DE102022116410A1 - Organisches elektronisches Bauelement mit einer Akzeptorschicht und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten - Google Patents

Organisches elektronisches Bauelement mit einer Akzeptorschicht und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein organisches elektronisches Bauelement mit einem Schichtsystem mit einer photoaktiven Schicht, wobei die photoaktive Schicht eine Akzeptorschicht mit mindestens einem Akzeptor und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten aufweist, sowie eine Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder einer Verbindung der allgemeinen Formel II in einer Kaskade eines organischen elektronischen Bauelements.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein organisches elektronisches Bauelement mit einer Akzeptorschicht und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten, sowie eine Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder einer Verbindung der allgemeinen Formel II in einer Kaskade eines organischen elektronischen Bauelements.
  • Elektronische Bauelemente mit photoaktiven Schichten, insbesondere LED's oder Solarzellen, finden heute eine breite Anwendung im alltäglichen sowie industriellen Umfeld. Bekannte Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphem Silicium (a-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S, Se)2) auf. Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen photoaktiven Schichten. Die organischen photoaktiven Schichten können dabei aus Polymeren oder kleinen Molekülen aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar. Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu 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 (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluss beitragen.
  • Die Effizienz (power conversion efficiency - PCE) von organischen Solarzellen konnte in den letzten Jahren mittels einer Donor/Akzeptor-Grenzschicht, Bulk-Heterojunctions, Tandem-Strukturen und neue Materialien, insbesondere neue Absorber deutlich gesteigert werden.
  • Zur Verbesserung der Effizienz von organischen Solarzellen muss einerseits die Intensität der Absorption verbessert werden, andererseits das Absorptionsspektrum verbreitert werden. Dazu sind zueinander passende Absorber notwendig. Diese Absorber können sowohl in Form von Kaskaden innerhalb einer Zelle als auch in Tandem- oder Mehrfachzellen kombiniert werden. In einem Bereich der Kaskade gebildete Exzitonen werden durch Förster EnergieTransfer in eine Schicht der Kaskade mit einer geringeren Bandlücke des Akzeptors transferiert und anschließend an der Donor/Akzeptor-Grenzschicht zur Donorschicht in Ladungsträger getrennt.
  • Kaskaden-artige PHJ-Zellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kaskaden-artige PHJ-Zellen sind gegenüber einfachen PHJ-Zellen vorteilhaft, da diese eine höherer Effektivität in der Leitung von „excition dynamics“ an eine aktive Grenzfläche und der Abdeckung eines breiten Sprektralbereichs durch die Kombination von zwei oder mehreren Absorbern. Einzel-PHJ sind jedoch im Vergleich zu BHJ insofern nachteilig, dass die Effizienz (EQE) geringer ist. In der Kaskade ist die Donorschicht der planar Heterojunction aus mehreren aneinander liegenden Donorschichten ausgebildet. Der Transfer der Exitonen zwischen der Donorschicht und der Akzeptorschicht an der Donor/Akzeptor-Grenzschicht, das kann durch Förster-Resonanzenergietransfer erfolgen, wobei mehrere Donorschichten zum Photostrom beitragen.
  • Cnops et al. offenbart, dass organische Solarzellen mit mehreren Absorbern in Kaskaden einer photoaktiven Schicht basierend auf Fulleren-Akzeptoren nicht zu einer Verbesserung der Effizienz solcher organischer Solarzellen führen, und schlägt deshalb die Verwendung Fulleren-freier Akzeptoren in organischen Solarzellen vor.
  • US10468615B2 offenbart organische photovoltaische Zellen einer Heterojunction-Strukturmit einer ersten organischen Donorschicht, einer ersten organischen Akzeptorschicht, und einer weiten organischen Akzeptorschicht and der ersten organischen Akzeptorschicht und/oder einer zweiten organischen Donorschicht an der ersten organischen Donorschicht. Die optische Bandlücke der zweiten Donorschicht ist größer als die optische Bandlücke der ersten Donorschicht, wobei der Unterschied mindestens 0,1 eV beträgt, der Unterschied zwischen dem Energieniveau des HOMO der ersten Donorschicht und dem Energieniveau des HOMO der zweiten Donorschicht ist nicht größer als 0,1 eV, und das optische Emissions-Spektrum der zweiten Donorschicht überlappt mit dem der ersten Donorschicht.
  • Die Effizienz von organischen photovoltaischen Elementen muss aber weiter gesteigert werden, um diese im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen basierend auf Silizium wettbewerbsfähig zu machen. Zur Steigerung der Effizienz ist neben der Auswahl von Absorbern (Donoren und Akzeptoren) und der Architektur als Tandem oder Triple-Zellen auch die Ausgestaltung einer Zelle notwendig.
  • Nachteilig ist jedoch, dass planar Heterojunctions (PHJ) für den Einsatz in elektronischen Bauelementen, insbesondere von photovoltaischen Elementen, nicht gut geeignet sind, insbesondere da die Effizienz der photovoltaischen Elemente dadurch stark begrenzt war, möglicherweise durch eine limitierte Exzitonen-Diffusionslänge in solchen Schichten. PHJ Zellen kamen deshalb für den industriellen Einsatz in photovoltaischen Elementen bisher nicht in Frage. Die bekannten Kaskaden führen insbesondere zu einem Verlust der Leerlaufspannung Voc.
  • Es wäre wünschenswert PHJ-Zellen in photovoltaischen Elementen einzusetzen, da die Effizienz von photovoltaischen Elementen verbessert wird, und die Produktion vereinfacht wird. Eine PHJ-Zelle hat hingegen wesentlich geringere Anforderungen an Prozessparameter im Vergleich zu einer BHJ-Zelle, da die Morphologie von Einzelschichten intrinsisch weniger zu kontrollierende Freiheitsgrade besitzt im Vergleich zu einer BHJ-Zelle.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein organisches elektronisches Bauelement bereitzustellen, aufweisend ein Schichtsystem mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht als planar Heterojunction (PHJ) ausgebildet ist, mit einer Akzeptorschicht mit mindestens einem Akzeptor und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten, wobei die zuvor genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere eine verbesserte Effizienz eines organischen elektronischen Bauelements mit einem solchen Schichtsystem im Vergleich zu herkömmlichen PHJ-Zellen bereitgestellt wird.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein organisches elektronisches Bauelement, bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element, bereitgestellt wird, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, und einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Schichtsystem mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht als planar Heterojunction (PHJ) ausgebildet ist, mit einer Akzeptorschicht mit mindestens einem Akzeptor und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten, wobei eine erste Donorschicht mindestens einen ersten Donor und eine zweite Donorschicht mindestens einen zweiten Donor aufweist, wobei zwischen der Akzeptorschicht und der ersten Donorschicht eine Donor/Akzeptor-Grenzschicht ausgebildet ist, und der mindestens eine Akzeptor und der mindestens eine erste Donor ein Donor-Akzeptor-System bilden. Dabei unterscheiden sich die erste Donorschicht und die zweite Donorschicht derart, dass die zweite Donorschicht eine größere optische Bandlücke im Vergleich zu der ersten Donorschicht aufweist, wobei die optische Bandlücke der zweiten Donorschicht mindestens 10 meV größer ist im Vergleich zu der optischen Bandlücke der ersten Donorschicht. Bevorzugt ist die Kaskade derart ausgebildet, so dass ein Energietransfer der Kaskade im Wesentlichen strahlungsarm, vorzugsweise mittels Förster- und/oder Dextertransfer erfolgt. Dadurch kann ein strahlungsarmer Transfer von Energie in der Kaskade effizient erfolgen, wobei Reabsorption oder Strahlungsverluste reduziert werden. In der Kaskade werden Exzitonen aus einer Donorschicht mit einer großen Bandlücke in eine Donorschicht mit einer niedrigeren Bandlücke transportiert und schließlich an der Donor/Akzeptor-Grenzschicht zu der Akzeptorschicht dissoziiert, so dass Ladungen vorliegen. Bei einer derartigen Architektur des Schichtsystems lässt sich ein breites Spektrum des Lichts abdecken.
  • Unter einer optischen Bandlücke zweier Absorber wird insbesondere ein Onset der Absorption zwischen den beiden Absorbern verstanden. Unter einer Differenz einer optischen Bandlücke wird insbesondere eine Differenz der Onsets der Absorption verstanden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Elektrode und der photoaktiven Schicht, insbesondere der Akzeptorschicht der photoaktiven Schicht, eine Elektronentransportschicht (ETL) angeordnet, und zwischen der photoaktiven Schicht, insbesondere den Donorschichten der photoaktiven Schicht, und der zweiten Elektrode eine HTL Lochtransportschicht (HTL) angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Donorschicht direkt an der zweiten Donorschicht angeordnet, insbesondere bevorzugt ist zwischen der ersten Donorschicht und der zweiten Donorschicht keine Diodenhalbleiterschicht-bildende Zwischenhalbleiterschicht, beispielsweise eine pn-junction.
