专利名称：用于转移光电流发生的同轴分子叠片的制作方法
用于转移光电流发生的同轴分子叠片相关申请该申请要求2009年8月7日提交的美国临时专利申请号61/232，077的权益，其通过引用被并入本文。背景有机太阳能电池较它们的无机相对物具有明显的优势，如制造的低成本、易于大面积处理和与易弯曲和轻重量塑料基底相容，因此在过去几十年已吸引了大量的研究兴趣和尝试。然而，有机电池通常遭受光转换的低效率(通常小于5% )，其抑制它们在目前的实际应用中的使用。有机太阳能电池的效率主要由四个基本的、相因而生的过程确定激发子扩散 (exciton diffusion)；通过电子转移的电荷产生；电荷分离和运输。尽管最近的本体异质结材料(bulk-heterojunction materials)(例如，聚合物/C60)的发展已显示有望通过光诱导的分子内和分子间电子转移产生电荷分离而改进前两个过程，但是本体混合的材料的差的结构和/或相分离仍然限制电荷运输。发明概述因此，本发明人已发展了一种光电装置，其具有用于转移光电流的同轴分子叠片 (堆叠，stack)，其对已有技术进行了改进。该装置可包括多个同轴分子叠片，该多个同轴分子叠片位于第一电极和第二电极之间并定位(定向)于与第一电极和第二电极基本上垂直。在该排列中，多个叠片可通过光电装置中的每个同轴分子叠片提供光电流的电荷运输。 更具体地，每个同轴分子叠片可包括多个η-共轭(或结合)的平面超分子，其可通过圆柱形自装配而叠加以形成同轴分子叠片。另外，每个超分子由η-共轭的轮毂(hub)组成，该 η-共轭的轮毂共价地附加到电子受体轮辐(spoke)的多个拷贝(copies)以形成具有同轴内部P型通道的外部η型通道。形成具有用于转移光电流的同轴分子叠片的光电装置的方法可包括用基本上连续的膜涂布第一电极，该膜由多个同轴分子叠片形成。可将第二电极与膜连接以便第二电极的平面基本上与第一电极的平面平行。可将相对的电极之间的距离保持基本上恒定，以防止或减少跨过最小间隙距离的优先短路。附图简述根据以下详细的描述，结合附图，本发明的特点和优势将是明显的，附图通过例子共同说明本发明的特点，其中
图1是根据一个实施方式的盘形分子同轴叠加的图解，该盘形分子位于第一和第二电极之间并与第一和第二电极垂直而定位。图2显示根据一个实施方式的共面共轭PTCDI-AEM超分子的结构和合成。图3显示根据一个实施方式，通过适当的聚炔基前体重复环低聚化而制备的同心大环体系结构的例子。图4显示PTCDI膜在可见波长的发射猝灭的曲线。图5显示根据一个实施方式，通过加热和冷却形成的六环AEM膜的垂直(homeotropic)相的形成。图6显示根据一个实施方式的PTCDI和HBC超分子的轮毂和轮辐。图7显示根据一个实施方式的PTCDI和AEM超分子的轮毂和轮辐。图8显示根据本发明的一个实施方式，在叠加排列期间由共面分子间相互作用控制的盘形大环分子的通用模型。现在将对显示的示例性的实施方式进行参考，本文将使用专门的语言以描述其。 虽然如此，应理解，本发明的范围不期望由此限制。详细描述公开了新型的垂直薄膜结构，其包括在光电装置中使用的高度有组织的同轴圆柱阵列(如图1所示)，用于光电流发生。有组织的同轴圆柱阵列赋予通过延伸的分子间 H-电子离域沿着圆柱形n-n叠加的高度有效的电荷运输。更具体地，光电装置10可包括多个同轴分子叠片12，其位于第一电极14和第二电极16之间并定位于与第一电极14和第二电极16基本上垂直。在该排列中，多个叠片12 可通过光电装置10中的每个同轴分子叠片12提供光电流的电荷运输。更具体地，每个同轴分子叠片12可包括多个π -共轭的平面超分子18，其可通过圆柱形自装配而叠加以形成同轴分子叠片12。另外，每个超分子18由π-共轭的轮毂20组成，该π-共轭的轮毂20 共价地附加到电子受体轮辐22的多个拷贝以形成具有同轴内部ρ型通道的外部η型通道。π -共轭的轮毂可由平面的基团形成，其允许充当ρ型材料。π -共轭的轮毂可由亚芳基亚乙炔基大环(AEM)、六苯并蔻(hexabenzocoronene) (HBC)、卩卜啉、噻吩大环和环形石墨烯中至少一个形成。