ES2390650T3

ES2390650T3 - Un nuevo colorante dopante, una composición que lo comprende y un dispositivo fotovoltaico que incluye dicha composición

Info

Publication number: ES2390650T3
Application number: ES10150586T
Authority: ES
Inventors: Rui-Ren Wang; Lee-Yih Wang; Chi-Wei Liang
Original assignee: Taiwan Textile Research Institute
Current assignee: Taiwan Textile Research Institute
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: EP2333017A1; EP2333017B1; TWI391448B; TW201114845A

Abstract

Un colorante dopante que tiene la fórmula (I) : en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8.

Description

Un nuevo colorante dopante, una composición que lo comprende y un dispositivo fotovoltaico que incluye dicha composición

SOLICITUDES RELACIONADAS

[0001] Esta solicitud reivindica prioridad respecto a la solicitud de Taiwán nº 98136209, presentada el 26 de octubre de 2009, la cual se incorpora entera en el presente documento por referencia.

ANTECEDENTES

Campo de la invención

[0002] La presente descripción se refiere en general a un nuevo colorante dopante, a una composición que comprende al mismo y a un dispositivo fotovoltaico (p. ej., una célula solar orgánica) que incluye dicha composición.

Descripción de la técnica relacionada

[0003] Los dispositivos portátiles tales como teléfonos móviles, asistentes personales digitales (PDA), reproductores de música, dispositivos de navegación por satélites etc., se han convertido en los productos más populares, con una cuota de mercado que ha crecido significativamente a lo largo de los años. Sin embargo, estos productos comparten todos limitaciones comunes, que incluyen, pero sin limitar, duración de la betería corta y dificultad para la recarga. La técnica relacionada ha intentado encontrar una solución o desarrollar una técnica que usara la fuente de luz aparentemente inagotable, la luz solar, como la fuente de energía para dichos dispositivos.

[0004] Las células solares ahora se clasifican en general basándose en los materiales que se usan en las células, tales como silicio, semiconductores inorgánicos, materiales sensibles a colorantes y semiconductores orgánicos que incluyen material polimérico orgánico y moléculas orgánicas pequeñas.

[0005] Esta descripción se dirige a la mejora del material polimérico orgánico para usar en las células solares. Se han desarrollado nuevos compuestos colorantes para el propósito mencionado. Estos nuevos compuestos pueden actuar como dopantes de las capas activas de las células solares para potenciar la eficacia de la transferencia electrónica en las células y de esta forma aumentar la eficacia de conversión fotovoltaica de los dispositivos.

[0006] El documento WO 2009/026097 A1 se refiere a una célula solar que comprende una capa orgánica activa que tiene un material orgánico donador de electrones y un material orgánico aceptor de electrones. El documento CA 2625306 A1 se refiere a un dispositivo electrónico orgánico tal como una célula solar que incluye una serie de aceptores de electrones de núcleo de oligotiofenos regioregulares. El documento EP 2 072 557 A1 se refiere a un dispositivo fotovoltaico, cuyo material orgánico donador de electrones contiene un polímero conjugado particular representado por la fórmula (1) de dicho documento.

RESUMEN

[0007] En vista de lo anterior, un objetivo de esta descripción se dirige a proporcionar un nuevo compuesto colorante, que actúa como un dopante para dopar una capa activa de una célula solar orgánica para así potenciar la eficacia de la conversión fotovoltaica de la célula solar. El nuevo colorante dopante de esta descripción se caracteriza por tener la estructura de la fórmula (I) :

en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8.

5 [0008] En un ejemplo específico, R1, R2 y R3 del colorante dopante de fórmula (I) son independientemente átomos de hidrógeno, es decir, el colorante dopante es el compuesto que tiene la fórmula (II) :

10 [0009] En el segundo aspecto, la descripción se refiere a una composición para fabricar una capa activa de una célula solar orgánica. La composición incluye :

poli-(3-hexiltiofeno) (P3HT);

un colorante dopante que tiene la fórmula (I), 15

en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8; y éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61butírico (PCBM); en la que el P3HT, el colorante dopante y el PCBM existen en la composición en una relación en 20 peso en el intervalo de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10.

[0010] En una realización, el P3HT, el colorante dopante y el PCBM existen en la composición en una relación en peso de aproximadamente 15 : 2 : 15.

