WO2012092972A1 - Elektronisches oder optoelektronisches bauelement mit organischen schichten - Google Patents

Elektronisches oder optoelektronisches bauelement mit organischen schichten Download PDF

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WO2012092972A1
WO2012092972A1 PCT/EP2011/050139 EP2011050139W WO2012092972A1 WO 2012092972 A1 WO2012092972 A1 WO 2012092972A1 EP 2011050139 W EP2011050139 W EP 2011050139W WO 2012092972 A1 WO2012092972 A1 WO 2012092972A1
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conductive
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Martin Pfeiffer
Christian Uhrich
Gnehr WOLF-MICHAEL
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Heliatek Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the substrate-near electrode is composed of a layer system consisting of a substrate-near layer of a non ⁇ conductive or only slightly conductive material, a
  • Metal layer and a layer of a conductive or semiconductive material are conductive or semiconductive material.
  • Organic solar cells consist of a sequence of thinner ones
  • Layers (which are typically each thick to ⁇ thick) of organic materials, which preferably in a vacuum vapor-deposited or spin-coated from a solution.
  • the electrical 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. In this sense, the term "photoactive" as
  • 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.
  • i-layer designates an undoped layer (intrinsic layer).
  • One or more i-layer (s) may in this case consist of layers of a material as well as a mixture of two materials (so-called interpenetrating networks). in the
  • the exciton separation is carried out at photoactive interfaces.
  • the photoactive interface can be used as an organic donor-acceptor interface [C.W. Tang, Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 183] or an interface to an inorganic semiconductor [B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737])].
  • the excitons pass through diffusion to such an active
  • Interface where electrons and holes are separated. This can lie between the p (n) layer and the i-layer or between two i-layers. in the
  • the electrons are now transported to the n-area and the holes to the p-area.
  • the electrons are now transported to the n-area and the holes to the p-area.
  • 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
  • phase separation Material in the mixed layer. This partial segregation is referred to as phase separation.
  • the exciton diffusion length must at least be of the order of magnitude of the typical penetration depth of the light, so that the greater part of the light can be used.
  • the already mentioned possible high absorption coefficients are particularly advantageous for the production of particularly thin organic solar cells.
  • Optoelectronic components are based on the principle of either generating or detecting electromagnetic radiation or of electromagnetic radiation
  • OLEDs organic solar cells or photodetectors
  • Electrode-metal-dielectric are known as electrodes for electronic and optoelectronic devices, which consists of a thin conductive oxide, on one
  • Such electrodes may each replace the substrate-near electrode or the counter electrode farther from the substrate, depending on which side of the device
  • the invention is based on the object to provide a substrate near electrode available on flexible
  • Substrates can be deposited and structuring without destruction of the flexible substrate allows.
  • substrate-near layer is a non-conductive or weakly conductive material
  • the subsequent layer is a metal layer and a layer of a conductive or
  • the substrate-near layer has a refractive index which is greater than the refractive index of the flexible substrate, the metal layer is at most 20 nm thick and the conductive or semiconducting layer has a specific
  • the conductive or semiconducting layer which is on the
  • metallic layer is arranged, not metallic.
  • the conductive or semiconducting layer which on the metallic
  • Layer is arranged, a maximum layer thickness of 20nm up.
  • the layer thickness of the substrate-near layer is selected so that the reflection of the incident or
  • the layer thickness of the substrate-near layer is selected such that the reflection is minimized in the region of the absorption spectrum of the photoactive absorber system.
  • Reflection of the incident or outgoing light in the desired spectral range is minimized.
  • Layer system can be done via Bragg equation, which can be proportional to ⁇ / 4 or optically thin absorber proportional ⁇ / 2 as the distance between the absorber system and electrode can be selected.
  • the nonconductive or only weakly conductive substrate-near layer is amorphous in order to allow a bending of the layer sequence without the formation of cracks or fractures.
  • the non-conductive or only weakly conductive substrate-near layer has a
  • Ohm / sq describes the sheet resistance measured on a square area, where the size of the square area is irrelevant.
  • the term ohms / sq represents a term commonly used in the art.
  • the layer sequence begins between the substrate-near inventive
  • inventive device having a transparent, conductive layer having a conductivity greater le ⁇ 6 S / cm.
  • This layer is preferably a p-doped or n-doped organic layer having an optical band gap greater than 2 eV.
  • the nonconductive or only slightly conductive near subtrate layer has a higher melting point and higher evaporation temperature than the conductive or semiconductive layer disposed on the metallic layer.
  • the non-conductive or only slightly conductive substrate-near layer consists of an oxide or sulfide semiconductor such as ITO (indium tin oxide), ZnO: Al, FTO, Sn0 2 , Ti0 2 , ZnS, IGZO (indium Gallium-zinc-oxide), preferably it consists of an amorphous oxide semiconductor such as ITO, IGZO.
  • the semiconductive or conductive layer disposed on the metallic layer consists of an oxide or sulfide semiconductor such as ITO, ZnO: Al, FTO, SnO 2, TiO 2, ZnS, IGZO, preferably it consists of an oxide semiconductor or Sulfide semiconductors with lower evaporation temperature and melting point than the material used in the substrate-near layer, for example ZnS, Mo0 3 , V 2 0. 5
  • Layer which is arranged on the metallic layer, in principle the same materials can be used, wherein the conductivity can be adjusted by changing the composition of the material.
  • a technical advantage is given by the use of the same materials for the non-conductive or weakly conductive substrate-near layer and the semiconducting and conductive layer, which is arranged on the metallic layer, by reducing the complexity of manufacturing.
