TW201609737A - 雜環化合物以及含彼之有機太陽能電池 - Google Patents

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Abstract

本發明有關一種雜環化合物及一種包括該雜環化合物的有機太陽能電池。

Description

雜環化合物以及含彼之有機太陽能電池
本案主張在2014年4月21日於韓國智慧財產局申請的韓國申請案編號10-2014-0047209之優先權之權益，該案之內容以引用方式併入本文。
本發明有關一種雜環化合物及一種包括該雜環化合物的有機太陽能電池。
有機太陽能電池為可藉由應用光電伏打效應直接將太陽能轉化率電能的裝置。太陽能電池可分成無機太陽能電池及有機太陽能電池兩類，視構成薄膜之材料而定。典型的太陽能電池是藉由使無機半導體之結晶矽(Si)進行摻雜而使用p-n接面製得。藉吸光所生成之電子及電洞擴散至p-n接點，且在藉電場下向著電極移動且加速。此過程的能量轉換效率定義為供給外部電路的電量與進入太陽能電池內的太陽能量的比率，當在目前標準化理論太陽照射條件下測量時，該比率最高達24%。然而，因為相關業界中無機太陽能電池的經濟可行性及可取得材料已有所限制， 故可輕易加工且低價且具有各種功能的有機半導體太陽能電池就位在作為長期替代能源的聚光燈下。
就太陽能電池而言，重要的是增加效率，使得太陽能電池輸出儘可能多的電能。為了增高此太陽能電池的效率，自半導體內部生成儘可能多的激子也很重要，而在不產生損失的情況下將所生成的電荷取出送到外界同樣重要。電荷損失的因素中之一是所生成之電子及電洞因為重組而耗損。已有人提出各種方法，以在無損失的情況下，將所生成之電子及電洞輸送到電極，但大部分情況下皆需要額外製程，因此，製造成本可能增高。
[引用表列] [專利文件]
US 5331183
US 5454880
本發明之目的是提供一種雜環化合物及一種含有該雜環化合物的有機太陽能電池。
本說明書提供下式1所示之雜環化合物。
在式1中，n1至n4各為1至3之整數，當n1至n4各為2或更大時，括弧中之二或更多個結構是彼此相同或彼此相異，X1至X4彼此相同或相異，且各自獨立的為CRR’、NR、O、SiRR’、PR、S、GeRR’、Se或Te，Y1至Y4彼此相同或相異，且各自獨立的為CR”、N、SiR”、P或GeR”，R、R'、R"、R1至R8及R10至R13係彼此相同或相異，且各自獨立的為氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；及經取代或未經取代雜環基團， [Push]具有作為電子供體的結構，且該結構為以下結構中之一者，
c及c'各為1至3之整數，當c為2或更大時，二或更多個R100是彼此相同或彼此相異，當c'為2或更大時，二或更多個R101是彼此相同或彼此相異，且X10至X13是彼此相同或相異，且各自獨立的為CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te，Ra、Rb及R100至R103係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜 環基團，Ar1及Ar2是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為以下結構，
在該等結構中，a為1至7之整數，b及c各為1至4之整數，當a為2或更大時，二或更多個R15是彼此相同或彼此相異，當b為2或更大時，二或更多個R16是彼此相同或彼此相異，且當c為2或更大時，二或更多個R17是彼此相同或彼此相異，且R14至R20係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取 代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜環基團。
此外，本發明說明書提供一種有機太陽能電池，其包括第一電極；配置成與第一電極面對面之第二電極；及一或多層配置於該第一電極與第二電極之間的有機材料層，其中該一或多層有機材料層包括前文所述之雜環化合物。
本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物包括具有供電子性之[Push]及相對的具有拉電子性之Ar1及Ar2。此外，雜環化合物可包括具有優異之平面性且鏈接[Push]及Ar1或A2的鏈接基，因此，可容許所形成之激子在分子中迅速移動，而使得激子之偏極化達到最大，並具有低能帶隙特徵。
此外，因為本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物具有優異之結晶性，故可預期增加填充率(FF)。
是故，雜環化合物可用為有機太陽能電池之有機材料層的材料，而包括彼化合物的有機太陽能電池可展現擅於增加開路電壓及短路電流及/或增加效率等特徵。
本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物可單獨或與 其他材料混合使用於有機太陽能電池，預期其可改善效率，且可藉由諸如化合物熱安定性的特徵來改善裝置之使用壽命。
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一電極
103‧‧‧電洞傳輸層
104‧‧‧光活性層
105‧‧‧第二電極
圖1為說明本發明之例示具體實施態樣的有機太陽能電池之視圖。
圖2為說明式1-A-1之NMR數據的視圖。
圖3為說明式1-1-1之MS光譜的視圖。
圖4為說明式1-1-2之MS光譜的視圖。
圖5為說明式1-1-2之差示掃描熱量法(DSC)的視圖。
圖6為說明式1-1-2之NMR圖的視圖。
圖7為說明對照例1於溶液狀態時及式1-1-2的吸收光譜之視圖。
圖8為說明對照例1於固體狀態時及式1-1-2的吸收光譜之視圖。
圖9為說明使用式1-1-2之有機太陽能電池的入射光子變成電流的效率(IPCE)之視圖。
圖10為說明式1-2-1之MS光譜的視圖。
