PI (dashed) / P2 (dotted) / P3 (solid) are shown.
  • the first integrated bypass diode is not arranged parallel to the first cell strip, ie integrated bypass diodes are arranged offset to the cell strips.
  • the current flow into the bypass diode and out of the bypass diode can be improved by further structuring measures (PI, P2, P3).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Anmeldung beschreibt organische Bauelemente zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie mit integrierten Bypass-Dioden, die in den optoelektronischen Stack integriert sind, um die Effizienz und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements bei Teil-/Verschattung einzelner Zellen oder Zellsegmente zu erhöhen. Die Produktion dieser Bauelemente ist auch für großflächige Anwendungen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich.

Description

ORGANISCHES BAUELEMENT ZU UMWANDLUNG VON LICHT IN ELEKTRISCHE ENERGIE M IT VERBESSERTER EFFIZIENZ UND LEBENSDAUER BEI TEILVERSCHATTUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung beschreibt, am Beispiel organischer Solarzellen, eine Anordnung eines optoelektronischen Moduls, umfassend
verschiedene Zellen, die im Einsatz teilverschattet sein können, und die trotz der Verschattung eine verbesserte Effizienz und eine längere Lebensdauer des Moduls garantieren.
Stand der Technik
Optoelektronische Bauelemente, beispielsweise Solarzellen, werden als Module produziert, die in Reihe und/oder parallel verschaltet werden. Einzelne Module bestehen aus mehreren in der Regel in Reihe zueinander verschalteten Zellen, häufig in Form von
Zellstreifen .
Ein Problem der verschalteten Module bei Teilverschattung
einzelner Module/Zellen ist, dass die verschatteten Zellen in Sperrrichtung geschaltete Dioden bezüglich der dazu in Reihe verschalteten, unverschatteten oder schwächer verschatteten Zellen darstellen. Damit behindern sie den Abfluss des photogenerierten Stroms, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt. Außerdem besteht die Gefahr, dass in den verschatteten Zellen ein
konzentrierter Stromfluss durch Defektstellen auftreten kann, welcher zur lokalen Überhitzung und schließlich zu irreversibler Degradation der Zelle und damit zu einem Effizienzverlust des Moduls führen kann.
Ein Beispiel für eine zielgerichtet, hervorgerufene Degradierung / Degradation ist in Fig. 1 dargestellt. Es ist klar erkennbar, dass dieses zu einer punktuellen Zerstörung der sichtbaren Oberfläche des Moduls führt und nicht erwünscht ist. Ziel einer wirtschaftlichen Produktion ist die Produktion von großflächigen, effizienten Modulen, die eine lange Lebensdauer besitzen .
Ein Ausfall einzelner Zellen bei großflächigen Modulen, mit Modulbreiten größer als 50 cm, bevorzugt größer als 1 m und Modullängen größer als 2 m, bevorzugt größer als 5 oder 10 m, ist wirtschaftlich betrachtet gravierender als der Ausfall
kleinflächiger Zellen oder Module, von beispielsweise 1 cm x 1 cm Ein entsprechender Austausch ist kostenintensiv für den Nutzer un deshalb ebenfalls nicht erwünscht.
In der herkömmlichen Dünnschichtphotovoltaik werden Bypass-Dioden verwendet. In diesem Fall werden einzelne oder mehrere Module nachträglich mit Bypass-Dioden versehen.
Im Bereich der organischen photovoltaischen Solarzellen schlägt EP 1 920 468 Bl vor, ein Modul oder eine Solarzelle mit einer daneben angeordneten Bypass-Diode auszustatten, wobei die Bypass- Diode und die Solarzellen sich im Aufbau, vor allem im Aufbau der Transportschichten unterscheiden. Die zugehörige ursprüngliche internationale Anmeldung WO 2007 028 036 A2 offenbart weiterhin eine farbstoffsensitive Solarzelle, bei der, fluoriertes Zinnoxid zwischen einer Elektrode und der photoaktiven Schicht verwendet wird. Nachteil dieser Anordnung ist, dass dieses nur für
farbstoffsensitive Solarzellen verwendet werden kann.
WO 2007 028 036 A2 offenbart weiterhin die notwendige Verwendung von zwei Schichten 160 (top cover) und 170 (bottom cover) , die au den Elektroden dem Bereich der Bypass-Diode aufgebracht sind, damit die Bypass-Diode keinen Strom generiert, wenn die
photovoltaischen Zellen beleuchtet sind.
US 2015 0349164 AI offenbart eine integrierte Bypass-Diode in einer Solarzelle, wobei die Bypass-Diode und die Solarzelle unterschiedliche Bereiche nebeneinander auf dem Substrat umfassen und durch Gräben komplett elektrisch getrennt sind, und die Kontaktierung erfolgt erst nachträglich. Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Ziel der vorgelegten Erfindung ist es eine Anordnung eines optoelektronischen Bauelements, bevorzugt einer Solarzelle, umfassend mindestens ein Modul, mit einer besseren Effizienz bei (Teil- ) Verschattung einzelner Zellen oder Zellbereiche und einer Erhöhung der Lebensdauer teil- und/oder vollverschatteter Zellen bzw. Zellstreifen zu erreichen, und die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile zu reduzieren.
Bei der Lösung der Aufgabe wird weiterhin gefordert, dass die vorgeschlagene Lösung zur Verbesserung der Effizienz und der Lebensdauer bei Teilverschattung die optische Oberfläche der Solarzelle (Module ) für einen Nutzer möglichst wenig beeinträchtigt und die Herstellung der erfinderischen Bauelemente in einem Rolle- zu-Rolle-Prozess integriert werden kann und auch für großflächige optoelektronische Module geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Anordnung anzugeben, wobei dieses Verfahren bevorzugt in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess integrierbar ist.
Definition von Begriffen
Ein optoelektronisches Bauelement besteht aus mindestens einem Modul mit photoaktiven Schichten. Ein organisches
optoelektronisches Bauelement ist ein optoelektronisches
Bauelement mit mindestens einer organischen photoaktiven Schicht. Dieses besteht aus mindestens einem Modul. Ein Modul besteht aus verschiedenen (photoaktiven) Zellen, die besonders bevorzugt in Reihe verschaltet sind, aber auch eine parallele Verschaltung ist möglich. Ein Streifen oder Zellstreifen ist eine bestimmte
Anordnung der Zellen in einem Modul, wobei eine Zelle ihre längliche Ausdehnung über die Modulbreite besteht. Als Teil eines Streifens wird erfindungsgemäß verstanden, ein Teilbereich eines Streifens, der von mindestens einer Bypass-Diode begrenzt wird oder eine Bypass-Diode enthält, wenn auf einem Streifen Bypass- Dioden angeordnet sind. Die Erfinder verstehen unter einer „integrierte Bypass-Diode" eine Bauelement, das einen
Spannungssperrbereich und einen Durchlassbereich besitzt, wobei die erfindungsgemäße integrierte Bypass-Diode einen geringen Stromfluss am VMpp der korrespondierenden optoelektronischen Zelle des optoelektronischen Bauelements und einen hohen Stromfluss bei rückwärtiger Belastung der korrespondierenden optoelektronischen Zelle des optoelektronischen Bauelements bewirkt. Unter dem
Begriff „integrierte Bypass-Diode" werden im Weiteren alle erfindungsgemäßen Variationen verstanden, wenn sie die geforderte Aufgabe erfüllen, auch wenn sie keine klassische Diode bezeichnen.
Organische, optoelektronische Zellen werden in Abhängigkeit der Anzahl der photoaktiven Schichtsysteme, die durch Transport- und weitere Schichten im Schichtaufbau zwischen den beiden Grund- und Deckkontakten, in Single-, Tandem- oder Mehrfachzellen
unterschieden. Tandem- und Mehrfachzellen bestehen aus mindestens zwei Subzellen die übereinander zwischen den Elektroden angeordnet sind, wobei jede Subzelle mindestens ein photoaktives
Schichtsystem, welches mindestens eine photoaktive
(lichtabsorbierende) Schicht und mindestens eine Transportschicht umfasst .
Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfmdun nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter
Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Insbesondere können diese kleinen Molekülen auch photoaktiv sein, wobei unter
photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteinfall ihren Ladungszustand ändern.
Offenbarung der Erfindung und technischer Wirkung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung eines optoelektronischen Bauelements, einer Solarzelle, in dem mindestens eine Bypass-Diode integriert ist, gelöst. Die integrierte Bypass-Diode kann gedruckt oder aufgedampft werden. In einer ersten Ausführungsform sind mindestens eine integrierte Bypass-Diode und die Schichten des organischen Bauelements einer Zelle übereinander zwischen den Elektroden angeordnet, wobei die Schichten des organischen Bauelements im Bereich der Bypass-Diode zumindest teilweise unterbrochen oder überbrückt sind, so dass ein direkter elektrischer Kontakt der Schichten der Bypass-Diode zu Grund- und Deckkontakt besteht. Diese Anordnung wird im Weiteren als Sandwichanordnung bezeichnet.
In einer alternativen Ausführungsform sind die integrierte Bypass- Diode und die organischen optoelektronischen Zellen nebeneinander auf dem Substrat angeordnet und werden durch gezielte
Strukturierung, bevorzugt Laserstrukturierung während der
Produktion hergestellt und geeignet verschaltet, diese Anordnung wird im Weiteren als laserprozessierte Anordnung bezeichnet. Um bessere Ergebnisse der so hergestellten integrierten Bypass-Dioden zu erreichen, ist eine Behandlung der aufgetragenen Schichten im Bereich der integrierten Bypass-Diode notwendig, damit diese aufgrund ihrer Verschaltung mit den organischen optoelektronischen Zellen, im Betrieb die Effizienz der optoelektronischen Zellen nicht so stark verringern.
Die Strukturierung kann so gestaltet werden, dass die Bypass-Diode derart neben den Streifen der optoelektronischen Zellen oder in die Steifen der optoelektronischen Zellen auf dem Substrat integriert ist, dass der Grundkontakt eines Streifens der
optoelektronischen Zellen mit dem Deckkontakt der zugeordneten Bypass-Diode und der Grundkontakt der zugeordneten Bypass-Diode mit dem Grundkontakt des benachbarten Streifens optoelektronischer Zellen elektronisch verbunden ist. In diesem Fall sollte die Bypass-Diode dieselbe Sperrrichtung zwischen den Grund- und dem Deckkontakten wie die Streifen der optoelektronischen Zellen besitzen .
Prozesstechnisch ist es in diesem Fall am einfachsten, für die Bypass-Diode und die optoelektronischen Zellen denselben
Schichtstapel zu verwenden. Darüber hinaus hat dieser Ansatz den Vorteil, dass ein sehr homogener optischer Eindruck entsteht, da sich die Fläche der Bypass-Dioden farblich nicht von den
optoelektronischen Zellen unterscheidet. Diese Variante hat allerdings den Nachteil, dass die Bypass-Diode ebenfalls
photoaktiv ist und damit einen gegenläufigen Strom zu dem optoelektronischen Bauelement generiert. Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Fläche der Bypass-Diode klein ist
(kleiner 10%, bevorzugt aber kleiner 5% bzw. weiter bevorzugt kleiner 2%, ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,5 % der Fläche des zugeordneten Streifens) . Der Anteil der für Bypass-Dioden benötigten Fläche lässt sich erfindungsgemäß auch dadurch minimieren, dass die Bypass-Dioden sehr schmal gestaltet werden
(kleiner 8 mm, bevorzugt kleiner 5 mm, weiter bevorzugt kleiner 2 mm) . Dieses erfordert zwar, dass insgesamt mehr Bypass-Dioden in eine bestimmte Gesamtfläche integriert werden, ist aber trotzdem vorteilhaft, da die Wärmeentwicklung vieler kleiner Bypass-Dioden leichter dissipiert werden kann als für weniger aber größere Bypass-Dioden. Die optimale Dimensionierung der Bypass-Dioden hängt dabei empfindlich von der Genauigkeit der
Strukturierungsmethode ab.
Die genannten Verluste können erfindungsgemäß reduziert werden, indem die photovoltaische Funktion (externe Quantenausbeute der Ladungsträgergeneration) des Schichtstapel des optoelektronischen Bauelements im Bereich der Bypass-Diode durch geeignete
Nachbehandlung (z.B. durch Laserstrahlung, UV-Strahlung,
Elektronen- oder Ionenbeschuss) gezielt reduziert wird. Sollte es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Mehrfachzelle (Tandem-, Tripel- oder Quadrupelzelle) handeln, genügt es erfindungsgemäß hierbei die Quantenausbeute von mindestens einer Subzelle im Bereich der Bypass-Diode gezielt zu reduzieren.
