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Title:
PHOTOVOLTAIC MODULE FOR APPLICATIONS IN INTERIOR ROOMS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/161850
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the use of a photovoltaic module in weak light or artificial light, wherein the photovoltaic module has a substrate, electrodes and a photoactive layer, and the accepted material is chosen from non-Fuller acceptors having LUMO energy levels of -3.0 to -3.9 eV and a band gap between 1.6 eV and 2.2 eV in combination with a donor material having a HOMO level of -4.9 to -5.3 eV and a band gap between 1.6 eV and 2.2 eV. The material system comprising non-Fuller acceptors and conjugated polymers exhibits an excellent weak light behaviour, preferably even under artificial light (having a main proportion of the emitted photons in the wavelength range from 400 nm to 850 nm). An output of more than 8 μW cm-2 can be achieved at an illumination intensity of 200 lx.

Inventors:
LENZE, Martin (Im Stockental 41, Wesseling, 50389, DE)
NIGGEMANN, Michael (Märkische Strasse 40, Düsseldorf, 40625, DE)
Application Number:
DE2019/100170
Publication Date:
August 29, 2019
Filing Date:
February 22, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ENERTHING GMBH (Luxemburger Straße 90, Köln, 50939, DE)
International Classes:
H01L51/46
Other References:
SONG YI PARK ET AL: "Alkoxybenzothiadiazole-Based Fullerene and Nonfullerene Polymer Solar Cells with High Shunt Resistance for Indoor Photovoltaic Applications", ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, vol. 10, no. 4, 4 January 2018 (2018-01-04), US, pages 3885 - 3894, XP055591544, ISSN: 1944-8244, DOI: 10.1021/acsami.7b18152
DERYA BARAN ET AL: "Reducing the efficiency?stability?cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells", NATURE MATERIALS, vol. 16, no. 3, 21 November 2016 (2016-11-21), GB, pages 363 - 369, XP055387824, ISSN: 1476-1122, DOI: 10.1038/nmat4797
GISELE A. DOS REIS BENATTO ET AL: "Roll-to-roll printed silver nanowires for increased stability of flexible ITO-free organic solar cell modules", NANOSCALE, vol. 8, no. 1, 27 November 2015 (2015-11-27), United Kingdom, pages 318 - 326, XP055523448, ISSN: 2040-3364, DOI: 10.1039/C5NR07426F
None
Attorney, Agent or Firm:
BUNGARTZ CHRISTOPHERSEN PARTNERSCHAFT MBB PATENTANWÄLTE (Homberger Straße 5, Düsseldorf, 40474, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verwendung eines photovoltaischen Moduls in Innenräumen in einem Bereich der Lichtintensität von 5 bis 10.000 Ix, welches ein Substrat, Elektroden sowie eine photoaktive Schicht aufweist, wobei das Akzeptormaterial ausgewählt ist aus Nicht-Fulleren- Akzeptoren mit LUMO-Energieniveaus von -3,0 bis -3,9 eV und einer Bandlücke zwischen 1 ,6 eV und 2,2 eV in Kombination mit einem Donormaterial mit einem HOMO-Niveau von -4,9 bis -5,3 eV und einer Bandlücke zwischen 1 ,6 eV und 2,2 eV.

2. Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich in von 400 nm bis 850 nm liegt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Fulleren- Akzeptoren ausgewählt sind aus substituierten Indacenodithiophenen, wie IDTBR, ITIC (3,9-bis[2-(3-oxo-2-vinyl-2,3-dihydroinden-1-ylidene)-malononitrile]-5,5,11 ,11-tetrakis(4- hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-sindaceno[1 ,2-b:5,6-b']dithiophene), IEICO oder IDIC, Indacenofluorenen wie IDFBR, Fluorene wie FBR ((5Z,50Z)-5, 50-{(9,9-dioctyl-9H- fluorene-2,7-diyl)bis[2,1 ,3-benzothiadiazole-7,4-diyl(Z)methylylidene]}bis(3-ethyl-2-thioxo- 1 ,3-thiazolidin-4-one)), FTTB und beliebigen Gemischen der voranstehenden.

