WO2016009019A2 - Verfahren zur herstellung eines organischen halbleiterbauteils und organisches halbleiterbauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines organischen halbleiterbauteils und organisches halbleiterbauteil Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an organic semiconductor device which is manufactured as a multilayer structure, comprising an upper electrode, a lower electrode and an active layer disposed between the electrodes, wherein for the electrical connection of the two electrodes, a through-contact is formed. Furthermore, the invention relates to a manufactured according to such a method organic semiconductor device.
  • the organic semiconductor device is in particular an OPV module.
  • an OPV module that is, an organic photovoltaic element is the generation of electrical energy by means of sunlight.
  • an OPV module has an active layer made of an organic semiconductor material in which charge carriers are generated by absorption of sunlight.
  • the active layer is typically arranged as a thin layer between an upper and a lower electrode each formed as a thin layer. This results in a multi-layer structure, which may also include other layers.
  • the active layer may additionally be arranged between so-called barrier layers. In the following, therefore, such a or similar combination is referred to simplifying as an active layer.
  • an OPV module often comprises several cells that are connected in series with one another. For this purpose, it is necessary in particular first to divide the upper and lower electrodes into mutually insulated upper and lower sub-electrodes and to form a plurality of cells in this way. To produce a series connection, the upper part electrode of a first cell is then usually connected in an electrically conductive manner to the lower part electrode of a second cell.
  • the layers lying between the electrodes and in particular the active layer have a number of interruptions, in which a suitable conductive material is arranged, by means of which the subelectrodes are correspondingly electrically conductively connected.
  • a via is formed between two cells, which extends from a lower part electrode to an upper part electrode through the intermediate active layer.
  • a method in which a substrate with a conductive structure and a first dielectric layer are provided.
  • the conductive structure comprises a through contact extending from one to the other side of the substrate.
  • a first conductive pattern is printed on the first dielectric layer, thereby forming a first pre-printed layer which is bonded to the one side of the substrate.
  • a first conductive material is applied such that the conductive structure is connected to the first conductive pattern.
  • a second dielectric layer is provided similar to the first dielectric layer and printed with a second conductive pattern. In this way, a second pre-printed layer is formed, which is now connected to the other side of the substrate.
  • a second conductive material is additionally applied in such a way that the conductive structure is connected to the second conductive pattern.
  • a method is known from US Pat. No. 8,129,661 6 B2, in which a photovoltaic cell with a semitransparent electrode, with an organic semiconductor layer and with a counterelectrode by means of a roller application method is trained.
  • a plurality of strip-shaped cells are formed on a carrier foil and connected in series by means of suitably applied electrodes.
  • the upper electrode of one of the cells overlaps with the lower electrode of an adjacent cell such that a series connection is realized.
  • at least one sacrificial layer is formed to form this configuration, which is removed again in the further course of the process.
  • WO 2013/104514 A1 describes a method for forming an organic semiconductor layer on a substrate, wherein a structured, self-organizing single layer is provided at predetermined locations of first electrodes and a layer of an organic semiconductor material is applied over the self-organizing single layer.
  • the self-organizing individual layer serves as a mask for keeping certain areas free on the first electrodes, so that in a subsequent formation of second electrodes they can reach through the active layer in order to be contacted with the first electrodes.
  • the formation of a plated through hole inevitably creates a dead zone in which no active material is present and thus can not be used to generate energy.
  • the ratio of usable surface area of the OPV module to non-usable area defines a geometric fill factor, which in particular also represents a measure of the efficiency of the OPV module. The larger the usable area compared to the non-usable area, the more energy per unit area can be generated with the OPV module, that is, the more efficient the OPV module is.
  • the OPV modules are usually thin and the multi-layer structure has a height that is several orders of magnitude smaller than the width and the length of the OPV module.
  • the layer thickness of the electrodes is in each case about 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • such thin layers usually have poor conductivity compared to thicker layers, which in turn limits the size of the individual cells of an OPV module.
  • the cell In order to achieve lower losses, the cell large, which in turn has a negative effect on the fill factor and correspondingly on the efficiency due to the additionally necessary through contacts.
  • the conductivity of at least one of the electrodes is furthermore often reduced by the fact that this at least one electrode is made of a transparent, conductive material whose conductivity is often poor.
  • the layer is either directly patterned, that is applied with a corresponding interruption, or the interruption is formed by subsequent removal of material from the layer.
  • the through-connection is then formed.
  • the formation of the via at the position of the interruption must take place, which disadvantageously results in a corresponding adjustment effort with regard to the various process steps.
  • the via is formed in common with the upper electrode and thus must be made of the same material as this.
  • the use of a laser is also known.
  • the selection of the operating parameters of the laser, such as wavelength and power is critical and in particular material dependent.
  • the operating parameters must in particular be selected such that only the active layer lying between the electrodes is selectively processed and the electrodes remain intact. Therefore, this method is not very flexible.
  • the use of a laser is often expensive.
  • the invention has for its object to provide a simplified method for producing an OPV module.
  • the method should also allow the production of an OPV module with a larger geometric fill factor. Furthermore, the method should have the greatest possible design freedom with regard to the production of the OPV module.
  • Another object is to specify an OPV module which can be produced by means of the method.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and an organic semiconductor device with the features of claim 14.
  • Advantageous embodiments, developments and variants are the subject of the dependent claims. In this case, the refinements and advantages cited in connection with the method also apply analogously to the organic semiconductor component.
  • this is fabricated as a multilayer structure and comprises an upper electrode, a lower electrode and an active layer disposed between the electrodes.
  • a via is formed, which is formed by a conductive ink, which is printed only in a predetermined pressure range for the via.
  • at first one of the two electrodes is formed as a lower electrode.
  • the active layer is applied.
  • the ink for making the via is printed either before or after the application of the active layer. For this purpose, a printing method is used in particular.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the production of the organic semiconductor device and in particular the formation of the via through the printing of the ink is particularly simplified.
  • the formation of the through-connection by means of printed ink makes it possible in particular to use a printing method by means of which a plated-through hole with particularly small dimensions, in particular with a particularly small width and length, can be produced. In particular, it is thus possible to manufacture an organic semiconductor device with an improved filling factor and, correspondingly, with improved efficiency.
  • the printing of the ink that is to say in particular the printing of the plated-through hole, also advantageously makes possible a free design of the plated-through hole, in particular its shape and shape, as a result of which the organic semiconductor component as a whole is particularly free to design.
  • the via is formed directly as a three-dimensional connection between the two electrodes.
  • the ink merely forms the through-connection, ie the ink is not used to form the electrodes and generally does not serve to form other parts of the semiconductor component.
  • the applied ink therefore extends only in the direction between the two electrodes and has no laterally extending portions. Rather, the electrodes are formed separately from the via. With the printing of the ink therefore only that material is applied, which is needed to form the via.
  • the direct formation of the via eliminates in particular the need for a mask and / or a sacrificial layer. Therefore, a masking technique is advantageously dispensed with. Thereby, i. By dispensing with additional masking steps, the method thus has an advantageously reduced number of manufacturing steps compared to conventional methods and is generally less expensive.