一方面，η-共轭的轮毂可由亚芳基亚乙炔基大环(AEM)和六苯并蔻(HBC)中至少一个形成。在另一可选的方面，η-共轭的轮毂由六苯并蔻(HBC)形成。 一方面，环状的轮毂可由多个平面亚单元(或亚基)形成，该亚单元直接连接在一起或通过连接基团连接。平面亚单元的非限制例子可包括咔唑、苯、噻吩、亚苯基亚乙烯基、吓啉、酞菁、茈、芘、石墨烯和其组合。根据这些基团，这些亚单元可形成环状的四聚体、五聚体、六聚体等等。这些亚单元可任选地被组合(grouped)入寡聚体(二聚体、三聚体、四聚体、五聚体、六聚体等)以便环化导致多个重复的寡聚体单元。连接基团可用于产生大环结构和保持平面构型。连接基团可以是直接位于亚单元之间的三键或二键并可任选地包括平面连接基团如亚苯基、亚联苯基、胺、硫醇、羰基等等。在一些实施方式中，超分子的中心轮毂部分可以是环状分子。这种环状轮毂的非限制例子可包括AEM。在一个具体实施方式
中，超分子包括结合到咔唑四环的PTCDI单元， 尽管也可利用PTCDI取代的六环(例如在环中共价结合的六个分子单元)。通常，π-共轭的轮毂具有比电子受体轮辐低的电子亲和性以在光激发之后提供有效的分子内电荷转移。超分子可利用任何合适的技术来形成。通常，轮毂可由合适的前体形成。这些平面超分子轮毂可在一步中由简单的前体产生。一个方法依赖可逆的炔复分解(易位， metathesis)以主要产生单个的环低聚产物。产生这些类型环状材料的具体步骤可在如下中被找至丨J，例如，Zhang, W. & Moore, J. S. Arylene Ethynylene Macrocycles Prepared by Precipitation-Driven Alkyne Metathesis, J. Am. Chem.Soc 126,12796 (2004)； Zhang, W. & Moore, J. S. Reaction Pathways Leading to Arylene Ethynylene Macrocycles via Alkyne Metathesis, Journal of the American Chemical Society127,11863-11870(2005)；禾口 Zhang，W. & Moore，J. S. Shape-persistent macrocycles structures and synthetic approaches from arylene and ethynylene building blocks (a review), Angew. Chem.，hit. Ed. 45，4416-4439 (2006)，每篇通过引用被并入本文。在一个具体的实例中，超分子可通过如Zhao，D. and J. S. Moore (2003). “ Shape-persi stent arylene ethynylene macrocycles :syntheses and supramoIecuIar chemistry (a review). “ Chem. Commun. :807-818——通过引用被并入本文——中描述的聚炔基前体的重复环低聚化而形成。重复的环低聚化可导致同种心的大环结构。然后轮辐可通过使轮毂前体与轮辐前体反应而形成以便轮辐前体共价地结合到轮毂周围以形成超分子。通常可使轮辐前体与轮毂前体反应。尽管可利用其它反应途径，但是典型的共价连接反应可包括茈分子(轮辐，作为电子受体)的二酐部分和轮毂部分(作为电子供体)的伯胺部分之间的酸碱反应。尽管其它分子官能团可用作电子受体轮辐，但是一个具体的例子是茈四羧基二酰亚胺(PTCDI)，其形成非常结实的具有高的热和光稳定性的材料种类，在可见区的强吸收使其成为用于太阳能电池的理想的光吸收生色团。PTCDI具有结构
权利要求
1.具有用于转移光电流的同轴分子叠片的光电装置，其包括多个同轴分子叠片，其位于第一电极和第二电极之间并定位于与第一电极和第二电极基本上垂直，以通过所述光电装置中的每个同轴分子叠片来提供光电流的电荷运输，其中每个同轴分子叠片包括多个η-共轭的平面超分子，其通过圆柱形自装配叠加以形成同轴分子叠片，其中每个超分子由η-共轭的轮毂组成，该η-共轭的轮毂共价地附加到电子受体轮辐的多个拷贝以形成具有同轴内部P型通道的外部η型通道。
