光电部件

申请号 CN201480016298.3 申请日 2014-02-21 公开(公告)号 CN105308768B 公开(公告)日 2017-12-29
申请人 赫里亚泰克有限责任公司; 发明人 卡斯滕·瓦尔策; 马丁·法伊弗; 安德烈·魏斯; 克里斯蒂安·乌里希; 玛丽埃塔·列维奇科娃; 京特·马特斯;
摘要 本 发明 涉及一种包括光敏层的光电部件,该光敏层被安排在 电极 与 对电极 之间。除了供体‑受体体系之外,该光敏层还包括第三材料,该第三材料影响该供体‑受体体系的结晶。该第三材料选自:冠醚、三联苯、山梨糖醇、喹吖啶 酮 以及双(4‑(叔丁基)苯甲酰‑ 氧 )‑羟基 铝 。冠醚是尤其优选的。
权利要求

1.光电部件(1),该光电部件包括至少一个布置在电极(3)与对电极(7)之间的光敏层
(5),其中该光敏层(5)包括含有至少三种材料的混合的多层,其中至少一种材料是由小分子构成的有机材料,其中至少一种材料是供体并且至少一种材料是受体,其中该供体和该受体形成供体-受体体系并且设置至少一种第三材料以便影响该供体和/或受体结晶的倾向,其特征在于,所述至少一种第三材料选自芳基冠醚、杂芳基冠醚和芳基-杂芳基冠醚。
2.如权利要求1所述的光电部件,其特征在于,该第三材料选自根据通式(Ia)或(Ib)或(II)的冠醚:
其中Ar=苯基、联苯基、三苯基、基、联萘基、3-6稠合的苯环,
Hetar=噻吩、吡咯、呋喃、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、三唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并噁唑、苯并噻唑、噻吩并噻吩、噻吩并吡咯、噻吩并呋喃、3-6稠杂环,
连接在各个苯环、萘环、稠合的苯环、以及杂芳环和稠合的杂芳环上的1,2-、1,3-和1,
4-位置上的醚桥,
m和n各自独立地是1、2、3、4、5、6,
o和p各自独立地是0、1、2、3、4、5、6,

其中Ar=苯基、联苯基、三苯基、萘基、联萘基、3-6稠合的苯环,
Hetar=噻吩、吡咯、呋喃、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、三唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并噁唑、苯并噻唑、噻吩并噻吩、噻吩并吡咯、噻吩并呋喃、3-6稠杂环,
连接在各个苯环、萘环、稠合的苯环、以及杂芳环和稠合的杂芳环上的1,2-、1,3-和1,
4-位置上的醚桥,
m和n各自独立地是1、2、3、4、5、6,
p和q各自独立地是1、2、3、4、5、6。
3.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料具有能级,在该能级下LUMO的量值<=该受体的LUMO的量值,并且HOMO的量值>=该供体的HOMO。
4.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料具有能级,其中该第三材料的LUMO的量值比光敏层(5)的受体材料的LUMO的量值低0.3eV,和/或该第三材料的HOMO的量值比光敏层(5)的供体材料的HOMO的能级的量值高0.3eV。
5.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料在光敏层(5)中的比例是0.1重量%<x<30重量%。
6.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料在光敏层(5)中的比例是0.1重量%<x<20重量%。
7.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料在光敏层(5)中的比例是0.1重量%<x<10重量%。
8.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该光敏层(5)中的至少一种供体材料是低聚物。
9.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料是低聚物。
10.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其包括的第三材料由于其分子结构使
供体相和/或受体相的结晶最小化。
11.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其包括的第三材料防止供体和/或受体
的结晶。
12.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其包括的第三材料由于其分子结构使
得在供体材料和/或受体材料中形成晶格缺陷
13.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其包括的第三材料设置在受体与供体
之间的最小间隔,其中该第三材料同时有助于该受体与供体的相分离。
14.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其包括的第三材料由于其分子结构促
进该供体和/或受体相的结晶。
15.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该第三材料在其分子结构中具有设置为亲富勒烯的第一区域和设置为疏富勒烯的第二区域,其中所述第一和第二区域设置有空间间隔。
16.如权利要求1或2所述的光电部件,其特征在于,所述冠醚是具有以下结构的化合