  • the metal layer is formed from Al, Ag, Au, Cr, Cu, Ti or a combination of these metals.
  • the layer sequence according to the invention allows a
  • the non-conductive or only slightly conductive substrate-near layer protects the substrate from destruction.
  • the metal layer and the semiconductive or conductive layer disposed on the metallic layer takes over the conductive function of the electrode.
  • the layer electrode according to the invention offers the following:
  • Evaporation temperature of the non-conductive or weakly conductive substrate-near layer is significantly lower than from the semiconductive or conductive layer, which is disposed on the metallic layer.
  • the laser cuts have a width of at most 200 pm, preferably 100 pm.
  • the edge elevation is maintained at a maximum of 100 nm after the solution according to the invention.
  • this is an organic Solar cell with pin, npin, pnip or nip single cell or tandem cell, particularly preferably using doped charge carrier transport layers.
  • i denotes an intrinsic layer which is undoped or only weakly doped
  • p is a positively doped layer
  • n is a negatively doped layer.
  • 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, the doping preferably being selected to be so high is 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 photoactive i-layer and the electrode located on the substrate, so that it is a pip or pi structure, wherein the additional 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 comes 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 none
  • an n-layer system may be present in the device between the intrinsic, photoactive layer and the counterelectrode, so that it is a nin- or in-structure, wherein the additional n-doped layer has a Fermi level position, which is at most 0.4 eV, but preferably less than 0.3 eV above the hole transport level of the i-layer, so that loss-poor hole extraction from the i-layer into this n-layer occurs.
  • the component contains an n-layer system and / or a p-layer system, so that it is a pnipn, pnin, pipn or pin structure, which in all cases is characterized
  • Layer has a lower thermal work function than the side facing away from the substrate adjacent to the i-layer
  • these are designed as organic tandem solar cell or multiple solar cell. So it may be at the
  • Component to a tandem cell of a combination of nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin or pipn structures act in which several independent combinations containing at least one i-layer, one above the other are stacked (cross combinations).
  • this is a pnipnipn tandem cell
  • the layer sequence of the device according to the invention begins with a doped
  • the component is designed as an organic pin solar cell or organic pin tandem solar cell or pin multiple solar cell.
  • tandem solar cell while a solar cell is called, consisting of a vertical stack of two in series
  • Solar cells with a maximum of 10 solar cells are connected in a stack.
  • a conversion contact (pn or np) is installed at the electrodes. Possible structures are for this purpose e.g. pnip, nipn or pnipn.
  • the n-type material system includes one or more doped wide-gap
  • the p material system includes one or more doped wide-gap
  • the organic materials are small molecules.
  • Substrate can be deposited.
  • the organic materials are at least partially polymers, but at least one photoactive i-layer is formed from small molecules.
  • the photoactive layer system is composed of an acceptor and a
  • the acceptor material is a material selected from the group of fullerenes or fullerene derivatives (preferably C60 or C70) or a PTCDI derivative (perylene-3,4,9,10-bis (dicarboximide) derivative).
  • the donor material is an oligomer, in particular an oligomer according to WO2006092134, DE102009021881.5, a porphyrin derivative, a pentacene derivative or a perylene derivative, such as DIP (di-indeno-perylene), DBP (di-benzo -perylene).
  • oligomer in particular an oligomer according to WO2006092134, DE102009021881.5, a porphyrin derivative, a pentacene derivative or a perylene derivative, such as DIP (di-indeno-perylene), DBP (di-benzo -perylene).
  • the p-type material system contains a TPD derivative (triphenylamine dimer), a spiro compound such as spiropyrane, spiroxazine, MeO-TPD ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetrakis (4-methoxyphenyl) - benzidine), di-NPB
  • N N'diphenyl-N, N y-bis (N, N '-di (1-naphthyl) -N, N' -diphenyl- (1, 1 '-biphenyl) 4, 4' diamines)
  • MTDATA 4, 4 ', 4 "-tris (N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) -triphenylamine)
  • TNATA N, N'diphenyl-N, N y-bis (N, N '-di (1-naphthyl) -N, N' -diphenyl- (1, 1 '-biphenyl) 4, 4' diamines
  • MTDATA 4, 4 ', 4 "-tris (N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) -triphenylamine)
  • TNATA N, N'diphenyl-N, N y-bis (N, N '-di (1-n
  • the n-material system contains fullerenes such as C60, C70; NTCDA (1, 4, 5, 8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride), NTCDI (naphthalenetetracarboxylic diimide) or PTCDI (perylene-3,4,9,10-bis (dicarboximide).
  • fullerenes such as C60, C70; NTCDA (1, 4, 5, 8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride), NTCDI (naphthalenetetracarboxylic diimide) or PTCDI (perylene-3,4,9,10-bis (dicarboximide).
  • the p-material system contains a p-dopant, wherein this p-dopant is selected from a group consisting of F4-TCNQ, or a p-dopant as in DE10338406, DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320, DE102006054524 and
  • the n-type material system contains an n-dopant, where this n-dopant is a TTF derivative (tetrathiafulvalene derivative) or DTT derivative (dithienothiophene), an n-dopant as described in DE10338406,
  • the device is semitransparent with a transmission of 10-80%
  • the organic materials used have a low melting point, preferably ⁇ 100 ° C, on.
  • the organic materials used have a low
  • Glass transition temperature preferably ⁇ 150 ° C, on.
  • the use of light traps the optical path of the incident Light in the active system increases.
  • the light trap is realized in that the component is built up on a periodically microstructured substrate and the homogeneous function of the device, ie a short-circuit free contact and homogeneous distribution of the electric field over the entire surface, through the use of a doped wide -gap layer is guaranteed.
