WO1998021764A1 - Strahlungsdetektor - Google Patents

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WO1998021764A1
WO1998021764A1 PCT/EP1997/006050 EP9706050W WO9821764A1 WO 1998021764 A1 WO1998021764 A1 WO 1998021764A1 EP 9706050 W EP9706050 W EP 9706050W WO 9821764 A1 WO9821764 A1 WO 9821764A1
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WO
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hole conductor
detector according
formula
conductor material
semiconductor
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PCT/EP1997/006050
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Inventor
Josef Salbeck
Michael GRÄTZEL
Original Assignee
Aventis Research & Technologies Gmbh & Co Kg
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to an optoelectric detector for determining the occurrence and wavelength of short-wave electromagnetic radiation.
  • Such detectors are preferably used where the occurrence and the wavelength of short-wave electromagnetic radiation, in particular UV and X-rays, are to be determined, the UV radiation preferably in the range between 1 90 and 450 nm, particularly preferably between 200 and 420 nm, very particularly preferably between 250 and 400 nm.
  • DE-A 43 06 407 describes a detector for checking the Described wavelength range of electromagnetic radiation, which has a photoactive layer, which is made of titanium dioxide with a high porosity.
  • a liquid electrolyte as a charge transport medium and a dye are embedded in the photoactive layer, the dye being selected so that it can be excited by electromagnetic radiation of a defined wavelength.
  • the invention is therefore based on the object of providing a detector with which the occurrence and the wavelength of short-wave electromagnetic radiation can be determined in a simple and precise manner.
  • optoelectronic radiation detectors can also be produced using a hole conductor material as the charge transport layer.
  • An object of the invention is therefore an optoelectronic radiation detector, characterized by a charge transport layer which contains a hole conductor material.
  • the detector according to the invention shows a wide sensitivity.
  • the selective use of certain hole conductors makes it possible to do this selectively
  • Detector 1 shown (not to scale).
  • a semiconductor 12 which preferably has a surface, is applied as an absorbing layer on a conductive carrier 11, which serves as an electrode or contact and consists, for example, of a metal or metal oxide, such as fluorine-doped tin dioxide or indium tin oxide (ITO) with a roughness factor> 1.
  • a charge transport layer 13 which according to the invention contains a hole conductor material. It is delimited on one side by the counter electrode 14, which can consist, for example, of a conductive glass, a conductive coated plastic, a metal, a transparent conductive oxide (TCO) or another conductive, preferably radiation-transmissive material.
  • the detector 1 can be closed at the top and bottom by an insulating layer 15 or 17 (encapsulation).
  • the detector can contain a side closure, not shown in the figure, for example a frame made of an electrically insulating material, such as plastic or glass. At least one side of the detector must be transparent to the short-wave electromagnetic radiation 10 to be detected, so that it can reach the semiconductor.
  • the detector according to the invention also contains devices, not shown in the figure, for measuring the voltages, currents or changes in conductivity that occur, the measurement of the latter two variables being preferred.
  • a hole conductor material in the sense of the invention is a material which can conduct a positive charge, which is caused by the absence of an electron, with mass transport and charge transport being decoupled.
  • electron-rich, preferably organic compounds are suitable which are preferably reversible and can be oxidized. It is generally believed that charge transport in an organic hole conductor material occurs through the formation of radical cations.
  • the oxidation potential is variable over a wide range and can be adapted to the specific energy levels of the semiconductor or sensitizer, for example by selecting suitable structures. It is preferably above the energy level of the ground state of the valence band of the semiconductor and below the energy level of the lowest conduction band and thus generally in the range of the bandwidth of the semiconductor (preferably 100-500 mV above the energy level of the ground state).
  • Hole conductor materials in which no mass transport takes place or in which charge and mass transport are completely decoupled are preferred. Solid, in particular amorphous, hole conductor materials are also preferred.
  • the invention therefore also relates to the use of solid amorphous hole conductor materials for the production of charge transport layers for optoelectronic radiation detectors for the detection of short-wave electromagnetic radiation.
  • the hole conductor layer according to the invention can be prepared amorphously, i.e. is applied in the amorphous state in the detector according to the invention.
  • amorphous is used to describe the state of solids, the molecular building blocks of which are not arranged in crystal lattices but randomly. Unlike in a crystal in which there is a short-range order (ie constant distances to the nearest neighboring atoms) and a long-range order (regular repetition of a basic lattice) between the atoms, there is only a short-range order in the amorphous state.
  • the amorphous substance has no physically excellent direction; it isotropic. All amorphous substances strive for the energetically more favorable crystalline state to different degrees. When X-ray, electron and neutron beams are diffracted, there are no sharp interference rings in the amorphous solid, as in the case of a crystal, but only diffuse interference rings at small diffraction angles (halos).
  • the amorphous state is thus clearly distinguished from the crystalline, liquid or liquid-crystalline state.
  • Hole conductor materials which are soluble in organic solvents and hole conductor materials which can be melted or evaporated are particularly preferred.
  • organic solvents are chloroform, benzene, chlorobenzene, cyclohexanone, toluene, tetrahydrofuran, anisole, cresol, xylene, methyl lactate, methylene chloride, hexane, or other aliphatic, aromatic or alcoholic solvents. It is advantageous for the production of a hole conductor layer according to the invention if the hole conductor material is soluble or meltable in an organic solvent.
  • soluble means a solubility of at least 1.0 g / l at 25 ° C. in an organic or inorganic solvent, preferably in one of the solvents listed above.
  • Hole conductor materials that can diffuse into the pores of a rough semiconductor layer based on their size are furthermore particularly preferred.
  • Hole conductor materials in which the voltage loss across the hole conductor layer when irradiated with short-wave electromagnetic radiation is ⁇ 500 mV, preferably ⁇ 50 mV, particularly preferably ⁇ 20 mV.
  • the hole conductor layer generally has a thickness of 0.1 to 20 ⁇ m, preferably 1 to 15 ⁇ m.
  • the charge carrier mobility of the hole conductor material is preferably at least 10 "5 cm 2 / Vs, in particular 10 " 3 to 10 cm 2 / Vs.
  • Spiro and hetero spiro compounds of the formula (I) are very particularly preferred as hole conductor materials
  • K 1 and K 2 mean independently conjugated systems.
  • Spiro compounds are compounds in which two ring systems are linked by a single, four-bonded atom. This atom is called spiro atom nd ed as in Handbook of Chemistry and Physics 62nd (1981 -2), CRC Press, pp C-23 to C-25 is executed.
  • spiro compound means monomeric and polymeric carbospiro and heterospiro compounds.
  • Preferred compounds of the formula (I) are 9,9'-spirobifluorene derivatives of the formula (II),
  • ⁇ has the meanings given above and where the benzo groups can be independently substituted and / or fused.
  • ⁇ is C, Si, Ge or Sn, preferably C, Si, Ge, particularly preferably C, Si, in particular C,
  • K, L, M, N are the same or different and mean a group of the formulas
  • R the same or different, has the same meanings as K, L, M, N or is hydrogen, a linear or branched alkyl, alkoxy or carboalkoxy group with 1 to 22, preferably 1 to 15, particularly preferably 1 to 12 C.
  • Ar is phenyl, biphenyl, 1-naphthyl, 2-naphthyl, 2-thienyl, 2-furanyl, where each of these groups can carry one or two radicals R; m, n, p are 0, 1, 2 or 3;
  • R 1 and R 2 are hydrogen, a linear or branched alkyl group with 1 to 22 carbon atoms, -Ar or 3-methylphenyl.
  • Preferred compounds of the formula (III) are those of the formula (IIla) - (IIIg)
  • R C r C 22 alkyl, C 2 H 4 SO 3 - Illb)
  • N L and is a group of the formulas:
  • R CC 22 alkyl, C 2 H 4 S0 3 -
  • R C 1 -C 22 alkyl, C 2 H 4 S0 3 -
  • Particularly preferred compounds of the formula (III) are those of the formulas (lilaa) to (llldb):
  • Very particularly preferred spiro compounds are those of the formula (IV)
  • ⁇ is C or Si, preferably C
  • K, L, M and N are identical or different one of the groups G1 to G14:
  • G12 G13 G14 and R 5 , R 6 can also mean the same or different hydrogen or a linear or branched alkyl, alkyloxy or ester group having 1 to 22 carbon atoms, -CN or -N0 2 .
