METALLOXIDSCHICHT

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen einer metallischen Elektrode über einer Funktionsschicht, aus welcher Elektronen extrahierbar oder in welche Elektronen injizierbar sind. Bei der Funktionsschicht kann es sich beispielsweise um eine photoaktive Polymerschicht für die Herstellung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von Polymer-Solarzellen handeln.

Die Produktion von Solarzellen aus einer Lösung, beispielsweise von Polymer-Solarzellen, erfordert das Aufbringen eines Ladungsträger-sammelnden Rückkontaktes. Stand der Technik sind hier thermische Sublimation oder Sputterdeposition im Vakuum. Die Verwendung von Vakuumprozessen bedingt jedoch hohe Installationskosten der Produktionsanlage, hohe Produktionskosten und einen geringen Durchsatz von Halbzeug verglichen mit zum Beispiel Druckmaschinen. Die vorliegende Erfindung beschreibt die Aufbringung eines anorganischen Rückkontaktes mit Hilfe von reinen Druckprozessen bzw. Beschichtungsprozessen von Flüssigkeiten.

Stand der Technik ist die Verwendung von thermischen Sublimations- und Sputterdepositionsprozessen in der Vakuumkammer. Es sind bereits auch erste Lösungen mit organischen semitransparenten Elektroden in der US 6,083,635 A und diese Elektroden auch in Verbindung mit Stromableitgittern aus Silberleitpaste in der

WO 2004/051756 A2 gezeigt. Mit diesen bekannten Lösungen lassen sich aufgrund der hohen Austrittsarbeit der verwendeten Materialien, beispielsweise PEDOT: PSS, Handelsname „Baytron" bzw. „Clevios" der Firma H. C. Starck jedoch nur Anodenkontakte, beispielsweise Kontakte zur Lochinjektion bei einer OLED oder Lochextraktion in einer Solarzelle realisieren. Derzeit sind keine Lösungen zur rein drucktechnischen oder anderweitig aus der Lösung prozessierten Aufbringung von Kathodenkontakten, beispielsweise Kontakte zur Elektroneninjektion bei einer OLED und Elektronenextraktion in einer Solarzelle bekannt. Diese Kontakte erfordern je nach Anwendung eine relativ geringe Austrittsarbeit (2,5 bis 4,5 eV, ) , welche nur von relativ unedlen Metallen, die mit Vakuumdepositionsprozessen aufgebracht werden, gewährleistet wird. Die drucktechnische oder aus der Lösung prozessierte Aufbringung von Anodenkontakten - wie bereits oben erwähnt - erfordert weiterhin das Aufbringen einer Kathode auf ein geeignetes

Trägersubstrat. Hierzu wurden bisher keine anderen Lösungen als die Vakuumdeposition von Metallen realisiert, außer bei einer aus der US 2005/019976 Al bekannten Lösung, welche das Aufbringen einer Elektrode aus einer flüssiger Phase im Rahmen eines Elektro-Depositionsprozesses vorsieht. Diese

Elektroden bestehen jedoch aus Metallen geringer Austrittsarbeit und sind somit relativ instabil. Auch ist der Prozess schwierig auf ein Roll-to-Roll-Verfahren aufskalierbar . Ein weiterer Nachteil der organischen Elektroden liegt in der Degradation unter UV-Licht, sowie der Wasserempfindlichkeit aufgrund hygroskopischer Einflüsse.

Die WO 2007/029750 Al zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines organischen dünnfilmigen photoelektrischen Wandlers unter atmosphärischen Bedingungen. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht aus Titan (IV) -oxid in einem Nassverfahren gebildet . In der WO 2007/040601 Al und in der WO 2007/079500 A2 wird die Realisierung einer Titanoxid-Schicht mithilfe von Sol-Gel-Verfahren gezeigt.

Die US 2007/0166872 Al zeigt ein Verfahren zum Aufbringen einer Elektrode aus einem Halbleiteroxid.

Die EP 1 622 212 A2 zeigt das Beschichten einer nanstrukturierten Elektrode.

