CN107068871A - 平面供体‑受体异质结及包含其的光伏电池 - Google Patents

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伯努瓦·H·莱萨德
艾哈迈德·阿卜杜勒拉赫曼
阿米特·特维蒂亚
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Abstract

本申请涉及平面供体‑受体异质结，其包含两层光活性区域，其中每个层都具有均匀的组成，两个层形成所述平面供体‑受体异质结，其中至少一个层包含具有通用分子结构(I)或(II)的化合物作为有机半导体材料。还要求保护包含该平面供体‑受体异质结的光伏电池。

Description

平面供体-受体异质结及包含其的光伏电池
本申请是2014年3月5日提交的发明名称为“用在太阳能电池中的第IV族金属的芳氧基酞菁”的中国申请第201480010350.4号的分案申请。
技术领域
本公开涉及包含第IV族金属的芳氧基酞菁化合物的组合物、用于制备所述组合物的方法以及由其制造的制品。
背景技术
例如，可在低成本光伏电池中使用有机材料作为半导体。有机材料相对于现有硅技术可在材料及制造成本方面提供显著优点，且它们通常不会遭受对于硅常见的市场供应需求压力。基于现有技术分子的薄膜器件可呈现与那些基于聚合物的电池类似的效率；然而，有机薄膜太阳能电池由于其易于制造而提供显著优点。有机薄膜太阳能电池无需利用基于聚合物的电池所采用的溶液处理方法。而是，它们通常使用实施规模可改变且相对廉价的真空沉积方法。这种器件结构的优点在于无需形成纳米相分离的本体异质结膜结构。
使用常规方法制备的当前可用的有机半导体通常遭受低电荷载流子迁移率或电导。另外，在小分子的情形下，通常观察到膜形成性质和电性能二者的批次变化。因此，期望获得具有可通过分子变化调整、优化或设计的性能性质的新有机半导电体材料。这些需要及其他需要通过本发明的组合物和方法来满足。
发明内容
本发明一般涉及芳氧基酞菁化合物、用于制备所述化合物的方法以及由其制造的制品。在一个方面，芳氧基-酞菁化合物包含各种芳氧基分子部分及第IV族金属。
本文描述具有通用分子结构(I)的化合物：
其中M是一种或更多种第IV族金属且包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的含芳基基团，其中含芳基基团可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代，其中杂原子，若存在，可包括卤素、氧、硫、氮或其组合。
在再一个方面，本文阐述具有通用结构(II)的化合物：
其中M是一种或更多种第IV族金属且包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且可独立地包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的含芳氧基基团，其中含芳基基团可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代，其中杂原子，若存在，可包括卤素、氧、硫、氮或其组合；
在再一个方面，本文描述用于制备具有通用结构(I)的化合物的方法，该方法包括：(a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯化物、溴、碘、氟或其组合，且其中每个R1包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；(b)提供包含任选地经取代的含芳基(-R2)和/或任选地经取代的含芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包含大于或等于约6至约22个碳原子，其中反应物，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的杂原子取代；及(c)在有机溶剂存在下在有效形成具有通用分子结构(I)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中具有通用分子结构(I)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。
在再一个方面，本文描述用于制备具有通用结构(II)的化合物的方法，该方法包括：(a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯、溴、碘、氟或其组合，且其中每个R1包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；(b)提供包含R2和/或R3部分的反应物，其中R2和R3相同或不同且可独立地包括卤素、氧、硫、氮和/或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中芳氧基，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的杂原子取代；和(c)在有机溶剂存在下在有效形成通用结构(II)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中通用结构(II)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。
在另一个方面，公开了光伏电池，其中光活性区包含小分子有机半导体，其包括包含通用(I)化合物的第IV族金属的芳氧基-酞菁：
其中M是一种或更多种第IV族金属且包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的含芳基基团，其中含芳基基团可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代，其中杂原子，若存在，可包括卤素、氧、硫、氮或其组合。
在另一个方面，公开了光伏电池，其中光活性区包含小分子有机半导体，其包括包含通用(II)化合物的第IV族金属的芳氧基-酞菁：
其中M是一种或更多种第IV族金属且包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且可独立地包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的含芳氧基基团，其中含芳基基团可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代，其中杂原子，若存在，可包括卤素、氧、硫、氮或其组合。
在又一个方面，公开了用于制备包含第IV族金属的芳氧基-酞菁的光伏电池的方法。
其他优点会在面的描述种部分地加以阐述，且部分会由该描述而变得明显，或可通过实践下述方面而知晓。下述优点会通过随附的权利要求中特别指出的元素及组合来实现和达成。应理解，前述一般说明及以下详细说明二者仅为示例性及解释性的且不是限制性的。
附图说明
并入此说明书中且构成其一部分的附图举例说明下述若干方面。在所述图中，相同编号代表相同元素。
图1根据本发明的各个方面举例说明(间甲酚)2-SiPc、(间甲酚)2-GePc及(PDP)2-SnPc的紫外-可见吸光度。
图2根据本发明的各个方面举例说明(间甲酚)2-SiPc、(间甲酚)2-GePc及(PDP)2-SnPc的循环伏安图。
具体实施方式
在一个方面，本文描述具有通用结构(I)的化合物：
其中M包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
在一个方面，“n”为约0至约4。
在一个方面，R2包括包含大于或等于约6至约18个碳原子或者大于或等于约6至约10个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，且其中并非所有碳原子都被视为芳香族碳原子，其中，含芳基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
在另一个方面，R2不包含金属。
在另一个方面，R2不包含杂原子作为桥接基团。
在另一个方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含烃、氢、卤素例如，溴、氯、氟或碘或其组合。
在再一方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含C1-C20-烷基：具有最多约20个碳原子的直链或带支链的烃基团，例如C1-C10-烷基或C11-C20-烷基，或C1-C10-烷基，例如C1-C3-烷基，例如甲基、乙基、丙基、异丙基，或C4-C6-烷基，正丁基、仲丁基、叔丁基、1,1-二甲基乙基、戊基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、2,2-二甲基丙基、1-乙基丙基、己基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、1,1-二甲基丁基、1,2-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、1,1,2-三甲基丙基、1,2,2-三甲基丙基、1-乙基-1-甲基丙基、1-乙基-2-甲基丙基，或C7-C10-烷基，例如庚基、辛基、2-乙基己基、2,4,4-三甲基戊基、1,1,3,3-四甲基丁基、壬基或癸基，和/或其异构体或组合。
