WO2011064330A1 - Organisches photoaktives bauelement mit kavitäts-schichtsystem - Google Patents

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WO2011064330A1
WO2011064330A1 PCT/EP2010/068308 EP2010068308W WO2011064330A1 WO 2011064330 A1 WO2011064330 A1 WO 2011064330A1 EP 2010068308 W EP2010068308 W EP 2010068308W WO 2011064330 A1 WO2011064330 A1 WO 2011064330A1
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WO
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layer system
photoactive
cavity layer
component according
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/068308
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolf-Michael Gnehr
Bert MÄNNIG
Christian Uhrich
Andre Weiss
Original Assignee
Heliatek Gmbh
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/87—Light-trapping means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention relates to an organic photoactive
  • Component especially an organic solar cell, with an electrode and a counter electrode and between the
  • Electrodes at least two separate photoactive
  • Layer systems characterized in that at least one further layer system (cavity layer system) is inserted, that the optical field distribution within the
  • cavity is understood in this patent application to refer to the optical field distribution within the device.
  • Organic solar cells consist of a sequence of thinner ones
  • Contacting can be effected by metal layers, transparent conductive oxides (TCOs) and / or transparent conductive polymers (PEDOT-PSS, PANI).
  • TCOs transparent conductive oxides
  • PEDOT-PSS transparent conductive polymers
  • a solar cell converts light energy into electrical energy.
  • the term photoactive also refers to the conversion of light energy into electrical energy.
  • solar cells do not directly generate free charge carriers by light, but excitons are first formed, ie electrically neutral excitation states (bound electron-hole pairs). Only in a second step, these excitons are separated into free charge carriers, which then contribute to the electrical current flow.
  • organic-based devices over conventional inorganic-based devices (semiconductors such as silicon, gallium arsenide) is the sometimes extremely high optical absorption coefficients (up to 2 ⁇ 10 5 cm -1 ), which offers the possibility of low material and material costs Energy expenditure to produce very thin solar cells. Further technological aspects are the low cost, the possibility of producing flexible large-area components on plastic films, and the almost unlimited possibilities of variation and the unlimited availability of organic chemistry.
  • n or p denotes an n- or p-type doping, which leads to an increase in the density of free electrons or holes in the thermal equilibrium state.
  • the n-layer (s) or p-layer (s) are at least partially nominally undoped and only due to the material properties (eg different
  • i-layer designates a nominally undoped layer (intrinsic layer).
  • One or more i-layers may in this case be layers of a material as well as a mixture of two materials (so-called interpenetrating networks or bulk heterojunction, M. Hiramoto et al., Mol., Cryst., Liq., Cryst., 2006, 444). pp. 33-40).
  • the light incident through the transparent base contact generates excitons (bound electron-hole pairs) in the i-layer or in the n- / p-layer. These excitons can only be separated by very high electric fields or at suitable interfaces. Stand in Organic Solar Cells
  • the separating interface can be between the p (n) layer and the i-layer or between two i-layers.
  • the electrons are now transported to the n-area and the holes to the p-area.
  • the transport layers are transparent or
  • Thin films certainly fulfill this criterion.
  • the use of monocrystalline organic materials is not possible and the production of multiple layers with sufficient structural perfection is still very difficult.
  • the i-layer is a mixed layer
  • the doped layers are used as injection layers at the interface to the contact materials in
  • these are designed as organic tandem solar cell or multiple solar cell. So it may be at the
  • this is designed as a pnipnipn tandem cell or multiple solar cell.
  • light traps are formed to increase the optical path of the incident light in the active system.
  • the light trap is realized by providing a doped wide-gap layer with a smooth interface with the i-layer and one periodically
  • microstructured interface to contact has.
  • the light trap is realized in that the component is constructed on a periodically microstructured substrate and the homogeneous function of the component, ie a short-circuit-free
  • Ultrathin components have an increased risk of forming local short circuits on structured substrates, such that ultimately the functionality of the entire component is jeopardized by such obvious inhomogeneity. This risk of short circuit is caused by the
  • Tandemsolarzellen Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990).
  • the tandem cell of Hiramoto et al. There is a 2nm thick gold layer between the two single cells. The task of this gold layer is for a good electrical connection between the two single cells to ensure: the gold layer causes an efficient
  • the gold layer absorbs like any thin layer
  • the gold layer should be as thin as possible, or in the best case completely eliminated.
  • Organic pin tandem cells are also known from the literature (DE 102004014046): The structure of such a tandem cell consists of two single-pin cells, the layer sequence "pin” being the sequence of a p-doped one
  • doped layer systems are preferably made
  • Materials / layers and they may also be partially or wholly undoped or location-dependent different doping concentrations or over a
  • tandem cell can also be a so-called inverted structure (eg nip tandem cell; act.
  • inverted structure eg nip tandem cell; act.
  • pin tandem cells An advantage of such a pin tandem cell is that the use of doped transport layers makes a very simple and simple process
  • the tandem cell has e.g. a pin-pin structure on (or also possible, for example, nipnip).
  • nipnip At the interface between the two pin sub-cells are each an n-doped layer and a p-doped layer, which form a pn system (or np system).
  • Tandem cells consists in the fact that both sub-cells should generate as much photocurrent as possible. Because highly efficient organic solar cells have a high internal
  • Tandem cells which are said to have high efficiency, include various absorber systems, i. the two subcells contain several different ones
  • the thicknesses of the layers can be limited by a variation of the thicknesses of the layers (as the different conditions for the individual absorbers usually can not be filled simultaneously with a set of layer thicknesses).
  • the aim of this overall optimization of the solar cells is not only the highest possible efficiency under the given light spectrum, but for the application optimization for maximum power generation over the entire year, i. a consideration of the course of the year of the light intensity and the light spectrum at the place of application (this also with regard to worldwide
  • This layer system is referred to below as
  • the cavity layer system or the cavity layer systems cause a subcell to be strengthened with regard to its absorption (in particular the subcell which is limited in its (useful) usable layer thickness due to insufficient charge carrier transport properties within the photoactive system) and / or a simple adaptation of single, tandem or multiple cells to the respective lighting spectrum of the application.
  • the component is a tandem or
  • the transparency of this mirror can be wavelength-dependent.
  • the light distribution within the component can be optimized depending on the wavelength and it can be achieved that the various absorbers in the sub-cells are in the highest possible field distribution of the wavelength range absorbed by them.
  • a cavity layer system is a metal layer system which is used to specifically change the optical field distribution within the organic solar cell.
  • a cavity layer system is partially transparent in that it is present only on a part of the solar cell surface.
  • a cavity Layer system for light of a certain polarization type transparent, while this cavity layer system reflects light of a different polarization.
  • Cavity layer system separated from the photoactive layer systems by at least one transport layer.
  • a cavity layer system is in direct contact with the photoactive layer system or is even located wholly or partly within the photoactive layer system.
  • such cavity layer systems can also be present between a plurality of or even all partial cells.
  • the cavity layer systems can all be the same.
  • the cavity layer systems can only differ by the thicknesses of the materials used.
  • two or more of the cavity layer systems may at least partially consist of different materials.
  • all cavity layer systems may consist in pairs at least partially of different materials.
  • Component consists of the cavity layer system of a metal layer, for example, but not limited to Au, Ag, Al, Cr, Ni, Co, Cu, Ti, etc.
  • the cavity layer systems consist of two or more different metal layers. This can be a pairwise or not a pairwise different combination.
  • the cavity layer systems form a grid.
  • the dimension of the lattice structuring may preferably be in the mm range, in the ym range or else in the wavelength range of the light.
  • the cavity layer systems form a metal grid, for example but not limited to Au, Ag, Al, Cr, Ni, Co, Cu, Ti, etc. ).
  • the cavity layer systems consist of bars or strips.
  • the thickness of the bars / strips or the distances between the bars / strips may preferably be in the mm range, in the ym range or else in the wavelength range of the light. In the latter case, the cavity layer system forms a linear polarization filter.
  • the cavity layer systems consist of metal rods or
  • Metal strips for example, but not limited to Au, Ag, Al, Cr, Ni, Co, Cu, etc.