物:
其中在每种情况下:n和m各自独立地选自3、4和5,并且
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11和R12各自独立地选自H、CH3、C2H5、C3H7、C4H9、C5H11、C6H13、异丁基、CF3、C2F5、C3F7、C4F9、C5F11、C6F13、OH、O-CH3、CH2-O-CH3、CH2-O-CH2-CH3、CN、苯基、噻吩。
17.如权利要求2所述的光电部件,其特征在于,所述3-6稠合的苯环是蒽基、菲基或芘基。
18.如权利要求2所述的光电部件,其特征在于,所述3-6稠杂环是二噻吩并噻吩、二噻吩并吡咯、二噻吩并苯、二噻吩并环戊二烯或二吡咯并苯。
19.如权利要求1和2中任一项所述的光电部件,其特征在于,该光电部件(1)是有机太
阳能电池,所述有机太阳能电池是单电池、串联电池或并联电池。
20.如权利要求1至18中任一项所述的冠醚在光电部件的光敏层中用于影响光电部件
的光敏层的供体/受体体系中供体和/或受体结晶的用途。

说明书全文

光电部件

技术领域

[0001] 本发明涉及具有光敏层的光电部件,该光敏层布置在电极对电极之间。

背景技术

[0002] 光电部件,例如太阳能电池或LED、TFT等,现在在日常生活中并且在工业领域中获得广泛应用。
[0003] 例如,存在已知的薄膜太阳能电池,这些薄膜太阳电池具有一种柔性实施方案并且因此允许安排在弯曲表面上。这种类型的太阳能电池优选地具有由非晶(a-Si)或CIGS(Cu(In,Ga)(S,Se)2)组成的活性层
[0004] 这些薄膜太阳能电池的具体的缺点是由材料引起的高的生产成本。
[0005] 另外还已知的是具有柔性实施方案的具有有机活性层的太阳能电池(科纳卡光电塑料系列(KonarkaKonarka–Power Plastic Serie))。这些有机活性层可以由聚合物(例如US 7825326B2)或小分子(例如EP 2385556 A1)形成。然而聚合物的一个特征是它们不是可蒸发的并且因此仅可以从溶液施用,小分子是可蒸发的。
[0006] 与常规的无机基部件(半导体如硅、砷化镓)相比,此类有机基部件的优点是光学吸收系数中的一些是非常高的(最高达2×105cm-1),并且因此有可能以低的材料需求和能量消耗生产非常薄的太阳能电池。另外的技术方面是低的成本、在塑料薄膜上生产柔性大面积部件的可能性、以及有机化学的事实上无限制的变化选项和无限制的可用性。另一个优点是能够生产可以例如在玻璃应用中使用的透明部件的可能性。
[0007] 太阳能电池将光能转化为电能。在太阳能电池的情况下术语“光敏的”指的是光能到电能的转化。与无机太阳能电池相比,在有机太阳能电池中光不能直接地产生自由的电荷载流子;而是,首先形成激发子,即,电中性激发态(束缚的电子-空穴对)。仅在一个第二步骤中,这些激发子被分离成自由电荷载流子,然后这些自由电荷载流子有助于电流的流动。
[0008] 已经在文献中提出的实施有机太阳能电池的可能的方式是具有以下层结构的PIN二极管
[0009] 0.载流子,基材,
[0010] 1.底部触点,通常是透明的,
[0011] 2.一个或多个p层,
[0012] 3.一个或多个i层,
[0013] 4.一个或多个n层,
[0014] 5.顶部触点。
[0015] 在此背景下,n和p分别是指导致在热平衡状态下自由电子或空穴的密度增加的n-掺杂和p-掺杂。然而,由于材料的特性(例如不同的迁移率)、由于未知的杂质(例如来自层产生过程中的合成、分解或者反应产物的剩余的残余物)、或者由于环境影响(例如邻接的层、金属或其他有机材料的向内扩散、来自周围大气的气体掺杂),还可能的是该一个或多个n层以及一个或多个p层是至少部分名义上未掺杂的并且仅具有优先地n-传导特性或优先地p-传导特性。在此背景下,这种类型的层主要被认为是传输层。相比之下,术语“i层”指的是名义上未掺杂的层(本征层)。一个或多个i层在此可以是由或者一种材料或者两种或更多种材料的混合物组成的层(被称为互穿网络或本体异质结)。通过透明的底部接触进入的入射光在i层或n/p层中产生激发子(束缚的电子-空穴对)。仅通过非常高的电场或在适合的界面处可以将这些激发子分离。在有机太阳能电池中,足够高的场是难以获得的,并且因此用于有机太阳能电池的所有有希望的设计是基于在光敏界面上的激发子分离。这些激发子扩散至此类活性界面,其中电子和空穴彼此分离。接受这些电子的材料被称为受体,并且接受这些空穴的材料被称为供体。分离界面可以在该p(n)层与该i层之间,或者在两个i层之间。在太阳能电池中的安装的电场中,然后电子被传输离开到该n区域并且空穴被传输离开到该p区域。优选地,传输层是透明的或基本上透明的具有大带隙(宽隙)的材料,如例如在WO 2004083958中描述的。宽隙材料在此指的是在<450nm、优选地<400nm的波长范围内具有最大吸收的材料。
[0016] 调节LUMO能级或HOMO能级的手段是本领域技术人员已知的,因为具有不同的HOMO和LUMO的能级位置的非常多的有机材料是已知的。因此该调节通过选择并且使用一种具有所希望的HOMO和LUMO的能级位置的材料进行。此外,例如通过吸电子基团或供电子基团的结合,有可能降低或增加有机材料的HOMO和LUMO能级并且因此根据要求调节材料。
[0017] 因为光总是首先产生激发子并且尚不产生任何自由的电荷载流子,激发子至该活性界面的低复合扩散在有机太阳能电池中起关键作用。
