TWI784295B - 有機半導體混合材料及應用其之有機光電元件 - Google Patents
有機半導體混合材料及應用其之有機光電元件 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI784295B TWI784295B TW109124067A TW109124067A TWI784295B TW I784295 B TWI784295 B TW I784295B TW 109124067 A TW109124067 A TW 109124067A TW 109124067 A TW109124067 A TW 109124067A TW I784295 B TWI784295 B TW I784295B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- electron acceptor
- organic
- organic semiconductor
- hybrid material
- substituted
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 48
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 15
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 30
- JOZQXSUYCMNTCH-ODDCUFEPSA-N 2-[(2Z)-2-[[20-[(Z)-[1-(dicyanomethylidene)-5,6-difluoro-3-oxoinden-2-ylidene]methyl]-12,12,24,24-tetrakis(4-hexylphenyl)-5,9,17,21-tetrathiaheptacyclo[13.9.0.03,13.04,11.06,10.016,23.018,22]tetracosa-1(15),2,4(11),6(10),7,13,16(23),18(22),19-nonaen-8-yl]methylidene]-5,6-difluoro-3-oxoinden-1-ylidene]propanedinitrile Chemical compound CCCCCCc1ccc(cc1)C1(c2cc3-c4sc5cc(\C=C6/C(=O)c7cc(F)c(F)cc7C6=C(C#N)C#N)sc5c4C(c3cc2-c2sc3cc(\C=C4/C(=O)c5cc(F)c(F)cc5C4=C(C#N)C#N)sc3c12)(c1ccc(CCCCCC)cc1)c1ccc(CCCCCC)cc1)c1ccc(CCCCCC)cc1 JOZQXSUYCMNTCH-ODDCUFEPSA-N 0.000 claims description 16
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- -1 benzene heterocyclic compounds Chemical class 0.000 claims description 10
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 9
- 150000002391 heterocyclic compounds Chemical class 0.000 claims description 6
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 5
- FNQJDLTXOVEEFB-UHFFFAOYSA-N 1,2,3-benzothiadiazole Chemical compound C1=CC=C2SN=NC2=C1 FNQJDLTXOVEEFB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000005964 Acibenzolar-S-methyl Substances 0.000 claims description 4
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001555 benzenes Chemical group 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 3
- 150000001345 alkine derivatives Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000004070 6 membered heterocyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 125000006414 CCl Chemical group ClC* 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 21
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013086 organic photovoltaic Methods 0.000 abstract description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract 1
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 40
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 28
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 19
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical group CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 11
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- IBMVRGMZLQWAJY-SLZAGEDMSA-N 2-[(2Z)-2-[[20-[(Z)-[1-(dicyanomethylidene)-3-oxoinden-2-ylidene]methyl]-12,12,24,24-tetrakis(5-hexylthiophen-2-yl)-5,9,17,21-tetrathiaheptacyclo[13.9.0.03,13.04,11.06,10.016,23.018,22]tetracosa-1(15),2,4(11),6(10),7,13,16(23),18(22),19-nonaen-8-yl]methylidene]-3-oxoinden-1-ylidene]propanedinitrile Chemical compound CCCCCCc1ccc(s1)C1(c2ccc(CCCCCC)s2)c2cc3-c4sc5cc(\C=C6/C(=O)c7ccccc7C6=C(C#N)C#N)sc5c4C(c4ccc(CCCCCC)s4)(c4ccc(CCCCCC)s4)c3cc2-c2sc3cc(\C=C4/C(=O)c5ccccc5C4=C(C#N)C#N)sc3c12 IBMVRGMZLQWAJY-SLZAGEDMSA-N 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 239000003480 eluent Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000010898 silica gel chromatography Methods 0.000 description 5