Eine Reduzierung des relativen Flächenbedarfs der Bypass-Dioden erfordert eine möglichst hohe Belastbarkeit der Bypass-Diode mit Stromfluss in Durchlassrichtung. Diese Belastbarkeit kann im Fall von Mehrfachzellen als optoelektronisches Bauelement
erfindungsgemäß auch dadurch erhöht werden, dass im Bereich der Bypass-Diode durch geeignete Ablationsverfahren eine oder mehrere Subzellen der Mehrfachzelle abgetragen werden und damit derselbe Stromfluss bei geringerer Spannung erreicht wird, was einer geringeren Wärmeentwicklung entspricht.
Zur weiteren Minimierung der Verluste kann es sinnvoll sein innerhalb desselben Verschaltungsszenarios , d.h. ebenfalls mit derselben Sperrrichtung zwischen Grundkontakt und Deckkontakt des optoelektronische Bauelement, im Bereich der Bypass-Diode einen anderen, bevorzugt nicht oder zumindest weniger photoaktiven Schichtstapel abzuscheiden, welcher auf maximale
Strombelastbarkeit optimiert wird. Maximale Strombelastbarkeit erfordert hierbei die Verwendung von thermisch möglichst stabilen Materialien, d. h. hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten im Bereich der Verarmungszone der Diode (intrinsisch oder gering dotiert) und eine möglichst barrierefreie Injektion zumindest einer
Ladungsträgersorte bei angelegter Vorwärtsspannung. Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäß Bauelemente mit bipolarer Injektion in die Verarmungszone bei angelegter Vorwärtsspannung, bei der sich die injizierten Ladungsträgerwolken gegenseitig durchdringen, was die Raumladungsbegrenzung des Stromflusses reduziert. Bei Verwendung organischer Materialien in der Verarmungszone der Bypass-Diode kann eine bipolare Injektion erfindungsgemäß dadurch ermöglicht werden, dass eine Mischschicht aus einem
löcherleitenden und einem elektronenleitenden Material, welche ein interpenetrierendes, bikontinuierliches Netzwerk bilden, verwendet wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dotierte Schichten zu
verwenden und dabei das Dotierungsprofil oder die Dotierungsdichte so zu wählen, dass die Verarmungszone nur gerade so dick ist, wie es für ein hinreichend gutes Sperrverhalten nötig ist, für organische Halbleiter typischerweise ca. 15 bis 50 nm.
Alternativ kann, wenn die integrierte Bypass-Diode und die
Schichtfolge der organischen optoelektronischen Zellen
nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind, mindestens eine integrierte Bypass-Diode vor der Schichtfolge der
optoelektronischen Zellen aufgebracht werden. In diesem Fall ist ein Drucken oder ein Aufdampfen der Bypass-Diode möglich. Sollte der Schichtstapel des optoelektronischen Bauelements auf die ganze Fläche abgeschieden werden, d.h. auch auf den Bereich, in dem ein Schichtstapel für die Bypass-Diode auf den Grundkontakt aufgebracht wurde, muss dieser im Bereich der Bypass-Diode zumindest teilweise durch ein geeignetes Ablationsverfahren (z.B. Laserablation) wieder abgetragen werden, um einen elektrischen Kontakt des Schichtstapels der Bypass-Diode mit dem Deckkontakt zu ermöglichen. In diesem Fall kann erfindungsgemäß der Schichtstapel der Bypass-Diode als letzte Schicht eine leitfähige Schicht, beispielsweise ein Metall oder PED0T:PSS, umfassen, so dass nicht die ganze Fläche der Bypass-Diode durch Ablation freigelegt werden muss. Vielmehr genügt es in diesem Fall durch Ablation punkt- oder linienartig elektrische Verbindungen zwischen der Bypass-Diode und dem Deckkontakt zu ermöglichen.
Die Strukturierung der einzelnen Schichten der Zellen des optoelektronischen Bauelements mit der Bypass-Diode und/oder für sich allein kann beispielsweise mittels Laserablation, Elektronenoder Ionenstrahlablation, Schattenmasken o.ä. erfolgen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente, erfolgt durch die geeignete Wahl der Reihenfolge der aufzubringenden Schichten in Verbindung mit entsprechenden Strukturierungen der einzelnen oder mehreren Schichten.
Durch die Reihenfolge des Auftragens der Schichten der Bypass- Diode und des Schichtsystems der Zellen des optoelektronischen Bauelements, ist eine Integration in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich und ebenso die Herstellung großflächiger Module möglich.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die Bypass-Diode, die parallel zu einer oder mehreren organischen Zellen angeordnet ist, ermöglicht bei (Teil- ) Verschattung, wenn der Stromfluss in der organischen Zelle abnimmt, einen höheren Stromfluss in Sperrrichtung der organischen Zelle bei gegebener Spannung . Der Vorteil der erfindungsgemäßen integrierten Bypass-Diode ermöglicht eine gleichbleibende optische Ansicht der Oberfläche des optoelektronischen Bauelements, und erhöht die Effizienz bei Verschattung einzelner Zellen des Bauelements, und damit
einhergehend eine Lebensdauerverlängerung des kompletten
optoelektronischen Bauelements. In einer weiteren Ausführung ist es möglich Muster auf der Oberfläche des optoelektronischen
Bauelements mit Hilfe der Anordnung der integrierten Bypass-Diode bereitzustellen.
In der erfindungsgemäßen Anordnung bei der die intergierte Bypass- Diode einen identischen oder fast identischen Stack wie die neben der integrierten Bypass-Diode angeordneten optoelektronischen Zellen besitzt, ist durch die erfindungsgemäße Prozessierung, bevorzugt durch Laser während des Herstellungsprozesses, und der optionalen Laser-Behandlung des Stacks im Bereich der integrierten Bypass-Diode keine Verwendung von zusätzlichen Cover-Schichten auf dem Bereich der integrierten Bypass-Diode, damit die Bypass-Diode keinen Strom generiert, wenn die photovoltaischen Zellen
beleuchtet sind, notwendig, wie bei WO 2007 028 036 A2 offenbart. Damit ist diese erfindungsgemäße Anordnung besser geeignet für einen Rolle-zu-Rolle-Prozess .
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist die
Herstellung im Rolle-zu-Rolle-Prozess ohne umfangreiche
Anpassungen im Herstellungsverfahren bei der Produktion des organischen optoelektronischen Bauelements mit integrierter
Bypass-Diode im Vergleich zur Produktion des optoelektronischen Bauelements ohne Bypass-Diode möglich.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird mit Abbildungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Foto zur Verdeutlichung des Problems von
verschatteten Zellen oder Zellbereichen bei bewusst
hervorgerufener Degradierung von Zellen. Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, bei der die
integrierte Bypass-Diode und die Schichtfolge einer Zelle als Stapel zwischen Grundkontakt und Deckkontakt angeordnet sind (Sandwichanordnung) .
Fig. 3 verdeutlicht, die möglichen Formen der integrierten Bypass- Diode, die direkt auf dem Grundkontakt aufgebracht ist, gemäß Sandwichanordnung, vgl. Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Ausführung der integrierten Bypass-Diode, die neben den photovoltaischen Stack angeordnet sind. Fig. 5 verdeutlicht die Laserstrukturierung zur Herstellung der integrierten Bypass-Diode.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen die Strom-Spannungskennlinie und eine Thermographie-Fotografie für das in Fig. 4 gezeigte Beispiel.
Fig. 8 zeigt die Strom-Spannungskennlinie für das Beispiel gemäß Strukturierung gezeigt in Fig. 9.
Fig. 10 und Fig. 11 zeigen die Strom-Spannungskennlinien von gedruckten integrierten Bypass-Dioden für die Verwendung in
Solarzellen mit Sandwichanordnung.
Fig. 12 zeigt die Strom-Spannungskennlinie eines single-carrier- devices als integrierte Bypass-Diode zur Verwendung in organischen optoelektronischen Bauelementen in Sandwichanordnung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Modul des optoelektronischen Bauelements (0) umfasst mindestens eine integrierte Bypass-Diode (4), mindestens einen Schichtstapel einer organischen Zelle (3) , mindestens zwei Kontakte, wobei Kontakte in Substratnähe als Grundkontakt oder Grundelektrode (1) bezeichnet werden und substratferne Kontakte eine Deckkontakt oder Deckelektrode (2) .
Im Folgenden wird von einem Schichtstapel der organischen
optoelektronischen Zelle oder dem Schichtstapel der integrierten Bypass-Diode, davon ausgegangen, dass unter Schichtstapel das Schichtsystem zwischen den Elektroden gemeint ist, d. h. dass der Schichtstapel ohne elektrischen Grund- und Deckkontakt gemeint ist .
In einer Ausführungsform sind die Schichtstapel der organischen optoelektronischen Zellen als Streifen mit ihren Kontakten nebeneinander angeordnet und in Reihe verschaltet. Jeder
Zellstreifen hat seinen eigene Grundelektrode und Deckelektrode. Die Reihenschaltung erfolgt durch elektrisches Verbinden der Grundelektrode (1) einer Zelle mit der Deckelektrode (2) der nächsten Zelle.
In einer Ausführungsform ist jedem Zellstreifen der
optoelektronischen Zellen genau eine integrierte Bypass-Diode zugeordnet .
In einer anderen Ausführungsform ist jedem Teil eines Streifens der optoelektronischen Zellen eine integrierte Bypass-Diode zugeordnet. Dies ermöglicht vor allem bei großflächigen und breiten Modulen, Module breiter als 25 cm, bevorzugt breiter als 50 cm und besonders bevorzugt breiter als 1 m, mehrere kleinere Bypass-Dioden einem Streifen der optoelektronischen Zellen zuzuordnen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die integrierte Bypass- Diode dadurch klein genug gewählt werden kann, und Probleme, beispielsweise thermische Probleme, bei der Abführung des Stroms in größeren Zellen bei nur einer Bypass-Diode vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine integrierte Bypass- Diode mehreren optoelektronischen Zellen/ Zellbereichen zugeordnet sein .
In einer Ausführungsform ist der Flächenanteil der integrierten Bypass-Diode auf dem Grundkontakt, d.h. die Summe des
Flächenanteils aller integrierten Bypass-Dioden über diesem
Grundkontakt bzw. in Verbindung mit diesem Grundkontakt, kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, sehr besonders bevorzugt kleiner als 1 % der jeweiligen Grundkontaktfläche .
In einer weiteren Ausführungsform ist der Flächenanteil aller integrierten Bypass-Dioden in einem Modul kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, sehr besonders bevorzugt kleiner als 1 % der Modulfläche .
Der Schichtstapel einer optoelektronischen Zelle, der zwischen der Grund- und der Deckkontakt angeordnet ist, umfasst mehrere
Schichten. Der Schichtstapel kann als Single-, Tandem- oder
Multizelle ausgeführt sein, die Bezeichnung bestimmt sich durch die Anzahl der Subzellen, wobei jede Subzelle mindestens eine photoaktive Schichten enthält, die durch Transportschichten, bevorzugt dotierten Transportschichten, besonders bevorzugt durch wide-gap-Schichten, und optionalen Rekombinationsschichten, getrennt sind und selbst aus mehreren Schichten bestehen können.
Die p- oder n-Schichtsysteme , auch nur p- oder n-Schicht
bezeichnet, können aus mehreren Schichten bestehen, wobei
mindestens eine der Schichten des p- oder n- Schichtsystems p- dotiert oder n-dotiert ist, vorzugsweise als p- oder n-dotierte wide-gap-Schicht . Das i-Schichtsystem, auch als i-Schicht
bezeichnet, ist eine undotierte oder gegenüber den p- bzw. n- Schichten in der Subzelle geringer, also schwächer dotiert, und als photoaktive Schicht ausgeführt. Jede dieser n-, p-, i- Schichten kann aus weiteren Schichten bestehen, wobei die n- bzw. p-Schicht aus mindestens einer dotierten n- bzw. p-Schicht besteht, die durch ihre Dotierung zu einer Erhöhung der
Ladungsträger beiträgt. Das bedeutet, dass der Schichtstapel der optoelektronischen Zelle aus einer sinnvollen Kombination von p-, n-, und i-Schichtsystemen besteht, d.h. dass jede Subzelle ein i- Schichtsystem und mindestens ein p- oder n-Schichtsystem umfasst.
