EP3655410A1 - Organisches donator-akzeptor-system - Google Patents

Organisches donator-akzeptor-system

Info

Publication number
EP3655410A1
EP3655410A1 EP18746652.9A EP18746652A EP3655410A1 EP 3655410 A1 EP3655410 A1 EP 3655410A1 EP 18746652 A EP18746652 A EP 18746652A EP 3655410 A1 EP3655410 A1 EP 3655410A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
donor
acceptor
organic molecule
side chain
spacer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18746652.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan KRANER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kraner Stefan
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3655410A1 publication Critical patent/EP3655410A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D519/00—Heterocyclic compounds containing more than one system of two or more relevant hetero rings condensed among themselves or condensed with a common carbocyclic ring system not provided for in groups C07D453/00 or C07D455/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D513/00—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having nitrogen and sulfur atoms as the only ring hetero atoms, not provided for in groups C07D463/00, C07D477/00 or C07D499/00 - C07D507/00
    • C07D513/02—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having nitrogen and sulfur atoms as the only ring hetero atoms, not provided for in groups C07D463/00, C07D477/00 or C07D499/00 - C07D507/00 in which the condensed system contains two hetero rings
    • C07D513/04—Ortho-condensed systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/06—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing organic luminescent materials

Definitions

  • the invention relates to amphiphilic organic molecules for active layers in electronic devices, comprising at least one organic donor-acceptor system and chemical groups.
  • the organic donor-acceptor system forms a molecular triad.
  • the invention relates to a method for the self-assembly of amphiphilic organic molecules, wherein at least a first amphiphilic organic molecule with at least one second amphiphilic organic molecule by means of ⁇ - ⁇ interaction stacked to a three-dimensional phase-separated single layer or bilayer.
  • Organic solar cells are increasingly used in everyday as well as industrial environments.
  • Organic photovoltaics convert solar energy into electrical energy cost-effectively. This is done on the basis of the use of photoactive donor-acceptor systems.
  • the photoactive donor-acceptor system consists of two organic materials, which are phase-separated in the photoactive layer.
  • the light incident on an organic solar cell generates excitons (strongly bound electron-hole pairs) in the respective material as a result of the photoexcitation of the donor or acceptor material.
  • the excitons diffuse to the donor-acceptor interface, or recombine in the generated material.
  • the excitons that reach the boundary layer are separated into a hole on the donor and an electron on the acceptor material.
  • the charge-carrier mobility of conjugated molecules in a crystalline arrangement may be higher than 1 cm 2 / Vs. In previous organic solar cells, however, the charge-carrier mobility is 10 "5 - 10 " 3 cm s. This low charge-carrier mobility is caused by the strong phase mixing of the donor and acceptor materials, which prevent large crystalline areas. The strong phase mixing is necessary because the photogenerated exciton diffuses only a few nanometers before it recombines. To separate as many excitons, therefore, the donor and acceptor phase sizes must also be in the range of a few nanometers. Molecular triads comprising a donor, a spacer, and an acceptor revealed carrier separation within the triad [1, 2].
  • amphiphilic dyads which have as donor Pz n and as acceptor Ceo fullerenes and an interposed linker.
  • hollow bodies such as nanotubes can be formed by the formation of the molecules shown in [10], due to the unequal dimensioning of the space occupied by donors and acceptors perpendicular to the molecule, no parallel arrangement of these molecules into single or double layers can take place, as a result of which the charge carrier injection and charge carrier extraction to the flat electrodes is adversely affected.
  • US 2015/0076418 A1 discloses organic molecules having a plurality of donor and acceptor moieties containing triads having donors and acceptors with molecules of similar dimensioning. These triads consist of donor-acceptor-donor triads or acceptor-donor-acceptor triads, and have no spacer, which is disadvantageous in photovoltaic applications inefficient charge separation.
  • the object of the present invention is to provide a donor-acceptor system which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • the active interface of the donor-acceptor system is to be improved by the position and orientation of the donor and acceptor to each other is controlled and controlled by chemical groups.
  • a self-assembly of donor-acceptor systems contained organic molecules and the associated improved morphology improved exciton dissociation and a significant increased carrier mobility can be achieved. This reduces voltage losses and enables higher efficiencies of organic solar cells.
  • a first aspect of the invention relates to an amphiphilic organic molecule for active layers in electronic components which comprises as constituents at least one organic donor-acceptor system and chemical groups.
  • the amphiphilic organic molecule according to the invention serves for the production of active layers for electronic components.
  • electronic components preferably include semiconducting materials, wherein these components need not be limited to semiconducting materials.
  • an active layer is understood as meaning a layer with a donor-acceptor system, wherein in the self-assembled donor and acceptor phases, for organic components, more efficient charge carrier transport takes place, which can be used for various electronic components.
  • the amphiphilic organic molecule according to the invention is formed as a photoactive molecule and serves to produce photoactive layers in optoelectronic components, wherein the amphiphilic organic photoactive molecule comprises at least one photoactive donor-acceptor system.
  • the at least one donor-acceptor system comprises as constituents at least one donor, at least one acceptor and at least one spacer, the spacer being arranged between donor and acceptor and spatially spacing the donor and the acceptor.
  • the other constituents of the organic molecule align along these formed donor-acceptor bondlines.
  • the chemical groups of the amphiphilic organic molecule comprise as part of at least one side chain which is connected to the donor or to the acceptor.
  • the constituents of the organic molecule are polar and apolar or polar or apolar.
  • the individual constituents of the organic molecule are polar and apolar or polar or apolar Areas on, wherein the polar and apolar formed areas are spatially separated.
  • a region of the organic molecule is understood to be the subset of a constituent of the organic molecule.
  • the organic molecule is designed to stack in parallel and thus without significant angle changes between the individual molecules or their donor-acceptor connection lines in self-assembly in single or double layers on each other.
  • a significant angle change means an average angle change of at most 3 °.
  • the parallel stacking is realized at least by some constituents of the organic molecule.
  • the parallel arrangement of the organic molecules and thus the growth into single or double layers is made possible by the design of the donor and acceptor of the organic molecule.
  • the projected areas occupied for stacking on the respective stacking plane of donor and acceptor are dimensioned approximately identically.
  • the stacking plane corresponds to a plane in the respective donor or acceptor phase, which respectively specify the stack directions (similar to the plane spanned by lattice vectors between donors or acceptors).
  • the stacking plane is advantageously formed parallel.
  • the donor and acceptor of the organic molecule are each designed in such a way that their stacked projected areas on the respective stacking levels differ by a maximum of 30% during self-assembly.
  • the parallel stacking is also by other components of the organic molecule, such as by the spacer.
  • the projected areas occupied for stacking on the respective stacking plane of donor, acceptor and spacer are dimensioned approximately identically.
  • the spacer of the organic molecule is designed such that its stacked projected area on the respective stacking levels in self-assembly differs by a maximum of 30% from the assumed projected areas of donor and acceptor.
  • Another aspect of the invention relates to a process for the self-assembly of amphiphilic organic molecules.
  • the polar regions and the Apolar formed areas of the constituents of at least two amphiphilic organic molecules along a stacking plane each other.
  • the stacking of the donors and the acceptors of at least two amphiphilic organic molecules generates a phase separation of the constituents of the respective amphiphilic organic molecules.
  • the stacking of at least two amphiphilic organic molecules generates in each case a phase separation of the donors and the acceptors of the amphiphilic organic molecules.
  • At least two amphiphilic organic molecules continue to stack by means of TT-TT interaction to form a three-dimensional structure, which is also referred to as a self-assembled layer and is formed as an ordered single layer or double layer.
  • the method is used for self-assembly of amphiphilic organic molecules to produce at least one active Layer in an electronic component.
  • the electronic component according to the invention is obtainable by at least one self-assembled active layer, wherein the at least one active layer is obtainable from at least one amphiphilic organic molecule according to the invention.
  • the production of the electronic component is realized by the inventive method.
  • the electronic component according to the invention contains at least one active layer, which is produced by the process according to the invention.
  • amphiphilic organic molecules are understood as meaning organic molecules which are polar and apolar.
  • the molecules have components which are accordingly formed polar or apolar and spatially separated from each other.
  • the constituents can in turn have polar and apolar or polar or apolar regions.
  • amphiphilic organic molecule will be abbreviated to "organic” molecule.
  • the components of the amphiphilic organic molecule of the present invention include at least one donor-acceptor system and chemical groups.
  • the spacer of the donor-acceptor system is located between donor and acceptor, so donor and acceptor are not in contact with each other.
  • the spacer need not be part of the donor-acceptor system.
  • the organic molecule comprises at least one donor-acceptor system. In a further embodiment, the organic molecule comprises a plurality of repeating units of donor-acceptor systems, also called repeating unit below.
  • the chemical groups of the organic molecule comprise at least one side chain, which represents the end of the molecule and is polar or apolar.
  • the at least one side chain has a polar or apolar region.
  • the chemical groups of the organic molecule comprise two side chains which are each polar or apolar or have a polar or apolar region.
  • the first side chain is polar or apolar and the second side chain polar or apolar, wherein the first side chain to the donor or acceptor and the second side chain to the donor or to the acceptor is arranged.
  • the chemical groups of the organic molecule comprise at least one linker.
  • a linker is arranged between the donor and / or acceptor and / or spacer.
  • the chemical groups of the organic molecule do not comprise a linker.
  • the organic molecule comprises at least one side chain, at least one donor, at least one spacer and at least one acceptor, these constituents being in each case polar and / or apolar or comprising polar and / or apolar regions.
  • a molecular triad also referred to below as triad, is understood to mean the donor-acceptor system with at least one donor, one acceptor and one spacer.
  • the constituents of the donor-acceptor system form into a triad, wherein the spacer is arranged between donor and acceptor.
  • the donor, spacer and acceptor of the organic molecule are arranged in linear succession in a row. In this case, the distance between donor and acceptor is determined by the length of the spacer by this rod-shaped alignment.
  • the self-assembly of the organic molecules is facilitated by the rod-shaped alignment of the constituents of the organic molecule.
  • the spatial positioning and alignment of donor, spacer and acceptor to each other is controlled by the chemical groups.
  • self-assembly means an arrangement and alignment of at least two organic molecules, in particular the stacking of their donors and acceptors, by ⁇ - ⁇ interaction into a single layer or double layer.
  • the stacking takes place in a stacking plane.
  • the donors and the acceptors stack each other by self-assembly.
  • at least a first organic molecule having at least one second organic molecule is assembled into a single layer by stacking in each case identical constituents of the respectively polar regions of the organic molecules, preferably respectively stacking the donors and acceptors on top of each other, and equal constituents of each stacked apolar areas of organic molecules stacked on each other.
  • At least one first individual layer with at least one second individual layer is assembled to form a double layer.
  • a double layer is generated by the self-assembly of at least one first single layer with at least one second single layer, wherein in each case the polar or apolar formed regions of the first and second single layer show each other, similar to the formation of a double lipid layer.
  • the organic molecule is asymmetric.
  • An asymmetric structure is understood to be the presence of two terminal regions of the organic molecule which have different and thus opposite polarity.
  • the ends of the molecule have regions of different polarity. In this case, these regions are spatially separated from each other with different polarity, since they are located respectively at the ends and thus at the respectively opposite sides of the rod-shaped organic molecule.
  • taking an asymmetric Structure of the organic molecule understood the presence of at least one polar and at least one apolar side chain.
  • asymmetrically formed organic molecules are capable of forming a single layer or bilayer.
  • the structure of the asymmetrically-formed organic molecule has the following configuration: Apolar side-chain donor-linker-spacer-linker-acceptor-polar side chain (compare Fig. 1).
  • the structure of the asymmetrically formed organic molecule has the following configuration: polar side-chain donor-linker-spacer-linker-acceptor-apolar side chain.
  • at least one linker is included in the structure of the asymmetrically constructed organic molecule.
  • no linker is included in the structure of the asymmetrically-built organic molecule.
  • the constituents of the donor-acceptor system are repeated at least once in an asymmetrically-formed organic molecule.
  • the asymmetrically formed organic molecule comprises a plurality of repeat units, the sequence of the repeat units of the asymmetrically formed organic molecule having different mirror orientations.
  • the at least one repeat unit is present in the asymmetrically formed organic molecule, mirrored or not mirrored.
  • the repeating units of the asymmetrically formed organic molecule are bonded together directly and / or via at least one side chain.
  • the repeating units of the asymmetrically formed organic molecule are overlapped with each other, wherein in the overlap region in each case two donors and / or two acceptors merge into one another.
  • the organic molecule is symmetrical.
  • a symmetrical structure is understood to mean the presence of two terminal regions of the organic molecule which have the same polarity.
  • the ends of the molecule have regions of the same polarity. In this case, these regions are spatially separated from each other with the same polarity, since they are located respectively at the ends and thus at the respectively opposite sides of the rod-shaped organic molecule.
  • the presence of at least two polar or at least two apolar is formed Side chains understood.
  • symmetrically formed organic molecules form a single layer.
  • the structure of the symmetrically formed organic molecule has the following configuration: polar side chain acceptor linker spacer linker donor linker spacer linker acceptor polar side chain (compare Fig. 4).
