雜環化合物和包含其的有機太陽能電池的製作方法

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本申請要求於2015年2月17日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請第10-2015-0024278號的優先權和權益，其全部內容通過引用併入本文。

本說明書涉及雜環化合物和包含其的有機太陽能電池。

背景技術：

有機太陽能電池是可通過應用光伏效應將太陽能直接轉換成電能的器件。根據構成薄膜的材料，太陽能電池可分為無機太陽能電池和有機太陽能電池。典型的太陽能電池通過摻雜為無機半導體的晶體矽(si)經由p-n結製成。通過吸收光而產生的電子和空穴向p-n結點擴散並且在通過電場加速時向電極移動。該過程中的功率轉換效率定義為給予外電路的電功率與進入太陽能電池的太陽能功率之比，並且當在目前標準化的虛擬太陽照射條件下測量時，所述效率已達到約24％。然而，由於相關技術中的無機太陽能電池已經顯示出在經濟可行性以及材料需求和供應方面的限制，所以容易加工且廉價並且具有多種功能的有機半導體太陽能電池作為長期替代能源已受到關注。

對於太陽能電池而言，重要的是提高效率，使得由太陽能輸出儘可能多的電能。為了提高太陽能電池的效率，在半導體內生成儘可能多的激子是重要的，並且，將所生成的電荷帶出到外部而不損失同樣重要。電荷損失的原因之一是所生成的電子和空穴由於複合所引起的損耗。已經提出了多種方法以將所生成的電子和空穴遞送到電極而不損失，但是大多數情況都需要額外的過程，並因此可使製造成本增加。

[專利文獻]

us5331183

us5454880

技術實現要素：

技術問題

本說明書的目的是提供雜環化合物和包含其的有機太陽能電池。

技術方案

本說明書提供了由以下化學式1表示的雜環化合物。

[化學式1]

在化學式1中，

m1、m2、n1和n2各自為1至3的整數，

當m1、m2、n1和n2各自為2或更大時，方括號中的兩個或更多個結構彼此相同或不同，

l1、l2和l3彼此相同或不同，並且各自獨立地為直接鍵；或二價連接基團，

x1至x10彼此相同或不同，並且各自獨立地為crr′、nr、o、sirr′、pr、s、gerr′、se或te，

r、r′、r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；氘；滷素基團；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的芳氧基；經取代或未經取代的烷基硫基；經取代或未經取代的芳基硫基；經取代或未經取代的烷基磺醯基；經取代或未經取代的芳基磺醯基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的烷基胺基；經取代或未經取代的芳烷基胺基；經取代或未經取代的芳基胺基；經取代或未經取代的雜芳基胺基；經取代或未經取代的芳基；或者經取代或未經取代的包含n、o和s原子中的一種或更多種的雜環基，以及

a1和a2彼此相同或不同，並且各自獨立地為充當電子受體的結構。

此外，本說明書提供了有機太陽能電池，其包括：第一電極；設置成面對所述第一電極的第二電極；以及設置在所述第一電極與所述第二電極之間且包含光活性層的具有一個或更多個層的有機材料層，其中所述有機材料層的一個或更多個層包含上述雜環化合物。

有益效果

根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物具有這樣的核，所述核具有包含具有電子供體特性的兩個或更多個苯並二噻吩(bdt)的結構，並且因此，所述雜環化合物具有長的有效共軛長度。

此外，根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物具有這樣的核，所述核具有包含兩個或更多個苯並二噻吩(bdt)的結構，並且因此，所述雜環化合物可提供具有增加的分子量的化合物。

此外，根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物包含連接兩個苯並二噻吩(bdt)的l1，並且因此，具有使該化合物的有效共軛長度變得相對長的效果，並且分子間相互作用可通過調節l1的取代基以調節l1與兩個苯並二噻吩(bdt)之間的扭轉角來調節。

因此，雜環化合物可用作用於有機太陽能電池的有機材料層的材料，並且包含所述雜環化合物的有機太陽能電池可表現出在開路電壓和短路電流增加、低帶隙效應和/或效率提高等方面優異的特性。

根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物可單獨或以與其他材料的混合物形式用於有機太陽能電池，並且可預期通過例如該化合物的熱穩定性的特性來提高裝置的效率並提高其使用壽命。