[0011] En el tercer aspecto, la descripción se refiere a un procedimiento de fabricación de una célula solar orgánica. El procedimiento incluye las etapas de :

(a) proporcionar un sustrato en una cámara de procesamiento; 5 (b) formar una disolución de recubrimiento disolviendo la composición descrita antes en un disolvente;

(c): recubrir el sustrato con la disolución de recubrimiento y formar así una capa orgánica sobre el sustrato; y

(d): formar una capa de electrodo sobre la capa orgánica por deposición en fase de vapor.

[0012] En algunas realizaciones, el sustrato está hecho de plástico o vidrio, y puede comprender además una 10 capa de óxido de indio y estaño sobre el mismo.

[0013] En la etapa (b), la composición se disuelve en un disolvente seleccionado del grupo que consiste en tolueno, cloroformo, xileno, diclorobenceno (DCB) o dimetilsulfóxido (DMSO). En un ejemplo, la composición se disuelve en DCB.

15 [0014] En una realización, el procedimiento comprende además una etapa de recubrimiento por rotación del sustrato con una capa conductora antes de realizar la etapa (c). En un ejemplo, la capa conductora es una película hecha de poli(3,4etilendioxitiofeno) : poli(estirenosulfonato) (PEDOT : PSS).

20 [0015] En la etapa (d), la deposición en fase de vapor puede ser cualquier deposición térmica, deposición en fase de vapor mediante haz de electrones, deposición mediante pulverización catódica o deposición por láser pulsado. En un ejemplo, la deposición en fase de vapor es deposición por láser pulsado.

[0016] En una realización, el procedimiento comprende además una etapa (e) opcional de irradiación del sustrato 25 con una luz UV, esta etapa (e) opcional se realiza después de la etapa (d).

[0017] En otra realización, el procedimiento comprende además una etapa (f) de recocido del sustrato a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 120 ºC a 160 ºC, durante aproximadamente 10 – 60 minutos, y la etapa (f) se realiza después de la etapa (e). En un ejemplo, la etapa (f) comprende el recocido del sustrato a

30 aproximadamente 160 ºC durante un periodo de aproximadamente 30 minutos.

[0018] De acuerdo con el cuarto aspecto de esta descripción, se proporciona una célula solar orgánica. La célula solar orgánica incluye un sustrato, que comprende en orden, de abajo a arriba,

35 una capa de óxido de indio y estaño (ITO) dispuesta sobre el sustrato; una capa de PEDOT : PSS dispuesta sobre la capa de ITO; una capa orgánica formada a partir de una composición que comprende: P3HT; un colorante dopante que tiene la fórmula (I):

en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8; y éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61butírico (PCBM);

en la que la composición comprende el P3HT, el colorante dopante de fórmula (I) y el PCBM en una relación en peso en el intervalo de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10; y

una capa de electrodo;

en la que el sustrato se ha recocido o no.

5 [0019] De acuerdo con una realización específica, el compuesto de fórmula (I) se caracteriza porque tiene R1, R2 y R3 que son independientemente hidrógeno; la capa de electrodo comprende aluminio; el sustrato no se ha recocido y la célula solar así fabricada tiene una eficacia de conversión fotovoltaica de aproximadamente 2,47 %.

10 [0020] De acuerdo con otra realización específica, el compuesto de fórmula (I) se caracteriza porque tiene R1, R2 y R3 que son independientemente hidrógeno; la capa de electrodo comprende aluminio; el sustrato se ha recocido a una temperatura de aproximadamente 160 ºC durante un periodo de aproximadamente 30 minutos; y la célula solar así fabricada tiene una eficacia de conversión fotovoltaica de aproximadamente 3,42 %.

15 [0021] Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente descripción se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES ILUSTRADAS 20 [0022] Ahora se hará referencia en detalle a las realizaciones preferidas de la descripción. [0023] Las realizaciones de la presente descripción se dirigen a un colorante dopante nuevo para dopar una capa activa de una célula solar y de esta forma aumentar la eficacia de conversión fotovoltaica del dispositivo solar. 25 [0024] El nuevo colorante dopante de esta descripción es un compuesto que tiene la fórmula (I) :

en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8.

30 [0025] El alquilo C1-8 del compuesto de fórmula (I) incluye, pero sin limitar metilo, etilo, propilo, isopropilo, n-butilo, sec-butilo, n-pentilo, isopentilo, neopentilo, n-hexilo, 2-metilpentilo, 3-metilpentilo, 2,2-dimetilbutilo, 2,3-dimetilbutilo, n-heptilo, 2-metilhexilo, 3-metilhexilo, 2,2-dimetilpentilo, 2,3-dimetilpentilo, 3,3-dimetilpentilo, 2,4-dimetilpentilo, noctilo, 2-metilheptilo, 3-metilheptilo, 4-metilheptilo, 2,2-dimetilhexilo, 2,3-dimetilhexilo, 2,4-dimetilhexilo, 2,5

35 dimetilhexilo, 2,3,4-trimetilpentilo, 2,2,3,-trimetilpentilo y 2,3,3-trimetilpentilo.

