JP2010111649A - Quinoxaline compound, electron-donating organic material produced by using the same, material for photovoltaic element and photovoltaic element - Google Patents

Quinoxaline compound, electron-donating organic material produced by using the same, material for photovoltaic element and photovoltaic element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photovoltaic element having high photovoltaic conversion efficiency. <P>SOLUTION: There is provided a quinoxaline compound satisfying requirements that (a) it contains a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton, (b) it has a band gap (Eg) of ≤1.8 eV and (c) the level of highest occupied molecular orbital (HOMO) is ≤-4.8 eV. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、キノキサリン化合物、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子に関する。   The present invention relates to a quinoxaline compound, an electron-donating organic material using the compound, a material for a photovoltaic device, and a photovoltaic device.

太陽電池は環境に優しい電気エネルギー源として、現在深刻さを増すエネルギー問題に対して有力なエネルギー源と注目されている。現在、太陽電池の光起電力素子の半導体素材としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体などの無機物が使用されている。しかし、無機半導体を用いて製造される太陽電池は、火力発電や原子力発電などの発電方式と比べてコストが高いために、一般家庭に広く普及するには至っていない。コスト高の要因は主として、真空かつ高温下で半導体薄膜を製造するプロセスにある。そこで、製造プロセスの簡略化が期待される半導体素材として、共役系重合体や有機結晶などの有機半導体や有機色素を用いた有機太陽電池が検討されている。   Solar cells are attracting attention as an environmentally friendly electrical energy source and an influential energy source for increasing energy problems. Currently, inorganic materials such as single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and compound semiconductors are used as semiconductor materials for photovoltaic elements of solar cells. However, solar cells manufactured using inorganic semiconductors have not been widely used in ordinary households because of high costs compared with power generation methods such as thermal power generation and nuclear power generation. The high cost factor is mainly in the process of manufacturing a semiconductor thin film under vacuum and high temperature. Therefore, organic solar cells using organic semiconductors and organic dyes such as conjugated polymers and organic crystals are being studied as semiconductor materials expected to simplify the manufacturing process.

しかし、共役系重合体などを用いた有機太陽電池は、従来の無機半導体を用いた太陽電池と比べて光電変換効率が低いことが最大の課題であり、まだ実用化には至っていない。従来の共役系重合体を用いた有機太陽電池の光電変換効率が低いのは、主として、太陽光の吸収効率が低いことや、太陽光によって生成された電子と正孔が分離しにくいエキシトンという束縛状態が形成されることと、キャリア(電子、正孔)を捕獲するトラップが形成されやすいため生成したキャリアがトラップに捕獲されやすく、キャリアの移動度が遅いことなどによる。   However, an organic solar cell using a conjugated polymer or the like has the biggest problem that the photoelectric conversion efficiency is lower than that of a conventional solar cell using an inorganic semiconductor, and has not yet been put into practical use. The photoelectric conversion efficiency of organic solar cells using conventional conjugated polymers is mainly due to the low solar absorption efficiency and the excitons that are difficult to separate the electrons and holes generated by sunlight. This is because a state is formed and a trap for trapping carriers (electrons and holes) is easily formed, so that the generated carriers are easily trapped in the trap and the mobility of carriers is slow.

これまでの有機半導体による光電変換素子は、現在のところ一般的に次のような素子構成に分類することができる。電子供与性有機材料(p型有機半導体)と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型、電子受容性有機材料(n型有機半導体)と電子供与性有機材料(p型有機半導体)を接合させるヘテロ接合型などである。これらの素子は、接合部の有機層(数分子層程度)のみが光電流生成に寄与するため光電変換効率が低く、その向上が課題となっている。   Conventional photoelectric conversion elements using organic semiconductors can be generally classified into the following element configurations at present. A Schottky type that joins an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) and a metal having a low work function, and an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor). Heterojunction type. In these elements, only the organic layer (about several molecular layers) at the junction contributes to the photocurrent generation, so that the photoelectric conversion efficiency is low, and its improvement is a problem.

光電変換効率向上の一つの方法として、電子受容性有機材料(n型有機半導体)と電子供与性有機材料(p型有機半導体)を混合し、光電変換に寄与する接合面を増加させたバルクヘテロ接合型(例えば、非特許文献1参照)がある。なかでも、電子供与性有機材料(p型有機半導体)として共役系重合体を用い、電子受容性有機材料としてn型の半導体特性をもつ導電性高分子のほかC60などのフラーレンやカーボンナノチューブを用いた光電変換材料が報告されている(例えば、非特許文献2〜3、特許文献1〜2参照)。 As a method for improving photoelectric conversion efficiency, a bulk heterojunction in which an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) are mixed to increase the bonding surface contributing to photoelectric conversion There is a type (for example, see Non-Patent Document 1). Among them, the conjugated polymer used as the electron donating organic material (p-type organic semiconductor), a fullerene or a carbon nanotube, such as other C 60 of the conductive polymer having the semiconductor characteristics of the n-type as the electron accepting organic material The used photoelectric conversion material is reported (for example, refer nonpatent literatures 2-3 and patent documents 1-2).

