научная статья по теме РАЗВЕТВЛЕННЫЕ ОЛИГОМЕРЫ НА ОСНОВЕ ТРИФЕНИЛАМИНА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗВЕТВЛЕННЫЕ ОЛИГОМЕРЫ НА ОСНОВЕ ТРИФЕНИЛАМИНА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия C, 2014, том 56, № 1, с. 111-143

УДК 541.64:547.533

РАЗВЕТВЛЕННЫЕ ОЛИГОМЕРЫ НА ОСНОВЕ ТРИФЕНИЛАМИНА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ1

© 2014 г. Ю. Н. Лупоносов*, А. Н. Солодухин*, С. А. Пономаренко*, **

* Институт синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова Российской академии наук 117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70 ** Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Химический факультет 119991 Москва, Ленинские горы

В настоящем обзоре рассмотрены и проанализированы основные преимущества, тенденции молекулярного дизайна и применение разветвленных олигомеров на основе трифениламина в современных устройствах органической электроники, таких как органические солнечные батареи, светоиз-лучающие диоды, тонкопленочные полевые транзисторы и сенсоры.

БО1: 10.7868/82308114714010075

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большое внимание уделяют дизайну и синтезу я-сопряженных органических и полимерных молекул, обладающих высокой подвижностью носителей зарядов, проводимостью, эффективной люминесценцией, хорошей перерабатываемостью из растворов и другими ценными свойствами для применения в органической электронике [1, 2]. Одним из наиболее изученных классов соединений, используемых в различных устройствах органической электроники, являются сопряженные ариленовые и гетероариленовые полимеры линейного строения [3]. Однако такие полимеры имеют ряд известных и существенных недостатков, например сложность воспроизведения синтеза различных партий полимеров с идентичными молекулярно-массовыми характеристиками, наличие активных концевых групп, остаточного количества катализатора и т.д., что приводит к различию выходных параметров оптоэлектронных устройств на их основе. Кроме того, все я-сопряженные полимеры жесткоцепные, поэтому для них характерна анизотропия оптических и полупроводниковых свойств, которая требует контроля за молекуляр-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (код проекта МК-6716.2013.3), Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 12-03-31225мол_а) и программы Президиума Российской академии наук П-8.

E-mail: luponosov@ispm.ru (Лупоносов Юрий Николаевич).

ной ориентацией органического полупроводника, особенно в процессе нанесения его тонкого слоя с использованием растворных и печатных методов [4]. Этих недостатков лишены индивидуальные молекулы с трехмерной архитектурой, в том числе разветвленные олигомеры, поскольку они представляют собой монодисперсные соединения с отсутствием анизотропии свойств, а их синтез отличается относительной простотой и высокой воспроизводимостью [5, 6]. Один из наиболее перспективных и изученных классов таких соединений — я-сопряженные олигомеры на основе трифениламина (ТФА).

Производные ТФА, включая полимеры, дендритные, звездообразные и разветвленные молекулы — широко используемый класс донорных (дырочно-проводящих) материалов в органической электронике. Благодаря стерическим взаимодействиям между фенильными группами органические соединения на основе ТФА имеют неплоскую пропеллерообразную форму, что позволяет их отнести к псевдотрехмерным системам. Интерес к производным ТФА во многом обусловлен уникальными свойствами самого ТФА, представляющего собой белый практически нерастворимый в воде порошок, обладающий хорошей фото- и дырочной проводимостью [7]. При введении ТФА в состав различных более сложных систем, у последних появляется дырочная проводимость, где электронодонорный атом азота отвечает за подвижность ^-типа. Такие

свойства ТФА во многом обусловлены двумя главными его особенностями: легкой окисляемо-стью атома азота и возможностью проводить положительные заряды посредством стабильных катион-радикалов, образующихся при фото- или электрическом воздействии и способных подвергаться огромному числу обратимых окислительно-восстановительных циклов. Благодаря таким уникальным физическим, фотохимическим и электрохимическим свойствам ТФА и его производные являются ценным материалом для использования в различных устройствах органической электроники. Например, ряд производных ТФА, обладающих эффективной дырочной проводимостью, используют в качестве фотопроводника в современных лазерных фотокопировальных машинах и принтерах. Пропеллерообразная форма молекул ТФА препятствует сильным п-п-взаимодействиям между соседними группами, поэтому подавляющее большинство производных ТФА — аморфные материалы. Последнее обусловливает еще ряд немаловажных преимуществ ТФА-содержащих молекул: устройства органической электроники на их основе не требуют предварительного отжига, а отсутствие границ раздела в аморфных пленках позволяет образовывать однородные контакты в слоях органика—металл и органика—органика [8].

Частично обзор звездообразных ТФА-содер-жащих соединений был сделан в статьях У. 8Ыго-1а, посвященных органическим фото- и электроактивным аморфным [9] и зарядотранспорт-ным материалам [8]. Подробное описание полимеров на основе ТФА было опубликовано недавно [10].