  • the thicknesses and spacings of the bars or strips can be selected such that the cavity layer systems form a polarization filter.
  • the cavity layer systems consist of circles, triangles,
  • Polygons checkered surfaces or other geometric surfaces.
  • the cavity layer systems consist of metal layers which are circles, triangles, polygons, car-shaped surfaces or others
  • geometric metal surfaces but for example not limited to Au, Ag, Al, Cr, Ni, Co, Cu, etc.
  • the cavity layer systems consist of metal layers which form "banana structures.” In the case of the banana structures, both pointed ends are toward the active layer system
  • the field elevation therefore preferably takes place into the active layer system, which is particularly advantageous.
  • the cavity layer systems consist of metal structures, wherein the surfaces of the metal structures with an organic or inorganic insulator material, which is preferred
  • the cavity layer systems consist of a doped, partially doped or undoped metal oxide layer system.
  • the cavity layer systems consist of one, two or more different doped, partially doped or
  • the cavity layer systems consist of a doped, partially doped or undoped organic layer.
  • the organic material may be polymers, small ones
  • small molecules are non-polymeric organic molecules
  • Atmosphere and at room temperature in solid phase available.
  • these small molecules can also be photoactive, it being understood under photoactive that the molecules change their charge state upon incidence of light.
  • the organic materials used are at least partially polymers.
  • the cavity layer systems consist of two or more
  • the organic layer system can in this case consist of multilayers, mixed layers or
  • the cavity layer systems consist of a doped, partially doped or undoped layer of graphite, carbon nanotubes or graphenes. In a further embodiment of the component, the cavity layer systems consist of two or more
  • the cavity layer systems consist of a combination of two or more of the abovementioned materials.
  • the cavity layer systems consist of a material or a material system with a high dielectric constant. In a further embodiment of the component, the cavity layer systems consist of a material or a material system, which is a metamaterial.
  • a metamaterial is an artificially created structure whose permeability to electric and magnetic fields (permittivity s r and permeability ⁇ ⁇ ) has values that are not normally found in nature.
  • permeability to electric and magnetic fields permittivity s r and permeability ⁇ ⁇
  • Range - °° ⁇ n are examples of materials that do not absorb the light and are therefore particularly suitable for use according to the invention as a cavity layer system.
  • the material consists of a large number of juxtaposed electrical circuits with tiny capacitive and inductive components.
  • the Capacities come through one another
  • metallic conductor elements while the inductive elements are the conductor elements themselves.
  • these are nanostructures, mostly of gold or silver, embedded in glass and much smaller than the wavelength of the light.
  • the frequency range of a resonant structure can be increased by attenuation. At the same time, however, the damping leads to an undesirable increase in the power loss.
  • the cavity layer systems can also be made of a combination of the above-mentioned materials or structures (lattices, rods, strips, geometric shapes).
  • a further embodiment of the component contains, in addition to at least one cavity layer system, one or two transparent or partially transparent electrodes.
  • a further embodiment of the component contains at least one cavity layer system and the component is semitransparent.
  • the cavity layer systems can be installed in a pin tandem cell or pin multiple cell (or nip tandem cell or nip multiple cell).
  • the cavity layer systems may e.g. semitransparent and / or
  • the light trap is realized in that the component is constructed on a periodically microstructured substrate and the homogeneous function of the component whose
  • Short-circuit-free contacting and a homogeneous distribution of the electric field over the entire surface is ensured by the use of a doped wide-gap layer. It is particularly advantageous that the light passes through the absorber layer at least twice, which can lead to increased light absorption and thereby to improved efficiency of the solar cell.
  • This can be achieved, for example, (FIG. 8) in that the substrate has pyramid-like structures on the surface with heights (h) and widths (d) in the range from one to several hundred micrometers, respectively. Height and width can be chosen the same or different.
  • the pyramids can be constructed symmetrically or asymmetrically.
  • the light trap is realized in that a doped wide-gap layer has a smooth interface with the i-layer and a rough interface with the reflective contact.
  • interface can be defined by a periodic
  • Microstructuring can be achieved. Particularly advantageous is the rough interface when it reflects the light diffused, which leads to an extension of the light path within the photoactive layer.
  • the light trap is realized in that the component is built up on a periodically microstructured substrate and a
  • doped wide-gap layer a smooth interface with the i-layer and a rough interface to the reflective
  • the cavity layer systems consist of chiral materials.
  • Chiral materials are the materials that the
  • the cavity layer systems consist of fluorescent or phosphorescent materials.
  • the cavity layer system fluoresces in the larger wavelength range compared to its absorption (Stokes shift), i. the
  • Component can be changed, as well as the light vector, since the fluorescence and phosphorescence in all spatial directions goes ( Figure 1).
  • Phosphorescent materials are as follows:
  • BCzVB 1 4-bis [2- (3-N-ethylcarbazoryl) vinyl] benzene
  • Photoactive components according to the invention on curved surfaces such as concrete, tiles, clay, car glass, etc. used. It is advantageous that the organic solar cells according to the invention compared
  • Carriers such as films, textiles, etc. can be applied.
  • Photoactive components according to the invention applied to a film or textile, which on, with the
  • an adhesive such as
  • Need can be arranged on any surface. Thus, a self-adhesive solar cell can be generated.
  • Adhesion agent in the form of a Velcro connection.
  • Photoactive components of the invention used in conjunction with energy buffer or energy storage medium such as batteries, capacitors, etc. for connection to consumers or devices.
  • Photoactive components according to the invention used in combination with thin-film batteries.
  • the invention is based on some
  • FIGS. 1 to 6 are seen from above or below, ie the component lies flat in the paper plane
  • Fig. 1 is a schematic representation of the changed
  • FIG. 2 is a schematic representation of a plan view of a lattice structure of a cavity layer system
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a top view of a bar structure or strip structure of a cavity layer system
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a plan view of a circular structure of a cavity layer system
  • FIG. 5 is a schematic representation of a plan view of a triangular structure of a cavity layer system
  • FIG. 6 is a schematic representation of a plan view of a quadrangular structure of a cavity layer system
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a plan view of a caroidal structure of a cavity layer system
  • Fig. 8 is a schematic representation of the cross section of a device according to the invention with a
  • Adjacent spherical structures to the active layer Adjacent spherical structures to the active layer
  • FIG. 9 is a schematic representation of the cross section of a device according to the invention with a
  • FIG. 10 is a schematic representation of the cross section of a device according to the invention with a
  • FIG. 11 is a schematic representation of the cross section of a device according to the invention with a
  • FIG. 12 is a schematic representation of the cross section of a device according to the invention with a
  • FIG. 13 shows the schematic illustration of a structure of an exemplary photoactive component
  • 15 is a graphical representation of the measurement results of a device according to the invention.
  • the Kavticians ⁇ layer system as a lattice structure is performed.
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a lattice structure of the cavity layer according to the invention is shown.
  • the Kavticians ⁇ layer system is designed as a rod structure or stripe structure in plan view in Fig. 3.
  • the Kavticians ⁇ layer system in plan view in FIG. 4 is designed as a circular structure.
  • the cavity in another embodiment, the cavity
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a device according to the invention with a first
  • Charge carrier transport layer 1 an active layer 2 and a second charge carrier transport layer 3 shown.
  • the cavity layer system 4 is in a first
  • the first charge carrier transport layer 1 either as an electron transport layer (ETL) or
  • HTL hole electron transport layer
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a device according to the invention with a first Charge carrier transport layer 1, an active layer 2 and a second charge carrier transport layer 3 shown.
  • the cavity layer system 4 is arranged within the second charge carrier transport layer 3 in proximity to the active layer 2.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a device according to the invention with a first
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a device according to the invention with a first
  • Charge carrier transport layer 1 an active layer 2 and a second charge carrier transport layer 3 shown.
  • the cavity layer system 4 is arranged within the active layer 2 in the vicinity of the second charge carrier transport layer 3.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a device according to the invention with a first
  • Charge carrier transport layer 1 an active layer 2 and a second charge carrier transport layer 3 shown.