また、太陽光スペクトルの広い範囲にわたる放射エネルギーを効率よく吸収させるために、主鎖に電子供与性基と電子吸引性基を導入し、バンドギャップを小さくした有機半導体による光電変換材料が報告されている(例えば、非特許文献4参照)。この電子供与性基としてはチオフェン骨格が、電子吸引性基としてはベンゾチアジアゾール骨格やキノキサリン骨格が精力的に研究されている(例えば、非特許文献5、特許文献3〜6参照)。しかしながら、十分な光電変換効率は得られていなかった。
J.J.M.Halls、C.A.Walsh、N.C.Greenham、E.A.Marseglla、R.H.Frirnd、S.C.Moratti、A.B.Homes著、「ネイチャー(Nature)」、1995年、376号、498頁 E.Kymakis、G.A.J.Amaratunga著、「アプライド フィジクス レターズ(Applied Physics Letters)」(米国)、2002年、80巻、112頁 G.Yu、J.Gao、J.C.Hummelen、F.Wudl、A.J.Heeger著、「サイエンス(Science)」、1995年、270巻、1789頁 E.Bundgaard、F.C.Krebs著、「ソーラー エナジー マテリアルズ アンド ソーラー セル(Solar Energy Materials & Solar Cells)」、2007年、91巻、954頁 X.Li、W.Zeng、Y.Zhang、Q.Hou、W.Yang、Y.Cao著、「ヨーロピアン ポリマー ジャーナル(European Polymer Journal)」、2005年、41巻、2923頁 特開2003−347565号公報(請求項1、3) 特開2004−165474号公報(請求項1、3) 特表2006−502981号公報(請求項1) 特開2003−104976号公報(請求項1、9) 特開2006−222429号公報(請求項7) 特表2004−534863号公報(請求項1)
In addition, in order to efficiently absorb radiant energy over a wide range of the solar spectrum, a photoelectric conversion material using an organic semiconductor in which an electron-donating group and an electron-withdrawing group are introduced into the main chain to reduce the band gap has been reported. (For example, refer nonpatent literature 4). As this electron-donating group, a thiophene skeleton has been studied vigorously, and as an electron-withdrawing group, a benzothiadiazole skeleton and a quinoxaline skeleton have been vigorously studied (see, for example, Non-Patent Document 5 and Patent Documents 3 to 6). However, sufficient photoelectric conversion efficiency has not been obtained.
J. et al. J. et al. M.M. Halls, C.I. A. Walsh, N .; C. Greenham, E.I. A. Marsegla, R.M. H. Frind, S.M. C. Moratti, A.M. B. Homes, "Nature", 1995, 376, 498 E. Kymakis, G .; A. J. et al. Amaruntunga, "Applied Physics Letters" (USA), 2002, 80, 112. G. Yu, J. et al. Gao, J .; C. Hummelen, F.M. Wudl, A.W. J. et al. Heeger, "Science", 1995, 270, 1789 E. Bundgaard, F.M. C. Krebs, "Solar Energy Materials & Solar Cells", 2007, 91, 954. X. Li, W. Zeng, Y. et al. Zhang, Q.H. Hou, W.H. Yang, Y. et al. Cao, “European Polymer Journal”, 2005, 41, 2923 JP 2003-347565 A (Claims 1 and 3) JP 2004-165474 A (Claims 1 and 3) JP-T-2006-502981 (Claim 1) JP 2003-104976 A (Claims 1 and 9) JP 2006-222429 A (Claim 7) JP 2004-534863 A (Claim 1)

上述のように、従来の有機太陽電池はいずれも光電変換効率が低いことが課題であった。本発明は光電変換効率の高い光起電力素子を提供することを目的とする。   As described above, all of the conventional organic solar cells have a problem of low photoelectric conversion efficiency. An object of this invention is to provide a photovoltaic device with high photoelectric conversion efficiency.

すなわち本発明は、(a)キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格とを含み、(b)バンドギャップ(Eg)が1.8eV以下であり、(c)最高被占分子軌道(HOMO)準位が−4.8eV以下であるキノキサリン化合物、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子である。   That is, the present invention includes (a) a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton, (b) a band gap (Eg) of 1.8 eV or less, and (c) a highest occupied molecular orbital (HOMO) level of −4. A quinoxaline compound having a voltage of 0.8 eV or less, an electron donating organic material, a material for a photovoltaic device, and a photovoltaic device using the same.

本発明によれば、高い短絡電流密度(Isc)と高い開放電圧(Voc)を両立した、光電変換効率の高い光起電力素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photovoltaic device with high photoelectric conversion efficiency which can make high short circuit current density (Isc) and high open circuit voltage (Voc) compatible can be provided.