附圖說明

圖1是說明根據本說明書的一個示例性實施方案的有機太陽能電池的視圖。

圖2是說明化合物1-1的nmr譜的視圖。

圖3是說明在根據製備例2的化合物1-2的製備中為起始材料的c的nmr譜的視圖。

圖4是說明在根據製備例3的化合物1-3的製備中為中間體的1-e的nmr譜的視圖。

圖5是說明根據製備例4的化合物1-13的ms數據的視圖。

圖6是說明在根據製備例4的化合物1-13的製備中為中間體的1-h的nmr譜的視圖。

具體實施方式

下文中，將對本說明書進行詳細地描述。

本說明書提供了由化學式1表示的雜環化合物。

在本說明書中，意指與另一取代基連接的部分。

在本說明書中，當一個部分「包括」一個組成元件時，除非另有明確描述，否則這不意指排除其他組成元件，而意指還可包括其他組成元件。

取代基的實例將在下面進行描述，但是不限於此。

術語「取代」意指與化合物的碳原子鍵合的氫原子變成另一取代基，並且取代的位置不受限制，只要該位置是氫原子被取代的位置(即，取代基可進行取代的位置)即可，並且當兩個或更多個取代基進行取代時，兩個或更多個取代基可彼此相同或不同。

如本文所使用的術語「經取代或未經取代的」意指被選自以下的一種或更多種取代基取代：氘；滷素基團；烷基；烯基；烷氧基；酯基；羰基；羧基；羥基；環烷基；甲矽烷基；芳基烯基；芳氧基；烷基硫基；烷基磺醯基；芳基磺醯基；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；以及包含n、o和s原子中的一種或更多種的雜環基，或者不具有取代基。

所述取代基可以是未經取代的或者經另外的取代基取代。

在本說明書中，滷素基團可為氟、氯、溴或碘。

在本說明書中，醯亞胺基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至25。具體地，醯亞胺基可為具有以下結構的化合物，但不限於此。

在本說明書中，對於醯胺基而言，醯胺基的一個或兩個氮原子可以被氫，具有1至25個碳原子的直鏈、支化或環狀烷基或者具有6至25個碳原子的芳基取代。具體地，醯胺基可為具有以下結構式的化合物，但不限於此。

在本說明書中，烷基可為直鏈或支化的，並且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至50。其具體實例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、異丙基、丁基、正丁基、異丁基、叔丁基、仲丁基、1-甲基-丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、異戊基、新戊基、叔戊基、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、叔辛基、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-甲基己基等，但不限於此。

在本說明書中，環烷基沒有特別限制，但是其碳原子數優選為3至60，並且其具體實例包括環丙基、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-叔丁基環己基、環庚基、環辛基等，但不限於此。

在本說明書中，烷氧基可為直鏈、支化或環狀的。烷氧基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至20。其具體實例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、異丙氧基(isopropoxy)、異丙基氧基(i-propyloxy)、正丁氧基、異丁氧基、叔丁氧基、仲丁氧基、正戊氧基、新戊氧基、異戊氧基、正己氧基、3，3-二甲基丁氧基、2-乙基丁氧基、正辛氧基、正壬氧基、正癸氧基、苄氧基、對甲基苄氧基等，但不限於此。

在本說明書中，烯基可為直鏈或支化的，並且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為2至40。其具體實例包括乙烯基、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、烯丙基、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、苯乙烯基等，但不限於此。

在本說明書中，甲矽烷基的具體實例包括三甲基甲矽烷基、三乙基甲矽烷基、叔丁基二甲基甲矽烷基、乙烯基二甲基甲矽烷基、丙基二甲基甲矽烷基、三苯基甲矽烷基、二苯基甲矽烷基、苯基甲矽烷基等，但不限於此。

在本說明書中，芳基可為單環芳基或多環芳基，並且包括其中取代有具有1至25個碳原子的烷基或具有1至25個碳原子的烷氧基的情況。此外，本說明書中的芳基可意指芳族環。

當芳基是單環芳基時，其碳原子數沒有特別限制，但是優選為6至25。單環芳基的具體實例包括苯基、聯苯基、三聯苯基等，但不限於此。

當芳基是多環芳基時，其碳原子數沒有特別限制，但是優選為10至24。多環芳基的具體實例包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、基、芴基等，但不限於此。

在本說明書中，芴基具有其中兩個環狀有機化合物通過一個原子彼此連接的結構。

在本說明書中，芴基可被取代，並且相鄰的取代基可以彼此鍵合形成環。

當芴基被取代時，取代基可為等。然而，芴基不限於此。

在本說明書中，雜芳基為包含o、n或s中的一種或更多種作為雜元素的雜芳基，並且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為2至60。雜芳基的實例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、吡啶基、聯吡啶基、嘧啶基、三嗪基、三唑基、吖啶基、噠嗪基、吡嗪基、喹啉基、喹唑啉基、喹喔啉基、酞嗪基、吡啶並嘧啶基、吡啶並吡嗪基、吡嗪並吡嗪基、異喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯並唑基、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、菲咯啉基、異唑基、噻二唑基、苯並噻二唑基、吩噻嗪基、二苯並呋喃基等，但不限於此。

在本說明書中，雜環基可為單環的或多環的，可為芳族環、脂族環或者芳族環和脂族環的稠環，並且可選自雜芳基的實例。

在本說明書中，芳基胺基的實例包括經取代或未經取代的單芳基胺基、經取代或未經取代的二芳基胺基或者經取代或未經取代的三芳基胺基。芳基胺基中的芳基可為單環芳基或多環芳基。包含兩個或更多個芳基的芳基胺基可包括單環芳基、多環芳基或者單環芳基和多環芳基二者。

芳基胺基的具體實例包括苯基胺基、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、咔唑基、三苯基胺基等，但不限於此。

在本說明書中，雜芳基胺基中的雜芳基可選自上述雜環基的實例。

在本說明書中，芳氧基、芳基硫基、芳基磺醯基和芳烷基胺基中的芳基與上述芳基的實例相同。具體地，芳氧基的實例包括苯氧基、對甲苯氧基、間甲苯氧基、3，5-二甲基-苯氧基、2，4，6-三甲基苯氧基、對叔丁基苯氧基、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-菲氧基、3-菲氧基、9-菲氧基等，芳基硫基的實例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-叔丁基苯基硫基等，並且芳基磺醯基的實例包括苯磺醯基、對甲苯磺醯基等，但實例不限於此。

在本說明書中，烷基硫基和烷基磺醯基中的烷基與上述烷基的實例相同。具體地，烷基硫基的實例包括甲基硫基、乙基硫基、叔丁基硫基、己基硫基、辛基硫基等，並且烷基磺醯基的實例包括甲磺醯基、乙基磺醯基、丙基磺醯基、丁基磺醯基等，但實例不限於此。

在本說明書中，亞芳基意指在芳基中具有兩個鍵合位置的基團，即，二價基團。上述對芳基的描述可適用於亞芳基，不同之處在於亞芳基是二價的。

在本說明書中，亞雜芳基意指在雜芳基中具有兩個鍵合位置的基團，即，二價基團。上述對雜芳基的描述可適用於亞雜芳基，不同之處在於亞雜芳基是二價的。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，l1選自直接鍵；或者以下結構。

在所述結構中，

u1為nr111、s或o，

u2和u3彼此相同或不同，並且各自獨立地為n或ch，

r101至r111彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；氘；滷素基團；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的芳氧基；經取代或未經取代的烷基硫基；經取代或未經取代的芳基硫基；經取代或未經取代的烷基磺醯基；經取代或未經取代的芳基磺醯基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的烷基胺基；經取代或未經取代的芳烷基胺基；經取代或未經取代的芳基胺基；經取代或未經取代的雜芳基胺基；經取代或未經取代的芳基；或者經取代或未經取代的包含n、o和s原子中的一種或更多種的雜環基，