  • Unter einer Kaskade wird insbesondere eine photoaktive Schicht einer PHJ-Zelle mit einer Akzeptorschicht und einer Donorschicht verstanden, wobei die Donorschicht ihrerseits aus mindestens zwei Donorschichten ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einer Anordnung mehrerer Zellen eines photovoltaischen Elements, beispielsweise einer Tandem-Zelle oder einer Tripple-Zelle, die als Kaskade ausgebildet sein können, handelt es sich erfindungsgemäß um eine Kaskade innerhalb einer photoaktiven Schicht eine Zelle eines photovoltaischen Elements. Im Falle von mehreren photoaktiven Schichten in einer Zelle können mehrere photoaktive Schichten eine solche Kaskade aufweisen.
  • Unter dem Begriff „photoaktiv“ wird insbesondere eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Dabei weisen Absorbermaterialien in photoaktiven Schichten einen großen Absorptionskoeffizienten zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich auf. Vorzugsweise wird unter photoaktiv verstanden, dass Absorbermaterialien, insbesondere mindestens ein Donor und/oder mindestens ein Akzeptor, unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.
  • Unter einer photoaktiven Schicht wird insbesondere eine Schicht eines elektronischen Bauelements verstanden, die einen Beitrag zur Absorption von Strahlung und/oder zur Emission von Strahlung liefert, insbesondere absorbiert die photoaktive Schicht Strahlung.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Donorschicht einer Verbindung der allgemeinen Formel I und oder eine Verbindung der allgemeinen Formel II auf.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Donorschicht einer Verbindung der allgemeinen Formel IV und oder eine Verbindung der allgemeinen Formel V auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht mindestens ein Absorbermaterial auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht als Absorbermaterial ein Donor-Akzeptor-System auf, das als planar-Heterojunction ausgebildet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine photoaktive Schicht, insbesondere die Akzeptorschicht und/oder die mindestens eine Donorschicht, kleine Moleküle als Absorbermaterial auf.
  • Unter kleinen Molekülen werden insbesondere nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Vorzugsweise sind die kleinen Moleküle photoaktiv.
  • Das erfindungsgemäße organische elektronische Bauelement weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise kann die Effizienz (power conversion efficiency - PCE) von Solarzellen mit PHJ-Zellen durch eine derartig als Kaskade ausgebildete Donorschicht erhöht werden. Vorteilhafterweise wird das Absorptionsspektrum derartiger PHJ-Zellen verbreitert. Vorteilhafterweise wird die Leerlaufspannung Voc im Vergleich zu Einzel-PHJ-Zellen nicht reduziert. Ein Subzelle kann dabei auch ohne Donor/Akzeptor-Mischungen eine breite Bandbreite des Wellenlängenbereichs abdecken. Vorteilhafterweise sind keine Donor/Akzeptor-Mischungen erforderlich, wodurch sich die Zellen insbesondere mittels Verdampfung leichter herstellen lassen. Vorteilhafterweise wird die Absorption (exciton harvesting) im Vergleich zu einer Einzel-PHJ-Zelle ohne eine derartige Kaskade erhöht, insbesondere da der Exziton-Transfer zwischen den Donorschichten gerichtet ist und zu besseren Transferraten führt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Akzeptor ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren und/oder Fulleren-Derivat, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94, oder einem Derivat davon.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energieniveau des HOMO der zweiten Donorschicht zumindest weitgehend dem Energieniveau des HOMO der ersten Donorschicht entspricht, bevorzugt in einem Bereich von +/- 200 meV, bevorzugt in einem Bereich von +/- 100 meV, bevorzugt in einem Bereich von +/- 70 meV, bevorzugt in einem Bereich von +/- 50 meV, oder bevorzugt in einem Bereich von +/- 30 meV.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Donor in einem Spektralbereich von 600 nm bis 800 nm absorbiert und der mindestens eine zweite Donor in einem Spektralbereich von 580 nm bis 780 nm absorbiert, oder der mindestens eine erste Donor in einem Spektralbereich von 700 nm bis 900 nm absorbiert und der mindestens eine zweite Donor in einem Spektralbereich von 680 nm bis 880 nm absorbiert.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Akzeptorschicht und die Donorschichten eine Schichtdicke von jeweils 2 bis 50 nm aufweisen, bevorzugt von 5 nm bis 30 nm, bevorzugt von 6 nm bis 25 nm, bevorzugt von 2 nm bis 20 nm, bevorzugt von 4 nm bis 20 nm, bevorzugt von 8 nm bis 20 nm, bevorzugt von 10 nm bis 20 nm, bevorzugt von 2 nm bis 15 nm, bevorzugt von 4 nm bis 15 nm, oder bevorzugt von 10 nm bis 15 nm, und/oder die kumulierte Schichtdicke der Donorschichten mindestens 5 nm beträgt, bevorzugt mindestens 8 nm, oder bevorzugt mindestens 10 nm, bevorzugt 5 nm bis 25 nm, oder bevorzugt 10 bis 25 nm.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erst photoaktive Schicht eine Schichtdicke von 10 nm bis 300 nm auf, bevorzugt von 10 nm bis 200 nm, bevorzugt von 10 nm bis 150 nm, bevorzugt von 10 nm bis 100 nm, bevorzugt von 10 nm bis 50 nm, bevorzugt von 20 nm bis 200 nm, bevorzugt von 20 nm bis 150 nm, bevorzugt von 20 nm bis 100 nm, bevorzugt von 20 nm bis 50 nm, bevorzugt von 30 bis 300 nm, bevorzugt von 30 bis 150 nm, oder bevorzugt von 30 bis 100 nm, bevorzugt von 30 nm bis 50 nm, bevorzugt von 50 nm bis 200 nm, oder bevorzugt von 50 nm bis 100 nm.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die erste Donorschicht und die zweite Donorschicht eine unterschiedliche Schichtdicke auf. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weisen die erste Donorschicht und die zweite Donorschicht die gleiche Schichtdicke auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein optisches Absorptionsspektrum der zweiten Donorschicht mit einem optischen Absorptionsspektrum der ersten Donorschicht innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs in einem Bereich von mindestens 75 meV überlappt, bevorzugt mindestens 100 meV, oder bevorzugt mindestens 200 meV. Durch den Überlapp der von der ersten Donorschicht emittierten Strahlung mit der von der zweiten Donorschicht absorbierten Strahlung wird ein breiterer Spektralbereich des Lichts abgedeckt. Das Absorptionsspektrum der ersten Donorschicht und der zweiten Donorschicht darf zur Bildung von verbesserten Tandem-Zellen und Triple-Zellen nicht zu weit auseinander liegen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Unterschied der Beginn der Absorption der ersten Donorschicht relativ zur zweiten Donorschicht kleiner als 100 meV, bevorzugt kleiner als 50 meV, oder bevorzugt kleiner als 30 meV.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Unterschied in der Absorptionskante zwischen der ersten Donorschicht und der zweiten Donorschicht kleiner als 100 meV ist, bevorzugt kleiner als 50 meV, oder bevorzugt kleiner als 30 meV. Unter einer Absorptionskante wird insbesondere ein sprunghafter Übergang von schwacher zu stärkerer Absorption verstanden, der an einer bestimmten Stelle eines elektromagnetischen Spektrums auftritt.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Donor und/oder der mindestens eine zweite Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel IV ist
    Figure DE102022116410A1_0001
    und der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel V ist
    Figure DE102022116410A1_0002
    wobei L1 ein stärkerer Donor im Vergleich zu L2 ist und/oder M1 ein stärkerer Akzeptor im Vergleich zu M2 ist, bevorzugt ist X in der allgemeinen Formel IV S und ist X in der allgemeinen Formel V O. Derartige Materialien ermöglichen insbesondere den Aufbau von PHJ-Zellen, die zumindest gleichwertig mit BHJ-Zellen sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Donorschicht mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel IV und/oder der allgemeinen Formel V mit X gleich S auf, und weist die zweite Donorschicht mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel IV und/oder Formel V mit X gleich O auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Donorschicht und/oder die zweite Donorschicht der mindestens einen Kaskade mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der allgemeinen Verbindung I und/oder der allgemeinen Verbindung II aufweist, mit der allgemeinen Formel I:
    Figure DE102022116410A1_0003
    wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl, Aryl, und Heteroaryl, R1 ein substituierter homocyclischer 6-Ring, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR8 mit R8 C1-C4-Alkyl substituiert ist, oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring ist, wobei der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring mindestens ein sp2-hybridisiertes N-Atom mit einem freien Elektronenpaar aufweist und/oder mindestens ein Heteroatom ausgewählt aus O, S, oder N aufweist, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR9 mit R9 C1-C4-Alkyl substituiert ist, R2 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Aryl, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Alkoxy, und R3 und R6 unabhängig voneinander ein substituierter oder nicht-substituierter homocyclischer 6-Ring oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring sind; mit der allgemeinen Formel II:
    Figure DE102022116410A1_0004
    mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt H, C1-C4-Alkyl, F oder Cl; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt H, C1-C4-Alkyl, F oder Cl; mit Z1 und Z2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, C2F5, OCH3, und OC2H5; mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-C1-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CN, CF3, CHF2, CH2F, oder CH3 ist, bevorzugt Br, Cl oder CF3; mit R3 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkyl, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, wobei der nicht-substituierte oder substituierte heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring, oder der nicht-substituierte oder substituierte homocyclische 6-Ring mit einem weiteren nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring anelliert sein kann; mit R4 und R6 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl, und/oder O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl, und/oder O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring; oder wobei R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O und N, oder einen nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten homocyclischen 6-Ring bilden. Derartige Materialien ermöglichen insbesondere den Aufbau von PHJ-Zellen, die zumindest gleichwertig mit BHJ-Zellen sind.