  • Particularly preferred spiro compounds of the formula (IV) are 2,2 ' , 4,4', 7,7 '-Hexakis (biphenylyl) -9,9' -spirobifluorene, 2,2 ' , 4,4 ' , 7,7 ' -Hexakis (terphenylyl) -9.9 ' -spirobifluorene, 2.2 ' , 4.4 ' -Hexakis (biphenylyl) -9.9 ' -spirobi-9-silafluorene and 2.2', 4.4 ' , 7 , 7 '-Hexakis (terphenylyl) -9.9' -spirobi-9-silafluorene.
  • spiro and hetero-spiro compounds used according to the invention are prepared by methods known per se, as described in EP-A 0 676 461 and standard works on organic synthesis, e.g. Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart and in the corresponding volumes of the series "The Chemistry of Heterocyclic Compounds" by A. Weissberger and E. C. Taylor (editors).
  • the preparation takes place under reaction conditions which are known and suitable for the reactions mentioned. Use can also be made here of variants which are known per se and are not mentioned here in detail.
  • Compounds of the formula (purple) can be prepared, for example, from tetrahalogenation in positions 2, 2 ', 7, 7' of 9,9'-spirobifluorene and subsequent substitution reaction (see, for example, US Pat. No. 5,026,894) or by tetraacetylation of the positions 2, 2 ', 7, 7' 9,9'-spirobifluorene with subsequent CC linkage after conversion of the acetyl groups into aldehyde groups or heterocycle formation after conversion of the acetyl groups into carboxylic acid groups.
  • Compounds of the formula (IIIb) can be prepared, for example, analogously to those of the formula purple, the stoichiometric ratios during the reaction being chosen such that the positions 2.2 'or 7.7' are functionalized (see, for example, JH Weisburger , EK Weisburger, FE Ray, J. Am. Chem. Soc. 1 959, 72 4253; FK Sutcliffe, HM Shahidi, D. Paterson, J. Soc. Dyers Color 1978, 94, 306 and G. Haas, V. Prelog , Helv. Chim. Acta 1969, 52 1202).
  • Compounds of the formulas (llle) - (lllg) can be prepared, for example, by choosing suitably substituted starting compounds when constructing spirobifluorene, e.g. 2,7-dibromo-spirobifluorene can be constructed from 2,7-dibromo-fluorenone and 2,7-dicarbethoxy-9,9'-spirobifiuoren by using 2,7-dicarbethoxy-fluorenone. The free 2 ', 7' positions of the spirobifluorene can then be independently substituted further.
  • 2,7-dibromo-spirobifluorene can be constructed from 2,7-dibromo-fluorenone and 2,7-dicarbethoxy-9,9'-spirobifiuoren by using 2,7-dicarbethoxy-fluorenone.
  • the free 2 ', 7' positions of the spirobifluorene can then be independently substituted further.
  • disubstituted pyridines disubstituted pyrazines, disubstituted pyrimidines and disubstituted pyridazines
  • disubstituted pyridines disubstituted pyrazines, disubstituted pyrimidines and disubstituted pyridazines
  • disubstituted pyridines disubstituted pyrazines
  • disubstituted pyrimidines disubstituted pyrimidines
  • disubstituted pyridazines disubstitutedazines
  • Heterospiro compounds of the formula (purple) can be produced, for example, starting from tetrahalogenation in positions 2, 2 ', 7, 7' of the 9,9'-spirobi-9-silafluorene and subsequent substitution reaction, which is known from analogous C-spiro compounds (see, for example, US Pat. No. 5,026,894) or via a tetraacetylation of positions 2, 2 ", 7, 7 'of the 9,9'-spirobi-9-silafluorene with subsequent CC linkage after conversion of the acetyl groups into aldehyde groups or
  • Carboxylic acid groups take place.
  • Compounds of the formula (IIIc) can be prepared, for example, by dibromination in the 2,2'-position with subsequent diacetylation in the 7,7'-position of the 9,9'-spirobi-9-silafluorene and subsequent reaction analogously to that of the compounds (purple).
  • the detector according to the invention preferably contains a semiconductor which preferably has a very large band gap, particularly preferably at least 3.0 eV, very particularly preferably above 3.0 eV.
  • Metal oxide semiconductors in particular the oxides of the transition metals, and of the elements of the third main group and the fourth, fifth and sixth subgroup (of the periodic system of the elements) of titanium, zirconium, hafnium, strontium, zinc, indium, yttrium, are therefore preferably suitable.
  • any other metal oxide with semiconductor properties and a large energy gap (band gap) between the valence band and conduction band can also be used.
  • Titanium dioxide, Nb 2 O 5 and ZnO are particularly preferred as the semiconductor material, and titanium dioxide is very particularly preferred.
  • the semiconductor preferably has a roughness factor of greater than 1, particularly preferably greater than 20, very particularly greater than 150.
  • the roughness factor is defined as the ratio of a real / effective one
  • the roughness factor can e.g. determined by gravimetric adsorption methods, e.g. in F. Kohlrausch, Practical Physics, Volume 1, p. 397 (Stuttgart: B.G. Teubner, 1985).
  • the size of the pores is 5-200 nm, preferably 10-50 nm.
  • a method for producing polycrystalline metal oxide semiconductor layers using the SOL-GEL method (described in detail for example in Stalder and Augustynski, J. Electrochem. Soc. 1 979, 126, 2007), where in the process step of hydrolysis of the metal alcoholate the percentage relative humidity of the ambient atmosphere can be in a range from 30% to 80% and is kept constant within ⁇ 5%, preferably ⁇ 1%, results in metal oxide semiconductor layers with which a particularly high electrical yield can be achieved in photovoltaic cells according to the invention.
  • the roughness increases the contact area between the semiconductor and the charge transport layer and, at the same time, the path length that has to be covered by the minority charge carrier in order to reach the charge transport layer is reduced, which increases the quantum efficiency.
  • the SOL-GEL process is described below as an example.
  • the titanium substrate of pure titanium of approximately 99.5% purity is first cleaned in approximately 18% boiling HCl for approximately 30 minutes.
  • the titanium ethoxide solution can e.g. B. can be obtained by dissolving 21 mmol of TiCl 4 in 10 ml of very pure ethanol (puriss.). This solution is then diluted with very pure methanol (puriss.) In order to obtain a titanium concentration in the range of approximately 25 to 50 mg / ml.
  • a drop of the solution is added to the titanium substrate and the titanium alkoxide is hydrolyzed at room temperature for about 30 minutes at a humidity of 48 ⁇ 1%.
  • the substrate with the hydrolyzed layer is then heated to about 450 ° C. for about 15 minutes. This process is repeated several times.
  • the TiO 2 layer After repeating 10 to 1 5 times, the TiO 2 layer has reached a thickness of about 20 ⁇ m.
  • the substrate with the layer is then baked at about 500 ° C. for about 30 minutes in a pure argon atmosphere (for example 99.997%).
  • the Ti0 2 layer produced in this way has a roughness factor in the range of 200.
  • Metal oxide semiconductor layers of this type (also of other metals) can be produced on other substrates by analog methods.
  • the upper layers of the semiconductor can optionally, such as. B. described in WO-A 91/1 6719, doped with a divalent or trivalent metal.
  • materials for electrode 1 1 and counter electrode 1 5 are stable, metallically conductive substances, for. B. Au, Ag, Pt, Cu, or other metals.
  • metallically conductive substances for. B. Au, Ag, Pt, Cu, or other metals.
  • transparent, conductive substances such as doped metal oxides, e.g. B. indium tin oxide, Sb-doped tin oxide, F-doped tin oxide or Al-doped zinc oxide can be used.
  • the work function of the electrode material used can preferably be adapted to the ionization potential of the hole transport material used.
  • the electrode can, as described in EP-A 0 333 641, on a transparent substrate, e.g. B. glass can be applied and connected to the hole transport layer.
  • a transparent substrate e.g. B. glass
  • it can be in the cell described in this invention by physical deposition methods, e.g. B. vapor deposition or atomization (sputtering) can be applied directly to the hole transport layer without the need for a second glass plate. This method is preferred when the weight of the cell is to be reduced.
  • Semiconductor layer 1 as described in WO-A 93/19479, can be coated with a further semiconductor. This is preferred if the
  • Semiconductor layer 1 2 has a roughness factor>> 1 to a direct
  • electrically insulating materials 1 6 and 17 or optionally as Lateral frames for the cell according to the invention are suitable, for example, plastic or glass.
  • the invention therefore also relates to a method for producing a radiation detector, characterized in that a) a semiconductor layer, preferably in nanocrystalline form, for example by CVD, is applied to a conductive solid support, b) a transport layer containing a hole conductor material is applied thereon , c) the counter electrode is applied thereon and, if necessary, d) an insulating layer is applied to it.
