DE102011054246A1 - Organische Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Organische Solarzelle, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine photoaktive Schicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und eine Elektronenextraktionsschicht, die zwischen der photoaktiven Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektronenextraktionsschicht ein ionisches Polymer enthält.
Description
- Verweis auf verwandte Patentanmeldung
- Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
Koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2010-0098997 - Hintergrund der Erfindung
- 1. Bereich der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine organische Solarzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung.
- 2. Beschreibung des Stands der Technik
- Inmitten des weltweit ansteigenden Interesses an erneuerbaren Energien ziehen derzeit organische Solarzellen als viel versprechende zukünftige Energiequelle, welche eine Vielzahl an Vorteilen aufweisen, die Aufmerksamkeit auf sich.
- Im Vergleich zu anorganischen Solarzellen, welche Silizium verwenden, können organische Solarzellen als Dünnfilm mit geringen Kosten hergestellt und bei verschiedenen Typen flexibler Vorrichtungen eingesetzt werden.
- Um die Eigenschaften organischer Solarzellen weiter zu verbessern, wurden somit Forschung und Entwicklung im Hinblick auf verschiedene Aspekte durchgeführt. Beispielsweise wurden Anstrengungen unternommen, um die Eigenschaften einer photoaktiven Schicht einer organischen Solarzelle durch thermische Behandlung eines Materials für die photoaktive Schicht, Oberflächenbehandlung der photoaktiven Schicht oder Ähnliches zu verbessern.
- Jedoch sind immer noch eine Verbesserung des photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrads der organischen Solarzelle und eine Reduzierung der Herstellungskosten notwendig.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine organische Solarzelle, welche mit geringen Kosten hergestellt werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung der organischen Solarzelle.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine organische Solarzelle zur Verfügung gestellt, welche umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine photoaktive Schicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und eine Elektronenextraktionsschicht, die zwischen der photoaktiven Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektronenextraktionsschicht ein ionisches Polymer enthält.
- Das ionische Polymer kann wenigstens einen Substituenten gemäß folgender Formel 1A umfassen:wobei in Formel 1A a eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist;
L1 -O-, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C10-Alkylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C10-Alkenylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C20-Arylengruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte C3-C20-Heteroarylengruppe ist;
p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist;
A1 -CO2M1, -SO3M1 oder -PO3M1M2 ist; und
M1 und M2 jeweils unabhängig voneinander ein einwertiges Kation sind. - L1 in Formel 1A kann -O-, eine Methylengruppe, eine Ethylengruppe, eine Propylengruppe, eine Butylengruppe, eine Phenylengruppe, eine Naphthylengruppe oder eine Anthrylengruppe sein.
- M1 und M2 in Formel 1A können jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder ein Alkalimetall sein.
- Der Substituent gemäß Formel 1A kann ein Substituent gemäß einer der folgenden Formeln 10A bis 10E sein:wobei in den Formeln 10A bis 10E M1 H, Li, Na oder K ist.
- Das ionische Polymer kann wenigstens eine Repetiereinheit, ausgewählt aus einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 2A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 3A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 4A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 5A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 6A und einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 7A, umfassen:
wobei in den Formeln 2A bis 7A Ar1 bis Ar3 jeweils unabhängig voneinander eine C1-C30-Alkylengruppe, eine C6-C30-Arylengruppe, eine C3-C30-Heteroarylengruppe, eine C5-C30-Cycloalkylengruppe, eine C1-C30-Alkylengruppe, die mit wenigstens einer ersten Gruppe substituiert ist, eine C6-C30-Arylengruppe, die mit wenigstens einer zweiten Gruppe substituiert ist, eine C3-C30-Heteroarylengruppe, die mit wenigstens einer dritten Gruppe substituiert ist, oder eine C5-C30-Cycloalkylengruppe, die mit wenigstens einer vierten Gruppe substituiert ist, sind;
b bis d jeweils unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 20 sind; und
R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, die erste Gruppe, die zweite Gruppe, die dritte Gruppe und die vierte Gruppe jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2), -C(=O)-NH2 oder ein Substituent gemäß Formel 1A sind, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind, und wenigstens einer von R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, der ersten Gruppe, der zweiten Gruppe, der dritten Gruppe und der vierten Gruppe ein Substituent gemäß obiger Formel 1A ist. - Das ionische Polymer kann eine Repetiereinheit gemäß folgender Formel 8A, an deren Ende ein Substituent gemäß obiger Formel 1A gebunden ist, umfassen:wobei in Formel 8A R21 bis R24 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2) oder -C(=O)-NH2 sind, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind.
- Das ionische Polymer kann ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) (Mw) von ungefähr 1.000 bis ungefähr 90.000.000 aufweisen.
- Die Elektronenextraktionsschicht kann eine Stärke von ungefähr 0,1 nm bis ungefähr 10 nm aufweisen.
