DE10209789A1 - Solar cell comprising organic, inorganic and mixed layers, the mixed layer being doped with strong acceptor or donor affecting only one main constituent - Google Patents

Solar cell comprising organic, inorganic and mixed layers, the mixed layer being doped with strong acceptor or donor affecting only one main constituent

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Abstract

The mixed layer (3, 4, 5, 6) is doped with a strong acceptor or donor. Doping is selected to act essentially on only one of the two main materials.

Description

Die Erfindung betrifft ein photoaktives Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a photoactive component with organic layers, in particular a solar cell according to the preamble of claim 1.

Seit der Demonstration der ersten organischen Solarzelle durch Tang et al. 1986 [C. W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986)], werden organische Materialien derzeit intensiv für verschiedene elektronische und optoelektronische Bauelemente untersucht. Organische Solarzellen bestehen aus einer Reihenfolge dünner (typischerweise 1 nm bis 1 µm) Schichten aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder in ihrer polymeren Form aufgeschleudert werden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt in der Regel durch Metallschichten. Since the demonstration of the first organic solar cell by Tang et al. 1986 [CW Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48, 183 ( 1986 )], organic materials are currently being intensively investigated for various electronic and optoelectronic components. Organic solar cells consist of a sequence of thin (typically 1 nm to 1 µm) layers of organic materials, which are preferably evaporated in vacuo or spun in their polymeric form. The electrical contact is usually made through metal layers.

Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. A solar cell converts light energy into electrical energy.

Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluß beitragen. In contrast to inorganic solar cells, in organic solar cells the Light does not directly generate free charge carriers, but rather excitons are formed electrically neutral excitation states (bound electron-hole pairs). Only in one second step, these excitons are separated into free charge carriers, which are then used for contribute to electrical current flow.

Der Vorteil solcher Bauelemte auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2 × 105 cm-1), so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten der organischen Chemie. The advantage of such organic-based components over conventional inorganic-based components (semiconductors such as silicon, gallium arsenide) are the extremely high optical absorption coefficients (up to 2 × 10 5 cm -1 ), so that there is the possibility of using low material - and energy expenditure to produce very thin solar cells. Other technological aspects are the low costs, the possibility of producing flexible, large-area components on plastic films, and the almost unlimited variation possibilities of organic chemistry.

Eine Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle entspricht dem Aufbau einer pn- Diode:

  • 1. Träger, Substrat,
  • 2. Grundkontakt, meist transparent,
  • 3. n-Schicht(en) (bzw. p),
  • 4. p-Schicht(en) (bzw. n),
  • 5. Deckkontakt.
One possibility of realizing an organic solar cell corresponds to the construction of a pn diode:
  • 1. carrier, substrate,
  • 2. Basic contact, mostly transparent,
  • 3. n-layer (s) (or p),
  • 4. p-layer (s) (or n),
  • 5. Deck contact.

Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung. Zwischen den n- und p-Schichten können noch undotierte Schichten vorhanden sein. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der n-Schicht (bzw. p-Schicht) Exzitonen. Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In organischen Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle erfolgversprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an die Grenzfläche zwischen dem p- und dem n-Gebiet, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Im eingebauten elektrischen Feld der Solarzelle werden die Elektronen nun im n-Gebiet und die Löcher im p-Gebiet abtransportiert. Here, n or p means an n or p doping. Can between the n and p layers undoped layers are still present. Through the transparent basic contact incident light creates excitons in the n-layer (or p-layer). These excitons can only be separated by very high electrical fields or at suitable interfaces become. Sufficiently high fields are not available in organic solar cells, so that all promising concepts for organic solar cells on exciton separation based on photoactive interfaces. The excitons reach the by diffusion Interface between the p and n regions, where electrons and holes from each other be separated. The electrons are now in the built-in electric field of the solar cell in the n-area and the holes in the p-area.

Da durch das Licht immer erst Exzitonen erzeugt werden und noch keine freien Ladungsträger, spielt die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche eine kritische Rolle bei organischen Solarzellen. Since excitons are always generated by the light and no free charge carriers, the low recombination diffusion of excitons to the active interface plays a critical role Role in organic solar cells.

Aus US 5,093,698 ist die Dotierung organischer Materialien bekannt: Durch Beimischung einer akzeptorartigen bzw. donatorartigen Dotiersubstanz wird die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in der Schicht erhöht und die Leitfähigkeit gesteigert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien in elektrolumineszierenden Bauelementen verwendet. The doping of organic materials is known from US Pat. No. 5,093,698: by admixture an acceptor-type or donor-type dopant Equilibrium carrier concentration in the layer increases and the conductivity increased. According to US 5,093,698, the doped layers are used as injection layers on the Interface to the contact materials used in electroluminescent devices.

