CN103026522A - 具有有机层的光电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电元件，其具有电极(2)、反电极(6)和在电极与反电极之间的至少一个有机光敏感层(4)。所述有机光敏感层(4)含有通式为EWG(吸电子基团)-D(施主段)-EWG的至少一种化合物，在所述扩展的施主段D上具有至少一个取代基。
Description
本发明涉及一种由单电池、串联电池或多电池组成的光电元件，其具有电极和反电极以及在所述电极和所述反电极之间的至少一个有机层，所述有机层包括具有至少一个取代基的通式EWG-D-EWG的化合物。
有机太阳能电池的研究与开发已经明显增加，特别是在过去十年中。对于称为“小分子”的，到目前为止报导的最大效率是5.7％[Jiangeng Xue，Soichi Uchida，Barry P.Rand，和Stephen R.Forrest，Appl.Phys.Lett.85(2004)5757]。小分子在本发明的上下文中被理解为表示非聚合物有机单分散分子，其质量范围为100-2000克/摩尔。到目前为止，这些小分子不能获得10-20％的效率，该效率是无机太阳能电池的典型效率。但是，有机太阳能电池与无机太阳能电池存在相同的物理限制，所以，至少在理论上，在相应的开发工作后期望获得类似的效率。
有机太阳能电池由一系列薄的有机材料层组成(每层通常具有1mm-1μm的厚度)，所述有机材料层优选是在减压下气相沉积的或者从溶液中旋涂的。电接触可以通过金属层、透明导电氧化物(TCO)和/或透明导电聚合物(PEDOT-PSS，PANI)实现。
太阳能电池将光能转换成电能。在本文中，术语“光活性的”被理解为光能到电能的转换。与无机太阳能电池相比，在有机太阳能电池中光不直接产生自由电荷载流子，而是首先形成激子，即电中性的激发态(结合的电子-空穴对)。仅在第二步中，这些激子分成自由电荷载流子，然后贡献电流。
这样的有机基元件相对于传统无机基元件(半导体如硅、砷化镓)的优点是在一些情况下光吸收效率非常高(高达2×105cm-1)，并且允许生产厚度仅为几个纳米的高效吸收层，因此可能生产具有低材料消耗和能量耗费的非常薄的太阳能电池。其它的技术方面是低成本、在较大量生产的情况下所使用的有机半导体材料非常便宜、在塑料膜上生产柔性大面积元件的可能性、以及几乎无限制的可能变化和有机化学物质的无限制的可得性。
由于在生产过程中不需要高温，所以可能在例如金属箔、塑料膜或聚合物织物的廉价基底上灵活且大面积地生产有机太阳能电池作为元件。这开辟了与传统太阳能电池保持接近的新的应用领域。由于各种不同有机化合物的几乎无限制的数量，可以针对其任务调整材料。
文献中已经提出的有机太阳能电池的一种可能的实施方案是具有以下层结构的pin二极管[Martin Pfeiffer，“Controlled doping of organic vacuumdeposited dye layers：basics and applications”，PhD thesis TU-Dresden，1999.]：
0.载体，基底，
1.下接触，通常是透明的，
2.一个或更多个p层，
3.一个或更多个i层，
4.一个或更多个n层，
5.上接触