  • the required structured formation of the plated-through holes is achieved exclusively by the (highly accurate) location-selective printing of the ink. By dispensing with a sacrificial layer of the material cost in the manufacture of the semiconductor device is also reduced.
  • the organic semiconductor device is an OPV module, that is, an organic photovoltaic element.
  • OPV module an organic photovoltaic element.
  • This is particularly suitable for the preparation by means of the above-mentioned method.
  • an organic semiconductor component designed as an OPV module is used.
  • the description applies mutatis mutandis to any organic semiconductor devices.
  • Conceivable for example, a configuration as organic light emitting diode, organic electrochemical cell, organic field effect transistor, organic thin film transistor, organic photodetector, laser diode, Schottky diode, photoconductor, photodetector or thermoelectric component.
  • the OPV module comprises at least two cells each having an upper cell electrode and a lower cell electrode, the upper cell electrodes being formed as sub-electrodes of the upper electrode and the lower cell electrodes being sub-electrodes of the lower electrode.
  • the lower electrode comprising a number of lower sub-electrodes is formed. This is preferably done on a suitable substrate, for example PET. Subsequently, the active layer and the via are applied.
  • the application of the ink and thus in particular of the via takes place by means of a printing process, in particular a high-resolution printing process, for example by means of inkjet printing, gravure printing, flexographic printing, screen printing, transfer printing or slot die coating, so-called slot-the coating.
  • the ink is preferably printed exclusively in a predetermined printing area, in which the through-connection is to be formed.
  • the upper electrode comprising a number of upper sub-electrodes is formed.
  • the upper part electrode for forming a series connection of a number of cells are suitably connected electrically conductively to the lower part electrode by means of the plated-through holes.
  • the predetermined pressure range is in particular exactly the area in which the via is subsequently formed and thus marks the extent of the plated-through hole.
  • the pressure range is determined in particular by the planned interconnection of individual cells of the semiconductor device, i. in which way the electrodes should be contacted with each other.
  • the substrate serves in particular for improved handling of the OPV module and is comparatively thick with respect to the electrodes and the active layer.
  • the lower electrode is preferably made of a transparent, conductive oxide, for example, indium tin oxide, the upper electrode, for example made of silver.
  • the active layer is preferably applied flat in the printing area, whereby in particular a more complex, structured application can be avoided and the OPV module can be manufactured more easily.
  • Structured application means that the active layer is not applied as a continuous layer but as a plurality of subregions separated from one another by means of at least one interruption. The interruption is used in this case, in particular for the preparation of the training of Naturalkon- takttechnik.
  • flat is understood in particular that the active layer in the area of the subsequent vias continuously, that is initially applied without interruption.
  • an ink which penetrates the active layer in the printing area is used on the surface-applied active layer for printing the through-connection.
  • additional structuring that is to say the formation of at least one interruption for introducing the through-connection.
  • the formation of the interruption and the formation of the via takes place simultaneously during the printing of the ink.
  • the ink contains a solvent for penetrating the active layer in the printing area.
  • the solvent is in particular also a solvent for the material of the active layer and dissolves it accordingly in the pressure range. In this way, in particular, an interruption of the active layer in the pressure region arises.
  • the ink includes, for example, silver particles as a conductive material and a methanol / anisole mixture as a solvent.
  • the ink expediently has a low surface tension, preferably in the region of 10 up to 100 mN / m.
  • a suitable viscosity of the ink is in the range of 1 to 30 mPas in ink jet printing.
  • the value of the viscosity in a screen printing method is preferably significantly higher than in inkjet printing.
  • the ink is first printed in the areas provided for the vias prior to the application of the active layer.
  • the through-contact is formed from the printed ink.
  • the active layer is thus applied subsequently and in particular over the ink over the entire surface. In the area of the ink, the active layer is then broken, so that the via is formed.
  • a thermal treatment of the ink takes place, for example in a sintering process.
  • a heating to a temperature in the range of, for example, 50 to 200 ° C takes place.
  • This temperature is maintained for a few minutes, for example 5 minutes.
  • the ink forms a somewhat stronger conductor structure.
  • the solvent of the ink is evaporated and the particles are baked together, but without forming a melt.
  • the conductor structure is therefore formed directly on the lower electrode and before the application of the active layer and the upper electrode.
  • the active layer is applied flat and displaced in the pressure range of the via.
  • the active layer is applied in a gravure printing method in which excess material is removed by means of a doctor blade so that the conductive ink or the conductor structure is exposed, thereby forming the via and is subsequently connectable to the upper electrode.
  • a procedure is also referred to as doctor blading.
  • the OPV module is therefore particularly easy to manufacture.
  • dewetting takes place when the active layer is applied in the printing region, which ensures in a particularly simple manner that the plated through hole is not covered by the active layer.
  • the ink has a plurality of particles with a predetermined mean particle size and the active layer is applied with a predetermined layer thickness, wherein the average particle size is greater than the layer thickness.
  • the ink has, for example, silver clusters.
  • the particles have a mean size of approximately between 0.5 ⁇ and 5 ⁇ and the active layer is applied with a layer thickness of approximately between 50 nm and 500 nm. This ensures, in particular, that the conductor structure formed by means of the ink projects sufficiently beyond the active layer and is not covered by it.
  • the ink is applied in particular only in the smallest possible pressure range, whereas the electrodes are formed in particular over a large area and thereby extend large parts of the OPV module.
  • the ink is preferably applied in a separate process step from the formation of the electrodes. In general, therefore, by printing the ink 3-dimensional structures in the form of individual steles, columns or continuous strips or walls are formed, which are typically formed in a grid to each other.
  • an ink which contains a material with good conductivity, for example silver or gold. Since these materials are expensive, however, the especially more material-intensive electrodes are preferred. se made of a different material than the feedthrough. This makes it possible to manufacture the electrodes in particular less expensive than when using the same material. It is also possible to select particularly suitable materials for the electrodes and for the through-connection.
  • the two electrodes and the active layer are advantageously also formed by means of a printing process.
  • the method is therefore expediently a multi-stage printing process, in which preferably all layers are produced in each case by means of a printing process.
  • the method is a roll application method, whereby the OPV module can be manufactured particularly inexpensively.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of an OPV module in a sectional view
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the OPV module according to FIG. 1,
  • FIG. 1 and 2 show an organic semiconductor device 2, which is designed here as an OPV module 2, FIG. 1 clearly showing its multilayer structure.
  • the OPV module 2 comprises an upper electrode 4, a lower electrode 6 and an active layer 8 arranged between the electrodes 4, 6.
  • the upper electrode 4 is subdivided into a number of upper part electrodes 4 ', that is to say into sections which are in particular electrically separated from one another.
  • Each of these upper sub-electrodes 4 ' comprises a narrow bus bar 10, which is made of silver, for example, and forms a corresponding grid on the upper side O of the OPV module 2.
  • the bus bar 10 is not a separate part but a component of the upper electrode 4.
  • each of the upper part electrodes 4 ' comprises a wide area contact 12 extending across a predetermined portion 8' of the active layer 8 in comparison to the bus bar 10.
  • the surface contact 12 is formed, for example, as a grid electrode.
  • the lower electrode 6 is subdivided by means of a number of insulation sites 14 into a number of electrically separate, lower sub-electrodes 6 '.