  • the detector can e.g. B. sealed with an adhesive or a film.
  • the electro-optical detector according to the invention generally has a thickness in the range from 0.1 to 20 mm (with substrate).
  • the rear of the cell can be constructed in such a way that the radiation is reflected diffusely back into the detector.
  • the detection is carried out in a known manner known to the person skilled in the art generally by measuring the (photo) current, the change in conductivity or the voltage.
  • the measurement of the current or the change in conductivity is preferred.
  • the current can be measured by a galvanometer (in the nA to A range), for example by a mini galvanometer with an LCD display.
  • a galvanometer in combination with an external voltage source can be used to measure the change in conductivity.
  • the voltage can be measured using a voltmeter.
  • these detection methods are described in, for example, John Moore, Christopher Davis and Michael Coplan, Building Scientific Apparatus, pp. 257-264, Adison-Wesley, London, 1983.
  • Compound 1 described in Example 3 was dissolved in tetrahydrofuran at a concentration of 50 g / l.
  • a substrate was coated by immersion in the solution, said substrate consisting of conductive, SnO 2 -coated glass, on one side of which a smooth layer of Nb-doped titanium dioxide had been applied (substrate I). Both sides of the substrate were coated by an immersion process.
  • a thin layer of gold was then deposited on the side coated with titanium dioxide by thermal evaporation.
  • the side coated with titanium dioxide and gold is hereinafter referred to as the active side, the other as the inactive side.
  • the sample prepared in this way was mounted in an optical setup consisting of a high-pressure lamp, optical filters, lenses and holders. The intensity could be varied by using filters and moving the lenses. Furthermore, the light with a wavelength below 380 nm was essentially filtered out.
  • the sample was mounted with the inactive side facing the lamp so that the residual light in the region of the absorption spectrum of compound 1 was absorbed by the layer on the inactive side. Due to the doping with Nb, the titanium dioxide layer had a low absorption between 400 and 450 nm, so that this was excited by the lamp.
  • the gold and SnO 2 layers were contacted and connected to an ammeter while the sample was exposed. No external voltage was applied. A current was observed during the exposure of the sample, which disappeared after the light source was dimmed. The intensity of the exposure was varied by a factor of ten; Over this area the photocurrent grew linearly with the intensity.
  • Compound 1 was dissolved in tetrahydrofuran at a concentration of 50 g / l.
  • a substrate was coated, which consisted of conductive, SnO-coated glass, on which a nanoporous layer of titanium dioxide had been applied on one side, the proportion of the rutile phase still weakly absorbing above 400 nm being about 30% and the surface had a roughness factor of 700-1000 (Substrate II). Both sides of the substrate were coated by an immersion process.
  • a thin layer of gold was then applied to the side coated with titanium dioxide by thermal vapor deposition.
  • the side coated with titanium dioxide and gold is hereinafter referred to as the active side, the other as the inactive side.
  • the sample thus prepared was mounted in the optical setup described in Example 7.
  • the sample was mounted with the inactive side facing the lamp so that the residual light in the range of the absorption spectrum of compound 1 was absorbed by the layer on the inactive side. Due to the proportion of the rutile phase, the titanium dioxide layer had a low absorption between 400 and 430 nm, so that this was excited by the lamp.
  • the gold and SnO 2 layers were contacted and connected to an ammeter while the sample was exposed. No external voltage was applied. A current was observed during the exposure of the sample, which disappeared after the light source was dimmed. The intensity of the exposure was varied by a factor of ten; Over this range the photocurrent grew linearly with the intensity. The photocurrent was many times higher than the photocurrent of the sample described in Example 7.

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Abstract

Ein optoelektronischer Strahlungsdetektor zur Detektion kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung ist gekennzeichnet durch eine Ladungstransportschicht, die ein Lochleitermaterial enthält.

Description

Beschreibung
Strahlungsdetektor
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektrischen Detektor zur Ermittlung des Auftretens und der Wellenlänge von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung.
Solche Detektoren kommen vorzugsweise dort zum Einsatz, wo das Auftreten und die Wellenlänge kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von UV- und Röntgenstrahlung, ermittelt werden soll, wobei die UV-Strahlung vorzugsweise im Bereich zwischen 1 90 und 450 nm, besonders bevorzugt zwischen 200 und 420 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 250 und 400 nm liegt.
Es ist bekannt, daß solche Strahlung gesundheitsschädlich ist. Insbesondere kann die Bestrahlung der Haut oder der Augen mit Licht solcher Wellenlänge Hautkrebs oder Blindheit hervorrufen. Die Gefahr einer solchen photochemisch induzierten malignen Entartung der Haut ist durch die vermehrten Anteile von UV-A und UV-B Strahlung im natürlichen Sonnelicht in den letzten Jahren stark angestiegen. Was die Exposition der Augen gegen UV-Licht anbelangt, so hat sich durch die Vielzahl der Lichtquellen (Kathodenstrahlröhren, Schweißgeräte, Hochtemperaturöfen, Computerbildschirm, Fernseher etc.), denen der Mensch beruflich und privat ausgesetzt ist, auch hier das Risiko erheblich erhöht.
Es besteht daher die Notwendigkeit, Detektoren zu entwickeln, welche die Präsenz solcher schädlicher Strahlung in verläßlicher, effizienter und selektiver Weise erlauben.
In der DE-A 43 06 407 ist ein Detektor zur Überprüfung des Wellenlängenbereichs von elektromagnetischer Strahlung beschrieben, der eine photoaktive Schicht aufweist, die aus Titandioxid mit einer hohen Porosität gefertigt ist. In die photoaktive Schicht sind ein flüssiger Elektrolyt als Ladungstransportmedium und ein Farbstoff eingebettet, wobei der Farbstoff so gewählt ist, daß er von elektromagnetischer Strahlung einer definierten Wellenlänge angeregt werden kann.
Die Verwendung einer Elektrolytflüssigkeit ist jedoch grundsätzlich von Nachteil, da sie Probleme, beispielsweise mit der Dichtigkeit der Zelle und Photokorrosion, mit sich bringt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Detektor bereitzustellen, mit dem das Auftreten und die Wellenlänge von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung auf einfache Weise und zudem exakt bestimmt werden kann.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich optoelektronische Strahlendetektoren auch mit einem Lochleitermaterial als Ladungstransportschicht herstellen lassen.
Ein Gegenstand der Erfindung ist daher ein optoelektronischer Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch eine Ladungstransportschicht, die ein Lochleitermaterial enthält.
Mangels Elektrolyt treten bei dem erfindungsgemäßen Detektor beispielsweise keine Probleme mit der Photokorrosion auf.
Der erfindungsgemäße Detektor zeigt eine breite Empfindlichkeit. Durch die gezielte Verwendung bestimmter Lochleiter läßt sich das selektive
Aktionsspektrum einfach steuern. Eine zusätzliche Farbstoffschicht ist in der
Rege! nicht notwendig.
In der Figur ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors 1 dargestellt (nicht maßstabsgetreu).
Auf einem leitenden Träger 1 1 , der als Elektrode bzw. Kontakt dient und beispielsweise aus einem Metall oder Metalloxid, wie fluordotiertem Zinndioxid oder Indium-Zinn-Oxid (ITO), besteht, ist als absorbierende Schicht ein Halbleiter 12 aufgebracht, der vorzugsweise eine Oberfläche mit einem Rauheitsfaktor > 1 aufweist. Daran schließt sich ein Ladungstransportschicht 13 an, die erfindungsgemäß ein Lochleitermaterial enthält. Sie wird auf der einen Seite durch die Gegenelektrode 14 begrenzt, die beispielsweise aus einem leitfähigen Glas, leitfähig beschichtetem Kunststoff, aus Metall, einem transparenten leitendem Oxid (TCO) oder einem anderen leitfähigen, vorzugsweise strahlungsdurchlässigem Material, bestehen kann. Der Detektor 1 kann oben und unten durch je eine isolierende Schicht 1 5 bzw. 17 abgeschlossen sein (Verkapselung). Er kann einen, in der Figur nicht gezeigten seitlichen Abschluß enthalten, beispielsweise einen Rahmen aus einem elektrisch isolierendem Material, wie Kunststoff oder Glas. Zumindest eine Seite des Detektors muß für die zu detektierende kurzwellige elektromagnetische Strahlung 10 durchlässig sein, so daß diese zu dem Halbleiter gelangen kann. Der erfindungsgemäße Detektor enthält darüber hinaus in der Figur nicht gezeigte Vorrichtungen zur Messung der auftretenden Spannungen, Ströme oder Leitfähigkeitsänderungen, wobei die Messung der beiden letztgenannten Größen bevorzugt ist.