Ein möglicher Aufbau des Schichtstapels der optoelektronischen Zelle ist in WO 2004 083 958 A2 , WO 2011 013 219 AI,
WO 2011 138 021 A2 , WO 2011 161 108 AI offengelegt. In den hier genannten Anmeldungen werden vorzugsweise Schichtstapel verwendet, bei denen die der photoaktiven Schichten Absorbermaterialien umfassen, die verdampfbar sind und durch Verdampfung (engl, vapor deposition) aufgebracht werden. Dafür werden Materialien die zur Gruppe der „kleinen Moleküle" gehören, verwendet, die unter anderem in WO 2006 092 134 AI, WO
2010 133 208 AI, WO 2014 206 860 AI, WO 2014 128 278 AI, EP 16 181 348.0, EP 16 181 347.2 beschrieben sind. Die photoaktiven
Schichten bilden damit Akzeptor-Donor-Systeme , und können aus mehreren Einzelschichten, oder aus Mischschichten, als planar- heteroj unction, und bevorzugt als bulk-heterojunction . Die
Erfinder bevorzugen optoelektronische Schichtstapel, die komplett durch Verdampfung aufgetragen werden können.
Mit der entsprechenden Wahl von Schichtstapeln können neben opaken auch transparente oder teiltransparente optoelektronischen
Bauelementen produziert werden. Die Erfinder verstehen unter transparenten Schichten/Elektroden, wenn sie eine Transmission größer als 80 % besitzen, wobei idealerweise die andere Elektrode zu mindestens 50 % reflektierend ausgeführt ist. Unter einer teiltransparenten oder semitransparenten Schicht/Elektrode verstehen die Erfinder, wenn die Schicht/Elektrode eine
Transmission zwischen 10 % und 80 % besitzt. Opake Elektroden sind keine transparenten Schichten.
In einer Ausführungsvorrichtung umfasst die Deckelektrode Silber oder eine Silberlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Gold oder eine Goldlegierung, oder eine Kombination dieser
Materialien, bevorzugt umfassend als Silberlegierung Ag:Mg oder Ag: Ca.
Als Schichtstapel der optoelektronischen Zelle wird
erfindungsgemäß auch ein Schichtstapel von FarbstoffSolarzellen oder von Polymersolarzellen verstanden.
Der Schichtstapel der optoelektronischen Zellen kann
erfindungsgemäß auch Solarzellen auf Pervoskite-Basis umfassen . Weiterhin ist es möglich, Passivierungsschichten, bevorzugt umfassend Molybdänoxid oder Wolframoxid, angrenzend an die
Elektroden, bevorzugt angrenzend an die Deckelektrode einzufügen, um eine Degradierung des organischen Schichtstapels durch
Umwelteinflüsse zu verringern.
Weiterhin können die fertigen Module mit zusätzlich aufgebrachten Barriereschichten versehen sein oder eingekapselt werden, um eine Degradierung durch Umwelteinflüsse weiter zu minimieren.
Sandwichanordnung
Die Anordnung der Bypass-Diode kann in einer Ausführungsform in Sandwichanordnung mit dem optoelektronischen Stack erfolgen, wobei zwischen dem gemeinsamen Grundkontakt und dem Deckkontakt die integrierte Bypass-Diode und der optoelektronische Schichtstapel übereinander angeordnet sind, siehe Fig. 2.
Die Realisierung der integrierten Bypass-Diode kann durch einen einzelnen Schichtstapel (4), siehe Fig. 2a), oder durch mindestens zwei separate Schichtstapel (4, 5), siehe Fig. 2b), erfolgen.
In der Fig. 2a) und Fig. 2b) sind die optionalen Zwischenschichten (12) und/oder (13) als Beispiel zur Deckelektrode (2) gezeigt. Diese Zwischenschichten (12, 13) können ebenso optional zur
Grundelektrode (1) angeordnet sein. Vorzugsweise wird die Bypass- Diode auf der substratnahen Elektrode aufgebracht. Zwischen der substratnahen Elektrode und der integrierten Bypass-Diode und/oder auch zwischen der integrierten Bypass-Diode und der substratfernen Elektrode (Deckkontakt) kann noch mindestens eine weitere Schicht (12) / (13) eingebracht sein.
Als weitere eingebrachte Schichten sind u.a.
Passivierungsschichten (engl.: passivation layer) zum Schutz der Bypass-Diode oder des Schichtaufbaus der optoelektronischen Zellen oder Einkopplungsschichten (engl: injection layer) sinnvoll. Für die Kontaktierung der integrierten Bypass-Diode ist es notwendig, dass die Schichten des organischen Bauelements, der Schichtstapel der optoelektronischen Zellen, die nach der Bypass-Diode auf die Grundelektrode und die Bypass-Diode aufgebracht wurden, im Bereich der integrierten Bypass-Diode zumindest teilweise unterbrochen oder überbrückt sind, so dass ein direkter elektrischer Kontakt der Schichten der integrierten Bypass-Diode zu Grundkontakt und Deckkontakt besteht.
Die Strukturierung der einzelnen Schichten, um einen direkten elektrischen Kontakt der integrierten Bypass zum Deckkontakt zu gewährleisten, kann beispielsweise mittels Laserablation,
Elektronen- oder Ionenstrahlablation, Schattenmasken oder anderen bekannten dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, bevorzugt mit Laserablation.
Die einzelnen Zellen des organischen optoelektronischen Moduls sind in Reihe geschaltet. Die integrierte Bypass-Diode ist parallel zu einer organischen Zelle. In einer weiteren
Ausführungsordnung kann die integrierte Bypass-Diode parallel zu mehreren organischen Zellen verschaltet sein.
Der Schichtstapel der optoelektronischen Zellen (optoelektronische Schichtstapel) ist bevorzugt als organischer Schichtstapel ausgeführt, wobei der Schichtstapel mindestens ein photoaktives Schichtsystem, vorzugsweise ein organisches photoaktives
Schichtsystem, enthält, und damit als Single-, Tandem oder
Mehrfachzelle ausgeführt ist.
Vorzugsweise enthält der Schichtstapel der optoelektronischen Zellen kleine Moleküle, die verdampft werden können. Die einzelnen Subzellen in den optoelektronischen Zellen umfassen neben
mindestens einer photoaktiven (lichtabsorbierenden) Schicht mindestens eine dotierte Transportschicht. In einzelnen weiteren Ausführungsordnungen kann der optoelektronische Schichtstapel noch weitere dotierte, teilweise dotierte oder undotierte Schichten umfassen, beispielsweise Passivierungs- und Kavitätsschichten, so dass jede Subzelle eine in-, ip-, pin-, nip-, pnip-, usw. Zelle darstellt, wobei jede der einzelnen i-, n-, p-Schichten durch mehrere Schichten repräsentiert sein kann. Die Subzellen können durch Rekombinationsschichten getrennt sein. In einer erfindungsgemäßen Ausführung sind die Bypass-Dioden in Form von verschiedenen diskreten Formen, beispielsweise rund, eckig, rechteckig, durchgezogene oder unterbrochene Linien. Die Herstellung der verschiedenen diskreten Formen, bevorzugt wird in einem Modul nur eine diskrete Form verwendet, sind einfach in den Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess zu integrieren. Fig. 3 zeigt die möglichen Draufsichten in Abhängigkeit der verwendeten diskreten Form der integrierten Bypass-Diode, der in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Bauelemente.
In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass erfindungsgemäß der Schichtstapel der Bypass-Diode als letzte Schicht eine leitfähige Schicht, beispielsweise ein Metall oder PEDOT:PSS, umfasst, so dass nicht die ganze Fläche der Bypass- Diode durch Ablation freigelegt werden muss. Vielmehr genügt es in diesem Fall durch Ablation punkt- oder linienartig elektrische Verbindungen zwischen der Bypass-Diode und dem Deckkontakt zu ermöglichen .
In einer bevorzugten Ausführung bildet der Grundkontakt der
Solarzelle eine Kathode und der Deckkontakt eine Anode.
Erfindungsgemäß wird in einer Ausführung vorgeschlagen, dass die Deckelektrode, als Anode, überwiegend oder vollständig aus einem Metall mit einer thermischen Austrittsarbeit kleiner als 4,5 eV umfasst, beispielsweise aus Aluminium oder aus einer
Aluminiumlegierung, aus Silber oder aus einer Silberlegierungen, diese bevorzugt als Ag:Mg oder Ag:Ca.
In diesem Fall wird weiterhin vorgeschlagen, dass die integrierte Bypass-Diode mindestens eine der nachfolgenden Schichten bzw.
Schichtfolgen umfasst: eine anorganische oder organische, bevorzugt intrinsische oder schwach dotierte Schicht, wobei die Konzentration der Dotanden, bei schwacher Dotierung der Schicht, in dieser Schicht kleiner 10 %, bevorzugt kleiner 5 % und besonders bevorzugt kleiner 1 % ist, wobei diese als löcherleitende Schicht ausgeführt ist; eine nicht intrinsische organische oder anorganische Schicht, , d.h. p- oder n-dotierte Schicht, mit einer Austrittsarbeit größer als 4,5 eV gefolgt von einer isolierenden Schicht zur Ausbildung einer Tunneldiode zur Anode; eine Schicht umfassend einen hochdotierten organischen p-Leiter, beispielsweise PEDOT:PSS, welcher durch die ihm enthaltenen Oxidationsmittel die Oberfläche der Kathode anoxidiert, und damit zur Bildung einer Isolationsschicht an der Grenzfläche zur Anode, beispielsweise aus Metalloxid, Metallschwefelverbindung oder Metall-Akzeptor-Komplexen führt.
Erfindungsgemäß wird in einer weiteren Ausführung vorgeschlagen, dass die Deckelektrode, als Anode, umfassend überwiegend oder vollständig aus einem Metall oder einem Material mit einer
beliebigen thermischen Austrittsarbeit, oder wobei in dem Bereich der integrierten Bypass-Diode unter dem Deckkontakt eine Schicht, umfassend einen entarteten oder hochdotierten n-Leiter mit einer thermischen Austrittsarbeit kleiner als ca. 4,5 eV angeordnet ist und die Bypass-Diode mindestens eine der nachfolgenden Schichten bzw. Schichtfolgen umfasst:
eine anorganische oder organische Schicht, bevorzugt intrinsisch oder schwach dotiert, wobei die Konzentration der Dotanden in der Schicht kleiner 10 %, bevorzugt kleiner 5 % und besonders bevorzugt kleiner 1 % ist, wobei die Schicht auf den
Grundkontakt aufgebracht ist, oder
eine nicht intrinsische Schicht mit einer Austrittsarbeit größer als 4,5 eV gefolgt von einer isolierenden Schicht zur Ausbildung einer Tunneldiode zur entarteten oder hochdotierten n- Leiterschicht.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die thermische Austrittsarbeit der Grundelektrode (Kathode) in einer weiteren Ausführungsform durch geeignete Zwischenschichten, beispielsweise Molybdänoxid, Wolframoxid, PEDOT:PSS, geeignete self-assembled monolayer (deutsch: selbstorganisierende Monoschicht) , und/oder durch geeignete Vorbehandlung, beispielsweise UV-Ozon-Behandlung oder Sauerstoffplasmabehandlung, auf einen Wert größer 4,5 eV,
bevorzugt größer 5,0 eV erhöht wird.
