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WO2003106571A1 - Material zur herstellung einer leitfähigen organischen funktionsschicht und verwendung dazu - Google Patents

Material zur herstellung einer leitfähigen organischen funktionsschicht und verwendung dazu Download PDF

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Karsten Heuser
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • C08G61/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/122—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides
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    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof

Definitions

  • the invention relates to a material for a conductive organic functional layer, in particular one based on PEDOT-PSS [poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrene-sulfonate)].
  • PEDOT-PSS poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrene-sulfonate)
  • PEDOT-PSS with various solvents, including glycol are known, for example from DE 197 57 542.
  • a disadvantage of these materials containing PEDOT-PSS is that the conductivity has been modified by adding solvent additives or other additives. This results in adverse effects on the printability of the polymer layers, with the conductivity still not being optimized.
  • a highly conductive functional polymer is required for organic solar cells, detectors or transistors as well as for organic light-emitting diodes on flexible substrates.
  • this polymer serves as an anode.
  • this PEDOT can be used as a material for the source-drain electrodes.
  • ITO indium tin oxide
  • flexible plastic substrates can be used.
  • the conductive properties of the polymer used for this should come very close to that of the ITO in order to achieve the same performance properties of the components.
  • ITO has a conductivity in the range of 10 4 S / cm and achieves a surface resistance of 20 Ohm / square with a layer thickness of 120 nm.
  • Commercially available PEDOT currently reaches 8 from Bayer or now HC Starck) up to 10 S / cm and from Agfa (Orgacon Folie) 120 S / cm.
  • the PEDOT / PSS dispersions used are currently water-based.
  • the object of the present invention is therefore to provide a material which has an optimized conductivity based on PEDOT-PSS.
  • the invention relates to a material for producing an organic functional layer based on PEDOT-PSS, in which the conductivity is optimized by replacing the solvent, that is to say substituting the first solvent with a second solvent.
  • water or another strongly polar solvent is used as the "first solvent" to be replaced.
  • the “first solvent *” is the solvent in which the functional polymer, PEDOT-PSS, is produced. Accordingly, the “second solvent” is the solvent that is ultimately present in the material in which the functional polymer shows the optimized conductivity.
  • a glycol-containing compound such as ethylene glycol or another alcohol is used as the second solvent, in particular also mixtures of several alcohols and / or alcohols with a carbon content of C4 to C10, branched and unbranched, including polyvalent ones Alcohols, or mixtures thereof, and mixtures with water, particularly preferably glycol and glycerol.
  • organic material or “functional material” or * functional polymer ”here encompasses all types of organic, organometallic and / or organic-inorganic plastics (hybrids), in particular those which are referred to in English, for example, as“ plastics ” all types of substances with the exception of the semiconductors that form the classic diodes (germanium, silicon) and the typical metallic conductors. Accordingly, a restriction in the dogmatic sense to organic material as carbon-containing material is not intended, but rather is The term is not intended to be subject to any restriction with regard to the molecular size, in particular to polymeric and / or oligomeric materials, but the use of "small molecules” is also entirely possible. polymer "in the functional polymer is due to historical reasons and therefore contains no information about the previous are an actually polymeric compound and no statement as to whether it is a polymer mixture or a copolymer or not.
  • the main advantage of the conductive polymer (PEDOT) in ethylene glycol described here is that replacing the water with ethylene glycol significantly increases the conductivity. The reason for this increase has not yet been clarified. On the one hand it can lead to the formation of agglomerates during the replacement of the solvent, on the other hand the addition of ethylene glycol to the PEDOT / PSS chains can lead to improved electricity transport through the formation of hydrogen bonds.
  • PEDOT conductive polymer
  • PEDOT is used as an anode (replacement for ITO) in the field of OLEDs and solar cells on flexible Substrates used.
  • the anode can be applied in a structured manner using an existing printing process, the required conductivity being as close as possible to that of the ITO.
  • the new material can be used very well:
  • PEDOT In the area of organic transistors, highly conductive PEDOT is required in order to implement electrical leads or the source drain electrodes on a polymer basis. - In the field of organic solar cells or detectors, PEDOT is used as an electrode, supply line and as a recombination layer for tandem cells. - In the field of electronic components in general for diodes, resistors for IC + boards
  • Highly conductive PEDOT can also be used for both electrodes in a sandwich device (also for inverted construction).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material für eine leitfähige organische Funktionsschicht, insbesondere eine auf der Basis von PEDOT-PSS [Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene-sulfonate)]. Durch Ersatz des Lösungsmittels wird die Leitfähigkeit signifikant erhöht.