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 229940125782 compound 2 Drugs 0.000 description 3
- 229940126214 compound 3 Drugs 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 3
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MZRVEZGGRBJDDB-UHFFFAOYSA-N N-Butyllithium Chemical compound [Li]CCCC MZRVEZGGRBJDDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 229940125898 compound 5 Drugs 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N diethylzinc Chemical compound CC[Zn]CC HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- WSLDOOZREJYCGB-UHFFFAOYSA-N 1,2-Dichloroethane Chemical compound ClCCCl WSLDOOZREJYCGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KZDTZHQLABJVLE-UHFFFAOYSA-N 1,8-diiodooctane Chemical compound ICCCCCCCCI KZDTZHQLABJVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FKMLTPDJPCYVHT-UHFFFAOYSA-N 2-(5,6-difluoro-3-oxoinden-1-ylidene)propanedinitrile Chemical compound FC=1C=C2C(CC(C2=CC=1F)=C(C#N)C#N)=O FKMLTPDJPCYVHT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JRWOMWZUHZNFGP-UHFFFAOYSA-N 3-bromo-2-iodothiophene Chemical compound BrC=1C=CSC=1I JRWOMWZUHZNFGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WDBQJSCPCGTAFG-QHCPKHFHSA-N 4,4-difluoro-N-[(1S)-3-[4-(3-methyl-5-propan-2-yl-1,2,4-triazol-4-yl)piperidin-1-yl]-1-pyridin-3-ylpropyl]cyclohexane-1-carboxamide Chemical compound FC1(CCC(CC1)C(=O)N[C@@H](CCN1CCC(CC1)N1C(=NN=C1C)C(C)C)C=1C=NC=CC=1)F WDBQJSCPCGTAFG-QHCPKHFHSA-N 0.000 description 1
- AZSFNTBGCTUQFX-UHFFFAOYSA-N C12=C3C(C4=C5C=6C7=C8C9=C(C%10=6)C6=C%11C=%12C%13=C%14C%11=C9C9=C8C8=C%11C%15=C%16C=%17C(C=%18C%19=C4C7=C8C%15=%18)=C4C7=C8C%15=C%18C%20=C(C=%178)C%16=C8C%11=C9C%14=C8C%20=C%13C%18=C8C9=%12)=C%19C4=C2C7=C2C%15=C8C=4C2=C1C12C3=C5C%10=C3C6=C9C=4C32C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 Chemical compound C12=C3C(C4=C5C=6C7=C8C9=C(C%10=6)C6=C%11C=%12C%13=C%14C%11=C9C9=C8C8=C%11C%15=C%16C=%17C(C=%18C%19=C4C7=C8C%15=%18)=C4C7=C8C%15=C%18C%20=C(C=%178)C%16=C8C%11=C9C%14=C8C%20=C%13C%18=C8C9=%12)=C%19C4=C2C7=C2C%15=C8C=4C2=C1C12C3=C5C%10=C3C6=C9C=4C32C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 AZSFNTBGCTUQFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCLIMKBDDGJMGD-UHFFFAOYSA-N N-bromosuccinimide Chemical compound BrN1C(=O)CCC1=O PCLIMKBDDGJMGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical group CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004414 alkyl thio group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000005605 benzo group Chemical group 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 229940125904 compound 1 Drugs 0.000 description 1
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- CVAGYCLEIYGJQT-UHFFFAOYSA-N dichloro(dioctyl)silane Chemical compound CCCCCCCC[Si](Cl)(Cl)CCCCCCCC CVAGYCLEIYGJQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000007787 electrohydrodynamic spraying Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000007646 gravure printing Methods 0.000 description 1
- 125000001188 haloalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 125000000468 ketone group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N phosphinic chloride Chemical compound ClP=O RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920006126 semicrystalline polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 1