  • one of the upper part electrodes 4 ' forms, with one of the lower part electrodes 6' and a section 8 'of the active layer 8, a cell 1 6.
  • a number of plated-through holes 18 are provided in the active layer 8 which extend through the entire active layer 8 and from the lower electrode 6 to the upper electrode 4.
  • one through-connection 18 connects the upper part electrode 4 'of a first cell 1 6 to the lower part electrode 6' of a second cell 1 6 adjacent to the first cell 1 6. In this way, a series connection is formed.
  • FIG. 2 shows the OPV module 2 according to FIG. 1 in a plan view. Clearly visible are the wide in comparison to the bus bars 10 surface electrodes 12. These extend here in particular in the conveying direction F of a not shown here in detail roller printing system, which is used to manufacture the OPV module 2. Alternatively, however, there is a different orientation.
  • the plated-through holes 18 are here in particular not continuously formed in the conveying direction F, but only in sections. In a variant of the OPV module 2, the plated-through holes 18 are, however, designed to be continuous.
  • a method step of a method for producing the OPV module 2 according to FIG. 1 is shown in FIGS. 3A to C. In this case, in a first step illustrated in FIG.
  • a semifinished product which comprises the lower electrode 6 and the active layer 8 applied thereto.
  • the active layer 8 is formed flat, that is, continuous and not divided into sections isolated from each other, whereby the active layer 8 is particularly easy to produce.
  • the active layer 8 is made of the polymers P3HT and PCBM, the lower electrode 6 'of a transparent, conductive metal oxide.
  • a via 18 is printed, as shown in FIG. 3B.
  • an ink 22 is printed on the active layer 8 in a printing area D by means of a printer head 20.
  • the ink 22 contains, in particular, a solvent which dissolves the active layer 8 in the printing area D and in this way enables the formation of a via 18 passing through the active layer 8. This is thus in particular connected directly to the lower electrode 6.
  • the ink 22 contains as solvent a mixture of methanol and anisole. In this mixture, silver clusters are dispersed as a conductive material.
  • an interruption of the active layer 8 is now created and, in particular, at the same time a conductive material for the production of the via 18 is provided.
  • imprinting for example by means of an inkjet printing process, also referred to as inkjet printing, it is possible, in particular, to produce a plated-through hole 18 with particularly small dimensions, for example a width B of approximately 60 ⁇ m.
  • the upper electrode 4 is applied and connected to the lower electrode 6 by means of the plated-through hole 18.
  • the two electrodes 4, 6 as a plurality of partial electrodes 4 ', 6'
  • the partial electrodes 4 ', 6 ' according to the electrical requirements for the OPV module 2 to connect.
  • the upper electrode 4 for example, silver is vapor-deposited.
  • FIGS. 4A to D A method step of an alternative method for producing the OPV module 2 is shown in FIGS. 4A to D.
  • the plated-through holes 18 then form a free-standing conductor structure 24 on the lower electrode 6.
  • a thermal treatment for example a sintering process by means of which, in particular, the electrical conductivity of the printed ink 22 is adjustable, is suitably effected.
  • the active layer 8 is applied in a second step. This is shown in Fig. 4B.
  • the material used to form the active layer 8 is applied flat, that is to say in particular continuous.
  • Fig. 4C the result of a third step is then shown, in which the active layer has been dried. Since the solution has only a low solids content, for example 1 to 10%, the applied film is correspondingly greatly reduced by drying.
  • the active layer is initially as a so-called wet film about 1 to 10 ⁇ strong and after drying as a so-called dry film only about 50 to 500 nm.
  • the vias 18 are also made of a material that of the active layer. 8 is only poorly wettable.
  • the ink 22 comprises a plurality of dispersed in a solvent particles, each made of a conductive material, such as silver clusters, with an average diameter of about 500 nm. In a variant, it is then possible, the active layer.
  • the material of the active layer 8 is then displaced from the applied conductor structure 24 and accumulates on the remaining surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Halbleiterbauteiles (2), insbesondere eines OPV-Moduls, das als Mehrschichtstruktur gefertigt wird, umfassend eine obere Elektrode (4), eine untere Elektrode (6) und eine zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnete aktive Schicht (8), wobei zur elektrischen Verbindung der beiden Elektroden (4, 6) eine Durchkontaktierung (18) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (18) durch eine leitfähige Tinte (22) gebildet ist, welche lediglich in einem für die Durchkontaktierung (18) vorgegebenen Druckbereich (D) aufgedruckt wird. Desweiteren betrifft die Erfindung ein mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes organisches Halbleiterbauteil (2).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines organischen Halbleiterbauteils und organisches Halbleiterbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Halbleiterbauteils, das als Mehrschichtstruktur gefertigt wird, umfassend eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und eine zwischen den Elektroden angeordnete aktive Schicht, wobei zur elektrischen Verbindung der beiden Elektroden eine Durchkon- taktierung ausgebildet wird. Desweiteren betrifft die Erfindung ein nach einem solchen Verfahren gefertigtes organisches Halbleiterbauteil. Bei dem organischen Halbleiterbauteil handelt es sich insbesondere um ein OPV-Modul.
Ein solches Verfahren und ein solches OPV-Modul sind beispielsweise der US 201 1 /0277655 A1 oder der US 8,129,61 6 B2 zu entnehmen.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet eines solchen OPV-Moduls, das heißt eines organischen Photovoltaikelementes ist die Erzeugung elektrischer Energie mittels Sonnenlicht. Dazu weist ein OPV-Modul eine aktive Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial auf, in der durch Absorption von Sonnenlicht freie Ladungsträger generiert werden. Die aktive Schicht ist typischerweise als dünne Schicht zwischen einer oberen und einer unteren jeweils als dünne Schicht ausgebildeten Elektrode angeordnet. Dadurch ergibt sich ein Mehrschichtaufbau, der auch noch weitere Schichten umfassen kann. Beispielsweise kann die aktive Schicht zusätzlich zwischen sogenannten Sperrschichten angeordnet sein. Im Folgenden wird daher auch eine solche oder ähnliche Kombination vereinfachend als aktive Schicht bezeichnet.
Die verfügbare Stromstärke und die von dem OPV-Modul zur Verfügung gestellte Spannung sind unter Anderem von dem Aufbau des OPV-Moduls abhängig. Die von einem OPV-Modul generierte Stromstärke ist hierbei im Wesentlichen durch die von dem Halbleitermaterial abgedeckte Fläche definiert; dagegen ist die Spannung im Wesentlichen durch die Bandlücke des Halbleitermaterials definiert und dementsprechend materialabhängig. Um nun eine bestimmte Spannung zu erzielen umfasst ein OPV-Modul daher häufig mehrere Zellen, die seriell miteinander verschaltet sind. Dazu ist es insbesondere notwendig, zunächst die obere und die untere Elektrode in jeweils voneinander isolierte obere und untere Teilelektroden zu unterteilen und auf diese Weise mehrere Zellen auszubilden. Zur Herstellung einer Serienschaltung wird dann üblicherweise die obere Teilelektrode einer ersten Zellen mit der unteren Teilelektrode einer zweiten Zellen elektrisch leitend verbunden. Dazu weisen die zwischen den Elektroden liegenden Schichten und insbesondere die aktive Schicht eine Anzahl von Unterbrechungen auf, in denen ein geeignetes leitendes Material angeordnet wird, mittels dessen die Teilelektroden entsprechend elektrisch leitend verbunden werden. Auf diese Weise wird zwischen zwei Zellen eine Durchkontaktierung ausgebildet, die von einer unteren Teilelektrode zu einer oberen Teilelektrode durch die dazwischenliegende aktive Schicht hindurch reicht.