  • the structure of the symmetrically formed organic molecule has the following configuration: Apolar side chain acceptor linker spacer linker donor linker spacer linker acceptor apolar side chain.
  • the structure of the symmetrically formed organic molecule has the following configuration: Apolar side chain donor linker spacer linker acceptor linker spacer linker donor apolar side chain.
  • the structure of the symmetrically formed organic molecule has the following configuration: polar side chain donor linker spacer linker acceptor linker spacer linker donor polar side chain.
  • at least one linker is included in the structure of the symmetrical organic molecule.
  • a linker or two linkers or three linkers are included in the structure of the symmetrical organic molecule.
  • no linker is included in the structure of the symmetrical organic molecule.
  • the constituents of the donor-acceptor system are repeated at least once in a symmetrical organic molecule.
  • the repeating units of the symmetrically formed organic molecule are bonded together directly and / or via at least one side chain.
  • the repeating units of the symmetrically formed organic molecule are overlapped with each other, wherein in the overlap region in each case two donors and / or two acceptors merge into one another.
  • the components of the organic molecule are covalently linked together.
  • the constituents of the organic molecule are connected to one another via hydrogen bonds.
  • the organic molecule comprises at least one donor-acceptor system, wherein the constituents of the donor-acceptor system each comprise at least one donor, an acceptor, and a spacer.
  • the organic molecule comprises at least one donor molecule.
  • the donor molecule is also called a donor.
  • the donor has compounds of general formula I:
  • the donor comprises a compound of the class of acenes of general formula I.
  • X 1 , X 2 , X 3 and / or X 4 are independently selected from O, N, CH, CF, C-Cl or C-Br.
  • the first linker (L 1 ) is a compound that links the donor to the spacer.
  • S 1 is a first side chain.
  • R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 each together form a homocyclic six-membered ring or a heterocyclic five-membered ring or a heterocyclic six-membered ring.
  • the heterocyclic five-membered ring or the heterocyclic six-membered ring comprises at least one heteroatom, wherein the heteroatom is selected from S, O, N and P.
  • the heteroatom is selected from a -H, -F, -Cl, -Br, -CH3, -OH or -NH2 radical.
  • the six-membered ring formed by R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 each has one of the following formulas (a to f):
  • the parts marked with * represent in the formulas A to F in each case the connection point to R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 of base formula I.
  • the at R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 rings formed the same or different.
  • R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently selected from H, F, Cl, Br, an alkyl group, an alkynyl group, an alkenyl group or an aryl group.
  • X 5 and / or X 6 are independently selected from N, CF, C-Cl or C-Br.
  • the five-membered ring formed by R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 each has one of the following formulas (g to I):
  • the parts marked with * represent in the formulas G to I respectively, the connection point to R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 of base formula I.
  • the at R 1 and R 2 and / or R 3 and R 4 rings formed the same or different.
  • R 9 and R 10 are independently selected from H, F, Cl, Br, an alkyl group, an alkynyl group, an alkenyl group or an aryl group.
  • X 7 is selected from O, S, Se or NR 11 , wherein R 11 is H, F, Cl, Br or an alkyl group.
  • the donors in the single layer or bilayer are at least partially in crystalline form.
  • the donors assemble, at least in part, in an ordered structure, each of which advantageously promotes efficient charge carrier transport [6,7].
  • the ordered structure formed by the donors comprises a herringbone structure, a brickwall structure, or a lamellar structure [6,7].
  • pentacene is used as a donor.
  • the organic molecule comprises at least one acceptor molecule.
  • the acceptor molecule is also referred to as an acceptor.
  • the acceptor comprises compounds having general formula II:
  • the acceptor comprises a compound of the class of acenes of general formula II.
  • X 8 , X 9 , X 10 and / or X 11 are independently selected from O, N, CH, CF, C-Cl or C-Br.
  • the second linker (L 2 ) is a compound that links the acceptor to the spacer.
  • S 2 is a second side chain.
  • R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 each together form a homocyclic six-membered ring or a heterocyclic five-membered ring or a heterocyclic six-membered ring.
  • the heterocyclic five-membered ring or the heterocyclic six-membered ring comprises at least one heteroatom, wherein the heteroatom is selected from S, O, N and P.
  • the heteroatom is selected from a -H, -F, -Cl, -Br, -CH3, - OH or -NH 2 remainder.
  • the six-membered ring formed by R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 each has one of the following formulas (m to r):
  • the parts marked * in the formulas m to r each represent the point of connection to R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 are of basic formula II.
  • the radicals R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 are the same or different.
  • R 16 , R 17 , R 18 and R 19 are independently selected from H, F, Cl, Br, an alkyl group, an alkynyl group, an alkenyl group or an aryl group.
  • X 12 is selected from N, CF, C-Cl or C-Br.
  • the five-membered ring formed by R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 each has one of the following formulas (s to x):
  • the parts marked * in the formulas s to x in each case represent the connection point to R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 from basic formula II.
  • the rings formed on R 12 and R 13 and / or R 14 and R 15 are the same or different.
  • R 20 and R 21 are independently selected from H, F, Cl, Br, an alkyl group, an alkynyl group, an alkenyl group or an aryl group.
  • X 13 is selected from O, S, Se or N- 22 wherein R 22 is H, F, Cl, Br or an alkyl group.
  • the acceptors in the single layer or bilayer are at least partially in crystalline form.
  • the acceptors assemble, at least in part, in an ordered structure, which in each case excellently supports efficient charge carrier transport [6, 7].
  • the ordered structure formed by the acceptors comprises a herringbone structure, a brickwall structure, or a lamellar structure [6,7].
  • the acceptor is selected from tetra-azapentacenes (TAP) and used.
  • the organic molecule comprises at least one spacer.
  • the spacer has a length between 1 nm and 40 nm, preferably between 1 nm and 20 nm, very preferably between 1 nm and 5 nm.
  • the spacer is formed as a conjugated molecule.
  • the ionization potential of the isolated spacer is advantageously intermediate between the respective ionization potentials of the isolated donor and acceptor to favorably facilitate efficient exciton dissociation in the triad.
  • the electron affinity of the isolated spacer is between the respective electron affinities of the isolated donor and the acceptor to advantageously permit efficient exciton dissociation in the triad.
  • the spacer provides for a defined spacing and thus a spatial separation of the donor and acceptor molecule in the triad and advantageously forms a geometric interface.
  • the geometric distance between donor and acceptor caused by the spacer determines the exciton-binding energy. The larger the distance between donor and acceptor, the smaller is the exciton binding energy.
  • an efficient dissociation of the exciton by a low exciton binding energy occurs and by the greatest possible overlap of the wave functions between donor and spacer as well as between acceptor and spacer.
  • the space occupied by the spacer should not hinder the arrangement of the donors and / or acceptors into an ordered structure comprising herringbone structure, brick wall structure or lamellar structure.
  • the spacer comprises at least one cyclic alkyharyl, cyanine and / or heteroaryl group, preferably thiophenes, acenes, rylenes, diketopyrrolopyrroles (DPP), dithienopyrroles (DTP), para-phenylenevinylenes (PPV), acetylenes, fluorenes, Squaraine, porphyrins, benzothiadiazoles (BTD), carbazoles, cyanines, or bodypies.
  • the spacer has a plurality of identical or different groups.
  • the spacer is an oligothiophene moiety, such as 5T, which is centrically modified with TT DA (TTDA-5T for short).
  • the spacer has at least one side group for better solubility.
  • the spacer has at least one polar side group for increased polarizability.
  • a higher polarizability of the spacer leads to an increased shielding of existing charges on the acceptor and donor.
  • This increased shielding is advantageous for the dissociation process of the exciton in a solar cell.
  • the increased shielding is advantageous for a higher dielectric constant of the dielectric of a capacitor in order to increase the capacitance.
  • the ionization potential of the isolated spacer is above the respective ionization potentials of the isolated donor and acceptor to advantageously facilitate efficient recombination in the triad. This is advantageous for efficient electroluminescence in organic light-emitting diodes (OLED).
  • OLED organic light-emitting diodes
  • the electron affinity of the isolated spacer is below the respective electron affinities of the isolated donor and acceptor, to be advantageously efficient To allow recombination in the triad. This is advantageous for efficient electroluminescence in organic light-emitting diodes.
  • the ionization potential of the isolated spacer is below the respective ionization potentials of the isolated donor and acceptor to advantageously prevent charge transfer between donor and acceptor. This is advantageous for use in a capacitor or in electroactive materials.
  • the electron affinity of the isolated spacer is above the respective electron affinities of the isolated donor and acceptor to advantageously prevent charge transfer between donor and acceptor. This is advantageous for use in a capacitor or in electroactive materials.
  • the organic molecule comprises at least one linker.
  • the chemical groups comprise at least one linker.
  • the linker is selected from a first linker L 1 and / or a second linker L 2 .
  • the linker is located between spacer and donor and between spacer and acceptor, or the linker is located between spacer and donor or between spacer and acceptor.
  • the organic molecule comprises two linkers.
  • the two linkers are formed as a first linker L 1 and / or as a second linker L 2 , wherein the first linker L 1 is arranged between the donor and the spacer and the second linker L 2 is arranged between the acceptor and spacer.
  • the linker is also referred to as an interface which connects the spacer and the donor and / or the spacer and the acceptor, wherein the linker has the task of the wave functions or charges from the spacer and the donor and / or the spacer and spatially separate the acceptor. This is usually done by interrupting the ⁇ system.
  • Another object of the linker is to induce by an advantageous arrangement of the compound an optimized arrangement of the donors and / or acceptors into an ordered structure comprising herringbone structure, brick wall structure or lamellar structure.
  • the linker is formed as a non-conjugated or conjugated molecule.
  • the linker is at least partially formed as a non-conjugated or conjugated molecule.
  • the linker has a non-conjugated or conjugated region.
  • the linker has an at least partially non-conjugated or conjugated region.
  • the linker is formed as an at least partially conjugated molecule.
  • the separation from the ⁇ system takes place by a rotation of the ⁇ system between spacer and acceptor or spacer and donor, away from the planar ⁇ system of the donor or acceptor.
  • the linker is formed as an at least partially non-conjugated molecule.
  • this allows charge separation by separate wave functions.
  • the length of the unconjugated linker is flexible, and the charge carrier transfer between donor and spacer and / or acceptor and spacer is more efficient if the unconjugated linker is shorter, because with longer linker the overlap of the wavefunctions of donor and spacer and / or Acceptor and spacer decreases and the probability of electron transfer thereby decreases (Marcus theory). Accordingly, the use of a short linker proves to be particularly advantageous for photovoltaic applications.
  • a side chain is polar or apolar. In a further embodiment, a side chain has a polar and / or apolar region. In one embodiment, an area of at least one side chain is polar or apolar. In one embodiment, a side chain has a conjugated and / or non-conjugated region.
  • the at least one side chain induces a vortelike arrangement of the donor and / or the acceptor into a single layer or bilayer.
  • the at least one side chain in the organic molecule advantageously occupies a space which is not larger than the required space of the at least partially crystalline arranged donor and / or acceptor in the single layer or in the bilayer.
  • the polar side chain binds to the acceptor and the apolar side chain to the donor of the organic molecule.
  • the apolar side chain binds to the acceptor and the polar side chain to the donor of the organic molecule.
  • the polarity of the side chains ensures control of the morphology of the organic molecule.
  • the organic molecule comprises two side chains, namely a first side chain S 1 and a second side chain S 2 , wherein in each case one side chain marks the respective end of the organic molecule.
  • the respective ends and thus also the first and second side chains of the organic molecule are spatially separated, since they are located on opposite sides of the rod-shaped organic molecule.
  • the organic molecule when the organic molecule comprises two side chains S 1 and S 2 , S 1 and S 2 are polar or S 1 and S 2 are apolar or S 1 polar and S 2 are apolar or S 2 polar and S 1 is apolar.
  • S 1 and S 2 are polar or S 1 and S 2 are apolar or S 1 polar and S 2 are apolar or S 2 polar and S 1 is apolar.
  • the region at the respective end of the organic molecule is relevant, the respective end of the organic molecule being formed by at least one first side chain S 1 and a second side chain S 2 .
  • an asymmetric structure of the organic molecule is present when the first side chain S 1 or the second side chain S 2 has an apolar region at one end of the organic molecule and the second side chain S 2 or the first side chain S 1 has a polar region at the other end of the organic molecule.
  • a symmetrical structure of the organic molecule is present when the first side chain S 1 and the second side chain S 2 have an apolar region at the ends of the organic molecule and the second side chain S 2 and the first side chain S 1 has a polar region at the ends of the organic molecule.
  • a folding of the organic molecule in solution is possible, which makes optimized self-assembly more difficult.
  • the at least one side chain of the organic molecule has a length of at least 1 nm and at most 40 nm, preferably from 2 nm to 5 nm. In one embodiment, the at least one side chain of the organic molecule has a length of at least 1 nm and at most 40 nm, preferably from 2 nm to 5 nm
  • the at least one side chain of the organic molecule comprises an ethylene chain having a length of at least 4 to a maximum of 160 ethylene repeat units, preferably a length of 8 to 20 ethylene repeat units.
  • the at least one side chain of the organic molecule comprises an ethylene glycol chain having a length of at least 3 to a maximum of 120 ethylene glycol repeating units, preferably a length of 5 to 14 ethylene glycol repeating units.
