Componente fotoactivo orgánico, en particular célula fotovoltaica orgánica,

con un contacto y un contracontacto, así como una zona orgánica, que está conectada eléctricamente con el contacto y el contracontacto, estando formada en la zona orgánica una zona fotoactiva con una heterounión fotoactiva de volumen entre un material orgánico conductor de electrones y un material orgánico conductor de huecos y estando formado el material orgánico conductor de huecos por oligómeros según uno de los siguientes tipos: - oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado con una unidad de aceptor (A) y una unidad de aceptor adicional (A') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de donante (D) , estando formada la unidad de donante (D) a modo de bloque de donante extendido, comprendiendo la unidad de donante (D) por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O, y - oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado con una unidad de donante (D) y una unidad de donante adicional (D') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de aceptor (A) , estando formadas la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') , respectivamente a modo de bloque de donante extendido, comprendiendo la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') , respectivamente, por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O.

Componente fotoactivo orgánico.

La presente invención se refiere a un componente fotoactivo orgánico, en particular a una célula fotovoltaica orgánica, que comprende un contacto y un contracontacto, así como a una zona orgánica que está conectada eléctricamente con el contacto y con el contracontacto, estando formada en la zona orgánica una zona fotoactiva con una heterounión fotoactiva entre un material orgánico conductor de electrones y un material orgánico conductor de huecos.

Antecedentes de la invención

La investigación y los progresos en el campo de los componentes fotoactivos orgánicos, que en una forma de realización conocida están formados por una célula solar orgánica o célula fotovoltaica orgánica, han aumentado considerablemente durante los últimos diez años. La eficacia máxima publicada hasta la actualidad es de un 5, 7% (ver Jiangeng Xue et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 5757) . De esta manera, todavía no ha sido posible hasta la actualidad conseguir para las células solares orgánicas las eficacias típicas comprendidas entre un 10 y un 20%, tales como son conocidos para las células solares inorgánicas. Sin embargo, utilizando células solares orgánicas, debería ser posible conseguir resultados similares a los de las células solares inorgánicas a base de materiales inorgánicos.

Las ventajas de las células solares orgánicas frente a las células solares inorgánicas radican en particular en los costes más reducidos. Los materiales de semiconductores orgánicos utilizados si se preparan en grandes cantidades están disponibles a costes favorables. Otra ventaja son los coeficientes de absorción ópticos, algunos de los cuales son muy altos y alcanzan hasta 2x105 cm -1, lo cual ofrece la posibilidad de preparar células solares muy finas, pero eficientes, utilizando poca material y energía. Puesto que no se requieren elevadas temperaturas en el procedimiento de preparación, es decir, temperaturas de sustrato de sólo aproximadamente 110ºC, como máximo, resulta posible preparar componentes flexibles de gran zona de superficie sobre películas de plástico o tejidos plásticos. Esto abre nuevos campos de aplicación, que quedan cerrados a las células solares convencionales. Debido al número casi ilimitado de compuestos orgánicos distintos, los materiales pueden hacerse a medida para su tarea respectiva.

En un componente fotoactivo orgánico, la energía de luz se convierte en energía eléctrica. Al contrario de las células solares inorgánicas, en el material de semiconductor orgánico del componente fotoactivo orgánico, los pares de portadores de carga (par electrón-hueco) no están presentes en forma libre después de la absorción de luz, sino que forman una cuasipartícula, un denominado excitón, debido al debilitamiento menos pronunciado de la atracción mutua, es decir, un par de electrón-hueco ligado. Para que la energía disponible sea utilizable como energía eléctrica, el excitón formado de este modo debe separarse en portadores de carga libres, es decir, en un electrón y un hueco.

Puesto que en las células solares orgánicas no están disponibles en campos lo suficientemente altos para la separación de los excitones, la separación de los excitones se lleva a cabo en interfases fotoactivas. La interfase fotoactiva puede estar formada por una interfase de donante-aceptor orgánico (ver C. W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48 (2) , 183-185 (1986) o como una interfase con un semiconductor inorgánico (ver B. O'Regan et al., Nature 1991, 353, 73) . Los portadores de carga libres pueden transportarse después de su separación a los contactos. La energía eléctrica puede aprovecharse conectando los contactos a través de consumidores.