Weitere bekannte Ansätze zur Verbesserung der Eigenschaften von organischen Solarzellen sind:

  • 1. Ein Kontaktmetall hat eine große und das andere eine kleine Austrittsarbeit, so dass mit der organischen Schicht eine Schottky-Barriere ausgebildet wird [US 4127738].
  • 2. Anordnung einzelner Solarzellen übereinander (Tandemzelle) [US 04461922, US 06198091 und US 06198092].
  • 3. Die aktive Schicht besteht aus einem organischen Halbleiter in einem Gel oder Bindemittel [US 03844843, US 03900945, US 04175981 und US 04175982]
  • 4. Herstellung einer Transportschicht, die kleine Partikel (Größe 0.01-50 µm) enthält, welche den Ladungsträgertransport übernehmen [US 5965063].
  • 5. Eine Schicht enthält zwei oder mehr Arten von organischen Pigmenten, die verschiedene spektrale Charakteristiken besitzen [JP 04024970].
  • 6. Eine Schicht enthält ein Pigment, das die Ladungsträger erzeugt, und zusätzlich ein Material, das die Ladungsträger abtransportiert [JP 07142751].
  • 7. Polymerbasierende Solarzellen die Kohlenstoffteilchen als Elektronenakzeptoren enthalten [US 05986206]
Other known approaches to improve the properties of organic solar cells are:
  • 1. A contact metal has a large work function and the other a small work function, so that a Schottky barrier is formed with the organic layer [US 4127738].
  • 2. Arrangement of individual solar cells one above the other (tandem cell) [US 04461922, US 06198091 and US 06198092].
  • 3. The active layer consists of an organic semiconductor in a gel or binder [US 03844843, US 03900945, US 04175981 and US 04175982]
  • 4. Production of a transport layer which contains small particles (size 0.01-50 µm) which take over the charge carrier transport [US 5965063].
  • 5. A layer contains two or more types of organic pigments which have different spectral characteristics [JP 04024970].
  • 6. A layer contains a pigment that generates the charge carriers and additionally a material that transports the charge carriers away [JP 07142751].
  • 7. Polymer-based solar cells which contain carbon particles as electron acceptors [US 05986206]

Die Beimischungen in den Schichten in den Punkten 3.) bis 7.) sind nicht im Sinne einer elektrischen Dotierung. The admixtures in the layers in points 3. ) To 7.) are not in the sense of electrical doping.

Wie oben erläutert, müssen die Exzitonen an eine Grenzfläche gelangen, um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten. In einer guten organischen Solarzelle muss daher die Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Dementsprechend wurde der bisher höchste für eine organische Solarzelle erzielte Wirkungsgrad (4,5%) auch mit einem monokristallinen organischen Material erzielt [J. H. Schön, C. Kloc, E. Bucher, B. Batlogg, Nature, 403, 408 (2000)]. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig. As explained above, the excitons have to reach an interface in order to contribute to the photocurrent. In a good organic solar cell, the exciton diffusion length must therefore clearly exceed the typical penetration depth of the light so that the majority of the light can be used. Structurally and in terms of chemical purity, perfect organic crystals or thin layers certainly meet this criterion. Accordingly, the highest efficiency achieved to date for an organic solar cell (4.5%) was also achieved with a monocrystalline organic material [JH Schön, C. Kloc, E. Bucher, B. Batlogg, Nature, 403, 408 ( 2000 )]. For large-area applications, however, the use of monocrystalline organic materials is not possible and the production of multiple layers with sufficient structural perfection has so far been very difficult.

Statt die Exzitonendiffusionslänge zu vergrößern, kann man auch den mittleren Abstand bis zur nächsten Grenzfläche verkleinern. Aus WO 00/33396 ist die Bildung eines sogenannten interpenetrierenden Netzwerkes bekannt: Eine Schicht enthält eine kolloidal gelöste Substanz, die so verteilt ist, dass sich ein Netzwerk bildet, über das Ladungsträger fließen können (Perkolationsmechanismus). Die Aufgabe der Lichtabsorption übernimmt in einem solchen Netzwerk entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der Vorteil dieser Mischschicht ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in der gelösten Substanz bzw. in der übrigen Schicht. Instead of increasing the exciton diffusion length, you can also use the mean distance up to reduce the next interface. From WO 00/33396 the formation of a so-called interpenetrating network known: one layer contains a colloidally dissolved substance, which is distributed in such a way that a network forms over which charge carriers can flow (Percolation). The task of light absorption takes over in such Network either only one of the components or both. The advantage of this The mixed layer is that the excitons generated only have to travel a very short distance until they reach a domain boundary where they are separated. The removal of the Electrons or holes occur separately in the dissolved substance or in the rest of the layer.

Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen. Mit diesem Ansatz konnten Wirkungsgrade von 2,5% erreicht werden [C. J. Brabec, N. 5. Sariciftci, J. C. Hummelen, Advanced Functional Materials 11, 15 (2001)]. Since the materials in the mixed layer are in contact with each other everywhere, it is crucial with this concept that the separated charges have a long service life on the respective material. With this approach, efficiencies of 2.5% could be achieved [CJ Brabec, N. 5. Sariciftci, JC Hummelen, Advanced Functional Materials 11, 15 ( 2001 )].

Der kritische Punkt bei interpenetrierenden Netzwerken besteht darin, dass in der Mischschicht geschlossene Transportpfade für sowohl Elektronen als auch Löcher zu ihren jeweiligen Kontakten vorhanden sein müssen. Da außerdem die einzelnen Materialien jeweils nur einen Teil der Mischschicht ausfüllen, verschlechtern sich die Transporteigenschaften für die Ladungsträger im Vergleich zu den reinen Schichten deutlich. The critical point with interpenetrating networks is that in the mixed layer closed transport paths for both electrons and holes to their respective Contacts must be present. Since the individual materials also only have one Filling part of the mixed layer, the transport properties for the deteriorate Charge carriers clearly compared to the pure layers.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein photoaktives Bauelement auf der Basis eines interpenetrierenden Netzwerkes anzugeben, das verbesserte Transporteigenschaften für die Ladungsträger aufweist. The object of the invention is to provide a photoactive component based on a Interpenetrating network to indicate the improved transport properties for the Has charge carriers.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass die Mischschicht, die ein interpenetrierende Netzwerk bildet, durch eine geringe Beimischung einer dritten Komponente, nämlich eines starken Akzeptors oder Donors, dotiert ist, wobei die Dotierung so gewählt wird, dass sie sich nur auf eine der beiden Hauptmaterialien auswirkt. According to the invention the object is in connection with that in the preamble of claim 1 Features mentioned solved in that the mixed layer, which is an interpenetrating Network forms a small addition of a third component, namely one strong acceptor or donor, is doped, the doping being chosen so that it is only affects one of the two main materials.

In einem derart dotierten Material wird eine erhöhte Konzentration einer Ladungsträgersorte schon im thermischen Gleichgewicht erreicht. Erfindungsgemäß erfolgt der Abtransport der photogenerierten Ladungsträger wie folgt: Das dotierte Material sorgt für einen effizienten Transport der Majoritätsladungsträger. Das undotierte Material sorgt für den Transport der Minoritätsladungsträger. In such a doped material there is an increased concentration of a charge carrier type already reached in thermal equilibrium. According to the removal of the photogenerated charge carriers as follows: the doped material ensures efficient Transport of the majority load carriers. The undoped material ensures the transport of the Minority carriers.

Der Vorteil gegenüber einem undotierten Netzwerk besteht darin, dass im dotierten Material die Transporteigenschaften für die Majoritätsladungsträger wesentlich besser sind. Damit kann das Mischungsverhältnis der beiden Hauptmaterialien zu Gunsten des undotierten Materials verschoben werden. Dieses füllt nun einen größeren Teil der Mischschicht aus, womit sich auch für die Minoritätsladungsträger die Transporteigenschaften verbessern. The advantage over an undoped network is that in the doped material the transport properties for the majority load carriers are much better. So that can the mixing ratio of the two main materials in favor of the undoped material be moved. This now fills a larger part of the mixed layer, with which also improve the transport properties for the minority load carriers.

So kann durch die richtige Wahl der Dotierungskonzentration und des Mischungsverhältnisses der beiden Hauptmaterialien eine deutliche Steigerung der Transporteigenschaften für beide Ladungsträger erreicht werden. The correct choice of the doping concentration and the mixing ratio can help of the two main materials a significant increase in transport properties for both Load carriers can be reached.

Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen organischen Solarzelle beinhaltet folgende Schichten (siehe Bild 1): 0 Träger, Substrat,
1 Grundkontakt, meist transparent,
2 Ladungsträgertransportschicht,
3 erste Mischschicht, dotiert
4 erste Mischschicht, undotiert
5 zweite Mischschicht, undotiert
6 zweite Mischschicht, dotiert
7 Ladungsträgertransportschicht,
8 Deckkontakt.

An advantageous embodiment of a structure of an organic solar cell according to the invention includes the following layers (see Figure 1): support, substrate,
1 basic contact, mostly transparent,
2 charge carrier transport layer,
3 first mixed layer, doped
4 first mixed layer, undoped
5 second mixed layer, undoped
6 second mixed layer, doped
7 charge carrier transport layer,
8 deck contact.

