[发明专利]作为有机光伏器件的供体材料的新型碳环和杂环螺环化合物及其制备

说明书

本发明提供使用碳环和杂环螺环化合物作为有机光伏(OPV)器件的供体材料的组合物和方法。在优选的实施方案中，包含三芳基胺的螺环化合物及其衍生物在OPV器件中展示有效的空穴传输性质，实现了高达5.46%的功率转换效率。有利地，本文中提供的优选化合物是热稳定性和挥发性的，足够通过真空沉积或通过旋涂形成用于OPV器件的光活化层的薄膜。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月11日提交的美国临时申请序列号62/035,602的权益，其通过引用以其全文(包括任何图、表或附图)由此并入。

发明背景

本发明涉及碳环和杂环螺环化合物在有机光伏(OPV)器件制造中作为供体材料的利用。

在近二十年来OPV器件由于其作为电能的可再生替代源的重大技术潜力而已经引起了巨大的兴趣。智能材料和创新器件工程的开发上的重大进展已经将功率转换效率(PCE)提高至9.2%(对于单个电池)和提高至10.6%(对于串联器件)。直到现在，具有最高记录的PCE的大多数OPV器件基于新合成的聚合物或低聚物作为供体材料结合富勒烯受体的使用(Z. He, C. Zhong, S. Su, M. Xu, H. Wu, Y. Cao, Nat. Photonics 2012, 6,591; J. You, L. Dou, K. Yoshimura, T. Kato, K. Ohya, T. Moriarty, K. Emery,C. Chen, J. Gao, Y. Yang, Nat. Commun. 2013, 4, 1446)。然而，制造非常有效的聚合物OPV器件的主要挑战包括制备高质量薄膜以及获得高的批次间重现性的困难。此外，非常难以控制共混的活性层的形态和相分离，该活性层在决定整体器件性能上起着关键作用。另一方面，小分子本质上是单分散的，具有非常确定的化学结构，并且从合成上来说重现性好，纯度高。与聚合物基薄膜相比，通过真空沉积制备基于小分子的高质量且均匀的薄膜还容易地多。

尽管基于小分子的OPV器件原则上可具有更高的性能和更久的稳定性，但由于与其聚合物相应物的PCE相比它们的PCE相对较低，基于小分子的OPV器件的开发受到较少关注。Kearns和Calvin在1958年展示了第一个基于小分子的双层OPV器件，其中双层酞菁镁和氧化的四甲基对苯二胺器件获得了200 mV的相当高的光电压及3×10^–12 W的功率输出(D.Kearns, M. Calvin, J. Chem. Phys. 1958, 29, 950)。在1986年，Tang报道了基于酞菁铜(CuPc)作为供体和3,4,9,10-苝四甲酸二苯并咪唑(PTCBI，苝二酰亚胺的类似物)作为受体以形成p-n结的非常有效的双层OPV器件。在模拟大气质量(Air Mass, AM) 2照度下记录了约1%的PCE及0.65的高填充因子(FF) (C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. 1986, 48,183)。据信这种成功的展示归因于光活化材料的仔细选择。特别地，有机异质结处的CuPc供体与PTCBI受体之间的大的能量补偿提供了对于有效激子离化足够大的驱动力，产生了与单层器件相比的显著的PCE提高。

这种突破可追溯到富勒烯的发现，其展示优异的电子传输性能并可用作OPV器件中的受体材料(N. S. Sariciftci, D. Braun, C. Zhang, V. I. Srdanov, A. J.Heeger, G. Stucky, F. Wudl, Appl. Phys. Lett., 1993, 62, 585)。从那时起，已经存在利用富勒烯衍生物作为受体材料的高效OPV器件的众多报道。富勒烯衍生物是作为OPV器件中的受体材料的最有前景的候选物。然而，仍然存在开发良好的空穴传输材料作为供体结合富勒烯以产生有效OPV器件的需求。