用于有机异质结太阳能电池的新型吸收剂制造技术

本发明专利技术涉及一种包含给体物质和受体物质的光活性材料，其中：所述给体物质包含或者由一种或多种下文所述的式(I)化合物组成，或者所述受体物质包含或者由一种或多种下文所述的式(I)化合物组成，或者所述给体物质包含或者由下文所述的第一式(I)化合物组成且所述受体物质包含由下文所述的第二式(I)化合物，条件是第一和第二化合物不同；以及一种包含所述光活性材料的有机太阳能电池或光检测器。本发明专利技术还涉及一种包含或者由两个或更多个含所述光活性材料的有机太阳能电池构成的光电转换器件；以及下文所述的式(I)化合物，其用作光活性材料中的给体物质或受体物质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及一种包含给体物质和受体物质的光活性材料，其中所述给体物质包含或者由一种或多种下文所述的式(I)化合物组成，或者所述受体物质包含或者由一种或多种下文所述的式(I)化合物组成，或者所述给体物质包含或者由下文所述的第一式(I)化合物组成且所述受体物质包含下文所述的第二式(I)化合物，条件是第一和第二化合物不同；以及包含所述光活性材料的有机太阳能电池或光检测器。本专利技术还涉及一种包含或者由两个或更多个包含所述光活性材料的有机太阳能电池组成的光电转换器件，以及在光活性材料中用作给体物质或受体物质的下文所述的式(I)化合物。现有技术描述日益增长的全球能量需求和日益提高的对未来清洁和可持续能量解决方案的关注使得人们以极大的兴趣探求由可再生源产生能量。由于日益减少的化石原料和在这些原料燃烧中形成且作为温室气体的CO2，由日光直接产生能量所起的作用日益提高。由于太阳给予我们远超过满足我们目前和未来能量需求所需的大量能量这一事实，在所有可利用的可再生能源中，光伏或将日光转换成电能的方法极为重要。“光伏”应理解为意指将辐射能，主要是太阳能直接转换成电能。利用日光的常规方式是使用通常由硅(呈单晶、多晶或无定形硅的形式)制成的太阳能电池，或者使用薄膜技术如CdTe、CIGS等。诸如该能量转换方法的高成本、原料的有限可得性和一些所用材料如Cd的毒性的因素妨碍了它们在利用太阳的巨大潜力方面的广泛应用。一种有希望的太阳能转换替代方法是使用有机碳基材料代替光伏工业中所用的常规无机材料。可用于该目的的碳基材料或所谓的有机染料具有某些相对于常规无机物的优点，例如作为强光吸收剂的有机染料可比其无机对应物更有效地吸收光。其结果是仅需要少量材料来制备太阳能电池。此外，它们易于加工；有机染料的薄层可通过湿法印刷或热蒸发方法容易地形成。与无机太阳能电池相反，在有机太阳能电池中，光不直接在有机太阳能电池中产生自由载流子，而是首先形成激子，即呈电子-空穴对形式的电中性激发态。这些激子仅可借助极高的电场或者在合适的界面处分离。在有机太阳能电池中，不能提供足够高的场，因此有机太阳能电池的所有现有理念均基于激子在光活性界面(有机给体-受体界面或者与无机半导体的界面)处的分离。为此，必要的是在有机材料体积中产生的激子可扩散至该光活性界面。因此，在有机太阳能电池中，激子至活性界面的扩散起着关键的作用。为了有助于光电流，良好有机太阳能电池中的激子扩散长度必须至少为光的典型渗透深度的数量级，从而使得可利用大部分光。有机太阳能电池的效率由其开路电压Voc表征。其他重要特性是短路电流Isc、填充因子FF以及所得的效率η。具有数个百分比效率的首个有机太阳能电池由Tang等于1986年描述(CW.Tang等，Appl.Phys.Lett.1986，48，183)。其由具有酞菁铜(CuPc)作为给体物质(p-半导体)和苝-3,4,9,10-四甲酸双咪唑(PTCBI)作为受体物质(n-半导体)的两层体系组成。有机光伏器件的目前目标是提供新一代的太阳能电池，其比由硅或其他无机半导体如硒化镉铟或碲化镉组成的太阳能电池显著更廉价。为此，额外需要合适的半导电光吸收性材料。一种吸收大量光且获得良好效率的方式是使用就光吸收而言互补的半导体材料配对，例如包含短波吸收性n-半导体和长波吸收性p-半导体。该理念也基于前文所述的首个有机太阳能电池(称为Tang电池)。尽管许多富勒烯化合物仅微弱地吸收光，然而发现当将富勒烯或富勒烯衍生物如C60或C72用作n-半导体时，可制得有效的太阳能电池。此外还已知使用弱吸收性半导体材料来构建两个彼此叠置的太阳能电池。