Als Lochleitermaterial im Sinne der Erfindung gilt ein Material, das eine positive Ladung, die durch das Fehlen eines Elektrons zustande kommt, leiten kann, wobei Massentransport und Ladungstransport entkoppelt sind.
Allgemein eignen sich elektronenreiche, vorzugsweise organische Verbindungen, die, vorzugsweise reversibel, oxidierbar sind. Es wird allgemein angenommen, daß der Ladungstransport in einem organischen Lochleitermaterial über die Bildung von Radikalkationen erfolgt. Das Oxidationspotential ist dabei in weiten Bereichen variabel und kann, beispielsweise durch Auswahl geeigneter Strukturen, an die spezifischen Energieniveaus des Halbleiters oder Sensibilisators angepaßt werden. Es liegt vorzugsweise über dem Energieniveau des Grundzustandes des Valenzbandes des Halbleiters und unterhalb des Energieniveaus des niedrigsten Leitungsbandes und damit in der Regel im Bereich der Bandbreite des Halbleiters (vorzugsweise 100 - 500 mV oberhalb des Energieniveaus des Grundzustands). Bevorzugt sind Lochleitermaterialien, bei denen kein Massentransport stattfindet, bzw. bei denen Ladungs- und Massentransport völlig entkoppelt sind. Weiterhin bevorzugt sind feste, insbesondere amorphe Lochleitermaterialien.
Ein Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung fester amorpher Lochleitermaterialien zur Herstellung von Ladungstransportschichten für optoelektronische Strahlungsdetektoren zur Detektion kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung.
Dabei ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, daß die erfindungsgemäße Lochleiterschicht amorph präparierbar ist, d.h. im amorphen Zustand in dem erfindungsgemäßen Detektor aufgebracht wird.
Der Begriff "amorph" dient zur Zustandsbeschreibung von Festkörpern, deren molekulare Bausteine nicht in Kristallgittern, sondern regellos angeordnet sind. Anders als in einem Kristall, bei dem zwischen den Atomen eine Nahordnung (d.h. konstante Abstände zu nächsten Nachbaratomen) und eine Fernordnung (regelmäßiges Wiederholen eines Basisgitters) existiert, liegt im amorphen Zustand nur eine Nahordnung vor. Der amorphe Stoff besitzt keine physikalisch ausgezeichnete Richtung; er ist isotrop. Alle amorphen Stoffe streben unterschiedlich stark den energetisch günstigeren kristallinen Zustand an. Bei Beugung von Röntgen-, Elektronen- und Neutronenstrahlen zeigen sich beim amorphen Festkörper keine scharfen Interferenz-Ringe, wie bei einem Kristall, sondern nur diffuse Interferenzringe bei kleinen Beugungswinkeln (Halos).
Der amorphe Zustand ist somit klar vom kristallinen, flüssigen oder auch flüssigkristallinen Zustand unterschieden.
Besonders bevorzugt sind Lochleitermaterialien, die in organischen Lösungsmitteln löslich sind, sowie Lochleitermaterialien, die schmelzbar oder verdampfbar sind. Beispiele für organische Lösungsmittel sind Chloroform, Benzol, Chlorbenzol, Cyclohexanon, Toluol, Tetrahydrofuran, Anisol, Cresol, Xylol, Methyllaktat, Methylenchlorid, Hexan, oder andere aliphatische, aromatische oder alkoholische Lösungsmittel. Es ist vorteilhaft für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Lochleiterschicht, wenn das Lochleitermaterial in einem organischen Lösungsmittel löslich ist oder schmelzbar ist. Löslich im Sinne der Erfindung bedeutet dabei eine Löslichkeit von mindestens 1 ,0 g/l bei 25 °C in einem organischen oder anorganischen Lösungsmitel, vorzugsweise in einem der oben aufgeführten Lösungsmittel.
Weiterhin besonders bevorzugt sind Lochleitermaterialien, die anhand ihrer Größe in die Poren einer rauhen Halbleiterschicht eindiffundieren können.
Ganz besonders bevorzugt sind bei Messung eines Photostroms
Lochleitermaterialien, bei denen der Spannungsverlust über die Lochleiterschicht bei Bestrahlung mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung < 500 mV, vorzugsweise < 50 mV, besonders bevorzugt < 20 mV beträgt.
Die Lochleiterschicht weist im allgemeinen eine Dicke von 0, 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 1 5 μm auf.
Die Ladungsträgerbeweglichkeit des Lochleitermaterials beträgt vorzugsweise mindetens 10"5 cm2/Vs, insbesondere 10"3 bis 10 cm2/Vs.
Ganz besonders bevorzugt als Lochleitermaterialien sind Spiro- und Heterospiroverbindungen der Formel (I),
Figure imgf000008_0001
wobei
Ψ C, Si, Ge oder Sn, vorzugsweise C, Si oder Ge, besonders bevorzugt C oder Si und insbesondere C und
K1 und K2 unabhängig voneinander konjugierte Systeme bedeuten.
Spiroverbindungen sind Verbindungen in denen zwei Ringsysteme durch ein einziges, vierbindiges Atom verknüpft sind. Dieses Atom wird als Spiroatom bezeichnet, wie in Handbook of Chemistry and Physics 62nd ed. (1981 -2), CRC Press, S. C-23 bis C-25 ausgeführt ist. Der Begriff Spiroverbindung bedeutet im Sinne der Erfindung monomere und polymere Carbospiro- und Heterospiroverbindungen.
Bevorzugte Verbindungen der Formel (I) sind 9,9'-Spirobifluorenderivate der Formel (II),
Figure imgf000008_0002
wobei Ψ die oben angegebenen Bedeutungen hat und wobei die Benzogruppen unabhängig voneinander substituiert und/oder anelliert sein können.
Besonders bevorzugt sind Spirobifluorenderivate der Formel (III),
Figure imgf000009_0001
wobei die Symbole und Indizes folgende Bedeutungen haben:
Ψ ist C, Si, Ge oder Sn, vorzugsweise C, Si, Ge, besonders bevorzugt C, Si, insbesondere C,
K, L, M, N sind gleich oder verschieden und bedeuten eine Gruppe der Formeln
Figure imgf000009_0003
Figure imgf000009_0002
R hat, gleich oder verschieden, die gleichen Bedeutungen wie K, L, M, N oder ist Wasserstoff, eine lineare oder verzweigte Alkyl-, Alkoxy- oder Carboalkoxygruppe mit 1 bis 22, vorzugsweise 1 bis 1 5, besonders bevorzugt 1 bis 12 C-Atomen, -CN, -NO2, -NR1 R2, -Ar oder -O-Ar;
Ar ist Phenyl, Biphenyl, 1 -Naphthyl, 2-Naphthyl, 2-Thienyl, 2-Furanyl, wobei jede dieser Gruppen einen oder zwei Reste R tragen kann; m, n, p sind 0, 1 , 2 oder 3;
X, Y sind = CR- oder = N-;
Z ist -O-, -S-, -NR-, -CRR-, -CH = CH-, -CH = N-;
R1 und R2 sind Wasserstoff, eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 22 C-Atomen, -Ar oder 3-Methylphenyl.
Bevorzugte Verbindungen der Formel (IM) sind solche der Formel (llla)-(lllg)
lila) K = L = M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000010_0001
R = CrC22-Alkyl, C2H4SO3- Illb) K = M = H und N = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0003
lllc) K = M und ist eine Gruppe der Formeln:
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Figure imgf000011_0007
Figure imgf000011_0008
Figure imgf000011_0006
R — R = CrC2-Alkyl, C2H4S03
Figure imgf000011_0009
und N = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0002
llld) K = M und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000012_0003
und N = L und ist eine Gruppe der Formeln:
R = C C22-Alkyl, C2H4S03-
Figure imgf000013_0001
le) K = L = H und M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0003
Figure imgf000013_0004
Ulf) K = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000014_0001
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Figure imgf000014_0006
und M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000014_0007
Figure imgf000014_0008
lllg) K = L und ist aus der Gruppe:
Figure imgf000015_0001
und M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
R = C1-C22-Alkyl, C2H4S03-
Figure imgf000015_0002
Besonders bevorzugte Verbindungen der Formel (III) sind solche der Formeln (lilaa) bis (llldb):
(lllaa) K = L = M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000015_0003
(lllba) K = M = H und N = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0003
(lllca) K = M und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000016_0004
und N = L und ist:
Figure imgf000016_0005
(lllda) K = M und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000016_0006
und N = L und ist:
Figure imgf000016_0007
(lllab) K = L = M = N und ist eine Gruppe der Formeln
Figure imgf000017_0001
(Illbb) K = L = H und M = N und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000017_0004
(Hieb) K = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000017_0005
und M = N und ist:
Figure imgf000017_0006
(llldb) K = L und ist eine Gruppe der Formeln:
Figure imgf000017_0007
und M = N und ist:
Figure imgf000018_0001
Ganz besonders bevorzugte Spiroverbindungen sind solche der Formel (IV),
Figure imgf000018_0002
wobei die Symbole folgende Bedeutungen haben:
Ψ ist C oder Si, vorzugsweise C;
K, L, M und N sind gleich oder verschieden eine der Gruppen G1 bis G14:
Figure imgf000018_0003
G12 G13 G14 und R5, R6 können auch gleich oder verschieden Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkyl-, Alkyloxy- oder Estergruppe mit 1 bis 22 C-Atomen, -CN oder -N02 bedeuten.
Insbesondere bevorzugte Spiroverbindungen der Formel (IV) sind 2,2 ' ,4,4 ' ,7,7 '-Hexakis(biphenylyl)-9,9 '-spirobifluoren, 2,2 ' ,4,4 ' ,7,7 '-Hexakis(terphenylyl)-9,9 '-spirobifluoren, 2,2 ' ,4,4 '-Hexakis(biphenylyl)-9,9 '-spirobi-9-silafluoren und 2,2 ' ,4,4 ' ,7,7 '-Hexakis(terphenylyl)-9,9 '-spirobi-9-silafluoren.
Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Spiro- und Heterospiroverbindungen erfolgt nach an sich bekannten Methoden, wie sie in der EP-A 0 676 461 und Standardwerken zur Organischen Synthese, z.B. Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart und in den entsprechenden Bänden der Serie "The Chemistry of Heterocyclic Compounds" von A. Weissberger und E. C. Taylor (Herausgeber) beschrieben werden.
Die Herstellung erfolgt dabei unter Reaktionsbedingungen, die für die genannten Umsetzungen bekannt und geeignet sind. Dabei kann auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch gemacht werden.
a) Carbospiroverbindungen
Verbindungen der Formel (IM) werden beispielsweise ausgehend vom 9,9'-Spirobifluoren erhalten, dessen Synthese z.B. von R. G. Clarkson, M. Gomberg, J. Am. Chem. Soc. 1930, 52, 2881 , beschrieben ist.
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (lila) kann beispielsweise ausgehend von einer Tetrahalogenierung in den Positionen 2, 2', 7, 7' des 9,9'-Spirobifluorens und anschließender Substitutionsreaktion erfolgen (siehe z.B. US 5,026,894) oder über eine Tetraacetylierung der Positionen 2, 2', 7, 7' des 9,9'-Spirobifluorens mit anschließender C-C-Verknüpfung nach Umwandlung der Acetylgruppen in Aldehydgruppen oder Heterocyclenaufbau nach Umwandlung der Acetylgruppen in Carbonsäuregruppen erfolgen.
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (Illb) kann beispielsweise analog zu denen der Formel lila erfolgen, wobei die stöchiometrischen Verhältnisse bei der Umsetzung so gewählt werden, daß die Positionen 2,2' bzw. 7,7' funktionalisiert werden (siehe z.B. J. H. Weisburger, E. K. Weisburger, F. E. Ray, J. Am. Chem. Soc. 1 959, 72 4253; F. K. Sutcliffe, H. M. Shahidi, D. Paterson, J. Soc. Dyers Colour 1978, 94, 306 und G. Haas, V. Prelog, Helv. Chim. Acta 1969, 52 1202).
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (lllc) kann beispielsweise über eine Dibromierung in 2,2'Stellung und anschließender Diacetylierung in 7,7' Stellung des 9,9'-Spirobifluorens und anschließende Umsetzung analog zu der der Verbindungen (lila) erfolgen.
Verbindungen der Formeln (llle)-(lllg) sind beispielsweise durch Wahl geeignet substituierter Ausgangsverbindungen beim Aufbau des Spirobifluorens herstellbar, z.B. kann 2,7-Dibromspirobifluoren aus 2,7-Dibromfluorenon und 2,7-Dicarbethoxy-9,9'-spirobifiuoren durch Einsatz von 2,7- Dicarbethoxyfluorenon aufgebaut werden. Die freien 2',7'-Positionen des Spirobifluorens können dann unabhängig weiter substituiert werden.
Für die Synthese der Gruppen K, L, M, N, sei beispielsweise verwiesen auf
DE-A 23 44 732, 24 50 088, 24 29 093, 25 02 904, 26 36 684, 27 01 591 und 27 52 975 für Verbindungen mit 1 ,4-Phenylen-Gruppen;
DE-A 26 41 724 für Verbindungen mit Pyrimidin-2,5-diyl-Gruppen;
DE-A 40 26 223 und EP-A 03 91 203 für Verbindungen mit Pyridin-2,5-diyl-
Gruppen;
DE-A 32 31 462 für Verbindungen mit Pyridazin-3,6-diyl-Gruppen; N. Miyaura, T. Yanagi und A. Suzuki in Synthetic Communications 1981 , 1 1 , 513 bis 519, DE-A-39 30 663; M. J. Sharp, W. Cheng, V. Snieckus, Tetrahedron Letters 1987, 28 , 5093; G. W. Gray, J. Chem. Soc. Perkin Trans II 1989, 2041 und Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1989, 172, 165; Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1991 , 204, 43 und 91 ; EP-A 0 449 01 5; WO 89/12039; WO 89/03821 ; EP-A 0 354 434 für die direkte Verknüpfung von Aromaten und Heteroaromaten.
Die Herstellung disubstituierter Pyridine, disubstituierter Pyrazine, disubstituierter Pyrimidine und disubstituierter Pyridazine findet sich beispielsweise in den entsprechenden Bänden der Serie "The Chemistry of Heterocyclic Compounds" von A. Weissberger und E. C. Taylor (Herausgeber).
b) Heterospiroverbindungen
Solche Verbindungen der Formel (III) werden beispielsweise ausgehend vom Bis- [biphenyl-2,2'-diyl]silan ( = 9,9'-Spirobi(9H-)-silafluoren) (V) erhalten, dessen Synthese z.B. von H. Gilman, R. D. Gorsich, J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 3243, beschrieben ist.
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Die Herstellung von Heterospiroverbindungen der Formel (lila) kann beispielsweise ausgehend von einer Tetrahalogenierung in den Positionen 2, 2', 7, 7' des 9,9'-Spirobi-9-silafluorens und anschließender Substitutionsreaktion erfolgen, die von analogen C-Spiroverbindungen bekannt (siehe z.B. US 5,026,894) oder über eine Tetraacetylierung der Positionen 2, 2", 7, 7' des 9,9'-Spirobi-9-silafluorens mit anschließender C-C-Verknüpfung nach Umwandlung der Acetylgruppen in Aldehydgruppen oder
Heterocyclenaufbau nach Umwandlung der Acetylgruppen in
Carbonsäuregruppen erfolgen.
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (Illb) kann beispielsweise analog zu denen der Formel (lila) erfolgen, wobei die stöchiometrischen Verhältnisse bei der Umsetzung so gewählt werden, daß die Positionen 2,2' bzw. 7,7' funktionalisiert werden (siehe z.B. J. H. Weisburger, E. K. Weisburger,
F. E. Ray, J. Am. Chem. Soc. 1959, 72, 4253; F. K. Sutcliffe, H. M. Shahidi,
D. Paterson, J. Soc. Dyers Colour 1978, 94, 306 und G. Haas, V. Prelog, Helv.
Chim. Acta 1969, 52, 1202).
Die Herstellung von Verbindungen der Formel (lllc) kann beispielsweise über eine Dibromierung in 2,2'-Stellung mit anschließender Diacetylierung in 7,7'-Stellung des 9,9'-Spirobi-9-silafluorens und anschließender Umsetzung analog zu der der Verbindungen (lila) erfolgen.