r101、r106和r110各自為1或2，

r103為1至4的整數，

r108和r109各自為1至3的整數，

n110為1或更大的整數，並且

當r101、r103、r106、r108、r109、r110和n110各自以複數存在時，括號中的多個結構彼此相同或不同。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r101至r111彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；滷素基團；經取代或未經取代的烷基；或者經取代或未經取代的烷氧基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r101至r111彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；氟；或正辛氧基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，l1和l2彼此相同或不同，並且各自獨立地為直接鍵；或二價連接基團，並且二價連接基團可包括選自以下的一種或更多種：經取代或未經取代的亞烷基；經取代或未經取代的亞芳基；和經取代或未經取代的包含n、o、s、si和ge中的一種或更多種的二價雜環基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，l1、l2和l3彼此相同或不同，並且各自獨立地包括選自以下的一種或更多種：直接鍵；經取代或未經取代的亞烷基；經取代或未經取代的亞芳基；和經取代或未經取代的包含n、o、s、si和ge中的一種或更多種的二價雜環基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1、l2和l3彼此相同或不同，並且各自獨立地包括選自以下的一種或更多種：直接鍵；和經取代或未經取代的包含n、o、s、si和ge中的一種或更多種的二價雜環基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1、l2和l3彼此相同或不同，並且各自獨立地包括選自以下的一種或更多種：直接鍵；經取代或未經取代的二價噻吩基；和經取代或未經取代的亞苯並噻二唑基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1、l2和l3彼此相同或不同，並且各自獨立地包括選自以下的一種或更多種：直接鍵；二價噻吩基；以及未經取代的或者經烷氧基或氟取代的亞苯並噻二唑基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l2和l3是直接鍵。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1包括選自以下的一種或更多種：直接鍵；二價噻吩基；和正辛氧基；或者未經取代的或經氟取代的亞苯並噻二唑基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1是直接鍵。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1是二價噻吩基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，l1是正辛氧基，或者未經取代的或經氟取代的亞苯並噻二唑基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，a1和a2彼此相同或不同，並且各自獨立地為以下結構中的任一種。

在所述結構中，

a為1至7的整數，

b和c各自為1至4的整數，

當a為2或更大時，兩個或更多個r15彼此相同或不同，

當b為2或更大時，兩個或更多個r16彼此相同或不同，

當c為2或更大時，兩個或更多個r17彼此相同或不同，以及

r14至r20彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；氘；滷素基團；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的芳氧基；經取代或未經取代的烷基硫基；經取代或未經取代的芳基硫基；經取代或未經取代的烷基磺醯基；經取代或未經取代的芳基磺醯基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的烷基胺基；經取代或未經取代的芳烷基胺基；經取代或未經取代的芳基胺基；經取代或未經取代的雜芳基胺基；經取代或未經取代的芳基；或者經取代或未經取代的包含n、o和s原子中的一種或更多種的雜環基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，x1至x10為s。

根據本說明書的一個示例性實施方案，化學式1可由以下化學式1-1表示。

[化學式1-1]

在化學式1-1中，

對m1、m2、n1、n2、l1、l2、l3、r1至r12、r21至r28、a1和a2的限定與化學式1的那些相同。

根據本說明書的一個示例性實施方案，化學式1由以下化學式1-2至1-10中的任一者表示。

[化學式1-2]

[化學式1-3]

[化學式1-4]

[化學式1-5]

[化學式1-6]

[化學式1-7]

[化學式1-8]

[化學式1-9]

[化學式1-10]

在化學式1-2至1-10中，

對m1、m2、n1、n2、l2、l3、r1至r12、r21至r28、a1和a2的限定與化學式1的那些相同，以及對u1至u3、r101至r111、r101、r103、r106、r108、r109、r110和n110的限定與上述那些相同。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化學式1中，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；或者經取代或未經取代的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；或者經取代或未經取代的具有1至30個碳原子的直鏈或支化的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；或者經取代或未經取代的具有1至20個碳原子的直鏈或支化的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；或者經取代或未經取代的具有1至10個碳原子的直鏈或支化的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；經取代或未經取代的辛基；或者經取代或未經取代的2-乙基己基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r1至r12和r21至r28彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；辛基；或者2-乙基己基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r4、r8、r24和r28為2-乙基己基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r9至r12彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；或辛基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，a1是

根據本說明書的一個示例性實施方案，a2是

根據本說明書的一個示例性實施方案，r14是經取代或未經取代的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r14是經取代或未經取代的具有1至15個碳原子的直鏈或支化的烷基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r14是經取代或未經取代的乙基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，r14是乙基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，m1是1。

