WO2011161108A1 - Photoaktives bauelement mit mehreren transportschichtsystemen - Google Patents

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WO2011161108A1
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counter electrode
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photoactive
layer system
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Christian Uhrich
Bert MÄNNIG
Martin Pfeiffer
Gregor Schwartz
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Heliatek Gmbh
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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Definitions

  • the invention relates to a photoactive component with organic layers, with an electrode and a
  • Counterelectrode and between the electrodes at least two photoactive layer systems and between the photoactive layer systems at least two different
  • a layer system consists of one or more layers, wherein the respective layers can be single layers or mixed layers
  • transport layer system is defined as follows: A transport layer system is a
  • Layer system which preferably transports a type of charge carrier (electron: n transport layer system, holes: p transport layer system).
  • Transport layer system contributes to a solar cell by absorbing light less than 5 ⁇ 6
  • Short-circuit photocurrent at, preferably less than 2%.
  • Transport Layer Systems "defined as follows: Two Transport layer systems are different if at least one material is contained in only one of the two transport layer systems. If this material is a dopant, then the transport layer systems are different if a different dopant is contained in each transport layer system.
  • charge carrier type refers to electrons and holes In this sense, two transport layer systems are of the same charge carrier type if they both preferentially conduct electrons or both preferentially holes.
  • transparent is defined as follows: A material or a material film or a
  • Transport Layer system is transparent if at least one of the following conditions is true:
  • Transport layer system is> 2.5eV, preferably> 3.0eV.
  • Transport layer system has a transparency of> 70% in
  • Wavelength range from 400 nm to 900 nm, preferably> 80% or> 90%, very preferably> 95%.
  • Transport layer system has an extinction coefficient ⁇ , which does not exceed the value of 0.5xl0 5 cm -1 in the wavelength range between 450nm and 800nm, and / or
  • Transport layer system has an absorption index k, which in the wavelength range between 450nm and 800nm the value 0.1 does not exceed (another term for k is also optical constant: the two optical constants are usually denoted by n and k).
  • Transport layer system has a larger optical band gap than the photoactive layer system (in the sense of
  • Transparent organic materials are also referred to in the literature as wide-gap materials.
  • HOMO hydroxy-butane
  • LUMO LUMO
  • the terms “HOMO” and “LUMO” are understood as commonly used in chemistry as the highest occupied molecular orbital and lowest unoccupied molecular orbital. The term refers to both individual molecules and on
  • Energy layers of HOMO and LUMO can be used as known to those skilled in the art, e.g. via cyclic voltammetry (CV) or
  • Ultra violet photoelectron spectroscopy (ultraviolet photon spectroscopy UPS).
  • transport energy level position is defined as follows: The transportation energy level position of a
  • Transport layer system is the energetic position of the HOMO, if it is a p-transport layer system, and is the energetic position of the LUMO, if it is a n-transport layer system.
  • the term "energetically adapted” is defined as follows: A transport layer system, which preferably conducts electrons (n-type conductor), is linked to a photoactive one
  • the energy level of the LUMO of the transport layer system can be up to a maximum of 0.5eV above the
  • the energy level positions of the LUMOs can only increase by 0.3eV
  • a transport layer system which preferentially conducts holes (p-type) is energetically adapted to a photoactive layer system when the energy level of the HOMO of the transport layer system is less than 0.5eV from the energy level of the HOMO of the donor material
  • the energy level of the HOMO of the transport layer system can be as much as 0.5 eV above the energy level of the HOMO of the donor material of the photoactive layer system as well as a maximum of 0.5 eV below. If several donors are contained in the photoactive layer system, then that donor material is crucial, which has the highest energy HOMO.
  • the energy level positions of the HOMOs can only be around 0.3eV
  • Adaptation therefore takes place in such a way that a material is selected and used which has the desired position of the energy levels of the HOMO or LUMO. Furthermore, e.g. by the incorporation of electron-withdrawing or
  • the HOMO and LUMO levels of organic materials are lowered or increased and thus the adaptation of a material according to the requirements.
  • well-dopable is defined as follows: A hole transport material (p-transport material) or a hole transport layer system (p-transport layer system) is said to be well-dopable if the energy level of its HOMO is greater than or equal to
  • the energy level of the HOMO is in the range of -5.2eV to -4.9eV. Analog becomes one
  • Electron transport material n-transport material or an electron transport layer system (n-transport layer system) referred to as well dopable, if the energy level of the LUMOs is less than or equal to -3.0eV.
  • the term "smaller” here refers to the numerical value, i. -3, leV is smaller (lower) than -3.0eV.
  • the energy level of the LUMO is in the range of -3.5eV to -4.5eV.
  • 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. in the
  • Organic solar cells generated by the light is not directly free charge carriers, but it is initially formed
  • 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-type layer (s) or p-type layer (s) are at least partially nominally undoped and only due to the material properties (e.g.
  • Ambient atmosphere preferably n-conductive or preferably p-conductive properties.
  • such layers are primarily to be understood as transport layers.
  • the term i-layer designates a nominally undoped layer (intrinsic layer).
  • one or more i-layers may comprise layers both of one material and of a mixture of two materials (so-called interpenetrating networks or bulk-heterojunctions, 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 may 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
  • Photoactive i-layer can be a double layer (EP 0000829) or a mixed layer (Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991)). Also known is a
  • organic pin tandem cells (DE 10 2004 014 046): The structure of such a tandem cell consists of two single-pin cells, wherein the layer sequence "pin” the sequence of a p-doped
  • doped layer systems are preferably made transparent materials, so-called wide-gap materials / layers, and they may also be partially or wholly undoped or location-dependent different doping concentrations or over a
  • tandem cell may also be a so-called inverted structure (e.g., nip tandem cell).
  • inverted structure e.g., nip tandem cell
  • Tandem cell implementation forms with the term pin tandem cells called.
  • small molecules are non-polymeric organic molecules
  • these small molecules can also be photoactive, which is understood to mean photoactively that the molecules change their charge state when exposed to light.
  • absorber systems Also referred to as absorber systems or
  • Transport layer system of a charge carrier type is used.
  • the disadvantage of this is that this is a transport layer system both energetically good at
  • Transport layer systems instead of the previously used a transport layer system is of great technical importance.
  • the entire transport layer area between the photoactive layer systems has several functions
  • Transport layer systems of the same charge carrier type can be used.
  • the object of the present invention is therefore to provide an organic photoactive component, which overcomes the disadvantages indicated.
  • Multiple cell has an electrode and a counter electrode and between the electrodes at least one organic layer system and further at least two photoactive layer systems and between the photoactive layer systems at least two different
  • Transport layer systems of the same charge carrier type wherein the one transport layer system is energetically adapted to one of the two photoactive layer systems and the other transport layer system is made transparent.
  • the one transport layer system is energetically adapted to one of the two photoactive layer systems and the other transport layer system is made transparent.
  • a conductivity> lxlO "6 S / cm and / or is doped.
  • both are adjacent
  • Transport layer systems directly to each other and / or both are transparent.
  • one or both transport layer systems consist of at least one organic material.
  • the first transport layer systems consist of at least one organic material.
  • Transport layer systems made of organic materials.
  • one or both transport layer systems have a high intrinsic
  • the term intrinsic here means nominally undoped, i. is the intrinsic mobility of the charge carriers of a material
  • At least one transport layer system is energetically adapted to one of the two photoactive layer systems: a
  • Transport layer system which preferably conducts electrons (n-type conductor), is connected to a photoactive layer system
  • the energy level of the LUMO of the transport layer system can be both a maximum of 0.5 eV above the energy level of the LUMO of the acceptor material of the photoactive layer system and also a maximum of 0.5 eV below. If several
  • the acceptor material that has the lowest energy LUMO is decisive.
  • the energy level positions of the LUMOs can also differ by only 0.3 eV, more preferably also only by 0.2 eV or only by 0, 10 eV, or they can be almost identical.
  • a transport layer system which preferentially conducts holes (p-type) is energetically adapted to a photoactive layer system when the energy level of the HOMO of the transport layer system is less than 0.5eV from the energy level of the HOMO of the donor material
  • the energy level of the HOMO of the transport layer system can be both at most 0.5 eV above the energy level of the HOMO of the donor material of the photoactive layer system and also at a maximum of 0.5 eV below. If several donors are contained in the photoactive layer system, then that donor material is crucial, which has the highest energy HOMO.
  • the energy level positions of the HOMOs can only be around 0.3eV
  • the energy level of the LUMO of an n-transport layer system is nearly or exactly the same as the energy level of the LUMO of the acceptor material of the photoactive layer system.
  • This particular embodiment has the advantage that the electrons barrier-free leave the photoactive layer system and no loss occurs in the open circuit voltage of the device.
  • the energy level is of the LUMO of an n-transport layer system (n-conductor) by a maximum of 0.5eV, preferably a maximum of 0.3eV, more preferably a maximum of 0.2eV or 0, leV or 0.05eV lower than that
  • This special embodiment has the advantage that the electrons energetically preferentially reach the deeper LUMO of the n-transport layer system and thus the electrons are transported away efficiently.