在本文中，n和p分别指n型掺杂和p型掺杂，分别导致热平衡态中的自由电子和空穴的密度增大。在本文中，这样的层基本被理解为传输层。相比之下，术语i层是指未掺杂的层(本征层)。在本文中的一个或更多个i层可以由一种材料组成或由两种材料的混合物(称为互贯网络)组成。但是，与无机太阳能电池相比，由于相互吸引的较低衰减，在有机半导体中的电荷载流子对在吸光后不是自由形式的，而是形成准粒子，称为激子。为了使激子中存在的能量可以用作电能，该激子必须被分离成自由电荷载流子。因为在有机太阳能电池中不能获得用于激子分离的足够高的电场，所以激子分离在光活性界面上进行。光活性界面可以呈有机施主-受主界面的形式[C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.48(1986)183]或者与无机半导体的界面的形式[B.O’Regan，M.，Nature 1991，353，737])]。激子扩散到这样的活性界面，在这里电子与空穴彼此分离。这可以在p(n)层与i层之间，或者在两个i层之间。在太阳能电池的建立的电场中，电子然后被传输到n区，空穴被传输到p区。传输层优选是具有宽带隙的透明的或基本透明的材料。宽带隙材料在这里是指其吸收最大值在＜450nm、优选＜400nm的波长范围内的材料。
由于迄今为止光总是首先产生激子并且没有自由电荷载流子，激子到活性界面的低复合扩散在有机太阳能电池中起关键作用。为了对光电流做出贡献，在良好的有机太阳能电池中的激子扩散长度因此必须明显超过光的典型穿透深度，以便可以利用光的主要部分。在结构方面和关于化学纯度方面理想的薄层或有机晶体实际上的确满足该标准。但是，对于大面积应用，迄今为止单晶有机材料的使用是不可能的，并且具有足够结构理想程度的多个层的制备仍然是非常困难的。
如果i层是混合层，光吸收的任务或者仅由两种组分之一承担，或者由两种组分承担。混合层的优点是所产生的激子在到达它们被分离的畴界之前仅需要经过非常短的距离。电子和空穴在各自的材料中分别传输。因为所述材料在整个混合层中相互接触，所以在这方面重要的是分离的电荷在各自的材料中具有长寿命并且对于两种电荷载流子类型从任何位置朝向各自接触存在连续的渗流途径。这些连续的渗流途径通常通过混合层中的某种相分离获得，这意味着两种组分不是完全混合的，而是各自由一种材料构成的(优选晶体)纳米颗粒存在于混合层中。这种部分分离被称为相分离。
这样产生的自由电荷载流子然后可以被传输到接触。通过经由负载连接接触，电能可以被利用。具有特别意义的是在有机材料整体中产生的激子可以扩散到该光活性界面。
因此，激子到活性界面的具有低复合的扩散在有机太阳能电池中起重要作用。为了对光电流做出贡献，在好的有机太阳能电池中，激子扩散长度因此必须至少在光的典型穿透深度的数量级范围内，以便可以利用光的主要部分。已经提及的可能的高光吸收系数对于特别薄的有机太阳能电池的制备是特别有利的。
但是，产生在结构方面和关于其化学纯度的方面非常显著地理想的有机晶体或良好有序的薄层也是重要的，这是因为它们对于激子和电荷载流子具有最高的迁移率。但是，较大的有机晶体对于大面积应用是不合适的，这是因为它们首先难以制备，其次是机械上不稳定的。具有定义的分子的短程有序的有机薄层的制备因此是有机太阳能电池发展中的一个紧迫的任务。
分子的这种短程有序用于激子的低损耗传输，和在激子分离成自由电荷载流子后用于电子和空穴的传输。所以，电荷载流子在这些有机吸收层中的高迁移率是其实用性的另一个前提。特别有利的情况是在由两种不同有机成分构成的有机混合层中，其中一种成分优选是传导电子的，另一种成分优选是传导空穴的。
代替增大激子扩散长度，缩短到下一个界面的平均距离也是可能的。这可以通过利用非常薄的吸收层(典型层厚约10nm)来实现。但是，这仅实现入射光的部分消光，这是迄今为止有机太阳能电池的不合适的效率的一个显著原因。
