WO2009062456A1 - Photoelektrisches halbleiterbauelement, basierend auf einem löslichen fullerenderivat - Google Patents
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Definitions
- Photoelectric semiconductor device based on a soluble fullerene derivative
- the invention relates to a photoelectric semiconductor component, in particular a photovoltaic cell, with a photoactive layer of two molecular components, namely an electron donor and a fullerene as electron acceptor electron component, using a novel soluble fullerene component, its advantage and specificity in simplified, more effective synthesis and in improved blend morphology, crystallinity and order of the photoactive and / or a hole-blocking and / or electron-transporting and / or n-conducting layer.
- Plastics referred to as conjugated polymers with an alternating succession of single and double bonds have energy bands comparable to semiconductors in terms of electron energy, so that they can also be converted by doping from the nonconducting to the metallically conducting state.
- conjugated plastics are polyphenylenes, polyphenylenevinyls, polythiophenes or polyanilines.
- the energy conversion efficiency of photovoltaic polymer cells of a conjugated polymer is typically between 10 "° and ICT 2%.
- the C70 analogue becomes a [6, 6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester ([7O] PCBM).
- [6O] -PCBM synthesis is described in JC Hummelen et. al., J. Org. Chem. 1995, Vol. 60, 532-538 / for the [7O] -PCBM synthesis, reference is made analogously to this citation.
- the object of the invention is to use special fullerene derivatives for use in photovoltaic cells, photodiodes or photodetectors which, in a yield suitable for industrial use, are simpler and more efficient than the standard fullerene C60-PCBM currently used for polymer solar cells ([6, 6 ] Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) can be prepared.
- the soluble fullerene component used is C60-PCBM ([6, 6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester) (occasionally C70-PCBM).
- C60-PCBM [6, 6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester
- C70-PCBM C70-PCBM
- the disubstituted fullerene derivative can be isolated simultaneously in about 10% yield.
- the advantage of this fullerene derivative synthesis according to Bingel compared to the standard material PCBM therefore consists in the reduction of the synthesis steps from 5 to 3 while increasing the overall yield from 35% to 60% based on the fullerene used and only one rather than two klalenchromatographi Service cleaning operations. This can significantly reduce the costs, which is significant for a later market introduction of polymer solar cells, since this can only succeed if the cost of modules based on such organic cells at the same or worse efficiencies significantly below those of the cheapest inorganic photovoltaic technology lie.
- radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E z according to claim 1 for example, an optimal match to the chemical structure and length of existing side groups in Elekronendonator with the aim of the highest possible order, partial crystallinity, Crystallinity to improve the nanophase separation, the charge carrier saparation or the charge carrier transport and thus ultimately to achieve the device efficiency.
- energy band positions (valence band, conduction band) can be controlled and optimally matched to the electron donor material used via the radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E 2 according to claim 1 and the degree of derivatization, which is important for is an effective charge transfer.
- the variability of the radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E 2 according to claim 1 also allows the solubility and film formation of the novel fullerene derivatives in a wide range of solvents targeted to adjust so that the use as an additional hole blocker and / or electron transport layer between the photoactive donor-acceptor and the cathode is possible.
- sulfur-containing end groups (eg SH, S-alkyl, SS-alkyl) in the radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E 2 according to claim 1 monolayer can be deposited by self-assembling effects on gold electrodes, the in turn may be used as a hole-blocking and / or electron-transporting layer and / or as an n-conducting layer in devices of the donor-acceptor bilayer type.
- COOH end groups in the radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E z according to claim 1 allow deposition by Langmuir-Blodgett technique or chemical attachment to polar substrate or electrode surfaces (such as SiO 2 or transparent conductive oxides).
- the chemical structure of the radicals R, R 1 , R 2 in E 1 and E 2 according to claim 1 can also be chosen so that the fullerene derivatives have liquid-crystalline properties, resulting in the targeted generation and control of order in the fullerene or fullerene layer and to induce order in adjacent donor or donor layers or donor-acceptor phases and donor-acceptor layers, respectively.
- Targeted high-order control in the molecular layers of donor-acceptor solar cells with separated donor and acceptor nanophases and simultaneously a large D-A interface is a key to improving the optical and electronic properties of such material combinations for application in photovoltaic cells, photodiodes and photodetectors.
- PEDOT-PSS polyethylene dioxythiophene-polystyrene sulfonate
- P3HT HC Starck
- the photovoltaic cell is completed by a thermally evaporated aluminum electrode and then characterized by recording current-voltage characteristics using an AMl .5 solar simulator (100 mW / cm 2 ).
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 9.88 mA / cm 2 , an open-circuit voltage of 558 mV, a fill factor of 0.45 and an efficiency of 2.48%.
- ITO indium tin oxide
- polystyrene sulfonate PDOT-PSS, Bayton P, HC Starck, aqueous suspension
- the photovoltaic cell is completed by a thermally evaporated aluminum IC ) electrode and then subjected in a glove box by means of a hot plate 40 min at 100 ° C a temperature aftertreatment. It is then characterized by recording current-voltage characteristics using an AMl .5 solar simulator (100 mW / cm 2 ).
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 7.99 mA / cm 2 , an open-circuit voltage of 587 mV, a fill factor of 0.41 and an efficiency of 1.92%.
- regioregular poly (3-hexylthiophene) P3HT is used as an electron donor and a malonic acid.
- a composite of the [6,6] -malonic acid dibutyl ester-C 6 l and P 3 HT (1: 1 mass ratio) mentioned in the example is likewise applied by spin coating in the form of a solution (layer thickness about 100-200 nm).