  • the energy level of the LUMO of an n-transport layer system is at most 0.5eV, preferably at most 0.3eV, more preferably at most 0.2eV or 0, leV or 0.05eV higher than that
  • This special design has the advantage that due to the higher LUMO of the n-
  • Transport layer system the built-in field within the solar cell is larger and the electrons are thus efficiently removed.
  • the energy level of the HOMO of a p-transport layer system is nearly or exactly the same as the energy level of the HOMO of the donor material of the photoactive layer system.
  • This special design has the advantage that the holes barrier-free can leave the photoactive layer system and no loss occurs in the open circuit voltage of the device.
  • the energy level of the HOMO of a p-type transport layer system is at most 0.5 eV, preferably at most 0.3 eV, very preferably at most 0.2 eV or 0, 16 V or 0.05 eV lower than that Energy level of the HOMO of the donor material of the photoactive coating system.
  • This special design has the advantage that the built-in field inside the solar cell is larger due to the deeper HOMO of the p-transport layer system and the holes are thus efficient
  • the energy level of the HOMO of a p-type transport layer system is at most 0.5eV, preferably at most 0.3eV, more preferably at most 0.2eV or 0, leV or 0.05eV higher than that
  • This special design has the advantage that the holes energetically preferentially reach the higher HOMO of the p-transport layer system and thus the holes are transported away efficiently.
  • one or both transport layer systems are single layers or
  • Has gradients and / or the doping within the layer has different concentrations.
  • the two are
  • Transport layer systems doped with various dopants.
  • Transport layer system of the other charge carrier type available.
  • two more are between the photoactive layer systems Transport layer systems of the other charge carrier type present, wherein the one transport layer system is energetically adapted to the other (compared to the transport layer system) photoactive layer system and the second
  • Transport layer system is transparent.
  • one or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the two or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the two or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the two or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the two or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the two or both of the further transport layer systems are designed as single or mixed layers. Furthermore, the
  • Transport layer systems undoped, partially doped or completely doped, wherein the doping has a gradient or the doping varies spatially and / or the transport layer systems are doped with different dopants.
  • one or more further undoped, partially doped or completely doped ones are present between the photoactive layer systems
  • Metals, metal oxides, salts or a conductive oxide present.
  • different materials are present in at least two photoactive layer systems.
  • the photoactive absorber Preferably, the photoactive absorber
  • Counterelectrode at least two transport layer systems present, wherein the one transport layer system is energetically adapted to the respective photoactive layer system, wherein the second transport layer system transparent
  • Counterelectrode at least three transport layer systems present, wherein the one transport layer system is energetically adapted to the respective photoactive layer system, the second transport layer system is transparent and the third transport layer system is energetically adapted to the electrode or counter electrode.
  • Component existing transport layer systems executed independently as single layers or mixed layers or consisting of nanoclusters. Furthermore, the
  • Transport layer systems made transparent or semi-transparent. These may be undoped, partially doped or completely doped, the doping a
  • the transport layer systems may be more highly doped at the electrodes or in a region up to 30 nm away from the electrodes and / or the
  • Transport layer systems can be doped with different dopants.
  • the component consists of a tandem or multiple cell.
  • the component preferably consists of a combination of nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin or pipn structures, where multiple independent
  • Combinations containing at least one i-layer stacked on top of each other are possible.
  • Component further have the following layer sequences
  • Electrode / nippnipppp / counter electrode Electrode / pinpipe / counterelectrode electrode / nipnnipppp / counterelectrode electrode / pinspinned / counterelectrode
  • An electrode / p structure thus becomes an electrode / n / p structure or an electrode / n structure becomes a
  • Electrode / p / n structure These conversion contacts can be present both at the electrode and at the counterelectrode.
  • the conversion contact can also consist of several transport layer systems, for example: electrode / nnp
  • electrode / nnnnippppnnnnipppp / counter electrode can be extended analogously with conversion contacts as follows:
  • a p-doped layer is present between the first electron-conducting layer (n-layer) and the electrode located on the substrate, so that it is a pnip or pni structure, preferably the doping is chosen so high that the direct pn contact has no blocking effect, but it comes to low-loss recombination, preferably through a tunneling process.
  • a p-doped layer may still be present in the component between the first photoactive i-layer and the electrode located on the substrate, so that it is a pip or pi structure p-doped layer has a Fermiislage which is not more than 0.4 eV, but preferably less than 0.3 eV below
  • Electron transport levels of the i-layer is, so that it can lead to low-loss electron extraction from the i-layer in this p-layer.
  • an n-layer system is still present between the p-doped layer and the counterelectrode, so that it is a nipn or ipn structure, wherein preferably the doping is chosen to be so high that the direct pn -Contact no
  • Recombination preferably by a tunneling process.
  • the photoactive layer and the counterelectrode so that it is a nin- or in-structure, wherein the additional n-doped layer has a Fermiislage which is not more than 0.4 eV, but preferably less than 0.3 eV above the Lochertransportnivaus the i-layer is located, so that there may be lossy hole extraction from the i-layer in this n-layer.
  • the component contains an n-layer system and / or a p-layer system, so that it is a pnipn, pnin, pipn or p-i-n structure which in all cases is characterized
  • Substrate side adjacent to the photoactive i-layer has a lower thermal work function than the side facing away from the substrate adjacent to the i-layer
  • the absorption region extends at least one of Absorber systems in the infrared range in
  • the layers of the layer system of the device are extended as one the optical path of the incident light
  • the organic materials used are small molecules.
  • small molecules are understood as meaning non-polymeric organic molecules having monodisperse molecular weights between 100 and 2,000
  • these small molecules can also be photoactive, it being understood under photoactive that the molecules under their light their
  • the organic materials used are at least partially polymers.
  • the organic layers at least partially consist of small ones
  • Molecules at least partially of polymers or of a combination of small molecules and polymers.
  • the component is at least somewhat
  • the Component used on flat, curved or flexible support surfaces are preferably plastic films or metal foils (eg aluminum, steel), etc.
  • at least one of the photoactive mixed layers contains as acceptor a material from the group of fullerenes or
  • At least one of the photoactive mixed layers contains as donor a material from the class of phthalocyanines,
  • the contacts are made of metal, a conductive oxide, in particular ITO, ZnO: Al or other TCOs or a conductive
  • Polymer in particular PEDOT: PSS or PA I.
  • the acceptor material is at least partially in the mixed layer
  • the donor material in the blend layer is at least partially in crystalline form.
  • both are
  • the photoactive Layer systems comprising a single layer, a mixed layer, a combination of single and mixed layers, a double-mix layer or a single layer
  • the photoactive layer system contains, in addition to the said mixed layer, further photoactive single or mixed layers.
  • the n-material system consists of one or more layers. In another embodiment, the p-material system consists of one or more layers.
  • the p-transport layer system contains a p-dopant, wherein this p-dopant F4-TCNQ, a p-dopant as in DE 103 38 406,
  • the n-transport layer system contains an n-dopant, wherein this n-
  • TTF derivative tetrathiafulvalene derivative
  • DTT derivative dithienothiophene
  • the device is semitransparent with a transmission of 10-80%.
  • the electrodes consist of a metal (eg Al, Ag, Au or a combination of these), a conductive oxide, in particular ITO, ZnO: Al or another TCO (Transparent Conductive Oxide), a conductive polymer, in particular PEDOT / PSS poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate) or PANI
  • a metal eg Al, Ag, Au or a combination of these
  • a conductive oxide in particular ITO, ZnO: Al or another TCO (Transparent Conductive Oxide)
  • a conductive polymer in particular PEDOT / PSS poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate) or PANI
  • 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
  • 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, by the fact that the substrate
  • pyramid-like structures on the surface having heights (h) and widths (d) each in the range of one to several hundred micrometers. Height and width can be chosen the same or different. Likewise, 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 overall structure is with a transparent base and cover contact Mistake .
  • 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.
  • the styrene resin such as acrylic resin, etc.
  • Photoactive components according to the invention applied to a film or a textile, which on the
  • an adhesive such as
  • an adhesive for example, an adhesive.
  • a solar adhesive sheet which can be arranged on arbitrary surfaces as needed.
  • a self-adhesive solar cell can be generated.