- Eine Oberfläche der Elektronenextraktionsschicht und eine Oberfläche der zweiten Elektrode können miteinander in Kontakt stehen.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer organischen Solarzelle zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren umfasst: Aufbilden einer ersten Elektrode auf ein Substrat; Aufbilden einer photoaktiven Schicht auf die erste Elektrode; Aufbilden einer Elektronenextraktionsschicht, welche ein ionisches Polymer umfasst, auf die photoaktive Schicht; und Aufbilden einer zweiten Elektrode auf die Elektronenextraktionsschicht, wobei das Aufbilden der Elektronenextraktionsschicht das Ausbilden einer ersten Schicht aus einer Mischung des ionischen Polymers und eines Lösungsmittels und das Entfernen wenigstens eines Teils des Lösungsmittels aus der ersten Schicht zum Erhalt der Elektronenextraktionsschicht umfassen kann.
- Das Ausbilden der ersten Schicht bei der Aufbildung der Elektronenextraktionsschicht kann unter Anwendung von Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck, Düsendruck, Eintauchbeschichtung, Elektrophorese, Foliengießen, Siebdruck, Rakelstreichbeschichtung, Tiefdruck, Tiefdruck-Offset-Druck, eines Langmuir-Blogett-Verfahrens oder durch ein schichtweises Aufbau-Verfahren (”self-assembly”) durchgeführt werden.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen deutlicher, wobei
-
1 eine schematische Querschnittsansicht einer organischen Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; -
2 ein Energieniveau-Diagramm jeder Schicht der organischen Solarzelle von1 ist; und -
3 ein Graph ist, der die Spannungs-Strom-Eigenschaften organischer Solarzellen, die gemäß Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, veranschaulicht. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- Die vorliegende Offenbarung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in denen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer organischen Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Gemäß1 umfasst die organische Solarzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine erste Elektrode101 , eine Lochextraktionsschicht102 , eine photoaktive Schicht104 , eine Elektronenextraktionsschicht106 und eine zweite Elektrode108 , welche in der genannten Reihenfolge übereinander angeordnet sind. - Die erste Elektrode
101 kann auf ein Substrat (nicht dargestellt) aufgebildet sein. Bei dem Substrat kann es sich um ein Substrat (z. B. ein Siliziumsubstrat und Ähnliches) handeln, welches allgemein in Halbleiter-Herstellungsverfahren eingesetzt wird, oder ein Substrat, welches aus einem im Wesentlichen transparenten Material (farblos und transparent, farbig transparent oder klar durchsichtig) hergestellt ist und den Durchgang von Außenlicht, wie beispielsweise Sonnenlicht, ermöglicht. Zu Beispielen für das Substrat zählen Glassubstrate, Metalloxidsubstrate und Polymersubstrate. Nicht einschränkende Beispiele für Metalloxide für das Substrat umfassen Aluminiumoxid, Molybdänoxid und Indiumzinnoxid. Nicht einschränkende Beispiele für Polymere für das Substrat umfassen Polyethersulfon (PES), Polyacrylat (PAR), Polyetherimid (PEI), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterepthalat (PET), Polyphenylensulfid (PPS), Polyallylat, Polyimid, Polycarbonat (PC), Zellulosetriacetat (TAC) und Zelluloseacetatpropinonat (CAP). Das Substrat kann eine Einzelschichtstruktur aufweisen, die aus einer Mischung von wenigstens einem Material besteht; in einer anderen Ausführungsform kann es eine mehrschichtige Struktur aufweisen, welche übereinander angeordnete Schichten, von denen jede aus wenigstens zwei Arten von Materialien besteht, umfasst. - Die erste Elektrode
101 kann eine Anode sein. Ein Material für eine erste Elektrode101 kann eine hohe Austrittsarbeit aufweisen. Zu Beispielen für das Material für die erste Elektrode101 zählen transparente und hoch leitfähige Materialien, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO), Indiumzinkoxid (IZO), Zinnoxid (SnO2), Zinkoxid (ZnO), Fluorzinnoxid (FTO) und Antimonzinnoxid (ATO). Zu weiteren Beispielen für das Material für die erste Elektrode13 zählen Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Platin (Pt), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Titan (Ti), Tantal (Ta), eine Kombination von wenigstens zweien davon (z. B. eine Legierung davon, Aluminium-Lithium, Calcium (Ca), Magnesium-Indium (Mg-In) oder Magnesium-Silber (Mg-Ag), welche in einer Co-Depositionsschicht vorliegen können) und kohlenstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise Graphit. Die erste Elektrode101 kann zwei unterschiedliche Materialien umfassen. Die erste Elektrode101 kann verschiedene Strukturen aufweisen; in einigen Ausführungsformen kann sie eine Doppelschicht-Struktur, welche zwei unterschiedliche Materialien umfasst, aufweisen. Die erste Elektrode101 kann unter Anwendung irgendeines bekannten Verfahrens, beispielsweise Sputtern, Abscheidung (Aufdampfen, thermische Abscheidung oder Ähnliches), Ionenstrahl-unterstützte Abscheidung (IBAD) oder Nassbeschichten, durchgeführt werden, wobei das Verfahren in Abhängigkeit von dem Material für die erste Elektrode101 ausgewählt wird. - Die Lochextraktionsschicht
102 kann auf der ersten Elektrode101 angeordnet sein. Die Lochextraktionsschicht102 kann Löcher, die in der photoaktiven Schicht104 erzeugt werden, einfangen und zu der ersten Elektrode101 weitergeben. - Das Material für die Lochextraktionsschicht
102 kann ein leitfähiges Polymer sein. Zu nicht einschränkenden Beispielen für das leitfähige Polymer zählen PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat)), Polyanilin, Polydiphenyl, Acetylen, Poly(t-butyl)diphenylacetylen, Poly(trifluormethyl)diphenylacetylen, Cu-PC (Kupferphthalocyanin), Poly(bistrifluormethyl)acetylen, Polybis(t-butyldiphenyl)acetylen, Poly(trimethylsilyl)diphenylacetylen, Poly(carbazol)diphenylacetylen, Polydiacetylen, Polyphenylacetylen, Polypyridinacetylen, Polymethoxyphenylacetylen, Polymethylphenylacetylen, Poly(t-butyl)phenylacetylen, Polynitrophenylacetylen, Poly(trifluormethyl)phenylacetylen, Poly(trimethylsilyl)phenylacetylen, Derivate davon und eine Kombination von wenigstens zweien davon. - Beispielsweise kann das Material für die Lochextraktionsschicht
102 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat)) sein. - Die Lochextraktionsschicht
102 kann unter Anwendung verschiedener bekannter Verfahren, beispielsweise Abscheidung (Aufdampfen, thermische Abscheidung oder Ähnliches), Ionenstrahl unterstützte Abscheidung (IBAD) oder Nassbeschichten, gebildet werden, wobei das Verfahren in Abhängigkeit von dem Material für die Lochextraktionsschicht102 ausgewählt wird. - Die Lochextraktionsschicht
102 kann eine Stärke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 500 nm aufweisen. Wenn die Stärke der Lochextraktionsschicht102 innerhalb dieses Bereichs liegt, kann die Lochextraktionsschicht102 gute Lochextraktionsleistung aufweisen, ohne dass die Steuerspannung wesentlich ansteigt. - Die photoaktive Schicht
104 kann auf der Lochextraktionsschicht102 angeordnet sein. Die photoaktive Schicht104 kann Löcher und Elektronen erzeugen, indem sie Außenlicht, wie beispielsweise Sonnenlicht, absorbiert. - Die photoaktive Schicht
104 kann verschiedene Strukturen aufweisen, beispielsweise eine Einzelschicht-Struktur, welche ein Elektronendonor-Material und ein Elektronenakzeptor-Material umfasst, oder eine mehrschichtige Struktur, welche eine Schicht umfasst, die ein Elektronendonor-Material enthält, und eine Schicht umfasst, die ein Elektronenakzeptor-Material enthält. - Das Elektronendonor-Material kann ein leitfähiges Polymer-Material vom p-Typ, welches ein n-Elektron umfasst, sein. Zu nicht einschränkenden Beispielen für das leitfähige Polymer als Elektronendonor-Material zählen P3HT (Poly(3-hexylthiophen)), Polysiloxancarbazol, Polyanilin, Polyethylenoxid, (Poly(1-methoxy-4-(0-dispersionsrot1)-2,5-phenylenvinylen), MEH-PPV (Poly-[2-methoxy-5-(2'-ethoxyhexyloxy)-1,4-phenylen-vinylen]); MDMO-PPV (Poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylen-vinylen]); PFDTBT (Poly(2,7-(9,9-dioctyl)-fluoren-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazol)); PCPDTBT (Poly[N',0'-heptadecanyl-2,7-carbazol-alt-5,5-(4',7',-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiazol)], PCDTBT (Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazol-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazol)]), Polyindol, Polycarbazol, Polypyridiazin, Polyisothianaphthalen, Polyphenylensulfid, Polyvinylpyridin, Polythiophen, Polyfluoren, Polypyridin und Derivate davon. Es können beliebige Kombinationen von wenigstens zweien der oben aufgeführten Elektronendonor-Materialien, beispielsweise als Mischung oder Copolymer, eingesetzt werden.
- Nicht einschränkende Beispiele für das Elektronenakzeptor-Material umfassen Fulleren, ein Derivat davon (z. B. PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester)), Nanokristalle, wie beispielsweise CdSe, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Polybenzimidazol(PBI)-Nanostäbchen und 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäurebisbenzimidazol (PTCBI).
- Die photoaktive Schicht
104 kann eine Einzelschicht sein, welche P3HT als Elektronendonor-Material und das Fulleren-Derivat PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester) als Elektronenakzeptor-Material enthält, ist jedoch nicht darauf beschränkt. - Wenn die photoaktive Schicht
104 eine Mischung aus einem Elektronendonor-Material und einem Elektronenakzeptor-Material enthält, kann das Mischungsverhältnis von Elektronendonor-Material zu Elektronenakzeptor-Material 10:1 bis 10:100 (bezogen auf das Gewicht) betragen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. - Die photoaktive Schicht
104 kann eine Stärke von beispielsweise ungefähr 10 nm bis ungefähr 2000 nm aufweisen. Die photoaktive Schicht104 kann unter Anwendung eines allgemeinen Abscheideverfahrens oder Beschichtungsverfahrens, beispielsweise unter Anwendung von Aufsprühen, Rotationsbeschichtung, Eintauchen, Aufdrucken, eines Rakelstreichverfahrens, Sputtern oder Elektrophorese, gebildet werden. Es kann jedoch jedes beliebige geeignete Verfahren Anwendung finden. - Die Elektronenextraktionsschicht
106 kann auf der photoaktiven Schicht104 angeordnet sein. Die Elektronenextraktionsschicht106 kann Elektronen einfangen, die in der photoaktiven Schicht104 erzeugt werden, und sie an die zweite Elektrode108 weitergeben. - Die Elektronenextraktionsschicht
106 kann ein ionisches Polymer umfassen. Im Ergebnis können eine erhöhte Differenz der Austrittsarbeit zwischen der ersten Elektrode101 und der zweiten Elektrode108 zu einer erhöhten Leerlaufspannung (VOC) einer organischen Solarzelle führen, wodurch die Migration von Elektronen von der photoaktiven Schicht104 zu der zweiten Elektrode vereinfacht wird und was zu einem erhöhten Kurzschlussstrom (JSC) führt. Aus diesem Grund kann die organische Solarzelle mit der Elektronenextraktionsschicht106 , welche das ionische Polymer umfasst, einen verbesserten photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen. -
2 ist ein Energieniveau-Diagramm jeder Schicht der organischen Solarzelle in1 und zeigt ein Energieniveau201 der ersten Elektrode101 , ein höchstes besetztes molekulares Orbital (HOMO)214 eines Elektronendonor-Materials204a in der photoaktiven Schicht104 , ein niedrigstes nicht besetztes molekulares Orbital (LUMO)224 eines Elektronenakzeptor-Materials204b in der photoaktiven Schicht104 und ein Energieniveau208 der zweiten Elektrode108 . Obwohl das Energieniveau der photoaktiven Schicht104 getrennt für eine Schicht, welche das Elektronendonor-Material204a enthält, und eine Schicht, welche das Elektronenakzeptor-Material204b enthält, dargestellt ist, ist die photoaktive Schicht104 von2 nicht auf eine Doppelschichtstruktur, welche eine das Elektronendonor-Material enthaltende Schicht und eine das Elektronenakzeptor-Material enthaltende Schicht umfasst, beschränkt. Zur vereinfachten Darstellung ist das Energieniveau der Lochextraktionsschicht102 nicht in2 dargestellt. - Gemäß den
1 und2 migrieren Löcher, die in der photoaktiven Schicht104 der organischen Solarzelle erzeugt werden, indem sie Außenlicht, wie beispielsweise Sonnenlicht, ausgesetzt werden, von dem HOMO214 des Elektronendonor-Materials204a zu der ersten Elektrode101 , während Elektronen, die in der photoaktiven Schicht104 erzeugt werden, von dem LUMO224 des Elektronenakzeptor-Materials204b über die Elektronenextraktionsschicht106 zu der zweiten Elektrode108 migrieren. - Der Einschluss des ionischen Polymers in der Elektronenextraktionsschicht
106 kann zur Ausbildung einer ”Dipolschicht” führen, die einen positiv geladenen Bereich (δ+) und einen negativ geladenen Bereich (δ–) umfasst, wie in2 dargestellt, so dass ein Vakuumenergieniveau (durch die gepunkteten Linien206 in2 kenntlich gemacht) nach oben verschoben werden kann. Dies kann zu einer erhöhten Differenz der Austrittsarbeit zwischen der ersten Elektrode101 und der zweiten Elektrode108 und somit zu einer erhöhten Leerlaufspannung der organischen Solarzelle führen. In einigen Ausführungsformen kann das Vakuumenergieniveau um 0,05 eV oder mehr nach oben verschoben werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. - Die Verschiebung des Vakuumenergieniveaus (siehe die gepunktete Linie
206 von2 ) kann die Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem LUMO224 der photoaktiven Schicht104 und der zweiten Elektrode108 reduzieren, wodurch der Transfer von Elektronen, die in der photoaktiven Schicht104 erzeugt werden, zu der zweiten Elektrode108 erleichtert wird. Dadurch kann die organische Solarzelle einen erhöhten Kurzschlussstrom aufweisen. - Das ionische Polymer in der Elektronenextraktionsschicht
106 kann ein Dipolmoment von 0,3 Debye oder größer aufweisen; in einigen Ausführungsformen kann das Polymer ein Dipolmoment von ungefähr 0,36 Debye bis ungefähr 12 Debye aufweisen. Diese Daten wurden unter Verwendung von Toluol als Lösungsmittel bei ungefähr 38,4°C gemessen. Wenn das ionische Polymer in der Elektronenextraktionsschicht106 ein Dipolmoment innerhalb dieser Bereiche aufweist, kann eine derartige Verschiebung des Vakuumenergieniveaus, wie in2 dargestellt (durch die gepunktete Linie206 in2 kenntlich gemacht), erleichtert werden. - Das ionische Polymer kann wenigstens einen Substituenten gemäß folgender Formel 1A umfassen:
- In Formel 1A kann a eine ganze Zahl von 0 bis 30 sein. In einigen Ausführungsformen kann, wenn a 0 ist, A1 direkt mit einer Hauptkette des ionischen Polymers verknüpft sein, a kann eine ganze Zahl sein, die willkürlich ausgewählt ist aus einer Zahl von 0 bis 30.