  • the cavity layer system 4 is in a first
  • the photoactive component according to the invention is microstructured and executed as shown in FIG. 13:
  • electrode e.g. ITO or metal (10 - 200nm)
  • electrode e.g. ITO or metal (10 - 200nm)
  • the photoactive component according to the invention has the following example structure:
  • Cavity layer system e.g.
  • Photoactive device as a pin tandem cell or pin multiple cell, wherein one or more transport layers are missing, the following example construction on:
  • Cavity layer system for example semitransparent and / or wavelength-dependent and / or polarization-sensitive
  • n- transport layer system 5.
  • Cavity layer system eg semitransparent and / or wavelength-dependent and / or polarization-sensitive
  • Cavity layer system for example semitransparent and / or wavelength-dependent and / or polarization-sensitive
  • the photoactive component according to the invention as a pin tandem cell or pin multiple cell, wherein at least one cavity layer system is located within one of the photoactive systems, has the following example structure:
  • n- transport layer system (can possibly be omitted)
  • p-transport layer system (can possibly be omitted)
  • n- transport layer system (can possibly be omitted)
  • p-transport layer system (may possibly also
  • the photoactive component according to the invention as a pin tandem cell or pin multiple cell, wherein at least one cavity layer system is located on one of the electrodes, has the following example structure:
  • Cavity layer system for example semitransparent and / or wavelength-dependent and / or polarization-sensitive
  • p-transport layer system (may possibly also
  • n- transport layer system (may possibly also
  • Cavity layer system for example semitransparent and / or wavelength-dependent and / or polarization-sensitive
  • the photoactive component according to the invention has the following example structure:
  • photoactive layer system 1 (absorbing predominantly in the short-wave spectral range)
  • photoactive layer system 2 (absorbing predominantly in the long-wave spectral range)
  • Cavity layer remain constant and the layer thicknesses of the transport systems varies.
  • the calculation of the absorbed photons in each layer was carried out according to the transfer matrix formalism, which is used to calculate the propagation of the incident light waves in multilayer media
  • Fig. 14 is an example of the result of a
  • FIG. 15 shows the measurement results of a previously described device according to the invention with a 6 nm cavity layer of silver (Ag).
  • the maximum current (Jsc) is 3.64 mA / cm 2
  • the no-load voltage (Voc) and the fill factor (FF) are also shown in the diagram of FIG. 15.
  • Electrode e.g. ITO or metal (10 - 200nm) HTL or ETL coating system (10 - 200nm) absorber mixing layer 1 (10 - 200nm)
  • Absorber mixture layer 2 (10 - 200nm)
  • HTL or ETL coating system (10 - 200nm) electrode e.g. ITO or metal (10 - 200nm)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein organisches photoaktives Bauelement, speziell eine organische Solarzelle, mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden mindestens zwei getrennte photoaktive Schichtsysteme dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Schichtsystem (Kavitäts-Schichtsystem) eingefügt wird, dass die optische Feldverteilung innerhalb des Bauelementes verändert.

Description

Organisches photoaktives Bauelement mit Kavitäts-
Schichtsystem Die Erfindung betrifft ein organisches photoaktives
Bauelement, speziell eine organische Solarzelle, mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den
Elektroden mindestens zwei getrennte photoaktive
Schichtsysteme dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Schichtsystem (Kavitäts-Schichtsystem) eingefügt wird, dass die optische Feldverteilung innerhalb des
Bauelementes verändert.
Der Begriff Kavität wird in dieser Patentanmeldung so verstanden, dass er sich auf die optische Feldverteilung innerhalb des Bauelementes bezieht. Durch den Einbau eines Kavitäts-Schichtsystems in das Bauelement wird die
Verteilung der Lichtintensität innerhalb des Bauelementes verändert, mit dem Ziel den Wirkungsgrad des photoaktiven Baulementes zu erhöhen. Seit der Demonstration der ersten organischen Solarzelle mit einem Wirkungsgrad im Prozentbereich durch Tang et al . 1986 [C.W. Tang et al . Appl . Phys . Lett. 48, 183 (1986)], werden organische Materialien intensiv für verschiedene
elektronische und optoelektronische Bauelemente untersucht. Organische Solarzellen bestehen aus einer Folge dünner
Schichten (typischerweise lnm bis Ιμιη) aus organischen
Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung aufgeschleudert werden. Die elektrische
Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen.
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu anorganische Solarzellen werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron- Loch-Paare) . Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluß beitragen.
Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2xl05 cm-1) , so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie.
Eine in der Literatur bereits vorgeschlagene
Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle besteht in einer pin -Diode [Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications" , PhD thesis TU-Dresden, 1999.] mit folgendem Schichtaufbau : 0. Träger, Substrat,
1. Grundkontakt, meist transparent,
2. p- Schicht (en) ,
3. i- Schicht (en) ,
4. n- Schicht (en) , 5. Deckkontakt. Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. Es ist allerdings auch möglich, dass die n-Schicht (en) bzw. p-Schicht (en) zumindest teilweise nominell undotiert sind und nur aufgrund der Materialeigenschaften (z.B. unterschiedliche
Beweglichkeiten) , aufgrund unbekannter Verunreinigungen (z.B. verbliebene Reste aus der Synthese, Zerfalls- oder Reaktionsprodukte während der Schichtherstellung) oder aufgrund von Einflüssen der Umgebung (z.B. angrenzende
Schichten, Eindiffusion von Metallen oder anderen
organischen Materialien, Gasdotierung aus der
Umgebungsatmosphäre) bevorzugt n-leitende bzw. bevorzugt p- leitende Eigenschaften besitzen. In diesem Sinne sind derartigen Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine nominell undotierte Schicht (intrinsische Schicht) . Eine oder mehrere i-Schichten können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke bzw. bulk-heterojunction; M. Hiramoto et al . Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, pp . 33-40) bestehen. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen (gebundene Elektron-Loch-Paare) . Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In Organische Solarzellen stehen
ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle Erfolg versprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Das Material, welches die
Elektronen aufnimmt, wird dabei als Akzeptor, und das
Material, welches das Loch aufnimmt, als Donator (oder
Donor) bezeichnet. Die trennende Grenzfläche kann zwischen der p- (n-) Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i- Schichten liegen. Im eingebauten elektrischen Feld der
Solarzelle werden die Elektronen nun zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet abtransportiert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transportschichten um transparente oder
weitgehend transparente Materialien mit großer Bandlücke (wide-gap) wie sie z.B. in WO 2004083958 beschrieben sind. Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien
bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich <450nm liegt, vorzugsweise bei <400nm.
Da durch das Licht immer erst Exzitonen erzeugt werden und noch keine freien Ladungsträger, spielt die
rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche eine kritische Rolle bei Organische Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss daher in einer guten organischen Solarzelle die
Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder
Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig.
Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht
handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der
Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der
Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die
Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin
vorhanden sind. Aus der US 5,093,698 ist die Dotierung organischer
Materialien bekannt. Durch Beimischung einer akzeptorartigen bzw. donatorartigen Dotiersubstanz wird die
Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in der Schicht erhöht und die Leitfähigkeit gesteigert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien in
elektrolumineszierenden Bauelementen verwendet. Ähnliche Dotierungsansätze sind analog auch für Solarzellen
zweckmäßig . Aus der Literatur sind verschiedene
Realisierungsmöglichkeiten für die photoaktive i-Schicht bekannt. So kann es sich hierbei um eine Doppelschicht (EP0000829) oder eine Mischschicht (Hiramoto, Appl .
Phys.Lett. 58,1062 (1991)) handeln. Bekannt ist auch eine Kombination aus Doppel-und Mischschichten (Hiramoto, Appl. Phys.Lett. 58,1062 (1991); US 6,559,375) . Ebenfalls bekannt ist, dass das Mischungsverhältnis in verschiedenen Bereichen der Mischschicht unterschiedlich ist (US 20050110005) bzw. das Mischungsverhältnis einen Gradienten aufweist. Weiterhin sind Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der
Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990); DE 102004014046) .