本発明のキノキサリン化合物は、(a)キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格とを含み、(b)バンドギャップ(Eg)が1.8eV以下であり、(c)最高被占分子軌道(HOMO)準位が−4.8eV以下であることを特徴とする。以下、本発明のキノキサリン化合物について説明する。

The quinoxaline compound of the present invention includes (a) a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton, (b) a band gap (Eg) of 1.8 eV or less, and (c) a highest occupied molecular orbital (HOMO) level. It is -4.8 eV or less. Hereinafter, the quinoxaline compound of the present invention will be described.

本発明のキノキサリン化合物は、(a)キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格とを含む。ここで、オリゴチオフェン骨格とは、2個以上のチオフェン環同士が共役結合で連結された骨格を示す。キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格の両者を有することにより、(1)深い最高被占分子軌道(HOMO)準位、(2)広い吸収波長領域、(3)高いキャリア移動度を、高いレベルで両立することが可能となる。特に、光起電力素子用材料として用いる場合、高い短絡電流(Isc)を得るためには光吸収波長領域が広い方が好ましく、この観点から、上記オリゴチオフェン骨格を構成するチオフェン環の数は3個以上であることが好ましく、4個以上であることがさらに好ましい。一方、光起電力素子において高い開放電圧(Voc)を得るためには電子供与性有機材料の最高被占分子軌道(HOMO)準位を深くすることが有効であり、この観点から、上記オリゴチオフェン骨格を構成するチオフェン環の数は12個以下であることが好ましく、8個以下であることがさらに好ましい。このチオフェン環の連結位置は、光吸収波長領域を広くするため、また同時に有機半導体として高いキャリア輸送能を確保するために、2,5位(チオフェン環に含まれる硫黄原子の隣接炭素)であることが好ましい。   The quinoxaline compound of the present invention includes (a) a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton. Here, the oligothiophene skeleton refers to a skeleton in which two or more thiophene rings are linked by a conjugated bond. By having both a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton, (1) a deep highest occupied molecular orbital (HOMO) level, (2) a wide absorption wavelength region, and (3) a high carrier mobility are compatible at a high level. It becomes possible. In particular, when used as a material for a photovoltaic device, in order to obtain a high short-circuit current (Isc), a wider light absorption wavelength region is preferable. From this viewpoint, the number of thiophene rings constituting the oligothiophene skeleton is 3 The number is preferably at least 4, and more preferably at least 4. On the other hand, in order to obtain a high open circuit voltage (Voc) in a photovoltaic device, it is effective to deepen the highest occupied molecular orbital (HOMO) level of the electron donating organic material. The number of thiophene rings constituting the skeleton is preferably 12 or less, and more preferably 8 or less. In order to widen the light absorption wavelength region and at the same time secure a high carrier transport capability as an organic semiconductor, this thiophene ring is located at positions 2 and 5 (carbon adjacent to the sulfur atom contained in the thiophene ring). It is preferable.

また、本発明のキノキサリン化合物は、(b)バンドギャップ(Eg)が1.8eV以下である。バンドギャップとは最高被占分子軌道(HOMO)準位と最低空分子軌道(LUMO)準位とのエネルギー差であり、これを1.8eV以下とすることにより、光の吸収効率を高くすることができる。特に、光起電力素子用材料として用いる場合、バンドギャップが1.8eVを超えると、太陽光の吸収効率が低下するため、光電変換効率が低下する。一方、バンドギャップが小さすぎると開放電圧(Voc)の低下をもたらす場合があり、この観点から、バンドギャップは1.8eV以下1.2eV以上であることが好ましく、1.8eV以下1.4eV以上であることがさらに好ましい。ここで、キノキサリン化合物のバンドギャップは、キノキサリン化合物から薄膜を形成し、その光吸収端から下記式を用いて求められる。   The quinoxaline compound of the present invention has (b) a band gap (Eg) of 1.8 eV or less. The band gap is the energy difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) level and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level. By setting this to 1.8 eV or less, the light absorption efficiency is increased. Can do. In particular, when used as a material for a photovoltaic device, if the band gap exceeds 1.8 eV, the solar light absorption efficiency decreases, and thus the photoelectric conversion efficiency decreases. On the other hand, if the band gap is too small, the open circuit voltage (Voc) may be lowered. From this viewpoint, the band gap is preferably 1.8 eV or less and 1.2 eV or more, and 1.8 eV or less and 1.4 eV or more. More preferably. Here, the band gap of the quinoxaline compound is obtained from the light absorption edge of the thin film formed from the quinoxaline compound using the following formula.