- In Formel 1A kann L1 -O-, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C10-Alkylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C10-Alkenylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C20-Arylengruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte C3-C20-Heteroarylengruppe sein. Beispielsweise kann L1 -O-, eine C1-C5-Alkylengruppe, eine C2-C5-Alkenylengruppe, eine C6-C14-Arylengruppe oder eine C2-C14-Heteroarylengruppe sein. Beispielsweise kann L1 -O-, eine Methylengruppe, eine Ethylengruppe, eine Propylengruppe, eine Butylengruppe, eine Phenylengruppe, eine Naphthylengruppe oder eine Anthrylengruppe sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann, wenn a 2 ist, L1 -O- oder eine Propylengruppe sein.
- In Formel 1A ist p eine ganze Zahl von 1 bis 10. p kann von L1 abhängig sein. Beispielsweise kann p 1, 2, 3 oder 4 sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
- In Formel 1A kann A1 -CO2M1, -SO3M1 oder -PO3M1M2 sein.
- M1 und M2 können jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder ein Alkalimetall, wie beispielsweise Li, Na oder K, sein.
- Der Substituent gemäß Formel 1A kann ein Substituent gemäß einer der folgenden Formeln 10A bis 10E sein, ist jedoch nicht hierauf beschränkt:
- In den Formeln 10A bis 10E ist M1 H, Li, Na oder K.
- Das ionische Polymer in der Elektronenextraktionsschicht
106 kann wenigstens eine der Repetiereinheiten, ausgewählt aus einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 2A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 3A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 4A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 5A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 6A und einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 7A, umfassen. -
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- In den Formeln 2A bis 7A können Ar1 bis Ar3 jeweils unabhängig voneinander eine C1-C30-Alkylengruppe, eine C6-C30-Arylengruppe (z. B. eine Phenylengruppe, eine Naphthylengruppe, eine Anthrylengruppe, eine Fluorenylengruppe, eine Spiro-Fluorenylengruppe oder Ähnliches), eine C3-C30-Heteroarylengruppe (z. B. eine Thiophenylgruppe, eine Pyrrolylengruppe oder Ähnliches), eine C5-C30-Cycloalkylengruppe (z. B. eine Cyclohexylengruppe oder Ähnliches), eine C1-C30-Alkylengruppe, die mit wenigstens einer ersten Gruppe substituiert ist, eine C6-C30-Arylengruppe, die mit wenigstens einer zweiten Gruppe substituiert ist (z. B. eine Phenylengruppe, eine Naphthylengruppe, eine Anthrylengruppe, eine Fluorenylengruppe oder eine Spiro-Fluorenylengruppe, die mit wenigstens einer zweiten Gruppe substituiert sind, oder Ähnliches), eine C3-C30-Heteroarylengruppe, die mit wenigstens einer dritten Gruppe substituiert ist (z. B. eine Thiophenylgruppe oder eine Pyrrolylengruppe, die mit wenigstens einer dritten Gruppe substituiert sind, oder Ähnliches), oder eine Cycloalkylengruppe, die mit wenigstens einer vierten Gruppe substituiert ist (z. B. eine Cyclohexylengruppe, die mit wenigstens einer vierten Gruppe substituiert ist, oder Ähnliches), sein.
- b bis d können unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 20 sein.
- R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, die erste Gruppe, die zweite Gruppe, die dritte Gruppe und die vierte Gruppe können jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2), -C(=O)-NH2 oder ein Substituent gemäß Formel 1A sein, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind, und wenigstens einer von R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, der ersten Gruppe, der zweiten Gruppe, der dritten Gruppe und der vierten Gruppe ein Substituent gemäß obiger Formel 1A sein kann, welche oben beschrieben ist und an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben wird.
- R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, die erste Gruppe, die zweite Gruppe, die dritte Gruppe und die fünfte Gruppe sind jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C10-Alkylgruppe, eine C1-C10-Alkoxygruppe, eine Phenylgruppe, eine Naphthylgruppe, eine Anthrylgruppe oder ein Substituent gemäß obiger Formel 1A, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
- In einigen anderen Ausführungsformen kann das ionische Polymer eine Repetiereinheit gemäß folgender Formel 8A umfassen, an deren Ende der Substituent gemäß obiger Formel 1A gebunden ist:
- In Formel 8A können R21 bis R24 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2) oder -C(=O)-NH2 sein, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind. Formel 1A ist oben beschrieben und wird her nicht noch einmal beschrieben.
- Das ionische Polymer kann ein Homopolymer sein, welches nur eine Repetiereinheit, beispielsweise eine der durch Formel 2A dargestellten Repetiereinheiten, umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann das ionische Polymer ein Copolymer sein, welches zwei unterschiedliche Repetiereinheiten, die beispielsweise aus den durch Formel 2A dargestellten Repetiereinheiten ausgewählt sind, umfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann das ionische Polymer ein Copolymer sein, welches beispielsweise eine Repetiereinheit gemäß Formel 2A und eine Repetiereinheit gemäß Formel 3A umfasst. Das ionische Polymer ist nicht auf die obigen beschränkt und kann in beliebiger Form innerhalb des oben beschriebenen Bereichs vorliegen.
- Das ionische Polymer der Elektronenextraktionsschicht
106 kann durch eine der folgenden Formeln 30A bis 30L dargestellt werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt:
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- In den Formeln 30A bis 30L können n, n1 und n2 jeweils unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 10 bis 1.000.000 sein; M1 kann H, Li, Na oder K sein.
- Das ionische Polymer kann ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) (Mw) von ungefähr 1.000 bis ungefähr 90.000.000 aufweisen; in einigen Ausführungsformen kann das ionische Polymer ein Mw von ungefähr 10.000 bis ungefähr 100.000 aufweisen. Wenn das mittlere Molekulargewicht (Gewichtsmittel) des ionischen Polymers innerhalb dieser Bereiche liegt, kann die Mischung zur Bildung der Elektronenextraktionsschicht
106 bezüglich ihrer Beschichtungseigenschaften, Viskosität und Fließfähigkeit verbessert werden, so dass die Elektronenextraktionsschicht106 verbesserte Grenzflächeneigenschaften aufweisen kann. - Die Elektronenextraktionsschicht
106 kann eine Stärke von ungefähr 0,1 nm bis ungefähr 10 nm aufweisen; in einigen Ausführungsformen kann sie eine Stärke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 4 nm aufweisen. Wenn die Stärke der Elektronenextraktionsschicht106 innerhalb dieser Bereiche liegt, kann eine Verschiebung des Vakuumenergieniveaus, wie in2 dargestellt, erhalten werden, ohne dass die Arbeitsspannung ansteigt. - Die Elektronenextraktionsschicht
106 kann durch Aufbilden einer ersten Schicht aus einer Mischung des ionischen Polymers und eines Lösungsmittels und Entfernen wenigstens eines Teils des Lösungsmittels aus der ersten Schicht zum Erhalt der Elektronenextraktionsschicht gebildet werden. Anders ausgedrückt, kann die Elektronenextraktionsschicht106 durch ein so genanntes ”Nassverfahren” gebildet werden. - Das Lösungsmittel kann ein Material sein, das nicht mit dem ionischen Polymer, welches in der Elektronenextraktionsschicht
106 enthalten ist, reagiert, jedoch mit dem ionischen Polymer mischbar ist und leicht, beispielsweise durch Wärme, entfernt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Lösungsmittel ein Alkohol, beispielsweise Ethylalkohol, sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. - Die erste Schicht kann in einem Bereich ausgebildet werden, in dem die Elektronenextraktionsschicht
106 aus der Mischung aus dem ionischen Polymer und dem Lösungsmittel gebildet wird. Beispielsweise kann die erste Schicht auf der photoaktiven Schicht104 ausgebildet werden. - Die erste Schicht kann unter Anwendung irgendeines bekannten Verfahrens, z. B. unter Anwendung von Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck, Düsendruck, Eintauchbeschichtung, Elektrophorese, Foliengießen, Siebdruck, Rakelstreichbeschichtung, Tiefdruck, Tiefdruck-Offset-Druck, eines Langmuir-Blogett-Verfahrens oder eines schichtweisen Aufbau-Verfahrens (”self-assembly)”, gebildet werden.
- Wenigstens ein Teil des Lösungsmittels kann aus der ersten Schicht, welche aus der Mischung aus dem ionischen Polymer und dem Lösungsmittel gebildet wurde, unter Anwendung irgendeines bekannten Verfahrens entfernt werden. In einigen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil des Lösungsmittels aus der ersten Schicht durch Wärmebehandlung, Vakuumtrocknen oder UV-Behandlung entfernt werden. Die resultierende Elektronenextraktionsschicht
106 kann das ionische Polymer enthalten. - Wie oben beschrieben, kann die Elektronenextraktionsschicht
106 unter Anwendung eines Nassverfahrens gebildet werden. Eine organische Solarzelle, welche die Elektronenextraktionsschicht106 umfasst, die wie oben beschrieben gebildet wurde, kann relativ kostengünstig sein im Vergleich zu einer organischen Solarzelle, welche eine Elektronenextraktionsschicht umfasst, die unter Anwendung eines Abscheideverfahrens gebildet wurde, welches eine kostspielige Vakuumkammer, Evakuierungsapparaturen oder Ähnliches erfordert. Wenn die Elektronenextraktionsschicht106 unter Anwendung eines derartigen Nassverfahrens gebildet wird, kann die photoaktive Schicht104 , die unter der Elektronenextraktionsschicht106 angeordnet ist, eine minimale Schädigung aufweisen oder nicht beschädigt werden, was den Füllfaktor der organischen Solarzelle erhöhen kann. - Die zweite Elektrode
108 kann auf der Elektronenextraktionsschicht106 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die zweite Elektrode108 ”direkt” auf der Elektronenextraktionsschicht106 angeordnet sein, so dass eine Oberfläche der Elektronenextraktionsschicht106 in direktem Kontakt mit einer Oberfläche der zweiten Elektrode108 steht (siehe1 ). Anders ausgedrückt, kann zwischen der Elektronenextraktionsschicht106 und der zweiten Elektrode108 keine Elektronentransportschicht, z. B. eine durch Abscheidung gebildete LiF-Schicht, angeordnet sein. - Die zweite Elektrode
108 kann eine Kathode sein. Die zweite Elektrode108 kann unter Verwendung eines Materials mit geringer Austrittsarbeit gebildet sein, um die Migration von Elektroden von der photoaktiven Schicht104 zu erleichtern. Zu nicht einschränkenden Beispielen für ein Material für die zweite Elektrode108 zählen Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Magnesium, Calcium, Natrium, Kalium, Indium, Yttrium, Lithium, Silber, Blei und Cäsium, und eine Kombination von wenigstens zweien davon. - Das hierin verwendete ”*” gibt eine Bindungsstelle mit einem benachbarten Element oder einer Repetiereinheit an, was dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet geläufig ist.
- Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detailliert mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben. Diese Beispiele sollen jedoch den Umfang der Erfindung nicht auf ein oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einschränken.
- Beispiele
- Beispiel 1
- Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(4-styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) (CLEVIOS PH, erhältlich von H. C. Starck) wurde mittels Rotationsbeschichtung auf ein ITO-Substrat (ein mit ITO beschichtetes Glassubstrat) aufgetragen und anschließend bei etwa 200°C für etwa 10 Minuten thermisch behandelt, wodurch eine Lochextraktionsschicht mit einer Stärke von ungefähr 35 nm erhalten wurde. Eine Mischung aus 1,2-Dichlorbenzol, PCBM und P3HT (PCMB:P3HT = 1:1 (bezogen auf das Gewicht)) wurde bei etwa 60°C für etwa 8 Stunden gerührt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die resultierende Mischung wurde mittels Rotationsbeschichtung auf die Lochextraktionsschicht aufgetragen und dann bei etwa 150°C für etwa 30 Minuten thermisch behandelt, wodurch eine photoaktive Schicht mit einer Stärke von ungefähr 210 nm erhalten wurde. Anschließend wurde eine Mischung aus Poly(2,5-bis(3-sulfonatopropoxy)-1,4-phenylendinatriumsalz-alt-1,4-phenylen) (Produkt Nr. 659223, erhältlich von Sigma-Aldrich Co.) der Formel 30A (M1 = Na) und Wasser mittels Rotationsbeschichtung auf die photoaktive Schicht aufgetragen und dann bei etwa 50°C für etwa 10 Minuten thermisch behandelt, wodurch eine ein ionisches Polymer enthaltende Elektronenextraktionsschicht mit einer Stärke von ungefähr 2,7 nm erhalten wurde. Anschließend wurde Al auf der Elektronenextraktionsschicht abgeschieden, um eine zweite Elektrode mit einer Stärke von ungefähr 100 nm zu bilden, wodurch die Herstellung einer organischen Solarzelle abgeschlossen war.
- Vergleichsbeispiel 1
- Es wurde eine organische Solarzelle auf die gleiche Weise wie in Bespiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass die das ionische Polymer enthaltende Elektronenextraktionsschicht nicht gebildet wurde.
- Bewertungsbeispiel 1
- Es wurden die Spannungs-Stromdichte-Eigenschaften der organischen Solarzellen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in
3 dargestellt. Die Spannungs-Stromdichte-Eigenschaften jeder organischen Solarzelle wurden bewertet, während Licht mit 100 mW/cm2 mit einer Xenon-Lampe als Lichtquelle (das AM-1,5-Solarspektrum der Xenon-Lampe wurde unter Verwendung einer Standard-Solarzelle korrigiert) auf die organische Solarzelle ausgestrahlt wurde. - Es wurden der Kurzschlussstrom (JSC), die Leerlaufspannung (VOC), der Füllfaktor (FF) und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad (PCE, %) unter Verwendung des Spannungs-Stromdichte-Graphen berechnet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Elektronenextraktionsschicht Leerlaufspannung (VOC) (mV) Kurzschlussstrom (JSC) (mA/cm2) Füllfaktor (FF) (%) Photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad (PCE) (%) Vergleichs beispiel 1 - 501 10,9 59,6 3,3 Beispiel 1 Ionisches Polymer der Formel 30A (M1 = Na) 534 11,0 62,3 3,7 - Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, stellte sich heraus, dass die organische Solarzelle von Beispiel 1 mit der Elektronenextraktionsschicht, welche das ionische Polymer umfasst, bessere Eigenschaften im Vergleich zu der organischen Solarzelle von Vergleichsbeispiel 1 aufweist.
- Die organische Solarzelle von Beispiel 1 besitzt einen verbesserten photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad und kann als Dünnfilm mit geringen Kosten leicht hergestellt werden.
- Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der durch die folgenden Ansprüche definiert wird, zu verlassen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2010-0098997 [0001]
Claims (13)
- Organische Solarzelle, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine photoaktive Schicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und eine Elektronenextraktionsschicht, die zwischen der photoaktiven Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektronenextraktionsschicht ein ionisches Polymer enthält.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei das ionische Polymer wenigstens einen Substituenten gemäß folgender Formel 1A umfasst:wobei in Formel 1A a eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist; L1 -O-, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C10-Alkylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C10-Alkenylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C20-Arylengruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte C3-C20-Heteroarylengruppe ist; p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist; A1 -CO2M1, -SO3M1 oder -PO3M1M2 ist; und M1 und M2 jeweils unabhängig voneinander ein einwertiges Kation sind.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 2, wobei L1 -O-, eine Methylengruppe, eine Ethylengruppe, eine Propylengruppe, eine Butylengruppe, eine Phenylengruppe, eine Naphthylengruppe oder eine Anthrylengruppe ist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 2, wobei M1 und M2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder ein Alkalimetall sind.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 2, wobei der Substituent gemäß Formel 1A ein Substituent gemäß einer der folgenden Formeln 10A bis 10E ist:wobei in den Formeln 10A bis 10E M1 H, Li, Na oder K ist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei das ionische Polymer wenigstens eine Repetiereinheit, ausgewählt aus einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 2A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 3A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 4A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 5A, einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 6A und einer Repetiereinheit gemäß folgender Formel 7A, umfasst:
wobei in den Formeln 2A bis 7A Ar1 bis Ar3 jeweils unabhängig voneinander eine C1-C30-Alkylengruppe, eine C6-C30-Arylengruppe, eine C3-C30-Heteroarylengruppe, eine C5-C30-Cycloalkylengruppe, eine C1-C30-Alkylengruppe, die mit wenigstens einer ersten Gruppe substituiert ist, eine C6-C30-Arylengruppe, die mit wenigstens einer zweiten Gruppe substituiert ist, eine C3-C30-Heteroarylengruppe, die mit wenigstens einer dritten Gruppe substituiert ist, oder eine C5-C30-Cycloalkylengruppe, die mit wenigstens einer vierten Gruppe substituiert ist, sind; b bis d jeweils unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 20 sind; und R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, die erste Gruppe, die zweite Gruppe, die dritte Gruppe und die vierte Gruppe jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2), -C(=O)-NH2 oder ein Substituent gemäß folgender Formel 1A sind, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind, und wenigstens einer von R1 bis R4, R11, R13, R14, R15, der ersten Gruppe, der zweiten Gruppe, der dritten Gruppe und der vierten Gruppe ein Substituent gemäß folgender Formel 1A ist:
wobei in Formel 1A a eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist; L1 -O-, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C10-Alkylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C10-Alkenylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C20-Arylengruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte C3-C20-Heteroarylengruppe ist; p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist; A1 -CO2M1, -SO3M1 oder -PO3M1M2 ist; und M1 und M2 jeweils unabhängig voneinander ein einwertiges Kation sind.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei das ionische Polymer eine Repetiereinheit gemäß folgender Formel 8A, an deren Ende ein Substituent gemäß folgender Formel 1A gebunden ist, umfasst:wobei in Formel 8A R21 bis R24 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom (H), eine Nitrogruppe (-NO2), eine Cyanogruppe (-CN), eine Hydroxylgruppe (-OH), ein Halogenatom, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkoxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Aryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroaryloxygruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C5-C20-Cycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heterocycloalkylgruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C30-Alkylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C30-Arylestergruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C30-Heteroarylestergruppe, -N(Q1)(Q2) oder -C(=O)-NH2 sind, wobei Q1 bis Q2 jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine C1-C30-Alkylgruppe, eine C6-C30-Arylgruppe oder eine C2-C30-Heteroarylgruppe sind; und
wobei in Formel 1A a eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist; L1 -O-, eine substituierte oder unsubstituierte C1-C10-Alkylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C2-C10-Alkenylengruppe, eine substituierte oder unsubstituierte C6-C20-Arylengruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte C3-C20-Heteroarylengruppe ist; p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist; und A1 -CO2 –M+ oder -SO3 –M+ ist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei das ionische Polymer durch eine der Formeln 30A bis 30L dargestellt wird:
wobei in den Formeln 30A bis 30L n, n1 und n2 jeweils unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 10 bis 1.000.000 sind; und M1 H, Li, Na oder K ist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei das ionische Polymer ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) (Mw) von ungefähr 1.000 bis ungefähr 90.000.000 aufweist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Elektronenextraktionsschicht eine Stärke von ungefähr 0,1 nm bis ungefähr 10 nm aufweist.
- Organische Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei eine Oberfläche der Elektronenextraktionsschicht und eine Oberfläche der zweiten Elektrode miteinander in Kontakt stehen.
- Verfahren zur Herstellung einer organischen Solarzelle, wobei das Verfahren umfasst: Aufbilden einer ersten Elektrode auf ein Substrat; Aufbilden einer photoaktiven Schicht auf die erste Elektrode; Aufbilden einer Elektronenextraktionsschicht, welche ein ionisches Polymer umfasst, auf die photoaktive Schicht; und Aufbilden einer zweiten Elektrode auf die Elektronenextraktionsschicht, wobei das Aufbilden der Elektronenextraktionsschicht das Ausbilden einer ersten Schicht aus einer Mischung des ionischen Polymers und eines Lösungsmittels und das Entfernen wenigstens eines Teils des Lösungsmittels aus der ersten Schicht zum Erhalt der Elektronenextraktionsschicht umfasst.
- Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Ausbilden der ersten Schicht bei der Aufbildung der Elektronenextraktionsschicht unter Anwendung von Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck, Düsendruck, Eintauchbeschichtung, Elektrophorese, Foliengießen, Siebdruck, Rakelstreichbeschichtung, Tiefdruck, Tiefdruck-Offset-Druck, eines Langmuir-Blogett-Verfahrens oder durch ein schichtweises Aufbau-Verfahren (”self-assembly”) durchgeführt wird.
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