Dispositivos fotosensibles orgánicos que utilizan compuestos de subftalocianina.

Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico, que comprende

un ánodo,

un cátodo y

una heterounión plana, híbrida, mixta o masiva en capas entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la heterouniónun material de tipo donante y un material de tipo aceptor,

en el que al menos uno del material del tipo donante y del material de tipo aceptor comprende un compuesto desubftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina;

caracterizado porque el compuesto de subftalocianina es de la fórmula **Fórmula**

Dispositivos fotosensibles orgánicos que utilizan compuestos de subftalocianina Campo de la invención La presente invención se refiere en general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, está dirigida a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que tienen una heterounión donante aceptor, que comprende un material de tipo donante y un material de tipo aceptor, por lo menos uno del material tipo donante y el material tipo aceptor comprende un material de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina y/o el dispositivo comprende opcionalmente al menos uno de una capa de bloqueo o una capa de transporte de carga, en los que la capa de bloqueo y/o la capa de transporte de carga comprende un compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina.

Antecedentes de la invención Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades óptimas y electrónicas de los materiales ya sea para producir o detectar la radiación electromagnética electrónicamente o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiental.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en una señal eléctrica o electricidad. Las células solares, también denominadas dispositivos fotovoltaicos ("FV") , son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Las células fotoconductoras son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se utilizan en conjunción con el circuito de detección de señal que supervisa la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la luz absorbida. Los fotodetectores, que pueden recibir una tensión de polarización aplicada, son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se utiliza en conjunción con los circuitos de detección de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector se expone a la radiación electromagnética.

Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles se pueden distinguir en función de si una unión rectificadora como se define más adelante está presente y también según si el dispositivo funciona con una tensión externa aplicada, también conocida como una polarización o tensión de polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y normalmente se opera con una polarización. Un dispositivo FV tiene al menos una unión rectificadora y se opera sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y, por lo general, pero no siempre se opera con una polarización.

Tal como se utiliza en la presente memoria, el término "rectificación" denota, entre otras cosas, que una interfaz tiene una característica de conducción asimétrica, es decir, la interfaz soporta el transporte de carga electrónica preferentemente en una dirección. El término "semiconductor" denota materiales que pueden conducir la electricidad cuando los portadores de carga son inducidos por excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" se refiere en general al proceso en el que la energía radiante electromagnética es absorbida y, por lo tanto, se convierte en energía de excitación de portadores de carga eléctrica, de modo que los portadores puedan conducir (es decir, transportar) carga eléctrica en un material. La expresión "material fotoconductor" se refiere a materiales semiconductores que se utilizan por su propiedad de absorber la radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica. Como se usa en la presente memoria, "superior" significa más alejado del sustrato, mientras que "inferior" significa más cercano al sustrato. Puede haber capas intermedias, a menos que se especifique que la primera capa está "en contacto físico con" la segunda capa.

Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide sobre un material semiconductor orgánico, un fotón puede ser absorbido para producir un estado molecular excitado. En los materiales fotoconductores orgánicos, se cree generalmente que el estado molecular generado es un "excitón, " es decir, un par electrón-hueco en un estado ligado que se transporta como una cuasi-partícula. Un excitón puede tener un tiempo de vida apreciable antes de la recombinación geminada ("enfriamiento") , que se refiere a que el electrón y el hueco original se recombinan entre sí (en contraposición a la recombinación con huecos o electrones de otros pares) . Para producir una fotocorriente, el electrón-hueco formador del excitón se separa normalmente en una unión rectificadora.

En el caso de dispositivos fotosensibles, la unión rectificadora se denomina una heterounión fotovoltaica. Tipos de heterouniones fotovoltaicas orgánicas incluyen una heterounión donante-aceptor formada en una interfaz de un material donante y un material aceptor y una heterounión de barrera Schottky formada en la interfaz de un material fotoconductor y un metal.