  • Unter einem organischen optoelektronischen Bauelement wird insbesondere ein photovoltaisches Element mit mindestens einer organischen photoaktiven Schicht verstanden. Ein organisches photovoltaisches Element ermöglicht es elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts in elektrischen Strom umzuwandeln. In diesem Sinne wird der Begriff „photoaktiv“ als Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verstanden. Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen werden bei organischen photovoltaischen Elementen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in einem photoaktiven Donor-Akzeptor Übergang freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluss beitragen.
  • Unter einer Substitution wird insbesondere der Austausch eines H-Atoms durch einen Substituenten verstanden, insbesondere alle Atome und Atomgruppen außer Wasserstoff. Der Substituent ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Halogen, bevorzugt F, Cl oder Br, insbesondere bevorzugt F, einer Alkyl-Gruppe, einer Alkenyl-Gruppe, einer Alkinyl-Gruppe, einer Amino-Gruppe, einer Alkoxy-Gruppe, einer Thioalkoxy-Gruppe, einer Aryl-Gruppe, und einer Heteroaryl-Gruppe.
  • Unter einem Heteroatom, insbesondere einem Heteroatom in der allgemeinen Formel I und/oder der allgemeinen Formel II, wird insbesondere ein Atom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus O, S oder N verstanden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der allgemeinen Formel I R3 und/oder R6 ein homocyclischer 6-Ring, wobei mindestens ein H-Atom durch eine Alkyl-Gruppe, eine Alkoxy-Gruppe und/oder ein F-Atom substituiert sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden in der allgemeinen Formel I X1 und R6, bevorzugt R8 und R6, und/oder X2 und R3, bevorzugt R8 und R3, zusammen einen heterocyclischen Fünf-Ring oder Sechs-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus S, O und N, oder einen homocyclischen Sechs-Ring, bevorzugt einen heterocyclischen 5-Ring.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden in der allgemeinen Formel I X1 und R7, bevorzugt R8 und R7, und/oder X2 und R2, bevorzugt R8 und R2, zusammen einen heterocyclischen Fünf-Ring oder Sechs-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus O, S und N, oder einen homocyclischen Sechs-Ring, bevorzugt einen heterocyclischen 5-Ring.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der allgemeinen Formel I R3 und R6 unabhängig voneinander ausgewählt aus
    Figure DE102022116410A1_0005
    wobei * die Anknüpfung an die Verbindung der allgemeinen Formel I bezeichnet, Z2 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus O, S, und N-R11, wobei R11 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, und Aryl, Y3 N oder C-R12 ist, wobei R12 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, Alkoxy, verzweigtem oder linearem, zyklischem oder offenkettigem Alkyl, Alkenyl, und Aryl, wobei bevorzugt mindestens ein H substituiert ist, bevorzugt durch CN oder F substituiert ist, Y4 N oder C-R13 ist, wobei R13 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, Alkoxy, verzweigtem oder linearem, zyklischem oder offenkettigem Alkyl, Alkenyl, und Aryl, wobei bevorzugt mindestens ein H substituiert ist, bevorzugt durch CN oder F substituiert ist, und wobei bevorzugt R12 und R13 miteinander in Form einer Ringstruktur homocyclisch oder heterocyclisch verbunden sind, und R10 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, Alkoxy, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, verzweigtem oder linearem, zyklischem oder offenkettigem Alkyl, Amino, Aryl, Heteroaryl, Alkenyl, und einer elektronenziehenden Alkyl-Gruppe mit zumindest einer C=C-Doppelbindung, wobei bevorzugt mindestens ein H durch CN oder F substituiert ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der allgemeinen Formel I die H-Atome in Y3 und/oder Y4 zumindest teilweise durch Alkyl, Alkoxy oder F substituiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der allgemeinen Formel I die Positionen Y3 und Y4 jeweils CH.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der allgemeinen Formel I R1 kein substituiertes und/oder kein nicht-substituiertes Thiophen, bevorzugt kein nicht-substituiertes Thiophen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der allgemeinen Formel I R1 kein substituiertes und/oder nicht-substituiertes Furan, bevorzugt kein nicht-substituiertes Furan.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der allgemeinen Formel I R1 kein substituiertes und/oder nicht-substituiertes Pyrrol, bevorzugt kein nicht-substituiertes Pyrrol.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der allgemeinen Verbindung I X1 und X2 S sind oder X1 und X2 O sind, und/oder wobei mindestens ein H-Atom in dem homocyclischen 6-Ring und/oder in dem heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring R1 durch F oder CF3 substituiert ist, bevorzugt durch F; und/oder R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus O, S oder N, bevorzugt O oder S, bilden, wobei bevorzugt der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring nicht substituiert ist, oder einen homocyclischen 6-Ring bilden, und/oder R1 ein homocyclischer 6-Ring mit der Bedingung R1 gleich C6HnF5-n mit n=0, 1, 2, 3, 4 ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der allgemeinen Verbindung II Z1 und Z2 F sind; und/oder wobei R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, Me, Et, OMe, SMe, OEt, SEt, Pr, und iPr, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br oder Cl ist, wobei bevorzugt R1 und R2 kein H sind; und/oder
    wobei R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Cl, Br, CN, CF3, Me, Et, OMe, SMe, OEt, und SEt, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Cl, Br, CF3 oder Me ist; oder wobei R1 und R2 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Br, Cl, CF3, CHF2, und CH2F.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der allgemeinen Verbindung II Y1 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H oder Cl ist, und/oder wobei Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, CH3, O-CH3, S-CH3, F, Cl, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt N oder CH, und/oder wobei Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H oder Cl ist; wobei bevorzugt ein Y1, Y2, Y3 ein N ist, oder zwei Y1, Y2, Y3 ein N sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung II die Verbindung der allgemeinen Formel III ist
    Figure DE102022116410A1_0006
    mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN oder CF3 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Z1 und Z2 F oder CF3; mit X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl und Aryl, wobei bevorzugt X1 und X2 S oder X1 und X2 O sind, mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-C1-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CF3, CH2F, CHF2, oder CH3 ist; wobei R13 und R15 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, O-Alkyl, und S-Alkyl, bevorzugt H oder C1-C4-Alkyl, wobei R14 und R16 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl, und/oder fluoriertem O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit einem Heteroatom unabhängig voneinander ausgewählt aus S, O und N, und einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl, und/oder fluoriertem O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, bevorzugt aus einem nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring, und einem nicht-substituierten oder substituierten homocyclischen 6-Ring.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I Y1 und Y3 CH und Y2 CR22 sind, bevorzugt mit CR22 ausgewählt aus F, Br, Cl, und CN, oder Y1 CR21, Y2 N und Y3 CR23 sind, bevorzugt mit CR21 und CR23 H oder Methyl, oder Y1 N, Y2 CR22 und Y3 N sind, bevorzugt mit CR22 H oder Methyl, wobei jeweils bevorzugt R1 und R2 F oder Cl sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder der allgemeinen Formel II ist, und der mindestens eine zweite Donor mindestens ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, bevorzugt ist der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder eine Verbindung der allgemeinen Formel II, wobei die Kaskade eine dritte Donorschicht aufweist, die an der zweiten Donorschicht angeordnet ist, wobei die dritte Donorschicht eine um mindestens 10 meV größere Bandlücke im Vergleich zu der zweiten Donorschicht aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die dritte Donorschicht direkt an die zweite Donorschicht an.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Donorschicht eine größere optische Bandlücke im Vergleich zu der ersten Donorschicht auf, wobei die optische Bandlücke der zweiten Donorschicht mindestens 15 meV größer ist im Vergleich zu der optischen Bandlücke der ersten Donorschicht, bevorzugt mindestens 20 meV, bevorzugt mindestens 25 meV, bevorzugt mindestens 25 meV, bevorzugt mindestens 30 meV, bevorzugt mindestens 40 meV, bevorzugt mindestens 50 meV, bevorzugt mindestens 60 meV, bevorzugt mindestens 80 meV, bevorzugt mindestens 100 meV, oder bevorzugt mindestens 200 meV.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dritte Donorschicht eine optische Bandlücke die weniger als 100 meV größer ist, bevorzugt weniger als 50 meV, weiter bevorzugt weniger als 25 meV, als die der zweiten Donorschicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I R1 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