Eg(eV)=1240/薄膜の光吸収端波長(nm)
ここで用いる薄膜の形成方法は特に限定されるものではないが、通常、クロロホルム、テトラヒドロフラン、クロロベンゼンなどの有機溶媒に溶解させて、スピンコートなどのウェットコーティング法によりガラス基板上に薄膜を形成する。薄膜の厚さは、薄すぎると吸光度が低すぎ、厚すぎると吸光度が高すぎて測定に支障を来たす場合があるため、通常、5nm〜500nmの範囲であることが好ましく、10nm〜200nmの範囲であることがさらに好ましい。
Eg (eV) = 1240 / light absorption edge wavelength of thin film (nm)
The method for forming the thin film used here is not particularly limited. Usually, the thin film is dissolved in an organic solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, or chlorobenzene, and the thin film is formed on the glass substrate by a wet coating method such as spin coating. The thickness of the thin film is preferably in the range of 5 nm to 500 nm, preferably in the range of 5 nm to 500 nm because the absorbance is too low if it is too thin, and the absorbance may be too high if it is too thick. More preferably.

バンドギャップを1.8eV以下にするためには、分子内チャージトランスファー(CT)を起こしやすくすること、すなわち、電子吸引性基であるキノキサリン骨格と電子供与性基であるオリゴチオフェン骨格を交互に配置することが有効である。また、オリゴチオフェンを構成するチオフェン環同士のねじれを最小限に留めることもバンドギャップを1.8eV以下にするのに有効である。このためには、隣り合う2つのチオフェン環の2つの隣接置換基のうち、少なくとも1つを立体障害の小さい水素原子とすることが有効である。   In order to reduce the band gap to 1.8 eV or less, it is easy to cause intramolecular charge transfer (CT), that is, the quinoxaline skeleton that is an electron-withdrawing group and the oligothiophene skeleton that is an electron-donating group are alternately arranged. It is effective to do. In addition, minimizing the twisting between the thiophene rings constituting the oligothiophene is also effective in reducing the band gap to 1.8 eV or less. For this purpose, it is effective that at least one of two adjacent substituents of two adjacent thiophene rings is a hydrogen atom having a small steric hindrance.

また、本発明のキノキサリン化合物は、上述のように高い開放電圧(Voc)を得るためには最高被占分子軌道(HOMO)準位を深くすることが有効であり、具体的には(c)で記述したように−4.8eV以下とすることが重要である。最高被占分子軌道(HOMO)準位が−4.8eVを超えると、開放電圧(Voc)が低下するため、光電変換効率が低下する。一方、最高被占分子軌道(HOMO)準位が低すぎると、励起子が電荷分離して生成する電子と正孔が電子受容性有機材料側で再結合して消滅する場合があり、この観点から、最高被占分子軌道(HOMO)準位は−4.8eV以下−6.1eV以上であることが好ましく、−4.8eV以下−5.5eV以上であることがさらに好ましい。ここで、キノキサリン化合物の最高被占分子軌道(HOMO)準位は、キノキサリン化合物から薄膜を形成し、その光電子分光測定により求められる。ここで用いる薄膜の形成方法は特に限定されるものではないが、通常、上述の方法を用いることができる。薄膜の厚さは、薄すぎると下地の基板の影響を受け、厚すぎると膜厚にムラができて測定に支障を来たす場合があるため、通常、5nm〜500nmの範囲であることが好ましく、10nm〜200nmの範囲であることがさらに好ましい。なお、−4.8eV以下とは、−4.9eV、−5.0eVのように、その絶対値が4.8以上であることを示す。   Further, the quinoxaline compound of the present invention is effective to deepen the highest occupied molecular orbital (HOMO) level in order to obtain a high open circuit voltage (Voc) as described above. Specifically, (c) As described above, it is important that the voltage be −4.8 eV or less. When the highest occupied molecular orbital (HOMO) level exceeds −4.8 eV, the open-circuit voltage (Voc) decreases, and the photoelectric conversion efficiency decreases. On the other hand, if the highest occupied molecular orbital (HOMO) level is too low, electrons and holes generated by exciton charge separation may recombine and disappear on the electron-accepting organic material side. Therefore, the highest occupied molecular orbital (HOMO) level is preferably −4.8 eV or lower and −6.1 eV or higher, and more preferably −4.8 eV or lower and −5.5 eV or higher. Here, the highest occupied molecular orbital (HOMO) level of the quinoxaline compound is obtained by forming a thin film from the quinoxaline compound and measuring the photoelectron spectrum. The method for forming the thin film used here is not particularly limited, but the above-described method can be usually used. If the thickness of the thin film is too thin, it is affected by the underlying substrate, and if it is too thick, the film thickness may be uneven and may interfere with the measurement. Therefore, it is usually preferably in the range of 5 nm to 500 nm. More preferably, it is in the range of 10 nm to 200 nm. In addition, -4.8 eV or less shows that the absolute value is 4.8 or more like -4.9 eV and -5.0 eV.