WO 00/33396公开了在吸收层中被称为两种有机材料的互贯网络的形成：一层包含胶体溶解的物质，其分布使得在整体材料中形成两个网络，每个网络具有用于电荷载流子的连续传导路径，因此每个电荷载流子类型(空穴和电子)可以在每种材料的连续传导路径中以非常低的损耗流出到外接触(渗流机制)。在这样的网络中的光吸收的任务或者仅通过两种成分之一承担或者通过两种组分承担。该混合层的优点是所产生的激子在到达它们被分离的畴界之前仅需要经过非常短的距离。电子和空穴分别被传输出来。因为所述材料在整个混合层中相互接触，所以在这方面关键的是各种电荷在各自的材料上具有长寿命和从任何位置朝着各自的接触存在对于两种电荷载流子类型的连续渗流路径。用这种方法，在聚合物太阳能电池中已经实现了2.5％的效率(C.J.Brabec等人，Advanced Functional Materials11(2001)15)。
实现或改善有机太阳能电池性能的其他已知方法列举如下：
一种接触金属具有大的功函数，且另一种具有小的功函数，使得有机层形成肖特基(Schottky)势垒[US 4127738]。
活性层由在凝胶或粘合剂中的有机半导体组成[US 03844843，US03900945，US 04175981和US 041759821。
制备包含小颗粒(尺寸为0.01-50μm)的传输层，其呈现电荷载流子传输的功能[US 5965063]。
一层含有两种或更多种具有不同光谱特性的有机颜料[JP 04024970]。
一层含有产生电荷载流子的颜料，和将电荷载流子传输出来的另外的材料[JP 07142751]。
含有碳颗粒作为电子受主的聚合物基太阳能电池[US 05986206]。
为了改善多层太阳能电池中的传输性能而掺杂上述的混合体系[DE 102 09 789 A1]。
一个在另一个上面地布置各个太阳能电池(串联电池)[US 04461922、US 06198091和US 06198092]。
串联电池可以通过利用具有大带隙的掺杂传输层的p-i-n结构进一步改善[DE 10 2004 014046 A1]。
尽管在互贯网络的情况下的上述优点，关键点是在混合层中必须存在用于电子和空穴到它们各自的接触的连续传输路径。而且，由于各种材料每种仅填充所述混合层的一部分，所以对于各种电荷载流子类型(电子和空穴)的传输性能与纯的层相比明显劣化。
对于聚合物材料，已经发现了接近所述互贯网络的混合层体系。例如，Ma，Heeger及其合作者(在Advanced Functional Materials 15(2005)1617-1622中)报导了具有由P3HT:PCBM构成的活性层的聚合物太阳能电池，其中通过热处理改良活性层以形成聚合物中的互贯网络，这产生了具有5％效率的太阳能电池。P3HT代表聚(3-己基噻吩)，选自聚(3-烷基噻吩)(P3AT)系列的聚合物。在该研究中，网络形成通过X射线衍射和透射电子显微镜来检测。类似地，在使用P3HT:PCBM聚合物混合物的情况下，Yang Yang的小组表明(Nature Materials 4(2005)864)选择合适的生长速度也允许形成优选的分子有序性，其允许太阳能效率高达3.6％。这里成功使用的P3HT聚合物是己基链连接到第三个碳原子的聚噻吩。这意味着使用长度为6个碳原子的侧链。
有序的分子结构的形成因此对于有机太阳能电池成为关注中心。所解决的问题类似于有机场效应晶体管(OFET)中的问题。但是，太阳能电池与OFET的不同如下：OFET应该具有与基底平行的优选的电荷载流子传输。与之相比，太阳能电池应当与基底成直角地非常快且具有低损耗地释放其电荷载流子到通常为平板的外电极，在通常利用的布置中在吸收层与电极之间引入电荷传输层。从这里可以推出，太阳能电池中的分子结构也与在OFET中的不同。