Un material orgánico para los fines de la presente solicitud se denomina conductor de huecos si en el material los portadores de carga formados como resultado de la absorción de luz y separación de las cargas en una heterounión (“portadores de carga fotogenerados”) se transportan en forma de huecos. De forma análoga, un material orgánico se denomina conductor de electrones si los portadores de carga fotogenerados en el material se transportan en forma de electrones. Una zona de interfase entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos se denomina heterounión.

Una heterounión entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos se denomina heterounión fotoactiva si los estados de excitación formados en el material conductor de electrones/conductor de huecos por absorción de luz, en los que los portadores de carga están ligados y los cuales se denominan también excitones, se separan en los portadores de carga individuales en la zona de heterounión, es decir, electrones y huecos, que por su parte se transportan a continuación por el material conductor de electrones/material conductor de huecos a los contactos, donde se puede tomar la energía eléctrica.

Una heterounión entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos se denomina una junción plana si la interfase entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos está formada por una zona sustancialmente continua entre los dos zonas de materiales, es decir, una zona constituida por el material conductor de electrones y una zona constituida por el material conductor de huecos (ver C. W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48 (2) , 183-185 (1986) o N. Karl et al., Mol. Cr y st. Liq. Cr y st., 252, 243-258 (1994) ) .

Una heterounión entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos es una heterounión de volumen si el material conductor de electrones y el material conductor de huecos están mezclados por lo menos en parte, de modo que la interfase entre el material conductor de electrones y el material conductor de huecos comprende un gran número de secciones de superficie de interfase que están distribuidas por el volumen de la mezcla de materiales (ver, por ejemplo, C. J. Brabec et al., Adv. Funct. Mater., 11 (1) , 15 (2001) ) .

Idóneamente, los materiales de capas fotoactivas en los componentes presentan un elevado coeficiente de absorción en un intervalo de longitudes de onda lo más amplio posible adaptado al espectro solar. El excitón generado en el material de semiconductores por absorción debería ser capaz de difundir a la heterounión fotoactiva sin grandes pérdidas de energía, debiendo ser mínimo cualquier desplazamiento de Stokes que aparezca. Las longitudes de difusión de excitones largas permiten maximizar el espesor de las capas orgánicas en las que la luz absorbida contribuye a la fotocorriente, mejorando de esta forma la eficacia del componente fotoactivo orgánico aún más.

Además, un nivel de energía más alto ocupado (HOMO) y un nivel de energía más bajo sin ocupar (LUMO) del material aceptor orgánico (material conductor de electrones) y del material donante orgánico (material de conductor de huecos) deberían seleccionarse preferentemente de tal manera que por un lado tiene lugar una separación eficaz de los excitones en electrones en el material aceptor y en huecos en el material donante y por otro lado la energía libre del sistema de electrones y huecos generado es la mayor posible. Este último conduce a una maximización de la fototensión en circuito abierto del componente. Los portadores de carga deberían separarse espacialmente uno del otro de forma rápida. Un transporte de electrones eficaz en el material aceptor y un transporte de huecos eficaz en el material donante garantizan pequeñas pérdidas y dan lugar a un factor de relleno bueno de la característica de corriente/tensión del componente fotoactivo orgánico.

Las células solares orgánicas son conocidas en el estado de la técnica en varios diseños:

- Un metal de contacto presenta una gran afinidad electrónica y el otro metal de contacto una pequeña, con lo cual se forma una barrera Schottky con la capa orgánica (ver US 4.127.738) .

- La capa fotoactiva está constituida por un semiconductor orgánico en un gel o un aglutinante (US 3.844.843, US 3.900.945, US 4.175.981 y US 4.175.982) .

- Se forma una capa de transporte de portadores de carga que contiene partículas pequeñas con un tamaño comprendido entre 0, 01 y 50 µm, que realizan el transporte de los portadores de carga (ver US 5.965.063) .

- Una capa de la célula solar contiene dos o más tipos de pigmentos orgánicos, que presentan características espectrales distintas (ver JP 04024970) .