4. Verwendung nach einem der Ansprüeche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Donormaterial ausgewählt ist aus konjugierten Polymeren, wie Polythiophenen wie P3HT (Poly-3-Hexylthiphen) oder PDCBT, J61 (Poly[[5,6-difluoro-2-(2-hexyldecyl)-2/-/- benzotriazole-4,7-diyl]-2,5-thiophenediyl[4,8-bis[5-(dodecylthio)-2-thienyl]benzo[1 ,2-Jb:4, 5-Jb']dithiophene-2,6-diyl]-2,5-thiophenediyl]), J51 , J52, PBDB-T (Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2- ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1 ,2-b:4,5-b’]dithiophene))-alt-(5,5-(1’,3’-di-2-thienyl-5’,7’- bis(2-ethylhexyl)benzo[1’,2’-c:4’,5’-c’]dithiophene-4,8-dione)]), PTZ1 , PTB7 (Poly[[4,8- bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1 ,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2- ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PTB7-Th (Poly[4,8-bis(5-(2- ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1 ,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3- fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)]) und beliebigen Gemischen der voranstehenden.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Systeme aus Donor- und Akzeptormaterialien ausgewählt sind aus P3HT: IDTBR, P3HT:FBR, P3HT:IDTBR:FBR, P3HT:IDFBR, P3HT:IDFBR:FBR, P3HT: IDTBR: IDFBR, P3HT:FTTB, PDCBT:IDTBR, PDCBT:FBR, PDCBT: IDTBR: FBR, PDCBT:IDFBR, PDCBT:IDFBR:FBR, PDCBT:IDTBR:IDFBR, PDCBTFTTB, J61 :ITIC, J51 :ITIC, J52:ITIC, PBDB-T:IDTBR, PBDB-T:FBR, PBDB-T:IDFBR, PBDB-T:FTTB, PBDB-T:ITIC, PBDB- T: I DIC, PTB7-Th:IDTBR, PTB7-Th:FBR, PTB7-Th:IDTBR:FBR, PTB7-Th:IDFBR, PTB7- Th:IDFBR:FBR, PTB7-Th:IDTBR:IDFBR, PTB7-Th:ITIC und PTB7-Th:FTTB.

6. Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kathodenseite (n-Seite Elektronentransport-/lnjektionsschicht) ein Grenzflächenmaterial mit einer Austrittsarbeit im Bereich von 3.0 bis 3.9 eV und auf der auf der Anodenseite ein Grenzflächenmaterial mit einer Austrittsarbeit zwischen 4.9 und 5.3 eV angeordnet ist.

7. Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzflächenmaterial auf der Kathodenseite ausgewählt ist aus Al-dotierten ZnO-Nanopartikeln, ZnO-Nanopartikeln und konjugierten Polyelektrolyten, wie Polyethyleniminen PEI, Polyethylenimin-ethoxyliert (PEIE) und Polyfluorenen (PFN).

8. Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzflächenmaterial auf der Anodenseite ein flüssigprozessierbares Metalloxid auf der Basis von Nanopartikeln oder Präkusoren z.B. MoOx, WOx, VxOy, oder ein dotiertes konjugiertes Polymer PEDOT:PSS poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrolsulfonat oder eine Kombination dieser Materialien ist.

9. Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der flächigen Elektroden eine Elektrode aus Metall, wie Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, eine Elektrode aus einem Mehrfachschichtsystem aus Metalloxid/Silber/Metalloxid besteht, wobei das Metalloxid aus der Gruppe der Materialien Indium Zinn-Oxid (ITO), Aluminium-dotiertes Zinnoxid, Zinkoxid stammt, oder einem Schichtsystem aus Chrom/Aluminium/Chrom oder Chrom/Silber/Chrom ist.

10. Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der flächigen Elektroden aus Silber-Nanodrähten besteht.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzflächenmaterial, das auf die der Anode zugewandten Seite angeordnet ist, aus Lösung oder aus Suspension oder mittels Beschichtung im Vakuum aufgebracht ist.

Description:
Photovoltaisches Modul für Anwendungen in Innenräumen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines photovoltaischen Moduls für Anwendungen in Innenräumen, insbesondere bei Kunstlicht oder Schwachlicht, welches ein Substrat, Elektroden sowie eine photoaktive Schicht aufweist.

Photovoltaik für Kunst-/Schwachlichtanwendungen

Durch Sammeln kleinster Mengen von Energie aus Licht in Innenräumen (Light Energy harvesting) mittels Photovoltaik im Milliwatt- und sub-Milliwattbereich können kleine, oftmals vernetzte Geräte unabhängig von Primärbatterien mit Energie versorgt werden.