HOMOを−4.8eV以下にするには、電子供与性基であるオリゴチオフェン骨格の数と、このオリゴチオフェン骨格に含まれるチオフェン環の数の両者が多すぎないことが重要である。具体的には、電子吸引性基であるキノキサリン骨格:電子供与性基であるオリゴチオフェン骨格の比が、1:1〜1:2であることが好ましく、また、1つのオリゴチオフェン骨格に含まれるチオフェン環の数を12個以下にすることが好ましい。   In order to reduce the HOMO to −4.8 eV or less, it is important that both the number of oligothiophene skeletons which are electron donating groups and the number of thiophene rings contained in the oligothiophene skeleton are not too many. Specifically, the ratio of the quinoxaline skeleton that is an electron-withdrawing group to the oligothiophene skeleton that is an electron-donating group is preferably 1: 1 to 1: 2, and is included in one oligothiophene skeleton. The number of thiophene rings is preferably 12 or less.

上述のような特徴を有するキノキサリン化合物として、下記一般式(1)で表される構造を有する化合物が好ましい。キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格をランダムに配置する場合に比べ、式(1)のようにオリゴチオフェン骨格−キノキサリン骨格−オリゴチオフェン骨格と、規則的に配置することにより、長波長領域の光吸収効率が向上する。   As the quinoxaline compound having the above-described characteristics, a compound having a structure represented by the following general formula (1) is preferable. Compared to the case where the quinoxaline skeleton and the oligothiophene skeleton are randomly arranged, the light absorption efficiency in the long wavelength region is improved by arranging the oligothiophene skeleton-quinoxaline skeleton-oligothiophene skeleton regularly as shown in the formula (1). improves.

Figure 2010111649
Figure 2010111649

〜R20は同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンの中から選ばれる。Aは6員環構造を有する2価のアリーレン基または6員環構造を有する2価のヘテロアリーレン基を表す。mは0または1である。nは1以上1000以下の範囲を表す。 R 1 to R 20 may be the same or different and are selected from hydrogen, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, a heteroaryl group, and a halogen. A represents a divalent arylene group having a 6-membered ring structure or a divalent heteroarylene group having a 6-membered ring structure. m is 0 or 1. n represents a range of 1 to 1000.

ここでアルキル基とは例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基のような飽和脂肪族炭化水素基であり、直鎖状であっても分岐状であっても環状であってもよく、無置換でも置換されていてもかまわない。置換される場合の置換基の例としては、下記アルコキシ基やアリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。アルキル基の炭素数は、加工性の観点から2個以上が好ましく、光吸収効率をより高くするためには20個以下が好ましい。また、アルコキシ基とは例えばメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基などのエーテル結合を介した脂肪族炭化水素基を示し、脂肪族炭化水素基は無置換でも置換されていてもかまわない。アルコキシ基の炭素数は、加工性の観点から2個以上が好ましく、光吸収効率をより高くするためには20個以下が好ましい。置換される場合の置換基の例としては、下記アリール基やヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。また、アリール基とは例えばフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フェナントリル基、アントリル基、ターフェニル基、ピレニル基、フルオレニル基、ペリレニル基などの芳香族炭化水素基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。アリール基の炭素数は、加工性の観点から6個以上が好ましい。また、30個以下が好ましい。置換される場合の置換基の例としては、上記アルキル基や、下記ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。また、ヘテロアリール基とは例えば、チエニル基、フリル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、オキサゾリル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリニル基、イソキノリル基、キノキサリル基、アクリジニル基、インドリル基、カルバゾリル基、ベンゾフラン基、ジベンゾフラン基、ベンゾチオフェン基、ジベンゾチオフェン基、ベンゾジチオフェン基、シロール基、ベンゾシロール基、ジベンゾシロール基などの炭素以外の原子を有する複素芳香環基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。置換される場合の置換基の例としては、上記アルキル基、アリール基や、下記ハロゲンが挙げられる。また、ハロゲンはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素のいずれかである。   Here, the alkyl group is, for example, a saturated aliphatic hydrocarbon such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group. The group may be linear, branched or cyclic, and may be unsubstituted or substituted. Examples of the substituent when substituted include the following alkoxy groups, aryl groups, heteroaryl groups, and halogens. The number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 2 or more from the viewpoint of processability, and is preferably 20 or less in order to further increase the light absorption efficiency. The alkoxy group refers to an aliphatic hydrocarbon group through an ether bond such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, or a butoxy group, and the aliphatic hydrocarbon group may be unsubstituted or substituted. The number of carbon atoms of the alkoxy group is preferably 2 or more from the viewpoint of processability, and is preferably 20 or less in order to further increase the light absorption efficiency. Examples of the substituent when substituted include the following aryl groups, heteroaryl groups, and halogens. The aryl group is an aromatic hydrocarbon group such as a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, a terphenyl group, a pyrenyl group, a fluorenyl group, and a perylenyl group, which is substituted even if it is unsubstituted. It may be done. The number of carbon atoms of the aryl group is preferably 6 or more from the viewpoint of processability. Moreover, 30 or less are preferable. Examples of the substituent in the case of substitution include the above alkyl group, the following heteroaryl group, and halogen. The heteroaryl group is, for example, thienyl group, furyl group, pyrrolyl group, imidazolyl group, pyrazolyl group, oxazolyl group, pyridyl group, pyrazyl group, pyrimidyl group, quinolinyl group, isoquinolyl group, quinoxalyl group, acridinyl group, indolyl group. , Carbazolyl group, benzofuran group, dibenzofuran group, benzothiophene group, dibenzothiophene group, benzodithiophene group, silole group, benzosilol group, dibenzosilole group, etc. It can be replaced or replaced. Examples of the substituent in the case of substitution include the above alkyl group, aryl group, and the following halogen. Halogen is any one of fluorine, chlorine, bromine and iodine.