In einer bevorzugten Weiterbildung der oben beschriebenen Strukturen sind diese als organische Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle ausgeführt. So kann es sich bei dem
Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni , ip, pnip, pni , pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen handeln, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind (Kreuzkombinationen) .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der oben beschriebenen Strukturen ist diese als eine pnipnipn- Tandemzelle oder Mehrfachsolarzelle ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform sind Lichtfallen zur Vergrößerung des optischen Weges des einfallenden Lichtes im aktiven System ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine periodisch
mikrostrukturierte Grenzfläche zum Kontakt hat.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelements, also eine kurzschlussfreie
Kontaktierung und homogene Verteilung des elektrischen
Feldes über die gesamte Fläche, durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Ultradünne Bauelemente weisen auf strukturierten Substraten eine erhöhten Gefahr zur Bildung lokaler Kurzschlüsse auf, so dass durch eine solche offensichtliche Inhomogenität letztlich die Funktionalität des gesamten Bauelements gefährdet ist. Diese Kurzschlussgefahr wird durch die
Verwendung der dotierten Transportschichten verringert.
Aus der Literatur schon lange bekannt sind organische
Tandemsolarzellen (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990). In der Tandemzelle von Hiramoto et al . befindet sich eine 2nm dicke Goldschicht zwischen den beiden Einzelzellen. Die Aufgabe dieser Goldschicht besteht darin für eine gute elektrische Verbindung zwischen den beiden Einzelzellen zu sorgen: die Goldschicht bewirkt eine effiziente
Rekombination der Löcher aus der einen Teilzelle mit den Elektronen aus der anderen Teilzelle und bewirkt damit, dass die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind. Weiterhin absorbiert die Goldschicht wie jede dünne
Metallschicht (bzw. Metallcluster) einen Teil des
einfallenden Lichts. Diese Absorption ist in der Tandemzelle von Hiramoto ein Verlustmechanismus, da dadurch den
photoaktiven Schichten (H2Pc (metallfreies Phthalocyanin) / Me-PTC (N,N" -dimethylperylene-3, 4, 9, 10-bis (dicarboximide) in den beiden Einzelzellen der Tandemzelle weniger Licht zur Verfügung steht. Die Aufgabe der Goldschicht ist in dieser Tandemstruktur daher rein auf der elektrischen Seite.
Innerhalb dieser Konzeption sollte die Goldschicht möglichst dünn sein bzw. im besten Fall komplett wegfallen.
Weiterhin aus der Literatur bekannt sind organische pin- Tandemzellen (DE 102004014046) : Die Struktur solch einer Tandemzelle besteht aus zwei pin-Einzelzellen wobei die Schichtfolge „pin" die Abfolge aus einem p-dotierten
Schichtsystem, einem undotierten photoaktiven Schichtsystem und einem n-dotierten Schichtsystem beschreibt. Die
dotierten Schichtsysteme bestehen bevorzugt aus
transparenten Materialien, so genannten wide-gap
Materialien/Schichten und sie können hierbei auch teilweise oder ganz undotiert sein oder auch ortsabhängig verschiedene Dotierungskonzentrationen aufweisen bzw. über einen
kontinuierlichen Gradienten in der Dotierungskonzentration verfügen. Speziell auch sehr gering dotierte oder
hochdotierte Bereiche im Grenzbereich an den Elektroden, im Grenzbereich zu einer anderen dotierten oder undotierten Transportschicht, im Grenzbereich zu den aktiven Schichten oder bei Tandem- oder Mehrfachzellen im Grenzbereich zu der anliegenden pin- bzw. nip- Teilzelle, d.h. im Bereich der Rekombinationszone sind möglich. Auch eine beliebige
Kombination aus allen diesen Merkmalen ist möglich.
Natürlich kann es sich bei einer solchen Tandemzelle auch um eine sogenannte invertierte Struktur (z.B. nip-Tandemzelle ; handeln. Im Folgenden werden alle diese möglichen Tandemzellen-Realisierungsformen mit dem Begriff pin- Tandemzellen bezeichnet. Ein Vorteil einer solchen pin- Tandemzelle besteht darin, dass durch die Verwendung von dotierten Transportschichten eine sehr einfache und
gleichzeitig sehr effiziente Realisierungsmöglichkeit für die Rekombinationszone zwischen den beiden Teilzellen möglich ist. Die Tandemzelle weist z.B. eine pinpin-Struktur auf (oder auch z.B. möglich nipnip) . An der Grenzfläche zwischen den beiden pin-Teilzellen befinden sich jeweils eine n-dotierte Schicht und eine p-dotierte Schicht, die ein pn-System (bzw. np-System) bilden. In einem solchen
dotierten pn-System erfolgt eine sehr effiziente
Rekombination der Elektronen und Löcher. Die Stapelung von zwei pin-Einzelzellen ergibt damit direkt eine vollständige pin-Tandemzelle, ohne dass noch weitere Schichten benötigt werden. Speziell von Vorteil ist hier, dass keine dünnen Metallschichten mehr benötigt werden wie bei Hiramoto, um die effiziente Rekombination zu gewährleisten. Hierdurch kann die Verlustabsorption solcher dünnen Metallschichten komplett vermieden werden.
Das zentrale Problem bei der Effizienz-Optimierung von
Tandemzellen besteht darin, dass beide Teilzellen möglichst gleich viel Photostrom erzeugen sollen. Da hocheffiziente organische Solarzellen über eine hohe interne
Quanteneffizienz verfügen (fast alle Photonen werden in elektrischen Strom umgesetzt) bedeutet dies, dass beide Teilzellen möglichst gleich Licht (d.h. Anzahl an Photonen) des Sonnenspektrums absorbieren sollen. Falls nämlich eine Teilzelle mehr Licht absorbiert als die andere Teilzelle, so könnte die erstere eigentlich einen größeren Photostrom erzeugen als die zweite. Da in der Tandemzelle die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind, wird der Strom der Tandemzelle allerdings immer durch den geringeren Strom einer der beiden Teilzellen limitiert. Der potentiell größere Strom einer Teilzelle, die mehr Licht absorbiert, muß damit ungenutzt bleiben. Tandemzellen müssen daher so optimiert werden, dass beide Teilzellen möglichst viel Licht absorbieren und gleich viel Licht absorbieren. Die Ausbalancierung der Absorption kann z.B. über die
Variation der Dicken der beiden photoaktiven Schichtsysteme erfolgen. Eine weitere Möglichkeit bei pin-Tandemzellen besteht darin, durch die Variation der Dicken der
Transportschichten die photoaktiven Schichtsysteme in die Maxima der optischen Feldverteilung des Lichtes zu
platzieren (dies ist ebenfalls in DE 102004014046
beschrieben) .
Die Anpassungsmöglichkeiten durch diese beiden genannten Methoden sind allerdings beschränkt bzw. mit Verlust
verbunden: so kann z.B. in einer Tandemzelle eine Gleichheit der Absorption dadurch erreicht werden, indem bei der „besseren" Teilzelle die Dicke des photoaktiven Systems reduziert wird und diese Teilzelle damit weniger Licht, nämlich genauso viel wie die andere, absorbiert. Somit hat man zwar nominell die Tandemzelle optimiert, allerdings hat dies auch nur dazu geführt, dass die „schwächere" Teilzelle das Bauelement wiederum limitiert und das Potential der „besseren" nicht genutzt werden kann. Weiterhin müssen
Tandemzellen, die einen hohen Wirkungsgrad haben sollen, verschiedene Absorbersysteme beinhalten, d.h. die beiden Teilzellen enthalten mehrere verschiedene
Absorbermaterialien und absorbieren teilweise oder ganz in verschiedenen spektralen Bereichen des Lichts. Die
Verteilung der Absorptionsmaxima des Lichts innerhalb des Bauelementes ist aber abhängig von der Wellenlänge. Dies führt dazu, dass in diesem Fall die Optimierung der
Dünnschichtoptik für jeden einzelnen Absorber in jeder der beiden Tandemzellen sehr kompliziert ist und nur
eingeschränkt durch eine Variation der Dicken der Schichten erfolgen kann (da sich die verschiedenen Bedingungen für die einzelnen Absorber in der Regel nicht mit einem Satz von Schichtdicken gleichzeitig erfüllen lassen) .
