WO2010060421A1 - Solarzelle mit elektrostatischen lokalfeldern im photoaktiven bereich - Google Patents

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Dieter Schmeisser
Hans-Joachim Lewerenz
Klaus Müller
Karsten Henkel
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Brandenburgische Technische Universität
Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a solar cell having at least one photoactive region of organic or polycrystalline inorganic formation and given diffusion length, in which the charge carriers of photogenerated charge carrier pairs are separated by electrostatic field influence and transported in the direction of external electrodes.
  • the fundamental principle of all solar cells is based on the spatial separation of photogenerated charge carrier pairs (electron-hole pairs with a weak binding of electron and hole in inorganic solar cells or excitons as quasiparticles with a strong bond of electron and hole in organic solar cells) in a photoactive region by electrostatic field influence and forms the state of the art for the present invention.
  • This principle is currently being realized with planar and laterally macroscopically extended solar cell systems of different materials (as sandwich structures of semiconductors for the layered photoactive area as well as metallic conductors for the outer electrodes).
  • Inorganic solar cells currently consist of planar inorganic semiconductor layers with different doping levels.
  • a pn junction forms, in the region of which the generated charge carriers diffuse from the negatively doped (excess electron) side into the positively doped (hole or holes) side (and vice versa), so that a space charge zone with electrostatic field influence forms separates the electron-hole pairs and conducts as electrical current to the outer electrodes.
  • a space charge zone with electrostatic field influence forms separates the electron-hole pairs and conducts as electrical current to the outer electrodes.
  • Even organic solar cells use a space charge zone, but in the basic form, instead of the pn junction, a system of different metals is used for front and back electrodes (asymmetrical electrodes in planar macroscopic extension). Due to the different work function of the front and rear electrode again creates an electrostatic field across the photoactive region.
  • n-conductor donor D
  • p-conductor acceptor A
  • the photogenerated charge carrier pairs must be separated and derived by electrostatic field influence, whereby this electrostatic field influence can be generated in different ways (space charge zone at pn junction, local field at DA phase boundary, outer field through electrodes).
  • electrostatic field influence can be generated in different ways (space charge zone at pn junction, local field at DA phase boundary, outer field through electrodes).
  • provision of an additional external electrostatic field which acts on the latter globally at a further distance from the charge carrier pairs, can support their separation and the transport of the charge carriers and thus improve the efficiency of the solar cell.
  • the state of the art shows that the generation of an additional electrostatic global field, in particular also by the use of ferroelectric electrode materials, is used in the applications for modified realization of solar cells which are considered below.
  • US 4,365,106 describes an MIS solar cell (MIS - metal-insulator-semiconductor structure with a semiconductor without pn junction), which exploits the polarity in a ferroelectric material as a function of temperature.
  • the ferroelectric material is an insulator layer outside the photoactive area, solar radiation causes a change in the temperature thereof.
  • the surface charge in the ferroelectric material (“pyroelectricity”) changes, which induces a global electric field in the semiconductor
  • inorganic semiconductors eg silicon
  • an inversion layer and thus a pn junction
  • the degree of recombination also increases and electron migration is hindered in the insulating ferroelectric layer.
  • ferroelectric materials in US 6,639,143 B2 aims primarily at reducing the recombination and also uses a ferroelectric layer outside the photoactive region and thus the pn junction of the solar cell. It describes solar cells with a ferroelectric layer on the top or bottom of the solar cell.
  • the ferroelectric layer is provided with an additional electrode (eg made of Al).
  • the photovoltage is picked up by buried electrodes, and the laterally macroscopically applied and polarized ferroelectric layer causes a global additional electrostatic field either at the back or front electrode, which, in the first place, causes the polarity of the ferroelectric material counteracts the recombination of the flowing from the pn junction charge carriers to the electrodes (surface passivation) and secondly one Increasing the terminal voltage (open-circuit voltage V O c) causes.
  • the additional ferroelectric layer (layer thickness 100-150 nm) can serve as an antireflection layer, so that more sunlight in total can penetrate into the pn junction (front electrode).
  • As a return electrode it can serve as a reflection layer, depending on its thickness.
  • ferroelectric materials are given: BaTiO 3 , BST ((Ba, Sr) TiO 3 ), PZT ((Pb, Zr) TiO 3 ), SBT ((SrBi 2 Ta 2 ⁇ 7 ), but organic materials are not excluded
  • the applied concept represents a modification of the well-known concept of rear surface field, in which the back electrode is highly doped, eg with aluminum, creating an additional global electrostatic field at the back electrode which avoids recombination and the back surface Voc increased.
  • a layer contains two or more types of organic pigments having different spectral characteristics [JP 04024970 A].
  • One layer contains a pigment that generates the charge carriers and, in addition, a material that removes the charge carriers [JP 07142751 A, GräO5].
  • the third component is a strong acceptor or donor ("electrical doping") for increasing the concentration of a charge carrier species already in thermal equilibrium [interpenetrating network, DE 102 09 789 A1, Ara99]
  • Tandem cells can be improved by using pin structures with doped transport layers of large band gap (pin: p-doped (p) -intrinsic (i) -n-doped (n)) [WO 2004/083958 A2]
  • non-monocrystalline solar cells In the case of the local improvement within the photoactive layer, however, only non-monocrystalline solar cells come into consideration which, due to the structure of their photoactive region (polycrystalline, amorphous, particulate, organic, inorganic), allow an implementation of additional components, because as a result, the diffusion length is generally shortened is effected.
  • the present invention also relates to this type of non-monocrystalline solar cells with average efficiencies up to a range of 15%.
  • polycrystalline silicon solar cells having a diffusion length in the range of 1 .mu.m and a crystallite size dependent on the crystallite efficiency in the range of about 12%
  • thin-film solar cells chalcogen-based with a polycrystalline absorber layer eg CulnS2, CulnS ⁇ 2
  • organic solar cells with a very small diffusion length in the range of 10 nm to 20 nm [JanO5], but still an efficiency in a range of currently 5%
  • the object underlying the present invention is to provide an alternative to the above-mentioned known approaches to improve the charge carrier separation by electrostatic field influence alternative modification of a solar cell of the type described above to achieve a reduction in the recombination rate and thus an increase in the terminal voltage due to an improved charge carrier transport to the outer electrodes.
  • the alternative modification should be particularly simple in its construction, but nevertheless efficient in its effect.
  • the inventive solution for this task can be found in the main claim.
  • Advantageous modifications of the solar cell according to the invention can be found in the subclaims, which are explained in more detail below in connection with the invention.
  • the solar cell of the generic type according to the invention is characterized by an incorporation of electrostatic local fields in the photoactive region.
  • These electrostatic local fields are completely independent of the photogenerated charge carrier pairs, but are introduced in such a distribution in the photoactive layer that they can act on the photogenerated charge carrier pairs and thus support the charge carrier separation and diffusion.
  • the incorporated local fields have dimensions in the region of the diffusion length.
  • the invention thus represents a completely new physical concept for organic see and polycrystalline inorganic solar cells with efficiencies below 15%.
  • By incorporation of permanent electrostatic local fields in the photoactive region an increase in the efficiency is possible.
  • the tasks of charge separation and charge transport are taken over by the incorporated electrostatic local fields, so that global electrostatic fields, space charge zones generated by pn junctions in inorganic solar cells and / or external electrodes can be completely eliminated at best.
  • a support by the electrostatic local fields already occurs when they have no common orientation their polarities.