Für die kommenden Jahre wird dem Internet der Dinge (loT) ein großes Wachstum vorhergesagt. Weltweit sollen bis 2021 14 bis 22 Milliarden Geräte abgesetzt werden, Wachstumsraten von 23 - 33% jährlich werden prognostiziert. Bei einem signifikanten Anteil wird es sich um Klein- und Kleinstgeräte handeln. Ein elektrischer Netzanschluss verursacht hohe Installationskosten. Primärbatterien sind derzeit die am weitesten verbreitete Energiequelle, jedoch führt die endliche Kapazität dazu, dass ein Batteriewechsel erforderlich ist. Kritisch sind dabei weniger die Kosten der Batterie als vielmehr die mit dem Austausch der Batterie verbundenen Wartungskosten. Um eine möglichst langen Batteriebetrieb zu gewährleisten wird oftmals die Leistungsfähigkeit, wie z.B. Sendeleistung, des Gerätes eingeschränkt. In Innenräumen stellt Licht oftmals eine ausreichende Energiequelle dar, die zum Betrieb einer Vielzahl von IoT-Geräten in Smart Homes, dem Einzelhandel oder industriellen Anwendungen genutzt werden kann.

Die hier betrachteten Anwendungen liegen im Innenraum von Gebäuden, sodass es sich bei der Lichtquelle zumeist um LED- oder Fluoreszenzlicht handelt. Zusätzlich zur künstlichen Beleuchtung kann auch Tageslicht zur Beleuchtung in Innenräumen beitragen. Hier handelt es sich zumeist um Diffuslicht im Gegensatz zu direkter Sonnenstrahlung. Die Kombination aus Kunstlicht und Tageslicht wird auch als Mischlicht bezeichnet. Typische Beleuchtungsstärken für Kunstlichtquellen in Innenräumen variieren zwischen wenigen zehn bis einigen tausend Ix. Die Beleuchtungsstärken sind im Vergleich zur solaren Bestrahlung im Außenbereich (von einigen Hundert bis 1000 W/m 2 ) 100 bis 1000-mal geringer. Die existierenden Photovoltaiktechnologien sind unterschiedlich geeignet für Kunstlicht- und Schwachlichtanwendungen. Die Höhe der Konversionseffizienz von Lichtenergie in elektrische Energie einer Photovoltaikzelle ist u.a. abhängig von der Lage der Valenz- und Leitungsbänder (Energieniveaus) des verwendeten Halbleiters und dem Spektrum der Lichtquelle. Das theoretische Limit für p-n Solarzellen für die solare Bestrahlung wurde zuerst von William Shockley and Hans J. Queisser berechnet. Die optimale Bandlücke beträgt hier 1 ,34 eV. Als Referenzspektrum dient das solare AM1.5 Spektrum. Optimiert werden Photovoltaikmodule für solare Anwendungen für eine Bestrahlungsleistung von 1000 W/m 2 . Die Beleuchtungssituation in Innenräumen unterscheidet sich sowohl in Hinblick auf das Lichtspektrum, als auch in Hinblick auf die Beleuchtungsstärke von der solaren Bestrahlung. Moderne Kunstlichtquellen wie LED, aber auch Fluoreszenzlampen emittieren primär im sichtbaren Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm. Durch zusätzliches Tageslicht kann auch ein Mischlichtspektrum vorliegen. Die Beleuchtungsstärke wird in Innenräumen oftmals in Ix gemessen. Hier wird eine Wichtung mit der Augenempfindlichkeit durchgeführt. Üblicherweise werden Beleuchtungsstärken für bestimmte Tätigkeiten und Räume empfohlen, die von 5 Ix für Nachtbeleuchtung bis 10.000 Ix im Medizinischen Bereich reichen. Typische Werte sind 100 Ix in Fluren, 200 Ix in Mehrzweckräumen und 500 Ix in Konferenzräumen. Abhängig von der Abstrahlcharakteristik der Leuchtmittel steigt die Intensität mit abnehmendem Abstand zum Leuchtmittel deutlich an. Wird das Sonnenlicht mit der Größe Ix quantifiziert, so ergeben sich an einem sonnigen Tag mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 1000 W/m 2 ein Ix Wert von etwa 100.000 Ix, an einem bewölkten Tag und einer Bestrahlungsleistung von 300 W/m 2 ein Ix Wert von etwa 30.000 Ix.