Erfindungsgemäß umfasst die löcherleitende Schicht der
integrierten Bypass-Diode zumindest eine der folgenden Materialien bzw. Materialklassen:
niedermolekulare, löcherleitende Substanz mit konjugierten pi- Elektrodensystem und optional Verbindungen mit konjugierten oder nicht-konj ugierten Seitenkette mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 4,8 eV und ca. 5,8 eV, besonders bevorzugt zwischen ca. 5,0 eV und ca. 5,5 eV;
weiter bevorzugt sind Substanzen, welche über entsprechend funktionalisierte Seitengruppen verfügen oder ein zweites
Material enthalten, das über entsprechend funktionalisierte Seitengruppen mit der eigentlichen löcherleitenden Substanz reagieren können, die beispielsweise nach der Abscheidung thermisch oder unter Einwirkung von Licht, bevorzugt UV-Licht, polymerisiert werden können. Solche funktionelle Gruppen sind beispielsweise Vinyl, Methacrylate , Trichlorsilan, Azide,
Epoxide oder Oxetane. Azide werden mittels UV-Strahlen in
Nitrene umgewandelt, die dann die Kreuzverknüpfung bewirken. Bei den Oxetanen erfolgt das Crosslinking über eine kationischen Ringöffnungspolymerisation;
polymere löcherleitende bevorzugt sind hierbei Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 4,8 eV und ca. 5,8 eV, bevorzugt zwischen ca. 5,0 eV und ca. 5,5 eV und/oder
Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess
sicherstellen; bevorzugt sind dabei Substanzen, welche über entsprechend funktionalisierte Seitengruppen verfügen, dass sie nach der Abscheidung thermisch oder unter Einwirkung von Licht, bevorzugt UV-Licht, kreuzverlinkt werden können, beispielsweise Polythiophen, wie PEDOT, leitende Farbstoffe, beispielsweise Plexcore, Polypyrrole, Polyamine, wie Polyanilin, Polyparaphenylen, Polyphenylenvinylen, Polyphenyleneethinylen, Polyvinylcarbazol , Polymere, welche Triarylamin- , Fluoren- oder Carbazolgruppen enthalten; oder
eine Mischung aus polymeren, konjugierten oder nicht- konjugierten Substanzen, beispielsweise als Binder zur
Erleichterung des Druckprozesses bzw. der Schichtbildung und einer niedermolekularen löcherleitenden Substanz; bevorzugt sind hierbei Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 4,8 eV und ca. 5,8 eV, bevorzugt zwischen ca. 5,0 eV und ca. 5,5 eV und Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten
Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen
Druckprozess sicherstellen.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronenleitende Schicht der integrierten Bypass-Dioden mindestens eine der folgenden
Materialien bzw. Materialklassen:
niedermolekulare, elektronenleitende Substanz, wie Fullere oder Verbindungen welche Dicarbonsäureanhydrid, Dicarbonsäureimid oder Cyanogruppen, insbesondere Dicyanovinylgruppen, umfassen, oder
niedermolekulare, elektronenleitende Substanz mit moderater Elektronenaffinität zwischen ca. 3.5 eV und ca. 4.5 eV,
bevorzugt zwischen ca. 3.8 eV und ca. 4.5 eV, und Verbindungen mit geeigneten nicht-konjugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen, bevorzugt Bisimidfarbstoffe des Naphthalins, Anthracens, 2,8- Diazaperylene-1, 3, 7, 9-tetraons, Perylens, Terylens und
Quarterylenes mit loslichkeitsvermittelnden Alkyl-, Alkoxy-, Oligoether- und teilfluorierten Alkylgruppen .
Dabei kann das Kerngerüst der Bisimide sowohl unsubstituiert sein als auch elektronenziehende Substituenten (F, Cl, CN) besitzen. Ebenso zählen hierzu buchtenverknüpfte Dimere,
Trimere und Oligomere des Perylenbisimids . Decacyclentriimide mit den aufgeführten loslichkeitsvermittelnden Gruppen
vervollständigen diese Stoffklasse. Weitere niedermolekulare, elektronenleitende Verbindungen sind Bor-Subphthalocyanine , Phthalocyanine , polycyclische aromatische und heteroaromatische Kohlenwasserstoffe mit elektronenziehenden Substituenten (F, Cl, CN) , welche ebenfalls
löslichkeitsvermittelnde Alkyl-, Alkoxy-, Oligoether- und teilfluorierten Alkylgruppen tragen. Ebenso zählen hierzu
Fluoranthenfusionierte Imide mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen .
Tetraazabenzodifluoranthenediimide und Diketopyrrolopyrrol (DPP) -funktionalisierte Acceptoren mit den oben erwähnten löslichkeitsvermittelnden Gruppen bilden auch niedermolekulare, elektronenleitende Verbindungen.
9, 9' -bifluorenylidene, wobei durch Elektronenaufnahme die sterische Beanspruchung infolge Erfüllung der 14-n- Elektronenregel herabgemindert wird;
Truxenonderivate und davon abgeleitete Dicyanovinylene sowie Cyanocarboxyvinylene; oder
kalamitisch geformte Moleküle mit elektronenreicher
Mittelgruppe, wie Fluoren, Dibenzosilol , Indacenodithiophen und Indacenodithieno [3, 2-b] thiophen, flankiert von elektronenarmen endständigen Akzeptoren, wie Rhodanine, Imide, Indandione, Dicyanovinylene, welche oft über Vinylbrücken mit dieser verbunden sind;
polymere elektronenleitende Substanz, beispielsweise cyano- substituiertes Polyphenylenvinylen; bevorzugt sind hierbei Verbindungen mit moderater Elektronenaffinität zwischen ca.
3,5 eV und ca. 4,5 eV, bevorzugt zwischen ca. ca. 3,8 eV und ca. 4,5 eV, und Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen
Druckprozess sicherstellen; beispielsweise Poly((9,9- dioctylfluoren) -2, 7-diyl-alt- [4, 7-bis ( 3-hexylthiophen-5-yl ) - 2, 1, 3-benzothiadiazol] -2 2 Λ ^-diyl) (F8TBT) sowie Polymere zusammengesetzt aus Spirobifluoren- und Diketopyrrolopyrrol- Einheiten und Polymere mit cyano-substituierten Vinyleinheiten; Mischung aus einer polymeren, konjugierten oder nicht- konjugierten Substanz, wie Binder zur Erleichterung des Druckprozesses bzw. der Schichtbildung, und einer niedermolekularen elektronenleitenden Substanz; bevorzugt sind hierbei Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 3,5 eV und ca. 4,5 eV, bevorzugt zwischen ca. ca. 3,8 eV und ca. 4,5 eV, und Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen
Druckprozess sicherstellen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die integrierte Bypass- Diode eine organische, bipolare leitfähige Schicht sein, umfassend eine Mischung bevorzugt aus einem der vorher genannten
elektronenleitenden und einem vorher genannten löcherleitenden Material .
Alternativ kann die integrierte Bypass-Diode Materialien umfassen, die vor dem Schichtsystem der optoelektronischen Zellen auf die Grundelektrode oder auf die vorbehandelte Grundelektrode,
vorzugsweise im Vakuum aufgedampft oder aus Lösung oder in einem Druckprozess aufgetragen werden.
Weiterhin erfindungsgemäß wird eine weitere Ausführungsform der integrierte Bypass-Diode offenbart zur Verwendung in
optoelektronischen Geräten, bevorzugt in photovoltaischen Geräten. Der Aufbau der integrierten Bypass-Diode erfolgt analog zu den oben integrierten Bypassdioden oder alternativ in Form eines single-carrier-devices (Übersetzt: Einzel-Ladungsträger-Gerät) .
Die Erfinder haben weiterhin überraschend festgestellt, dass die die gleiche Wirkung einer integrierten Bypass-Diode erreicht wird, bei Verwendung eines Schichtstapels als „integrierte Bypass- Diode" zwischen zwei Elektroden in Form eines single-carrier- devices, umfassend drei Schichten eines Ladungsträgertyps mit einer intrinsischer Schicht mit geringer energetischer Barriere in der Mitte und zwei stärker löcher- bzw. elektronenleitenden
Schichten zur Erzeugung eines Sperrbereichs. Die Erfinder
verstehen unter einer geringen energetischen Barriere eine
Barriere mit einer Stärke von 0,2 bis 0,5 eV, bevorzugt bis 0,75 eV. Die Dicke der intrinsische Schicht ist bevorzugt kleiner als lOOnm, bevorzugt kleiner als 50nm, besonders bevorzugt kleiner als 20 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 10 nm, sehr besonders bevorzugt etwa 5 nm.
Der gleiche Effekt wird ebenfalls erreicht, bei Verwendung eines Schichtstapels zwischen den beiden Elektroden als „integrierte Bypass-Diode" in Form eines single-carrier-devices , umfassend drei Schichten eines Ladungsträgertyps, mit einer schwach dotierten (intrinsische) Schicht mit einer höherer energetischer Barriere in der Mitte und zwei stärker dotierten Schichten zur Erzeugung eines Sperrbereichs . Erfindungsgemäß wird unter einer höheren
energetischen Barriere einer Barriere von ca. 0,5 bis 1,0,
bevorzugt bis 1,5 eV verstanden.
Die schwach dotierte intrinsische Schicht besitzt vorzugsweise eine Dicke kleiner als lOOnm, bevorzugt kleiner als 5 Onm,
besonders bevorzugt kleiner als 20 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 10 nm sehr besonders bevorzugt von etwa 5 nm. Bei einer schwach dotierten Schicht beträgt die Dotierung in einem
Bereich von kleiner ca . 1 mol%, bevorzugt kleiner als 0,5 mol% , besonders bevorzugt kleiner als 0,1, ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,05 mo 1 % , ganz besonders bevorzugt ca. 0, 01 mol % liegt .
In geringen Spannungsbereichen (1 bis 3V) fließen nur geringe Ströme durch das Bauelement, da der Ladungsträgerfluss durch die energetische Barriere behindert wird. Bei höheren Spannungen kann die Barriere überwunden werden, so dass eine Ladungsträgersorte durch das Baudelement fließen kann.
Dieser alternative Schichtstapel können damit aufgebaut sein als: i) p-HTLl/i-HTL2/p-HTL3, (HTL = löcherleitende Schicht) ii) n-ETLl/i-ETL2/n-ETL3, (ETL = elektronenleitende Schicht) In den Fällen i) und ii) ergeben sich in etwa symmetrische
Kennlinien mit Durchlassbereichen bei negativen und positiven Spannungsbereichen im Falle von gleichen Materialien für HTL1 und HTL3 bzw. für ETL1 und ETL3.
Als Materialien für die Schichten in dem single-carrier-device können beispielsweise CBP (4,4Λ bis (N-carbazolyl ) -1 , 1 Λ- biphenyl), TCTA (Tris ( 4-carbazoyl- 9-ylphenyl ) amine) , AZO, oder die oben genannten löcherleitenden oder elektronenleitenden
Materialien verwendet werden. Für die notwendige Dotierung kann beispielsweise F4-TCNQ verwendet werden. Es können auch alle anderen für die Dotierung von Transportschichten in organischen Solarzellen bekannten Dotanden verwendet werden.
Das single-carrier-device kann weiterhin als MoOx / i-HTL / MoOx, in Fig. 12 exemplarisch als MoOx / ATO / MoOx ausgeführt sein. In diesem Fall kann die erste MoOx-Schicht oder die letzte MoOx- Schicht als Teil des Grundkontaktes (1), des Deckkontaktes (2) oder als Teil der Zwischenschichten (12, 13) ausgeführt sein.
Herstellung der Sandwichanordnung
Nach der Bereitstellung eines Substrats wird auf diesem die
Grundelektrode jeder Zelle aufgebracht und strukturiert (PI) .
Anschließend wird der bzw. die Schichtstapel der integrierten Bypass-Dioden ohne Elektroden auf den Grundkontakten aufgebracht, wobei die Bypass-Dioden nicht die komplette Fläche des
Grundkontaktes bedecken.
Der Flächenanteil der integrierten Bypass-Diode auf dem
Grundkontakt, d.h. die Summe des Flächenanteils aller integrierten Bypass-Dioden über diesem Grundkontakt bzw. in Verbindung mit diesem Grundkontakt, ist kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, sehr besonders
bevorzugt kleiner als 1 % der jeweiligen Grundkontaktfläche.
Der Flächenanteil aller integrierten Bypass-Dioden in einem Modul ist kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, sehr besonders bevorzugt kleiner als 1 % der Modulfläche.
Das Aufbringen der Bypass-Dioden kann durch Drucken der einzelnen Schichten erfolgen, vorzugsweise durch einen Injket-, Siebdruck-, Gravuredruck- oder Flexoprintprozess , oder durch Aufdampfen des Schichtstapels, oder einer Kombination von Drucken und Aufdampfen erfolgen, vorzugsweise mit oben genannten Materialien, besonders bevorzugt mit organischen Materialien oder Tinten, die organische Materialien umfassen. Erfolgreich gezeigt werden kann,
beispielsweise die Verwendung von AZO .
Anschließend wird erfindungsgemäß der Schichtstapel der
optoelektronischen Zellen, als Single, Tandem- oder Mehrfachzelle aufgebracht, bevorzugt durch Verdampfen von kleinen Molekülen. Anschließend erfolgt die Strukturierung des Schichtstapels der optoelektronischen Zellen (P2) und bevorzugt zum gleichen
Zeitpunkt die Strukturierung/Freilegung (Ρ2Λ) zur Kontaktierung der integrierten Bypass-Diode (4) mit dem Deckkontakt (2) .
Anschließend erfolgen das Aufbringen des Deckkontakts und die abschließende Strukturierung (P3) .