圖11為說明式1-2-1之差示掃描熱量法(DSC)的視圖。
圖12為說明根據使用式1-1-2的有機太陽能電池的電壓之電流密度的視圖。
圖13為說明根據使用式1-2-1的有機太陽能電池的電壓之電流密度的視圖。
[最佳模式]
下文中，詳細描述本發明。
本說明書提供以式1表示的雜環化合物。
在本說明書中，意指鏈接至另一取代基的部分。
在本說明書之例示具體實施態樣中，[Push]在雜環化合物中作為電子供體。
在一例示具體實施態樣中，[Push]具有5.0eV至6.0eV之最高佔用分子軌道(HOMO)能階。
在一例示具體實施態樣中，該[Push]具有2eV至3.5eV的能帶隙。
在本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物中，[Push]相對地作為電子供體，且Ar1及Ar2作為電子受體。此情況下，最低未佔用分子軌道(LUMO)狀態中的電子相對定域於Ar1及Ar2中。此狀況容許[Push]及Ar1與Ar2之間存有偏極化。
本說明書藉由在[Push]與Ar1或Ar2之間導入具有相對優異之平面性且具有共軛結構(共軛化)的鏈接基而將電子定域化最大化，使電子在化合物中於Ar1或Ar2之方向上迅速移動。此情況下，所形成之激子可於分子中迅速移 動，可使激子之偏極化達到最大，因而具有低能帶隙特徵。
在本說明書中，能階意指能量大小。是故，即使當能階以始自真空能階的負(-)向表示時，該能階解釋為意指對應之能量值的絕對值。例如，HOMO能階意指自真空能階到最高佔用分子軌道的距離。此外，LUMO能階意指自真空能階到最低未佔用分子軌道的距離。
此情況下，預期包括本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物之裝置可有高電流及高效率。
在本說明書之例示具體實施態樣中，R10至R13是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為經取代或未經取代而具有4至30個碳原子的直鏈或支鏈烷基。
此情況下，可藉由使雜環化合物之主鏈與受體的接觸減至最少而於Ar1及Ar2中引發與受體之接觸。經由其中電子相對定域化的Ar1及Ar2與受體之接觸，裝置中之電子可輕易地自電子供體材料(供體)移動至電子受體材料(受體)，因而預期該裝置有高效率。
本發明例示具體實施態樣中，[Push」為
另一例示具體實施態樣中，[Push]為
在本說明書之例示具體實施態樣中，該以式1表示的 雜環化合物係表示成下式1-1或1-2。
在式1-1及1-2中，n1至n4、X1至X4、Y1至Y4、R1至R8、R10至R13、Ar1及Ar2是如同式1所定義，c及c'各為1至3之整數，當c為2或更大時，二或更多個R100是彼此相同或彼此相異，當c'為2或更大時，二或更多個R101是彼此相同或彼此相異，且X10至X13是彼此相同或相異，且各自獨立的為CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te，且Ra、Rb及R100至R103係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝 基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基(alkylthioxy group)；經取代或未經取代芳硫基(arylthioxy group)；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜環基團，下文將描述取代基之實例，但不限於此。
語詞“取代”意指鍵結於化合物之碳原子上的氫原子被換成另一取代基，即將被取代的位置不受限制，只要該位置是氫原子被取代的位置，也就是說取代基可取而代之的位置，當有兩個或更多個被取代時，該兩個或更多個取代基可彼此相同或相異。
語詞“經取代或未經取代”在本文中，意指經一或多個選自由以下基團組成之群組的取代基所取代：氘；鹵基；烷基；烯基；烷氧基；酯基；羰基；羧基；羥基；環烷基；矽烷基；芳基烯基；芳基氧基；烷硫基(alkylthioxy)；烷基磺氧基；芳基磺氧基；硼基；烷基胺基；芳烷基胺基；芳基胺基；雜環基；芳基胺基；芳基；腈基；硝基；羥基；及雜環基或不具取代基。
該等取代基可未經取代或經額外的取代基所取代。
本發明說明書中，鹵基可包括氟、氯、溴或碘。
本發明中，醯亞胺基之碳原子數未特別限制，但較佳是1至25。詳言之，醯亞胺基可為具有以下結構的化合物，但非受限於此。
本發明中，就醯胺基而言，醯胺基之一個或兩個氮原子可經氫、具有1至25個碳原子的直鏈、支鏈或環狀烷基或具有6至25個碳原子的芳基所取代。詳言之，醯胺基可為具有以下結構式的化合物，但非受限於此。
在本發明說明書中，烷基可為直鏈或支鏈，且其碳原子數不特別限制，但較佳為1至50。其特定實例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、異丙基、丁基、正丁基、異丁基、第三丁基、第二丁基、1-甲基丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、異戊基、新戊基、第三戊基、己基、正己 基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、4-甲基-2-戊基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、庚基、正庚基、1-甲基己基、環戊基甲基、環己基甲基、辛基、正辛基、第三辛基、1-甲基庚基、2-乙基己基、2-丙基戊基、正壬基、2,2-二甲基庚基、1-乙基-丙基、1,1-二甲基-丙基、異己基、2-甲基戊基、4-甲基己基、5-甲基己基及其類似物，但不限於此。
在本發明中，環烷基不特別限制，但較佳為具有3至60個碳原子的環烷基，而其特定實例包含環丙基、環丁基、環戊基、3-甲基環戊基、2,3-二甲基環戊基、環己基、3-甲基環己基、4-甲基環己基、2,3-二甲基環己基、3,4,5-三甲基環己基、4-第三丁基環己基、環庚基、環辛基及其類似物，但不限於此。