[0018] 如果该i层是一种混合层,则光吸收的功能或者由这些组分中的仅仅一种亦或由两种承担。混合层的优点是在所产生的激发子到达其中它们被分离的域边界之前它们必须仅仅覆盖非常短的距离。这些电子和空穴分别被传输离开进入对应的材料中。因为这些材料在整个混合层中接触,在这个概念的情况下关键的是分开的电荷在特别的材料上具有长的寿命,并且对于两种电荷载流子类型存在从任何点至对应的接触的连续的渗流路径。
[0019] 至今,在小分子的领域中,吸收层的厚度已经被限制至约30-40nm(在最好的情况下60nm),然而在保持良好的填充因数(FF)(>60%)下,最高达200nm在聚合物领域中是可能的。原因是与聚合物相比,电荷载流子在SM-OPV(包含小分子的有机太阳能电池)中的较差的传输,因为不存在链上的传输。在包含小分子的有机太阳能电池的领域中,至今通过越来越高的消光系数(在溶液中,最高达100 000或更高)已经解决了该问题,越来越高的消光系数已经导致与良好的FF结合的良好的效率。然而,因为菁蓝限制,这不能够无限的改进。因此,存在对解决方案的寻找,通过这些解决方案,混合的供体-受体层(被称为本体异质结,BHJ)可以制得更厚,以便增加量子产率。

发明内容

[0020] 本发明的目的是详细说明光电部件以及用于制造具有改进的量子产率的光电部件的方法。
[0021] 通过该光敏层的层厚度的增加可能实现增加的量子产率。然而,在此的问题是在低聚物单元上的扭转以及过度结晶的发生,这经常导致短路
[0022] 因此,根据本发明,提出了光电部件,该光电部件包括至少一个光敏层,其中该光敏层包括含有至少三种材料的混合的多层,其中至少一种有机材料是由小分子构成的,其中至少一种材料是供体并且至少一种材料是受体,其中该供体和该受体形成一种供体-受体体系其中设置至少一种第三材料以便影响该供体和/或受体结晶的倾向。
[0023] 在本发明的上下文中,小分子应理解为是指具有在100与2000之间的单分散摩尔质量的非聚合的有机分子,这些分子在标准压(周围大气的空气压力)下并且在室温下处于固相。更具体地,这些小分子还可能是光敏的,“光敏的”应理解为是指当供应能量时这些分子经受荷电状态的改变。能量供应应理解为是指光能量供应(例如可见光或UV光)亦或电能供应。
[0024] 在本发明的一个实施形式中,该第三材料具有能级,在该能级下LUMO的量值<=该受体的LUMO,并且HOMO的量值>=该供体的HOMO。根据图30,因此该第三材料的HOMO与LUMO之间的差值大于或至少等于该供体的HOMO与该受体的LUMO之间的差值。
[0025] 术语“HOMO”和“LUMO”像往常在化学中一样应理解为是指最高已占分子轨道和最低未占分子轨道。术语涉及单独的分子以及固体或材料薄膜两者。HOMO和LUMO的能级可以按照本领域技术人员已知的方式确定,例如通过循环伏安法(CV)或紫外光电子能谱(UPS)。
[0026] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料具有能级,其中该第三材料的LUMO的量值优选地比该光敏层的受体材料的LUMO低0.3eV和/或该第三材料的HOMO的量值比该光敏层的供体材料的HOMO的能级的量值高0.3eV。
[0027] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料在该光敏层中的比例是<10%。
[0028] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料在该光敏层中的比例是在10%与50%之间。
[0029] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料在该光敏层中的比例是0.1重量%
[0030] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料同时改进在该光敏层内的电荷传输。
[0031] 在本发明的另一个实施形式中,该光敏层中的至少一种供体材料是低聚物。
[0032] 在本发明的上下文中,低聚物应理解为是指非聚合的有机分子,这些非聚合的有机分子具有在100与2000之间的单分散的摩尔质量并且在标准压力(周围大气的空气压力)下并且在室温下处于固相。
[0033] 在本发明的另一个实施形式中,在该光敏层中的至少一种供体材料D1是低聚物,其中该供体材料D1的HOMO的量值等于该第三材料的HOMO的量值,并且该供体材料D1的LUMO的量值等于该第三材料的LUMO的量值。
[0034] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料是低聚物。
[0035] 在本发明的另一个实施形式中,设置该第三材料以便防止供体和/或受体的结晶。同时,该第三材料可能是空穴导体、电子导体或双极性传输材料,其中后者还可能例如是电子和空穴导体的混合物。
[0036] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料,由于其分子结构,使该供体和/或受体相的结晶最小化。凭借供体和受体的更好的混合,更多的激发子有可能达到分离的界面并且被分离成电荷载流子并且因此有助于电流。
[0037] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料的分子结构基本上类似于该供体材料D1的分子结构,其结果是该第三材料充当在该供体材料D1中的晶格缺陷,并且因此该供体材料D1不像纯相一样太显著地结晶。