[0026] En un ejemplo, el compuesto de fórmula (I) se caracteriza porque tiene R1, R2 y R3 que son independientemente hidrógeno, en cuyo caso, el nuevo colorante dopante es el compuesto de fórmula (II) :

[0027] Un experto en la materia puede sintetizar el nuevo colorante dopante de esta descripción de acuerdo con cualquier procedimiento conocido sin excesiva experimentación. Ahora se hace referencia a una realización 5 preferida de esta descripción, en la que el nuevo colorante dopante que tiene la fórmula (II) se usa como un ejemplo para elucidar el esquema para la síntesis del nuevo colorante dopante de esta descripción.

[0028] De acuerdo con una realización de esta descripción, el compuesto de fórmula (II) se sintetiza de acuerdo con las etapas descritas en el esquema I.

10 Esquema I

15 [0029] El material de partida, el 2,1,3-benzotiadiazol (compuesto (1)) se hace reaccionar con bromo y forma el 4,7dibromo-2,1,3-benzotiadiazol (compuesto (2)).

[0030] Se hace reaccionar suficiente cantidad de tiofeno con n-butil-litio y Bu3SnCl en presencia de tetrahidrofurano anhidro (THF) a -30 ºC, para formar el (2-tiofenil)tributil-estaño.

20 [0031] El compuesto (2) (4,7-dibromo-2,1,3-benzotiadiazol) después se hace reaccionar con 2 equivalentes de (2tiofenil)tributil-estaño en presencia de un catalizador, Pd(Ph3)Cl2, para formar el 4,7-di(tiofen-2-il)-2,1,3benzotiadiazol (compuesto (3)).

25 [0032] El compuesto (3) después se hace reaccionar con POCl3 en presencia de dimetiformamida anhidra (DMF) y diclorometano, y forma así el 5-(7-(tiofen-2-il)- 2,1,3- benzotiadiazol-4-il) tiofen-2-carbaldehído (compuesto (4)).

[0033] El compuesto (4) después se mezcla con ácido cianoacético, acetato amónico y ácido acético y forma así el producto deseado, el compuesto (4).

[0034] De acuerdo con otro aspecto de esta descripción, se proporciona una composición para fabricar una capa activa de una célula solar orgánica. La composición comprende :

5 poli-(3-hexiltiofeno) (P3HT); un colorante dopante que tiene la fórmula (I),

10 en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8; y éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61butírico (PCBM);

en el que el P3HT, el colorante dopante y el PCBM existen en la composición en un intervalo de relación en peso de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10.

15 [0035] En una realización, el P3HT, el colorante dopante de fórmula (I) y el PCBM existen en la composición en un intervalo de relación en peso de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10.

[0036] En una realización específica, el P3HT, el colorante dopante de fórmula (I) y el PCBM existen en la 20 composición en una relación en peso de aproximadamente 15 : 2 : 15. En un ejemplo, el colorante dopante de fórmula (I) se caracteriza porque R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno.

[0037] La composición se puede disolver en un disolvente para formar una disolución de recubrimiento, que es adecuada para formar una película orgánica fina sobre una superficie de un sustrato. Por consiguiente, de acuerdo 25 con un aspecto de esta descripción, se proporciona un procedimiento de fabricación de una célula solar orgánica. El procedimiento se caracteriza porque tiene las etapas de:

(a) proporcionar un sustrato en una cámara de procesamiento;

(b) formar una disolución de recubrimiento disolviendo la composición descrita antes en un disolvente; 30 (c) recubrir el sustrato con la disolución de recubrimiento y formar así una capa orgánica sobre el sustrato; y

(d) formar una capa de electrodo sobre la capa orgánica por deposición en fase de vapor.

[0038] El material adecuado para el sustrato incluye, pero sin limitar, plástico o vidrio. En un ejemplo, el sustrato es un sustrato de plástico flexible formado por un material tal como poliimida. Además, el sustrato puede comprender 35 además una capa de óxido de indio y estaño.