- Una capa de la célula solar contiene un pigmento que produce portadores de carga y adicionalmente... [Seguir leyendo]

1. Componente fotoactivo orgánico, en particular célula fotovoltaica orgánica, con un contacto y un contracontacto, así como una zona orgánica, que está conectada eléctricamente con el contacto y el contracontacto, estando formada en la zona orgánica una zona fotoactiva con una heterounión fotoactiva de volumen entre un material orgánico conductor de electrones y un material orgánico conductor de huecos y estando formado el material orgánico conductor de huecos por oligómeros según uno de los siguientes tipos:

- oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado con una unidad de aceptor (A) y una unidad de aceptor adicional (A') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de donante (D) , estando formada la unidad de donante (D) a modo de bloque de donante extendido, comprendiendo la unidad de donante (D) por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O, y

- oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado con una unidad de donante (D) y una unidad de donante adicional (D') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de aceptor (A) , estando formadas la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') , respectivamente a modo de bloque de donante extendido, comprendiendo la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') , respectivamente, por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y

O.

2. Componente fotoactivo orgánico, en particular célula fotovoltaica orgánica, con un contacto y un contracontacto, así como una zona orgánica que está conectada eléctricamente con el contacto y el contracontacto, estando formada en la zona orgánica una zona fotoactiva con una heterounión fotoactiva de volumen entre un material orgánico conductor de electrones y un material orgánico conductor de huecos y estando formado el material orgánico conductor de huecos por oligómeros según uno de los siguientes tipos:

- oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado con una unidad de aceptor (A) y una unidad de aceptor adicional (A') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de donante (D) , estando formadas la unidad de aceptor (A) y la unidad de aceptor adicional (A') a modo de bloque de aceptor extendido, comprendiendo la unidad de aceptor (A) y la unidad de aceptor adicional (A') , respectivamente, por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugados, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O, y

- oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado con una unidad de donante (D) y una unidad de donante adicional (D') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de aceptor (A) , estando formada la unidad de aceptor (A) a modo de bloque de aceptor extendido, comprendiendo la unidad de aceptor (A) por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y

O.

3. Componente fotoactivo orgánico, en particular célula fotovoltaica orgánica, con un contacto y un contracontacto, así como una zona orgánica que está conectada eléctricamente con el contacto y el contracontacto, estando formada en la zona orgánica una zona fotoactiva con una heterounión fotoactiva plana entre un material orgánico conductor de electrones y un material orgánico conductor de huecos, estando formada la interfase entre el material orgánico conductor de electrones y el material orgánico conductor de huecos como una zona sustancialmente continua entre dos zonas de materiales, es decir, una zona constituida por el material orgánico conductor de electrones y una zona constituida por el material orgánico conductor de huecos y estando formado el material orgánico conductor de electrones y/o el material orgánico conductor de huecos por oligómeros según uno de los siguientes tipos:

- oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado con una unidad de aceptor (A) y una unidad de aceptor adicional (A') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de donante (D) , estando formada o bien por lo menos la unidad de donante (D) como un bloque de donante extendido o bien por lo menos la unidad de aceptor (A) y la unidad de aceptor adicional (A') respectivamente como un bloque de aceptor extendido, comprendiendo la unidad de donante (D) , la unidad de aceptor (A) y la unidad de aceptor adicional (A') en el caso de estar formadas cada una como un bloque extendido por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O, y

- oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado con una unidad de donante (D) y una unidad de donante adicional (D') , que están unidas, respectivamente, a una unidad de aceptor (A) , estando formada o bien por la menos la unidad de aceptor (A) como un bloque extendido o bien la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') respectivamente como un bloque de donante extendido, comprendiendo la unidad de aceptor (A) , la unidad de donante (D) y la unidad de donante adicional (D') en caso de estar formadas respectivamente como un bloque extendido por lo menos dos monómeros y/o por lo menos ocho átomos con un sistema de electrones π común conjugado, que están formados por átomos de uno o más elementos químicos del siguiente grupo de elementos: C, N, B, P, S, Si y O.

4. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado la unidad de donante (D) es una secuencia de monómeros del tipo D1D2 … Dm-1Dm (m > 2) , siendo un orbital más alto ocupado (HOMO) de los monómeros D1 y Dm, en cada caso, energéticamente más alto en por lo menos 0, 2 eV que un orbital más alto ocupado (HOMO) de los demás monómeros D2 … Dm-1.

5. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado la unidad de aceptor (A) es una secuencia de monómeros del tipo A1A2 … Am-1Am (m > 2) , siendo un orbital más bajo sin ocupar (LUMO) de los monómeros A1 y Am, en cada caso, energéticamente más bajo en por lo menos 0, 2 eV que un orbital más bajo sin ocupar (LUMO) de los demás monómeros A2 … Am-1.

6. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado se ha formado una simetría especular o puntual.

7. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado se ha formado una simetría especular o puntual.

8. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el contacto y/o el contracontacto está diseñado como un electrodo transparente o semitransparente.

9. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre el contacto y el contracontacto está formada por lo menos una capa inorgánica constituida por uno o varios materiales inorgánicos.

10. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el oligómero de aceptor-donante-aceptor (oligómero A-D-A') conjugado y/o el oligómero de donante-aceptor-donante (oligómero D-A-D') conjugado están formados por un oligómero, que presenta grupos de nitrilo por lo menos en una unidad de aceptor (A; A') y en el que por lo menos una unidad de donante (D; D') presenta átomos de hidrógeno periféricos.

11. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el contacto es un ánodo y entre el ánodo y la heterounión fotoactiva está dispuesta una capa orgánica p-dopada (diodo M-i-p) .

12. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el contracontacto es un cátodo y entre el cátodo y la heterounión fotoactiva está dispuesta una capa orgánica n-dopada (diodo M-i-n o n-i-p) .

13. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de donante (D) y/o la unidad de donante adicional contiene por lo menos uno de los siguientes monómeros del tipo donante con o sin sustituyentes periféricos adicionales:

a) Tiofeno b) Tienopirazina (Fig. 6 b) ) c) Benzotiadiazola (Fig. 6 c) ) d) Etilendioxotiofeno (EDOT) o etilenditiotiofeno (Fig. 6 d) con Y = O/S) e) Isotianafteno (ITN) (Fig. 6e) ) f) Unidad de ditiofeno puenteada (ver, en particular, Figs. 6 f) , i) y j) ) g) 1, 3-Tiazola (Fig. 6 g) ) h) 1, 3, 4-Thiadiazola (Fig. 6 h) ) i) Tienotiadiazola (Fig 6 k) ) j) Tienoselenodiazola (Fig. 6 l) ) k) Fenilo l) Naftilo m) Antraceno n) Tetraceno o) Pentazenvinileno p) Fenilenvinileno q) Piridinas r) Pirimidinas s) Porfirina t) Ftalocianinas u) Fluoreno v) Carbazola w) Perileno x) Pireno y) Di-o triarilamina

14. Componente según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de aceptor (A) y/o la unidad de aceptor adicional (A') contiene por lo menos uno de los siguientes monómeros del tipo aceptor con o sin sustituyentes periféricos adicionales:

a) Ciano-, biciano-o tricianovinileno b) Unidad de ditiofeno puenteada electroatrayente (Fig. 8 m) , n) ) c) Benzotiadiazola (Fig. 6 c) ) d) Oxadiazola e) Triazola f) Benzimidazola g) Quinolinas h) Quinoxalinas i) Pirazolinas j) Anhídridos naftalenodicarboxílicos k) Imidas naftalenodicarboxílicas l) Imidazolas naftalenodicarboxílicas m) Homo-y heterociclos halogenados n) Di-o triarilborilo o) Derivados de dioxaborina (ver, en particular, la Fig. 7) p) Estructuras quinoides (ver, en particular, las Figs. 8 a) hasta 8 g) ) q) Arilos con sustituyentes cetona o dicianometano (ver, en particular, las Figs. 8 h) , j) , k) y l) )

15. Dispositivo con una disposición apilada de varios componentes fotoactivos orgánicos apilados uno encima de otro, en particular células fotovoltaicas orgánicas, según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores.