WO2022117149A1 - Schichtsystem für ein organisches elektronisches bauelement - Google Patents

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WO2022117149A1
WO2022117149A1 PCT/DE2021/100951 DE2021100951W WO2022117149A1 WO 2022117149 A1 WO2022117149 A1 WO 2022117149A1 DE 2021100951 W DE2021100951 W DE 2021100951W WO 2022117149 A1 WO2022117149 A1 WO 2022117149A1
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layer
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stabilizer additive
polyphenol
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PCT/DE2021/100951
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Karsten Walzer
Marieta Levichkova
Ivan Ramirez
Bernhard SIEGMUND
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Heliatek Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a layer system for an organic electronic component, having a first electrode, a second electrode, and at least one photoactive layer and/or at least one fullerene layer, the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer between the first electrode and the second electrode is arranged, wherein the at least one photoactive layer has at least one stabilizer additive, an organic electronic component with such a layer system, and a use of such a layer system in an organic electronic component.
  • Known solar cells preferably have active layers made of amorphous silicon (a-Si) or GIGS (Cu(In,Ga)(S,Se) 2 ). Also known are solar cells with organic photoactive layers.
  • the organic photoactive layers can be made up of polymers or small molecules. While polymers are characterized by the fact that they cannot be vaporized and can therefore only be applied from solutions, small molecules can be vaporized.
  • Organic semiconductors based on small molecules or polymeric compounds are increasingly being used in many areas of the electronics industry.
  • Organic semiconductors are used, for example, in electronic components such as organic field effect transistors (OFETs), organic light-emitting diodes (OLEDs), organic photovoltaic elements (OPVs) and photodetectors.
  • OFETs organic field effect transistors
  • OLEDs organic light-emitting diodes
  • OCVs organic photovoltaic elements
  • photodetectors Is the organic electronic component an organic optoelectronic component, such as a solar cell or a photodetector, then the device is capable of converting light energy into electrical energy, the opposite conversion of electrical energy into light emission having a detrimental effect on efficiency.
  • OLEDs convert electrical power or Voltage signals or electrical energy into light emission.
  • Organic photovoltaic components in particular organic solar cells, usually consist of a series of thin layers between two electrodes, which are preferably vacuum-deposited or processed from a solution.
  • the electrical contact can be made by metal layers, transparent conductive oxides (TCOs) and/or transparent conductive polymers (PEDOT-PSS, PANI).
  • TCOs transparent conductive oxides
  • PEDOT-PSS transparent conductive polymers
  • the vacuum evaporation of the organic layers is advantageous in the production of tandem, triple or multiple solar cells.
  • tandem or multiple solar cells the individual cells are stacked, with each cell containing at least one absorber layer, arranged between two electrodes and usually connected in series, so that the cell producing the lowest current limits the entire system.
  • the photoactive compounds are typically employed in a mixed layer or two adjacent layers to form donor-acceptor heterojunctions within a cell in which at least one donor and/or one acceptor is the light absorbing component.
  • donor and/or one acceptor is the light absorbing component.
  • organic solar cells free charge carriers are not directly generated by the light. Instead, excitons are initially formed, i.e. externally electrically neutral excitation states, in particular bonded electron-hole pairs. These excitons are separated into charge carriers at the donor-acceptor boundary layer in transitions between two adjacent layers or within a photoactive mixed layer, which migrate and thus contribute to the electric current flow.
  • the efficiency ( PCE ) of organic solar cells decreases over time as a result of degradation processes caused by the effects of light , heat , oxygen and/or water on the organic electronic materials are caused .
  • Radical scavengers and/or antioxidants are widely used additives in polymers and other organic systems to protect them from degradation.
  • Xu et al. discloses vitamin C (ascorbic acid) in perovskite cells, with vitamin C being used to stabilize Pb/Sn-based perovskite solar cells, to stabilize methylammonium (MA) or f ormamidinium (FA) used ascorbic acid as an effective antioxidant additive to increase the efficiency and stability of Pb/Sn-based perovskite solar cells.
  • Ascorbic acid delays the oxidation of Sn and modulates the crystallization of perovskite through the formation of intermediate complexes.
  • US20150228925A1 discloses the use of vitamin C as an oxygen-absorbing compound in an OLED display, with vitamin C being used in a transport layer.
  • the invention is therefore based on the object of providing a layer system for an organic electronic component, an organic electronic component with such a layer system, and a use of such a layer system in an organic electronic component, the disadvantages mentioned above not occurring, and in particular one improved stability and/or an increased service life of such a layer system is provided. It is particular The object of the present invention is to slow down the degradation of a layer system by slowing down the degradation of the layer system by adding one or more additives, referred to here as stabilizer additives, into the electrically active organic layer system.
  • the object is achieved in particular by providing a layer system for an organic electronic component, having a first electrode, a second electrode, and at least one photoactive layer and/or at least one fullerene layer, the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer is arranged between the first electrode and the second electrode, the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer having at least one stabilizer additive, the at least one stabilizer additive being selected from the group consisting of : with at least one RI , R2 , and/or R3 a polyphenol having at least two OH groups, or with at least one RI , R2 , and/or R3 a polyphenol having at least two OH groups and at least one RI , R2 , and/or R3 is a sterically hindered phenol having at least one steric alkyl group, the steric alkyl group being branched at the alpha position, and R4 independently selected from the group consisting of H, OH
  • Proportion of the at least one stabilizer additive in the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer is 0.001% by weight to 20% by weight, preferably 0.001% by weight to 10% by weight, preferably 0.001% by weight % to 5% by weight, preferably 0.001% by weight to 2% by weight, preferably 0.01% by weight to 10% by weight, preferably 0.01% by weight to 5% by weight.
  • -% preferably 0.01% by weight to 2% by weight, preferably 0.1% by weight to 30% by weight, preferably 0.1% by weight to 20% by weight, preferably 0.1% by weight.
  • -% to 10% by weight preferably 0.1% by weight to 5% by weight, preferably 0.1% by weight to 3% by weight, preferably 0.1% by weight to 2% by weight %, preferably 0.1% to 1% by weight, preferably 1% to 10% by weight, or preferably 1% to 2% by weight.
  • the at least one stabilizer additive is mixed into the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer.
  • the at least one stabilizer additive is at least largely homogeneously distributed as a further component in the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer, in particular homogeneously in an absorber material or a mixed layer of a donor-acceptor System.
  • the at least one stabilizer additive is at least largely homogeneously distributed in the at least one photoactive layer.
  • the layer system according to the invention has advantages compared to the prior art. Admixture of specific additives, in particular stabilizer additives, advantageously leads to an increase in the stability of a layer system, and thus also to an increase in an organic electronic component having this layer system, in particular an organic photovoltaic element.
  • the efficiency of the photovoltaic element is not significantly reduced in the process.
  • the efficiency of the photovoltaic element with such a layer system with at least one stabilizer additive is reduced to a lesser extent over time compared to a layer system without at least one stabilizer additive.
  • the addition of at least one stabilizer additive in particular increases the stability of the layer system with respect to moisture, oxygen and/or UV light.
  • the at least one stabilizer additive advantageously stabilizes absorbers in a photoactive layer.
  • the at least one stabilizer additive stabilizes a fullerene layer (Ceo) •
  • the stabilizer additives can be used at temperatures of up to 150° C., which corresponds to the use and process range of organic solar cells.
  • a steric alkyl group is understood to mean, in particular, an alkyl group with a branch in the alpha position of the alkyl group.
  • the steric alkyl group is an alkyl group with a branch in the alpha position, preferably an isopropyl group, an isobutyl group or a tert-butyl group.
  • At least one photoactive layer in particular an absorber layer, has at least one stabilizer additive.
  • at least one absorber layer and at least one HTL layer (hole conducting layer) and/or at least one ETL layer (electron conducting layer) has the at least one stabilizer additive.
  • photoactive means in particular a conversion of light energy into electrical energy.
  • absorber materials in photoactive layers have a large absorption coefficient, at least for a specific wavelength range.
  • Photoactive is preferably understood to mean that absorber materials, in particular at least one donor and/or at least one acceptor, change their charge state and/or their polarization state when exposed to light.
  • a photoactive layer is understood in particular a layer of an electronic component that contributes to Absorption of radiation and/or emission of radiation provides, in particular the photoactive layer absorbs radiation.
  • homogeneous is understood to mean in particular an at least largely equal distribution of the at least one stabilizer additive over the entire extent of the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer.
  • the at least one photoactive layer has an absorber material.
  • the at least one photoactive layer has a donor-acceptor system as absorber material.
  • a stabilizer additive is understood to mean, in particular, an antioxidant, a free-radical scavenger and/or a UV stabilizer.
  • the layer system has at least one photoactive layer with small molecules as the absorber material and the at least one stabilizer additive.
  • the layer system has at least one photoactive layer with small molecules as at least one donor, small molecules as at least one acceptor and the at least one stabilizer additive, the at least one donor and the at least one acceptor being a donor-acceptor system form .
  • small molecules are understood as meaning non-polymeric organic molecules with monodisperse molar masses between 100 and 2000 g/mol, which are present in the solid phase under standard pressure (air pressure of the atmosphere surrounding us) and at room temperature.
  • the small molecules are photoactive.
  • the at least one stabilizer additive has a molar mass between 100 and 1000 g/mol to .
  • the at least one stabilizer additive is introduced at the same time as a further component in addition to an absorber material or a donor-acceptor system during vacuum processing by co-evaporation.
  • the at least one stabilizer additive can be vaporized in vacuo, preferably processed in vacuo, with the at least one stabilizer additive not decomposing or at least largely not decomposing.
  • the at least one stabilizer additive is not polymerized in the at least one photoactive layer, preferably molecules of the stabilizer additive are not polymerized with one another in the at least one photoactive layer and/or molecules of the stabilizer additive are in the at least one photoactive layer is not polymerized with an absorber material.
  • the layer system according to the invention with at least one stabilizer additive has advantages compared to the prior art.
  • the stability and/or the service life of a layer system with at least one photoactive layer and/or at least one fullerene layer is advantageously increased with the at least one stabilizer additive.
  • Improved stability and/or an increased service life of organic electronic components, in particular of organic solar cells, is advantageously obtained with such a layer system.
  • the at least one stabilizer additive exhibits no or at least largely no absorption of light in the visible range of the electromagnetic spectrum, as a result of which no or at least largely no parasitic absorption takes place.
  • the stabilizer additives can be handled in a vacuum and can be sublimed at least largely non-destructively.
  • the stabilizer additives advantageously improve the service life of organic solar cells.
  • the at least one stabilizer additive can advantageously be a photoactive one Mix layer of a layer system without their electrical and optical and / or optoelectrical function is impaired.
  • the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer has a mixture of at least two, preferably at least three, preferably at least four, or preferably a large number of stabilizer additives.
  • At least one polyphenol of the groups RI, R2, R3 and/or R5 has at least one steric alkyl group, and/or at least one sterically hindered phenol of the groups RI, R2 and/or R3 has at least two steric alkyl groups and/or the stabilizer additive A15 to A18 R5 has an aromatic homocyclic or heterocyclic 5-ring or 6-ring with at least one OH group, preferably at least two OH groups, with one OH group in the beta position the carbonyl group is arranged from A15 to A18 R5, the stabilizer additive A15 to A18 R5 preferably contains a phenol, particularly preferably a polyphenol.