Photovoltaikzellen basierend auf monokristallinem oder polykristallinem Silizium wie sie primär für solare Anwendungen eingesetzt werden, zeigen bei den niedrigen Beleuchtungsintensitäten von 100 bis einigen tausend Ix sehr geringe Konversionseffizienzen. Die abgegebene elektrische Leistung liegt unterhalb von 5 pW cm -2 bei 200 Ix (LED- oder Fluoreszenzbeleuchtung). Insbesondere die ohnehin schon geringe offene Klemmenspannung Spannung von etwa 600 mV bei solarer Bestrahlung (1000 W/m 2 ) der meisten Zelltypen nimmt bei den geringen Lichtintensitäten aufgrund steigender Rekombinationsverluste deutlich ab.

Die am weitesten verbreitete Photovoltaiktechnologie für Kunstlichtanwendungen ist derzeit amorphes Silizium (a-Si). Diese ist zumeist auf Glas-Substraten aufgebaut. Es gibt jedoch auch Varianten auf Kunststoffsubstraten. Typische flächenbezogene Leistungen von a-Si Modulen betragen 4 bis 5 pW cm -2 bei 200 Ix (LED- oder Fluoreszenzbeleuchtung). Typische Modulgrößen liegen zwischen wenigen Quadratzentimetern bis zu einigen zehn Quadratzentimetern.

Galliumarsenid (GaAs) ist eine sehr effiziente Technologie. Hier werden Leistungen von 15 m\L/ cm -2 bei 200 Ix erreicht. Aufgrund der komplexen Vakuum- und Lift-off- Prozessschritte ist diese Technologie jedoch sehr kostenintensiv und findet im Markt geringe Anwendung. Aufgrund des Kostenvorteils werden fast ausschließlich Module aus a-Si in kommerzielle Elektronikprodukte integriert. Vereinzelt werden auch sog. Farbstoffsolarzellen für Schwachlichtanwendungen verwendet, die bei 200 Ix eine flächenbezogene Leistung von ca. 15 pW cm 2 erreichen können.

Eine weitere für Kunstlicht geeignete Photovoltaiktechnologie ist die organische Photovoltaik. Diese beruht auf organischen Halbleitern. Aus einem Gemisch aus mindestens zwei organischen Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Energieniveaus wird das sogenannte Donor-Akzeptorsystem gebildet. Durch Auswahl der Donor- und Akzeptorkomponente und damit der Energieniveaus HOMO (Highest occupied molecular orbital) und LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) ist eine Anpassung des Materialsystems an die Lichtquelle und somit eine Erhöhung der Energieausbeute möglich. Die Schichtsysteme für die organische Photovoltaik können sowohl durch vakuumbasierte Verfahren als auch durch Aufbringen aus der Flüssigphase durch Beschichtungs- oder Druckverfahren auf einem Trägersubstrat abgeschieden werden. Dabei bietet die lösungsmittelbasierte Herstellung aufgrund der geringeren Kosten der Produktionsanlagen einen klaren Kostenvorteil bei einer großvolumigen Produktion. Für mögliche Schwachlichtanwendungen wurden im Bereich der organischen Photovoltaik bisher primär für solare Anwendungen konzipierte Halbleitermaterialien und Zellaufbauten verwendet.

Die aus dem Stand der T echnik bekannten Photovoltaikmodule zeigen einige Nachteile für eine Anwendung in IoT-Geräten. Aufgrund der begrenzten Fläche und dem steigenden Energiebedarf von IoT-Kleingeräten ist eine deutliche Steigerung der Konversionseffizienz bei der Umwandlung des zur Verfügung stehenden Lichtes in elektrische Energie erforderlich. Die Optimierungsgröße ist die Leistung pro Fläche (pW/cm 2 ) bei definierten Einstrahlbedingungen (im Bereich zwischen 50 und 5000 Ix). Die Wirtschaftlichkeit bei der Auswahl der Technologie spielt bei der Art dieser Massenprodukte (Beacons, Tags, Sensoren) eine große Rolle.

Der typische Energiebedarf derzeitig batteriebetriebener elektrischer Geräte mit Batterielebensdauern von wenigen Jahren liegt im Bereich von einigen zehn Mikrowatt bis in den unteren Milliwattbereich. Bei geringen Beleuchtungsstärken von 200 Ix (LED Spektrum) und einem mittleren Energiebedarf von einem Milliwatt beträgt die erforderliche Fläche eines Photovoltaikmoduls basierend auf amorphem Silizium (5 pW/cm 2 bei 200 Ix) bereits 200 cm 2 . Diese Flächengröße übersteigt oftmals die auf Kleingerätegehäusen verfügbare Fläche.