- a simulants serves chlorobenzene.
- the photovoltaic cell is completed by a thermally vapor deposited aluminum electrode and then in a glove box by means of a hot plate for 5 min at 80 0 C subjected to temperature after treatment. Thereafter, by recording current-voltage characteristics using an AMl.5 solar simulator (100 mW / cm 2 ) Characteri ⁇ siert.
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 7.77 i ⁇ A / cm 2 , an open circuit voltage of 588 mV, a fill factor of 0.37 and an efficiency of 1 ⁇ 67%.
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 9, 90 irtA / cm 2 , an open circuit voltage of 588 mV, a fill factor of 0.37 and a Efficiency of 2.16%.
- regioregular poly (3-hexylthiophene) P3HT
- PCBM regioregular poly (3-hexylthiophene)
- ITO indium tin oxide
- PDOT-PSS Polyethylendioxythiophen- polystyrene sulfonate
- a composite of [6, 6] -phenyl-C 6 -butyric acid methyl ester (PCBM) and P 3 HT (1: 1 mass ratio) in the form of a solution is likewise applied by spin coating (layer thickness about 100-200 nm) as the photoactive layer.
- the solvent used is chlorobenzene.
- a solution of [6, 6] -malonkladihexylester C ⁇ i is spun in n-butanol.
- the photovoltaic cell is completed by a thermally evaporated aluminum electrode and then in a glovebox by means of a hotplate for 5 min 100 0 C subjected to a temperature aftertreatment. Thereafter, by recording current-voltage characteristics by means of a
- AMl.5 solar simulator (100 mW / cm 2 ).
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 10.37 mA / cm 2 , an open circuit voltage of 614 mV, a filling factor of 0.50 and an efficiency of 3.2%.
- An analogously prepared reference cell without the additional layer
- [6, 6] -Malonic acid series xylester C 5 i shows a short-circuit current of 10.37 mA / cm 2 , an open circuit voltage of 620 mV, a filling factor of 0.47 and an efficiency of 3, 0%.
- PEDOT-PSS Polyethylendioxythiophen polystyrene sulfonate
- P3HT Polyethylendioxythiophen polystyrene sulfonate
- the photovoltaic cell is completed by a thermally evaporated aluminum electrode and then characterized by recording current-voltage characteristics using an AMl.5 solar simulator (100 mW / cm 2 ).
- the solar cell thus obtained has a short-circuit current of 15.80 mA / cm 2 , an open-circuit voltage of 560 mV, a fill factor of 0.41 and an efficiency of 3.30%.
- X-ray diffraction pattern (XRD), grazing incidence (angle of incidence: 0.3 °, Cu-K ⁇ radiation ⁇ : 0.154 nm) on a film made of a composite of regioregular poly (3-hexylthiophene) and [6,6] -malonic acid hexyl ester-Cei (mass ratio 1: 1) on a quartz substrate without (n ° ann .: curve dashed) and after different lengths of temperature treatment in one
- XRD X-ray diffraction pattern
- grazing incidence angle of incidence: 0.3 °, Cu-K ⁇ radiation ⁇ : 0.154 nm
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein photoelektrisches Halbleiterbauelement, insbesondere eine photovoltaische Zelle mit einer photoaktiven Schicht aus einer Elektronendonator- und einer Elektronenakzeptor-Komponente, wobei für die Elektronenakzeptor-Komponente ein in vereinfachter Weise synthetisierbares, lösliches Fullerenderivat Verwendung findet.
Description
[Patentanmeldung]
[Bezeichnung der Erfindung: ]
Photoelektrisches Halbleiterbauelement, basierend auf einem löslichen Fullerenderivat
tBesehreibung]
Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrisches Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine photovoltaische Zelle, mit einer photoaktiven Schicht aus zwei molekularen Komponen- ten, nämlich einem Elektronendonator und einer Fullerenkompo- nente als Elektronenakzeptor, wobei eine neuartige lösliche Fullerenkomponente verwendet wird, deren Vorteil und Besonderheit in vereinfachter, effektiverer Synthese und in verbesserter Blendmorphologie, Kristallinität und Ordnung der photoaktiven und/ oder einer Löcher blockierenden und/ oder Elektronen transportierenden und/ oder n-leitenden Schicht liegen.
[Stand der Technik]
Als konjugierte Polymere bezeichnete Kunststoffe mit einer abwechselnden Aufeinanderfolge von Einfach- und Doppelbindungen weisen hinsichtlich der Elektronenenergie mit Halbleitern vergleichbare Energiebänder auf, so dass sie auch durch Dotieren vom nichtleitenden, in den metallisch leitenden Zustand überführt werden können. Beispiele für solche konju- gierten Kunststoffe sind Polyphenylene, Polyphenylenvinyle, Polythiophene oder Polyaniline. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von photovoltaischen Polymerzellen aus einem konjugierten Polymer liegt allerdings typischerweise zwischen 10"° und ICT2 %. Zur Verbesserung dieses Wirkungsgrades ist es bekannt (US 5 454 880 A), die photoaktive Schicht aus zwei molekularen Komponenten aufzubauen, ~von denen die eine durch ein konjugiertes Polymer als Elektronendonator und die andere durch ein Fulleren, insbesondere ein Buckminsterfulleren C60, als Elektronenakzeptor gebildet werden. Der an den Grenzflä- chen zwischen diesen Komponenten durch Licht induzierte, sehr schnelle Elektronenübertrag vom Donator zum Akzeptor-Fulleren und der anschließende Abtransport durch Elektronen- Hoppingprozesse von Fulleren zu Fulleren verhindern eine weitergehende Ladungsträgerrekombination, was eine entspre-
chende Ladungstrennung zur Folge hat. Diese wirksame Ladungstrennung findet allerdings nur im Grenzflächenbereich zwischen dem Elektronendonatσr und dem Elektronenakzeptor statt, so dass eine möglichst homogene Verteilung der als Elektrone- nakzeptor wirksamen Fullerenkomponente in der den Elektronendonator bildenden Polymerkomponente angestrebt wird. Zur Lösung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen der Mischung aus dem konjugierten Polymer und Fulleren ein Fei- nungsmittel, vorzugsweise Chlorbenzol, als Lösungsmittel beizufügen (WO 0186734), wodurch die beiden Komponenten und deren Mischphasen zumindest in Abschnitten der photoaktiven Schicht eine durchschnittliche größte Korngröße kleiner als 500 nm aufweisen, so dass aufgrund der damit verbundenen Oberflächenvergrößerung der Berührungsanteil zwischen den beiden Komponenten entsprechend gesteigert wird, was zu einer deutlichen Verbesserung der Ladungstrennung führt und den davon abhängigen Wirkungsgrad auf 2,5 % unter simulierten AM 1,5 Bedingungen erhöhte. Da gezeigt werden konnte, dass sich die Elektronenbeweglich- keit in einer kristallinen Polymermatrix im Vergleich zu einer amorphen Matrix vergrößert, und bei einer Temperatur über der Glasumwandlungstemperatur die Kristallbildung zunimmt, wurde weiterhin vorgeschlagen, die photovoltaischen Zellen einer Nachbehandlung durch Wärme oberhalb der Glasum- Wandlungstemperatur des Elektronendonators unter gleichzeitigem Einfluss eines elektrischen Feldes zu unterwerfen (WO03098715) , was unter Verwendung von Glassubstraten bei Belichtung mit weißem Licht (80mW/cm2) den Wirkungsgrad auf 3,5% steigerte im Vergleich zu einer unbehandelten Zelle mit 0,4% Wirkungsgrad.
Stand der Technik für Polymersolarzellen auf Foliensubstraten ist ein Wirkungsgrad von 3,4% (M. Al-Ibrahim, S. Sensfuss, et al., Applied Physics Letters 86 (2005) 201120) .
Sowohl in WO0186734 als auch in WO03098715 als auch in der übergroßen Mehrzahl aller Publikationen zu photovoltaischen Zellen mit konjugierten Polymeren wird als lösliche Fulleren- komponente ein Methanofulleren, nämlich [6, 6] -Phenyl- C61- buttersäuremethylester (PCBM), eingesetzt. In EP1447860 (bzw. M. M. Wienk et. al . Angew. Chem. Int. Ed. 2003, Vol. 42, 3371 - 3375) wird das C70-Analoge ein [6, 6] -Phenyl- C71- buttersäuremethylester ([7O]-PCBM) verwendet. Die [6O]-PCBM Synthese ist beschrieben in J. C. Hummelen et. al., J. Org. Chem. 1995, Vol. 60, 532-538/ für die [7O]-PCBM Synthese wird analog auf dieses Zitat verwiesen.
Bekannt ist auch die Cyclopropanierung von C60- und C70- Fullerenen mit α-Halo-CH-aciden Verbindungen nach Bingel (C. Bingel, Chem. Ber. 126 (1993) 1957-1959 sowie Offenlegungs- schrift DE 4313481 Al und DE 19521626) . Es ist weiterhin bekannt, dass C60-Fullerene nach Cyclopropanierung mit α- Halo-CH-aciden Verbindungen gemäß Bingel flüssigkristalline Eigenschaften zeigen können (Blaise Dardel, J. Mater. Chem., 2001, Vol.11, 2814-2831).
[Aufgabe der Erfindung]
Das Ziel der Erfindung besteht darin spezielle Fullerenderi- vate zur Verwendung in photovoltaischen Zellen, Photodioden oder Photodetektoren einzusetzen, welche in einer für eine technische Anwendung geeigneten Ausbeute einfacher und effek- tiver als das für Polymersolarzellen derzeit verwendete Standardfulleren C60-PCBM ( [6, 6] -Phenyl- C61-buttersäure- methyl-ester) hergestellt werden können.
Die Lösung der vorliegenden Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Zur erfindungsgemäßen Herstellung der vorgenannten Bauelemente werden weiterhin über die Variation der Reste R, R1, R2 in E1 und E2 gemäß Anspruch 1 eine gezielte Löslichkeit sowie filmbildende, teilkristalline, flüssigkristalline oder seif-
assembling Eigenschaften erzeugt, die optimal auf den verwendeten Elekronendonatσr oder die verwendeten Elektroden bzw. Substrate abgestimmt werden können und letztlich über eine höhere Ordnung und/ oder verbesserte Phasenseparation von Elektonendonator und Elektronenakzeptor oder durch die Applikation als Löcher blockierende und/ oder Elektronen transportierende Schicht zur Effizienzverbesserung beitragen.