Description

Beschreibung
Material zur Herstellung einer leitfähigen organischen Funk¬ tionsschicht und Verwendung dazu
Die Erfindung betrifft ein Material für eine leitfähige organische Funktionsschicht, insbesondere eine auf der Basis von PEDOT-PSS [Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrene- sulfonate) ] .
Bekannt sind Lösungen PEDOT-PSS mit verschiedenen, auch Gly- kol enthaltenden, Lösungsmitteln, beispielsweise aus der DE 197 57 542. Nachteilig an diesen PEDOT-PSS enthaltenden Materialien ist, dass die Leitfähigkeit durch Zugabe von Lösungs- mittelzusätzen oder weiteren Zusätzen modifiziert wurde. Dadurch ergeben sich nachteilige Effekte auf die Druckbarkeit der Polymerschichten, wobei die Leitfähigkeit immer noch nicht optimiert ist.
Sowohl für organische Solarzellen, Detektoren, oder Transistoren sowie für organische Leuchtdioden auf flexiblen Substraten wird ein hochleitfähiges Funktionspolymer benötigt. Im Falle der OLEDs und der Solarzellen dient dieses Polymer als Anode. Bei der Verwendung in organischen Feldeffekt- Transistoren kann dieses PEDOT als Material für die Source- Drain Elektroden eingesetzt werden Derzeit wird ITO (Indium- tin-oxide) als ein Anodenmaterial eingesetzt, was durch fehlende Flexibilität (Biegsamkeit ist durch keramische Struktur begrenzt) nicht auf flexiblen Kunststoffsubstraten eingesetzt werden kann. Die leitfähigen Eigenschaften des dafür verwendeten Polymers (z.B. PEDOT) sollen denen des ITO sehr nahe kommen, um gleiche Performance Eigenschaften der Bauelemente zu erzielen.
ITO hat eine Leitfähigkeit im Bereich von 104 S/cm und erreicht mit einer Schichtdicke von 120 nm einen Oberflächenwiderstand von 20 Ohm/square. Kommerziell erhältliches PEDOT erreicht derzeit 8 von der Firma Bayer bzw. nun HC Starck) bis zu 10 S/cm und von der Firma Agfa (Orgacon Folie) 120 S/cm. Die verwendeten Dispersionen aus PEDOT/PSS sind derzeit wasserbasierend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Material zur Verfügung zu stellen, das auf der Basis von PEDOT-PSS eine optimierte Leitfähigkeit hat.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein Ersatz des Lösungsmittels eine gesteigerte Leitfähigkeit des Materials bewirkt, ohne die Verarbeitbarkeit, insbesondere die Druckbarkeit des Materials zu verschlechtern.
Gegenstand der Erfindung ist ein Material zur Herstellung einer organischen Funktionsschicht auf der Basis von PEDOT-PSS, bei dem die Leitfähigkeit durch Ersatz des Lösungsmittels, also Substitution des ersten Lösungsmittels durch ein zweites Lösungsmittel, optimiert ist.
Nach einer Ausführungsform wird als zu ersetzendes „erstes Lösungsmittel'" Wasser oder ein sonstiges stark polares Lösungsmittel verwendet.
Als „erstes Lösungsmittel* wird das Lösungsmittel bezeichnet, in dem das Funktionspolymer, PEDOT-PSS, hergestellt wird. Als „zweites Lösungsmittel wird dementsprechend dann das Lösungsmittel bezeichnet, das letztendlich im Material vorliegt, in dem das Funktionspolymer die optimierte Leitfähig- keit zeigt.
Nach einer Ausführungsform wird als zweites Lösungsmittel eine glykolhaltige Verbindung wie Ethylenglykol oder ein sonstiger Alkohol eingesetzt, insbesondere auch Mischungen mehre- rer Alkohole, und/oder Alkohole mit einem Kohlenstoffgehalt von C4 bis C10, verzweigt und unverzweigt, auch mehrwertige Alkohole, bzw. Gemische daraus, sowie Gemische mit Wasser, besonders bevorzugt Glycol und Glycerol.