Die Strukturierungen können durch Schattenmasken, strukturierten Druckverfahren oder Laserablation, vorzugsweise erfolgt die Laserablation unter Verwendung von Ultrakurzpulslasern mit
Pulslängen im Nano-, Pico- oder Femtosekunden-Bereich, erfolgen.
Im Falle der Laserablation zur Strukturierung des Schichtstapels der optoelektronischen Zellen (P2) und der
Strukturierung/Freilegung der integrierten Bypass-Diode (Ρ2Λ) sind für die P2 Λ -Strukturierung die Prozessparameter (Intensität, Überlapp, Profile) anzupassen.
Das Modul kann im Anschluss noch eingekapselt werden, um den Schichtaufbau vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Weiterhin können beispielsweise Passivierungsschichten zum Schutz der organischen Schichten des optoelektronischen Schichtsystems und/oder zum Schutz der Bypass-Diode während des
Produktionsprozesses aufgebracht werden.
Laserintegrierte Bypass-Diode
In einer weiteren Ausführungsanordnung wird vorgeschlagen, mindestens eine integrierte Bypass-Diode neben den
optoelektronischen Zellen auf dem Substrat zwischen Deckkontakt und Grundkontakt anzuordnen, vgl. Fig. 4 und werden durch gezielte Strukturierung während der Produktion hergestellt und geeignet verschaltet .
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mindestens eine
integrierte Bypass-Diode einem Zellstreifen zugeordnet ist.
Weiterhin ist es möglich, dass eine integrierte Bypass-Diode mehreren Zellstreifen überbrückt.
In allen Fällen ist die integrierte Bypass-Diode parallel zu den Zellstreifen elektrisch verbunden und die Zellen, dargestellt durch Zellstreifen, sind für parallel verlaufende Zellstreifen in Reihe geschaltet.
Die Strukturierung wird erfindungsgemäß so gestaltet werden, dass die integrierte Bypass-Diode derart neben den Streifen der optoelektronischen Zellen oder in die Steifen der
optoelektronischen Zellen auf dem Substrat integriert ist, dass der Grundkontakt eines Streifens der optoelektronischen Zellen mit dem Deckkontakt der zugeordneten Bypass-Diode und der Grundkontakt der zugeordneten Bypass-Diode mit dem Grundkontakt des
benachbarten Streifens optoelektronischer Zellen elektronisch verbunden ist. In diesem Fall sollte die Bypass-Diode dieselbe Sperrrichtung zwischen den Grund- und dem Deckkontakten wie die Streifen der optoelektronischen Zellen besitzen.
Prozesstechnisch ist es in diesem Fall am Einfachsten, für die Bypass-Diode und die optoelektronischen Zellen denselben Schichtstapel zu verwenden. Darüber hinaus hat dieser Ansatz den Vorteil, dass ein sehr homogener optischer Eindruck entsteht, da sich die Fläche der Bypass-Dioden farblich nicht von den
optoelektronischen Zellen unterscheidet. Diese Variante hat allerdings den Nachteil, dass die Bypass-Diode ebenfalls
photoaktiv ist und damit einen gegenläufigen Strom zu dem
optoelektronischen Bauelement generiert.
Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Fläche der Bypass-Diode klein ist, das heißt kleiner 10%, bevorzugt kleiner 5%, weiter bevorzugt kleiner 0,5 bis 2% der Fläche des
zugeordneten Streifens. Der Anteil der für Bypass-Dioden
benötigten Fläche lässt sich erfindungsgemäß auch dadurch
minimieren, dass die Bypass-Dioden sehr schmal gestaltet werden, d.h. die Breite der integrierten Bypass-Dioden ist kleiner 8 mm, bevorzugt kleiner 5 mm, weiter bevorzugt kleiner 2 mm. Dieses erfordert zwar, dass insgesamt mehr Bypass-Dioden in eine
bestimmte Gesamtfläche integriert werden, ist aber trotzdem vorteilhaft, da die Wärmeentwicklung vieler kleiner Bypass-Dioden leichter dissipiert werden kann als für weniger aber größere Bypass-Dioden. Die optimale Dimensionierung der Bypass-Dioden hängt dabei empfindlich von der Genauigkeit der
Strukturierungsmethode ab.
Die genannten Verluste können erfindungsgemäß weiter reduziert werden, indem die photovoltaische Funktion, d.h. externe
Quantenausbeute der Ladungsträgergeneration, des Schichtstapel des optoelektronischen Bauelements im Bereich der Bypass-Diode durch geeignete Nachbehandlung, beispielsweise durch Laserstrahlung, UV- Strahlung, Elektronen- oder Ionenbeschuss gezielt reduziert wird.
Sollte es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Mehrfachzelle (Tandem-, Tripel- oder Quadrupelzelle) handeln, genügt es erfindungsgemäß hierbei die Quantenausbeute von
mindestens einer Subzelle im Bereich der Bypass-Diode gezielt zu reduzieren . Eine Reduzierung des relativen Flächenbedarfs der Bypass-Dioden erfordert eine möglichst hohe Belastbarkeit der Bypass-Diode mit Stromfluss in Durchlassrichtung. Diese Belastbarkeit kann im Fall von Mehrfachzellen als optoelektronisches Bauelement
erfindungsgemäß auch dadurch erhöht werden, dass im Bereich der Bypass-Diode durch geeignete Ablationsverfahren eine oder mehrere Subzellen der Mehrfachzelle abgetragen werden und damit derselbe Stromfluss bei geringerer Spannung erreicht wird, was einer geringeren Wärmeentwicklung entspricht.
Zur weiteren Minimierung der Verluste kann es sinnvoll sein innerhalb desselben Verschaltungsszenarios, d.h. ebenfalls mit derselben Sperrrichtung zwischen Grundkontakt und Deckkontakt des optoelektronische Bauelement, im Bereich der Bypass-Diode einen anderen, bevorzugt nicht oder zumindest weniger photoaktiven Schichtstapel abzuscheiden, welcher auf maximale
Strombelastbarkeit optimiert wird. Maximale Strombelastbarkeit erfordert hierbei die Verwendung von thermisch möglichst stabilen Materialien, d. h. hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten im Bereich der Verarmungszone der Diode (intrinsisch oder gering dotiert) un eine möglichst barrierefreie Injektion zumindest einer
Ladungsträgersorte bei angelegter Vorwärtsspannung.
Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäß Bauelemente mit bipolare Injektion in die Verarmungszone bei angelegter Vorwärtsspannung, bei der sich die injizierten Ladungsträgerwolken gegenseitig durchdringen, was die Raumladungsbegrenzung des Stromflusses reduziert. Bei Verwendung organischer Materialien in der
Verarmungszone der Bypass-Diode kann eine bipolare Injektion erfindungsgemäß dadurch ermöglicht werden, dass eine Mischschicht aus einem löcherleitenden und einem elektronenleitenden Material, welche ein interpenetrierendes, bikontinuierliches Netzwerk bilden, verwendet wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dotierte Schichten zu verwenden und dabei das Dotierungsprofil oder die Dotierungsdichte so zu wählen, dass die Verarmungszone nur gerade so dick ist, wie es für ein hinreichend gutes Sperrverhalten nöti ist, für organische Halbleiter typischerweise ca. 15 bis 50 nm. Alternativ kann ebenfalls bei der Ausführungsform, dass die integrierte Bypass-Diode und die organischen Zellen nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind, die mindestens eine integrierte Bypass-Diode vor dem Aufbringen des optoelektronischen
Schichtstapels aufgebracht werden. In diesem Fall ist ein Drucken oder ein Aufdampfen der Bypass-Diode möglich, bevorzugt im Vakuum.
Die Strukturierung der einzelnen Schichten der Zellen des optoelektronischen Bauelements mit der Bypass-Diode und/oder für sich allein kann beispielsweise mittels Laserablation, Elektronenoder Ionenstrahlablation, Schattenmasken o.ä. erfolgen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente, erfolgt durch die geeignete Wahl der Reihenfolge der aufzubringenden Schichten in Verbindung mit entsprechenden Strukturierungen der einzelnen oder mehreren Schichten.
Durch die Reihenfolge des Auftragens der Schichten der Bypass- Diode und des Schichtsystems der Zellen des optoelektronischen Bauelements, ist eine Integration in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich und ebenso die Herstellung großflächiger Module möglich.
Bevorzugt wird als Schichtstapel der optoelektronischen Zellen ein Schichtstapel ausgewählt, der durch Verdampfung im Vakuum
aufgetragen wird.
Erfindungsgemäß wird zur Minimierung des Serienwiderstandes der integrierten Bypass-Diode vorgeschlagen, zusätzliche
Strukturierungen, bevorzugt als Laserstrukturierungen, zwischen der integrierten Bypass-Diode und der zugehörigen
optoelektronischen Zelle einzufügen.
Ausführungsbeispiele
Beispiele Sandwichanordnung
Das erfindungsgemäße Modul umfasst eine integrierte Bypass-Diode und eine Schichtstapel einer organischen Zelle, die in
Sandwichanordnung zwischen dem gemeinsamen Grundkontakt und dem Deckkontakt angeordnet sind, vgl. Fig. 2a) und Fig. 2b) . In Fig.
2a) umfasst die Schichtfolge der integrierten Bypass-Diode mindestens zwei Schichten, um zu verdeutlichen, dass zwischen Elektrode und der integrierten Bypass-Diode noch eine Tunneldiode angeordnet sein kann oder die integrierte Bypass-Diode aus mehreren Schichten besteht.
In Fig. 10 und Fig. 11 sind die Strom-Spannungs-Kennlinien zweier Ausführungsformen derartiger Bypass-Dioden für die
Sandwichanordnung dargestellt.
A) Fig. 10 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines
Bauelements mit der Schichtfolge: Glas / ITO (130nm) / ZnO (30nm) / AZO(60nm) / Rückkontakt. Zur Herstellung des
Bauelements wurde eine 30nm dicke ZnO Schicht aus ZnO- Nanopartikeln im Inkj et-Verfahren auf ein mit ITO
beschichtetes Glassubstrat abgeschieden. Anschließend folgte die Abscheidung einer AZO-Schicht (60nm), ebenfalls
Nanopartikel im Inkj et-Verfahren . Die Abscheidung des
Rückkontaktes erfolgte durch eine Schattenmaske mit Hilfe von Vakuumdeposition. Das ITO ist derart strukturiert, dass sich eine aktive Fläche von etwa 6mm2 durch den Überlapp mit dem Rückkontakt ergibt. Das Bauelement zeigt einen geringen Stromfluss im Bereich von -2 bis +3V. In den Bereichen von Spannungen kleiner -2V und größer +3V fließt Strom und die Kennlinien zeigen einen verhältnismäßig steilen Anstieg.
Damit erfüllt das Bauelement, dessen Kennlinie in Fig. 10 gezeigt ist die Anforderungen, dass als integrierte Bypass- Diode in einem organischen optoelektronischen Bauelement verwendet werden kann.
B) Fig. 11 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Bauelements mit der Schichtfolge: Glas - ITO (130nm) -PTAA (30nm) -AZO ( 60nm) - Rückkontakt. Wie in Beispiel A) wurden die PTAA (Poly[bis(4- phenyl) (2, 4, 6-trimethylphenyl) amine) Schicht und AZO Schicht (aus Nanopartikeln) im Inj et-Verfahren gedruckt. Der
Rückkontakt wurde erneut durch eine Schattenmaske mit Hilfe von Vakuumdeposition abgeschieden. Auch dieses Baudelement zeigt einen Spanungsbereich (-3 bis +3V) mit geringem
Stromfluss (Sperrbereich) . In den Spannungsbereichen kleiner -3V und größer +3V fließt ein verhältnismäßig großer Strom. Auch dieses Bauelement ist für die Integration als Bypass- Diode in Sandwichanordnung geeignet.
Die Bypass-Diode wird dazu direkt auf dem Grundkontakt
aufgebracht, und wird vor dem Aufbringen des Rückkontaktes von dem anschließend aufgebrachten organischen optoelektronischen Stack umgeben. Vor dem Aufbringen des Rückkontaktes erfolgt eine
Strukturierung, bevorzugt als Laserstrukturierung, damit die integrierte Bypass-Diode parallel zu der/den optoelektronischen Zellen verbunden werden kann.