  • the first and / or second side chain comprises at least one alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl, acyl, amide, alcohol, carboxyl, imide, ester, ether, hydrazide, Sulfone and / or zwitterionic group.
  • the side chain comprises at least one ethylene, ethylene glycol, peptide, acrylate, propylene glycol, phenylene, P-phenylene-vinylene and / or P-phenylene-vinylene group.
  • the first and second side chains or the first side chain or the second side chain has a plurality of identical or different groups in linear or branched form.
  • the polar side chain is formed as OEG (oligo ethylene glycol) in a linear or branched form. In one embodiment, the apolar side chain is formed as a polyethylene in linear or branched form.
  • the phase separation of the donors and / or acceptors of the organic molecules in solution is carried out by the amphiphilic organic molecule in solution.
  • the spatial orientation of the donor-acceptor system in the organic molecule is advantageously further adjusted by the choice of the sequence of polar and apolar regions in the organic molecule.
  • the self-assembly of at least one first organic molecule with at least one second organic molecule and the concomitant formation of polar regions of the organic molecules and the formation of apolar occur formed regions of the organic molecules to form single layers or bilayers.
  • the stacking of the donors and / or acceptors with each other and the self-assembly of at least two organic molecules, a first and a second organic molecule takes place in at least partially crystalline form.
  • this significantly improves the transport properties of charge carriers in the phases, wherein the phases by means of n-TT interaction between donor and / or acceptor advantageously have an ordered structure comprising herringbone structure, brickwall structure or lamellar structure.
  • at least two single layers or at least two bilayers stack in parallel, thus increasing the volume of the organic material.
  • the organic molecules are dissolved in a solvent.
  • the solvent is selected from hydrofuran, tetrahydrofuran (THF), dichloromethane (DCM), hexane, chloroform, chlorobenzene, methanol, acetone, toluene, p-xylene, an aqueous solvent or a mixture of at least two of the aforementioned solvents (Solvent / precipitant mixture) such as a mixture of dichloromethane and acetone.
  • the organic molecules dissolved in the solvent are deposited on substrates in a subsequent step by means of a coating process.
  • Deposition of the organic molecules onto substrates includes coating processes selected from spin coating, dip coating, spray coating, slot die coating, knife coating, and / or drop casting.
  • the substrates to which the organic molecules dissolved in the solvent are deposited are selected from glass substrates, ceramic substrates, or plastic substrates.
  • the morphology of the organic molecules dissolved in a solvent is subsequently optimized by tempering and / or applying an electric field.
  • the substrate coated with organic molecules is heated in a subsequent step.
  • the organic molecule coated substrate becomes subsequently treated with a thermal annealing process.
  • the thermal annealing process the organic molecule coated substrate is heated for a period of time.
  • the organic molecule coated substrate is heated in a period of 1 second to 1 hour, preferably in a period of 1 minute to 10 minutes.
  • the temperature range for the thermal annealing process is in the range of 70 ° C to 130 ° C.
  • this achieves improved morphology or crystallinity of the organic material by removing solvent residues as well as other contaminants in the organic film deposited on the substrate.
  • the organic molecule coated substrate is subsequently treated with a solvent annealing process.
  • the solvent annealing process the substrate is surrounded by a gas or vapor for a desired time.
  • the gaseous or vaporous solvent for the solvent annealing process is selected from hydrofuran, tetrahydrofuran (THF), dichloromethane (DCM), hexane, chloroform, chlorobenzene, methanol, acetone, toluene, p-xylene or an aqueous solvent ,
  • the solvent annealing process may be combined with the thermal annealing process.
  • an electric field is applied to the organic molecules during the coating process, the solvent annealing process, and / or the thermal annealing process.
  • the direction of the applied electric field can advantageously bring about a preferred direction of orientation of the organic molecules in the deposited film.
  • the orientation of the transport paths in the monolayer or bilayer formed by amphiphilic organic molecules can be controlled and optimized.
  • the first and second amphiphilic organic molecules applied to the substrate organize into a single layer or a bilayer.
  • the donors and acceptors comprised by the first and second amphiphilic organic molecules are phase separated. Since the donor is spatially separated from the acceptor by the spacer, there is this Self-assembly between donors and acceptors no longer direct contact, which advantageously suppresses the recombination of generated charge carriers.
  • the donors and acceptors in each case stack with the aid of the ⁇ - ⁇ interaction three-dimensionally to single layers or double layers, which advantageously produces very efficient transport paths for free charge carriers.
  • amphiphilic organic molecules are used for electronic components or a method for self-assembly of amphiphilic organic molecules for an electronic component.
  • the organic molecules are used for the production of electronic components such as sensors, OFETs (organic field effect transistors), capacitors, supercapacitors, electro-optic materials, or electroactive materials.
  • electronic components such as sensors, OFETs (organic field effect transistors), capacitors, supercapacitors, electro-optic materials, or electroactive materials.
  • the organic molecules are used for the production of optoelectronic components.
  • the optoelectronic components include organic solar cells for OPV-based applications, but also OLEDs (organic light emitting diodes) or other organic based photoactive sensors.
  • Figure 2 simulated (a) and measured (b) energy level schemes of isolated donor, spacer, and acceptor and a schematic structure of the stacking of three amphiphilic organic molecules (c) of the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a structure of the inventive self-assembly of first and second amphiphilic organic molecules according to the invention into three-dimensional phase-separated bilayers which are stacked with ⁇ - ⁇ interaction
  • FIG. 1 shows a molecular structure of an asymmetrically constructed, amphiphilic organic molecule 13.
  • the asymmetrically constructed amphiphilic organic molecule 13 comprises a donor-acceptor system with a centrally arranged spacer 3 and a donor 1 and an acceptor 2. These constituents form a Triad 8.
  • the amphiphilic organic molecule 13 comprises a first linker 4 and a second linker 5, wherein the first linker 4 between the donor 1 and the spacer 3 and the second linker 5 between the acceptor 2 and the spacer 3 is arranged.
  • the spacer 3 is TTDA-5T
  • donor 1 and first linker 4 are 6,13-bis ((triisopropylsilyl) ethynyl) -pentacene (TIPS-pentacene) and acceptor 2 and second linker 5 are TIPS-tetra-azapentacenes (TIPS-TAP).
  • a polar side chain 7 from OEG is attached to the acceptor 2 and an apolar side chain 6 made of polyethylene is attached to the donor 1.
  • the polar side chain 7 and the apolar side chain 6 are also constituents of the amphiphilic organic molecule 13 and each mark the end of the amphiphilic organic molecule 13. All the constituents of the amphiphilic organic molecule 13 are covalently bound together.
  • the structure of the asymmetrically constructed, amphiphilic organic molecule 13 has the following configuration: Polar side chain 7 - acceptor 2 - second linker 5 - spacer 3 - first linker 4 - donor 1 - apolar side chain 6. Starting from the centrally arranged spacer 3, all others are Ingredients are mirror-symmetric to each other and arranged sequentially, so that the amphiphilic, asymmetrically constructed amphiphilic organic molecule 13 is aligned rod-shaped.
  • Figure 2 shows energy level schemes of individual isolated components of an amphiphilic organic molecule, namely donor 1, spacer 3 and acceptor 2.
  • the highest occupied molecular orbital (HOMO) is 1 1 and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). 12 shown.
  • Fig. 2 (a) is an energy level scheme simulated by density functional theory (DFT) for TIPS pentacene as donor 1, TTDA-5T as spacer 3, and TIPS-TAP as acceptor 2 in vacuo [8 , 9].
  • DFT density functional theory
  • FIG. 2 (b) shows an energy level scheme which was measured by cyclic voltammetry (CV) for TIPS pentacene as donor 1, TTDA-5T as spacer 3 and TIPS-TAP as acceptor 2 in solution [8,9] ,
  • FIG. 2 (c) shows a schematic structure of the stacking of three respective amphiphilic organic molecules according to the invention.
  • an amphiphilic organic molecule comprises a donor-acceptor system with an acceptor 2, a spacer 3 and a donor 1. These components each form a triad.
  • the spacer 3 is TTDA-5T
  • donor 1 and first linker 4 are TIPS-pentacene
  • acceptor 2 and second linker 5 are TIPS-TAP, with the first linker 4 between donor 1 and spacer 3 and the second Left 5 between the acceptor 2 and the spacer 3 is arranged.
  • an amphiphilic organic molecule comprises a polar side chain 7 from OEG and an apolar side chain 6 from polyethylene.
  • the polar side chain 7 and the apolar side chain 6 each mark the ends of the amphiphilic organic molecules.
  • the structure of an asymmetrically constructed, amphiphilic organic molecule shown in FIG. 2 (c) has the following configuration: Polar side chain 7 - acceptor 2 - second linker - spacer 3 - first linker - donor 1 - apolar side chain 6 of the amphiphilic organic molecule are covalently linked together.
  • the schematic structure is still the Excitonic dissociation A and the subsequent efficient charge carrier transport B shown.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a structure of the self-assembly of amphiphilic organic molecules according to the invention.
  • each amphiphilic molecule comprises a donor 1, an acceptor 2 and a spacer 3, TIPS pentacene being used as donor 1 and first linker 4, TIPS-TAP as acceptor 2 and second linker 5 and TTDA-5T as spacer 3.
  • These components each form a triad 8, wherein the first linker 4 is arranged in each case between the donor 1 and the spacer 3 and the second linker 5 in each case between the acceptor 2 and the spacer 3.
  • the amphiphilic organic molecules each comprise polar side chains 7 and apolar side chains 6.
  • OEG is used in each case as part of the polar side chains 7; polyethylenes are used as part of the nonpolar side chains 6. All components of the amphiphilic organic molecule are covalently linked.
  • the polar side chains 7 of the amphiphilic organic molecules are brought together by self-assembly, whereby the side chains 7 stack via intermolecular bonds and thus produce a single layer 9 in which the donors 1 and acceptors 2 stack in a crystalline arrangement by means of ⁇ - ⁇ interaction.
  • a bilayer 10 is formed by the intermolecular bonding between the polar side chains 7 of at least two monolayers 9. This is made possible by dividing each of Donor 1 and acceptor 2 for stacking projected areas on the respective stacking levels differ by a maximum of 30%.
  • FIG. 4 shows a molecular structure of a symmetrically constructed, amphiphilic organic molecule 13.
  • the symmetrically constructed amphiphilic organic molecule 13 comprises a donor-acceptor system with a centrally arranged donor 1, two acceptors 2 and two spacers 3.
  • the symmetrically constructed amphiphilic organic molecule 13 comprises in each case two first linkers 4 and two second linkers 5, the first linkers 4 each being arranged between a spacer 3 and the donor 1 and the second linker 5 in each case between a spacer 3 and an acceptor 2 ,
  • the spacer 3 is in each case TTDA-5T, as donor 1 and first linker 4 is TIPS-Pentacen and as acceptor 2 and second linker 5 each TIPS-TAP is used.
  • the symmetrically constructed amphiphilic organic molecule further comprises two polar side chains 7 from OEG, which are spatially separated from each other and are each bound via TIPS to the respective acceptor 2.
  • the polar side chains 7 each mark the end of the amphiphilic organic molecule 13.
  • the structure of the symmetrically constructed amphiphilic organic molecule 12 has the following configuration: Polar side chain 7 - acceptor 2 - second linker 5 - spacer 3 - first linker 4 - donor 1 - first linker 4 - spacer 3 - second linker 5 - acceptor 2 polar Side chain 7. Starting from the centrally arranged donor 1, all further constituents are arranged mirror-symmetrically and successively so that the amphiphilic, symmetrically structured amphiphilic organic molecule 13 is aligned in a rod-shaped manner. All components of the amphiphilic organic molecule 13 are covalently linked.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein amphiphiles organisches Molekül für die Selbstassemblierung aktiver Schichten in elektronischen Bauteilen, welches mindestens ein Donator-Akzeptor-System und chemische Gruppen umfasst, wobei das Donator-Akzeptor-System als Bestandteile mindestens einen Donator, mindestens einen Akzeptor und mindestens einen Spacer aufweist und die chemischen Gruppen als Bestandteil mindestens eine Seitenkette umfassen. Dabei ist die räumliche Positionierung und Ausrichtung von Donator, Spacer und Akzeptor zueinander durch die chemischen Gruppen kontrolliert, wobei die mindestens eine Seitenkette das Ende des Moleküls darstellt. Weiterhin ist die mindestens eine Seitenkette polar oder apolar ausgebildet und mit dem Donator oder mit dem Akzeptor verbunden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen, wobei durch die Stapelung von mindestens zwei organischen Molekülen eine Phasenseparierung der Bestandteile der jeweiligen organischen Moleküle generiert wird. Dabei stapeln jeweils die polar ausgebildeten Bereiche und/oder die apolar ausgebildeten Bereiche der Bestandteile von mindestens zwei organischen Molekülen aufeinander.

Description

Organisches Donator-Akzeptor-System
Die Erfindung betrifft amphiphile organische Moleküle für aktive Schichten in elektronischen Bauteilen, umfassend mindestens ein organisches Donator-Akzeptor-System und chemische Gruppen. Dabei bildet das organische Donator-Akzeptor-System eine molekulare Triade. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen, wobei sich mindestens ein erstes amphiphiles organisches Molekül mit mindestens einem zweiten amphiphilen organischen Molekül mittels ττ-ττ-Wechselwirkung zu einer dreidimensionalen phasenseparierten Einzelschicht oder Doppelschicht stapelt.