[0038] 晶格缺陷(还称为晶格不完美或晶体缺陷)指的是在另外周期性的晶格中的任何不规则性。晶格不完美的存在将真实晶体与理想晶体的理论模型区别开来。晶格不完美对于晶体的很多特性,尤其对于在该晶体内的化学反应性、质量传递和扩散,以及对于其机械特性具有根本意义。参考缺陷区域的空间范围分类这些晶格缺陷。鉴定空间维度的数目,在这些空间维度中晶格缺陷具有多于一个原子范围。以这种方式,区别零至三维的晶格缺陷。
[0039] 在本发明的一个实施形式中,设置该第三材料的分子结构使得该第三材料在该供体和/或受体材料中引起晶格缺陷。
[0040] 在本发明的一个实施形式中,该第三材料的分子结构基本上类似于该受体材料A1的结构,其结果是该第三材料充当在该受体材料A1中的晶格缺陷,并且因此该受体材料A1不像纯相一样太显著地结晶。
[0041] 在本发明的另一个实施形式中,设置该第三材料使得改进供体材料和/或受体材料的结晶。在这种情况下,该第三材料确保相分离并且因此通过生成更多连续的传导路径改进在单独相中的电荷传输。例如通过在该三层混合层中的减小的光致发光信号(与没有该第三材料的相比),可以证明改进的相分离。
[0042] 在本发明的另一个实施形式中,选择该第三材料使得该第三材料形成在该受体与供体之间的最小间隔,其中该第三材料同时有助于该受体与供体的相分离。因此,可以减小“偕复合(geminal recombination)”的问题。
[0043] 在本发明的上下文中,偕复合应理解为是指已经分离的电荷载流子彼此复合。
[0044] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料在其分子结构中具有设置为亲富勒烯(fullerenophilic)的第一区域和设置为疏富勒烯(fullerenophobic)的第二区域,其中这些第一和第二区域设置有空间间隔。
[0045] 在本发明的上下文中,亲富勒烯的应理解为是指具有亲近富勒烯(C60、C70等)的偏好的分子结构或分子结构的至少一部分。
[0046] 在本发明的上下文中,疏富勒烯的应理解为是指具有远离富勒烯(C60、C70等)的偏好的分子结构或分子结构的至少一部分。
[0047] 在本发明的另一个实施形式中,该光电部件在电极与对电极之间具有多于一个光敏层。该部件可呈现例如串联电池或三电池(triple cell)的形式。因为入射光通过在该部件内的若干光敏层,这尤其是有利的。特别有利地,不同的吸收层彼此匹配,这些吸收层具有不同的吸收极大值。这使得该入射光的有效利用成为可能。
[0048] 在本发明的另一个实施形式中,作为受体,这些光敏层中的至少一个包括来自富勒烯或富勒烯衍生物的组的材料。
[0049] 在本发明的另一个实施形式中,至少一个掺杂的、部分掺杂的或未掺杂的传输层布置在电极与对电极之间。
[0050] 在本发明的另一个实施形式中,该光电部件至少在某一光波长范围内是半透明的。
[0051] 在本发明的另一个实施形式中,该光电部件是有机太阳能电池。
[0052] 在本发明的另一个实施形式中,该部件是pin单电池、pin串联电池、pin并联电池、nip单电池、nip串联电池或nip并联电池。
[0053] 在本发明的另一个实施形式中,该部件由nip、ni、ip、pnip、pni、pip、nipn、nin、ipn、pnipn、pnin或pipn结构的组合组成,其中堆叠包含至少一个i层的多个独立的组合。
[0054] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料选自下组,该组由以下各项组成:冠醚、三联苯(triphenyle)、山梨糖醇、喹吖啶、双(4-(叔丁基)苯甲酰-)-羟基
[0055] 在本发明的另一个实施形式中,作为该第三材料,选择具有通式(Ia和Ib)的冠醚。
[0056]
[0057] 其中Ar=苯基、联苯基、三苯基、基、联萘基、3-6稠合的苯环(例如蒽基、菲基、芘基)
[0058] Hetar=噻吩、吡咯、呋喃、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、三唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、苯并噻吩类、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噁唑、苯并噻唑、噻吩并噻吩、噻吩并吡咯、噻吩并呋喃、3-6稠杂环、二噻吩并噻吩、二噻吩并吡咯、二噻吩并苯、二噻吩并环戊二烯、二吡咯并苯,
[0059] 连接在各个苯环(邻位、间位和对位)、萘环、稠合的苯环、以及杂芳环和稠合的杂芳环上的1,2-、1,3-和1,4-位置上的醚桥,
[0060] m和n各自独立地是1、2、3、4、5、6,
[0061] o和p各自独立地是0、1、2、3、4、5、6。
[0062] 更具体地,使用二苯并冠醚和二萘并冠醚以及混合的苯并/萘并冠醚。优选的是具有以下结构的化合物:
[0063]
[0064]
[0065] 其中在每种情况下:n和m各自独立地选自3、4和5,并且
[0066] R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11和R12各自独立地选自H、CH3、C2H5、C3H7、C4H9、C5H11、C6H13、异丁基、CF3、C2F5、C3F7、C4F9、C5F11、C6F13、OH、O-CH3、CH2-O-CH3、CH2-O-CH2-CH3、CN、苯基、噻吩。
[0067] 在本发明的一个实施形式中,这些冠醚具有以下通式(II):
[0068]
[0069] 其中Ar=苯基、萘基、联苯基、三苯基、萘基、联萘基、3-6稠合的苯环、蒽基、菲基、芘基,