    Figure DE102022116410A1_0007
    Figure DE102022116410A1_0008
    Figure DE102022116410A1_0009
    Figure DE102022116410A1_0010
    Figure DE102022116410A1_0011
    Figure DE102022116410A1_0012
    Figure DE102022116410A1_0013
    Figure DE102022116410A1_0014
    Figure DE102022116410A1_0015
    Figure DE102022116410A1_0016
    wobei * die Anknüpfung an die Verbindung der allgemeinen Formel I bezeichnet, wobei Y unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cl, CN, F und CF3, bevorzugt ist Y F, und wobei H-Atome substituiert oder nicht-substituiert sind, bevorzugt nicht substituiert sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I R3 und R6 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
    Figure DE102022116410A1_0017
    Figure DE102022116410A1_0018
    Figure DE102022116410A1_0019
    Figure DE102022116410A1_0020
    Figure DE102022116410A1_0021
    Figure DE102022116410A1_0022
    Figure DE102022116410A1_0023
    Figure DE102022116410A1_0024
    Figure DE102022116410A1_0025
    Figure DE102022116410A1_0026
    Figure DE102022116410A1_0027
    wobei * die Anknüpfung an die Verbindung der allgemeinen Formel I bezeichnet,
    wobei U ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus O, S und NR19, wobei R19 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, Alkoxy, Alkenyl, Aryl, und Heteroaryl, bevorzugt ist U O oder S, und wobei Z unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, bevorzugt F, CF3, CN, Alkyl, fluoriertem Alkyl, teilfluoriertem Alkyl, Alkenyl, Alkoxy, N-Alkyl, NAlkyl2, Aryl, und Heteroaryl, wobei bevorzugt R3 und R6 gleich sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I R3 und/oder R6 weiter anneliert sind, und/oder ist R1 ein monocyclischer 5-Ring oder 6-Ringt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I R2 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, und C1-C4-Alkyl, bevorzugt sind R2 und R7 H, und/oder R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, und C1-C4-Alkyl, bevorzugt sind R4 und R5 H.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I R1 ein heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem sp2-hybridisierten N-Atom mit einem freien Elektronenpaar im Ringsystem ist, bevorzugt ist R1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus substituiertem oder nicht-substituiertem Imidazol, Pyrazol, Triazol, Tetrazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Pyridazin, Triazin, Oxazol, Isoxazol, Thiazol, und Isothiazol.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel I die Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
    Figure DE102022116410A1_0028
    Figure DE102022116410A1_0029
    Figure DE102022116410A1_0030
    Figure DE102022116410A1_0031
    Figure DE102022116410A1_0032
    Figure DE102022116410A1_0033
    Figure DE102022116410A1_0034
    Figure DE102022116410A1_0035
    Figure DE102022116410A1_0036
    Figure DE102022116410A1_0037
    Figure DE102022116410A1_0038
    Figure DE102022116410A1_0039
    Figure DE102022116410A1_0040
    Figure DE102022116410A1_0041
    Figure DE102022116410A1_0042
    Figure DE102022116410A1_0043
    Figure DE102022116410A1_0044
    Figure DE102022116410A1_0045
    Figure DE102022116410A1_0046
    Figure DE102022116410A1_0047
    PHJ-Zellen mit einer solchen Kaskade mit erfindungsgemäßen Verbindungen zeigen eine besonders vorteilhafte Effizienz, insbesondere eine höhere Exzitonen-Diffusionslänge, und eine bessere Ladungstrennung an der Grenzschicht zur Akzeptorschicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel II R3 und R4 und/oder R5 und R6 einen nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus O, S und N, bevorzugt aus O und S, oder einen nicht-substituierten oder substituierten homocyclischen 6-Ring bilden, oder R3 und R4 und/oder R5 und R6 einen nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring, bevorzugt einen substituierten heterocyclischen 5-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus O, S und N, bevorzugt O und S, oder einen nicht-substituierten oder substituierten homocyclischen 6-Ring, bevorzugt einen nicht-substituierten homocyclischen 6-Ring, bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel III R14 und R16 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
    Figure DE102022116410A1_0048
    mit X3 O, S, oder N-R9 mit R9 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl und Aryl; mit R17 bis R19 und R31 bis R35 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, bevorzugt F und Cl, CN, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, bevorzugt O-C1-C4-Alkyl, und S-Alkyl, bevorzugt S-C1-C4-Alkyl, wobei bevorzugt mindestens ein H-Atom in R31 bis R35 durch F substituiert ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel III Z1 und Z2 F sind, und R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br und CF3, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CF3, CHF2, CH2F oder CH3 ist, bevorzugt Br oder Cl.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die chemische Verbindung eine Verbindung der allgemeinen Formel VI
    Figure DE102022116410A1_0049
    wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O oder S sind, wobei R40 H, Cl oder F ist, bevorzugt H, und wobei Hal F, Br oder Cl ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der meso-Substituent am BODIPY-Grundgerüst (4)-3,5-Dichloropyridin, also mit Hal jeweils Cl, und R40 H.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die chemische Verbindung eine Verbindung der allgemeinen Formel VII ist,
    Figure DE102022116410A1_0050
    wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O oder S sind, wobei R41 H, F, Cl, Br, CF3 oder C1-C4-Alkyl ist, bevorzugt H oder Cl, und wobei Hal Br, Cl oder F ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die chemische Verbindung eine Verbindung der allgemeinen Formel VIII ist,
    Figure DE102022116410A1_0051
    wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O oder S sind, wobei R42 H, C1-C4-Alkyl, Cl oder F ist, und wobei Hal Br, Cl oder F ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der chemischen Verbindung der allgemeinen Formel VIII R14 und R16 ein nicht-substituierter oder mit Halogen, Alkyl und/oder O-Alkyl substituierter heterocyclischer 5-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O und N, bevorzugt O und S, wobei bevorzugt R19, R17 und R19, oder R18 und R19 substituiert sind, oder ein nicht-substituierter oder ein mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl und/oder fluoriertem O-Alkyl substituierter homocyclischer 6-Ring sind, wobei bevorzugt R32, R33, oder R32 und R34 substituiert sind, oder R31 bis R35 H sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die chemische Verbindung der allgemeinen Formel II ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
    Figure DE102022116410A1_0052
    Figure DE102022116410A1_0053
    Figure DE102022116410A1_0054
    Figure DE102022116410A1_0055
    Figure DE102022116410A1_0056
    Figure DE102022116410A1_0057
    Figure DE102022116410A1_0058
    Figure DE102022116410A1_0059
    Figure DE102022116410A1_0060
    Figure DE102022116410A1_0061
    Figure DE102022116410A1_0062
    Figure DE102022116410A1_0063
    Figure DE102022116410A1_0064
    Figure DE102022116410A1_0065
    PHJ-Zellen mit einer solchen Kaskade mit erfindungsgemäßen Verbindungen zeigen eine besonders vorteilhafte Effizienz, insbesondere eine höhere Exzitonen-Diffusionslänge, und eine bessere Ladungstrennung an der Grenzschicht zur Akzeptorschicht.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem eine Tandemzelle mit zwei Zellen oder eine Mehrfachzelle mit mehreren Zellen ist, wobei zwischen den Zellen jeweils eine leitfähige Zwischenschicht angeordnet ist, und wobei mindestens eine Zelle, bevorzugt mindestens zwei Zellen, als Kaskade gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor der mindestens einen photoaktiven Schicht ein Donor-Akzeptor-System bilden, wobei der mindestens eine Donor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, und der mindestens eine Akzeptor bevorzugt ein ADA-Oligomer und/oder ein Fulleren oder Fulleren-Derivat ist, wobei bevorzugt der mindestens eine Donor und der mindestens eine Akzeptor kleine Moleküle sind.
  • Unter einer BODIPY-Verbindung wird insbesondere eine Verbindung der allgemeinen Formel C9H7BN2F2 verstanden, also eine Verbindung mit einer Bor-Difluorid-Gruppe mit einer Dipyrromethen-Gruppe, insbesondere eine Verbindung 4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-Indacene.