在本發明中，該烷氧基可為直鏈、支鏈或環狀。烷氧基之碳原子數不特別限制，但較佳為1至20個。其特定實例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、異丙氧基、異丙基氧基正丁氧基、異丁氧基、第三丁氧基、第二丁氧基、正戊基氧基、新戊基氧基、異戊基氧基、正己基氧基、3,3-二甲基丁基氧基、2-乙基丁基氧基、正辛基氧基、正壬基氧基、正癸氧基、苯甲氧基、對-甲基苯甲氧基及其類似物，但不限於此。
本發明中，該烯基可為直鏈或支鏈，其碳數不特別限制，但以2至40較佳。其特定實例包括乙烯基、1-丙烯基、異丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、1,3-丁二烯 基、丙烯基、1-苯基乙烯基-1-基、2-苯基乙烯基-1-基、2,2-二苯基乙烯基-1-基、2-苯基-2-(萘基-1基)乙烯基-1-基、2,2-雙(二苯基-1基)乙烯基-1-基、茋基及苯乙烯基，但不限於此。
在本發明中，矽基之特定實例包括三甲基矽基、三乙基矽基、第三丁基二甲基矽基、乙烯基二甲基矽基、丙基二甲基矽基、三苯基矽基、二苯基矽基、苯基矽基及其類似物，但不限於此。
在本發明說明書中，該芳基可為單環芳基或多環芳基，包括其中具有1至25個碳原子之烷基或具有1至25個碳原子之烷氧基係經取代的情況。此外，本說明書之芳基可意指芳族環。
當芳基為單環芳基時，碳數不特別限制，但較佳為6至25。單環芳基之特定實例包括苯基、聯苯基、聯三苯基及其類似物，但不限於此。
當芳基為多環芳基時，其碳原子數不特別限制，但較佳為10至24。多環芳基之特定實例包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、基、茀基及其類似物，但不限於此。
在本發明說明書中，茀基係具有其中兩環狀有機化合物經由一原子彼此鏈接的結構。
在本發明說明書中，茀基可經取代，相鄰取代基可彼此結合以形成環。
當茀基經取代時，該茀基可為，， ，，及其類似物。然而，茀基不受限於此。
在本說明書中，雜環基為包括O、N及S中之一或多個作為雜元素的雜環基，其碳原子數不特別限制，但較佳為2至60個。雜環基團之實例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、噁唑基、噁二唑基、三唑基、吡啶基、聯吡啶基、嘧啶基、三基、三唑基、吖啶基、噠基、吡基、喹啉基、喹唑啉基、喹噁啉基、酞基、吡啶並-嘧啶基、吡啶並-吡基、吡並-吡基、異喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯並噁唑基、苯並咪唑基、苯並噻唑基、苯並咔唑基、苯並噻吩基、二苯並噻吩基、苯並呋喃基、菲繞啉基、噻唑基、異噁唑基、噁二唑基、噻二唑基、苯並噻唑基、吩噻基、二苯並呋喃基及其類似物，但不限於此。
雜環基可為單環或多環，且可為芳族環、脂族環或芳族環與脂族環之稠合環。
在本發明中，芳基胺基之實例包括經取代或未經取代單芳基胺基、經取代或未經取代二芳基胺基或經取代或未經取代三芳基胺基。該芳基胺基中的芳基可為單環芳基或多環芳基。包括兩個或更多個芳基的芳基胺基可包括單環性芳基、多環芳基或單環芳基及多環芳基兩者。
該芳基胺基的特定實例包括苯基胺基、萘基胺基、聯苯基胺基、蒽基胺基、3-甲基苯基胺基、4-甲基萘基胺 基、2-甲基-聯苯基胺基、9-甲基蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、咔唑、三苯基胺基、及其類似物，但不受限於此。
在本發明說明書中，雜芳基胺基中之雜芳基可選自前述雜環基團之實例。
在本發明說明書中，芳氧基、芳硫基、芳氧磺醯氧基及芳烷基胺基中之芳基係與前述芳基之實例相同。詳言之，芳氧基之實例包含對-甲苯氧基、間-甲苯氧3,5-二甲基-苯氧基、2,4,6-三甲基苯氧基、對-第三丁基苯氧基、3-聯苯氧基、4-聯苯氧基、1-萘氧基、2-萘氧基、4-甲基-1-萘氧基、5-甲基-2-萘氧基、1-蒽氧基、2-蒽氧基、9-蒽氧基、1-菲基、3-菲基、9-菲基及其類似物，芳硫基之實例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-第三丁基苯基硫基及其類似物，而芳氧磺醯氧基之實例包括苯磺氧基、對-甲苯磺氧基及其類似物，但不限於此。
在本發明說明書中，烷基硫基及烷基磺氧基中之烷基是如同前述烷基之實例。詳言之，烷硫基之特定實例包括甲基硫基、乙基硫基、第三丁基硫基、己基硫基、辛基硫基及其類似物，而烷氧磺醯氧基之實例包括甲基磺氧基、乙基磺氧基、丙基磺氧基、丁基磺氧基及其類似物，但不限於此。
在本發明例示具體實施態樣中，X1為S。
在另一具體實施態樣中，X2為S。
在本發明例示具體實施態樣中，X3為S。
在另一具體實施態樣中，X4為S。在本發明例示具體實施態樣中，n1為2。
在另一例示具體實施態樣中，n2為1。
在本發明例示具體實施態樣中，n3為1。
在另一例示具體實施態樣中，n4為2。
在本發明例示具體實施態樣中，R1為氫。
在本發明另一例示具體實施態樣中，R2為氫。
在另一例示具體實施態樣中，R4為氫。在本發明例示具體實施態樣中，R5為氫。
在另一例示具體實施態樣中，R6為氫。在本發明例示具體實施態樣中，R7為氫。
在本發明例示具體實施態樣中，R8為氫。
在本發明例示具體實施態樣中，Y1為N。
在本發明另一例示具體實施態樣中，Y2為N。
在另一例示具體實施態樣中，Y3為N。
在本發明例示具體實施態樣中，Y4為N。
在本發明例示具體實施態樣中，Ar1為。
在本發明例示具體實施態樣中，Ar2為。
在本說明書之例示具體實施態樣中，X1至X4為S，Y1及Y4為N，Ar1及Ar2是彼此相同或彼此相異，且各 自獨立的為，R10至R13是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為經取代或未經取代而具有6至16個碳原子的直鏈或支鏈烷基，且R14為經取代或未經取代而具有1至16個碳原子的烷基。