  • the invention is based on some
  • FIG. 1A and 1B the schematic layer structure of a photoactive component with two transport layer systems between the photoactive layer systems
  • Fig. 2A and 2B the schematic layer structure of a photoactive device with three transport layer systems between the photoactive layer systems
  • FIG. 3 shows the schematic layer structure of a photoactive Device with four transport layer systems between the photoactive layer systems
  • 4A and 4B show the schematic layer structure of a photoactive component with four transport layer systems between the photoactive layer systems and three
  • FIG. 5 shows the schematic layer structure of a photoactive component with four transport layer systems between the photoactive layer systems, three transport layer systems on the electrode and three transport layer systems on the counter electrode,
  • FIG. 6 shows a schematic energy diagram of a photoactive component with three transport layer systems between the photoactive layer systems
  • FIG. 7 shows a schematic energy diagram of a photoactive component with three transport layer systems between the photoactive layer systems
  • FIG. 8 shows a schematic energy diagram of a photoactive component with four transport layer systems between the photoactive layer systems
  • FIG. 9 shows a schematic energy diagram of a photoactive component with six transport layer systems between the photoactive layer systems
  • FIG. 10 is a schematic energy diagram of a photoactive component with eight transport layer systems between the photoactive layer systems
  • Fig. IIA and IIB a schematic layer structure of two exemplary photoactive components
  • Fig. 12 shows the structural formulas of the materials DCV6T, F4-ZnPc and C60 and
  • FIG. 13 shows the schematic layer structure of an exemplary photoactive component analogous to FIG. 11, wherein three different p-type transport layer systems 1, 2 and 3 are present between the photoactive absorber systems.
  • an inventive component This consists of substrate 1, an electrode 2 and a counter electrode 9. Between the electrode 2 and the
  • Counter electrode 9 is a photoactive layer system 4 is arranged. Between the electrode 2 and the photoactive layer system 4, a transport layer system 3 is arranged, which is designed p-type. Between the
  • Counter electrode and the photoactive layer system 4 further layers are arranged. It is on the
  • Charge carrier type in this case electrons
  • the LUMO level of the transport layer system 51 differs by a maximum of 0.5eV from the LUMO of the photoactive layer system 4. Furthermore, that's the other one
  • FIG. 1B shows an analogous embodiment to the photoactive component in FIG. 1A, wherein the structure of the layers of the photoactive component in FIG. 1B corresponds to a nip structure.
  • FIGS. 2A and 2B each show a schematic illustration of a
  • Transport layer systems 51,52 and 61 are arranged.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a component according to the invention.
  • the structure of the device according to the invention is analogous to the embodiment in Fig. 2, wherein between the photoactive layer systems 4,7 four
  • Transport layer systems 51,52,61 and 62 are arranged.
  • FIGS. 4A and 4B show a schematic representation of a device according to the invention
  • the structure of the device according to the invention is analogous to the embodiment in Fig. 3, wherein three transport layer systems 31,32 and 33 between the photoactive layer system 4 and the electrode 2 are arranged.
  • the component shown schematically in Fig. 4A corresponds here to a pin basic structure (especially a pnnppn structure), while that shown in Fig. 4B
  • Component corresponds to a nip structure, here an nppnnp structure.
  • a schematic representation of a component according to the invention is shown in FIG.
  • the structure of the device according to the invention is analogous to the embodiment in Figs. 4A and B, wherein the transport layer systems 81,82 and 83 between the
  • photoactive layer system 7 and the counter electrode 9 are arranged.
  • FIG. 6 is a HOMO-LUMO level diagram of FIG.
  • the recombination zone is between the p-transport layer system 52 and the n-transport layer system 61.
  • FIG. 7 is a HOMO-LUMO level diagram of FIG.
  • the structure of the device is analogous to the second embodiment, wherein between the photoactive layer system 4 and the transport layer system 61 a
  • Transport layer system 51 is arranged.
  • FIG. 8 is a HOMO-LUMO level diagram of FIG.
  • FIG. 9 is a HOMO-LUMO level diagram of FIG.
  • the transport layer system 51 is energetically to the photoactive layer system 4 and the Transport layer system 63 energetically adapted to the photoactive layer system 7.
  • the transport layer systems 52 and 62 have good transport properties and can have a greater layer thickness (20nm to 400nm) than the
  • Transport layer systems 51, 53, 61 and 63 have.
  • Transport layer systems 53 and 61 allow a
  • FIG. 10 shows a HOMO-LUMO level diagram of a component according to a further exemplary embodiment.
  • the structure of the device is analogous to FIG. 9, wherein two more transport layer systems are still present.
  • FIGS. IIA and B show the schematic layer structure of two
  • the data for the layer thicknesses in nm are given in the respective diagram, the data of the doping concentration in%, the indication of the mixing ratios as volume ratio X: Y (for example 2: 1) and the indication of the substrate temperature during the evaporation in ° C.
  • Mixed layer BDR001 C60; Absorber system 2: mixed layer DC6T: C60) contain various dopants (dopant 1 in a concentration of 5% and dopant 2 in a concentration of 10%).
  • the material BPAPF designates 9, 9-bis (4- (N, N-bis-biphenyl-4-ylamino) phenyl) -9H-fluorene and the material diNPB is N, N-diphenyl-N, N-bis (4- ( ⁇ , ⁇ -bis (naphth-1-yl) -amino) -biphenyl-4-yl) -benzidine.
  • FIG. 13 The structural formulas of the materials DCV6T, F4-ZnPc and C60 are shown in FIG.
  • the schematic layer structure of an exemplary photoactive component analogous to FIG. 11 is illustrated in FIG. 13: Between the photoactive absorber systems, three different p-type transport layer systems 1, 2 and 3 are arranged.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein photoaktives Bauelement mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode, wobei zwischen den Elektroden zumindest ein organisches Schichtsystem angeordnet ist, weiterhin mit mindestens zwei photoaktiven Schichtsystemen (4,7) und zwischen den photoaktiven Schichtsystemen (4,7) zumindest zwei verschiedene Transportschichtsysteme (51,52) des gleichen Ladungsträgertyps. Dabei ist das eine Transportschichtsystem (51 oder 52) energetisch an eines der beiden photoaktiven Schichtsysteme (4,7) angepasst, während das andere Transportschichtsystem (52 oder 51) transparent ausgeführt ist.

Description

Beschreibung
Photoaktives Bauelement mit mehreren
TransportSchichtSystemen
Die Erfindung betrifft ein photoaktives Bauelement mit organischen Schichten, mit einer Elektrode und einer
Gegenelektrode und zwischen den Elektroden mindestens zwei photoaktive Schichtsysteme und zwischen den photoaktiven Schichtsystemen zumindest zwei verschiedene
Transportschichtsysteme des gleichen Ladungsträgertyps, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an eines der beiden photoaktiven Schichtsysteme angepasst ist und das andere Transportschichtsystem transparent ausgeführt ist. Nachfolgend wird der Begriff „Schichtsystem" wie folgt definiert: Ein Schichtsystem besteht aus einer oder mehreren Schichten, wobei die jeweiligen Schichten Einzelschichten oder Mischschichten sein können. Das Schichtsystem kann damit eine beliebige Kombination aus Einzel- und
Mischschichten sein.
Nachfolgend wird der Begriff „Transportschichtsystem" wie folgt definiert: Ein Transportschichtsystem ist ein
Schichtsystem, welches bevorzugt eine Ladungsträgersorte (Elektronen: n-Transportschichtsystem; Löcher: p- Transportschichtsystem) transportiert. Ein
Transportschichtsystem trägt bei einer Solarzelle durch Absorption von Licht weniger als 5~6 zum
Kurzschlussphotostrom bei, bevorzugt weniger als 2%.
Weiterhin wird der Begriff „verschiedene
Transportschichtsysteme" wie folgt definiert: Zwei Transportschichtsysteme sind verschieden, wenn zumindest ein Material nur in einem der beiden Transportschichtsysteme enthalten ist. Falls es sich bei diesem Material um einen Dotanden handelt, so sind die Transportschichtsysteme dann verschieden, wenn in jedem Transportschichtsystem ein anderer Dotand enthalten ist.
Der Begriff „Ladungsträgertyp" wird wie folgt definiert: Ein Ladungsträgertyp bezieht sich auf Elektronen und Löcher. In diesem Sinne sind zwei Transportschichtsysteme vom gleichen Ladungsträgertyp wenn sie beide bevorzugt Elektronen oder beide bevorzugt Löcher leiten.
Der Begriff „transparent" wird wie folgt definiert: Ein Material bzw. ein Materialfilm bzw. ein
Transportschichtsystem ist transparent, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen zutrifft:
Der energetische Abstand zwischen LUMO und HOMO des
Materials bzw. des Materialfilms bzw. des
Transportschichtsystems ist >2,5eV, bevorzugt >3,0eV.
Ein 50nm dicker Film des Materials bzw. des
Transportschichtsystems hat eine Transparenz von >70% im
Wellenlängenbereich von 400nm bis 900nm, bevorzugt >80% bzw. >90%, sehr bevorzugt >95%.
Das Material bzw. der Materialfilm bzw. das
Transportschichtsystem hat einen Extinktionskoeffizient ε, welcher im Wellenlängenbereich zwischen 450nm und 800nm den Wert von 0,5xl05 cm-1 nicht überschreitet, und/oder das
Material bzw. der Materialfilm bzw. das
Transportschichtsystem hat einen Absorptionsindex k, welcher im Wellenlängenbereich zwischen 450nm und 800nm den Wert 0,1 nicht überschreitet (Ein anderer Begriff für k ist auch optische Konstante: die beiden optischen Konstanten werden üblicherweise mit n und k bezeichnet) .