为了改善有机物的本征性能，已知有各种方法：
WO 002006092134A1公开了具有受主-施主-受主结构的化合物，施主段具有大的π体系。
DE 60205824T2公开了与其它芳香族体系形成π体系的噻吩并噻吩衍生物，并且在两个边上由烷基形成框架，及其在有机半导体中的用途。
WO 2009/105042公开了其中噻吩并噻吩也已经引入到聚合物链中的聚噻吩。在WO2009/105042中，聚噻吩带有具有8-20个碳原子的较长烷基侧链。
WO 2009051390公开了用于染料-敏感性太阳能电池的噻吩基受主-施主染料。
US2009/0221740 A1描述了用于有机太阳能电池的共聚物中作为重复单元的稠合的噻吩-吡咯-噻吩。
在使用聚合物的情况下的缺点具体在于，用聚合物涂覆必须在溶液中进行，因此像在使用小分子情况下的真空涂覆技术的使用是不可能的。此外，在由溶液涂敷的情况下，在均匀的分子量分布方面产生问题。另一个问题是单体系列方面的低变化性。一般来说，1-2种单体单元通过各种聚合过程被结合到共聚物，分子量分布取决于聚合类型和所用单体单元的比例。限制到2种单体单元另外导致几乎没有任何可能的变化。同样的问题也出现在有机成分中所用的聚合物中。
在过去三年中，由于各种方法的结果，已经经常报导了有机太阳能电池的改善的效率。尽管如此，目前所实现的效率对于商业用途是不足的。
本发明的一个目的是提出一种克服了现有技术缺点并产生改善的效率的有机光电元件。
根据本发明，通过具有电极和反电极以及在所述电极和所述反电极之间的至少一个有机光敏层的光电元件实现了该目的，所述层包含化合物EWG-D-EWG作为主要成分，其中EWG(吸电子基团)相对于扩展的施主段D具有吸电子性质，特征在于所述扩展的施主段D在线性连续上具有不超过9个共轭双键，并且由杂环5元环形成和/或由1，2-亚乙烯基和/或与其稠合的相同类型或混合类型的体系形成，并且特征在于所述施主段D具有至少一个取代基。
杂环5元环优选各自独立地选自噻吩、硒酚、呋喃和吡咯。
稠合杂环5元环被理解为表示杂环5元环具有与另一个杂环5元环共用的两个相邻碳原子。稠合5元环可以是相同的或不同的。
至少一个取代基优选具有π电子，例如作为自由电子对或在多重键中，且所述至少一个取代基更优选是供电子的。
所述至少一个取代基优选选自醚、硫醚、胺、以及取代的或未取代的具有4-10个原子的芳香族或杂芳族化合物，或在α位具有至少一个双键的烯基，或者在2个相邻取代基的情况下，这些形成杂环5元环、6元环、或7元环，更优选选自醚或硫醚，选自直链或支链的C1-C8烷类或富π电子的芳香族或杂芳族化合物如5元或6元杂芳环，或在α位具有至少一个双键的C1-C8烯基。
在一个实施方案中，所述的扩展施主段由一系列具有亚乙烯基的杂环5元环构成，其中至少一个取代基具有到杂环5元环和到亚乙烯基的共价键并与其形成5元环，如式Ia所示：
式Ia
其中：X＝S、Se、O、NR；Y＝S、Se、O、NR，其中R＝烷基、芳基。
在另一个实施方案中，扩展施主段D的至少5个双键通过共价键或非共价的化合键桥键连接，在每种情况下的桥键通过二烯的1、4位形成并且包括至少一个原子。优选共价形成至少2个桥键。更优选地，通过至少一个共价桥键形成5元环，例如，如式Ib和Ic所示：
式Ib
式Ic
其中，X＝S、Se、O、N；Y＝S、Se、O、NR、CR2、SiR2、C＝CR2，其中R＝烷基、芳基。
