WO2009043684A1 - Organisches opto-elektronisches bauteil mit reduziertem dunkelstrom - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an organic opto-electronic component, such as a photodetector with reduced dark current.
- Organic opto-electronic devices such as photodiodes based on organic semiconductor materials offer the possibility of producing pixelated flat detectors with high quantum efficiencies (50 to 85%) in the visible region of the spectrum.
- the thin organic layer systems used in this case can be produced inexpensively using known production methods, such as spin coating, doctor blades or printing methods, thus enabling a price advantage, especially for larger-area devices.
- Promising applications of such organic detector arrays are z.
- the medical image recognition as X-ray flat detectors since the light of a scintillator layer is typically detected on relatively large areas of at least a few centimeters.
- the organic photodiodes consist z.
- Example of a vertical layer system Au electrode / P3HT PCBMBlend / Ca-Ag electrode.
- the blend of the two components P3HT (absorber and hole transport component) and PCBM (electron acceptor and transport component) acts as a so-called "bulk heterojunetion", ie the charge carriers are separated at the interfaces of the two materials form the entire layer volume.
- a disadvantage of such detector arrays with large-area, unstructured organic semiconductor layers is that the dark current is significantly higher, especially when using polymeric materials (such as P3HT-PCBM blend) as z.
- a low dark current is particularly important if such.
- the electrical properties consist of an electron blocking function in the reverse direction and at the same time an unimpeded hole extraction from the lower electrode.
- As the substrate glass, a polymer film, metal or the like can be used.
- a passivation layer or an encapsulation with a transparent film or glass substrate is usually provided.
- the organic materials are usually applied by spin coating or knife coating.
- spin coating or knife coating In the case of these methods, in the production of multilayer systems there is the problem that when applying an organic layer to an already existing organic layer, the solvent of the material to be applied on or dissolves the existing layer, with the result of a thorough mixing of the materials. So far, no polymer-based photodetector systems with sufficiently low dark current levels are known in the literature.
- the present invention is based on the problem of improving organic photodiodes with regard to their possible uses.
- Solution to the problem and object of the invention is an organic opto-electronic component having a lower and an upper electrode, wherein the lower electrode on a
- Substrate, thereon a Lochtransport- or Elektronenblockier- layer and on the actual organic photoactive layer is disposed below the upper electrode, characterized in that the organic photoactive layer is at least in a flat dimension larger than the underlying Lochtransport- or Elektronenblockier Anlagen.
- the organic photoactive layer projects beyond the hole-transporting or electron-blocking layer in all planar dimensions.
- leakage currents in the dark propagate through the fact that a leakage current path can lead from the upper electrode to the hole transport or electron blocking layer, when the latter projects beyond the organic photoactive layer after its areal expansion. Since the hole transport or electron blocking layer is more conductive in the dark than the organic photoactive layer, it is proposed according to the invention to quasi isolate the upper electrode in the dark over a large-area organic photoactive layer, because the organic photoactive layer is only poorly conductive in the dark ,
- FIG. 1 shows the prior art in which the hole transport or electron blocking layer 1 has a direct contact with the upper electrode 2, since the organic photoactive layer 3 is smaller than the underlying hole transport or electron blocking layer 1.
- the edge 7 of the hole transport or electron blocking layer 1 projects beyond the corresponding edge of the organic photoactive layer 3 by a distance sufficient to provide a leakage current path 5.
- the leakage current path 5 which connects the upper electrode 2 to the lower electrode 4 and thereby generates the unwanted dark current, forms through the hole transport or electron blocking layer 1.
- FIG. 1 shows how the blocking layer projects beyond the photoactive layer of the dimensions.
- the z. B. on steamed top electrode now contacted directly on the photoactive layer over on the barrier layer. Since the barrier layer usually has a higher conductivity than the photoactive layer (in the dark!), It opens through a current path, which greatly increases the level of unwanted dark current.
- Figure 2 shows an embodiment of the invention.
- the encapsulation is not shown for clarity, as well as the contacts.
- FIG. 2 shows how the problem of the leakage current path can be bypassed.
- the barrier layer must be smaller than the photoactive layer by the spatial extent.
- FIG. 3 shows the current-voltage characteristics of OPDs with and without contact of the top electrode to the barrier layer.
- the light and dark IV curve of an OPD is shown, in which the top electrode according to the prior art can contact the barrier layer.