在这种情况下，一个电池包含弱吸收性半导体和与其互补的半导体的组合，其吸收短波辐射；另一个电池包含弱吸收性半导体和与其互补的半导体的组合，其吸收长波辐射。对于与富勒烯或富勒烯衍生物组合的该类叠层电池而言，需要两种合适的p-半导体，其中一种吸收短波辐射且一种吸收长波辐射。发现合适的半导体组合并非是无关紧要的。在叠层电池中，各组件的开路电压Voc是加和性的。总电流受到具有最低短路电流Isc的组成电池的限制。因此，各电池的两种半导体材料必须彼此相对地精确调节。因此，非常需要具有长波吸收的p-半导电有机吸收剂材料以用于在有机太阳能电池中与富勒烯或富勒烯衍生物组合，尤其是用于具有高开路电压和可接受短路电流的叠层电池中。有鉴于此，科学界对寻找光能转换的替代材料的兴趣一直在增长。因此，持续寻找包括有机(半导电)小分子和聚合物在内的新型材料。与共轭聚合物相比，小分子半导体在有机太阳能电池应用中具有若干固有优势。它们是单分散的，具有确定的分子结构，且还易于合成和纯化。对新型有机半导体小分子的追求导致了对作为给体材料的若干有机染料类别的研究，这包括酞菁类、卟啉类、部花青类、有机并苯类、低聚噻吩类、斯夸苷类、萘嵌苯类(rylenes)、六苯并晕苯、BODIPY染料等。这些给体或p-型半导电吸收剂材料可进一步基于其结构细分，即给体(D)、给体-受体-给体(D-A-D)、受体-给体-受体(A-D-A)、给体-受体-给体-受体-给体(D-A-D-A-D)和受体-给体-受体-给体-受体(A-D-A-D-A)，其中“D”表示富含电子的给体片段，“A”表示缺电子的受体片段。通过仔细选择给体和受体片段，可调节这些分子的电子和光物理性质。经研究以用于有机太阳能电池中的各种有机小分子以及器件结构的详细总结可参见公开文献，例如“Smallmoleculesemiconductorsforhigh-efficiencyorganicphotovoltaics”，YuzeLin，YongfangLia和XiaoweiZhan，Chem.Soc.Rev.2012，41，4245-4272；“Smallmoleculeorganicsemiconductorsonthemove：Promisesforfuturesolarenergytechnology”，AmareshMishra和PeterBaeuerle，Angew.Chem.Int.Ed.2012，51，2020-2067；“Small-moleculesolarcells-Statusandperspectives”，M.Riede，T.Mueller，WTress，R.Schueppel和K.Leo，Nanotechnology2008，19，424001。现已令人惊讶地发现下文所定义的式(I)化合物可有利地适于在有机光伏器件中作为电子给体(p-半导体、空穴传导体)。它们本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含给体物质和受体物质的光活性材料，其中：a.所述给体物质包含或者由一种或多种式(I)化合物组成，或者b.所述受体物质包含或者由一种或多种式(I)化合物组成，或者c.所述给体物质包含或者由第一式(I)化合物组成，且所述受体物质包含第二式(I)化合物，条件是第一和第二化合物不同，其中在式(I)中，各A和B彼此独立地分别表示包含以*标记的碳原子的5或6元环；其中各环A和B彼此独立地为：(i)芳族或杂芳族的，(ii)未取代的或取代的，且(iii)未稠合的或者与不包含以*标记的碳原子的一个或多个其他环稠合，或者通过一个共用原子与一个或多个其他环连接，从而获得螺化合物，X1，X2彼此独立地选自氢和取代基，Y1，Y2彼此独立地选自O、S、NR1、PR1、Se和Te，其中：各R1独立地选自H、具有1‑24个碳原子的未取代烷基、包括取代基在内具有1‑24个碳原子的取代烷基、具有2‑18个碳原子的未取代链烯基、包括取代基在内具有2‑18个碳原子的取代链烯基、具有2‑18个碳原子的未取代炔基、包括取代基在内具有2‑18个碳原子的取代炔基、具有3‑8个碳原子的未取代环烷基、包括取代基在内具有3‑8个碳原子的取代环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、未取代的杂芳基和取代的杂芳基。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.23 EP 13181536.71.一种包含给体物质和受体物质的光活性材料，其中：
