JP2020529134A - 有機太陽光発電用の高性能ワイドバンドギャップポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「有機太陽光発電用の高性能ワイドバンドギャップポリマー」という表題の2017年7月28日に出願された米国特許仮出願第65/538,362号明細書、および米国特許出願第16/038,364号明細書の利益および優先権を主張するPCT国際出願であり、双方とも引用により全部、本明細書に編入する。
なし
反復単位B、ただし反復単位Bは
少なくとも1つの任意の反復単位D、ここで反復単位Dはアリール基を含んでなる、
を含んでなるコポリマー。このコポリマーにおいて、X1,X2,X3,およびX4は:H,Cl,F,CN、アルキル、アルコキシ、エステル、ケトン、アミドおよびアリール基からなる群から独立して選択され、そしてR1,R2,R3,R4,R5およびR6は:H,Cl,F,CN,アルキル、アルコキシ、アルキルチオ、エステル、ケトンおよびアリール基からなる群から独立して選択される。
反復単位H、ただし反復単位Hは
任意の反復単位J、ただし反復単位Jは
反復単位K、ただし反復単位Kは
を含んでなるコポリマー。このコポリマーにおいて、X1、X2、X3およびX4は:H,Cl,F,CN、アルキル、アルコキシ、エステル、ケトン、アミドおよびアリール基から独立して選択され;R1、R2,R3およびR4は:H,Cl,F,CN、アルキル、アルコキシ、アルキルチオ、エステル、ケトンおよびアリール基からなる群から独立して選択され;そしてDはアリール基を含んでなる。
ここで今、本発明の好適な構成(1もしくは複数)の詳細な説明に移り、本発明の特徴および概念は他の構成でも実現できること、ならびに本発明の範囲は記載または具体的に説明する態様に限定されないと理解すべきである。本発明の範囲は、続く請求の範囲により限定されるのみであると意図している。
太陽光発電装置として使用する場合、構造は従来の構造の装置でよいが、他の点は逆構造の装置であることができる。従来構造の装置は一般に、正電荷(正孔)を集めるための基材として透明なアノード、および負電荷(電子)を集めるためのカソードを含む多層構造で構成され、そして光活性層が2つの電極間に挟まれている。追加の電荷移動中間層が、正孔および電子移動を容易にするために活性層と電極との間に挿入される。各電荷移動層は、1もしくは複数の層からなることができる。逆装置は従来構造の装置と同じ多層構造を有するが、電子を集めるための基材として透明なカソード、および正孔を集めるためにカソードを使用する。また逆装置は2つの電極間に挟まれた光活性層および追加の電荷移動層も有する。図1は従来装置の構造および逆装置の構造を表す。
1つの態様では、反復単位Aはキノキサリンジチオフェン(QDT)モノマー
1つの態様では、反復単位Bは非対称ビチオフェンモノマー
的方法に限定されない。図13では、(i)塩化オキサリル;(ii)ジエチルアミン;(iii)n−ブチルリチウム、次いで水;(iv)アルキンリチウム;(v)SnCl2,HCl;(vi)Pd/C,H2;(vii)Zn,NaOH,H2O;(viii)ブロモアルカン,TBAB;(ix)芳香族リチウム;(x)n−ブチルリチウム,クロロトリメチルスタンナンまたは2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボラン;および(xi)Pd触媒。
1つの態様では、少なくとも1つの任意の反復単位Dは、約5から約50個の炭素原子(およびその中の炭素原子数の範囲および具体的数の全ての組み合わせおよび部分的組み合わせ)を有する、場合により置換されたモノ−、ジ−、トリ−、または他の多環式芳香族環系を指し、約6から約20個の炭素原子が好適である。非限定的例には例えば、フェニル、ナフチル、アントラセニル、およびフェナントレニルを含む。アリール基は場合により1もしくは1以上のRxで置換され得る。本出願では、アリール基は置換アリール基、架橋アリール基および縮合アリール基の可能性を含むことができる。唯一の反復単位Dがコポリマー中に存在することが可能であるが、多数の反復単位Dがコポリマー中に存在できることも構想される。
反復単位A、反復単位Bおよび任意の反復単位Dは、合わせるとコポリマーを生じる。コポリマーはレジオ―ランダム(regio−random)またはレジオ―レギュラー(regio−regular)であることができる。コポリマーは太陽光発電材料として使用できると構想される。またコポリマーは電子装置の活性層として使用できると構想される。1つの態様では、反復単位A、BおよびBの数は、コポリマー中、約3から約10,000の範囲であることができる。別の態様では、コポリマーは1.8eVより大きいポリマーバンドギャップを形成することができる。
有機太陽光発電装置で使用する場合、コポリマーはアノードと併せて使用することができる。有機太陽光発電装置用のアノードは、有機太陽光発電装置として作動することができる任意の従来から知られているアノードであることができる。使用できるアノードの例には:酸化インジウムスズ、アルミニウム、炭素、グラファイト、グラフェン、PEDOT:PSS、銅、金属ナノワイヤー、Zn99InOx、Zn98In2Ox、Zn97In3Ox、Zn95Mg5Ox、Zn90Mg10Ox、およびZn85Mg15Oxを含む。
