CN107531888A - 聚合物和包含其的有机电子元件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及聚合物和包含其的有机电子元件,所述聚合物在侧链上包含电子受体官能团并由以下化学式1表示。[化学式1]
Description
技术领域
本申请要求分别于2015年6月3日和2016年5月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0078782号和第10-2016-0060910号的优先权和权益,其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及聚合物和包含其的有机电子器件。
背景技术
有机电子器件意指需要使用空穴和/或电子在电极与有机材料之间进行电荷交换的器件。有机电子器件根据工作原理可大致分为以下两种器件。第一种,有机电子器件是这样的电子器件:通过从外部光源流入器件的光子在有机材料层中形成激子,所述激子分离成电子和空穴,并且电子和空穴各自转移至不同电极而用作电流源(电压源)。第二种,有机电子器件是这样的电子器件:通过向两个或更多个电极施加电压或电流使空穴和/或电子注入有机材料半导体,所述半导体与电极形成界面,并且所述器件通过注入的电子和空穴工作。
有机电子器件的实例包括有机发光器件、有机太阳能电池、有机晶体管等,并且这些器件都需要用于驱动器件的空穴注入或传输材料、电子注入或传输材料、或者发光材料。在下文中,将主要详细描述有机太阳能电池,但是在有机电子器件中,空穴注入或传输材料、电子注入或传输材料或者发光材料以类似的原理工作。
虽然在20世纪70年代就首先提出了有机太阳能电池的可能性,但是有机太阳能电池的效率太低以致于其并没有实际使用。
然而,Eastman Kodak的C.W.Tang在1986年示出了使用酞菁铜(CuPc)和苝四羧酸衍生物的具有双层结构的多种太阳能电池商业化的可能性,之后对有机太阳能电池的关注和相关研究便迅速增加,从而带来了很大的进步。
从此以后,当Yu等人在1995年引入了本体异质结(BHJ)的概念时,有机太阳能电池在其效率方面取得了突破,并开发了溶解度增加的富勒烯衍生物(例如PCBM)作为n型半导体材料。
从此以后,不断地进行研究以提高有机太阳能电池的效率。
发明内容
技术问题
本说明书的目的是提供聚合物和包含其的有机电子器件。
技术方案
本说明书提供了包含由以下化学式1表示的单元的聚合物。
[化学式1]
在化学式1中,
X1和X2彼此相同或不同,并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te,
R和R'彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基,
[Push]为其中以下结构中的一者或两者或更多者键合的结构,
在所述结构中,
a为1至4的整数,
b和b'各自为1至3的整数,
当a、b和b'各自为2或更大时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,
X10至X22彼此相同或不同,并且各自独立地为CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te,
Y10和Y11彼此相同或不同,并且各自独立地为CRc、N、SiRc、P、或GeRc,
Ra、Rb、Rc和R100至R113彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基,
[Pull1]和[Pull2]为充当电子受体的基团,彼此相同或不同,并且各自独立地由以下化学式2或以下化学式3表示,
[化学式2]
[化学式3]
在化学式2和3中,
X3至X7彼此相同或不同,并且各自独立地为CR15R16、NR15、O、SiR15R16、PR15、S、GeR15R16、Se或Te,
Y1至Y4彼此相同或不同,并且各自独立地为CR17、N、SiR17、P、或GeR17,
n1为0或1的整数,
n2至n4各自为0至3的整数,
当n2至n4各自为2或更大的整数时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,以及
R1至R17彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基。
此外,本说明书提供了有机电子器件,其包括:第一电极;第二电极;和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层,
其中所述有机材料层的一个或更多个层包含上述聚合物。
有益效果
根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物包含电子受体作为侧链,并因此,电子位于聚合物的侧链中。因此,可以提高介电常数。
此外,由于根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物的侧链包含电子受体并因此容易与器件的n型材料(例如PCMB)接触,电子可以容易地转移至n型材料。
因此,根据本说明书一个示例性实施方案的包含稠环衍生物的有机电子器件可以在开路电压和短路电流增加和/或效率提高等方面表现出优异的特性。
根据本说明书一个示例性实施方案的稠环衍生物可以单独或者与另一些材料混合地用于有机电子器件,并且可以预期通过化合物的特性例如热稳定性而提高效率并增加器件的使用寿命。
附图说明