  • Ultrathin devices have structured substrates to an increased risk of forming local short circuits, so that such an obvious inhomogeneity functionali ⁇ ality of the entire device is ultimately at risk. This short circuit risk is reduced by the use of the doped transport layers.
  • the device is constructed on a periodically microstructured substrate and the homogeneous function of the device, its short-circuit ⁇ free contact and a homogeneous distribution of the electric field over the entire surface by the use of a doped wide-gap layer ensures becomes.
  • the light absorber ⁇ layer passes through at least twice, thereby may cause the solar cell to an increased light absorption and an improved degree of efficiency.
  • This can be ⁇ example as achieved in that the substrate pyramid-like structures on the surface having heights and widths in each case in the range from one to several hundred
  • Height and width can be equal or
  • Pyramids be constructed symmetrically or asymmetrically.
  • the Light trap realized by a doped wide-gap layer has a smooth interface with the i-layer and a rough interface to the reflective contact.
  • interface can be defined by a periodic
  • the rough interface is particularly advantageous when it diffusely reflects the light, 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 to the i-layer and a rough interface to the reflective
  • the invention is based on some
  • FIG. 1 shows the general structure of a component according to the invention
  • FIG. 2 shows the general structure of a substrate-near layer electrode according to the invention
  • FIG. 3 shows the schematic representation of a structure of an exemplary photoactive component on a microstructured substrate, in FIG
  • FIG. 4 shows an SEM image of a laser-structured ITO layer
  • FIG. 5 shows a photograph in an optical microscope of a laser-structured layer electrode according to the invention.
  • Embodiment 1 is intended to describe the invention without being limited thereto. Embodiment 1
  • an electrode according to the invention is shown in more detail in FIG. It is on the substrate 1, which, for example, as a flexible
  • Polymer film such as a PET film is performed, a substrate-near non-conductive or only weakly conductive
  • Layer 2 for example made of IGZO arranged.
  • a metallic layer 3 for example of Ag,
  • a semiconductive or conductive layer 4 for example, ZnS is arranged.
  • a doped charge carrier transport layer 5 is arranged on the electrode (2-4) close to the substrate.
  • Embodiment 2 In a further embodiment, an electrode according to the invention is shown in Fig. 2, which on the
  • Substrate 1 such as a PET film is arranged.
  • the electrode according to the invention comprises a substrate-near nonconductive or only slightly conductive layer 2,
  • Embodiment is on the substrate 1, for example a PET film, a substrate-near non-conductive or only weakly conductive layer 2, for example made of ITO,
  • Adhesive layer is 5nm.
  • the layer thickness the Cu is 3nm.
  • On this metallic layer 3 is a semiconductive or conductive layer 4, for example, ZnO: Al arranged.
  • a light trap for lengthening the optical path of the incident light in the active system is used in FIG.
  • the light trap is realized by the fact that the
  • Component is constructed on a periodically microstructured substrate and the homogeneous function of the device, its 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, as in FIG. 2, in that the substrate has pyramid-like structures on the substrate
  • the pyramids can be constructed symmetrically or asymmetrically.
  • the width of the pyramidal structures is between lpm and 200pm.
  • the height of the pyramid-like structures can be between lpm and 1mm.
  • substrate-near electrode comprising a substrate-near layer of a non-conductive or only slightly conductive material, followed by a
  • electrode e.g. ITO or metal (10 - 200nm)
  • Embodiment 5 is a diagrammatic representation of Embodiment 5:
  • a layer electrode according to the invention is compared by way of example with an electrode known from the prior art on the basis of the result after the laser structuring.
  • Fig. 4 is a SEM image of a
  • the ITO layer has a layer thickness of about 100 nm.
  • the ITO layer is arranged on a PET film as a substrate.
  • the conductivity of a 100 nm thick ITO layer is about 50 ohms / sq.
  • the trench edges have frequent elevations, that of a cell processed thereon
  • FIG. 5 shows a photograph of an optical microscope of a laser-structured substrate-near electrode according to the invention. This one has
  • the conductivity of this layer electrode is about 10 ohms / sq.

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Abstract

Die Erfindung betrifft organisches elektronisches oder optoelektronisches Bauelement auf einem flexiblen Substrat (1) mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und einem Schichtsystem zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode, welches mindestens eine organische Schicht beinhaltet, dessen substratnahe Elektrode aufgebaut ist aus einer Schichtabfolge mit einer möglichst schwach leitenden substratnahen Schicht (2), einer metallischen Schicht (3) und einer halbleitenden oder leitenden Schicht (4).

Description

Elektronisches oder optoelektronisches Bauelement mit organischen Schichten
Elektronisches oder optoelektronisches Bauelement mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und einem Schichtsystem zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode, wobei die substratnahe Elektrode aufgebaut ist aus einem SchichtSystem bestehend aus einer substratnahen Schicht aus einem nicht¬ leitenden oder nur schwach leitenden Material, einer
Metallschicht und einer Schicht aus einem leitenden oder halbleitenden Material.
Die Forschung und Entwicklung an organischen Solarzellen hat insbesondere in den letzten zehn Jahren stark zugenommen. Der maximale bisher für so genannte „kleine Moleküle" berichtete Wirkungsgrad liegt bei 5.7% [Jiangeng Xue, Soichi Uchida, Barry P. Rand, and Stephen R. Forrest, Appl . Phys . Lett . 85 (2004) 5757] . Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht-polymere organische, monodisperse Moleküle im Massebereich zwischen 100 und 2000 Gramm/Mol verstanden. Damit konnten bisher die für
anorganische Solarzellen typischen Effizienzen von 10-20% noch nicht erreicht werden. Organische Solarzellen
unterliegen aber denselben physikalischen Limitierungen wie anorganische Solarzellen, weshalb nach entsprechender
Entwicklungsarbeit zumindest theoretisch ähnliche
Effizienzen zu erwarten sind.