在本發明例示具體實施態樣中，R14為經取代或未經取代烷基。
在另一例示具體實施態樣中，R14為具有2至16個碳原子之直鏈或支鏈烷基。
在再另一例示具體實施態樣中，R14為乙基。
在本發明例示具體實施態樣中，R10為經取代或未經取代烷基。
在另一例示具體實施態樣中，R10為經取代或未經取代之支鏈烷基。
在再另一例示具體實施態樣中，R10為經取代或未經取代之2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R10為2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R11為經取代或未經取代烷基。
在另一例示具體實施態樣中，R11為經取代或未經取代之支鏈烷基。
在再另一例示具體實施態樣中，R11為經取代或未經取代之2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R11為2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R12為經取代或未經取代烷基。
在另一例示具體實施態樣中，R12為經取代或未經取代之支鏈烷基。
在再另一例示具體實施態樣中，R12為經取代或未經取代之2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R12為2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R13為經取代或未經取代烷基。
在另一例示具體實施態樣中，R13為經取代或未經取代之支鏈烷基。
在再另一例示具體實施態樣中，R13為經取代或未經取代之2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R13為2-乙基己基。
在本發明例示具體實施態樣中，R100為氫。
在一例示具體實施態樣中，R101為氫。
在另一具體實施態樣中，R102為氫。
在另一具體實施態樣中，R103為氫。
在本發明例示具體實施態樣中，X10為S。
在本發明另一例示具體實施態樣中，X10為NRa。
在再另一例示具體實施態樣中，X11為S。
再另一例示具體實施態樣中，X11為SiRaRb。
在一例示具體實施態樣中，X12為SiRaRb。
在另一具體實施態樣中，X13為S。
在一例示具體實施態樣中，Ra及Rb是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為經取代或未經取代之烷基；經取代或未經取代之烷氧基；經取代或未經取代之芳基；或經取代或未經取代之雜環基。
在本發明例示具體實施態樣中，Ra為經取代或未經取代烷基。
在本說明書之例示具體實施態樣中，Ra為具有1至30個碳原子之經取代或未經取代之烷基。
在一例示具體實施態樣中，Ra係經取代或未經取代之辛基。
在另一例示具體實施態樣中，Ra為辛基。
在本發明另一例示具體實施態樣中，Ra為經取代或未經取代之1-辛基壬基。
在一例示具體實施態樣中，Ra為1-辛基壬基。
在本發明例示具體實施態樣中，Rb為經取代或未經取代烷基。
在本說明書之例示具體實施態樣中，Rb為具有1至30個碳原子之經取代或未經取代之烷基。
在本發明另一例示具體實施態樣中，Rb為經取代或未經取代之1-辛基壬基。
在一例示具體實施態樣中，Ra為1-辛基壬基。
在一例示具體實施態樣中，Rb係經取代或未經取代之辛基。
在另一例示具體實施態樣中，Rb為辛基。 在本發明之例示具體實施態樣中，該以式1表示的雜環化合物係表示成下式1-1-1或1-1-2。
雜環化合物可根據即將描述於下文的製備實施例製備。
就本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物而言，製備下列化合物：將醛基導入n1括弧中結構末端內且將鹵素基團導入n2括弧中結構末端內之化合物；將鹵素基團導入n3括弧中結構末端內且將醛基導入n4括弧中結構末 端內之化合物；及藉由將[Push]鍵結於其上而將醛基導入各末端之化合物。之後，不僅式1-1-1或1-1-2所示之雜環化合物，連式1所示之雜環化合物都可藉由導入Ar1及Ar2於其內部而製備。
本發明雜環化合物可藉多階化學反應製備。經由烷基化反應、Grignard反應、Suzuki偶聯反應、Stille偶聯反應及其類似反應製備單體後，可藉諸如Stille偶聯反應之碳-碳偶聯反應製備最終雜環化合物。當待導入之取代基為酸或酸酯化合物時，最終雜環化合物可經由Suzuki偶聯反應製備，當待導入之取代基為三丁基錫或三甲基錫化合物時，可經由Stille偶聯反應製備最終雜環化合物，但方法不限於此。
本發明說明書之例示具體實施態樣提供一種有機太陽能電池，其包括第一電極；配置成與第一電極面對面之第二電極；及一或多層配置於該第一電極與第二電極之間的有機材料層，其中該一或多層有機材料層包括雜環基化合物。
本發明之例示具體實施態樣的有機太陽能電池包含第一電極、光活性層及第二電極。該有機太陽能電池可進一步包含基板、電洞傳輸層及/或電子傳輸層。
在本發明例示具體實施態樣中，當該有機太陽能電池接受來自外部光源之光子時，在電子供體與電子受體之間生成電子與電洞。所生成之電洞經由電子供體層傳輸至正極。
在本發明例示具體實施態樣中，該有機材料層包含電洞傳輸層、電洞注入層、或同時傳輸及注入電洞之層，且該電洞傳輸層、電洞注入層、或同時傳輸及注入電洞之層包含該雜環化合物。
另一例示具體實施態樣中，該有機材料層包含電子注入層、電子傳輸層或同時注入且傳輸電子之層，且該電子注入層、電子傳輸層或同時注入且傳輸電子之層包含該雜環化合物。
圖1為說明本發明之例示具體實施態樣的有機太陽能電池之視圖。
在本發明例示具體實施態樣中，當該有機太陽能電池接受來自外部光源之光子時，在電子供體與電子受體之間生成電子與電洞。所生成之電洞經由電子供體層傳輸至正極。
在本發明例示具體實施態樣中，該有機太陽能電池進一步包含額外之有機材料層。該有機太陽能電池可藉由使用同時具有各種不同功能的有機材料來減少有機材料層之數量。