Demgemäß besteht das Bauelement vorteilhaft aus zwei organischen Ladungsträgertransportschichten (2 und 7), Kontaktschichten (1 und 8) und einem zwischen der organischen Schicht (2) und der organischen Schicht (7) befindlichen Schichtsystem (3, 4, 5, 6), in welchem das Licht absorbiert wird. Die Schichten 3 und 6 sind p bzw. n-dotiert, die Schichten 4 und 5 sind undotiert oder wesentlich sehr schwach p- bzw. n-dotiert. Die Schichten 3, 4, 5 und 6 sind entweder einkomponentig (abgesehen von der Dotierung) oder es handelt sich um Mischschichten aus zwei Komponenten. Die Materialien sind so gewählt, dass Exzitonen an den internen Phasengrenzen in der Mischschicht zwischen den beiden Materialien effizient in freie Ladungsträger getrennt werden. Accordingly, the component advantageously consists of two organic charge carrier transport layers ( 2 and 7 ), contact layers ( 1 and 8 ) and a layer system ( 3 , 4 , 5 , 6 ) located between the organic layer ( 2 ) and the organic layer ( 7 ) which the light is absorbed. Layers 3 and 6 are p or n-doped, layers 4 and 5 are undoped or essentially very weakly p- or n-doped. The layers 3 , 4 , 5 and 6 are either one component (apart from the doping) or they are mixed layers of two components. The materials are selected so that excitons at the internal phase boundaries in the mixed layer between the two materials are efficiently separated into free charge carriers.

Die Ladungsträgertransportschichten 2 bzw. 7 sind nicht photoaktiv und können dotiert oder undotiert sein. Die Art der Dotierung (p oder n) ist dabei identisch zur jeweils angrenzenden dotierten Mischschicht. Jede Ladungsträgertransportschicht sorgt für den effizienten Abtransport einer Ladungsträgersorte. Außerdem trennen sie die Mischschichten von den Kontakten und verhindern damit, dass die Exzitonen in den Mischschichten an den Kontakten rekombinieren. The charge carrier transport layers 2 and 7 are not photoactive and can be doped or undoped. The type of doping (p or n) is identical to the adjacent doped mixed layer. Each load carrier transport layer ensures the efficient removal of a load carrier type. They also separate the mixed layers from the contacts and thus prevent the excitons in the mixed layers from recombining at the contacts.

Auf die beiden undotierten Mischschichten 4 und 5 kann ggf. verzichtet werden. In den Mischschichten können beide Hauptmaterialien oder nur eine das Licht absorbieren. Die Idee der obigen Struktur besteht darin, statt einer n-Einzelschicht und einer p-Einzelschicht (vgl. die weiter oben angegebene einfache Struktur einer organischen Solarzelle) eine n-Mischschicht und eine p-Mischschicht zu verwenden. Jede der beiden Mischschichten ist photoaktiv, d. h. in jeder Mischschicht werden Exzitonen erzeugt, die Exzitonen werden an den internen Phasengrenzen getrennt und Elektronen bzw. Löcher werden in entgegengesetzte Richtungen abtransportiert: The two undoped mixed layers 4 and 5 can optionally be dispensed with. Both main materials or only one can absorb the light in the mixed layers. The idea of the above structure is to use an n-mixed layer and a p-mixed layer instead of an n-single layer and a p-single layer (cf. the simple structure of an organic solar cell given above). Each of the two mixed layers is photoactive, ie excitons are generated in each mixed layer, the excitons are separated at the internal phase boundaries and electrons or holes are transported away in opposite directions:

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise sei im folgenden angenommen, dass die erste Mischschicht n-dotiert ist. Zur besseren Übersicht sei ebenfalls angenommen, dass die beiden undotierten Mischschichten 4 und 5 fehlen. Durch das Licht soll nun in dem undotierten Material der ersten Mischschicht ein Eiton erzeugt worden sein. Das Exziton diffundiert in diesem Material, bis es an eine Domänengrenze zum undotierten Material gelangt. Hier wird es getrennt, wobei das Loch im undotierten Material verbleibt und das Elektron in das dotierte hinüberwechselt. Das Elektron wandert anschließend im dotierten Material zur anliegenden Ladungsträgertransportschicht, von der es zum Kontakt abtransportiert wird. Das Loch bewegt sich im undotierten Material bis an die Grenzfläche zur zweiten Mischschicht. Hier wird es vom p-dotierten Hauptmaterial der zweiten Mischschicht übernommen und durch die zweite Mischschicht transportiert. Am Ende sorgt die zweite Ladungsträgertransportschicht für den Transport des Loches zum Kontakt. To illustrate the mode of operation, it is assumed below that the first mixed layer is n-doped. For a better overview, it is also assumed that the two undoped mixed layers 4 and 5 are missing. An egg is said to have been generated in the undoped material of the first mixed layer by the light. The exciton diffuses in this material until it reaches the undoped material at a domain boundary. Here it is separated, whereby the hole remains in the undoped material and the electron changes into the doped one. The electron then migrates in the doped material to the adjacent charge carrier transport layer, from which it is transported away for contact. The hole in the undoped material moves to the interface with the second mixed layer. Here it is taken over by the p-doped main material of the second mixed layer and transported through the second mixed layer. In the end, the second charge carrier transport layer takes care of the transport of the hole to the contact.

Der Abtransport der in der p-Mischschicht erzeugten Ladungsträger verläuft entsprechend. The transport of the charge carriers generated in the p-mixed layer proceeds accordingly.

Die Funktionsweise des Bauelementes wird nachfolgend an Hand eines Energieschemas noch näher erläutert. Bild 2 zeigt die HOMO (highest occupied molecular orbital) und LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) Niveaus der Schichten 3 bis 6. Die Reihenfolge von links nach rechts ist p-dotierte Mischschicht 3, undotierte Mischschicht 4, undotierte Mischschicht 5 und n-dotierte Mischschicht 6. In den einzelnen Mischschichten stellen die durchgezogenen Linien die Niveaus des einen Materials und die gestrichelten Linien die Niveaus des anderen Materials dar. Durch das Licht soll nun wiederum in einem Material der zweiten Mischschicht ein Exziton erzeugt worden sein. Dieses Material ist durch die durchgezogenen Linien gekennzeichnet. Das Loch verbleibt im Material, während das Elektron in das andere hinüberwechselt (gezeigte Situation in Bild 2). Ein Wechsel ist möglich, da das Elektron in dem anderen Material einen Zustand geringerer Energie einnimmt. Die Energieniveaus der beteiligten Materialien sind nun so gewählt, dass das Loch in die Mischschicht 1 wandern kann. Im Idealfall stoßen hier die Energieniveaus direkt aneinander. The mode of operation of the component is explained in more detail below using an energy scheme. Figure 2 shows the HOMO (highest occupied molecular orbital) and LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) levels of layers 3 to 6 . The order from left to right is p-doped mixed layer 3 , undoped mixed layer 4 , undoped mixed layer 5 and n-doped mixed layer 6 . In the individual mixed layers, the solid lines represent the levels of one material and the dashed lines represent the levels of the other material. The light is now said to have produced an exciton in a material of the second mixed layer. This material is characterized by the solid lines. The hole remains in the material while the electron changes over to the other (situation shown in Figure 2). A change is possible because the electron takes on a state of lower energy in the other material. The energy levels of the materials involved are now selected so that the hole can migrate into the mixed layer 1 . Ideally, the energy levels meet here directly.

Erfindungsgemäß wird die Dotierung so gewählt, dass sie sich nur auf eine der beiden Hauptmaterialien in der Mischschicht auswirkt. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn das eine Material in polykristalliner Form und das andere in amorpher Form vorliegt. Der Dotand befindet sich vorwiegend im amorphen Bereich, so dass durch die räumliche Trennung gewährleistet ist, dass sich der Dotand nur auf die amorphe Komponente auswirkt. According to the invention, the doping is chosen so that it only affects one of the two Main materials in the mixed layer affects. For this it is advantageous if one Material in polycrystalline form and the other in amorphous form. The Dotand is mainly in the amorphous area, so that due to the spatial separation it is guaranteed that the dopant only affects the amorphous component.

Im Falle molekularer organischer Systeme liegen die molaren Dotierungskonzentrationen typischerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 10000. Falls die Dotanden wesentlich kleiner sind als die Matrixmoleküle, können in Ausnahmefällen auch mehr Dotanden als Matrixmoleküle in der Schicht sein (bis 5 : 1). Die Dotanden können organisch oder anorganisch sein. In the case of molecular organic systems, the molar doping concentrations are typically in the range from 1:10 to 1: 10,000. If the dopants are significantly smaller than the matrix molecules can, in exceptional cases, more dopants than matrix molecules in the Be shift (up to 5: 1). The dopants can be organic or inorganic.

Vorzugsweise haben die Domänen in den Mischschichten eine Größe von 1 nm bis 1 µm. The domains in the mixed layers preferably have a size of 1 nm to 1 μm.

Es ist auch im Sinne der Erfindung, wenn eine der beiden als Mischschichten bezeichneten Schichten nur aus einem Hauptmaterial besteht oder eine Mischschicht ganz fehlt. Auch können eine oder beide Ladungsträgertransportschichten 2 bzw. 7 fehlen. It is also within the scope of the invention if one of the two layers referred to as mixed layers consists only of one main material or if a mixed layer is completely absent. One or both charge carrier transport layers 2 and 7 may also be missing.

Die Mischschichten 3 bis 6 können aus denselben Hauptmaterialien bestehen und sich nur durch ihre Dotierung und evtl. durch das Materialmischungsverhältnis unterscheiden. The mixed layers 3 to 6 can consist of the same main materials and differ only in their doping and possibly in the material mixing ratio.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichten 3 und 4 aus einem Material bzw. einer Materialmischung und die Schichten 5 und 6 aus einem anderen Material bzw. einer anderen Materialmischung bestehen. Hierbei können sich die Schichten 3 und 4 bzw. 5 und 6 untereinander durch ihre Dotierung und evtl. durch das Materialmischungsverhältnis unterscheiden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schichten 3 und 4 in einem anderen Wellenlängenbereich absorbieren als die Schichten 5 und 6, so dass das Sonnenspektrum möglichst vollständig genutzt werden kann. A preferred embodiment of the component according to the invention is characterized in that the layers 3 and 4 consist of one material or a material mixture and the layers 5 and 6 consist of another material or a different material mixture. The layers 3 and 4 or 5 and 6 can differ from one another in their doping and possibly in the material mixing ratio. It is particularly advantageous if the layers 3 and 4 absorb in a different wavelength range than the layers 5 and 6 , so that the solar spectrum can be used as completely as possible.

Insbesondere ist es zweckmäßig, dass eine der Mischschichten aus einer Mischung eines Phthalozyaninkomplexes (Pc) und dem Fulleren C60 besteht, wobei das Phthalozyanin z. B. durch den starken organischen Akzeptor Tetra-fluoro-tetracyanochino-dimethan (F4-TCNQ) dotiert wird. In particular, it is advantageous that one of the mixed layers consists of a mixture of a phthalocyanine complex (Pc) and the fullerene C 60 , the phthalocyanine being e.g. B. is doped by the strong organic acceptor tetra-fluoro-tetracyanochino-dimethane (F 4 -TCNQ).

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Mischschicht aus vier Materialien besteht, d. h. aus zwei Hauptmaterialien und zwei Dotanden. Die beiden Dotanden sind ein starker Akzeptor und ein starker Donator. Erfindungsgemäß wirkt sich jeder Dotand nur auf eine der beiden Hauptmaterialien aus, so dass die Mischschicht aus einem n-dotierten Anteil und einem p-dotierten Anteil besteht. Insbesondere ist es zweckmäßig, dass ein vollständiger Ladungsübertrag von jedem Dotanden auf genau eines der Hauptmaterialien stattfindet. Diese energetisch bevorzugte Situation bewirkt, dass sich die Dotanden vornehmlich bei diesem Hauptmaterial ansammeln und sich somit auch nur auf diese auswirken. Another advantageous embodiment of the component is characterized in that at least one mixed layer consists of four materials, d. H. from two main materials and two dopants. The two dopants are a strong acceptor and a strong donor. According to the invention, each dopant affects only one of the two main materials that the mixed layer consists of an n-doped portion and a p-doped portion. In particular, it is expedient for a complete charge transfer from each dopant on exactly one of the main materials. This energetically preferred situation causes the dopants to collect and accumulate primarily in this main material thus only affect this.

Durch die doppelte Dotierung werden die Transporteigenschaften für beide Ladungsträgersorten direkt erheblich verbessert. Bezeichnungsliste 0 Substrat
1 Kontakt
2 Ladungsträgertransportschicht
3 erste Mischschicht, dotiert
4 erste Mischschicht, undotiert
5 zweite Mischschicht, undotiert
6 zweite Mischschicht, dotiert
7 Ladungsträgertransportschicht,
8 Kontakt.
EF Ferminiveau
Ee Transportniveau der Elektronen
Eh Transportniveau der Löcher
The double doping directly improves the transport properties for both types of charge. List of designations 0 substrate
1 contact
2 charge carrier transport layer
3 first mixed layer, doped
4 first mixed layer, undoped
5 second mixed layer, undoped
6 second mixed layer, doped
7 charge carrier transport layer,
8 contact.
E F Fermi level
E e transport level of the electrons
E h transport level of the holes

Claims (28)

1. Photoaktives Bauelement, insbesondere eine Solarzelle, bestehend aus organischen Schichten und ggf. vorhandenen anorganischen Schichten und mindestens einer Mischschicht aus wenigstens zwei Hauptkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischschicht durch eine geringe Beimischung einer dritten Komponente, nämlich eines starken Akzeptors oder Donors, dotiert ist, wobei die Dotierung so gewählt wird, dass sie sich im wesentlichen nur auf eine der beiden Hauptmaterialien auswirkt. 1. Photoactive component, in particular a solar cell, consisting of organic layers and any inorganic layers present and at least one mixed layer of at least two main components, characterized in that the mixed layer is doped by a slight addition of a third component, namely a strong acceptor or donor is, wherein the doping is chosen so that it essentially affects only one of the two main materials. 2. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hauptkomponenten so gewählt sind, dass Exzitonen an den internen Phasengrenzen zwischen diesen beiden Hauptkomponenten in freie Ladungsträger getrennt werden und dass die Mischschicht des weiteren mindestens einen Dotanden enthält, wobei durch die Dotierung die Konzentration der Ladungsträger in mindestens einer der Hauptkomponenten erhöht wird. 2. Photoactive component according to claim 1, characterized in that at least two main components are chosen so that excitons at the internal phase boundaries be separated into free charge carriers between these two main components and that the mixed layer further contains at least one dopant, with the Doping the concentration of the charge carriers in at least one of the Main components is increased. 3. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement aus zwei organischen Ladungsträgertransportschichten (2 und 7), Kontaktschichten (1 und 8) und einem zwischen der organischen Schicht (2) und der organischen Schicht (7) befindlichen Schichtsystem (3, 4, 5, 6) besteht, in welchem das Licht absorbiert wird. 3. photoactive device according to claim 1 or 2, characterized in that the component of two organic charge carrier transport layers (2 and 7), contact layers (1 and 8) and a layer system located between the organic layer (2) and the organic layer (7) ( 3 , 4 , 5 , 6 ) in which the light is absorbed. 4. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für eine der beiden oder beide Ladungsträgertransportschichten (2 und 7) jeweils ein Material mit großer optischer Bandlücke vorgesehen ist. 4. Photoactive component according to one of claims 1 to 3, characterized in that a material with a large optical band gap is provided for one of the two or both charge carrier transport layers ( 2 and 7 ). 5. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Ladungsträgertransportschichten (2 oder 7) fehlen. 5. Photoactive component according to one of claims 1 to 4, characterized in that one or both charge carrier transport layers ( 2 or 7 ) are missing. 6. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine der beiden dotierten photoaktiven Schichten (3 oder 6) fehlt. 6. Photoactive component according to one of claims 1 to 5, in which one of the two doped photoactive layers ( 3 or 6 ) is missing. 7. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (3, 4, 5, 6) aus demselben Material bzw. derselben Materialmischung bestehen und sich die Schichten nur durch ihre Dotierung und ggf. durch das Materialmischungsverhältnis unterscheiden. 7. Photoactive component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the layers ( 3 , 4 , 5 , 6 ) consist of the same material or the same material mixture and the layers differ only in their doping and possibly in the material mixture ratio , 8. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Mischungsverhältnis die Schichten (4 und 5) eine Schicht bilden. 8. Photoactive component according to claim 7, characterized in that the layers ( 4 and 5 ) form a layer at a constant mixing ratio. 9. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (3 und 4) aus einem Material oder einer Materialmischung und die Schichten (5 und 6) aus einem anderen Material bzw. einer Materialmischung bestehen, wobei sich die Schichten (3 und 4) oder (5 und 6) untereinander durch ihre Dotierung und ggf. durch das Materialmischungsverhältnis unterscheiden. 9. Photoactive component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the layers ( 3 and 4 ) consist of one material or a material mixture and the layers ( 5 and 6 ) consist of another material or a material mixture, the Differentiate layers ( 3 and 4 ) or ( 5 and 6 ) from each other by their doping and, if necessary, by the material mixture ratio. 10. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schichten (3 und 4) oder (5 und 6) untereinander durch ihre Dotierung und durch ihr Grundmaterial und/oder ihre Materialmischung unterscheiden. 10. Photoactive component according to one of claims 1 to 9, characterized in that the layers ( 3 and 4 ) or ( 5 and 6 ) differ from one another by their doping and by their base material and / or their material mixture. 11. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Mischschicht beide Hauptmaterialien sichtbares Licht absorbieren. 11. Photoactive component according to one of claims 1 to 10, characterized in that that in at least one mixed layer both main materials are visible light absorb. 12. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichten (3 und 4) die schwach akzeptorartige Komponente sichtbares Licht absorbiert und die schwach donorartige Komponente eine große optische Bandlücke hat und die Verhältnisse in den Schichten (5 und 6) so gewählt sind, dass die schwach donorartige Komponente sichtbares Licht absorbiert und die schwach akzeptorartige Komponente eine große optische Bandlücke aufweist. 12. Photoactive component according to one of claims 1 to 11, characterized in that in the layers ( 3 and 4 ) the weakly acceptor-like component absorbs visible light and the weakly donor-like component has a large optical band gap and the ratios in the layers ( 5 and 6 ) are selected so that the weakly donor-like component absorbs visible light and the weakly acceptor-like component has a large optical band gap. 13. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichten (5 und 6) die schwach akzeptorartige Komponente sichtbares Licht absorbiert und die schwach donorartige Komponente eine große optische Bandlücke hat und die Verhältnisse in den Schichten (3 und 4) die Verhältnisse so gewählt sind, dass die schwach donorartige Komponente sichtbares Licht absorbiert und die schwach akzeptorartige Komponente eine große optische Bandlücke aufweist. 13. Photoactive component according to one of claims 1 to 12, characterized in that in the layers ( 5 and 6 ) the weakly acceptor-like component absorbs visible light and the weakly donor-like component has a large optical band gap and the ratios in the layers ( 3 and 4 ) the ratios are chosen so that the weakly donor-like component absorbs visible light and the weakly acceptor-like component has a large optical band gap. 14. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichten (3 und 4) oder (5 und 6) die eine Komponente in polykristalliner Form und die andere in amorpher Form vorliegt. 14. Photoactive component according to one of claims 1 to 13, characterized in that in the layers ( 3 and 4 ) or ( 5 and 6 ) one component is in polycrystalline form and the other in amorphous form. 15. Photoaktives Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotand sich vorwiegend im amorphen Bereich befindet, so dass durch die räumliche Trennung gewährleistet ist, dass sich der Dotand nur auf die amorphe Komponente auswirkt. 15. Photoactive component according to claim 14, characterized in that the dopant is mainly in the amorphous area, so that due to the spatial separation it is guaranteed that the dopant only affects the amorphous component. 16. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden oder beide undotierte Schichten 4 bzw. 5 fehlen. 16. Photoactive component according to one of claims 1 to 15, characterized in that one of the two or both undoped layers 4 and 5 are missing. 17. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Ladungsträgertransportschichten (2 und 7) aus dotierten organischen Materialien bestehen. 17. Photoactive component according to one of claims 1 to 16, characterized in that charge carrier transport layers ( 2 and 7 ) consist of doped organic materials. 18. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsdichte in einer oder mehreren der Schichten (2, 3, 6 und 7) einen Gradient aufweist, wobei die Dotierungsdichte in Richtung der undotierten Mischschichten (4 oder 5) sinkt. 18. Photoactive component according to one of claims 1 to 17, characterized in that the doping density in one or more of the layers ( 2 , 3 , 6 and 7 ) has a gradient, the doping density in the direction of the undoped mixed layers ( 4 or 5 ) sinks. 19. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis in einer oder mehreren der Schichten (3, 4, 5 oder 6) einen Gradienten aufweist. 19. Photoactive component according to one of claims 1 to 18, characterized in that the mixing ratio in one or more of the layers ( 3 , 4 , 5 or 6 ) has a gradient. 20. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO oder ZnO:Al oder einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT:PSS bestehen. 20. Photoactive component according to one of claims 1 to 19, characterized in that the contacts made of metal, a conductive oxide, especially ITO or ZnO: Al or a conductive polymer, in particular PEDOT: PSS. 21. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten in den Mischschichten (3, 4, 5 und 6) aus organischen Materialien bestehen. 21. Photoactive component according to one of claims 1 to 20, characterized in that the components in the mixed layers ( 3 , 4 , 5 and 6 ) consist of organic materials. 22. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dotand ein anorganisches Material, insbesondere ein Alkalimetall ist. 22. Photoactive component according to one of claims 1 to 21, characterized in that at least one dopant is an inorganic material, in particular an alkali metal. 23. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anteil in der Mischschicht (3, 4, 5, 6) ganz oder teilweise aus anorganischen Materialien besteht. 23. Photoactive component according to one of claims 1 to 22, characterized in that at least a portion in the mixed layer ( 3 , 4 , 5 , 6 ) consists entirely or partially of inorganic materials. 24. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischschicht (3, 4, 5, 6) Fullerene, substituierte Fullerene oder Fulleren- Derivate enthalten sind. 24. Photoactive component according to one of claims 1 to 23, characterized in that fullerenes, substituted fullerenes or fullerene derivatives are contained in the mixed layer ( 3 , 4 , 5 , 6 ). 25. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Mischschichten (3, 4, 5, 6) eine Mischung aus einem Phthalozyanin und einem Fulleren ist. 25. Photoactive component according to one of claims 1 to 24, characterized in that one of the mixed layers ( 3 , 4 , 5 , 6 ) is a mixture of a phthalocyanine and a fullerene. 26. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Phthalozyanin durch den organischen Akzeptor Tetra-fluoro-tetracyanochinodimethan (F4-TCNQ) dotiert ist. 26. Photoactive component according to one of claims 1 to 25, characterized in that the phthalocyanine is doped by the organic acceptor tetra-fluoro-tetracyanoquinodimethane (F 4 -TCNQ). 27. Photoaktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mischschicht aus zwei Hauptmaterialien und zwei Dotanden besteht. 27. Photoactive component according to one of claims 1 to 26, characterized in that at least one mixed layer of two main materials and two dopants consists. 28. Verwendung eines photoaktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 26 als Solarzelle. 28. Use of a photoactive component according to one of claims 1 to 26 as Solar cell.
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