- the lower of the colored curves shows the relevant dark curve. If the contact between the top contact and the barrier layer according to the invention is prevented, the bottom one is black
- the invention is very universal and is also just as relevant for the construction of organic solar cells and organic light-emitting diodes. Thus, it is a very basic patent that can be used in a variety of.
- the invention presents for the first time a layout for an optoelectronic component such as an organic solar cell, an organic photodetector, organic light-emitting diodes, etc., wherein the contact between the cover electrode, ie the upper, not necessarily transparent electrode and the hole transport or electron blocking or barrier layer is minimized or avoided on the lower electrode by simply enlarging the photoactive organic layer.
- an optoelectronic component such as an organic solar cell, an organic photodetector, organic light-emitting diodes, etc.
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Abstract
Die Erfindung stellt erstmals ein Layout für ein optoelektronisches Bauteil wie eine organische Solarzelle, einen organischen Photodetektor, organische Leuchtdioden etc, vor, wobei der Kontakt zwischen Deckelektrode (2), also der oberen, nicht notwendigerweise transparenten Elektrode und der Lochtransport- oder Elektronenblockier- oder Barriereschicht (1) auf der unteren Elektrode (4) durch eine einfache Vergrößerung der photoaktiven organischen Schicht (3) minimiert oder vermieden wird.
Description
Beschreibung
Organisches opto-elektronisches Bauteil mit reduziertem Dunkelstrom
Die Erfindung betrifft ein organisches opto-elektronisches Bauteil, wie beispielsweise einen Photodetektor mit reduziertem Dunkelstrom.
Organische opto-elektronische Bauteile wie Photodioden auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien bieten die Möglichkeit, pixelierte Flachdetektoren mit hohen Quanteneffizienzen (50 bis 85%) im sichtbaren Bereich des Spektrums herzustellen. Die hierbei eingesetzten dünnen organi- sehen Schichtsysteme können mit bekannten Herstellungsverfahren wie Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen so einen Preisvorteil, vor allem für größerflächige Devices. Vielversprechende Anwendungen solcher organischer Detektorarrays fin- den sich z. B. in der medizinischen Bilderkennung als Rönt- gen-Flachdetektoren, da hier das Licht einer Szintillator- schicht typischerweise auf relativ großen Flächen von mindestens einigen Zentimetern detektiert wird.
Die organischen Photodioden bestehen z. B. aus einem vertikalen Schichtsystem: Au-Elektrode / P3HT-PCBMBlend / Ca-Ag- Elektrode. Der Blend aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) wirkt hierbei als so ge- nannte „Bulk Heterojunetion" , d.h. die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden .
Ein Nachteil solcher Detektor-Arrays mit großflächigen, unstrukturierten organischen Halbleiterschichten besteht darin, dass der Dunkelstrom vor allem bei Verwendung polymerer Materialen (wie z. B. P3HT-PCBM-Blend) deutlich höher ist
als z. B. bei anorganischen Flachdetektoren. Typische Dunkelströme der organischen Photodioden bei einer Biasspan- nung von -5V liegen im Bereich von 10~2 bis 10~3 mA/cm2, typische Ströme für Detektoren auf Basis von amorphem Silizi- um liegen dagegen unterhalb von 10~5 mA/cm2.
Ein niedriger Dunkelstrom ist insbesondere dann wichtig, wenn wie z. B. bei Röntgendetektoren ein hoher Dynamikbereich abgedeckt werden muss, d.h. wenn auch sehr geringe Lichtintensitäten über dem Rauschlevel detektiert werden müssen. Ein Dunkelstrombeitrag kann zwar grundsätzlich vom Signal subtrahiert werden, führt aber immer zu einem Rauschbeitrag, der bei Messungen mit niedrigen Röntgendosen den Dynamikbereich limitiert.
Bisher werden daher kommerziell anorganische Röntgen- Flachdetektoren auf der Basis von amorphem Silizium eingesetzt, die einen sehr geringen Dunkelstrom von weniger als 10~5 mA/cm2 aufweisen.