Настоящий обзор посвящен описанию современного состояния дел в дизайне и использовании разветвленных органических соединений на основе ТФА в устройствах органической электроники. На сегодняшний день звездообразные производные ТФА наиболее широко применяются в органической фотовольтаике, причем одинаково успешно как в органических солнечных батареях (ОСБ) с гетеропереходом [11], так и в гибридных фотовольтаических ячейках на основе диоксида титана, сенсибилизированного красителем (так называемых ячейках Гретцеля) [12]. Поэтому далее наиболее подробно будет рассмотрено применение различных производных ТФА в органической и гибридной фотовольтаике, а также достижения последних лет по использованию

разветвленных ТФА в органических светоизлуча-ющих диодах, органических тонкопленочных полевых транзисторах и сенсорах.

ОЛИГОМЕРЫ НА ОСНОВЕ ТРИФЕНИЛАМИНА В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ

Как известно, органические солнечные батареи можно разделить на два вида: ОСБ с "объемным гетеропереходом", в которых есть только один фотоактивный слой, представляющий собой нанокомпозит донора электронов (органического полупроводника ^-типа) и акцептора электронов (органического полупроводника и-типа):

— Донор Акцептор

и "двуслойные" ОСБ, где данные фотоактивные компоненты наносятся последовательно отдельными слоями [13]:

I <Э I

Донор

Акцептор

е

Фотоиндуцированный перенос электрона от донора к акцептору в ОСБ протекает на границе раздела фаз донора и акцептора, которая в двуслойных ячейках проходит исключительно между двумя слоями этих функциональных материалов и имеет небольшую площадь, ограниченную геометрическими размерами ячейки, а в ячейках с объемным гетеропереходом — фактически во всем объеме активного слоя, где есть контакт между фазами донора и акцептора. За счет большой площади контакта между фазами донора и акцептора ОСБ с объемным гетеропереходом считаются более перспективными. Кроме того, фотоактивный слой в них получают не вакуумным напылением, как это обычно происходит по крайней мере с одним из компонентов в двуслойных ОСБ, а с помощью рас-

I, мА/см2

творных технологий, что позволяет сократить затраты на производство устройств при использовании современных печатных технологий (струйной, гравюрной, трафаретной печати, флексографии и др.) [14]. Наиболее распространенными электро-ноакцепторными функциональными материалами, используемыми в таких устройствах, являются производные фуллерена, например метиловые эфиры [6,6]-фенил-фуллерен-бутановой кислоты фуллерена С60 (PCBM[60]) или фуллерена С70 (PCBM[70]) [13].

Для лучшего понимания материала, изложенного далее, следует напомнить, что основными характеристиками ОСБ являются эффективность преобразования света п, напряжение холостого хода Уос, ток короткого замыкания и фактор заполнения РР. Последний представляет собой отношение максимальной площади прямоугольника, который можно вписать между вольт-амперной кривой и осями координат в четвертом квадранте, к площади прямоугольника, полученного перемножением Уос и (рис. 1) [13].

Площадь первого прямоугольника соответствует максимальной мощности Ртах фотовольта-ической ячейки, а его стороны — напряжению Утах и тока 1тах на ее вольтамперных характеристиках:

рр = Р /(VI ) = (V I )/(У I ) (1)

^ ^ ^ тах/ V ос*- &с/ V тах* тах// V ос* зс/ \ /

При этом эффективность преобразования света в фотовольтаической ячейке п можно рассчитать по формуле

П (%) = (Ртах/Рт, )> 100 = (2)

= [(ImaxVmax )/Р№ ] > 100 = [(1^0^)/^ ] > 100,

где Рц&ы — мощность падающего света.

При этом вольт-амперные характеристики ОСБ измеряют в стандартизованных условиях при 298 К и облучении светом со спектром, близким к АМ 1.5 (воздушно-массовый коэффициент, характеризующий солнечный спектр, проходящий через атмосферу, где 1.5 — толщина атмосферы), для чего используется имитатор спектра солнечного света с мощностью светового потока 100 мВт/см2, что близко к максимальной мощности падающего на поверхность Земли света в средних широтах.

Одним из наиболее распространенных блоков, используемых при дизайне линейных и разветвленных молекул для ОСБ, является сопряженный олиготиофеновый фрагмент [15—17] ввиду простоты и разнообразия его химии, хороших оптических и полупроводниковых свойств, высокой окислительной стабильности и др. [15].

Применительно к органической фотовольтаи-ке J. ЯопеаИ с соавторами одними из первых про-

демонстрировали возможность использования звездообразных производных ТФА в качестве до-норных материалов в ОСБ с объемным гетеропереходом [18]. Исследование олиготиофенсодер-жащих соединений 1 и 2 методами рентгено-

структурного анализа и дифференциально-сканирующей калориметрии доказали, что они являются аморфными материалами, но могут быть полученными в кристаллическом состоянии из раствора.

Н

N

СбН

6Н13

Б'

Н13С6

-О.

Н13С6

Двуслойные ОСБ на основе полученных оли-гомеров и РСВМ[60] имели невысокие значения как напряжения холостого хода (0.67 и 0.32 В), так и эффективности преобразования солнечного света в электричество (0.32 и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»