图1为示出根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池的图。
图2为示出化学式1-A的MS谱的图。
图3为示出化学式1-B的MS谱的图。
图4为示出化学式1-B的NMR数据的图。
图5为示出化学式1-C的MS谱的图。
图6为示出化学式1-C的NMR数据的图。
图7为示出化学式1-D的NMR数据的图。
图8为示出化学式1-D的MS数据的图。
图9为示出实验例2中制造的有机太阳能电池的电流密度根据电压变化的图。
101:基底
102:第一电极
103:空穴传输层
104:光活性层
105:第二电极
具体实施方式
在下文中,将更详细地描述本说明书。
本说明书提供了包含由化学式1表示的单元的聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,[Pull1]和[Pull2]各自独立地为充当电子受体的基团,并且[Push]为充当电子供体的基团。
在这种情况下,根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物的主链由充当电子供体的结构构成,并且聚合物的侧链由由充当电子受体的结构构成。
有机材料中的电荷载流子迁移率在分子内方向上具有最快的迁移率,并且电荷载流子在π-π方向上的转移占优势。因此,为了产生空穴和电子的快速转移,激子需要快速分离,并且仅当空穴和电子需要通过各自的途径移动时才使电子和空穴的复合最小化,从而期望高的效率。
在现有技术中,提供p型(即,为供电子材料的聚合物)以便由于通过富电子供电子单元(push)和贫电子吸电子(pull)交替或无规地结合的分子内电荷转移而产生低带隙。在这种情况下,由于供电子单元和吸电子单元同时存在于聚合物的主链中,所以电子和空穴共存在聚合物的主链中,从而存在发生效率降低的问题。
由于根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物的主链由充当电子供体的结构构成并且聚合物的侧链由充当电子受体的结构构成,所以电子为相对定域的。因此,可以期望增加介电常数并使电子和空穴的复合最小化,并且期望高的空穴和电子迁移率。
此外,本说明书的聚合物的侧链由吸电子单元(pull)构成,并因此容易与n型材料例如电子受体材料(如PCBM)接触,使得电子可以容易转移。
在本说明书的一个示例性实施方案中,对于[Pull1]和[Pull2],在电化学测量(循环伏安法:CV)中观察到还原。
在本说明书的一个示例性实施方案中,X1和X2为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中,[Pull1]和[Pull2]彼此相同或不同,并且各自独立地为充当电子受体的杂芳基。
在本说明书中,杂芳基可以为单环的或多环的,并且可以为其中一个或两个或更多个杂芳基连接的基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中,X3为S。
在另一个示例性实施方案中,X4为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中,X5为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中,Y1为N。
在本说明书的一个示例性实施方案中,Y2为N。
在本说明书的一个示例性实施方案中,X6为S。
在另一个示例性实施方案中,X7为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中,Y3为N。
在本说明书的一个示例性实施方案中,Y4为N。
在本说明书的一个示例性实施方案中,由化学式2或化学式3表示的[Pull1]和[Pull2]由以下化学式2-1或化学式3-1表示。
[化学式2-1]
[化学式3-1]
在化学式2-1和3-1中,
n1至n4和R1至R14与化学式2和化学式3中限定的那些相同。
在化学式中,与n1为2或更大的情况相比,在n1为0或1的情况下,[Push]与[Pull1]或者[Push]与[Pull2]之间的分子内电荷转移(ICT)强烈地发生,这由于小的带隙差而有利于吸收长波长。
以下将描述取代基的实例,但不限于此。
术语“取代”意指与化合物的碳原子键合的氢原子变为另一取代基,并且取代位置不受限制,只要该位置为氢原子被取代的位置(即,取代基可取代的位置)即可,并且当两个或更多个被取代时,两个或更多个取代基可彼此相同或不同。
在本说明书中,术语“经取代或未经取代的”意指经选自以下的一个或更多个取代基取代:氘、卤素基团、腈基、硝基、酰亚胺基、酰胺基、羟基、经取代或未经取代的烷基、经取代或未经取代的环烷基、经取代或未经取代的烷氧基、经取代或未经取代的芳氧基、经取代或未经取代的烷基硫基、经取代或未经取代的芳基硫基、经取代或未经取代的烷基磺酰基、经取代或未经取代的芳基磺酰基、经取代或未经取代的烯基、经取代或未经取代的芳基、和经取代或未经取代的杂环基,或者经以上所例示的取代基中的两个或更多个取代基连接的取代基取代,或者不具有取代基。例如,“两个或更多个取代基连接的取代基”可为联苯基。即,联苯基也可为芳基,并且可解释为两个苯基连接的取代基。
在本说明书中,酰亚胺基的碳原子数没有特别限制,但优选为1至30。具体地,酰亚胺基可为具有以下结构的化合物,但不限于此。
在本说明书中,对于酰胺基,酰胺基的一个或两个氮原子可经以下取代:氢;具有1至30个碳原子的直链、支链或环状烷基;或者具有6至30个碳原子的芳基。具体地,酰胺基可为具有以下结构式的化合物,但不限于此。