Die EP 1 670 298 Al zeigt die Aufbringung von Leiterbahnen auf einen Promotor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Verfahren zum Anordnen einer metallischen Elektrode über einer Funktionsschicht, insbesondere über einer photoaktiven Polymerschicht einer Solarzelle bereitzustellen, mit dem der Einsatz von Vakuumtechnik vermieden werden kann, sodass eine Optimierung des Herstellungs- und Installationsprozesses realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Anordnen einer metallischen Elektrode über bzw. unter einer Funktions- Schicht, aus welcher Elektronen extrahierbar oder in welche

Elektronen injizierbar sind. Bei der Funktionsschicht handelt es sich beispielsweise um die photoaktive Schicht eine Solarzelle oder um eine organische Schicht einer organischen - A -

LED. Die Funktionsschicht besteht bevorzugt aus einem Polymer, wie z. B. Polythiophen, wobei in dem Polymer auch weitere Moleküle enthalten sein können. Alternativ kann die Funktionsschicht auch aus einem anderen Stoff, beispielsweise einen anorganischen Stoff bestehen. Die Elektrode, insbesondere eine Kathode dient dazu, die aus der Funktionsschicht extrahierten Elektronen zu sammeln bzw. Elektronen in die Funktionsschicht zu injizieren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Elektrode in einen wirksamen Kontakt mit der Funktionsschicht gebracht, sodass sich die metallische Elektrode bezogen auf die Funktionsschicht über der Funktionsschicht befindet. Ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ein Aufbringen einer Metalloxidschicht aus einer flüssigen Phase oder aus einer nanopartikulären Dispersion vor. Bei der flüssigen

Phase handelt es sich um eine Vorläufer-Phase, beispielsweise auch im Rahmen eines Sol-Gel-Prozesses . Bei dem Metalloxid handelt es sich bevorzugt um Titanoxid, Zinkoxid oder Indiumoxid. Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ein Aufbringen der metallischen Elektrode aus einer flüssigen Phase, insbesondere einer Lösung aus in organischen Molekülen eingebundenen Metallen, oder aus einer aus einer nanopartikulären Dispersion, d. h. einer Dispersion aus metallischen Nanopartikeln, vor. Bei dem Metall der Elektrode handelt es sich bevorzugt um Gold, Silber oder

Kupfer. Die beiden genannten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können je nach Ausführungsform in einer unterschiedlichen Abfolge oder auch gleichzeitig durchgeführt werden. Bevorzugt wird die Metalloxidschicht auf die Funktionsschicht aufgebracht, um anschließend die metallische Elektrode auf die Metalloxidschicht aufzubringen. Alternativ kann die metallische Elektrode auf ein Substrat aufgebracht werden, um danach die Metalloxidschicht auf die metallische Elektrode aufzubringen. Dabei ist anschließend die Funktionsschicht auf die Metalloxidschicht aufzubringen. Jedenfalls ist im Ergebnis die Metalloxidschicht über der Funktionsschicht angeordnet, während die metallische Elektrode über der Metalloxidschicht angeordnet ist. Selbstverständlich führt ein Drehen der resultierenden Anordnung zur umgekehrten Reihenfolge. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein thermisches, chemisches oder photochemisches Umwandeln der metallischen Elektrode zu einer amorphen, semikristallinen oder vollkristallinen Schicht. Das thermische Umwandeln kann beispielsweise auch durch ein Sintern erfolgen, bei welchem Wärme entsteht oder zugeführt wird. Weiterhin erfolgt auch ein thermisches, chemisches oder photochemisches Umwandeln der Metalloxidschicht zu einer amorphen, semikristallinen oder vollkristallinen Schicht. Dieses Umwandeln erfolgt bevorzugt gemeinsam mit dem thermischen, chemischen bzw. photochemischen Umwandeln der metallischen Elektrode.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Metalloxid zusammen mit der metallischen Elektrode aus einer gemeinsamen nanopartikulären Dispersion oder aus einer gemeinsamen flüssigen Phase aufgebracht. Auch kann das Metalloxid zusammen mit der metallischen Elektrode aus einer Mischung aus der nanopartikulären Dispersion und der flüssigen Phase aufgebracht werden. Bei diesen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen das Aufbringen des Metalloxids und das Aufbringen der metallischen Elektrode in einem gemeinsamen Schritt.

Insofern das erfindungemäße Verfahren für eine Anordnung der metallischen Elektrode über einem Foliensubstrat durchgeführt wird, erfolgt das thermische, chemische bzw. photochemische Umwandeln der Metalloxidschicht und/oder das thermische, chemische bzw. photochemische Umwandeln der metallischen Elektrode bevorzugt bei einer Temperatur, die für das Foliensubstrat unschädlich ist. Beispielsweise ist eine Temperatur von bis zu 150 ⁰ C für ein Foliensubstrat aus thermisch stabilisiertem PET unschädlich.

