[发明专利]用于光电器件的二萘嵌苯四羧酰亚胺衍生物

说明书

技术领域

本发明涉及二萘嵌苯四羧酰亚胺衍生物。本发明进一步涉及低聚噻吩-共轭的二萘嵌苯四羧酰亚胺（TCPTCDI）以及它们在光电器件中的用途。

背景

光电器件被用于将光转化成电能。光电器件的特征在于它们的效率，由此它们可以将入射光转化成有用的电能。

传统地，光电器件已经由不同的无机半导体制成，例如结晶的、多晶的、以及非晶态的硅，砷化镓，碲化镉，以及其他类的。使用结晶的或非晶态的硅的器件在商业应用中占重要位置，并且一些已经实现了高效率。然而，由于在没有显著的降低效率缺陷的大晶体的生产中所固有的困难，因此生产有效的基于结晶的器件（尤其是具有大的表面积）是困难并且价格昂贵的。此外，高效率的非晶态硅器件在稳定性上有问题。

近来，正在研究和开发有机光电（OPV）器件以便以经济的生产成本来实现可接受的光电转换效率。然而，由于OPV器件的能量转换效率与它们的无机对应物相比仍然比较低（主要由于非常弱的分子轨道耦合以及随后的有机半导体的低载体移动性），因此有机太阳能电池的工业生产还不是经济的。避开发生低载体移动性的问题以及小的激发子扩射的瓶颈并且由此增加有机太阳能电池的总能量转化效率的一个有希望的方法是使用具有一个供体-受体体系的异质结OPV或分散的异质结OPV，它包括处于一种分离的双层的n-以及p-型传导材料（异质结OPV）或处于一种单层的材料，该单层是通过混合两种n-以及p-型材料（分散的异质结OPV）制备的。分散的异质结OPV的成功和效率在很大程度上取决于相互渗透的供体-受体网络结构的区域大小，它的大小理想地是在10 nm的范围内。由于相互渗透相的分离程度以及区域大小取决于溶剂的选择、蒸发速度、溶解性、供体和受体的可混合性等，因而控制有机化合物在分散的异质结元件中的形态是关键性的。

控制有机化合物的形态的一种方式是通过共价地连接电子供体以及受体分子来产生一种分子异质结。由于它们独特的光学以及电学特性，分子异质结材料（即供体-受体连接的分子）在OPV器件中具有重要的应用并且，因此触发了浓郁的科学研究。

在能够产生一种分子异质结的电子供体和受体的材料中，已经对低聚噻吩以及二萘嵌苯四羧酰亚胺官能单元进行了广泛的研究，这是因为前者保存了其典型地电荷传输以及自组装特性，而后者提供了在可见区的高的摩尔吸光度连同电子接受特性。例如，Cremer等人在Perylene-Oligothiophene-Perylene Triads for Photovoltaic Applications, Eur. J. Org. Chem., 3715-3723 (2005)中披露了由两个端位二萘嵌苯单酰亚胺之间结合的头接尾整合的低聚(3-己基噻吩类)构成的受体-供体-受体三联体系统，它可以用作有机太阳能电池。此外，Chen等人在Oligothiophene-Functionalized Perylene Bisimide System：Synthesis、Characterization、以及Electrochemical Polymerization Properties, Chem. Mater., 17:2208-2215 (2005) 中描述了由两个低聚噻吩取代基功能化的二萘嵌苯双酰亚胺衍生物。此外，Xiaowei等人在A High-Mobility Electron-Transport Polymer with Broad Absorption以及Its Use in Field-Effect Transistors以及All-Polymer Solar Cells, J. Am. Chem. Soc. 129:7246-7247 (2007) 中披露了二萘嵌苯二酰亚胺与二噻吩并噻吩构造单元的一种共聚物，表现出了在从可见区到近红外区范围的宽吸收。Huang等人在Size Effects of Oligothiphene on the Dynamics of Electron Transfer in π-Conjugated Oligothiophene-Perylene Bisimide Dyads, J. Phys. Chem. C 112:2689-2696 (2008)中披露了制备一系列具有两个低聚噻吩部分（moieties）的π-共轭的二萘嵌苯双酰亚胺二分体，而PCT国际公布号WO 08012584A描述了几种二萘嵌苯四羧酰亚胺作为发光器件的空穴传输材料。