Fig. 12 zeigt den Strom-Spannungsverlauf einer weiteren
Ausführungsform eines Bauelements zur Integration als integrierte Bypass-Diode in Sandwichanordnung. Es handelt sich dabei um ein single-carrier-devices mit lochleitenden Materialien für zwei verschiedene Dicken des i-HTL layers (und gleichen p-HTL- Materialien p-HTLl und p-HTL3) . Auf einem ITO beschichteten
Glassubstrat wurde im Vakuum-Verdampfungsverfahren zunächst eine 40nm dichte p-HTLl-Schicht BF-DPB dotiert mit 7wt% des Dotanden NDP9 aufgebracht, gefolgt von einer intrinsischen Schicht (i-HTL2) aus 4P-TPD. Die Dicke dieser Schicht wurde von 20 nm auf 60nm variiert. Anschließend wurde eine weitere 40 nm dicke BF-DPB Schicht, dotiert mit 7wt% NDP9, aufgebracht. Als Deckkontakt wurde lOOnm AI abgeschieden. Alle Schichten wurden durch Schattenmasken abgeschieden. Auf Grund der Barriere von HT1 und HT3 zu HTL2 fließt bei geringen Spannungen (+1V) nur wenig Strom. Bei höheren Spannungen kann diese Barriere leichter überwunden werden und der Stromfluss steigt mit der Spannung exponentiell an. Der
Sperrbereich kann über die Höhe der Barriere und die Dicke der intrinsischen Schicht eingestellt werden.
Trotz gleicher Materialien HTL1 und HTL3 ist der Strom- Spannungsverlauf nicht ganz symmetrisch, was voraussichtlich auf eine Beeinflussung auf die angrenzenden unterschiedlichen
Elektroden zurückzuführen ist (ITO / p-HTLl / i-HTL2 / p-HTL3 / AI) . Auch dieses Bauelement ist für die Integration als Bypass- Diode in Sandwichanordnung geeignet.
Sinnvoll ist das zusätzliche Einbringen von weiteren
Zwischenschichten in den Stack der organischen optoelektronischen Schicht oder zwischen dem organischen Stack und den Elektroden. Beispielsweise das Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht im Anschluss an das Aufbringen der integrierten Bypass-Diode .
Beispiel Laserstrukturierte Anordnung
In diesem Ausführungsbeispiel der laserstrukturierten Anordnung umfasst die integrierte Bypass-Diode den gleichen Stack, wie der Stack der optoelektronischen Zellen.
Der Stack der optoelektronischen Zellen und der integrierten Bypass-Diode wird in gleichem Herstellungsprozess mittels
Verdampfen im Vakuum aufgebracht. Durch die erfindungsgemäße Strukturierung, bevorzugt als Laserstrukturierung, während des Herstellungsprozesses erfolgt die Separierung in optoelektronische Zellen und integrierte Bypass-Dioden .
Der Vorteil ist, dass dieser Anordnung in einem Run während eines Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung umfassend zwei Zellstreifen mit optoelektronischen Zellen (3) die in der Mitte durch einen
Streifen mit integrierten Bypass-Dioden (4) unterbrochen werden. In dieser Ausführungsanordnung befindet sich die dem oberen
Zellstreifen der optoelektronischen Zellen zugeordnete Bypass- Diode oberhalb dieses Zellstreifens. Die Bypass-Diode die dem zweiten Zellstreifen zugeordnet ist, ist integriert in den vorhergehenden Zellstreifen. Es sind klar die
Strukturierungsmarkierungen zu erkennen. Fig. 7 zeigt zwei
Wärmebildaufnahmen, links bei „Betrieb der optoelektronischen Zellen" und rechts beim Betrieb der Bypass-Diode. Fig. 6
verdeutlicht das Strom-Spannungs-Diagramm unter Beleuchtung „durchgezogene Linie" und unter Komplettverschattung (ohne
Beleuchtung) „gestrichelte Linie". Im Gegensatz zu einem Modul ohne Bypass-Diode zeigt die Strom-Spannungskennlinie für
Spannungen kleiner -3 V einen Stromfluss, der mit abnehmender Spannung vom Betrag her größer wird. Hier fließt der Strom erfindungsgemäß durch die Bypass-Diode und die optoelektronischen Zellen des Moduls werden nicht belastet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel für die laserstruktrierte Ausführung sind die integrierten Bypass-Dioden neben die beiden angrenzenden korrespondieren Zellstreifen integriert. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform in der durch die zusätzliche Verwendung von P4-Laserschnitten eine Anordnung der integrierten Bypass-Diode neben dem korrespondierenden Zellstreifen realisiert wurde. Der Vorteil dieses Beispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel der laserintegrierten Bypass-Diode ist, dass der obere Streifen der „ersten" integrierten Bypass-Diode verringert werden kann und dadurch der nutzbare Bereich zur Stromgewinnung vergrößert werden kann. Die Herstellung kann sowohl durch Laserprozessierung als auch durch Schattenmasken erfolgen. Das Beispiel und das Strom- Spannungsdiagramm sind in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt.
In Fig. 8 wird dies durch einen zusätzlichen P2 und P3 Schnitt realisiert. Der Stromfluss ist durch die Pfeile gekennzeichnet. Der photogenerierte Strom fließt in diesem Beispiel insbesondere über den Topkontakt der verschatteten optoelektronischen Zelle zur Bypass Diode und kann dort über die zusätzlichen P2 Strukturierung in verbessertem Maße in den Grundkontakt der Bypass Diode
hineinfließen. Dies führt zu einer Verringerung des
Serienwiderstandes der Bypass Diode und eine flächenmäßige
Homogenisierung der Stromdichten in der Bypass Diode.
Eine weitere Ausführungsform, mit versetztem Stromflussverhalten ist in Fig. 5 gezeigt. Es sind die notwendigen Strukturierungen PI (gestrichelt) / P2 (gepunktet) / P3 (durchgezogen) gezeigt. In dieser Darstellung ist die erste integrierte Bypass-Diode nicht parallel zu dem ersten Zellstreifen angeordnet, d.h. die integrierten Bypass-Dioden sind versetzt zu den Zellstreifen angeordnet .
Durch Verschiebung der Strukturierungen ist eine Anordnung der ersten integrierten Bypass-Diode auch direkt überwiegend parallel zu dem ersten Zellstreifen, analog für folgende Bypass-Dioden und Zellstreifen, möglich.
Der Stromfluss in die Bypass Diode und aus der Bypass Diode heraus (Verringerung des Serienwiderstandes der Bypass Diode) kann durch weitere Strukturierungsmaßnahmen (PI, P2 , P3) verbessert werden.
Bezugszeichenliste
0 Solarzelle mit integrierter Bypass-Diode
1 Grundelektrode
2 Deckelektrode
Organischer Stack der optoelektronischen Zellen /
3
optoelektronischer Schichtstapel
4 Integrierte Bypass-Diode ohne Kontakte
5 Integrierte Bypass-Diode ohne Kontakte
6 Photoaktive Schicht der optoelektronischen Zellen
7 Transportschichten
8 i-Schicht
9 p-Schicht
10 n-Schicht
11 Rekombinationszone
12 Passivierungsschicht
13 Einkopplungsschicht
14 Substrat
PI, P2,
Strukturierung (Laserstrukturierung)
P2 P3, P4

Claims

Patentansprüche
1. Organisches Bauelement zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, umfassend mindestens ein Modul, mindestens einen
Grundkontakt (1) in Substratnähe und mindestens einen Deckkontakt (2), wobei jedes Modul mindestens zwei organische
optoelektronische Zellen und mindestens eine integrierte Bypass- Diode umfasst,
a. die optoelektronische Zelle ein organisches
optoelektronische gestapeltes Schichtsystem umfasst, das zwischen dem Grund- (1) und dem Deckkontakt (2) angeordnet ist, und die optoelektronischen Zellen in Reihe geschaltet sind,
b. die integrierten Bypass-Dioden derart mit den
optoelektronischen Zellen auf einem Substrat angeordnet sind, dass jede Bypass-Diode zu genau einer oder zu mehreren optoelektronischen Zellen parallel verschaltet ist, und die integrierte Bypass-Diode ohne Kontakte (4, 5) derart angeordnet ist, dass sie die gleiche Sperrrichtung zwischen dem Grund- (1) und dem Deckkontakt (2) wie die Streifen der optoelektronischen Zellen (3) besitzt, und die Bypass-Diode derart durch Strukturierung, neben den Streifen der optoelektronischen Zellen auf dem Substrat integriert ist, c. dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkontakt (1) eines
Streifens der optoelektronischen Zellen mit dem Deckkontakt (2) der zugeordneten Bypass-Diode und der Grundkontakt (1) der zugeordneten Bypass-Diode mit dem Grundkontakt (1) des benachbarten Streifens optoelektronischer Zellen
elektronisch verbunden ist.
2. Organisches Bauelement zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, umfassend mindestens ein Modul, mindestens einen
Grundkontakt (1) in Substratnähe und mindestens einen Deckkontakt (2), wobei jedes Modul mindestens zwei organische
optoelektronische Zellen und mindestens eine integrierte Bypass- Diode umfasst, wobei a. die optoelektronische Zelle ein organisches
optoelektronische Schichtsystem umfasst, das zwischen dem Grund- (1) und dem Rückkontakt (2) angeordnet ist, und die optoelektronischen Zellen in Reihe geschaltet sind, b. die integrierten Bypass-Dioden (4,5) derart mit den
optoelektronischen Zellen auf einem Substrat angeordnet sind, dass jede Bypass-Diode zu genau einer oder zu mehreren optoelektronischen Zellen parallel verschaltet ist, und die integrierte Bypass-Diode entgegengesetzte Sperrrichtung zwischen den Kontakten wie die
optoelektronischen Zellen besitzt, und die Bypass-Diode derart durch Strukturierung, neben den Streifen der optoelektronischen Zellen auf dem Substrat integriert ist, c. dadurch gekennzeichnet, dass der Deckkontakt der Bypass- Diode mit dem Deckkontakt des zugeordneten Streifens optoelektronischer Zellen elektrisch verbunden ist und der Grundkontakt der Bypass-Diode mit dem Grundkontakt des zugeordneten Streifens der optoelektronischer Zellen elektrisch verbunden ist.
3. Organisches Bauelement zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, umfassend mindestens ein Modul, mindestens einen
Grundkontakt (1) in Substratnähe und mindestens einen Deckkontakt (2), wobei jedes Modul mindestens zwei organische
optoelektronische Zellen und mindestens eine integrierte Bypass- Diode umfasst, wobei
a. die optoelektronische Zelle ein organisches
optoelektronische Schichtsystem umfasst, das zwischen dem Grund- (1) und dem Rückkontakt (2) angeordnet ist, und die optoelektronischen Zellen in Reihe geschaltet sind, b. die integrierten Bypass-Dioden (4,5) derart mit den
optoelektronischen Zellen auf einem Substrat angeordnet sind, dass jede Bypass-Diode zu genau einer oder zu mehreren optoelektronischen Zellen parallel verschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, c. dass die Schichtfolge der integrierten Bypass-Dioden ohne Kontakte (4, 5) und der optoelektronische Schichtstapel (3) übereinander gestapelt zwischen dem gemeinsamen
Grundkontakt (1) und dem gemeinsamen Deckkontakt (2) derart angeordnet sind,
i) dass die Schichtfolge der integrierten Bypass-Diode ohne Kontakte (4, 5) auf dem Grundkontakt (1) aufgebracht ist,
ii) dass der optoelektronische Schichtstapel zwischen Grundkontakt (1) und dem Deckkontakt (2) aufgebracht bzw. zwischen den auf dem Grundkontakt aufgebrachten Bypass-Dioden ohne Kontakte (4) und dem Deckkontakt (2) aufgebracht ist, und
iii) dass im Bereich der Bypass-Diode (4) der
optoelektronische Schichtstapel derart durch einen Strukturierungsprozess , bevorzugt durch eine Laserstrukturierung, unterbrochen ist, dass das
Schichtsystem der integrierten Bypass-Diode ohne Kontakte (4) mit dem Deckkontakt (2) elektrisch verbunden ist.
Organisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Bypass-Diode einem Single-Carrier-Gerät entspricht .