  • At least two RI, R2, and/or R3 of the stabilizer additive A1 to A14 are polyphenols, and/or at least two RI, R2, and/or R3 of the stabilizer additive A1 to A14 are steric Hindered phenols are, preferably at least three, and/or at least one OH group of a polyphenol of the groups RI, R2, R3 and/or R5 in the beta position or gamma position to a carbonyl group, and/or at least one polyphenol or a sterically hindered phenol of the groups RI, R2 and/or R3 of the stabilizer additive is bridged with another polyphenol or sterically hindered phenol by an alkyl group.
  • the at least one stabilizer additive is selected from the group consisting of: with at least two RI, R2 and/or R3 a polyphenol with at least two OH groups, or at least one polyphenol with at least two OH groups and at least one sterically hindered phenol with at least one, preferably at least two steric alkyl groups, and with R4 independently of one another selected from H and an alkyl group; (A4) with at least two RI, R2 and/or R3, a polyphenol with at least two OH groups, or at least two sterically hindered phenols with at least one steric alkyl group, preferably each with at least two steric alkyl groups, or at least one polyphenol with at least two OH groups and at least one sterically hindered phenol having at least one, preferably at least two, steric alkyl groups, and with R4 independently selected from H and an alkyl group; (All) with at least two RI, R2 and/or R3 a polyphenol with at
  • alkyl groups (A14) with at least one RI, R2 and/or R3, a polyphenol with at least two OH groups and at least one RI, R2 and/or R3 with a substituted or unsubstituted phenyl group, preferably with at least one phenyl group with at least an alkyl group, preferably with at least two alkyl groups, wherein preferably at least one alkyl group is a steric alkyl group, preferably with a RI, R2 and / or R3 a polyphenol with at least two OH groups and two RI, R2 and / or R3 a substituted or not -substituted phenyl group; with R5 selected from the group consisting of alkyl, O-alkyl, and a substituted or unsubstituted aromatic homocyclic or heterocyclic 5-ring or 6-ring having at least one OH group, preferably having an OH group in the beta position to the carbonyl group ; and vitamin C .
  • At least one RI, R2 or R3 in A12, A13 and/or A14 is a polyphenol having at least two OH groups and at least one RI, R2 or R3 is one substituted or unsubstituted phenyl group, preferably a phenyl group with at least one alkyl group, preferably with at least two alkyl groups.
  • at least one RI, R2 or R3 in A12, A13 and/or A14 is a polyphenol having at least two OH groups and two RI, R2 or R3 are a substituted or unsubstituted phenyl group.
  • the sterically hindered phenol has at least two steric alkyl groups, the sterically hindered phenol preferably being selected from the group consisting of CH2-DTB), where * represents the link to one of the structures A1 to A14.
  • the at least one stabilizer additive is selected from the group consisting of:
  • the at least one photoactive layer is an absorber layer, with the at least one photoactive layer preferably being formed as a mixed layer or of two adjacent layers with at least one donor and at least one acceptor, and the at least one donor and the at least one acceptor form a donor-acceptor system.
  • the at least one donor is an ADA oligomer and/or a BODIPY
  • the at least one acceptor is an ADA oligomer and/or a fullerene
  • the at least one stabilizer additive has an energy level at which the amount of the LUMO is less than the amount of the LUMO of the acceptor, preferably at least 0.1 eV less than the amount of the LUMO of the acceptor, preferably at least 0.2 eV smaller, or preferably at least 0.3 eV smaller, and the absolute value of the HOMO is greater than the absolute value of the HOMO of the donor, preferably at least 0.1 eV greater than the absolute value of the HOMO of the donor, preferably at least 0.2 eV greater , or preferably at least 0.3 eV greater .
  • a BODIPY compound is understood to mean in particular a compound of the general formula C9H7BN2F2, ie a compound with a boron difluoride group with a dipyrromethene group, in particular a compound 4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a-diaza -s- Indacene .
  • An ADA oligomer is in particular a conjugated acceptor-donor-acceptor oligomer (AD-A'-oligomer) with an acceptor unit (A) and a further acceptor unit (A'), each attached to a donor unit (D) bound are understood.
  • At least one stabilizer additive is contained exclusively in the at least one photoactive layer.
  • the layer system has at least one transport layer, preferably at least two transport layers, which is arranged between the first electrode and the second electrode, the at least one transport layer being a hole conduction layer and/or an electron conduction layer, and where the at least one photoactive layer and at least one transport layer have at least one stabilizer additive.
  • the donor-acceptor system and/or the at least one stabilizer additive of at least one photoactive layer is processed in vacuo, ie applied to a layer of the layer system in vacuo.
  • the HOMO of the additive is at least 0.1 eV lower than the minimum of the HOMO of the donor relative to vacuum energy.
  • the LUMO of the additive is at least 0.1 eV higher than the minimum of the LUMO of the acceptor relative to vacuum energy.
  • the object of the present invention is also achieved by providing an organic electronic component with a layer system with at least one stabilizer additive according to the invention, in particular according to one of the exemplary embodiments described above, the at least one stabilizer additive preferably being present homogeneously in the photoactive layer and/or or the fullerene layer of the layer system is distributed.
  • the advantages that have already been explained in connection with the layer system result in particular for the organic electronic component.
  • the organic electronic component is an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • the layer system has further layers, such as charge carrier transport layers, also called transport layers, between the electrodes, which make no or only a small contribution to absorption compared to a photoactive layer.
  • At least one charge transport layer is arranged between the first electrode and the at least one photoactive layer and/or the second electrode and the at least one photoactive layer. In a preferred embodiment of the invention, the at least one photoactive layer is adjacent to at least one charge transport layer.
  • the layer system has at least two, preferably at least three, or preferably at least four photoactive layers. This is particularly advantageous since the incident light passes through a number of photoactive layers within the layer system.
  • the layer system is designed as a tandem cell, triple cell or multiple cell.
  • the object of the present invention is also achieved by providing a use of a layer system according to the invention with at least one stabilizer additive in an organic electronic component, preferably an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector, in particular according to one of those described above Examples .
  • a layer system according to the invention with at least one stabilizer additive in an organic electronic component, preferably an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector, in particular according to one of those described above Examples .
  • the use of the layer system with at least one stabilizer additive in an organic electronic component results in particular in the advantages that have already been explained in connection with the layer system and the organic electronic component.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a layer system of an organic electronic component in one exemplary embodiment
  • Fig. 2 in one embodiment, the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system with a donor-acceptor system made of absorber: Ceo without stabilizer additive, and each with the stabilizer additives EA59, EA 61 and EA62 in a photoactive layer of the layer system;
  • the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system with a donor-acceptor system made of absorber: Ceo without stabilizer additive, and with the stabilizer additive EA50 in a photoactive layer of the shift system ;
  • the short-circuit current density, the fill factor, the no-load voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system with a donor-acceptor system made of absorber! Ceo without stabilizer additive and with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer of a layer system;
  • the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system with a donor-acceptor system made of absorber: Ceo without stabilizer additive, with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer, and with the stabilizer additive EA55 in a photoactive
  • the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system with a donor-acceptor system of Absorber3 Ceo without stabilizer additive, with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer, and with the stabilizer additive EA55 in a fullerene layer of a layer system;
  • Fig. 9 in one embodiment, the conductivity of a transport layer with different proportions of a stabilizer additive.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a layer system 1 of an electronic component.
  • the layer system for an organic electronic component has a first electrode, a second electrode, and at least one photoactive layer and/or at least one fullerene layer, with the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer between the first electrode and the second electrode is arranged.
  • the at least one photoactive layer and/or the at least one fullerene layer has at least one stabilizer additive, the at least one stabilizer additive being selected from the group consisting of: with at least one RI , R2 , and/or R3 a polyphenol having at least two OH groups, or with at least one RI , R2 , and/or R3 a polyphenol having at least two OH groups and at least one RI , R2 , and/or R3 is a sterically hindered phenol having at least one steric alkyl group, the steric alkyl group being branched at the alpha position, and R4 independently selected from the group consisting of H, OH, alkyl, and alkoxy; with at least one RI , R2 and/or R3 a polyphenol having at least two OH groups, and/or at least one RI , R2 and/or R3 a sterically hindered phenol having at least one steric alkyl group, the steric
  • At least one polyphenol of groups RI, R2, R3 and/or R5 has at least one steric alkyl group and/or at least one sterically hindered phenol of groups RI, R2 and/or R3 has at least two steric alkyl groups.
  • the stabilizer additive A15 to A18 R5 has an aromatic homocyclic or heterocyclic 5-membered ring or 6-membered ring with at least one OH group, preferably at least two OH groups, with one OH group in the beta position of the carbonyl group is arranged from A15 to A18 R5, the stabilizer additive A15 to A18 R5 preferably contains a phenol, particularly preferably a polyphenol.
  • the layer system 1 for an organic electronic component has a substrate 2, a first electrode 3, a second electrode 7, at least one photoactive layer 5, and alternatively a supplementary fullerene layer 6, the at least one photoactive layer 5 and the at least one fullerene layer 6 between the first electrode 3 and the second Electrode 7 are arranged.
  • the at least one photoactive layer 5 has at least one stabilizer additive.
  • the at least one stabilizer additive is at least largely homogeneously distributed in the at least one photoactive layer 5 .
  • the fullerene layer 6 alternatively or additionally has at least one stabilizer additive.
  • the at least one stabilizer additive is at least largely homogeneously distributed in the at least one fullerene layer 6 .
  • At least two RI, R2, and/or R3 of the stabilizer additive A1 to A14 are polyphenols, and/or at least two RI, R2, and/or R3 of the stabilizer additive A1 to A14 are sterically hindered phenols , preferably at least three .
  • At least one OH group of a polyphenol of the groups R1, R2, R3 and/or R5 is in the beta position or gamma position to a carbonyl group.
  • At least one polyphenol or a sterically hindered phenol from the groups R1, R2 and/or R3 of the stabilizer additive is bridged with another polyphenol or sterically hindered phenol by an alkyl group.
  • the at least one stabilizer additive is selected from the group consisting of: with at least two RI, R2 and/or R3 with a polyphenol having at least two OH groups, or with at least one polyphenol at least two OH groups and at least one sterically hindered phenol having at least one, preferably at least two, steric alkyl groups, and with R4 independently selected from H and an alkyl group; with at least two RI, R2 and/or R3, a polyphenol having at least two OH groups, or at least two sterically hindered phenols having at least one steric alkyl group, preferably each having at least two steric alkyl groups, or at least one polyphenol having at least two OH groups and at least one sterically hindered phenol having at least one, preferably at least two, steric alkyl groups, and with R4 independently selected from H and an alkyl group; (All) with at least two RI, R2 and/or R3, a polyphenol having at least two OH
  • alkyl groups with at least one RI, R2 and/or R3, a polyphenol with at least two OH groups and at least one RI, R2 and/or R3 with a substituted or unsubstituted phenyl group, preferably with at least one phenyl group with at least one alkyl group, preferably with at least two alkyl groups, with preferably at least one alkyl group being a steric alkyl group, preferably with one RI, R2 and/or R3 of a polyphenol having at least two OH groups and two RI, R2 and/or R3 of a substituted or unsubstituted phenyl -Group ; with R5 selected from the group consisting of alkyl, O-alkyl, and a substituted or unsubstituted aromatic homocyclic or heterocyclic 5-ring or 6-ring having at least one OH group, preferably having an OH group in the beta position to the carbonyl group ; and
  • the sterically hindered phenol has at least two steric alkyl groups, the sterically hindered phenol preferably being selected from the group consisting of tert-butylphenol (DTB) , and tert-butyl-4-methyl-phenol (CH2-DTB), where * represents the link to one of the structures A1 to A14.