Das Material bzw. der Materialfilm bzw. das
Transportschichtsystem weist eine größere optische Bandlücke auf als das photoaktive Schichtsystem (im Sinne von
DE 10 2004 014 046).
Transparente organische Materialien werden in der Literatur auch als wide-gap Materialien bezeichnet. Die Begriffe „HOMO" und „LUMO" werden wie in der Chemie üblich als highest occupied molecular orbital und lowest unoccupied molecular orbital verstanden. Der Begriff bezieht sich dabei sowohl auf einzelne Moleküle als auch auf
Festkörper bzw. Materialfilme. Die Bestimmung der
Energielagen von HOMO und LUMO können dabei wie dem Fachmann bekannt z.B. über zyklische Voltametrie (CV) oder
Ul traviolett-Photoelektronenspektroskopie (ultraviolet photon spectroscopy UPS) erfolgen.
Der Begriff „Transportenergieniveaulage" wird wie folgt definiert: Die Transportenergieniveaulage eines
Transportschichtsystems ist die energetische Lage des HOMOs, falls es sich um ein p-Transportschichtsystem handelt, und ist die energetische Lage des LUMOs, falls es sich um ein n- Transportschichtsystem handelt. Weiterhin wird der Begriff „energetisch angepasst" wie folgt definiert: Ein Transportschichtsystem, welches bevorzugt Elektronen leitet (n-Leiter) , ist an ein photoaktives
Schichtsystem energetisch angepasst, wenn das Energieniveau des LUMOs des Transportschichtsystems sich um weniger als 0,5eV von dem Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des photoaktiven Schichtsystems unterscheidet. Das
Energieniveau des LUMOs des Transportschichtsystems kann sich dabei sowohl um maximal 0,5eV oberhalb des
Energieniveaus des LUMOs des Akzeptormaterials des
photoaktiven Schichtsystems befinden als auch um maximal 0,5eV unterhalb. Falls mehrere Akzeptoren in dem
photoaktiven Schichtsystem enthalten sind, so ist dasjenige Akzeptormaterial ausschlaggebend, welches über das
energetisch tiefste LUMO verfügt. Bevorzugt können sich die Energieniveaulagen der LUMOs auch nur um 0,3eV
unterscheiden, besonders bevorzugt auch nur um 0,2eV bzw. nur um 0,leV oder sie können nahezu identisch sein.
Analog ist ein Transportschichtsystem, welches bevorzugt Löcher leitet (p-Leiter) , an ein photoaktives Schichtsystem energetisch angepasst, wenn das Energieniveau des HOMOs des Transportschichtsystems sich um weniger als 0,5eV von dem Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des
photoaktiven Schichtsystems unterscheidet. Das Energieniveau des HOMOs des Transportschichtsystems kann sich dabei sowohl um maximal 0,5eV oberhalb des Energieniveaus des HOMOs des Donatormaterials des photoaktiven Schichtsystems befinden als auch um maximal 0,5eV unterhalb. Falls mehrere Donatoren in dem photoaktiven Schichtsystem enthalten sind, so ist dasjenige Donatormaterial ausschlaggebend, welches über das energetisch höchste HOMO verfügt. Bevorzugt können sich die Energieniveaulagen der HOMOs auch nur um 0,3eV
unterscheiden, sehr bevorzugt auch nur um 0,2eV bzw. nur um 0,leV oder nahezu oder exakt identisch sein.
Möglichkeiten zur Anpassung der LUMO-Niveaus bzw. der HOMO- Niveaus sind dem Fachmann bekannt, wobei sehr viele organische Materialien mit unterschiedlichen Lagen der
Energieniveaus der HOMOs und LUMOs bekannt sind. Die
Anpassung erfolgt daher derart, dass ein Material ausgewählt und verwendet wird, welches über die gewünschten Lage der Energieniveaus des HOMO bzw. LUMO verfügt. Weiterhin können z.B. durch den Einbau von elektronenziehenden bzw.
elektronenschiebenden Gruppen die HOMO- und LUMO-Niveaus von organischen Materialien gesenkt bzw. erhöht werden und somit die Anpassung eines Materials entsprechend den Anforderungen erfolgen.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Begriff „gut dotierbar" wie folgt definiert: Ein Löchertransportmaterial (p- Transportmaterial ) bzw. ein Löchertransportschichtsystem (p- Transportschichtsystem) wird als gut dotierbar bezeichnet, wenn das Energieniveau seines HOMOs größer oder gleich
-5,5eV ist. Der Begriff „größer" (oder auch „höher") bezieht sich hier auf den zahlenmäßigen Wert, d.h. -5,4eV ist größer (höher) als -5,5eV. Bevorzugt liegt das Energieniveau des HOMOs im Bereich -5,2eV bis -4,9eV. Analog wird ein
Elektronentransportmaterial (n-Transportmaterial ) bzw. ein ElektronentransportSchichtSystem (n-TransportSchichtSystem) als gut dotierbar bezeichnet, wenn das Energieniveau des LUMOs kleiner oder gleich -3,0eV ist. Der Begriff „kleiner" (oder auch „tiefer") bezieht sich hier auf den zahlenmäßigen Wert, d.h. -3,leV ist kleiner (tiefer) als -3,0eV. Bevorzugt liegt das Energieniveau des LUMOs im Bereich -3,5eV bis -4, 5eV.
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 anorganischen 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 aus einer Mischung aus zwei Materialien (sogenannten interpenetrierenden Netzwerken bzw. bulk-heteroj unctions ; 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 organischen 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 2004/083958 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 organischen
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 (EP 0000829) 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 2005/0110005) bzw. das Mischungsverhältnis einen
Gradienten aufweist.
Weiterhin sind der Aufbau und die Funktion von Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett. ,1990, 327 (1990); DE 10 2004 014 046). Speziell ist auch der Aufbau und die Funktion des
Rekombinationsbereiches in den Tandemzellen in der
DE 10 2004 014 046 beschrieben.
Weiterhin aus der Literatur bekannt sind organische pin- Tandemzellen (DE 10 2004 014 046) : 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.
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 können diese kleinen Molekülen auch photoaktiv sein, wobei unter photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteinfall ihren Ladungszustand ändern .
Das Problem von organischen Solarzellen ist derzeit, dass selbst die höchsten bisher im Labor erreichten Wirkungsgrade von 7-8% noch zu gering sind. Für die meisten Anwendungen, speziell großflächige Anwendungen, wird ein Wirkungsgrad von ca. 10% als notwendig erachtet. Aufgrund der schlechteren Transporteigenschaften von organischen Halbleitern (im
Vergleich zu anorganischen Halbleitern) und der damit verbundenen limitierten einsetzbaren Schichtdicken der
Absorber in organischen Solarzellen geht man generell davon aus, dass solche Wirkungsgrade am ehesten mit Hilfe von Tandemzellen realisiert werden können (Tayebeh Ameri et al . , Organic tandem solar cells: A review, Energy Environ. Sei., 2009, 2, 347-363; DE 10 2004 014 046) . Speziell
Wirkungsgrade bis zu 15% werden in Zukunft wohl nur mit Hilfe von Tandemzellen möglich sein.
Der Nachteil der bisher bekannten Tandemzellen liegt darin, dass zwischen zwei photoaktiven Schichtsystemen (im
Folgenden auch als Absorbersysteme oder
Absorberschichtsysteme bezeichnet) nur ein
Transportschichtsystem eines Ladungsträgertyps verwendet wird. Der Nachteil hieran liegt darin, dass dieses eine Transportschichtsystem sowohl energetisch gut an ein
Absorbersystem angepasst sein muss (um eine effiziente
Extraktion der Ladungsträger aus dem Absorbersystem zu ermöglichen und z.B. keine Energiebarriere für die
Ladungsträger zu bilden) und andererseits möglichst gut transparent sein soll (um keine parasitäre Absorption zu bilden) und möglichst gute Ladungsträger- Transporteigenschaften aufweisen soll. Die bisher bekannten Materialien erfüllen meist nur eine dieser Eigenschaften wirklich zufriedenstellend und oft wird ein
Kompromissmaterial verwendet, das beide Eigenschaften einigermaßen gut bis befriedigend erfüllt. Falls aus
optischen Gründen ein dickes Transportschichtsystem benötigt wird, besteht zusätzlich oft das Problem, dass das verwendete Material nicht über eine ausreichende Leitfähigkeit verfügt und somit das Bauelement aufgrund des gebildeten Serienwiderstandes in seinen Eigenschaften
(Effizienz, Füllfaktor, Spannung) begrenzt wird. Teilweise wird dieses Problem dadurch zu lösen versucht, dass eine höhere Dotierungskonzentration gewählt wird. Diese
Lösungsversuche haben aber nur einen begrenzten Erfolg und durch den höheren Einsatz an Dotandenmaterialien wird der Produktionsprozess der Bauelemente verteuert, was einer kommerziellen Verwertung im Wege steht.