在另一方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含C2-C20-烯基：具有约2至约20个碳原子且在任一位置处具有双键的不饱和的直链或带支链的烃基团，例如C2-C10-烯基或C11-C20-烯基，C2-C10-烯基，例如C2-C4-烯基，例如乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-甲基-1-丙烯基、2-甲基-1-丙烯基、1-甲基-2-丙烯基、2-甲基-2-丙烯基，或C5-C6-烯基，例如1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基、1-甲基-1-丁烯基、2-甲基-1-丁烯基、3-甲基-1-丁烯基、1-甲基-2-丁烯基、2-甲基-2-丁烯基、3-甲基-2-丁烯基、1-甲基-3-丁烯基、2-甲基-3-丁烯基、3-甲基-3-丁烯基、1,1-二甲基-2-丙烯基、1,2-二甲基-1-丙烯基、1,2-二甲基-2-丙烯基、1-乙基-1-丙烯基、1-乙基-2-丙烯基、1-己烯基、2-己烯基、3-己烯基、4-己烯基、5-己烯基、1-甲基-1-戊烯基、2-甲基-1-戊烯基、3-甲基-1-戊烯基、4-甲基-1-戊烯基、1-甲基-2-戊烯基、2-甲基-2-戊烯基、3-甲基-2-戊烯基、4-甲基-2-戊烯基、1-甲基-3-戊烯基、2-甲基-3-戊烯基、3-甲基-3-戊烯基、4-甲基-3-戊烯基、1-甲基-4-戊烯基、2-甲基-4-戊烯基、3-甲基-4-戊烯基、4-甲基-4-戊烯基、1,1-二甲基-2-丁烯基、1,1-二甲基-3-丁烯基、1,2-二甲基-1-丁烯基、1,2-二甲基-2-丁烯基、1,2-二甲基-3-丁烯基、1,3-二甲基-1-丁烯基、1,3-二甲基-2-丁烯基、1,3-二甲基-3-丁烯基、2,2-二甲基-3-丁烯基、2,3-二甲基-1-丁烯基、2,3-二甲基-2-丁烯基、2,3-二甲基-3-丁烯基、3,3-二甲基-1-丁烯基、3,3-二甲基-2-丁烯基、1-乙基-1-丁烯基、1-乙基-2-丁烯基、1-乙基-3-丁烯基、2-乙基-1-丁烯基、2-乙基-2-丁烯基、2-乙基-3-丁烯基、1,1,2-三甲基-2-丙烯基、1-乙基-1-甲基-2-丙烯基、1-乙基-2-甲基-1-丙烯基或1-乙基-2-甲基-2-丙烯基，以及C7-C10-烯基，例如庚烯基、辛烯基、壬烯基、癸烯基的异构体，或其组合。
在再一个方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含C2-C20-炔基：具有约2至约20个碳原子且在任一位置处具有三键的直链或带支链的烃基团，例如C2-C10-炔基或C11-C20-炔基，C2-C10-炔基，例如C2-C4-炔基，例如乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-甲基-2-丙炔基，或C5-C7-炔基，例如1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基、1-甲基-2-丁炔基、1-甲基-3-丁炔基、2-甲基-3-丁炔基、3-甲基-1-丁炔基、1,1-二甲基-2-丙炔基、1-乙基-2-丙炔基、1-己炔基、2-己炔基、3-己炔基、4-己炔基、5-己炔基、1-甲基-2-戊炔基、1-甲基-3-戊炔基、1-甲基-4-戊炔基、2-甲基-3-戊炔基、2-甲基-4-戊炔基、3-甲基-1-戊炔基、3-甲基-4-戊炔基、4-甲基-1-戊炔基、4-甲基-2-戊炔基、1,1-二甲基-2-丁炔基、1,1-二甲基-3-丁炔基、1,2-二甲基-3-丁炔基、2,2-二甲基-3-丁炔基、3,3-二甲基-1-丁炔基、1-乙基-2-丁炔基、1-乙基-3-丁炔基、2-乙基-3-丁炔基或1-乙基-1-甲基-2-丙炔基，及C7-C10-炔基，例如庚炔基、辛炔基、壬炔基、癸炔基的异构体，或其组合。
在另一个方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含C3-C18-环烷基：具有约3至最多约18个碳环成员的单环饱和烃基团，或C3-C8-环烷基，例如环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基或环辛基，及饱和或不饱和环体系，例如降莰基或降苄基(norbenzyl)。在又一方面，R1和R2可被独立地选自所有可能的异构体及镜像异构体、包括异构体或镜像异构体的混合物的基团取代。
在另一个方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含杂环，例如，具有氧、氮和/或硫原子及任选地多个环的5元至12元、5元至9元、5元至6元环体系，例如呋喃基、苯硫基、吡咯基、吡啶基、吲哚基、苯并唑基、间二氧杂环戊烯基(dioxolyl)、二氧杂环己基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、二甲基吡啶基、甲基喹啉基、二甲基吡咯基、甲氧基呋喃基、二甲氧基吡啶基、二氟吡啶基、甲基苯硫基、异丙基苯硫基或叔丁基苯硫基。此外，R1和/或R2可包含经由环氮原子连接的5元或6元饱和含氮环体系，且其可包含一或两个其他氮原子或另一氧或硫原子。在另一方面，R1和R2可包含C2-C17杂环烷基，例如，吖丙啶基、环氧乙烷基、环硫乙烷基、氮杂环丁基、氧杂环丁基、硫杂环丁基、吡咯啶基、四氢呋喃基、四氢苯硫基、吡啶基、四氢-2H-吡喃基、四氢-2H-硫吡喃基、氮杂环庚基、氧杂环庚基、硫杂环庚基、氮杂环辛基、氧杂环辛基、硫杂环辛基、咪唑啶基、吡唑啶基、唑啶基、哌嗪基、四氢嘧啶基、四氢哒嗪基、氧氮杂环己基(oxazinanyl)、吗啉基、二氮杂环庚基、硫吗啉基、吡咯并[3,4-c]吡咯基或其组合。
在一个方面，R1包含C1-C20-烷氧基：经由氧原子(--O--)连接且具有约1至约20个碳原子的直链或带支链的烷基(如上文所指定)，例如C1-C10-烷氧基或C11-C20-烷氧基、C1-C10-烷基氧基或C1-C3-烷氧基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基。
在另一个方面，R1包含含芳氧基的基团，例如，经由氧原子(--O--)连接的单环至三环芳香族环体系(如上所述)，或单环至二环芳香族环体系，或单环芳香族环体系。
在另一个方面，R1与R2相同或不同且R1和R2中的至少一者可包含芳基烷基，例如，经由C1-C20-亚烷基连接的单环至三环芳香族环体系(如上文所指定)，单环至二环的、或单环的芳香族环体系。
在另一个方面，R1和/或R2包含C1-C20-亚烷基，例如，具有约1至约20个碳原子的直链或带支链的烃基团，例如C1-C10-亚烷基或C11-C20-亚烷基，C2-C10-亚烷基，例如，亚甲基、二亚甲基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基或六亚甲基。
在另一个方面，R1和/或R2包含芳基，例如，包含大于或等于约6至约22个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，例如苯基、萘基或蒽基，单环至二环的、或单环的芳香族环体系。
在再一方面，R2包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或者大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环的芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代。在另一方面，这种杂原子可包含卤素、氧、硫、氮或其组合。在另一方面，杂原子，若存在，可包括氯、氟、溴、碘或其组合。
在一个方面，R2包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员、大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环的芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个卤素取代。在一个方面，卤素不包含氯。在另一方面，卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。在又一个方面，其中既定环体系上仅存在氯取代，环体系不在对位被取代。在又一个方面，其中卤素包含氯，环体系在一个或更多个邻位处被取代。虽然不希望受限于特定理论，但认为经取代的R2可具有高电负性以便影响金属周围的电子云。
在另一个方面，烃基团中的任意一个可任选地在任意位置处用相同或不同取代部分取代一次、两次或更多次，该取代部分例如含氮基团，例如，氨基和/或硝基；含硫基团，例如，硫醇、亚砜、硫酸基团和/或氯硫酸基团；羟基；含硅基团，例如，取代基是烃的三取代硅烷；卤素，例如，溴、氯、氟和/或碘；及杂原子部分，其具有例如约3至约15个原子，且包括选自例如由氮、硫、硅及氧的元素，例如苯硫-2-基、苯硫-3-基、吡啶-2-基、吡啶-3-基、吡啶-4-基、呋喃-2-基、呋喃-3-基等。示例性经取代烃基团包括例如以下基团：3-羟基己烷-1,6-二基；2-甲基-苯-1,4-二基；及2,5-二甲基苯-1,4-二基。
在再一方面，本公开提供具有通用结构(II)的化合物：
其中M包括硅、锗、锡或其组合，其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中若存在且经取代，则含芳氧基基团可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代；在一个方面，“n”为约0至约4。
在另一方面，R1、R2和R3可相同或不同且可包含烃；氢；卤素，例如溴、氯、氟及碘；或其组合。
在至少一个方面，R2和R3相同或不同且R2和R3中的至少一者可包括包含大于或等于约6至约18个碳原子或者大于6至约10个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的杂原子取代。
在再一个方面，R2和R3不包含金属。
在再一个方面，R2和R3不包含杂原子作为桥接基团。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含C1-C20-烷基：具有最多约20个碳原子的直链或带支链的烃基团，例如C1-C10-烷基或C11-C20-烷基，C1-C10-烷基，例如C1-C3-烷基，例如甲基、乙基、丙基、异丙基，或C4-C6-烷基、正丁基、仲丁基、叔丁基、1,1-二甲基乙基、戊基、2-甲基丁基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、2,2-二甲基丙基、1-乙基丙基、己基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、1,1-二甲基丁基、1,2-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、1,1,2-三甲基丙基、1,2,2-三甲基丙基、1-乙基-1-甲基丙基、1-乙基-2-甲基丙基，或C7-C10-烷基，例如庚基、辛基、2-乙基己基、2,4,4-三甲基戊基、1,1,3,3-四甲基丁基、壬基或癸基，及其异构体。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含C2-C20-烯基：具有约2至约20个碳原子且在任意位置处具有双键的不饱和直链或带支链的烃基团，例如C2-C10-烯基或C11-C20-烯基，C2-C10-烯基例如C2-C4-烯基，例如乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-甲基乙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-甲基-1-丙烯基、2-甲基-1-丙烯基、1-甲基-2-丙烯基、2-甲基-2-丙烯基，或C5-C6-烯基，例如1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基、1-甲基-1-丁烯基、2-甲基-1-丁烯基、3-甲基-1-丁烯基、1-甲基-2-丁烯基、2-甲基-2-丁烯基、3-甲基-2-丁烯基、1-甲基-3-丁烯基、2-甲基-3-丁烯基、3-甲基-3-丁烯基、1,1-二甲基-2-丙烯基、1,2-二甲基-1-丙烯基、1,2-二甲基-2-丙烯基、1-乙基-1-丙烯基、1-乙基-2-丙烯基、1-己烯基、2-己烯基、3-己烯基、4-己烯基、5-己烯基、1-甲基-1-戊烯基、2-甲基-1-戊烯基、3-甲基-1-戊烯基、4-甲基-1-戊烯基、1-甲基-2-戊烯基、2-甲基-2-戊烯基、3-甲基-2-戊烯基、4-甲基-2-戊烯基、1-甲基-3-戊烯基、2-甲基-3-戊烯基、3-甲基-3-戊烯基、4-甲基-3-戊烯基、1-甲基-4-戊烯基、2-甲基-4-戊烯基、3-甲基-4-戊烯基、4-甲基-4-戊烯基、1,1-二甲基-2-丁烯基、1,1-二甲基-3-丁烯基、1,2-二甲基-1-丁烯基、1,2-二甲基-2-丁烯基、1,2-二甲基-3-丁烯基、1,3-二甲基-1-丁烯基、1,3-二甲基-2-丁烯基、1,3-二甲基-3-丁烯基、2,2-二甲基-3-丁烯基、2,3-二甲基-1-丁烯基、2,3-二甲基-2-丁烯基、2,3-二甲基-3-丁烯基、3,3-二甲基-1-丁烯基、3,3-二甲基-2-丁烯基、1-乙基-1-丁烯基、1-乙基-2-丁烯基、1-乙基-3-丁烯基、2-乙基-1-丁烯基、2-乙基-2-丁烯基、2-乙基-3-丁烯基、1,1,2-三甲基-2-丙烯基、1-乙基-1-甲基-2-丙烯基、1-乙基-2-甲基-1-丙烯基或1-乙基-2-甲基-2-丙烯基，还有C7-C10-烯基，例如庚烯基、辛烯基、壬烯基或癸烯基的异构体。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含C2-C20-炔基：具有约2至约20个碳原子且在任一位置处具有三键的直链或带支链的烃基团，例如C2-C10-炔基或C11-C20-炔基，C2-C10-炔基例如C2-C4-炔基，例如乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、3-丁炔基、1-甲基-2-丙炔基，或C5-C7-炔基，例如1-戊炔基、2-戊炔基、3-戊炔基、4-戊炔基、1-甲基-2-丁炔基、1-甲基-3-丁炔基、2-甲基-3-丁炔基、3-甲基-1-丁炔基、1,1-二甲基-2-丙炔基、1-乙基-2-丙炔基、1-己炔基、2-己炔基、3-己炔基、4-己炔基、5-己炔基、1-甲基-2-戊炔基、1-甲基-3-戊炔基、1-甲基-4-戊炔基、2-甲基-3-戊炔基、2-甲基-4-戊炔基、3-甲基-1-戊炔基、3-甲基-4-戊炔基、4-甲基-1-戊炔基、4-甲基-2-戊炔基、1,1-二甲基-2-丁炔基、1,1-二甲基-3-丁炔基、1,2-二甲基-3-丁炔基、2,2-二甲基-3-丁炔基、3,3-二甲基-1-丁炔基、1-乙基-2-丁炔基、1-乙基-3-丁炔基、2-乙基-3-丁炔基或1-乙基-1-甲基-2-丙炔基，及C7-C10-炔基，例如庚炔基、辛炔基、壬炔基、癸炔基的异构体。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含C3-C18-环烷基，例如，具有约3至最多约18个碳环成员的单环饱和烃基团，C3-C8-环烷基，例如环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基或环辛基，及饱和或不饱和环体系，例如降莰基或降苄基。在又一个方面，R1和R2可被独立地选自本领域普通技术人员将认为适当的其他异构体及镜像异构体、包括异构体或镜像异构体的混合物的基团取代。
在另一方面，R1、R2及R3相同或不同，且R1、R2及R3中的至少一者包含杂环，例如，具有氧、氮和/或硫原子及任选地多个环的5元至12元、5元至9元、5元至6元环体系，例如呋喃基、苯硫基、吡咯基、吡啶基、吲哚基、苯并唑基、间二氧杂环戊烯基、二氧杂环己基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、二甲基吡啶基、甲基喹啉基、二甲基吡咯基、甲氧基呋喃基、二甲氧基吡啶基、二氟吡啶基、甲基苯硫基、异丙基苯硫基或叔丁基苯硫基；或此外，经由环氮原子连接且还可包含一个或两个另外的氮原子或另外的氧或硫原子的5元或6元饱和含氮环体系。
在另一个方面，R1、R2和/或R3可包含C2-C17杂环烷基，例如，吖丙啶基、环氧乙烷基、环硫乙烷基、氮杂环丁基、氧杂环丁基、硫杂环丁基、吡咯啶基、四氢呋喃基、四氢苯硫基、哌啶基、四氢-2H-吡喃基、四氢-2H-硫吡喃基、氮杂环庚基、氧杂环庚基、硫杂环庚基、氮杂环辛基、氧杂环辛基、硫杂环辛基、咪唑啶基、吡唑啶基、唑啶基、哌嗪基、四氢嘧啶基、四氢哒嗪基、氧氮杂环己基、吗啉基、二氮杂环庚基、硫吗啉基、吡咯并[3,4-c]吡咯基或其组合。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同，且R1、R2及R3中的至少一者可包含C1-C22-烷氧基：经由氧原子(--O--)连接的具有约1至约22个碳原子的直链或带支链的烷基(如上文所指定)，例如C1-C10-烷氧基或C11-C20-烷氧基、C1-C10-烷基氧基，或C1-C3-烷氧基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基。
在另一个方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者可包含含芳氧基基团，例如，经由氧原子(--O--)连接的单环至三环芳香族环体系(如上文所指定)，单环至二环的、或单环的芳香族环体系。