Aus der US 201 1 /0277655 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Substrat mit einer leitenden Struktur und eine erste dielektrische Schicht bereitgestellt werden. Dabei umfasst die leitende Struktur eine von der einen auf die andere Seite des Substrats reichende Durchkontaktierung. Weiterhin wird auf die erste dielektrische Schicht ein erstes leitendes Muster aufgedruckt und dadurch eine erste vorgedruckte Schicht ausgebildet, die mit der einen Seite des Substrats verbunden wird. Dabei wird ein erstes leitendes Material derart aufgebracht, dass die leitende Struktur mit dem ersten leitenden Muster verbunden ist. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ähnlich der ersten dielektrischen Schicht eine zweite dielektrische Schicht bereitgestellt und mit einem zweiten leitenden Muster bedruckt. Auf diese Weise wird eine zweite vorgedruckte Schicht ausgebildet, die nun mit der anderen Seite des Substrats verbunden wird. Hierbei wird zusätzlich ein zweites leitendes Material derart aufgebracht, dass die leitende Struktur mit dem zweiten leitenden Muster verbunden ist.
Weiterhin ist aus der US 8,129,61 6 B2 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Pho- tovoltaikzelle mit einer halbtransparenten Elektrode, mit einer organischen Halbleiterschicht und mit einer Gegenelektrode mittels eines Rollenauftragverfahrens ausgebildet wird. Insbesondere werden mehrere streifenförmige Zellen auf einer Trägerfolie ausgebildet und mittels geeignet aufgebrachten Elektroden in Serie verschaltet. Dazu überlappt die obere Elektrode einer der Zellen mit der unteren Elektrode einer benachbarten Zellen derart, dass eine Serienschaltung realisiert ist. Dabei wird zur Ausbildung dieser Konfiguration zumindest eine Opferschicht ausgebildet, die im weiteren Verlauf des Verfahrens wieder entfernt wird.
In der WO 2013/104514 A1 ist ein Verfahren beschrieben zur Ausbildung einer organischen Halbleiterschicht auf einem Substrat, wobei eine strukturierte, selbstorganisierende Einzellage an vorbestimmten Stellen von ersten Elektroden bereitgestellt wird und eine Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial über die selbst-organisierende Einzellage aufgebracht wird. Dabei dient die selbstorganisierende Einzellage als Maske zum Freihalten bestimmter Bereiche auf den ersten Elektroden, sodass bei einer nachfolgenden Ausbildung von zweiten Elektroden diese durch die aktive Schicht hindurchgreifen können, um mit den ersten Elektroden kontaktiert zu werden.
Durch das Ausbilden einer Durchkontaktierung entsteht zwangsläufig ein Totbereich, in dem kein aktives Material vorhanden ist und der somit nicht zur Energieerzeugung nutzbar ist. Das Verhältnis von zur Energieerzeugung nutzbarer Fläche des OPV-Moduls zu nicht-nutzbarer Fläche definiert dabei einen geometrischen Füllfaktor, der insbesondere auch ein Maß für die Effizienz des OPV-Moduls darstellt. Je größer die nutzbare Fläche im Vergleich zur nicht-nutzbaren Fläche ist, desto mehr Energie pro Flächeneinheit kann mit dem OPV-Modul erzeugt werden, das heißt, desto effizienter ist das OPV-Modul.
Hinzu kommt, dass die OPV-Module üblicherweise dünn sind und der Mehrschichtaufbau eine Höhe aufweist, die um mehrere Größenordnungen geringer ist als die Breite und die Länge des OPV-Moduls. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke der Elektroden jeweils etwa 0,1 μηι bis 10 μηι. Solch dünne Schichten weisen jedoch üblicherweise eine im Vergleich zu dickeren Schichten schlechte Leitfähigkeit auf, wodurch wiederum die Größe der einzelnen Zellen eines OPV- Moduls eingeschränkt ist. Um geringere Verluste zu erzielen muss daher die Zell- große verringert werden, was sich aufgrund der zusätzlich notwendigen Durchkon- taktierungen wiederum negativ auf den Füllfaktor und entsprechend die Effizienz auswirkt. Die Leitfähigkeit zumindest einer der Elektroden ist weiterhin häufig dadurch verringert, dass diese zumindest eine Elektrode aus einem transparenten, leitenden Material gefertigt ist, dessen Leitfähigkeit oft schlecht ist.
Zur Ausbildung einer Unterbrechung der zwischen den Elektroden angeordneten aktiven Schicht zwecks anschließender Ausbildung einer Durchkontaktierung wird die Schicht entweder direkt strukturiert, das heißt mit einer entsprechenden Unterbrechung aufgetragen oder die Unterbrechung wird durch nachträgliches Abtragen von Material aus der Schicht ausgebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann die Durchkontaktierung ausgebildet. Dabei muss die Ausbildung der Durchkontaktierung an der Position der Unterbrechung erfolgen, wodurch sich nachteilig ein entsprechender Justieraufwand hinsichtlich der verschiedenen Prozessschritte ergibt. Alternativ wird die Durchkontaktierung gemeinsam mit der oberen Elektrode ausgebildet und muss folglich aus dem gleichen Material wie diese gefertigt sein.