また、6員環構造を有する2価のアリーレン基とは2価(結合部位が2箇所)の芳香族炭化水素基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。置換される場合の置換基の例としては、上記アルキル基や、ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。6員環構造を有する2価のアリーレン基の好ましい具体例としては、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フェナントリレン基、アントリレン基、ターフェニレン基、ピレニレン基、フルオレニレン基、ペリレニレン基などの2価の基が挙げられる。また、6員環構造を有する2価のヘテロアリーレン基とは2価の複素芳香環基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。6員環構造を有する2価のヘテロアリーレン基の好ましい具体例しては、ピリジレン基、ピラジレン基、キノリニレン基、イソキノリレン基、キノキサリレン基、アクリジニレン基、インドリレン基、カルバゾリレン基、ベンゾフラン基、ジベンゾフラン基、ベンゾチオフェン基、ジベンゾチオフェン基、ベンゾジチオフェン基、ベンゾシロール基、ジベンゾシロール基などの2価の複素芳香環基などが挙げられる。これらの中でもフルオレニレン基とジベンゾシロール基はアルキル基などの溶解性置換基を2個容易に導入することができるため、溶解性を確保する観点から好ましい。上記一般式(1)で表される化合物におけるR〜R18は、合成の容易さと溶解性を確保する観点から、水素、アルキル基、アルコキシ基のいずれかであることが好ましい。また、R19およびR20は合成の容易さと化合物の安定性の観点から、アルキル基またはアリール基が好ましい。 In addition, the divalent arylene group having a 6-membered ring structure represents a divalent (two bonding sites) aromatic hydrocarbon group, which may be unsubstituted or substituted. Examples of the substituent in the case of substitution include the above alkyl group, heteroaryl group, and halogen. Preferable specific examples of the divalent arylene group having a 6-membered ring structure include divalent groups such as a phenylene group, a naphthylene group, a biphenylene group, a phenanthrylene group, an anthrylene group, a terphenylene group, a pyrenylene group, a fluorenylene group, and a peryleneylene group. Groups. Moreover, the divalent heteroarylene group having a 6-membered ring structure represents a divalent heteroaromatic ring group, which may be unsubstituted or substituted. Preferable specific examples of the divalent heteroarylene group having a 6-membered ring structure include a pyridylene group, a pyrazylene group, a quinolinylene group, an isoquinolylene group, a quinoxalylene group, an acridinylene group, an indolenylene group, a carbazolylene group, a benzofuran group, a dibenzofuran group, Examples thereof include a divalent heteroaromatic ring group such as a benzothiophene group, a dibenzothiophene group, a benzodithiophene group, a benzosilole group, and a dibenzosilole group. Among these, a fluorenylene group and a dibenzosilole group are preferable from the viewpoint of ensuring solubility because two soluble substituents such as an alkyl group can be easily introduced. R 1 to R 18 in the compound represented by the general formula (1) are preferably any one of hydrogen, an alkyl group, and an alkoxy group from the viewpoint of ensuring ease of synthesis and solubility. R 19 and R 20 are preferably an alkyl group or an aryl group from the viewpoint of ease of synthesis and stability of the compound.

一般式(1)のnはキノキサリン化合物の重合度を示し、1以上1000以下の範囲である。膜形成の容易さから、キノキサリン化合物は溶媒に可溶であることが好ましく、この観点からnは1以上500以下程度が好ましい。重合度は重量平均分子量から求めることができる。重量平均分子量はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)を用いて測定し、ポリスチレンの標準試料に換算して求めることができる。また、上述のように溶媒に可溶とするために、R〜R20の少なくとも一つがアルキル基またはアルコキシ基であることが好ましい。キノキサリン化合物の分子量が小さい場合は、アルキル基またはアルコキシ基の数が多すぎるとガラス転移温度や融点が低下して薄膜の耐熱性が低下する。逆に、キノキサリン化合物の分子量が大きい場合はアルキル基またはアルコキシ基の数が少なすぎると溶解性が低下し薄膜の形成が困難となる。このため、一般式(1)のnが1以上10未満の場合は、R〜R20のうちアルキル基またはアルコキシ基が1個以上8個以下であることがより好ましく、一般式(1)のnが10以上の場合は、R〜R20のうちアルキル基またはアルコキシ基が4個以上であることがより好ましい。 N in the general formula (1) indicates the degree of polymerization of the quinoxaline compound and is in the range of 1 to 1000. In view of ease of film formation, the quinoxaline compound is preferably soluble in a solvent. From this viewpoint, n is preferably about 1 or more and 500 or less. The degree of polymerization can be determined from the weight average molecular weight. The weight average molecular weight can be determined by measuring using GPC (gel permeation chromatography) and converting to a polystyrene standard sample. Moreover, in order to make it soluble in a solvent as mentioned above, it is preferable that at least one of R 1 to R 20 is an alkyl group or an alkoxy group. When the molecular weight of the quinoxaline compound is small, if the number of alkyl groups or alkoxy groups is too large, the glass transition temperature and the melting point are lowered and the heat resistance of the thin film is lowered. On the contrary, when the molecular weight of the quinoxaline compound is large, if the number of alkyl groups or alkoxy groups is too small, the solubility is lowered and it is difficult to form a thin film. Therefore, when n in the general formula (1) is less than 10 1 or more, more preferably an alkyl group or an alkoxy group of R 1 to R 20 is 8 or less 1 or more, the general formula (1) In the case where n is 10 or more, it is more preferable that R 1 to R 20 have 4 or more alkyl groups or alkoxy groups.