在另一方面，R1、R2与R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含含芳基烷基基团，例如，经由C1-C20-亚烷基连接的单环至三环芳香族环体系(如上文所指定)，单环至二环的、或单环芳香族环体系。
在另一方面，R1、R2及R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者包含含C1-C20-亚烷基基团，例如，具有约1至约20个碳原子的直链或带支链的烃基团，例如C1-C10-亚烷基或C11-C20-亚烷基，或C2-C10-亚烷基，尤其是亚甲基、二亚甲基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基或六亚甲基。
在另一方面，R1、R2与R3相同或不同且R1、R2及R3中的至少一者可包含含芳基基团，例如，包含大于或等于约6至约22个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，例如苯基、萘基或蒽基，单环至二环或单环芳香族环体系。
在另一个方面，R2和R3相同或不同且可包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或者大于或等于约6和约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳原子都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同杂原子例如，卤素、氧、硫、氮或其组合取代。在另一个方面，杂原子若存在则可包括氯、氟、溴、碘或其组合。
在一个方面，R2和R3相同或不同且可包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员、大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个卤素取代。在一个方面，卤素不包含氯。在另一方面，卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。在又一方面，其中既定环体系中仅存在氯取代，环体系不在对位被取代。在又一个方面，其中卤素包含氯，环体系在一个或更多个邻位处被取代。虽然不希望受限于特定理论，但认为经取代的R2可具有高电负性以便影响金属周围的电子云。
在另一个方面，本文所述的烃基团中的任意一个可任选地在一个、两个或多个位置处用相同或不同取代部分取代，该取代部分例如含氮基团，例如氨基及硝基；含硫基团，例如，硫醇、亚砜、硫酸基团、氯硫酸基团；羟基；含硅基团，例如，取代基是烃的三取代硅烷；卤素，例如溴、氯、氟及碘；及杂原子部分，其具有例如3至15个原子，且包括选自例如由氮、硫、硅及氧的元素，例如苯硫-2-基、苯硫-3-基、吡啶-2-基、吡啶-3-基、吡啶-4-基、呋喃-2-基、呋喃-3-基等。示例性经取代烃基团包括例如以下基团：3-羟基六-1,6-二基；2-甲基-苯-1,4-二基；及2,5-二甲基苯-1,4-二基。
在另一方面，R2及R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮或其组合。
A.合成方法
本文描述用于制备具有本文所述通用结构的化合物的方法。在一个方面，用于制备本文所述化合物的方法可包括：(a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯、溴、碘、氟或其组合，且每个R1包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；(b)提供包含任选地经取代的芳基(-R2)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包含大于或等于约6至约22个碳原子，且其中并非所有碳原子都必须为芳香族碳，且若经取代，则可在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子例如，卤素、氧、硫、氮或其组合取代，及(c)在有机溶剂存在下在有效形成通用结构(I)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中通用结构(I)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。
本领域已知不含金属的酞菁(PC)的制备。例如，美国专利第3,509,146号描述通过混合1,3-二亚氨基异吲哚啉或其杂环类似物与烷基烷醇胺来进行不含金属的酞菁(Pc)及相关化合物的制备。EP 0 373 643 A2描述含金属酞菁的制备，例如，通过使邻酞二腈和/或1,30二亚氨基异吲哚啉的混合物与金属化合物反应来合成含金属的酞菁。此外，M.Durmus等人，Tetrahedron,2007,1385描述含卤素-金属键的酞菁的制备。可通过例如在刚刚蒸馏的喹啉溶剂中利用金属氯化物处理酞腈来制备这些化合物。
在一个方面，用于制备具有通用结构(I)的化合物的方法的步骤(b)包含提供包含任选地经取代的芳基(-R2)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包含大于或等于约6至约18个碳原子或者大于或等于约6至约10个碳原子，其中并非所有碳原子都必须为芳香族碳，且其中若经取代则反应物可在一个或更多个位置处被一个或更多个例如包括卤素、氧、硫、氮或其组合的杂原子取代。
在另一个方面，制备具有通用结构(I)的化合物的方法的步骤(b)包括提供包含任选地经取代的芳基(-R2)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代。在另一方面，这种杂原子可包括卤素、氧、硫、氮或其组合。在又一方面，杂原子，若存在，则可包括氯、氟、溴、碘或其组合。
在一个方面，用于制备具有通用结构(I)的化合物的方法的步骤(b)包括提供包含任选地经取代的芳基(-R2)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或者大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任意一个或更多个位置处被一种或更多种卤素取代。在一个方面，卤素不包含氯。在另一个方面，卤素可包括氯、氟、溴、碘或其组合。在又一个方面，其中卤素包含氯，环体系不在对位被取代。在再一个方面，其中卤素包含氯，环体系在一个或更多个邻位处被取代。虽然不希望受限于特定理论，但认为经取代的R2可具有高电负性以便影响金属周围的电子云。
在另一个方面，用于制备通用分子结构(II)的化合物的方法包含以下步骤：(a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯、溴、碘、氟或其组合，且其中及每个R1可独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；(b)提供包含R2和/或R3部分的反应物，其中R2和/或R3相同或不同且可包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的芳氧基，其中并非所有碳原子都必须为芳香族碳，且其中若经取代，则可在任一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子例如卤素、氧、硫、氮或其组合取代，及(c)在有机溶剂存在下在有效形成通用结构(II)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中通用结构(II)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。在再一个方面，在有效形成通用结构(II)的化合物的条件下，同时地或以多个步骤添加包含R2和/或R3部分的化合物。
在又一个方面，R2及R3相同或不同且可独立地包括包含大于或等于约6至约18个碳原子或者大于或等于约6至约10个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中并非所有碳原子都必须为芳香族碳，且其中若经取代则可在任意一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同杂原子例如卤素、氧、硫、氮或其组合取代。
在另一个方面，用于制备具有通用结构(II)的化合物的方法的步骤(b)包含提供包含任选地经取代的芳基(-R2)或(-R3)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)或(OH-R3)的反应物，其中R2和R3相同或不同且可包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或者大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任意一个或更多个位置处被一个或更多个杂原子取代。在另一方面，这种杂原子可包括卤素、氧、硫、氮或其组合。在又一方面，杂原子，若存在，则可包括氯、氟、溴、碘或其组合。