Zur Ausbildung von Unterbrechungen der aktiven Schicht ist weiterhin die Verwendung eines Lasers bekannt. Hierbei ist allerdings die Auswahl der Betriebsparameter des Lasers, wie beispielsweise Wellenlänge und Leistung kritisch und insbesondere auch materialabhängig. Die Betriebsparameter müssen insbesondere derart gewählt werden, dass gezielt lediglich die zwischen den Elektroden liegende aktive Schicht bearbeitet wird und die Elektroden unversehrt bleiben. Daher ist diese Methode wenig flexibel. Zudem ist die Verwendung eines Lasers häufig kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines OPV-Moduls anzugeben. Das Verfahren soll zudem die Herstellung eines OPV-Moduls mit einem größeren geometrischen Füllfaktor ermöglichen. Desweiteren soll das Verfahren eine möglichst große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Fertigung des OPV-Moduls aufweisen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein mittels des Verfahrens herstellbares OPV-Modul anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein organisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren angeführten Weiterbildungen und Vorteile sinngemäß auch für das organische Halbleiterbauteil.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines organischen Halbleiterbauteiles wird dieses als Mehrschichtstruktur gefertigt und umfasst eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und eine zwischen den Elektroden angeordnete aktive Schicht. Zur elektrischen Verbindung der beiden Elektroden wird eine Durchkontaktierung ausgebildet, die durch eine leitfähige Tinte gebildet ist, welche lediglich in einem für die Durchkontaktierung vorgegebenen Druckbereich aufgedruckt wird. Dabei wird insbesondere zunächst eine der beiden Elektroden als untere Elektrode ausgebildet. Auf diese wird die aktive Schicht aufgetragen. Die Tinte zur Herstellung der Durchkontaktierung wird entweder vor oder nach dem Auftragen der aktiven Schicht aufgedruckt. Dazu wird insbesondere ein Druckverfahren verwendet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Herstellung des organischen Halbleiterbauteiles und insbesondere die Ausbildung der Durchkontaktierung durch das Aufdrucken der Tinte besonders vereinfacht wird. Das Ausbilden der Durchkontaktierung mittels aufgedruckter Tinte ermöglicht insbesondere die Verwendung eines Druckverfahrens mittels dessen eine Durchkontaktierung mit besonders geringen Abmessungen, insbesondere mit besonders geringer Breite und Länge herstellbar ist. Insbesondere ist es damit möglich ein organisches Halbleiterbauteil mit einem verbesserten Füllfaktor und entsprechend mit einer verbesserten Effizienz zu fertigen. Das Aufdrucken der Tinte, das heißt insbesondere das Aufdrucken der Durchkontaktierung ermöglicht zudem vorteilhaft eine freie Gestaltung der Durchkontaktierung, insbesondere deren Form und Verlauf, wodurch das organische Halbleiterbauteil insgesamt besonders frei gestaltbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, auf die Verwendung eines Lasers zu verzichten. Mittels der Tinte wird somit die Durchkontaktierung als eine dreidimensionale Verbindung zwischen den beiden Elektroden direkt ausgebildet. Durch die Tinte wird lediglich die Durchkontaktierung ausgebildet, d.h. die Tinte dient nicht zur Ausbildung der Elektroden und allgemeine nicht zur Ausbildung anderer Teile des Halbleiterbauteils. Die _aufgebrachte Tinte erstreckt sich daher lediglich in Richtung zwischen den beiden Elektroden und weist keine seitlich erstreckende Teilbereiche auf. Die Elektroden werden vielmehr separat zu der Durchkontaktierung ausgebildet. Mit dem Aufdrucken der Tinte wird daher lediglich dasjenige Material aufgebracht, welches zur Ausbildung der Durchkontaktierung benötigt wird.
Durch die direkte Ausbildung der Durchkontaktierung entfällt insbesondere die Notwendigkeit einer Maske und/oder einer Opferschicht. Daher wird vorteilhafterweise auf eine Maskierungstechnik verzichtet. Dadurch, d.h. durch den Verzicht auf zusätzliche Maskierungsschritte, weist das Verfahren somit gegenüber herkömmlichen Verfahren eine vorteilhaft reduzierte Anzahl an Fertigungsschritten auf und ist insgesamt weniger aufwendig. Die erforderliche strukturierte Ausbildung der Durchkontaktierungen wird ausschließlich durch das (hochgenaue) ortsselektive Aufdrucken der Tinte erzielt. Durch den Verzicht auf eine Opferschicht ist zudem der Materialaufwand bei der Fertigung des Halbleiterbauteils reduziert.
Vorzugsweise ist das organische Halbleiterbauteil ein OPV-Modul, das heißt ein organisches Photovoltaikelement. Dieses eignet sich besonders zur Herstellung mittels des oben angegebenen Verfahrens. Im Folgenden wird daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einem als OPV-Modul ausgebildeten organischen Halbleiterbauteil ausgegangen. Die Beschreibung gilt dabei sinngemäß für jegliche organischen Halbleiterbauelemente. Denkbar ist beispielsweise eine Ausgestaltung als organische Leuchtdiode, organische elektrochemische Zelle, organischer Feldeffekttransistor, organischer Dünnschichttransistor, organischer Photodetektor, Laserdiode, Schottkydiode, Photoleiter, Photodetektor oder thermo- elektrisches Bauteil. Das OPV-Modul umfasst zumindest zwei Zellen, mit jeweils einer oberen Zellenelektrode und einer unteren Zellenelektrode, wobei die oberen Zellenelektroden als Teilelektroden der oberen Elektrode ausgebildet werden und die unteren Zellenelektroden als Teilelektroden der unteren Elektrode. Insbesondere wird zunächst die untere Elektrode, umfassend eine Anzahl von unteren Teilelektroden ausgebildet. Dies erfolgt vorzugsweise auf einem geeigneten Substrat, beispielsweise PET. Nachfolgend werden die aktive Schicht und die Durchkontaktierung aufgebracht.
Das Aufbringen der Tinte und damit insbesondere der Durchkontaktierung erfolgt dabei mittels eines Druckverfahrens, insbesondere eines hochauflösenden Druckverfahrens, beispielsweise mittels Tintenstrahldruck, Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, Transferdruck oder Schlitzdüsen-Beschichtung, sogenanntes slot-die coating. Dabei wird die Tinte bevorzugt ausschließlich in einem vorgegebenen Druckbereich aufgedruckt, in dem die Durchkontaktierung ausgebildet werden soll. Anschließend wird die obere Elektrode, umfassend eine Anzahl von oberen Teilelektroden ausgebildet. Dabei werden dann insbesondere die obere Teilelektrode zur Ausbildung einer Serienschaltung einer Anzahl von Zellen geeignet mit der unteren Teilelektrode mittels der Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden.
Der vorgegebene Druckbereich ist insbesondere exakt derjenige Bereich, in welchem nachfolgend die Durchkontaktierung ausgebildet wird und markiert somit die Ausdehnung der Durchkontaktierung. Der Druckbereich wird insbesondere durch die geplante Verschaltung einzelner Zellen des Halbleiterbauteils vorgegeben, d.h. in welcher Weise die Elektroden miteinander kontaktiert sein sollen.
Das Substrat dient insbesondere der verbesserten Handhabung des OPV-Moduls und ist vergleichsweise dick im Hinblick auf die Elektroden und die aktive Schicht. Die untere Elektrode ist vorzugsweise aus einem transparenten, leitenden Oxid gefertigt, beispielsweise Indiumzinnoxid, die obere Elektrode beispielsweise aus Silber. Die aktive Schicht wird im Druckbereich vorzugsweise flächig aufgebracht, wodurch insbesondere ein im Vergleich dazu aufwendigeres, strukturiertes Auftragen vermeidbar ist und das OPV-Modul einfacher zu fertigen ist. Dabei wird unter strukturiertem Auftragen verstanden, dass die aktive Schicht nicht als durchgängige Schicht aufgetragen wird, sondern als eine Mehrzahl von voneinander mittels zumindest einer Unterbrechung getrennten Teilbereichen. Die Unterbrechung dient in diesem Fall insbesondere zur Vorbereitung der Ausbildung der Durchkon- taktierung. Im Gegensatz dazu wird unter flächig insbesondere verstanden, dass die aktive Schicht auch im Bereich der späteren Durchkontaktierungen durchgängig, das heißt zunächst ohne Unterbrechung aufgetragen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird auf die flächig aufgetragene aktive Schicht zum Drucken der Durchkontaktierung eine Tinte verwendet, welche die aktive Schicht im Druckbereich durchdringt. Dadurch ist es insbesondere möglich, auf ein zusätzliches Strukturieren, das heißt Ausbilden zumindest einer Unterbrechung zum Einbringen der Durchkontaktierung zu verzichten. Stattdessen erfolgt das Ausbilden der Unterbrechung und die Ausbildung der Durchkontaktierung insbesondere gleichzeitig beim Aufdrucken der Tinte. Diese durchdringt die aktive Schicht und insbesondere auch mögliche weitere zwischen den Elektroden vorgesehene und bereits aufgebrachte Schichten, wodurch insbesondere eine Kontak- tierung mit der unteren Elektrode erfolgt. Auf diese Weise ist die Herstellung des OPV-Moduls besonders vereinfacht.