Verbindungen der Formel (llle)-(lllg) sind beispielsweise herstellbar durch Wahl geeignet substituierter Ausgangsverbindungen beim Aufbau des Spirosilabifluorens entsprechend den beiden folgenden Reaktionsschemata:
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H
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Figure imgf000022_0002
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Darüber hinaus sind die dem Fachmann geläufigen Synthesesequenzen wie Nitrierung, Reduzierung, Diazotierung und Sandmeyer-Reaktion einzusetzen. Für die Synthese der Gruppen K, L, M, Q sei auf die entsprechenden Carbospiroverbindungen verwiesen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, Oligo- oder Polymere mit den entsprechenden Spiroeinheiten einzusetzen, wobei bei Verwendung eines nanokristallinen Halbleiters beachtet werden muß, daß die Verbindungen in der Lage sind, in die Poren des nanokristallinen Halbleiters einzudringen. Solche Verbindungen sind in der EP-A 0 707 020; WO-A 96/17 036; DE-A 196 06 51 1 ; DE-A 196 14 971 und DE-A 196 1 5 128 beschrieben; auf diese Schriften wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen, ihre Offenbarung gilt durch Zitat als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Der erfindungsgemäße Detektor enthält als lichtabsorbierende Schicht vorzugsweise einen Halbleiter, der vorzugsweise eine sehr große Bandlücke, besonders bevorzugt mindestens 3,0 eV, ganz besonders bevorzugt über 3,0 eV, aufweist.
Damit eignen sich vorzugsweise Metalloxid-Halbleiter, insbesondere die Oxide der Übergangsmetalle, sowie der Elemente der dritten Hauptgruppe und der vierten, fünften und sechsten Nebengruppe (des periodischen Systems der Elemente) von Titan, Zirkon, Hafnium, Strontium, Zink, Indium, Yttrium, Lanthan, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, aber auch Oxide von Zinn, Eisen, Nickel oder Silber, Perovskite wie SrTiO3, CaTiO3, oder Oxide von anderen Metallen der zweiten und dritten Hauptgruppe oder Mischoxide oder Oxidgemische dieser Metalle. Es kann aber auch jedes andere Metalloxid mit Halbleitereigenschaften und großem Energieabstand (Bandlücke) zwischen Valenzband und Leitungband verwendet werden.
Besonders bevorzugt als Halbleitermaterial sind Titandioxid, Nb2O5 und ZnO, ganz besonders bevorzugt ist Titandioxid.
Der Halbleiter weist vorzugsweise einen Rauheitsfaktor von größer als 1 , besonders bevorzugt von größer als 20, ganz besonders von größer als 1 50 auf.
Der Rauheitsfaktor ist definiert als das Verhältnis einer wirklichen/effektiven
Oberfläche zur Fläche der Projektion dieser Oberfläche eines Körpers, in diesem
Fall also der Oberfläche des Halbleiters.
Der Rauheitsfaktor kann z.B. durch gravimetrische Adsorptionsmethoden bestimmt werden, wie z.B. in F. Kohlrausch, Praktische Physik, Band 1 , S. 397 (Stuttgart: B.G. Teubner, 1985) beschrieben wird. Im allgemeinen beträgt die Größe der Poren 5-200 nm, vorzugsweise 10-50 nm.
Ein Verfahren zum Herstellen von polykristallinen Metalloxyd-Halbleiterschichten mit dem SOL-GEL-Verfahren (beschrieben in Einzelheiten z. B. in Stalder und Augustynski, J. Electrochem. Soc. 1 979, 126, 2007), wo beim Verfahrensschritt der Hydrolyse des Metall-Alkoholats die prozentuale relative Feuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre in einem Bereich von 30 % bis 80 % liegen kann und innerhalb von ± 5 %, vorzugsweise ± 1 %, konstant gehalten wird, ergibt Metalloxid-Halbleiterschichten, mit denen in erfindungsgemäßen photovoltaischen Zellen eine besonders hohe elektrische Ausbeute erzielt werden kann.
Durch die Rauhigkeit wird die Kontaktfläche zwischen Halbleiter und Ladungstransportschicht erhöht und gleichzeitig die Weglänge, die vom Minoritätsladungsträger zurückgelegt werden muß, um zur Ladungstransportschicht zu gelangen, herabgesetzt, wodurch sich die Quantenausbeute erhöht.
Als Beispiel für die Herstellung einer Titanoxydschicht (Ti02) mit hohem Rauheitsfaktor auf einem Titansubstrat, wird nachfolgend das SOL-GEL- Verfahren beispielhaft beschrieben.
Das Titansubstrat aus reinem Titanium von etwa 99,5 % Reinheit wird zuerst während etwa 30 Minuten in etwa 18 %iger kochender HCI gereinigt. Die Titan- Ethoxyd-Lösung kann z. B. durch die Lösung von 21 mMol TiCI4 in 10 ml sehr reinem Ethanol (puriss.) erhalten werden. Diese Lösung wird dann mit sehr reinem Methanol (puriss.) verdünnt, um eine Titankonzentration im Bereich von etwa 25 bis 50 mg/ml zu erhalten. Auf das Titansubstrat gibt man einen Tropfen der Lösung und das Titan-Alkoxyd wird bei Raumtemperatur während ca. 30 Minuten bei einer Feuchtigkeit von 48 ± 1 % hydrolisiert. Danach wird das Substrat mit der hydrolysierten Schicht während ca. 1 5 Minuten auf ca. 450°C erhitzt. Dieser Prozeß wird mehrmals wiederholt. Nach 10- bis 1 5- maliger Wiederholung hat die TiO2-Schicht eine Dicke von etwa 20 μm erreicht. Danach wird das Substrat mit der Schicht bei etwa 500°C während etwa 30 Minuten in einer Rein-Argon-Atmosphäre (z. B. 99,997 %) ausgeheizt. Die so hergestellte Ti02-Schicht hat einen Rauheitsfaktor im Bereich von 200. Derartige Metalloxid-Halbleiter-Schichten (auch anderer Metalle) können nach analogen Verfahren auf anderen Substraten erzeugt werden. Die oberen Schichten des Halbleiters können gegebenenfalls, wie z. B. in der WO-A 91 /1 6719 beschrieben, mit einem divalenten oder trivalenten Metall dotiert sein.
Als, vorzugsweise verschiedene, Materialien für Elektrode 1 1 und Gegenelektrode 1 5 eignen sich stabile, metallisch leitende Substanzen, z. B. Au, Ag, Pt, Cu, oder andere Metalle. Es können aber auch für einige Anwendungen vorzugsweise lichtdurchlässige leitfähige Substanzen, wie dotierte Metalloxide, z. B. Indium-Zinn-Oxid, Sb-dotiertes Zinnoxid, F-dotiertes Zinnoxid oder AI- dotiertes Zinkoxid, verwendet werden. Dabei kann die Austrittsarbeit des verwendeten Elektrodenmaterials vorzugsweise an das lonisationspotential des verwendeten Lochtransportmaterials angepaßt werden.
Die Elektrode kann, wie in der EP-A 0 333 641 beschrieben, auf ein transparentes Substat, z. B. Glas aufgebracht werden, und mit der Lochtransportschicht verbunden sein. Vorzugsweise kann sie in der in dieser Erfindung beschriebenen Zelle durch physikalische Abscheidemethoden, z. B. Aufdampfen oder Zerstäuben (Sputtern) direkt auf die Lochtransportschicht aufgebracht werden, ohne daß eine zweite Glasplatte notwendig ist. Dieses Verfahren ist zu bevorzugen, wenn das Gewicht der Zelle vermindert werden soll.
Gegebenenfalls kann die Elektrode zwischen Elektrode 1 1 und der
Halbleiterschicht 1 2, wie in der WO-A 93/19479 beschrieben, mit einem weiteren Halbleiter beschichtet sein. Dies ist bevorzugt, falls die
Halbleiterschicht 1 2 einen Rauhigkeitsfaktor > > 1 aufweist, um eine direkte
Ladungsübertragung von der Lochleiterschicht 13 zur Elektrode 1 1 zu vermeiden.
Als elektrisch isolierende Materialien 1 6 und 17 bzw. gegebenenfalls als seitlicher Rahmen für die erfindungsgemäße Zelle eignen sich beispielsweise Kunststoff oder Glas.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einem leitfähigen festen Träger a) eine Halbleiterschicht, vorzugsweise in nanokristalliner Form, beispielsweise durch CVD, aufbringt, b) darauf eine Transportschicht, enthaltend ein Lochieitermaterial, aufbringt, c) darauf die Gegenelektrode aufbringt und auf diese gegebenenfalls d) eine isolierende Schicht aufbringt.