在本發明說明書之一具體實施態樣中，第一電極為陽極，第二電極為陰極。在另一具體實施態樣中，第一電極為陰極，第二電極為陽極。
在本發明例示具體實施態樣中，該有機太陽能電池中，可依此順序配置陰極、光活性層及陽極，或可依此順序配置陽極、光活性層及陰極，但順序不限於此。
在另一例示具體實施態樣中，於有機太陽能電池中，亦可依此順序排列電洞傳輸層、光活性層、電子傳輸層及陰極，也可依此順序排列陰極、電子傳輸層、光活性層、電洞傳輸層及陽極，但排列順序不限於此。
在本發明說明書之一具體實施態樣中，該有機太陽能電池具有正常結構。在正常結構中，基板、陽極、包括光活性層的有機材料層及陰極係依此順序堆疊。
在本發明說明書之一具體實施態樣中，該有機太陽能電池具有反序結構。在反序結構中，基板、陰極、包括光活性層的有機材料層及陽極係依此順序堆疊。在本發明說明書之一具體實施態樣中，該有機太陽能電池具有串級結構。
本發明之一具體實施態樣的有機太陽能電池可具有一、二或更多個光活性層。串級結構可包括二或更多個光活性層。
在另一例示具體實施態樣中，可於光活性層與電洞傳輸層之間或於光活性層與電子傳輸層之間提供緩衝層。此情況下，可進一步於陽極與電子傳輸層之間提供電洞注入層。此外，可進一步於陰極與電子傳輸層之間提供電子注入層。
在本發明例示具體實施態樣中，該光活性層包含一種、兩種或更多種選自由電子供體及電子受體組成之群組者，而電子供體材料包含雜環化合物。
在本發明說明書之一例示具體實施態樣中，電子受體 材料可選自由富勒烯(fullerene)、富勒烯(fullerene)衍生物、浴銅靈(bathocuproine)、半導體元素、半導體化合物及其組合物所組成之群組。詳言之，電子受體材料為為選自由富勒烯(fullerene)、富勒烯(fullerene)衍生物((6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)或(6,6)-苯基-C61-丁酸-膽固醇酯(PCBCR))、苝、聚苯並咪唑(PBI)及3,4,9,10-苝-四甲酸雙-苯並咪唑(PTCBI)所組成之群組中之一、二或更多種化合物。
在本發明例示具體實施態樣中，該電子供體與該電子受體構成塊材異質接面(BHJ)。
塊材異質接面意指電子供體材料及電子受體材料係於光活性層中彼此混合在一起。
在本發明說明書之一例示具體實施態樣中，該光活性層具有包括n型有機材料層及p型有機材料層的雙層薄膜結構，且該p型有機材料層包括雜環化合物。
在本說明書中，基板可為具有優異透明性、表面光滑性、操作性及防水性之玻璃基板或透明塑膠基板，但不限於此，只要是一般使用於有機太陽能電池的基板，基板不受限制。其特定實例包括玻璃或聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚萘二甲酸伸乙酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚醯亞胺(PI)、三乙醯基纖維素(TAC)及其類似物，但不限於此。
陽極可由透明且具有優異之電導係數的材料製得，但不限於此。材料之實例包含金屬，諸如釩、鉻、銅、鋅及金，或其合金；金屬氧化物，諸如氧化鋅、氧化銦、氧化 銦錫(ITO)及氧化銦鋅(IZO)；金屬氧化物之組合物，諸如ZnO：Al或SnO2：Sb；及導電性聚合物，諸如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(伸乙基-1,2-二氧基)噻吩](PEDT)、聚吡咯及聚苯胺及其類似物，但不限於此。
形成陽極之方法不特別限制，但該陽極可藉由使用例如濺鍍、電子束、熱沈積、旋塗、網版印刷、噴黑印刷、刮刀或凹版印刷方法施加在基板之一表面或以薄膜形式塗覆而形成。
當於基板上形成陽極時，該形成可能被施以洗滌、除濕及親水性修飾的製程。
例如，當經圖案化之ITO基板依序以清潔劑、丙酮及異丙醇(IPA)洗滌，於100℃至150℃在熱板上加熱1至30分鐘乾燥，較佳係於120℃歷經10分鐘，以移除濕氣，當基板完全洗滌後，基板表面經親水性修飾。
藉由前述表面修飾，接合表面電位保持適於光活性層表面電位的水準。此外，在修飾期間，可輕易的在陽極上形成聚合物薄膜，亦可增進該薄膜之品質。
陽極預處理技術的實例包含a)使用平行板型放電的表面氧化方法，b)經由於真空狀態下使用UV射線產生之臭氧將表面氧化的方法，c)使用藉由電漿製得之氧自由基將陽極氧化的方法，及其類似方法。
可視陽極或基板狀態選擇其中一種方法。然而，即使使用任一種方法，較佳仍是一般的防止氧自陽極或基板表面分離，將抑制濕氣及有機物殘留的情況達到最高程度。 此情況下，可將預處理之實質效果最大化。
作為特定實例，可使用藉由使用UV製得之臭氧來將表面氧化的方法。此情況下，經超音波清洗後的經圖案化ITO基板於熱板上烘烤並充分乾燥，之後導入槽中，經圖案化之ITO基板可藉由操作UV燈以UV光使氧氣反應。
然而，本發明經圖案化ITO基板之表面修飾的方法不需特別限制，只要該方法是將基板氧化的方法，皆可使用。
該陰極可為具有低值功函數的金屬，但不限於此。其特定實例包括金屬，諸如鎂、鈣、鈉、鉀、鈦、銦、釔、鋰、釓、鋁、銀、錫及鉛，或其合金，及多層材料，諸如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al：Li、Al：BaF2及Al：BaF2：Ba，但不限於此。
陰極可藉著在顯示真空度5×10-7托耳或更低的熱蒸發器中沈積而形成，但該形成方法不限於此方法。
電洞傳輸層及/或電子傳輸層材料用以有效的將分離之電子或電洞自光活性層傳輸至電極，該材料不特別限制。
該電洞傳輸層材料可為摻雜有聚(苯乙烯磺酸))的聚(3,4-伸乙基二氧基噻吩)(PEDOT：PSS)、氧化鉬(MoOx)；氧化釩(V2O5)；氧化鎳(NiO)；及氧化鎢(WOx)；及其類似物，但不限於此。
電子傳輸層材料可為抽提電子的金屬氧化物，且其特定實例包括：8-羥基喹啉的金屬錯合物；包括Alq3之錯合 物；包括Liq；LiF；Ca；氧化鈦(TiOx)；氧化鋅(ZnO)；碳酸銫(Cs2CO3)及其類似物的之金屬錯合物，但不限於此。