  • Unter einem ADA-Oligomer wird insbesondere ein konjugiertes Akzeptor-Donor-Akzeptor-Oligomer (A-D-A'-Oligomer) mit einer Akzeptor-Einheit (A) und einer weiteren Akzeptor-Einheit (A'), die jeweils an eine Donor-Einheit (D) gebunden sind verstanden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Donorschicht andere Donoren auf im Vergleich zu der zweiten Donorschicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, oder bevorzugt mindestens vier photoaktive Schichten auf, wobei mindestens eine photoaktive Schicht als eine Kaskade ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schichtsystem als eine Tandemzelle, Triplezelle oder Mehrfachzelle ausgebildet.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das organische elektronische Bauelement ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine OLED (organic light emitting diode), ein organischer Feldeffekttransistor (OFET), oder ein organischer Fotodetektor ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem eine Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder einer Verbindung der allgemeinen Formel II in einer Kaskade eines organischen elektronischen Bauelements bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder einer Verbindung der allgemeinen Formel II in einer Kaskade eines organischen elektronischen Bauelements insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem organischen elektronischen Bauelement erläutert wurden.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Es konnte in den folgenden Ausführungsbeispielen insbesondere aufgezeigt werden, dass ein erfindungsgemäßes organisches elektronisches Bauelement mit einer Kaskade aus Donorschichten überraschenderweise eine höhere Effizienz aufweist im Vergleich zu einem entsprechenden Bauelement mit jeweils nur einer Donorschicht. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines organisches elektronischen Bauelements im Querschnitt;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines organischen elektronischen Bauelements mit einer Kaskade mit zwei Donorschichten (2A) und einer Kaskade mit drei Donorschichten (2B) jeweils im Querschnitt;
    • 3 in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet mit einer Akzeptorschicht und einer Donorschicht;
    • 4 in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet als eine Kaskade mit einer Akzeptorschicht, einer ersten Donorschicht, und einer zweiten Donorschicht;
    • 5 in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet als eine Kaskade mit einer Akzeptorschicht, einer ersten Donorschicht, einer zweiten Donorschicht, und einer dritten Donorschicht; und
    • 6 bis 10 eine grafische Darstellungen von Absorptionsspektren verschiedener Absorber.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die Verbindungen Absorber1 bis Absorber10 sind jeweils Absorber aus der Klasse der kleinen Moleküle:
    Figure DE102022116410A1_0066
    Figure DE102022116410A1_0067
    Figure DE102022116410A1_0068
    Figure DE102022116410A1_0069
    Figure DE102022116410A1_0070
    Figure DE102022116410A1_0071
    Figure DE102022116410A1_0072
    Figure DE102022116410A1_0073
    Figure DE102022116410A1_0074
    Figure DE102022116410A1_0075
  • Es wird gezeigt, dass ein organisches photovoltaisches Element mit einer erfindungsmäßen Kaskade mit zwei Donorschichten eine bessere Effizienz zeigt als eine Einzel-PHJ-Zelle mit nur einer Donorschicht.
  • Es wird weiterhin gezeigt, dass ein organisches photovoltaisches Element mit einer erfindungsgemäßen Kaskade mit drei Donorschichten die Effizienz einer erfindungsgemäßen Kaskade mit zwei Donorschichten übertrifft.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines organischen elektronischen Bauelements im Querschnitt.
  • Das organische elektronische Bauelement, bevorzugt ein organisches photovoltaisches Element, weist eine erste Elektrode 3, eine zweite Elektrode 8, und ein zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 8 angeordnetes Schichtsystem 1 mit mindestens einer photoaktiven Schicht 9 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 9 als planar Heterojunction (PHJ) ausgebildet ist, mit einer Akzeptorschicht 5 mit mindestens einem Akzeptor und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten 6, wobei eine erste Donorschicht D1 mindestens einen ersten Donor und eine zweite Donorschicht D2 mindestens einen zweiten Donor aufweist, wobei zwischen der Akzeptorschicht 5 und der Donorschicht 6 eine Donor/Akzeptor-Grenzschicht ausgebildet ist, und der mindestens eine Akzeptor und der mindestens eine erste Donor ein Donor-Akzeptor-System bilden. Dabei unterscheiden sich die erste Donorschicht D1 und die zweite Donorschicht D2 derart, dass die zweite Donorschicht D2 eine größere optische Bandlücke im Vergleich zu der ersten Donorschicht D1 aufweist, wobei die optische Bandlücke der zweiten Donorschicht D2 mindestens 10 meV größer ist im Vergleich zu der optischen Bandlücke der ersten Donorschicht D1.
  • Die als Kaskade ausgebildete Donorschicht 6 der photoaktiven Schicht 9 ermöglicht eine Verbesserung Effizienz von organischen photovoltaischen Elementen mit einem solchen Schichtsystem 1.
  • Das Donor-Akzeptor-System, insbesondere die Akzeptorschicht 5 und/oder die mindestens erste Donorschicht D1 6 und zweite Donorschicht D2 6, können im Vakuum prozessiert werden, also durch Verdampfen im Vakuum auf eine Schicht des Schichtsystems 1 aufgetragen werden. Die schichten können jedoch auch mittels Gasphasenabscheidung oder Lösungsmittel-Prozessierung abgeschieden werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht das Energieniveau des HOMO der zweiten Donorschicht D2 zumindest weitgehend dem Energieniveau des HOMO der ersten Donorschicht D1, bevorzugt in einem Bereich von +/- 200 meV, bevorzugt in einem Bereich von +/-100 meV, oder bevorzugt in einem Bereich von +/- 50 meV.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Akzeptorschicht 5 und die Donorschichten 6 eine Schichtdicke von jeweils 2 bis 50 nm auf, bevorzugt von 8 nm bis 20 nm, und/oder die kumulierte Schichtdicke der Donorschichten 6 mindestens 5 nm beträgt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung überlappt ein optisches Absorptionsspektrum der zweiten Donorschicht D2 mit einem optischen Absorptionsspektrum der ersten Donorschicht D1 innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs in einem Bereich von mindestens 75 meV, bevorzugt mindestens 100 meV.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Unterschied in der Absorptionskante zwischen der ersten Donorschicht D1 und der zweiten Donorschicht D2 kleiner als 100 meV, bevorzugt kleiner als 50 meV, oder bevorzugt kleiner als 30 meV.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine erste Donor und/oder der mindestens eine zweite Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel IV
    Figure DE102022116410A1_0076
    und der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel V
    Figure DE102022116410A1_0077
    obei L1 ein stärkerer Donor im Vergleich zu L2 ist und/oder M1 ein stärkerer Akzeptor im Vergleich zu M2 ist, bevorzugt ist X in der allgemeinen Formel IV S und ist X in der allgemeinen Formel V O.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Donorschicht D1 und/oder die zweite Donorschicht D2 der mindestens einen Kaskade mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der allgemeinen Verbindung I und/oder der allgemeinen Verbindung II auf, mit der allgemeinen Formel I:
    Figure DE102022116410A1_0078
    wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl, Aryl, und Heteroaryl, R1 ein substituierter homocyclischer 6-Ring, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR8 mit R8 C1-C4-Alkyl substituiert ist, oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring ist, wobei der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring mindestens ein sp2-hybridisiertes N-Atom mit einem freien Elektronenpaar aufweist und/oder mindestens ein Heteroatom ausgewählt aus O, S, oder N aufweist, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR9 mit R9 C1-C4-Alkyl substituiert ist, R2 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Aryl, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Alkoxy, und R3 und R6 unabhängig voneinander ein substituierter oder nicht-substituierter homocyclischer 6-Ring oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring sind; mit der allgemeinen Formel II:
    Figure DE102022116410A1_0079
    mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt H, C1-C4-Alkyl, F oder Cl; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt H, C1-C4-Alkyl, F oder Cl; mit Z1 und Z2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, C2F5, OCH3, und OC2H5; mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-C1-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CN, CF3, CHF2, CH2F, oder CH3 ist, bevorzugt Br, Cl oder CF3; mit R3 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkyl, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, wobei der nicht-substituierte oder substituierte heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring, oder der nicht-substituierte oder substituierte homocyclische 6-Ring mit einem weiteren nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring anelliert sein kann; mit R4 und R6 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl und/oder O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl und/oder O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring; oder wobei R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O und N, oder einen nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten homocyclischen 6-Ring bilden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der allgemeinen Verbindung I X1 und X2 S oder X1 und X2 O, und/oder ist mindestens ein H-Atom in dem homocyclischen 6-Ring und/oder in dem heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring R1 durch F oder CF3 substituiert, bevorzugt durch F; und/oder bilden R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus O, S oder N, bevorzugt O oder S, wobei bevorzugt der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring nicht substituiert ist, oder einen homocyclischen 6-Ring, und/oder ist R1 ein homocyclischer 6-Ring mit der Bedingung R1 gleich C6HnF5-n mit n=0,1,2,3,4.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der allgemeinen Verbindung II Z1 und Z2 F; und/oder sind R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Br, Cl, CN, CF3, Me, Et, OMe, SMe, OEt, SEt, Pr, und iPr, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br oder Cl ist, wobei bevorzugt R1 und R2 kein H sind; und/oder R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cl, Br, CN, CF3, Me, Et, OMe, SMe, OEt, und SEt, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Cl, Br, CF3 oder Me ist; und/oder wobei R1 und R2 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Br, Cl, CF3, CHF2, und CH2F; und/oder ist Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H oder Cl ist, und/oder ist Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, CH3, O-CH3, S-CH3, F, Cl, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt N oder CH, und/oder ist Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H oder Cl ist; wobei bevorzugt ein Y1, Y2, Y3 ein N ist, oder zwei Y1, Y2, Y3 ein N sind.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung II die Verbindung der allgemeinen Formel III
    Figure DE102022116410A1_0080
    mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN oder CF3 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Z1 und Z2 F oder CF3; mit X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl und Aryl, wobei bevorzugt X1 und X2 S oder X1 und X2 O sind, mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-Cl-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CF3, CHF2, CH2F oder CH3 ist; wobei R13 und R15 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, O-Alkyl, und S-Alkyl, bevorzugt H oder C1-C4-Alkyl, wobei R14 und R16 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl und/oder fluoriertem O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit einem Heteroatom unabhängig voneinander ausgewählt aus S, O und N, und einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl und/oder fluoriertem O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, bevorzugt aus einem nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring, und einem nicht-substituierten oder substituierten homocyclischen 6-Ring, wobei bevorzugt wobei Y1 und Y3 CH und Y2 CR22 sind, bevorzugt mit CR22 ausgewählt aus F, Br, Cl, und CN, oder Y1 CR21, Y2 N und Y3 CR23 sind, bevorzugt mit CR21 und CR23 H oder Methyl, oder Y1 N, Y2 CR22 und Y3 N sind, bevorzugt mit CR22 H oder Methyl, wobei jeweils bevorzugt R1 und R2 F oder Cl sind.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder eine Verbindung der allgemeinen Formel II, und der mindestens eine zweite Donor mindestens ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY, bevorzugt ist der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder eine Verbindung der allgemeinen Formel II, wobei die Kaskade eine dritte Donorschicht D3 aufweist, die an der zweiten Donorschicht D2 angeordnet ist, wobei die dritte Donorschicht D3 eine um mindestens 10 meV größere Bandlücke im Vergleich zu der zweiten Donorschicht D2 aufweist.