Mit Vorteil kann der Detektor z. B. mit einem Kleber oder einer Folie versiegelt werden.
Der erfindungsgemäße elektrooptische Detektor hat im allgemeinen eine Dicke aus dem Bereich von 0, 1 bis 20 mm (mit Substrat).
Zur Erhöhung der Strahlungsausbeute bei Detektion von UV-Strahlung kann die Rückseite der Zelle so konstruiert sein, daß die Strahlung diffus in den Detektor zurückreflektiert wird.
Die Detektion erfolgt in bekannter, dem Fachmann geläufigen Weise im allgemeinen durch Messung des (Photo)Stroms, der Leitfähigkeitsänderung oder der Spannung. Bevorzugt ist die Messung des Stroms oder der Leitfähigkeitsänderung.
Die Strommessung kann durch ein Galvanometer (im nA bis A-Bereich) erfolgen, beispielsweise durch ein Minigalvanometer mit LCD-Anzeige. Zur Messung der Leitfähigkeitsänderung kann ein Galvanometer in Kombination mit einer externen Spannungsquelle verwendet werden. Die Messung der Spannung kann durch ein Voltmeter erfolgen. Allgemein sind diese Detektionsmethoden beispielsweise in John Moore, Christopher Davis and Michael Coplan, Building Scientific Apparatus, S. 257- 264, Adison-Wesley, London, 1983, beschrieben.
Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.
Synthesebeispiele
Beispiel 1
9,9 '-Spirobifluoren
7,66 g Magnesiumspäne und 50 mg Anthracen wurden in 100 ml trockenem Diethylether in einem 11 Dreihalskoben mit Rückflußkühler unter Argon vorgelegt und mit 75 g 2-Brombiphenyl gelöst in 60 ml trockenem Diethylether umgesetzt. Anschließend wurden 56,77 g 9-Fluorenon gelöst in 500 ml trockenem Diethylether unter Rühren zugetropft. Nach beendeter Zugabe wurde 2 Stunden weiter gekocht. Der ausgefallene gelbe Magnesiumkomplex wurde abgesaugt und mit Ether gewaschen. Der abfiltrierte gelbe Magnesiumkomplex wurde dann in einer Lösung aus 48 g Ammoniumchlorid in 800 ml Eiswasser hydrolysiert. Nach 60 min. Rühren wurde das gebildete Fluorenol abgesaugt, mit Wasser gewaschen, und trockengesaugt. Das getrocknete Produkt wurde dann in ca. 800 ml Eisessig unter Zugabe von 3 ml HCI conc. 2 h am Rückfluß gekocht. Nach Abkühlung wurde das Produkt abgesaugt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Zur weiteren Reinigung wurde einmal aus Aceton umkristallisiert. Man erhielt 86 g 9,9 '-Spirobifluoren als farblose Kristalle (82 % Ausbeute). Beispiel 2
Synthese von 2,2 ' ,4,4 ',7,7 '-Hexabromo-9, 9 '-spirobifluoren
Zu einer Lösung von 3, 16 g (10 mmol) 9,9 '-Spirobifluoren in 20 ml Methylenchlorid wurden 200 mg wasserfreies FeCI3 gegeben und mit Ultraschall behandelt. Der Reaktionskolben wurde mit AI-Folie vor Lichtzutritt geschützt. Anschließend wurden in der Siedehitze 9,85 g (3.15 ml, 62 mmol) Brom in 5 ml Methylenchlorid innerhalb von 15 min zugetropft. Die Lösung wurde weitere 20 h am Rückfluß gekocht und mit Ultraschall behandelt. Nach Abkühlung wurde Petrolether versetzt und abgesaugt. Zur weiteren Reinigung wurde aus THF / Methanol umkristallisiert und 5 h bei 80°C getrocknet. Ausbeute 6, 1 5 g (77 %) farblose Kristalle.
Beispiel 3
Synthese von 2,2 ',4,4 ' ,7,7 '-Hexabiphenylyl-9,9'-spirobifluoren
(Verbindung 1 )
In einem 250 ml Zweihalskolben mit Rückflußkühler, KPG-Rührer wurden 1 ,6 g Hexabromspirobifluoren und 3 g Biphenylboronsäure in einer Mischung aus 50 ml Toluol und 50 ml 1 M Kaliumcarbonatlösung aufgeschlämmt. Die Mischung wurde unter Stickstoff zum Rückfluß erhitzt und 1 1 5 mg Tetrakis- (triphenylphosphin)palladium in 5 ml Toluol zugegeben. Anschließend wurde unter Rühren weitere 7 h am Rückfluß gekocht. Nach Beendigung der Reaktion wurde die abgekühlte Lösung abfiltriert und das Filtrat 2 x mit Wasser ausgeschüttelt (zur besseren Phasentrennung wurde Chloroform zugesetzt). Die organische Phase wurde über Natriumsulfat getrocknet, über eine kurze Säule mit Kieselgel filtriert und anschließend das Lösungsmittel am Rotationsdampfer abgezogen. Zur weiteren Reinigung wurde aus Dichlormethan / Pentan umkristallisiert. Man erhielt 2 g (80 %) farblose, unter UV-Beleuchtung blau fluoreszierende Kristalle. Beispiel 4
2,2 ',7,7 '-Tetrajod-9,9 '-spirobifluoren
In einem 100 ml Zweihalskolben mit Rückflußkühler und Trockenrohr wurden 3, 1 6 g (10 mmol) 9,9 '-Spirobifluoren, gelöst in 30 ml Chloroform, bei Raumtemperatur mit 5,8 g (22,8 mmol) lod versetzt und anschließend 10,75g (25 mmol) Bis-(trifluoracetoxy)-iodbenzol zugegeben. Das Reaktionsgemisch erwärmte sich auf ca 40° , unter Bildung eines hellen Niederschlags. Nach 1 ,5 h wurde das bereits ausgefallene Produkt abgesaugt, und mit Chloroform nachgewaschen und getrocknet. Die Chloroformlösungen werden vereinigt, und nacheinander mit gesättigter Natriumsulfitlösung, gesättigter Natriumcarbonatlösung und Wasser gewaschen. Nach dem Trocknen über Natriumsulfat wurde eingeengt und eine zweite Produktfraktion erhalten. Beide Produktfraktionen wurden vereinigt, in Aceton aufgekocht und nach Abkühlung abgesaugt. Man erhielt 2,2 ',7,7 '-Tetrajod-9, 9 '-spirobifluoren als feinkristallines farbloses Pulver mit 8, 1 g in nahezu quantitativer Ausbeute. 1 H-NMR (CDCI3, ppm): 6.98 (d, J = 1 ,48 Hz, 4 H, H-1 , 1 ',8,8 '); 7.54 (dd, J = 7.88, 1 .48 Hz, 4 H, H-3,3 ' ,6,6 '); 7.72 (d, J = 7.88 Hz, 4 H, H-4,4 ',5,5 ').
Beispiel 5
2,2',7,7'-Tetrakis(diphenylamino)-9,9 '-spirobifluoren (Verbindung 2)
2, 1 g (2,56 mmol) Tetraiodspirobifluoren wurden mit 2,25 g (13,3 mmol) Diphenylamin unter Zusatz von 2,76 g (20 mmol) Kaliumcarbonat , 635 mg (10 mmol) Kupferpulver und 208 mg (0,79 mmol) 18 - Krone-6 in 10 ml o-Dichlorbenzol unter Stickstoff 48 h zum Sieden erhitzt. Nach Abkühlung wurden die anorganischen Bestandteile abfiltriert und mit warmem Dichlorbenzol nachgewaschen. Das Dichlorbenzol wurde durch Vakuumdestillation (100 mbar, 135 - 140°C) entfernt. Der Rückstand wurde in Chloroform gelöst, über eine kurze Kieselgelsäule abfiltriert und eingeengt. Zur Reinigung wurde erst aus Chloroform/Aceton und anschließend aus Chloroform/Diethylether unter Zusatz von 2 Tropfen Hydrazinhydrat umkristallisiert. Man isolierte mit 56% Ausbeute 1,4 g 2,2',7,7'-Tetrakis- (diphenylamin)-9,9 '-spirobifluoren in Form sehr feiner, gelblich-weißer Kristallnadeln.
1H-NMR (CDCI3, ppm): 6.69 (d, J - 1,83 Hz, 4 H, H-1,1 ',8,8'); 6.92 (dd, J = 8.18, 1.99 Hz, 4 H, H-3,3 ',6,6 '); 6.98 (m, 24 H); 7.20 (m, 16 H); 7.45 (d, J = 8.18 Hz, 4H, H-4,4',5,5').
Beispiel 6
N,N,N',N',N",N",N'",N'"-Octakis(4-methoxyphenyl)-9,9'-Spirobifluoren-
2,2',7,7'-tetramin
Die zur obigen Vorschrift analoge Umsetzung von Tetraiodspirobifluoren mit 4,4'-Dimethoxydiphenylamin lieferte mit vergleichbarer Ausbeute N,N,N',N',N",N",N'",N'"-Octakis(4-methoxyphenyl)-9,9'-Spirobifluoren- 2,2',7,7'-tetramin als gelblich gefärbtes Kristallpulver. H-NMR (CDCI3, ppm): 3.76 (s, 24 H, OCH3); 6.54 (d, J = 1,99 Hz, 4 H, H-1,1 ',8,8'); 6.75 (dm, J = 9.07 Hz,16 H); 6.79 (dd, J = 8.18, 1.99 Hz, 4 H, H-3,3',6,6'); 6.90 (dm, J = 9.07 Hz, 16 H); 7.35 (d, J = 8.18 Hz, 4 H, H-4,4',5,5').
Anwendungsbeispiele
Beispiel 7
Die in Beispiel 3 beschriebene Verbindung 1 wurde bei einer Konzentration von 50 g/l in Tetrahydrofuran gelöst. Durch Eintauchen in die Lösung wurde ein Substrat beschichtet, das aus leitfähigem, Sn02-beschichtetem Glas bestand, auf dem auf einer Seite eine glatte Schicht aus Nb-dotiertem Titandioxid aufgebracht worden war (Substrat I). Durch ein Tauchverfahren wurden beide Seiten des Substrats beschichtet. Auf der mit Titandioxid beschichteten Seite wurde anschließend durch thermisches Aufdampfen eine dünne Schicht aus Gold abgeschieden. Die mit Titandioxid und Gold beschichtete Seite wird im folgenden als die aktive Seite, die andere als die inaktive Seite bezeichnet.
Die so präparierte Probe wurde in einem optischen Aufbau montiert, der aus einer Hochdrucklampe, optischen Filtern, Linsen und Halterungen bestand. Durch den Einsatz von Filtern und das Verschieben der Linsen konnte die Intensität variiert werden. Ferner wurde das Licht mit Wellenlänge unterhalb von 380 nm im wesentlichen ausgefiltert. Die Probe wurde mit der inaktiven Seite zur Lampe gerichtet montiert, so daß das Restlicht im Bereich des Absorptionsspektrums von Verbindung 1 von der sich auf der inaktiven Seite befindenden Schicht absorbiert wurde. Durch die Dotierung mit Nb wies die Titandioxidschicht eine geringe Absorption zwischen 400 und 450 nm auf, so daß diese von der Lampe angeregt wurde.
Die Gold- und SnO2-Schichten wurden kontaktiert und an ein Strommeßgerät angeschlossen, während die Probe belichtet wurde. Es wurde keine externe Spannung angelegt. Während der Belichtung der Probe wurde ein Strom beobachtet, der nach Abblenden der Lichtquelle wieder verschwand. Die Intensität der Belichtung wurde über einen Faktor zehn variiert; über diesen Bereich wuchs der Photostrom linear mit der Intensität.
Beispiel 8
Die Verbindung 1 wurde bei einer Konzentration von 50 g/l in Tetrahydrofuran gelöst. Durch Eintauchen in die Lösung wurde ein Substrat beschichtet, das aus leitfähigem, Sn0 -beschichtetem Glas bestand, auf dem auf der einen Seite eine nanoporöse Schicht aus Titandioxid aufgebracht worden war, wobei der Anteil der oberhalb 400 nm noch schwach absorbierenden Rutilphase etwa 30 % betrug und die Oberfläche einen Rauheitsfaktor von 700-1000 aufwies (Substrat II). Durch ein Tauchverfahren wurden beide Seiten des Substrats beschichtet. Auf der mit Titandioxid beschichteten Seite wurde anschließend durch thermisches Aufdampfen eine dünne Schicht aus Gold aufgebracht. Die mit Titandioxid und Gold beschichtete Seite wird im folgenden als die aktive Seite, die andere als die inaktive Seite bezeichnet.
Die so präparierte Probe wurde in dem in Beispiel 7 beschriebenen optischen Aufbau montiert. Die Probe wurde mit der inaktiven Seite zur Lampe gerichtet montiert, so daß das Restlicht im Bereich des Absorptionsspektrums von Verbindung 1 von der sich auf der inaktiven Seite befindenen Schicht absorbiert wurde. Durch den Anteil an der Rutilphase wies die Titandioxidschicht eine geringe Absorption zwischen 400 und 430 nm auf, so daß diese von der Lampe angeregt wurde.
Die Gold- und SnO2-Schichten wurden kontaktiert und an einem Strommeßgerät angeschlossen, während die Probe belichtet wurde. Es wurde keine externe Spanung angelegt. Während der Belichtung der Probe wurde ein Strom beobachtet, der nach Abblenden der Lichtquelle wieder verschwand. Die Intensität der Belichtung wurde über einen Faktor zehn variiert; über diesen Bereich wuchs der Photostrom linear mit der Intensität. Der Photostrom war um ein Vielfaches höher als der Photostrom der im Beispiel 7 beschriebenen Probe.

Claims

Patentansprüche:
1 . Optoelektronischer Strahlungsdetektor zur Detektion kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch eine Ladungstransportschicht, die ein Lochleitermaterial enthält.
2. Detektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Lochleitermaterial ein amorpher Feststoff ist.
3. Detektor nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lochleitermaterial eine oder mehrere Spiroverbindung der Formel (I)
Figure imgf000034_0001
wobei ψ C, Si, Ge oder Sn, vorzugsweise C, Si, Ge, besonders bevorzugt C,
Si und insbesondere C, und K1 und K2 unabhängig voneinander konjugierte Systeme bedeuten, verwendet werden.
Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lochleitermaterial ein oder mehrere 9,9'-Spirobifluorenderivate der Formel (II)
Figure imgf000035_0001
wobei ψ in Formel (I) in Anspruch 4 angegebenen Bedeutungen hat und die Benzogruppen unabhängig voneinander substituiert und/oder anelliert sein können, verwendet werden.
Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lochleitermaterial ein oder mehrere Spirobifluorenderivate der Formel (III),
Figure imgf000035_0002
wobei die Symbole und Indizes folgende Bedeutungen haben: ψ ist C, Si, vorzugsweise C,
K, L, M, N sind gleich oder verschieden
Figure imgf000036_0001
R kann, gleich oder verschieden, die gleichen Bedeutungen wie K, L, M, N haben oder ist -H, eine lineare oder verzweigte Alkyl, Alkoxy oder Estergruppe mit 1 bis 22, vorzugsweise 1 bis 1 5, besonders bevorzugt 1 bis 12 C-Atomen, -CN, -NR2R3, -Ar oder -O-Ar;
Ar ist Phenyl, Biphenyl, 1 -Naphthyl, 2-Naphthyl, 2-Thienyl, 2-Furanyl, 9-Anthryl, wobei jede dieser Gruppen einen oder zwei Reste R tragen kann; m, n, p sind 0, 1 , 2 oder 3;
X, Y sind gleich oder verschieden CR oder Stickstoff;
Z ist -O-, -S-, -NR1 -, -CR1R4-, -CH =CH-, -CH = N-;
R1 , R4 können, gleich oder verschieden, die gleichen Bedeutungen wie R haben;
R2, R3 sind gleich oder verschieden H, eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 22 C-Atomen, -Ar, 3-Methylphenyl, verwendet werden.
6. Detektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine iichtabsorbierende Schicht, die ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von mindestens 3 eV enthält.
7. Detektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein Metalloxid ist.
8. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteroberfläche einen Rauhigkeitsfaktor von > 20 aufweist.
9. Verwendung von festen, amorphen Lochleitermaterialien zur Herstellung von Ladungstransportschichten für optoelektronische Strahlungsdetektoren.
10. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Strahlungsdetektors zur Detektion kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einem leitfähigen festen Träger (Elektrode) a) ein Halbleiterkolloid aufbringt, b) darauf eine Ladungstransportschicht, enthaltend ein Lochleitermaterial, aufbringt, c) darauf die Gegenelektrode aufbringt, und auf diese gegebenenfalls d) eine isolierende Schicht aufbringt.
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