Ein weiteres Problem für die Anwendung besteht darin, dass Solarzellen an verschiedenen Orten und unter verschiedenen Bedingungen eingesetzt werden sollen und damit das Spektrum des Lichts für verschiedene Anwendungen verschieden ist. So entspricht z.B. das Lichtspektrum für die Anwendungen auf Dächern sehr gut dem Standard-Sonnenspektrum AMI .5 (für Mitteleuropa) . Für Häuserfassaden integrierte Systeme in Städten (speziell innerhalb von engen Strassenschluchten) sind die Bedingungen allerdings bereits andere und
spätestens bei Indoor-Anwendungen hängt das zur Verfügung stehende Licht komplett von der künstlichen Lichtquelle ab. Das Problem hiermit ist, dass die gesamte Optimierung der Tandemzellen immer nur für ein spezielles Lichtspektrum erfolgen kann. Für die Anwendungen ist es damit wichtig eine einfache und für die Produktion praktische Möglichkeit zu haben die Tandemzellen an verschiedene Lichtspektren
anzupassen, ohne dass dafür für jede Anwendung der Aufbau der Tandemzelle stark geändert werden muss bzw. andere
Absorbermaterialien eingesetzt werden müssen.
Das Ziel dieser gesamten Optimierung der Solarzellen ist dabei nicht nur ein möglichst hoher Wirkungsgrad unter dem gegebenen Lichtspektrum, sondern für die Anwendung eine Optimierung hinsichtlich einer maximalen Stromerzeugung über den gesamten Jahresverlauf, d.h. eine Berücksichtigung des Jahresverlaufes der Lichtintensität und des Lichtspektrum am Ort der Anwendung (dies auch im Hinblick auf weltweite
Anwendungsmöglichkeiten) . Die obige Diskussion gilt natürlich genauso für
Dreifachsolarzellen und Solarzellen aus mehr als drei
Teilzellen .
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Optimierung der Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen dadurch gelöst, dass innerhalb zumindest einer Teilzelle oder zumindest zwischen zwei benachbarten Teilzellen zumindest ein Schichtsystem
eingefügt wird, dass die optische Kavität des Bauelementes verändert. Dieses Schichtsystem wird im Folgenden als
Kavitäts-Schichtsystem bezeichnet. Das Kavitäts- Schichtsystem bzw. die Kavitäts-Schichtsysteme bewirken dabei, dass eine Teilzelle hinsichtlich ihrer Absorption gestärkt wird (insbesondere die Teilzelle, die auf Grund von ungenügenden Ladungsträgertransporteigenschaften innerhalb des photoaktiven Systems in ihrer (sinnvoll) verwendbaren Schichtdicke limitiert ist) und/ oder ermöglicht eine einfache Anpassung von Einfach, Tandem- oder Mehrfachzellen an das jeweilige Beleuchtungsspektrum der Anwendung. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine Tandem- oder
Mehrfachstruktur .
Vorzugsweise wird dieses durch ein Schichtsystem erreicht, welches als teiltransparenter Spiegel funktioniert. Die Transparenz dieses Spiegels kann dabei wellenlängenabhängig sein. Hierdurch kann die Lichtverteilung innerhalb des Bauelementes wellenlängenabhängig optimiert werden und es kann erreicht werden, dass die verschiedenen Absorber in den Teilzellen sich in einer möglichst hohen Feldverteilung des von ihnen absorbierten Wellenlängenbereiches befinden.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei einem Kavitäts-Schichtsystem um ein Metallschichtsystem, welches dazu genutzt wird gezielt die optische Feldverteilung innerhalb der organischen Solarzelle zu ändern. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Kavitäts- Schichtsystem dadurch teiltransparent indem es nur auf einem Teil der Solarzellenfläche vorhanden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Kavitäts- Schichtsystem für Licht einer bestimmten Polarisationsart transparent, während dieses Kavitäts-Schichtsystem Licht einer anderen Polarisationsart reflektiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein
Kavitäts-Schichtsystem von den photoaktiven Schichtsystemen durch mindestens eine Transportschicht getrennt.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Kavitäts- Schichtsystem im direkten Kontakt mit dem photoaktiven Schichtsystem oder befindet sich sogar ganz oder teilweise innerhalb des photoaktiven Schichtsystems.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können auch zwischen mehreren oder auch allen Teilzellen solche Kavitäts-Schichtsysteme vorhanden sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können die Kavitäts-Schichtsysteme alle gleich sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können die Kavitäts-Schichtsysteme sich nur durch die Dicken der verwendeten Materialien unterscheiden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können zwei oder mehr der Kavitäts-Schichtsysteme zumindest teilweise aus verschiedenen Materialien bestehen.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können alle Kavitäts-Schichtsysteme paarweise zumindest teilweise aus verschiedenen Materialen bestehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsystem aus einer Metallschicht, beispielsweise aber nicht beschränkt auf Au, Ag, AI, Cr, Ni, Co, Cu, Ti, etc.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus zwei oder mehreren verschiedenen Metallschichten. Hierbei kann es sich um eine paarweise oder auch nicht paarweise verschiedene Kombination handeln .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bilden die Kavitäts-Schichtsysteme ein Gitter. Die Dimension der Gitterstrukturierung kann bevorzugt im mm-Bereich, im ym- Bereich oder auch im Wellenlängenbereich des Lichts liegen.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bilden die Kavitäts-Schichtsysteme ein Metallgitter, beispielsweise aber nicht beschränkt auf Au, Ag, AI, Cr, Ni, Co, Cu, Ti, etc . ) .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Stäben oder Streifen. Die Dicke der Stäbe/Streifen bzw. die Abstände zwischen den Stäben/Streifen kann bevorzugt im mm-Bereich, im ym-Bereich oder auch im Wellenlängenbereich des Lichts liegen. Im letzteren Fall bildet das Kavitäts-Schichtsystem einen linearen Polarisationsfilter.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Metallstäben oder
Metallstreifen, beispielsweise aber nicht beschränkt auf Au, Ag, AI, Cr, Ni, Co, Cu, etc..) . Die Dicken und Abstände der Stäbe bzw. Streifen können dabei so gewählt werden, dass die Kavitäts-Schichtsysteme ein Polarisationsfilter bilden. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Kreisen, Dreiecken,
Vielecken, karoförmigen Flächen oder anderen geometrischen Flächen .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Metallschichten, die Kreise, Dreiecke, Vielecke, karoförmige Flächen oder andere
geometrischen Metallflächen bilden, beispielsweise aber nicht beschränkt auf Au, Ag, AI, Cr, Ni, Co, Cu, etc.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Metallschichten, die „Bananenstrukturen" bilden. Bei den Bananenstrukturen sind beide spitzen Enden zum aktiven Schichtsystem hin
ausgerichtet. Die Feldüberhöhung findet also bevorzugt in das aktive Schichtsystem hinein statt, was besonders vorteilhaft ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus Metallstrukturen, wobei die Oberflächen der Metallstrukturen mit einem organischen oder anorganischen Isolatormaterial, welches bevorzugt
transparent ist, überzogen sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten Metalloxidschichtsystem.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einer, zwei oder mehreren verschiedenen dotierten, teilweise dotierten oder
undotierten Metalloxidschichten (hierbei kann es sich um eine paarweise oder auch nicht paarweise verschiedene
Kombination handeln) .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einer dotierten, teilweise dotierten oder undotierten organischen Schicht. Bei dem organischen Material kann es sich um Polymere, kleine
Moleküle oder um Kombinationen aus beiden handeln.
Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht-polymere organische Moleküle mit
monodispersen Molmassen zwischen 100 und 2000 verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden
Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Insbesondere könnend diese kleinen Molekülen auch photoaktiv sein, wobei unter photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteinfall ihren Ladungszustand ändern . In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den verwendeten organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus zwei oder mehreren
verschiedenen dotierten, teilweise dotierten oder
undotierten organischen Schichten (hierbei kann es sich um eine paarweise oder auch nicht paarweise verschiedene
Kombination handeln) . Das organische Schichtsystem kann hierbei aus Mehrfachschichten, Mischschichten oder
Kombinationen aus beiden bestehen.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einer dotierten, teilweise dotierten oder undotierten Schicht aus Graphit, Kohlenstoff- Nanoröhrchen oder Graphenen. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus zwei oder mehreren
verschiedenen dotierten, teilweise dotierten oder
undotierten Schichten aus Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphenen (hierbei kann es sich um eine paarweise oder auch nicht paarweise verschiedene Kombination handeln) .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einer Kombination von zweien oder mehreren der oben genannten Materialien.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einem Material oder einem Materialsystem mit einer hohen Dielektrizitätskonstante. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus einem Material oder einem Materialsystem, welches ein Metamaterial ist.