Organische Solarzellen bestehen aus einer Folge dünner
Schichten (die typischerweise jeweils lnm bis Ιμιη dick sind) 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. In diesem Sinne wird der Begriff "photoaktiv" als
Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie
verstanden. 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), die es erlauben, effiziente
Absorberschichten von nur wenigen Nanometern Dicke
herzustellen, so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, wobei die verwendeten organischen
Halbleitermaterialien bei Herstellung in größeren Mengen sehr kostengünstig sind; die Möglichkeit, flexible
großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie. Da im Herstellungsprozess keine hohen Temperaturen benötigt werden, ist es möglich, organische Solarzellen als Bauteile sowohl flexibel als auch großflächig auf preiswerten Substraten, z.B. Metallfolie, Plastikfolie oder Kunststoffgewebe, herzustellen. Dies eröffnet neue
Anwendungsgebiete, welche den konventionellen Solarzellen verschlossen bleiben. Auf Grund der nahezu unbegrenzten Anzahl verschiedener organischer Verbindungen können die Materialien für ihre jeweilige Aufgabe maßgeschneidert werden .
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. In diesem Sinne sind derartige Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine undotierte Schicht (intrinsische Schicht) . Eine oder mehrere i-Schicht (en) können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke) bestehen. Im
Gegensatz zu anorganischen Solarzellen liegen die Ladungsträgerpaare in organischen Halbleitern nach
Absorption jedoch nicht frei vor, sondern sie bilden wegen der weniger starken Abschwächung der gegenseitigen Anziehung ein Quasiteilchen, ein so genanntes Exziton. Um die im
Exziton vorhandene Energie als elektrische Energie nutzbar zu machen, muss dieses Exziton in freie Ladungsträger getrennt werden. Da in organischen Solarzellen nicht
ausreichend hohe Felder zur Trennung der Exzitonen zur
Verfügung stehen, wird die Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen vollzogen. Die photoaktive Grenzfläche kann als eine organische Donator-Akzeptor-Grenzfläche [C.W. Tang, Appl . Phys . Lett . 48 (1986) 183] oder eine Grenzfläche zu einem anorganischen Halbleiter [B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737])] ausgeprägt sein. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive
Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Diese 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) . Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien
bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich <450nm liegt, bevorzugt 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. Diese geschlossenen Perkolationspfade werden üblicherweise durch eine gewisse Phasenseparation in der Mischschicht realisiert, d.h. die beiden Komponenten sind nicht völlig durchmischt, sondern es befinden sich
(bevorzugt kristalline) Nanopartikel aus jeweils einem
Material in der Mischschicht. Diese teilweise Entmischung wird als Phasenseparation bezeichnet.
Die so generierten freien Ladungsträger können nun zu den Kontakten transportiert werden. Durch Verbinden der Kontakte über einen Verbraucher kann die elektrische Energie genutzt werden. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass Exzitonen, die im Volumen des organischen Materials generiert wurden, an diese photoaktive Grenzfläche diffundieren können.
Die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche spielt daher eine kritische Rolle bei
organischen Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss deshalb in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge zumindest in der Größenordnung der typischen Eindringtiefe des Lichts liegen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Die bereits erwähnten möglichen hohen Absorptionskoeffizienten sind dabei besonders vorteilhaft für die Herstellung besonders dünner organischer Solarzellen.
Optoelektronische Bauelemente beruhen auf dem Prinzip entweder elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren oder aus elektromagnetischer Strahlung
Elektrizität zu gewinnen. Beispiele sind OLED's, organische Solarzellen oder Fotodetektoren.
Neben den klassischen Metallelektroden sind verschiedene Ansätze zum Ersatz dieser bekannt. In der DE202007018948 sind Dünnschichten aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen als Elektroden beschrieben.
Aus der WO2006/134093 sind sogenannte DMD-Schichten
(Dielektrikum-Metall-Dielektrikum) als Elektroden für elektronische und optoelektronische Bauelemente bekannt, die aus einem dünnen leitfähigen Oxid, darauf einer
Metallschicht und eine zweite dünne leitfähige Oxidschicht. Die Motivation für solche DMD-stacks war es eine
semitransparente Elektrode zu schaffen durch Verwendung dünnerer Metallschichten und den Materialverbauch an zum Teil teurem Metall zu minimieren. Solche Elektroden können jeweils die substratnahe Elektrode oder die vom Substrat weiter entfernte Gegenelektrode ersetzen, je nachdem von welcher Seite des Bauelements
Transparenz nötig ist. Bei Verwendung von flexiblen Substraten für elektronische und optoelektronische Bauelement entstehen Probleme beim Strukturieren der substratnahen Elektrode. So wird beim Laserstruktuieren zum Beispiel teilweise das
darunterliegende Substrat zerstört oder die Strukturierung ist unvollständig, so dass es zu Leckströmen bis hin zum Kurzschluss der gesamten Zelle kommt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine substratnahe Elektrode zur Verfügung zu stellen, die auf flexiblen
Substraten abgeschieden werden kann und eine Strukturierung ohne Zerstörung des flexiblen Substrates ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein
organisches elektronisches oder otpoelektronisches
Bauelement auf einem flexiblen Substrat dessen substratnahe Elektrode aus mehreren Schichten besteht, wobei die
substratnahe Schicht ein nicht-leitendes oder nur schwach leitendes Material ist, die darauf folgende Schicht eine Metallschicht und eine Schicht eines leitenden oder
halbleitenden Materials auf die Metallschicht folgt.