光活性層可藉由將光活性材料(諸如電子供體及/或電子受體)溶於有機溶劑中，隨後藉由諸如旋塗、浸塗、網版印制、噴塗、刮板及刷塗之方法施加溶液而形成。
雜環化合物之製備方法及包括彼者的有機太陽能電池的製造方法係詳細描述於以下製備實施例及實施例中。然而，以下實施例係用以舉例說明本發明，但不限制本發明之範圍。
製備實施例1. 式A之製備
(1)3-(5-溴噻吩-2-基)-2,5-雙(2-乙基己基)-6-(噻吩-2-基)吡咯並[3,4-c]吡咯-1,4(2H,5H)-二酮(Br-DPP)(6.0g,10mmol)及2-醛-噻吩酸酯(2.65g,17mmol)溶於300mL四氫呋喃(THF)中，於其中添加Pd(PPh3)4觸媒(0.347g,0.3mmol)，形成之溶液於70℃攪拌72小時。完成反應後，以二氯甲烷(DCM)進行萃取，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。藉由將殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：己烷/DCM梯度=10：1至1：1)得到暗紫色固體式A-1。
(2)式A-1(5.54g,8.73mmol)溶於200mL之氯仿(CHCl3)中，於其中添加N-溴琥珀醯亞胺(NBS)(1.864g,10.47mmol)，且形成之溶液於常溫攪拌6小時。完成反應後，以二氯甲烷(DCM)進行萃取，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。藉由將殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：己烷/DCM梯度=10：1至1：1)得到暗紫色固體。
製備實施例2 式B之製備
(1)3-溴噻吩(10g,61.33mmol)溶於100mL之四氫呋喃(THF)中，於-78℃緩緩將2.0M二異丙基胺化鋰(LDA)(31.25mL,62.5mmol)注入其中，形成之溶液隨後於-60℃攪拌30分鐘。於-78℃將氯化三甲基錫(1M,63mL,63mmol)添加於其中，形成之溶液攪拌1小時，溫度緩緩升至常溫。溶液以二氯甲烷(DCM)萃取，隨後以硫酸鎂 (MgSO4)移除殘留水。藉由於減壓下移除殘留溶液中之溶劑而得到帶黃色之式B-1。
(2)氯化雙-三苯膦鈀(II)(Pd(PPh3)2Cl2)及1,4-二溴-2,5-二碘-苯(12.2g,25mmol)溶於100mL之二甲基甲醯胺(DMF)中，形成之溶液隨之加熱至80℃。將2-三甲基錫-3-溴噻吩(18.7g,57.4mmol)注入溶液內，且形成之溶液於120℃攪拌40小時。反應完成後，藉以二氯甲烷(DCM)萃取溶液並降低壓力而移除溶劑。以二氯甲烷(DCM)及甲醇(MeOH)將殘留產物再結晶而得到灰色粉末式B-2。
(3)式B-2(9.48g,17mmol)溶於300mL之四氫呋喃(THF)中，在-78℃於其中緩緩注入2.0M二異丙基胺化鋰(LDA)(19.5mL,39mmol)，形成之溶液隨之於-60℃攪拌1小時。溫度降至-78℃，於其中添加三甲基氯矽烷(5mL,39mmol)，形成之溶液攪拌1小時，隨後溫度緩緩升高至常溫。以二氯甲烷(DCM)進行萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。以2-丙醇將殘留產物再結晶而得到白色固體式B-3。
(4)式B-3(2g,2.85mmol)溶於100mL之四氫呋喃(THF)中，於-78℃緩緩注入1.7M第三丁基鋰(tert-BuLi)(15.3mL,26mmol)，形成之溶液隨之於-78℃攪拌2小時。在相同溫度下於其中添加二辛基二氯矽烷(3.05mL,8.83mmol)，溫度緩緩升至常溫。溶液以二氯甲烷(DCM)萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下 移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：己烷)得到帶黃色油狀式B-4。
(5)B-4(1.81g,2.03mmol)溶於60mL之四氫呋喃(THF)之後，於常溫注入N-溴琥珀醯亞胺(NBS)(0.81g,4.6mmol)，形成之溶液隨之攪拌12小時。反應完成後，將溶液添加至100mL之水中，以二氯甲烷(DCM)進行萃取。殘留水以硫酸鎂(MgSO4)移除，於減壓下移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：己烷)得到帶黃色油狀式B-5。
(6)式B-5(0.87g,1.16mmol)溶於60mL之四氫呋喃(THF)於-78℃在其中緩緩注入1.7M第三丁基鋰(tert-BuLi)(4.12mL,7mmol)，形成之溶液隨之於-78℃攪拌2小時。在相同溫度下於其中添加1M氯化三甲基錫(8mL，8mmol)，溫度緩緩升至常溫。溶液以二氯甲烷(DCM)萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水得到帶黃色之油狀式B，隨後於減壓下移除溶劑。
製備實施例3 式1-1-1之製備
(1)9-(十七烷-9-基)-2,7-雙(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼烷-2-基)-9H-咔唑(0.46g,0.7mmol)及式A(1.07g,1.5mmol)溶於30mL之THF，於其中添加肆(三苯膦)鈀(0)(Pd(PPh3)4)觸媒(0.0578g,0.05mmol)，於其中添加7.5mL之2M K2CO3，且形成之溶液於70℃攪拌48小時。
完成反應後，以二氯甲烷(DCM)進行萃取，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：DCM至CHCl3)得到棕色式1-A-1。(產率：59%)。