Höhereffiziente Technologien basieren auf Ill-V-Verbindungshalbleitern (Gallium-Arsenid). Diese weisen Leistungen von 15 pW/cm 2 auf. Der große Nachteil ist jedoch die hohen Herstellungskosten. Derzeit gibt es keine Technologie am Markt, die eine hohe Schwachlichteffizienz, geringe Herstellungs- und Materialkosten, sowie eine mechanische Flexibilität für die effektive Produktintegration vereint. Ein zusätzlicher Mangel ist die Verfügbarkeit von großflächigen Photovoltaikmodulen für Anwendungen, in denen es geringere Restriktionen in der Fläche gibt und eine höherer Energiebedarf besteht. Derzeit existieren keine effizienten Photovoltaikmodule für Kunstlicht mit einer Größe von mehreren hundert Quadratzentimetern. Mit der hier dargestellten Innovation wird dieser Mangel behoben.

Organische Photovoltaikzellen unterscheiden sich von anorganischen direkten und indirekten Halbleitern darin, dass zwei Materialien, Donor und Akzeptor zur Erzeugung freier Ladungsträger erforderlich sind. Die jeweiligen Halbleiter zeichnen sich durch ein HOMO (highest occupied molecular orbital) und LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) aus. Für eine effiziente Ladungstrennung ist ein energetischer Offset zwischen den jeweiligen HOMO- und LUMO-Niveaus erforderlich. Dieser Offset muss bei der theoretischen Berechnung der optimalen Lage der Energieniveaus berücksichtigt werden. Aus der Differenz des HOMO- Niveaus des Donors und des LUMO-Niveaus des Akzeptors ergibt sich die maximal erreichbare elektrische Spannung der Photovoltaikzelle. Aus einer Optimierung der Energieniveaus für eine solare Anwendung (AM 1 ,5 Solarspektrum) organischer Photovoltaikzellen ergibt sich ein ideales Bandgap von 1 ,4 eV. Werden in Analogie zu anorganischen Halbleitern die Berechnungen von Schockley und Queisser auf organische Donor-Akzeptorsysteme für die Beleuchtung von Kunstlicht (LED und Fluoreszenz) im primär sichtbaren Spektralbereich angewandt, so ergibt sich eine andere optimale Bandlücke von 1 ,9 eV. Aus Berechnungen geht hervor, dass für Halbleiter mit dieser Bandlücke Effizienzen von bis zu 57% unter Kunstlichtbeleuchtung (weißlicht-LED) erzielt werden könnten. Das Polymer Poly-3-hexylthiophen ist ein organischer Halbleiter, der diesen Anforderungen nahekommt. Jedoch erzielt dieses Material als Donor in Kombination mit dem Fulleren-Derivat ([6,6]-Phenyl- C61 -Buttersäuremethylester) Obo-ROBM als Akzeptor nur einen Bruchteil der erwarteten Effizienz. Dies ist zum einen durch den hohen Energieverlust beim Transfer von Ladungen zwischen Donor und Akzeptor begründet. Zum anderen sind hohe Rekombinationsverluste in der photovoltaischen Schicht wahrscheinlich. Die hohen Verluste in Polymer/Fulleren basierten Photovoltaikzellen stellen trotz Auswahl optimaler Halbleitermaterialien entsprechend der Modellrechnungen ein Hindernis zu hohen Effizienzen unter Kunstlichtbedingungen dar. In eigenen Experimenten konnten wir bisher flächenbezogene Leistungen von maximal

8.5 pW cm -2 bei 200lx mit Fulleren-basierten Donor/Akzeptor-Systemen erzielen.

In Abstimmung auf die halbleitenden photoaktiven Materialien, die aufgrund ihrer optimalen Lage der Energieniveaus für eine maximale Konversionseffizient bei Kunstlicht ausgewählt wurden, müssen geeignete Grenzflächenschichten ausgewählt werden, um eine möglichst verlustfreie Extraktion von Ladungsträgern aus der photoaktiven Schicht zu ermöglichen..