Die Verwendung von zwei verschiedenen
Transportschichtsystemen anstelle des bisher verwendeten einen Transportschichtsystems ist von großer technischer Bedeutung. Der gesamte Transportschichtbereich zwischen den photoaktiven Schichtsystemen muss mehrere Funktionen
erfüllen, nämlich eine gute bis möglichst nahezu perfekte energetische Anpassung erreichen, möglichst sehr gute
Transporteigenschaften aufweisen, möglichst vollständig transparent sein und darüber hinaus auch thermisch und mechanisch stabil sein. Alle diese Eigenschaften in nur einem Material für einen Ladungsträgertyp perfekt zu
vereinen, ist nahezu unmöglich. Beim bisherigen Stand der Entwicklung von organischen Solarzellen ist dieses Problem noch nicht offensichtlich klar geworden, da die bisherigen Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 6 8 "6 auch mit einem Material realisiert werden konnten, das nicht alle
Eigenschaften gut bis sehr gut erfüllt. Für die kommerzielle Verwertung sind aber Wirkungsgrade von 10-12% und darüber hinaus absolut notwendig. Um diese hohen Wirkungsgrade zu erreichen, müssen alle Verlustmechanismen innerhalb der Solarzellenstruktur beseitigt werden. Ein ganz wichtiger Baustein hierfür ist, dass der Transportschichtbereich zwischen den photoaktiven Schichtsystemen in Tandem- oder Mehrfachzellen die gestellten Anforderungen nahezu perfekt erfüllt. Dies ist wie oben erläutert praktisch und technisch nur erreichbar, wenn mindestens zwei verschiedene
Transportschichtsysteme gleichen Ladungsträgertyps verwendet werden .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein organisches photoaktives Bauelement anzugeben, welches die aufgezeigten Nachteile überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein organisches photoaktives Bauelement gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Bauelement, welches als Tandem- oder
Mehrfachzelle ausgeführt ist, weist eine Elektrode und eine Gegenelektrode auf und zwischen den Elektroden zumindest ein organisches Schichtsystem und weiterhin mindestens zwei photoaktive Schichtsysteme und zwischen den photoaktiven Schichtsystemen zumindest zwei verschiedene
Transportschichtsysteme des gleichen Ladungsträgertyps, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an eines der beiden photoaktiven Schichtsysteme angepasst ist und das andere Transportschichtsystem transparent ausgeführt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das
transparente Transportschichtsystem eine Leitfähigkeit >= lxlO"6 S/cm auf und/oder ist dotiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung grenzen beide
Transportschichtsysteme direkt aneinander und/oder beide sind transparent.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht eins oder bestehen beide Transportschichtsysteme aus zumindest einem organischen Material. Vorzugsweise bestehen die
Transportschichtsysteme aus organischen Materialien.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat eins oder haben beide Transportschichtsysteme eine hohe intrinsische
Beweglichkeit der Ladungsträger. Der Begriff intrinsisch bedeutet hierbei nominell undotiert, d.h. die intrinsische Beweglichkeit der Ladungsträger eines Materials ist
diejenige Beweglichkeit, wenn das Material undotiert ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die
Transportenergieniveaulagen (HOMO bzw. LUMO) des
transparenten Transportschichtsystems so, dass es gut dotiert werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Transportschichtsystem energetisch an eines der beiden photoaktiven Schichtsysteme angepasst: Ein
Transportschichtsystem, welches bevorzugt Elektronen leitet (n-Leiter) , ist an ein photoaktives Schichtsystem
energetisch angepasst, wenn das Energieniveau des LUMOs des Transportschichtsystems sich um weniger als 0,5eV von dem Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des
photoaktiven Schichtsystems unterscheidet. Das Energieniveau des LUMOs des Transportschichtsystems kann sich dabei sowohl um maximal 0,5eV oberhalb des Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des photoaktiven Schichtsystems befinden als auch um maximal 0,5eV unterhalb. Falls mehrere
Akzeptoren in dem photoaktiven Schichtsystem enthalten sind, so ist dasjenige Akzeptormaterial ausschlaggebend, welches über das energetisch tiefste LUMO verfügt. Bevorzugt können sich die Energieniveaulagen der LUMOs auch nur um 0,3eV unterscheiden, besonders bevorzugt auch nur um 0,2eV bzw. nur um 0,leV oder sie können nahezu identisch sein.
Analog ist ein Transportschichtsystem, welches bevorzugt Löcher leitet (p-Leiter) , an ein photoaktives Schichtsystem energetisch angepasst, wenn das Energieniveau des HOMOs des Transportschichtsystems sich um weniger als 0,5eV von dem Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des
photoaktiven Schichtsystems unterscheidet. Das Energieniveau des HOMOs des Transportschichtsystems kann sich dabei sowohl um maximal 0,5eV oberhalb des Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des photoaktiven Schichtsystems befinden als auch um maximal 0,5eV unterhalb. Falls mehrere Donatoren in dem photoaktiven Schichtsystem enthalten sind, so ist dasjenige Donatormaterial ausschlaggebend, welches über das energetisch höchste HOMO verfügt. Bevorzugt können sich die Energieniveaulagen der HOMOs auch nur um 0,3eV
unterscheiden, sehr bevorzugt auch nur um 0,2eV bzw. nur um 0,leV oder nahezu oder exakt identisch sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des LUMOs eines n-Transportschichtsystems (n-Leiter) nahezu oder exakt identisch wie das Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass die Elektronen barrierefrei das photoaktive Schichtsystem verlassen können und kein Verlust in der LeerlaufSpannung des Bauelementes auftritt . In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des LUMOs eines n-Transportschichtsystems (n-Leiter) um maximal 0,5eV, bevorzugt maximal 0,3eV, sehr bevorzugt maximal 0,2eV oder 0,leV oder 0,05eV tiefer als das
Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des
photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass die Elektronen energetisch bevorzugt in das tiefere LUMO des n-Transportschichtsystems gelangen und somit die Elektronen effizient abtransportiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des LUMOs eines n-Transportschichtsystems (n-Leiter) um maximal 0,5eV, bevorzugt maximal 0,3eV, sehr bevorzugt maximal 0,2eV oder 0,leV oder 0,05eV höher als das
Energieniveau des LUMOs des Akzeptormaterials des
photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass durch das höhere LUMO des n-
Transportschichtsystems das eingebaute Feld innerhalb der Solarzelle größer ist und die Elektronen somit effizient abtransportiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des HOMOs eines p-Transportschichtsystems (p-Leiter) nahezu oder exakt identisch wie das Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass die Löcher barrierefrei das photoaktive Schichtsystem verlassen können und kein Verlust in der LeerlaufSpannung des Bauelementes auftritt .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des HOMOs eines p-Transportschichtsystems (p-Leiter) um maximal 0,5eV, bevorzugt maximal 0,3eV, sehr bevorzugt maximal 0,2eV oder 0,leV oder 0,05eV tiefer als das Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass durch das tiefere HOMO des p- Transportschichtsystems das eingebaute Feld innerhalb der Solarzelle größer ist und die Löcher somit effizient
abtransportiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Energieniveau des HOMOs eines p-Transportschichtsystems (p-Leiter) um maximal 0,5eV, bevorzugt maximal 0,3eV, sehr bevorzugt maximal 0,2eV oder 0,leV oder 0,05eV höher als das
Energieniveau des HOMOs des Donatormaterials des
photoaktiven Schichtsystems. Diese spezielle Ausführung hat den Vorteil, dass die Löcher energetisch bevorzugt in das höhere HOMO des p-Transportschichtsystems gelangen und somit die Löcher effizient abtransportiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine oder sind beide Transportschichtsysteme Einzelschichten oder
Mischschichten, wobei diese undotiert oder teilweise dotiert oder komplett dotiert sind und die Dotierung einen
Gradienten aufweist und/oder die Dotierung innerhalb der Schicht verschiedene Konzentrationen aufweist. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die beiden
Transportschichtsysteme mit verschiedenen Dotanden dotiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den photoaktiven Schichtsystemen noch ein weiteres
Transportschichtsystem des anderen Ladungsträgertyps vorhanden .
In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den photoaktiven Schichtsystemen noch zwei weitere Transportschichtsysteme des anderen Ladungsträgertyps vorhanden, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an das andere (im Vergleich zum Transportschichtsystem) photoaktive Schichtsystem angepasst ist und das zweite
Transportschichtsystem transparent ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine oder sind beide der weiteren Transportschichtsysteme als Einzel- oder Mischschichten ausgeführt. Weiterhin können die
Transportschichtsysteme undotiert, teilweise dotiert oder komplett dotiert sein, wobei die Dotierung einen Gradienten aufweist oder die Dotierung räumlich variiert und/oder die Transportschichtsysteme mit verschiedenen Dotanden dotiert sind .
In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den photoaktiven Schichtsystemen noch eine oder mehrere weitere undotierte, teilweise dotierte oder komplett dotierte
Schichten bzw. Mischschichten aus anorganischen Materialien, organischen Materialien, kleinen Molekülen, Polymeren,
Metallen, Metalloxiden, Salzen oder einem leitfähigen Oxid vorhanden .