在本说明书中,卤素基团的实例包括氟、氯、溴或碘。
在本说明书中,烷基可为直链或支链的,并且其碳原子数没有特别限制,但优选为1至50。其具体实例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、异丙基、丁基、正丁基、异丁基、叔丁基、仲丁基、1-甲基-丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、异戊基、新戊基、叔戊基、己基、正己基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、4-甲基-2-戊基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、庚基、正庚基、1-甲基己基、环戊基甲基、环己基甲基、辛基、正辛基、叔辛基、1-甲基庚基、2-乙基己基、2-丙基戊基、正壬基、2,2-二甲基庚基、1-乙基-丙基、1,1-二甲基-丙基、异己基、2-甲基戊基、4-甲基己基、5-甲基己基等,但不限于此。
在本说明书中,环烷基没有特别限制,但其碳原子数优选为3至60,并且其具体实例包括环丙基、环丁基、环戊基、3-甲基环戊基、2,3-二甲基环戊基、环己基、3-甲基环己基、4-甲基环己基、2,3-二甲基环己基、3,4,5-三甲基环己基、4-叔丁基环己基、环庚基、环辛基等,但不限于此。
在本说明书中,烷氧基可为直链、支链或环状的。烷氧基的碳原子数没有特别限制,但优选为1至20。其具体实例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基(isopropoxy)、异丙基氧基(i-propyloxy)、正丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、仲丁氧基、正戊氧基、新戊氧基、异戊氧基、正己氧基、3,3-二甲基丁氧基、2-乙基丁氧基、正辛氧基、正壬氧基、正癸氧基、苄氧基、对甲基苄氧基等,但不限于此。
在本说明书中,烯基可为直链或支链的,并且其碳原子数没有特别限制,但优选为2至40。其具体实例包括乙烯基、1-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、1,3-丁二烯基、烯丙基、1-苯基乙烯基-1-基、2-苯基乙烯基-1-基、2,2-二苯基乙烯基-1-基、2-苯基-2-(萘基-1-基)乙烯基-1-基、2,2-双(二苯基-1-基)乙烯基-1-基、基、苯乙烯基等,但不限于此。
在本说明书中,当芳基为单环芳基时,其碳原子数没有特别限制,但优选为6至25。单环芳基的具体实例包括苯基、联苯基、三联苯基等,但不限于此。
在本说明书中,当芳基为多环芳基时,其碳原子数没有特别限制,但优选为10至24。多环芳基的具体实例包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、基、芴基等,但不限于此。
在本发明中,芴基可被取代,并且相邻取代基可彼此键合以形成环。
当芴基被取代时,芴基可为 和
等。然而,取代基不限于此。
在本说明书中,杂环基包含一个或更多个除碳之外的原子(即,一个或更多个杂原子),并且具体地,杂原子可包括选自O、N、Si、Se和S等中的一种或更多种原子。杂环基的碳原子数没有特别限制,但优选为2至60。杂环基的实例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、吡啶基、联吡啶基、嘧啶基、三嗪基、三唑基、吖啶基、哒嗪基、吡嗪基、喹啉基、喹唑啉基、喹喔啉基、酞嗪基、吡啶并嘧啶基、吡啶并吡嗪基、吡嗪并吡嗪基、异喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯并唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并咔唑基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、苯并呋喃基、菲咯啉基、噻唑基、异唑基、二唑基、噻二唑基、苯并噻唑基、吩噻嗪基、二苯并呋喃基等,但不限于此。
在本说明书中,胺基的碳原子数没有特别限制,但优选为1至30。胺基的N原子可以经芳基、烷基、芳基烷基、杂环基等取代,并且胺基的具体实例包括甲基胺基、二甲基胺基、乙基胺基、二乙基胺基、苯基胺基、萘基胺基、联苯基胺基、蒽基胺基、9-甲基蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、三苯基胺基等,但不限于此。
在本说明书中,芳氧基、芳基硫基和芳基磺酰基中的芳基与芳基的上述实例相同。具体地,芳氧基的实例包括苯氧基、对甲苯氧基、间甲苯氧基、3,5-二甲基-苯氧基、2,4,6-三甲基苯氧基、对叔丁基苯氧基、3-联苯氧基、4-联苯氧基、1-萘氧基、2-萘氧基、4-甲基-1-萘氧基、5-甲基-2-萘氧基、1-蒽氧基、2-蒽氧基、9-蒽氧基、1-菲氧基、3-菲氧基、9-菲氧基等,芳基硫基的实例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-叔丁基苯基硫基等,并且芳基磺酰基的实例包括苯磺酰基、对甲苯磺酰基等,但实例不限于此。
在本说明书中,烷基硫基和烷基磺酰基中的烷基与烷基的上述实例相同。具体地,烷基硫基的实例包括甲基硫基、乙基硫基、叔丁基硫基、己基硫基、辛基硫基等,并且烷基磺酰基的实例包括甲基磺酰基、乙基磺酰基、丙基磺酰基、丁基磺酰基等,但实例不限于此。