Bei für solare Anwendungen verbreiteten Akzeptoren, z.B. Obo-ROBM, und unter Beibehaltung der für die Ladungsträgererzeugung benötigten energetischen Abstands der LUMO-Niveaus, führt die Anforderung einer optimalen Bandlücke von 1.9 eV für Kunstlichtanwendungen dazu, dass das HOMO-Niveau der Donormaterials in einem Bereich von -5.3 bis -6.0 eV liegt. Diese tiefliegenden Energieniveaus (relativ zum Vakuumniveau) können nicht mehr ohne signifikante Verluste in der elektrischen Spannung der Photovoltaikzelle mit etablierten, flüssigprozessier- baren Grenzflächenmaterialien, wie z.B. poly(3,4-ethylenedioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) oder auch lösungsprozessierten Metalloxiden wie nanopartikulärem Molybdän oxid kontaktiert werden. Die Austrittsarbeit dieser Grenzflächenmaterialien ist in der Regel zu gering für eine verlustarme Kontaktierung des HOMO-Niveaus. In erster Linie kommen nur vakuumdeponierte Metalloxide wie MoO x , WO x oder V2O5 für eine verlustarme Kontaktierung infrage. Diese weisen die notwendigen hohen Austrittsarbeiten auf, sodass auch die erwarteten hohen elektrischen Spannungen gemessen werden können. Der große Nachteil dieser Materialien ist jedoch die geringe Stabilität der Austrittsarbeit an Luft. Aufgrund von Resten von Wasser und Sauerstoff in Kunststoffsubstraten können keine stabilen Metalloxidschichten mit hoher Austrittsarbeit hergestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein organisch-photovoltaisches Modul zur Verfügung zu stellen, dass in Innenräumen, insbesondere bei Schwachlicht oder Kunstlicht, eingesetzt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß die Verwendung eines photovoltaischen Moduls in Innenräumen in einem Bereich der Lichtintensität von 5 bis 10.000 Ix, welches ein Substrat, Elektroden, Injektions- bzw. Transportschichten sowie eine photoaktive Schicht aufweist, wobei das Akzeptormaterial ausgewählt ist aus Nicht-Fulleren- Akzeptoren mit LUMO-Energieniveaus von -3,0 bis -3,9 eV und einer Bandlücke zwischen

1.6 eV und 2,2 eV in Kombination mit einem Donormaterial mit einem HOMO-Niveau von -4,9 bis -5,3 eV und einer Bandlücke zwischen 1 ,6 eV und 2,2 eV. Die erfindungsgemäße Erfindung ist insbesondere für Lichtquellen bzw. Lichtverhältnisse in Innenräumen ausgerichtet, also für Schwachlicht oder Kunstlicht, d. h. Tageslicht, das durch Fenster oder andere Öffnungen in den Innenraum eintritt oder durch künstliche Lichtquellen, wie Lampen, erzeugtes Kunstlicht. Die Beleuchtungsstärke, bei welcher das erfindungsgemäß verwendete photovoltaische Modul eingesetzt werden kann, beträgt üblicherweise bis zu 10000 Ix, insbesondere von 50 Ix bis 5000 Ix. Zu berücksichtigen ist auch, dass der Spektralbereich des Lichts, das in Innenräumen vorhanden ist, sich von dem Spektralbereich des Lichts in Außenräumen unterscheidet. Der Spektralbereich in Innenräumen reicht üblicherweise von 400 nm bis 850 nm, vorzugsweise von 400 bis 750 nm und insbesondere von 400 bis 700 nm bei reinem Kunstlicht.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die Auswahl einer geeigneten Kombination aus Donor- und Akzeptormaterialien in einem organischen photovoltaischen Modul eine effiziente und kostengünstige Energieversorgung von elektrischen und elektronischen Geräten auch in fensterlosen Innenräumen.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein organisches Materialsystem aus Nicht- Fulleren-Akzeptoren und konjugierten Polymeren, das energetisch derart angepasst ist, dass es auch bei Schwachlicht und auch bei reinem Kunstlicht, also in fensterlosen Räumen, (mit einem Hauptanteil der emittierten Photonen im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 850 nm), eine solche Leistung zeigt, dass elektrische und elektronische Geräte betrieben werden können. Eine Leistung von mehr als 8 pW cm -2 kann bei einer Beleuchtungsstärke von 200lx erreicht werden.

Unter einem photovoltaischen Modul im Sinne der vorliegenden Erfindung werden sowohl photovoltaische Zellen, also Einzelzellen, als auch verschaltete Zellen verstanden. Werden verschaltete Zellen verwendet, so sind diese vorzugsweise seriell verschaltet.

Ais Substrate für das erfindungsgemäß verwendete photovoltaische Modul können die aus dem Stand der Technik für derartige Module bekannten Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Glas oder Polyester, wie Polyethylenterephthalat oder Polyethylen-2,6- naphthalat.