Elektronische Bauteile, wie z.B. organische Solarzellen, werden immer häufiger im alltäglichen sowie industriellen Umfeld verwendet. Die organische Photovoltaik (OPV) wandelt Solarenergie in elektrische Energie kostengünstig um. Dies geschieht auf der Basis der Verwendung von photoaktiven Donator-Akzeptor-Systemen. Das photoaktive Donator-Akzeptor-System besteht dabei aus zwei organischen Materialien, welche phasensepariert in der photoaktiven Schicht vorliegen. Durch das auf eine organische Solarzelle einfallende Licht werden durch die Photoanregung des Donator- oder Akzeptor-Materials Exzitonen (stark gebundene Elektron- Loch-Paare) im jeweiligen Material erzeugt. Die Exzitonen diffundieren zur Donator-Akzeptor Grenzschicht, oder rekombinieren im erzeugten Material. Die Exzitonen, welche die Grenzschicht erreichen, werden in ein Loch auf dem Donator- und ein Elektron auf dem Akzeptor-Material getrennt. Die getrennten Ladungen können nun zu den jeweiligen Elektroden der Solarzelle diffundieren und driften, und tragen so zum nutzbaren Strom der Solarzelle bei. Allerdings führt dieser Trennungsprozess, des Exzitons zu freien Ladungsträgern, zu hohen Spannungsverlusten in organischen Solarzellen. Im Hinblick auf eine großflächige, rentable Nutzung von OPV sollte die Ladungsträgermobilität erhöht, und die Spannungsverluste durch den Trennungsprozess reduziert werden, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führen würde.
Die Ladungsträgermobilität konjugierter Moleküle in kristalliner Anordnung kann höher als 1 cm2/Vs sein. In bisherigen organischen Solarzellen liegt die Ladungsträgermobilität jedoch bei 10"5 - 10"3 cm s. Diese geringe Ladungsträgermobilität wird durch die starke Phasenvermischung vom Donator- und Akzeptor-Material verursacht, welche weitläufige kristalline Bereiche verhindern. Die starke Phasenvermischung ist notwendig, da das photogenerierte Exziton nur einige wenige Nanometer weit diffundiert bevor es rekombiniert. Um möglichst viele Exzitonen zu trennen, müssen daher die Donator- und Akzeptor-Phasengrößen auch im Bereich von einigen Nanometern liegen. An molekularen Triaden, welche einen Donator, Spacer und Akzeptor umfassen, konnte eine Ladungsträgerseparierung innerhalb der Triade festgestellt werden [1 ,2]. Allerdings sind die bisher veröffentlichten Umwandlungseffizienzen in photovoltaischen Bauteilen noch sehr gering was auf eine fehlende Phasenseparation, einer zu geringen Kristallinität in der Donator-Phase und Akzeptor-Phase, und den damit verbundenen ineffizienten Ladungsträgertransport zu den jeweiligen Elektroden zurückzuführen ist [3,4]. Zudem wurden Donator, Spacer und Akzeptor zum Teil direkt kovalent miteinander verbunden. Dies kann nachteilig dazu führen, dass sich die Wellenfunktion des Elektrons und des Lochs über die Grenzschicht hinweg ausbreitet, und damit eine Exzitonbindungsenergie besitzt welche zu hoch für eine thermische Trennung ist [5], was zu einer Rekombination des Exzitons und damit nachteilig zu einer ineffizienten Trennung der Ladungsträger führt.
In [10] werden amphiphil ausgebildete Dyaden beschrieben, die als Donator Pzn und als Akzeptor Ceo-Fullerene und einen dazwischen angeordneten Linker aufweisen. Zwar können durch die in [10] gezeigte Ausbildung der Moleküle Hohlkörper wie Nanoröhren gebildet werden, allerdings kann aufgrund der ungleichen Dimensionierung des von Donatoren und Akzeptoren eingenommenen Raumes senkrecht zum Molekül nachteilig keine parallele Anordnung dieser Moleküle zu Einzel- oder Doppelschichten erfolgen, wodurch die Ladungsträgerinjektion und Ladungsträgerextraktion zu den flach angeordneten Elektroden nachteilig beeinträchtigt wird.
Die US 2015/0076418 A1 offenbart organische Moleküle, welche mehrere Donator- und Akzeptoreinheiten aufweisen, die Triaden beinhalten, welche Donatoren und Akzeptoren mit Molekülen ähnlicher Dimensionierung aufweisen. Diese Triaden bestehen aus Donator-Akzeptor- Donator-Triaden oder Akzeptor-Donator-Akzeptor-Triaden, und weisen keinen Spacer auf, wodurch nachteilig in photovoltaischen Anwendungen eine ineffiziente Ladungstrennung erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Donator-Akzeptor-System bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Dabei soll die aktive Grenzfläche des Donator-Akzeptor-Systems verbessert werden, indem die Position und Ausrichtung von Donator und Akzeptor zueinander durch chemische Gruppen gezielt gesteuert und kontrolliert wird. Vorteilhaft soll durch eine Selbstassemblierung von Donator-Akzeptor-Systemen enthaltenen organischen Molekülen und der damit einhergehenden verbesserten Morphologie eine verbesserte Exzitonen-Dissoziation und eine signifikant gesteigerte Ladungsträgermobilität erreicht werden. Dies reduziert Spannungsverluste und ermöglicht höhere Wirkungsgrade organischer Solarzellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein amphiphiles organisches Molekül gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein amphiphiles organisches Molekül für aktive Schichten in elektronischen Bauteilen, welches als Bestandteile mindestens ein organisches Donator- Akzeptor-System und chemische Gruppen umfasst. Das erfindungsgemäße amphiphile organische Molekül dient dabei zur Herstellung von aktiven Schichten für elektronische Bauteile. Im Sinne der Erfindung umfassen elektronische Bauteile bevorzugt halbleitende Materialien, wobei sich diese Bauteile nicht auf halbleitende Materialien beschränken müssen. Unter einer aktiven Schicht wird im Sinne der Erfindung eine Schicht mit einem Donator-Akzeptor-System verstanden, wobei in den selbstassemblierten Donator und Akzeptor-Phasen ein, für organische Bauteile, effizienter Ladungsträgertransport stattfindet, welcher für verschiedene elektronische Bauteile genutzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße amphiphile organische Molekül als photoaktives Molekül ausgebildet und dient dabei der Herstellung von photoaktiven Schichten in optoelektronischen Bauteilen, wobei das amphiphile organische photoaktive Molekül mindestens ein photoaktives Donator-Akzeptor-System umfasst.
Im Sinne der Erfindung umfasst das mindestens eine Donator-Akzeptor-Systems als Bestandteile mindestens einen Donator, mindestens einen Akzeptor und mindestens einen Spacer, wobei der Spacer zwischen Donator und Akzeptor angeordnet ist und den Donator und den Akzeptor räumlich voneinander beabstandet. Somit ordnen sich die anderen Bestandteile des organischen Moleküls entlang dieser gebildeten Donator-Akzeptor-Verbindungslinien an. Im Sinne der Erfindung umfassen die chemischen Gruppen des amphiphilen organischen Moleküls als Bestandteil mindestens eine Seitenkette, welche mit dem Donator oder mit dem Akzeptor verbunden ist.
In einer Ausführungsform sind die Bestandteile des organischen Moleküls polar und apolar oder polar oder apolar ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform weisen die einzelnen Bestandteile des organischen Moleküls polar und apolar oder polar oder apolar ausgebildete Bereiche auf, wobei die polar und apolar ausgebildeten Bereiche räumlich voneinander getrennt sind. Unter einem Bereich des organischen Moleküls wird dabei die Teilmenge eines Bestandteils des organischen Moleküls verstanden.
In einer Ausführungsform ist das organische Molekül derart ausgebildet, um parallel und somit ohne signifikante Winkeländerungen zwischen den einzelnen Molekülen bzw. deren Donator- Akzeptor-Verbindungslinien bei der Selbstassemblierung in Einzel- oder Doppelschichten aufeinander zu stapeln. In einer Ausführungsform wird unter einer signifikanten Winkeländerung dabei eine mittlere Winkeländerung von maximal 3° verstanden. Dabei wird die parallele Stapelung zumindest durch einige Bestandteile des organischen Moleküls realisiert. Insbesondere wird die parallele Anordnung der organischen Moleküle und somit das Wachstum zu Einzel- oder Doppelschichten durch die Ausgestaltung des Donators und Akzeptors des organischen Moleküls ermöglicht. Dazu sind die zur Stapelung eingenommenen projizierten Flächen auf der jeweiligen Stapelungsebene von Donator und Akzeptor annähernd gleich dimensioniert. Im Sinne der Erfindung entspricht die Stapelungsebene einer Ebene in der jeweiligen Donator- oder Akzeptor-Phase, welche jeweils die Stapelrichtungen vorgeben (ähnlich zur Ebene, die durch Gittervektoren zwischen Donatoren oder Akzeptoren aufgespannt wird). Dabei ist die Stapelungsebene vorteilhaft parallel ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung sind Donator und Akzeptor des organischen Moleküls jeweils derart ausgebildet, dass sich ihre zur Stapelung eingenommenen projizierten Flächen auf den jeweiligen Stapelungsebenen bei der Selbstassemblierung um maximal 30% unterscheiden. Vorteilhaft erfolgt somit eine Stapelung von mindestens zwei organischen Molekülen in parallel ausgebildeten Einzel- und Doppelschichten.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die parallele Stapelung auch durch andere Bestandteile des organischen Moleküls, wie beispielsweise durch den Spacer. Dazu sind die zur Stapelung eingenommenen projizierten Flächen auf der jeweiligen Stapelungsebene von Donator, Akzeptor und Spacer annähernd gleich dimensioniert. In einer Ausführungsform ist der Spacer des organischen Moleküls derart ausgebildet, dass sich seine zur Stapelung eingenommene projizierte Fläche auf den jeweiligen Stapelungsebenen bei der Selbstassemblierung um maximal 30% von den eingenommenen projizierten Flächen von Donator und Akzeptor unterscheidet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen. Erfindungsgemäß stapeln die polar ausgebildeten Bereiche und die apolar ausgebildeten Bereiche der Bestandteile von mindestens zwei amphiphilen organischen Molekülen entlang einer Stapelungsebene jeweils aufeinander. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch die Stapelung der Donatoren und der Akzeptoren von mindestens zwei amphiphilen organischen Molekülen eine Phasenseparierung der Bestandteile der jeweiligen amphiphilen organischen Moleküle generiert. In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Stapelung von mindestens zwei amphiphilen organischen Molekülen jeweils eine Phasenseparierung der Donatoren und der Akzeptoren der amphiphilen organischen Moleküle generiert.
Erfindungsgemäß stapeln sich weiterhin mindestens zwei amphiphile organische Moleküle mittels TT-TT-Wechselwirkung zu einer dreidimensionalen Struktur, welche auch als selbstassemblierte Schicht bezeichnet wird und als geordnete Einzelschicht oder Doppelschicht ausgebildet ist Erfindungsgemäß dient das Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen zur Herstellung mindestens einer aktiven Schicht in einem elektronischen Bauteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße elektronische Bauteil durch mindestens eine selbstassemblierte aktive Schicht erhältlich, wobei die mindestens eine aktive Schicht aus mindestens einem erfindungsgemäßen amphiphilen organischen Molekül erhältlich ist. Dabei wird die Herstellung des elektronischen Bauteils durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße elektronische Bauteil mindestens eine aktive Schicht, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Unter amphiphilen organischen Molekülen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung organische Moleküle verstanden, welche polar und apolar ausgebildet sind. Dabei weisen die Moleküle Bestandteile auf, die dementsprechend polar oder apolar ausgebildet und räumlich voneinander getrennt sind. Dabei können die Bestandteile wiederum polar und apolar oder polar oder apolar ausgebildete Bereiche aufweisen. Im Folgenden wird der Begriff „amphiphiles organisches" Molekül zu „organisches" Molekül abgekürzt. Die Bestandteile des erfindungsgemäßen amphiphilen organischen Moleküls umfassen mindestens ein Donator- Akzeptor-System und chemischen Gruppen.
In einer Ausführungsform ist der Spacer des Donator-Akzeptor-Systems zwischen Donator und Akzeptor angeordnet, sodass Donator und Akzeptor nicht miteinander in Kontakt sind. Vorteilhaft erfolgt somit eine effiziente Trennung der Ladungsträger im organischen Molekül. In einer weiteren alternativen Ausführungsform muss der Spacer kein Teil des Donator-Akzeptor-Systems sein.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens ein Donator-Akzeptor- System. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das organische Molekül mehrere sich wiederholende Einheiten von Donator-Akzeptor-Systemen, im Folgenden auch Wiederholungseinheit genannt.