Bei denjenigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen die metallische Elektrode auf ein Substrat aufgebracht wird, kann auf das Substrat zunächst eine weitere Metalloxidschicht oder eine sonstige semitransparente Oxidschicht aus einer flüssigen Phase aufgebracht werden, um anschließend oder gleichzeitig die metallische Elektrode auf die weitere Metalloxidschicht bzw. auf die semitransparente Oxidschicht aufzubringen. Daraufhin ist die Funktionsschicht aufzubringen.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient bevorzugt zum Aufbringen einer metallischen Elektrode auf eine beliebige, insbesondere photoaktive elektronentransportierende Schicht. Bevorzugt wird vor dem Aufbringen der metallischen Elektrode als Dispersion aus metallischen Nanopartikeln oder aus einer Lösung aus in organischen Molekülen eingebundenen Metallen eine Metalloxidschicht aus einer flüssigen Phase auf die zu bedeckende Schicht aufgebracht und in einem anschließenden Sinterprozess zu einer amorphen, semikristallinen oder vollkristallinen Schicht chemisch, thermisch oder photochemisch umgewandelt. Das Metalloxid wird bevorzugt zusammen mit dem Metall aus einer gemeinsamen nanopartikulären Dispersion bzw. organischen Vorläuferlösung aufgebracht. Die Metalloxidschicht wird bevorzugt zusammen mit der Dispersion aus metallischen Nanopartikeln oder der Lösung aus in organischen Molekülen eingebundenen Metallen gesintert bzw. thermisch, chemisch oder photochemisch umgewandelt .

Als Metall für die Elektrode wird bevorzugt ein Metall verwendet, welches eine hohe Austrittsarbeit von mehr 4,0 eV, besonders bevorzugt von mehr als 4,5 eV aufweist.

Mit der vorliegenden Erfindung werden lösungsprozessierte metallische Elektroden, insbesondere Kathoden für elektro- nische Bauelemente, insbesondere (Polymer-) Solarzellen, realisiert. Ein direktes Aufbringen einer Lösung aus metallischen Nanopartikeln auf eine photoaktive Schicht könnte ein Anlösen der letzteren bewirken. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zuerst einen Metalloxid- Vorläufer (engl. Precursor) aus der Lösung auf die photovoltaisch aktive Schicht aufzubringen. Anschließend wird dieser entweder allein oder zusammen mit der nachfolgenden metallischen Schicht thermisch, chemisch oder photochemisch in eine amorphe bzw. semikristalline oder kristalline deckende dünne Schicht umgewandelt. Diese Schicht hat hernach die Eigenschaft, chemisch sehr innert zu sein, also insbesondere keine Reaktion mit dem photovoltaisch aktiven Material einzugehen. Des Weiteren wird eine besondere Deckung mit dieser Schicht erreicht, welche ein Hindurchdiffundieren der darauf folgenden Metallschicht verhindert.

Die zweite Schicht besteht aus metallischen Nanopartikeln oder metallorganischen Vorläufern, welche ebenfalls aus der Lösung auf die Metalloxid-Schicht aufgebracht wird. Diese metallische Nanopartikel-Schicht wird anschließend entweder unabhängig von oder gemeinsam mit der darunterliegenden Metalloxid-Schicht thermisch, chemisch oder photochemisch transformiert. Die metallische Nanopartikel-Schicht macht sich die Eigenschaft zunutze, dass metallische Nanopartikel bei viel geringeren Temperaturen schmelzen und so einen geschlossenen Film bilden als Partikel im Mikrometer-Bereich. Somit ermöglicht diese Methode die Verwendung von plastischen Foliensubstraten, welche nur bedingt temperaturstabil sind.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Doppelschichtelektrode, d. h. die metallische Elektrode mit der Metalloxidschicht, ist zum einen an die elektronischen Energiebänder angepasst und hat zum andern eine genügend hohe Leitfähigkeit. Zusätzlich wird auch die Stabilität der metallischen Elektrode mit der Metalloxid-Zwischenschicht erhöht .

Zusammen mit einer lösungsprozessierten Anode erlaubt die vorliegende Erfindung den vollständigen Verzicht auf Vakuumtechnologien z. B. bei der Herstellung aller sukzessiven Schichten einer Polymer-Solarzelle.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen wie Polymer- Solarzellen, Polymer-Leuchtdioden oder Polymer-Transistoren Anwendung finden.