  • Already an arrangement of local fields with completely random, different polarity causes an improvement of the charge carrier separation and collection.
  • the incorporated electrostatic local fields cause a separation and drift of the charge carriers over the entire photoactive area to the outer electrodes, without being explicitly dependent on an existing space charge zone.
  • the invention therefore offers the possibility, with the introduction of additional electrostatic local fields completely replace the previously required space charge zone, which is formed by external electrodes of different materials and the resulting work function difference. This results for organic solar cells a freer choice of materials of the polymers used, since no more doping is needed, and the electrodes, since no different work function is required more.
  • the electrostatic local fields incorporated according to the invention which are not bound to charge carrier pairs, can act both in charge carrier separation (in addition to supporting the local electrostatic fields of the DA interfaces between the particles) and in charge carrier transport (in addition to an existing space charge zone or exclusively) ,
  • charge carrier separation in addition to supporting the local electrostatic fields of the DA interfaces between the particles
  • charge carrier transport in addition to an existing space charge zone or exclusively
  • global and / or local electrostatic fields present in solar cells undergo at least one support by the electrostatic local fields provided according to the invention, which is also regarded as an optimization in existing global and / or local electrostatic fields.
  • Global electrostatic fields can even be replaced, ie completely eliminated.
  • the principle of charge carrier separation is also used by electrostatic field influence, but now at the local level in the dimensional range of the occurring diffusion length of the charge carriers in the photoactive region.
  • the dimensions of the electrostatic local fields or of the particles causing them are selected in the region of the diffusion length of the charge carriers in the photoactive region it is certainly ensured that the migrating charge carriers, before recombination, pass from the influence of one local field into the influence of the next local field and are thus transported further.
  • the diffusion length in the case of solar cells based on polycrystalline silicon is in the range of 1 .mu.m
  • the dimensions of the local fields should also be correspondingly adjusted to a range of 10 nm to 20 nm with these dimensions, electrostatic local fields can be incorporated, eg BaTiO 3 is commercially available as a powder with particle sizes in the 10 nm to 20 nm range
  • the organic ferroelectrics Poly (vinylidene fluoride) P (VDF) and poly (vinylidene fluoride / trifluoroethylene), P (VDF -FEFE) can be dissolved in organic solvents and distributed on a nanoscopic scale.
  • electrostatic local fields act nanoscopically on a local scale, directly in the photoactive layer of the solar cell in the region of the charge carrier pairs to be separated, but not as an outer electrode and thus not as a space charge zone. Additional electrostatic local fields are incorporated which have dimensions in the range of the diffusion length of the charge carriers in the photoactive layer and thereby support the local charge carrier separation (dissociation of the dipoles) and migration, essentially so
  • electrostatic local fields can be generated in an organic photoactive area by incorporated ferroelectric dipoles, which are introduced in the form of a homogeneous particle admixture (one-dimensional approach, finely dispersed particle distribution) in the photoactive area in the immediate vicinity of the photogenerated charge carrier pairs.
  • ferroelectric dipoles can also be introduced as single-layer or multi-layer deposition (two-dimensional approach). Depending on the layer thickness of the photoactive layer, this can be one, two or more parallel layers at a distance of the diffusion length or else a multilayer structure (tandem etch with layer intercalation on both sides of the photoactive region).
  • ferroelectric dipoles may be organic or inorganic type carriers of the local electrostatic fields.
  • Ferroelectricity describes the phenomenon that substances with an electric dipole moment permanently change their direction of spontaneous polarity by applying an external electric field, the polarity being otherwise or reversible when an electric field of changed or reversed polarity is applied.
  • Most ferroelectrics are inorganic in nature and are based on perovskite-type ionic crystals such as:
  • BTO Barium titanate BaTiO 3
  • Inorganic ferroelectrics can be mixed as a nanodispersion either the photoactive organic substances in solution or previously applied to be previously polarized.
  • organic ferroelectrics are soluble in organic solvents and therefore can be easily mixed into the solution of the photoactive organic material (blend). Due to the nanodisperse admixture, the additionally introduced electrostatic local fields have a separating effect directly at the phase boundaries, ie exactly where possible recombination of the charge carriers is most likely, and not from outside.
  • Polarity of the electrostatic local fields desired can be done advantageously by means of initially or permanently provided electrodes outside the photoactive region. These may be both the electrodes (contacts) provided for discharging the charge and an additional electrode which has a global electrostatic field in relation to an already existing electrode, for example a one-sided one Contacting, building up.
  • the provision of two additional electrodes is also possible.
  • all local fields can be permanently aligned by a single application of an external electric field (ferroelectric alignment).
  • the permanent orientation is reversible and can be changed by creating a field with different field influence.
  • a permanent influencing of the local fields from the outside can also take place by means of a permanent electric field for alignment.
  • the local electrostatic fields may also be generated by controlled incorporation of solid charge oxides or oxygen vacancies or oxygen clusters.
  • SiO x which may be both positively and negatively charged depending on the oxygen content.
  • positively or negatively charged oxygen vacancies or clusters can also be implemented as aggregates of charged oxides in a matrix of semiconductor material. Again, a disordered polarity of the local fields without a common global polarity can be provided again.
  • the alignment of the electrostatic local fields can advantageously take place by providing a gradient in the charge distribution in the entire photoactive region.
  • the charge carriers then follow the charge gradient outside the electrostatic local fields, so that in turn the charge carrier transport is improved by the superordinate polarity.
  • Such gradients in the charge distribution can be generated for example by ion implantation, CVD (chemical vapor deposition) or ALD (atomic layer deposition).
  • controlled lattice mismatches or lattice defects can also be used to form electrostatic local fields.
  • lattice mismatch by incorporating foreign substances into the host crystal, eg, Si, the banding scheme or local work function changes due to the different lattice constants, creating an electrostatic local field.
  • Electrically charged lattice defects can be selectively incorporated by ion implantation, ALD or CVD. Again, this can be done incorporation without or with global polarity.
  • the recombination rate is also high for inorganic solar cells made of polycrystalline silicon, in which the electrostatic local fields preferably cover a dimension of several 100 nm, so here additionally built-in electrostatic local fields, the separation of the charge carrier pairs support and promote the charge carrier transport over a gradient in the charge distribution.
  • the solar cell with the incorporated electrostatic local fields according to the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the schematic, not to scale FIGURE.
  • This shows in cross section an organic solar cell with a Pumblezumischung and general electrodes.
  • the approach described relates both to organic and to inorganic solar cells, with generally electrostatic local fields being introduced for the separation of the charge carrier pairs and for the transport of the charge carriers, ie local fields with a higher common polarity are shown. As stated above, however, the local fields can also have differently oriented polarities.
  • an additional charge separation is achieved by the incorporation of polarizable components.
  • the solar cell is produced in a "low-cost" approach from organic solvents, either fully organic or in a hybrid organic / inorganic approach.
  • organic Ferroelectric the copolymer poly (vinylidene fluoride / trifluoroethylene), P (VDF / TrFE) can be used.
  • the inorganic and ferroelectric component it is possible to use perovskite-based nanodispersions, for example BaTiO 3 .
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an organic solar cell 01 (light incidence from below, see arrows) with an incorporation of electrostatic local fields 02 by introducing ferroelectric dipoles 03 and outer electrodes 05, 07 for discharging the photo-generated charge carriers.
  • the general structure of the solar cell 01 comprises a substrate 04, for example of glass or plastic film (polyester, PET), which is provided with an optically transparent, but electrically conductive front electrode 05.