根據本說明書的一個示例性實施方案，m2是1。

根據本說明書的一個示例性實施方案，n1是3。

根據本說明書的一個示例性實施方案，n2是3。

根據本說明書的一個示例性實施方案，化學式1可由以下化合物1-1至1-13中的任一者表示。

[化合物1-1]

[化合物1-2]

[化合物1-3]

[化合物1-4]

[化合物1-5]

[化合物1-6]

[化合物1-7]

[化合物1-8]

[化合物1-9]

[化合物1-10]

[化合物1-11]

[化合物1-12]

[化合物1-13]

在化合物1-2、1-4至1-9、1-11和1-12中，

n110為1或更大的整數，以及

r201至r217彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；氘；滷素基團；腈基；硝基；醯亞胺基；醯胺基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的芳氧基；經取代或未經取代的烷基硫基；經取代或未經取代的芳基硫基；經取代或未經取代的烷基磺醯基；經取代或未經取代的芳基磺醯基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的烷基胺基；經取代或未經取代的芳烷基胺基；經取代或未經取代的芳基胺基；經取代或未經取代的雜芳基胺基；經取代或未經取代的芳基；或者經取代或未經取代的包含n、o和s原子中的一種或更多種的雜環基。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在化合物1-4至1-9、1-11和1-12中，r201至r217彼此相同或不同，並且各自獨立地為氫；滷素基團；經取代或未經取代的烷基；或者經取代或未經取代的烷氧基。

雜環化合物可基於下述製備例來製備。

對於根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物，方括號中的m1的結構通過連接基團l1與方括號中的m2的結構鍵合，通過所述鍵合獲得的化合物與l2和l3鍵合，然後具有通過所述鍵合獲得的結構的化合物與具有其中n1和n2的端部引入有醛的結構的化合物鍵合。此後，通過引入a1和a2，不僅可製備由化合物1-1表示的雜環化合物，還可製備由化學式1表示的雜環化合物。

根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物可通過多步化學反應來製備。通過烷基化反應、grignard反應、suzuki偶聯反應、stille偶聯反應等製備單體，然後可通過碳-碳偶聯反應如stille偶聯反應製備最終的雜環化合物。當待引入的取代基是硼酸或硼酸酯化合物時，可通過suzuki偶聯反應製備最終的雜環化合物，而當待引入的取代基是三丁基錫或三甲基錫化合物時，可通過stille偶聯反應製備最終的雜環化合物，但是方法不限於此。

本說明書的一個示例性實施方案提供了有機太陽能電池，其包括：第一電極；設置成面對所述第一電極的第二電極；以及設置在所述第一電極與所述第二電極之間且包含光活性層的具有一個或更多個層的有機材料層，其中所述有機材料層的一個或更多個層包含所述雜環化合物。

根據本說明書的一個示例性實施方案的有機太陽能電池包括第一電極、光活性層和第二電極。有機太陽能電池還可包括基底、空穴傳輸層和/或電子傳輸層。

根據本說明書的一個示例性實施方案，當有機太陽能電池接受來自外部光源的光子時，在電子供體與電子受體之間生成電子和空穴。所生成的空穴通過電子供體層傳輸至正電極。

根據本說明書的一個示例性實施方案，有機材料層包括空穴傳輸層、空穴注入層或同時傳輸和注入空穴的層，並且空穴傳輸層、空穴注入層或同時傳輸和注入空穴的層包含所述雜環化合物。

在另一個示例性實施方案中，有機材料層包括電子注入層、電子傳輸層、或同時注入和傳輸電子的層，並且電子注入層、電子傳輸層、或同時注入和傳輸電子的層包含所述雜環化合物。