在本说明书的一个示例性实施方案中,聚合物包含由以下化学式1-1至1-4中任一者表示的单元。
[化学式1-1]
[化学式1-2]
[化学式1-3]
[化学式1-4]
在化学式1-1至1-4中,
a为1至4的整数,
n为单元的重复数,并且为1至1000的整数,
n1和n1'为0或1的整数,
n2至n4和n2'至n4'各自为0至3的整数,
当a、n2至n4和n2'至n4'各自为2或更大的整数时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,以及
R1至R14、R1'至R14'、R104、R105、R112和R113彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基。
在本说明书的一个示例性实施方案中,n1和n1'为1。
在本说明书的另一个示例性实施方案中,n1和n1'为0。
在又一个示例性实施方案中,n2和n2'为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中,n3和n3'为1。
在另一个示例性实施方案中,n4和n4'为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R1为氢。
在另一个示例性实施方案中,R2为氢。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R3和R4彼此相同或不同,并且各自独立地为氢或卤素基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R3为氢。
在本说明书的另一个示例性实施方案中,R3为卤素基团。
在又一个示例性实施方案中,R3为氟。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R4为氢。
在本说明书的另一个示例性实施方案中,R4为卤素基团。
在又一个示例性实施方案中,R4为氟。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R5为氢。
在另一个示例性实施方案中,R6为氢。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R7为经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中,R7为经取代或未经取代的具有1至30个碳原子的烷基。
在另一个示例性实施方案中,R7为经取代或未经取代的2-辛基十二烷基。
在又一个示例性实施方案中,R7为2-辛基十二烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中,a为1。
在本说明书的另一个示例性实施方案中,a为2。
在又一个示例性实施方案中,a为3。
在本说明书的一个示例性实施方案中,a为2或3的情况是更优选的,原因是可以产生单元和单元之间的侧链的优异的交错结合,并且通过使侧链的旋转最小化以增加单元之间的π-π堆积(phi-phi packing)来制造高密度膜。
在本说明书的一个示例性实施方案中,由化学式1表示的单元可由以下单元表示,但不限于此。
根据本说明书的一个示例性实施方案,聚合物的数均分子量优选地为5,000g/mol至1,000,000g/mol。
根据本说明书的一个示例性实施方案,聚合物的分子量分布可为1至10。优选地,聚合物的分子量分布为1至3。
分子量分布越窄,数均分子量越大,则电特性和机械特性就越好。
此外,优选地,聚合物的数均分子量为100,000或更小,使得聚合物具有预定的或更大的溶解度,并因此,有利地应用溶液施用方法。
根据本说明书的聚合物可以通过多步化学反应来制备。通过烷基化反应、Grignard反应、Suzuki偶联反应、Stille偶联反应等制备单体,然后可通过碳-碳偶联反应例如Stille偶联反应制备最终聚合物。当待引入的取代基为硼酸或硼酸酯化合物时,可通过Suzuki偶联反应制备聚合物,当待引入的取代基为三丁基锡或三甲基锡化合物时,可通过Stille偶联反应制备聚合物,但方法不限于此。
本说明书提供了有机电子器件,其包括:第一电极;第二电极;和设置在第一电极与第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层,其中有机材料层的一个或更多个层包含上述聚合物。
在本说明书中,一个构件设置在另一构件“上”的情况不仅包括一个构件与另一构件接触的情况,而且包括这两个构件之间存在另外的构件的情况。
在本说明书中,除非另有具体描述,否则一个部分“包括”一个构成要素的情况并不意指不包括另外的构成要素,而是意指还可包括另外的构成要素。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件选自有机发光器件、有机太阳能电池和有机晶体管。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件可以为有机发光器件。
本说明书的一个示例性实施方案提供了有机电子器件,其为包括以下的有机发光器件:第一电极;第二电极;和设置在第一电极与第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层,其中有机材料层的一个或更多个层包含所述聚合物。在本说明书的一个示例性实施方案中,有机材料层包括发光层,并且发光层包含所述聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机材料层包括空穴注入层或空穴传输层,并且空穴注入层或空穴传输层包含所述聚合物。