  • a substrate 04 for example of glass or plastic film (polyester, PET), which is provided with an optically transparent, but electrically conductive front electrode 05.
  • This may be inorganic (indium tin oxide, ITO), but also organic (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate), "PEDOTPSS”).
  • This may also have been deposited from a solution as a thin conductive film, quite in the sense of a desirable "low-cost" approach.
  • the layer-shaped photoactive region 06 consists of an organic mixture of n-type and p-type polymers (n-type conductor / p-type conductor), for example in the selected exemplary embodiment
  • PCBM / P3HT PCBM / P3HT (PCBM: phenyl-C61-butyrric aeid methyl ester, P3HT: poly (3-hexylthiophene) and
  • PCBM / MDMO-PPV (with MDMO-PPV: (poly [2-methoxy-5- (3,7-dimethyloctyloxy)] - 1, 4-phenylenevinylene)
  • the electrostatic local fields 02 are generated by incorporation of ferroelectric dipoles 03.
  • the ferroelectric dipoles 03 are aligned (polarized, poled) in the direction of the outer electrodes 05, 07.
  • the polarity of the ferroelectric dipoles 03 can be carried out during the preparation of the solar cell 01 both before the introduction of the photoactive region 06 or after.
  • the ferroelectric dipoles 03 are the cause of the electrostatic local fields 02, which contribute to a further charge separation in the aligned state. Because now not only wears the different
  • the return electrode 07 is made of a metal of low work function (eg AI) than the front electrode 05 and is evaporated in a vacuum) for electrostatic field influence (space charge zone) via the organic photoactive region 06 at but also the additional electrostatic local fields 02 of the ferroelectric dipoles 03.
  • the incorporated local electrostatic fields 02 also support charge carrier separation and diffusion in the range of electrostatic local fields of DA phase transitions.
  • the ferroelectric dipoles 03 can be both organic and inorganic in nature:
  • Organic ferroelectric e.g. Poly (vinylidene fluoride) (P (VDF)) or the copolymer poly (vinylidene fluoride / trifluoroethylene), P (VDF / TrFE). Is soluble in organic solvents and therefore can the organic
  • inorganic ferroelectric perovskite based ferroelectrics (eg BaTiO3). As a nanodispersion, they are added to the photoactive organic substances to form the photoactive region 06 in solution
  • the ferroelectric dipoles 03 can furthermore be produced as follows:
  • organic ferroelectric The polymer is in ultra-thin layers smaller than 100 nm by spin coating from solutions to the
  • Substrate 04 applied and then polarized either beforehand with external electrodes or after applying the photoactive region 06 with the back electrode 07.
  • the spincoating of P gives rise to a porous film, which is polarizable [see MulO ⁇ , where such a structure is shown in Figure 3].
  • inorganic ferroelectric These are available as a nanodispersion (average grain size 20 nm, which is exactly the order of magnitude of the mean free path of the electron-hole pairs in the organic trap (for example, BaTiO 3 , SrTiO 3 ) photoactive mixture can be applied as a film to the substrate 04, 05.
  • the nanodispersion can be polarized either before or after the introduction of the photoactive mixture 06.
  • Polarization before the introduction of the photoactive mixture 06 has the additional advantage that the applied nanodispersion can be sintered in such a way that a porous, but solid and polarizable framework is formed, in which the photoactive substance can be incorporated for the photoactive area 06.
  • the temperature of the sintering is low at about 100 ° C.
  • Hybrid nanocrystalline TiO 2 solar cells with a fluorine-thiophene copolymer as a sensitizer to hole conductor [SARO7B] R. Koeppe, O. Bossart.G. Calzaferri, NS Sariciftci, Solar Energy

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird lokal die Rekombination der Ladungsträger verringert und der Ladungsträgertransport zu den äußeren Elektroden (05, 07) hin verbessert, indem in den photoaktiven Bereich (06) elektrostatische Lokalfelder (02) inkorporiert werden, die Abmessungen im Bereich der Diffusionslänge (DL) und bevorzugt auch eine permanente, einstellbare Polarität in Richtung auf die äußeren Elektroden (05, 07) aufweisen. Hieraus resultiert eine Erhöhung der Stromdichte und der Klemmenspannung Voc der Solarzelle. Die elektrostatischen Lokalfelder (02) können insbesondere bei organischen Solarzellen (01) durch Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen (03) erzeugt werden. Anwendbar ist das erfindungsgemäße Prinzip bevorzugt bei Solarzellen ohne Raumladungszone, mit poly-/nanokristallinem Gefüge und/oder auf organischer Basis.

Description

BEZEICHNUNG
Solarzelle mit elektrostatischen Lokalfeldern im photoaktiven Bereich
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit zumindest einem photoaktiven Bereich organischer oder polykristalliner anorganischer Ausbildung und vorgegebener Diffusionslänge, in dem die Ladungsträger photogenerierter Ladungsträgerpaare durch elektrostatischen Feldeinfluss getrennt und in Richtung auf äußere Elektroden transportiert werden.
Das grundsätzliche Prinzip aller Solarzellen beruht auf der räumlichen Trennung von photogenerierten Ladungsträgerpaaren (Elektronen-Loch-Paare mit einer schwachen Bindung von Elektron und Loch bei anorganischen Solarzellen oder Exzitonen als Quasiteilchen mit einer starken Bindung von Elektron und Loch bei organischen Solarzellen) in einem photoaktiven Bereich durch elektrostatischen Feldeinfluss und bildet den Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung. Realisiert wird dieses Prinzip derzeit mit planaren und lateral makroskopisch ausgedehnten Solarzellen-Systemen unterschiedlicher Materialien (als Sandwichstrukturen aus Halbleitern für den schichtförmigen photoaktiven Bereich sowie metallischen Leitern für die äußeren Elektroden). Anorganische Solarzellen bestehen derzeit aus planaren anorganischen Halbleiterschichten mit unterschiedlichem Dotiergrad. Dadurch bildet sich ein pn-Übergang aus, in dessen Bereich die generierten Ladungsträger von der negativ dotierten (Überschusselektronen) Seite in die positiv dotierte (Defektelektronen bzw. Löcher) Seite diffundieren (und umgekehrt), sodass sich eine Raumladuπgszone mit elektrostatischem Feldeinfluss ausbildet, welcher die Elektronen-Loch-Paare trennt und als elektrischen Strom zu den äußeren Elektroden leitet. Auch organische Solarzellen verwenden eine Raumladungszone, nur wird in der Grundform anstelle des pn-Übergangs ein System unterschiedlicher Metalle für Front- und Rückelektrode verwendet (asymmetrische Elektroden in planarer makroskopischer Ausdehnung). Durch die unterschiedliche Austritts- arbeit von Front- und Rückelektrode entsteht wiederum ein elektrostatisches Feld über den photoaktiven Bereich hinweg. Eine Weiterentwicklung organischer Solarzellen umfasst die Verwendung zweier unterschiedlicher organischer Halbleiter: jeweils einen elektronenleitendes Polymer ("n-Leiter", Donator D) und ein löcherleitendes Polymer ("p-Leiter", Akzeptor A). An der photoaktiven Grenzfläche zwischen Donator und Akzeptor (DA-Phasengrenze), die bei einer Mischung aus Lösungen der Polymere lokal begrenzt ausgebildet ist, sodass dort lokale elektrostatische Felder erzeugt werden, tritt nun durch die lokalen elektrostatischen Felder eine - allerdings unkontrollierte - Dissoziation der Elektronen-Loch-Paare in Ladungsträger auf. Diese Ladungsträger werden dann unter dem elektrostatischen Feldeinfluss der beiden äußeren Elektroden auseinandergetrieben.