Ein Metamaterial ist eine künstlich hergestellte Struktur, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder ( Permittivität sr und Permeabilität μΓ) Werte aufweisen, die in der Natur üblicherweise nicht vorkommen. Von besonderem Interesse sind Metamaterialien mit reellen Brechzahlen im
Bereich -°° < n< 1. Diese Materialien absorbieren das Licht nicht und eignen sich daher besonders zur erfindungsgemäßen Verwendung als Kavitäts-Schichtsystem.
Metamaterialien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in ihrem Inneren speziell angefertigte mikroskopische
Strukturen aus elektrischen oder magnetisch wirksamen
Materialien aufweisen, die für die besonderen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind.
Die besondere Eigenschaft von Metamaterialien besteht darin, dass die zugehörigen Materialkonstanten εΓ und μΓ negative Werte annehmen können. Das bedeutet aus der Sicht der
Feldtheorie, dass
• das Feld der elektrischen Flussdichte (D-Feld) und das der elektrischen Feldstärke (E-Feld) sowie
• das Feld der magnetischen Flussdichte (B-Feld) und das Feld der magnetischen Feldstärke (H-Feld) einander entgegengesetzt gerichtet sind.
Bei den zugrundeliegenden Prozessen in Metamaterialien handelt es sich üblicherweise um Resonanzeffekte in
periodische Anordnungen von Leiterelementen. Vereinfacht betrachtet besteht das Material aus einer großen Anzahl nebeneinander angeordneter elektrischer Schwingkreise mit winzigen kapazitiven und induktiven Bauelementen. Die Kapazitäten kommen durch einander gegenüberstehende
metallische Leiterelemente zustande, während die induktiven Elemente die Leiterelemente selbst sind. Beispielsweise handelt es sich dabei um Nanostrukturen, meistens aus Gold oder Silber, die in Glas eingebettet werden und viel kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind.
Wie es bei Resonanzerscheinungen üblich ist, treten die gewünschten Effekte bei den Metamaterialien nur in einem sehr engen Frequenzbereich in Erscheinung. Den
Frequenzbereich einer resonanten Struktur kann man zwar grundsätzlich durch Dämpfung vergrößern. Die Dämpfung führt jedoch gleichzeitig zu einer unerwünschten Erhöhung der Verlustleistung .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können die Kavitäts-Schichtsysteme auch aus einer Kombinationen aus den oben genannten Materialien bzw. Strukturen (Gitter, Stäben, Streifen, geometrischen Formen) sein.
Eine weitere Ausführungsform des Bauelementes enthält neben mindestens einem Kavitäts-Schichtsystem noch eine oder zwei transparente oder teiltransparente Elektroden.
Eine weitere Ausführungsform des Bauelementes enthält mindestens ein Kavitäts-Schichtsystem und das Bauelement ist semitransparent .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes können die Kavitäts-Schichtsysteme in eine pin-Tandemzelle oder pin-Mehrfachzelle (bzw. nip- Tandemzelle bzw. nip- Mehrfachzelle) eingebaut sein. Hierbei können die Kavitäts- Schichtsysteme z.B. semitransparent und/oder
wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv sein. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch
Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen
kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorberschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise (Fig. 8) dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen (h) und Breiten (d) jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass eine dotierte wide-gap- Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat. Die rauhe
Grenzfläche kann beispielsweise durch eine periodische
Mikrostrukturierung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die rauhe Grenzfläche, wenn sie das Licht diffus reflektiert, was zu einer Verlängerung des Lichtweges innerhalb der photoaktiven Schicht führt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und eine
dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i- Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden
Kontakt hat.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus chiralen Materialien. Chirale Materialien sind Materialien die die
Polarisationsebene des Lichtes ändern. Allgemein ist ein Objekt chiral, wenn es keine Drehspiegelachse besitzt. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelementes bestehen die Kavitäts-Schichtsysteme aus fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Materialien. Das Kavitäts-Schichtsystem fluoresziert im größeren Wellenlängenbereich im Vergleich zu seiner Absorption (Stokes-Shift) , d.h. die
Intensitätsverteilung des Sonnenspektrums innerhalb des
Bauelementes kann verändert werden, sowie der Licht-Vektor, da die Fluoreszenz und Phosphoreszenz in alle Raumrichtungen geht (Fig.1) . Beispiele für organische fluoreszierende oder
phosphoreszierende Materialien sind wie folgt:
1.) blaue Emitter:
- Balq Bis- (2-methyl-8-quinolinolato) -4- (phenyl- phenolato) -aluminium- (III) - DPVBi 4, 4-Bis (2, 2-diphenyl-ethen-l-yl) -biphenyl
- Spiro-DPVBi 2 , 2 ' , 7 , 7 ' -tetrakis ( 2 , 2 -diphenylvinyl ) spiro- 9,9' -bifluorene
- Spiro-Anthracene 9, 10-bis ( 9, 9 x-spirobi [ 9H-fluorene] -2- yl) anthracene - DBzA 9, 10-Bis [4- (6-methylbenzothiazol-2- yl ) phenyl ] anthracene
- DSA-Ph 1-4-di- [ 4- (N, -di-phenyl ) amino ] styryl-benzene
- BCzVB 1, 4-Bis [2- (3-N-ethylcarbazoryl) vinyl] benzene
grüne Emitter - Alq3 ( 8-hydroxy-quinolinato) -aluminium
- C545T 2, 3, 6, 7-Tetrahydro-l, 1, 7, 7, -tetramethyl- 1H, 5H, 11H-10- (2- benzothiazolyl ) quinolizino- [ 9, 9a, lgh] coumarin
- TPPA 9, 10-Bis [N,N-di- (p-tolyl) -amino] anthracene
- DMQA Ν,Ν' - Dirnethyl-quinacridone
Ir (ppy) 3 fac tris (2-phenylpyridine) iridium
(als Dotand in TCTA 4 , 4 ' , 4 ' ' -tris (N-carbazolyl ) - triphenylamine)
3. ) rote Emitter :
- Rubren (5, 6, 11, 12) -Tetraphenylnaphthacene
- DCM (E) -2- (2- (4- (dimethylamino) styryl) -6-methyl- pyran-4-ylidene) malononitrile
- DCM2 4- (Dicyanomethylene) -2-methyl-6-julolidyl-9- 4H-pyran
- DCJT 4- (Dicyanomethylene) -2-methyl-6- (1, 1, 7, 7- tetramethylj ulolidyl- 9-enyl ) -4H-pyran
- DCJTB 4- (Dicyanomethylene) -2-tert-butyl- 6- (1,1, 7, tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl) - 4H-pyran
Ir (piq) 3 Tris ( 1-phenylisoquinoli-ne) iridium
Ir (MDQ) 2 (acac) Iridium (III) bis (2-methyldibenzo- [f,h]quinoxaline) (acetylacetonate) (beide als Dotand in alpha-NPB)
In einer weiteren Ausführungsform werden die
erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente auf gekrümmten Oberflächen, wie beispielsweise Beton, Dachziegeln, Ton, Autoglas, etc. verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäßen organischen Solarzellen gegenüber
herkömmlichen anorganischen Solarzellen auf flexiblen
Trägern wie Folien, Textilen, etc. aufgebracht werden können .
In einer weiteren Ausführungsform werden die
erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente auf eine Folie oder Textil aufgebracht, welche auf der, mit den
erfindungsgemäßen organischen Schichtsystem
gegenüberliegenden Seite ein Adhäsionsmittel, wie
beispielsweise einen Klebstoff aufweist. Dadurch ist es möglich eine Solarklebefolie herzustellen, welche nach
Bedarf auf beliebigen Oberflächen angeordnet werden kann. So kann eine selbsthaftende Solarzelle erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die
erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente ein anderes
Adhäsionsmittel in Form einer Klettverschlussverbindung auf.
In einer weiteren Ausführungsform werden die
erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente in Verbindung mit Energiepuffer bzw. Energiespeichermedium wie beispielsweise Akkus, Kondensatoren, etc. zum Anschluss an Verbraucher bzw. Geräte verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform werden die
erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente in Kombination mit Dünnfilmbatterien verwendet.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger
Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Es zeigen (Fig. 1 bis 6 sind von oben bzw. unten gesehen, d.h. das Bauelement liegt flach in der Papier-Ebene)
Fig. 1 eine schematische Darstellung der veränderten
Intensitätsverteilung des Sonnenspektrums innerhalb des Bauelementes, sowie des Licht-Vektos , wobei die Fluoreszenz und Phosphoreszenz in alle Raumrichtungen geht,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Gitterstruktur eines Kavitäts-Schichtsystems,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Stabstruktur bzw. Streifenstruktur eines Kavitäts- Schichtsystems ,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Kreisstruktur eines Kavitäts-Schichtsystems,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Dreiecksstruktur eines Kavitäts-Schichtsystems,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Viereckstruktur eines Kavitäts-Schichtsystems,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine karoförmige Struktur eines Kavitäts-Schichtsystems,
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem
Kavitätsschichtsystem aus Kugelstrukturen, wobei diese
Kugelstrukturen an die aktive Schicht angrenzen,
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem
Kavitätsschichtsystem aus Kugelstrukturen, wobei diese
Kugelstrukturen einen geringen Abstand zur aktiven Schicht haben,
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem
Kavitätsschichtsystem aus Kugelstrukturen, wobei diese Kugelstrukturen in die aktive Schicht hineinragen,
Fig. 11 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem
Kavitätsschichtsystem aus Kugelstrukturen, wobei diese
Kugelstrukturen vollständig in der aktiven Schicht
angeordnet sind,
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem
Kavitätsschichtsystem aus Bananenstrukturen, wobei diese Bananenstrukturen an die aktive Schicht angrenzen, in
Fig. 13 die schematische Darstellung einer Struktur eines beispielhaften photoaktiven Bauelements auf
mikrostrukturiertem Substrat, in
Fig. 14 eine graphische Darstellung von Simulations- ergebnissen eines erfindungsgemäßen Bauelements im Vergleich zu einem Standardbauelement und in
Fig.15 eine graphische Darstellung der Meßergebnisse eines erfindungsgemäßen Bauelements.
Ausführungsbeispiele : In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem als eine Gitterstruktur ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Gitterstruktur der erfindungsgemäßen Kavitätsschicht dargestellt . In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem in der Draufsicht in Fig. 3 als Stabstruktur bzw. Streifenstruktur ausgeführt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem in der Draufsicht in Fig. 4 als Kreisstruktur ausgeführt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts- Schichtsystem in der Draufsicht in Fig. 5 als
Dreiecksstruktur ausgeführt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts- Schichtsystem in der Draufsicht in Fig. 6 als
Viereckstruktur ausgeführt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts-
Schichtsystem in der Draufsicht in Fig. 7 als karoförmige Struktur ausgeführt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts-
Schichtsystem kugelförmig ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer ersten
Ladungsträgertransportschicht 1, einer aktiven Schicht 2 und einer zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 dargestellt. Das Kavitätsschichtsystem 4 ist in einer ersten
Ausführungsvariante im Grenzbereich der zweiten
Ladungsträgertransportschicht 3 zur aktiven Schicht 2 angeordnet. Zur Vereinfachung der Ansicht wurde auf die Darstellung der Elektrode und Gegenelektrode verzichtet. Die erste und die zweite Ladungsträgertransportschicht weisen dabei jeweils entgegengesetzte Präferenzen für den Transport von Defektelektronen und Elektronen auf. Entsprechend der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bauelements in pin- oder nip-Anordnung kann die erste Ladungsträgertransportschicht 1 entweder als Elektronentransportschicht (ETL) oder
Defektelektronentransportschicht (HTL) ausgeführt sein.
Gleiches gilt für die zweite Ladungsträgertransportschicht 3. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem kugelförmig ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer ersten Ladungsträgertransportschicht 1, einer aktiven Schicht 2 und einer zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 dargestellt. Das Kavitätsschichtsystem 4 ist dabei innerhalb der zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 in Nähe zur aktiven Schicht 2 angeordnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem kugelförmig ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer ersten
Ladungsträgertransportschicht 1, einer aktiven Schicht 2 und einer zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 dargestellt. Das Kavitätsschichtsystem 4 ist dabei im Grenzbereich zwischen der zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 und der aktiven Schicht 2 angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts¬ schichtsystem kugelförmig ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 11 ist eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer ersten
Ladungsträgertransportschicht 1, einer aktiven Schicht 2 und einer zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 dargestellt. Das Kavitätsschichtsystem 4 ist dabei innerhalb der aktiven Schicht 2 in Nähe zur zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 angeordnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kavitäts- Schichtsystem bananenförmig ausgeführt. In der dazugehörigen Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer ersten
Ladungsträgertransportschicht 1, einer aktiven Schicht 2 und einer zweiten Ladungsträgertransportschicht 3 dargestellt. Das Kavitätsschichtsystem 4 ist in einer ersten
Ausführungsvariante im Grenzbereich der zweiten
Ladungsträgertransportschicht 3 zur aktiven Schicht 2 angeordnet . In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße photoaktive Bauelement mikrostrukturiert und wie in Fig. 13 dargestellt ausgeführt:
1.) Bezeichnung Fig. 13: lym < d < 200ym lym < h < 1mm 11: Substrat
12: Elektrode; z.B. ITO oder Metall (10 - 200nm)
13: HTL oder ETL-Schichtsystem (10 - 200nm)
14: Absorbermischschicht 1 (10 - 200nm)
15: Absorbermischschicht 2 (10 - 200nm)
16: HTL oder ETL-Schichtsystem (10 - 200nm)
17: Elektrode; z.B. ITO oder Metall (10 - 200nm)
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das
erfindungsgemäße photoaktive Bauelement den nachfolgenden Beispielaufbau auf:
1.) Elektrode
2.) p-TransportSchichtSystem
3.) photoaktives Schichtsystem 1
4.) n- Transportschichtsystem
5.) Kavitäts-Schichtsystem (z.B.
semitransparent und/oder
wellenlängenabhängig und/oder
polarisationssensitiv) 6.) p-Transportschichtsystem
7. ) photoaktives Schichtsystem 2
8. ) n- Transportschichtsystem
9.) Elektrode
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das
erfindungsgemäße photoaktive Bauelement, als eine pin- Tandemzelle oder pin-Mehrfachzelle, wobei eine oder mehrere Transportschichten fehlen, den nachfolgenden Beispielaufbau auf :
1.) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) photoaktives Schichtsystem 1
4. ) Kavitäts-Schichtsystem (z.B. semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
5. ) p-Transportschichtsystem
6. ) photoaktives Schichtsystem 2
7. ) n- Transportschichtsystem
8. ) Elektrode
Oder :
1. ) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) photoaktives Schichtsystem 1
4. ) n- Transportschichtsystem 5. ) Kavitäts-Schichtsystem (z.B. semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
6. ) photoaktives Schichtsystem 2
7. ) n- Transportschichtsystem
8.) Elektrode
Oder :
1. ) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) photoaktives Schichtsystem 1
4. ) Kavitäts-Schichtsystem (z.B. semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
5. ) photoaktives Schichtsystem 2
6. ) n- Transportschichtsystem
7. ) Elektrode
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das
erfindungsgemäße photoaktive Bauelement, als eine pin- Tandemzelle oder pin-Mehrfachzelle, wobei sich mindestens ein Kavitäts-Schichtsystem innerhalb eines der photoaktiven Systeme befindet, den nachfolgenden Beispielaufbau auf:
1. ) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) Kombination aus photoaktives Schichtsystem 1 und Kavitäts-Schichtsystem (z.B.
semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
4. ) n- Transportschichtsystem (kann ggf. auch wegfallen)
5. ) p-Transportschichtsystem (kann ggf. auch wegfallen)
6. ) photoaktives Schichtsystem 2
7. ) n- Transportschichtsystem
8.) Elektrode
Oder :
1. ) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) photoaktives Schichtsystem 1
4. ) n- Transportschichtsystem (kann ggf. auch wegfallen)
5. ) p-Transportschichtsystem (kann ggf. auch
wegfallen)
6. ) Kombination aus photoaktives Schichtsystem 2 und Kavitäts-Schichtsystem (z.B.
semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
7. ) n- Transportschichtsystem
8. ) Elektrode In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße photoaktive Bauelement, als eine pin- Tandemzelle oder pin-Mehrfachzelle, wobei sich mindestens ein Kavitäts-Schichtsystem an einer der Elektroden befindet, den nachfolgenden Beispielaufbau auf:
1. ) Elektrode
2. ) Kavitäts-Schichtsystem (z.B. semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
3. ) p-Transportschichtsystem (kann ggf. auch
wegfallen)
4. ) photoaktives Schichtsystem 1
5. ) n- Transportschichtsystem
6. ) p-Transportschichtsystem
7. ) photoaktives Schichtsystem 2
8. ) n- Transportschichtsystem
9. ) Elektrode
oder :
1. ) Elektrode
2. ) p-Transportschichtsystem
3. ) photoaktives Schichtsystem 1
4. ) n- Transportschichtsystem
5. ) p-Transportschichtsystem
6. ) photoaktives Schichtsystem 2 7. ) n- Transportschichtsystem (kann ggf. auch
wegfallen)
8. ) Kavitäts-Schichtsystem (z.B. semitransparent und/oder wellenlängenabhängig und/oder polarisationssensitiv)
9. ) Elektrode
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das
erfindungsgemäße photoaktive Bauelement den nachfolgenden Beispielaufbau auf:
1.) Elektrode (ITO)
2. ) P- oder n-Transportschichtsystem
3. ) Fulleren-Schicht (C6o)
4. ) photoaktives Schichtsystem 1 (vorwiegend im kurzwelligen Spektralbereich absorbierend)
5. ) n- oder p-Transportschichtsystem
6. ) Kavitäts-Schichtsystem (Ag)
7. ) p-oder n-Transportschichtsystem
8. ) photoaktives Schichtsystem 2 (vorwiegend im langwelligen Spektralbereich absorbierend)
9. ) n- oder p-Transportschichtsystem
10. ) Elektrode (AI)
Ausgehend vom vorbeschriebenen Bauelement wurden
Simulationen durchgeführt, um die durch die beiden Subzellen generierte Gesamtstrommenge zu berechnen. Dabei wurden die Schichtdicken der photoaktiven Schichtsysteme und der
Kavitätsschicht konstant belassen und die Schichtdicken der Transportsysteme variiert. Die Berechnung der absorbierten Photonen in jeder Schicht erfolgte nach dem Transfer-Matrix- Formalismus, welcher zur Berechnung der Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen in Mehrschichtmedien mit
unterschiedlichen Absorptions- und Reflektionseigenschaften angewandt wird.
In der Fig. 14 ist beispielhaft das Ergebnis einer
Simulation dargestellt. Hierbei wird der Gesamtstrom durch den geringeren Strom beider Subzellen limitiert. Der Fig.14 kann dabei entnommen werden, dass ohne Kavitätsschicht in einem Vergleichsbauelement, welches den vorbeschriebenen Aufbau mit Ausnahme der Kavitätsschicht aufweist, ein maximaler Strom von 2,89 mA/cm2 erzielt wird.
In einem Bauelement mit Kavitätsschicht kann dagegen ein maximaler Strom von 3,48 mA/cm2 erzeugt werden. Der Zugewinn in der Gesamtstrommenge drückt sich direkt in einem Zugewinn in Effizienz aus, da Füllfaktor und Voc von Variation der Transportschichten unbeeinflusst sind.
In Fig. 15 sind die Meßergebnisse eines vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Bauelements mit einer 6 nm Kavitätsschicht aus Silber (Ag) dargestellt. Der maximale Strom (Jsc) beträgt hierbei 3,64 mA/cm2, die LeerlaufSpannung (Voc) und der Füllfaktor (FF) sind ebenfalls dem Diagramm der Fig. 15 zu entnehmen. Bezugszeichenliste Ladungsträgertransportschicht 1
aktive Schicht
Ladungsträgertransportschicht 2
Kavitätsschichtsystem
Substrat
Elektrode; z.B. ITO oder Metall (10 - 200nm) HTL oder ETL-Schichtsystem (10 - 200nm) Absorbermischschicht 1 (10 - 200nm)
Absorbermischschicht 2 (10 - 200nm)
HTL oder ETL-Schichtsystem (10 - 200nm) Elektrode; z.B. ITO oder Metall (10 - 200nm)

Claims

Patentansprüche
Photoaktives Bauelement mit organischen Schichten, bestehend aus einer Tandem- oder Mehrfachzelle, mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode, dadurch
gekennzeichnet, dass innerhalb zumindest einer Teilzelle oder zumindest zwischen zwei benachbarten Teilzellen zumindest ein Kavitäts-Schichtsystem angeordnet ist, dass die optische Feldverteilung innerhalb des Bauelementes verändert .
Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein Kavitäts-Schichtsystem wellenlängenabhängig ist.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kavitäts- Schichtsystem teiltransparent ist oder für Licht einer bestimmten Polarisationsart transparent ist, während dieses Kavitäts-Schichtsystem Licht einer anderen
Polarisationsart zumindest teilweise reflektiert.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kavitäts- Schichtsystem zumindest auf einem Teil der
Bauelementfläche vorhanden ist.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei zumindest einem Kavitäts-Schichtsystem um ein Metallschichtsystem handelt .
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kavitäts- Schichtsystem von den photoaktiven Schichtsystemen durch mindestens eine Transportschicht getrennt ist.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kavitäts- Schichtsystem im direkten Kontakt mit einem photoaktiven Schichtsystem ist oder es sich sogar ganz oder teilweise innerhalb eines photoaktiven Schichtsystems befindet.
8. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren oder auch allen Teilzellen des Bauelementes Kavitäts- Schichtsysteme angeordnet sind.
9. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kavitäts-
Schichtsysteme nur durch die Dicken der verwendeten Materialien unterscheiden.
0. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der
Kavitäts-Schichtsysteme zumindest teilweise aus
verschiedenen Materialien bestehen oder alle Kavitäts- Schichtsysteme paarweise aus verschiedenen Materialen bestehen .
1. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kavitäts- Schichtsystem aus einem Material oder einer Kombination von zweien oder mehreren der Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Metall; einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten
Metalloxidschichtsystem; einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten organischen Schichtsystem;
einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten organischen chiralen Schichtsystem; einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten fluoreszierenden Schichtsystem; einem dotierten, teilweise dotierten oder undotierten Schichtsystem aus Graphit, Kohlenstoff- Nanoröhrchen und/oder Graphenen; Metamaterial besteht.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Oberflächen der
Kavitäts-Schichtsysteme ein organisches oder anorganisches Isolatormaterial angeordnet ist, wobei das
Isolatormaterial vorzugswei ;e transparent ausgestaltet ist .
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bi£ 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kavitäts- Schichtsystem aus einer Struktur ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Gitter, Stäben, Streifen, Kreisen, Dreiecken, Vielecken, karoförmigen Flächen, Bananen oder anderen geometrischen Strukturen oder
Kombinationen aus diesen besteht.
Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kavitäts- Schichtsystem aus einem Material oder einem Materialsystem mit einer hohen Dielektrizitätskonstante oder einem
Metamaterial besteht.
15. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement noch eine oder zwei transparente oder teiltransparente Elektroden enthält oder das Bauelement semitransparent ist.
16. Organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Bauelement um eine pin-Tandemzelle oder pin-Mehrfachzelle (bzw. nip- Tandemzelle bzw. nip-Mehrfachzelle) handelt.
17. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Strukturierung aufweist.
18. Verwendung eines photoaktiven Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 auf ebenen, gekrümmten oder flexiblen Trägerflächen.
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