  • Die allgemeine Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die internationalen Anmeldungen WO2007126052A1 und EP3617214A1 verwiesen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die dritte Donorschicht D3 eine optische Bandlücke auf, die weniger als 100 meV größer ist, bevorzugt weniger als 50 meV, weiter bevorzugt weniger als 25 meV, als die der zweiten Donorschicht D2.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Schichtsystem eine Tandemzelle mit zwei Zellen oder eine Mehrfachzelle mit mehreren Zellen, wobei zwischen den Zellen jeweils eine leitfähige Zwischenschicht angeordnet ist, und wobei mindestens eine Zelle, bevorzugt mindestens zwei Zellen, als Kaskade gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines organischen elektronischen Bauelements mit einer Kaskade mit zwei Donorschichten D1, D2 (2A) und einer Kaskade mit drei Donorschichten D1, D2, D3 (2B) jeweils im Querschnitt Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
  • Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein organisches photovoltaisches Element (OPV), kann aber auch in einer alternativen Ausgestaltung eine OLED, ein OFET, oder ein organischen Fotodetektor sein.
  • Der Schichtaufbau ist in Tabelle 1A und 1B zusammengefasst.
  • Tabelle 1A zeigt den Aufbau einer PHJ-Zelle mit einer Kaskade mit einer ersten Donorschicht D1 und einer zweiten Donorschicht D2 (siehe (2A)). Tabelle 1B zeigt den Aufbau einer PHJ-Zelle mit einer Kaskade mit einer ersten Donorschicht D1, einer zweiten Donorschicht D2, und einer dritten Donorschicht D3 (siehe ( 2B)). Tabelle 1A
    Schicht Material Dicke / nm
    Substrat (2) Glas
    erste Elektrode 1 (3) ITO 100
    Dotierte ETL (4) C60:NDN45 (20 Gew.-%) 5
    ETL (4) C60 10
    Akzeptorschicht i-C60 (5) C60 10
    erste Donorschicht D1 (6) Absorber1 6
    zweite Donorschicht D2 (6) Absorber2 6
    HTL (7) NHT49 10
    dotierte HTL (7) NHT49:NDP9 (10 Gew.-%) 20
    zweite Elektrode 2 (8) Al 100
    ITO: Indium-Zinn-Oxid
    NDP9: kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
    NHT49: kommerzieller Lochleiter der Novaled GmbH
    NDN45: kommerzieller n-Dotand der Novaled GmbH
    Tabelle 1B
    Schicht Material Dicke / nm
    Substrat (2) Glas
    erste Elektrode 1 (3) ITO 100
    dotierte ETL (4) C60:NDN45 (20 Gew.-%) 5
    ETL (4) C60 10
    Akzeptorschicht i-C60 (5) C60 10
    erste Donorschicht D1 (6) Donor 1 4
    zweite Donorschicht D2 (6) Donor 2 4
    dritte Donorschicht D3 (6) Donor 3 4
    HTL (7) NHT49 10
    dotierte HTL (7) NHT49:NDP9 (10 Gew.-%) 20
    zweite Elektrode 2(8) Al 100
    ITO: Indium-Zinn-Oxid
    NDP9: kommerzieller p-Dotand der Novaled GmbH
    NHT49: kommerzieller Lochleiter der Novaled GmbH
    NDN45: kommerzieller n-Dotand der Novaled GmbH
  • Die gesamte Schichtdicke der photoaktiven Schichten 9 (5 und 6) beträgt in den vorliegenden Ausführungsbeispielen zur Vergleichbarkeit immer 12 nm, die Schichtdicke kann jedoch den Anforderungen nach angepasst werden.
  • Das Schichtsystem 1 ist auf einem transparenten Substrat 2 angeordnet, welches vorzugsweise flexibel ausgeführt ist, insbesondere als Folie. Das Schichtsystem 1 weist eine erste Elektrode 3, eine zweite Elektrode 8, und mindestens eine photoaktive Schicht 9 auf, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht 9 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 8 angeordnet ist. Die erste Elektrode 3 ist aus transparentem Indium-Zinn-Oxid (ITO) ausgebildet, alternativ ist jedoch auch eine Elektrode aus einem Metall, einem anderen leitfähigen Oxid, insbesondere ZnO:Al oder einem leitfähigen Oxid oder Polymer, wie etwa PEDOT:PSS oder PANI möglich. Auf der ersten Elektrode 3 ist eine Elektronentransportschicht (ETL) 4 angeordnet. Auf der Elektronentransportschicht 4 ist die photoaktive Schicht 9 angeordnet, die als planar-Heterojunction (PHJ) mit einer Akzeptorschicht 5 und einer Donorschicht 6 ausgebildet ist, wobei die Donorschicht 6 aus mehreren aneinander angeordneten einzelnen Donorschichten (D1, D2, D3) bestehen kann.
  • Auf der photoaktiven Schicht 9 ist eine Lochtransportschicht (HTL) 7 angeordnet, beispielsweise aus Fulleren C60 oder dotiertem Fulleren C60. Die zweite Elektrode 8 ist beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise Al oder Au, ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl das Matrixmaterial der ETL 4 als auch der Akzeptor der Akzeptorschicht 5 C60.
  • Die organischen Materialien werden dabei in Form dünner Filme oder kleiner Volumen auf das als Folie ausgebildete Substrat 2 aufgedruckt, aufgeklebt, gecoated, aufgedampft oder anderweitig aufgebracht. Für die Herstellung der dünnen Schichten kommen ebenso alle Verfahren in Betracht, die auch für Elektronik auf Glas, keramischen oder halbleitenden Trägern verwendet werden. Zur Herstellung des Schichtsystems 1 kam in den vorliegenden Ausführungsbeispielen Vakuumverdampfung der einzelnen Schichten des Schichtsystems 1 mit den Elektroden 3, 8 zum Einsatz. Die Materialien können dabei durch Verdampfen des entsprechenden Materials im Vakuum aufgetragen werden.
  • Das als PHJ-Zelle ausgebildete Schichtsystem 1, in diesem Ausführungsbeispiel eine Einzel-PHJ-Zelle es sind aber auch Tandem- oder Triple-PHJ-Zellen möglich, mit der photoaktiven Schicht 9 eines organischen elektronischen Bauelements kann in einem Ausführungsbeispiel nach einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte hergestellt werden:
    1. A) Bereitstellen eines Substrats 2 mit einer ersten Elektrode 3;
    2. B) Verdampfen eines Akzeptors zum Aufbringen einer Akzeptorschicht 5 mittels Dampfphasenabscheidung;
    3. C) Verdampfen eines ersten Donors zum Aufbringen einer ersten Donorschicht D1 6 mittels Dampfphasenabscheidung;
    4. C) Verdampfen eines zweiten Donors zum Aufbringen einer zweiten Donorschicht D2 6 mittels Dampfphasenabscheidung;
    5. E) Aufbringen einer zweiten Elektrode 8; und
    6. F) Erhalten des Schichtsystems 1 auf dem Substrat 2 mit einer Kaskade aufweisend eine erste Donorschicht D1 6 und eine zweite Donorschicht D2 6. Bei der Dampfphasenabscheidung werden die Materialien durch Verdampfen im Vakuum abgeschieden.
  • Das Schichtsystem 1 der PHJ-Zelle mit zwei Donorschichten als Kaskade in der photoaktiven Schicht 9 eines organischen elektronischen Bauelements kann in einem Ausführungsbeispiel zwischen Schritt C) und Schritt D) als einen weiteren Schritt C2) Verdampfen eines dritten Donors zum Aufbringen einer dritten Donorschicht D3 6 mittels Dampfphasenabscheidung umfassen.
  • 3 zeigt in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet mit einer Akzeptorschicht 5 und einer Donorschicht 6. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
  • Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein organisches photovoltaisches Element. Der Aufbau der PHJ-Zelle entspricht dem aus 2A jeweils basierend auf den Absorber1 bis Absorber8 in der Donorschicht 6.