一般式(1)のmは0または1であるが、上記nが2以上である場合はm=1であることが好ましい。これは、一般式(1)のAが6員環構造を有しているためにその立体障害により主鎖がねじれて共役が拡張されにくく、nが2以上であるような高分子量体においても最高被占分子軌道(HOMO)準位を深く保つことができるためである。   M in the general formula (1) is 0 or 1, but when n is 2 or more, m = 1 is preferable. This is because even if A in the general formula (1) has a 6-membered ring structure, the main chain is twisted due to its steric hindrance so that conjugation is not easily expanded. This is because the highest occupied molecular orbital (HOMO) level can be kept deep.

上記の一般式(1)で表される構造を有するキノキサリン化合物として、下記のような構造が挙げられる。なお、下記構造において、nは1以上1000以下の範囲である。   Examples of the quinoxaline compound having the structure represented by the general formula (1) include the following structures. In the following structure, n is in the range of 1 to 1000.

Figure 2010111649
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なお、一般式(1)で表される構造を有するキノキサリン化合物は、例えば、マクロモレキュルズ(Macromolecules)2000年、33巻、9277−9288頁や、ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサイアティ(Journal of American Chemical Society)2006年、128巻、10992−10993頁に記載されている方法に類似した手法により合成することができる。例えば5,5’−ジブロモ−2,2’−ビチオフェンと、3−アルキルチオフェン−2−ボロン酸誘導体とをパラジウム触媒を用いた鈴木カップリング法で反応させ、得られたクウォーターチオフェン化合物をリチオ化、ボロン酸エステル化し、得られた生成物とジブロモジフェニルキノキサリンとをさらにパラジウム触媒を用いた鈴木カップリング法で反応させる方法が挙げられる。   The quinoxaline compound having a structure represented by the general formula (1) is, for example, Macromolecules 2000, 33, 9277-9288, Journal of American Chemical Society (Journal). of American Chemical Society) 2006, 128, 10992-10993. For example, 5,5′-dibromo-2,2′-bithiophene and a 3-alkylthiophene-2-boronic acid derivative are reacted by a Suzuki coupling method using a palladium catalyst, and the resulting quarterthiophene compound is lithiated. And boronate esterification, and the resulting product and dibromodiphenylquinoxaline are further reacted by the Suzuki coupling method using a palladium catalyst.

本発明の電子供与性有機材料は、本発明のキノキサリン化合物を含む。前記キノキサリン化合物のみからなるものでもよいし、他の化合物を含んでもよい。他の化合物としては、例えばポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体などの共役系重合体や、Hフタロシアニン(HPc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(NPD)等のトリアリールアミン誘導体、4,4’−ジ(カルバゾール−9−イル)ビフェニル(CBP)等のカルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物が挙げられる。 The electron donating organic material of the present invention contains the quinoxaline compound of the present invention. It may consist only of the quinoxaline compound or may contain other compounds. Examples of other compounds include polythiophene polymers, poly-p-phenylene vinylene polymers, poly-p-phenylene polymers, polyfluorene polymers, polypyrrole polymers, polyaniline polymers, polyacetylene polymers. Conjugated polymers such as polymers, polythienylene vinylene polymers, phthalocyanine derivatives such as H 2 phthalocyanine (H 2 Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), porphyrin derivatives, N, N′— Diphenyl-N, N′-di (3-methylphenyl) -4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (TPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenyl-4,4 ′ -Triarylamine derivatives such as diphenyl-1,1'-diamine (NPD), 4,4'-di (carbazol-9-yl) bif Carbazole derivatives such as sulfonyl (CBP), oligothiophene derivatives (terthiophene, quarter thiophene, sexithiophene, octyl thiophene etc.) and the low-molecular organic compound such.