2.权利要求1所述的光电装置，其中所述η-共轭的轮毂由亚芳基亚乙炔基大环 (AEM)、六苯并蔻(hexabenzocoronene) (HBC)、卩卜啉、噻吩大环和环形石墨烯中至少一个形成。
3.权利要求1所述的光电装置，其中所述η-共轭的轮毂由六苯并蔻(HBC)形成，每个所述电子受体轮辐由通过亚苯基桥连接到所述η-共轭轮毂的茈四羧基二酰亚胺(PTCDI) 形成，以便所述超分子具有结构
4.权利要求1所述的光电装置，其中每个超分子包括作为轮辐的PTCDI单元，所述轮辐结合到作为所述η -共轭的轮毂的咔唑四环，以便所述超分子具有结构
5.权利要求2所述的光电装置，其中每个超分子包括PTCDI-AEM超分子，其具有结构
6.权利要求1所述的光电装置，其中每个超分子通过聚炔基前体的重复环低聚化而形成，以便所述超分子具有结构
7.权利要求1所述的光电装置，其中所述电子受体轮辐是茈四羧基二酰亚胺或其类似物。
8.权利要求7所述的光电装置，其中每个所述电子受体轮辐是茈四羧基二酰亚胺，其具有结构
9.权利要求1所述的光电装置，其中所述第一和第二电极中至少一个是氧化铟锡 (ITO)涂布的玻璃。
10.权利要求1所述的光电装置，其中所述第一和第二电极中至少一个由选自钙、铟、 铝、锡、银、铜、金和其组合的材料形成。
11.权利要求1所述的光电装置，其中所述电极被分开约IOnm至约500nm的距离，以便所述多个同轴分子叠片跨越所述距离。
12.形成具有用于转移光电流的同轴分子叠片的光电装置的方法，其包括用基本上连续膜涂布第一电极，所述膜由多个同轴分子叠片形成，其中每个同轴分子叠片由多个叠加的超分子形成，每个超分子由共价地附加到电子受体轮辐的多个拷贝的 JI -共轭轮毂组成，以形成具有同轴内部P型通道的外部η型通道，其基本上与所述第一电极的平面垂直；将第二电极与所述膜连接，其中所述第二电极的平面基本上与所述第一电极的所述平面平行。
13.权利要求12所述的方法，其中涂布进一步包括用基本上连续膜涂布所述第一电极，该膜由所述多个同轴分子叠片形成。
14.权利要求12所述的方法，其中涂布进一步包括通过在高于选择的温度加热所述连续膜而形成垂直膜，以形成各向同性相，其中所述膜中的所述AEM分子被同质地定位；和将所述膜以足以允许所述各向同性相重排成垂直相的速度冷却到室温，以在所述连续膜中形成大面积垂直相。
15.权利要求12所述的方法，其中涂布所述第一电极进一步包括用通过旋转涂布形成的垂直膜涂布所述第一电极。
16.权利要求12所述的方法，其中涂布所述第一电极进一步包括在所述第一和第二电极中的至少一个上通过物理气相沉积涂布所述第一电极。
17.权利要求12所述的方法，其中所述π-共轭的轮毂由亚芳基亚乙炔基大环(AEM)、 六苯并蔻(HBC)、吓啉、噻吩大环和环形石墨烯中至少一个形成。
18.权利要求13所述的方法，其中所述电子受体轮辐是茈四羧基二酰亚胺或其类似物。
19.权利要求13所述的方法，其中所述第二电极通过溅射、蒸气沉积、化学沉积、原子层沉积和旋转涂布中的至少一个而连接。
全文摘要
公开了具有用于转移光电流的同轴分子叠片(12)的光电装置(10)。该装置(10)包括多个同轴分子叠片(12)，其位于第一(14)电极和第二(16)电极之间并定位于与第一(14)电极和第二(16)电极基本上垂直，以通过光电装置(10)中的每个同轴分子叠片(12)提供光电流的电荷运输。每个同轴分子叠片(12)包括多个π-共轭的平面超分子(18)，其可通过圆柱形自装配叠加以形成同轴分子叠片(12)。每个超分子(18)由π-共轭的轮毂(20)组成，该π-共轭的轮毂(20)共价地附加到电子受体轮辐(22)的多个拷贝以形成具有同轴内部p型通道的外部n型通道。
文档编号H01L31/042GK102549767SQ201080034832
公开日2012年7月4日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月7日
发明者臧泠, 车延科 申请人:犹他大学研究基金会