Zweckmäßigerweise enthält die Tinte ein Lösungsmittel zum Durchdringen der aktiven Schicht im Druckbereich. Das Lösungsmittel ist insbesondere auch ein Lösungsmittel für das Material der aktiven Schicht und löst diese entsprechend im Druckbereich auf. Auf diese Weise entsteht insbesondere eine Unterbrechung der aktiven Schicht im Druckbereich. Die Tinte umfasst beispielsweise Silberpartikel als leitendes Material und ein Methanol/Anisol-Gemisch als Lösungsmittel.
Um insbesondere nach dem Durchdringen der aktiven Schicht eine besonders gute Benetzung der unteren Elektrode zu erzielen weist die Tinte zweckmäßigerweise eine niedrige Oberflächenspannung auf, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 mN/m. Eine geeignete Viskosität der Tinte liegt beim Tintenstrahldruck im Bereich von 1 bis 30 mPas. Bei einem anderen Druckverfahren sind jedoch möglicherweise andere Wertebereiche geeigneter. Beispielsweise ist der Wert der Viskosität bei einem Siebdruckverfahren bevorzugterweise deutlich höher als beim Tintenstrahldruck.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung wird zunächst vor dem Aufbringen der aktiven Schicht die Tinte in dem für die Durchkontaktierungen vorgesehenen Bereichen aufgedruckt. Aus der aufgedruckten Tinte wird die Durchkontak- tierung ausgebildet. Die aktive Schicht wird also nachfolgend und insbesondere flächig über die Tinte aufgetragen. Im Bereich der Tinte wird die aktive Schicht dann durchbrochen, so dass die Durchkontaktierung ausgebildet wird.
Vorzugsweise erfolgt vor dem Aufbringen der aktiven Schicht zunächst eine thermische Behandlung der Tinte, beispielsweise in einem Sinterprozess. Hierbei erfolgt eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich von beispielsweise 50 bis 200 °C. Diese Temperatur wird für einige Minuten, z.B. 5 min gehalten. Dadurch bildet die Tinte eine etwas gefestigtere Leiterstruktur aus. Insbesondere wird hierbei das Lösungsmittel der Tinte verdampft und die Partikel werden miteinander verbacken, ohne jedoch eine Schmelze zu bilden. Insbesondere wird die Leiterstruktur also direkt auf der unteren Elektrode und noch vor dem Aufbringen der aktiven Schicht sowie der oberen Elektrode ausgebildet. Danach wird die aktive Schicht flächig aufgebracht und im Druckbereich von der Durchkontaktierung verdrängt. Beispielsweise wird die aktive Schicht in einem Tiefdruckverfahren aufgebracht, bei dem überschüssiges Material mittels eines Rakels derart entfernt wird, dass die leitfähige Tinte bzw. die Leiterstruktur freiliegt, dadurch die Durchkontaktierung bildet und im Folgenden mit der oberen Elektrode verbindbar ist. Ein solches Verfahren wird auch als doctor blading bezeichnet. Das OPV-Modul ist dadurch besonders einfach zu fertigen. Zudem ist es insbesondere möglich, auf ein separates Strukturieren der aktiven Schicht, das heißt Ausbilden zumindest einer Unterbrechung zum Einbringen der Durchkontaktierung zu verzichten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt beim Aufbringen der aktiven Schicht im Druckbereich eine Entnetzung, wodurch auf besonders einfache Weise sichergestellt wird, dass die Durchkontaktierung nicht von der aktiven Schicht verdeckt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Tinte eine Mehrzahl von Partikeln mit einer vorgegebenen mittleren Partikelgröße auf und die aktive Schicht wird mit einer vorgegebenen Schichtdicke aufgebracht, wobei die mittlere Partikelgröße größer ist als die Schichtdicke. Die Tinte weist beispielsweise Sil- bercluster auf. Die Partikel weisen eine mittlere Größe von ungefähr zwischen 0,5 μηι und 5 μηι auf und die aktive Schicht wird mit einer Schichtdicke von etwa zwischen 50 nm und 500 nm aufgetragen. Hierdurch wird insbesondere gewährleistet, dass die mittels der Tinte ausgebildete Leiterstruktur die aktive Schicht hinreichend überragt und nicht von dieser verdeckt wird.
Diese Partikel sind dabei auch im endgefertigten Zustand, also insbesondere nach der Temperaturbehandlung nach dem Aufbringen der Tinte, noch erkennbar und somit ein kennzeichnendes Merkmal der Durchkontaktierungen, die durch Aufdrucken der Tinte gebildet sind.
Die Tinte wird insbesondere lediglich in einem möglichst kleinen Druckbereich aufgebracht, wohingegen die Elektroden insbesondere großflächig ausgebildet werden und sich dabei weite Teile des OPV-Moduls erstrecken. Um nun zum Aufdrucken der Tinte und zum Ausbilden der Elektroden ein jeweils optimal geeignetes Verfahren zu verwenden wird die Tinte vorzugsweise in einem von der Ausbildung der Elektroden separaten Verfahrensschritt aufgebracht. Allgemein werden daher durch das Aufdrucken der Tinte 3-dimensionale Strukturen nach Art einzelner Stelen, Säulen oder durchgehender Streifen oder Wände ausgebildet, die typischerweise in einem Rastermaß zueinander ausgebildet sind.
Zweckmäßigerweise wird eine Tinte verwendet, die ein Material mit einer guten Leitfähigkeit enthält, beispielsweise Silber oder Gold. Da diese Materialien jedoch teuer sind, werden die insbesondere materialintensiveren Elektroden vorzugswei- se aus einem anderen Material gefertigt als die Durchkontaktierung. Dadurch ist es möglich, die Elektroden insbesondere kostengünstiger zu fertigen als bei Verwendung des gleichen Materials. Auch ist es möglich, für die Elektroden und für die Durchkontaktierung jeweils besonders geeignete Materialien auszuwählen.
Um das Verfahren insbesondere weiter zu vereinfachen werden zusätzlich zur Durchkontaktierung vorteilhafterweise auch die beiden Elektroden und die aktive Schicht jeweils mittels eines Druckverfahrens ausgebildet. In Kombination mit der Ausbildung der Durchkontaktierung mittels Aufdrucken der Tinte ist das Verfahren daher zweckmäßigerweise ein mehrstufiges Druckverfahren, bei dem vorzugsweise alle Schichten jeweils mittels eines Druckverfahrens hergestellt werden. Vorteilhafterweise ist das Verfahren ein Rollenauftragverfahren, wodurch das OPV- Modul besonders kostengünstig fertigbar ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines OPV-Moduls in Schnittansicht,
Fig. 2 schematisch das OPV-Modul gemäß Fig. 1 in Aufsicht,
Fig. 3A
bis C schematisch jeweils einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur
Herstellung des OPV-Moduls gemäß Fig. 1 , und
Fig. 4A
bis D schematisch jeweils einen Verfahrensschritt eines weiteren Verfahrens zur Herstellung des OPV-Moduls gemäß Fig. 1 .