(2)式1-A-1(0.401g,0.24mmol)、三滴哌啶及3-乙基若丹寧(0.743g,4.61mmol)置入25mL之氯仿(CHCl3)中且形成之溶液於氮下回流24小時。反應完成後，溶液以二氯甲烷(DCM)萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：CHCl3：EA梯度)得到暗紫棕色固體式1-1-1。
圖2為說明式1-A-1之NMR數據的視圖。
圖3為說明式1-1-1之MS光譜的視圖。
製備實施例4 式1-1-2之製備
(1)式B(0.504g,0.47mmol)及式A(0.79g,1.1mmol)溶於15mL之甲苯中，於其中添加肆(三苯膦)鈀(0)(Pd(PPh3)4)觸媒(0.023g,0.02mmol)，且形成之溶液於微波反應器中在80℃攪拌5分鐘，而於100℃歷經5分鐘，於120℃歷經5分鐘，於130℃歷經5分鐘，且於 150℃歷經1小時。反應完成後，將反應溶液倒入甲醇內，得到沉澱物，藉由過濾所沉澱之固體，以甲醇洗滌所濾出之固體，且將產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：DCM至CHCl3)得到深藍色固體式1-A-2。
(2)式1-A-2(0.523g,0.26mmol)、三滴哌啶及3-乙基若丹寧(0.806g,5.0mmol)置入80mL之氯仿(CHCl3)中，且形成之溶液於氮下回流24小時。反應完成後，溶液以二氯甲烷(DCM)萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：CHCl3：EA梯度)得到暗紫色固體式1-1-2。
圖4為說明式1-1-2之MS光譜的視圖。
圖5為說明式1-1-2之差示掃描熱量法(DSC)的視圖。
如圖5中可見，在210℃附近升起的放熱波峰指出結晶溫度(Tc)，可經此確認該材料為結晶性。是故，因本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物的結晶性之故，可預期填充率(FF)增高。
圖6為說明式1-1-2之NMR圖的視圖。
對照例1
圖7為說明對照例1於溶液狀態時及式1-1-2的吸收光譜之視圖。
為說明對照例1於固體狀態時及式1-1-2的吸收光譜之視圖。
如圖7及8中可見，可確認當為本說明書之例示具體實施態樣的化合物時，因為吸收光譜發生紅位移，故有可吸收長波長的功能。此情況下，莫耳消光係數大，能帶隙降低，因此，可吸收大量的光，藉此對裝置效率的增高具有正面影響。
圖9為說明使用式1-1-2之有機太陽能電池的入射光子變成電流的效率(IPCE)之視圖。
此外，如圖7至9可見，可確認雜環化合物有利於執行具有高效率的有機太陽能電池，因其可吸收在300nm至800nm寬幅光譜範圍的光，不僅在整個可見光區，近紅外線(NIR)範圍內亦可。
此外，經圖8可確認，因為由於本說明書之雜環化合物在固態的結晶性所致之分子相互作用，故而即使在吸收光譜中仍發生紅色位移。
對照例2
(1)錫-苯並二噻吩(Tin-BDT)(0.543g,0.6mmol)及式A(0.93g,1.3mmol)溶於15mL之甲苯中，於其中添加肆(三苯膦)鈀(0)(Pd(PPh3)4)觸媒(0.023g,0.02mmol)，且形成之溶液於微波反應器中在80℃攪拌5分鐘，於100℃經5分鐘，於120℃經5分鐘，於130℃經5分鐘，且於150℃ 1小時。反應完成後，將反應溶液倒入甲醇內，得到沉澱物，藉由過濾所沉澱之固體，以甲醇洗滌所濾出之固體，且將產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：DCM至CHCl3)得到綠色固體式1-B-1。
(2)式1-B-1(0.608g,0.33mmol)、三滴哌啶及3-乙基若丹寧(1.064g,6.6mmol)置入80mL之氯仿(CHCl3)，且形成之溶液於氮下回流24小時。反應完成後，溶液以二氯甲烷(DCM)萃取後，以硫酸鎂(MgSO4)移除殘留之水，隨後於減壓下移除溶劑。殘留產物施加於二氧化矽管柱(溶離劑：CHCl3：EA梯度)得到暗紫棕色固體式1-2- 1。
圖10為說明式1-2-1之MS光譜的視圖。
圖11為說明式1-2-1之差示掃描熱量法(DSC)的視圖。
當圖5與圖11比較時，若為本發明例示具體實施態樣之式1-1-2雜環化合物，則可經由在210℃附近升高之放熱波峰確認結晶溫度(Tc)。然而，在式1-2-1雜環化合物之差示掃描熱量法中，未發現如同圖5之波峰。
是故，可確認本說明書例示具體實施態樣的雜環化合物為結晶性。
實驗例1. 有機太陽能電池之製造及其特徵的測量
使用所製備之化合物作為電子供體，PC60BM作為電子受體，同時將摻合比設定於1：2(w/w比)，並將混合物溶於氯仿(CF)製造複合溶液。此情況下，將濃度調至2.0wt%，製得具有ITO/PEDOT：PSS/光活性層/Al結構的有機太陽能電池。塗有ITO之玻璃基板使用蒸餾水、丙酮及2-丙醇進行超音波洗滌，ITO表面以臭氧處理10分鐘，接著藉由在4,000rpm旋塗45nm厚度之PEDOT：PSS(AI4083)歷經40秒，於235℃熱處理5分鐘。為了塗覆光活性層，化合物-PCBM複合溶液以0.45μm PP注射濾器過濾，之後藉由使用熱蒸發器在3×10-8托耳真空下沈積Al至100nm厚度而製得有機太陽能電池。
表1中，Voc、Jsc、FF及PCE個別意指開路電壓、短路電流、填充率及能量轉換效率。CB意指藉由將化合物及PCBM溶於氯苯中所得之溶液，CF意指藉由將化合物及PCBM溶於氯仿中所得之溶液，且SVA意指接受溶劑蒸氣退火的產物。
開路電壓及短路電流個別為電壓-電流密度曲線於第四象限之X軸截距及Y軸截距，當兩值增高時，太陽能電池效率有利的增高。此外，填充因子為曲線內可繪出之矩形的面積除以短路電流與開路電壓之乘積所得的值。當此三值除以所發射光之強度則可得到能量轉換效率，此值 愈高愈佳。
圖12為說明根據使用式1-1-2的有機太陽能電池的電壓之電流密度的視圖。
圖13為說明根據使用式1-2-1的有機太陽能電池的電壓之電流密度的視圖。