  • DTB tert-butylphenol
  • CH2-DTB tert-butyl-4-methyl-phenol
  • the at least one stabilizer additive is selected from the group consisting of: , on the n.
  • the at least one photoactive layer is an absorber layer, with the at least one photoactive layer preferably being formed as a mixed layer or of two adjacent layers with at least one donor and at least one acceptor, and the at least one donor and the at least one acceptor form a donor-acceptor system.
  • the at least one donor is an ADA oligomer and/or a BODIPY
  • the at least one acceptor is an ADA oligomer and/or a fullerene
  • the at least one stabilizer additive has an energy level at which the magnitude of the LUMO is smaller than the magnitude of the LUMO of the acceptor, preferably at least 0.3 eV smaller than the magnitude of the LUMO of the acceptor, and the magnitude of the HOMO is greater than the magnitude of the HOMO of the donor, preferably at least 0.3 eV greater than the magnitude of the HOMO of the donor.
  • the at least one stabilizer additive is exclusively in the at least one contain photoactive layer.
  • the layer system has at least one transport layer, preferably at least two transport layers, which is arranged between the first electrode and the second electrode, the at least one transport layer being a hole conduction layer and/or an electron conduction layer.
  • the layer system has at least one transport layer, preferably at least two transport layers, which is arranged between the first electrode and the second electrode, the at least one transport layer being a hole conduction layer and/or an electron conduction layer, and the at least one Photoactive layer and at least one transport layer have at least one stabilizer additive.
  • the organic electronic component with a layer system according to the invention has at least one stabilizer additive, the at least one stabilizer additive preferably being distributed homogeneously in the photoactive layer and/or the fullerene layer of the layer system.
  • the organic electronic component is preferably an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • the layer system according to the invention is used with at least one stabilizer additive in an organic electronic component, preferably an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • an organic electronic component preferably an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • the stabilizer additives according to the invention can therefore be used in vacuum-processed organic photovoltaic elements.
  • the layer system 1 with at least one stabilizer additive is in particular for use in an organic electronic component, preferably in an organic photovoltaic element, an OFET, or an organic photodetector.
  • the organic electronic component with the layer system 1 according to the invention with at least one stabilizer additive is in particular an organic photovoltaic element, in particular a organic solar cell, an OFET, or an organic photodetector.
  • the electronic component with the layer system 1 is an organic solar cell.
  • the layer system 1 is arranged on a transparent substrate 2 which is preferably designed to be flexible, in particular as a film.
  • a first electrode 3 is arranged on the substrate 2 and is made, for example, of metal, a conductive oxide, in particular ITO, ZnO:Al or another transparent, conductive oxide or polymer, such as PEDOT:PSS or PANI.
  • a charge carrier transport layer 4 is arranged on the first electrode 3 and is in the form of an electron or hole transport layer, for example.
  • the photoactive layer 5, which comprises at least one donor and one acceptor material, which together form a donor-acceptor system, is arranged on the charge carrier transport layer 4.
  • the photoactive layer 5 can also consist of more than one layer, in particular of a donor and acceptor layer, so that a planar, photoactive donor-acceptor transition is formed.
  • the photoactive layer includes a stabilizer additive in a proportion of 0.1 wt. -% up to 10 wt. -% .
  • a further charge carrier transport layer 6 is arranged on the photoactive layer 5 .
  • This charge carrier transport layer 6 is also designed as an electron or hole transport layer.
  • the second electrode 7 is arranged on the charge carrier transport layer 6 and is formed, for example, from a metal such as Al, but also from an optically transparent one electrical conductor layer can exist.
  • Vacuum co-evaporation with OPV materials selected from three functional classes was used to produce the layer system : co-evaporation with 1 ) absorber materials, 2 ) hole conductors, and 3 ) electron conductors ( Ceo ) • Numerous cells were processed in vacuum systems MIP and Lesker cells prepared and characterized. An improvement in service life could be shown for the use of the stabilizer additives according to the invention in a photoactive layer and/or a fullerene layer.
  • Exemplary embodiments of layer systems 1 with stabilizer additives in photoactive layers 5 are shown below using MIP cells. For this purpose, numerous cells were manufactured in MIP systems and Lesker, and their efficiency and service life were characterized.
  • Fig. 2 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system 1 with a donor-acceptor system made of absorber: Ceo without stabilizer additive (reference), and each with the stabilizer Additives EA59, EA 61 and EA62 in a photoactive layer (A) 5 of the layer system 1 .
  • the organic electronic component is a photovoltaic element.
  • the short-circuit current density, the filling factor, the no-load voltage and the efficiency were each determined over a period of 100 h.
  • Layer system 1 differs only in the addition of the stabilizer additive.
  • the layer system of a MIP cell with volume heterojunction (bulk heterojunction) with a photoactive layer with the absorber and a stabilizer additive mixed into the absorber has the following structure for samples without stabilizer additive:
  • ITO Indium Tin Oxide
  • NDP9 commercial p-dopant from Novaled GmbH
  • the organics and the gold layer are deposited in a high vacuum on a substrate pre-coated with ITO.
  • the photoactive area defined by the overlap of ITO and gold is 6.4 mm 2 .
  • the samples are exposed in ambient air, without encapsulation, to radiation from the sun for 120 hours, simulated by xenon daylight lamps (1000 W/m 2 ).
  • the samples reach a temperature of 75 °C.
  • the illuminant irradiates the sample in such a way that the gold layer is turned away from the light.
  • the optoelectronic characterization of the samples is also carried out in air.
  • the efficiency of the photovoltaic element after aging for 120 h is summarized in Table 1 for the layer systems without stabilizer additive (reference) and with the stabilizer additives EA59, EA61 and EA62, each with the absorber in the photoactive layer.
  • Fig. 3 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system 1 with a donor-acceptor system made of absorber: Ceo without stabilizer additive (reference), and with the stabilizer additive EA50 in a photoactive layer (A) of the layer system 1 .
  • the layer system 1 differs only in the admixture of the stabilizer additive EA50 .
  • the layer system 1 of a MIP cell with volume heterojunction (bulk heterojunction) with a photoactive layer with the absorber and a stabilizer additive mixed into the absorber has the following structure for samples without stabilizer additive: and samples with stabilizer additive :
  • ITO Indium Tin Oxide
  • NDP9 commercial p-dopant from Novaled GmbH
  • NHT49 commercial hole conductor from Novaled GmbH Absorber :
  • the organics and the aluminum layer are deposited in a high vacuum on a substrate pre-coated with ITO.
  • the photoactive area, defined by the overlap of ITO and aluminum, is 6.4 mm 2 .
  • the samples are exposed, without encapsulation, to radiation from a sun for 1000 hours, simulated by xenon daylight lamps (1000W/m 2 ).
  • the samples reach a temperature of 75 °C.
  • the illuminant irradiates the sample in such a way that the gold layer is turned away from the light.
  • the optoelectronic characterization of the samples is also carried out in air.
  • the efficiency of the photovoltaic element after aging for 1000 hours is summarized in Table 2 for the layer systems without stabilizer additive (reference) and with the stabilizer additives EA50, each with the absorber in the photoactive layer.
  • Fig. 4 shows the in one embodiment
  • the layer system 1 of a MIP solar cell with volume heterojunction (bulk heterojunction) with a photoactive layer with the absorber and a stabilizer additive mixed into the absorber has the following structure for samples without stabilizer additive: and samples with stabilizer additive EA050 or EA052:
  • the organics and the gold layer are deposited in a high vacuum on a substrate pre-coated with ITO.
  • the photoactive area defined by the overlap of ITO and gold is 6.4 mm 2 .
  • the samples are initially stored in ambient air, without encapsulation, for 24 h and then exposed to radiation from the sun for a further 24 hours, simulated by halogen lamps (1000 W/m 2 ).
  • the illuminant irradiates the sample in such a way that the gold layer is turned away from the light.
  • the optoelectronic characterization of the samples is also carried out in air.
  • Fig. 5 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system 1 with a donor-acceptor system made of absorber! : Ceo without stabilizer additive (reference), and with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer (A) 5 of a layer system 1 .
  • the organic electronic component is a photovoltaic element.
  • the short-circuit current density, the filling factor, the no-load voltage and the efficiency was determined in each case in a temporal aging over 1000 h.
  • Layer system 1 differs only in the addition of the stabilizer additive.
  • the added stabilizer additive has the following structure for samples without stabilizer additive: and samples with stabilizer additive :
  • NDP9 commercial p-dopant from Novaled GmbH
  • NDN45 commercial n-dopant from Novaled GmbH
  • NHT49 commercial hole conductor from Novaled GmbH
  • the organics and the aluminum layer are deposited in a high vacuum on a substrate pre-coated with ITO.
  • the photoactive area defined by the overlap of ITO and aluminum, is 6.4 mm 2 .
  • the samples are exposed, without encapsulation, to radiation from a sun for 1120 hours, simulated by xenon daylight lamps (1000W/m 2 ).
  • the samples reach a temperature of 75 °C.
  • the illuminant irradiates the sample in such a way that the gold layer is turned away from the light.
  • the optoelectronic characterization of the samples is also carried out in air.
  • the efficiency of the photovoltaic element after aging for 1120 h is summarized in Table 3 for the layer systems without stabilizer additive (reference) and with the stabilizer additive EA55, each with the absorber! in the photoactive layer.
  • EA55 ascorbic acid, vitamin C
  • vitamin C is particularly suitable as a stabilizer additive for increasing the service life of an organic photovoltaic element.
  • ascorbic acid also leads to improved initial efficiency. Although a loss of initial efficiency was observed in a few cases, this is overcompensated over time by a reduced loss of efficiency over the course of the period of use of the photovoltaic element.
  • Fig. 6 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system 1 with a donor-acceptor system of absorber: Ceo without stabilizer additive (reference), with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer (A) 5, and with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer (A) and a transport layer (T) 4 of the layer system 1.
  • the organic electronic component is a photovoltaic element.
  • the short-circuit current density, the fill factor, the no-load voltage and the efficiency were each determined over a period of 1000 h.
  • Layer system 1 differs only in the addition of the stabilizer additive.
  • Absorberl was used as the absorber.