共价桥键连接在这里理解为表示二烯通过至少两个共价键和至少1个原子在1、4位形成环，二烯被定义为双键-单键-双键的系列。
当扩展施主段内的2个原子具有相互的吸引力时存在非共价桥键，使得通过至少一个非共价键和至少1个原子在1、4位通过二烯形成环。从公开的晶体结构已知当原子对的距离小于范德华半径而不存在共价键时，存在吸引力，或者对于原子对产生电负性的明显不同。
优选地，共价桥键通过S、Se、O、NR、CR2、SiR2、具有环外双键的C＝CR2、B-R、P-R和P(O)R形成，其中R是H、直链或支链的烷基或取代的或未取代的芳烃，所述桥键形成5元环或者共价桥键通过-RN-NR-或-N＝N-或-R2C-CR2-或-RC＝CR-形成，其中R可以独立地是H、直链或支链的烷基或芳烃，所述桥键形成6元环。
优选地，非共价桥键通过与伯胺或仲胺、或者与醇或硫醇基团的氢键形成，或者通过空间上接近的不同电负性的原子团之间的相互吸引形成，所述不同电负性的原子团例如为S-O、S-F、S-N、Se-O、Se-N、Se-F、N-O、O-P。
扩展的施主段优选具有至少5个，更优选至少7个线性连续的共轭双键。
吸电子基团EWG优选选自具有至少一个氰基或氟取代基的分子部分，例如
其中R1＝H、CN且R2＝H、CH3、CN、F、(CF2)n-CF3，其中n＝0-3，
或proaromatische或醌单元，例如：
其中D代表到扩展的施主段D的结合位置，R是选自支链的或直链C1-C8烷基的取代基。
在本发明的另一个实施方案中，扩展的施主段包括选自下式的单元：
在10-4到10-9毫巴的压力范围内，所述化合物的升华点优选为150-350℃，并且比分解点低至少50℃，且优选比熔点低至少50℃。
在本发明的另一个实施方案中，扩展的施主段D由取代的或未取代的杂环5元环系列构成，其中，至少三个相邻的杂环5元环具有共价或非共价的桥键，例如如式Id所示：
式Id
其中R＝烷基、芳基。
在本发明的另一个实施方案中，扩展的施主段D包括至少四个稠合的杂环5元环，例如，如式Ie所示：
式Ie
其中，R＝烷基、芳基。
在本发明的另一个实施方案中，扩展的施主段D由至少两个稠合的杂环5元环和通过非共价桥键结合的至少一个另外的杂环5元环的段构成，例如，如式Ic所示。
本发明的光电元件可以是有机太阳能电池、有机发光二极管、晶体管或光检测器，并且更优选的是有机太阳能电池。
优选地，本发明的元件的至少一个有机光敏层是光吸收层或光发射层。
本发明的元件中的有机光敏层存在为独立的层或混合的层。
本发明中的混合层被理解为是指包括所述EWG-D-EWG化合物和至少一种另外的化合物之一的层，每种化合物的存在量至少为16％，按质量计。
本发明的元件可以全部或部分地通过从一种或更多种液体溶液中例如通过旋涂、浸涂或印刷的涂覆，通过在减压下用或不用载气沉积各个层来形成。优选地，包括上述化合物之一的所述至少一个有机层至少通过在减压下用或不用载气的涂覆来沉积。更优选地，在所述元件的电极和反电极之间的所有层通过在减压下用或不用载气的涂覆来沉积。
在本发明的另一个实施方案中，所述元件采取有机pin太阳能电池或有机pin串联太阳能电池或pin多太阳能电池的形式。串联太阳能电池是指由两个串联连接的太阳能电池的垂直叠层组成的太阳能电池。多太阳能电池是指由多个串联连接的太阳能电池的垂直叠层组成的太阳能电池，在一个叠层中最多连接10个太阳能电池。
在本发明的另一个实施方案中，在所述元件中存在一种或更多种未掺杂的、部分掺杂的或完全掺杂的传输层。这些传输层优选在＜450nm，更优选在＜400nm具有最大吸收。