Stand der Technik für effiziente organische Photodioden sind entweder Einschichtsysteme mit einem BuIk Heterojunction Blend zwischen einer Anode (ITO, Gold, Palladium, Platin, Silber etc.) und einer Kathode (z. B. Ca, Ba, Mg, LIF, ITO etc. mit anschließender Deckschicht aus Ag oder Al) oder Zweischichtsysteme, bei denen zwischen dem Blend und der Anode noch eine zusätzliche Lochtransporterschicht oder E- lektronenblockierschicht (typischerweise Pedot:PSS; Pa- ni:PSS oder einem Polyfluorenderivat ) aufgebracht ist. Die Lochtransportschicht bzw. Blockierschicht wird normalerweise als „Buffer" Schicht mit elektrischen Eigenschaften verwendet um Kurzschlüsse durch mögliche „spikes" in der unteren Elektrode zu vermeiden. Die elektrischen Eigenschaften bestehen aus einer Elektron blockierende Funktion in Sperrichtung und gleichzeitig einer nicht verminderter Löcherextraktion von der unteren Elektrode.
Als Substrat kann Glas, eine Polymerfolie, Metall oder ähnliches eingesetzt werden. Schließlich ist meistens noch eine Passivierungsschicht oder eine Verkapselung mit einer transparenten Folie oder Glassubstrat vorgesehen.
Die organischen Materialien werden üblicherweise mittels Spin Coating oder Rakeln aufgebracht. Bei diesen Verfahren besteht bei der Herstellung von Mehrschichtsystemen die Problematik, dass beim Aufbringen einer organischen Schicht auf eine bereits vorhandene organische Schicht, das Lösungsmittel des aufzubringenden Materials die vorhandene Schicht an- oder auflöst mit der Folge einer Durchmischung der Materialien. Bisher sind in der Literatur keine polymerbasierten Photodetektor-Systeme mit ausreichend niedri- gen Dunkelstrom-Niveaus bekannt.
Zur Reduzierung des Dunkelstroms in Sperrrichtung wurden bereits Lösungen in der DE 10 2006 046 210 und
DE 10 2005 037 421 vorgeschlagen. Diese beruhen auf dem An- satz, die Schicht zwischen Anode und photoaktiver Schicht entsprechend so zu modifizieren, dass die Ladungsträger, die den Dunkelstrom verursachen, blockiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, or- ganische Photodioden hinsichtlich deren Einsatzmöglichkeiten zu verbessern.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist ein organisches opto-elektronisches Bauteil mit einer unteren und ei- ner oberen Elektrode, wobei die untere Elektrode auf einem
Substrat, darauf eine Lochtransport- oder Elektronenblockier- schicht und darauf die eigentliche organische photoaktive Schicht unter der oberen Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die organische photoaktive Schicht zu- mindest in einer flächigen Dimension größer als die darunterliegende Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform überragt die organische photoaktive Schicht die Lochtransport- oder Elektronen- blockierschicht in allen flächigen Dimensionen.
Es wurde gefunden, dass sich Leckströme im Dunkeln auch dadurch ausbreiten, dass ein Leckstrompfad von der oberen Elektrode zu der Lochtransport oder Elektronenblockierschicht führen kann, wenn letztere nach ihrer flächigen Ausdehnung die organische photoaktive Schicht überragt. Da die Loch- transport oder Elektronenblockierschicht im Dunkeln besser leitend als die organische photoaktive Schicht ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die obere Elektrode im Dunkeln über eine großflächige organische photoaktive Schicht quasi zu isolieren, weil die organische photoaktive Schicht im Dun- kein nur schlecht leitfähig ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird gezeigt, dass eine spezielle Anordnung der oberen Elektrode zur Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht so gewählt werden kann, dass der Dunkelstrom minimal wird.
Figur 1 zeigt den Stand der Technik bei dem die Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht 1 einen direkten Kontakt zur oberen Elektrode 2 hat, da die organische photoaktive Schicht 3 kleiner als die darunter liegende Lochtransportoder Elektronenblockierschicht 1 ist. Die Kante 7 der Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht 1 überragt die entsprechende Kante der organischen photoaktiven Schicht 3 um ein Stück das ausreicht, um einem Leckstrompfad 5 Platz zu bieten. Zur unteren Elektrode 4 bildet sich deshalb durch die Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht 1 der Leckstrompfad 5 aus, der die obere Elektrode 2 mit der unteren Elektrode 4 verbindet und dabei den unerwünschten Dunkelstrom erzeugt .
In der Figur 1 ist zu sehen, wie die Blockierschicht von den Ausmaßen die photoaktive Schicht überragt. Die z. B. auf gedampfte Top Elektrode kontaktiert nun direkt an der photoaktiven Schicht vorbei auf die Barriereschicht. Da die Barrie- reschicht meist eine höhere Leitfähigkeit als die photoaktive Schicht (im Dunkeln!) besitzt, öffnet man durch einen Strompfad, der das Niveau des ungewünschten Dunkelstroms stark erhöht.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Zu sehen ist eine Anordnung von Substrat 6, darauf der unteren Elektrode 4, darauf die auch bei Dunkelheit leidlich gut leitende Lochtransport- und Elektronenblockierschicht 1, auf der die eigentliche organische photoaktive Schicht 3 und darauf die obere Elektrode 2 liegt. Die Verkapselung ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, ebenso wie die Kontaktierungen .
Das Prinzip, dass in Figur 2 gezeigt ist, ist für einzelne Detektorelemente, 1-dimensionale oder 2-dimensionale Arrays anwendbar .
In der Figur 2 ist gezeigt, wie das Problem des Leckstrompfades umgangen werden kann. Die Barriereschicht muss von der räumlichen Ausdehnung kleiner sein als die photoaktive Schicht .
Die größere photoaktive Schicht überlappt dabei die Barriereschicht. Die im Folgenden aufgebrachte Top Elektrode hat kei- ne Möglichkeit die Barriereschicht zu kontaktieren. Somit ist der Dunkelstrom reduziert, da die photoaktive Schicht im Dunkeln eine sehr niedrige Leitfähigkeit besitzt.
Figur 3 zeigt die Strom-Spannungskennlinien von OPDs mit und ohne Kontakt der Top Elektrode zu der Barriereschicht. Strom- und Spannungskennlinien von OPD (8mm2 aktive Fläche) mit und ohne Kontakt der Top Elektrode zu der Barriereschicht. In Farbe ist die Hell und Dunkel-IV-Kurve eines OPDs gezeigt, bei dem die Top Elektrode entsprechend dem Stand der Technik mit der Barriereschicht kontaktieren kann. Die untere der farbigen Kurven zeigt die relevante Dunkelkennlinie. Wird der Kontakt zwischen Top Kontakt und Barriereschicht entsprechend der Erfindung verhindert, so ist an der unteren, schwarzen
Kennlinie zu erkennen, dass die Dunkelstromdichte bei -5 V um 3 Größenordnungen abnimmt.
Durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene und einfach zu realisierende Layoutanpassung des organischen Photodetektors kann der Dunkelstrom dramatisch reduziert werden, ohne auf sehr teuere Barrierematerialien angewiesen zu sein. Die Erfindung ist sehr universell und ist auch ebenso gut für den Bau von organischen Solarzellen und organischen Leuchtdioden relevant. Somit handelt es sich um ein sehr grundlegendes Patent, dass bei einer Vielzahl von zum Einsatz kommen kann.
Die Erfindung stellt erstmals ein Layout für ein optoelektronisches Bauteil wie eine organische Solarzelle, einen organi- sehen Photodetektor, organische Leuchtdioden etc, vor, wobei der Kontakt zwischen Deckelektrode, also der oberen, nicht notwendigerweise transparenten Elektrode und der Lochtransport- oder Elektronenblockier- oder Barriereschicht auf der unteren Elektrode durch eine einfache Vergrößerung der photo- aktiven organischen Schicht minimiert oder vermieden wird.
Claims
1. Organisches opto-elektronisches Bauteil mit einer unteren und einer oberen Elektrode, wobei die untere Elektrode auf einem Substrat, darauf eine Lochtransport- oder Elektronen- blockierschicht und darauf die eigentliche organische photoaktive Schicht unter der oberen Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die organische photoaktive Schicht zumindest in einer flächigen Dimension größer als die darun- terliegende Lochtransport- oder Elektronenblockierschicht ist .
2. Organisches opto-elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überragen der organische photoaktiven Schicht in alle flächigen Dimensionen der Lochtransport- und/oder Elektronenblockierschicht die Möglichkeit eines direkten Kontakts zwischen der oberen Elektrodenschicht und der Lochtransport- und/oder Elektronenblockierschicht minimiert ist.
3. Organisches opto-elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Photodetektor ist.
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US10326091B2 (en) * | 2012-05-09 | 2019-06-18 | Lg Chem, Ltd. | Organic electrochemical device, and method for manufacturing same |
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