- 238000010129 solution processing Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000003809 water extraction Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/10—Organic polymers or oligomers
- H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
- H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K50/00—Organic light-emitting devices
- H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
- H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/10—Organic polymers or oligomers
- H10K85/151—Copolymers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
- H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
- H10K85/215—Fullerenes, e.g. C60 comprising substituents, e.g. PCBM
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/40—Organosilicon compounds, e.g. TIPS pentacene
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
- H10K85/621—Aromatic anhydride or imide compounds, e.g. perylene tetra-carboxylic dianhydride or perylene tetracarboxylic di-imide
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
- H10K85/626—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene containing more than one polycyclic condensed aromatic rings, e.g. bis-anthracene
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
- H10K85/655—Aromatic compounds comprising a hetero atom comprising only sulfur as heteroatom
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
- H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
- H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
- H10K85/6572—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons comprising only nitrogen in the heteroaromatic polycondensed ring system, e.g. phenanthroline or carbazole
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
- H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
- H10K85/6576—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons comprising only sulfur in the heteroaromatic polycondensed ring system, e.g. benzothiophene
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
一種有機光電元件，包含第一電極、第一載子傳遞層、主動層、第二載子傳遞層以及第二電極。第一電極係為透明電極。主動層包含至少一種電子供體、第一電子受體以及第二電子受體。其中，電子供體係為有機高分子。第一電子受體為結晶材料，且第一電子受體之自我分子堆疊的間距小於4Å。第二電子受體為結晶破壞材料，且第二電子受體包含有富勒烯衍生物。本發明之有機光電元件不但具有可控的形態且具有良好的填充因子及能量轉換效率。
Description
本發明係涉及應用於有機光電元件的一種有機半導體混合材料，以及包含此有機半導體混合材料之有機光電元件。
基於全球趨於暖化，使得氣候變遷已成為國際社會共同面對的挑戰。1997年時「聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC)締約國」所提出的京都議定書於2005年正式生效，目標為減少二氧化碳的排放。對此各國都著重於再生能源的發展，以減少石化燃料的使用。其中，由於太陽提供了遠遠滿足人們目前和未來的能量需求，因此再生能源中又屬太陽能發電備受重視，進而致使應用於太陽能發電之有機光電元件成為首要開發標的。
與現有的矽材料有機光電元件相比，新型的有機光電元件不僅生產成本低、重量輕，而且可以像塑膠膜一樣薄、透明以及可撓曲，進而適合製作各種形狀的有機光電元件。有機光電元件可廣泛應用在通訊、建築、交通、照明、時尚等領域。因此，新一代有機光電元件不僅是對全球氣候變化時期環境保護的貢獻，而且具有很大的經濟潛力。
有機光電元件可利用異質界面(bulk heterojunction，BHJ)結
構作為基礎應用特性的元件。在最近的研究報告中，結合低帶隙共軛高分子結晶與富勒烯衍生物之BHJ有機光電元件，其最高能量轉換效率(Power Conversion Efficiency，PCE)可達8%。此類BHJ有機光電元件中的主動層形態對於元件的整體性能扮演關鍵性的角色，在主動層中相分離的區域，可提供界面光生激子(exciton)的電荷分離載體傳輸到各自對應電極的途徑，且仍必須具有一定相對足量的異質界面，以提供激子分離。
現有的有機光電元件之主動層多為二元共混材料，然而因有機光電元件受限於有機材料之「窄吸收」特性，導致二元共混材料所製成的有機光電元件難以實現對太陽能的有效寬光譜的利用，並且始終存在相共混(有利於激子解離)和相分離(有利於電荷傳輸)的相互矛盾，進而制約了有機光電元件的性能發展。對此，可藉由在二元活性層中引入吸收互補光譜的第三組分以形成的三元有機光電元件，得以有效的增強光譜吸收，進而解決二元共混材料所存在的矛盾的共混問題。
然而，當前的三元有機光電元件卻面臨著形態難以控制以及難以同時保有高效地激子解離和電荷傳輸的問題，進而導致有機光電元件之能量轉換效率(PCE)及填充因子(Fill Factor，FF)難以同時被有效地提升。因此，如何提供一種具有可控地主動層形態、高能量轉換效率及高填充因子之有機半導體材料以及應用其之有機光電元件是目前非常重要的課題。
有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種有機半導體混合材料以突破現有技術之能量轉換效率以及解決三元有機光電元件。根據本發明之一具體實施例，有機半導體混合材料包含至少一種電子供體、第一電
子受體以及第二電子受體。其中，電子供體係為有機高分子。第一電子受體為結晶材料，且第一電子受體之自我分子堆疊的間距小於4Å。第二電子受體為結晶破壞材料，且第二電子受體包含有富勒烯衍生物。