In einer Ausführungsform der Erfindung sind in zumindest zwei photoaktiven Schichtsystemen verschiedene Materialien vorhanden. Bevorzugt absorbieren die photoaktiven
Schichtsysteme in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Sonnenspektrums.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen dem photoaktiven Schichtsystem und der Elektrode und/oder
zwischen dem photoaktiven Schichtsystem und der
Gegenelektrode mindestens zwei Transportschichtsysteme vorhanden, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an das jeweilige photoaktive Schichtsystem angepasst ist, wobei das zweite Transportschichtsystem transparent
ausgeführt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen dem photoaktiven Schichtsystem und der Elektrode und/oder
zwischen dem photoaktiven Schichtsystem und der
Gegenelektrode mindestens drei Transportschichtsysteme vorhanden, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an das jeweilige photoaktive Schichtsystem angepasst ist, das zweite Transportschichtsystem transparent ist und das dritte Transportschichtsystem energetisch an die Elektrode bzw. Gegenelektrode angepasst ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die im
Bauelement vorhandenen Transportschichtsysteme unabhängig voneinander als Einzelschichten oder Mischschichten oder aus Nanoclustern bestehend ausgeführt. Weiterhin sind die
Transportschichtsysteme transparent oder semitransparent ausgeführt. Dabei können diese undotiert, teilweise dotiert oder komplett dotiert sein, wobei die Dotierung einen
Gradienten aufweisen oder die Dotierung räumlich variieren kann. Weiterhin können die Transportschichtsysteme an den Elektroden oder in einem Bereich bis zu 30nm entfernt von den Elektroden höher dotiert sein und/oder die
Transportschichtsysteme können mit verschiedenen Dotanden dotiert sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Bauelement aus einer Tandem- oder Mehrfachzelle. Bevorzugt besteht das Bauelement aus einer Kombination aus nip-, ni-, ip- , pnip- , pni- , pip- , nipn- , nin- , ipn- , pnipn- , pnin- oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige
Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Bauelement folgende Schichtreihenfolgen aufweisen, woi p-Transportschichtsystem bedeutet, n=n- Transportschichtsystem bedeutet und i=photoaktives Schichtsystem bedeutet:
Elektrode / pinnin / Gegenelektrode
Elektrode / nippip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nippnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nippnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnin / Gegenelektrode
Elektrode / nipppip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nipppnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipppnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nippnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipppnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnnin / Gegenelektrode
Elektrode / nippppip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nippppnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinppppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipnnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nippppnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnppppin / Gegenelektrode Elektrode / nippnnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnnpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nippppnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnppppin / Gegenelektrode
Elektrode / nipppnnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnnppppin / Gegenelektrode
Elektrode / nippppnnnnip / Gegenelektrode
Natürlich können auch 5, 6 oder mehr Transportschichtsysteme gleichen Ladungsträgertyps hintereinander vorhanden sein.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das
Bauelement weiterhin folgende Schichtreihenfolgen aufweisen
Elektrode / ppinnin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnpppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnnin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippppip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnnpin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippppnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinppppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnipnnnnip / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnnppin / Gegenelektrode
Elektrode / nnippppnnip / Gegenelektrode Elektrode / ppinnppppin / Gegenelektrode Elektrode / nnippnnnnip / Gegenelektrode Elektrode / ppinnnnpppin / Gegenelektrode Elektrode / nnippppnnnip / Gegenelektrode Elektrode / ppinnnppppin / Gegenelektrode Elektrode / nnipppnnnnip / Gegenelektrode Elektrode / ppinnnnppppin / Gegenelektrode Elektrode / nnippppnnnnip / Gegenelektrode Elektrode / pinninn / Gegenelektrode
Elektrode / nippipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnpinn / Gegenelektrode
Elektrode / nippnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinppinn / Gegenelektrode Elektrode / nipnnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnppinn / Gegenelektrode
Elektrode / nippnnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnninn / Gegenelektrode
Elektrode / nipppipp / Gegenelektrode Elektrode / pinnnpinn / Gegenelektrode
Elektrode / nipppnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinpppinn / Gegenelektrode
Elektrode / nipnnnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnppinn / Gegenelektrode Elektrode / nipppnnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnpppinn / Gegenelektrode
Elektrode / nippnnnipp / Gegenelektrode
Elektrode / pinnnpppinn / Gegenelektrode
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Elektrode / nippppipp / Gegenelektrode
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Elektrode / nnipppippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnpinnn / Gegenelektrode
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Elektrode / ppinppinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnipnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnppinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnippnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppinnninnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppinnnpinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppnipppp / Gegenelektrode
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Elektrode / ppinnnppinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnipppnnipppp / Gegenelektrode
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Elektrode / ppppinninnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnpinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipnnippp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnninnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipppippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnpinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinpppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipppnnippp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnpppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnpppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipppnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnninnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppippp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnpinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippppnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinppppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipnnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippppnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnppppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippnnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnnpppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnppppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnipppnnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnnnppppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippppnnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinninnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnpinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnipnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnninnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnpinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnipppnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinpppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnipnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnipppnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnpppinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnpppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnninnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppippp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnnpinnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinppppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipnnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnppppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippnnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnpppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnppppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppnnnnippp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnppppinnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnnnnippp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinninnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnippipppp / Gegenelektrode
Elektrode / pppinnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnninnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnninnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipnnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippnnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnipppnnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / pppinnnnppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinninnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnninnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipppnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnninnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnpinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnipnnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnppppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippnnnnipppp / Gegenelektrode Elektrode / ppppinnnnpppinnnn / Gegenelektrode Elektrode / nnnnippppnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnppppinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnipppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppinnnnppppinnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist an den
Elektroden noch ein Konversionskontakt vorhanden. Aus einer Elektrode / p Struktur wird somit eine Elektrode / n / p Struktur bzw. aus einer Elektrode / n Struktur wird eine
Elektrode / p / n Struktur. Diese Konversionskontakte können sowohl an der Elektrode als auch an der Gegenelektrode vorhanden sein. Der Konversionskontakt kann auch aus mehreren Transportschichtsystemen bestehen, z.B.: Elektrode / nnp
Elektrode / nnnp
Elektrode / nnnnp
Elektrode / ppn
Elektrode / pppn Elektrode / ppppn
In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die
Konversionskontakte in allen in den obigen Listen
beschriebenen Strukturen vorhanden, z.B. ist die erste
Struktur in den obigen Listen Elektrode / pinnin /
Gegenelektrode wie folgt mit Konversionskontakten
erweiterbar :
Elektrode / npinnin / Gegenelektrode
Elektrode / nnpinnin / Gegenelektrode Elektrode / nnnpinnin / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnpinnin / Gegenelektrode
Elektrode / pinninp / Gegenelektrode
Elektrode / pinninpp / Gegenelektrode
Elektrode / pinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / pinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / npinninp / Gegenelektrode
Elektrode / npinninpp / Gegenelektrode
Elektrode / npinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / npinninpppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnpinninp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnpinninp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnpinninp / Gegenelektrode
Elektrode / nnpinninpp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnpinninpp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnpinninpp / Gegenelektrode
Elektrode / nnpinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / npinninpppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnpinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnpinninppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnpinninpppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnpinninpppp / Gegenelektrode
Die letzte Struktur in den obigen Listen Elektrode / nnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode ist analog wie folgt mit Konversionskontakten erweiterbar :
Elektrode / pnnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / pppnnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / ppppnnnnippppnnnnipppp / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnnnnippppn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnnnnippppnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnnnnippppnnn / Gegenelektrode
Elektrode / nnnnippppnnnnippppnnnn / Gegenelektrode
Elektrode / pnnnnippppnnnnippppn / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnippppn / Gegenelektrode Elektrode / pppnnnnippppnnnnippppn / Gegenelektrode
Elektrode / ppppnnnnippppnnnnippppn / Gegenelektrode
Elektrode / pnnnnippppnnnnippppnn / Gegenelektrode
Elektrode / pnnnnippppnnnnippppnnn / Gegenelektrode
Elektrode / pnnnnippppnnnnippppnnnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnippppnn / Gegenelektrode
Elektrode / pppnnnnippppnnnnippppnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppppnnnnippppnnnnippppnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnippppnnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppnnnnippppnnnnippppnnnn / Gegenelektrode
Elektrode / pppnnnnippppnnnnippppnnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppppnnnnippppnnnnippppnnn / Gegenelektrode
Elektrode / ppppnnnnippppnnnnippppnnnn / Gegenelektrode
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten elektronenleitenden Schicht (n-Schicht) und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p-dotierte Schicht vorhanden, so dass es sich um eine pnip- oder pni- Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in dem Bauelement zwischen der ersten photoaktiven i-Schicht und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p- dotierte Schicht vorhanden sein, so dass es sich um eine pip- oder pi-Struktur handelt, wobei die zusätzliche p- dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV unterhalb des
Elektronentransportniveaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Elektronenextraktion aus der i-Schicht in diese p-Schicht kommen kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist noch ein n-Schichtsystem zwischen der p-dotierten Schicht und der Gegenelektrode vorhanden, so dass es sich um eine nipn- oder ipn-Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine
sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer
Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
In einer weiteren Ausführungsform kann in dem Bauelement noch ein n-Schichtsystem zwischen der intrinsischen,
photoaktiven Schicht und der Gegenelektrode vorhanden sein, so dass es sich um eine nin- oder in-Struktur handelt, wobei die zusätzliche n-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4eV, bevorzugt aber weniger als 0,3eV oberhalb des Löchertransportnivaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Löcherextraktion aus der i-Schicht in diese n-Schicht kommen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem und/oder ein p-Schichtsystem, so dass es sich um eine pnipn-, pnin-, pipn- oder p-i-n- Struktur handelt, die sich in allen Fällen dadurch
auszeichnen, dass - unabhängig vom Leitungstyp - die
substratseitig an die photoaktive i-Schicht angrenzende Schicht eine geringere thermische Austrittsarbeit hat als die vom Substrat abgewandte an die i-Schicht grenzende
Schicht, so dass photogenerierte Elektronen bevorzugt zum Substrat hin abtransportiert werden, wenn keine externe Spannung an das Bauelement angelegt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Absorbersysteme in den Infrarot-Bereich im
Wellenlängenbereich von >700nm bis 1500nm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schichten des Schichtsystems des Bauelements als eine den optischen Weg des einfallenden Lichts verlängernde
Lichtfalle ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den verwendeten organischen Materialien um kleine Moleküle. 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 können 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 der Erfindung bestehen die organischen Schichten zumindest teilweise aus kleinen
Molekülen, zumindest teilweise aus Polymeren oder aus einer Kombination von kleinen Molekülen und Polymeren. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement zumindest in einem gewissen
Lichtwellenlängenbereich semitransparent .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Bauelement auf ebenen, gekrümmten oder flexiblen Trägerflächen verwendet. Bevorzugt sind diese Trägerflächen Plastikfolien oder Metallfolien (z.B. Aluminium, Stahl), etc . In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw.