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkontakt (1) eine Kathode und der Deckkontakt (2) eine Anode bildet, wobei der Deckkontakt (1) ein Metall mit einer thermischen Austrittsarbeit kleiner als 4,5 eV umfasst, bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Silber oder eine Silberlegierung, diese bevorzugt als Ag:Mg oder Ag:Ca, und die integrierte Bypass-Diode mindestens eine der nachfolgenden Schichten oder Schichtfolgen umfasst:
a. eine anorganische oder organische, bevorzugt intrinsisch oder schwach dotierte Schicht, wobei die Konzentration der Dotanden in der Schicht kleiner 10 %, bevorzugt kleiner 5 % und besonders bevorzugt kleiner 1 % ist, oder b. eine organische oder nicht-organische, nicht intrinsische Schicht mit einer Austrittsarbeit größer als 4,5 eV, gefolgt von einer isolierenden Schicht zur Ausbildung einer Tunneldiode zur Elektrode, oder
c. eine Schicht, umfassend einen hochdotierten organischen p- Leiter, der durch Anoxidation der Oberfläche der Elektrode, beispielsweise durch eine chemische Reaktion der Dotanden mit der Elektrode, ein Diodenverhalten im Zusammenspiel mit der Elektrode herausbildet.
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bevorzugt nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Grundkontakt (1) eine Kathode und der Deckkontakt (2) eine Anode bildet, wobei der Deckkontakt (1) ein Metall oder einem Material mit einer
beliebigen thermischen Austrittsarbeit umfasst oder wobei in dem Bereich der integrierten Bypass-Diode unter dem Deckkontakt eine Schicht, umfassend einen entarteten oder hochdotierten n-Leiter mit einer thermischen Austrittsarbeit kleiner als ca. 4,5 eV angeordnet ist und die Bypass-Diode mindestens eine der
nachfolgenden Schichten bzw. Schichtfolgen umfasst:
a. Eine anorganische oder organische Schicht, bevorzugt
intrinsisch oder schwach dotiert, wobei die Konzentration der Dotanden in der Schicht kleiner 10 %, bevorzugt kleiner 5 % und besonders bevorzugt kleiner 1 % ist, wobei die Schicht auf den Grundkontakt aufgebracht ist, oder
b. Eine nicht intrinsische Schicht mit einer Austrittsarbeit größer als 4,5 eV gefolgt von einer isolierenden Schicht zur Ausbildung einer Tunneldiode zur entarteten oder hochdotierten n-Leiterschicht .
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Austrittsarbeit der Kathode
a. durch Zwischenschichten (11, 12), umfassend Molybdänoxid,
Wolframoxid, PEDOT:PSS oder self-assembled monolayers, oder eine Kombination dieser Materialien, und/oder b. durch Vorbehandlung der Elektrode, vorzugsweise mittels UV- Ozon-Behandlung oder Sauerstoffplasmabehandlung,
auf einen Wert größere 4,5eV, bevorzugt größer 5eV erhöht wird.
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anorganische oder organische löcherleitende Schicht der integrierten Bypass-Diode mindestens eine der folgenden Materialien bzw. Materialklassen umfasst:
a. niedermolekulare, löcherleitende Substanz mit konjugiertem pi-Elektronensystem und optional konjugierten oder nicht konjugierten Seitenketten, bevorzugt Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 4,8 eV und ca.
5,8 eV, besonders bevorzugt zwischen ca. 5,0 eV und 5,5 eV; b. Substanzen, welche über entsprechend funktionalisierte
Seitengruppen verfügen oder ein zweites Material enthalten, das über entsprechend funktionalisierte Seitengruppen mit der eigentlichen löcherleitenden Substanz reagieren kann, beispielsweise Vinyle, Methacrylate, Trichlorsilan, Azide, Epoxide oder Oxetane;
c. polymere löcherleitende Substanzen, bevorzugt Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen 4,8 eV und ca.
5,8 eV, besonders bevorzugt zwischen ca. 5eV und ca. 5,5eV und/oder Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen; bevorzugt sind Substanzen, welche über entsprechend funktionalisierte Seitengruppen verfügen, dass sie nach der Abscheidung thermisch oder unter Einwirkung von Licht, bevorzugt UV-Licht,
kreuzverlinkt werden können, bevorzugt Polythiophen, wie PEDOT, leitende Farbstoffe, beispielsweise Plexcore,
Polypyrrole, Polyamine, wie Polyanilin, Polyparaphenylen, Polyphenylenvinylen, Polyphenyleneethinylen,
Polyvinylcarbazol , Polymere, welche Triarylamin- , Fluoren- oder Carbazolgruppen enthalten;
d. eine Mischung aus einer polymeren, konjugierten oder nicht- konjugierten Substanz und einer niedermolekularen,
löcherleitenden Substanz; bevorzugt sind hierbei Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 4.8 eV und ca. 5.8 eV, besonders bevorzugt zwischen ca. 5 und 5.5 eV und Verbindungen mit geeigneten nicht- konjugierten Seitenketten, die eine hinreichende
Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen.
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bypass-Diode eine anorganische elektronenleitende Schicht, beispielsweise ZnO, T1O2 oder ein anderes halbleitendes Oxid mit thermischer Austrittsarbeit kleiner ca. 4,5 eV oder eine organische, elektronenleitende Schicht umfassend mindestens eine der folgenden Materialien bzw. Materialklassen enthält:
a. niedermolekulare, elektronenleitende Substanz, vorzugsweise Fulleren, Verbindungen, welche Dicarbonsäureanhydrid, Dicarbonsäureimid oder Cyanogruppen, insbesondere
Dicyanovinylgruppen, umfassen,
b. bevorzugt Verbindungen mit moderater Elektronenaffinität zwischen ca. 3.5eV und ca. 4.5eV, bevorzugt zwischen ca. 3,8 eV und ca. 4,5 eV und Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen, bevorzugt Bisimidfarbstoffe des Naphthalins, Anthracens, 2,8- Diazaperylene-1, 3, 7, 9-tetraons, Perylens, Terylens und Quarterylenes mit löslichkeitsvermittelnden Alkyl-,
Alkoxy-, Oligoether- und teilfluorierten Alkylgruppen, wobei das Kerngerüst der Bisimide sowohl unsubstituiert sein kann als auch elektronenziehende Substituenten (F, Cl, CN) besitzen kann,
c. buchtenverknüpfte Dimere, Trimere und Oligomere des
Perylenbisimids oder Decacyclentriimide mit den
aufgeführten löslichkeitsvermittelnden Gruppen,
d. Bor-Subphthalocyanine , Phthalocyanine, polycyclische
aromatische und heteroaromatische Kohlenwasserstoffe mit elektronenziehenden Substituenten (F, Cl, CN) , welche ebenfalls löslichkeitsvermittelnde Alkyl-, Alkoxy-,
Oligoether- und teilfluorierten Alkylgruppen tragen, weiterhin Fluoranthenfusionierte Imide mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen, oder
Tetraazabenzodifluoranthenediimide und Diketopyrrolopyrrol (DPP) -funktionalisierte Acceptoren mit den oben erwähnten löslichkeitsvermittelnden Gruppen;
9,9' -bifluorenylidene;
Truxenonderivate und davon abgeleitete Dicyanovinylene sowie Cyanocarboxyvinylene ,
kalamitisch geformte Moleküle mit elektronenreicher Mittelgruppe, vorzugsweise Fluoren, Dibenzosilol , Indacenodithiophen und Indacenodithieno [3, 2-b] thiophen, flankiert von elektronenarmen endständigen Akzeptoren, wie Rhodanine, Imide, Indandione, Dicyanovinylene, welche über Vinylbrücken mit dieser verbunden sein können;
polymere elektronenleitende Substanzen, bevorzugt Verbindungen mit moderater Elektronenaffinität zwischen ca. 3,5 eV und ca. 4,5 eV, besonders bevorzugt zwischen ca. 3,8 eV und 4,5 eV, und Verbindungen mit geeigneten nicht- konjugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen, beispielsweise Poly ( (9, 9-dioctyl fluoren) -2, 7-diyl-alt- [4, 7- bis ( 3-hexylthiophen-5-yl ) -2, 1, 3-benzothiadiazol] -2 Λ , 2 Λ Λ - diyl) (F8TBT) Polymere zusammengesetzt aus Spirobifluoren- und Diketopyrrolopyrrol-Einheiten und Polymere mit cyano- substituierten Vinyleinheiten;
Mischung aus einer polymeren, konjugierten oder nicht- konjugierten Substanz und einer niedermolekularen elektronenleitenden Substanz, bevorzugt sind hierbei niedermolekulare elektronenleitende Verbindungen mit moderater Austrittsarbeit zwischen ca. 3,5 eV und ca. 4,5 eV und Verbindungen mit geeigneten nicht-konj ugierten Seitenketten, die eine hinreichende Löslichkeit für einen Druckprozess sicherstellen.
0. Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bypass-Diode eine organische, bipolar leitfähige Schicht umfassend eine Mischung aus einem elektronenleitenden und einem löcherleitenden Material entsprechend den Ansprüchen 8 oder 9 enthält.
Organisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Grundkontakt (1) der optoelektronischen Zellen und der integrierten Bypassdiode eine Kathode und der Deckkontakt (2) eine Anode bildet
a. wobei der Deckkontakt (2) zumindest im Bereich der
Bypassdiode ein Metall mit einer großen thermischen
Austrittsarbeit größer 4.8eV, weiter bevorzugt größer 5 eV oder ein Metall bzw. eine Metalllegierung mit einer
beliebigen thermischen Austrittsarbeit kombiniert mit einer Schicht aus einem halbleitenden Oxid mit hoher thermischer Austrittsarbeit größer ca. 5eV , bevorzugt Molybdänoxid oder Wolframoxid umfasst und/oder
b. der Grundkontakt zumindest im Bereich der integrierten
Bypass-Diode ein leitfähiges Oxid oder ein Metall mit einer geringer thermischen Austrittsarbeit kleiner ca. 4.5eV, bevorzugt kleiner ca. 4.2eV umfasst, bevorzugt Aluminiumdotiertes ZnO, T1O2 oder geeignet vorbehandeltes ITO oder ein unedles Metall
c. die Bypass-Diode mindestens eine der nachfolgenden
Schichten bzw. Schichtfolgen umfasst:
i) undotiertes oder sehr geringfügig n-dotiertes
halbleitedes Oxid mit thermischer Austrittsarbeit kleiner ca. 4.5eV, bevorzugt ZnO oder Ti02
ii) eine undotierte oder sehr geringfügig n-dotierte
elektronenleitende Substanz entsprechend Anspruch9, iii) eine undotierte oder sehr geringfügig p-dotierte
löcherleitende Substanz entsprechend Anspruch 8, oder iv) eine Mischschicht aus einer elektronenleitenden und einer löcherleitenden Substanz entsprechend der
Ansprüche 9 und 8.
Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtstapel im Bereich der Bypass-Diode zusätzlich eine oder mehrere dotierte Schichten mit großer thermischer Austrittsarbeit, größer ca. 4.8eV, seitens der Anode und/oder dotierte Schichten mit kleiner thermischer Austrittsarbeit, kleiner ca. 4.5eV, seitens der Kathode umfasst.
13. Organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die optoelektronischen Zellen und die Bypass-Dioden denselben Stapel von Halbleitermaterialien umfassen.
14. Organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 13, wobei die photovoltaische Wirkung des Schichtstapels im Bereich der Bypass-Diode durch gepulste Laser, oder durch Beschuss mit geladenen Teilchen reduziert ist.
15. Organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Strukturierungen zur Verminderung des Serienwiderstandes eingefügt sind.
16. Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Bypass-Diode elektronenleitende und/oder löcherleitende Material entsprechend den obenstehenden Ansprüchen 8 oder 9 umfasst.
17. Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Streifen der optoelektronischen Zellen, d.h. der optoelektronische Schichtstapel, (3), Solarzellen,
Photodetektoren, vorzugsweise organische photoaktive Single- Tandem- oder Mehrfachsolarzellen sind, besonders vorzugsweise umfassend Materialien die aufdampfbar sind.
18. Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Dioden in Form von verschiedenen diskreten Formen, beispielsweise rund, eckig, rechteckig, durchgezogene oder unterbrochene Linien.
19. Organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Summe des Flächenanteils aller angeordneten Bypass- Dioden auf dem Grundkontakt kleiner als 20 % der Grundkontaktfläche ist, bevorzugt kleiner als 10 % der Grundkontaktfläche ist, besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Grundkontaktfläche ist, sehr besonders bevorzugt kleiner als 2 % der Grundkontaktfläche ist, außerordentlich bevorzugt kleiner als 1 % der Grundkontaktfläche ist bzw. kleiner als 0,5 % der Grundkontaktfläche ist oder b. die Summe der Flächen aller angeordneten Bypass-Dioden
eines Moduls kleiner als 20 % der Fläche des Moduls ist, bevorzugt kleiner als 10 % der Fläche des Moduls ist, besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Fläche des Moduls ist, sehr besonders bevorzugt kleiner als 2 % der Fläche des Moduls ist, außerordentlich bevorzugt kleiner als 1 % der Fläche des Moduls ist bzw. kleiner als 0,5 % der Fläche des Moduls ist.
20. Verfahren zur Herstellung organischer Solarzellen mit
integrierten Bypass-Dioden, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellung eines Substrats,
b. Aufbringen der Grundelektrode (1) und Strukturierung der Grundelektrode (PI),
c. Aufbringen des Schichtstapels der intergierten Bypass-Diode (4, 5) und des Schichtstapels der optoelektronischen Zellen ohne deren Rückkontakte (3) mit Strukturierung (P2, P2 Λ , P3), nach dem Auftragen einzelner oder mehrerer Schichten der Bypass-Diode und/oder des Schichtstapels der optoelektronischen Zellen;
d. Aufbringen des Rückkontakts (2) inkl. dessen Strukturierung (P4) .
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronischen Zellen in Serie geschaltet sind und zwischen Grund- und Rückkontakt angeordnet sind, und die integrierte Bypass-Diode ohne ihren Rückkontakt vor dem Abscheiden der Zellen des optoelektronischen Schichtsystems, d. h. vor dem Aufbringen des optoelektronischen Schichtstapels, aufgebracht wird, vorzugsweise durch einen Druckprozess und die integrierte Bypass-Diode durch eine geeignete Strukturierung des nachfolgend aufgebrachten optoelektronischen Schichtsystems mit dem
Deckkontakt elektrisch verbunden ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Schichtfolgen der Bypass-Dioden auf einen Bereich des Grundkontakts durch einen Druckprozess, bevorzugt durch einen Injket-, Siebdruck-, Gravuredruck- oder
Flexoprintprozess, oder durch Verdampfung der aufzubringenden Materialien erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Strukturierung des optoelektronischen Schichtsystems auf dem Bereich der jeweiligen Bypass-Diode durch Verwendung von Schattenmasken, strukturierten Druckverfahren oder Laserablation erfolgt, bevorzugt mittels Laserablation durch Ultrakurzpulslaser mit Pulslängen im Nano-, Pico, oder Femtosekunden-Bereich .
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, dass die integrierten Bypass-Diode bzw. die integrierten Bypass-Dioden ohne ihren Rückkontakt vor dem
Abscheiden der optoelektronischen Schichten der Zelle des optoelektronischen Bauelements auf dem Grundkontrakt der jeweiligen optoelektronischen Zelle aufgebracht sind und durch eine geeignete Strukturierung des nachfolgend aufgebrachten optoelektronischen Schichtsystems mit dem Rückkontakt der jeweiligen optoelektronischen Zelle elektrisch verbunden sind.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, dass das Aufbringen der integrierten Bypass- Diode bzw. der integrierten Bypass-Dioden zeitgleich mit dem Abscheiden der optoelektronischen Schichten der Zelle des optoelektronischen Bauelements auf dem Grundkontrakt der jeweiligen optoelektronischen Zelle erfolgt und, die Bypass- Diode und die optoelektronischen Zellen durch eine geeignete Strukturierung mit ihrem Rückkontakt elektrisch verbunden werden .
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei die
Strukturierung der optoelektronischen Zellen und/oder der
Bypass-Diode, während des Aufbringens der Schichtfolgen und/oder nach dem Auftragen aller Schichtfolgen der optoelektronischen Zellen und/oder der Bypass-Diode erfolgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dass zusätzliche Strukturierungen zwischen den optoelektronischen Schichten und der integrierten Bypass-Diode bei Anordnung nebeneinander zwischen den beiden Elektroden (1) und (2), bevorzugt durch Laserablation, eingefügt werden, um den Serienwiderstand der integrierten Bypass-Diode zu verringern.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dass die
photoaktive Schicht mindestens einer Subzelle im Bereich der integrierten Bypass-Diode bei Anordnung der integrierten Bypass- Diode neben den optoelektronischen Schichten zwischen den beiden Elektroden (1) und (2) und die integrierte Bypass-Diode einen fast identischen Stack wie die optoelektronischen Schichten aufweist durch gepulste Laser-, UV-Strahlung oder Beschuss mit geladenen Teilchen behandelt wird.
29. Organisches optoelektronisches Bauelement, umfassend Module oder Zellen, die eine integrierte Bypass-Diode umfassen, hergestellt nach einem der Ansprüche 20 bis 28, oder aufgebaut nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
EP17777865.1A 2016-09-26 2017-09-26 Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung Pending EP3516693A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016118177.3A DE102016118177A1 (de) 2016-09-26 2016-09-26 Organisches Bauelement zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie mit verbesserter Effizienz und Lebensdauer bei Teilverschattung
PCT/EP2017/074424 WO2018055214A1 (de) 2016-09-26 2017-09-26 Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3516693A1 true EP3516693A1 (de) 2019-07-31

Family

ID=60001905

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17777865.1A Pending EP3516693A1 (de) 2016-09-26 2017-09-26 Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210288112A1 (de)
EP (1) EP3516693A1 (de)
CN (1) CN110140219B (de)
DE (1) DE102016118177A1 (de)
WO (1) WO2018055214A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3654389A1 (de) * 2018-11-16 2020-05-20 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Fotovoltaische vorrichtung und verfahren zur herstellung davon
DE102018132342A1 (de) 2018-12-14 2020-06-18 Heliatek Gmbh Stabilisierung laserstrukturierter organischer Photovoltaik
CN109726251B (zh) * 2018-12-28 2022-04-05 苏州鸿链信息科技有限公司 一种基于区块链开展的跨链分布式业务系统及方法
DE102019129355A1 (de) * 2019-10-30 2021-05-06 Heliatek Gmbh Photovoltaisches Element mit verbesserter Effizienz bei Verschattung und Verfahren zur Herstellung eines solchen photovoltaischen Elements
DE102019129349A1 (de) * 2019-10-30 2021-05-06 Heliatek Gmbh Photovoltaisches Element mit verbesserter Effizienz bei Verschattung, und Verfahren zur Herstellung eines solchen photovoltaischen Elements

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5616185A (en) * 1995-10-10 1997-04-01 Hughes Aircraft Company Solar cell with integrated bypass diode and method
EP2197042A3 (de) * 1998-05-28 2014-02-26 Emcore Solar Power, Inc. Solarzellen mit einer integralen monolithisch gewachsenen Bypass-Diode
DE29923380U1 (de) * 1999-07-28 2000-08-03 Angew Solarenergie Ase Gmbh Solarmodul in integrierter Dünnschichttechnik
JP3744458B2 (ja) * 2002-04-10 2006-02-08 住友電装株式会社 太陽電池モジュール用端子ボックス装置
US6690041B2 (en) * 2002-05-14 2004-02-10 Global Solar Energy, Inc. Monolithically integrated diodes in thin-film photovoltaic devices
EP1611484B1 (de) 2003-03-19 2021-11-10 Heliatek GmbH Photoaktives bauelement mit organischen schichten
JP2005268719A (ja) * 2004-03-22 2005-09-29 Sharp Corp 薄膜太陽電池
DE102005010978A1 (de) 2005-03-04 2006-09-07 Technische Universität Dresden Photoaktives Bauelement mit organischen Schichten
US7745724B2 (en) 2005-09-01 2010-06-29 Konarka Technologies, Inc. Photovoltaic cells integrated with bypass diode
US20090025778A1 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Day4 Energy Inc. Shading protection for solar cells and solar cell modules
JP2010021501A (ja) * 2008-07-14 2010-01-28 Mitsubishi Chemicals Corp ブラインド用太陽電池パネル及びブラインド
US8426850B2 (en) 2009-05-19 2013-04-23 Heliatek Gmbh Semiconducting component including 1-[3-aryl-isoindolyl-(1)-imino]-3-aryl-IH-isoindole
JP5280942B2 (ja) * 2009-06-04 2013-09-04 株式会社カネカ 集積型薄膜光電変換装置とその製造方法
JPWO2011013219A1 (ja) 2009-07-29 2013-01-07 株式会社東芝 パターンドメディア用原盤の製造方法及び磁気記録媒体の製造方法
EP2385556B1 (de) 2010-05-04 2021-01-20 Heliatek GmbH Photoaktives Bauelement mit organischen Schichten
ES2572818T3 (es) 2010-06-21 2016-06-02 Heliatek Gmbh Célula solar orgánica con varios sistemas de capas de transporte
EP2528097A1 (de) * 2011-05-27 2012-11-28 Nederlandse Organisatie voor toegepast -natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Photovoltaische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
GB201116253D0 (en) * 2011-09-20 2011-11-02 Eight19 Ltd Photovoltaic device
TW201327957A (zh) * 2011-12-29 2013-07-01 Ind Tech Res Inst 有機太陽能電池模組及其製作與修復方法
JP2014064000A (ja) * 2012-08-30 2014-04-10 Mitsubishi Chemicals Corp 有機薄膜太陽電池素子
WO2014128278A1 (de) 2013-02-21 2014-08-28 Heliatek Gmbh Optoelektronisches bauelement
DE102013106639A1 (de) 2013-06-25 2015-01-08 Heliatek Gmbh Organisches, halbleitendes Bauelement
US9425337B2 (en) 2014-05-29 2016-08-23 Sunpower Corporation In-cell bypass diode
CN105514207B (zh) * 2015-12-08 2017-04-26 天津三安光电有限公司 一种多结太阳能电池的集成旁路二极管的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110140219A (zh) 2019-08-16
WO2018055214A1 (de) 2018-03-29
CN110140219B (zh) 2023-11-10
DE102016118177A1 (de) 2018-03-29
US20210288112A1 (en) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018055214A1 (de) Organisches bauelement zu umwandlung von licht in elektrische energie mit verbesserter effizienz und lebensdauer bei teilverschattung
EP2398056B1 (de) Organische Solarzelle mit mehreren Transportschichtsystemen
DE102004014046B4 (de) Photoaktives Bauelement mit organischen Schichten
EP2174329B1 (de) Photovoltaische tandem-zelle
EP1634343A2 (de) Tandemsolarzelle mit einer gemeinsamen organischen elektrode
EP1631996B1 (de) Organische solarzelle mit einer zwischenschicht mit asymmetrischen transporteigenschaften
WO2011138021A2 (de) Photoaktives bauelement mit organischen schichten
EP1861886A1 (de) Organisches photoaktives bauelement
DE10209789A1 (de) Photoaktives Bauelement mit organischen Schichten
DE102009038633B4 (de) Photoaktives Bauelement mit organischen Doppel- bzw. Mehrfachmischschichten
DE102008045663A1 (de) Fluorverbrückte Assoziate für optoelektronische Anwendungen
WO2014006566A1 (de) Elektrodenanordnung für optoelektronische bauelemente
DE112020007777T5 (de) Mehrschichtübergang-Fotoelektrokonvertierungselement und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102019129349A1 (de) Photovoltaisches Element mit verbesserter Effizienz bei Verschattung, und Verfahren zur Herstellung eines solchen photovoltaischen Elements
DE102019125715A1 (de) Verbindungen mit einer Furopyrrol- oder einer Thienopyrrolgruppe, optoelektronische Bauelemente mit einer solchen Verbindung, und Verwendung einer solchen Verbindung in optoelektronischen Bauelementen
DE102008050335B4 (de) Mehrfach-Solarzelle
WO2010012279A1 (de) Organisches photoaktives bauelement, insbesondere organische solarzelle oder organischer photodetektor
KR20240069000A (ko) 금속확산 방지층을 포함하는 페로브스카이트 광전기화학 수소발생장치 및 그 제조방법
DE112020007791T5 (de) Mehrschichtübergang-Fotoelektrokonvertierungselement und Verfahren zur Herstellung desselben
KR20240061841A (ko) 금속확산 방지층을 포함하는 페로브스카이트 태양광 장치 및 그 제조방법
DE102012103448B4 (de) Verfahren zur Optimierung von in Reihe geschalteten, photoaktiven Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen
DE112021005470T5 (de) Fotoelektrisches Wandlerelement mit Mehrschichtübergang und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102019120457A1 (de) Organische halbleitende Verbindung mit einer Indolgruppe, organisches optoelektronisches Bauelement mit einer solchen Verbindung, und Verwendung einer solchen Verbindung
DE102013101714A1 (de) Verfahren zur Optimierung von Absorberschichten in optoelektronischen Bauelementen
WO2012093180A1 (de) Elektronisches oder optoelektronisches bauelement mit organischen schichten

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20190425

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20210927