Der Begriff "organisches Material" oder "Funktionsmaterial" oder * Funktionspolymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen (Hybride) , insbesondere die, die im Englischen z.B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium) , und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthal- tendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Wei- terhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und ent- hält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung und keine Aussage darüber, ob es sich um ein Polymergemisch oder ein Copolymer handelt oder nicht.
Der Hauptvorteil des hier beschriebenen leitfähigen Polymers (PEDOT) in Ethylenglykol ist, dass durch das Ersetzen des Wassers durch Ethylenglykol die Leitfähigkeit signifikant erhöht wird. Die Ursache für diese Erhöhung ist derzeit noch nicht geklärt. Zum einen kann es zur Bildung von Agglomeraten bei der Ersetzung des Lösungsmittels führen, andererseits kann die Anlagerung von Ethylenglykol an die PEDOT/PSS Ketten durch Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zu verbessertem Stromtransport führen.
Es gibt zahlreiche Anwendungen für PEDOT im Gebiet der Polymerelektronik. Beispielsweise wird PEDOT als Anode (Ersatz für ITO) im Bereich der OLEDs und Solarzellen auf flexiblen Substraten eingesetzt. In diesem Fall kann die Anode mit einem existierenden Druckprozess direkt strukturiert aufgebracht werden, wobei die geforderte Leitfähigkeit der des ITO möglichst nahe kommt.
Überraschend ist, dass durch Ersatz des Lösungsmittels, (z.B. Wasser durch Ethylenglykol) die Leitfähigkeit um zwei Größenordnungen ansteigt.
Das neue Material kann ganz herausragend eingesetzt werden:
Im Bereich der organischen Solarzellen und Transistoren: dort werden ganz spezielle Anforderungen an die Leitfähigkeit der PEDOT Schichten gestellt, die mittels dieser Er- findung auch für die verschiedenen Druckprozesse erfüllt werden können.
Im Bereich der organischen Transistoren wird hochleitfähi- ges PEDOT benötigt, um elektrische Zuleitungen bzw. die Source drain Elektroden auf Polymerbasis zu realisieren. - Im Bereich der organischen Solarzellen oder Detektoren wird PEDOT als Elektrode, Zuleitung und als Rekombinationsschicht für Tandemzellen eingesetzt. - Im Bereich der elektronischen Bauteile allgemein für Dioden, Widerstände für IC+Boards
Hochleitfähiges PEDOT kann auch für beide Elektroden bei einer Sandwich-device (auch für invertierten Aufbau) hergenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Material zur Herstellung einer leitfähigen organischen Funktionsschicht auf der Basis von PEDOT-PSS, bei dem die Leitfähigkeit durch Ersatz des Lösungsmittels, also durch Substitution eines ersten Lösungsmittels durch ein zweites Lösungsmittel, optimiert ist.
2. Material nach Anspruch 1, bei dem das erste Lösungsmittel Wasser oder ein sonstiges stark polares Lösungsmittel ist.
3. Material nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das zweite Lösungsmittel eine glycolhaltige Verbindung wie Ethylenglykol oder ein sonstiger Alkohol ist, insbesondere auch Mischungen mehrerer Alkohole, und/oder Alkohole mit einem
Kohlenstoffgehalt von C4 bis CIO, verzweigt und unverzweigt, auch mehrwertige Alkohole, bzw. Gemische daraus, sowie Gemische mit Wasser, besonders bevorzugt Glycol und Glycerol.
4. Verwendung eines Materials nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung einer Elektrode und/oder einer elektrischen Zuleitung.
5. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das Material durch Ver- arbeitungsmethoden wie spin-coating, Druckverfahren wie Siebdruck, Tintenstrahldruck, offset, Tampondruck, Flexodruck oder Rakelverfahren aufgebracht wird.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Material durch einen Druckprozess strukturiert aufgebracht wird.
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