  • EA55 L-Ascorbic Acid, Vitamin C
  • a stabilizer additive mixed into a fullerene layer (Ceo ) 6 has the following structure for samples without stabilizer additive: with stabilizer additive in the photoactive layer: with stabilizer additive in the photoactive layer and the
  • NDP9 commercial p-dopant from Novaled GmbH
  • NDN45 commercial n-dopant from Novaled GmbH
  • NHT49 commercial hole conductor from Novaled GmbH Absorber :
  • the efficiency of the photovoltaic element after aging for 1160 h is summarized in Table 4 for the layer systems without stabilizer additive (reference) and with the stabilizer additive EA55, each with the absorber in the photoactive layer.
  • the stabilizer additive EA55 is either only in the photoactive layer (A) or both in the photoactive layer (A) and in the electron
  • Transport layer (T).
  • the admixture of the stabilizer additive EA055 in the absorber layer or in the electron conduction layer (ETL layer) Ceo leads to a significant improvement in the efficiency of the photovoltaic element after aging.
  • Fig. 7 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a donor-acceptor system with a layer system 1 of Absorber4: Ceo without stabilizer additive (reference), and with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer (A) 5 one Layer system 1 (A) .
  • the organic electronic component is a photovoltaic element.
  • the short-circuit current density, the fill factor, the no-load voltage and the efficiency were each determined over a period of 1000 h.
  • Layer system 1 differs only in the addition of the stabilizer additive.
  • the structure of the layer system 1 corresponds to the structure according to FIG. 6 , absorber 4 being used instead of absorber 1 .
  • the admixture of the stabilizer additive EA055 in the absorber layer (A) leads to a significant improvement in the efficiency of the photovoltaic element after aging.
  • Fig. 8 shows in one embodiment the short-circuit current density, the fill factor, the open-circuit voltage and the efficiency of organic electronic components with a layer system 1 with a donor-acceptor system of absorber3: Ceo without stabilizer additive (reference), with the stabilizer additive EA55 in a photoactive layer (A), and with the stabilizer additive EA55 in a fullerene layer (T) of a layer system 1.
  • the organic electronic component is a photovoltaic element.
  • the short-circuit current density, the fill factor, the no-load voltage and the efficiency were each determined over a period of 200 h.
  • Layer system 1 differs only in the addition of the stabilizer additive.
  • the structure of the layer system 1 corresponds to the structure according to Fig.
  • the conductivity of Ceo layers with 5%, 10% or 20% of the commercial n-dopant NDN45 from Novaled GmbH was measured with and without the stabilizer additive EA55 (L-Ascorbic Acid, Vitamin C) in a proportion of 5% by weight % measured.
  • EA55 L-Ascorbic Acid, Vitamin C
  • An n-doping with 5% by weight, 10% by weight and 20% by weight with NDN45 and with an additional stabilizer additive EA055 of less than 5% by weight showed no significant difference to corresponding layers without the stabilizer -Additive EA055.
  • the conductivity increases linearly depending on the proportion of n-doping with the dopant NDN45. This shows that adding the stabilizer additive to stabilize an n-layer does not negatively affect the conductivity of this layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement, mit einer ersten Elektrode (3), einer zweiten Elektrode (7), und mindestens einer photoaktiven Schicht (5) und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht (6), wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/ oder die mindestens eine Fulleren-Schicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweist, ein elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem mit mindestens einem Stabilisator-Additiv, sowie eine Verwendung eines solchen Schichtsystems mit mindestens einem Stabilisator-Additiv in einem organischen elektronischen Bauelement.

Description

Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement , mit einer ersten Elektrode , einer zweiten Elektrode , und mindestens einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren- Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweist , ein organisches elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, sowie eine Verwendung eines solchen Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement .
Elektronische Bauelemente mit photoaktiven Schichten, insbesondere LED ' s oder Solarzellen, finden heute eine breite Anwendung .
Bekannte Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphen Silicium ( a-Si ) oder GIGS (Cu ( In, Ga) ( S , Se ) 2 ) auf . Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen photoaktiven Schichten . Die organischen photoaktiven Schichten können dabei aus Polymeren oder kleinen Molekülen aufgebaut sein . Während Polymere sich dadurch aus zeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar .
Organische Halbleiter auf Basis von kleinen Molekülen oder polymeren Verbindungen finden zunehmend Anwendungen in vielen Bereichen der Elektroindustrie . Organische Halbleiter werden beispielsweise in elektronischen Bauelementen, wie organischen Feldeffekttransistoren (OFETs ) , organischen Leuchtdioden (OLEDs ) , organischen photovoltaischen Elementen ( OPVs ) und Fotodetektoren, eingesetzt . Ist das organische elektronische Bauelement ein organisches optoelektronisches Bauelement , wie eine Solarzelle oder ein Fotodetektor , dann ist das Bauelement zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie geeignet , wobei die entgegengesetzte Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtemission sich nachteilig auf die Effizienz auswirkt . OLEDs wandeln dagegen elektrische Strom- bzw . Spannungssignale oder elektrische Energie in Lichtemission um .
Organische photovoltaische Bauelemente , insbesondere organische Solarzellen, bestehen in der Regel aus einer Folge dünner Schichten zwischen zwei Elektroden, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden . Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs ) und/oder transparente leitfähige Polymere ( PEDOT-PSS , PANI ) erfolgen . Das Vakuum-Aufdampfen der organischen Schichten ist vorteilhaft bei der Herstellung von Tandem- , Tripleoder Mehrfach-Solarzellen . In Tandem- oder Mehrfach-Solarzellen sind die einzelnen Zellen gestapelt , wobei j ede Zelle mindestens eine Absorberschicht enthält , zwischen zwei Elektroden angeordnet und meist in Serie geschaltet , so dass die Zelle , die den geringsten Strom produziert , das ganze System limitiert .
Die photoaktiven Verbindungen werden üblicherweise in einer Mischschicht oder zwei aneinandergrenzenden Schichten zur Bildung von Donor-Akzeptor-Heteroübergängen ( hetero unctions ) innerhalb einer Zelle eingesetzt , in denen zumindest ein Donor und/oder ein Akzeptor die Licht absorbierende Komponente ist . Im Gegensatz zu Solarzellen auf Basis von Silizium werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt , sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also nach außen hin elektrisch neutrale Anregungs zustände , insbesondere gebundene Elektronen-Loch-Paare . Diese Exzitonen werden an der Donor-Akzeptor-Grenzschicht in Übergängen zwischen zwei angrenzenden Schichten oder innerhalb einer photoaktiven Mischschicht in Ladungsträger getrennt , welche wandern und so zum elektrischen Stromfluss beitragen .
Die Effizienz ( PCE ) organischer Solarzellen sinkt im Laufe der Zeit in Folge von Degradationsprozessen, die durch die Einwirkung von Licht , Wärme , Sauerstoff und/oder Wasser auf die organisch- elektronischen Materialien verursacht werden .
Radikalfänger und/oder Antioxidationsmittel , auch Antioxidantien genannt , sind weit verbreitete Zusatzstoffe in Polymeren und anderen organischen Systemen, um diese vor Degradation zu schützen .
Aus dem Stand der Technik ist bekannt , Polymerfolien durch den Zusatz kleiner Mengen an Radikalfängern bezüglich ihrer Lebensdauer zu verbessern . Durch die Verwendung von bestimmten UV- Absorbern wird die Entstehung neuer Radikale unterdrückt . Aus dem Stand der Technik ist bekannt , Stabilisatoren in einem Schichtsystem für elektronische Bauteile einzusetzen .
Xu et al . (Nano Energy 34 , 2017 , 392 -398 ) offenbart Vitamin C (Ascorbisäure ) in Perovskit-Zellen, wobei mittels Vitamin C Pb/Sn- basierende Perovs kit-Solarzellen stabilisiert werden , zur Stabilisierung von methylammonium (MA) bzw . f ormamidinium ( FA) eingesetzt Ascorbinsäure als eine effektives Antioxidant-Additiv zur Steigerung der Effizienz und Stabilität von Pb/Sn-basierten Perovskit-Solarzellen . Ascorbinsäure verzögert dabei die Oxidtion von Sn und moduliert die Kristallisation von Perovskit durch die Bildung von Zwischen-Komplexen .
US20150228925A1 offenbart die Verwendung von Vitamin C als Sauerstof f-absorbierende Verbindung in einem OLED-Display, wobei Vitamin C in einer Transportschicht eingesetzt wird .
Die aus dem Stand der Technik bekannten Additive zur Verbesserung der Stabilität von photoaktiven Schichten, insbesondere von im Vakuum prozessierten photoaktiven Schichten, sind allerdings nicht zufriedenstellend .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement , ein organisches elektronisches Bauelement mit einem solchen Schichtsystem, und eine Verwendung eines solchen Schichtsystems in einem organischen elektronischen Bauelement bereitzustellen, wobei die zuvor genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere eine verbesserte Stabilität und/oder eine erhöhte Lebensdauer eines solchen Schichtsystems bereitgestellt wird . Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Degradation eines Schichtsystems zu verlangsamen, indem durch Zusatz eines oder mehrerer Additive , hier als Stabilisator-Additive bezeichnet , in das elektrisch aktive organische Schichtsystem hinein die Degradation des Schichtsystems verlangsamt wird .
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst , indem ein Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement bereitgestellt wird, mit einer ersten Elektrode , einer zweiten Elektrode , und mindestens einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren- Schicht , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren- Schicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweist , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000006_0001
mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000007_0001
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000007_0002
, mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist ;
Figure imgf000008_0001
mit mindestens einem RI, R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen;
Figure imgf000008_0002
mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl, O-Alkyl, S- Alkyl, OH, und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5-Ring oder 6- Ring, wobei der 5-Ring oder 6-Ring bevorzugt weiter annelliert ist; und
Figure imgf000008_0003
vitamin C (EA55) , wobei der Anteil des mindestens einen Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren-Schicht 0,001 Gew.-% bis 30 Gew.-% beträgt, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, oder bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil des mindestens einen Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren-Schicht 0,001 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bevorzugt 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,01 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bevorzugt 0,1 Gew.% bis 30 Gew.%, bevorzugt 0,1 Gew.% bis 20 Gew.%, bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 Gew.% bis 5 Gew.%, bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-%, bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, oder bevorzugt 1 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv in die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht gemischt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv als weitere Komponente zumindest weitgehend in der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren-Schicht homogen verteilt, insbesondere homogen in einem Absorbermaterial oder einer Mischschicht aus einem Donor-Akzeptor-System.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest weitgehend homogen verteilt.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise führt eine Beimischung von spezifischen Additiven, insbesondere Stabilisator-Additiven, zu einer Erhöhung der Stabilität eines Schichtsystems, und damit auch zu einer Erhöhung eines dieses Schichtsystem aufweisende organischen elektronischen Bauelements, insbesondere eines organischen photovoltaischen Elements. Vorteilhafterweise wird die Effizienz des photovoltaischen Elements dabei nicht wesentlich reduziert. Vorteilhafterweise wird die Effizienz des photovoltaischen Elements mit einem solchen Schichtsystem mit mindestens einem Stabilisator-Additiv im Laufe der Zeit weniger stark reduziert im Vergleich zu einem Schichtsystem ohne mindestens ein Stabilisator-Additiv . Durch die Beimischung mindestens eines Stabilisator-Additivs wird insbesondere die Stabilität des Schichtsystems gegenüber Feuchtigkeit , Sauerstoff und/oder UV-Licht erhöht . Vorteilhafterweise stabilisiert das mindestens eine Stabilisator-Additiv Absorber in einer photoaktiven Schicht . Vorteilhafterweise stabilisiert das mindestens eine Stabilisator-Additiv eine Fulleren-Schicht (Ceo ) • Vorteilhafterweise sind die Stabilisator-Additive bei Temperaturen bis 150 ° C einsetzbar, was dem Einsatz- und Prozessbereich von organischen Solarzellen entspricht .