  • Die Strom-Spannungskennlinien des organischen photovoltaischen Elements der Ausführungsbeispiele wurde gemessen. Die Zellen haben den Aufbau einer PHJ-Zelle gemäß 1. Die Parameter des organischen photovoltaischen Elements wurden unter simulierter AM1.5 Beleuchtung gemessen (AM = Air Mass; AM = 1,5 bei diesem Spektrum beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W/m2; AM = 1,5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen). Das Leuchtmittel bestrahlt die Probe derartig, dass die zweite Elektrode vom Licht abgewandt ist.
  • In Tabelle 2 sind die photovoltaischen Parameter Voc, Jsc und FF Parameter eines photovoltaischen Elements von Einzel-PHJ-Zellen jeweils mit Absorber1 bis Absorber8 in der Donorschicht 6 dargestellt. Tabelle 2
    Absorber jsc [mA/ cm2] voc [V] Füllfaktor FF [%] Effizienz PCE [%] HOMO (from DFT calculations) [eV] Absorptionsmaximum [nm] / Onset der Absorption [meV]
    1 9,1 1,02 72 6, 7 -5,08 742 / 1537
    2 8,7 1,04 67 6, 1 -5,11 730 / 1571
    3 6, 6 0,91 67 4,0 -5,20 543 / 1886
    4 8, 8 1,01 71 6, 3 -5,08 746 / 1542
    5 -5,30 631 / 1729
    6 9,5 1,0 63 6,0 -5,11 694 / 1733
    7 8,6 1,04 76 6,8 -5.03 740 / 1562
    8 7,5 0,99 73 5,4 -5.09 740 / 1530
    9 8,5 0,75 66 4,2 -4.83 823 / 1320
    10 8,63 0,72 63 3,9 -4.81 820 / 1330
  • Die optischen Eigenschaften wurden experimentell bestimmt. Die Absorptionsmaxima λmax und der Onset der Absorption wurden aus 30nm dicken Vakuumaufdampfschichten auf Quarzglas mittels eines Photometers bestimmt. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Absorber 1 bis 10 eine hohe thermische Stabilität aufweisen und im Vakuum ohne Zersetzung verdampfbar sind.
  • 4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet als eine Kaskade mit einer Akzeptorschicht i-C60 5, einer ersten Donorschicht D1 6, und einer zweiten Donorschicht D2 6. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
  • Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein organisches photovoltaisches Element. Die Strom-Spannungskennlinien des organischen photovoltaischen Elements der Ausführungsbeispiele wurden gemessen. Der Aufbau der PHJ-Zelle entspricht dem aus 2 jeweils basierend auf den Absorber1 bis Absorber8 in der ersten Donorschicht D1 6 und zweiten Donorschicht D2 6.
  • In Tabelle 3 sind die photovoltaischen Parameter Voc, Jsc und FF Parameter eines photovoltaischen Elements von PHJ-Zellen mit einer Kaskade mit einer ersten Donorschicht D1 6 und einer zweiten D2 6 Donorschicht dargestellt.
    Figure DE102022116410A1_0081
    Figure DE102022116410A1_0082
    Die Verwendung der Kaskade mit Absorber1 in D1 und Absorber3 in D2 (Beispiel 7) führt zu einer Effizienz von 8,7 %, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zu den jeweiligen Einzel-PHJ-Zellen mit Absorber1 von 6,7% und Absorber3 von 4,0% ist. Die Tripple-Kaskade mit Absorber1 in D1, Absorber 5 in D2 und Absorber3 in D3 führt zu einer weiteren Steigerung der Effizienz auf 9,5%.
  • Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kaskade mit mindestens einer ersten Donorschicht D1 6 und einer zweiten Donorschicht D2 6 führt zu einer höheren Effizienz im Vergleich eines photovoltaischen Elements mit einer PHJ mit einer einzelnen Akzeptorschicht 5 und einer einzelnen Donorschicht 6, wie in Beispiel 5 zu sehen ist, wobei die Kaskade aus Absorber2 und Absorber4 wesentlich besser ist als nur Absorber2 oder nur Absorber4. Analog zeigt die Kaskade aus (Beispiel 6) mit Absorber1 in D1 und Absorber2 in D2 eine bessere Effizienz (PCE) als eine PHJ-Einzelzelle mit dem Absorber 1 oder dem Absorber2. Dies gilt analog für die Kaskaden der anderen Beispiele. Beispiel 10 zeigt eine bessere Effizienz (PCE) als die PHJ-Einzelzellen mit Absorbern9 oder Absorber10. Die erfindungsgemäßen Kaskaden auch zu einer höheren Effizienz bei langwelligen Absorbern führen. Derartige Zellen mit wenig Absorption im sichtbaren Spektralbereich sind zwar als solche weniger effizient als die Beispiele mit kurzwelligeren Absorbern (Beispiele 5,6,11 etc.), sind aber attraktiv sowohl als Subzelle in Mehrfachzellen, als auch für semitransparente Solarzellen.
  • 5 zeigt in einem Ausführungsbeispiel Strom-Spannungskennlinien eines organischen elektronischen Bauelements als PHJ-Zelle ausgebildet als eine Kaskade mit einer Akzeptorschicht 5, einer ersten Donorschicht D1 6, einer zweiten Donorschicht D2 6, und einer dritten Donorschicht D3 6. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
  • Das organische elektronische Bauelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein organisches photovoltaisches Element. Die Strom-Spannungskennlinien des organischen photovoltaischen Elements der Ausführungsbeispiele wurden gemessen. Der Aufbau der PHJ-Zelle entspricht dem aus 3 basierend auf Absorber1, Absorber5 und Absorber3, und Absorber7, Absorber1, und Absorber4 in der ersten Donorschicht D1 6, der zweiten Donorschicht D2 6, oder der dritten Donorschicht D3 6.
  • In Tabelle 4 sind die photovoltaischen Parameter Voc, Jsc und FF Parameter dieser PHJ-Zellen mit einer Kaskade aus der ersten Donorschicht D1 6, der zweiten Donorschicht D2 6, und der dritten Donorschicht D3 6 dargestellt.
    Figure DE102022116410A1_0083
  • Die Verwendung der Kaskade aus drei Donorschichten mit Absorber1 in D1, Absorber5 in D2 und Absorber 3 in D3 (Beispiel 12) führt zu einer Effizienz von 9,5 %, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zu den jeweiligen Einzel-PHJ-Zellen mit Absorber1, Absorber5 oder Absorber3 ist. Die Kaskade aus drei Donorschichten mit Absorber1 in D1, Absorber 5 in D2 und Absorber3 in D3 führt jedoch auch zu einer weiteren Steigerung der Effizienz gegenüber den Kaskaden mit zwei Donorschichten mit Absorber1 in D1 und Absorber3 in D2 (Beispiel 7).
  • 6 zeigt eine grafische Darstellung der Absorptionsspektren der Absorber 2 und 4.
  • Die Absorptionsspektren mit der optischen Dichte über die Wellenlänge der Absorber wurden jeweils für 30 nm dicke vakuumaufgedampfte Schichten auf Quarzglas gemessen, wie auch in den folgenden Beispielen 7 bis 10.
  • 7 zeigt eine grafische Darstellung der Absorptionsspektren der Absorber 1 und Absorber 4.
  • 8 zeigt eine grafische Darstellung der Absorptionsspektren der Absorber 1 und 3.
  • 9 zeigt eine grafische Darstellung der Absorptionsspektren der Absorber 6 und 1.
  • 10 zeigt eine grafische Darstellung der Absorptionsspektren der Absorber 1, 5 und 3.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 10468615 B2 [0007]
    • WO 2007126052 A1 [0100]
    • EP 3617214 A1 [0100]

Claims (15)

  1. Organisches elektronisches Bauelement, bevorzugt organisches photovoltaisches Element, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, und einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Schichtsystem mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei die mindestens eine photoaktive Schicht als planar Heterojunction (PHJ) ausgebildet ist, mit einer Akzeptorschicht mit mindestens einem Akzeptor und einer daran angeordneten Kaskade aus mindestens zwei in direktem Kontakt aufeinanderfolgenden Donorschichten, wobei eine erste Donorschicht mindestens einen ersten Donor und eine zweite Donorschicht mindestens einen zweiten Donor aufweist, wobei zwischen der Akzeptorschicht und der ersten Donorschicht eine Donor/Akzeptor-Grenzschicht ausgebildet ist, und der mindestens eine Akzeptor und der mindestens eine erste Donor ein Donor-Akzeptor-System bilden, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Donorschicht und die zweite Donorschicht derart unterscheiden, dass die zweite Donorschicht eine größere optische Bandlücke im Vergleich zu der ersten Donorschicht aufweist, wobei die optische Bandlücke der zweiten Donorschicht mindestens 10 meV größer ist im Vergleich zu der optischen Bandlücke der ersten Donorschicht.