Erfindungsgemäß umfassen die chemischen Gruppen des organischen Moleküls mindestens eine Seitenkette, welche das Ende des Moleküls darstellt und polar oder apolar ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Seitenkette einen polar oder apolar ausgebildeten Bereich auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die chemischen Gruppen des organischen Moleküls zwei Seitenketten, welche jeweils polar oder apolar ausgebildet sind oder einen polar oder apolar ausgebildeten Bereich aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Seitenkette polar oder apolar und die zweite Seitenkette polar oder apolar ausgebildet, wobei die erste Seitenkette an den Donator oder Akzeptor und die zweite Seitenkette an den Donator oder an den Akzeptor angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfassen die chemischen Gruppen des organischen Moleküls mindestens einen Linker. In einer Ausführungsform ist zwischen dem Donator und/oder Akzeptor und/oder Spacer ein Linker angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform umfassen die chemischen Gruppen des organischen Moleküls keinen Linker.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens eine Seitenkette, mindestens ein Donator, mindestens ein Spacer und mindestens ein Akzeptor, wobei diese Bestandteile jeweils polar und/oder apolar ausgebildet sind oder polar und/oder apolar ausgebildete Bereiche umfassen.
Unter einer molekularen Triade, im Folgenden auch Triade genannt, wird im Sinne der Erfindung das Donator-Akzeptor-System mit jeweils mindestens einem Donator, einem Akzeptor und einem Spacer verstanden. In einer Ausführungsform formieren sich die Bestandteile des Donator- Akzeptor-Systems zu einer Triade, wobei der Spacer zwischen Donator und Akzeptor angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind der Donator, der Spacer und der Akzeptor des organischen Moleküls linear aufeinanderfolgend in einer Reihe angeordnet. Dabei wird durch diese stabförmige Ausrichtung der Abstand zwischen Donator und Akzeptor durch die Länge des Spacers bestimmt. Vorteilhaft wird durch die stabförmige Ausrichtung der Bestandteile des organischen Moleküls die Selbstassemblierung der organischen Moleküle erleichtert. Erfindungsgemäß ist die räumliche Positionierung und Ausrichtung von Donator, Spacer und Akzeptor zueinander durch die chemischen Gruppen kontrolliert.
Unter Selbstassemblierung wird im Sinne der Erfindung eine Anordnung und Ausrichtung von mindestens zwei organischen Molekülen, insbesondere die Stapelung von deren Donatoren und Akzeptoren, durch ττ-ττ-Wechselwirkung in eine Einzelschicht oder Doppelschicht verstanden. Die Stapelung erfolgt dabei in einer Stapelungsebene Bevorzugt stapeln bei mindestens zwei organischen Molekülen jeweils die Donatoren und die Akzeptoren durch Selbstassemblierung aufeinander. In einer bevorzugten Ausführungsform assembliert sich mindestens ein erstes organisches Molekül mit mindestens einem zweiten organischen Molekül zu einer Einzelschicht, indem jeweils gleiche Bestandteile der jeweils polar ausgebildeten Bereiche der organischen Moleküle aufeinander stapeln, bevorzugt jeweils die Donatoren und Akzeptoren aufeinander stapeln, und gleiche Bestandteile der jeweils apolar ausgebildeten Bereiche der organischen Moleküle aufeinander stapeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform assembliert sich mindestens eine erste Einzelschicht mit mindestens einer zweiten Einzelschicht zu einer Doppelschicht. Dabei wird durch die Selbstassemblierung mindestens einer ersten Einzelschicht mit mindestens einer zweiten Einzelschicht eine Doppelschicht generiert, wobei jeweils die polar oder apolar ausgebildeten Bereiche der ersten und zweiten Einzelschicht zueinander zeigen, ähnlich wie bei der Bildung einer Doppellipidschicht.
In einer Ausführungsform ist das organische Molekül asymmetrisch aufgebaut. Unter einem asymmetrischen Aufbau wird das Vorhandensein von zwei terminalen Bereichen des organischen Moleküls verstanden, welche unterschiedliche und somit entgegengesetzte Polarität aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen bei einem asymmetrischen Aufbau des organischen Moleküls die Enden des Moleküls Bereiche mit unterschiedlicher Polarität auf. Dabei sind diese Bereiche mit unterschiedlicher Polarität räumlich voneinander getrennt, da sie sich jeweils an den Enden und somit an den sich jeweils gegenüberliegenden Seiten des stabförmigen organischen Moleküls befinden. In einer Ausführungsform wird unter einem asymmetrischen Aufbau des organischen Moleküls das Vorhandensein von mindestens einer polar und mindestens einer apolar ausgebildeten Seitenkette verstanden. In einer Ausführungsform sind asymmetrisch ausgebildete organische Moleküle in der Lage, eine Einzelschicht oder Doppelschicht zu bilden. In einer Ausführungsform weist die Struktur des asymmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Apolare Seitenkette-Donator- Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Polare Seitenkette (vgl. Fig. 1 ). In einer weiteren Ausführungsform weist die Struktur des asymmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Polare Seitenkette-Donator-Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Apolare Seitenkette. In einer Ausführungsform ist mindestens ein Linker in der Struktur des asymmetrisch aufgebauten organischen Moleküls enthalten. In einer alternativen Ausführingsform ist kein Linker in der Struktur des asymmetrisch aufgebauten organischen Moleküls enthalten.
In einer Ausführungsform wiederholen sich die Bestandteile des Donator-Akzeptor-Systems in einem asymmetrisch ausgebildeten organischen Molekül mindestens einmal. Dabei umfasst das asymmetrisch ausgebildete organische Molekül mehrere Wiederholungseinheiten, wobei die Abfolge der Wiederholungseinheiten des asymmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls unterschiedliche Spiegelorientierungen aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die mindestens eine Wiederholungseinheit im asymmetrisch ausgebildeten organischen Molekül gespiegelt oder ungespiegelt vor. In einer Ausführungsform werden die Wiederholungseinheiten des asymmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls direkt miteinander und/oder über mindestens eine Seitenkette miteinander verbunden. In einer Ausführungsform werden die Wiederholungseinheiten des asymmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls überlappend miteinander verbunden, wobei im Überlappungsbereich jeweils zwei Donatoren und/oder zwei Akzeptoren ineinander übergehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das organische Molekül symmetrisch aufgebaut. Vorteilhaft kann dadurch der Synthese-Aufwand des organischen Moleküls reduziert werden. Unter einem symmetrischen Aufbau wird das Vorhandensein von zwei terminalen Bereichen des organischen Moleküls verstanden, welche gleiche Polarität aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen bei einem symmetrischen Aufbau des organischen Moleküls die Enden des Moleküls Bereiche mit gleicher Polarität auf. Dabei sind diese Bereiche mit gleicher Polarität räumlich voneinander getrennt, da sie sich jeweils an den Enden und somit an den sich jeweils gegenüberliegenden Seiten des stabförmigen organischen Moleküls befinden. In einer Ausführungsform wird unter einem symmetrischen Aufbau des organischen Moleküls das Vorhandensein von mindestens zwei polar oder mindestens zwei apolar ausgebildeten Seitenketten verstanden. In einer Ausführungsform bilden symmetrisch ausgebildete organische Moleküle eine Einzelschicht. In einer Ausführungsform weist die Struktur des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Polare Seiten kette-Akzeptor- Linker-Spacer-Linker-Donator-Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Polare Seitenkette (vgl. Fig. 4). In einer weiteren Ausführungsform weist die Struktur des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Apolare Seitenkette-Akzeptor-Linker-Spacer-Linker- Donator-Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Apolare Seitenkette. In einer weiteren Ausführungsform weist die Struktur des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Apolare Seitenkette-Donator-Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Linker-Spacer-Linker-Donator- Apolare Seitenkette. In einer weiteren Ausführungsform weist die Struktur des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls folgende Ausgestaltung auf: Polare Seitenkette-Donator- Linker-Spacer-Linker-Akzeptor-Linker-Spacer-Linker-Donator-Polare Seitenkette. In einer Ausführungsform ist mindestens ein Linker in der Struktur des symmetrisch aufgebauten organischen Moleküls enthalten. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Linker oder sind zwei Linker oder drei Linker in der Struktur des symmetrisch aufgebauten organischen Moleküls enthalten. In einer alternativen Ausführungsform ist kein Linker in der Struktur des symmetrisch aufgebauten organischen Moleküls enthalten.
In einer Ausführungsform wiederholen sich die Bestandteile des Donator-Akzeptor-Systems in einem symmetrisch ausgebildeten organischen Molekül mindestens einmal. In einer Ausführungsform werden die Wiederholungseinheiten des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls direkt miteinander und/oder über mindestens eine Seitenkette miteinander verbunden. In einer Ausführungsform werden die Wiederholungseinheiten des symmetrisch ausgebildeten organischen Moleküls überlappend miteinander verbunden, wobei im Überlappungsbereich jeweils zwei Donatoren und/oder zwei Akzeptoren ineinanderübergehen.
Durch die lineare Anordnung des Donator-Akzeptor-Systems des erfindungsgemäßen organischen Moleküls sowie der Selbstassemblierung von organischen Molekülen in eine phasenseparierte flächig ausgebildete Einzelschicht oder Doppelschicht durch die Stapelung von Donatoren und/oder Akzeptoren untereinander mittels ττ-ττ-Wechselwirkung ist eine vorteilhafte dreidimensionale Struktur für organische photovoltaische Anwendungen gegeben. Vorteilhaft erfolgt aufgrund des Aufbaus eine effizientere Trennung der photogenerierten Ladungsträger. Durch die Anordnung des Spacers zwischen dem Donator und Akzeptor wird eine Rekombination der photogenerierten Ladungsträger erfolgreich unterdrückt und damit einhergehend eine verbesserte Ladungsträgerdissoziation erzielt. Durch die Selbstassemblierung durch Stapelung von Donatoren und/oder Akzeptoren mit Hilfe der π-ττ-Wechselwirkung werden die Transporteigenschaften für photogenerierte Ladungsträger weiterhin vorteilhaft optimiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bestandteile des organischen Moleküls kovalent miteinander verbunden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bestandteile des organischen Moleküls über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens ein Donator-Akzeptor- System, wobei die Bestandteile des Donator-Akzeptor-Systems jeweils mindestens einen Donator, einen Akzeptor und einen Spacer umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens ein Donator-Molekül. Das Donator-Molekül wird auch als Donator bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Donator Verbindungen mit der allgemeinen Grundformel I auf:
I
In einer Ausführungsform weist der Donator eine Verbindung aus der Klasse der Acene mit der allgemeinen Grundformel I auf. In einer Ausführungsform sind X1, X2, X3 und/oder X4 unabhängig voneinander ausgewählt aus O, N, C-H, C-F, C-Cl oder C-Br.
In einer Ausführungsform ist der erste Linker (L1) eine Verbindung, welche den Donator mit dem Spacer verbindet.
In einer Ausführungsform ist S1 eine erste Seitenkette.
In einer Ausführungsform bilden R1 und R2 und/oder R3 und R4 jeweils zusammen einen homocyclischen Sechsring oder einen heterocyclischen Fünfring oder einen heterocyclischen Sechsring. In einer Ausführungsform umfasst der heterocyclische Fünfring oder der heterocyclische Sechsring mindestens ein Heteroatom, wobei das Heteroatom ausgewählt ist aus S, O, N und P. In einer alternativen Ausführungsform, wenn R1 und R2 und/oder R3 und R4 keinen cyclischen Rest bilden, ist das Heteroatom ausgewählt aus einem -H, -F, -Cl, -Br, -CH3, -OH oder -NH2 Rest.
In einer Ausführungsform umfasst der aus R1 und R2 und/oder R3 und R4 gebildete Sechsring jeweils eine der folgenden Formeln (a bis f):
a b c d e f
Dabei stellen die mit * gekennzeichneten Teile in den Formeln a bis f jeweils die Verbindungsstelle zu R1 und R2 und/oder R3 und R4 aus Grundformel I dar. In einer Ausführungsform sind die an R1 und R2 und/oder R3 und R4 gebildeten Ringe gleich oder verschieden.
In einer Ausführungsform sind R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander ausgewählt aus H, F, Cl, Br, einer Alkylgruppe, einer Alkinylgruppe, einer Alkenylgruppe oder einer Arylgruppe.
In einer Ausführungsform sind X5 und/oder X6 unabhängig voneinander ausgewählt aus N, C-F, C-Cl oder C-Br.
In einer Ausführungsform umfasst der aus R1 und R2 und/oder R3 und R4 gebildete Fünfring jeweils eine der folgenden Formeln (g bis I):
9 h i j k
Dabei stellen die mit * gekennzeichneten Teile in den Formeln g bis I jeweils die Verbindungsstelle zu R1 und R2 und/oder R3 und R4 aus Grundformel I dar. In einer Ausführungsform sind die an R1 und R2 und/oder R3 und R4 gebildeten Ringe gleich oder verschieden.
In einer Ausführungsform sind R9 und R10 unabhängig voneinander ausgewählt aus H, F, Cl, Br, einer Alkylgruppe, einer Alkinylgruppe, einer Alkenylgruppe oder einer Arylgruppe.