Dabei hat die substratnahe Schicht einen Brechungsindex, der größer ist als der Brechungsindex des flexiblen Substrats, die Metallschicht ist maximal 20 nm dick und die leitende oder halbleitende Schicht weist eine spezifische
Leitfähigkeit von mindestens le~6 S/cm auf. Bevorzugt ist die leitende oder halbleitende Schicht, welche auf der
metallischen Schicht angeordnet ist, nicht metallisch.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die leitende oder halbleitende Schicht, welche auf der metallischen
Schicht angeordnet ist, eine maximale Schichtdicke von 20nm auf .
Bevorzugt ist die Schichtdicke der substratnahen Schicht so gewählt, dass die Reflexion des einfallenden oder
rausgehenden Lichtes im gewünschten Spektralbereich
minimiert wird.
Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauelement um eine Solarzelle, dann wird die Schichtdicke der substratnahen Schicht so gewählt, dass im Bereich des Absorpionsspektrums des photoaktiven Absorbersystems die Reflexion minimiert wird .
Bevorzugt ist die Schichtdicke der kompletten
erfindungsgemäßen Schichtfolge so gewählt, dass die
Reflexion des einfallenden oder rausgehenden Lichtes im gewünschten Spektralbereich minimiert wird.
Die Ermittlung einer optimalen Schichtdicke in einem
SchichtSystem kann über Bragg-Gleichung erfolgen, wobei diese proportional λ/4 oder für optisch dünne Absorber proportional λ/2 als Abstand zwischen Absorbersystem und Elektrode gewählt werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die nichtleitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht amorph, um eine Biegung der Schichtfolge ohne Bildung von Rissen oder Brüchen zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die nicht-leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht einen
Flächenwiderstand von größer als 1000 Ohm/sq, bevorzugt aber größer als 10000 Ohm/sq auf. Ohm/sq beschreibt dabei den Flächenwiderstand gemessen auf einer quadratischen Fläche, wobei die Größe der quadratischen Fläche irrelevant ist. Die Bezeichnung Ohm/sq stellt einen in der Fachwelt gebräuchlichen Begriff dar.
In einer weiteren Ausführungsform beginnt die Schichtfolge zwischen der substratnahen erfindungsgemäßen
Schichtelektrode und der Gegenelektrode des
erfindungsgemäßen Bauelements mit einer transparenten, leitfähigen Schicht die eine Leitfähigkeit größer le~6 S/cm besitzt. Bevorzugt ist diese Schicht eine p- oder n-dotierte organische Schicht mit einer optischen Bandlücke größer als 2eV.
Bevorzugt besitzt die nicht-leitende oder nur schwach leitende subtratnahe Schicht einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere Verdampfungstemperatur als die leitende oder halbleitende Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die nicht-leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht aus einem Oxid- oder Sulfidhalbleiter wie zum Beispiel ITO (Indium- Zinn-Oxid), ZnO:Al, FTO, Sn02, Ti02, ZnS, IGZO (Indium- Gallium-Zink-Oxid) , bevorzugt besteht sie aus einem amorphen Oxidhalbleiter wie zum Beispiel ITO, IGZO.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die halbleitende oder leitende Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist, aus einem Oxid oder Sulfidhalbleiter wie zum Beispiel ITO, ZnO:Al, FTO, Sn02, Ti02, ZnS, IGZO, bevorzugt besteht sie aus einem Oxidhalbleiter oder Sulfidhalbleiter mit geringerer Verdampfungstemperatur und Schmelzpunkt als das in der substratnahen Schicht verwendete Material, zum Beispiel ZnS, Mo03, V205.
Für die nicht-leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht und die halbleitende und leitende
Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist, können prinzipiell gleiche Materialien verwendet werden, wobei die Leitfähigkeit über Veränderung der Zusammensetzung des Materials angepasst werden kann.
Dies ist zum Beispiel bei ITO durch die Veränderung des Sauerstoffgehaltes während des Abscheidens bekannt.
Ein technischer Vorteil ist gegeben durch die Verwendung gleicher Materialien für die nicht-leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht und die halbleitende und leitende Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist, indem es die Komplexität der Herstellung verringert .
Für eine Verbesserung der Eigenschaften eines speziellen erfindungsgemäßen Bauelements kann aber die Verwendung verschiedener Materialien für die nicht-leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht und die halbleitende und leitende Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist, nötig sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die Metallschicht gebildet aus AI, Ag, Au, Cr, Cu, Ti oder einer Kombination dieser Metalle. In einer speziellen Ausführungsform kann es nötig sein die Metallschicht aus einer Haftvermittlerschicht aus Cr oder Ti mit einer Dicke von maximal 5nm und einer weiteren Metallschicht aus AI, Ag, Cu oder Au aufzubauen. Bevorzugt ist dabei die Gesamtdicke der jeweiligen
Metallschichten maximal 8nm.
Die erfindungsgemäße Schichtabfolge ermöglicht ein
laserstrukturieren der substratnahen Elektrode. Die nicht- leitende oder nur schwach leitende substratnahe Schicht schützt das Substrat vor Zerstörungen. Die Metallschicht und die halbleitende oder leitende Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist, übernehmen die leitende Funktion der Elektrode.