Unter einer sterischen Alkylgruppe wird insbesondere eine Alkylgruppe mit einer Verzweigung in alpha-Position der Alkylgruppe verstanden .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die sterische Alkylgruppe eine Alkylgruppe mit einer Verzweigung in alpha-Position, bevorzugt eine iso-Propyl-Gruppe , eine iso-Butyl- Gruppe oder tert-Butyl-Gruppe .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine photoaktive Schicht , insbesondere eine Absorberschicht , das mindestens eine Stabilisator-Additiv auf . In einer alternativ besonders bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine Absorberschicht , und mindestens eine HTL-Schicht (Lochleitungsschicht ) und/oder mindestens eine ETL-Schicht ( Elektronenleitungsschicht ) das mindestens ein Stabilisator- Additiv auf .
Unter dem Begriff "photoaktiv" wird insbesondere eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden . Dabei weisen Absorbermaterialien in photoaktiven Schichten einen großen Absorptionskoeffizienten zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich auf . Vorzugsweise wird unter photoaktiv verstanden, dass Absorbermaterialien, insbesondere mindestens ein Donor und/oder mindestens ein Akzeptor , unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungs zustand ändern .
Unter einer photoaktiven Schicht wird insbesondere eine Schicht eines elektronischen Bauelements verstanden, die einen Beitrag zur Absorption von Strahlung und/oder zur Emission von Strahlung liefert , insbesondere absorbiert die photoaktive Schicht Strahlung .
Unter dem Begriff „homogen" wird insbesondere eine zumindest weitgehend gleiche Verteilung des mindestens einen Stabilisator- Additivs über die gesamte Ausdehnung der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren- Schicht verstanden .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht ein Absorbermaterial auf . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht als Absorbermaterial ein Donor-Akzeptor-System auf .
Unter einem Stabilisator-Additiv wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Antioxidationsmittel , ein Radikalfänger und/oder ein UV-Stabilisator verstanden .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht mit kleinen Molekülen als Absorbermaterial und dem mindestens einen Stabilisator-Additiv auf .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht mit kleinen Molekülen als mindestens ein Donor, kleinen Molekülen als mindestens ein Akzeptor und dem mindestens ein Stabilisator- Additiv auf , wobei der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden .
Unter kleinen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden Atmosphäre ) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen . Vorzugsweise sind die kleinen Moleküle photoaktiv.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das mindestens eine Stabilisator-Additiv eine molare Masse zwischen 100 und 1000 g/mol auf .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv gleichzeitig als weitere Komponente neben einem Absorbermaterial oder einem Donor-Akzeptor- System beim Vakuumprozessieren durch Co-Verdampf en eingebracht .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv im Vakuum- verdampfbar , bevorzugt im Vakuum prozessierbar , wobei sich das mindestens eine Stabilisator-Additiv nicht oder zumindest weitgehend nicht zersetzt .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das mindestens eine Stabilisator-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht polymerisiert vor , bevorzugt sind Moleküle des Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht untereinander polymerisiert und/oder sind Moleküle des Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht nicht mit einem Absorbermaterial polymerisiert .
Das erfindungsgemäße Schichtsystem mit mindestens einem Stabilisator-Additiv weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf . Vorteilhafterweise wird die Stabilität und/oder die Lebensdauer eines Schichtsystems mit mindestens einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht mit dem mindestens einen Stabilisator-Additiv erhöht . Vorteilhafterweise wird eine verbesserte Stabilität und/oder eine erhöhte Lebensdauer von organischen elektronischen Bauelementen, insbesondere von organischen Solarzellen, mit einem solchen Schichtsystem erhalten . Dabei zeigt das mindestens eine Stabilisator-Additiv keine oder zumindest weitgehend keine Absorption des Lichts im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums , wodurch keine oder zumindest weitgehend keine parasitäre Absorption stattfindet . Vorteilhafterweise sind die Stabilisator-Additive im Vakuum handhabbar und zumindest weitgehend zerstörungsfrei sublimierbar . Vorteilhafterweise verbessern die Stabilisator-Additive die Lebensdauer von organischen Solarzellen . Vorteilhafterweise lässt sich das mindestens eine Stabilisator-Additiv einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems beimischen, ohne dass deren elektrische und optische und/oder optoelektrische Funktion beeinträchtigt wird .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht eine Mischung aus mindestens zwei , bevorzugt mindestens drei , bevorzugt mindestens vier, oder bevorzugt einer Vielzahl an Stabilisator-Additiven auf .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Polyphenol der Gruppen RI , R2 , R3 und/oder R5 mindestens eine sterische Alkylgruppe aufweist , und/oder mindestens ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI , R2 und/oder R3 mindestens zwei sterische Alkylgruppen aufweist , und/oder das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 einen aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5 -Ring oder 6- Ring mit mindestens einer OH-Gruppe aufweist , bevorzugt mindestens zwei OH-Gruppen, wobei eine OH-Gruppe in beta-Position zu der Carbonylgruppe von A15 bis A18 R5 angeordnet ist , bevorzugt weist das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 ein Phenol , insbesondere bevorzugt ein Polyphenol auf .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 Polyphenole sind, und/oder mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 sterisch gehinderte Phenole sind, bevorzugt mindestens drei , und/oder mindestens eine OH-Gruppe eines Polyphenols der Gruppen RI , R2 , R3 und/oder R5 in beta-Position oder gamma-Position zu einer Carbonyl-Gruppe steht , und/oder mindestens ein Polyphenol oder ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI , R2 und/oder R3 des Stabilisator-Additivs mit einem weiteren Polyphenol oder sterisch gehinderten Phenol durch eine Alkylgruppe verbrückt ist .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
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mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer , bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000014_0002
(A4 ) mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer, bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000014_0003
(All ) mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mit mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OHGruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer , bevorzugt mindestens zwei sterischen
Alkylgruppen;
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(A14 ) mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe , bevorzugt mit mindestens einer Phenyl-Gruppe mit mindestens einer Alkylgruppe , bevorzugt mit mindestens zwei Alkylgruppen, wobei bevorzugt mindestens eine Alkylgruppe eine sterische Alkylgruppe ist , bevorzugt mit einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und zwei RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe ;
Figure imgf000015_0002
mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl , O-Alkyl , und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5 -Ring oder 6-Ring mit mindestens einer OH-Gruppe , bevorzugt mit einer OH-Gruppe in beta- Position zur Carbonyl-Gruppe ; und
Figure imgf000015_0003
vitamin C .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein RI , R2 oder R3 in A12 , A13 und/oder A14 ein Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens ein RI , R2 oder R3 eine substituierte oder nicht-substituierte Phenyl-Gruppe , bevorzugt eine Phenyl-Gruppe mit mindestens einer Alkylgruppe , bevorzugt mit mindestens zwei Alkylgruppen . In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein RI , R2 oder R3 in A12 , A13 und/oder A14 ein Polyphenol mit mindestens zwei OHGruppen und zwei RI , R2 oder R3 eine substituierte oder nichtsubstituierte Phenyl-Gruppe .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das sterisch gehinderte Phenol mindestens zwei sterische Alkylgruppen aufweist , wobei das sterisch gehinderte Phenol bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
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CH2 -DTB ) , wobei * die Verknüpfung zu einer der Strukturen Al bis A14 darstellt .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000017_0001
1,3, 5-Tris (3, 5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -1,3, 5-triazinane-
2,4, 6-trione (EA50) ,
Figure imgf000017_0002
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vitamin C ( EA55 ) .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine photoaktive Schicht eine Absorberschicht ist , wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht als Mischschicht oder aus zwei aneinandergrenzenden Schichten mit mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ausgebildet ist , und der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist , und der mindestens eine Akzeptor ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren ist .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ein Energieniveau aufweist , bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist , bevorzugt mindestens 0 , 1 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors , bevorzugt mindestens 0 , 2 eV kleiner , oder bevorzugt mindestens 0 , 3 eV kleiner, und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist , bevorzugt mindestens 0 , 1 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors , bevorzugt mindestens 0 , 2 eV größer, oder bevorzugt mindestens 0 , 3 eV größer .
Unter einer BODIPY-Verbindung wird insbesondere eine Verbindung der allgemeinen Formel C9H7BN2F2 verstanden, also eine Verbindung mit einer Bor-Difluorid-Gruppe mit einer Dipyrromethen-Gruppe , insbesondere eine Verbindung 4 , 4 -Dif luoro-4 -bora-3a, 4a-diaza-s- Indacene .
Unter einem ADA-Oligomer wird insbesondere ein konj ugiertes Akzeptor-Donor-Akzeptor-Oligomer (A-D-A ' -Oligomer ) mit einer Akzeptor-Einheit (A) und einer weiteren Akzeptor-Einheit (A ' ) , die j eweils an eine Donor-Einheit ( D) gebunden sind verstanden .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausschließlich in der mindestens einen photoaktiven Schicht enthalten ist .
Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem mindestens eine Transportschicht aufweist , bevorzugt mindestens zwei Transportschichten, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine Transportschicht eine Lochleitungsschicht und/oder eine Elektronenleitungsschicht ist , und wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und mindestens eine Transportschicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweisen .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Donor- Akzeptor-System und/oder das mindestens eine Stabilisator-Additiv mindestens einer photoaktiven Schicht im Vakuum prozessiert , also im Vakuum auf eine Schicht des Schichtsystems auf getragen .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das HOMO des Additivs mindestens 0 , 1 eV niedriger als das Minimum des HOMOs des Donors , bezogen gegenüber der Vakuumenergie .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das LUMO des Additivs mindestens 0 , 1 eV höher als das Minimum des LUMOs des Akzeptors , bezogen gegenüber der Vakuumenergie .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst , indem ein organisches elektronisches Bauelement mit einem Schichtsystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Stabilisator-Additiv bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv bevorzugt homogen in der photoaktiven Schicht und/oder der Fulleren-Schicht des Schichtsystems verteilt ist . Dabei ergeben sich für das organische elektronische Bauelement insbesondere die Vorteile , die bereits in Zusammenhang mit dem Schichtsystem erläutert wurden .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das organische elektronische Bauelement ein organisches photovoltaisches Element , ein OFET , oder ein organischer Fotodetektor ist . In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem weitere Schichten, wie beispielsweise Ladungsträgertransportschichten, auch Transportschichten genannt , zwischen den Elektroden auf , die keinen oder nur einen geringen Beitrag zur Absorption im Vergleich zu einer photoaktiven Schicht liefern .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der zweiten Elektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht zumindest eine Ladungstransportschicht angeordnet . In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die mindestens eine photoaktive Schicht an mindestens eine Ladungstransportschicht .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens zwei , bevorzugt mindestens drei , oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten auf . Dies ist insbesondere vorteilhaft , da das einfallende Licht mehrere photoaktive Schichten innerhalb des Schichtsystems passiert . In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schichtsystem als eine Tandemzelle , Triplezelle oder Mehrfachzelle ausgebildet .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst , indem eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems mit mindestens einem Stabilisator-Additiv in einem organischen elektronischen Bauelement , bevorzugt einem organischen photovoltaischen Element , einem OFET , oder einem organischen Fotodetektor , bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele . Dabei ergeben sich für die Verwendung des Schichtsystems mit mindestens einem Stabilisator-Additiv in einem organischen elektronischen Bauelement insbesondere die Vorteile , die bereits in Zusammenhang mit dem Schichtsystem und dem organischen elektronischen Bauelement erläutert wurden .
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert . Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben, ohne diese zu beschränken . Es konnte in den folgenden Ausführungsbeispielen insbesondere aufgezeigt werden, dass mindestens ein erfindungsgemäßes Stabilisator-Additiv mindestens in einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht eines Schichtsystems eines organischen elektronischen Bauelements überraschenderweise dazu führt , dass die Stabilität und/oder die Lebensdauer des Schichtsystems erhöht wird . Dabei zeigt :
Fig . 1 in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems eines organischen elektronischen Bauelements ; Fig . 2 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, und j eweils mit den Stabilisator-Additiven EA59 , EA 61 und EA62 in einer photoaktiven Schicht des Schichtsystems ;
Fig . 3 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, und mit dem Stabilisator-Additiv EA50 in einer photoaktiven Schicht des Schichtsystems ;
Fig . 4 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, und j eweils mit den Stabilisator-Additiv EA50 und EA52 in einer photoaktiven Schicht des Schichtsystems ;
Fig . 5 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorber! : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems ;
Fig . 6 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht , und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven
Schicht und einer Transportschicht des Schichtsystems ;
Fig . 7 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Donor-Akzeptor-System mit einem Schichtsystem aus Absorber4 : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht eines Schichtsystems ;
Fig . 8 in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorber3 : Ceo ohne Stabilisator-Additiv, mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht , und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer Fulleren-Schicht eines Schichtsystems ;
Fig . 9 in einem Ausführungsbeispiel die Leitfähigkeit einer Transportschicht mit unterschiedlichen Anteil eines Stabilisator- Additivs .
Ausführungsbeispiele
Fig . 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines Schichtsystems 1 eines elektronischen Bauelements .
Das Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement weist eine erste Elektrode , eine zweite Elektrode , und mindestens eine photoaktive Schicht und/oder mindestens eine Fulleren-Schicht auf , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist . Die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht weist mindestens ein Stabilisator-Additiv auf , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
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mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000023_0002
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000023_0003
Figure imgf000024_0001
(All ) , mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist ;
Figure imgf000024_0002
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen;
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mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl , O-Alkyl , S- Alkyl , OH, und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5 -Ring oder 6- Ring , wobei der 5-Ring oder 6-Ring bevorzugt weiter annelliert ist ; und
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vitamin C (EA55) , wobei der Anteil des mindestens einen Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren-Schicht 0,001 Gew.-% bis 30 Gew.-% beträgt, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, oder bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
Dadurch wird die Stabilität und/oder die Lebensdauer eines Schichtsystems mit mindestens einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht mit dem mindestens einen Stabilisator-Additiv erhöht. Vorteilhafterweise wird eine verbesserte Stabilität und/oder eine erhöhte Lebensdauer von organischen elektronischen Bauelementen, insbesondere von organischen Solarzellen, mit einem solchen Schichtsystem erhalten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Polyphenol der Gruppen RI, R2 , R3 und/oder R5 mindestens eine sterische Alkylgruppe, und/oder mindestens ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI, R2 und/oder R3 mindestens zwei sterische Alkylgruppen auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 einen aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einer OH-Gruppe auf, bevorzugt mindestens zwei OHGruppen, wobei eine OH-Gruppe in beta-Position zu der Carbonylgruppe von A15 bis A18 R5 angeordnet ist, bevorzugt weist das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 ein Phenol, insbesondere bevorzugt ein Polyphenol auf.
Das Schichtsystem 1 für ein organisches elektronisches Bauelement, weist ein Substrat 2, eine erste Elektrode 3, eine zweite Elektrode 7, mindestens eine photoaktive Schicht 5, und eine alternativ ergänzend eine Fulleren-Schicht 6 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 5 und die mindestens eine Fulleren-Schicht 6 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 7 angeordnet sind . Die mindestens eine photoaktive Schicht 5 weist mindestens ein Stabilisator-Additiv auf . In einer Ausgestaltung liegt das mindestens eine Stabilisator-Additiv in der mindestens einen photoaktiven Schicht 5 zumindest weitgehend homogen verteilt vor . In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Fulleren-Schicht 6 alternativ oder ergänzend mindestens ein Stabilisator-Additiv auf . In einer Ausgestaltung liegt das mindestens eine Stabilisator-Additiv in der mindestens einen Fulleren-Schicht 6 zumindest weitgehend homogen verteilt vor .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 Polyphenole , und/oder sind mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 sterisch gehinderte Phenole , bevorzugt mindestens drei .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steht mindestens eine OH-Gruppe eines Polyphenols der Gruppen RI , R2 , R3 und/oder R5 in beta-Position oder gamma-Position zu einer Carbonyl-Gruppe .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Polyphenol oder ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI , R2 und/oder R3 des Stabilisator-Additivs mit einem weiteren Polyphenol oder sterisch gehinderten Phenol durch eine Alkylgruppe verbrückt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000026_0001
mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer , bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000027_0001
mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer, bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000027_0002
(All ) mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mit mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-
Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer , bevorzugt mindestens zwei sterischen
Alkylgruppen;
Figure imgf000027_0003
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe , bevorzugt mit mindestens einer Phenyl-Gruppe mit mindestens einer Alkylgruppe , bevorzugt mit mindestens zwei Alkylgruppen, wobei bevorzugt mindestens eine Alkylgruppe eine sterische Alkylgruppe ist , bevorzugt mit einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und zwei RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe ;
Figure imgf000028_0001
mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl , O-Alkyl , und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5 -Ring oder 6-Ring mit mindestens einer OH-Gruppe , bevorzugt mit einer OH-Gruppe in beta- Position zur Carbonyl-Gruppe ; und
Figure imgf000028_0002
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das sterisch gehinderte Phenol mindestens zwei sterische Alkylgruppen auf , wobei das sterisch gehinderte Phenol bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
Figure imgf000028_0003
tert-butylphenol ( DTB ) , und
Figure imgf000029_0001
tert-butyl-4-methyl -phenol (CH2 -DTB ) , wobei * die Verknüpfung zu einer der Strukturen Al bis A14 darstellt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000029_0002
,
Figure imgf000030_0001
am n .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine photoaktive Schicht eine Absorberschicht , wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht als Mischschicht oder aus zwei aneinandergrenzenden Schichten mit mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ausgebildet ist , und der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY , und der mindestens eine Akzeptor ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Stabilisator-Additiv ein Energieniveau auf , bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist , bevorzugt mindestens 0 , 3 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors , und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist , bevorzugt mindestens 0 , 3 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausschließlich in der mindestens einen photoaktiven Schicht enthalten .
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine Transportschicht auf , bevorzugt mindestens zwei Transportschichten, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine Transportschicht eine Lochleitungsschicht und/oder eine Elektronenleitungsschicht ist .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens eine Transportschicht auf , bevorzugt mindestens zwei Transportschichten, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine Transportschicht eine Lochleitungsschicht und/oder eine Elektronenleitungsschicht ist , und wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und mindestens eine Transportschicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweisen .
Das organische elektronische Bauelement mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem weist mindestens ein Stabilisator- Additiv auf , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv bevorzugt homogen in der photoaktiven Schicht und/oder der Fulleren-Schicht des Schichtsystems verteilt ist .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das organische elektronische Bauelement bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element , ein OFET , oder ein organischer Fotodetektor .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Schichtsystems mit mindestens einem Stabilisator- Additiv in einem organischen elektronischen Bauelement , bevorzugt einem organischen photovoltaischen Element , einem OFET , oder einem organischen Fotodetektor , verwendet .
Bei Experimenten zur Verdampfung dieser Stabilisator-Additive wurde gezeigt , dass diese Verbindungen im Vakuum verdampfbar sind, wobei diese dabei zumindest weitgehend stabil sind . Die erfindungsgemäßen Stabilisator-Additive sind daher in vakuumprozessierten organischen photovoltaischen Elementen einsetzbar . Das Schichtsystems 1 mit mindestens einem Stabilisator-Additiv ist insbesondere zur Verwendung in einem organischen elektronischen Bauelement , bevorzugt in einem organischen photovoltaischen Element , einem OFET , oder einem organischen Fotodetektor .
Das organische elektronische Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1 mit mindestens einem Stabilisator-Additiv, wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv bevorzugt homogen in der photoaktiven Schicht und/oder der Fulleren-Schicht des Schichtsystems verteilt ist , ist insbesondere ein organisches photovoltaisches Element , insbesondere eine organische Solarzelle , ein OFET , oder ein organischer Fotodetektor .
In einem Ausführungsbeispiel ist das elektronische Bauelement mit dem Schichtsystem 1 eine organische Solarzelle . Das Schichtsystem 1 ist dabei auf einem transparenten Substrat 2 angeordnet , welches vorzugsweise flexibel ausgeführt ist , insbesondere als Folie . Auf dem Substrat 2 ist eine erste Elektrode 3 angeordnet , welche beispielsweise aus Metall , einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO : Al oder anderem transparentem, leitfähigem Oxid oder Polymer, wie etwa PEDOT : PSS oder PANI ausgebildet ist . Auf der ersten Elektrode 3 ist eine Ladungsträgertransportschicht 4 angeordnet , welche beispielsweise als Elektronen- oder Lochleitungstransportschicht ausgebildet ist . Auf der Ladungsträgertransportschicht 4 ist die photoaktive Schicht 5 angeordnet , welche zumindest ein Donor- und ein Akzeptormaterial umfasst , welche zusammen ein Donor-Akzeptor-System ausbilden . Die photoaktive Schicht 5 kann auch aus mehr als einer Schicht bestehen, insbesondere aus einer Donor- und Akzeptorschicht , so dass ein planarer , photoaktiver Donor-Akzeptor-Übergang ausgebildet wird . Zudem umfasst die photoaktive Schicht ein Stabilisator-Additiv in einem Anteil von 0 , 1 Gew . -% bis 10 Gew . -% . Auf der photoaktiven Schicht 5 ist eine weitere Ladungsträgertransportschicht 6 angeordnet . Diese Ladungsträgertransportschicht 6 ist ebenfalls als Elektronen- oder Lochleitungstransportschicht ausgebildet . Auf der Ladungsträgertransportschicht 6 ist die zweite Elektrode 7 angeordnet , welche beispielsweise aus einem Metall , wie etwa Al ausgebildet ist , aber auch aus einer optisch transparenten elektrischen Leiterschicht bestehen kann .