a.所述给体物质包含或者由一种或多种式(I)化合物组成，或者
b.所述受体物质包含或者由一种或多种式(I)化合物组成，或者
c.所述给体物质包含或者由第一式(I)化合物组成，且所述受体物质包含第二式(I)化
合物，条件是第一和第二化合物不同，
其中在式(I)中，
各A和B彼此独立地分别表示包含以*标记的碳原子的5或6元环；
其中各环A和B彼此独立地为：
(i)芳族或杂芳族的，
(ii)未取代的或取代的，且
(iii)未稠合的或者与不包含以*标记的碳原子的一个或多个其他环稠合，或者通过一
个共用原子与一个或多个其他环连接，从而获得螺化合物，
X1，X2彼此独立地选自氢和取代基，
Y1，Y2彼此独立地选自O、S、NR1、PR1、Se和Te，
其中：
各R1独立地选自H、具有1-24个碳原子的未取代烷基、包括取代基在内具有1-24个碳原
子的取代烷基、具有2-18个碳原子的未取代链烯基、包括取代基在内具有2-18个碳原子的
取代链烯基、具有2-18个碳原子的未取代炔基、包括取代基在内具有2-18个碳原子的取代
炔基、具有3-8个碳原子的未取代环烷基、包括取代基在内具有3-8个碳原子的取代环烷基、
未取代的芳基、取代的芳基、未取代的杂芳基和取代的杂芳基。
2.根据权利要求1的光活性材料，其中所述给体物质和受体物质为给体-受体双层的相
应层的一部分或者为给体-受体混合层(本体异质结，BHJ)的一部分。
3.根据权利要求1或2的光活性材料，其中各环A和B彼此独立地(iii)与不包含以*标记
的碳原子的一个或多个其他未取代或取代的环稠合，其中所述一个或多个其他环各自彼此
独立地为非芳族的、芳族的或杂芳族的。
4.根据权利要求1-3中任一项的光活性材料，其中X1，X2彼此独立地选自H、D、F、Cl、Br、
I、NO2、CN、OH、C(O)OR1、OC(O)OR1、NR1C(O)NR2R3、C(O)NR2R3、S(O)R1、SO2R1、SO3R1、OSO3R1、
COR1、SiR1R2R3、P(O)R1R2、P(O)OR1OR2、OR1、SR1、NR2R3、具有1-24个碳原子的未取代烷基、包括
取代基在内具有1-24个碳原子的取代烷基、具有2-18个碳原子的未取代链烯基、包括取代
基在内具有2-18个碳原子的取代链烯基、具有2-18个碳原子的未取代炔基、包括取代基在
内具有2-18个碳原子的取代炔基、具有3-8个碳原子的未取代环烷基、包括取代基在内具有
3-8个碳原子的取代环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、未取代的杂芳基和取代的杂芳基，
其中：
(iii)R1，R2，R3彼此独立地选自H、具有1-24个碳原子的未取代烷基、包括取代基在内具
有1-24个碳原子的取代烷基、具有2-18个碳原子的未取代链烯基、包括取代基在内具有2-
18个碳原子的取代链烯基、具有2-18个碳原子的未取代炔基、包括取代基在内具有2-18个
碳原子的取代炔基、具有3-8个碳原子的未取代环烷基、包括取代基在内具有3-8个碳原子
的取代环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、未取代的杂芳基和取代的杂芳基；
或者
(iv)R1具有在(i)下所定义的含义，且
R2和R3一起且与连接R2和R3的原子组合地构成芳族或杂芳族或脂族5-8元环。
5.根据权利要求4的光活性材料，其中在式(I)中，X1，X2彼此独立地选自H、F、Cl、Br、I、
NO2、CN、C(O)OR1、C(O)NR2R3、SiR1R2R3、具有1-12个碳原子的未取代烷基、包括取代基在内具
有1-12个碳原子的取代烷基、具有6-18个碳原子的未取代芳基、包括取代基在内具有6-18
个碳原子的取代芳基、具有4-12个碳原子的未取代杂芳基和包括取代基在内具有4-12个...

【专利技术属性】
技术研发人员：田边纯一，西前祐一，C·艾克霍夫，P·埃尔克，R·森斯，R·森德，S·桑德拉伊，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE