DE102019118872A1 - Organic compound and optoelectronic component with such an organic compound - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verbindung der allgemeinen Formel I, sowie ein optoelektronisches Bauelement mit einem Schichtsystem, wobei mindestens eine Schicht des Schichtsystems mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel I aufweistThe invention relates to a compound of the general formula I and an optoelectronic component with a layer system, at least one layer of the layer system having at least one compound of the general formula I
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine organische Verbindung, und ein optoelektronisches Bauelement, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein Schichtsystem, wobei das Schichtsystem mindestens eine Schicht mit mindestens einer solchen organischen Verbindung aufweist.The present invention relates to an organic compound and an optoelectronic component comprising a first electrode, a second electrode and a layer system, the layer system having at least one layer with at least one such organic compound.
Organische Halbleiter auf Basis von niedermolekularen oder polymeren Verbindungen finden zunehmend Anwendungen in vielen Bereichen der Elektroindustrie. Organische Halbleiter werden beispielsweise in optoelektronischen Bauelementen, wie OFETs, OLEDs, OPVs, und Photodetektoren, eingesetzt. Ist das optoelektronische Bauelement ein photovoltaisches Bauelement, wie eine Solarzelle oder ein Photodetektor, dann ist das Bauelement zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie geeignet, wobei die entgegengesetzte Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtemission sich nachteilig auf die Effizienz auswirkt. LEDs wandeln dagegen elektrische Strom- bzw. Spannungssignale oder elektrische Energie in Lichtemission um.Organic semiconductors based on low molecular weight or polymer compounds are increasingly being used in many areas of the electrical industry. Organic semiconductors are used, for example, in optoelectronic components such as OFETs, OLEDs, OPVs, and photodetectors. If the optoelectronic component is a photovoltaic component, such as a solar cell or a photodetector, then the component is suitable for converting light energy into electrical energy, the opposite conversion of electrical energy into light emission having a detrimental effect on efficiency. LEDs, on the other hand, convert electrical current or voltage signals or electrical energy into light emission.
Organische photovoltaische Bauelemente, Solarzellen, bestehen in der Regel aus einer Folge dünner Schichten zwischen zwei Elektroden, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide (TCOs) und/oder transparente leitfähige Polymere (PEDOT-PSS, PANI) erfolgen. Das Vakuum-Aufdampfen der organischen Schichten ist vorteilhaft bei der Herstellung von Tandem-, Triple- oder Mehrfach-Solarzellen. In Tandem- oder Mehrfach-Solarzellen sind die einzelnen Zellen gestapelt, wobei jede Zelle mindestens eine Absorberschicht enthält, zwischen zwei Elektroden angeordnet und meist in Serie geschaltet, so dass die Zelle, die den geringsten Strom produziert, das ganze System limitiert.Organic photovoltaic components, solar cells, usually consist of a sequence of thin layers between two electrodes, which are preferably evaporated in a vacuum or processed from a solution. The electrical contact can be made through metal layers, transparent conductive oxides (TCOs) and / or transparent conductive polymers (PEDOT-PSS, PANI). The vacuum evaporation of the organic layers is advantageous in the production of tandem, triple or multiple solar cells. The individual cells are stacked in tandem or multiple solar cells, with each cell containing at least one absorber layer, arranged between two electrodes and usually connected in series, so that the cell that produces the lowest current limits the entire system.
Die photoaktiven Verbindungen werden üblicherweise in einer oder zwei aneinander grenzenden Schichten zur Bildung von Donor-Akzeptor-Heteroübergängen (heterojunctions) innerhalb einer Zelle eingesetzt, in denen zumindest ein Donor oder ein Akzeptor die Licht absorbierende Komponente ist. Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen auf Basis von Silizium werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände, insbesondere gebundene Elektronen-Loch-Paare. Diese Exzitonen werden an der Donor-Akzeptor-Grenzschicht in Übergängen zwischen zwei angrenzenden Schichten oder innerhalb einer photoaktiven Mischschicht in Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluss beitragen.The photoactive compounds are usually used in one or two adjacent layers for the formation of donor-acceptor heterojunctions within a cell, in which at least one donor or one acceptor is the light-absorbing component. In contrast to inorganic solar cells based on silicon, light does not directly generate free charge carriers in organic solar cells, but excitons, i.e. electrically neutral states of excitation, in particular bound electron-hole pairs, are initially formed. These excitons are separated into charge carriers at the donor-acceptor interface in transitions between two adjacent layers or within a photoactive mixed layer, which then contribute to the flow of electrical current.
Unter dem Begriff „photoaktiv“ wird insbesondere eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Photoaktive Verbindungen weisen einen großen Absorptionskoeffizienten zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich auf.The term “photoactive” is understood to mean, in particular, a conversion of light energy into electrical energy. Photoactive compounds have a large absorption coefficient, at least for a certain wavelength range.
Optoelektronische Bauelemente, insbesondere organische Solarzellen, können noch weitere Schichten, wie beispielsweise Ladungsträgertransportschichten - auch Transportschichten genannt, zwischen den Elektroden aufweisen, die keinen oder nur einen geringen Beitrag zur Absorption im Vergleich zu einer photoaktiven Schicht liefern. Diese Schichten können dotiert, teildotiert, undotiert sein oder einen Gradienten der Dotierung besitzen.Optoelectronic components, in particular organic solar cells, can also have further layers, such as charge carrier transport layers - also called transport layers, between the electrodes, which make no or only a small contribution to absorption compared to a photoactive layer. These layers can be doped, partially doped, undoped or have a doping gradient.
Die photoaktiven Schichten können dabei aus Polymeren oder kleinen Molekülen aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar sind und daher nur aus Lösung aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar.The photoactive layers can be built up from polymers or small molecules. While polymers are characterized by the fact that they cannot be evaporated and can therefore only be applied from solution, small molecules can be evaporated.