其中，第一電子受體包含有IT-4F(3,9-bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d：2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b：5,6-b’]dithiophene)。
其中，第一電子受體包含有基於苯并噻二唑為核的DAD結構稠環的A-DAD-A型非富勒烯有機材料。
其中，第一電子受體包含Y6。
其中，第一電子受體包含DTSC-4F。
其中，第二電子受體包含PC70BM。
其中，第二電子受體於有機半導體混合材料中的重量百分比不大於15%。
本發明之另一範疇在於提供一種有機光電元件，包含第一電極、第一載子傳遞層、主動層、第二載子傳遞層以及第二電極。第一電極係為透明電極。主動層至少包含一種前述之有機半導體混合材料。第一載子傳遞層位於第一電極與主動層之間、主動層位於第一載子傳遞層與第二載子傳遞層之間，以及第二載子傳遞層位於主動層與第二電極之間。
其中，有機半導體混合材料中的第一電子受體包含有IT-4F、Y6及DTSC-4F中之至少一者。
其中，有機半導體混合材料中的第二電子受體包含有
PC70BM。
相較於現有技術，本發明之有機半導體混合材料具有良好的形態控制，並且可有效地提高有機光電元件的能量轉換效率及填充因子。
1:有機光電元件
10:基板
11:第一電極
12:第一載子傳遞層
13:主動層
14:第二載子傳遞層
15:第二電極
圖1係繪示本發明有機光電元件之一具體實施例之結構示意圖。
圖2係顯示了本發明有機光電元件之一具體實施例之UV吸收的測試結果。
圖3A係顯示了本發明有機光電元件之一具體實施例之未添加PC70BM之形態測試結果。
圖3B係顯示了本發明有機光電元件之一具體實施例之形態測試結果。
圖4係顯示了本發明有機光電元件之另一具體實施例之UV吸收的測試結果。
圖5A係顯示了本發明有機光電元件之另一具體實施例之未添加PC70BM之形態測試結果。
圖5B係顯示了本發明有機光電元件之另一具體實施例之形態測試結果。
圖6係顯示了本發明有機光電元件之再一具體實施例之UV吸收的測試結果。
圖7A係顯示了本發明有機光電元件之再一具體實施例之未添加PC70BM之形態測試結果。
圖7B係顯示了本發明有機光電元件之再一具體實施例之形態測試結果。
為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了
解，後續將以實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些實施例僅為本發明代表性的實施例。但是其可以許多不同的形式來實現，並不限於本說明書所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使本發明的公開內容更加透徹且全面。
在本發明公開的各種實施例中使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，並非在限制本發明所公開的各種實施例。如在此所使用的單數形式係也包括複數形式，除非上下文清楚地另外指示。除非另有限定，否則在本說明書中使用的所有術語(包含技術術語和科學術語)具有與本發明公開的各種實施例所屬領域普通技術人員通常理解的涵義相同的涵義。上述術語(諸如在一般使用的辭典中限定的術語)將被解釋為具有與在相同技術領域中的語境涵義相同的涵義，並且將不被解釋為具有理想化的涵義或過於正式的涵義，除非在本發明公開的各種實施例中被清楚地限定。
在本說明書的描述中，參考術語”一實施例”、”一具體實施例”等的描述意指結合該實施例描述地具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何一個或多個實施例中以合適的方式結合。
定義：
本文所用之「供體」材料，係指一半導體材料，例如有機半導體材料，其具備電洞作為主要電流或電荷載子。於某些實施例，當p型半導體材料被沈積於一基板上，其可提供超過約10-5cm2/Vs之電洞移動率。於場效元件的例子中，一p型半導體材料可顯示超過約10之電流開/關比。
本文所用之「受體」材料，係指一半導體材料，例如有機半導體材料，其具備電子作為主要電流或電荷載子。於某些實施例，當n型半導體材料被沈積於一基板上，其可提供超過約10-5cm2/Vs之電子移動率。於場效元件的例子中，一n型半導體材料可顯示超過約10之電流開/關比。
本文所用之「遷移率」，係指電荷載子在電場的影響下移動穿過該材料的速率之測量，例如電荷載子在p型半導體材料中為電洞(正電荷)，在n型半導體材料中為電子(負電荷)。該參數取決於元件的架構，可利用場效元件或空間電荷限制電流量測。
本文所用之化合物被視為「環境安定」或「環境條件下安定」，係指當結合化合物作為其半導體材料之電晶體，在該化合物暴露於環境條件下，例如空氣、環境溫度及濕度一段時間後，顯示載子遷移率維持在其初始值。例如一化合物可視為環境安定，若是結合該化合物之電晶體，在暴露於包括空氣、濕度及溫度之環境條件3天、5天或10天後，顯示載子遷移率之變化不超過20%或不超過10%之初始值。
本文所用之填充因子(FF)，係指實際最大可獲得功率(Pm或Vmp * Jmp)與理論(非實際可獲得)功率之比值((Jsc * Voc)。因此，填充因子可由下式決定：FF=(Vmp * Jmp)/(Jsc * Voc)；其中Jmp及Vmp分別表示在最大功率點(Pm)之電流密度及電壓，該點係藉由變化電路中的電阻直到J * V為最大值而得；Jsc及Voc分別表示短路電流密度及開路電壓。填充因子是評價太陽電池的關鍵參數。商業用太陽電池通常具有約0.60%以上的填充因子。
本文所用之開路電壓(Voc)，係在無連接外部負載下元件的陽極與陰極之間的電位差。
本文所用之太陽電池的功率轉換效率(PCE)，係指從入射光轉變為電力的功率百分比。太陽電池的功率轉換效率可藉由最大功率點(Pm)除以標準測試條件下(STC)入射光輻射照度(E；W/m2)及太陽電池的表面積(Ac；m2)而算出。STC通常指在溫度25℃、輻射照度1000W/m2、空氣質量1.5(AM 1.5)光譜。
本文所用之構件(例如薄膜層)，若其包含一個或一個以上的可吸收光子而產生用以產生光電流的激子之化合物，可被視為「光活性」。
本文所用之「溶液加工」，係指化合物(例如聚合物)、材料或組成物可用於溶液態的製程，例如旋轉塗佈、印刷法(例如噴墨印刷、凹版印刷、平版印刷等)、噴塗法、電噴塗法、滴鑄法、浸塗法及刮刀塗佈法。
如本文所用之「退火」，係指在環境中或在減壓或加壓下，對半結晶聚合物膜進行一定持續時間的沉積後熱處理，「退火溫度」，係指該退火過程中該聚合物膜或該聚合物與其他分子之混合薄膜可進行小規模分子運動及重新排列之溫度。不受任何特定理論束縛，據信退火可在可能的情況下導致聚合物膜中的結晶度的增加，提升聚合物膜或該聚合物與其他分子之混合薄膜之材料載子遷移率，並形成分子交互排列而達到有效電子與電洞之獨立傳遞路徑之效果。
於現有的三元有機光電元件，其主動層所使用的有機半導體混合材料可混合有PDBT-T1(Poly[[5,10-bis(5-octyl-2-thienyl)dithieno[2,3-d：2',3'-d']benzo[1,2-b：4,5-b']dithiophene-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl[5,7-bis(2-ethylhexyl)-4,8-dioxo-4H,8H-benzo[1,2-c：4,5-c']dithiophene-1,3-diyl]-2,5-thiophenediyl])、PC70BM
([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)以及ITIC-Th(3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(5-hexylthienyl)-dithieno[2,3-d：2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b：5,6-b’]dithiophene)。其中，ITIC-Th即為前述的用以吸收互補光譜的第三組分。請參閱表1，表1為現有的有機光電元件之效能測試結果。
如表1所列，以ITIC-Th添加量為0%以及50%來看，由於
ITIC-Th添加量為50%的有機光電元件之短路電流密度(JSC)高於ITIC-Th添加量為0%的有機光電元件之短路電流密度(JSC)，進而具有較高的能量轉換效率。然而，ITIC-Th添加量為50%的有機光電元件之填充因子(FF)卻低於ITIC-Th添加量為0%的有機光電元件之填充因子(FF)。由於填充因子是評價有機光電元件的關鍵參數，由此可知，儘管添加ITIC-Th提高了能量轉換效率，但卻使降低了有機光電元件實際最大可獲得的功率。
為了解決現有技術中的問題，本發明提供用於主動層的有機半導體混合材料，其具有良好的形態控制，且可以有效地提高有機光電元件的能量轉換效率。於一具體實施例中，本發明之有機半導體混合材料包含至少一種電子供體、第一電子受體以及第二電子受體。其中，電子供體係為有機高分子。第一電子受體為結晶材料，且第一電子受體之自我分子堆疊的間距小於4Å。第二電子受體為結晶破壞材料，且第二電子受體包含有富勒烯衍生物。
於實際應用中，本發明之第一電子受體可為IT-4F(3,9-bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d：2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b：5,6-b’]dithiophene)、基於苯并噻二唑為核的DAD結構稠環的A-DAD-A型非富勒烯有機材料，或DTSC-4F(2,2'-((2Z,2'Z)-((12-(heptadecan-9-yl)-4,4,7,7-tetraoctyl-7,12-dihydro-4H-thieno[2',3'：4,5]silolo[3,2-b]thieno[2',3'：4,5]silolo[2,3-h]carbazole-2,9-diyl)bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile。其中，基於苯并噻二唑為核的DAD結構稠環的A-DAD-A型非富勒烯有機材料可為
Y6(2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-ethylhexyl)-3,9-diundecyl-12,13-dihydro-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[2",3"：4',5']thieno[2',3'：4,5]pyrrolo[3,2-g]thieno[2',3'：4,5]thieno[3,2-b]indole-2,10-diyl)bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile)。而第二電子受體可為PC70BM。請參閱表2，表2為本發明之第一電子受體之自我分子堆疊的間距。
請參閱圖1，圖1係繪示本發明有機光電元件1之一具體實施例之結構示意圖。如圖1所示，於另一實施例中，本發明進一步提供一種有機光電元件1，其包含有第一電極11、第二電極15以及主動層13。主動層13位於第一電極11與第二電極15之間，其中主動層13包含有前述之有機半導體混合材料。本具體實施例中，有機光電元件1可為層疊結構，依序包含有基板10、第一電極11(透明電極)、第一載子傳遞層12、主動層13、第二載子傳遞層14以及第二電極15。於實務中，有機光電元件1可包含有有機光伏元件、有機光感測元件、有機發光二極體以及有機薄膜電晶體(OTFT)。
於實際應用中，本發明之有機光電元件的主動層包含有前述中具有至少一電子供體、第一電子受體及第二電子受體之有機半導體混合材料。
主動層的製備：
DTSC-4F的合成方法：
合成化合物2：
將0.30g(0.47mmol)的化合物1與0.39g(2.82mmol)的K2CO3置於雙頸瓶中抽真空烤瓶3次，於手套箱內加入0.32g(1.11mmol)的3-bromo-2-iodothiophene、0.05g(0.12mmol)的Aliquant 336以及54mg(0.047mmol)的Pd(PPh3)4，加入12mL的除氧toluene/H2O=5：1v/v，加熱至120℃迴流反應3天後，用乙醚及蒸餾水進行萃取，最後做矽膠管柱層析(沖提液為n-hexane/ethyl acetate=30：1)，得到黃白色黏稠液體的300mg化合物2(產率：88%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm)：δ 0.77-0.90(m,6 H),1.02-1.25(m,24 H),1.89-1.98(m,2 H),2.28-2.39(m,2 H),4.58-4.64(m,1 H),7.11(d,J=5.4Hz,2 H),7.31(d,J=5.4Hz,2 H),7.45(dd,J 1=8.1Hz,J 2=1.2Hz,2 H),7.76(br,1 H),7.97(br,1 H),8.11(br,2 H)；13C NMR(CDCl3,75MHz,ppm)：δ 14.20,22.73,26.96,29.30,29.47,29.53,31.89,33.99,56.79,107.43,109.77,112.23,120.29,120.42,120.69,122.16,123.54,125.04,129.87,130.45,131.91,139.11,139.54,142.59,158.01；MS(FAB,C37H45Br2NS2)：理論值：727.70；實際值：728。
合成化合物3：
將0.67g(0.92mmol)的化合物2加入雙頸瓶中，以15mL的丙酮溶解後，一次性加入0.38g(2.12mmol)的N-Bromosuccimide，室溫下遮光反應12小時後，使用旋轉濃縮除去丙酮，用乙醚及蒸餾水進行萃取，最後做矽膠管柱層析(沖提液為n-hexane)，得到黃白色黏稠液體的550mg化合物3(產率：68%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm)：δ 0.79-0.90(m,6 H),0.95-1.25(m,24 H),1.82-1.90(m,2 H),2.17-2.28(m,2 H),4.44-4.51(m,1 H),7.11(d,J=5.4Hz,2H),7.43(d,J=5.4Hz,2 H),7.46(br,1 H),7.62(br,1 H),8.35(d,J=6.9Hz,2 H)；13C NMR(CDCl3,75MHz,ppm)：δ 14.21,15.42,22.73,26.77,29.24,29.39,29.41,31.86,33.75,57.17,65.99,111.48,113.59,114.59,115.98,123.23,124.62,124.93,126.27,130.18,130.80,131.35,138.04,138.22,141.55；MS(FAB,C37H43Br4NS2)：理論值：885.49；實際值：886.00。
合成化合物4：
將3.12g(3.52mmol)的化合物3置入雙頸瓶內抽真空烤瓶3次，加入82mL的無水THF，將溶液冷卻至-78℃後，緩慢滴入7.46mL(18.65mmol)的n-Butyllithium(濃度為2.5M in hexane)，維持-78℃反應1小時後回