在一个方面，用于制备具有通用结构(II)的化合物的方法的步骤(b)包括提供包含任选地经取代的芳基(-R2)或(-R3)和/或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)或(OH-R3)的反应物，其中R2和R3相同或不同且可包括包含大于或等于约6至约22个碳环成员、大于或等于约6和约18个碳环成员或者大于或等于约6至约10个碳环成员的单环至三环芳香族环体系，其中并非所有碳都必须为芳香族碳，且其中环体系可任选地在任意一个或更多个位置处被一个或更多个卤素取代。在一个方面，卤素不包含氯。在另一个方面，卤素可包括氯、氟、溴、碘或其组合。在又一方面，其中卤素包含氯，环体系不在对位被取代。在又一方面，其中卤素包含氯，环体系在一个或更多个邻位处被取代。
在另一方面，可在溶剂存在下制备通用结构(I)和/或(II)的化合物。在一个方面，合适的溶剂可包括在本发明的方法的温度下为液体且所涉及的所有化合物在其中皆至少部分地可溶的物质。例如，这种溶剂在标准压力(101.325kPa)下具有超过约100℃的沸点。再根据本发明的方法中所使用的通用结构(I)和/或(II)的化合物在溶剂存在下的溶液还可具有悬浮液或分散液的性质。合适的溶剂可包括，例如，芳香族化合物或极性非质子性化合物。在一个方面，溶剂可包括甲苯、二甲苯、三甲苯、四氢萘、氯苯、二氯苯、喹啉、吡啶、环丁砜、THF、氯甲烷、氯仿、二甲基亚砜或其组合。在根据本发明的方法中可使用的溶剂的量取决于所溶解化合物的溶解度且因此可在宽范围内变化。在另一个方面，可过量地(重量比)添加一或更多种溶剂。
在一个方面，在根据本发明的方法中针对通用结构(I)及(II)的化合物的制备而确立的温度可在宽范围内变化。一般而言，温度的选择可取决于，例如，形成通用结构(I)及(II)的化合物所涉及的一种或更多种化合物的溶解度，且其可以由本领域普通技术人员来确定。在一个方面，其中溶解度高，在根据本发明的方法中可选择例如相对低的温度用于反应。根据本发明的方法中的温度通常可选自约0℃至约200℃。在另一个方面，温度可为约20℃至约150℃。在另一个方面，温度可为约70℃至约140℃。
在另一个方面，实施用于制备通用结构(I)及(II)的化合物的根据本发明的方法的压力范围可变化。在各个方面，可在标准压力、略微降低的压力或者升高的压力下实施根据本发明的方法。在一个方面，压力可选自约90kPa至约1000kPa。
可在适于该目的的任意装置例如有机化合物领域的技术人员已知的那些中实施该过程。对于通用分子结构(I)及(II)的化合物的移出和处理，可使用本领域技术人员熟悉的任何方法。例如，可通过例如过滤或相分离实施移出。在另一个方面，处理可包括纯化步骤例如用液体洗涤化合物，和/或干燥步骤。
在另一个方面，所有时间步骤(a)至(c)的总持续时间还有任意单个步骤的持续时间可根据例如温度而变化。在另一个方面，所有时间步骤的总持续时间可在几分钟至最高例如约72小时的宽范围内变化。
应理解，本文所述方法旨在具有示例性且并非旨在进行限制。可使用其他方法来制备本文所述的本发明组合物，且本发明并非旨在限于本文所列举的具体方法。
B.太阳能电池
如本文所使用，若第一能级较更近真空能级，则第一“最高占据分子轨道”(HOMO)或“最低未占据分子轨道”(LUMO)能级“大于”或“高于”第二HOMO或LUMO能级。由于电离电位(IP)经测量相对于真空能级为负能量，故较高HOMO能级对应于具有较小绝对值的IP(不太负的IP)。类似地，较高LUMO能级对应于具有较小绝对值的电子亲和力(EA)(不太负的EA)。在真空能级位于顶部的常规能级图上，材料的LUMO能级高于同一材料的HOMO能级。“较高”HOMO或LUMO能级似乎比“较低”HOMO或LUMO能级更接近这种图的顶部。
在有机材料的情况下，术语“供体”和“受体”是指两种接触但不同的有机材料的HOMO和LUMO能级的相对位置。术语“电子供体”是指材料的电子亲和力。电子供体材料具有相对低的电子亲和力，即EA值具有较小绝对值。因此，电子供体材料倾向于充当p型材料。换言之，电子供体材料可充当空穴传输材料。术语“电子受体”是指材料的电子亲和力。电子受体材料具有相对高的电子亲和力。因此，电子受体材料可充当电子传输材料。
如本文所使用，术语“电荷传输材料”是指传输电荷，即空穴或电子的材料。电子供体材料传输空穴，且电子受体材料传输电子。
如本文所使用，术语“光活性区”是光敏器件吸收电磁辐射产生激发(即呈电子-空穴对形式的电中性激发态)的部分。
本文描述具有通用分子结构(I)及(II)的化合物的用途。在一个方面，描述包含具有通用分子结构(I)及(II)的化合物的光伏电池。
在一个方面，描述一种包含具有通用分子结构(I)的化合物的光伏电池
其中M包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团若经取代则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
在另一方面，描述一种包含具有通用分子结构(II)的化合物的光伏电池
其中M包括硅、锗、锡或其组合，其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中含芳基基团若经取代则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
在一个方面，尚未见苯氧基取代的含第III族金属的酞菁用于有机光伏器件的制作的报道。
有机太阳能电池通常具有分层结构且通常包括至少以下层：阳极、光活性区及阴极。这些层通常布置于基板上。有机太阳能电池的结构可变化，且本领域例如，在US 2005/0098726及US 2005/0224905中已知各种结构，这些文件是以引用方式完整并入本文中。
有机太阳能电池使用共轭空穴传导分子及电子传导分子的异质结区以在自电子-供体至电子-受体组件的光诱导电荷转移后产生分离电荷。
在一个方面，本发明提供有机太阳能电池，其包含具有至少一个阴极、至少一个阳极及至少一种如上所述的通用分子结构(I)和/或(II)的化合物作为光活性材料的基板。在另一个方面，根据本发明的有机太阳能电池包含至少一个光活性区。光活性区可包含两个层，其各自具有均匀的组成且形成平面供体-受体异质结(PHJ)或形成供体-受体本体异质结(BHJ)的混合层。
在有机半导体中，光吸收通过自分子的HOMO至LUMO能级的电子跃迁使得产生激发(即电子-空穴对)。为了产生分离电荷，可在供体-受体界面处解离激发，此过程的驱动力是由供体分子和受体分子的LUMO轨道间的能量偏移提供。
因此，在基于分子的器件中发生四个基本步骤：(a)光吸收/激发产生；(b)激发朝向供体-受体接面扩散；(c)电荷转移/激发解离；及(d)在外部电极处对分离电子和空穴的电荷收集。
电池的性能通常是通过分析电流-电压(I-V)曲线来确定，自该曲线可提取关键参数，例如开路电压(VOC)(与受体的LUMO能级与供体的HOMO能级间的差距相关)、短路电流密度(JSC)(与可吸收光的多少成正比)、填充系数(FF)及功率转换效率(PCE)。
适于有机太阳能电池的基板可包含诸如以下的材料：玻璃、陶瓷、SiO2、石英、聚合物例如聚氯乙烯、聚烯烃例如聚乙烯及聚丙烯、聚酯、氟聚合物、聚酰胺、聚氨基甲酸酯、聚(甲基)丙烯酸烷基酯、聚苯乙烯及其混合物和复合物及其组合。
合适的电极(阴极和阳极)可包含金属(例如，周期表的第8族、第9族、第10族或第11族金属，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、In、Mg、Ca)、半导体(例如掺杂Si、掺杂Ge、铟锡氧化物(ITO)、镓铟锡氧化物(GITO)、锌铟锡氧化物(ZITO)等)、金属合金(例如基于Pt、Au、Ag、Cu等的，尤其是Mg/Ag的合金)、半导体合金等。所用电极之一可为基本上透过入射光的材料。该材料包括例如ITO、掺杂ITO、FTO(氟掺杂氧化锡)、AZO(铝掺杂ZnO)、ZnO、TiO2、Ag、Au、Pt。所使用的其他电极可为基本上反射入射光的材料。该材料包括例如金属膜，例如Al、Ag、Au、In、Mg、Mg/Al、Ca等的膜。
就其本身而言，光活性区可包含至少一个层，该至少一个层包含至少一种如上所述的通用分子结构(I)或(II)的化合物作为有机半导体材料。除光活性区以外，可存在一个或更多个其他层。这些层包括，例如，具有电子传导性质的层(电子传输层，ETL)；包含空穴传导材料的层(空穴传输层，HTL)；不能吸收的激子-和空穴阻挡层(例如EBL)及倍增层。EBL的作用是防止受体层因阴极蒸发而损坏；在电子-受体/阴极界面处消除不期望的激子淬熄；及在光活性区与反射阴极之间提供间隔，由此增加供体-受体界面处的光学强度及因此的光吸收效率。
合适的激子-阻挡层和空穴-阻挡层描述于例如美国专利第6,451,415号中。激子阻挡层的合适材料是例如浴铜灵(bathocuproin，BCP)、4,4',4”-三[3-甲基苯基-N-苯基氨基]三苯胺(m-MTDATA)或聚乙烯二氧基-噻吩(PEDOT)。