圖1是說明根據本說明書的一個示例性實施方案的有機太陽能電池的視圖。

根據本說明書的一個示例性實施方案，當有機太陽能電池接受來自外部光源的光子時，在電子供體與電子受體之間生成電子和空穴。所生成的空穴通過電子供體層傳輸至正電極。

根據本說明書的一個示例性實施方案，有機太陽能電池還可包括另外的有機材料層。有機太陽能電池可通過使用同時具有多種功能的有機材料來減少有機材料層的數目。

根據本說明書的一個示例性實施方案，第一電極是陽極，第二電極是陰極。在另一個示例性實施方案中，第一電極是陰極，第二電極是陽極。

根據本說明書的一個示例性實施方案，在有機太陽能電池中，可按陰極、光活性層和陽極的順序布置，並且可按陽極、光活性層和陰極的順序布置，但是布置順序不限於此。

在另一個示例性實施方案中，在有機太陽能電池中，還可按陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極的順序布置，並且還可按陰極、電子傳輸層、光活性層、空穴傳輸層和陽極的順序布置，但是布置順序不限於此。

根據本說明書的一個示例性實施方案，有機太陽能電池具有正常結構。在正常結構中，可按基底、陽極、包括光活性層的有機材料層和陰極的順序堆疊。

根據本說明書的一個示例性實施方案，有機太陽能電池具有倒置結構。在倒置結構中，可按基底、陰極、包括光活性層的有機材料層和陽極的順序堆疊。

根據本說明書的一個示例性實施方案，有機太陽能電池具有串聯結構。

在根據本說明書的一個示例性實施方案的有機太陽能電池中，光活性層可具有一個層或者兩個或更多個層。串聯結構可包括兩個或更多個光活性層。

在另一個示例性實施方案中，可在光活性層與空穴傳輸層之間或者在光活性層與電子傳輸層之間設置緩衝層。在這種情況中，在陽極與空穴傳輸層之間還可設置空穴注入層。此外，在陰極與電子傳輸層之間還可設置電子注入層。

根據本說明書的一個示例性實施方案，光活性層包含選自電子供體和電子受體的一種或兩種或更多種，並且電子供體材料包含所述雜環化合物。

根據本說明書的一個示例性實施方案，電子受體材料可選自：富勒烯、富勒烯衍生物、浴銅靈(bathocuproine)、半導體單質、半導體化合物及其組合。具體地，電子受體材料是選自以下的一種或兩種或更多種化合物：富勒烯、富勒烯衍生物((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)和3，4，9，10-苝-四羧酸雙-苯並咪唑(ptcbi)。

根據本說明書的一個示例性實施方案，電子供體和電子受體構成本體異質結(bhj)。

本體異質結意指電子供體材料和電子受體材料在光活性層中彼此混合。

根據本說明書的一個示例性實施方案，光活性層具有包括n-型有機材料層和p-型有機材料層的雙層薄膜結構，並且p-型有機材料層包含所述雜環化合物。

在本說明書中，基底可為具有優異的透明度、表面平滑度、易操作性和防水性的玻璃基底或透明塑料基底，但不限於此，並且基底沒有限制，只要基底通常用於有機太陽能電池即可。其具體實例包括玻璃或聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚丙烯(pp)、聚醯亞胺(pi)、三乙醯基纖維素(tac)等，但不限於此。

陽極電極可由透明且具有優異導電性的材料製成，但不限於此。其實例包括：金屬，例如釩、鉻、銅、鋅和金，或其合金；金屬氧化物，例如氧化鋅、氧化銦、氧化銦錫(ito)和氧化銦鋅(izo)；金屬和氧化物的組合，例如zno：al或sno2：sb；導電聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(亞乙基-1，2-二氧基)噻吩](pedot)、聚吡咯和聚苯胺等，但不限於此。

形成陽極電極的方法沒有特別限制，但是陽極電極可以例如通過使用以下方法施加在基底的一個表面上或通過以膜的形式被塗覆來形成：濺射、電子束、熱沉積、旋塗、絲網印刷、噴墨印刷、刮塗或凹版印刷法。

當陽極電極形成在基底上時，可使陽極電極經歷清洗、除去水分和親水改性的過程。

例如，將圖案化的ito基底依次用清洗劑、丙酮和異丙醇(ipa)清洗，然後在加熱板上於100℃至150℃下乾燥1分鐘至30分鐘，優選在120℃下乾燥10分鐘以除去水分，並且當基底被徹底清洗時，基底的表面被親水改性。