Grundsätzlich ist festzustellen, dass die photogenerierten Ladungsträgerpaare durch elektrostatischen Feldeinfluss getrennt und abgeleitet werden müssen, wobei dieser elektrostatische Feldeinfluss auf unterschiedliche Weise erzeugt werden kann (Raumladungszone beim pn-Übergang, lokales Feld bei DA- Phasengrenze, äußeres Feld durch Elektroden). Aus dem Stand der Technik ist dazu bekannt, dass das Vorsehen eines zusätzlichen äußeren elektrostatischen Felds, das global in weitere Entfernung von den Ladungsträger- paaren auf diese einwirkt, deren Trennung und den Transport der Ladungsträger unterstützen und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle verbessern kann. Der Stand der Technik zeigt, dass die Erzeugung eines zusätzlichen elektrostatischen globalen Felds, insbesondere auch durch den Einsatz von ferroelektrischen Elektrodenmaterialien, in den nachfolgend gewürdigten Anwendungen für modifizierte Realisierungen von Solarzellen eingesetzt wird. STAND DER TECHNIK
Die US 4.365.106 beschreibt eine MIS-Solarzelle (MIS - Metall-Isolator- Halbleiter-Struktur mit einem Halbleiter ohne pn-Übergang), welche die Polarität in einem ferroelektrischen Material als Funktion der Temperatur ausnutzt. In der MIS-Struktur ist dabei das ferroelektrische Material eine Isolatorschicht außerhalb des photoaktiven Bereichs, Sonneneinstrahlung bewirkt eine Änderung der Temperatur desselben. Dabei verändert sich die Oberflächenladung im ferroelektrischem Material („Pyroelektrizität"), was ein globales elektrisches Feld im Halbleiter induziert. Bei der Verwendung von anorganischen Halbleitern (z.B. Silizium) entsteht eine Inversionslage (und damit ein pn-Übergang), welche in oben beschriebener Weise die photogenerierten Ladungsträger trennt. Dabei steigt aber auch der Rekombinationsgrad an und die Elektronenwanderung wird in der isolierenden ferro- elektrischen Schicht behindert.
Die Rekombination der durch Lichteinwirkung entstandenen Ladungsträger- Paare ist ein wesentlicher Faktor, welcher zu einer Limitierung des Wirkungsgrades sowohl anorganischer als auch organischer Solarzellen führt. Deshalb zielt der Einsatz ferroelektrischer Materialien in der US 6.639.143 B2 vor allem auf die Verringerung der Rekombination ab und nutzt ebenfalls eine ferroelektrische Schicht außerhalb des photoaktiven Bereichs und damit des pn- Übergangs der Solarzelle. Es werden Solarzellen mit einer ferroelektrischen Schicht auf der Ober- oder Unterseite der Solarzelle beschrieben. Die ferroelektrische Schicht ist mit einer zusätzlichen Elektrode (z.B. aus AI) versehen. Diese so genannte „Poling-Elektrode" dient dabei der dauerhaften Polung des ferroelektrischen Materials. Der Abgriff der Photospannung erfolgt über vergrabene Elektroden. Die lateral makroskopisch aufgebrachte und polarisierte ferroelektrische Schicht bewirkt entweder an der Rück- oder Frontelektrode ein globales zusätzliches elektrostatisches Feld, was erstens der Rekombination der aus dem pn-Übergang anströmenden Ladungsträger an die Elektroden entgegenwirkt (Oberflächenpassivierung) und zweitens eine Erhöhung der Klemmenspannung (open-circuit -Voltage VOc) bewirkt. Außerdem kann die zusätzliche ferroelektrische Schicht (Schichtstärke 100-150 nm) als Antireflexionsschicht dienen, sodass insgesamt mehr Sonnenlicht in den pn-Übergang eindringen kann (Frontelektrode). Als Rückelektrode kann sie als Reflexionsschicht dienen, in Abhängigkeit von ihrer Dicke. Als ferroelektrische Materialien werden angegeben: BaTiO3, BST((Ba, Sr)TiO3), PZT ((Pb, Zr) TiO3), SBT ((SrBi2Ta2θ7), wobei aber auch organische Materialien nicht ausgeschlossen sind. Das angewendete Konzept stellt eine Modifikation des bekannten Konzepts der rückseitigen Feldpassivierung („rear surface field") dar. Dabei wird die Rückelektrode hoch dotiert, z.B. mit Aluminium. Es entsteht ein zusätzliches globales elektrostatisches Feld an der Rückelektrode, welches die Rekombination vermeidet und die Voc erhöht.
Gemeinsam ist den genannten Druckschriften ein schon bestehendes System einer Solarzelle, dem von außen mit einer zusätzlichen Elektrode ein globales elektrostatisches Feld aufgeprägt wird, um die Rekombination zu verringern.
Die Rekombination der Ladungsträgerpaare wirkt sich speziell bei organischen Solarzellen limitierend für den Wirkungsgrad aus. Grund dafür ist die niedrige Mobilität der Ladungsträger sowie die kurze Lebensdauer der Ladungsträger - Paare aufgrund der geringen Diffusionslänge derselben, sie liegt bei etwa 10 nm bis 20 nm. Neue Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei organischen Solarzellen umfassen die Modifizierung der verwendeten Materialien sowie auch eine Veränderung der Zellgeometrie. Theoretischen Berechnungen entsprechend ist ein Wirkungsgrad 10% für eine Bandlücke von 1.5eV bei organischen Solarzellen möglich [For05]. Für Modifizierungen seien beispielhaft genannt:
• Herstellung einer Transportschicht, die kleine Partikel (Größe 0,01 - 50 μm) enthält, welche den Ladungsträgertransport übernehmen [Perkola- tionsmechanismus, US 5965063 A]. • Eine Schicht enthält zwei oder mehr Arten von organischen Pigmenten, die verschiedene spektrale Charakteristika besitzen [JP 04024970 A].
• Eine Schicht enthält ein Pigment, das die Ladungsträger erzeugt, und zusätzlich ein Material, das die Ladungsträger abtransportiert [JP 07142751 A, GräO5].
• Polymerbasierende Solarzellen, die Kohlenstoffteilchen als Elektronenakzeptoren enthalten [US 5986206 A]
• Dotierung von Mischsystemen mit einer Zusatzkomponente zur Verbesserung der Transporteigenschaften in Mehrschichtsolarzellen. Bei der dritten Komponente handelt es sich um einen starken Akzeptor oder Donator („elektrische Dotierung") zur Erhöhung der Konzentration einer Ladungsträgersorte schon im thermischen Gleichgewicht [interpenetrierendes Netzwerk, DE 102 09 789 A1, Ara99]
• Hybridsysteme mit organischen und anorganischen Partikeln [MN05, RavO4]
• Antennensysteme mit farbstoffgefüllten Zeolithen [SarO7b]
• Tandemzellen können durch Verwendung von pin-Strukturen mit dotierten Transportschichten großer Bandlücke verbessert werden (pin: p- dotiert (p)-intrinsisch (i)-n-dotiert (n)) [WO 2004/083958 A2]
Weitere Ansätze nanoskopischer Art bezüglich organischer Solarzellen, betreffen die Einmischung von anorganischen Nanopartikeln als Streuzentren für das einfallende Licht oder die Herstellung von gut geordneten Nanoarrays von organischen und anorganischen Halbleitern [Realisierung beispielsweise mit Drähten aus TiO2, ZnO oder CdS, vergleiche Coa03, Coa05]. In solchen
Strukturen sind jedoch idealerweise alle Ladungsträger-Paare nahe genug an der DA-Phasengrenze, sodass der Elektronentransfer optimiert ist.