有機太陽光発電装置で使用する場合、コポリマーはカソードと併せて使用することができる。有機太陽光発電装置用のカソードは、有機太陽光発電装置として作動することができる任意の従来から知られているカソードであることができる。使用できるカソードの例には:酸化インジウムスズ、炭素、グラファイト、グラフェン、PEDOT:PSS、銅、銀、金、金属ナノワイヤーを含む。
有機太陽光発電装置で使用する場合、コポリマーは電子移動層に付着させることができる。有機太陽光発電装置用に最適化された市販されている電子移動層を使用することができる。1つの態様では、電子移動層は(AOx)yBO(1-y)を含んでなることができる。この態様では、(AOx)yおよびBO(1-y)が金属酸化物である。AおよびBは、理想的な電子移動層を達成するために選択される異なる金属であることができる。1つの態様では、Aはアルミニウム、インジウム、亜鉛、スズ、銅、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、タングステン、マグネシウム、インジウム、バナジウム、チタンおよびモリブデンであることができる。
サンプルA:
シュレンクフラスコ内で、QDT−Br(53.53mg、0.086ミリモル)、(3−(2−ヘキシルデシル)−[2,2’−ビチオフェン]−5,5’−ジイル)ビス(トリメチルスタンナン)(61.40mg、0.086ミリモル)、P(o−tol)3(4.17mg、0.014ミリモル)、およびPd2dba3(3.14mg、0.003ミリモル)を合わせ、次いで2時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥クロロベンゼン(1.7mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気(freeze−pump−thaw)サイクルを介して脱気した。次いで溶液を125℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で21時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトンそしてヘキサンで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルAをヘキサン画分から回収した(62mg、収率82%)。
シュレンクフラスコ内で、QDT−Br(55.42mg、0.089ミリモル)、スタンナン、1,1’−[3,3’’’−ビス(2−オクチルドデシル)[2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’−クアテルチオフェン]−5,5’’’−ジイル]ビス[1,1,1−トリメチル(108.00mg、0.089ミリモル)、P(o−tol)3(4.32mg,0.014ミリモル)およびPd2dba3(3.25mg、0.003ミリモル)を合わせ、次いで2時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥ジクロロベンゼン(1.8mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を125℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で21時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトンそしてヘキサンで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルBをヘキサン画分から回収した(89mg、収率72%)。
シュレンクフラスコ内で、QDT−Br(50.00mg、0.080ミリモル)、スタンナン、1,1’−ナフト[1,2−b:5,6−b’]ジチオフェン−2,7−
ジイルビス[1,1,1−トリメチル(45.31mg、0.080ミリモル)、P(o−tol)3(3.90mg、0.013ミリモル)およびPd2dba3(2.93mg、0.003ミリモル)を合わせ、次いで2時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥ジクロロベンゼン(1.6mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を125℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で23時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、そしてクロロホルムで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルCをクロロホルム画分から回収した(22mg、収率37%)。