在本说明书的另一个示例性实施方案中,有机材料层包括电子注入层或电子传输层,并且电子注入层或电子传输层包含所述聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件可以为有机晶体管。
本说明书的一个示例性实施方案提供了有机电子器件,其为包括以下的有机晶体管:源极;漏极;栅极;和具有一个或更多个层的有机材料层,其中有机材料层的一个或更多个层包含所述聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件可以为有机太阳能电池。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件为包括以下的有机太阳能电池:第一电极;第二电极;和设置在第一电极与第二电极之间的包括光活性层的具有一个或更多个层的有机材料层,其中有机材料层的一个或更多个层包含所述聚合物。
根据有机太阳能电池的原理,p型半导体通过光激发形成其中电子和空穴形成对的激子,激子在p-n结部分中被分离成电子和空穴。经分离的电子和空穴分别转移至n型半导体薄膜和p型半导体薄膜,并分别聚集在第一电极和第二电极中,并因此可用作外部电能。
图1为示出根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池的图。图1包括基底101、第一电极102、空穴传输层103、光活性层104和第二电极105。
然而,根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池不限于图1的结构和材料,可设置另外的层,并且各个层可使用多种材料构成。
在另一个示例性实施方案中,有机太阳能电池还可包括另外的有机材料层。有机太阳能电池可以通过使用同时具有多种功能的有机材料来减少有机材料层的数量。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机材料层包括光活性层以及设置在光活性层与第一电极或第二电极之间的有机材料层,并且设置在光活性层与第一电极或第二电极之间的有机材料层包含所述聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机材料层包括光活性层,光活性层具有包括n型有机材料层和p型有机材料层的双层薄膜结构,并且p型有机材料层包含所述聚合物。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机材料层包括光活性层,光活性层具有包含电子供体材料和电子受体材料的本体异质结结构,并且电子供体材料包含所述聚合物。
本体异质结意指电子供体材料和电子受体材料在光活性层中彼此混合。
其中电子供体材料和电子受体材料彼此混合的本体异质结可主要作为富含电子供体的部分、富含电子受体的部分以及其中电子供体和电子受体共存的部分(混合相)而存在。在其中电子供体和电子受体共存的部分和其中电子供体与电子受体彼此接触的部分中,在光活性层中形成的激子分离成空穴和电子,并且空穴和电子各自沿着电子受体材料和电子供体材料的分子转移至第一电极或第二电极。
在根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物中,主链由供电子单元(push)构成,并且侧链由吸电子单元(pull)构成,使得可以预期使电子和空穴的复合最小化,并且由于电荷在分子中的定域化引起介电常数的增加而提高器件的效率。
此外,在在光活性层中充当电子供体材料的聚合物中,侧链由吸电子单元构成,从而容易与电子受体材料接触,使得电子容易转移至电子受体材料。
在本说明书的一个示例性实施方案中,电子受体材料中包含的有机化合物为选自以下的一种或两种或更多种化合物:富勒烯、富勒烯衍生物((6,6)-苯基-C61-丁酸-甲酯(PCBM)或(6,6)-苯基-C61-丁酸-胆固醇酯(PCBCR))、苝、聚苯并咪唑(PBI)和3,4,9,10-苝-四羧酸双-苯并咪唑(PTCBI)。
根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池包括第一电极、光活性层和第二电极。有机太阳能电池还可包括基底、空穴传输层和/或电子传输层。
在本说明书的一个示例性实施方案中,第一电极为阳极,并且第二电极为阴极。在另一个示例性实施方案中,第一电极为阴极,并且第二电极为阳极。
在本说明书的一个示例性实施方案中,在有机太阳能电池中,阴极、光活性层和阳极可以以该顺序排列,并且阳极、光活性层和阴极可以以该顺序排列,但排列顺序不限于此。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件具有正常结构。正常结构可意指阳极形成在基底上。具体地,根据本说明书的一个示例性实施方案,当有机电子器件具有正常结构时,待形成在基底上的第一电极可以为阳极。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件具有倒置结构。倒置结构可意指阴极形成在基底上。具体地,根据本说明书的一个示例性实施方案,当有机电子器件具有倒置结构时,待形成在基底上的第一电极可以为阴极。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机太阳能电池具有正常结构。有机材料层包括:光活性层;和设置在光活性层与第二电极之间的有机材料层,设置在光活性层与第二电极之间的有机材料层包含所述聚合物,第一电极为阳极电极,并且第二电极为阴极电极。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件具有倒置结构,有机材料层包括设置在光活性层与第一电极之间的有机材料层,设置在光活性层与第一电极之间设置的有机材料层包含所述聚合物,第一电极为阴极电极,并且第二电极为阳极电极。