Gegenwärtig wird in der übergroßen Mehrzahl aller Publikatio- neu zu photovoltaischen Zellen mit konjugierten Polymeren als lösliche Fullerenkomponente C60-PCBM ( [6, 6] -Phenyl- C61- buttersäuremethylester) (vereinzelt C70-PCBM) eingesetzt. Für einen wirtschaftlichen, technischen Einsatz von löslichen Fullerenderivaten ist eine einfachere und effektivere Synthe- se als sie derzeit für C60- und C70-PCBM angewendet wird, wünschenswert. So erfordert die Syntheseroute nach J. C. Hummelen et. al., J. Org. Chem. 1995, Vol.60 532-538 beschriebene Syntheseroute eine 5-Stufensynthese (ausgehend von 4-Benzoylbuttersäure über den entsprechenden Methylester, anschließende Überführung in das korrespondierende Tosyl- hydrazon, danach Umsatz zur Diazoverbindung, dann Kopplung mit C60 zum [5, 6] -Fulleroid, nachfolgende Conversion zum [6,6]-PCBM durch Erhitzen) mit einem Zwischenschritt in 10%iger Ausbeute (Diazoverbindung) inklusive zwei säulenchro- matographischen Reinigungsoperationen, was zu einer Gesamtausbeute von ca. 35% bezogen auf C60 führt (s.a. Z. Zhu et al., J. Macromol. Sc. A 2004, Vol.41/12, 1467-1487). Desweiteren ist man aufgrund der Stabilität der Zwischenstufe (Hydrazon) auf Benzoyl- oder Aroylcarbonsäureester einge- schränkt. Bei der Cyclopropanierung nach Bingel können als CH-acide leicht und gut, auch im 100 g Maßstab über zwei Syntheseschritte in hohen Ausbeuten zugängliche Malonsäuredi- alkylester eingesetzt werden, die nach anschließender Kopplung mit C60 oder ClO oder einem höheren Kohlenstoffcluster
gemäß Anspruch 1 in Gegenwart von Basen (wie z.B. NaH) bei einfachster Reaktionsführung (z.B. Rühren bei Raumtemperatur) in nur einem einzigen Synthese- und nur einem säulenchroma- tographisehen Reinigungsschritt zum monosubstituierten Fulle- renderivat in. ca. 60 %iger Ausbeute führen. Das disubstitu- ierte Fullerenderivat kann dabei gleichzeitig in ca. 10%iger Ausbeute isoliert werden. Der Vorteil dieser Fullerenderivat- Synthese nach Bingel im Vergleich zum Standardmaterial PCBM besteht daher in der Verringerung der Syntheseschritte von 5 auf 3 bei gleichzeitiger Erhöhung der Gesamtausbeute von 35 % auf 60 % bezogen auf das eingesetzte Fulleren und nur einer statt zwei säulenchromatographisehen Reinigungsoperationen. Dadurch können deutlich die Kosten reduziert werden, was bedeutsam ist für eine spätere Markteinführung von Polymerso- larzellen, da dies nur gelingen kann, wenn die Kosten von Modulen basierend auf derartigen organischen Zellen bei gleichen oder schlechteren Wirkungsgraden deutlich unter denen der preiswertesten anorganischen Photovoltaiktechnolo- gie liegen. Des weiteren erlaubt die breite Vielfalt der möglichen Reste R, R1, R2 in E1 und Ez gemäß Anspruch 1 z.B. eine optimale Abstimmung auf die chemische Struktur und Länge vorhandener Seitengruppen im Elekronendonator mit dem Ziel, eine möglichst hohe Ordnung, Teilkristallinität, Kristallinitat zur Verbesserung der Nanophasenseparation, der Ladungsträgersaparation oder des Ladungsträgertransportes und damit letztlich der Deviceeffizienz zu erreichen. Außerdem können über die Reste R, R1, R2 in E1 und E2 gemäß Anspruch 1 sowie den Deri- vatisierungsgrad die Energiebandlagen (Valenzband, Leitungs- band) gesteuert und optimal auf das verwendete Elektronendo- natormaterial abgestimmt werden, was bedeutsam für einen effektiven Ladungstransfer ist. Die Variabilität der Reste R, R1, R2 in E1 und E2 gemäß Anspruch 1 gestattet auch, die Löslichkeit und Filmbildung der neuartigen Fullerenderivate
in einer breiten Lösungsmittelpalette gezielt so einzustellen, dass die Verwendung als zusätzliche Lochblocker- und/ oder Elektronentransportschicht zwischen photoaktiver Donator-Akzeptorschicht und der Kathode möglich wird. Ebenso können durch beispielweise schwefelhaltige Endgruppen (z.B. SH-, S-Alkyl, SS-Alkyl) in den Resten R, R1, R2 in E1 und E2 gemäß Anspruch 1 Monolayer durch self-assembling Effekte auf Goldelekroden abgeschieden werden, die wiederum als Lochblocker- und/ oder Elektronentransportschicht und/ oder als n- leitende Schicht bei Devices vom Donator-Akzeptor-Bilayer Typ verwendet werden können. COOH-Endgruppen in den Resten R, R1, R2 in E1 und Ez gemäß Anspruch 1 gestatten die Abscheidung durch Langmuir-Blodgett-Technik oder die chemische Anbindung an polare Substrat- oder Elektrodenoberflächen (wie Siθ2 oder transparenten leitfähigen Oxiden) . Die chemische Struktur der Reste R, R1, R2 in E1 und E2 gemäß Anspruch 1 kann auch so gewählt werden, dass die Fullerenderivate flüssigkristalline Eigenschaften besitzen, was zur gezielten Erzeugung und Steuerung von Ordnung in der Fullerenphase bzw. Fulleren- Schicht als auch zur Induzierung von Ordnung in benachbarten Donatorphasen bzw. Donatorschichten oder Donator-Akzeptor- Phasen bzw. Donator-Akzeptor-Schichten genutzt werden kann. Eine gezielte Steuerung von hoher Ordnung in den molekularen Schichten von Donator-Akzeptor-Solarzellen bei separierten Donator- und Akzeptor-Nanophasen und gleichzeitig großem D-AInterface ist ein Schlüssel zur Verbesserung der optischen und elektronischen Eigenschaften derartiger Materialkombinationen für die Applikation in photovoltaischen Zellen, Photodioden und Photodetektoren.
[Beispiele]
Ausführungsbeispiel 1
Aus Chloroformlösungen von [6, 6] -Malonsäuredihexylester-Cei, einem Komposit aus regioregularem PoIy (3-hexylthiophen) und [ 6, 6] -Malonsäuredihexylester-Cei (1:1 Masseverhältnis) sowie
einer Lösung der Referenzsubstanz [6, 6] -Phenyl-C61- buttersäuremethylester (PCBM) gleichfalls in Chloroform wird durch Spincoating jeweils ein Film auf einem Quarzsubstrat erzeugt. Die so erzeugten Filme werden mittels Röntgen- diffraktoπietrie im Bragg-Bereich (XRD) im streifenden Einfall (Einfallswinkel: 0,3°; Cu Ka Strahlung λ: 0.154 nm) auf kristalline Anteile untersucht. Anschließend werden die Filme in einer Glovebox mittels Heizplatte 40 min bei 1000C einer Temperaturnachbehandlung unterzogen und erneut mittels XRD untersucht (s. Abb. 1-2).
In den reinen Fullerenfilmen (Abb.l) erkennt man sehr gut, dass lediglich das Fullerenderivat [6,6J- Malonsäuredihexylester-C5i einen Kristallitpeak bei 2Θ=3,8° (Netzabstand: 2,3 nm; Kristallitgröße: ca. 15 nm ) ausbildet. Dieser Peak erhöht sich nach der Temperaturbe-handlung. Die Referenzsubstanz [6, 6] -Phenyl-C5J.-buttersäure:m.ethylester (PCBM) zeigt im Film weder vor noch nach Tempern einen Kristallitpeak. Im Kompositfilm aus regioregularem PoIy (3- hexylthiophen) und [ 6, 6] -Malonsäuredihexylester-C6i (Masseverhältnis 1:1, Abb.2) findet man sowohl Kristallite des ■ PoIy (3-hexylthiophens) bei 2Θ=5.3° (Netzebenenabstand d = 1.6 nm, mittlere Kristallitgröße L~10 nm) als auch Kristallite des [6, 6] -Malonsäuredihexyl-ester-CSi bei 2Θ=3.8°, Netz- ebenenabstand d = 2.3 nm, mittlere Kristallitgröße L-20-30 nm) . Beide Peaks nehmen nach Temperaturbehandlung an Intensität zu. Dies ist ein Beleg dafür, dass [6,6]- Malonsäuredihexylester-Cβi eine stärkere Fähigkeit zur Aus¬ bildung hochgeordneter Bereiche besitzt als das Referenz- und Standardmaterial [6, 6] -Phenyl-C6i-buttersäuremethylester, was eine höhere Ladungsträgermobilität im Vergleich zu PCBM erwarten lässt.
Ausführungsbeispiel 2
Für photovoltaische Zellen wird regioregulares PoIy (3- hexylthiophen) (P3HT) als Elektrσnendonator und ein Malonsäu- reester funktionalisiertes Fulleren, nämlich [6,6]- Malonsäuredihexylester-Cδi (entsprechend Anspruch 1 mit F: C50-Fulleren rαonofunktionalisiert mit E1=E2: COOR, R: n- Hexyl), als Elektronenakzeptor verwendet. Auf ein Indiumzinn- oxid (ITO7- 100 um) beschichtetes Substrat (Polyester), 'das als transparente Frontelektrode dient, wird eine Schicht aus Polyethylendioxythiophen-Polystyrensulfonat (PEDOT-PSS, Bayton P, H. C. Starck, wäßrige Suspension) in einer Dicke von ca. 100 nm mittels Spincoating aufgebracht. Anschließend wird als photoaktive Schicht ein Komposit aus dem im Beispiel genannten [6, 6] -Malonsäuredihexylester-C6i und P3HT (1:1 Masseverhältnis) in Form einer Lösung ebenfalls durch Spincoating aufgebracht (Schichtdicke ca. 100 - 200 nm) . Als Lösungsmittel dient Chloroform. Die photovoltaische Zelle wird komplettiert durch eine thermisch aufgedampfte Aluminium- elektrode und anschließend durch Aufnahme von Strom- Spannungskennlinien mittels eines AMl .5 Sonnensimulators (100 mW/cm2) charakterisiert. Die so erhaltene Solarzelle weist einen KurzSchlussström von 9,88 mA/cm2, eine Leerlaufspannung von 558 mV, einen Füllfaktor von 0,45 sowie einen Wirkungsgrad von 2,48 % auf.
Ausführungsbeispiel 3
Für photovoltaische Zellen wird regioregulares PoIy (3- hexylthiophen) (P3HT) als Elektronendonator und ein Malonsäu- reester funktionalisiertes Fulleren, nämlich [6,6]- Malonsäuredihexylester-Cβi (entsprechend Anspruch 1 mit F: C6o-Fulleren monofunktionalisiert mit E1=E2: COOR, R: n- Hexyl) , als Elektronenakzeptor verwendet. Auf ein Indiumzinnoxid (ITO, 100 nm) beschichtetes Substrat (Polyester) , das als transparente Frontelektrode dient/ wird eine Schicht aus
Polyethylendioxythiophen-Polystyrensulfonat (PEDOT-PSS, Bayton P, H. C. Starck, wäßrige Suspension) in einer Dicke von ca. 100 nm mittels Spincoating aufgebracht. Anschließend wird als photoaktive Schicht ein Korαposit aus dem im Beispiel 5 genannten [ 6, 6] -Malonsäuredihexylester-Cei und P3HT (1:1 Masseverhältnis) in Form einer Lösung ebenfalls durch Spincoating aufgebracht (Schichtdicke ca. 100 - 200 nm) . Als Lösungsmittel dient Chlorbenzol. Die photovoltaische Zelle wird komplettiert durch eine thermisch aufgedampfte Aluminium- IC) elektrode und anschließend in einer Glovebox mittels Heizplatte 40 min bei 100 °C einer Temperaturnachbehandlung unterzogen. Danach wird durch Aufnahme von Strom- Spannungskennlinien mittels eines AMl .5 Sonnensimulators (100 mW/cm2) charakterisiert. Die so erhaltene Solarzelle weist 15 einen Kurzschlußstrom von 7,99 mA/cm2, eine LeerlaufSpannung von 587 mV, einen Füllfaktor von 0,41 sowie einen Wirkungsgrad von 1,92 % auf.
Ausführungsbeispiel 4
20 Für photovoltaische Zellen wird regioregulares PoIy (3- hexylthiophen) (P3HT) als Elektronendonator und ein Malonsäu-
. reesterfunktionalisiertes Fulleren, nämlich [6,6]-
Malonsäuredibutylester-Cδi (entsprechend Anspruch 1 mit F:
Cso-Fulleren monofunktionalisiert mit Eα=E2: COOR, R: n- 5 Butyll) , als Elektronenakzeptor verwendet. Auf ein Indiumzinnoxid (ITO, 100 nm) beschichtetes Substrat (Polyester) , das als transparente Frontelektrode dient, wird eine Schicht aus Polyethylendioxythiophen-Polystyrensulfonat (PEDOT-PSS, Bayton P, H. C. Starck, wäßrige Suspension) in einer Dicke von 0 ca. 100 nm mittels Spincoating aufgebracht. Anschließend wird als photoaktive Schicht ein Komposit aus dem im Beispiel genannten [6, 6] -Malonsäuredibutylester-C6i und P3HT (1:1 Masseverhältnis) in Form einer Lösung ebenfalls durch Spincoating aufgebracht (Schichtdicke ca. 100 - 200 nm) . Als Lö-
simgsmittel dient Chlorbenzol. Die photovoltaische Zelle wird komplettiert durch eine thermisch aufgedampfte Aluminiumelektrode und anschließend in einer Glovebox mittels Heizplatte 5 min bei 800C einer Temperaturnachbehandlung unterzo- gen. Danach wird durch Aufnahme von Strom-Spannungskennlinien mittels eines AMl.5 Sonnensimulators (100 mW/cm2) charakteri¬ siert. Die so erhaltene Solarzelle weist einen KurzSchlußström von 7,77 iαA/cm2, eine LeerlaufSpannung von 588 mV, einen Füllfaktor von 0,37 sowie einen Wirkungsgrad von 1Λ67 % auf. Bei Verwendung eines ITO beschichteten Glassubstrates (statt Polyester) und einer Temperaturnachbehandlung von 5 min bei 1000C weist die so erhaltene Solarzelle einen Kurzschlußstrom von 9, 90 irtA/cm2, eine Leerlaufspannung von 588 mV, einen Füllfaktor von 0,37 sowie einen Wirkungs- grad von 2,16 % auf.
Ausführungsbeispiel 5
Für photovoltaische Zellen wird regioregulares PoIy (3- hexylthiophen) (P3HT) als Elektronendonator und [ 6, 6] -Phenyl- Cei-buttersäuremethylester (PCBM) als Elektronenakzeptor verwendet. Auf ein Indiumzinnoxid (ITO, 100 um) beschichtetes Substrat (Glas) , das als transparente Frontelektrode dient, wird eine Schicht aus Polyethylendioxythiophen- Polystyrensulfonat (PEDOT-PSS, Bayton P, H. C. Starck, wäßrige Suspension) in einer Dicke von ca. 100 nm mittels Spincoating aufgebracht. Anschließend wird als photoaktive Schicht ein Komposit aus [6, 6] -Phenyl-C6i-buttersäuremethylester (PCBM) und P3HT (1:1 Masseverhältnis) in Form einer Lösung ebenfalls durch Spincoating aufgebracht (Schichtdicke ca. 100 - 200 nm) . Als Lösungsmittel dient Chlorbenzol. Danach wird eine Lösung von [6, 6] -Malonsäuredihexylester-Cεi in n-Butanol aufgeschleudert. Die photovoltaische Zelle wird komplettiert durch eine thermisch aufgedampfte Aluminiumelektrode und anschließend in einer Glovebox mittels Heizplatte 5 min bei
1000C einer Temperaturnachbehandlung unterzogen. Danach wird durch Aufnahme von Strom-Spannungskennlinien mittels eines
AMl.5 Sonnensimulators (100 mW/cm2) charakterisiert. Die so erhaltene Solarzelle weist einen Kurzschlußstrom von 10,37 mA/cm2, eine Leerlaufspannung von 614 mV, einen Füllfaktor von 0,50 sowie einen Wirkungsgrad von 3,2 % auf. Eine analog präparierte Referenzzelle ohne die zusätzliche Schicht aus
[6, 6] -Malonsäuredihexylester-C5i zeigt einen Kurzschlußstrom von 10,37 mA/cm2, eine LeerlaufSpannung von 620 mV, einen Füllfaktor von 0,47 sowie einen Wirkungsgrad von 3, 0 % auf.
Ausführungsbeispiel 6
Für photovoltaische Zellen wird regioregulares PoIy (3- hexylthiophen) (P3HT) als Elektronendonator und ein Malonsäu- reesterfunktionalisiertes Fulleren, nämlich [6,6]- Malonsäuredihexylester-C7i (entsprechend Anspruch 1 mit F: Cvo-Fulleren monofunktionalisiert mit EX=ΕZ: COOR, R: n- Hexyl) , als Elektronenakzeptor verwendet. Auf ein Indiumzinnoxid (ITO, 100 nm) beschichtetes Substrat (Polyester), das als transparente Frontelektrode dient, wird eine Schicht aus Polyethylendioxythiophen-Polystyrensulfonat (PEDOT-PSS, Bayton P, H. C. Starck, wäßrige Suspension) in einer Dicke von ca. 100 nm mittels Spincoating aufgebracht. Anschließend wird als photoaktive Schicht ein Komposit aus dem im Beispiel genannten [6, 6] -Malonsäuredihexylester-Cii und P3HT (1:1 Masseverhältnis) in Form einer Lösung ebenfalls durch Spincoating aufgebracht (Schichtdicke ca. 100 - 200 nm) . Als Lö¬ sungsmittel dient Chlorbenzol. Die photovoltaische Zelle wird komplettiert durch eine thermisch aufgedampfte Aluminium- elektrode und anschließend durch Aufnahme von Strom- Spannungskennlinien mittels eines AMl.5 Sonnensimulators (100 mW/cm2) charakterisiert. Die so erhaltene Solarzelle weist einen KurzSchlußström von 15,80 mA/cm2, eine Leerlaufspannung
von 560 mV, einen Füllfaktor von 0,41 sowie einen Wirkungsgrad von 3,30 % auf.
Bezugszeichenliste
1 Röntgendiffraktometrieaufnahme (XRD) ., streifender Einfall (Einfallswinkel: 0,3°; Cu-Kα Strahlung λ: 0.154 ran) an einem Film der Referenzsubstanz [6,6]- Phenyl- C6r-buttersäuremethylester (PCMB) auf Quarzsubstrat ohne (n.ann.: Kurve ausgezogen) und nach Temperaturbehandlung (40 min, 1000C: Kurve gestrichelt) in einer Glovebox
2 Röntgendiffraktometrieaufnahme (XRD) , streifender Einfall (Einfallswinkel: 0,3°; Cu-Kα Strahlung λ: 0.154 nm) an einem Film aus [6, 6] -Malonsäuredihexyl- ester-CeldylDHE) auf Quarzsubstrat ohne (n.ann.: Kurve ausgezogen) und nach Temperaturbehandlung (40 min, 1000C: Kurve gestrichelt) in einer Glovebox
3 Röntgendiffraktometrieaufnahme (XRD) , streifender Einfall (Einfallswinkel: 0,3°; Cu-Kα Strahlung λ: 0.154 nm) an einem Film aus einem Komposit aus regioregula- rem PoIy (3-hexylthiophen) und [6, 6] -Malonsäuredihexyl- ester-Cei (Masseverhältnis 1:1) auf einem Quarzsub- strat ohne (n. ann.: Kurve gestrichelt) und nach unterschiedlich langer Temperaturbehandlung in einer
Glovebox bei 1000C (bei 5': Kurve—O , bei 10':
Kurve—^—, bei 15': Kurve —ψ— , bei 30': Kurve φ und bei 40": Kurve —Ai— )
Claims
1. Photoelektrisches Halbleiterbauelement mit einer photoak¬ tiven Schicht aus mindestens zwei molekularen Komponen- ten, nämlich mindestens einem Elektronendonator und mindestens einem löslichen und kristallisationsfähigen FuI- lerenderivat der Formel I als Elektronenakzeptor, welches aus einem Kohlenstoffcluster mit 60-960 C-Atomen, vorzugsweise 60-70 C-Atomen, und mindestens einem über einen Cyclopropanring an das Kohlenstoffcluster gebundenen Sub- stituenten besteht.