Die aufgezeigten Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrades sowohl anorganischer als auch organischer als auch elektrochemischer Solarzellen gehen somit auf eine Verringerung der Rekombinationsrate sowie eine erhöhte Klemmenspannung Voc zurück, einerseits innerhalb des photoaktiven Bereichs durch Vorsehen zusätzlicher Lichtabsorption oder Ladungsträger oder Transportpfade und andererseits außerhalb des photoaktiven Bereichs durch Vorsehen einer zusätzlichen äußeren (auch ferroelektrischen) Elektrode, welche durch ihre Polarität ein zusätzliches globales elektrostatisches Feld der ansonsten unveränderten Solarzellenstruktur aufprägt.
Bei der lokalen Verbesserung innerhalb der photoaktiven Schicht kommen jedoch nur nichtmonokristalline Solarzellen in Frage, die aufgrund der Struktur ihres photoaktiven Bereichs (polykristallin, amorph, partikulär, organisch, anorganisch) eine Implementation von zusätzlichen Komponenten erlauben, weil dadurch in der Regel eine Verkürzung der Diffusionslänge bewirkt wird. Auf diese Art von nichtmonokristallinen Solarzellen mit mittleren Wirkungsgraden bis in einen Bereich von 15% bezieht sich auch die vorliegende Erfindung. Dazu zählen beispielsweise polykristalline Silizium-Solarzellen mit einer Diffusionslänge im Bereich von 1 μm und einem von der Korngröße der Kristallite abhängigen Wirkungsgrad im Bereich von etwa 12%, Dünnschicht- Solarzellen auf Chalkogenbasis mit einer polykristallinen Absorberschicht (z.B. CulnS2, CulnSβ2) und einer Diffusionslänge im Bereich von 1 μm und einem von der Korngröße der Kristallite abhängigen Wirkungsgrad von maximall 5% und schließlich auch organische Solarzellen mit einer sehr geringen Diffusionslänge im Bereich von 10 nm bis 20 nm [JanO5], aber trotzdem einem Wirkungsgrad in einem Bereich von derzeit 5%
AUFGABENSTELLUNG
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende AUFGABE besteht in der Zuverfügungstellung einer zu den oben aufgezeigten bekannten Ansätzen zur Verbesserung der Ladungsträgertrennung durch elektrostatischen Feldeinfluss alternativen Modifikation einer Solarzelle der oben erläuterten Art zur Erzielung einer Verringerung der Rekombinationsrate und damit einer Vergrößerung der Klemmenspannung durch einen verbesserten Ladungsträgertransport zu den äußeren Elektroden. Dabei soll die alternative Modifikation besonders einfach in ihrem Aufbau, aber trotzdem effizient in ihrer Wirkung sein. Die erfindungs- gemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen der erfindungsgemäßen Solarzelle sind den Unteransprüchen zu entnehmen, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung im Einzelnen näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Solarzelle der gattungsgemäßen Art ist gekennzeichnet durch eine Inkorporation von elektrostatischen Lokalfeldern in den photoaktiven Bereich. Diese elektrostatischen Lokalfelder sind völlig unabhängig von den photogenerierten Ladungsträgerpaaren, werden aber in einer solchen Verteilung in die photoaktive Schicht eingebracht, dass sie auf die photogene- rierten Ladungsträgerpaare einwirken können und damit die Ladungsträgertrennung und -diffusion unterstützen können. Dazu weisen die inkorporierten Lokalfelder Abmessungen im Bereich der Diffusionslänge auf.
Die Erfindung stellt damit ein völlig neues physikalisches Konzept für organi- sehe und polykristalline anorganische Solarzellen mit Wirkungsgraden unterhalb 15% dar. Durch Inkorporation von permanenten elektrostatischen Lokalfeldern in den photoaktiven Bereich ist eine Steigerung der Effizienz möglich. Die Aufgaben der Ladungstrennung und des Ladungstransports werden von den inkorporierten elektrostatischen Lokalfeldern (mit-)über- nommen, sodass globale elektrostatische Felder, bei anorganischen Solarzellen durch pn-Übergänge erzeugte Raumladungszonen und/oder äußere Elektroden günstigstenfalls vollständig entfallen können. Dabei tritt eine Unterstützung durch die elektrostatischen Lokalfelder bereits schon dann auf, wenn diese keine gemeinsame Orientierung ihre Polaritäten aufweisen. Bereits eine Anordnung von Lokalfeldern mit völlig zufälliger, unterschiedlicher Polarität bewirkt eine Verbesserung der Ladungsträgertrennung und - Sammlung. Bei der Erfindung kann also durch die inkorporierten elektrostatischen Lokalfelder eine Trennung und Drift der Ladungsträger über den gesamten photoaktiven Bereich hinweg zu den äußeren Elektroden bewirkt werden, ohne dabei explizit auf eine vorhandene Raumladungszone angewiesen zu sein. Insbesondere für organische Solarzellen bietet sich mit der Erfindung daher die Möglichkeit an, mit der Einführung zusätzlicher elektrostatischer Lokalfelder die bisher benötigte Raumladungszone, welche durch äußere Elektroden aus unterschiedlichen Materialien und der resultierenden Austrittsarbeitsdifferenz entsteht, völlig zu ersetzen. Dadurch ergibt sich für organische Solarzellen eine freiere Materialwahl der eingesetzten Polymere, da keine Dotierung mehr benötigt wird, und der Elektroden, da keine unterschiedliche Austrittsarbeit mehr benötigt wird.