In einer Ausführungsform ist X7 ausgewählt aus O, S, Se oder N-R11, wobei R11 ein H, F, Cl, Br oder eine Alkylgruppe ist. In einer Ausführungsform liegen die Donatoren in der Einzelschicht oder Doppelschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor. In einer Ausführungsform assemblieren die Donatoren zumindest teilweise in einer geordneten Struktur, welche jeweils vorteilhaft einen effizienten Ladungsträgertransport unterstützt [6,7]. In einer Ausführungsform umfasst die durch die Donatoren gebildete geordnete Struktur eine Herringbone-Struktur, eine Brick-Wall-Struktur oder eine lamellare Struktur [6,7].
In einer Ausführungsform wird Pentacen als Donator verwendet.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens ein Akzeptor-Molekül. Das Akzeptor-Molekül wird auch als Akzeptor bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Akzeptor Verbindungen mit der allgemeinen Grundformel II auf:
II
In einer Ausführungsform weist der Akzeptor eine Verbindung aus der Klasse der Acene mit der allgemeinen Grundformel II auf. In einer Ausführungsform sind X8, X9, X10 und/oder X11 unabhängig voneinander ausgewählt aus O, N, C-H, C-F, C-Cl oder C-Br.
In einer Ausführungsform ist der zweite Linker (L2) eine Verbindung, welche den Akzeptor mit dem Spacer verbindet.
In einer Ausführungsform ist S2 eine zweite Seitenkette.
In einer Ausführungsform bilden R12 und R13 und/oder R14 und R15 jeweils zusammen einen homocyclischen Sechsring oder einen heterocyclischen Fünfring oder einen heterocyclschen Sechsring. In einer Ausführungsform umfasst der heterocyclische Fünfring oder der heterocyclische Sechsring mindestens ein Heteroatom, wobei das Heteroatom ausgewählt ist aus S, O, N und P. In einer alternativen Ausführungsform, wenn R12 und R13 und/oder R14 und R15 keinen cyclischen Rest bilden, ist das Heteroatom ausgewählt aus einem -H, -F, -Cl, -Br, -CH3, - OH oder -NH2 Rest.
In einer Ausführungsform umfasst der aus R12 und R13 und/oder R14 und R15 gebildete Sechsring jeweils eine der folgenden Formeln (m bis r):
m
Dabei stellen die mit * gekennzeichneten Teile in den Formeln m bis r jeweils die Verbindungsstelle zu R12 und R13 und/oder R14 und R15 aus Grundformel II dar. In einer Ausführungsform sind die an R12 und R13 und/oder R14 und R15 gebildeten Ringe gleich oder verschieden.
In einer Ausführungsform sind R16, R17, R18 und R19 unabhängig voneinander ausgewählt aus H, F, Cl, Br, einer Alkylgruppe, einer Alkinylgruppe, einer Alkenylgruppe oder einer Arylgruppe. In einer Ausführungsform ist X12 ausgewählt aus N, C-F, C-Cl oder C-Br.
In einer Ausführungsform umfasst der aus R12 und R13 und/oder R14 und R15 gebildete Fünfring jeweils eine der folgenden Formeln (s bis x):
w
Dabei stellen die mit * gekennzeichneten Teile in den Formeln s bis x jeweils die Verbindungsstelle zu R12 und R13 und/oder R14 und R15 aus Grundformel II dar. In einer Ausführungsform sind die gebildeten Ringe an R12 und R13 und/oder R14 und R15 gleich oder verschieden.
In einer Ausführungsform sind R20 und R21 unabhängig voneinander ausgewählt aus H, F, Cl, Br, einer Alkylgruppe, einer Alkinylgruppe, einer Alkenylgruppe oder einer Arylgruppe. In einer Ausführungsform ist X13 ausgewählt aus O, S, Se oder N- 22, wobei R22 ein H, F, Cl, Br oder eine Alkylgruppe ist.
In einer Ausführungsform liegen die Akzeptoren in der Einzelschicht oder Doppelschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor. In einer Ausführungsform assemblieren die Akzeptoren zumindest teilweise in einer geordneten Struktur, welche jeweils vortelhaft einen effizienten Ladungsträgertransport unterstützt [6,7]. In einer Ausführungsform umfasst die durch die Akzeptoren gebildete geordnete Struktur eine Herringbone-Struktur, eine Brick-Wall-Struktur oder eine lamellare Struktur [6,7].
In einer Ausführungsform wird der Akzeptor aus Tetra-Azapentacenen (TAP) ausgewählt und verwendet.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens einen Spacer. In einer Ausführungsform besitzt der Spacer eine Länge zwischen 1 nm und 40 nm, bevorzugt zwischen 1 nm und 20 nm, ganz bevorzugt zwischen 1 nm und 5 nm.
In einer Ausführungsform ist der Spacer als konjugiertes Molekül ausgebildet.
In einer Ausführungsform liegt das lonisationspotential des isolierten Spacersvorteilhaft zwischen den jeweiligen lonisationspotentialen des isolierten Donators und Akzeptors, um vorteilhaft eine effiziente Exzitonen-Dissoziation in der Triade zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform liegt die Elektronenaffinität des isolierten Spacers zwischen den jeweiligen Elektronenaffinitäten des isolierten Donators und des Akzeptors, um vorteilhaft eine effiziente Exzitonen-Dissoziation in der Triade zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform sorgt der Spacer für eine definierte Distanzhaltung und somit eine räumliche Trennung des Donator- und Akzeptor-Moleküls in der Triade und bildet vorteilhaft eine geometrische Grenzfläche. Der durch den Spacer hervorgerufene geometrische Abstand zwischen Donator und Akzeptor bestimmt die Exzitonen-Bindungsenergie. Je größer der Abstand zwischen Donator und Akzeptor ist, desto kleiner ist die Exzitonen-Bindungsenergie. Vorteilhaft erfolgt eine effiziente Dissoziation des Exzitons durch eine niedrige Exzitonen-Bindungsenergie und durch eine möglichst große Überlappung der Wellenfunktionen zwischen Donator und Spacer sowie zwischen Akzeptor und Spacer.
Für die Ausbildung zumindest teilweiser kristalliner Phasen der Donatoren und/oder der Akzeptoren sollte der eingenommene Raum vom Spacer die Anordnung der Donatoren und/oder Akzeptoren in eine geordnete Struktur, umfassend Herringbone-Struktur, Brick-Wall-Struktur oder lamellare Struktur, nicht behindern.
In einer Ausführungsform umfasst der Spacer mindestens eine zyklische Alkyh Aryl-, Cyanin- und/oder Heteroarylgruppe, bevorzugt Thiophene, Acene, Rylene, Diketopyrrolopyrrole (DPP), Dithienopyrrole (DTP), Para-phenylen-vinylene (PPV), Acetylene, Fluorene, Squaraine, Porphyrine, Benzothiadiazole (BTD), Carbazole, Cyanine, oder Bodipys. In einer Ausführungsform weist der Spacer mehrere gleiche oder unterschiedliche Gruppen auf.
In einer Ausführungsform ist der Spacer eine Oligothiophene Einheit, wie etwa 5T, welche mit TT DA zentrisch modifiziert ist (kurz: TTDA-5T).
In einer Ausführungsform weist der Spacer für eine bessere Löslichkeit mindestens eine Seitengruppe auf.
In einer Ausführungsform weist der Spacer für eine erhöhte Polarisierbarkeit mindestens eine polare Seitengruppe auf. Dabei führt eine höhere Polarisierbarkeit des Spacers zu einer erhöhten Abschirmung von vorhandenen Ladungen auf dem Akzeptor und Donator. Diese erhöhte Abschirmung ist vorteilhaft für den Dissoziationsprozess des Exzitons in einer Solarzelle. Weiterhin ist die erhöhte Abschirmung vorteilhaft für eine höhere Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums eines Kondensators, um die Kapazität zu erhöhen.
In einer Ausführungsform liegt das lonisationspotential des isolierten Spacers über den jeweiligen lonisationspotentialen des isolierten Donators und Akzeptors, um vorteilhaft eine effiziente Rekombination in der Triade zu ermöglichen. Dies ist vorteilhaft für eine effiziente Elektrolumineszenz in organischen Leuchtdioden (OLED).
In einer Ausführungsform liegt die Elektronenaffinität des isolierten Spacers unter den jeweiligen Elektronenaffinitäten des isolierten Donators und Akzeptors, um vorteilhaft eine effiziente Rekombination in der Triade zu ermöglichen. Dies ist vorteilhaft für eine effiziente Elektrolumineszenz in organischen Leuchtdioden.
In einer Ausführungsform liegt das lonisationspotential des isolierten Spacers unter den jeweiligen lonisationspotentialen des isolierten Donators und Akzeptors, um vorteilhaft einen Ladungstransfer zwischen Donator und Akzeptor zu unterbinden. Dies ist vorteilhaft für die Anwendung in einem Kondensator oder in elektroaktiven Materialien.
In einer Ausführungsform liegt die Elektronenaffinität des isolierten Spacers über den jeweiligen Elektronenaffinitäten des isolierten Donators und Akzeptors, um vorteilhaft einen Ladungstransfer zwischen Donator und Akzeptor zu unterbinden. Dies ist vorteilhaft für die Anwendung in einem Kondensator oder in elektroaktiven Materialien.
In einer Ausführungsform umfasst das organische Molekül mindestens einen Linker. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die chemischen Gruppen mindestens einen Linker. Der Linker ist dabei ausgewählt aus einem ersten Linker L1 und/oder einem zweiten Linker L2. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Linker zwischen Spacer und Donator und zwischen Spacer und Akzeptor angeordnet oder der Linker ist zwischen Spacer und Donator oder zwischen Spacer und Akzeptor angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Molekül zwei Linker. Dabei sind die zwei Linker als erster Linker L1 und/oder als zweiter Linker L2 ausgebildet, wobei der erste Linker L1 zwischen dem Donator und dem Spacer angeordnet ist und der zweite Linker L2 zwischen dem Akzeptor und Spacer angeordnet ist.
In einer Ausführungsform wird der Linker auch als Schnittstelle bezeichnet, welcher den Spacer und den Donator und/oder den Spacer und den Akzeptor miteinander verbindet, wobei der Linker die Aufgabe besitzt, die Wellenfunktionen oder Ladungen vom Spacer und dem Donator und/oder dem Spacer und dem Akzeptor räumlich zu trennen. Dies geschieht in der Regel durch eine Unterbrechung des ττ-Systems. Eine weitere Aufgabe des Linkers ist es, durch eine vorteilhafte Anordnung der Verbindung eine optimierte Anordnung der Donatoren und/oder Akzeptoren in eine geordnete Struktur, umfassend Herringbone-Struktur, Brick-Wall-Struktur oder lamellare Struktur, zu induzieren. Bevorzugt ist der Linker als nicht-konjugiertes oder konjugiertes Molekül ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist der Linker zumindest teilweise als nicht-konjugiertes oder konjugiertes Molekül ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform weist der Linker einen nicht-konjugierten oder konjugierten Bereich auf. Weiterhin weist der Linker einen zumindest teilweise nicht-konjugierten oder konjugierten Bereich auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Linker als zumindest teilweise konjugiertes Molekül ausgebildet. Dabei findet die Trennung vom ττ-System durch eine Drehung des ττ-Systems zwischen Spacer und Akzeptor oder Spacer und Donator, weg von dem planaren ττ-System des Donators oder Akzeptors, statt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Linker als zumindest teilweise nicht- konjugiertes Molekül ausgebildet. Vorteilhaft kann dadurch eine Ladungstrennung durch separate Wellenfunktionen erfolgen. Die Länge des nicht-konjugierten Linkers ist flexibel, wobei der Ladungsträgerübergang zwischen Donator und Spacer und/oder Akzeptor und Spacer effizienter ist, wenn der nicht-konjugierte Linker kürzer ist, weil bei längerem Linker die Überlappung der Wellenfunktionen von Donator und Spacer und/oder Akzeptor und Spacer abnimmt und die Wahrscheinlichkeit für einen Elektronentransfer damit auch abnimmt (Marcus Theorie). Demnach erweist sich der Einsatz eines kurzen Linkers insbesondere für photovoltaische Anwendungen als vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Seitenkette polar oder apolar ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform weist eine Seitenkette einen polaren und/oder apolaren Bereich auf. In einer Ausführungsform ist ein Bereich mindestens einer Seitenkette polar oder apolar ausgebildet. In einer Ausführungsform weist eine Seitenkette einen konjugierten und/oder nicht- konjugierten Bereich auf.
In einer Ausführungsform wird durch die mindestens eine Seitenkette eine vortelhafte Anordnung des Donators oder/und des Akzeptors in eine Einzelschicht oder Doppelschicht induziert. Dafür nimmt die mindestens eine Seitenkette im organischen Molekül vorteilhaft einen Raum in Anspruch, welcher nicht größer ist, als der benötigte Raum des zumindest teilweise kristallin angeordneten Donators und/oder Akzeptors in der Einzelschicht oder in der Doppelschicht.
In einer Ausführungsform bindet die polare Seitenkette an den Akzeptor und die apolare Seitenkette an den Donator des organischen Moleküls. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Seitenkette an den Donator oder Akzeptor und die zweite Seitenkette an den Donator oder Akzeptor angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform bindet die apolare Seitenkette an den Akzeptor und die polare Seitenkette an den Donator des organischen Moleküls. Vorteilhaft wird durch die Polarität der Seitenketten eine Kontrolle der Morphologie des organischen Moleküls gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Molekül zwei Seitenketten, nämlich eine erste Seitenkette S1 und eine zweite Seitenkette S2, wobei jeweils eine Seitenkette das jeweilige Ende des organischen Moleküls markiert. Dabei sind die jeweiligen Enden und somit auch die erste und zweite Seitenkette des organischen Moleküls räumlich voneinander getrennt, da sie sich an jeweils gegenüberliegenden Seiten des stabförmigen organischen Moleküls befinden.
In einer Ausführungsform, wenn das organische Molekül zwei Seitenketten S1 und S2 umfasst, sind S1 und S2 polar oder S1 und S2 apolar oder S1 polar und S2 apolar oder S2 polar und S1 apolar ausgebildet. Zur Ausbildung eines asymmetrischen oder symmetrischen Aufbaus des organischen Moleküls ist der Bereich am jeweiligen Ende des organischen Moleküls relevant, wobei das jeweilige Ende des organischen Moleküls durch mindestens eine erste Seitenkette S1 und eine zweite Seitenkette S2 gebildet wird.
In einer Ausführungsform liegt ein asymmetrischer Aufbau des organischen Moleküls vor, wenn die erste Seitenkette S1 oder die zweite Seitenkette S2 einen apolar ausgebildeten Bereich an einem Ende des organischen Moleküls und die zweite Seitenkette S2 oder die erste Seitenkette S1 einen polar ausgebildeten Bereich am anderen Ende des organischen Moleküls aufweist. In einer Ausführungsform liegt ein symmetrischer Aufbau des organischen Moleküls vor, wenn die erste Seitenkette S1 und die zweite Seitenkette S2 einen apolar ausgebildeten Bereich an den Enden des organischen Moleküls und die zweite Seitenkette S2 und die erste Seitenkette S1 einen polar ausgebildeten Bereich an den Enden des organischen Moleküls aufweisen. Im Falle eines symmetrischen Aufbaus des organischen Moleküls ist eine Faltung des organischen Moleküls in Lösung möglich, was eine optimierte Selbstassemblierung erschwert.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Seitenkette des organischen Moleküls eine Länge von mindestens 1 nm und maximal 40 nm, bevorzugt von 2 nm bis 5 nm. In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Seitenkette des organischen Moleküls eine Länge von mindestens 1 nm und maximal 40 nm, bevorzugt von 2 nm bis 5 nm
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Seitenkette des organischen Moleküls eine Ethylen-Kette mit einer Länge von mindestens 4 bis maximal 160 Ethylen Wiederholungseinheiten, bevorzugt eine Länge von 8 bis 20 Ethylen Wiederholungseinheiten.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Seitenkette des organischen Moleküls eine Ethylenglykol-Kette mit einer Länge von mindestens 3 bis maximal 120 Ethylenglykol Wiederholungseinheiten, bevorzugt eine Länge von 5 bis 14 Ethylenglykol Wiederholungseinheiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste und/oder zweite Seitenkette mindestens eine Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl-, Acyl-, Amid-, Alkohol-, Carboxyl-, Imid-, Ester-, Ether-, Hydrazid-, Sulfon- und/oder zwitterionische Gruppe. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Seitenkette mindestens eine Ethylen-, Ethylenglykol-, Peptid-, Acrylat, Propyleneglykol-, Phenylen-, P-phenylen-vinylen- und/oder P-phenylen-vinylengruppe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste und zweite Seitenkette oder die erste Seitenkette oder die zweite Seitenkette mehrere gleiche oder unterschiedliche Gruppen in linearer oder verzweigter Form auf.
In einer Ausführungsform ist die polare Seitenkette als OEG (Oligo Ethylenglykol) in linearer oder verzweigter Form ausgebildet. In einer Ausführungsform ist die apolare Seitenkette als Polyethylene in linearer oder verzweigter Form ausgebildet.
In einer Ausführungsform erfolgt durch das amphiphile organische Molekül in Lösung die Phasenseparation der Donatoren und/oder Akzeptoren der organischen Moleküle in Lösung.
Vorteilhaft wird durch die Wahl der Abfolge von polar und apolar ausgebildeten Bereichen im organischen Molekül weiterhin die räumliche Orientierung des Donator-Akzeptor-Systems im organischen Molekül eingestellt. In einer Ausführungsform kommt es durch die Selbstassemblierung mindestens eines ersten organischen Moleküls mit mindestens einem zweiten organischen Molekül und dem damit einhergehenden Zusammenfinden von polar ausgebildeten Bereichen der organischen Moleküle und dem Zusammenfinden von apolar ausgebildeten Bereichen der organischen Moleküle zur Ausbildung von Einzelschichten oder Doppelschichten.
In einer Ausführungsform erfolgt die Stapelung der Donatoren und/oder Akzeptoren untereinander sowie die Selbstassemblierung mindestens zweier organischer Moleküle, eines ersten und eines zweiten organischen Moleküls, in zumindest teilweiser kristalliner Form. Vorteilhaft werden dadurch die Transporteigenschaften von Ladungsträgern in den Phasen signifikant verbessert, wobei die Phasen mittelsn-TT-Wechselwirkung zwischen Donator und/oder Akzeptor vorteilhaft eine geordnete Struktur, umfassend Herringbone-Struktur, Brick-Wall- Struktur oder lamellare Struktur, aufweisen. In einer Ausführungsform stapeln mindestens zwei Einzelschichten oder mindestens zwei Doppelschichten parallel aufeinander und vergrößern so das Volumen des organischen Materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die organischen Moleküle in einem Lösungsmittel gelöst. In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittel ausgewählt aus Hydrofuran, Tetra hydrofu ran (THF), Dichlormethan (DCM), Hexan, Chloroform, Chlorbenzol, Methanol, Aceton, Toluol, p-Xylen, einem wässrigen Lösungsmittel oder einer Mischung aus mindestens zwei der vorgenannten Lösungsmittel (Lösungsmittek/Fällungsmittelgemisch) wie beispielsweise einer Mischung aus Dichlormethan und Aceton.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die im Lösungsmittel gelösten organischen Moleküle in einem nachfolgenden Schritt mittels eines Beschichtungsverfahrens lösungsprozessiert auf Substrate abgeschieden. Das Abscheiden der organischen Moleküle auf Substrate umfasst Beschichtungsverfahren ausgewählt aus Rotationsbeschichtung, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung, Schlitzdüsenbeschichtung, Rakelbeschichtung und/oder Tropfenbeschichtung (drop casting). In einer Ausführungsform sind die Substrate, auf welche die im Lösungsmittel gelösten organischen Moleküle abgeschieden werden, ausgewählt aus Glassubstraten, Keramiksubstraten oder Kunststoffsubstraten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Morphologie der in einem Lösungsmittel gelösten organischen Moleküle nachfolgend durch Temperierung und/oder Anlegen eines elektrischen Feldes optimiert.
Dabei wird das mit organischen Molekülen beschichtete Substrat in einem nachfolgenden Schritt erwärmt. In einer Ausführungsform wird das mit organischen Molekülen beschichtete Substrat nachfolgend mit einem thermischen Annealing-Prozess behandelt. Beim thermischen Annealing- Prozess wird das mit organischen Molekülen beschichtete Substrat für eine gewisse Zeitdauer erwärmt. In einer Ausführungsform wird das mit organischen Molekülen beschichtete Substrat in einer Zeitdauer von 1 sec bis 1 h, bevorzugt in einer Zeitdauer von 1 min bis 10 min, erwärmt. In einer Ausführungsform liegt der Temperaturbereich für den thermischen Annealing-Prozess im Bereich von 70°C bis 130°C. Vorteilhaft wird dadurch eine verbesserte Morphologie bzw. eine verbesserte Kristallinität des organischen Materials erreicht, indem Lösungsmittelreste wie auch andere Verunreinigungen im auf dem Substrat abgeschiedenen organischen Film entfernt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird das mit organischen Molekülen beschichtete Substrat nachfolgend mit einem Solvent-Annealing-Prozess behandelt. Beim Solvent-Annealing-Prozess wird das Substrat für eine gewünschte Zeit von einem Gas oder Dampf umgeben. Vorteilhaft wird dadurch eine verbesserte Morphologie bzw. eine verbesserte Kristallinität des organischen Materials erreicht. In einer Ausführungsform ist das gas- oder dampfförmige Lösungsmittel für den Solvent-Annealing-Prozess ausgewählt aus Hydrofuran, Tetrahydrofuran (THF), Dichlormethan (DCM), Hexan, Chloroform, Chlorbenzol, Methanol, Aceton, Toluol, p-Xylen oder einem wässrigen Lösungsmittel.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Solvent-Annealing-Prozess mit dem thermischen Annealing-Prozess kombiniert werden.
In einer Ausführungsform wird während des Beschichtungsprozesses, des Solvent-Annealing- Prozesses und/oder des thermischen Annealing-Prozesses ein elektrisches Feld an die organischen Moleküle angelegt. Die Richtung des angelegten elektrischen Feldes kann vorteilhaft eine Vorzugsrichtung der Orientierung der organischen Moleküle im abgeschiedenen Film bewirken. Damit kann die Ausrichtung der Transportwege in der durch amphiphile organischen Moleküle gebildeten Einzelschicht oder Doppelschicht kontrolliert und optimiert werden.
In einer Ausführungsform organisieren sich während des Beschichtungsprozesses die auf das Substrat aufgebrachten ersten und zweiten amphiphilen organischen Moleküle in eine Einzelschicht oder in eine Doppelschicht. Dabei werden die von den ersten und zweiten amphiphilen organischen Molekülen umfassten Donatoren und Akzeptoren phasensepariert. Da der Donator durch den Spacer vom Akzeptor räumlich getrennt ist, gibt es nach dieser Selbstassemblierung zwischen Donatoren und Akzeptoren keinen direkten Kontakt mehr, was vorteilhaft die Rekombination erzeugter Ladungsträger unterdrückt.
In einer Ausführungsform stapeln während des Beschichtungsprozesses jeweils die Donatoren und Akzeptoren mit Hilfe der ττ-ττ-Wechselwirkung dreidimensional zu Einzelschichten oder Doppelschichten aufeinander, wodurch vorteilhaft sehr effiziente Transportwege für freie Ladungsträger erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die amphiphilen organischen Moleküle für elektronische Bauteile oder einem Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen für ein elektronisches Bauteil verwendet.
Durch die Ausrichtung der organischen Moleküle und der damit verbundenen Selbstassemblierung der organischen Moleküle zu flächig ausgebildeten Einzelschichten oder Doppelschichten sowie der Selbstassemblierung durch Stapelung mit ττ-ττ-Wechselwirkung wird eine verbesserte Ladungsträgertrennung, eine reduzierte Rekombination sowie effizientere Transporteigenschaften aufgrund verbesserter Ladungsträgermobilitäten erreicht. Durch den Aufbau und die Anordnung der Bestandteile der erfindungsgemäßen organischen Moleküle können somit effiziente elektronische Bauteile realisiert werden.
In einer Ausführungsform werden die organischen Moleküle für die Herstellung elektronischer Bauteile wie Sensoren, OFETs (organische Feldeffekttransistoren), Kondensatoren, Superkondensatoren, elektro-optischer Materialien, oder elektroaktive Materialien eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die organischen Moleküle für die Herstellung optoelektronischer Bauteile eingesetzt. Dabei umfassen die optoelektronischen Bauteile organische Solarzellen für OPV-basierte Anwendungen, aber auch OLEDs (organische Leuchtdioden) oder andere organisch basierte photoaktive Sensoren.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in jeder Anordnung miteinander zu kombinieren. Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Solarzelle und soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine molekulare Struktur eines asymmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls,
Fig. 2 simulierte (a) und gemessene (b) Energieniveau-Schemata von isoliertem Donator, Spacer und Akzeptor sowie eine schematische Struktur der Stapelung dreier erfindungsgemäßer amphiphiler organischer Moleküle (c),
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Struktur der erfindungsgemäßen Selbstassemblierung von erfindungsgemäßen ersten und zweiten amphiphilen organischen Molekülen zu dreidimensionalen phasenseparierten Doppelschichten, welche mit ττ-ττ-Wechselwirkung gestapelt sind,
Fig. 4 eine molekulare Struktur eines symmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls.
Figur 1 zeigt eine molekulare Struktur eines asymmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls 13. Das asymmetrisch aufgebaute, amphiphile organische Molekül 13 umfasst dabei ein Donator-Akzeptor-System mit einem zentral angeordneten Spacer 3 sowie einem Donator 1 und einem Akzeptor 2. Diese Bestandteile bilden eine Triade 8. Weiterhin umfasst das amphiphile organische Molekül 13 einen ersten Linker 4 und einen zweiten Linker 5, wobei der erste Linker 4 zwischen dem Donator 1 und dem Spacer 3 und der zweite Linker 5 zwischen dem Akzeptor 2 und dem Spacer 3 angeordnet ist. Als Spacer 3 wird TTDA-5T, als Donator 1 und als erster Linker 4 wird 6,13-bis((triisopropylsilyl)ethynyl-)-Pentacen (TIPS- Pentacen) und als Akzeptor 2 und zweiter Linker 5 wird TIPS-Tetra-Azapentacene (TIPS-TAP) verwendet. Eine polare Seitenkette 7 aus OEG ist an den Akzeptor 2 und eine apolare Seitenkette 6 aus Polyethylene ist an den Donator 1 gebunden. Die polare Seitenkette 7 und die apolare Seitenkette 6 sind ebenfalls Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls 13 und markieren jeweils das Ende des amphiphilen organischen Moleküls 13. Alle Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls 13 sind kovalent miteinander verbunden. Die Struktur des asymmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls 13 weist folgende Ausgestaltung auf: Polare Seitenkette 7 - Akzeptor 2 - Zweiter Linker 5 - Spacer 3 - Erster Linker 4 - Donator 1 - Apolare Seitenkette 6. Ausgehend von dem zentral angeordneten Spacer 3 sind alle weiteren Bestandteile spiegelsymmetrisch zueinander und aufeinanderfolgend angeordnet, sodass das amphiphile, asymmetrisch aufgebaute amphiphile organische Molekül 13 stabförmig ausgerichtet ist.