室溫1小時，並於-78℃下加入3.53g(10.84mmol)的Di-n-octyldichlorosilane，回到室溫反應15小時後，用蒸餾水quench，再以乙醚及蒸餾水萃取，最後做矽膠管柱層析(沖提液為n-hexane)，得到綠色黏稠液體的1.05g化合物4(產率：28%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm)：δ 0.7-0.9(m,16 H),0.94-1.5(m,82 H),1.95-2.09(m,2 H),2.25-2.34(m,2 H),4.53-4.68(m,1H),7.12-7.18(m,1H),7.28-7.32(m,1H)7.41-7.48(s,1H),7.58-7.64(s,1H),8.15-8.21(s,2H)；MS(FAB,C69H111NS2Si2)：理論值：1073.7；實際值：1073.8。
合成化合物5：
將320mg(0.29mmol)的化合物4與20mL的1,2-dichloroethane置於雙頸瓶(A)中除氧30分鐘，並準備另一頸瓶(B)加入1.36mL的DMF，0℃下加入0.13mL的POCl3，將(B)溶液於0℃下緩慢滴入至(A)溶液，加熱至60℃迴流反應20小時後，將溶液倒入Na2CO3水溶液，以二氯甲烷及蒸餾水萃取，最後做矽膠管柱層析(沖提液為n-hexane/dichloromethane=1：1)，得到黃色固體的240mg化合物5(產率：73%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm)：δ 0.7-0.9(m,16 H),0.94-1.5(m,82 H),1.95-2.09(m,2 H),2.25-2.34(m,2 H),4.53-4.68(m,1H),7.56-7.61(s,1H),7.73-7.77(s,1H),7.79-7.83(s,2H),8.20-8.30(d,J=8Hz,2H),9.91-9.96
(s,2H)。
合成DTSC-4F：
將240mg(0.21mmol)的化合物5與240mg(1.05mmol)的2-(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-ylidene)malononitrile置於雙頸瓶中，加入15.5mL除氧的CHCl3反應30分鐘，再加入0.3mL的Pyridine，迴流反應1天後，加入蒸餾水quench，以二氯甲烷及蒸餾水萃取，最後做矽膠管柱層析(沖提液為n-hexane/dichloromethane=1：1)，得到深藍色固體的190mg DTSC-4F(產率：58%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm)：δ 0.72-0.87(m,16H),0.97-1.50(m,82H),2.05-2.16(m,2H),2.28-2.43(m,2 H),4.64-4.72(m,1H),7.68-7.77(q,J=8Hz),7.82-7.86(s,1H),7.91-7.97(m,3H),8.27-8.30(s,1H),8.31-8.34(s,1H),8.54-8.61(m,2H),8.99-9.03(s,2H)；MS(FAB,C95H115F4N5O2S2Si2)：理論值：1553.8；實際值：1554.7。藉由上述各步驟，可製備出DTSC-4F。
圖1之具體實施例的主動層可包含有電子供體、第一電子受體以及第二電子受體。其中，電子供體包含如以下式一之結構： 
其中，X係選自C、S、N、O中之一者；X1至X4可為相同亦可為不同，且X1至X4係分別選自C-H、C-F、C-Cl、C-Br、C-I中之一者；Ar及Ar’可為相同亦可為不同，且Ar及Ar’係分別選自下列群組中之一：具有取代基和未具有取代基之C1~C30的稠環芳香烴、具有取代基和未具有取代基之C1~C30的苯稠雜環化合物、具有取代基和未具有取代基之C1~C30的稠雜環化合物、具有取代基和未具有取代基之苯環、具有取代基和未具有取代基之五元雜環，以及具有取代基和未具有取代基之六元雜環；π可為相同亦可為不同，且π係選自下列群組中之一：具有取代基和未具有取代基之C1~C30的稠環芳香烴、具有取代基和未具有取代基之C1~C30的苯稠雜環化合物、具有取代基和未具有取代基之C1~C30的稠雜環化合物、具有取代基和未具有取代基之苯環、具有取代基和未具有取代基之五元雜環，以及具有取代基和未具有取代基之六元雜環、具有取代基和未具有取代基之烯烴、炔烴；m、m’、a、n、n’及b可為相同亦可為不同，且m、m’、a、n、n’及b係分別選自0到5的整數；以及x與y的總合為1。進一步地，電子供體之式五結構中，Ar及Ar’中之至少一者進一步包含有雜原子Si及S中之至少一者。式五結構中的取代基係選自下列群組中之一：C1~C30的烷基、C1~C30的支鏈烷基、C1~C30的矽烷基、C1~C30的酯基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基、C1~C30的鹵代烷基、C1~C30的烯烴、C1~C30的炔烴、C1~C30的含有氰基之碳鏈、C1~C30的含有硝基之碳鏈、C1~C30的含有羥基之碳鏈、C1~C30的含有酮
基之碳鏈、氧以及鹵素。於實際應用中，電子供體選自下列結構之一：
有機光電元件的製備及測試：
使用具有~15Ω/sq的薄層電阻的預圖案化的銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)塗覆的玻璃作為基板。依順序在含有肥皂之去離子水、去離子水、丙酮及異丙醇中超音波震盪處理，在每個步驟中清洗15分鐘。用UV-ozone清潔器進一步處理洗滌過的基材30分鐘。將ZnO(二乙基鋅溶液，在甲苯中15wt%，用四氫呋喃稀釋)的頂塗層，以5000rpm的旋轉速率30秒旋轉塗佈在ITO基板上，然後在空氣中在150℃下烘烤20分鐘。在o-xylene中製備主動層溶液。主動層包含前述之有機半導體混合材料。為將主動層完全溶解，主動層溶液需在加熱板上以120℃下攪拌至少1小時。隨後將主動層回復至室溫進行旋轉塗佈。最後將塗佈完成之主動層(D1：IT-4F(：PC70BM))形成的薄膜在120℃下熱退火5分鐘、主動層(D2：Y6(：
PC70BM))形成的薄膜在100℃下熱退火10分鐘、主動層(D3：DTSC-4F(：PC70BM))形成的薄膜在110℃下熱退火10分鐘，然後傳送至熱蒸鍍機中。在3×10-6Torr的真空度下，沉積MoO3的薄層(8nm)作為陽極中間層，隨後沉積100nm厚度的銀作為上電極。在手套箱內使用環氧樹脂封裝所有電池以製成有機電子元件(ITO/DEZ/主動層/MoO3/Ag)。以太陽光模擬器(具有AM1.5G濾光器的氙燈)在空氣中及室溫下AM1.5G(100mW cm-2)下，以1000W/m2的AM1.5G光強度下測量元件效能。
有機光電元件的效能分析：
於一具體實施例中，本發明之有機光電元件之主動層以IT-4F(結構如下)作為第一電子受體並以PC70BM作為第二電子受體。
表3：有機光電元件(D1：IT-4F(：PC70BM))
如表3所示，此有機光電元件(D1：IT-4F(：PC70BM))於添加比例為D1：IT-4F：PC70BM=1：0.9：0.1時具有較佳的效能，且填充因子及能量轉換效率皆同時提升。因此，將此添加比例之有機光電元件進行UV吸收測試以及形態測試。請參閱圖2、圖3A及圖3B，圖2係顯示了根據本發明之一具體實施例之有機光電元件之UV吸收測試結果，圖3A係顯示了圖2中未添加PC70BM之有機光電元件的形態測試結果，圖3B係顯示了圖2中添加PC70BM有機光電元件之形態測試結果。如圖2所示，將表3搭配圖2可以看出添加PC70BM前後的吸收波段以及短路電流密度(JSC)並未有明顯的變化。不過，添加PC70BM後可以提高能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。由此可知，本發明之有機光電元件(D1：IT-4F(：PC70BM))有別於先前技術是以擴寬有機光電元件的光譜吸收進而提高短路電流密度(JSC)為目的來添加第二受體，本發明之目的並非改變有機光電元件的吸收波段，而是以改善主動層的形態為目的，進而改善了能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。如圖3A及圖3B所示，可以明顯看出圖3B之有機半導體混合材料(D1：IT-4F：PC70BM)之聚集狀況明顯少於圖3A之有機半導體混合材料(D1：IT-4F)，因此有機半導體混合材料(D1：IT-4F：PC70BM)有效地控制了其的形態。