[0039] En la etapa (b), el disolvente se disuelve en un disolvente seleccionado del grupo que consiste en : tolueno, cloroformo, xileno, diclorobenceno (DCB) o dimetilsulfóxido (DMSO). En un ejemplo, la composición se disuelve en DCB. En un ejemplo, la composición se disuelve en DCB.

40 [0040] En una realización, el procedimiento comprende además una etapa de recubrimiento por rotación del sustrato con una capa conductora antes de realizar la etapa (c). En un ejemplo, la capa conductora es una película hecha de un material que incluye, pero sin limitar, poliacetileno, polifenilacetileno, polidifenilacetileno, polianilina, politiofeno, poli(3,4-etilendioxitiofeno) : poli(estirenosulfonato) (PEDOT : PSS), etc. En un ejemplo, la capa

45 conductora está hecha de PEDOT : PSS.

[0041] En la etapa (c) la disolución de recubrimiento formada en la etapa (b) es aplica por recubrimiento por rotación sobre una superficie del sustrato, como la capa conductora del sustrato, y formando así una película fina de material orgánico sobre el mismo, dicha capa orgánica puede actuar como una capa activa de la célula solar orgánica.

5 [0042] Después, en la etapa (d), se forma una capa de electrodo por deposición en fase de vapor, que puede ser cualquiera de deposición térmica, deposición en fase de vapor mediante haz de electrones, deposición mediante pulverización catódica o deposición por láser pulsado. En un ejemplo, la deposición en fase de vapor es deposición por láser pulsado. El material adecuado para producir la capa de electrodo comprende aluminio. En un ejemplo específico, la capa de electrodo tiene una estructura de bicapa, en la que una capa en el mismo es de calcio y la otra

10 capa es de aluminio. En otro ejemplo, la capa de electrodo está hecha de aluminio.

[0043] De acuerdo con una realización, el procedimiento comprende además una etapa (e) de irradiación del sustrato con una luz UV, durante un periodo de aproximadamente 5 a 10 minutos para completar el procedimiento de empaquetamiento. Por ejemplo, el sustrato se irradia con luz UV durante aproximadamente 5, 6, 7, 8, 9 ó 10

15 minutos. En un ejemplo, el sustrato se irradia con la luz UV durante aproximadamente 8 minutos.

[0044] En otra realización, el procedimiento comprende además una etapa (f) de recocido del sustrato a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 120 ºC a 160 ºC, durante un periodo de aproximadamente 10 – 60 minutos. Hay que indicar que la etapa (f) es opcional, y normalmente se realiza después de la etapa (e). Un experto

20 en la materia puede determinar si la etapa (e) es necesaria o no, y depende del producto deseado y el procedimiento usado para producir dicho producto. En un ejemplo, la etapa (f) comprende el recocido del sustrato a aproximadamente 160 ºC durante un periodo de aproximadamente 30 minutos.

[0045] Por consiguiente, otro aspecto de esta descripción es proporcionar una célula solar orgánica. La célula 25 solar orgánica incluye un sustrato, que comprende en orden, de abajo a arriba,

una capa de óxido de indio y estaño (ITO) dispuesta sobre el sustrato; una capa de PEDOT : PSS dispuesta sobre la capa de ITO; una capa orgánica formada a partir de una composición que comprende :

30 P3HT; un colorante dopante que tiene la fórmula (I):

35 en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8; y éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61butírico (PCBM);

en la que la composición comprende el P3HT, el colorante dopante de fórmula (I) y el PCBM en un intervalo de relación en peso de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10; y 40 una capa de electrodo;

en el que el sustrato se ha recocido o no.

45 [0046] En una realización, el material adecuado para producir la capa de electrodo comprende aluminio. En un ejemplo específico, la capa de electrodo tiene una estructura de bicapa, en la que una capa es de calcio y la otra capa es de aluminio. En otro ejemplo, la capa de electrodo está hecha de aluminio.

[0047] Las condiciones adecuadas para el recocido del sustrato incluyen el tratamiento térmico del sustrato en un intervalo de temperatura de aproximadamente 120 ºC a 160 ºC, por ejemplo, la temperatura es de aproximadamente 120°C, 130°C, 140°C, 150°C o 160°C; y el tratamiento térmico continua durante un periodo de aproximadamente 10

5 a 60 minutos, tal como aproximadamente 10, 20, 30, 40, 50 ó 60 minutos.

[0048] En una realización específica, el sustrato de la célula solar orgánica no se ha recocido y la célula solar así fabricada tiene una eficacia de conversión fotovoltaica de aproximadamente 2,47 %.

10 [0049] De acuerdo con otra realización, el sustrato de la célula solar orgánica se ha recocido a una temperatura de aproximadamente 160 ºC durante un periodo de aproximadamente 30 minutos; y la célula solar así fabricada tiene una eficacia de conversión fotovoltaica de aproximadamente 3,42 %.

[0050] Salvo que se defina de otra forma, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente

15 documento tienen los mismos significados que entiende habitualmente el experto en la materia a la que pertenece esta invención. Aunque también se pueden usar cualesquiera procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en el presente documento en la práctica de la presente invención, los procedimientos y materiales de ejemplo se describen con el propósito de ilustrar.

20 [0051] Hay que indicar que como se usa en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares “un”, “una” y “el/la” incluyen las referencias plurales salvo que el contexto indique claramente otra cosa.

[0052] Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustrar determinados aspectos de la presente invención y para ayudar a los expertos en la materia a la práctica de esta invención. Estos ejemplos no deben considerarse de

25 ninguna forma que limitan el alcance de la invención.

EJEMPLOS

EJEMPLO 1

30 Síntesis del ácido 2-ciano-3-(5-(7-(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol-4-il)tiofen-2-il)acrílico (compuesto de fórmula II)

1.1 Síntesis del 4,7-dibromo-2,1,3-benzotiadiazol 35

[0053]

40 [0054] Se mezcló 2,1,3-benzotiadiazol (0,9992 g, 7,34 mmol) con HBr (2 ml) en un matraz de 3 bocas, y la mezcla se calentó a reflujo a 130 ºC en un baño de hielo. Se añadieron lentamente aproximadamente 1,5 ml de Br2 en el matraz mediante un embudo de adición con agitación enérgica. Tras la formación de un sólido, se añadió una cantidad adicional de HBr (1 ml) para ayudar al mezclamiento. La reacción se llevó a cabo durante aproximadamente 3 h, después se quitó el baño de aceite, y el sólido resultante se lavó con agua destilada varias

45 veces. El sólido se recristalizó en MeOH/H2O, y se obtuvo un polvo blanco (1,942 g, rendimiento: 90 %).

RMN 1H (ppm, CDCl3) 8 7,60 (s, 2H)

RMN 13C (ppm, CDCl3) 8 113,89, 132,34, 152,94

50 1.2 Síntesis de tributil(2-tienil)-estannato

[0055]

5 [0056] Los instrumentos para realizar esta reacción se limpiaron y se secaron durante al menos 4 h en un horno a aproximadamente 100 ºC. Después de secar, los instrumentos se ensamblaron inmediatamente y se hizo vacío y posteriormente se rellenó con nitrógeno seco. El procedimiento se repitió durante al menos 3 veces para eliminar cualquier traza de oxígeno o agua en el mismo.

10 [0057] Se mezclaron tiofeno (10,0911 g, 120 mmol) y tetrahidrofurano anhidro (THF) (100 ml) en un matraz de tres bocas en presencia de nitrógeno, y se añadió n-butil-litio (1,6 M, 41,25 ml, 66 mmol) mediante un embudo de adición. Específicamente, la presión de un reactor se mantuvo a un nivel positivo mediante la ayuda de nitrógeno, después el matraz de tres bocas se puso dentro de este reactor a baja temperatura (aproximadamente -30 ºC), y la

15 mezcla en el matraz de tres bocas se agitó continuamente durante aproximadamente 10 minutos, después se añadió gota a gota n-butil-litio en el matraz mediante el embudo de adición. La temperatura del reactor se mantuvo a -30 ºC y la reacción se dejó que continuara durante al menos 1,5 h. Se inyectó Bu3SnCl (20,11 g, 61,8 mmol) en el matraz de tres bocas usando una jeringa de doble cabezal, la temperatura del reactor se mantuvo a -30 ºC durante otros 30 minutos, después se dejó que volviera lentamente a temperatura ambiente. La reacción se terminó entonces por

20 adición de disolución de NaHCO3 (100 ml) en el matraz. La mezcla resultante se extrajo 3 veces con hexano (100 ml cada vez), y se lavó con disoluciones saturadas de NaCl y NaHCO3, respectivamente. La capa orgánica se secó con Na2SO4, y después se filtró y se concentró, y se purificó mediante una destilación a presión reducida con una temperatura externa de aproximadamente 160 ºC y una temperatura interna de aproximadamente 128 ºC, se obtuvo un aceite incoloro (17,863 g; rendimiento: 79,8 %).

25 [0058] RMN 1H (ppm, CDCl3) 8 0,88 (t, 9H), 1,09 (m, 6H), 1,32 (m, 6H), 1,54 (t, 6H), 7,18 (d, 1H), 7,25 (dd, 1H), 7,63 (d, 1H)

1.3 Síntesis del 4,7-di(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol 30

[0059]

35 Se puso el 4,7-dibromo-2,1,3-benzotiadiazol del ejemplo 1.1 (2,026 g; 6,89 mmol) en un matraz de tres bocas y el matraz posteriormente se llenó con nitrógeno seco, después se añadieron tetrahidrofurano anhidro (50 ml) y tributil(2-tienil)-estannato del ejemplo 1.2 (6,7358 g; 20,7 mmol). Se preparó una disolución de catalizador dispersando Pd(PPh3)Cl2 (107 ml, 0,15 mmol) en THF (5 ml) con ayuda de tratamiento con ultrasonidos. Después la disolución de catalizador se inyectó en el matraz de tres bocas, y la reacción se dejo avanzar mediante

40 calentamiento a reflujo de la mezcla durante la noche a aproximadamente 70 ºC. Después de completarse la reacción, se separó el disolvente por evaporación a presión reducida, y los productos se purificaron por cromatografía en columna (fase móvil : hexano/CH2Cl2 = 1/1). Después, el sólido concentrado se recristalizó con tolueno/metanol, y se obtuvo un cristal naranja. (1,5732 g; rendimiento : 76 %)

45 [0060] RMN 1H (ppm, CDCl3) 8 7,20 (dd, 1H), 7,44 (d, 1H), 7,86 (s, 1H), 8,10 (d, 1H)

1.4 Síntesis del 5-(7-(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol-4-il)tiofen-2-carbaldehído

[0061]

Se puso el 4,7-di(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol del ejemplo 1.3 (1,9998 g; 6,66 mmol) en un matraz de fondo redondo, que se había cargado previamente con nitrógeno seco, después se añadió 1,2-dicloroetano (30 ml) para disolver el 4,7-di(tiofen- 2-il)-2,1,3-benzotiadiazol del ejemplo 1.3 en el mismo. Posteriormente se añadieron POCl3 10 (0,71 ml, 7,62 mmol) y DMF anhidra (0,56 ml, 7,21 mmol) en un baño de hielo, la mezcla se agitó durante 10 minutos antes de retirar el baño de hielo. Después de devolver la temperatura de la mezcla a temperatura ambiente, se puso en un baño de aceite y se calentó a reflujo continuamente a 85 ºC durante la noche, después se añadió una disolución saturada de acetato sódico (150 ml) y se agitó durante al menos 6 h antes de extraerla con diclorometano al menos 3 veces (70 ml cada vez). Las capas orgánicas se mezclaron y se secaron con MgSO4 anhidro. La capa

15 orgánica seca se filtró y el disolvente se separó con un ciclón condensador. El producto obtenido después se purificó por cromatografía en columna (fase móvil: hexano/CH2Cl2 = 4/1). Se obtuvo un sólido naranja (1,725 g; rendimiento: 78,8 %).

[0062] RMN 1H (ppm, CDCl3) 8 7,21, (dd, 1H), 7,49 (d, 1H), 7,82 (d, 1H), 7,88 (d, 1H), 7,97 (d, 1H), 8,15 (dd, 1H), 20 8,17 (d, 1H)

1.5 Síntesis del ácido 2-ciano-3-(5-(7-(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol-4-il)tiofen-2-il)acrílico [0063]

El 5-(7-(tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazol-4-il)tiofen-2-carbaldehído del ejemplo 1.4 (0,9983 g, 3,04 mmol) se puso en un matraz de fondo redondo, se añadieron ácido cianoacético (0,26 g, 3,06 mmol), acetato amónico (62 mg, 0,8 30 mmol) y ácido acético (20 ml). La mezcla se calentó a reflujo en un baño de aceite a aproximadamente 120 ºC durante al menos 5 horas. Después de completarse la reacción, se retiró el baño de aceite y la disolución se dejó enfriar hasta que la temperatura había vuelto a temperatura ambiente. El sólido resultante se recogió por filtración a vacío y se lavó varias veces con agua desionizada, metanol y éster, respectivamente. El sólido se secó en un horno a aproximadamente 50 ºC y el sólido de color rojo oscuro era el compuesto de fórmula (II). (0,933 g, rendimiento :

35 77,6 %). RMN 1H (ppm, DMSO-d6) 8 7,28 (dd, 1H), 7,81 (d, 1H), 8,08 (d, 1H), 8,14 (d, 1H), 8,21 (d, 1H), 8,26 (d, 1H), 8,29 (d, 1H), 8,52 (s, 1H). RMN 13C (ppm, DMSO-d6) 8 98,83, 116,45, 123,30, 125,46, 126,95, 127,81, 127,83, 128,19, 128,21, 129,23, 136,68, 138,05, 139,84, 146,41, 147,24, 151,47, 151,52, 163,52 .

EJEMPLO 2. FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR 2.1 Fabricación de la célula solar orgánica A

[0064] El P3HT y PCBM (12 mg, adquiridos en Nano-C Inc. Southwest Park, Westwood, MA. EE.UU.) se disolvieron en diclorobenceno (DCB) (1,0 ml) y la disolución resultante se denominó “Disolución 1”.

45 [0065] Un sustrato de vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ITO) se limpió previamente con agua desionizada y disolventes adecuados incluyendo, pero sin limitar, metanol y propanol. Después, el sustrato se secó al aire y se le aplicó por recubrimiento por rotación una capa de película de PEDOT : PSS en una superficie. El sustrato se puso en un horno y se coció a 140 ºC durante aproximadamente 10 minutos, después el dispositivo se transfirió a una caja-manguito en presencia de nitrógeno, y después se aplicó por recubrimiento por rotación la “Disolución 1” para formar una película orgánica sobre la capa de PEDOT : PSS. Después, se depositó una capa de electrodo sobre la capa orgánica formada a partir de la “Disolución 1” por deposición térmica, formando así una célula solar orgánica.

[0066] Específicamente, la capa de electrodo (Ca/Al) se formó por las etapas de: deposición térmica en el orden de una película fina de Ca (aproximadamente 20 nm de grosor) y una película fina de aluminio (aproximadamente 80 nm de grosor) sobre la capa orgánica a una presión reducida menor de 10-6 torr; y el dispositivo se empaquetó en presencia de nitrógeno. El área eficaz del dispositivo así fabricado era aproximadamente 6 mm2.

2.2 Fabricación de la célula solar orgánica B

[0067] La célula solar se fabricó de acuerdo con las etapas descritas en el ejemplo 2.1, excepto que la capa orgánica formada a partir de la “Disolución 1” se recoció a 160 ºC durante 30 minutos antes de formar la capa de electrodo sobre la misma.

2.3 Fabricación de la célula solar orgánica C

[0068] El compuesto del ejemplo 1 (2 mg) se añadió a la “Disolución 1”, y la mezcla se agitó a 40 ºC durante 12 horas para formar la “Disolución 2”.

[0069] La célula solar se fabricó de acuerdo con las etapas descritas en el Ejemplo 2.1, excepto que se usó la “Disolución 2” para formar la capa orgánica.

2.4 Fabricación de la célula solar orgánica D

[0070] La célula solar se fabricó de acuerdo con las etapas descritas en el ejemplo 2.3, excepto que la capa orgánica formada a partir de la “Disolución 2” se recoció a 160 ºC durante 30 minutos antes de formar la capa de electrodo sobre la misma.

2.5 Caracterización de las células solares orgánicas de los ejemplos 2.1 a 2.4

[0071] Las células solares hechas en los ejemplos 2.1 a 2.4, es decir las células solares A a D, se fijaron en una platina de medición de la curva I-V, respectivamente, y se midió la respuesta I-V de cada célula solar en las condiciones solares globales de masa de aire (A.M.) 1,5, usando una fuente de luz de 500 W Oriel. Los resultados se proporcionan en la tabla 1.