在本发明的另一个实施方案中，所述元件由串联电池或多电池组成。所述元件优选由nip、ni、ip、pnip、pni、pip、nipn、nin、ipn、pnipn、pnin或pipn结构的组合组成，其中各自含有至少一个i层的若干独立的组合一个叠置在另一个上面。
在本发明的另一个实施方案中，所述元件的层体系的层采取延长入射光光程的光阱的形式。
在本发明的另一个实施方案中，所述元件在平坦的、弯曲的或柔性的载体表面上使用。这些载体表面优选是塑料薄膜或金属箔(例如铝、钢等)。
在本发明的另一个实施方案中，光活性的混合层的至少一个包含选自富勒烯或富勒烯衍生物(C60、C70等)的材料作为受主。
在本发明的另一个实施方案中，所述接触由金属、导电氧化物(尤其是ITO、ZnO:Al或其他TCO)、或导电聚合物(特别是PEDOT:PSS或PANI)组成。
在另一个实施方案中，在第一电子传导层(n层)和在基底上存在的电极之间存在另一个p掺杂层，使得该结构为pnip或pni结构，优选选择掺杂的量使得直接的pn接触没有势垒效应而是产生低损耗的复合，优选通过隧穿过程。
在本发明的另一个实施方案中，在光活性的i层与在基底上存在的电极之间在所述元件中可以存在另一个p掺杂层，因此所述结构是pip或pi结构，另一个p掺杂层的费米(Fermi)能级为最大0.4eV，但是优选小于0.3eV，低于所述i层的电子传输能级，使得存在从i层到该p层中的低损耗电子提取。
在本发明的另一个实施方案中，在p掺杂层和反电极之间存在另一个n层体系，使得该结构为nipn或ipn结构，优选选择掺杂的量使得直接的pn接触没有势垒效应而是产生低损耗复合，优选通过隧穿过程。
在另一个实施方案中，在本征的光活性层和反电极之间在元件中可以存在另一个n层体系，使得该结构为nin或in结构，另外的n掺杂层的费米能级最大为0.4eV，但是优选小于0.3eV，高于i层的空穴输送能级，使得存在从i层到该n层的低损耗空穴提取。
在本发明的另一个实施方案中，所述元件包含n层体系和/或p层体系，使得所述结构为pnipn、pnin、pipn或pin结构，所有这些结构的特征是(与导电类型无关)在基底侧靠近光活性i层的层比靠近该i层并远离基底的层具有更低的热功函数，使得在没有外电压施加到该元件时光生电子优先向着基底传输。
在上述结构的另一个实施方案中，这些结构采取有机串联太阳能电池或多太阳能电池的形式。例如，所述元件可以是由nip、ni、ip、pnip、pni、pip、nipn、nin、ipn、pnipn、pnin或pipn结构的组合构成的串联电池，其中各自包含至少一个i层的多个独立的组合一个叠置在另一个上(交叉组合)。
在上述结构的另一个实施方案中，这采取pnipnipn串联电池的形式。
在本发明的一个实施方案中，所述元件形成有至少一个包含一种或更多种无机材料的无机层。
已经出乎意料地发现，与一般意见相反，具有少于5个杂环5元环的施主段，如果具有合适的取代，已经具有通过消光系数和吸收范围测量的足够的吸收和用作有机半导体的电荷传输性能。同时，这些化合物与更长链同系物相比的优点在于它们通常更便宜地制备，这是因为需要更少的合成步骤且它们通常可以在更低的温度下蒸发。这导致在制备本发明的元件的情况下成本的明显降低。
下表示出作为具有基于噻吩单元的吸收剂和作为EWG的二氰基乙烯基的单电池的太阳能电池的最重要特性：
1)数值来自Schueppel等人；Phys.Rev.B 2008，77，085311
上述化合物可以通过文献中已知的方法制备(A.Mishra，C.-Q.Ma，P.
