[发明专利]有机化合物及包含其的光电器件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及有机化学领域，并且尤其涉及旨在用于转变光能并且具体来说用于将太阳能转换成电能的有机化合物和光电器件。

背景技术

基于有机材料的太阳能电池或光电（PV）器件的发展已成为具有相当大的应用前景的重要研究领域。与常规的基于无机硅的太阳能电池相比，这些器件的特征（诸如与柔性基板的通用性和相容性）与低成本和大面积的生产相结合为其提供优势。在不同的有机半导体中，形成2D柱状结构的液晶（LC）（参见C.德特拉德（C.Destrade），P.福契（P.Foucher），H.加帕洛克斯（H.Gasparroux），N.H.静（N.H.Tinh），A.M.莱弗鲁特（A.M.Levelut），J.马切特（J.Malthete），分子晶体与液晶（Mol.Cryst.Liq.Cryst.）1984,106,121）对于PV应用而言是有前景的材料（参见L.施密特-门德（L.Schmidt-Mende），A.费琴科特（A.Fechtenkotter），K.马伦（K.Mullen），E.蒙斯（E.Moons），R.H.弗兰德（R.H.Friend），J.D.麦肯齐（J.D.MacKenzie），科学（Science）2001,293,1119）。尽管作出许多努力，但实现有效的有机太阳能电池仍是一个主要的科学挑战。存在一种已知的基于聚(2-甲氧基-5-(2'-乙基-己氧基)-对亚苯基亚乙烯基)（MEH-PPV）共聚物和二萘嵌苯-苯基-乙基-酰亚胺衍生物（PPEI）的光电转换器（参见J.J.迪特默（J.J.Dittmer）等人，合成金属（Synthetic Metals），第102卷，879-880(1999)）。在这个系统中，MEH-PPV充当空穴受体，而PPEI充当电子受体（空穴供体）。在有机半导体中光生的激子随后在供体与受体组分之间的界面处衰变成自由电荷载流子（电子和空穴）。PPEI的引入明显增加了采用这个系统的光电器件的外部量子效率。PPEI粒子在等于激子扩散长度（约9nm）的距离范围内分布在MEH-PPV基质体积中。因此，在PPEI存在下，在薄膜MEH-PPV结构中电荷分离是受激的。

另一种已知的光电电池包括一种有机电子供体材料的第一层，该第一层与由一种有机电子受体材料制成的第二层接触（克劳斯佩特里奇（Klaus Petritsch）,PhD学位论文（PhD Thesis），“有机太阳能电池架构（Organic Solar Cell Architectures）”，剑桥与格拉兹公司（Cambridge and Graz），2000年7月，第4章，双层器件（Double Layer Devices），第67页）。这些电子供体和电子受体材料能够吸收波长在350到1000nm范围内的光，并且这些材料在彼此接触时能够形成一个整流结。这种电池具有至少与有机层表面的一部分形成欧姆接触（Ohmic contact）的多个电极。所述光电电池的一个显著特征是所采用的有机材料包含具有总体上成平面的多环核的有机化合物。这些化合物能够形成一个总厚度不超过0.5微米的层结构。

上文所提及的材料的有机层不具有晶体结构，这对光电器件而言是一个缺点。由于这个原因，与在相同的块状晶体材料中相比，在这些层中电子和空穴的迁移率要低得多。因此，电子和空穴在激子寿命期间不会离开半导体结构的活性区域并重组。这样的电子-空穴对不会有助于光电流，并且光电转换效率降低。另外，电子和空穴迁移率的降低导致材料的电阻率增加，并且从而导致光电器件的串联电阻增加。这意味着欧姆损耗的增加，并且光电转换效率额外的降低。前述光电器件的另一个缺点是这些非晶材料具有极小的光生激子扩散长度。这需要使用具有厚度与激子扩散长度相当的极薄层的光电结构，并且这也降低了光电器件的外部和内部量子效率两者。

所披露的有机化合物和基于其的光电器件旨在克服现有技术中的有机化合物和光电器件的这些缺点。

在本发明的说明书和权利要求书中所使用的不同术语的定义列举如下。

术语“空间群C_2v”展示在图1中，并且指示一个分子或分子部分具有一个2重旋转轴AA'和一个平行于该旋转轴的镜面M₁。2重轴与镜面的组合得到另一个镜面M₂，该镜面平行于该旋转轴并且垂直于第一镜面M₁。