通過上述表面改性，接合表面電勢可保持在適用於光活性層的表面電勢的水平。此外，在改性期間，可以在陽極電極上容易地形成聚合物薄膜，並且還可改善薄膜的品質。

用於陽極電極的預處理技術的實例包括：a)使用平行板型放電的表面氧化法，b)通過在真空狀態下使用uv(紫外線)射線所產生的臭氧來氧化表面的方法，c)使用由等離子體產生的氧自由基來進行的氧化方法等。

可根據陽極電極或基底的狀態來選擇所述方法中的一種。然而，雖然使用任何方法，但是通常優選的是防止氧離開陽極電極或基底的表面，並且最大限度地抑制水分和有機材料的殘留。在這種情況下，可使預處理的實質效果最大化。

作為具體實例，可以使用通過使用uv產生的臭氧來氧化表面的方法。在這種情況下，在超聲清洗之後，將圖案化的ito基底在熱板上烘烤並完全乾燥，然後將其引入室內，可通過運行uv燈使氧氣與uv光反應產生的臭氧來清洗圖案化的ito基底。

然而，在本說明書中圖案化的ito基底的表面改性方法不需要特別限制，並且可使用任何方法，只要該方法是氧化基底的方法即可。

陰極電極可為具有低的功函數的金屬，但不限於此。其具體實例包括：金屬，例如鎂、鈣、鈉、鉀、鈦、銦、釔、鋰、釓、鋁、銀、錫和鉛，或其合金；以及多層結構的材料，例如lif/al、lio2/al、lif/fe、al：li、al：baf2和al：baf2：ba，但不限於此。

陰極電極可在顯示真空度為5×10-7託或更低的熱蒸發器中沉積並形成，但形成方法不僅僅限於該方法。

空穴傳輸層和/或電子傳輸層材料用於將從光活性層中分離的電子和空穴有效地傳輸至電極，並且材料沒有特別限制。

空穴傳輸層材料的實例可為摻雜有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3，4-亞乙基二氧基噻吩)(pedot：pss)和鉬氧化物(moox)；釩氧化物(v2o5)；鎳氧化物(nio)；和鎢氧化物(wox)等，但不限於此。

電子傳輸層材料可為吸電子金屬氧化物，並且其具體實例包括：8-羥基喹啉的金屬配合物；包含alq3的配合物；包含liq的金屬配合物；lif；ca；鈦氧化物(tiox)；氧化鋅(zno)；和碳酸銫(cs2co3)等，但不限於此。

光活性層可通過以下方法形成：將光活性材料(例如電子供體和/或電子受體)溶解在有機溶劑中，然後通過例如旋塗、浸塗、絲網印刷、噴塗、刮塗和刷塗的方法施用所述溶液，但形成方法不限於此。

具體實施方式

在以下製備例和實施例中將詳細地描述雜環化合物的製備方法和包含所述雜環化合物的有機太陽能電池的製造。然而，提供以下實施例是為了例示本說明書，並且本說明書的範圍不限於此。

製備例1.化合物1-1的製備

化合物1-a的製備

將344mga溶解在10ml無水四氫呋喃中，然後通過使用乾冰/丙酮浴使溶液冷卻至-78℃。通過滴加法向該溶液中添加在600ml2.0m四氫呋喃中的二異丙基醯胺鋰溶液(1.19mmol，4.0當量)(thf中的lda溶液)。將反應混合物在-78℃下攪拌2小時，然後在同一溫度下向其中添加在1.2ml1.0m四氫呋喃中的氯化三甲基錫溶液(2.7mmol，3.0當量)(四氫呋喃中的氯化三甲基錫)。移除乾冰浴，然後將反應混合物攪拌12小時。將反應混合物倒入10ml冰水中，然後通過使用乙酸乙酯萃取三次。通過收集萃取物獲得的有機層通過使用硫酸鎂來乾燥，然後通過使用減壓徹底去除溶劑。由此獲得的黃色油狀物在室溫下自髮結晶，並用甲醇洗滌所得晶體，從而獲得黃色粉末形式的化合物1-a(405mg，產率＝91％)