[0070] Hetar=噻吩、吡咯、呋喃、噻吩并噻吩、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、三唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、苯并噻吩类、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并吡咯、苯并呋喃、苯并噁唑、苯并噻唑、噻吩并噻吩、噻吩并吡咯、噻吩并呋喃、3-6稠杂环、二噻吩并噻吩、二噻吩并吡咯、二噻吩并苯、二噻吩并环戊二烯、二吡咯并苯,
[0071] 连接在各个苯环(邻位、间位和对位)、萘环、稠合的苯环、以及杂芳环和稠合的杂芳环上的1,2-、1,3-和1,4-位置上的醚桥,
[0072] m和n各自独立地是1、2、3、4、5、6,
[0073] p和q各自独立地是1、2、3、4、5、6。
[0074] 特别优选的是具有以下结构的化合物:
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 在本发明的一个实施形式中,这些冠醚选自:芳基-和杂芳基冠醚以及稠合的芳基-和稠合的杂芳基冠醚,优选地二芳基-和二杂芳基冠醚以及混合的芳基-和杂芳基冠醚,更优选地二苯并冠醚、二萘并冠醚以及混合的苯并-萘并-冠醚。芳基冠醚由至少一个芳基组成,但是还可具有二环、三环和多环的芳香族基。其中的芳基基础骨架的两个原子与单乙氧基、二乙氧基、三乙氧基、四乙氧基、五乙氧基和六乙氧基基团连接以形成一个环。稠合的芳基冠醚由至少一个二环芳香族烃基组成,但是还可具有三环和多环的芳香族烃基。其中的稠合的基础骨架的两个碳原子与单乙氧基、二乙氧基、三乙氧基、四乙氧基、五乙氧基和六乙氧基基团连接以形成环。稠合的杂芳基冠醚由至少一个具有至少一个苯环的杂芳环或稠合到其上的另一个杂芳环组成,但是还可具有三环和多环的杂芳香族烃基。其中的稠合的基础骨架的两个碳原子与单乙氧基、二乙氧基、三乙氧基、四乙氧基、五乙氧基和六乙氧基基团连接以形成环。二芳基冠醚由彼此连接的两个非稠合的(单独的)芳基通过烷氧基桥以冠形式组成。这些烷氧基单元由一个至六个乙氧基组成。稠合的二芳基冠醚由彼此连接的两个稠合的芳基通过两个烷氧基桥以冠形式组成。这些烷氧基单元由一个至六个乙氧基组成。稠合的二杂芳基冠醚由彼此连接的两个稠合的杂芳基通过两个烷氧基桥以冠形式组成。这些烷氧基单元由一个至六个乙氧基组成。芳基-杂芳基冠醚由彼此连接的芳基和杂芳基两者通过两个烷氧基桥以冠形式组成。这些烷氧基单元由一个至六个乙氧基组成。
[0083] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料是山梨糖醇。优选的是具有以下结构的化合物:
[0084]
[0085] 其中R1和R2各自独立地选自H、CH3、C2H5和
[0086]
[0087]
[0088] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料是喹吖啶酮。优选的是具有以下结构的化合物:
[0089]
[0090] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料是具有以下结构的双(4-叔丁基)苯甲酰-氧)-羟基铝:
[0091]
[0092] 在本发明的另一个实施形式中,该第三材料是具有以下结构的三联苯:
[0093]
[0094] 其中R1至R6各自独立地选自H、OH、OCH3、OOCH3,其中至少三个氧存在于该分子中。
[0095] 优选的是具有以下结构的化合物:
[0096]
[0097] 本发明的优选的改进方案从权利要求或其单独的特征的组合得出。附图说明
[0098] 下文参考实施例和附图更详细地说明本发明。这些实施例旨在描述本发明而不限制它。附图中:
[0099] 图1示出根据本发明的部件的示意图,
[0100] 图2示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0101] 图3示出具有与在图2中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(I)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0102] 图4示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0103] 图5示出具有与在图4中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(I)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0104] 图6示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0105] 图7示出具有与在图6中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(I)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0106] 图8示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0107] 图9示出具有与在图8中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(II)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0108] 图10示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0109] 图11示出具有与在图10中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(V)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0110] 图12示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0111] 图13示出具有与在图12中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(VI)作为该第三材料)的部件的电流-电压特性,
[0112] 图14示出在光敏层(在70℃的基材温度下沉积的)中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0113] 图15示出具有与在图14中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(III)作为该第三材料并且其中在室温下沉积)的部件的电流-电压特性,
[0114] 图16示出在光敏层(在70℃的基材温度下沉积的)中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,并且
[0115] 图17示出具有与在图16中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(I)作为该第三材料并且其中在室温下沉积)的部件的电流-电压特性,
[0116] 图18示出在光敏层(在70℃的基材温度下沉积的)中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0117] 图19示出具有与在图18中示出的相同层结构、但是在光敏层中具有三种材料(使用化合物(VI)作为该第三材料并且其中在室温下沉积)的部件的电流-电压特性,
[0118] 图20示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0119] 图21示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的外量子效率的示意图,
[0120] 图22示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的填充因数特征和开路电压作为日射的函数的示意图,
[0121] 图23示出在光敏层中具有三种材料的本发明部件的电流-电压特性,
[0122] 图24示出在光敏层中具有三种材料的部件的外量子效率的示意图,
[0123] 图25示出在光敏层中具有三种材料的本发明部件的填充因数特征和开路电压作为日射的函数的示意图,
[0124] 图26示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的电流-电压特性,
[0125] 图27示出在光敏层中具有两种材料的对比部件的外量子效率的示意图,
[0126] 图28示出在光敏层中具有三种材料的本发明部件的电流-电压特性,
[0127] 图29示出在光敏层中具有三种材料的部件的外量子效率的示意图,并且
[0128] 图30示出具有三种材料的能量图的示意图。

具体实施方式

[0129] 在本发明的一个实施例中,图1示出了,作为举例,作为无机太阳能电池实施的部件1的示意图。部件1布置在透明的基材2上,其优选地以柔性的方式,例如作为薄膜实施。在该基材2的顶上布置的是电极3,其从金属、导电氧化物(尤其ITO、ZnO:Al或其他TCO)或者导电聚合物(例如PEDOT:PSS或PANI)实施。在该电极3的顶上布置的是例如作为电子或空穴传输层实施的电荷载流子传输层4。在这个电荷载流子传输层4的顶上布置的是光敏层5,该光敏层包括至少一种供体材料和受体材料,它们一起形成供体-受体体系。此外,该光敏层包括具有0.1重量%
[0130] 在一个第二实施例中,本发明的部件1具有包括三种材料的光敏层5,其中供体材料D1和受体材料A1形成供体-受体体系。该供体材料D1是例如来自酞菁、二萘嵌苯衍生物、TPD衍生物、低聚噻吩类的材料或者如在WO 2006092134  A1、WO 2011161262或WO 2011161170 A1中披露的材料。该受体材料A1是例如富勒烯或富勒烯衍生物(C60、C70等)。
该光敏层5进一步包括第三材料,该第三材料呈现另一种供体材料D2的形式。该第三材料D2影响该供体材料D1结晶的倾向。在替代实施方案中,该第三材料是受体材料A2,该受体材料A2影响该受体材料A1结晶的倾向。
[0131] 在另一个实施例中,该光敏部件1具有例如以下结构:
[0132] ITO/C60/光敏混合层/BPAPF(9,9-双[4-[N,N-双(联苯基-4-基)基]苯基]-9H-芴)/BPAPF:NDP9/NDP9/Au
[0133] 其中该光敏混合层包括作为第三材料的以<7%添加的以下化合物中的一种:
[0134]
[0135]
[0136] 在另一个实施例中,图2和3以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图2示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图3示出具有包括该供体-受体体系和化合物(I)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(I)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(I)的添加引起的从46%至58.6%的填充因数(FF)的上升。
[0137] 从填充因数(FF)的对比可以推测该第三材料的添加对于所产生的电流具有显著的影响。
[0138] 在另一个实施例中,图4和5以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有不同的供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图4示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图5示出具有包括该供体-受体体系和化合物(I)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(I)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(I)的添加引起的从48.8%至65.7%的填充因数(FF)的上升。
[0139] 在另一个实施例中,图6和7以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有第三供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图6示出了具有一种供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图7示出具有包括该供体-受体体系和化合物(I)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(I)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(I)的添加引起的从50.7%至62.7%的填充因数(FF)的上升。
[0140] 在另一个实施例中,图8和9以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图8示出了具有一种供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图9示出具有包括该供体-受体体系和化合物(II)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(II)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(II)的添加引起的从46%至50.6%的填充因数(FF)的上升。
[0141] 在另一个实施例中,图10和11以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有另一种供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图10示出了具有一种供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图11示出具有包括该供体-受体体系和化合物(V)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(V)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(V)的添加引起的从48.8%至60.2%的填充因数(FF)的上升。
[0142] 在另一个实施例中,图12和13以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的另一个部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图12示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图13示出具有包括该供体-受体体系和化合物(VI)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(VI)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(VI)的添加引起的从48.8%至60.3%的填充因数(FF)的上升。
[0143] 在另一个实施例中,图14和15以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的另一个部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在70℃的基材温度下沉积该光敏层5。图14示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图15示出具有包括该供体-受体体系和化合物(III)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此仅仅在化合物(III)的添加方面不同。在这种情况下,发现由化合物(III)的添加引起的从60.0%至65.2%的填充因数(FF)的上升。