Voc (V): Jsc (mA/cm2) Factor de llenado ( % ) Eficacia de conversión fotovoltaica ( % ) Temp. de recocido ( ºC ) Tiempo de recocido (min)

Ejemplo de comparación*: 0,6 V 3,83 30 0,82

Ejemplo 2.1 Célula solar A que incluye una capa orgánica formada a partir de la “Disolución 1” sin recocido: 0,64 5,06 52,6 1,70 - -

Ejemplo 2.2 Célula solar B que incluye una capa orgánica formada a partir de la “Disolución 1” con recocido a 160 ºC, 30 min: 0,60 7,17 65,0 2,81 160 30

Ejemplo 2.3 Célula solar C que incluye una capa orgánica formada a partir de la “Disolución 2” sin recocido: 0,57 7,78 56,0 2,47 - -

Ejemplo 2.4 Célula solar D que incluye una capa orgánica formada a partir de la “Disolución 2” con recocido a 160 ºC, 30 min: 0,63 8,72 62,3 3,42 160 30

*Los datos de este ejemplo se tomaron directamente de Adv. Funct. Mater. (2005), 15 : 1617

[0072] Está claro a partir de la tabla 1 que la célula solar formada con la disolución de recubrimiento que incluye el colorante dopante de fórmula (II) (p. ej. el compuesto del ejemplo 1) tiene un factor de llenado más alto, y por lo tanto una eficacia de conversión fotovoltaica más alta con o sin un tratamiento térmico (p. ej., siendo recocido a 160 5 ºC durante 30 min). Este resultado inesperado se debía principalmente al nuevo colorante dopante de esta descripción que se incluye en la capa activa del dispositivo solar, que aumentaba la corriente de cortocircuito y así la eficacia de conversión fotovoltaica del dispositivo. La eficacia de conversión fotovoltaica era de aproximadamente 2,47 % cuando el sustrato no era sometido a tratamiento térmico, y era de aproximadamente 3,42 % cuando se aplicaba el tratamiento térmico. En resumen, la eficacia de conversión fotovoltaica aumenta aproximadamente 1,45

10 veces cuando se aplica el tratamiento térmico.

Aplicabilidad industrial

[0073] Esta descripción proporciona un nuevo colorante dopante para usar en una capa activa de una célula solar.

15 El nuevo colorante dopante puede potenciar la eficacia de conversión fotovoltaica del dispositivo solar, y puede reducir más o eliminar la etapa de tratamiento térmico necesaria para el empaquetamiento del dispositivo solar, en particular un dispositivo solar hecho de un sustrato flexible. La eficacia de conversión fotovoltaica del dispositivo solar es aproximadamente 2,47 % y 3,42 %, respectivamente, con o sin la etapa de recocido térmico.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un colorante dopante que tiene la fórmula (I):

en la que R1, R2 y R3 son independientemente hidrógeno o alquilo C1-8.
2. El colorante dopante de la reivindicación 1, en el que R1, R2 y R3 son independientemente átomos de 10 hidrógeno.
3. Una composición para fabricar una célula solar orgánica, que comprende:

poli-(3-hexiltiofeno) (P3HT); 15 un colorante dopante de la reivindicación 1 ó 2; y

éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61-butírico (PCBM);

20 en la que el P3HT, el colorante dopante de la reivindicación 1 y el PCBM existen en la composición en un intervalo de relación en peso de aproximadamente 3 : 1 : 3 a aproximadamente 10 : 1 : 10.
4. La composición de la reivindicación 3, en la que la relación en peso del P3HT, el colorante dopante de

la reivindicación 1 y el PCBM en la composición es 7,5 : 1 : 7,5. 25
5. Una célula solar orgánica que comprende un sustrato, que comprende en orden: una capa de óxido de indio y estaño (ITO) dispuesta sobre el sustrato;

30 una capa de PEDOT : PSS dispuesta sobre la capa de ITO; una capa orgánica formada a partir de la composición de la reivindicación 3 ó 4 sobre la capa de ITO, y un electrodo dispuesto sobre la capa orgánica; en la que el electrodo no se ha recocido.
6.

La célula solar de la reivindicación 5, en la que el electrodo comprende aluminio.
7.

La célula solar de la reivindicación 5, en la que la célula solar tiene una eficacia de conversión

fotovoltaica de aproximadamente 2,47 %. 40
8. Una célula solar orgánica que comprende un sustrato, que comprende en orden: una capa de óxido de indio y estaño (ITO) dispuesta sobre el sustrato;

45 una capa de PEDOT : PSS dispuesta sobre la capa de ITO; una capa orgánica formada a partir de la composición de la reivindicación 3 ó 4 sobre la capa de ITO, y

un electrodo dispuesto sobre la capa orgánica; en la que el electrodo se recuece a una temperatura de aproximadamente 120 – 180 ºC durante aproximadamente 10 – 60 minutos.
9.

La célula solar de la reivindicación 8, en la que el electrodo comprende aluminio.
10.

La célula solar de la reivindicación 9, en la que la célula solar tiene una eficacia de conversión fotovoltaica de aproximadamente 3,42 %.