Bei organischen Solarzellen mit einer Mischung aus Polymerpartikeln unter- schiedlichen Leitungstyps (n -Leitung / Donatoren, p-Leitung / Akzeptoren) werden von den lokalen DA-Grenzflächen zwischen den Partikeln lokale elektrostatische Felder erzeugt, die zunächst die Trennung der Ladungsträger aus der starken Exzitonenbindung bewirken. Die getrennten Ladungsträger werden dann in der Raumladungszone zu den Elektroden transportiert. Auch hier können die erfindungsgemäß inkorporierten elektrostatischen Lokalfelder, die nicht an Ladungsträgerpaare gebunden sind, sowohl bei der Ladungsträgertrennung (zusätzlich unterstützend zu den lokalen elektrostatischen Felder der DA- Grenzflächen zwischen den Partikeln) als auch beim Ladungsträgertransport (zusätzlich zu einer vorhandenen Raumladungszone oder ausschließlich) agieren. Somit erfahren in Solarzellen vorhandene globale und/oder lokale elektrostatische Felder zumindest eine Unterstützung durch die erfindungsgemäß vorgesehenen elektrostatischen Lokalfelder, was auch als Optimierung bei bestehenden globalen und/oder lokalen elektrostatischen Feldern angesehen wird. Globale elektrostatische Felder können sogar ersetzt werden, d.h. vollständig entfallen. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle wird ebenfalls das Prinzip der Ladungsträgertrennung durch elektrostatischen Feldeinfluss genutzt, nunmehr aber auf lokaler Ebene im Dimensionsbereich der auftretenden Diffusionslänge der Ladungsträger im photoaktiven Bereich. Die Abmessungen der elektro- statischen Lokalfelder bzw. der diese bewirkenden Partikel (in der Regel handelt es sich dabei um den Durchmesser bei sphärischen Dipolen oder die große oder kleine Halbachse bei ellipsoiden Dipolen) sind im Bereich der Diffusionslänge der Ladungsträger im photoaktiven Bereich gewählt, damit sicher gewährleistet ist, dass die migrierenden Ladungsträger vor einer Rekombination von dem Einfluss des einen Lokalfeldes in den Einfluss des nächsten Lokalfeldes gelangen und dadurch weitertransportiert werden. Die Ladungsträger wandern dabei aber außerhalb der Lokalfelder, sodass es nicht zu einer Bindung kommt (Vermeidung des„Charge Trapping"-Effekts). Die Diffusionslänge liegt bei Solarzellen auf der Basis von polykristallinem Silizium im Bereich von einem 1 μm. Vorteilhaft weisen hier also die inkorporierten elektrostatischen Lokalfelder Abmessungen im Bereich von 10nm bis 100 nm auf. Da bei organischen Solarzellen diese Diffusionslänge nur im Bereich von 10 nm bis 20 nm liegt, sind die Abmessungen der Lokalfelder hier auch entsprechend auf einen Bereich von 10 nm bis 20 nm anzupassen. Auch mit diesen Abmessungen lassen sich elektrostatische Lokalfelder inkorporieren, z.B. BaTiO3 ist als Pulver mit Korngrößen im 10nm bis 20 nm-Bereich kommerziell verfügbar. Die organischen Ferroelektrika Poly(vinylidenfluorid) P(VDF) sowie Poly(vinyliden fluorid/trifluoroethylen), P(VDF-TrFE) lassen sich in organischen Lösungsmitteln auflösen und auf nanoskopischer Skala verteilen.
Die inkorporierten elektrostatischen Lokalfelder nach der Erfindung wirken nanoskopisch auf lokaler Skala, direkt in der photoaktiven Schicht der Solarzelle im Bereich der zu trennenden Ladungsträgerpaare, nicht aber als äußere Elektrode und damit nicht als Raumladungszone. Es werden zusätzliche elektrostatische Lokalfelder eingebaut, welche Dimensionen im Bereich der Diffusionslänge der Ladungsträger in der photoaktiven Schicht haben und dadurch die lokale Ladungsträgertrennung (Dissoziation der Dipole) und Migration unterstützen, im Wesentlichen also
• lokal die Rekombination der Ladungsträger verhindern bzw. verringern und
• den Ladungsträgertransport zu den äußeren Elektroden hin verbessern.
Hieraus resultiert eine Erhöhung der Stromdichte und der Klemmenspannung V0C der Solarzelle, also eine Steigerung des Wirkungsgrades, wenn dieser ohne Inkorporierung nicht zu hoch war. Hierbei handelt es sich also insbesondere um Solarzellentypen, welche aufgrund ihrer Mikrostruktur eine erhöhte Rekombinationsrate mit einem Wirkungsgrad von unter 15% (beispielsweise organische Solarzellen mit ungefähr 5% und polykristalline, anorganische Solarzellen mit ungefähren 10 %) aufweisen. Anwendbar ist das erfindungsgemäße Prinzip der Einführung elektrostatischer Lokalfelder somit bevorzugt bei
• Solarzellsystemen ohne Raumladungszone und/oder
• Solarzellsystemen mit poly-/nanokristallinem Gefüge und/oder • Solarzellsystemen auf organischer Basis
Bereits durch inkorporierte elektrostatische Lokalfelder ohne gemeinsame Polarität kann eine Steigerung des Wirkungsrades von Solarzellen erreicht werden. Für eine weitere Steigerung ist es vorteilhaft, wenn alle elektro- statischen Lokalfelder eine in ihrem Grad einstellbare, permanente Ausrichtung ihrer Polarität in Richtung auf die äußeren Elektroden aufweisen. Diese Maßnahme unterstützt vor allem einen weiter verbesserten Ladungsträgertransport. Bei der gemeinsamen Polung der inkorporierten Lokalfelder in Richtung auf die Elektroden kann durch den gewählten Grad der Polarität (Stärke, d.h. Winkel der Ausrichtung, Anzahl der ausgerichteten Lokalfelder) eine bestehende Raumladungszone sowohl unterstützt, aber auch kontrolliert und gezielt eingestellt werden. Durch die gezielte Einstellung der Ausrichtung der Polarität der elektrostatischen Lokalfelder kann somit eine Optimierung der Strom-Spannungscharakteristik und damit des Wirkungsgrades der Solarzelle erfolgen.
Es existieren alternative Möglichkeiten, in den photoaktiven Bereich elektrostatische Lokalfelder unabhängig von den Ladungsträgerpaaren zu inkorporieren. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen einer Inkorporation einer - nicht an Partikel gebundenen - abweichenden Ladungsverteilung (bevorzugt in anorganischen Strukturen mit polykristallinem Aufbau) und einer Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen (bevorzugt in organischen Strukturen). Vorteilhaft können in einem organischen photoaktiven Bereich die elektrostatischen Lokalfelder durch inkorporierte ferroelektrische Dipole erzeugt werden, die in Form einer homogenen Partikel-Beimischung (eindimensionaler Ansatz, feindisperse Partikelverteilung) in den photoaktiven Bereich in unmittelbarer Umgebung der photogenerierten Ladungsträgerpaare eingebracht sind. Weiterhin können die ferroelektrischen Dipole auch als ein- oder mehrlagige Schichteneinlagerung eingebracht werden (zweidimensionaler Ansatz). Dabei kann es sich - je nach Schichtdicke der photoaktiven Schicht - um eine, zwei oder mehrere parallele Schichten im Abstand der Diffusionslänge oder auch um einen Multischichtaufbau (Tandemansatz mit Schichteneinlagerung beiderseits des photoaktiven Bereichs) handeln.
Weiterhin können die inkorporierten ferroelektrischen Dipole als Träger der elektrostatischen Lokalfelder organischen oder anorganischen Typs sein. Die Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, dass Stoffe mit einem elektrischen Dipolmoment durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes ihre Richtung der spontanen Polarität permanent ändern, wobei die Polarität ander- oder umkehrbar ist, wenn ein elektrisches Feld mit geänderter oder umgekehrter Polarität angelegt wird. Die meisten Ferroelektrika sind anorganischer Natur und basieren auf lonenkristallen mit Perowskit-Struktur wie beispielsweise:
• Bariumtitanat BaTiO3 (Abkürzung: BTO)
• Blei-Zirkonat-Titanat Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) • Strontium-Titanat SrTiO3 (STO)
• Barium-Strontium-Titanat BaxSri-xTiO3 (BST)
Anorganische Ferroelektrika können als Nanodispersion entweder den photoaktiven organischen Substanzen in Lösung beigemischt oder vorher aufgebracht werden, um vorher polarisiert zu werden.
Wichtige organische Ferroelektrika sind
• Poly(vinylidenfluorid) (P(VDF)) oder
• das Kopolymer Poly(vinylidenfluorid/trifluoroethylen), P(VDFfTrFE).
Diese organischen Ferroelektrika sind in organischen Lösungsmitteln löslich und können daher dem photoaktiven organischen Material einfach in einer Lösung beigemischt werden (Blend). Durch die nanodisperse Zumischung wirken die zusätzlich eingeführten elektrostatischen Lokalfelder trennend direkt an den Phasengrenzen, also genau dort, wo eine mögliche Rekombination der Ladungsträger am wahrscheinlichsten ist, und nicht von außerhalb.