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein organisches Halbleiterbauteil 2, das hier als OPV- Modul 2 ausgebildet ist, wobei Fig.1 deutlich dessen Mehrschichtaufbau zeigt. Das OPV-Modul 2 umfasst eine obere Elektrode 4, eine untere Elektrode 6 und eine zwischen den Elektroden 4, 6 angeordnete aktive Schicht 8. Diese steht hier insbesondere allgemein für einen funktionalen Schichtstapel, der zumindest eine aktive Schicht enthält, zusätzlich aber auch hier nicht dargestellte funktionale Schichten, wie beispielsweise Sperrschichten aufweisen kann. Die obere Elektrode 4 ist in eine Anzahl von oberen Teilelektroden 4' unterteilt, das heißt in Abschnitte, die insbesondere elektrisch voneinander getrennt sind. Jede dieser oberen Teilelektroden 4' umfasst einen schmalen Sammelleiter 10, der beispielsweise aus Silber gefertigt ist und ein entsprechendes Gitter auf der Oberseite O des OPV-Moduls 2 bildet. Alternativ ist der Sammelleiter 10 kein separates Teil sondern ein Bestandteil der oberen Elektrode 4. Desweiteren umfasst jede der oberen Teilelektroden 4' einen im Vergleich zum Sammelleiter 10 breiten Flächenkontakt 12, der sich über einen vorgegebenen Abschnitt 8' der aktiven Schicht 8 erstreckt. Der Flächenkontakt 12 ist dabei beispielsweise als Gitterelektrode ausgebildet. Die untere Elektrode 6 ist mittels einer Anzahl von Isolationsstellen 14 in eine Anzahl von voneinander elektrisch getrennten, unteren Teilelektroden 6' unterteilt.
Jeweils eine der oberen Teilelektroden 4' bildet mit jeweils einer der unteren Teilelektroden 6' und einem Abschnitt 8' der aktiven Schicht 8 eine Zelle 1 6. Zur Ver- schaltung mehrerer Zellen 1 6 miteinander sind in die aktive Schicht 8 eine Anzahl von Durchkontaktierungen 18 eingebracht, die sich durch die gesamte aktive Schicht 8 und von der unteren Elektrode 6 zur oberen Elektrode 4 erstrecken. Dabei verbindet in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine Durchkontak- tierung 18 die obere Teilelektrode 4' einer ersten Zelle 1 6 mit der unteren Teilelektrode 6' einer zur ersten Zelle 1 6 benachbarten zweiten Zelle 1 6. Auf diese Weise wird eine Serienschaltung ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich zwei oder mehr Zellen 1 6 parallel zu verschalten.
In Fig. 2 ist das OPV-Modul 2 gemäß Fig. 1 in Aufsicht dargestellt. Deutlich erkennbar sind die im Vergleich zu den Sammelleitern 10 breiten Flächenelektroden 12. Diese erstrecken sich hier insbesondere in Förderrichtung F einer hier nicht näher gezeigten Rollendruckanlage, die zur Fertigung des OPV-Moduls 2 dient. Alternativ liegt jedoch eine andere Ausrichtung vor. Die Durchkontaktierungen 18 sind hier insbesondere nicht durchgängig in Förderrichtung F ausgebildet, sondern lediglich abschnittsweise. In einer Variante des OPV-Moduls 2 sind die Durchkontaktierungen 18 jedoch durchgängig ausgeführt. In den Fig. 3A bis C ist jeweils einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung des OPV-Moduls 2 gemäß Fig. 1 gezeigt. Dabei wird in einem ersten, in der Fig. 3A dargestellten Schritt ein Halbzeug bereitgestellt, das die untere Elektrode 6 und die darauf aufgetragene aktive Schicht 8 umfasst. Auf eine genauere Darstellung der unteren Teilelektroden 6' ist hierbei verzichtet. Die aktive Schicht 8 ist allerdings flächig ausgebildet, das heißt durchgängig und nicht in voneinander isolierte Abschnitte unterteilt, wodurch die aktive Schicht 8 besonders einfach herstellbar ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die aktive Schicht 8 aus den Polymeren P3HT und PCBM gefertigt, die untere Elektrode 6' aus einem transparenten, leitenden Metalloxid.
In einem zweiten Schritt wird eine Durchkontaktierung 18 aufgedruckt, wie in Fig. 3B dargestellt. Dazu wird in einem Druckbereich D mittels eines Druckerkopfes 20 eine Tinte 22 auf die aktive Schicht 8 gedruckt. Die Tinte 22 enthält insbesondere ein Lösungsmittel, das die aktive Schicht 8 im Druckbereich D auflöst und auf diese Weise die Ausbildung einer durch die aktive Schicht 8 hindurch reichenden Durchkontaktierung 18 ermöglicht. Diese ist somit insbesondere direkt mit der unteren Elektrode 6 verbunden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Tinte 22 als Lösungsmittel ein Gemisch aus Methanol und Anisol. In diesem Gemisch sind Silbercluster dispergiert als leitendes Material. Beim Einbringen der Tinte 22 wird nun eine Unterbrechung der aktiven Schicht 8 geschaffen und insbesondere gleichzeitig ein leitendes Material zur Herstellung der Durchkontaktierung 18 bereitgestellt. Durch das Aufdrucken, beispielsweise mittels eines Tinten- strahldruckverfahrens, auch als inkjet printing bezeichnet ist es insbesondere möglich eine Durchkontaktierung 18 mit besonders geringen Abmessungen zu erzeugen, beispielsweise einer Breite B von etwa 60 μηι.
In einem dritten, in der Fig. 3C dargestellten Schritt wird die obere Elektrode 4 aufgetragen und mittels der Durchkontaktierung 18 mit der unteren Elektrode 6 verbunden. Bei entsprechender, hier allerdings nicht näher dargestellter Ausgestaltung der beiden Elektroden 4, 6 als eine Mehrzahl von Teilelektroden 4', 6' ist es dann möglich, mittels mehrerer Durchkontaktierungen 18 die Teilelektroden 4', 6' entsprechend den elektrischen Anforderungen an das OPV-Modul 2 zu verbinden. Zur Herstellung der oberen Elektrode 4 wird beispielsweise Silber aufgedampft. Alternativ ist es möglich, die obere Elektrode 4 insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens in einem geeigneten Gittermuster aufzudrucken.