La Figura 1 es un diagrama de niveles de energía que ilustra un ejemplo de heterounión donador-aceptor. En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donantes" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía del Orbital Molecular Más Ocupado ("HOMO") y el Orbital Molecular Más Desocupado ("LUMO") de dos materiales orgánicos que están en contacto aunque son diferentes. Si el nivel de energía LUMO de un material en contacto con otro es inferior, entonces ese material es un aceptor. De lo contrario, es un donante. Es energéticamente favorable, en ausencia de una polarización externa, para electrones en una unión donador-aceptor moverse en el material aceptor.

Como se usa en la presente memoria, un primer nivel de energía HOMO o LUMO es "mayor que" o "superior a " un segundo nivel de energía HOMO o LUMO si el primer nivel de energía está más cerca del nivel de energía de vacío 10. A un nivel de energía HOMO superior le corresponde un potencial de ionización ("IP") , que tiene una energía total menor en relación a un nivel de vacío. Del mismo modo, un nivel de energía LUMO más alto corresponde a una afinidad electrónica ("EA") que tiene una energía absoluta menor con relación al nivel de vacío. En un diagrama de nivel de energía convencional, con el nivel de vacío en la parte superior, el nivel de energía LUMO de un material es más alto que el nivel de energía HOMO del mismo material.

Después de la absorción de un fotón 6 en el donante 152 o el aceptor 154 crea un excitón 8, el excitón 8 se disocia en la interfaz rectificadora. El donante 152 transporta el hueco (círculo abierto) y el aceptor 154 transporta el electrón (círculo oscuro) .

Una propiedad significativa de los semiconductores orgánicos es la movilidad de portador. La movilidad mide la facilidad con la que un portador de carga puede moverse a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de dispositivos fotosensibles orgánicos, un material que conduce preferencialmente mediante electrones debido a una alta movilidad de los electrones puede ser denominado como un material de transporte de electrones. Un material que conduce preferentemente mediante huecos debido a una alta movilidad de los huecos puede denominarse un material de transporte de huecos. Una capa que conduce preferentemente mediante electrones, debido a la movilidad y/o la posición en el dispositivo, puede ser denominada como una capa de transporte de electrones ("ETL") . Una capa que conduce preferentemente mediante los huecos, debido a la movilidad y/o la posición en el dispositivo, puede denominarse como una capa de transporte de huecos ("HTL") . Preferiblemente, pero no necesariamente, un material aceptor es un material de transporte de electrones y un material donante es un material de transporte de huecos.

En la técnica se conoce bien cómo emparejar dos materiales fotoconductores orgánicos para servir como un donante y un aceptor en una heterounión fotovoltaica basada en movilidades portadoras y niveles HOMO y LUMO relativos y no se aborda aquí.

Como se usa en la presente memoria, el término "orgánico" incluye materiales poliméricos, así como materiales orgánicos de moléculas pequeñas que pueden utilizarse para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos orgánicos. "Molécula pequeña" se refiere a cualquier material orgánico que no es un polímero y las "moléculas pequeñas" pueden ser en realidad bastante grandes. Las moléculas pequeñas pueden incluir unidades de repetición en algunas circunstancias. Por ejemplo, el uso de un grupo alquilo de cadena larga como sustituyente no excluye a una molécula de la clase de "molécula pequeña". Las moléculas pequeñas también se... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico, que comprende un ánodo, un cátodo y una heterounión plana, híbrida, mixta o masiva en capas entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la heterounión un material de tipo donante y un material de tipo aceptor, en el que al menos uno del material del tipo donante y del material de tipo aceptor comprende un compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina; caracterizado porque el compuesto de subftalocianina es de la fórmula en la que R1 a R12, M, y X se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R12 se seleccionan independientemente del grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro y cualquiera de R1 a R12 que son adyacentes pueden formar parte de un anillo alifático o aromático condensado, en donde el anillo puede contener uno o más átomos distintos de carbono, M es boro y X es un grupo aniónico; en el que el compuesto de subporfirina es de la fórmula en la que R1 a R12, M, y X se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R12 se seleccionan independientemente del grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro y cualquiera de R1 a R12 que son adyacentes pueden formar parte de un anillo alifático o aromático condensado, en donde el anillo puede contener uno o más átomos distintos de carbono, M es boro y X es un grupo aniónico y Z es N, CH, CR16, en la que R16 se selecciona de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro; y en el que el compuesto de subporfirazina es de la fórmula en la que R1 a R6, M, X y Z se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R6, se seleccionan de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro, M es boro y X es un grupo aniónico y Z es N, CH, CR16, en la que R16 se selecciona de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo,

ciano y nitro.

2. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 1, en el que el material de tipo donante comprende el compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina.

3. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 2, en el que el compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina es un oligómero.

4. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 1, en el que X se selecciona entre el grupo que consiste en haluro, alcoxi, fenoxi, hidroxi, arilo, fenilo y OCOCR13R14R15, en el que R13, R14 y R15 se seleccionan independientemente de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro.

5. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 1, en el que el material de tipo aceptor comprende el compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina.

6. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 1, en el que el dispositivo es una célula solar, una célula fotoeléctrica o un fotosensor.

7. El dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico de la reivindicación 1, en el que el dispositivo es un fotodetector o fotosensor en el espectro visible.

8. Un procedimiento de preparación de una heterounión, en el que la heterounión comprende un material de tipo donante y un material de tipo aceptor, comprendiendo el procedimiento:

seleccionar un material de tipo donante que tiene un LUMO y un HOMO, seleccionar un material de subftalocianina o de subporfirina, sustituido con al menos un grupo sustituyente extractor de electrones o donante de electrones, en donde el grupo sustituyente modula el LUMO y HOMO del material de subftalocianina o de subporfirina, de tal manera que el material de subftalocianina o de subporfirina es un material de tipo aceptor para el material de tipo donante, y formar una heterounión a partir de los materiales de tipo donante y aceptor, en donde el compuesto de subftalocianina comprende boro, o seleccionar un material de tipo aceptor, seleccionar un material de subftalocianina, de subporfirina o de subporfirazina, sustituido con al menos un grupo sustituyente extractor de electrones o donante de electrones, en el que el grupo sustituyente modula el LUMO y HOMO del material de subftalocianina, de subporfirina o de subporfirazina, de tal manera que el material de subftalocianina, de subporfirina o de subporfirazina es un material de tipo donante para el material de tipo aceptor, y formar una heterounión a partir de los materiales de tipo donante y aceptor, en donde al menos uno del material de tipo donante y del material de tipo aceptor comprende un compuesto de subftalocianina, de subporfirina y/o de subporfirazina; caracterizado porque el compuesto de subftalocianina es de la fórmula en la que R1 a R12, M, y X se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R12 se seleccionan independientemente del grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro y cualquiera de R1 a R12 que son adyacentes pueden formar parte de un anillo alifático o aromático condensado, en donde el anillo puede contener uno o más átomos distintos de carbono, M es boro y X es un grupo aniónico; en el que el compuesto de subporfirina es de la fórmula en la que R1 a R12, M, y X se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R12 se seleccionan independientemente del grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, 5 carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro y cualquiera de R1 a R12 que son adyacentes pueden formar parte de un anillo alifático o aromático condensado, en donde el anillo puede contener uno o más átomos distintos de carbono, M es boro y X es un grupo aniónico y Z es N, CH, CR16, en la que R16 se selecciona de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido,

carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro; y en el que el compuesto de subporfirazina es de la fórmula en la que R1 a R6, M, X y Z se seleccionan cada uno independientemente, R1 a R6, se seleccionan de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo,

alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro, M es boro y X es un grupo aniónico tal como se ha definido anteriormente, y Z es N, CH, CR16, en la que R16 se selecciona de entre el grupo que consiste en H, alquilo lineal, ramificado o cíclico, haluro, tioalquilo, tioarilo, arilsulfonilo, alquilsulfonilo, amino, alquilamino, arilamino, hidroxi, alcoxi, acilamino, aciloxi, fenilo, carboxi, carboxoamido, carboalcoxi, acilo, sulfonilo, ciano y nitro.