EP4147283A1 - Schichtsystem für ein organisches elektronisches bauelement - Google Patents

Schichtsystem für ein organisches elektronisches bauelement

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Publication number
EP4147283A1
EP4147283A1 EP21730094.6A EP21730094A EP4147283A1 EP 4147283 A1 EP4147283 A1 EP 4147283A1 EP 21730094 A EP21730094 A EP 21730094A EP 4147283 A1 EP4147283 A1 EP 4147283A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid crystal
layer
donor
crystal additive
acceptor
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
EP21730094.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Walzer
Marieta Levichkova
Ivan Ramirez
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 EP4147283A1 publication Critical patent/EP4147283A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H10K85/731—Liquid crystalline materials
    • 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
    • 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
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • 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 relates to a layer system for an organic electronic component, with an electrode, a counterelectrode and at least one photoactive layer, the at least one photoactive layer being arranged between the electrode and the counterelectrode, the at least one photoactive layer having at least one liquid crystal additive , an electronic component with such a layer system, and the use of such a layer system in an electronic component.
  • Photoactive layers Electronic components with photoactive layers, in particular LEDs or solar cells, are widely used today in everyday and industrial environments.
  • thin-film solar cells which have a mechanically flexible design and thus allow an arrangement on curved surfaces.
  • Known solar cells preferably have active layers made of amorphous silicon (a-Si) or CIGS (Cu (In, Ga) (S, Se) 2 ).
  • Solar cells with organic photoactive layers are also known.
  • the organic photoactive layers can be built up from polymers or small molecules. While polymers are characterized by the fact that they cannot be evaporated and can therefore only be applied from solutions, small molecules can be evaporated.
  • Organic semiconductors based on small molecules or polymeric compounds are increasingly being used in many areas of the electrical industry.
  • Organic semiconductors are used, for example, in electronic components such as organic field effect transistors (OFETs), organic light-emitting diodes (OLEDs), organic photovoltaic elements (OPVs), and photodetectors.
  • OFETs organic field effect transistors
  • OLEDs organic light-emitting diodes
  • OCVs organic photovoltaic elements
  • photodetectors Is the organic electronic component a Organic optoelectronic component, such as a solar cell or a photodetector, then the component is suitable for converting light energy into electrical energy, the opposite conversion of electrical energy into light emission having a detrimental effect on efficiency.
  • OLEDs convert electrical current or voltage signals or electrical energy into light emission.
  • Organic photovoltaic components in particular organic solar cells, generally consist of a sequence of thin layers between two electrodes, which are preferably vapor-deposited in a vacuum or processed from a solution.
  • the electrical contact can be made through metal layers, transparent conductive oxides (TCOs) and / or transparent conductive polymers (PEDOT-PSS, PANI).
  • TCOs transparent conductive oxides
  • PEDOT-PSS transparent conductive polymers
  • Vacuum evaporation of the organic layers is advantageous in the manufacture of tandem, triple or multiple solar cells.
  • the individual cells are stacked in tandem or multiple solar cells, with each cell containing at least one absorber layer, arranged between two electrodes and usually connected in series, so that the cell that produces the lowest current limits the entire system.
  • the photoactive compounds are usually used in a mixed layer or two adjacent layers to form donor-acceptor heterojunctions within a cell, in which at least one donor and / or one acceptor is the light-absorbing component.
  • donor and / or one acceptor is the light-absorbing component.
  • light does not directly generate free charge carriers in organic solar cells, instead excitons, i.e. electrically neutral states of excitation, in particular bound electron-hole pairs, are initially formed. These excitons are separated into charge carriers at the donor-acceptor interface in transitions between two adjacent layers or within a photoactive mixed layer, migrate and thus contribute to the flow of electrical current.
  • Known organic solar cells consist of a pin diode with a layer structure of a substrate, a base contact, at least one p-layer, at least one i-layer, at least one n-layer, and a cover contact.
  • n or p denotes an n or p doping, which leads to an increase in the density of free electrons or holes in the thermal equilibrium state.
  • the n-layer (s) or p-layer (s) are at least partially nominally undoped and only because of the material properties, because of unknown impurities or because of environmental influences, preferably n-conductive or preferably p -have conductive properties.
  • These layers are primarily to be understood as transport layers.
  • an i-layer denotes a nominally undoped layer.
  • One or more i-layers can consist of one material as well as a mixture of two or more materials (bulk heterojunction).
  • the incident light through the transparent ground contact generates excitons (bound electron-hole pairs) in the i-layer or in the n- / p-layer.
  • These excitons can only be separated by very high electrical fields or at suitable interfaces. Sufficiently high fields are not available in organic solar cells, so that excitons are separated at photoactive interfaces.
  • the material that accepts the electrons is called the acceptor, and the material that accepts the hole is called the donor.
  • the separating interface can lie between the p- (n-) layer and the i-layer or between two i-layers.
  • the layer system can have further layers, such as charge carrier transport layers, also called transport layers, between the electrodes, which make no or only a small contribution to the absorption compared to a photoactive layer.
  • charge carrier transport layers also called transport layers
  • These layers can be doped, partially doped, or undoped, or have a doping gradient.
  • the efficiency is more organic Electronic components, in particular organic solar cells, is determined, among other things, by the nanomorphology of photoactive layers with absorber materials of such components, in particular the donor-acceptor system.
  • the nanomorphology is usually determined by the choice of acceptor and donor molecules, in particular with their existing side chains, whereby the extent of the nanophase separation is set.
  • An improved nanophase separation leads to an increase in the efficiency in electronic components, in particular by increasing the fill factor FF and / or the current density.
  • Morphology-forming additives are known in organic photovoltaic cells processed from solvents.
  • the additives known from solvent-processed organic photovoltaic cells are generally not usable because they either cannot be evaporated in a vacuum or they do not achieve the desired effect when processed in a vacuum.
  • Not evaporable in a vacuum means that these substances often have a vapor pressure which is so high that the additives pass into the gas phase in an uncontrolled manner and are therefore difficult or impossible to handle in a vacuum.
  • Morphology-forming additives are so far hardly known in vacuum-processed organic photovoltaic elements, one of the few examples are crown ethers that are used as additives.
  • the invention is therefore based on the object of a layer system for an organic electronic component, an electronic component with such a layer system, and a use to provide such a layer system, the aforementioned disadvantages not occurring. It is a particular object of the present invention to provide an improved nanomorphology and / or an improved nanophase separation in a photoactive layer of a layer system.
  • the object is achieved in particular by providing a layer system for an organic electronic component with an electrode, a counter-electrode and at least one photoactive layer, the at least one photoactive layer being arranged between the electrode and the counter-electrode, the at least one photoactive layer has at least one liquid crystal additive, the at least one liquid crystal additive being at least largely homogeneously distributed in the at least one photoactive layer, so that the nanomorphology of the at least one photoactive layer is preferably improved.
  • At least one liquid crystal is therefore preferably provided as an additive in an absorber layer of an electronic component, in particular a solar cell.
  • photoactive is understood to mean, in particular, a conversion of light energy into electrical energy.
  • absorber materials in photoactive layers have a large absorption coefficient, at least for a certain wavelength range.
  • Photoactive is preferably understood to mean that absorber materials, in particular at least one donor and / or at least one acceptor, change their charge state and / or their polarization state when light is introduced.
  • a photoactive layer is understood to mean, in particular, a layer of an electronic component that makes a contribution to Absorption of radiation and / or for the emission of radiation supplies, in particular the photoactive layer absorbs radiation.
  • the photoactive layer is preferably designed for a donor / acceptor heterojunction.
  • homogeneous is understood to mean, in particular, an at least largely uniform distribution of the at least one liquid crystal additive over the entire extent of the at least one photoactive layer.
  • the at least one photoactive layer has an absorber material.
  • the at least one photoactive layer has a donor-acceptor system as absorber material.
  • At least one liquid crystal additive is introduced into at least one photoactive layer as an additive, the at least one liquid crystal additive as a further component being at least largely homogeneously distributed in the at least one photoactive layer, in particular homogeneously in an absorber material or a Mixed layer from a donor-acceptor system.
  • a liquid crystal additive according to the present application is understood to mean, in particular, a liquid crystal (liquid crystal, LC), i.e. a compound which, depending on external parameters such as temperature or concentration, has liquid physical properties, but on the other hand also has direction-dependent (anisotropic) physical properties, like a crystal.
  • LC liquid crystal
  • phases which are also referred to as mesophases, are known as thermotropic mesophases (smectic, nematic, and columnar), as well as lyotropic mesophases.
  • a liquid crystal additive shows in particular a certain orientation and a certain mobility on a molecular, supramolecular or macroscopic level.
  • a liquid crystal additive within the meaning of the present invention can be evaporated in a vacuum by supplying temperature, the liquid crystal additive not or at least substantially not decomposing.
  • a liquid crystal additive itself is essentially not an absorber, in particular not a donor and / or not an acceptor.
  • the layer system has at least one photoactive layer with small molecules as absorber material and the at least one liquid crystal additive.
  • the layer system has at least one photoactive layer with small molecules as at least one donor, small molecules as at least one acceptor and the at least one liquid crystal additive, the at least one donor and the at least one acceptor being a donor-acceptor -System form.
  • small molecules are understood to mean non-polymeric organic molecules with monodisperse molar masses between 100 and 2000 g / mol, which are present in the solid phase under normal pressure (air pressure of the atmosphere surrounding us) and at room temperature.
  • the small molecules are photoactive.
  • the at least one liquid crystal additive is introduced at the same time as a further component in addition to an absorber material or a donor-acceptor system during vacuum processing by co-evaporation.
  • the at least one photoactive layer has no solvent, in particular no organic solvent.
  • the at least one liquid crystal additive is designed in such a way that it influences the tendency of the donor and / or the acceptor to crystallize.
  • the at least one liquid crystal additive can be evaporated in a vacuum, preferably processed in a vacuum, the at least one liquid crystal additive not or at least largely not decomposing.
  • the at least one liquid crystal additive is not polymerized in the at least one photoactive layer; preferably, molecules of the liquid crystal additive in the at least one photoactive layer are not polymerized with one another and / or molecules of the liquid crystal additive are in the at least one photoactive layer is not polymerized with an absorber material.
  • the at least one liquid crystal additive is not polymerizable; the at least one liquid crystal additive preferably has no polymerizable functional group.
  • the layer system according to the invention with at least one liquid crystal additive has advantages compared to the prior art.
  • the nanomorphology of the photoactive layer, in particular of the donor-acceptor system is advantageously improved, in particular in the case of high-rate deposition in a vacuum.
  • the nanophase separation in the photoactive layer, in particular the donor-acceptor system is advantageously improved.
  • the liquid crystal additive acts as a kind of molecular lubricant.
  • the fill factor FF of organic photovoltaic cells with at least one liquid crystal additive in the photoactive layer advantageously increases.
  • the service life of an electronic component is advantageously improved.
  • the temperature for separating absorber materials, in particular the donor-acceptor system is advantageously lowered in a vacuum.
  • the at least one liquid additive contributes to a better charge separation at an increased charge transport at increased fill factor FF, and / or an increased idle oltage S Voc.
  • vacuum-processed electronic components, in particular solar cells can be produced at a significantly lower substrate temperature.
  • vacuum-processed electronic components, in particular solar cells can be produced at a significantly higher deposition rate, and can thereby in particular be produced more quickly.
  • the at least one liquid crystal additive simultaneously improves the charge transport within the photoactive layer.
  • the at least one liquid crystal additive at least partially prevents crystallization of the absorber material, preferably of the donor and / or the acceptor.
  • Partial crystallization is understood to mean, in particular, the formation of molecularly ordered regions with small crystallites in crystal sizes in the range from approximately 3 nm to approximately 30 nm. These crystallites can consist of molecularly pure or molecularly mixed regions.
  • the liquid crystal additive is designed in such a way that the crystallization of donor and / or acceptor material improves will.
  • the liquid crystal additive ensures a phase separation and thus improves the charge transport in the individual phases.
  • the improved phase separation can be demonstrated, among other things, on the basis of a reduced photoluminescence signal of the 3-fold mixed layer compared to that without liquid crystal additive.
  • the liquid crystal additive is designed such that the liquid crystal additive sets a minimum distance between the acceptor and the donor, the liquid crystal additive preferably simultaneously contributing to a phase separation of the acceptor and the donor. In particular, this sets an orientation of the donor and the acceptor to one another in a donor-acceptor system.
  • the at least one photoactive layer has a mixture of at least two, preferably at least three, preferably at least four, or preferably a large number of liquid crystal additives.
  • the at least one photoactive layer is a mixed layer of at least one donor and at least one acceptor, the at least one donor and the at least one acceptor forming a donor-acceptor system, and preferably the at least one Liquid crystal additive contributes to a phase separation of the at least one acceptor and the at least one donor, and / or wherein preferably the at least one liquid crystal additive contributes to increased molecular orientation and / or partial crystallization of the at least one acceptor and / or the at least one donor.
  • the layer system has at least two, preferably at least three, or preferably at least four photoactive layers. This is particularly advantageous because the incident light passes through several photoactive layers within the layer system.
  • the proportion of the at least one liquid crystal additive in the photoactive layer is less than 30% by weight, preferably less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, or preferably in a range from 1 to 2% by weight.
  • the proportion of the at least one liquid crystal additive in the photoactive layer is in a range from 0.1% by weight to 30% by weight, preferably in a range from 0.1% by weight to 20% by weight. %, preferably in a range from 0.1% by weight to 10% by weight, preferably in a range from 0.1% by weight to 5% by weight, preferably in a range from 0.1% by weight to 3% by weight %, preferably in a range from 0.1% by weight to 1% by weight, preferably in a range from 0.5% by weight to 10% by weight, preferably in a range from 0.5% by weight to 5% by weight %
  • By weight preferably in a range from 0.5% by weight to 2% by weight, preferably in a range from 1% by weight to 5% by weight, or preferably in a range from 1% by weight to 2% by weight. %.
  • the at least one photoactive layer is an absorber layer and / or the at least one donor and / or the at least one acceptor is an organic material made of small molecules, the at least one photoactive layer preferably being applied by means of vacuum processing is.
  • molecules of the at least one liquid crystal additive are rod-shaped, the rod-shaped molecules having a polar and a non-polar end, or the rod-shaped molecules are bipolar, and / or the at least one liquid crystal additive in the Volume forms nematic, smectic or cholesteric mesophases, preferably nematic or smectic mesophases.
  • the rod-shaped ones Molecules with a polar and a non-polar end ensure, in particular, a moment of order in the photoactive layer, in particular in the arrangement of the at least one absorber material or the donor-acceptor system.
  • the at least one liquid crystal additive is selected from the group consisting of:
  • phenyl rings can each be substituted by heterocyclic five-rings and six-rings, preferably selected from the group consisting of thiophene, pyrrole, furan, oxazole, thiazole, oxadiazole, thiadiazole, triazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, benzothiophenes, benzopyrrole, Benzofuran, Benzothiophene, Benzopyrrole, Benzofuran, Benzoxazole, Benzothiazole,
  • the phenyl rings are each substituted by incompletely conjugated or incompletely conjugated six-membered rings, preferably cyclohexane or cyclohexene.
  • the liquid crystal additives are distinguished in particular by the fact that they have alkane chains which can influence the morphology of the absorber material or the donor-acceptor system in a photoactive layer.
  • the at least one liquid crystal additive is selected from the group consisting of:
  • phenyl rings can each be substituted by heterocyclic five-rings and six-rings, preferably selected from the group consisting of thiophene, pyrrole, furan, oxazole, thiazole, oxadiazole, thiadiazole, triazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, benzothiophenes, benzopyrrole, Benzofuran, Benzothiophene, Benzopyrrole, Benzofuran, Benzoxazole, Benzothiazole, Thienothiophenes, thienopyrrole, thienofuran, 3-6 fused heterocycles, dithienothiophene, dithienopyrrole, dithienobenzene, dithienocyclopentadienes, and dipyrrolobenzene.
  • the phenyl rings are each substituted by incompletely conjugated or incompletely conjugated six-
  • the at least one liquid crystal additive has an alkane chain of at least 4 carbon atoms, preferably at least 5 carbon atoms, preferably at least 6 carbon atoms, preferably at least 7 carbon atoms, or preferably at least 8 carbon atoms Atoms.
  • the at least one liquid crystal additive has at least three adjacent phenyl rings, preferably at least 4 adjacent phenyl rings. In a preferred embodiment of the invention, the at least one liquid crystal additive has an oxygen atom which is bonded directly to one of the phenyl rings by means of a single bond.
  • the at least one liquid crystal additive is selected from the group consisting of:
  • the at least one liquid crystal additive has an energy level at which the amount of the LUMO is less than the amount of the LUMO of the acceptor, preferably at least 0.3 eV less than the amount of the LUMO of the acceptor, and the The amount of the HOMO is greater than the amount of the HOMO of the donor, preferably at least 0.3 eV greater than the amount of the HOMO of the donor.
  • the difference between HOMO and LUMO of the liquid crystal additive is in particular greater than or at least equal to the difference between the HOMO of the donor and the LUMO of the acceptor.
  • HOMO highest occupied molecular orbital
  • LUMO lowest unoccupied molecular orbital
  • the energy levels of HOMO and LUMO can be determined, for example, via cyclo-voltammetry (CV) or ultraviolet photoelectron spectroscopy (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS).
  • CV cyclo-voltammetry
  • UPS ultraviolet photoelectron spectroscopy
  • the donor-acceptor system and / or the at least one liquid crystal additive of at least one photoactive layer is processed in a vacuum, that is to say applied to a layer of the layer system in a vacuum.
  • the object of the present invention is also achieved by providing an electronic component with a layer system according to the invention with at least one liquid crystal additive, in particular according to one of the exemplary embodiments described above, the electronic component being an organic photovoltaic element, in particular an organic solar cell, an OFET , or an organic photo detector.
  • the electronic component being an organic photovoltaic element, in particular an organic solar cell, an OFET , or an organic photo detector.
  • the electronic component is an optoelectronic component, in particular an organic optoelectronic component.
  • At least one transport layer is arranged between the electrode and the at least one photoactive layer and / or the counter electrode and the at least one photoactive layer.
  • the at least one photoactive layer adjoins at least one transport layer.
  • the layer system is designed as a single pin, tandem pin cell, multiple pin cell, single nip cell, tandem nip cell or multiple nip cell.
  • the electronic component consists of a combination of nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin or pipn structures in which several independent combinations, which include at least one i -Layer included, are stacked on top of each other.
  • the object of the present invention is also achieved by providing a use of a layer system according to the invention with at least one liquid crystal additive in an electronic component, preferably in an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector, in particular according to one of the previously described ones Embodiments.
  • a layer system according to the invention with at least one liquid crystal additive in an electronic component, preferably in an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector, in particular according to one of the previously described ones Embodiments.
  • At least one liquid crystal additive according to the invention in a photoactive layer of a layer system of an electronic component surprisingly leads to a lower substrate temperature being required in order to achieve the same power conversion efficiency (PCE) in comparison to a corresponding photoactive layer without such a liquid crystal additive. Furthermore, it was shown that with high-rate deposition of a photoactive layer 5, compared to deposition at normal rate, an almost identical degree of efficiency (PCE) is achieved.
  • the invention is explained in more detail on the basis of the following exemplary embodiments and figures.
  • the exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.
  • the compounds Absorber1, Absorber2 and Absorber3 are each absorber from the class of small molecules. It shows
  • FIG. 1 shows, in one exemplary embodiment, a schematic representation of a layer system of an electronic component
  • FIG. 2 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 at standard temperature in a photoactive layer of a layer system (FIG. 2B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, however with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer (FIG. 2A);
  • FIG. 3 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 at standard temperature in a photoactive layer of a layer system (FIG. 3B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, however with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer (Fig. 3A), each at a 10-fold higher coating rate compared to Fig.
  • FIG. 4 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 at standard temperature in a photoactive layer of a layer system (FIG. 4B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, however with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer (FIG. 4A), with a higher proportion of the liquid crystal additive compared to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a current-voltage characteristic curve in one exemplary embodiment of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 5B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 120CB (18) in the photoactive layer (Fig. 5A);
  • FIG. 6 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 6B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive 120CB (18) in the photoactive layer (FIG. 6A) under thermal stress in comparison to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 7B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive 5CT (22) in the photoactive layer (FIG. 7A), each with a lowered substrate temperature;
  • FIG. 8 shows, in one exemplary embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 8B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive 9CT (26) in the photoactive layer (FIG. 8A) at normal substrate temperature;
  • 9 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 9B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10BACB (32) in the photoactive layer (FIG. 9A) when lowered Substrate temperature;
  • FIG. 10 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 10B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive CB7CB in the photoactive layer (FIG. 10A) with a lowered substrate temperature;
  • FIG. 11 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber2: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 11B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with a Donor-acceptor system 120CB (18) and a liquid crystal additive in the photoactive layer (FIG. 11A) with a lowered substrate temperature; and
  • FIG. 12 shows, in an exemplary embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber3: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 12C), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the Donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer with a slightly lowered substrate temperature (FIG. 12B) and with a more strongly lowered substrate temperature (FIG. 12A).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a layer system 1 of an electronic component.
  • the layer system 1 for an organic electronic component has a substrate 2, an electrode 3, a counter electrode 7 and at least one photoactive layer 5, the at least one photoactive layer 5 being arranged between the electrode 3 and the counter electrode 7.
  • the at least one photoactive Layer 5 has at least one liquid crystal additive, the at least one liquid crystal additive being at least largely homogeneously distributed in the at least one photoactive layer 5, so that the nanomorphology of the at least one photoactive layer 5 is preferably improved.
  • the at least one photoactive layer 5 is a mixed layer of at least one donor and at least one acceptor, the at least one donor and the at least one acceptor forming a donor-acceptor system, and preferably the at least one liquid crystal additive contributes to a phase separation of the at least one acceptor and the at least one donor, and / or wherein the at least one liquid crystal additive preferably contributes to increased molecular orientation and / or partial crystallization of the at least one acceptor and / or the at least one donor.
  • the proportion of the at least one liquid crystal additive in the photoactive layer 5 is less than 30% by weight, preferably less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, or is preferably in a range of 1 to 2% by weight.
  • the at least one photoactive layer 5 is an absorber layer and / or the at least one donor and / or the at least one acceptor is an organic material made of small molecules, the at least one photoactive layer 5 preferably being applied by vacuum processing .
  • molecules of the at least one liquid crystal additive are rod-shaped, the rod-shaped molecules having a polar and a non-polar end, or the rod-shaped molecules are bipolar, and / or the at least one liquid crystal additive forms nematic in volume , smectic or cholesteric mesophases.
  • the at least one liquid crystal additive is selected from the group consisting of:
  • phenyl rings can each be substituted by heterocyclic five-rings and six-rings, preferably selected from the group consisting of thiophene, pyrrole, furan, oxazole, thiazole, oxadiazole, thiadiazole, triazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, benzothiophenes, benzopyrrole, Benzofuran, Benzothiophene, Benzopyrrole, Benzofuran, Benzoxazole, Benzothiazole,
  • Thienothiophenes thienopyrrole, thienofuran, 3-6 fused heterocycles, dithienothiophene, dithienopyrrole, dithienobenzene, dithienocyclopentadienes, and dipyrrolobenzene.
  • the phenyl rings can in each case be substituted by non-conjugated or incompletely conjugated six-membered rings, preferably cyclohexane or cyclohexene.
  • the at least one liquid crystal additive is selected from the group consisting of:
  • liquid crystal additives according to the invention can therefore be used in vacuum-processed organic photovoltaic elements, in particular as structure-forming additives in a photoactive layer.
  • the at least one liquid crystal additive has an energy level at which the amount of the LUMO is smaller than the amount of the LUMO of the acceptor, preferably at least 0.3 eV smaller than the amount of the LUMO of the acceptor, and the amount of the HOMO is greater than the amount of the HOMO of the donor, preferably at least 0.3 eV greater than the amount of the HOMO of the donor.
  • the electronic component with the layer system 1 is an organic solar cell.
  • the layer system 1 is arranged on a transparent substrate 2, which is preferably designed to be flexible, in particular as a film.
  • an electrode 3 which is formed, for example, from metal, a conductive oxide, in particular ITO, ZnO: Al or other TCOs or a conductive polymer such as PEDOT: PSS or PANI.
  • a charge carrier transport layer 4 is arranged on the electrode 3, which layer is designed, for example, as an electron or hole transport layer.
  • the photoactive layer 5, which comprises at least one donor and one acceptor material, which together form a donor-acceptor system, is arranged on the charge carrier transport layer 4.
  • the photoactive layer comprises a liquid crystal additive in a proportion of 0.1% by weight to 10% by weight.
  • a further charge carrier transport layer 6 is arranged on the photoactive layer 5.
  • Charge carrier transport layer 6 is also designed as an electron or hole transport layer.
  • the layer system 1 can be produced by co-evaporation of the absorber material and the at least one liquid crystal additive.
  • the layer system 1 with at least one liquid crystal additive is in particular for use in an electronic component, preferably in an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • the electronic component with the layer system 1 according to the invention with at least one liquid crystal additive is in particular an organic photovoltaic element, in particular an organic solar cell, an OFET, or an organic photodetector.
  • exemplary embodiments of layer systems 1 with liquid crystal additives in photoactive layers 5 are shown on the basis of mip cells. Numerous cells according to the invention and not according to the invention were characterized in terms of efficiency (PCE) and service life.
  • PCE efficiency
  • FIG. 2 shows a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 at standard temperature in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 2B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same Layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer 5 (Fig. 2A).
  • FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of an electronic component with a layer system 1 with a photoactive layer 5 with a donor-acceptor system Absorber1: C60, with liquid crystal additive 10OCB (16, EA044) (20nm, 30nm; 1: 1: 0.1) (Fig. 2A; sample 4018N) and without liquid crystal additive (20nm, 30nm; 1: 1) (Fig. 2B; sample 4016N), the photoactive layer 5 having a layer thickness of 20 nm and 30 nm having.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 70.degree.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive 10OCB (16).
  • the liquid crystal additive is at least largely homogeneously distributed in the photoactive layer 5 before.
  • the fill factor FF and the short-circuit current Jsc (mM) increase due to the addition of the liquid crystal additive, which improves the efficiency (PCE) by 6.1% (20nm cell) and
  • FIG. 3 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber1: C60 at standard temperature in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 3B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same Layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer 5 (FIG. 3A), in each case at a 10-fold higher coating rate compared to FIG. 2.
  • FIG. 3 shows the current-voltage characteristics of the cells with liquid crystal additive 10OCB (16) (30 nm, 40 nm; 1: 1: 0.1) (FIG. 3A; sample 4602N) and without liquid crystal additive (30 nm, 40 nm; 1: 1) (FIG. 3B; sample 4598N), the coating rate being 2A / s instead of 0.2 A / s in comparison to FIG. 2.
  • the fill factor FF increases when the
  • Liquid crystal additive significantly from 56% to 68% (30nm cell), and the short-circuit current Jsc (mM) increases from 10.7 mA / cm 2 to 11.1 mA / cm 2 , with the open circuit voltage Voc remaining constant. This improves the efficiency (PCE) by 24% (30nm cell) or 65% (40nm cell). From the comparison of the fill factors
  • FIG. 4 shows, in an exemplary embodiment, a current-voltage characteristic curve of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 4B), and a current-voltage characteristic curve of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer 5 (FIG. 4A), with a higher proportion of the liquid crystal additive compared to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of the cells with liquid crystal additive 10OCB (16) (30 nm, 50 nm; 1: 1: 0.2) (FIG. 4A; sample 4304N) and without liquid crystal additive (30 nm, 50 nm; 1: 1) (FIG. 4B; sample 4303N), the proportion of the liquid crystal additive being twice as high as in FIG. 2.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 50.degree.
  • the fill factor FF increases significantly from 59.1% to 69.8% (30nm
  • FIG. 5 shows, in an exemplary embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 5B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 120CB (18) in the photoactive layer 5 (FIG. 5A).
  • FIG. 5 shows the current-voltage characteristics of an electronic component with a layer system 1 with a photoactive layer 5 with a donor-acceptor system Absorber1: C60, with liquid crystal additive 120CB (18, EA046) (20nm, 30nm; 1: 1: 0.1) (Fig. 5A; sample 4212N) and without Liquid crystal additive (20 nm, 30 nm; 1: 1) (FIG. 5B; sample 4211N), the photoactive layer 5 having a layer thickness of 20 nm and 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 50.degree.
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the compound (18).
  • Liquid crystal additive 120CB (18). This improves the efficiency (PCE) by 19% (30nm cell).
  • FIG. 6 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 6B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 120CB (18) in the photoactive layer 5 (FIG. 6A) under thermal stress in comparison to FIG. 5.
  • FIG. 7 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 7B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 5CT (22) in the photoactive layer 5 (FIG. 7A), in each case with a lowered substrate temperature.
  • the photoactive layer 5 having a Has layer thickness of 20 nm and 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 50.degree.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive 5CT (22).
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the efficiency of an organic photovoltaic element with BHJ cells can be increased by a photoactive layer 5 of a layer system 1 with a proportion of a liquid crystal additive in the donor-acceptor system.
  • FIG. 8 shows, in an exemplary embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 8B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 9CT (26) in the photoactive layer 5 (FIG. 8A) at normal substrate temperature.
  • the photoactive layer 5 having a Has layer thickness of 20 nm and 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 70.degree.
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive 9CT (26).
  • FIG. 9 shows a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 9B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10BACB (32) in the photoactive layer 5 (FIG. 9A) lowered substrate temperature.
  • FIG. 9A sample 4449T
  • FIG. 9B sample 4445T
  • the photoactive layer 5 having a layer thickness of 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 40.degree.
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive 10BACB (32).
  • FIG. 10 shows, in an exemplary embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber 1: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 10B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive CB7CB (37) in the photoactive layer 5 (FIG. 10A) with a lowered substrate temperature.
  • Fig. 10 are the current-voltage characteristics of an electronic Component with a layer system 1 with a photoactive layer 5 with a donor-acceptor system Absorber1: C60 shown, with liquid crystal additive CB7CB (37, EA047) (30nm;
  • FIG. 10A sample 4447T
  • FIG. 10B sample 4445T
  • the photoactive layer 5 having a layer thickness of 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 40.degree.
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive CB7CB (37).
  • FIG. 11 shows, in one embodiment, a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber2: C60 in a photoactive layer 5 of a layer system 1 (FIG. 11B), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 120CB (18) in the photoactive layer 5 (FIG. 11A) with a lowered substrate temperature.
  • FIG. 11 shows the current-voltage characteristics of an electronic component with a layer system 1 with a photoactive layer 5 with a donor-acceptor system Absorber2: C60, with liquid crystal additive 120CB (18) (30 nm;
  • FIG. 11A sample 4223T
  • FIG. 11B sample 4221T
  • the photoactive layer 5 having a layer thickness of 30 nm.
  • the photoactive layer 5 was deposited by processing in a vacuum at a substrate temperature of 40 ° C.
  • the liquid crystal additive is distributed at least largely homogeneously in the photoactive layer 5.
  • the photoactive layer 5 of the layer system 1 differs only in the admixture of the liquid crystal additive 120CB (18).
  • liquid crystal additive 120CB (18) By homogeneously mixing the liquid crystal additive 120CB (18) into the photoactive layer 5, a similar fill factor compared to higher substrate temperatures without liquid crystal additive can thus be achieved despite lower substrate temperatures. In this way, in particular, simplified conditions can be achieved in the deposition of the materials of the photoactive layer 5 in a vacuum.
  • FIG. 12 shows a current-voltage characteristic of an electronic component with a donor-acceptor system Absorber3: C60 in a photoactive layer of a layer system (FIG. 12C), and a current-voltage characteristic of an electronic component with the same layer structure, but with the donor-acceptor system and a liquid crystal additive 10OCB (16) in the photoactive layer with a slightly lowered substrate temperature (FIG. 12B) and with a more strongly lowered substrate temperature (FIG. 12A).
  • Table 1 Cell parameters as a function of the added liquid crystal additive compared to a reference without liquid crystal additive. The data result from a median over 12 samples in each case.
  • the admixture of 5CT (22) as a liquid crystal additive leads to an improvement in efficiency with a proportion of 0.1 of 21%, and with a proportion of 0.2 proportion of 27%. In both cases the current density is increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer Elektrode, einer Gegenelektrode und mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, und wobei die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Flüssigkristall-Additiv aufweist, ein elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv, sowie eine Verwendung eines solchen Schichtsystems mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv.

Description

Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer Elektrode, einer Gegenelektrode und mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Flüssigkristall-Additiv aufweist, ein elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, sowie eine Verwendung eines solchen Schichtsystems in einem elektronischen Bauelement.
Elektronische Bauelemente mit photoaktiven Schichten, insbesondere LED's oder Solarzellen, finden heute eine breite Anwendung im alltäglichen sowie industriellen Umfeld. So sind beispielsweise Dünnschicht-Solarzellen bekannt, welche eine mechanisch flexible Ausgestaltung aufweisen und damit eine Anordnung auf gekrümmten Oberflächen erlauben. Bekannte Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphen Silicium (a-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)2) auf. Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen photoaktiven Schichten. Die organischen photoaktiven Schichten können dabei aus Polymeren oder kleinen Molekülen aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar.
Organische Halbleiter auf Basis von kleinen Molekülen oder polymeren Verbindungen finden zunehmend Anwendungen in vielen Bereichen der Elektroindustrie. Organische Halbleiter werden beispielsweise in elektronischen Bauelementen, wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs), organische Leuchtdioden (OLEDs), organische photovoltaische Elemente (OPVs), und Fotodetektoren, eingesetzt. Ist das organische elektronische Bauelement ein organisches optoelektronisches Bauelement, wie eine Solarzelle oder ein Fotodetektor, dann ist das Bauelement zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie geeignet, wobei die entgegengesetzte Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtemission sich nachteilig auf die Effizienz auswirkt. OLEDs wandeln dagegen elektrische Strom- bzw. Spannungssignale oder elektrische Energie in Lichtemission um.
Organische photovoltaische Bauelemente, insbesondere organische Solarzellen, bestehen in der Regel aus einer Folge dünner Schichten zwischen zwei Elektroden, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen. Das Vakuum-Aufdampfen der organischen Schichten ist vorteilhaft bei der Herstellung von Tandem-, Triple oder Mehrfach-Solarzellen. In Tandem- oder Mehrfach-Solarzellen sind die einzelnen Zellen gestapelt, wobei jede Zelle mindestens eine Absorberschicht enthält, zwischen zwei Elektroden angeordnet und meist in Serie geschaltet, so dass die Zelle, die den geringsten Strom produziert, das ganze System limitiert.
Die photoaktiven Verbindungen werden üblicherweise in einer Mischschicht oder zwei aneinandergrenzenden Schichten zur Bildung von Donor-Akzeptor-Heteroübergängen (heterojunctions) innerhalb einer Zelle eingesetzt, in denen zumindest ein Donor und/oder ein Akzeptor die Licht absorbierende Komponente ist. Im Gegensatz zu Solarzellen auf Basis von Silizium werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände, insbesondere gebundene Elektronen-Loch-Paare. Diese Exzitonen werden an der Donor- Akzeptor-Grenzschicht in Übergängen zwischen zwei angrenzenden Schichten oder innerhalb einer photoaktiven Mischschicht in Ladungsträger getrennt, wandern und so zum elektrischen Stromfluss beitragen. Bekannte organische Solarzellen bestehen aus einer pin-Diode mit einem Schichtaufbau aus einem Substrat, einem Grundkontakt, mindestens einer p-Schicht, mindestens einer i-Schicht, mindestens einer n-Schicht, und einem Deckkontakt. Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. Es ist allerdings auch möglich, dass die n-Schicht(en) bzw. p- Schicht(en) zumindest teilweise nominell undotiert sind und nur aufgrund der Materialeigenschaften, aufgrund unbekannter Verunreinigungen oder aufgrund von Einflüssen der Umgebung bevorzugt n-leitende bzw. bevorzugt p-leitende Eigenschaften besitzen. Diese Schichten sind primär als Transportschichten zu verstehen. Eine i-Schicht (intrinsische Schicht) bezeichnet demgegenüber eine nominell undotierte Schicht. Eine oder mehrere i-Schichten können hierbei sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei oder mehr Materialien (bulk-heterojunction) bestehen. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen (gebundene Elektron-Loch-Paare). Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In organischen Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass Exzitonen an photoaktiven Grenzflächen getrennt werden. Das Material, welches die Elektronen aufnimmt, wird dabei als Akzeptor, und das Material, welches das Loch aufnimmt, als Donor bezeichnet. Die trennende Grenzfläche kann zwischen der p- (n-) Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i-Schichten liegen.
Das Schichtsystem kann weitere Schichten, wie beispielsweise Ladungsträgertransportschichten, auch Transportschichten genannt, zwischen den Elektroden aufweisen, die keinen oder nur einen geringen Beitrag zur Absorption im Vergleich zu einer photoaktiven Schicht liefern. Diese Schichten können dotiert, teildotiert, oder undotiert sein, oder einen Gradienten der Dotierung aufweisen.
Der Wirkungsgrad (Power Conversion Efficiency, PCE) organischer elektronischer Bauelemente, insbesondere organischer Solarzellen, wird unter anderem durch die Nanomorphologie von photoaktiven Schichten mit Absorbermaterialien solcher Bauelemente bestimmt, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems. Die Nanomorphologie wird üblicherweise durch die Wahl der Akzeptor- und Donormoleküle, insbesondere mit deren vorhandenen Seitenketten bestimmt, wodurch das Ausmaß der Nanophasenseparation eingestellt wird. Eine verbesserte Nanophasenseparation führt in elektronischen Bauelementen zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads, insbesondere durch Steigerung des Füllfaktors FF und/oder der Stromdichte.
Morphologie-bildende Additive sind in aus Lösungsmittel prozessierten organischen photovoltaischen Zellen bekannt. Im Bereich der vakuum-prozessierten organischen photovoltaischen Zellen sind die aus Lösungsmittel-prozessierten organischen photovoltaischen Zellen bekannten Additive in der Regel nicht einsetzbar, da diese entweder nicht im Vakuum verdampfbar sind oder diese beim Prozessieren im Vakuum nicht den gewünschten Effekt erzielen. Nicht im Vakuum verdampfbar bedeutet dabei, dass diese Stoffe oft einen Dampfdruck haben, welcher so hoch ist, dass die Additive im Vakuum unkontrolliert in die Gasphase übergehen und damit im Vakuum schwer oder gar nicht handhabbar sind. Morphologie-bildende Additive sind bei vakuumprozessierten organischen photovoltaischen Elementen bisher kaum bekannt, als eines der wenigen Beispiele sind Kronenether bekannt, die als Additive dazu eingesetzt werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Additive zur Verbesserung der Morphologie, insbesondere der Nanomorphologie und/oder der Nanophasenseparation, von photoaktiven Schichten, insbesondere von im Vakuum prozessierten photoaktiven Schichten, sind allerdings nicht zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, ein elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, und eine Verwendung eines solchen Schichtsystems bereitzustellen, wobei die zuvor genannten Nachteile nicht auftreten. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Nanomorphologie und/oder eine verbesserte Nanophasenseparation in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer Elektrode, einer Gegenelektrode und mindestens einer photoaktiven Schicht bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Flüssigkristall-Additiv aufweist, wobei das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest weitgehend homogen verteilt vorliegt, so dass bevorzugt die Nanomorphologie der mindestens einen photoaktiven Schicht verbessert wird.
Vorzugsweise wird also mindestens ein Flüssigkristall als Additive in einer Absorberschicht eines elektronischen Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, bereitgestellt.
Unter dem Begriff "photoaktiv" wird insbesondere eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Dabei weisen Absorbermaterialien in photoaktiven Schichten einen großen Absorptionskoeffizienten zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich auf. Vorzugsweise wird unter photoaktiv verstanden, dass Absorbermaterialien, insbesondere mindestens ein Donor und/oder mindestens ein Akzeptor, unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.
Unter einer photoaktiven Schicht wird insbesondere eine Schicht eines elektronischen Bauelements verstanden, die einen Beitrag zur Absorption von Strahlung und/oder zur Emission von Strahlung liefert, insbesondere absorbiert die photoaktive Schicht Strahlung. Vorzugsweise ist die photoaktive Schicht für einen Donor/Akzeptor-Heteroübergang (heterojunction) ausgebildet.
Unter dem Begriff „homogen" wird insbesondere eine zumindest weitgehend gleiche Verteilung des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs über die gesamte Ausdehnung der mindestens einen photoaktiven Schicht verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht ein Absorbermaterial auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht als Absorbermaterial ein Donor-Akzeptor-System auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Flüssigkristall-Additiv in mindestens eine photoaktive Schicht als Additiv eingebracht, wobei das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv als weitere Komponente zumindest weitgehend in der mindestens einen photoaktiven Schicht homogen verteilt ist, insbesondere homogen in einem Absorbermaterial oder einer Mischschicht aus einem Donor-Akzeptor-System. Durch eine bessere Durchmischung von Donor und Akzeptor können dabei mehr Exzitonen eine trennende Grenzfläche erreichen, in Ladungsträger getrennt werden, und so zum Stromfluss und einem höheren Wirkungsgrad beitragen.
Unter einem Flüssigkristall-Additiv gemäß der vorliegenden Anmeldung wird insbesondere ein Flüssigkristall (liquid crystal, LC) verstanden, also eine Verbindung, die abhängig von äußeren Parametern wie Temperatur oder Konzentration flüssige physikalische Eigenschaften aufweist, andererseits aber auch richtungsabhängige (anisotrope) physikalische Eigenschaften aufweist, wie ein Kristall. Diese Phasen, die auch als Mesophasen bezeichnet werden, sind als thermotrope Mesophasen (smektisch, nematisch, und kolumnar), sowie als lyotrope Mesophasen bekannt. Ein Flüssigkristall-Additiv zeigt insbesondere eine bestimmte Orientierung und eine bestimmte Beweglichkeit auf molekularer, supramolekularer oder makroskopischer Ebene. Insbesondere ist ein Flüssigkristall-Additiv im Sinne der vorliegenden Erfindung im Vakuum durch Temperaturzufuhr verdampfbar, wobei sich das Flüssigkristall-Additiv nicht oder zumindest im Wesentlichen nicht zersetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Flüssigkristall-Additiv selbst im Wesentlichen kein Absorber, insbesondere kein Donor und/oder kein Akzeptor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht mit kleinen Molekülen als Absorbermaterial und dem mindestens einen Flüssigkristall-Additiv auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht mit kleinen Molekülen als mindestens ein Donor, kleinen Molekülen als mindestens ein Akzeptor und dem mindestens einen Flüssigkristall- Additiv auf, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden.
Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung 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. Vorzugsweise sind die kleinen Moleküle photoaktiv.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv gleichzeitig als weitere Komponente neben einem Absorbermaterial oder einem Donor-Akzeptor- System beim Vakuumprozessieren durch Co-Verdampfen eingebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht kein Lösungsmittel auf, insbesondere kein organisches Lösungsmittel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv derart ausgebildet, dass es die Kristallisationsneigung des Donors und/oder des Akzeptors beeinflusst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv im Vakuum-verdampfbar, bevorzugt im Vakuum prozessierbar, wobei sich das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv nicht oder zumindest weitgehend nicht zersetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht polymerisiert vor, bevorzugt sind Moleküle des Flüssigkristall-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht untereinander polymerisiert und/oder sind Moleküle des Flüssigkristall-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht mit einem Absorbermaterial polymerisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv nicht polymerisierbar, bevorzugt weist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv keine polymerisierbare funktionelle Gruppe auf.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird die Nanomorphologie der photoaktiven Schicht, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems, verbessert, insbesondere bei Hochrate-Abscheidung im Vakuum. Vorteilhafterweise wird die Nanophasenseparation in der photoaktiven Schicht, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems, verbessert. Das Flüssigkristall-Additiv wirkt dabei als eine Art molekulares Schmiermittel. Vorteilhafterweise wird der Wirkungsgrad eines elektronischen Bauelements erhöht. Vorteilhafterweise steigt der Füllfaktor FF von organischen photovoltaischen Zellen mit mindestens einem Flüssigkristall- Additiv in der photoaktiven Schicht. Vorteilhafterweise wird die Lebensdauer eines elektronischen Bauelements verbessert. Vorteilhafterweise wird die Temperatur zum Abscheiden von Absorbermaterialien, insbesondere des Donor-Akzeptor-Systems, im Vakuum gesenkt. Vorteilhafterweise wird der Verlust an Ordnung in einer photoaktiven Schicht verringert. Vorteilhafterweise trägt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer besseren Ladungstrennung, einem erhöhten Ladungstransport, einem erhöhten Füllfaktor FF, und/oder einer erhöhten LeerlaufSpannung Voc bei. Vorteilhafterweise sind vakuumprozessierte elektronische Bauelemente, insbesondere Solarzellen, bei einer deutlich geringeren Substrattemperatur herstellbar. Vorteilhafterweise sind vakuumprozessierte elektronische Bauelemente, insbesondere Solarzellen, bei einer deutlich höheren Abscheiderate herstellbar, und können dadurch insbesondere schneller hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verbessert das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv gleichzeitig den Ladungstransport innerhalb der photoaktiven Schicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verhindert das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zumindest teilweise eine Kristallisation des Absorbermaterials, bevorzugt des Donors und/oder des Akzeptors.
Unter einer teilweisen Kristallisation wird insbesondere die Bildung molekular geordneter Bereiche mit kleinen Kristalliten in Kristallgrößen im Bereich von etwa 3 nm bis etwa 30 nm verstanden. Diese Kristallite können aus molekular reinen oder molekular gemischten Bereichen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Flüssigkristall-Additiv derart ausgebildet, dass die Kristallisation von Donor- und/oder Akzeptormaterial verbessert wird. In diesem Fall sorgt das Flüssigkristall-Additiv für eine Phasentrennung und verbessert damit den Ladungstransport in den einzelnen Phasen. Die verbesserte Phasentrennung kann unter anderem anhand eines verringerten Photolumineszenz-Signals der 3- fach Mischschicht gegenüber der ohne Flüssigkristall-Additiv nachgewiesen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Flüssigkristall-Additiv derart ausgebildet, dass das Flüssigkristall-Additiv einen Mindest-Abstand zwischen dem Akzeptor und dem Donor einstellt, wobei bevorzugt das Flüssigkristall-Additiv gleichzeitig zu einer Phasenseparation des Akzeptors und des Donors beiträgt. Dadurch wird insbesondere eine Orientierung des Donors und des Akzeptors zueinander in einem Donor-Akzeptor-System eingestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht eine Mischung aus mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, oder bevorzugt einer Vielzahl an Flüssigkristall-Additiven auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht eine Mischschicht aus mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ist, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden, und wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer Phasenseparation des mindestens einen Akzeptors und des mindestens einen Donors beiträgt, und/oder wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer verstärkten Molekülorientierung und/oder teilweisen Kristallisation des mindestens einen Akzeptors und/oder des mindestens einen Donors beiträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten auf. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das einfallende Licht mehrere photoaktive Schichten innerhalb des Schichtsystems passiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anteil des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs in der photoaktiven Schicht weniger als 30 Gew.% beträgt, bevorzugt weniger als 10 Gew.%, bevorzugt weniger als 5 Gew.%, oder bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2 Gew.% liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Anteil des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs in der photoaktiven Schicht in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 30 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 20 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 10 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 5 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 3 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Gew.% bis 1 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 Gew.% bis 10 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 Gew.% bis 5 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 Gew.% bis 2 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 1 Gew.% bis 5 Gew.%, oder bevorzugt in einem Bereich von 1 Gew.% bis 2 Gew.%.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht eine Absorberschicht ist, und/oder der mindestens eine Donor und/oder der mindestens eine Akzeptor ein organisches Material aus kleinen Molekülen ist, wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht mittels Vakuumprozessierung aufgetragen ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Moleküle des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs stäbchenförmig ausgebildet sind, wobei die stäbchenförmigen Moleküle ein polares und ein unpolares Ende aufweisen, oder die stäbchenförmigen Moleküle bipolar ausgebildet sind, und/oder das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv im Volumen nematische, smektische oder cholesterische Mesophasen bildet, bevorzugt nematische oder smektische Mesophasen. Die stäbchenförmigen Moleküle mit einem polaren und einem unpolaren Ende sorgen insbesondere für ein Ordnungsmoment in der photoaktiven Schicht, insbesondere in der Anordnung des mindestens einen Absorbermaterials bzw. des Donor-Akzeptor-Systems.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
wobei die Phenylringe jeweils durch heterocyclische fünf-Ringe und sechs-Ringe substituiert sein können, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Pyrrol, Furan, Oxazol, Thiazol, Oxadiazol, Thiadiazol, Triazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Benzothiophene, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzothiophen, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzoxazol, Benzothiazol,
Thienothiophene, Thienopyrrol, Thienofuran, 3-6 annelierte Heterocyclen, Dithienothiophen, Dithienopyrrol, Dithienobenzol, Dithienocyclopentadiene, und Dipyrrolobenzol. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Phenylringe jeweils durch nicht oder nicht vollständig konjugierte sechs-Ringe substituiert, bevorzugt Cyclohexan oder Cyclohexen. Die Flüssigkristall-Additive zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Alkanketten aufweisen, die die Morphologie des Absorbermaterials bzw. des Donor-Akzeptor-Systems in einer photoaktiven Schicht beeinflussen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
wobei die Phenylringe jeweils durch heterocyclische fünf-Ringe und sechs-Ringe substituiert sein können, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Pyrrol, Furan, Oxazol, Thiazol, Oxadiazol, Thiadiazol, Triazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Benzothiophene, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzothiophen, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzoxazol, Benzothiazol, Thienothiophene, Thienopyrrol, Thienofuran, 3-6 annelierte Heterocyclen, Dithienothiophen, Dithienopyrrol, Dithienobenzol, Dithienocyclopentadiene, und Dipyrrolobenzol. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Phenylringe jeweils durch nicht oder nicht vollständig konjugierte sechs-Ringe substituiert, bevorzugt Cyclohexan oder Cyclohexen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv eine Alkankette von mindestens 4 C-Atomen auf, bevorzugt mindestens 5 C-Atomen, bevorzugt mindestens 6 C-Atomen, bevorzugt mindestens 7 C-Atomen, oder bevorzugt mindestens 8 C-Atomen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv mindestens drei benachbarte Phenylringe auf, bevorzugt mindestens 4 benachbarte Phenylringe. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ein Sauerstoff- Atom auf, welches mittels Einfachbindung direkt an einen der Phenylringe gebunden ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass m = 4 bis 15 ist, bevorzugt ist m = 8 bis 12, und/oder ist n = 2 oder 3, bevorzugt ist n = 2.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ein Energieniveau aufweist, bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors, und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors. Die Differenz von HOMO und LUMO des Flüssigkristall-Additivs ist insbesondere größer als oder mindestens gleich groß wie die Differenz zwischen dem HOMO des Donors und dem LUMO des Akzeptors.
Die Begriffe „HOMO" (highest occupied molecular orbital) und „LUMO" (lowest unoccupied molecular orbital) beziehen sich dabei sowohl auf einzelne Moleküle als auch auf Festkörper bzw. Materialfilme. Die Bestimmung der Energielagen von HOMO und LUMO kann dabei beispielsweise über Cyclo-Voltametrie (CV) oder Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Donor- Akzeptor-System und/oder das mindestens eine Flüssigkristall- Additiv mindestens einer photoaktiven Schicht im Vakuum prozessiert, also im Vakuum auf eine Schicht des Schichtsystems aufgetragen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein elektronisches Bauelement mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, wobei das elektronische Bauelement ein organisches photovoltaisches Element, insbesondere eine organische Solarzelle, ein OFET, oder ein organischer Fotodetektor ist. Dabei ergeben sich für das elektronische Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Schichtsystem erläutert wurden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein organisches optoelektronisches Bauelement.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der Gegenelektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest eine Transportschicht angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die mindestens eine photoaktive Schicht an mindestens eine Transportschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schichtsystem als eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin- Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip- Tandemzelle oder nip- Mehrfachzelle ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das elektronische Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinandergestapelt sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv in einem elektronischen Bauelement, bevorzugt in einem organischen photovoltaischen Element, einem OFET, oder einem organischen Fotodetektor, bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Verwendung des Schichtsystems mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv in einem elektronischen Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Schichtsystem und dem elektronischen Bauelement erläutert wurden.
Es konnte in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen insbesondere aufgezeigt werden, dass mindestens ein erfindungsgemäßes Flüssigkristall-Additiv in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems eines elektronischen Bauelements überraschenderweise dazu führt, dass eine geringere Substrattemperatur benötigt wird, um den gleichen Wirkungsgrad (power conversion efficiency, PCE) zu erzielen im Vergleich zu einer entsprechenden photoaktiven Schicht ohne einem solchen Flüssigkristall-Additiv. Des Weiteren wurde aufgezeigt, dass bei Hochrate-Abscheidung einer photoaktiven Schicht 5 im Vergleich zu einer Abscheidung bei Normalrate ein nahezu gleicher Wirkungsgrad (PCE) erreicht wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Die Verbindungen Absorber1, Absorber2 und Absorber3 sind jeweils Absorber aus der Klasse der kleinen Moleküle. Dabei zeigt
Fig. 1 in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems eines elektronischen Bauelements;
Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 bei Standardtemperatur in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 2B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall- Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht (Fig. 2A);
Fig. 3 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 bei Standardtemperatur in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 3B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall- Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht (Fig. 3A), jeweils bei einer 10-fach höheren Beschichtungsrate im Vergleich zu Fig.
2;
Fig. 4 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 bei Standardtemperatur in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 4B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall- Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht (Fig. 4A), mit einem höheren Anteil des Flüssigkristall-Additivs im Vergleich zu Fig. 2;
Fig. 5 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 5B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) in der photoaktiven Schicht (Fig. 5A);
Fig. 6 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 6B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) in der photoaktiven Schicht (Fig. 6A) unter thermischer Belastung im Vergleich zu Fig. 5;
Fig. 7 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 7B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 5CT (22) in der photoaktiven Schicht (Fig. 7A), jeweils bei abgesenkter Substrattemperatur;
Fig. 8 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 8B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 9CT (26) in der photoaktiven Schicht (Fig. 8A) bei normaler Substrattemperatur; Fig. 9 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 9B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10BACB (32) in der photoaktiven Schicht (Fig. 9A) bei abgesenkter Substrattemperatur;
Fig. 10 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 10B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv CB7CB in der photoaktiven Schicht (Fig. 10A) bei abgesenkter Substrattemperatur;
Fig. 11 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber2:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 11B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit einem Donor- Akzeptor-System 120CB (18) und einem Flüssigkristall-Additiv in der photoaktiven Schicht (Fig. 11A) bei abgesenkter Substrattemperatur; und
Fig. 12 in einem Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber3:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 12C), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor- Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht bei leicht abgesenkter Substrattemperatur (Fig. 12B) und bei stärker abgesenkter Substrattemperatur (Fig. 12A).
Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems 1 eines elektronischen Bauelements.
Das Schichtsystem 1 für ein organisches elektronisches Bauelement, weist ein Substrat 2, eine Elektrode 3, eine Gegenelektrode 7 und mindestens eine photoaktive Schicht 5 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 zwischen der Elektrode 3 und der Gegenelektrode 7 angeordnet ist. Die mindestens eine photoaktive Schicht 5 weist mindestens ein Flüssigkristall-Additiv auf, wobei das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 zumindest weitgehend homogen verteilt vorliegt, so dass bevorzugt die Nanomorphologie der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 verbessert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine photoaktive Schicht 5 eine Mischschicht aus mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden, und wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer Phasenseparation des mindestens einen Akzeptors und des mindestens einen Donors beiträgt, und/oder wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer verstärkten Molekülorientierung und/oder teilweisen Kristallisation des mindestens einen Akzeptors und/oder des mindestens einen Donors beiträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs in der photoaktiven Schicht 5 weniger als 30 Gew.%, bevorzugt weniger als 10 Gew.%, bevorzugt weniger als 5 Gew.%, oder liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2 Gew.%.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine photoaktive Schicht 5 eine Absorberschicht, und/oder ist der mindestens eine Donor und/oder der mindestens eine Akzeptor ein organisches Material aus kleinen Molekülen, wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht 5 mittels Vakuumprozessierung aufgetragen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Moleküle des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs stäbchenförmig ausgebildet, wobei die stäbchenförmigen Moleküle ein polares und ein unpolares Ende aufweisen, oder die stäbchenförmigen Moleküle bipolar ausgebildet sind, und/oder bildet das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv im Volumen nematische, smektische oder cholesterische Mesophasen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
wobei die Phenylringe jeweils durch heterocyclische fünf-Ringe und sechs-Ringe substituiert sein können, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Pyrrol, Furan, Oxazol, Thiazol, Oxadiazol, Thiadiazol, Triazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Benzothiophene, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzothiophen, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzoxazol, Benzothiazol,
Thienothiophene, Thienopyrrol, Thienofuran, 3-6 annelierte Heterocyclen, Dithienothiophen, Dithienopyrrol, Dithienobenzol, Dithienocyclopentadiene, und Dipyrrolobenzol. Die Phenylringe können dabei jeweils durch nicht, oder nicht vollständig, konjugierte sechs-Ringe, bevorzugt Cyclohexan oder Cyclohexen, substituiert sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist m = 4 bis 15, bevorzugt ist m = 8 bis 12, und/oder ist n = 2 oder 3, bevorzugt ist n = 2.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
Bei Experimenten zur Verdampfung dieser Flüssigkristall-Additive wurde gezeigt, dass diese Verbindungen, insbesondere auch mit langen Alkanketten und eines oft geringen Schmelzpunktes, im Vakuum verdampfbar sind, wobei diese dabei zumindest weitgehend stabil sind. Die erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Additive sind daher in vakuumprozessierten organischen photovoltaischen Elementen einsetzbar, insbesondere als strukturbildende Additive in einer photoaktiven Schicht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv ein Energieniveau auf, bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors, und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors.
In einem Ausführungsbeispiel ist das elektronische Bauelement mit dem Schichtsystem 1 eine organische Solarzelle. Das Schichtsystem 1 ist dabei auf einem transparenten Substrat 2 angeordnet, welches vorzugsweise flexibel ausgeführt ist, insbesondere als Folie. Auf dem Substrat 2 ist eine Elektrode 3 angeordnet, welche beispielsweise aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder anderen TCOs oder einem leitfähigen Polymer, wie etwa PEDOT:PSS oder PANI ausgebildet ist. Auf der Elektrode 3 ist eine Ladungsträgertransportschicht 4 angeordnet, welche beispielsweise als Elektronen- oder Löchertransportschicht ausgebildet ist. Auf der Ladungsträgertransportschicht 4 ist die photoaktive Schicht 5 angeordnet, welche zumindest ein Donor- und ein Akzeptormaterial umfasst, welche zusammen ein Donor-Akzeptor- System ausbilden. Zudem umfasst die photoaktive Schicht ein Flüssigkristall-Additiv in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Auf der photoaktiven Schicht 5 ist eine weitere Ladungsträgertransportschicht 6 angeordnet. Diese
Ladungsträgertransportschicht 6 ist ebenfalls als Elektronen- oder Löchertransportschicht ausgebildet. Auf der Ladungsträgertransportschicht 6 ist die Gegenelektrode 7 angeordnet, welche beispielsweise aus einem Metall, wie etwa Al ausgebildet ist.
Das Schichtsystem 1 kann durch Co-Verdampfen des Absorbermaterials und des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs hergestellt werden.
Das Schichtsystems 1 mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv ist insbesondere zur Verwendung in einem elektronischen Bauelement, bevorzugt in einem organischen photovoltaischen Element, einem OFET, oder einem organischen Fotodetektor.
Das elektronische Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1 mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv ist insbesondere ein organisches photovoltaisches Element, insbesondere eine organische Solarzelle, ein OFET, oder ein organischer Fotodetektor.
Im Folgenden sind anhand von Mip-Zellen Ausführungsbeispiele von Schichtsystemen 1 mit Flüssigkristall-Additiven in photoaktiven Schichten 5 dargestellt. Zahlreiche erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Zellen wurden hinsichtlich des Wirkungsgrads (PCE) und der Lebensdauer charakterisiert.
Fig. 2 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 bei Standardtemperatur in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 2B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 2A).
In Fig. 2 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16, EA044) (20nm,30nm; 1:1:0,1) (Fig. 2A; sample 4018N) und ohne Flüssigkristall-Additiv (20nm,30nm; 1:1) (Fig. 2B; sample 4016N), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 20 nm und 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 70°C. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall-Additivs 10OCB (16). Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor.
Der Füllfaktor FF und der Kurzschlussstrom Jsc(mM) steigen durch das Beimischen des Flüssigkristall-Additivs, wodurch eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 6,1% (20nm Zelle) bzw.
10,6% (30nm Zelle) erreicht wird. Aus dem Vergleich der
Füllfaktoren FF und des Wirkungsgrads (PCE) lässt sich ablesen, dass die Zugabe des Flüssigkristall-Additivs einen wesentlichen Einfluss auf den erzeugten Strom hat.
Fig. 3 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 bei Standardtemperatur in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 3B), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 3A), jeweils bei einer 10-fach höheren Beschichtungsrate im Vergleich zu Fig. 2.
In Fig. 3 sind die Strom-Spannungskennlinien der Zellen mit Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) (30nm,40nm; 1:1:0,1) (Fig. 3A; sample 4602N) und ohne Flüssigkristall-Additiv (30nm,40nm; 1:1) (Fig. 3B; sample 4598N) dargestellt, wobei die Beschichtungsrate bei 2A/s statt bei 0,2 A/s im Vergleich zu Fig. 2 lag.
Der Füllfaktor FF steigt durch die Beimischung des
Flüssigkristall-Additivs signifikant von 56% auf 68% (30nm Zelle), und der Kurzschlussstrom Jsc(mM) steigt von 10,7 mA/cm2 auf 11,1 mA/cm2, wobei die LeerlaufSpannung Voc konstant bleibt. Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 24% (30nm Zelle) bzw. 65% (40nm Zelle) erreicht. Aus dem Vergleich der Füllfaktoren
FF und des Wirkungsgrads (PCE) lässt sich ablesen, dass das Flüssigkristall-Additiv 10OCB den durch die Hochrate erzeugten Effizienzverlust kompensiert und zu einem hohen Wirkungsgrad (PCE) beiträgt. Fig. 4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 4B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 4A), mit einem höheren Anteil des Flüssigkristall-Additivs im Vergleich zu Fig. 2.
In Fig. 4 sind die Strom-Spannungskennlinien der Zellen mit Flüssigkristall-Additiv 10OCB (16) (30nm,50nm; 1:1:0,2) (Fig. 4A; sample 4304N) und ohne Flüssigkristall-Additiv (30nm,50nm; 1:1) (Fig. 4B; sample 4303N) dargestellt, wobei Anteil des Flüssigkristall-Additivs doppelt so hoch ist im Vergleich zu Fig. 2. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 50°C.
Der Füllfaktor FF steigt durch den höheren Anteil des Flüssigkristall-Additivs signifikant von 59,1% auf 69,8% (30nm
Zelle). Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 7,4% (30nm Zelle) bzw. 28,3% (50nm Zelle) erreicht.
Fig. 5 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 5B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 5A).
In Fig. 5 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 120CB (18, EA046) (20nm,30nm; 1:1:0,1) (Fig. 5A; sample 4212N) und ohne Flüssigkristall-Additiv (20nm,30nm; 1:1) (Fig. 5B; sample 4211N), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 20 nm und 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 50°C. Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung der Verbindung (18).
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen der Verbindung (18) in die photoaktive Schicht 5 bedingter Anstieg des Füllfaktors FF von 59,4% auf 69,2% (30nm Zelle) im Vergleich zur Zelle ohne
Flüssigkristall-Additiv 120CB (18). Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 19% (30nm Zelle) erreicht.
Fig. 6 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 6B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 6A) unter thermischer Belastung im Vergleich zu Fig. 5.
Zur Untersuchung der thermischen Robustheit das Schichtsystems 1 mit der photoaktiven Schicht 5 mit Flüssigkristall-Additiv im Vergleich zu der entsprechenden photoaktiven Schicht 5 ohne Flüssigkristall-Additiv wurde die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 gemäß Fig. 5 gemessen. Dazu wurden ein Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit dem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) (Fig. 6A; sample 4212N) und ohne ein Flüssigkristall-Additiv (Fig. 6B; sample 4211N) nach Tempern über lh bei 80°C gemessen.
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs 120CB (18) bedingter Anstieg des Füllfaktors FF auf 71,7% (30nm Zelle) von 65% im Vergleich zu einem entsprechenden Schichtsystem 1 ohne Flüssigkristall-Additiv, und von 69,2% im Vergleich zu Fig. 5. Es zeigt sich, dass der Effizienzvorteil durch das Flüssigkristall-Additiv auch bei thermischer Belastung bestehen bleibt, beispielsweise durch Annealing. Die der thermischen Belastung ausgesetzten Proben mit Additiv sind weiterhin besser als die Referenzproben ohne Additiv.
Fig. 7 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 7B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 5CT (22) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 7A), jeweils bei abgesenkter Substrattemperatur.
In Fig. 7 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 5CT (22, EA042)
(20nm,30nm; 1:1:0,1) (Fig. 7A; sample 4603N) und ohne Flüssigkristall-Additiv (20nm,30nm; 1:1) (Fig. 7B; sample 4604N), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 20 nm und 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 50°C. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall-Additivs 5CT (22). Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor.
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs 5CT (22) in die photoaktive Schicht 5 bedingter Anstieg des Füllfaktors FF von 56,4% auf 68,3% (30nm Zelle) im Vergleich zu einer Zelle ohne Flüssigkristall-Additiv. Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 6% (20nm Zelle) bzw. 15%
(30nm Zelle) erreicht. Der Wirkungsgrad eines organischen photovoltaischen Elements mit BHJ-Zellen kann durch eine photoaktive Schicht 5 eines Schichtsystems 1 mit einem Anteil eines Flüssigkristall-Additivs in dem Donor-Akzeptor-System erhöht werden.
Fig. 8 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 8B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 9CT (26) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 8A) bei normaler Substrattemperatur.
In Fig. 8 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 9CT (26, EA045)
(20nm,30nm; 1:1:0,1) (Fig. 8A; sample 4109T) und ohne Flüssigkristall-Additiv (20nm,30nm; 1:1) (Fig. 8B; sample 4105T), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 20 nm und 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 70°C. Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall-Additivs 9CT (26).
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs 9CT (26) in die photoaktive Schicht 5 bedingter Anstieg des Füllfaktors FF von 67,3% auf 69,7% (30nm Zelle) im Vergleich zu einer Zelle ohne Flüssigkristall-Additiv. Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads (PCE) um 5% (30nm Zelle) erreicht.
Fig. 9 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 9B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 10BACB (32) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 9A) bei abgesenkter Substrattemperatur.
In Fig. 9 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 10BACB (32, EA048) (30nm;
1:1:0,2) (Fig. 9A; sample 4449T) und ohne Flüssigkristall-Additiv (30nm; 1:1) (Fig. 9B; sample 4445T), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 40°C. Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall- Additivs 10BACB (32).
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs 10BACB (32) bedingter Anstieg des Füllfaktors FF von 57,0% auf 61,9%, die Leerlaufspannung steigt minimal von 0,86 V auf 0,87 V, und der Kurzschlussstrom Jsc(mM) sinkt lediglich um 0,2mA/cm2. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads (PCE) um 3%.
Fig. 10 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 10B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv CB7CB (37) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 10A) bei abgesenkter Substrattemperatur.
In Fig. 10 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber1:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv CB7CB (37, EA047) (30nm;
1:1:0,2) (Fig. 10A; sample 4447T) und ohne Flüssigkristall-Additiv (30nm; 1:1) (Fig. 10B; sample 4445T), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 40°C. Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall- Additivs CB7CB (37).
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs CB7CB (37) bedingter Anstieg des Füllfaktors FF um ca. 5% von 57,0% auf 62,1%, während die Leerlaufspannung Voc gleich bleibt, und der Kurzschlussstrom nur um 0,1mA/cm2 sinkt. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads (PCE) um 3%.
Fig. 11 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber2:C60 in einer photoaktiven Schicht 5 eines Schichtsystems 1 (Fig. 11B), und eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) in der photoaktiven Schicht 5 (Fig. 11A) bei abgesenkter Substrattemperatur.
In Fig. 11 sind die Strom-Spannungskennlinien eines elektronischen Bauelements mit einem Schichtsystem 1 mit einer photoaktiven Schicht 5 mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber2:C60 dargestellt, mit Flüssigkristall-Additiv 120CB (18) (30nm;
3:2:0,1) (Fig. 11A; sample 4223T) und ohne Flüssigkristall-Additiv (30nm; 3:2) (Fig. 11B; sample 4221T), wobei die photoaktive Schicht 5 eine Schichtdicke von 30 nm aufweist. Die Abscheidung der photoaktiven Schicht 5 erfolgte durch Prozessieren im Vakuum bei einer Substrattemperatur von 40°C. Das Flüssigkristall-Additiv liegt zumindest weitgehend homogen in der photoaktiven Schicht 5 verteilt vor. Die photoaktive Schicht 5 des Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Flüssigkristall- Additivs 120CB (18).
Dabei zeigt sich ein durch das Beimischen des Flüssigkristall- Additivs 120CB (18) bedingter Anstieg des Füllfaktors FF von 64,5% auf 70,8%. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads (PCE) um 4,3% (20nm Zelle) bzw. 2,4% (30nm Zelle).
Durch homogenes Beimischen des Flüssigkristall-Additivs 120CB (18) in die photoaktive Schicht 5 kann somit trotz geringerer Substrattemperaturen ein ähnlicher Füllfaktor im Vergleich zu höheren Substrattemperaturen ohne Flüssigkristall-Additiv erreicht werden. Dadurch können insbesondere vereinfachtere Bedingungen bei der Abscheidung der Materialien der photoaktiven Schicht 5 im Vakuum erreicht werden.
Fig. 12 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Strom- Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit einem Donor-Akzeptor-System Absorber3:C60 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems (Fig. 12C), und eine Strom-Spannungskennlinie eines elektronischen Bauelements mit gleichem Schichtaufbau, jedoch mit dem Donor-Akzeptor-System und einem Flüssigkristall- Additiv 10OCB (16) in der photoaktiven Schicht bei leicht abgesenkter Substrattemperatur (Fig. 12B) und bei stärker abgesenkter Substrattemperatur (Fig. 12A).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden Lesker-Proben mit einem n-i-p Schichtaufbau, d.h. mit n-Dotierung am ITO Interface, gemessen (nicht abgebildet). Folgender Schichtaufbau kam dabei zum Einsatz:
Stapel: ITO / n-C60 /C60 / Donor:Akzeptor:Additiv (30nm)/ HTL / p- HTL / MoOx / Al Die photoaktiven Schichten 5 sind Donor:Akzeptor:Additiv Mischschichten mit Absorber1:C60 in einem 1:1:X-Gemisch (X = Anteil des Flüssigkristall-Additivs), siehe Tabelle 1. Das
Schichtwachstum der Absorber1:C60 Donor-Akzeptor Mischschicht wurde bei einer Substrattemperatur von Tsubstrat = 50°C durchgeführt.
Tabelle 1
Tabelle 1: Zellen Parameter in Abhängigkeit des beigemischten Flüssigkristall-Additivs im Vergleich zu einer Referenz ohne Flüssigkristall-Additiv. Die Daten resultieren aus einem Median über jeweils 12 Proben.
Die Beimischung von 10OCB (16) als Flüssigkristall-Additiv führt zu einer Steigerung der Effizienz von 23rel% bis 25rel%, bedingt durch eine deutliche Verbesserung des Füllfaktors FF und der Stromdichte.
Die Beimischung von 120CB (18) als Flüssigkristall-Additiv führt zu einer Steigerung der Effizienz bei einem Anteil von 0,1 von 18rel%, bedingt durch eine Steigerung des Füllfaktors FF.
Die Beimischung von 5CT (22) als Flüssigkristall-Additiv führt zu einer Verbesserung der Effizienz bei einem Anteil von 0,1 von 21%, und bei einem Anteil von 0,2 Anteil von 27%. In beiden Fällen wird die Stromdichte erhöht.
Die Beimischung von 9CT (26) als Flüssigkristall-Additiv führt bei einem Anteil von 0,1 und 0,2 zu einer Steigerung der Effizienz um 17%, bedingt durch Erhöhung von Füllfaktor FF und Stromdichte. Die Verbesserung der Nanomorphologie wirkt sich positiv auf die Effizienz aus. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden für die in Tabelle 1 gelisteten Lesker-Proben Lebensdauer-Daten gemessen. Die Lesker- Proben wurden dabei über 3000h in einem Ofen bei 85°C gelagert.
Für alle vier getesteten Materialkombinationen ergibt sich auch nach dem Stabilitätstest über 3000h bei 85°C ein Effizienzvorteil (siehe Tabelle 2). Zwar werden auch Zellen ohne Flüssigkristall- Additiv besser, aber bei weitem nicht so gut im Vergleich zu Zellen mit Flüssigkristall-Additiv. Dies liegt insbesondere an anfänglichen Änderungen der Morphologie in dem Schichtsystem durch den hohen Temperatureintrag von 85°C während des Stabilitätstests. Dieser Effekt kehrt sich allerdings im Laufe der Zeit wieder um.
Tabelle 2

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem 1 für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer Elektrode 3, einer Gegenelektrode 7 und mindestens einer photoaktiven Schicht 5, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 zwischen der Elektrode 3 und der Gegenelektrode 7 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Schicht 5 mindestens ein Flüssigkristall-Additiv aufweist, wobei das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 durch Einbringen des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs gleichzeitig als weitere Komponente neben einem Absorbermaterial oder einem Donor-Akzeptor- System beim Vakuumprozessieren durch Co-Verdampfen zumindest weitgehend homogen verteilt vorliegt, so dass bevorzugt die Nanomorphologie der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 verbessert wird.
2. Schichtsystem 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Schicht 5 eine Mischschicht aus mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ist, wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden, und wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer Phasenseparation des mindestens einen Akzeptors und des mindestens einen Donors beiträgt, und/oder wobei bevorzugt das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv zu einer verstärkten Molekülorientierung und/oder teilweisen Kristallisation des mindestens einen Akzeptors und/oder des mindestens einen Donors beiträgt.
3. Schichtsystem 1 nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs in der photoaktiven Schicht 5 weniger als 30 Gew.% beträgt, bevorzugt weniger als 10 Gew.%, bevorzugt weniger als 5 Gew.%, oder bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2 Gew.% liegt.
4. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Schicht 1 eine Absorberschicht ist, und/oder der mindestens eine Donor und/oder der mindestens eine Akzeptor ein organisches Material aus kleinen Molekülen ist, wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht 5 mittels Vakuumprozessierung aufgetragen ist.
5. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Moleküle des mindestens einen Flüssigkristall-Additivs stäbchenförmig ausgebildet sind, wobei die stäbchenförmigen Moleküle ein polares und ein unpolares Ende aufweisen, oder die stäbchenförmigen Moleküle bipolar ausgebildet sind, und/oder das mindestens eine Flüssigkristall-Additiv im Volumen nematische, smektische oder cholesterische Mesophasen bildet.
6. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flüssigkristall- Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
wobei die Phenylringe jeweils durch heterocyclische fünf-Ringe und sechs-Ringe substituiert sein können, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Pyrrol, Furan, Oxazol, Thiazol, Oxadiazol, Thiadiazol, Triazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Benzothiophene, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzothiophen, Benzopyrrol, Benzofuran, Benzoxazol, Benzothiazol,
Thienothiophene, Thienopyrrol, Thienofuran, 3-6 annelierte Heterocyclen, Dithienothiophen, Dithienopyrrol, Dithienobenzol, Dithienocyclopentadiene, und Dipyrrolobenzol, wobei die Phenylringe jeweils durch nicht, oder nicht vollständig, konjugierte sechs-Ringe, bevorzugt Cyclohexan oder Cyclohexen, substituiert sein können.
7. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m = 4 bis 15 ist, bevorzugt ist m = 8 bis 12, und/oder ist n = 2 oder 3, bevorzugt ist n = 2.
8. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flüssigkristall- Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
9. Schichtsystem 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flüssigkristall- Additiv ein Energieniveau aufweist, bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors, und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist, bevorzugt mindestens 0,3 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors.
10. Elektronisches Bauelement mit einem Schichtsystem 1 mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektronische Bauelement ein organisches photovoltaisches Element, insbesondere eine organische Solarzelle, ein OFET, oder ein organischer Fotodetektor ist.
11. Verwendung eines Schichtsystems 1 mit mindestens einem Flüssigkristall-Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem elektronischen Bauelement, bevorzugt in einem organischen photovoltaischen Element, einem OFET, oder einem organischen Fotodetektor.
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