Zur Herstellung des Schichtsystems kam Vakuum-Coverdampfung mit OPV-Materialien ausgewählt aus drei Funktions klassen zum Einsatz : Coverdampfung mit 1 ) Absorbermaterialien, 2 ) Lochleitern, und 3 ) Elektronenleitern ( Ceo ) • Zahlreiche Zellen wurden dazu in Vakuum- Anlagen MIP- und Lesker-Zellen hergestellt und charakterisiert . Es konnte für die Verwendung der erfindungsgemäßen Stabilisator- Additive in einer photoaktiven Schicht und/oder einer Fulleren- Schicht eine Verbesserung der Lebensdauer gezeigt werden .
Im Folgenden sind anhand von MIP-Zellen Ausführungsbeispiele von Schichtsystemen 1 mit Stabilisator-Additiven in photoaktiven Schichten 5 dargestellt . Zahlreiche Zellen wurden dazu in MIP- Anlagen und Lesker hergestellt und der Wirkungsgrad und die Lebensdauer charakterisiert .
Fig . 2 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , und j eweils mit den Stabilisator-Additiven EA59 , EA 61 und EA62 in einer photoaktiven Schicht (A) 5 des Schichtsystems 1 .
Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element . Die Kurzschlussstromdichte , der Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz wurden j eweils in einer zeitlichen Alterung über 100 h bestimmt . Das Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs .
Das Schichtsystem einer MIP-Zelle mit Volumenheteroübergang (bulk heteroj unction ) mit einer photoaktiven Schicht mit dem Absorberl und einem dem Absorberl beigemischten Stabilisator Additiv hat dabei j eweils folgenden Aufbau für Proben ohne Stabilisator- Additiv :
Figure imgf000034_0002
und Proben mit Stabilisator-Additiv:
Figure imgf000034_0003
ITO: Indiumzinnoxid
NDP9: kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
Absorberl :
Figure imgf000034_0001
BPAPF : 9, 9-bis{4-[di (p-biphenyl ) aminophenyl ] } fluorene
Die Organik sowie die Goldschicht werden dabei im Hochvakuum auf ein mit ITO vorbeschichtetes Substrat abgeschieden. Die photoaktive Fläche , definiert durch den Überlapp von ITO und Gold, beträgt 6 , 4 mm2 . Zur Alterung werden die Proben an Umgebungsluft , ohne Verkapselung, für 120 Stunden einer Strahlung von einer Sonne ausgesetzt , simuliert durch Xenon-Tageslichtlampen ( 1000W/m2 ) . Die Proben erreichen dabei eine Temperatur von 75 ° C . Die Parameter der Zelle wurden unter AMI . 5 Beleuchtung gemessen (AM = Air Mass ; AM = 1 , 5 bei diesem Spektrum beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W/m2 ; AM = 1 , 5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen) . Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig , dass die Goldschicht vom Licht abgewandt ist . Die optoelektronische Charakterisierung der Proben erfolgt ebenfalls an Luft .
Die Effizienz des photovoltaischen Elements nach 120 h Alterung ist für die Schichtsysteme ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) und mit den Stabilisator-Additiven EA59 , EA61 und EA62 in Tabelle 1 zusammengefasst , j eweils mit dem Absorberl in der photoaktiven Schicht .
Tabelle 1
Figure imgf000035_0001
Fig . 3 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , und mit dem Stabilisator- Additiv EA50 in einer photoaktiven Schicht (A) des Schichtsystems 1 .
Die Alterung wurde über einen Zeitraum von 1000 h bestimmt . Das Schichtsystem 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs EA50 .
Das Schichtsystem 1 einer MIP-Zelle mit Volumenheteroübergang (bulk heteroj unction ) mit einer photoaktiven Schicht mit dem Absorberl und einem dem Absorberl beigemischten Stabilisator Additiv hat dabei j eweils folgenden Aufbau für Proben ohne Stabilisator-Additiv:
Figure imgf000036_0001
und Proben mit Stabilisator-Additiv :
Figure imgf000036_0002
ITO : Indiumzinnoxid
NDP9 : kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
NHT49 : kommerzieller Lochleiter der Novaled GmbH Absorberl :
Figure imgf000037_0001
Die Organik sowie die Aluminiumschicht werden im Hochvakuum auf ein mit ITO vorbeschichtetes Substrat abgeschieden . Die photoaktive Fläche , definiert durch den Überlapp von ITO und Aluminium beträgt 6 , 4 mm2 . Zur Alterung werden die Proben, ohne Verkapselung, für 1000 Stunden einer Strahlung von einer Sonne ausgesetzt , simuliert durch Xenon-Tageslichtlampen ( 1000W/m2 ) . Die Proben erreichen dabei eine Temperatur von 75 ° C . Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig , dass die Goldschicht vom Licht abgewandt ist . Die optoelektronische Charakterisierung der Proben erfolgt ebenfalls an Luft .
Die Effizienz des photovoltaischen Elements nach 1000 h Alterung ist für die Schichtsysteme ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) und mit den Stabilisator-Additiven EA50 in Tabelle 2 zusammengefasst , j eweils mit dem Absorberl in der photoaktiven Schicht .
Tabelle 2
Figure imgf000037_0002
Fig . 4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die
Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Cgo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , und mit dem gleichen Donor- Akzeptor-System Absorberl : Ceo und zugesetztem Stabilisator-Additiv EA050 in der photoaktiven Schicht (A) , und mit demselben Donor- Akzeptor-System Absorberl : Ceo und zugesetztem Stabilisator-Additiv EA052 in der photoaktiven Schicht (A) des Schichtsystems 1 .
Es handelt sich dabei um Standard-Mip-Zellen mit Au-Elektrode aus einem Schnelltest , die nacheinander zunächst 24h an Luft gealtert wurden, gefolgt von einer 24h-Alterung unter 1000W Halogenlicht mit nicht näher definiertem Spektrum und Temperatur . Zuvor und nach j edem Alterungsschritt wurden die Zellen j eweils vermessen .
Das Schichtsystem 1 einer MIP-Solarzelle mit Volumenheteroübergang (bulk heteroj unction) mit einer photoaktiven Schicht mit dem Absorberl und einem dem Absorberl beigemischten Stabilisator- Additiv hat dabei folgenden Aufbau für Proben ohne Stabilisator- Additiv :
Figure imgf000038_0001
und Proben mit Stabilisator-Additiv EA050 oder EA052 :
Figure imgf000039_0001
Die Organik sowie die Goldschicht werden dabei im Hochvakuum auf ein mit ITO vorbeschichtetes Substrat abgeschieden . Die photoaktive Fläche , definiert durch den Überlapp von ITO und Gold, beträgt 6 , 4 mm2 . Zur Alterung werden die Proben an Umgebungsluft , ohne Verkapselung, zunächst für 24 h gelagert und anschließend für weitere 24 Stunden einer Strahlung von einer Sonne ausgesetzt , simuliert durch Halogenlampen ( 1000W/m2 ) . Die Parameter der Zelle wurden unter AMI . 5 Beleuchtung gemessen (AM = Air Mass ; AM = 1 , 5 bei diesem Spektrum beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W/m2 ; AM = 1 , 5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen ) . Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig , dass die Goldschicht vom Licht abgewandt ist . Die optoelektronische Charakterisierung der Proben erfolgt ebenfalls an Luft .
Fig . 5 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorber! : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , und mit dem Stabilisator- Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht (A) 5 eines Schichtsystems 1 .
Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element . Die Kurzschlussstromdichte , der Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz wurden j eweils in einer zeitlichen Alterung über 1000 h bestimmt . Das Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs .
Das Schichtsystem einer Solarzelle mit Volumenheteroübergang (bulk hetero unction ) mit einer photoaktiven Schicht mit dem Absorber! und einem dem Absorber! beigemischten Stabilisator Additiv hat dabei j eweils folgenden Aufbau für Proben ohne Stabilisator- Additiv :
Figure imgf000040_0001
und Proben mit Stabilisator-Additiv :
Figure imgf000041_0002
NDP9 : kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
NDN45 : kommerzieller n-Dotand der Novaled GmbH
NHT49 : kommerzieller Lochleiter der Novaled GmbH
Absorber! :
Figure imgf000041_0001
Die Organik sowie die Aluminiumschicht werden im Hochvakuum auf ein mit ITO vorbeschichtetes Substrat abgeschieden . Die photoaktive Fläche , definiert durch den Überlapp von ITO und Aluminium beträgt 6 , 4 mm2 . Zur Alterung werden die Proben, ohne Verkapselung , für 1120 Stunden einer Strahlung von einer Sonne ausgesetzt , simuliert durch Xenon-Tageslichtlampen ( 1000W/m2 ) . Die Proben erreichen dabei eine Temperatur von 75 ° C . Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig , dass die Goldschicht vom Licht abgewandt ist . Die optoelektronische Charakterisierung der Proben erfolgt ebenfalls an Luft . Die Effizienz des photovoltaischen Elements nach 1120 h Alterung ist für die Schichtsysteme ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in Tabelle 3 zusammengefasst , j eweils mit dem Absorber! in der photoaktiven Schicht .
Tabelle 3
Figure imgf000042_0001
Es zeigt sich, dass der Absorber! an Luft sehr schnell degradiert . Mit dem Stabilisator-Additiv EA055 als Beimischung in die Absorberschicht zu Absorber! wurde die Degradation im Vergleich zu einer solchen MIP-Zelle ohne Stabilisator-Additiv minimiert .
Überraschenderweise ist EA55 (Ascorbinsäure , Vitamin C ) als Stabilisator-Additiv zur Erhöhung der Lebensdauer eines organischen photovoltaischen Elements besonders geeignet . Überraschenderweise führt Ascorbinsäure auch zu einer verbesserten initialen Effizienz . In wenigen Fällen wurde zwar ein Verlust an initialem Wirkungsgrad beobachtet , der j edoch im Laufe der Nutzungs zeit des photovoltaischen Elements durch einen verringerten Verlust an Effizienz über die Zeit hin überkompensiert wird .
Fig . 6 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorberl : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht (A) 5 , und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht (A) und einer Transportschicht (T ) 4 des Schichtsystems 1 . Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element . Die Kurzschlussstromdichte , der Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz wurden j eweils in einer zeitlichen Alterung über 1000 h bestimmt . Das Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs . Als Absorber wurde Absorberl verwendet . Als Stabilisator-Additiv wurde EA55 (L- Ascorbic Acid, Vitamin C ) in verschiedenen Schichten des Schichtsystems 1 verwendet .