在一个方面，太阳能电池可包含至少一个光活性供体-受体异质结。在光学激发有机材料后，生成激子。对于光电流发生，通常必须在两种不同接触材料间的供体-受体界面处分离电子-空穴对。在该界面处，供体材料与受体材料形成异质结。若电荷不分离，则其可以通过发射能量低于入射光之光放射性地或以通过产生热量非放射性地以也称为淬熄的成双重组过程重组。这些结果中的任一者不令人满意。在一个方面，当使用至少一种通用分子结构(I)和/或(II)的化合物作为电荷生成(供体)以及HTM(空穴传输材料)时，和/或可选择相应电子接受ETM(电子传输材料)从而使得在激发化合物后，发生至ETM的迅速电子转移。合适的ETM是，例如，C60及其他富勒烯(fullerene)、苝-3,4；9,10-双(二甲酰亚胺)(PTCDI)等。
在一个方面，异质结可具有平面组态(PHJ)(参见Two layer organicphotovoltaic cell,C.W.Tang,Appl.Phys.Lett.,48(2),183-185(1986)或N.Karl,A.Bauer,J.Holzapfel,J.Marktanner,M.Mobus,F.Stolzle,Mol.Cryst.Liq.Cryst.,252,243-258(1994),M.V.Martinez-diaz,G.de la Toree,T.Torres,ChemChomm.,7090-7108(2010))。
在另一个方面，异质结可作为本体异质结(BHJ)或互穿供体-受体网络实施。例如，C.J.Brabec,N.S.Sariciftci,J.C.Hummelen，Adv.Funct.Mater.,11(1),15(2001)或J.Xue,B.P.Rand,S.Uchida及S.R.Forrest，J.Appl.Phys.98,124903(2005),M.V.Martinez-diaz,G.de la Toree,T.Torres,ChemChomm.,7090-7108(2010)描述了具有本体异质结的有机光伏电池。
在另一个方面，可在具有M-i-M、p-i-n、p-n、M-i-p或M-i-n结构(M＝金属，p＝p-掺杂有机或无机半导体，n＝n-掺杂有机或无机半导体，i＝有机层的本征传导系统)的太阳能电池中使用通用分子结构(I)和/或(II)的化合物作为光活性材料；例如参见J.Drechsel等人，Org.Electron.,5(4),175(2004)或Maennig等人，Appl.Phys.A 79,1-14(2004))。
在另一个方面，也可在串联电池中使用通用分子结构(I)和/或(II)的化合物作为光活性材料。串联电池包含两个经组合的单元电池，每一个都是两层的有机太阳能电池。例如，P.Peumans,A.Yakimov,S.R.Forrest，J.Appl.Phys,93(7),3693-3723(2003)(参见美国专利第4,461,922号、美国专利第6,198,091号及美国专利第6,198,092号)描述了合适的串联电池且在下文进行详细论述。
也可在由两个或更多个彼此堆叠的M-i-M、p-i-n、M-i-p或M-i-n二极管构成的串联电池中使用通用分子结构(I)和/或(II)的化合物作为光活性材料(参见专利申请DE 10313 232.5)(J.Drechsel等人，Thin Solid Films,451452,515-517(2004))。
在另一个方面，M、n、i及p层的层厚度可为约10nm至约1000nm。可通过在减压下或在惰性气体氛围中的气相沉积，通过激光烧蚀或通过溶液-或分散液可处理方法，例如旋涂、刮涂、浇铸方法、喷雾、浸涂或印刷(例如喷墨、柔版、平板、凹版(gravure)；凹雕(intaglio)、纳米压印)来产生薄层。
为了提高有机太阳能电池的效率，可在供体及受体材料的互穿网络中减小激子可自其生成位点扩散至解离位点(供体-受体界面)的平均距离。在一个方面，本体-异质结的形态的特征在于大的供体-受体界面区和至相对电极的连续的载流子传导路径。
可通过气相沉积过程(物理气相沉积，PVD)产生本体异质结。本文引用的US 2005/0227406中描述了合适的方法。为此，通常可通过共升华使作为电子供体和至少一种电子受体材料的通用分子结构(I)和/或(II)的化合物经受气相沉积。PVD过程是在高真空条件下实施的且包括以下步骤：蒸发、传输、沉积。
在另一个方面，可通过已知方法产生太阳能电池的其他层，例如，通过激光烧蚀或溶液-或分散液可处理方法，例如旋涂、刮涂、浇铸方法、喷雾、浸涂或印刷(例如喷墨、柔版、偏移、凹版；凹雕、纳米压印)在减压下或在惰性气体氛围中进行气相沉积。在另一个方面，可通过气相沉积过程产生完整太阳能电池。
在另一个方面，可使光活性区(同质层或混合层)在其制备后或在为太阳能电池一部分的其他层的制备后直接经受热处理。退火可改良光活性区的形态。除热处理以外或可替代地，可使用含溶剂的气体使光活性区经受处理。在一个方面，使用在环境温度下于空气中饱和的溶剂蒸气。合适的溶剂可包括甲苯、二甲苯、氯苯、三氯甲烷、二氯甲烷、N-甲基吡咯啶酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯及其混合物。
所公开的化合物和用于制备所述化合物的方法及由其制造的制品包括至少以下方面：
方面1：具有通用分子结构(I)的化合物：
其中M包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
方面2：方面1的化合物，其中n为约0至约4。
方面3：方面1的化合物，其中R2包括包含大于或等于约6至约18个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同杂原子取代。
方面4：方面1的化合物，其中R2不包含金属。
方面5：方面1的化合物，其中R2不包含杂原子作为桥接基团。
方面6：方面1的化合物，其中R2包含卤素，所属卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。
方面7：方面6的化合物，其中R2不包含氯。
方面8：方面6的化合物，其中R2包含氯，且其中含芳基基团若经取代则不能在对位处被取代。
方面9：方面6的化合物，其中R2包含氯，且其中含芳基基团若经取代则在一个或更多个邻位处被取代。
方面10：通用分子结构(II)的化合物：
其中M包括硅、锗、锡或其组合，其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中含芳基基团若经取代则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
方面11：方面10的化合物，其中n为约0至约4。
方面12：方面10的化合物，其中R2和R3相同或不同且包括包含大于或等于约6至约18个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同杂原子取代。
方面13：方面10的化合物，其中R2和R3不包含金属。
方面14：方面10的化合物，其中R2和R3不包含杂原子作为桥接基团。
方面15：方面10的化合物，其中R2和R3包含卤素，所述卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。
方面16：方面15的化合物，其中R2和R3不包含氯。
方面17：方面15的化合物，其中R2和R3包含氯，且其中含芳基基团若经取代则不能在对位处被取代。
方面18：方面15的化合物，其中R2和R3包含氯，且其中含芳基基团若经取代则在一个或更多个邻位处被取代。
方面19：一种用于制备具有通用分子结构(I)的化合物的方法，其包括以下步骤：a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯、溴、碘、氟或其组合；且其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；b)提供包含任选地经取代的芳基(-R2)或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)的反应物，其中R2包含大于或等于约6至约22个碳原子，及c)在有机溶剂存在下在有效形成具有通用分子结构(I)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中具有通用分子结构(I)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。
方面20：方面19的方法，其中反应物包含任选地经取代的芳基(-R2)或任选地经取代的芳基醇基团(OH-R2)，其中R2包含大于或等于约6至约18个碳原子。
方面21：方面19的方法，其中有机溶剂包括甲苯、二甲基亚砜、二氯甲烷。
方面22：一种用于制备通用分子结构(II)的化合物的方法，其包括以下步骤：a)提供包含含有卤素-金属键的经R1取代的酞菁前体的化合物，其中卤素包括氯、溴、碘、氟或其组合，且其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；b)提供包含R2和/或R3部分的反应物，其中R2和R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团；及(c)在有机溶剂存在下在有效形成通用分子结构(II)的化合物的条件下使包含含有卤素-金属键的酞菁前体的化合物与反应物反应，其中通用分子结构(II)的化合物在有机溶剂中不溶、微溶、部分地可溶，或在有机溶剂中至少部分地可溶。
方面23：方面22的方法，其中同时地或以多个步骤添加R2和/或R3部分。
方面24：方面22的方法，其中R2和R3相同或不同且包括包含大于或等于约6至约18个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团。
方面25：方面22的方法，其中有机溶剂包括甲苯、二甲基亚砜、二氯甲烷或其组合。
方面26：包含具有通用分子结构(I)的化合物的光伏电池
其中M包括硅、锗、锡或其组合；其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2包括包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团若经取代则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
方面27：包含具有通用分子结构(II)的化合物的光伏电池
其中M包括硅、锗、锡或其组合，其中“n”是等于或大于0的整数；其中每个R1独立地包括直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、烷基芳基、芳基烷基、亚烷基、氢、卤素或其组合；且其中R2和R3相同或不同且包括卤素、氧、硫、氮、芳基或包含大于或等于约6至约22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中含芳基基团若经取代则可在一个或更多个位置处被一个或更多个包括卤素、氧、硫、氮或其组合的相同或不同杂原子取代。
应理解，除非另有说明，否则本文所述的方面并非限于所公开的具体组合物、制品、器件、体系和/或方法，因此其当然可变化。还应理解，本文所用术语仅出于描述特定方面的目的，而并非旨在进行限制。
本发明的说明书还提供本发明在其最佳当前已知的实施例中的可行教导。为此，相关领域的普通技术人员会认识并理解，可对本文所述的本发明的各方面作出改变和修改，同时仍获得本发明的有益结果。还明显的是，可在不利用其他特征的情况下通过选择本发明的一些特征获得本发明的一些所期望的益处。因此，那些本领域普通技术人员会认识到，对本发明的许多修改和改动是可能的且可在某些情况下甚至可以是令人满意的且因此也是本发明的一部分。因此，提供以下说明作为对本发明原理的说明而非对其的限制。
本发明涵盖本公开的元素的各种组合，例如来自从属于同一独立权利要求的从属权利要求的元素的组合。
此外，应理解，除非特别说明，否则本文所述的任意方法决非旨在解释为需要以具体顺序实施其步骤。因此，如果方法权利要求未实际列举其步骤将遵循的顺序或未在权利要求或说明中另外具体阐述这些步骤应限于具体顺序，则决非旨在在任何方面推断顺序。这适用于任何可能的非明确解释基础，包括：关于步骤或操作流程排列的逻辑事宜；源自语法组织或标点符号的明显意义；及本说明书中所述实施方案的数目或类型。
本文所提及的所有公开通过引用并入本文中以公开和描述与所引用的公开有关的方法和/或材料。
还应理解，本文所用术语仅出于描述特定方面的目的，而并非旨在进行限制。如本说明书及权利要求中所使用，术语“包含”可包括“由……组成”和“基本上由……组成”的方面。除非另外定义，否则本文所用所有技术和科学术语都具有与本领域普通技术人员通常所了解的含义相同的含义。在本说明书及随附的权利要求中，将提及将在本文定义的大量术语。
除非上下文另外明确规定，否则本说明书及随附权利要求中指示物前不加数量词的情况包括多个指示物。因此，例如，提及的“芳香族化合物”包括两种或更多种这些芳香族化合物的混合物。此外，例如，提及的填充剂包括填充剂的混合物。
范围在本文中可表达为“约”一个特定值和/或至“约”另一特定值。当表达这种范围时，另一方面包括一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”表达为近似值时，应理解，该特定值形成另一方面。应进一步了解，每个范围的端点在与另一端点有关及与该另一端点无关的两种情况下都有效。还应理解，本文公开了大量数值，且每个值除该值自身以外在本文中还公开了为“约”该特定值。例如，若公开了值“10”，则还公开了“约10”。还应理解，还公开了两个特定单元之间之每个单元。例如，若公开了10及15，则也公开了11、12、13及14。
本文公开了可用于所公开的方法和组合物、可结合所公开的方法和组合物使用、可用于制备所公开的组合物或是所公开方法和组合物的产物的材料、化合物、组合物及组分。本文公开了这些及其他材料，且应理解，在公开这些材料的组合、亚组、相互作用、群组等时，尽管可能未明确公开这些化合物的每个的不同个体及集体组合以及排列的具体提及，但本文具体地预期和描述了每个。例如，若公开并讨论特定化合物且讨论可对大量R基团进行大量修改，则除非明确指示相反情况，否则具体预期抑制剂及对其R基团的可能修改的每一个及每种组合和排列。因此，若公开一类分子A、B及C以及公开一类分子D、E和F及组合分子的实例A-D，则即便未单独列举每一个，仍单独地和共同地预期每一个。因此，在该实例中，具体预期组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E及C-F中的每一个且应视其为从A、B和C；D、E和F；及实例组合A-D的内容公开。同样地，还具体预期和公开这些中的任意亚组或组合。因此，例如，具体预期A-E、B-F和C-E的亚组且应视其为从A、B和C；D、E和F；及实例组合A-D的内容公开的。该概念适于本公开的所有方面，包括但不限于制备和使用所公开的组合物的方法中的步骤。因此，若存在可实施的各种其他步骤，则应理解，可以用所公开的方法的任意具体实施方案或实施方案的组合实施这些其他步骤中的每一个，并具体预期每个这种组合且应视其为公开的。
在本说明书和随附权利要求中，将提及大量术语，其应定义为具有以下含义：
“可选的”或“任选地”意指随后所述的事件或情况可发生或可不发生，和说明包括事件或情况发生的情形以及其不发生的情形。例如，词组“任选地经取代的低级烷基”意指低级烷基可以是经取代的或可以是未经取代的，和说明包括未经取代的低级烷基及存在取代的低级烷基。
如本文所使用，术语或词组“有效”、“有效量”或“有效……的条件”是指能够实施有效量所表达的功能或性质的这种量或条件。如将在下文中指出，所需要的确切量或特定条件可自一个方面至另一方面变化，这取决于所采用材料和所观察处理条件等公认变量。因此，并非总能指定确切“有效量”或“有效……的条件”。然而，应理解，本领域普通技术人员仅使用常规实验可以容易地确定合适的有效量。
除非明确说明相反情况，否则组分的重量百分比是基于包括该组分的通用分子结构或组合物的总重量。例如，若称组合物或制品中的特定元素或组分具有8重量％，则应理解，该百分比是与100％的总组成百分比相关。
使用标准命名法描述化合物。例如，未经任意指定基团取代的任意位置应理解为其价是由如所指示的键或氢原子填充。非介于两个字母或符号之间的破折号(“-”)用以指示取代基的连接点。例如，-CHO是经由羰基的碳连接。除非另外定义，否则本文所用的技术及科学术语具有与本领域技术人员通常所了解的意义相同的意义。
除非明确说明相反情况，否则本文所使用的术语“Pc”旨在是指酞菁部分，且这种酞菁部分可包含任意酞菁部分、其衍生物或类似物。
本文所用的术语“烷基”是1至24个碳原子的带支链的或无支链的饱和烃基团，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、癸基、十四烷基、十六烷基、二十烷基、二十四烷基等。“低级烷基”是含有1至6个碳原子的烷基。
本文所使用的术语“烷氧基”是经由单个末端醚键键合的烷基；即，“烷氧基”可定义为-OR，其中R是如上所述的烷基。“低级烷氧基”是含有1至6个碳原子的烷氧基。
本文所使用的术语“烯基”是具有2至24个碳原子且含有至少一个碳-碳双键的结构式的烃基团。不对称结构如(AB)C＝C(CD)旨在包括E异构体和Z异构体二者。这可在本文中存在不对称烯烃的结构式中推测出，或其可通过键符号C进行明确指示。
本文所使用的术语“炔基”是具有2至24个碳原子且含有至少一个碳-碳三键的结构式的烃基团。
本文所使用的术语“芳基”是任意基于碳的芳香族基团，包括但不限于苯、萘等。术语“芳香族”还包括“杂芳基”，其定义为至少一个杂原子并入在芳香族基团的环内的芳香族基团。杂原子的实例包括但不限于氮、氧、硫及磷。芳基可以是经取代的或未经取代的。芳基可用一个或更多个包括但不限于以下的基团取代：烷基、炔基、烯基、芳基、卤化物、硝基、氨基、酯、酮、醛、羟基、羧酸或烷氧基。
本文所使用的术语“环烷基”是由至少三个碳原子构成的基于非芳香族碳的环。环烷基的实例包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。术语“杂环烷基”是其中环的至少一个碳原子被例如但不限于氮、氧、硫或磷的杂原子取代的如上所述的环烷基。
本文所使用的术语“芳烷基”是如上所述的烷基、炔基或烯基连接至芳香族基团的芳基。芳烷基的实例是苄基。
本文所使用的术语“羟基烷基”是至少一个氢原子被羟基取代的上文所述的烷基、烯基、炔基、芳基、芳烷基、环烷基、卤化烷基或杂环烷基。
术语“烷氧基烷基”定义为至少一个氢原子被上文所述的烷氧基取代的上文所述的烷基、烯基、炔基、芳基、芳烷基、环烷基、卤化烷基或杂环烷基。
本文所公开的化合物可独立地具有上文所列出的基团中的两个或更多个。例如，若R1是直链烷基，则烷基的氢原子之一可被羟基、烷氧基等取代。根据所选择的基团，第一基团可并入在第二基团内，或可替代地，第一基团可悬垂(即，连接)至第二基团。例如，就词组“包含酯基团的烷基”而言，酯基团可并入在烷基的主链内。可替代地，酯可连接至烷基的主链。所选择基团的性质将确定第一基团是嵌于第二基团中抑或与第二基团连接。
实施例
提出以下实施例以便为本领域普通技术人员提供如何制备和评价本文所描述和要求保护的化合物、组合物、制品、器件和/或方法的完整公开及描述，且旨在为单纯的示例性且并非旨在限制发明人所认为其发明的范围。已努力确保数值(例如量、温度等)的精确性，但应考虑一些误差和偏差。除非另有指示，否则份数是重量份数，温度是以℃表示或为环境温度，且压力为大气压力或接近大气压力。反应条件存在诸多变化和组合，例如，组分浓度、期望的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其他反应范围以及可用于优化从所述方法获得的产物纯度和产率的条件。仅需要合理和常规的实验来优化这些方法条件。
实施例1
在第一实施例中，成功合成用作为模型苯氧基的间甲酚官能化的第IV族金属-酞菁(Pc)(方案1)。所有第IV族Pc的特征皆通过紫外-可见光谱法和循环伏安法来表征。
方案1
方案1：用间酚：(间甲酚)2-SiPc、(间甲酚)2-GePc及(PDP)2-SnPc官能化的第IV族酞菁。
在一个方面，可利用各种方法来合成可溶于有机溶剂中的本文所述的含有第IV族金属的酞菁(Pc)。设计亚酞菁的固态排列的先前方法(Ind.Eng.Chem.Res.2011,50,10910)可扩展至含有第IV族金属的酞菁(Pc)的合成。含第IV族金属的Pc(MPc)前体的氯化物-金属键能够经受亲核试剂如苯氧化物基团对氯离子的置换。
例如，可在烘箱干燥及脱气的100ml玻璃反应器中将Cl2-SiPc(0.50g,0.82mmol)与间甲酚(3.20g,29.63mmol)的混合物添加至25mL甲苯中。然后，可将反应混合物在超纯N2气下加热至115℃过夜。可使粗产物冷却至室温，之后通过碱性水溶液(2M KOH)洗涤，以去除过量酚，并在真空下干燥。在一些情形下，可用异丙醇(任选地经超声处理)洗涤经官能化的Pc并过滤以去除过量酚。通过1H NMR光谱(DMSO)及DART质谱来表征所得产物(0.25g,0.33mmol,产率：40％)。使用类似条件，可在氯苯和甲苯中合成GePc和SnPc的间甲酚衍生物(方案1)。
用间甲酚官能化的第IV族酞菁的紫外-可见光谱：
紫外-可见光谱可在甲苯中进行。作为实施例，含第IV族金属的Pc的相应紫外-可见吸收光谱可参见图1且所有可溶性化合物的相应λMAX也可参见表1。(间甲酚)2-SiPc及(间甲酚)2-GePc显示相似的吸光度最大值，λMAX＝679nm及λMAX＝676nm。观察到(PDP)2-SnPc略微红移至λMAX＝691nm。
含第IV族金属酞菁(Pc)的循环伏安法：
在室温下在于二氯甲烷电解质溶液中的0.1M四丁过氯酸铵(TBAP)中使用三电极电池组实施循环伏安法(CV)。工作电极是玻璃碳盘电极，相对电极是经抛光的铂丝且参考电极是Ag/AgCl。所有测量皆使用内标准物双(五甲基环戊二烯基)铁(E1/2,还原＝0.012V)及100mV/s的扫描速率。使用氮对试样实施鼓泡直至不存在溶解氧(每个运行前20-30分钟)。每个含第IV族金属的Pc之特征循环伏安图可参见图1。来自CV测量之结果也可参见表1，如以氧化峰还原峰半氧化峰及半还原峰报告。最后，作为比较，由以下所报告经验关系式计算对应于含第IV族金属的Pc的所有最高占据分子轨道(EHOMOS)并报告于表1中
(Dandrade等人，Organic Electronics 2005,6,11–20)。
(间甲酚)2-SiPc的氧化扫描揭示+1.148V处的完全可逆的峰，其用于计算-6.1eV的HOMO能级。化合物的还原扫描揭示-0.507V及-0.690V处的多个可逆过程及>-0.9V处的第三较不明显的可逆过程(图2，表1)。类似地，(间甲酚)2-GePc的氧化扫描也揭示+0.586V处的完全可逆的峰，其用于计算-5.3eV的HOMO能级。化合物的还原扫描揭示-0.493V和-0.915V处的多个可逆过程(图2，表1)。(PDP)2-SnPc在用于分析的DCM中可溶，且其循环伏安图可参见图2。(PDP)2-SnPc的氧化扫描揭示+1.135V处的不可逆峰，其用于计算-6.2eV的HOMO能级。可溶性含锡化合物的还原扫描揭示-0.371V和-0.854V处的两个可逆过程(图2，表1)。
此外，可使用以下方程式由光学吸光度数据估计带隙(E间隙，光学)：
其中h是普朗克常数(planks constant)，C是光速，且λ是紫外-可见吸收光谱的截止波长。因此，可在EHOMO与E间隙，光学的差值之间估计最低占据分子轨道。EHOMO及E间隙，光学及最大吸光度(λMAX)皆可参见表1。
表1.含第IV族金属的酞菁的电化学及光学特征。
(Dandrade等人，OrganicElectronics 2005,6,11–20)
使用E间隙，光学＝h*C/λ确定2E间隙，光学，其中h是普朗克常数，C是光速且λ是吸收光谱的截止波长。
3ELUMO＝EHOMO-E间隙，光学
在整个本申请中，参考各种出版物。这些出版物的公开是以全文引用方式并入本申请中，以便更充分描述本文所述的化合物、组合物及方法。
可对本文所述的化合物、组合物及方法作出各种修改及变化。根据对本说明书的考虑及对本文所公开的化合物、组合物及方法的实践，本文所述的化合物、组合物及方法的其他方面会是明显的。旨在将说明书及实施例视为示例性的。

Claims (10)

1.一种平面供体-受体异质结，其包含两层光活性区域，其中每个层都具有均匀的组成，两个层形成所述平面供体-受体异质结，其中至少一个层包含具有通用分子结构(I)的化合物作为有机半导体材料：
其中M为硅、锗、锡或其组合；
其中“n”为0至4的整数；
其中每个R1独立地为直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、芳基、烷基芳基、芳基烷基、氢、卤素或其组合；且
其中R2为包含大于或等于6至22个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同的卤素取代。
2.权利要求1所述的平面供体-受体异质结，其中R2为包含大于或等于6至18个碳原子的任选地经取代的含芳基基团，其中含芳基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同的卤素取代。
3.权利要求1所述的平面供体-受体异质结，其中R2包含卤素，所述卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。
4.权利要求3所述的平面供体-受体异质结，其中R2包含氯，且其中所述含芳基基团，若经取代，则不能在对位处被取代。
5.权利要求3所述的平面供体-受体异质结，其中R2包含氯，且其中所述含芳基基团，若经取代，则在一个或更多个邻位处被取代。
6.一种光伏电池，其包括根据权利要求1所述的平面供体-受体异质结。
7.一种平面供体-受体异质结，其包含两层光活性区域，其中每个层都具有均匀的组成，两个层形成所述平面供体-受体异质结，其中至少一个层包含具有通用分子结构(II)的化合物作为有机半导体材料：
其中M为硅、锗、锡或其组合；
其中“n”为0至4的整数；
其中每个R1独立地为直链烷基、带支链的烷基、环烷基、烯基、炔基、烷氧基、芳氧基、杂环基团、单环芳香族基团、多环芳香族基团、烷基芳基、芳基烷基、氢、卤素或其组合；且
其中R2和R3相同或不同，且为卤素或包含大于或等于6至22个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中含芳氧基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处经一个或更多个相同或不同的卤素取代。
8.权利要求7所述的平面供体-受体异质结，其中R2和R3相同或不同，且为包含大于或等于6至18个碳原子的任选地经取代的含芳氧基基团，其中含芳氧基基团，若经取代，则可在一个或更多个位置处被一个或更多个相同或不同的卤素取代。
9.权利要求7所述的平面供体-受体异质结，其中R2和R3包含卤素，所述卤素包括氟、氯、溴、碘或其组合。
10.一种光伏电池，其包括根据权利要求7所述的平面供体-受体异质结。
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