，Chem.Rev.2009，109，1141-1278：“Functional Oligothiophenes：Molecular Design for Multi-Dimensional Nanoarchitectures and theirApplications.”(IF 22.76)；Xiao等人，J.Am.Chem.Soc.2005，127(38)，13281-13286；TTT：Frey等人，Chem.Commun.2002，2424-2425)。利用由已知反应组成的模块体系，上述化合物可以通过选择必要的反应来制备。利用本领域技术人员已知的方法，向杂环5元环中引入取代基是可能的(Gronowitz，Thiophenes，Elsevier 2004)，这些用作非共价或共价桥键的前体。两个杂环可以通过已知的交叉偶合共价结合。
下文通过一些工作实施例和相应的附图详细举例说明本发明。附图表示：
图1表示化合物1a的示例性制备，
图2表示具有化合物1a与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线，
图3表示具有化合物1b与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线，
图4表示具有化合物1c与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线，
图5表示具有化合物1d与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线，
图6表示在微结构化的基底上的举例说明的光活性元件的结构的示意图。
图7表示举例说明的光活性元件的结构的示意图。
所举例的工作实施例利用实施例说明一些本发明的元件。为了表征重要参数，列出了填充因子、开路电压和短路电流，它们可以从电流-电压特性曲线推出。工作实施例用于描述本发明而不是将本发明限制于此。
工作实施例1
包含化合物1a的Mip元件：
通过在10-6-10-8毫巴的真空升华，制备了由具有透明ITO上接触、巴克敏斯特(Buckminster)富勒烯C60的层、化合物1a和C60的比例为2∶1的混合层、p掺杂空穴传输层和金层的在玻璃上的样品组成的Mip元件。化合物1a的合成表示在图1中。
混合层的目标厚度为20nm，在气相沉积过程中利用振荡晶体检测器测定。具有化合物1a与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线表示于图2中。
来自该曲线的重要参数是开路电压UOC为0.91V，这对于IR吸收剂是非常高的，填充系数FF为53.5％，其在本发明元件的工业生产的良好范围内。
工作实施例2
包含化合物1b的Mip元件：
通过在10-6-10-8毫巴的真空升华，制备了由具有透明ITO上接触、巴克敏斯特富勒烯C60的层、化合物1b和C60的2∶1的混合层、p掺杂空穴传输层和金层的在玻璃上的样品组成的Mip元件。
混合层的目标厚度为10nm，在气相沉积过程中利用振荡晶体检测器测定。图3表示具有化合物1b与C60的10nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线。
对于本发明元件的工业生产，填充系数FF非常高，为67.3％，开路电压UOC为0.9V，短路电流为4.5mA。
工作实施例3
包含化合物1c的Mip元件：
通过在10-6-10-8毫巴的真空升华，制备了由具有透明ITO上接触、巴克敏斯特富勒烯C60层、化合物1c和C60的2∶1混合层、p掺杂空穴传输层和金层的在玻璃上的样品组成的Mip元件。
混合层的目标厚度为20nm，在气相沉积过程中利用振荡晶体检测器测定。图4表示具有化合物1c与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线。
用于本发明元件的工业生产，填充系数FF在良好范围内，为50.6％，开路电压UOC为0.88V，短路电流为6.2mA。
工作实施例4
包含化合物1d的Mip元件：
通过在10-6-10-8毫巴的真空升华，制备了由具有透明ITO上接触、巴克敏斯特富勒烯C60层、化合物1d和C60的2∶1混合层、p掺杂空穴传输层和金层的在玻璃上的样品组成的Mip元件。
混合层的目标厚度为20nm，在气相沉积过程中利用振荡晶体检测器测定。图5表示具有化合物1d与C60的20nm混合层的Mip电池的电流-电压曲线。
用于本发明元件的工业生产，填充系数FF在良好范围内，为50.7％，开路电压UOC为1.02V，短路电流为8.9mA。
在本发明的其他工作实施例中，在图6中，光阱用来延长该活性体系中的入射光的光程。
通过在周期性微结构化的基底上形成所述元件并利用掺杂的宽带隙层保证该元件的均匀功能、其无短路的接触连接和电场在整个面积上的均匀分布，来实施所述光阱。
在本文中特别有利的是光通过吸收层至少两次，这包含化合物EWG-D-EWG作为主要成分，其可以导致增大的光吸收，结果导致太阳能电池的改善的效率。例如，这可以利用在高度(h)和宽度(d)各自在1到几百微米范围内的表面上具有棱锥状结构的基底来实现，如图6中所示。可以选择相同或不同的宽度和高度。所述棱锥具有对称或不对称结构也是可能的。在本文中的棱锥状结构的宽度为1微米到200微米之间。棱锥状结构的高度可以为1微米到1毫米之间。
1.)图6标记：
1微米＜d＜200微米
1微米＜h＜1毫米
11：基底
12：电极；例如ITO或金属(10-200nm)
13：HTL或ETL层体系(10-200nm)
14：混合层1(10-200nm)
15：混合层2(10-200nm)
16：HTL或ETL层体系(10-200nm)
17：电极；例如ITO或金属(10-200nm)
18：入射光的路径
在另一个工作实施例中，在图7中的本发明的光活性元件具有以下层顺序：
1.)玻璃基底1，
2.)ITO下接触2，
3.)电子传输层(ETL)3，
4.)有机光敏感层体系(10-200nm)4，
5.)空穴传输层(HTL)5，
6.)上接触(例如金)6.