Auch bei einer Realisierung der elektrostatischen Lokalfelder durch ferro- elektrische Dipole kann eine einfache Beimischung ohne eine globale Ausrichtung der Polaritäten erfolgen. Ist aber eine globale, einstellbare
Polarität der elektrostatischen Lokalfelder gewünscht, so kann diese vorteilhaft mittels initiell oder dauerhaft vorgesehener Elektroden außerhalb des photoaktiven Bereichs erfolgen. Dabei kann es sich sowohl um die zur Ladungsableitung vorgesehenen Elektroden (Kontakte) als auch um eine Zusatzelektrode handeln, die ein globales elektrostatisches Feld gegenüber einer bereits vorhandenen Elektrode, beispielsweise bei einer einseitigen Kontaktierung, aufbaut. Das Vorsehen zweier Zusatzelektroden ist ebenfalls möglich. Insbesondere bei Verwendung von ferroelektrischen Dipolen können alle Lokalfelder durch einmaliges Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes permanent ausgerichtet werden (ferroelektrische Ausrichtung). Dabei ist die permanente Ausrichtung aber reversibel und kann durch Anlegen eines Feldes mit anderem Feldeinfluss verändert werden. Alternativ kann bei dem Einsatz von ferroelektrischen Dipolen aber auch eine ständige Beeinflussung der Lokalfelder von außen durch ein dauerhaftes elektrisches Feld zur Ausrichtung erfolgen.
Alternativ zur der oben beschriebenen direkten Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen in Partikelform können in einem photoaktiven Bereich mit polykristalliner anorganischer Struktur die elektrostatischen Lokalfelder auch durch kontrollierte Inkorporation von Oxiden mit fester Ladung oder Sauerstofffehlstellen oder Sauerstoffclustern erzeugt sein. Bei polykristallinen anorganischen Solarzellen, z. B. auf Siliziumbasis, tritt SiOx auf, das je nach Sauerstoffanteil sowohl positiv als auch negativ geladen sein kann. Analog dazu können auch positiv oder negativ geladene Sauerstofffehlstellen oder Cluster als Aggregate von geladenen Oxiden in einer Matrix aus Halbleiter- material implementiert sein. Auch hier kann wieder eine ungeordnete Polarität der Lokalfelder ohne eine gemeinsame globale Polarität vorgesehen sein. Ist aber eine gemeinsame Polarität gewünscht, so kann vorteilhaft die Ausrichtung der elektrostatischen Lokalfelder durch Vorsehen eines Gradienten in der Ladungsverteilung im gesamten photoaktiven Bereich erfolgen. Die Ladungs- träger folgen dann dem Ladungsgradienten außerhalb der elektrostatischen Lokalfelder, sodass durch die übergeordnete Polarität wiederum der Ladungsträgertransport verbessert wird. Derartige Gradienten in der Ladungsverteilung können beispielsweise durch Ionenimplantation, CVD (chemical vapor deposition) oder ALD (atomic layer deposition) erzeugt werden.
Weiterhin können bevorzugt auch kontrolliert eingebaute Gitterfehlpassungen oder Gitterdefekte zur Ausbildung elektrostatischer Lokalfelder genutzt werden. Bei der Gitterfehlpassung verändert sich durch Einbau von Fremdsubstanzen in den Wirtskristall, z.B. Si, durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten das Bandschema oder die lokale Austrittsarbeit, sodass ein elektrostatisches Lokalfeld erzeugt wird. Elektrisch geladene Gitterdefekte können gezielt mit Ionenimplantation, ALD oder CVD eingebaut werden. Auch hier kann wiederum eine Inkorporation ohne oder mit globaler Polarität erfolgen. Neben den organischen Solarzellen (mit ferroelektrischen Ladungen) ist auch für anorganische Solarzellen aus polykristallinem Silizium, bei denen die elektrostatischen Lokalfelder bevorzugt eine Dimension von einigen 100 nm überdecken, die Rekombinationsrate besonders an den Korngrenzen hoch, sodass hier zusätzlich eingebaute elektrostatische Lokalfelder die Trennung der Ladungsträgerpaare unterstützen und den Ladungsträgertransport über einen Gradienten in der Ladungsverteilung begünstigen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Solarzelle mit den inkorporierten elektrostatischen Lokalfeldern nach der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der schematischen, nicht maßstabsgerechten FIGUR näher erläutert. Diese zeigt im Querschnitt eine organische Solarzelle mit einer Partikelzumischung und allgemeinen Elektroden. Der beschriebene Ansatz bezieht sich sowohl auf organische als auch auf anorganische Solarzellen, wobei generell elektrostatische Lokalfelder zur Trennung der Ladungsträgerpaare und zum Transport der Ladungsträger eingebracht werden, d.h. es werden Lokalfelder mit einer übergeordneten gemeinsamen Polarität gezeigt. Wie weiter oben ausgeführt, können die Lokalfelder aber auch unterschiedlich orientierte Polungen aufweisen. Als erfindungsgemäßes Konzept für organische Solarzellen wird eine zusätzliche Ladungstrennung durch die Inkorporation von polarisierbaren Komponenten erreicht. Die Solarzelle wird in einem "low-cost" Ansatz aus organischen Lösungsmitteln, entweder vollorganisch oder in einem Hybridansatz organisch/anorganisch, hergestellt. Als organisches Ferroelektrikum kann das Kopolymer Poly(vinyliden fluoride/trifluoroethylen), P(VDF/TrFE) eingesetzt werden. Als anorganische und ferroelektrische Komponente können Nanodispersionen auf Perowskitbasis eingesetzt werden, zum Beispiel BaTiO3.
Die FIGUR 1 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für eine organische Solarzelle 01 (Lichteinfall von unten, siehe Pfeile) mit einer Inkorporation von elektrostatischen Lokalfeldern 02 durch Einbringen von ferroelektrischen Dipolen 03 und äußeren Elektroden 05, 07 zur Abführung der photo- generierten Ladungsträger.
Der allgemeine Aufbau der Solarzelle 01 umfasst ein Substrat 04, beispielsweise aus Glas oder Plastikfolie (Polyester, PET), welches mit einer optisch transparenten, aber elektrisch leitfähigen Frontelektrode 05 versehen ist. Diese kann anorganisch (Indium Zinn Oxid, ITO), aber auch organisch ausgebildet sein (Poly(3,4-ethylendioxythiophen): poly(styrensulfonat), "PEDOTPSS"). Diese kann, ganz im Sinne eines anzustrebenden "low-cost" Ansatzes, ebenfalls aus einer Lösung als dünner leitfähiger Film abgeschieden worden sein. Der schichtförmige photoaktive Bereich 06 besteht aus einem organi- sehen Gemisch von n- und p-leitenden Polymeren (n-Leiter/ p-Leiter), im gewählten Ausführungsbeispiel zum Beispiel
• C60/Phthalocyanin ,
• PCBM/P3HT (PCBM: phenyl-C61-butyric aeid methyl ester, P3HT: poly(3-hexylthiophen) und
• PCBM/MDMO-PPV (mit MDMO-PPV: (poly[2-methoxy-5-(3,7- dimethyloctyloxy)]-1 ,4-phenylenvinylen)
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die elektrostatischen Lokalfelder 02 durch Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen 03 erzeugt. Bei deren gewünschter gemeinsamer Polung durch eine äußere Feldaufprägung mittels der beiden äußeren, den Front- und Rückkontakt bildenden Elektroden 05, 07 werden die ferroelektrischen Dipole 03 in Richtung auf die äußeren Elektroden 05, 07 ausgerichtet (polarisiert, gepolt). Dabei kann die Polung der ferroelektrischen Dipole 03 im Verlauf der Präparation der Solarzelle 01 sowohl vor dem Einbringen des photoaktiven Bereichs 06 oder auch danach durchgeführt werden.