Figur 2 zeigt Energieniveau-Schemata einzelner isolierter Bestandteile eines amphiphilen organischen Moleküls, nämlich Donator 1 , Spacer 3 und Akzeptor 2. Im Energieniveau-Schema ist das höchste besetzt Molekül-Orbital (HOMO) 1 1 und das niedrigste unbesetzte Molekül-Orbital (LUMO) 12 gezeigt.
Dabei handelt es sich bei Fig. 2 (a) um ein Energieniveau-Schema, welches mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) für TIPS-Pentacen als Donator 1 , TTDA-5T als Spacer 3 und TIPS- TAP als Akzeptor 2 im Vakuum simuliert wurde [8,9].
In Fig. 2 (b) wird ein Energieniveau-Schema gezeigt, welches mittels Cyclovoltammetrie (CV) für TIPS-Pentacen als Donator 1 , TTDA-5T als Spacer 3 und TIPS-TAP als Akzeptor 2 in Lösung gemessen wurde [8,9].
In Fig. 2 (c) ist eine schematische Struktur der Stapelung dreier erfindungsgemäßer jeweils amphiphiler organischer Moleküle gezeigt. Dabei umfasst jeweils ein amphiphiles organisches Molekül ein Donator-Akzeptor-System mit einem Akzeptor 2, einem Spacer 3 und einem Donator 1 . Diese Bestandteile bilden jeweils eine Triade. Als Spacer 3 wird TTDA-5T, als Donator 1 und als erster Linker 4 wird TIPS-Pentacen, und als Akzeptor 2 und zweiter Linker 5 wird TIPS-TAP verwendet, wobei der erste Linker 4 zwischen dem Donator 1 und dem Spacer 3 und derzweite Linker 5 zwischen dem Akzeptor 2 und dem Spacer 3 angeordnet ist. Weiterhin umfasst jeweils ein amphiphiles organisches Molekül eine polare Seitenkette 7 aus OEG und eine apolare Seitenkette 6 aus Polyethylene. Die polare Seitenkette 7 und die apolare Seitenkette 6 markieren jeweils die Enden der amphiphilen organischen Moleküle. Die Struktur eines in Fig. 2 (c) gezeigten jeweils asymmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls weist folgende Ausgestaltung auf: Polare Seitenkette 7 - Akzeptor 2 - zweiter Linker - Spacer 3 - erster Linker - Donator 1 - Apolare Seitenkette 6. Dabei sind alle Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls kovalent miteinander verbunden. In der schematischen Struktur ist weiterhin die Exzitonen-Dissoziation A sowie der sich anschließende effiziente Ladungsträgertransport B dargestellt.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur der Selbstassemblierung von erfindungsgemäßen amphiphilen organischen Molekülen. Dabei umfasst jedes amphiphile Molekül einen Donator 1 , einen Akzeptor 2 und einen Spacer 3, wobei TIPS-Pentacen als Donator 1 und erster Linker 4, TIPS-TAP als Akzeptor 2 und zweiter Linker 5 und TTDA-5T als Spacer 3 verwendet werden. Diese Bestandteile bilden jeweils eine Triade 8, wobei der erste Linker 4 jeweils zwischen dem Donator 1 und dem Spacer 3 und der zweite Linker 5 jeweils zwischen dem Akzeptor 2 und dem Spacer 3 angeordnet ist. Weiterhin umfassen die amphiphilen organischen Moleküle jeweils polare Seitenketten 7 und apolare Seitenketten 6. Als Bestandteil der polaren Seitenketten 7 wird jeweils OEG verwendet, als Bestandteil der apolaren Seitenketten 6 wird jeweils Polyethylene verwendet. Alle Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls sind kovalent miteinander verbunden.
Die polaren Seitenketten 7 der amphiphilen organischen Moleküle werden durch die Selbstassemblierung zusammengeführt, wobei sich die Seitenketten 7 über intermolekulare Bindungen stapeln und damit eine Einzelschicht 9 erzeugen, in der die Donatoren 1 und Akzeptoren 2 mittels ττ-ττ-Wechselwirkung in einer kristallinen Anordnung stapeln. Bei den in Figur 3 gezeigten asymmetrischen amphiphilen organischen Molekülen, welche jeweils eine polar und eine apolar ausgebildete Seitenkette umfassen, bildet sich durchdie intermolekulare Bindung zwischen den polaren Seitenketten 7 von mindestens zwei Einzelschichten 9 eine Doppelschicht 10. Dies wird ermöglicht, indem sich die jeweils von Donator 1 und Akzeptor 2 zur Stapelung eingenommenen projizierten Flächen auf den jeweiligen Stapelungsebenen um maximal 30% unterscheiden.
Figur 4 zeigt eine molekulare Struktur eines symmetrisch aufgebauten, amphiphilen organischen Moleküls 13. Das symmetrisch aufgebaute amphiphile organische Molekül 13 umfasst dabei ein Donator-Akzeptor-System mit einen zentral angeordneten Donator 1 , zwei Akzeptoren 2 sowie zwei Spacern 3.
Weiterhin umfasst das symmetrisch aufgebaute amphiphile organische Molekül 13 jeweils zwei erste Linker 4 und zwei zweite Linker 5, wobei die ersten Linker 4 jeweils zwischen einem Spacer 3 und dem Donator 1 und die zweiten Linker 5 jeweils zwischen einem Spacer 3 und einem Akzeptor 2 angeordnet sind. Als Spacer 3 wird jeweils TTDA-5T, als Donator 1 und erster Linker 4 wird TIPS-Pentacen und als Akzeptor 2 und zweiter Linker 5 wird jeweils TIPS-TAP verwendet. Das symmetrisch aufgebaute amphiphile organische Molekül umfasst weiterhin zwei polare Seitenketten 7 aus OEG, welche räumlich voneinander getrennt sind und jeweils über TIPS an den jeweiligen Akzeptor 2 gebunden sind. Die polaren Seitenketten 7 markieren jeweils das Ende des amphiphilen organischen Moleküls 13.
Die Struktur des symmetrisch aufgebauten amphiphilen organischen Moleküls 12 weist folgende Ausgestaltung auf: Polare Seitenkette 7 - Akzeptor 2 - Zweiter Linker 5 - Spacer 3 - Erster Linker 4 - Donator 1 - Erster Linker 4 - Spacer 3 - Zweiter Linker 5 - Akzeptor 2 -Polare Seitenkette 7. Ausgehend von dem zentral angeordneten Donator 1 sind alle weiteren Bestandteile spiegelsymmetrisch und aufeinanderfolgend angeordnet, sodass das amphiphile, symmetrisch aufgebaute amphiphile organische Molekül 13 stabförmig ausgerichtet ist. Dabei sind alle Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls 13 kovalent miteinander verbunden.
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Bezugszeichen
1 Donator
2 Akzeptor
3 Spacer
4 erster Linker
5 zweiter Linker
6 apolare Seitenkette
7 polare Seitenkette
8 Triade
9 Einzelschicht
10 Doppelschicht
1 1 HOMO (Höchstes besetztes Molekül-Orbital)
12 LUMO (Niedrigstes unbesetztes Molekül-Orbital)
13 organisches Molekül
A Exzitonen-Dissoziation
B effizienter Ladungsträgertransport

Claims

Patentansprüche
1 . Amphiphiles organisches Molekül für die Selbstassemblierung aktiver Schichten inelektronischen Bauteilen, umfassend mindestens ein Donator-Akzeptor-System und chemische Gruppen, wobei das Donator-Akzeptor-System als Bestandteile mindestens einen Donator, mindestens einen Akzeptor und mindestens einen Spacer aufweist, wobei der Spacer zwischen Donator und Akzeptor angeordnet ist und den Donator und den Akzeptor räumlich voneinander beabstandet, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Positionierung und Ausrichtung von Donator, Spacer und Akzeptor zueinander durch die chemischen Gruppen kontrolliert ist, wobei die chemischen Gruppen als Bestandteil mindestens eine Seitenkette umfassen, wobei die mindestens eine Seitenkette das Ende des Moleküls darstellt, polar oder apolar ausgebildet ist und mit dem Donator oder mit dem Akzeptor verbunden ist, wobei Donator und Akzeptor jeweils derart ausgebildet sind, dass sich ihre zur Stapelung eingenommenen projizierten Flächen auf den jeweiligen Stapelungsebenen bei der Selbstassemblierung um maximal 30% unterscheiden.
2. Amphiphiles organisches Molekül nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das amphiphile organische Molekül zwei Seitenketten umfasst, wobei die erste Seitenkette polar oder apolar und die zweite Seitenkette polar oder apolar ausgebildet ist, wobei die erste Seitenkette an den Donator oder Akzeptor und die zweite Seitenkette an den Donator oder Akzeptor angeordnet ist.
3. Amphiphiles organisches Molekül nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen symmetrischen Aufbau aufweist, wobei die Enden des Moleküls Bereiche mit gleicher Polarität aufweisen, oder dass dieses einen asymmetrischen Aufbau aufweist, wobei die Enden des Moleküls Bereiche mit unterschiedlicher Polarität aufweisen.
4. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Donator Verbindungen mit der Grundformel I aufweist.
I
5. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Akzeptor Verbindungen mit der Grundformel II aufweist.
II
6. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Gruppen weiterhin mindestens einen Linker umfassen, welcher als nicht- konjugiertes und/oder konjugiertes Molekül ausgebildet ist, wobei der Linker zwischen Spacer und Donator und zwischen Spacer und Akzeptor oder zwischen Spacer und Donator oder zwischen Spacer oder Akzeptor angeordnet ist
7. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Seitenkette oder die erste Seitenkette oder die zweite Seitenkette mindestens eine Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl-, Acyl-, Amid-, Alkohol-, Carboxyl-, Imid-, Ester-, Ether-, Hydrazid-, Sulfon- und/oder zwitterionische Gruppe umfasst, wobei die erste oder zweite Seitenkette mehrere gleiche oder unterschiedliche Gruppen in linearer und/oder verzweigter Form aufweist.
8. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrisch ausgebildete amphiphile organische Molekül mehrere Wiederholungseinheiten umfasst, welche gespiegelt oder ungespiegelt vorliegen.
9. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des amphiphilen organischen Moleküls kovalent oder über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind.
10. Amphiphiles organisches Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das amphiphile organische Molekül als photoaktives Molekül für photoaktive Schichten in optoelektronischen Bauteilen ausgebildet ist, wobei es mindestens ein photoaktives Donator- Akzeptor-System umfasst.
1 1 . Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von mindestens zwei organischen Molekülen eine Phasenseparierung der Bestandteile der jeweiligen organischen Moleküle generiert wird, wobei jeweils die polar ausgebildeten Bereiche und/oder die apolar ausgebildeten Bereiche der Bestandteile von mindestens zwei organischen Molekülen aufeinander stapeln.
12. Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelung von mindestens zwei organischen Molekülen zu einer geordneten Einzelschicht oder Doppelschicht mittels ττ-ττ-Wechselwirkung erfolgt, wobei sich mindestens ein erstes organisches Molekül mit mindestens einem zweiten organischen Molekül zu einer Einzelschicht assembliert, indem jeweils gleiche Bestandteile der jeweils polar ausgebildeten Bereiche und/oder gleiche Bestandteile der jeweils apolar ausgebildeten Bereiche der organischen Moleküle aufeinander stapeln und wobei sich mindestens ehe erste Einzelschicht mit mindestens einer zweiten Einzelschicht zu einer Doppelschicht assembliert.
13. Verfahren zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen nach Anspruch 1 1 oder 12 zur Herstellung mindestens einer aktiven Schicht in einem elektronischen Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Lösungsmittel gelösten amphiphilen organischen Moleküle für die Selbstassemblierung lösungsprozessiert mittels eines Beschichtungsverfahrens auf Substrate abgeschieden und deren Morphologie nachfolgend durch Temperierung und/oder Anlegen eines elektrischen Feldes optimiert wird.
14. Elektronisches Bauteil, erhältlich durch mindestens eine aktive Schicht, wobei die mindestens eine aktive Schicht aus mindestens einem amphiphilen organischen Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erhältlich ist.
15. Verwendung von amphiphilen organischen Molekülen für elektronische Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Verfahrens zur Selbstassemblierung von amphiphilen organischen Molekülen für ein elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13 oder eines elektronischen Bauteils nach Anspruch 14.
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