Fullerenderivate (C6o, C7o, etc.).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Donator ein Material aus der Klasse der Phthalocyanine,
Perylenderivate, TPD-Derivate, Oligothiophene oder ein
Material wie es in WO 2006/092134 beschrieben ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder anderen TCOs oder einem leitfähigen
Polymer, insbesondere PEDOT:PSS oder PA I .
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Akzeptor- Material in der Mischschicht zumindest teilweise in
kristalliner Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Donator-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor .
In einer weiteren Ausführungsform liegen sowohl das
Akzeptor-Material als auch das Donator-Material in der
Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
In einer weiteren Ausführungsform bestehen die photoaktiven Schichtsysteme aus einer Einzelschicht, einer Mischschicht, aus einer Kombination von Einzel- und Mischschichten, aus einer Doppelmischschicht oder aus einer
Dreifachmischschicht . In einer weiteren Ausführungsform enthält das photoaktive Schichtsystem zusätzlich zu der genannten Mischschicht noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das n- Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten. In einer weiteren Ausführungsform besteht das p- Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p- Transportschichtsystem einen p-Dotanden, wobei dieser p- Dotand F4-TCNQ, ein p-Dotand wie in DE 103 38 406,
DE 103 47 856, DE 103 57 044, DE 10 2004 010 954,
DE 10 2006 053 320, DE 10 2006 054 524 und
DE 10 2008 051 737 beschrieben oder ein Übergangsmetalloxid (VO, WO, MoO, etc.) ist.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n- Transportschichtsystem einen n-Dotanden, wobei dieser n-
Dotand ein TTF-Derivat (Tetrathiafulvalen-Derivat ) oder DTT- Derivat (Dithienothiophen) , ein n-Dotand wie in
DE 103 38 406, DE 103 47 856, DE 103 57 044,
DE 10 2004 010 954, DE 10 2006 053 320, DE 10 2006 054 524 und DE 10 2008 051 737 beschrieben oder Cs, Li oder Mg ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Elektrode
transparent mit einer Transmission >80% und die andere
Elektrode reflektierend mit einer Reflektion >50% ausgeführt .
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement semitransparent mit einer Transmission von 10-80%
ausgeführt . In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Elektroden aus einem Metall (z.B. AI, Ag, Au oder eine Kombination aus diesen), einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder einem anderen TCO (Transparent Conductive Oxide) , einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT/PSS Poly(3,4- ethylendioxythiophen) poly (styrolsulfonat) oder PANI
(Polyanilin) , oder aus einer Kombination aus diesen
Materialien .
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.
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 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 der Erfindung ist die Gesamtstruktur mit transparentem Grund- und Deckkontakt versehen .
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 ein Textil aufgebracht, welche auf der dem
erfindungsgemäßen organischen Schichtsystem
gegenüberliegenden Seite ein Adhäsionsmittel, wie
beispielsweise einen Klebstoff, aufweisen. Dadurch ist es möglich, eine Solarklebefolie herzustellen, welche nach Bedarf auf beliebigen Oberflächen angeordnet werden kann. So kann eine selbsthaftende Solarzelle erzeugt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger
Ausführungsbeispiele und dazugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1A und 1B den schematischen Schichtaufbau eines photoaktiven Bauelementes mit zwei Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen, Fig. 2A und 2B den schematischen Schichtaufbau eines photoaktiven Bauelementes mit drei Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 3 den schematischen Schichtaufbau eines photoaktiven Bauelementes mit vier Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 4A und 4B den schematischen Schichtaufbau eines photoaktiven Bauelementes mit vier Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen und drei
Transportschichtsystemen an der Elektrode,
Fig. 5 den schematischen Schichtaufbau eines photoaktiven Bauelementes mit vier Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen, drei Transportschichtsystemen an der Elektrode und drei Transportschichtsystemen an der Gegenelektrode,
Fig. 6 ein schematisches Energiediagramm eines photoaktiven Bauelementes mit drei Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 7 ein schematisches Energiediagramm eines photoaktiven Bauelementes mit drei Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 8 ein schematisches Energiediagramm eines photoaktiven Bauelementes mit vier Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 9 ein schematisches Energiediagramm eines photoaktiven Bauelementes mit sechs Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. 10 ein schematisches Energiediagramm eines photoaktiven Bauelementes mit acht Transportschichtsystemen zwischen den photoaktiven Schichtsystemen,
Fig. IIA und IIB einen schematischen Schichtaufbau von zwei beispielhaften photoaktiven Bauelementen,
Fig. 12 die Strukturformeln der Materialien DCV6T, F4-ZnPc und C60 und
Fig. 13 den schematischen Schichtaufbau eines beispielhaften photoaktiven Bauelementes analog zu Fig. 11, wobei zwischen den photoaktiven Absorbersystemen drei verschiedene p- Transportschichtsysteme 1, 2 und 3 vorhanden sind.
In den aufgeführten Ausführungsbeispielen sind beispielhaft einige erfindungsgemäße Bauelemente aufgezeigt. Die
Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben ohne sich auf diese zu beschränken.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1A
schematisch ein erfindungsgemäßes Bauelement dargestellt. Diese besteht aus Substrat 1, einer Elektrode 2 sowie einer Gegenelektrode 9. Zwischen der Elektrode 2 und der
Gegenelektrode 9 ist ein photoaktives Schichtsystem 4 angeordnet. Zwischen der Elektrode 2 und dem photoaktiven Schichtsystem 4 ist ein Transportschichtsystem 3 angeordnet, welches p-leitend ausgeführt ist. Zwischen der
Gegenelektrode und dem photoaktiven Schichtsystem 4 sind weitere Schichten angeordnet. Dabei sind auf dem
photoaktiven Schichtsystem 4 die erfindungsgemäßen
Transportschichtsysteme 51 und 52 des gleichen
Ladungsträgertyps (in diesem Fall Elektronen) angeordnet, wobei sich das LUMO-Niveau des Transportschichtsystems 51 um maximal 0,5eV vom LUMO des photoaktiven Schichtsystems 4 unterscheidet. Weiterhin ist das andere
Transportschichtsystem 52 transparent ausgeführt. Auf den Transportschichtsystemen 51 und 52 ist ein weiteres photoaktives Schichtsystem 7 angeordnet. Zwischen dem weiteren photoaktiven Schichtsystem 7 und der Gegenelektrode 9 ist ein weiteres Transportschichtsystem 8 angeordnet, welches n-leitend ausgeführt ist. In der Figur 1B ist eine analoge Ausführung zum photoaktiven Bauelement in Fig. 1A dargestellt, wobei der Aufbau der Schichten des photoaktiven Bauelements in Fig. 1B einer nip-Struktur entspricht.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2A und 2B jeweils eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Bauelements abgebildet. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements ist analog dem ersten
Ausführungsbeispiel in Fig. 1A,B, wobei zwischen den
photoaktiven Schichtsystemen 4,7 drei
Transportschichtsysteme 51,52 und 61 angeordnet sind.