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一電極
103‧‧‧電洞傳輸層
104‧‧‧光活性層
105‧‧‧第二電極

Claims (12)

  1. 一種由下式1表示的雜環化合物， 在式1中，n1至n4各為1至3之整數，當n1至n4各為2或更大時，括弧中之二或更多個結構是彼此相同或彼此相異，X1至X4彼此相同或相異，且各自獨立的為CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se、或Te，Y1至Y4彼此相同或相異，且各自獨立的為CR"、N、SiR"、P或GeR"，R、R'、R"、R1至R8及R10至R13係彼此相同或相異，且各自獨立的為氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未 經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；及經取代或未經取代雜環基團，[Push]具有作為電子供體的結構，且該結構為以下結構中之一者， c及c'各為1至3之整數，當c為2或更大時，二或更多個R100是彼此相同或彼此相異，當c'為2或更大時，二或更多個R101是彼此相同或彼此相異，且X10至X13是彼此相同或相異，且各自獨立的為CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te，Ra、Rb及R100至R103係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺 基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜環基團，Ar1及Ar2是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為以下結構， 在該等結構中，a為1至7之整數，b及c各為1至4之整數，當a為2或更大時，二或更多個R15是彼此相同或彼此相異，當b為2或更大時，二或更多個R16是彼此相同或彼此相異，且當c為2或更大時，二或更多個R17是彼此相同或彼此相異，且R14至R20係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未 經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜環基團。
  2. 如申請專利範圍第1項之雜環化合物，其中[Push]具有5.0eV至6.0eV之最高佔用分子軌道(HOMO)能階。
  3. 如申請專利範圍第1項之雜環化合物，其中：該由式1所示之雜環化合物是以下式1-1或1-2表示： 在式1-1及1-2中，n1至n4、X1至X4、Y1至Y4、R1至R8、R10至 R13、Ar1及Ar2是如同式1所定義，c及c'各為1至3之整數，當c為2或更大時，二或更多個R100是彼此相同或彼此相異，當c'為2或更大時，二或更多個R101是彼此相同或彼此相異，且X10至X13是彼此相同或相異，且各自獨立的為CRaRb、NRa、O、SiRaRb、PRa、S、GeRaRb、Se或Te，且Ra、Rb及R100至R103係彼此相同或相異，且各自獨立的選自由以下組成之群組：氫；氘；鹵基；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代烷基；經取代或未經取代環烷基；經取代或未經取代烷氧基；經取代或未經取代芳氧基；經取代或未經取代烷硫基；經取代或未經取代芳硫基；經取代或未經取代烷氧磺醯氧基；經取代或未經取代芳氧磺醯氧基；經取代或未經取代烯基；經取代或未經取代矽基；經取代或未經取代硼基；經取代或未經取代烷基胺基；經取代或未經取代芳烷基胺基；經取代或未經取代芳基胺基；經取代或未經取代雜芳基胺基；經取代或未經取代芳基；或經取代或未經取代雜環基團，
  4. 如申請專利範圍第1項之雜環化合物，其中R10至R13是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為經取代或未經取代而具有4至30個碳原子的直鏈或支鏈烷基。
  5. 如申請專利範圍第1項之雜環化合物，其中X1至X4為S，Y1及Y4為N，Ar1及Ar2是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為 R10至R13是彼此相同或彼此相異，且各自獨立的為經取代或未經取代而具有6至16個碳原子的直鏈或支鏈烷基，且R14為經取代或未經取代而具有1至16個碳原子的烷基。
  6. 如申請專利範圍第1項之雜環化合物，其中該以式1表示的雜環化合物係表示成下式1-1-1或1-1-2：
  7. 一種有機太陽能電池，其包含：第一電極；配置成面對該第一電極的第二電極；及配置於該第一電極與第二電極之間的一或多層有機材料層，其包含一光活性層，其中該一或多層有機材料層包含如申請專利範圍第1至6項中任一項之雜環化合物。
  8. 如申請專利範圍第7項之有機太陽能電池，其中該有機材料層係包含電洞傳輸層、電洞注入層或同時傳輸且注入電洞之層，且該電洞傳輸層、該電洞注入層或該同時傳輸且注入電洞之層係包含該雜環化合物。
  9. 如申請專利範圍第7項之有機太陽能電池，其中該有機材料層係包含電子注入層、電子傳輸層或同時注入且傳輸電子之層，且該電子注入層、該電子傳輸層或該同時注入且傳輸電子之層係包含該雜環化合物。
  10. 如申請專利範圍第7項之有機太陽能電池，其中該光活性層包含一種或兩種或更多種選自由電子供體及電 子受體組成之群組，且該電子供體係包含該雜環化合物。
  11. 如申請專利範圍第10項之有機太陽能電池，其中該電子供體及該電子受體構成塊材異質接面(BHJ)。
  12. 如申請專利範圍第7項之有機太陽能電池，其中該光活性層具有雙層薄膜結構，包含n型有機材料層及p型有機材料層，且該p型有機材料層係包含該雜環化合物。
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