  2. Organisches elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Energieniveau des HOMO der zweiten Donorschicht zumindest weitgehend dem Energieniveau des HOMO der ersten Donorschicht entspricht, bevorzugt in einem Bereich von +/- 200 meV, oder bevorzugt in einem Bereich von +/- 50 meV.
  3. Organisches elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine erste Donor in einem Spektralbereich von 600 nm bis 800 nm absorbiert und der mindestens eine zweite Donor in einem Spektralbereich von 580 nm bis 780 nm absorbiert, oder der mindestens eine erste Donor in einem Spektralbereich von 700 nm bis 900 nm absorbiert und der mindestens eine zweite Donor in einem Spektralbereich von 680 nm bis 880 nm absorbiert, und/oder die Akzeptorschicht und die Donorschichten eine Schichtdicke von jeweils 2 bis 50 nm aufweisen, bevorzugt von 8 nm bis 20 nm, und/oder die kumulierte Schichtdicke der Donorschichten mindestens 5 nm beträgt.
  4. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein optisches Absorptionsspektrum der zweiten Donorschicht mit einem optischen Absorptionsspektrum der ersten Donorschicht innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs in einem Bereich von mindestens 75 meV überlappt, bevorzugt mindestens 100 meV.
  5. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Unterschied in der Absorptionskante zwischen der ersten Donorschicht und der zweiten Donorschicht kleiner als 100 meV ist, bevorzugt kleiner als 50 meV.
  6. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Donor und/oder der mindestens eine zweite Donor ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist.
  7. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel IV ist
    Figure DE102022116410A1_0084
    und der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel V ist
    Figure DE102022116410A1_0085
    wobei L1 ein stärkerer Donor im Vergleich zu L2 ist und/oder M1 ein stärkerer Akzeptor im Vergleich zu M2 (wie messbar) ist, bevorzugt ist X in der allgemeinen Formel IV S und ist X in der allgemeinen Formel V O.
  8. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Donorschicht und/oder die zweite Donorschicht der mindestens einen Kaskade mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der allgemeinen Verbindung I und/oder der allgemeinen Verbindung II aufweist, mit der allgemeinen Formel I:
    Figure DE102022116410A1_0086
     wobei X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl, Aryl, und Heteroaryl, R1 ein substituierter homocyclischer 6-Ring, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR8 mit R8 C1-C4-Alkyl substituiert ist, oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring ist, wobei der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring mindestens ein sp2-hybridisiertes N-Atom mit einem freien Elektronenpaar aufweist und/oder mindestens ein Heteroatom ausgewählt aus O, S, oder N aufweist, wobei mindestens ein H-Atom durch einen elektronenziehenden Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, und COR9 mit R9 C1-C4-Alkyl substituiert ist, R2 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Aryl, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, fluoriertem oder teilfluoriertem Alkyl, ungesättigtem Alkyl, und Alkoxy, und R3 und R6 unabhängig voneinander ein substituierter oder nicht-substituierter homocyclischer 6-Ring oder ein substituierter oder nicht-substituierter heterocyclischer 5-Ring oder 6-Ring sind; mit der allgemeinen Formel II:
    Figure DE102022116410A1_0087
     mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN, CF3 oder SF5 ist; mit Z1 und Z2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, CN, CF3, C2F5, OCH3, und OC2H5; mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-C1-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CN, CF3, CHF2, CH2F, oder CH3 ist, bevorzugt Br oder Cl; mit R3 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkyl, nicht-substituiertem und mit Aryl oder Heteroaryl substituiertem Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, wobei der nicht-substituierte oder substituierte heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring, oder der nicht-substituierte oder substituierte homocyclische 6-Ring mit einem weiteren nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring anelliert sein kann; mit R4 und R6 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, Alkenyl, O-Alkyl, S-Alkyl, einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl und/oder O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring und 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O oder N, und einem nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl und/oder O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring; oder wobei R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus S, O und N, oder einen nicht-substituierten und mit Halogen, Alkyl, O-Alkyl, Aryl und/oder Heteroaryl substituierten homocyclischen 6-Ring bilden.
  9. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der allgemeinen Verbindung I X1 und X2 S sind oder X1 und X2 O sind, und/oder wobei mindestens ein H-Atom in dem homocyclischen 6-Ring und/oder in dem heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring R1 durch F oder CF3 substituiert ist, bevorzugt durch F; und/oder R3 und R4 und/oder R5 und R6 jeweils zusammen einen heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring mit mindestens einem Heteroatom ausgewählt aus O, S oder N, bevorzugt O oder S, bilden, wobei bevorzugt der heterocyclische 5-Ring oder 6-Ring nicht substituiert ist, oder einen homocyclischen 6-Ring bilden, und/oder R1 ein homocyclischer 6-Ring mit der Bedingung R1 gleich C6HnF5-n mit n=0,1,2,3,4 ist.
  10. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der allgemeinen Verbindung II Z1 und Z2 F sind; und/oder wobei R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, F, Br, Cl, CN, CF3, Me, Et, OMe, SMe, OEt, SEt, Pr, und iPr, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br oder Cl ist, wobei bevorzugt R1 und R2 kein H sind; oder wobei R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Cl, Br, CF3, CN, Me, Et, OMe, SMe, OEt, und SEt, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Cl, Br, CF3 oder Me ist; oder wobei bevorzugt R1 und R2 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Br, Cl, CF3, CHF2, und CH2F; und/oder Y1 ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H oder Cl ist, und/oder Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, CH3, O-CH3, S-CH3, F, Cl, CF3 oder SF5 ist, bevorzugt N oder CH, und/oder Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H oder Cl ist; wobei bevorzugt ein Y1, Y2, Y3 ein N ist, oder zwei Y1, Y2, Y3 ein N sind.
  11. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung II die Verbindung der allgemeinen Formel III ist
    Figure DE102022116410A1_0088
     mit Y1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR21, wobei R21 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Y2 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR22, wobei R22 H, Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN oder CF3 ist; mit Y3 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N und CR23, wobei R23 H, Alkyl, bevorzugt C1-C4-Alkyl, O-Alkyl, S-Alkyl, ein Halogen, bevorzugt F oder Cl, CN und CF3 ist; mit Z1 und Z2 F oder CF3; mit X1 und X2 unabhängig voneinander O, S oder N-R8 sind mit R8 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkyl und Aryl, wobei bevorzugt X1 und X2 S oder X1 und X2 O sind, mit R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, Cl, Br, CN, CF3, CHF2, CH2F, C1-C4-Alkyl, O-C1-C4-Alkyl, S-C1-C4-Alkyl, und N-(C1-C4-Alkyl)2, mit der Maßgabe, dass mindestens R1 oder R2 Br, Cl, CF3, CHF2, CH2F oder CH3 ist; wobei R13 und R15 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, CN, Alkyl, O-Alkyl, und S-Alkyl, bevorzugt H oder C1-C4-Alkyl, wobei R14 und R16 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl, fluoriertem O-Alkyl substituierten heterocyclischen 5-Ring oder 6-Ring, bevorzugt mit einem Heteroatom unabhängig voneinander ausgewählt aus S, O und N, und einem nicht-substituierten oder mit Halogen, Alkyl, fluoriertem Alkyl, O-Alkyl, fluoriertem O-Alkyl substituierten homocyclischen 6-Ring, bevorzugt aus einem nicht-substituierten oder substituierten heterocyclischen 5-Ring, und einem nicht-substituierten oder substituierten homocyclischen 6-Ring, wobei bevorzugt wobei Y1 und Y3 CH und Y2 CR22 sind, bevorzugt mit CR22 ausgewählt aus F, Br, Cl, und CN, oder Y1 CR21, Y2 N und Y3 CR23 sind, bevorzugt mit CR21 und CR23 H oder Methyl, oder Y1 N, Y2 CR22 und Y3 N sind, bevorzugt mit CR22 H oder Methyl, wobei jeweils bevorzugt R1 und R2 F oder Cl sind.
  12. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I ist, und der mindestens eine zweite Donor mindestens ein ADA-Oligomer und/oder ein BODIPY ist, bevorzugt ist der zweite Donor eine Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder eine Verbindung der allgemeinen Formel II, wobei die Kaskade eine dritte Donorschicht aufweist, die an der zweiten Donorschicht angeordnet ist, wobei die dritte Donorschicht eine um mindestens 10 meV größere, bevorzugt eine um mindestens 25 meV größere, Bandlücke im Vergleich zu der zweiten Donorschicht aufweist.
  13. Organisches elektronisches Bauelement nach Anspruch 12, wobei die dritte Donorschicht eine optische Bandlücke die weniger als 100 meV größer ist, bevorzugt weniger als 25 meV, als die zweite Donorschicht.
  14. Organisches elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schichtsystem eine Tandemzelle mit zwei Zellen oder eine Mehrfachzelle mit mehreren Zellen ist, und wobei mindestens eine Zelle, bevorzugt mindestens zwei Zellen, als Kaskade gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  15. Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel I und/oder einer Verbindung der allgemeinen Formel II in einer Kaskade eines organischen elektronischen Bauelements.
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