Dadurch ergibt sich eine effiziente
Ladungsträgerrekombination an der Grenzfläche zwischen den Transportschichtsystemen 52 und 61.
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements abgebildet. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements ist analog dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2, wobei zwischen den photoaktiven Schichtsystemen 4,7 vier
Transportschichtsysteme 51,52,61 und 62 angeordnet sind.
In einem vierten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4A und 4B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Bauelements abgebildet. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements ist analog dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3, wobei drei Transportschichtsysteme 31,32 und 33 zwischen dem photoaktiven Schichtsystem 4 und der Elektrode 2 angeordnet sind. Das in Fig. 4A schematisch dargestellte Bauelement entspricht hierbei einer pin-Grundstruktur ( speziell einer pnnppn-Struktur) , während das in Fig. 4B dargestellte
Bauelement einer nip-Struktur entspricht, hier einer nppnnp- Struktur . In einem fünften Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements abgebildet. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements ist analog dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4A und B, wobei die Transportschichtsysteme 81,82 und 83 zwischen dem
photoaktiven Schichtsystem 7 und der Gegenelektrode 9 angeordnet sind.
In der Fig. 6 ist ein HOMO-LUMO-Niveau-Diagramm eines
Bauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2B) dargestellt. Dabei befindet sich die Rekombinationszone zwischen dem p-Transportschichtsystem 52 und dem n- Transportschichtsystem 61.
In der Fig. 7 ist ein HOMO-LUMO-Niveau-Diagramm eines
Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
dargestellt. Dabei ist der Aufbau des Bauelements analog der zweiten Ausführungsform, wobei zwischen dem photoaktiven Schichtsystem 4 und dem Transportschichtsystem 61 ein
Transportschichtsystem 51 angeordnet ist.
In der Fig. 8 ist ein HOMO-LUMO-Niveau-Diagramm eines
Bauelements gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 4B) dargestellt.
In der Fig. 9 ist ein HOMO-LUMO-Niveau-Diagramm eines
Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
dargestellt. Dabei ist das Transportschichtsystem 51 energetisch an das photoaktive Schichtsystem 4 und das Transportschichtsystem 63 energetisch an das photoaktive Schichtsystem 7 angepasst. Die Transportschichtsysteme 52 und 62 verfügen über gute Transporteigenschaften und können eine größere Schichtdicke (20nm bis 400nm) als die
Transportschichtsysteme 51,53,61 und 63 haben. Die
Transportschichtsysteme 53 und 61 ermöglichen eine
effiziente Rekombination von Ladungsträgern.
In der Fig. 10 ist ein HOMO-LUMO-Niveau-Diagramm eines Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist der Aufbau des Bauelements analog der Fig. 9, wobei noch zwei weitere Transportschichtsysteme vorhanden sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. IIA und B den schematischen Schichtaufbau von zwei
beispielhaften photoaktiven Bauelementen. Dabei sind im jeweiligen Diagramm die Angaben der Schichtdicken in nm angegeben, die Angaben der Dotierungskonzentration in %, die Angabe der Mischungsverhältnisse als Volumenverhältnis X:Y (z.B. 2:1) und die Angabe der Substrattemperatur während der Verdampfung in °C. Die beiden dotierten DiNPB Schichten (p- DiNPB) zwischen den Absorbersystemen (Absorbersystem 1:
Mischschicht BDR001:C60; Absorbersystem 2: Mischschicht DC6T:C60) enthalten verschiedene Dotanden (Dotand 1 in einer Konzentration von 5% und Dotand 2 in einer Konzentration von 10%). Das Material BPAPF bezeichnet dabei 9, 9-Bis (4- (N, N- bis-biphenyl-4-yl-amino) phenyl) -9H-fluoren und das Material DiNPB ist N,N-Diphenyl-N,N-bis (4- (Ν,Ν-bis (naphth-l-yl) - amino) -biphenyl-4-yl) -benzidin.
Die Strukturformeln der Materialien DCV6T, F4-ZnPc und C60 sind in der Fig. 12 dargestellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 13 der schematische Schichtaufbau eines beispielhaften photoaktiven Bauelementes analog zu Fig. 11 dargestellt: Zwischen den photoaktiven Absorbersystemen sind drei verschiedene p- Transportschichtsysteme 1, 2 und 3 angeordnet.
Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 Elektrode
3 Transportschichtsysteme 31,32,33
4 photoaktives Schichtsystem
5 Transportschichtsysteme 51,52
6 Transportschichtsysteme 61,62
7 photoaktives Schichtsystem
8 Transportschichtsysteme 81,82,83
9 Gegenelektrode

Claims

Patentansprüche
1. Photoaktives Bauelement mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode, wobei zwischen den Elektroden zumindest ein organisches Schichtsystem angeordnet ist, weiterhin mit mindestens zwei photoaktiven Schichtsystemen (4,7) und zwischen den photoaktiven Schichtsystemen (4,7) zumindest zwei verschiedene Transportschichtsysteme
(51,52) des gleichen Ladungsträgertyps, dadurch
gekennzeichnet, dass das eine Transportschichtsystem
(51 oder 52) energetisch an eines der beiden
photoaktiven Schichtsysteme (4,7) angepasst ist und das andere Transportschichtsystem (52 oder 51) transparent ausgeführt ist.
2. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das transparente
Transportschichtsystem eine Leitfähigkeit >= lxlO-6 S/cm aufweist und/oder dotiert ist.
3. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Transportschichtsysteme direkt aneinandergrenzen und/oder beide transparent sind .
4. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass eins oder beide
Transportschichtsysteme zumindest aus einem organischen Material oder einer Mischung von organischen
Materialien bestehen.
5. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportenergieniveaulagen des transparenten
Transportschichtsystems im Bereich -5,5eV bis -4,9eV liegen, falls es sich um ein p-Transportschichtsystem handelt, und im Bereich -4,5eV bis -3,5eV liegen, falls es sich um ein n-Transportschichtsystem handelt.
6. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide
Transportschichtsysteme undotiert sind oder teilweise dotiert oder komplett dotiert sind oder die Dotierung einen Gradienten aufweist oder die Dotierung innerhalb der Schicht verschiedene Konzentrationen aufweist.
7. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden
Transportschichtsysteme mit verschiedenen Dotanden dotiert sind.
8. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den
photoaktiven Schichtsystemen (4,7) noch ein weiteres Transportschichtsystem (61) des anderen
Ladungsträgertyps vorhanden ist.
9. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den
photoaktiven Schichtsystemen (4,7) noch zwei weitere Transportschichtsysteme (61,62) des anderen
Ladungsträgertyps vorhanden sind, wobei das eine
Transportschichtsystem (62) energetisch an das andere photoaktive Schichtsystem (4,7) angepasst ist und das zweite Transportschichtsystem (61) transparent ist.
10. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide der weiteren Transportschichtsysteme (61,62)
Einzelschichten sind, Mischschichten sind, undotiert sind, teilweise dotiert sind, komplett dotiert sind, die Dotierung einen Gradienten aufweist, die Dotierung innerhalb der Schicht verschiedene Konzentrationen aufweist und/oder mit verschiedenen Dotanden dotiert sind .
11. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem photoaktiven Schichtsystem (4) und der Elektrode (2) und/oder zwischen dem photoaktiven Schichtsystem (7) und der Gegenelektrode (9) mindestens zwei
Transportschichtsysteme (31,32 bzw. 81,82) vorhanden sind, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an das jeweilige photoaktive Schichtsystem angepasst ist und das zweite Transportschichtsystem transparent ist .
12. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem photoaktiven Schichtsystem (4) und der Elektrode (2) und/oder zwischen dem photoaktiven Schichtsystem (7) und der Gegenelektrode (9) mindestens drei
Transportschichtsysteme (31,32,33 bzw. 81,82,83) vorhanden sind, wobei das eine Transportschichtsystem energetisch an das jeweilige photoaktive Schichtsystem angepasst ist, das zweite Transportschichtsystem transparent ist und das dritte Transportschichtsystem energetisch an die Elektrode bzw. Gegenelektrode angepasst ist.
13. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bauelement vorhandenen Transportschichtsysteme unabhängig
voneinander als Einzelschichten oder Mischschichten ausgeführt sind oder aus Nanoclustern bestehen, transparent oder semitransparent ausgeführt sind, undotiert oder teilweise dotiert oder komplett dotiert sind, wobei die Dotierung einen Gradienten aufweist oder die Dotierung innerhalb der Schicht verschiedene Konzentrationen aufweist und/oder die
Transportschichtsysteme mit verschiedenen Dotanden dotiert sind.
14. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Tandem- oder Mehrfachzelle ist.
15. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement aus einer Kombination aus nip-, ni-, ip-, pnip-, pni-, pip-, nipn-, nin-, ipn-, pnipn-, pnin- oder pipn- Strukturen besteht, bei der zwei oder mehrere
unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i- Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
16. Verwendung eines photoaktiven Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 auf ebenen, gekrümmten oder flexiblen Trägerflächen.
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