Dabei bietet die erfindungsgemäße Schichtelektrode den
Vorteil eines breiten Prozessfensters beim
laserstrukturieren, wenn die Schmelztemperatur und
Verdampfungstemperatur des nicht-leitenden oder nur schwach leitenden substratnahen Schicht deutlich niedriger ist als von der halbleitenden oder leitenden Schicht, welche auf der metallischen Schicht angeordnet ist.
So wird von gepulster Laserstrahlung nur die metallische Schicht und die darauf angeordnete halbleitende oder leitende Schicht abgetragen, während die nicht-leitenden oder nur schwach leitenden substratnahe Schicht nur
teilweise oder gar nicht abgetragen wird.
In einer weiteren Ausführungsform haben die Laserschnitte dabei eine Breite von maximal 200 pm, bevorzugt 100 pm. Die Kantenüberhöhung wird nach der erfindungsgemäßen Lösung auf maximal lOOnm gehalten. Mit der erfindungsgemäßen Elektrode ist die Herstellung von Modulen auf flexiblen Substraten wie zum Beispiel
Polymerfolien möglich. Insbesondere ist es möglich, ein organisches Solarmodul mit intergrierter Serienverschaltung herzustellen, welches auf einer laserstrukturierten
Schichtabfolge auf Polymerfolie basiert.
Die Abscheidung der Schichten der erfindungsgemäßen
substratnahen Elektrode erfolgt über geeignete
Abscheideverfahren, wie u.a. etwa OVPD, CVD, PVD, Sputtern, Dip-Coating, Imprinting, Ink-Jet, Sol-Gel-Verfahren etc. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine organische Solarzelle mit pin, npin, pnip oder nip Einzelzelle oder Tandemzelle, besonders bevorzugt unter Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten . Dabei bezeichnet i eine intrinsische Schicht, welche undotiert oder nur schwach dotiert ist, p eine positiv dotierte Schicht und n eine negativ dotierte Schicht.
In einer weiteren Ausführungsform 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 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 kommt. 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 kommt. 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 oben beschriebenen Strukturen sind diese als organische Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle ausgeführt. So kann es sich bei dem
Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen handeln, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind (Kreuzkombinationen) .
In einer weiteren Ausführungsform der oben beschriebenen Strukturen ist diese als eine pnipnipn-Tandemzelle
ausgeführt . Bevorzugt beginnt die Schichtfolge des erfindungsgemäßen Bauelements mit einer dotierten
LadungsträgertransportSchicht auf der erfindungsgemäßen Schichtelektrode . In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement als organische pin-Solarzelle bzw. organische pin-Tandemsolarzelle oder pin-Mehrfachsolarzelle ausgeführt. Als Tandemsolarzelle wird dabei eine Solarzelle bezeichnet, die aus einem vertikalen Stapel zweier in Serie
verschalteter Solarzellen besteht. Als Mehrfachsolarzelle wird dabei eine Solarzelle bezeichnet, die aus einem
vertikalen Stapel mehrerer in Serie verschalteter
Solarzellen besteht, wobei maximal 10 Solarzellen in einem Stapel verschaltet sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an den Elektroden ein Konversionskontakt (pn oder np) eingebaut. Mögliche Strukturen sind hierfür z.B. pnip, nipn oder pnipn.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n- Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap
Schichten. Der Begriff wide-gap Schichten definiert dabei Schichten mit einem Absorptionsmaximum im
Wellenlängenbereich <450nm.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p- Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap
Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Materialien um kleine Moleküle. Unter dem
Begriff kleine Moleküle werden im Sinne der Erfindung
Monomere verstanden, die verdampft und damit auf dem
Substrat abgeschieden werden können. In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere, wobei aber zumindest eine photoaktive i-Schicht aus kleinen Molekülen gebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das photoaktive SchichtSystem aus einem Akzeptor und einem
Donator aufgebaut.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Akzeptor-Material ein Material ausgewählt aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (bevorzugt C60 oder C70) oder ein PTCDI- Derivat (Perylen-3 , 4 , 9 , 10-bis (dicarboximid) -Derivat ) .
In einer weiteren Ausführungsform ist das Donator-Material ein Oligomer, insbesondere ein Oligomer nach WO2006092134, DE102009021881.5, ein Porphyrin-Derivat, ein Pentacen- Derivat oder ein Perylenderivat , wie DIP (Di-Indeno- Perylen) , DBP (Di-benzo-perylene) .
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p- Materialsystem ein TPD-Derivat ( Triphenylamin-Dimer ) , eine Spiro-Verbindung, wie Spiropyrane, Spiroxazine, MeO-TPD (Ν,Ν,Ν' ,Ν' -Tetrakis ( 4-methoxyphenyl ) -benzidin) , Di-NPB
(N,N'diphenyl-N,Ny-bis (N,N '-di (1-naphthyl) -N,N '-diphenyl- (1, 1 '-biphenyl) 4 , 4 ' -diamine ) , MTDATA ( 4 , 4 ' , 4 ' ' -Tris- (N-3- methylphenyl-N-phenyl-amino) -triphenylamin) , TNATA
(4, 4 ' , 4 ' ' -Tris [N- (1-naphthyl) -N-phenyl-amino ] - triphenylamin), BPAPF ( 9 , 9-bis { 4- [di- (p- biphenyl) aminophenyl] }fluorene) , NPAPF ( 9 , 9-Bis [ 4- (N, N ' -bis- naphthalen-2-yl-amino ) phenyl] -9H-fluorene) , Spiro-TAD
(2, 2 ' , 7, 7 ' -Tetrakis- (diphenylamino ) -9, 9 '-spirobifluoren) , PV-TPD (N,N-di 4-2, 2-diphenyl-ethen-l-yl-phenyl-N, -di 4- methylphenylphenylbenzidine) , 4P-TPD ( 4 , 4 ' -bis- (N, N- diphenylamino ) -tetraphenyl ) , oder ein in DE102004014046 beschriebenes p-Material.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n- Materialsystem Fullerene, wie beispielsweise C60, C70; NTCDA (1, 4, 5, 8-Naphthalene-tetracarboxylic-dianhydride ) , NTCDI (Naphthalenetetracarboxylic diimide) oder PTCDI (Perylen- 3,4,9, 10-bis (dicarboximid) .