Das Schichtsystem 1 einer Solarzelle mit Volumenheteroübergang (bulk hetero unction ) mit einer photoaktiven Schicht 5 mit dem Absorberl und einem dem Absorberl beigemischten Stabilisator Additiv bzw . einem in eine Fulleren-Schicht (Ceo ) 6 beigemischtem Stabilisator-Additiv hat dabei j eweils folgenden Aufbau für Proben ohne Stabilisator-Additiv :
Figure imgf000043_0001
mit Stabilisator-Additiv in der photoaktiven Schicht :
Figure imgf000044_0001
mit Stabilisator-Additiv in der photoaktiven Schicht und der
Fulleren-Schicht :
Figure imgf000044_0002
NDP9 : kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
NDN45 : kommerzieller n-Dotand der Novaled GmbH
NHT49 : kommerzieller Lochleiter der Novaled GmbH Absorberl :
Figure imgf000045_0001
Die Effizienz des photovoltaischen Elements nach 1160 h Alterung ist für die Schichtsysteme ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in Tabelle 4 zusammengefasst , j eweils mit dem Absorberl in der photoaktiven Schicht . Dabei befindet sich das Stabilisator-Additiv EA55 entweder nur in der photoaktiven Schicht (A) , oder sowohl in der photoaktiven Schicht (A) als auch in der Elektronen-
Transportschicht ( T ) .
Tabelle 4
Figure imgf000045_0002
Die Beimischung des Stabilisator-Additivs EA055 in die Absorberschicht oder in die Elektronenleitungsschicht ( ETL- Schicht ) Ceo führt zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz des photovoltaischen Elements nach Alterung .
Fig . 7 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Donor-Akzeptor-System mit einem Schichtsystem 1 aus Absorber4 : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , und mit dem Stabilisator- Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht (A) 5 eines Schichtsystems 1 (A) .
Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element . Die Kurzschlussstromdichte , der Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz wurden j eweils in einer zeitlichen Alterung über 1000 h bestimmt . Das Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs .
Der Aufbau des Schichtsystems 1 entspricht dem Aufbau gemäß Fig . 6 , wobei statt Absorber 1 der Absorber 4 eingesetzt wurde .
Absorber4 :
Figure imgf000046_0001
Die Beimischung des Stabilisator-Additivs EA055 in die Absorberschicht (A) führt zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz des photovoltaischen Elements nach Alterung .
Fig . 8 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Kurzschlussstromdichte , den Füllfaktor, die Leerlauf Spannung und die Effizienz organischer elektronischer Bauelemente mit einem Schichtsystem 1 mit einem Donor-Akzeptor-System aus Absorber3 : Ceo ohne Stabilisator-Additiv ( Referenz ) , mit dem Stabilisator-Additiv EA55 in einer photoaktiven Schicht (A) , und mit dem Stabilisator- Additiv EA55 in einer Fulleren-Schicht ( T ) eines Schichtsystems 1 .
Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein photovoltaisches Element . Die Kurzschlussstromdichte , der Füllfaktor , die Leerlauf Spannung und die Effizienz wurden j eweils in einer zeitlichen Alterung über 200 h bestimmt . Das Schichtsystems 1 unterscheidet sich nur in der Beimischung des Stabilisator-Additivs . Der Aufbau des Schichtsystems 1 entspricht dem Aufbau gemäß Fig.
6, wobei statt Absorber 1 der Absorber 3 eingesetzt wurde.
Absorber3 :
Figure imgf000047_0001
Die Beimischung des Stabilisator-Additivs EA055 in die Absorberschicht (A) oder in die Fulleren-Schicht Ceo ( ETL-Schicht ) (T) führt zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz des photovoltaischen Elements nach Alterung.
Fig. 9 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Leitfähigkeit einer Transportschicht mit unterschiedlichen Anteil eines Stabilisator- Additivs .
Die Leitfähigkeit von Ceo-Schichten mit jeweils 5%, 10% oder 20% des kommerziellen n-Dotanden NDN45 der Novaled GmbH wurde jeweils ohne und mit dem Stabilisator-Additiv EA55 (L-Ascorbic Acid, Vitamin C) in einem Anteil von 5 Gew.-% gemessen. Dabei zeigte eine n-Dotierung mit 5 Gew.-%, 10 Gew.-% und 20 Gew.-% mit NDN45 und mit einem zusätzlichen Stabilisator Additiv EA055 von weniger als 5 Gew.-% keinen signifikanten Unterschied zu entsprechenden Schichten ohne dem Stabilisator-Additiv EA055.
Die Leitfähigkeit nimmt in Abhängigkeit des Anteils der n- Dotierung mit dem Dotanden NDN45 linear zu. Dadurch wird gezeigt, dass die Beimengung des Stabilisator-Additivs zur Stabilisierung eine n-Schicht die Leitfähigkeit dieser Schicht nicht negativ beeinflusst .
Mittels Dotiertests wurde gezeigt, dass die Co-Verdampf ung eines Stabilisator-Additivs (L-Ascorbinsäure, EA055) als Beimischung zu einer Elektronentransportschicht n-ETL (hier: Ceo:NDN45) , die Dotierwirkung einer ETL-Schicht (Elektronenleitungsschicht) nicht negativ beeinflusst.

Claims

46 Patentansprüche
1 . Schichtsystem für ein organisches elektronisches Bauelement , mit einer ersten Elektrode , einer zweiten Elektrode , und mindestens einer photoaktiven Schicht und/oder mindestens einer Fulleren-Schicht , wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , dadurch gekennzeichnet , dass die mindestens eine photoaktive Schicht und/oder die mindestens eine Fulleren-Schicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweist , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000048_0001
mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mit mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 , und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000048_0002
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 47 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist , und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H , OH, Alkyl , und Alkoxy;
Figure imgf000049_0001
, mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, und/oder mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , wobei die sterische Alkylgruppe an der alpha-Position verzweigt ist ;
Figure imgf000049_0002
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen; 48
Figure imgf000050_0001
mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl, O-Alkyl, S- Alkyl, OH, und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5-Ring oder 6- Ring, wobei der 5-Ring oder 6-Ring bevorzugt weiter annelliert ist; und
Figure imgf000050_0002
vitamin C (EA55) , wobei der Anteil des mindestens einen Stabilisator-Additivs in der mindestens einen photoaktiven Schicht und/oder der mindestens einen Fulleren-Schicht 0,001 Gew.-% bis 30 Gew.-% beträgt, bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, oder bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Polyphenol der Gruppen RI, R2, R3 und/oder R5 mindestens eine sterische Alkylgruppe aufweist, und/oder mindestens ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI, R2 und/oder R3 mindestens zwei sterische Alkylgruppen aufweist, und/oder das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 einen aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5-Ring oder 6- Ring mit mindestens einer OH-Gruppe aufweist, bevorzugt mindestens zwei OH-Gruppen, wobei eine OH-Gruppe in beta-Position zu der Carbonylgruppe von A15 bis A18 R5 angeordnet ist , bevorzugt weist das Stabilisator-Additiv A15 bis A18 R5 ein Phenol , insbesondere bevorzugt ein Polyphenol auf .
3 . Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 Polyphenole sind, und/oder mindestens zwei RI , R2 , und/oder R3 des Stabilisator-Additivs Al bis A14 sterisch gehinderte Phenole sind, bevorzugt mindestens drei , und/oder mindestens eine OH-Gruppe eines Polyphenols der Gruppen RI , R2 , R3 und/oder R5 in beta-Position oder gamma-Position zu einer Carbonyl-Gruppe steht , und/oder mindestens ein Polyphenol oder ein sterisch gehindertes Phenol der Gruppen RI , R2 und/oder R3 des Stabilisator-Additivs mit einem weiteren Polyphenol oder sterisch gehinderten Phenol durch eine Alkylgruppe verbrückt ist .
4 . Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000051_0001
mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer, bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000052_0001
mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer, bevorzugt mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, und mit R4 unabhängig voneinander ausgewählt aus H und einer Alkylgruppe ;
Figure imgf000052_0002
(All ) mit mindestens zwei RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen, oder mindestens zwei sterisch gehinderten Phenolen mit mindestens einer sterischen Alkylgruppe , bevorzugt j eweils mit mindestens zwei sterischen Alkylgruppen, oder mit mindestens einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-
Gruppen und mindestens einem sterisch gehinderten Phenol mit mindestens einer , bevorzugt mindestens zwei sterischen
Alkylgruppen;
Figure imgf000052_0003
mit mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und mindestens einem RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe , bevorzugt mit mindestens einer Phenyl-Gruppe mit mindestens einer Alkylgruppe , bevorzugt mit mindestens zwei Alkylgruppen, wobei bevorzugt mindestens eine Alkylgruppe eine sterische Alkylgruppe ist , bevorzugt mit einem RI , R2 und/oder R3 einem Polyphenol mit mindestens zwei OH-Gruppen und zwei RI , R2 und/oder R3 einer substituierten oder nicht-substituierten Phenyl-Gruppe ;
Figure imgf000053_0001
(A17 ) mit R5 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkyl , O-Alkyl , und einem substituierten oder nicht-substituierten aromatischen homocyclischen oder heterocyclischen 5 -Ring oder 6-Ring mit mindestens einer OH-Gruppe , bevorzugt mit einer OH-Gruppe in beta- Position zur Carbonyl-Gruppe ; und
Figure imgf000053_0002
vitamin C .
5 . Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das sterisch gehinderte Phenol mindestens zwei sterische Alkylgruppen aufweist , wobei das sterisch gehinderte Phenol bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
Figure imgf000053_0003
tert-butylphenol ( DTB ) , und
Figure imgf000054_0001
tert-butyl-4-methyl -phenol (CH2 -DTB ) , wobei * die Verknüpfung zu einer der Strukturen Al bis A14 darstellt .
6 . Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus :
Figure imgf000054_0002
, 53
Figure imgf000055_0001
7 . Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Schicht eine Absorberschicht ist , wobei bevorzugt die mindestens eine photoaktive Schicht als Mischschicht oder aus zwei aneinandergrenzenden Schichten mit mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor ausgebildet ist , und der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor ein Donor-Akzeptor-System bilden, wobei bevorzugt der mindestens eine Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist , und wobei der mindestens eine Akzeptor ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren ist , und/oder das mindestens eine Stabilisator-Additiv ein Energieniveau aufweist , bei dem der Betrag des LUMO kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors ist , bevorzugt mindestens 0 , 3 eV kleiner dem Betrag des LUMO des Akzeptors , und der Betrag des HOMO größer dem Betrag des HOMO des Donors ist , bevorzugt mindestens 0 , 3 eV größer dem Betrag des HOMO des Donors .
8 . Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stabilisator-Additiv ausschließlich in der mindestens einen photoaktiven Schicht enthalten ist , oder das Schichtsystem mindestens eine Transportschicht aufweist , bevorzugt mindestens zwei 54
Transportschichten, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist , wobei die mindestens eine Transportschicht eine Lochleitungsschicht und/oder eine Elektronenleitungsschicht ist , und wobei die mindestens eine photoaktive Schicht und mindestens eine Transportschicht mindestens ein Stabilisator-Additiv aufweisen .
9 . Organisches elektronisches Bauelement mit einem Schichtsystem mit mindestens einem Stabilisator-Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei das mindestens eine Stabilisator-Additiv bevorzugt homogen in der photoaktiven Schicht und/oder der Fulleren-Schicht des Schichtsystems verteilt ist , und wobei das organische elektronische Bauelement bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element , ein OFET , oder ein organischer Fotodetektor ist .
10 . Verwendung eines Schichtsystems mit mindestens einem Stabilisator-Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem organischen elektronischen Bauelement , bevorzugt einem organischen photovoltaischen Element , einem OFET , oder einem organischen Fotodetektor .
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