dadurch gekennzeichnet, dass F besagtes Kohlenstoff- cluster und E1, E2 gleich oder verschieden COOR, COR, CONRR1, P(O) (OR)2 und SO2R sind, wobei R, R1 einen unver- zweigten oder verzweigten, gegebenenfalls ein- oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen H-, SH-, S-Alkyl, SS-Alkyl, NH-, OH- oder COOH- terminierten Rest mit Ci-C2O/- bevorzugt C1-C12, darstellen, in dem bis zu jede dritte CH2-Einheit durch 0, S oder NR2 ersetzt sein kann, mit R2= H oder (Ci-C20) -Alkyl oder Phe- nyl oder Benzyl, oder R, R1 bedeuten einen aromatischen H-, SH-, S-Alkyl, SS-Alkyl, NH-, OH- oder COOH- terminierten Rest mit Phenyl, Benzyl, Naphthyl, Anthrace- nyl, Pyrenyl, oder R, R1 enthalten einen unverzweigten, gegebenenfalls ein- oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen Rest mit Ci-C20, gekoppelt mit einem flüssigkristallinen Promoter, bestehend aus einem starren Molekülteil (Aromat oder Cycloaliphat, z.B. Phe¬ nyl, Biphenyl, Anthracenyl, Pyrazinyl, Cyclohexyl, Cho- lesteryl) und einer polarisierbaren Gruppe, z.B. COO, CONH, CH=N, N=N, NO=N, CH=CH, CH=CH-CH=N, C-C- Dreifachbindung, gefolgt von einem starren Molekülteil (Aromat oder Cycloaliphat z.B. Phenyl, Biphenyl, Cyclohe- xyl^ Cholesteryl) , verknüpft mit einer Endgruppe wie Al- kyl, Alkoxy, OCOAlkyl, COOAlkyl, 0C00A1kyl, CN, Halogen, NO2, oder der flüssigkristalline Promoter besteht aus einem der besagten starren Molekülteile, verknüpft mit einer der besagten polarisierbaren Gruppen, oder der flüs- sigkristalline Promoter besteht aus zwei aufeinanderfolgenden besagten starren Molekülteilen, verknüpft mit einer der besagten Endgruppen, wobei bei allen Typen der flüssigkristallinen Promoter die Alkyl, Alkoxy, OCOAlkyl, COOAlkyl, OCOOAlkyl Endgruppen H-, SH-, S-Alkyl, SS- Alkyl, NH-, OH- oder COOH-terminiert sein können, und dass sich über die Variierung der Reste R, Ri, Rz in Eα und E2 die Löslichkeit und die filmbildenden kristallinen, teilkristallinen, flüssigkristallinen oder self- assembling-Eigenschaften und, zusätzlich über den Deriva- tisierungsgrad des Fullerens, die Energiebandlagen für das Valenz-/Leitungsband, auf das Material des Elektronendonators abstimnibar einstellen lassen.
2. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Derivatisierungsgrad des Fullerenes 1 bis 3 beträgt, d.h. dass über einen Cyc- lopropanring in [5,6]- oder [6, 6] -Position an das Fulle- renmolekül 1 bis 3 Funktionalitäten gebunden sind, und das monoderivatisierte, zweifach und dreifach derivati- sierte Fullerenderivat isoliert oder im Gemisch einge- setzt werden.
3. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonator und das Fullerenderivat in der photoaktiven Schicht als Mischung oder als separate übereinanderliegende Schichten, unterteilt in eine oder mehrere p-leitende Schichten, bestehend aus dem Elektronendonator, und, unterteilt in eine oder mehrere n-leitende Schichten, bestehend aus dem Fullerenderivat, vorliegen.
4. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1-3, dadurch gekennnzeich.net, dass das Fullerenderivat als Elektronen transportierende und/ oder Löcher blockierende Schicht verwendet wird.
5. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonator aus einem konjugierten Polymer, konjugierten Oligomer, konjugierten Molekül, welches frei von Wiederholungseinheiten ist, oder aus Quantendots, Quantenwells oder anorganischen halbleitenden Nanopartikeln besteht.
6. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das konjugierte Polymer oder konjugierte Oligomer aus der Gruppe der substituierten oder unsubstituierten Thiophene, Phenylenvinylene, Pheny- lenethinylene, Phenylene, Fluorene, Acetylene, Isothia- naphthene, Benzothiadiazole, Pyrrole, Triarylamine, Thie- nopyrazine, Polymethine, Cyanine, Polyene, Polyaniline und Kombinationen davon besteht.
7. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das konjugierte Molekül frei von Wiederholungseinheiten aus einem metallfreien oder metallhaltigen Phthalocyanin, einem metallfreien oder metallhaltigen Porphyrin, einem substituierten oder unsubstituierten Coronen, Rubren, Pentacen oder Perylen besteht.
8. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantendots, Quantenwells oder anorganischen halbleitenden Nanopartikel aus funktionalisierten oder nicht-funktionalisierten CdS, CdTe, TiO2, CuInSe2, CuInS2, Cu (In, Ga) Se2 oder Cu (In, Ga) S2 bestehen.
9. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Masse zu Masse-Verhält- nis des Fullerenes zum p-leitenden Material in der photoaktiven Schicht 10:1 bis 1:10 beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines photoelektrischen Halb¬ leiterbauelementes nach Anspruch 1-9, bei dem zur Bildung der photoaktiven Schicht mindestens ein besagtes Elektro- nendonatormaterial und mindestens ein erfindungsgemäßes- Fulleren mit einer Flüssigkeit, die auch ein Lösungsmit¬ telgemisch oder ein Lösemittel mit einem Anteil Nichtlö- ser sein kann, gemischt und danach getrocknet werden.
11. Verfahren zur Herstellung eines photoelektrischen HaIb- leiterbauelementes nach Anspruch 1-9, bei der die photoaktive Schicht durch Abscheidung einer separaten Schicht, bestehend aus mindestens einem der besagten Elektronendo- natormaterialien, auf einem Substrat sowie der Abscheidung einer weiteren separaten Schicht, bestehend aus min- destens einem der erfindungsgemäßen Fullerenderivate, auf das Substrat hergestellt wird.
12. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1- 11, dadurch gekennzeichnet/ dass das Halbleiterbauelement als photovoltaische Zelle ausgebildet ist.
13. Photoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1-
11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als Photodiode ausgebildet ist.
14. Solarmodul, bestehend aus photoelektrischen Halbleiterbauelementen nach Anspruch 1-12.
15. P.hotodetektorr optischer Scanner oder Bauelement zur Messung der Lichtintensität, bestehend aus einer oder mehreren photoelektrischen Halbleiterelementen nach Anspruch 1-11.
16. Photohalbleitende Schicht, gekennzeichnet durch ihre Herstellung nach einem der Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11.
17. Fullerenderivat, gekennzeichnet durch eine der in den An- Sprüchen 1-8 oder 9 definierten Zusammensetzungen.
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