在本说明书的一个示例性实施方案中,有机电子器件还可包括另外的有机材料层。此外,有机电子器件可以通过使用同时具有多种功能的有机材料来减少有机材料层的数量。
在本说明书中,基底可以是具有优异的透明性、表面平滑性、易操作性和防水特性的玻璃基底或透明塑料基底,但不限于此,并且基底没有限制,只要基底是通常用于有机太阳能电池的基底即可。其具体实例包括玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、三乙酰纤维素(TAC)等,但不限于此。
阳极电极可以由透明且具有优异导电性的材料制成,但不限于此。其实例包括:金属,例如钒、铬、铜、锌和金,或其合金;金属氧化物,例如锌氧化物、铟氧化物、铟锡氧化物(ITO)和铟锌氧化物(IZO);金属和氧化物的组合,例如ZnO:Al或SnO2:Sb;导电聚合物,例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(亚乙基-1,2-二氧基)噻吩](PEDOT)、聚吡咯和聚苯胺;等等,但不限于此。
形成阳极电极的方法没有特别限制,但是阳极电极例如可以通过使用溅射、电子束、热沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、刮涂或凹版印刷法施加至基底的一个表面上来形成,或者通过以膜的形式涂覆来形成。
当阳极电极在基底上形成时,阳极电极可以经历清洗、移除水分和亲水改性的过程。
例如,用清洗剂丙酮和异丙醇(IPA)依次清洗图案化的ITO基底,然后在热板上在100℃至150℃下干燥1至30分钟,优选在120℃下干燥10分钟以移除水分,并且当基底被彻底清洗时,对基底的表面进行亲水改性。
通过如上所述的表面改性,接合表面电势可以保持在适合光活性层的表面电势的水平。此外,在改性期间,可以在阳极电极上容易地形成聚合物薄膜,并且还可以改善薄膜的品质。
用于阳极电极的预处理技术的实例包括:a)使用平行板式放电的表面氧化方法,b)通过在真空状态下使用UV(紫外)射线产生的臭氧来使表面氧化的方法,c)使用由等离子体产生的氧自由基的氧化方法,等等。
根据阳极电极或基底的状况,可以选择所述方法之一。然而,即使使用任何方法,但是通常,优选的是防止氧从阳极电极或基底的表面离开并最大程度地抑制水分和有机材料残留。在这种情况下,可以使预处理的实质效果最大化。
作为具体实例,可以使用通过使用UV产生的臭氧来使表面氧化的方法。在这种情况下,将超声清洗之后的图案化的ITO基底在热板上烘烤并充分干燥,然后引入到室中,并且图案化的ITO基底可以用通过打开UV灯以使氧气与UV光反应而产生的臭氧进行清洗。
然而,本说明书中图案化的ITO基底的表面改性方法不需要特别限制,并且可以使用任何方法,只要该方法是使基底氧化的方法即可。
阴极电极可以是具有低功函数的金属,但不限于此。其具体实例包括:金属,例如镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、铝、银、锡和铅,或其合金;以及多层结构的材料,例如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al:Li、Al:BaF2和Al:BaF2:Ba,但不限于此。
阴极电极可以在真空度为5×10-7托或更小的热沉积器中沉积和形成,但是形成方法不仅仅限于该方法。
空穴传输层和/或电子传输层材料用于有效地将从光活性层中分离的电子和空穴转移至电极,并且材料没有特别限制。
空穴传输层材料可以是掺有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT:PSS)、钼氧化物(MoOx)、钒氧化物(V2O5)、镍氧化物(NiO)、和钨氧化物(WOx)等,但不限于此。
电子传输层材料可以是提取电子的金属氧化物,并且其具体实例包括:8-羟基喹啉的金属配合物、包含Alq3的配合物、包含Liq的金属配合物、LiF、Ca、钛氧化物(TiOx)、锌氧化物(ZnO)和碳酸铯(Cs2CO3)等,但不限于此。
光活性层可以通过以下方法形成:将光活性材料例如电子供体和/或电子受体溶解在有机溶剂中,然后通过诸如旋涂、浸涂、丝网印刷、喷涂、刮涂和刷涂的方法施用所述溶液,但是形成方法不限于此。
发明的实施方式
下文中,将参照用于具体描述本说明书的实施例详细地描述本说明书。然而,根据本说明书的实施例可以以多种形式进行修改,并且不应理解为本说明书的范围限制于以下详细描述的实施例。提供本说明书的实施例是为了向本领域普通技术人员更充分地说明本说明书。
制备例1.化学式1-C的制备
(1)化学式1-A的制备
将化学式A(9.36g,30mmol)和化学式B(15.83g,30mmol)溶解在400ml甲苯中,向其中添加三(二亚苄基丙酮)二钯(0)(Pd2dba3)催化剂(1.1g,1.2mmol)和三苯基膦(PPh3)配体(1.26g,4.8mmol),将所得混合物在80℃下搅拌72小时。反应后,用二氯甲烷(DCM)进行萃取,然后通过硫酸镁(MgSO4)除去剩余的水,然后在减压下除去溶剂。通过使剩余的产物经过二氧化硅柱(洗脱剂:己烷)获得绿黄色油(76%)。