シュレンクフラスコ内で、QDT−SnMe3(40.00mg、0.050ミリモル)、2,1,3−ベンゾチアジアゾール、4,7−ビス[5−ブロモ−4−(2−オクチルドデシル)−2−チエニル]−5,6−ジフルオロ(45.31mg、0.080ミリモル)、P(o−tol)3(2.46mg、0.008ミリモル)およびPd2dba3(1.85mg、0.002ミリモル)を合わせ、次いで2時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥クロロベンゼン(1.0mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を125℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で23時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、そしてヘキサンで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルDをヘキサン画分から回収した(55mg、収率78%)。
シュレンクフラスコ内で、QDT−Br(100.3mg、0.161ミリモル)、(3−(2−ヘキシルデシル)−[2,2’−ビチオフェン]−5,5’−ジイル)ビス(トリメチルスタンナン)(57.5mg、0.08ミリモル)、スタンナン、1,1’−[4,8−ビス[5−(2−エチルへキシル)−2−チエニル]ベンゾ[1,2−b:4,5−b’]ジチオフェン−2,6−ジイル]ビス[1,1,1−トリメチル(72.6mg、0.08ミリモル)、P(o−tol)3(7.8mg、0.026ミリモル)、およびPd2dba3(5.9m、0.006ミリモル)を合わせ、次いで1時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥クロロベンゼン(3.2mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を130℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で24時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、そしてクロロホルムで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルEをクロロホル画分から回収した(130mg、収率85%)。
シュレンクフラスコ内で、QDT−Br(100.1mg、0.160ミリモル)、(3−(2−ヘキシルデシル)−[2,2’−ビチオフェン]−5,5’−ジイル)ビス(トリメチルスタンナン)(80.4mg、0.11ミリモル)、スタンナン、1,1’−(3,3’−ジフルオロ[2,2’−ビチオフェン]−5,5’−ジイル)ビス[1,1,1−トリメチル(25.4mg、0.05ミリモル)、P(o−tol)3(7.8mg、0.026ミリモル)およびPd2dba3(5.9mg、0.006ミリモル)を合わせ、次いで1時間脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥クロロベンゼン(3.2mL)を加え、そして反応混合物は、溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を130℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で24時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、そしてクロロホルムで順次洗浄した。このコポリマー、サンプルFをクロロホル画分から回収した(100mg、収率99%)。
亜鉛/スズ酸化物(ZTO):フェニル−C60−ブチリック−N−(2−ヒドロキシエチル)アセトアミド(PCBNOH)のゾル−ゲル溶液は、酢酸亜鉛二水和物または酢酸スズ(II)を2−メトキシエタノールおよびエタノールアミンに溶解することにより調製した。具体的には、ZTO:PCBNOHゾル−ゲル電子移動層溶液は、3.98gのZn(OAc)2、398mgのSn(OAc)2 および20.0mgのPCBNOHを、54mLの2−メトキシエタノール中で996μLのエタノールアミンを加えながら混合することにより調製した。次いで溶液は、2−メトキシエタノールを加えて65%にさらに希釈し、そして少なくとも1時間撹拌した後、インジウムスズ酸化物基材上にスピンキャスティング(spin casting)して電子移動層を形成した。
吸収分光法は、300から1000nmの波長範囲で行いそして測定した。ブランクとなるガラススライドのバックグラウンドをすべてのスペクトルから差し引いた。ポリマーの薄いフィルムサンプルは、10mg/mL溶液のポリマー(50:50のクロロベンゼン:ジクロロベンゼン中の)を、1200rpmでガラススライドにスピンキャスティングすることにより調製した。図14はポリマーのUV可視吸収スペクトルを表す。
Claims (19)
- コポリマーがレジオ―ランダムである請求項1に記載のコポリマー。
- コポリマーがレジオ―レギュラーである請求項1に記載のコポリマー。
- アリール基が3,3’ジフルオロ−2,2’−ビチオフェンである請求項1に記載のコポリマー。
- コポリマーが太陽光発電材料として使用される請求項1に記載のコポリマー。
- コポリマーが電子装置の活性層として使用される請求項1に記載のコポリマー。
- 反復単位A、BおよびCの数が約3から約10,000の範囲である請求項1に記載のコポリマー。
- コポリマーが1.8eVより大きいポリマーバンドギャップを形成する請求項1に記載のコポリマー。
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