附图标记列表
1基底
2电极
3传输层体系(ETL或HTL)
4有机光敏感层体系
5传输层体系(ETL或HTL)
6反电极
11基底
12电极
13HTL或ETL层体系
14混合层1
15混合层2
16HTL或ETL层体系
17电极
18入射光的路径
Claims (13)
1.一种光电元件，其具有电极(2)和反电极(6)以及在所述电极(2)和所述反电极(6)之间的至少一个有机光敏感层(4)，所述层包含化合物EWG-D-EWG作为主要成分，其中相对于广义的施主段D，EWG具有吸电子性能，其特征在于所述扩展的施主段D具有不超过9个的线性连续的共轭双键并且由杂环5元环形成和/或由亚乙烯基和/或与其稠合的相同类型或混合类型的体系形成，并且特征在于所述施主段D具有至少一个取代基。
2.根据权利要求1的元件，其特征在于所述的扩展的施主段D的杂环5元环各自独立地选自噻吩、硒酚、呋喃和吡咯和/或选自与其稠合的相同种类或混合种类的体系。
3.根据权利要求1和2的任一项的元件，其特征在于所述扩展的施主段D的至少一个取代基具有π电子，例如作为自由电子对或在多重键中。
4.根据权利要求1-3的任一项的元件，其特征在于所述扩展的施主段D的至少一个取代基选自醚、硫醚、胺，或选自取代的或未取代的具有4-10个原子的芳香族或杂芳族化合物，或选自在α位具有至少一个双键的烯基，或者在2个相邻取代基的情况下，形成杂环5元环、6元环或7元环。
5.根据权利要求1-4的任一项的元件，其特征在于所述扩展的施主段D具有至少5个、更优选至少7个线性连续的共轭双键。
6.根据权利要求1-5的任一项的元件，其特征在于至少在所述扩展的施主段中的至少5个线性的共轭双键通过共价或非共价的化学键桥键连接，所述桥键在每种情况下通过二烯的1、4位形成并且包括至少一个原子。
7.根据权利要求1-6的任一项的元件，其特征在于所述扩展的施主段具有至少两个共价桥键。
8.根据权利要求1-7的任一项的元件，其特征在于在扩展的施主段中通过至少一个共价桥键形成5元环。
9.根据权利要求1-8的任一项的元件，其特征在于通过S、Se、O、NR、CR2、具有环外双键的C＝CR2、B-R、P-R和P(O)R形成共价桥键，其中R是H、直链或支链的烷烃或者取代的或未取代的芳烃，所述桥键形成5元环。
10.根据权利要求1-9的任一项的元件，其特征在于通过-RN-NR-或-N＝N-或-R2C-CR2-或-RC＝CR-形成共价桥键，其中R可以独立地是H、直链或支链的烷烃或芳烃，所述桥键形成6元环。
11.根据权利要求1-10的任一项的元件，其特征在于与伯胺或仲胺、或与醇或硫醇基团通过氢键形成非共价桥键，或者通过诸如S-O、S-F、Se-O、Se-F、N-O、O-P的空间接近的原子团之间的相互吸引形成非共价桥键。
12.根据权利要求1-11的任一项的元件，其特征在于相对于所述扩展的施主段D吸电子的基团EWG选自具有至少一个氰基或氟取代基的分子段或者proaromatic或醌型噻吩单元。
13.根据权利要求1-12的任一项的元件，其特征在于相对于扩展的施主段D吸电子的基团EWG选自：
其中R1＝H、CN，和R2＝H、CH3、CN，
其中D表示到所述扩展的施主段D的结合位置，R是选自支链或直链的C1-C8烷基的取代基。
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