Geeignete Materialien für den Nicht-Fulleren Akzeptor sind: substituierte Indacenodithiophene wie IDTBR, ITIC (3,9-bis[2-(3-oxo-2-vinyl-2,3-dihydroinden-1-ylidene)-malono nitrile]-5,5, 11 , 11- tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-sindaceno[1 ,2-b:5,6-b']dithiophene, IEICO oder I DIC, Indacenofluorene wie IDFBR, Fluorene wie FBR ((5Z,50Z)-5, 50-{(9,9-dioctyl-9H- fluorene-2,7-diyl)bis[2, 1 ,3-benzothiadiazole-7,4-diyl(Z)methylylidene]}bis(3-ethyl-2- thioxo-1 ,3- thiazolidin-4-one)), FTTB.

Für das Donormaterial sind folgende organische Materialien geeignet: Polythiophene wie P3HT (Poly-3-Hexylthiphen) oder PDCBT, J61 (Poly[[5,6-difluoro-2-(2-hexyldecyl)-2/-/-benzotriazole- 4,7-diyl]-2,5-thiophenediyl[4,8bis[5-(dodecylthio)-2-thienyl ]benzo[1 ,2-b:4,5-Jb']dithiophen-2,6- diyl]-2,5-thiophenediyl]), J51 , J52, PBDB-T (Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)- benzo[1 ,2-b:4,5-b’]dithiophene))-alt-(5,5-(T,3’-di-2-thienyl-5 ,7’-bis(2-ethylhexyl)benzo[T,2’- c:4’,5’-c’]dithiophene-4,8-dione)]), PTZ1 , PTB7 (Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1 ,2- b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)car bonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PTB7-Th (Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1 ,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl- alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-car boxylate-2-6-diyl)]).

Geeignete Kombinationen aus den vorangegangenen Donoren und Akzeptoren sind insbesondere P3HT:IDTBR, P3HT:FBR, P3HT:IDTBR:FBR, P3HT:IDFBR, P3HT:IDFBR:FBR, P3HT:IDTBR: IDFBR, P3HT:FTTB, PDCBT:IDTBR, PDCBT:FBR, PDCBT: IDTBR:FBR, PDCBT:IDFBR, PDCBT: IDFBR: FBR, PDCBT:IDTBR: IDFBR, PDCBT: FTTB, J61 :ITIC, J51 : ITIC, J52:ITIC, PBDB-T:IDTBR, PBDB-T:FBR, PBDB-T:IDFBR, PBDB-T:FTTB, PBDB- T : ITIC, PBDB-T:IDIC, PTB7-Th:IDTBR, PTB7-Th:FBR, PTB7-Th:IDTBR:FBR, PTB7- Th:IDFBR, PTB7-Th:IDFBR:FBR, PTB7-Th:IDTBR:IDFBR, PTB7-Th: ITIC und PTB7-Th:FTTB.

Das HOMO-Niveau der Donor-Materialien im Bereich von -4,9 bis -5,3 eV lässt sich im Gegensatz zum nicht angepassten Donor-System mit einem HOMO-Niveau zwischen -5,3 eV und -6 eV vorzugsweise durch flüssigprozessierbare Grenzflächenmaterialien mit einer stabilen Austrittsarbeit derart in Kontakt bringen, dass keine signifikanten Verluste in der elektrischen Spannung und somit der Konversionseffizienz entstehen. Somit können in photovoltaischen Modulen Leistungsdichten von über 10 pW cm -2 unter Schwachlichtbedingungen (200 Ix) mit Kunstlicht (z.B. Leuchtstofflampe, Weißlicht-LED) mit Grenzflächenmaterialien, die eine geringere Austrittsarbeit als 5,3 eV aufweisen, erreicht werden.

Die Lichtausbeute kann weiter erhöht werden, wenn zwischen der Elektrode, die dem Abtransport des Stromes über die Fläche dient und der photoaktiven Schicht eine weitere Schicht aus Grenzflächenmaterialien angeordnet ist. Diese Schicht aus Grenzflächenmaterial kann auch als Injektions- oder Transportschicht oder auch Interfaceschicht bezeichnet werden. Auf der Anodenseite wird vorzugsweise ein Grenzflächenmaterial mit einer Austrittsarbeit zwischen 4,9 bis 5,3 eV verwendet. Bevorzugte Beispiele für Grenzflächenmaterialien mit einer Austrittsarbeit zwischen 4,9 bis 5,3 eV sind Poly-3,4-ethylendioxythiophen:Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS), Molybdänoxid MoO x , Vanadiumoxid (n 2Oc) und/oder Wolframoxid (WO x ). Dieses Grenzflächenmaterial kann aus Lösung, Dispersion oder aus Suspension oder auch mittels Beschichtung im Vakuum aufgebracht werden. Die Beschichtung des Substrats mit diesen Grenzflächenmaterialien kann beispielsweise aus Lösung, Dispersion oder Suspension oder bei der Verwendung von Metalloxiden auch mittels Vakuumbeschichtung erfolgen, wobei die Beschichtung aus der Lösung bevorzugt ist. Wenn die Beschichtung aus der Lösung erfolgt, kann diese sowohl auf Basis nanopartikulärer Lösungen oder aus Präkursoren in einem Sol- Gel-Prozess hergestellt werden. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Mischung aus nanopartikulären Metalloxiden und PEDOT eingesetzt.