图2为示出化学式1-A的MS谱的图。
(2)化学式1-B的制备
将化学式1-A的化合物(4.23g,7.1mmol)和三丁基锡噻吩(2.69g,7.2mmol)溶解在60ml甲苯中,向其中添加三(二亚苄基丙酮)二钯(0)(Pd2dba3)催化剂(0.23g,0.25mmol)和三苯基膦(PPh3)配体(0.26g,1mmol),将所得混合物在110℃下搅拌48小时。反应后,用二氯甲烷(DCM)进行萃取,然后通过硫酸镁(MgSO4)除去剩余的水,然后在减压下除去溶剂。通过使剩余的产物经过二氧化硅柱(洗脱剂:己烷)获得红色油(98%)。
图3为示出化学式1-B的MS谱的图。
图4为示出化学式1-B的NMR数据的图。
(3)化学式1-C的制备
在将化学式1-B的化合物(1.2g,2mmol)溶解在20ml四氢呋喃(THF)中之后,在-78℃下向其中缓慢注入2.0M二异丙基氨基锂(1.1ml,2.2mmol),然后将所得混合物在78℃下搅拌1小时,然后向其中添加苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-4,8-二酮,同时升高温度至室温,将所得混合物在50℃下搅拌2小时。此后,将温度降至室温,然后向其中缓慢添加1.67ml10%HCl中的SnCl.2H2O。
此后,将所得混合物再搅拌2小时,用二氯甲烷(DCM)萃取溶液,通过硫酸镁(MgSO4)除去剩余的水,然后在减压下除去溶剂。通过使剩余的产物经过二氧化硅柱(洗脱剂:己烷)获得黑红色固体(25%)。
图5为示出化学式1-C的MS谱的图。
图6为示出化学式1-C的NMR数据的图。
制备例2.化学式1-E的制备
(1)化学式1-D的制备
在将化学式1-C的化合物(0.443g,0.32mmol)溶解在60ml四氢呋喃(THF)中之后,在-78℃下向其中缓慢注入2.0M二异丙基氨基锂(1.5ml,3.0mmol),将所得混合物在78℃下搅拌1小时,然后向其中添加三甲基氯化锡,然后升高温度至室温,并将所得混合物搅拌3小时。
此后,用二氯甲烷(DCM)萃取溶液,然后通过硫酸镁(MgSO4:10硫酸镁)除去剩余的水,然后通过在减压下除去溶剂获得黑红色粘性液体(1-D)(83%)。
图7为示出化学式1-D的NMR数据的图。
图8为示出化学式1-D的MS数据的图。
(2)化学式1-E的制备
将化合物1-D(0.4531g,0.265mmol)和二溴-联噻吩(0.0859g,0.265mmol)放入容器中,向其中添加Pd(PPh3)4催化剂(0.0061g,0.0053mmol)。用氮气使混合物脱气,然后向其中添加5mL甲苯和3mL二甲基甲酰胺(DMF)。将混合溶液在110℃下搅拌48小时。向端基添加溴三氟甲苯,将所得混合物在110℃下另外搅拌4小时。
将通过使所得凝胶在甲醇中沉淀而得到的固体溶解在氯仿中,将所得溶液与乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液混合,并将所得混合物在120℃下搅拌2小时。通过使反应溶液在甲醇中沉淀而得到的固体依次用甲醇、丙酮、己烷、石油醚、二氯甲烷(DCM)和氯仿以该顺序进行索氏提取,通过使溶解在氯仿中的部分沉淀而获得最终的共聚物1-E。
图7为示出化学式1-D的NMR数据的图。
图8为示出化学式1-D的MS数据的图。
实验例1和比较例1.带隙的计算
通过以Gaussian09W程序使用B3PW91泛函和6-31G*基组测量以下化合物A和以下化合物B的最高占据分子轨道(HOMO)、最低未占据分子轨道(LUMO)和带隙。
[化合物A]
[化合物B]
[表1]
实验例1 | 比较例1 | |
化合物 | 化合物A | 化合物B |
HOMO | 5.31 | 5.27 |
LUMO | 3.54 | 3.47 |
带隙 | 1.77 | 1.80 |
如表1所示,化合物A的带隙计算为小于化合物B的带隙。通过该结果证实,在化学式2中,n1为1的情况具有比n1为2的情况的带隙更小的带隙,因为前者与后者相比具有[Push]与[Pull1]或者[Push]与[Pull2]之间的更强的分子内电荷转移(ICT)。
实验例2
通过使用所制备的聚合物作为电子供体并使用PC70BM作为电子受体,同时将混合比设定为1:3(w/w比),并将该混合物溶解在二氯代苯(DCB)中来制备复合材料溶液。在这种情况下,将浓度调整为2.0重量%,并将有机太阳能电池制成具有ITO/PEDOT:PSS/光活性层/Al的结构。通过使用蒸馏水、丙酮和2-丙醇对涂覆有ITO的玻璃基底进行超声洗涤,并用臭氧处理ITO表面10分钟,然后以4,000rpm旋涂PEDOT:PSS(AI4083)40秒以具有45nm的厚度,并且在235℃下进行热处理5分钟。为了涂覆光活性层,用0.45μm PP注射器过滤器过滤化合物PC70BM复合材料溶液并旋涂,然后通过使用热蒸发器在3×10-8托的真空下沉积Al以具有100nm的厚度来制造有机太阳能电池。
在100mW/cm2的条件下测量实验例中制造的有机太阳能电池的光电转换特性,并且结果示于下表2中。
[表2]
在表2中,VOC、JSC、FF和PCE分别意指开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率。开路电压和短路电流分别是电压-电流密度曲线的第四象限中的X轴截距和Y轴截距,并且随着这两个值增加,太阳能电池的效率优选地提高。此外,填充因子是通过可在曲线内绘制出的矩形的面积除以短路电流和开路电压的乘积而得到的值。当用这三个值除以照射光的强度时可以获得能量转换效率,并且更高的值是优选的。
由表2的结果证实,根据本说明书示例性实施方案的聚合物可以用作用于有机太阳能电池的材料。
图9为示出实验例2中制造的有机太阳能电池的电流密度根据电压变化的图。
Claims (12)
1.一种包含由以下化学式1表示的单元的聚合物:
[化学式1]
在化学式1中,
X1和X2彼此相同或不同,并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te,
R和R'彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基,
[Push]为其中以下结构中的一者或两者或更多者键合的结构,
在所述结构中,
a为1至4的整数,
b和b'各自为1至3的整数,
当a、b和b'各自为2或更大时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,
X10至X22彼此相同或不同,并且各自独立地为CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te,
Y10和Y11彼此相同或不同,并且各自独立地为CRc、N、SiRc、P、或GeRc,
Ra、Rb、Rc和R100至R113彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基,
[Pull1]和[Pull2]为充当电子受体的基团,彼此相同或不同,并且各自独立地由以下化学式2或以下化学式3表示,
[化学式2]
[化学式3]
在化学式2和3中,
X3至X7彼此相同或不同,并且各自独立地为CR15R16、NR15、O、SiR15R16、PR15、S、GeR15R16、Se或Te,
Y1至Y4彼此相同或不同,并且各自独立地为CR17、N、SiR17、P、或GeR17,
n1为0或1的整数,
n2至n4各自为0至3的整数,
当n2至n4各自为2或更大的整数时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,以及
R1至R17彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基。
2.根据权利要求1所述的聚合物,其中X1和X2为S。
3.根据权利要求1所述的聚合物,其中由化学式2或化学式3表示的[Pull1]和[Pull2]由以下化学式2-1或化学式3-1表示:
[化学式2-1]
[化学式3-1]
在化学式2-1和化学式3-1中,
n1至n4和R1至R14与化学式2和化学式3中限定的那些相同。
4.根据权利要求1所述的聚合物,其中所述聚合物包含由以下化学式1-1至化学式1-4中的任一者表示的单元:
[化学式1-1]
[化学式1-2]
[化学式1-3]
[化学式1-4]
在化学式1-1至化学式1-4中,
a为1至4的整数,
n为所述单元的重复数,并且为1至1000的整数,
n1和n1'为0或1的整数,
n2至n4和n2'至n4'各自为0至3的整数,
当a、n2至n4和n2'至n4'各自为2或更大的整数时,括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,以及
R1至R14、R1'至R14'、R104、R105、R112和R113彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;氘;卤素基团;腈基;硝基;酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基。
5.根据权利要求1所述的聚合物,其中所述聚合物的数均分子量为5,000g/mol至1,000,000g/mol。
6.根据权利要求1所述的聚合物,其中所述聚合物的分子量分布为1至10。
7.一种有机电子器件,包括:
第一电极;
第二电极;和
设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层,
其中所述有机材料层的一个或更多个层包含根据权利要求1至6中任一项所述的聚合物。
8.根据权利要求7所述的有机电子器件,其中所述有机电子器件选自有机发光器件、有机太阳能电池和有机晶体管。
9.根据权利要求7所述的有机电子器件,其中所述有机电子器件为有机太阳能电池,所述有机太阳能电池包括:第一电极;第二电极;和具有一个或更多个层的有机材料层,所述有机材料层包括设置在所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层,并且
所述有机材料层的一个或更多个层包含所述聚合物。
10.根据权利要求9所述的有机电子器件,其中所述光活性层具有包括n型有机材料层和p型有机材料层的双层薄膜结构,所述p型有机材料层包含所述聚合物。
11.根据权利要求9所述的有机电子器件,其中所述光活性层具有包含电子供体材料和电子受体材料的本体异质结结构,所述电子供体材料包含所述聚合物。
12.根据权利要求7所述的有机电子器件,其中所述有机电子器件为有机晶体管,所述有机晶体管包括:源极;漏极;栅极;和具有一个或更多个层的有机材料层,所述有机材料层的一个或更多个层包含所述聚合物。
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GR01 | Patent grant | ||
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