化合物1-b的製備

通過手套箱中的反應盤測量7mg雙-(三-叔丁基膦)鈀(0.014mmol，0.05當量)的質量。將其中405mg化合物1-a(0.27mmol，1.0當量)和664mg化合物b(1.15mmol，4.2當量)溶解於甲苯中的溶液(其中已除去9ml氣體)注入到混合物中。將由此獲得的反應混合物在90℃下攪拌3天。使反應混合物冷卻至室溫，然後通過向混合物中注入10ml冰水來終止反應，並用二氯甲烷萃取所述混合物三次。通過收集萃取物獲得的有機層經硫酸鎂乾燥，並通過減壓去除溶劑。通過使用矽膠柱(洗脫劑：氯仿)對由此獲得的紅色油狀物進行純化，從而獲得帶黑紅色固體形式的化合物1-b(170mg，產率＝31％)。

化合物1-1的製備

將188mg化合物1-b(0.087mmol，1.0當量)和140mg3-乙基羅丹寧(0.87mmol，10當量)溶解於5ml無水氯仿中，然後向其中添加催化量的哌啶。將由此獲得的反應混合物在70℃下攪拌12小時。使反應混合物冷卻至室溫，然後使其經歷使用氯仿的矽膠色譜法，從而獲得化合物1-1(130mg，產率＝60％)。

製備例2.化合物1-2的製備

以與製備例1相同的方式製備化合物1-2，不同之處在於使用化合物c代替製備例1中的化合物a。

製備例3.化合物1-3的製備

以與製備例1相同的方式製備化合物1-3，不同之處在於使用化合物e代替製備例1中的化合物a。

製備例4.化合物1-13的製備

化合物1-13以與製備例1的相同方式製備，不同之處在於使用化合物g代替製備例1中的化合物a，並且化合物1-13的ms數據示於圖5中。

實施例1.有機太陽能電池的製造

通過將pc71bm和製備例4中製備的化合物1-13以1∶1的比例溶解在氯仿(cf)中來製備複合溶液。在這種情況下，將濃度調節至1.5重量％，並將有機太陽能電池製成具有ito/moo3/光活性層/lif/al的結構。通過使用蒸餾水、丙酮和2-丙醇對塗覆有ito的玻璃基底進行超聲波清洗，用臭氧處理ito表面15分鐘，然後使moo3真空沉積在其上至厚度為9nm(1.1×10-7託)。為了塗覆光活性層，以800rpm至200rpm旋塗化合物1-13和pc71bm的複合溶液，在8.5×10-8託的真空下使lif沉積至厚度為然後在3×10-8託的真空下通過使用熱蒸發器使al沉積至厚度為100nm，從而製造有機太陽能電池。

評估例1

在100mw/cm2(am1.5)的條件下測量製備例1中製造的有機太陽能電池的光電轉換特性，並且結果示於下表1中。

[表1]

根據表1，可以確定通過使用根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物製造的有機太陽能電池表現出高效率。

實施例2至4.有機太陽能電池的製造

在60℃、80℃或100℃下對實施例1中製造的有機太陽能電池進行熱處理。

評估例2

在100mw/cm2(am1.5)的條件下測量製備例2至4中製造的有機太陽能電池的光電轉換特性，並且結果示於下表2中。

[表2]

根據表2，當對通過使用根據本說明書的一個示例性實施方案的雜環化合物製造的有機太陽能電池進行熱處理時，在施加開路電壓之後示出的s形曲線消失，並且由於觀察到電流密度和填充因子顯著增加而觀察到效率增加的方面。所述方面意味著可通過調整光活性層的形態、光活性層與界面的粘合特性和通過熱處理的能壘來改善電荷收集能力，因此可以看出根據本說明書的一個示例性實施方案的有機太陽能電池具有優異的熱穩定性和工藝便利性。

voc、jsc、ff和pce(η)分別意指開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率。開路電壓和短路電流分別是電壓-電流密度曲線的第四象限中x軸的截距和y軸的截距，並且隨著這兩個值增加，太陽能電池的效率優選地增加。此外，填充因子是通過可在曲線內繪出的矩形面積除以短路電流與開路電壓的乘積而獲得的值。當這三個值除以照射光的強度時，可獲得能量轉換效率，並且優選更高的值。

[附圖標記說明]

101：基底

102：第一電極

103：空穴傳輸層

104：光活性層

105：第二電極