於另一具體實施例中，本發明之有機光電元件之主動層以Y6(結構如下)作為第一電子受體並以PC70BM作為第二電子受體。
如表4所示，此有機光電元件(D2：Y6(：PC70BM))於添加比例為(D2：Y6：PC70BM)=1：1：0.2時具有較佳的效能，且填充因子及能量轉換效率皆同時提升。因此，將此添加比例之有機光電元件進行UV吸收測
試以及形態測試。請參閱圖4、圖5A及圖5B，圖4係顯示了根據本發明之另一具體實施例之有機光電元件之UV吸收測試結果，圖5A係顯示了圖4中未添加PC70BM之有機光電元件的形態測試結果，圖5B係顯示了圖4中添加PC70BM有機光電元件之形態測試結果。如圖4所示，將表4搭配圖4可以看出添加PC70BM前後的吸收波段以及短路電流密度(JSC)並未有明顯的變化。不過，添加PC70BM後可以提高能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。由此可知，本發明之有機光電元件(D2：Y6(：PC70BM))有別於先前技術是以擴寬有機光電元件的光譜吸收進而提高短路電流密度(JSC)為目的來添加第二受體，本發明之目的並非改變有機光電元件的吸收波段，而是以改善主動層的形態為目的，進而改善了能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。如圖5A及圖5B所示，可以明顯看出圖5B之有機半導體混合材料(D2：Y6：PC70BM)之聚集狀況明顯少於圖5A之有機半導體混合材料(D2：Y6)，因此有機半導體混合材料(D2：Y6：PC70BM)有效地控制了其的形態。
於又一具體實施例中，本發明之有機光電元件之主動層以DTSC-4F(結構如下)作為第一電子受體並以PC70BM作為第二電子受體。
如表5所示，此有機光電元件(D3：DTSC-4F(：PC70BM))於添加比例為D3：DTSC-4F：PC70BM=1：0.8：0.2時具有較佳的效能，且填充因子及能量轉換效率皆同時提升。因此，將此添加比例之有機光電元件進行UV吸收測試以及形態測試。請參閱圖6、圖7A及圖7B，圖6係顯示了根據本發明之另一具體實施例之有機光電元件之UV吸收測試結果，圖7A係顯示了圖6中未添加PC70BM之有機光電元件的形態測試結果，圖7B係顯示了圖6中添加PC70BM有機光電元件之形態測試結果。如圖6所示，將表5搭配圖6可以看出添加PC70BM前後的吸收波段以及短路電流密度(JSC)並未有明顯的變化。不過，添加PC70BM後可以提高能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。由此可知，本發明之有機光電元件(D3：DTSC-4F(：PC70BM))有別於先前技術是以擴寬有機光電元件的光譜吸收進而提高短路電流密度(JSC)為目的來添加第二受體，本發明之目的並非改變有機光電元件的吸收波段，而是以改善主動層的形態為目的，進而改善了能量轉換效率(PCE)以及填充因子(FF)。如圖7A及圖7B所示，可以明顯看出圖7B之有機半導體混合
材料(D3：DTSC-4F：PC70BM)之聚集狀況明顯少於圖7A之有機半導體混合材料(D3：DTSC-4F)，因此有機半導體混合材料(D3：DTSC-4F：PC70BM)有效地控制了其的形態。
綜合上述之實驗結果，第二電子受體化合物之重量百分比皆不大於15%。此外，本發明之有機光電元件皆能有效的控制形態，並且在不降低填充因子的情況下，皆能具有10%以上的能量轉換效率(PCE)表現。
藉由以上具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1:有機光電元件
10:基板
11:第一電極
12:第一載子傳遞層
13:主動層
14:第二載子傳遞層
15:第二電極
Claims (9)
- 一種有機半導體混合材料，其包含：至少一電子供體，係為有機高分子，其包含式一結構：
- 如申請專利範圍第1項之有機半導體混合材料，其中該第一電子受體包含有IT-4F(3,9-雙(2-亞甲基-((3-(1,1-二氰基亞甲基)-6,7-二氟)-茚滿酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二硫代[2,3-d：2'，3'-d']-s-茚二酮[1,2-b：5,6-b']二噻吩，3,9-bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d：2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b：5,6-b’]dithiophene)。
- 如申請專利範圍第1項之有機半導體混合材料，其中該第一電子受體包含有基於苯并噻二唑為核的DAD結構稠環的A-DAD-A型非富勒烯有機材料。
- 如申請專利範圍第3項之有機半導體混合材料，其中該第一電子受體包含Y6
- 如申請專利範圍第1項之有機半導體混合材料，其中該第一電子受體包含 DTSC-4F
- 如申請專利範圍第1項之有機半導體混合材料，其中該第二電子受體包含PC70BM
- 一種有機光電元件，包含：一第一電極，包含透明電極；一第一載子傳遞層；一主動層，至少包含一種如申請專利範圍第1項所述之有機半導體混合材料；一第二載子傳遞層；以及一第二電極，其中該第一載子傳遞層位於該第一電極與該主動層之間、該主動層位於該第一載子傳遞層與該第二載子傳遞層之間，以及該第二載子傳遞層位於該主動層與該第二電極之間。
- 如申請專利範圍第7項之有機光電元件，其中該有機半導體混合材料中的該第一電子受體包含有IT-4F、Y6及DTSC-4F中之至少一者
- 如申請專利範圍第7項之有機光電元件，其中該有機半導體混合材料中的該第二電子受體包含有PC70BM
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201962884348P | 2019-08-08 | 2019-08-08 | |
| US62/884,348 | 2019-08-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202106753A TW202106753A (zh) | 2021-02-16 |
| TWI784295B true TWI784295B (zh) | 2022-11-21 |
Family
ID=74357541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW109124067A TWI784295B (zh) | 2019-08-08 | 2020-07-16 | 有機半導體混合材料及應用其之有機光電元件 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11895918B2 (zh) |
| CN (1) | CN112349836B (zh) |
| TW (1) | TWI784295B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113972322B (zh) * | 2021-09-29 | 2023-06-23 | 华南理工大学 | 一种高灵敏度自滤光多波段窄谱带响应有机光电探测器 |
| GB2624715A (en) * | 2022-11-28 | 2024-05-29 | Sumitomo Chemical Co | Composition |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105705610A (zh) * | 2013-08-23 | 2016-06-22 | 巴斯夫欧洲公司 | 具有端杂芳基氰基亚乙烯基的化合物及其在有机太阳能电池中的应用 |
| CN109456465A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-12 | 中国科学院化学研究所 | 一种具有低homo能级的聚合物材料及其制备方法与应用 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI438220B (zh) * | 2012-03-08 | 2014-05-21 | Univ Nat Chiao Tung | 化合物及其合成方法 |
| US20160233448A1 (en) * | 2013-09-23 | 2016-08-11 | The Regents Of The University Of California | Multiple donor/acceptor bulk heterojunction solar cells |
| CN105336861B (zh) * | 2014-06-27 | 2017-11-17 | 华为技术有限公司 | 一种有机太阳能电池及其制备方法 |
| EP3729533A1 (en) | 2017-12-18 | 2020-10-28 | King Abdullah University Of Science And Technology | Active layers and optoelectronic devices based on non-fullerenes and/or hole scavengers |
| WO2018099492A2 (en) * | 2017-12-21 | 2018-06-07 | Merck Patent Gmbh | Organic semiconducting compounds |
-
2020
- 2020-07-14 CN CN202010673470.XA patent/CN112349836B/zh active Active
- 2020-07-16 TW TW109124067A patent/TWI784295B/zh active
- 2020-07-21 US US16/934,747 patent/US11895918B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105705610A (zh) * | 2013-08-23 | 2016-06-22 | 巴斯夫欧洲公司 | 具有端杂芳基氰基亚乙烯基的化合物及其在有机太阳能电池中的应用 |
| CN109456465A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-12 | 中国科学院化学研究所 | 一种具有低homo能级的聚合物材料及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20210043853A1 (en) | 2021-02-11 |
| CN112349836B (zh) | 2024-03-26 |
| TW202106753A (zh) | 2021-02-16 |
| US11895918B2 (en) | 2024-02-06 |
| CN112349836A (zh) | 2021-02-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zheng et al. | Recent advances of dithienobenzodithiophene-based organic semiconductors for organic electronics | |
| KR101369244B1 (ko) | 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 채용한 유기 태양전지 | |
| KR101853395B1 (ko) | 전자 공여체 고분자 및 이를 포함하는 태양 전지 | |
| US10439141B2 (en) | P-type semiconducting polymers and related methods | |
| US20220396661A1 (en) | Novel polymer and organic electronic device using same | |
| WO2011147067A1 (zh) | 含稠环噻吩单元喹喔啉共轭聚合物及其制备方法和应用 | |
| TWI784295B (zh) | 有機半導體混合材料及應用其之有機光電元件 | |
| TW201329083A (zh) | 有機太陽電池材料及有機太陽電池元件 | |
| WO2014082309A1 (zh) | 含吡啶并[2,1,3]噻二唑单元的苯并二噻吩类共聚物及其制备方法与应用 | |
| KR102439270B1 (ko) | 신규한 중합체 및 이를 이용하는 유기 전자 소자 | |
| CN111418079A (zh) | 基于稠环噻吩的芳香体系 | |
| KR102291239B1 (ko) | N-형 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 함유하는 유기 태양전지 | |
| TWI795639B (zh) | 有機半導體材料及應用其之有機光電元件 | |
| KR20230112349A (ko) | 삼원계 광활성층 조성물 및 이를 포함하는 유기태양전지 | |
| KR102194466B1 (ko) | 카페인을 포함하는 유기반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기태양전지 | |
| Chen et al. | Intense Intramolecular Charge Transfer Endows Cyanated Polymer with Broad Absorption, Intensified Light-Harvesting, Long-Lived Exciton, and Superior Photovoltaic Property | |
| KR101564406B1 (ko) | 신규한 공액계 고분자 및 이를 이용한 유기전자소자 | |
| KR102389528B1 (ko) | 유기 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자 | |
| KR101306070B1 (ko) | 전도성 고분자 화합물 및 이를 포함하는 유기태양전지 | |
| KR102531257B1 (ko) | 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자 | |
| KR102310582B1 (ko) | 유기 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자 | |
| Yao | Material Design for High-Efficiency Polymer Solar Cells | |
| Bai | Material Design and Device Fabrication for High-Performance Non-Fullerene Organic Photovoltaics | |
| TW202409053A (zh) | 具有乙烯基之近紅外光有機小分子及應用其之主動層材料及有機光電元件 | |
| KR20240073487A (ko) | 신규한 유기반도체 화합물 및 이를 이용한 유기 전자 소자 |