[0144] 在另一个实施例中,图16和17以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在图16的情况下在70℃的基材温度下并且在图17的情况下在室温下沉积该光敏层5。图16示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性并且图17示出具有包括该供体-受体体系和化合物(I)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此在化合物(I)的添加以及该光敏层5的沉积时的基材温度方面不同。在这种情况下,发现填充因数几乎相同,64%(图16)和63.6%(图17)。通过添加化合物(I),因此有可能在较低的基材温度下实现与在没有添加而加热的基材的情况下相同的填充因数。通过该添加,因此有可能在沉积中实现更简化的条件。
[0145] 在另一个实施例中,图18和19以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有30nm的层厚度。在图18的情况下以及在图19的情况下在室温下沉积该光敏层5。图18示出了具有供体-受体体系的部件1的电流-电压特性,并且图19示出具有包括该供体-受体体系和化合物(VI)的光敏层的部件的电流-电压特性。在这些部件中的光敏层5在此在化合物(VI)的添加以及该光敏层5的沉积时的基材温度方面不同。在这种情况下,发现通过添加化合物(VI)增加了填充因数,55.1%(图18)和60.9%(图19)。
[0146] 在另一个实施例中,本发明的部件1具有包括三种材料的光敏层5,其中供体材料D1和受体材料A1形成供体-受体体系。该供体材料D1是例如来自酞菁、二萘嵌苯衍生物、TPD衍生物、低聚噻吩类的材料或者如在WO2006092134 A1、WO 2011161262或WO 2011161170 A1中披露的材料。该受体材料A1是例如富勒烯或富勒烯衍生物(C60、C70等)。该光敏层5进一步包括第三材料,该第三材料呈现另一种供体材料D2的形式。该第三材料D2影响该供体材料D1结晶的倾向。在替代实施方案中,该第三材料是一种受体材料A2,该受体材料A2影响该受体材料A1结晶的倾向。
[0147] 在另一个实施例中,图20至22以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有20nm(11)或30nm(12)的层厚度。图20示出了部件1的电流-电压特性,图21示出外量子效率的示意图并且图22示出相对于辐照度的填充因数(FF)和开路电压(Uoc)的曲线图。
[0148] 在另一个实施例中,图23至25以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系,具有另一种供体D2作为第三材料)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有20nm(13)或30nm(14)的层厚度并且在每一种情况下以1:1:1的比率添加。图23示出了本发明部件1的电流-电压特性,图24示出外量子效率的示意图并且图25示出相对于辐照度的填充因数(FF)和开路电压(Uoc)的曲线图。
[0149] 从填充因数(FF)和所产生的电流的特征值的对比可以推测该第三材料的添加对于所产生的电流具有显著的影响。特别地,图21与图24的对比示出了该第三材料对于外量子效率的影响,与图21相比该影响在图24中显著的多得多。
[0150] 在另一个实施例中,图26和27以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有20nm(15)或30nm(16)的层厚度。图26示出部件1的电流-电压特性并且图27示出外量子效率的示意图。
[0151] 在另一个实施例中,图28和29以曲线图形式示出了对于具有光敏层5(具有供体-受体体系,具有另一种供体D2作为第三材料)的部件1的试验结果,其中该光敏层5具有20nm(17)或30nm(18)的层厚度。该层5具有受体:供体D1:供体D2=1:1:0.1的比率。图28示出本发明部件1的电流-电压特性并且图29示出外量子效率的示意图。
[0152] 从填充因数(FF)的特征值的对比可以推测该第三材料供体D2的添加对于填充因数具有显著的影响。特别地,图26与图28的对比示出了该第三材料对于填充因数的影响,与图26相比该影响在图28中更高。
[0153] 在另一个实施例中,图30示出了具有光敏层的部件的能量图,该光敏层具有供体材料、受体材料和第三材料。可以从图30中推测该供体材料的HOMO位置10和该供体材料的LUMO位置11。此外,图30示出该受体的HOMO位置20和该受体的LUMO位置21。此外,图30示出该第三材料的HOMO位置30和该第三材料的LUMO位置31。如可以从图30中推测,这具有等于或大于该供体材料的HOMO位置的量级的HOMO位置30,以及等于或小于该受体的LUMO位置的量级的LUMO位置31,即,在该受体的LUMO位置与真空能级之间。该能量的真空能级由参考号40表示。
[0154] 光电部件
[0155] 附图标记列表
[0156] 1 光电部件
[0157] 2 基材
[0158] 3 电极
[0159] 4 电荷载流子传输层(ETL或HTL)
[0160] 5 光敏层
[0161] 6 电荷载流子传输层(ETL或HTL)
[0162] 7 对电极
[0163] 10 供体材料的HOMO位置
[0164] 11 供体材料的LUMO位置
[0165] 20 受体材料的HOMO位置
[0166] 21 受体材料的LUMO位置
[0167] 30 第三材料的HOMO位置
[0168] 31 第三材料的LUMO位置
[0169] 40 能量的真空级
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