In den Fig. 4A bis D ist jeweils ein Verfahrensschritt eines alternativen Verfahrens zur Herstellung des OPV-Moduls 2 gezeigt. Dabei wird zunächst, wie in Fig. 4A gezeigt, eine untere Elektrode 6, beispielsweise aus Indiumzinnoxid bereitgestellt, auf die direkt eine Anzahl von Durchkontaktierungen 18 aufgedruckt wird, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens. Die Durchkontaktierungen 18 bilden dann auf der unteren Elektrode 6 insbesondere eine freistehende Leiterstruktur 24. Nach dem Aufdrucken der Tinte 22 im Druckbereich D erfolgt geeigneterweise eine thermische Behandlung, beispielsweise ein Sinterprozess mittels dessen insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der aufgedruckten Tinte 22 einstellbar ist.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt die aktive Schicht 8 aufgetragen. Dies ist in Fig. 4B dargestellt. Dabei wird das zur Ausbildung der aktiven Schicht 8 verwendete Material flächig, das heißt insbesondere durchgängig aufgetragen. In Fig. 4C ist dann das Resultat eines dritten Schrittes gezeigt, in dem die aktive Schicht getrocknet wurde. Da die Lösung einen lediglich geringen Feststoffanteil aufweist, beispielsweise 1 bis 10 %, wird der aufgetragene Film durch Trocknen entsprechend stark reduziert. Beispielsweise ist der die aktive Schicht anfänglich als sogenannter Nassfilm etwa 1 bis 10 μηι stark und nach dem Trocknen als sogenannter Trockenfilm lediglich etwa 50 bis 500 nm. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchkontaktierungen 18 zudem aus einem Material gefertigt, das von der aktiven Schicht 8 lediglich schlecht benetzbar ist. Es erfolgt demnach eine Entnetzung der Durchkontaktierungen 18 derart, dass diese zumindest teilweise freigelegt werden. Dadurch wird die in Fig. 4D gezeigte anschließende Kontaktierung mit der nun aufgebrachten oberen Elektrode 4 zusätzlich vereinfacht. In Fig. 4C sind die aktive Schicht 8 und die Durchkontaktierungen 18 zwar gleich hoch, in einer alternativen Ausführung ist jedoch die aktive Schicht 8 derart dünner ausgebildet, dass die Durchkontaktierungen 18 hervorstehen. Dadurch wird insbesondere die anschließende Kontaktierung mit der oberen Elektrode 4 weiter vereinfacht. In einer geeigneten Ausführungsform umfasst die Tinte 22 eine Vielzahl von in einem Lösungsmittel dispergierten Partikeln, die jeweils aus einem leitenden Material gefertigt sind, beispielsweise Silbercluster, mit einem mittleren Durchmesser von etwa 500 nm. In einer Variante ist es dann möglich, die aktive Schicht 8 wie oben beschrieben lediglich mit einer Schichtdicke S aufzubringen, die geringer ist als der mittlere Durchmesser der Partikel. Insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen Entnetzung wird das Material der aktiven Schicht 8 dann von der aufgebrachten Leiterstruktur 24 verdrängt und sammelt sich auf der verbleibenden Fläche.
Grundsätzlich ist es möglich, dass zusätzlich zur aktiven Schicht 8 weitere funktionale Schichten zwischen den beiden Elektroden 4, 6 vorgesehen sind, wie bereits in der Einleitung erwähnt. Diese können dann ähnlich wie die aktive Schicht 8 aufgebracht werden. Zudem wird zweckmäßigerweise ein in den Fig. 1 bis 4 nicht dargestelltes Substrat verwendet, auf dem die Elektroden 4, 6 und die aktive Schicht 8 als Mehrschichtstapel nacheinander aufgedruckt werden.
Bezugszeichenliste
2 OPV-Modul
4 obere Elektrode
4' obere Teilelektrode
6 untere Elektrode
6' untere Teilelektrode
8 aktive Schicht
8' Abschnitt (der aktiven Schicht)
10 Sammelleiter
12 Flächenkontakt
14 Isolationsstelle
16 Zelle
18 Durchkontaktierung
20 Druckerkopf
22 Tinte
24 Leiterstruktur
B Breite (der Durchkontaktierung)
D Druckbereich
F Förderrichtung
5 Schichtdicke

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines organisches Halbleiterbauteils (2), das als Mehrschichtstruktur gefertigt wird, umfassend eine obere Elektrode (4), eine untere Elektrode (6) und eine zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnete aktive Schicht (8), wobei zur elektrischen Verbindung der beiden Elektroden (4, 6) eine Durchkontaktierung (18) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (18) durch eine leitfähige Tinte (22) ausgebildet wird, welche lediglich in einem für die Durchkontaktierung (18) vorgegebenen Druckbereich (D) aufgedruckt wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass das organische Halbleiterbauteil (2) ein OPV-Modul ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aktive Schicht (8) im Druckbereich (D) flächig aufgebracht wird
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zunächst die aktive Schicht (8) durchgängig ausbildet wird und zum Drucken der Durchkontaktierung (18) eine Tinte (22) verwendet wird, welche die aktive Schicht (8) im Druckbereich (D) durchdringt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Durchdringen der aktiven Schicht (8) im Druckbereich (D) die Tinte (22) ein Lösungsmittel enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zunächst die Tinte (22) aufgedruckt und danach die aktive Schicht (8) flächig aufgebracht wird und diese im Druckbereich (D) von der Tinte (22) zur Ausbildung der Durchkontaktierung (18) verdrängt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tinte (22) vor dem Aufbringen der aktiven Schicht (8) thermisch behandelt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Aufbringen der aktiven Schicht (8) im Druckbereich (D) eine Entnetzung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tinte (22) eine Mehrzahl von Partikeln mit einer vorgegebenen mittleren Partikelgröße aufweist und die aktive Schicht (8) mit einer vorgegebenen Schichtdicke (S) aufgebracht wird, wobei die mittlere Partikelgröße größer ist als die Schichtdicke (S).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tinte (22) für die Durchkontaktierung (18) in einem von der Ausbildung der Elektroden (4, 6) separaten Verfahrensschritt aufgebracht wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (18) aus einem anderen Material gefertigt wird als die Elektroden (4, 6).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zur Durchkontaktierung (18) auch die beiden Elektroden (4, 6) und die aktive Schicht (8) jeweils mittels eines Druckverfahrens ausgebildet werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses ein Rollenauftragverfahren ist.
14. Organisches Halbleiterbauteil (2), insbesondere OPV-Modul, das insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, wobei das Halbleiterbauteil (2) als Mehrschichtstruktur gefertigt ist, umfassend eine obere Elektrode (4), eine untere Elektrode (6) und eine zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnete aktive Schicht (8), wobei zur elektrischen Verbindung der beiden Elektroden (4, 6) eine Durchkontaktierung (18) ausgebildet ist, die durch eine im Ausgangszustand leitfähige Tinte (22) gebildet ist, welche lediglich in einem für die Durchkontaktierung (18) vorgegebenen Druckbereich (D) aufgedruckt ist.
15. Organisches Halbleiterbauteil (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (18) eine Mehrzahl von Partikeln mit einer vorgegebenen mittleren Partikelgröße aufweist und die aktive Schicht (8) mit einer vorgegebenen Schichtdicke (S) aufgebracht wird, wobei die mittlere Partikelgröße größer ist als die Schichtdicke (S).
PCT/EP2015/066356 2014-07-17 2015-07-16 Verfahren zur herstellung eines organischen halbleiterbauteils und organisches halbleiterbauteil WO2016009019A2 (de)

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