Unter kleinen Molekülen werden insbesondere nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Vorzugsweise sind die kleinen Moleküle photoaktiv, wobei unter photoaktiv insbesondere verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.Small molecules are understood to mean, in particular, non-polymeric organic molecules with monodisperse molar masses between 100 and 2000 g / mol, which are present in the solid phase under normal pressure and at room temperature. The small molecules are preferably photoactive, with photoactive being understood in particular to mean that the molecules change their charge state and / or their polarization state when light is introduced.
Die Verwendung solcher optoelektronischen Bauelemente auf Basis kleiner organischer Moleküle bietet die Möglichkeit, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen.The use of such optoelectronic components based on small organic molecules offers the possibility of producing very thin solar cells with little use of material and energy.
Zu photoaktiven organischen Molekülen gehören auch Verbindungen der Klasse der BODIPYs, aus einer anellierten planaren Struktur, die zwei Pyrrol-Ringe aufweist, und einem zentralen 6-Ring, an dem beide Pyrrol-Ringe über C-C-C und N-B-N Verknüpfungen verbunden sind. Die beiden an dem B-Atom befindlichen F-Atome ragen aus der konjugierten Oberfläche heraus, wobei die B-F Bindungen unterschiedliche Längen aufweisen, was zu einer verzerrt tetraedrischen Koordination des B-Atoms führt. Die Bindungslänge der C-C-Bindungen und der C-N-Bindungen im zentralen 6-Ring mit einer Länge von ca. 0,138 nm ist vergleichbar lang, was ein konjugiertes π-Elektronensystem nahelegt. Die beiden N-B-Bindungen weisen eine ähnliche Länge von 0,155 nm auf. Sowohl das HOMO als auch das LUMO sind mit Ausnahme der BF2-Gruppe über das gesamte Molekül delokalisiert. Die Verbindungen der Klasse der BODIPYs sind 4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indazene, und haben ihren Namen von der Abkürzung des auch verwendeten Namens der Boro-Dipyrromethene erhalten. Das Grundgerüst eines nichtsubstituierten BODIPYs ist im Folgenden dargestellt:
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein organisches Material, welches im Vakuum verdampfbar ist und als Absorber zur Verbesserung der Effizienz organischer Solarzellen eingesetzt werden kann, und ein optoelektronisches Bauelement, welches ein derartiges organisches Material enthält, bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing an organic material which can be evaporated in a vacuum and can be used as an absorber to improve the efficiency of organic solar cells, and an optoelectronic component which contains such an organic material.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous configurations result from the subclaims.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist insbesondere, dass eine thermische Stabilität für eine Verdampfung organischer Moleküle im Vakuum oft nicht gegeben ist, die Absorptionsstärke in dünnen Schichten nicht ausreichend ist, und/oder Transporteigenschaften für Ladungsträger nicht ausreichend sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten BODIPYs als Bestandteil in Absorber- oder Transportschichten optoelektronischer Bauelemente sind hinsichtlich des Absorptionsspektrums nicht zufriedenstellend. Die derzeitig erreichte Effizienz organischer Solarzellen ist für den kommerziellen Einsatz deshalb noch nicht ausreichend, so dass die Effizienz durch den Einsatz verbesserter organischer Moleküle gesteigert werden muss.A particular disadvantage of the prior art is that there is often no thermal stability for evaporation of organic molecules in a vacuum, the absorption strength in thin layers is insufficient, and / or transport properties for charge carriers are insufficient. The BODIPYs known from the prior art as a component in absorber or transport layers of optoelectronic components are not satisfactory with regard to the absorption spectrum. The currently achieved efficiency of organic solar cells is therefore not yet sufficient for commercial use, so that the efficiency must be increased through the use of improved organic molecules.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Verbindung der allgemeinen Formel I bereitgestellt wird,
- • R4 und R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, Amino, und Aryl;
- • R6 und R7 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, und Amino;
- • R9, R10, R11, R12, R13 und R14 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, unsubstituiertem Alkyl, substituiertem Alkyl, Amino, Aryl und Heteroaryl, und/oder R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 jeweils zusammen einen heterocyclischen oder homocyclischen 5-Ring oder 6-Ring bilden;
- • X1 und X2 jeweils unabhängig voneinander O oder S sind; und
- • Y1 und Y2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus O, S und N-R8, wobei R8 H oder Alkyl ist.
- • R4 and R5 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, alkyl, fluorinated alkyl, partially fluorinated alkyl, amino, and aryl;
- • R6 and R7 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, alkyl, fluorinated alkyl, partially fluorinated alkyl, and amino;
- • R9, R10, R11, R12, R13 and R14 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, unsubstituted alkyl, substituted alkyl, amino, aryl and heteroaryl, and / or R9 and R10 or R10 and R11, and / or R12 and R13 or R13 and R14 each together form a heterocyclic or homocyclic 5-ring or 6-ring;
- • X1 and X2 are each independently O or S; and
- • Y1 and Y2 are each independently selected from the group consisting of O, S and N-R8, where R8 is H or alkyl.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird ebenfalls offenbart, dass am zentralen 6-Ring der BODIPYs C2F5 durch CF3, C2F4H, C2F3H2, C3F7, C3F6H, oder C3F5H2 ersetzt sein kann.In connection with the invention it is also disclosed that on the central 6-ring of the BODIPYs C 2 F 5 by CF 3 , C 2 F 4 H, C 2 F 3 H 2 , C 3 F 7 , C 3 F 6 H, or C 3 F 5 H 2 can be replaced.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird ebenfalls offenbart, dass am zentralen 6-Ring der BODIPYs zumindest ein F-Atom der BF2-Gruppe durch CF3 und/oder Alkoxy ersetzt sein kann.In connection with the invention it is also disclosed that at least one F atom of the BF 2 group on the central 6-ring of the BODIPYs can be replaced by CF 3 and / or alkoxy.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Heteroatom des von R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 jeweils zusammen gebildeten heterocyclischen 5-Rings oder 6-Rings ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus O, S, N und P, bevorzugt ausgewählt aus O oder S.In a preferred embodiment of the invention, the at least one heteroatom of the heterocyclic 5-ring or 6-ring formed by R9 and R10 or R10 and R11, and / or R12 and R13 or R13 and R14 together is selected from the group consisting of O, S, N and P, preferably selected from O or S.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden sowohl R9 und R10 als auch R12 und R13 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus S, O, N oder P.In a preferred embodiment of the invention, both R9 and R10 as well as R12 and R13 each together form a heterocyclic 5-ring or 6-ring with at least one heteroatom selected from the group consisting of S, O, N or P.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden sowohl R9 und R10 als auch R12 und R13 jeweils zusammen einen 5-Ring oder einen 6-Ring, der nicht weiter anelliert ist.In a preferred embodiment of the invention, both R9 and R10 and also R12 and R13 together each form a 5-ring or a 6-ring which is not further fused.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen der allgemeinen Formel I weisen Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise absorbieren Verbindungen der allgemeinen Formel I rotes und nahinfrarotes Licht in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 900 nm. Vorteilhafterweise besitzen Verbindungen der allgemeinen Formel I geeignete Transporteigenschaften für optoelektronische Bauelemente. Vorteilhafterweise lassen sich Verbindungen der allgemeinen Formel I durch Variationen energetisch an das Schichtsystem des optoelektronischen Bauelements anpassen. Vorteilhafterweise lassen sich optoelektronische Bauelemente, insbesondere eine Solarzelle, mit verbesserter Effizienz herstellen.The compounds of the general formula I according to the invention have advantages compared to the prior art. Compounds of general formula I advantageously absorb red and near-infrared light in a wavelength range from 600 to 900 nm. Compounds of general formula I advantageously have suitable transport properties for optoelectronic components. Compounds of the general formula I can advantageously be adapted in terms of energy to the layer system of the optoelectronic component by variations. Optoelectronic components, in particular a solar cell, can advantageously be produced with improved efficiency.
Verbindungen der allgemeinen Formel I sind insbesondere thermisch über 200°C, bevorzugt über 300°C, stabil und lassen sich zumindest weitgehend zersetzungsfrei durch thermisches Verdampfen im Vakuum zu Schichten verarbeiten. Zusätzlich kann mit den Verbindungen der allgemeinen Formel I die absorbierte Energie an einem Heteroübergang zu Molekülen mit Akzeptor-Charakter (z.B. Fulleren C60) in freie Ladungsträgerpaare und letztlich in elektrische Energie überführt und genutzt werden.Compounds of the general formula I are in particular thermally stable above 200 ° C., preferably above 300 ° C., and can be processed into layers at least largely free of decomposition by thermal evaporation in a vacuum. In addition, with the compounds of general formula I, the absorbed energy at a heterojunction to molecules with acceptor character (e.g. fullerene C60) can be converted into free charge carrier pairs and ultimately into electrical energy and used.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass X1 und X2 jeweils O oder S sind, und Y1 und Y2 jeweils O oder S sind, wobei bevorzugt X1 und X2 O sind und Y1 und Y2 S sind.According to a further development of the invention it is provided that X1 and X2 are each O or S, and Y1 and Y2 are each O or S, with X1 and X2 being O and Y1 and Y2 being S preferably.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass R4 gleich R5 ist, und R6 gleich R7 ist, und/oder R9 gleich R12, R10 gleich R13 und R11 gleich R14 ist.According to a further development of the invention it is provided that R4 is equal to R5, and R6 is equal to R7, and / or R9 is equal to R12, R10 is equal to R13 and R11 is equal to R14.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass R4 und R5 H sind, und R6 und R7 H sind.According to a further development of the invention it is provided that R4 and R5 are H, and R6 and R7 are H.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung der allgemeinen Formel I symmetrisch bezogen auf die Spiegelachse gebildet durch den das B-Atom und die Anknüpfstelle von C2F5 aufgebaut.In a preferred embodiment of the invention, the compound of the general formula I is formed symmetrically with respect to the mirror axis through which the B atom and the point of attachment of C 2 F 5 are built up.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass R9 und R10, oder R10 und R11, und/oder R12 und R13, oder R13 und R14 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder homocyclischen oder heterocyclischen 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus S, O und N bilden.According to a development of the invention it is provided that R9 and R10, or R10 and R11, and / or R12 and R13, or R13 and R14 each together form a heterocyclic 5-ring or homocyclic or heterocyclic 6-ring with at least one heteroatom selected from the Group consisting of S, O and N form.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der von R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 gebildete heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring ausgewählt aus einer der folgenden Formeln:
Die mit * gekennzeichneten Teile der obigen Formeln stellen die Bindungsstellen zu R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 der Verbindung der allgemeinen Formel I dar. X, Y und Z sind unabhängig voneinander ausgewählt aus O, S, Se oder N-R15, mit R15 ausgewählt aus H oder Alkyl. R19 bis R26 sind unabhängig voneinander ausgesucht aus H, Alkyl, Alkinyl, Alkenyl, Alkoxy, Alkthiooxy, Aryl, Heteroaryl, halogeniertem Alkyl und cyaniertem Alkyl.The parts of the above formulas marked with * represent the points of attachment to R9 and R10 or R10 and R11, and / or R12 and R13 or R13 and R14 of the compound of the general formula I. X, Y and Z are independently selected from O, S, Se or N-R15, with R15 selected from H or alkyl. R19 to R26 are independently selected from H, alkyl, alkynyl, alkenyl, alkoxy, alkthiooxy, aryl, heteroaryl, halogenated alkyl and cyanated alkyl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird an die Bindungsstellen R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 als 5-Ring Furan, Imidazol, Isoxazol, Oxadiazol, Oxazol, Pyrazol, Pyrrol, Thiazol, Thiophen gebildet, oder als 6-Ring Benzol, Diazin, Pyridin, Pyridazin, Pyrimidin oder Pyrazin gebildet.In a preferred embodiment of the invention, furan, imidazole, isoxazole, oxadiazole, oxazole, pyrazole, pyrrole, thiazole, thiophene are formed at the binding sites R9 and R10 or R10 and R11, and / or R12 and R13 or R13 and R14 , or formed as a 6-ring benzene, diazine, pyridine, pyridazine, pyrimidine or pyrazine.
Bevorzugte erfindungsgemäße Verbindungen der allgemeinen Formel I sind nachfolgend dargestellt:
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung die Formel II ist
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein optoelektronisches Bauelement, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein Schichtsystem bereitgestellt wird, wobei das Schichtsystem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Das optoelektronische Bauelement ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des Schichtsystems mindestens eine erfindungsgemäße Verbindung der allgemeinen Formel I aufweist. Dabei ergeben sich für das optoelektronische Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Verbindung der allgemeinen Formel I erläutert wurden.The object of the present invention is also achieved by providing an optoelectronic component comprising a first electrode, a second electrode and a layer system, the layer system being arranged between the first electrode and the second electrode. The optoelectronic component is characterized in that at least one layer of the layer system has at least one compound of the general formula I according to the invention. The advantages for the optoelectronic component that have already been explained in connection with the compound of the general formula I result in particular.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht aufweist, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht die mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel I aufweist.According to a development of the invention, it is provided that the layer system has at least one photoactive layer, the at least one photoactive layer having the at least one compound of the general formula I.
Unter einer photoaktiven Schicht wird insbesondere eine Schicht eines optoelektronischen Bauelements verstanden, die einen Beitrag zur Absorption von Strahlung und/oder zur Emission von Strahlung liefert, insbesondere absorbiert die photoaktive Schicht Strahlung. Vorzugsweise ist die photoaktive Schicht für einen Donor/Akzeptor-Heteroübergang (heterojunction) ausgebildet.A photoactive layer is understood to mean, in particular, a layer of an optoelectronic component which makes a contribution to the absorption of radiation and / or to the emission of radiation, in particular the photoactive layer absorbs radiation. The photoactive layer is preferably designed for a donor / acceptor heterojunction (heterojunction).
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten aufweist.According to a development of the invention it is provided that the layer system has at least two, preferably at least three, or preferably at least four photoactive layers.
Vorzugsweise sind mehrere photoaktive Schichten, bevorzugt mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten, zwischen zwei Elektroden über einander gestapelt.A plurality of photoactive layers, preferably at least two, preferably at least three, or preferably at least four photoactive layers, are preferably stacked one on top of the other between two electrodes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die die mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel I enthaltende photoaktive Schicht an mindestens eine Ladungsträgertransportschicht an, wobei die Ladungsträgertransportschicht bevorzugt dotiert, teilweise dotiert oder undotiert ist.In a preferred embodiment of the invention, the photoactive layer containing the at least one compound of the general formula I adjoins at least one charge carrier transport layer, the charge carrier transport layer preferably being doped, partially doped or undoped.
Unter einer Dotierung wird insbesondere eine Beimischung eines Dotanden zu einer Erhöhung der Dichte freier Ladungsträger, Elektronen für n-Dotierung und Löcher für p-Dotierung, verstanden. Dotanden sind dabei Verbindungen, insbesondere organische Moleküle, die elektrische Eigenschaften eines Matrixmaterials verändern ohne notwendigerweise selber halbleitenden zu sein. Vorzugsweise liegt die Konzentration des Dotanden zwischen 1% und 30% Gew.% der Schicht.Doping is understood to mean, in particular, an admixture of a dopant to increase the density of free charge carriers, electrons for n-doping and holes for p-doping. Dopants are compounds, in particular organic molecules, that change the electrical properties of a matrix material without necessarily being semiconducting themselves. The concentration of the dopant is preferably between 1% and 30% by weight of the layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindung der allgemeinen Formel I eine Molmasse von 100 bis 1500 g/mol auf, bevorzugt von 200 bis 800 g/mol.In a preferred embodiment of the invention, the compound of the general formula I has a molar mass of 100 to 1500 g / mol, preferably from 200 to 800 g / mol.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optoelektronische Bauelement eine Solarzelle, ein FET, eine LED oder ein Photodetektor ist, bevorzugt eine organische Solarzelle, ein OFET, eine OLED oder ein organischer Photodetektor.According to one development of the invention, it is provided that the optoelectronic component is a solar cell, an FET, an LED or a photodetector, preferably an organic solar cell, an OFET, an OLED or an organic photodetector.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die photoaktive Schicht als Mischschicht aus der mindestens einen Verbindung der allgemeinen Formel I und mindestens einer weiteren Verbindung, oder als Mischschicht aus der mindestens einen Verbindung der allgemeinen Formel I und mindestens zwei weiteren Verbindungen ausgebildet ist.According to a development of the invention it is provided that the photoactive layer is designed as a mixed layer of the at least one compound of the general formula I and at least one further compound, or as a mixed layer of the at least one compound of the general formula I and at least two further compounds.
Vorzugsweise grenzt die mindestens eine Verbindung der Formel I enthaltende Schicht direkt an eine Elektronentransportschicht. Vorzugsweise weist die Elektronentransportschicht ein Fulleren oder ein Fullerenderivat auf.The layer containing at least one compound of the formula I preferably adjoins an electron transport layer. The electron transport layer preferably has a fullerene or a fullerene derivative.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung der allgemeinen Formel I als absorbierendes Material in einem Schichtsystem zur Absorption von Licht vorhanden. Das Schichtsystem enthält wenigstens ein organisches Donormaterial in Kontakt mit wenigstens einem organischen Akzeptormaterial, wobei das Donormaterial und das Akzeptormaterial einen Donor-Akzeptor-Heteroübergang ausbilden, und wobei die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel I aufweist.In a preferred embodiment of the invention, the compound of the general formula I is present as absorbing material in a layer system for absorbing light. The layer system contains at least one organic donor material in contact with at least one organic acceptor material, the donor material and the acceptor material forming a donor-acceptor heterojunction, and the at least one photoactive layer having at least one compound of the general formula I.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Fulleren und/oder ein Fullerenderivat.In a preferred embodiment of the invention, at least one of the photoactive mixed layers contains a fullerene and / or a fullerene derivative as an acceptor.
Eine einfache Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle besteht beispielsweise in einem Ausführungsform in einer pin-Diode mit folgendem Schichtaufbau:
- 1. Elektrode (Grundkontakt) auf einem Substrat;
- 2. Transportschicht(en) - hier p-type,
- 3. i-Schicht(en),
- 4. Transportschicht(en) - hier n-type,
- 5. Elektrode (Deckkontakt), als Single-Solarzelle.
- 1. Electrode (ground contact) on a substrate;
- 2. Transport layer (s) - here p-type,
- 3. i-layer (s),
- 4. Transport layer (s) - here n-type,
- 5. Electrode (cover contact), as a single solar cell.
Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. In diesem Sinne sind derartige Schichten primär als Transportschichten zu verstehen, insbesondere Ladungsträgertransportschichten. Die Bezeichnung i-Schicht (intrinsische Schicht) bezeichnet demgegenüber bevorzugt eine undotierte Schicht oder eine schwach dotierte Schicht, insbesondere eine photoaktive Schicht. Eine oder mehrere i-Schicht(en) können hierbei sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei oder mehr Materialien bestehen.Here, n or p denotes an n or p doping, which leads to an increase in the density of free electrons or holes in the thermal equilibrium state. In this sense, such layers are primarily to be understood as transport layers, in particular charge carrier transport layers. In contrast, the term i-layer (intrinsic layer) preferably denotes an undoped layer or a weakly doped layer, in particular a photoactive layer. One or more i-layer (s) can consist of one material or a mixture of two or more materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die i-Schicht des optoelektronischen Bauelements als Mischschicht ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch Co-Verdampfen von zwei oder mehreren Materialien erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, the i-layer of the optoelectronic component is designed as a mixed layer. This can be achieved, for example, by co-evaporating two or more materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Grundkontakt (Elektrode) und der p-Schicht und/oder zwischen der p-Schicht und der i-Schicht eine n-Schicht angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, an n-layer is arranged between the ground contact (electrode) and the p-layer and / or between the p-layer and the i-layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Deckkontakt (Elektrode) und der n-Schicht und/oder zwischen der n-Schicht und der i-Schicht eine p-Schicht angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, a p-layer is arranged between the cover contact (electrode) and the n-layer and / or between the n-layer and the i-layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement eine Tandem- oder Mehrfachsolarzelle, wobei bevorzugt zwei oder mehr Schichtsysteme zwischen den Elektroden übereinander gestapelt und in Serie verschaltet sind. Dabei umfasst jedes Schichtsystem mindestens eine i-Schicht und mindestens eine Ladungsträgertransportschicht (p- oder n-Schicht). Erfindungsgemäß umfasst mindestens eine i-Schicht eines Schichtsystems in einer Tandem- oder Mehrfachsolarzelle die erfindungsgemäße Verbindung gemäß allgemeiner Formel I. Bei der Verwendung von hoch-dotierten Ladungsträgertransportschichten an den Übergängen zwischen zwei Schichtsystemen ist die Verwendung von einer Kontaktschicht zwischen den Schichtsystemen nicht notwendig.In a preferred embodiment of the invention, the optoelectronic component is a tandem or multiple solar cell, with two or more layer systems preferably being stacked one on top of the other between the electrodes and being connected in series. Each layer system comprises at least one i-layer and at least one charge carrier transport layer (p- or n-layer). According to the invention, at least one i-layer of a layer system in a tandem or multiple solar cell comprises the compound according to the invention according to general formula I. When using highly doped charge carrier transport layers at the transitions between two layer systems, the use of a contact layer between the layer systems is not necessary.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die i-Schichten der einzelnen Schichtsysteme aus gleichen Materialien oder Materialmischungen aufgebaut, in einer alternativ bevorzugten Ausführungsform sind die i-Schichten der einzelnen Schichtsysteme aus unterschiedlichen Materialien oder Materialmischungen aufgebaut.In a preferred embodiment of the invention, the i-layers of the individual layer systems are made up of the same materials or material mixtures; in an alternatively preferred embodiment, the i-layers of the individual layer systems are made up of different materials or material mixtures.
Um das volle Sonnenspektrum ausnutzen zu können, sind dagegen mehrere organische Verbindungen im Schichtsystem notwendig, die bei unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren und energetisch durch die Optimierung von Schichtdicken oder der Anzahl der Schichten im/in den Schichtsystem/en optimiert sind.In order to be able to use the full solar spectrum, however, several organic compounds are necessary in the layer system, which absorb at different wavelengths and are energetically optimized by optimizing layer thicknesses or the number of layers in the layer system (s).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindung der allgemeinen Formel I in einer photoaktiven Schicht eines optoelektronischen Bauelements, bevorzugt in einer organischen Solarzelle, einem OFET, einer OLED oder einem organischen Photodetektor, bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Verwendung der Verbindung der allgemeinen Formel I in einem optoelektronischen Bauelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Verbindung der allgemeinen Formel I und dem optoelektronischen Bauelement mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel I erläutert wurden.The object of the present invention is also achieved by providing the use of a compound of the general formula I according to the invention in a photoactive layer of an optoelectronic component, preferably in an organic solar cell, an OFET, an OLED or an organic photodetector, in particular according to one of the previously described embodiments. The use of the compound of the general formula I in an optoelectronic component results in particular in the advantages that have already been explained in connection with the compound of the general formula I and the optoelectronic component with at least one compound of the general formula I.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer Synthese einer Verbindung der allgemeinen Formel I in einem Ausführungsbeispiel, -
2 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements in einem Ausführungsbeispiel, -
3 eine grafische Darstellung einer Strom-Spannungskurve, einer spektralen externen Quantenausbeute und des Füllfaktors eines optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung II, -
4 eine grafische Darstellung eines Absorptionsspektrums der Verbindung II im Vergleich mit Verbindung III, -
5 eine grafische Darstellung einer Strom-Spannungskurve, einer spektralen externen Quantenausbeute und des Füllfaktors eines optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung III, -
6 eine grafische Darstellung eines Absorptionsspektrums der Verbindungen IV und V, -
7 eine grafische Darstellung einer Strom-Spannungskurve, einer spektralen externen Quantenausbeute und des Füllfaktors eines optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung IV, -
8 eine grafische Darstellung einer Strom-Spannungskurve, einer spektralen externen Quantenausbeute und des Füllfaktors eines optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung V, und -
9 eine grafische Darstellung einer Strom-Spannungskurve, einer spektralen externen Quantenausbeute und des Füllfaktors eines optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung VI. -
10 zeigt erfindungsgemäße Verbindung gemäß der allgemeinen Formel I.
-
1 a schematic representation of a synthesis of a compound of general formula I in one embodiment, -
2 a schematic illustration of an optoelectronic component in one embodiment, -
3 a graphic representation of a current-voltage curve, a spectral external quantum yield and the fill factor of an optoelectronic component with the compound II, -
4th a graphic representation of an absorption spectrum of compound II compared with compound III, -
5 a graphic representation of a current-voltage curve, a spectral external quantum yield and the fill factor of an optoelectronic component with compound III, -
6th a graphic representation of an absorption spectrum of compounds IV and V, -
7th a graphic representation of a current-voltage curve, a spectral external quantum yield and the fill factor of an optoelectronic component with the compound IV, -
8th a graphical representation of a current-voltage curve, a spectral external quantum yield and the fill factor of an optoelectronic component with the connection V, and -
9 a graphical representation of a current-voltage curve, a spectral external quantum yield and the filling factor of an optoelectronic component with the compound VI. -
10 shows compound according to the invention according to the general formula I.
Ausführungsbeispiel - Synthese von BODIPYsExemplary embodiment - synthesis of BODIPYs
Die Verbindung der allgemeinen Formel I
- • R4 und R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, Amino, und Aryl;
- • R6 und R7jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, und Amino;
- • R9, R10, R11, R12, R13 und R14 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, unsubstituiertem Alkyl, substituiertem Alkyl, Amino, Aryl und Heteroaryl, und/oder R9 und R10 oder R10 und R11, und/oder R12 und R13 oder R13 und R14 jeweils zusammen einen heterocyclischen oder homocyclischen 5-Ring oder 6-Ring bilden;
- • X1 und X2 jeweils unabhängig voneinander O oder S sind; und
- • Y1 und Y2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus O, S und N-R8, wobei R8 H oder Alkyl ist.
- • R4 and R5 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, alkyl, fluorinated alkyl, partially fluorinated alkyl, amino, and aryl;
- • R6 and R7 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, alkyl, fluorinated alkyl, partially fluorinated alkyl, and amino;
- • R9, R10, R11, R12, R13 and R14 are each independently selected from the group consisting of H, alkoxy, unsubstituted alkyl, substituted alkyl, amino, aryl and heteroaryl, and / or R9 and R10 or R10 and R11, and / or R12 and R13 or R13 and R14 each together form a heterocyclic or homocyclic 5-ring or 6-ring;
- • X1 and X2 are each independently O or S; and
- • Y1 and Y2 are each independently selected from the group consisting of O, S and N-R8, where R8 is H or alkyl.
Die Verbindungen der allgemeinen Formel I können wie in
Ein Ausführungsbeispiel einer Synthese einer Verbindung der allgemeinen Formel I ist in
Die Synthese von BODIPYs
Die Reaktionsbedingungen sind in einer Ausführungsform wie folgt:
- (i) Pd(dppf)Cl2, Na2CO3, PhMe, EtOH, H2O, unter Rückfluss, 6 h;
- (ii) NaOMe, MeOH, RT, 6 h;
- (iii) PhMe, unter Rückfluss, 12 h;
- (iv) NaOH, EtOH, unter Rückfluss, 1 h;
- (v) TFA, TFA Anhydrid, bei 40°C unter Rückfluss, 1 h;
- (vi) DIPEA, BF3·OEt2, DCM, RT, 2 h.
- (i) Pd (dppf) Cl2, Na 2 CO 3 , PhMe, EtOH, H 2 O, under reflux, 6 h;
- (ii) NaOMe, MeOH, RT, 6 h;
- (iii) PhMe, reflux, 12 h;
- (iv) NaOH, EtOH, reflux, 1 h;
- (v) TFA, TFA anhydride, at 40 ° C under reflux, 1 h;
- (vi) DIPEA, BF 3 • OEt 2 , DCM, RT, 2 h.
Aromatische Boronsäure reagiert mit 5-Bromo-2-Furaldehyd, zum Einführen eines peripher aromatischen Rests in das durch die Suzuki-Kreuzkupplung erhaltene
Die Synthese von BODIPYs mit alkylierten Substituenten (R = h,i,j,k) an dem peripheren Benzyl-Ringen wird ebenfalls gemäß dem Reaktionsschema in
Die Reaktionsbedingungen sind wie folgt:
- (i) Pd(dppf)Cl2, Na2CO3, PhMe, EtOH, H2O, unter Rückfluss, 6 h;
- (ii) NaOMe, MeOH, RT, 6 h;
- (iii) PhMe, unter Rückfluss, 12 h;
- (iv) NaOH, EtOH, unter Rückfluss, 1 h;
- (v) TFA, TFA Anhydrid, 40°C unter Rückfluss, 1 h;
- (vi) DIPEA, BF3·OEt2, DCM, RT, 2 h.
- (i) Pd (dppf) Cl2, Na 2 CO 3 , PhMe, EtOH, H 2 O, under reflux, 6 h;
- (ii) NaOMe, MeOH, RT, 6 h;
- (iii) PhMe, reflux, 12 h;
- (iv) NaOH, EtOH, reflux, 1 h;
- (v) TFA, TFA anhydride, 40 ° C under reflux, 1 h;
- (vi) DIPEA, BF 3 • OEt 2 , DCM, RT, 2 h.
Die BODIPYs mit Alkyl-Seitenkette an der peripheren Benzyl para-Position (R=h,i) werden entsprechend der Synthese gemäß
Zur Synthese von BODIPYs mit peripheren Thiophen-Ringen (R=j,k) werden 5-Methylthiophen-2-Boronsäure und 5-Ethylthiophen-2-Boronsäure als Startmaterial verwendet.For the synthesis of BODIPYs with peripheral thiophene rings (R = j, k) 5-methylthiophene-2-boronic acid and 5-ethylthiophene-2-boronic acid are used as starting material.
BODIPYs mit fluorinierter Alkyl-Kette an der meso-Position werden aus
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind X1 und X2 jeweils O oder S, und sind Y1 und Y2 jeweils O oder S, wobei bevorzugt X1 und X2 O sind und Y1 und Y2 S sind.In one embodiment of the invention, X1 and X2 are each O or S, and Y1 and Y2 are each O or S, where X1 and X2 are preferably O and Y1 and Y2 are S.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist R4 gleich R5, und ist R6 gleich R7, und/oder sind R9 gleich R12, R10 gleich R13 und R11 gleich R14.In a further embodiment of the invention, R4 is equal to R5, and R6 is equal to R7, and / or R9 is equal to R12, R10 is equal to R13 and R11 is equal to R14.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind R4 und R5 H, und sind R6 und R7 H.In a further embodiment of the invention, R4 and R5 are H, and R6 and R7 are H.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden R9 und R10, oder R10 und R11, und/oder R12 und R13, oder R13 und R14 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder homocyclischen oder heterocyclischen 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus S, O und N.In a further embodiment of the invention, R9 and R10, or R10 and R11, and / or R12 and R13, or R13 and R14 each together form a heterocyclic 5-ring or homocyclic or heterocyclic 6-ring with at least one heteroatom selected from the group consisting of from S, O and N.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung die die Verbindung der Formel II
Das optoelektronische Bauelement
Die Herstellung des optoelektronischen Bauelements
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung grenzt die die Verbindung II enthaltende photoaktive Schicht
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die photoaktive Schicht
Das Schema der spektralen externen Quantenausbeute ist als Anzahl abgeführter Elektronen pro einfallendem Photon definiert. Es wird deutlich gezeigt, dass sowohl C60 als auch die Verbindung II photoaktiv sind.The scheme of the spectral external quantum yield is defined as the number of electrons removed per incident photon. It is clearly shown that both C60 and compound II are photoactive.
Der Füllfaktor FF des optoelektronischen Bauelements mit der Verbindung II beträgt 65,6 %, die Leerlaufspannung UOC = 0,76 V und der Kurzschlussstrom Jsc 8,9 mA/cm2, wodurch eine gut funktionierende Solarzelle bestätigt wird. Aus
Als wichtige Kenngröße bei optoelektronischen Bauelementen dient die Leerlaufspannung Uoc, die durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen höhere Werte erreicht. Die Leerlaufspannung Uoc ergibt sich aus der relativen Lage der Energieniveaus des Donor- und des Akzeptor-Materials, deren Energieniveaus erforderlichenfalls durch geeignete elektronenziehende bzw. elektronenschiebende Gruppen so variiert werden können, dass sich der Energieverlust beim Elektronentransfer verringert und die Leerlaufspannung erhöht wird.The open circuit voltage U oc , which reaches higher values through the use of the compounds according to the invention, serves as an important parameter in optoelectronic components. The open circuit voltage U oc results from the relative position of the energy levels of the donor and acceptor material, the energy levels of which can be varied if necessary by suitable electron-withdrawing or electron-donating groups so that the energy loss during electron transfer is reduced and the open circuit voltage is increased.
Der Zellwirkungsgrad η einer Solarzelle, mit der bestrahlten Fläche A und der Bestrahlungsstärke Ee berechnet sich aus dem Füllfaktor FF, der Leerlaufspannung Uoc, und dem Kurzschlussstrom jsc gemäß:
Der Zellwirkungsgrad des optoelektronischen Bauelements, insbesondere der Solarzelle, mit der Verbindung II beträgt 4,43 %.The cell efficiency of the optoelectronic component, in particular the solar cell, with compound II is 4.43%.
Eine photoaktive Schicht einer Solarzelle mit der Verbindung II führt zu einer verbesserten Sättigung im Vergleich zu einer Solarzelle mit Verbindung III (LUMO offset) und einer um 0,06 V erhöhten Spannung (siehe
Eine deutliche Zunahme der Spannung Uoc von mehr als 0,05 V zeigte sich bei Hochratebedampfung mit Verbindung II. Dagegen wird bei herkömmlichen Verbindungen ein gegenteiliges Verhalten beobachtet. In einem geringeren Ausmaß kann dieser Effekt auch für Verbindung IV beobachtet werden (siehe
Der Vergleich der Filmabsorptionsspektren der Verbindungen II und III zeigt einen steileren Verlauf der Absorption für Verbindung II im Vergleich zu Verbindung III im bathochromen Bereich. Dadurch wird eine bessere energetische Anlagerung der Verbindung II zum Akzeptormaterial C60 erreicht, wobei die Leerlaufspannung Uoc gleich bleibt. Die Absorption der Verbindung II verläuft im roten Wellenlängenbereich günstiger im Vergleich zu Verbindung III, d.h. das LUMO liegt energetisch günstiger zum HOMO von C60.The comparison of the film absorption spectra of the compounds II and III shows a steeper course of the absorption for compound II compared to compound III in the bathochromic range. As a result, a better energetic addition of the compound II to the acceptor material C60 is achieved, the open circuit voltage U oc remaining the same. The absorption of compound II is more favorable in the red wavelength range compared to compound III, ie the LUMO is energetically more favorable to the HOMO of C60.
Die Verbindung der Formel II ist ein besonders guter Absorber im Wellenlängenbereich von 600 bis 900 nm. Überraschenderweise konnte das Absorptionsspektrum von II durch den Austausch von lediglich CF3 durch C2F5 derart verbessert werden, dass aus einer Verbindung mit schlechten Eigenschaften für organische Solarzellen eine Verbindung mit herausragenden Eigenschaften für organische Solarzellen erhalten wurde.The compound of formula II is a particularly good absorber in the wavelength range from 600 to 900 nm. Surprisingly, the absorption spectrum of II could be improved by replacing only CF 3 with C 2 F 5 in such a way that a compound with poor properties for organic solar cells a compound with excellent properties for organic solar cells was obtained.
Ein optoelektronisches Bauelement mit der Verbindung III ergibt eine gute Solarzelle allerdings mit verringerter Sättigung im Vergleich zu Verbindung II (LUMO offset) (siehe
Die Verwendung der Verbindung III führt allerdings zu einer geringen Zunahme der Spannung in Solarzellen im Vergleich zu Verbindung II (siehe
Verbindung IV stellt ebenfalls eine Verbindung der erfindungsgemäßen BODIPYs mit einem C2F5-Rest am zentralen 6-Ring dar.Compound IV also represents a compound of the BODIPYs according to the invention with a C 2 F 5 residue on the central 6-ring.
Ein optoelektronisches Bauelement mit der Verbindung V führt zu einer geringen Zunahme der Spannung in Solarzellen. Die Verbindung V ist keine erfindungsgemäße Verbindung, da anstatt der C2F5-Gruppe eine CF3-Gruppe am zentralen 6-Ring vorliegt.An optoelectronic component with the connection V leads to a slight increase in the voltage in solar cells. The compound V is not a compound according to the invention, since instead of the C 2 F 5 group there is a CF 3 group on the central 6-ring.
Ein Vergleich der Absorptionsspektren der Verbindung V (mit CF3) und der Verbindung IV (mit C2F5) zeigt bei Verbindung IV einen steileren Verlauf im bathochromen Bereich an den Rändern der Absorption im Vergleich zu Verbindung V. Dieses Verhalten von Verbindung IV ist deutlich zu erkennen, jedoch nicht so stark ausgeprägt im Vergleich zu Verbindung II (siehe
In einem optoelektronischen Bauelement mit Verbindung IV beträgt der Füllfaktor FF = 65,0 %, die Leerlaufspannung Uoc = 0,75 V und der Kurzschlussstrom jSC 8,5 mA/cm2. Der Zellwirkungsgrad eines solchen optoelektronischen Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, mit der Verbindung IV beträgt 4,14 %.In an optoelectronic component with connection IV, the fill factor FF = 65.0%, the open-circuit voltage Uoc = 0.75 V and the short-circuit current j SC 8.5 mA / cm 2 . The cell efficiency of such an optoelectronic component, in particular a solar cell, with compound IV is 4.14%.
Ein optoelektronisches Bauelement mit der Verbindung IV zeigt eine verbesserte Leerlaufspannung Uoc von 0,75 V im Vergleich zu Verbindung V Uoc von 0,71 V, im Zusammenhang mit einem steileren Verlauf im Randbereich der Absorption und einem LUMO offset.An optoelectronic component with the connection IV shows an improved open circuit voltage U oc of 0.75 V compared to connection VU oc of 0.71 V, in connection with a steeper curve in the edge area of the absorption and a LUMO offset.
In
In einem optoelektronischen Bauelement mit Verbindung V beträgt der Füllfaktor FF = 68,1%, die Leerlaufspannung Uoc 0,71 V und der Kurzschlussstrom jSC=7,3 mA/cm2. Der Zellwirkungsgrad eines solchen optoelektronischen Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, mit der Verbindung V beträgt 3,52 %.In an optoelectronic component with connection V, the fill factor FF = 68.1%, the open circuit voltage U oc 0.71 V and the short circuit current j SC = 7.3 mA / cm 2 . The cell efficiency of such an optoelectronic component, in particular a solar cell, with the connection V is 3.52%.
Ein optoelektronisches Bauelement mit der Verbindung V führt zu einer akzeptablen Solarzelle, allerdings ohne Zunahme der Spannung im Vergleich zu Verbindung III, oder auch wie vorher gezeigt mit Verbindung II (siehe
Die Verbindung VI (nicht erfindungsgemäß) weist eine ähnliche Struktur im Vergleich zu Verbindung III auf, allerdings ohne terminale Methyl-Gruppen.Compound VI (not according to the invention) has a similar structure to compound III, but without terminal methyl groups.
Verbindung VI zeigt im Vergleich zu Verbindung II ein weniger geeignetes Absorptionsspektrum für optoelektronische Bauelemente, insbesondere für Solarzellen.Compared to compound II, compound VI shows a less suitable absorption spectrum for optoelectronic components, in particular for solar cells.
In einem optoelektronischen Bauelement mit Verbindung VI beträgt der Füllfaktor FF = 50,6 %, die Leerlaufspannung UOC = 0,76 V und der Kurzschlussstrom jSC= 4,6 mA/cm2. Der Zellwirkungsgrad eines solchen optoelektronischen Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, mit der Verbindung VI beträgt 1,77 %.In an optoelectronic component with connection VI, the fill factor is FF = 50.6%, the open circuit voltage U OC = 0.76 V and the short circuit current j SC = 4.6 mA / cm 2 . The cell efficiency of such an optoelectronic component, in particular a solar cell, with compound VI is 1.77%.
Das optoelektronische Bauelement mit Verbindung VI zeigt im Vergleich zu der Solarzelle mit Verbindung II einen signifikant schlechteren Zellwirkungsgrad.The optoelectronic component with compound VI shows a significantly poorer cell efficiency compared to the solar cell with compound II.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021004585A1 (en) | 2021-01-14 |
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