Die ferroelektrischen Dipole 03 sind die Verursacher der elektrostatischen Lokalfelder 02, welche im ausgerichteten Zustand zu einer weiteren Ladungstrennung beitragen. Denn nun trägt nicht nur die unterschiedliche
Austrittsarbeit der beiden Elektroden 05, 07 (im gewählten Ausführungsbeispiel besteht die Rückelektrode 07 aus einem Metall geringer Austrittsarbeit (z. B. AI) als die Frontelektrode 05 und wird im Vakuum aufgedampft) zum elektrostatischen Feldeinfluss (Raumladungszone) über den organischen photoaktiven Bereich 06 bei, sondern auch die zusätzlichen elektrostatischen Lokalfelder 02 der ferroelektrischen Dipole 03. Zusätzlich unterstützen die inkorporierten elektrostatischen Lokalfelder 02 auch die Ladungsträgertrennung und -diffusion im Bereich von elektrostatischen Lokalfeldern von DA- Phasenübergängen.
Die ferroelektrischen Dipole 03 können sowohl organischer als auch anorganischer Natur sein:
• organisches Ferroelektrikum: z.B. Poly(vinyliden fluorid) (P(VDF)) oder das Kopolymer Poly(vinylidene fluorid/trifluoroethylen), P(VDF/TrFE). Ist in organischen Lösungsmitteln löslich und kann daher dem organischen
Material zur Bildung des photoaktiven Bereichs 06 einfach beigemischt werden
• anorganisches Ferroelektrikum: Ferroelektrika auf Perowskitbasis (z.B. BaTiO3). Als Nanodispersion werden sie den photoaktiven organischen Substanzen zur Ausbildung des photoaktiven Bereichs 06 in Lösung beigemischt Die ferroelektrischen Dipole 03 können weiterhin folgendermaßen hergestellt werden:
• organisches Ferroelektrikum: Das Polymer wird in ultradünnen Schichten kleiner 100 nm mittels Spin coating aus Lösungen auf das
Substrat 04 aufgebracht und dann entweder vorher mit externen Elektroden oder nach dem Aufbringen des photoaktiven Bereichs 06 mit der Rückelektrode 07 polarisiert. Es entsteht beim Spincoaten von P(VDF/TrFE) ein poröser Film, welcher aber polarisierbar ist [siehe MulOδ, eine solche Struktur zeigt dort die Abbildung 3].
• anorganisches Ferroelektrikum: Diese sind als Nanodispersion (durchschnittliche Korngröße 20 nm, also genau in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektron-Loch-Paare im organischen Falle, verfügbar (beispielsweise BaTiO3, SrTiO3). Auch diese kann vor dem Einbringen des photoaktiven Gemisches als Film auf das Substrat 04, 05 aufgebracht werden. Die Nanodispersion ist entweder vor oder nach dem Einbringen des photoaktiven Gemisches 06 zu polarisieren. Eine Polarisierung vor dem Einbringen des photoaktiven Gemisches 06 hat zudem den Vorteil, dass die aufgebrachte Nanodispersion gesintert werden kann, derart, dass ein poröses, aber festes und polarisierbares Gerüst entsteht, in welchen die photoaktive Substanz für den photoaktiven Bereich 06 eingebracht werten kann. Die Temperatur des Sinterns ist dabei mit ungefähr 1000C gering. ZITIERTE LITERATUR
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Materials & Solar Cells 91 (2007) pp 986-995, „Advanced photon-harvesting concepts for Iow-energy gap organic solar cells" BEZUGSZEICHENLISTE
01 Solarzelle
02 elektrostatisches Lokalfeld
03 ferroelektrischer Dipol
04 Substrat
05 Frontelektrode
06 photoaktiver Bereich
07 Rückelektrode
08 Ladungsträgerpaar

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Solarzelle mit zumindest einem photoaktiven Bereich organischer oder polykristalliner anorganischer Ausbildung und vorgegebener Diffusionslänge, in dem die Ladungsträger photogenerierter Ladungsträgerpaare durch elektrostatischen Feldeinfluss getrennt und in Richtung auf äußere Elektroden transportiert werden,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Inkorporation von von den photogenerierten Ladungsträgerpaaren (08) unabhängigen, aber auf diese einwirkenden elektro- statischen Lokalfeldern (02) mit Abmessungen im Bereich der Diffusionslänge (DL) in den photoaktiven Bereich (06).
2. Solarzelle nach Anspruch 1 ,
GEKENNZEICHNET DURCH eine in ihrem Grad einstellbare, permanente Ausrichtung der Polarität aller elektrostatischen Lokalfelder (02) in Richtung auf die äußeren Elektroden (05, 07).
3. Solarzelle nach Anspruch 1 , GEKENNZEICHNET DURCH eine Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen (03) in einen photoaktiven Bereich (06) mit organischer Ausbildung.
4. Solarzelle nach Anspruch 3, GEKENNZEICHNET DURCH eine Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen (03) als homogene Partikel- Beimischung.
5. Solarzelle nach Anspruch 3,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Inkorporation von ferroelektrischen Dipolen (03) als ein- oder mehrlagige Schichteinlagerung .
6. Solarzelle nach Anspruch 3,
GEKENNZEICHNET DURCH eine organische Ausbildung der ferroelektrischen Dipole (03).
7. Solarzelle nach Anspruch 6,
GEKENNZEICHNET DURCH organische Nanopartikel aus Poly(vinyliden fluorid) (P(VDF)) oder aus Poly(vinyliden fluorid/trifluoroethylen) (P(VDF-TrFE)) als ferroelektrische Dipole (03).
8. Solarzelle nach Anspruch 3,
GEKENNZEICHNET DURCH eine anorganische Ausbildung der ferroelektrischen Dipole (03).
9. Solarzelle nach Anspruch 6,
GEKENNZEICHNET DURCH anorganische Nanopartikel aus BaTiO3 oder SrTiO3 als ferroelektrische Dipole (03).
10. Solarzelle nach Anspruch 3,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Ausrichtung der ferroelektrischen Dipole (03) durch initielle oder dauerhafte Aktivierung von Elektroden außerhalb des photoaktiven Bereichs (06). ^
22
11. Solarzelle nach Anspruch 1 ,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Inkorporation von Oxiden mit fester Ladung, Sauerstofffehlstellen, Sauerstoffclustern, Gitterfehlpassungen oder Gitterdefekten in einen photoaktiven Bereich (06) mit polykristalliner anorganischer Ausbildung.
12. Solarzelle nach Anspruch 11 ,
GEKENNZEICHNET DURCH
Ausrichtung der Polarität der elektrostatischen Lokalfelder (02) durch einen Gradienten in der Ladungsverteilung über den gesamten photoaktiven Bereich (06).
13. Solarzelle nach Anspruch 1 ,
GEKENNZEICHNET DURCH die Inkorporation der elektrostatischen Lokalfelder (02) neben weiterem elektrostatischem Feldeinfluss auf die photoaktive Schicht (06).
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