In einer weiteren Ausführungsform enthält das p- Materialsystem einen p-Dotanden, wobei dieser p-Dotand ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus F4-TCNQ, oder einem p-Dotand wie in DE10338406, DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320 , DE102006054524 und
DE102008051737 beschrieben oder einem Übergangsmetalloxid (VO, WO, MoO, etc. ) .
In einer weiteren Ausführungsform enthält das n- Materialsystem einen n-Dotanden, wobei dieser n-Dotand ein TTF-Derivat ( Tetrathiafulvalen-Derivat ) oder DTT-Derivat (dithienothiophen) , ein n-Dotand wie in DE10338406,
DE10347856, DE10357044, DE102004010954, DE102006053320 , DE102006054524 und DE102008051737 beschrieben oder Cs, Li oder Mg ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement semitransparent mit einer Transmission von 10-80% ausgeführt
In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien einen niedrigem Schmelzpunkt, bevorzugt < 100°C, auf.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien eine niedrige
Glasübergangstemperatur, bevorzugt < 150°C, auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelements, also eine kurzschlussfreie Kontak- tierung 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 Funktio¬ nalität des gesamten Bauelements gefährdet ist. Diese Kurz¬ schlussgefahr 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 kurzschluss¬ freie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elekt- rischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Beson¬ ders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorber¬ schicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungs- grad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispiels¬ weise dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen und Breiten 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 inner¬ halb 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 raue Grenzfläche zum reflektierenden
Kontakt hat. Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger
Ausführungsbeispiele und dazugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Es zeigen in
Fig. 1 t den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements , Fig. 2 den allgemeinen Aufbau einer erfindungsgemäßen substratnahen Schichtelektrode, in Fig. 3 die schematische Darstellung einer Struktur eines beispielhaften photoaktiven Bauelements auf einem mikrostrukturierten Substrat, in
Fig. 4 eine SEM-Aufnahme einer laserstrukturierten ITO- Schicht und in
Fig. 5 eine Aufnahme in einem optischen Mikroskop einer laserstrukturierten erfindungsgemäßen Schichtelektrode.
Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben ohne sich auf diese zu beschränken. Ausführungsbeispiel 1:
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektrode näher dargestellt. Dabei ist auf dem Substrat 1, welches beispielsweise als flexible
Polymerfolie wie etwa eine PET-Folie ausgeführt ist, eine substratnahe nicht-leitende oder nur schwach leitende
Schicht 2, beispielsweise aus IGZO, angeordnet. Darauf ist eine metallische Schicht 3, beispielsweise aus Ag,
angeordnet. Auf dieser metallischen Schicht 3 ist eine halbleitende oder leitende Schicht 4, beispielsweise aus ZnS angeordnet. Auf dieser halbleitenden oder leitenden Schicht 4 ist eine dotierte LadungsträgertransportSchicht 5 auf der substratnahen Elektrode (2-4) angeordnet.
Ausführungsbeispiel 2: In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 eine erfindungsgemäße Elektrode dargestellt, welche auf dem
Substrat 1, etwa einer PET-Folie, angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Elektrode umfasst dabei eine substratnahe nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht 2,
beispielsweise aus ZnO:Al, eine metallische Schicht 3, beispielswiese aus Au, sowie eine halbleitende oder leitende Schicht 4, beispielsweise aus V205.
Ausführungsbeispiel 3:
In einem weiteren nicht näher dargestellten
Ausführungsbeispiel ist auf dem Substrat 1, beispielsweise einer PET-Folie, eine substratnahe nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht 2, beispielsweise aus ITO,
angeordnet. Darauf ist eine metallische Schicht 3,
angeordnet, welche aus einer Haftvermittlerschicht aus Cr und einer Cu-Schicht besteht. Die Schichtdicke der
Haftvermittlerschicht beträgt dabei 5nm. Die Schichtdicke des Cu beträgt 3nm. Auf dieser metallischen Schicht 3 ist eine halbleitende oder leitende Schicht 4, beispielsweise aus ZnO:Al angeordnet.
Ausführungsbeispiel 4: In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Fig.3 eine Lichtfalle zur Verlängerung des optischen Wegs des einfallenden Lichtes im aktiven System verwendet.
Dabei 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 wie in Fig. 2 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. Die Breite der pyramidenartigen Strukturen liegt hierbei zwischen lpm und 200pm. Die Höhe der pyramidenartigen Strukturen kann zwischen lpm und 1mm liegen .
Bezeichnung der Fig. 3: lpm < d < 200pm lpm < h < 1mm 11: Substrat
12: substratnahe Elektrode umfassend eine substratnahe Schicht eines nicht-leitendes oder nur schwach leitenden Materials, darauf folgend eine
Metallschicht und darauf eine Schicht eines leitenden oder halbleitenden Materials
13: HTL oder ETL-SchichtSystem (10 - 200nm)
14: Absorbermischschicht 1 (10 - 200nm)
15: Absorbermischschicht 2 (10 - 200nm)
16: HTL oder ETL-SchichtSystem (10 - 200nm)
17: Passivierungsschicht (lnm - 200nm)
18: Elektrode; z.B. ITO oder Metall (10 - 200nm)
19: Weg des einfallenden Lichts
Ausführungsbeispiel 5:
In dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird beispielhaft eine erfindungsgemäße Schichtelektrode mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Elektrode anhand des Ergebnisses nach der Laserstrukturierung verglichen.
Dabei ist in Fig. 4 eine SEM-Aufnahme einer
laserstrukturierten ITO-Schicht nach dem Stand der Technik dargestellt. Die ITO-Schicht weist dabei eine Schichtdicke von etwa 100 nm auf. Die ITO-Schicht ist auf einer PET-Folie als Substrat angeordnet. Die Leitfähigkeit einer lOOnm dicken ITO-Schicht beträgt etwa 50 Ohm/sq.
Das Abtragen der gesamten Schichtdicke erfordert höhere Intensität .
Wie in Figur 3 zu sehen ist, weisen die Grabenkanten häufige Überhöhungen auf, die eine darauf prozessierte Zelle
kurzschließen würden. Demgegenüber ist in Fig. 5 eine Aufnahme eines optischen Mikroskops einer laserstrukturierten erfindungsgemäßen substratnahen Elektrode dargestellt. Diese weist eine
Schicht folge von ca. 35nm ZnO:Al als Schicht 2, ca. 8nm Ag als Schicht 3 sowie ca. 35nm ZnO:Al als Schicht 4 auf. Die erfindungsgemäße Elektrode wurde ebenfalls auf einer PET-
Folie angeordnet. Die Leitfähigkeit dieser Schichtelektrode beträgt ca. 10 Ohm/sq.
Gut zu erkennen ist dabei, dass in der Mitte eines
Laserschusses bis auf das PET abgetragen wurde, beim weitaus größeren Teil aber nur Schicht 3 und 4 abgetragen wurde. Dies führt zu saubereren äußeren Kanten.
Elektronisches oder optoelektronisches Bauelement mit organischen Schichten
Bezugszeichenliste 1 Substrat
2 substratnahe nicht-leitenden oder nur schwach leitenden Schicht
3 metallische Schicht
4 halbleitenden oder leitenden Schicht
5 LadungsträgertransportSchicht
11 Substrat
12 substratnahe Elektrode aus mehreren Schichten
13 HTL oder ETL-SchichtSystem
14 Absorbermischschicht 1
15 Absorbermischschicht 2
16 HTL oder ETL-SchichtSystem
17 Passivierungsschicht
18 Elektrode
19 Weg des einfallenden Lichts

Claims

Elektronisches oder optoelektronisches Bauelement mit organischen Schichten
Patentansprüche 1. Elektronisches oder optoelektronisches Bauelement auf einem flexiblen Substrat mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und einem SchichtSystem zwischen der
Elektrode und der Gegenelektrode, wobei die substratnahe Elektrode aufgebaut ist aus einem SchichtSystem bestehend aus einer substratnahen Schicht (1) aus einem nicht¬ leitenden oder nur schwach leitenden Material, einer
Metallschicht (2) und einer Schicht (3) aus einem leitenden oder halbleitenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine erste Schicht (2) eine Brechzahl hat, die größer ist als die Brechzahl des flexiblen Substrats,
- eine zweite Schicht (3) eine Dicke von kleiner 20nm, bevorzugt kleiner lOnm aufweist und
- eine Schicht (4) eine spezifische Leitfähigkeit größer le S/cm aufweist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (2) so angepasst ist, dass die Reflexion des einfallenden oder rausgehenden Lichtes im gewünschten Spektralbereich minimiert wird.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht (2) amorph ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht (2) einen Flächenwiderstand von größer als 1000 Ohm/sq, bevorzugt aber größer als 10000 Ohm/sq
aufweist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht (2) einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere Verdampfungstemperatur als die leitende oder
halbleitende Schicht (4) hat.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-leitende oder nur schwach leitende Schicht (2) aus einem Oxid- oder Sulfidhalbleiter wie zum Beispiel ITO, ZnO:Al, FTO, Sn02, Ti02, ZnS, IGZO besteht, bevorzugt besteht sie aus einem amorphen
Oxidhalbleiter wie zum Beispiel ITO, IGZO.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitende leitende Schicht (4) aus einem Oxid oder Sulfidhalbleiter wie zum Beispiel ITO, ZnO:Al, FTO, Sn02, Ti02, ZnS, IGZO besteht, bevorzugt besteht sie aus einem Oxidhalbleiter oder Sulfidhalbleiter mit geringerer Verdampfungstemperatur und Schmelzpunkt als das in Schicht (2) verwendete Material, zum Beispiel ZnS, M0O3, V2O5.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (3) gebildet ist aus AI, Ag, Au, Cr, Cu, Ti oder einer Kombination dieser Metalle besteht.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (3) aus einer Haftvermittlerschicht aus Cr oder Ti mit einer Dicke von maximal 5nm und einer weiteren Metallschicht aus AI, Ag, Cu oder Au aufzubauen und dabei die Gesamtdicke beider Metalle maximal 8nm ist.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge zwischen der
substratnahen erfindungsgemäßen Schichtelektrode und der Gegenelektrode des erfindungsgemäßen Bauelements mit einer transparenten, leitfähigen Schicht die eine Leitfähigkeit größer le~6 S/cm besitzt, bevorzugt ist diese Schicht eine p- oder n-dotierte organische AufdampfSchicht mit einer
optischen Bandlücke größer als 2eV.
11. Modul aus einem oder mehreren Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit integrierter Serienverschaltung .
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