Um die Extraktion der Elektronen möglichst effizient zu gestalten, sind auf der Kathodenseite (n-Seite Elektronentransport-/lnjektionsschicht) Grenzflächenmaterialien mit einer Austrittsarbeit von 3,0 bis 3,9 eV bevorzugt. Besonders geeignet sind Metalloxide wie Zinkoxid (ZnO), Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO), Chromoxid (CrO x ), Zinnoxid SnO x und/oder Titanoxid (TiO x ). Diese werden als Nanopartikel oder als Sol-Gel auf der Basis von Präkusoren aus der Flüssigphase beschichtet und getrocknet. Weiterhin geeignete Grenzflächenmaterialien sind konjugierte Polyelektrolyte, z.B. Polyethylenimin (PEI), Polyethylenimin-ethoxyliert (PEIE), Polyfluorene (PFN).

Die Beschichtung des Halbleitergemisches erfolgt in einem kontinuierlichen Flüssigbeschichtungsprozess auf eine Substratfolie (Rolle-zu-Rolle Beschichtung). Als Beschichtungsmethoden kommen die Gießerbeschichtung mittels Schlitzdüse, die Vorhangbeschichtung, die Kammerakelbeschichtung, Drahtrakelbeschichtung, sowie Gravur- und Reverse-Gravur-Beschichtung in Frage. In weiteren Fällen können auch Druckverfahren, wie das Tiefdruck- und Flexodruck, als auch das Siebdruck- und Tintenstrahldruckverfahren angewendet werden. Für die Formulierung der Beschichtungslösung der photoaktiven Schicht werden aromatische Lösemittel wie z.B. Toluol, Xylol, Mesitylen, (Di-)Methylnaphthalen und Mischungen aus diesen sowie nicht-aromatische Lösemittel, z.B. N-Methyl-Pyrrolidon, verwendet.

Für die Elektroden für den flächigen Stromtransport können die aus dem Stand der Technik bekannten Materialien verwendet werden. Die Anode und die Kathode können aus dem gleichen oder aus voneinander verschiedenen Materialien hergestellt sein. Beispielsweise finden folgende Materialien Verwendung: Indium-Zinn-Oxid (ITO), Mehrschichtaufbauten aus Aluminium dotiertem Zinkoxid und Silber (AZO/Ag/AZO), Indium-Zinnoxid und Silber (ITO/Ag/ITO) sowie Chrom mit oxidierter Oberfläche in Kombination mit Silber oder Aluminium zur Erhöhung der Flächenleitfähigkeit (Cr/Ag/Cr, Cr/Al/Cr). Als Elektroden mit hoher Flächenleitfähigkeit sind insbesondere Silber, Kupfer und Gold geeignet. Für die Flüssigbeschichtung von transparenten Elektroden können Silber- oder Kupfer-Nanodrähte verwendet werden. Sind Flächenwiderstände von mehr als hundert Ohm/Square hinreichend, können hochleitfähige Formulierungen von PEDOT:PSS oder auch kohlenstoffbasierte Materialien wie Carbon Black, Graphit, oder Graphen eingesetzt werden. In Figur 1 ist ein Beispiel für den Aufbau eines erfindungsgemäßen photovoltaischen Moduls dargestellt.

Auf einem PET-Substrat ist eine transparente AZO/Ag/AZO Elektrode aufgebracht. Es schließt sich als lnjektions-/Transportschicht eine weitere Schicht aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid (AZO) an, die aus einer AZO-Nanopartikellösung erhalten wurde. Als photoaktive Schicht findet eine Mischung aus PDCBT als Donor und IDTBR als Akzeptor Verwendung. Zwischen der photoaktiven Schicht und der oberen Elektrode befindet sich eine zweite Injektions- /Transportschicht aus PEDOT:PSS. Als obere Elektrode dient in der hier dargestellten Ausführungsform eine Schicht aus Silber-Nanodrähten.