本発明の電子供与性有機材料は、光起電力素子用材料、有機電界発光素子用材料、有機トランジスタ用材料、波長変換素子用材料、有機レーザー用材料などに用いることができ、中でも光起電力素子用材料として好ましく用いることができる。   The electron-donating organic material of the present invention can be used for photovoltaic device materials, organic electroluminescent device materials, organic transistor materials, wavelength conversion device materials, organic laser materials, and the like. It can be preferably used as an element material.

本発明のキノキサリン化合物は電子供与性(p型半導体特性)を示すため、光起電力素子に用いる場合により高い光電変換効率を得るためには電子受容性有機材料(n型有機半導体)と組み合わせることが好ましい。本発明の光起電力素子用材料は、上記キノキサリン化合物を含む電子供与性有機材料と、電子受容性有機材料を含む。   Since the quinoxaline compound of the present invention exhibits an electron donating property (p-type semiconductor characteristics), it must be combined with an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) to obtain higher photoelectric conversion efficiency when used in a photovoltaic device. Is preferred. The material for a photovoltaic device of the present invention includes an electron donating organic material containing the quinoxaline compound and an electron accepting organic material.

本発明で用いる電子受容性有機材料とは、n型半導体特性を示す有機材料であり、例えば1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(NTCDA)、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(PTCDA)、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックビスベンズイミダゾール(PTCBI)、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド(PTCDI−C8H)、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(PBD)、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール(BND)等のオキサゾール誘導体、3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾール(TAZ)等のトリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、ホスフィンオキサイド誘導体、フラーレン化合物(C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものと、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル([6,6]−PCBM)、[5,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル([5,6]−PCBM)、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドヘキシルエステル([6,6]−PCBH)、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドドデシルエステル([6,6]−PCBD)、フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル(PC70BM)、フェニル C85 ブチリックアシッドメチルエステル(PC84BM)など)、カーボンナノチューブ(CNT)、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)などが挙げられる。中でも、フラーレン化合物は電荷分離速度と電子移動速度が速いため、好ましく用いられる。フラーレン化合物の中でも、C70誘導体(上記PC70BMなど)は光吸収特性に優れ、より高い光電変換効率を得られるため、より好ましい。 The electron-accepting organic material used in the present invention is an organic material exhibiting n-type semiconductor characteristics. For example, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCDA), 3,4,9,10- Perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole (PTCBI), N, N′-dioctyl-3,4,9,10-naphthyltetracarboxydiimide (PTCDI) -C8H), 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (PBD), 2,5-di (1-naphthyl) -1,3 , 4-oxadiazole (BND) and other oxazole derivatives, 3- (4-biphenylyl) -4-phenyl-5- (4-t- Triazole derivatives such as butylphenyl) -1,2,4-triazole (TAZ), phenanthroline derivatives, phosphine oxide derivatives, fullerene compounds (C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , as unsubstituted, including C 94, [6,6] - phenyl C61 butyric acid methyl ester ([6,6] -PCBM), [ 5,6] - phenyl C61 butyric acid methyl ester ([ 5,6] -PCBM), [6,6] -phenyl C61 butyric acid hexyl ester ([6,6] -PCBH), [6,6] -phenyl C61 butyric acid dodecyl ester ([6,6] -PCBD), phenyl C71 butyric acid methyl ester (PC 70 BM), phenyl C85 butyric acid methyl ester (PC 84 BM, etc.), carbon nanotubes (CNT), and derivatives in which a cyano group is introduced into a poly-p-phenylene vinylene polymer (CN-PPV). Among these, fullerene compounds are preferably used because of their high charge separation speed and electron transfer speed. Among the fullerene compounds, C 70 derivatives (such as the PC 70 BM) because excellent light absorption characteristics, it is possible to obtain a relatively high photoelectric conversion efficiency, more preferred.

本発明の光起電力素子用材料において、本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率(重量分率)は特に限定されないが、電子供与性有機材料:電子受容性有機材料の重量分率が、1〜99:99〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは10〜90:90〜10の範囲であり、さらに好ましくは20〜60:80〜40の範囲である。本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料は混合して用いることが好ましい。混合方法としては特に限定されるものではないが、所望の比率で溶媒に添加した後、加熱、撹拌、超音波照射などの方法を1種または複数種組み合わせて溶媒中に溶解させる方法が挙げられる。なお、後述するように、光起電力素子用材料が一層の有機半導体層を形成する場合は、上述の含有比率はその一層に含まれる本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率となり、有機半導体層が二層以上の積層構造である場合は、有機半導体層全体における本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率を意味する。   In the photovoltaic device material of the present invention, the content ratio (weight fraction) of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention is not particularly limited, but an electron-donating organic material: an electron-accepting organic material The weight fraction is preferably in the range of 1 to 99:99 to 1, more preferably in the range of 10 to 90:90 to 10, still more preferably in the range of 20 to 60:80 to 40. . The electron donating organic material and the electron accepting organic material of the present invention are preferably used as a mixture. Although it does not specifically limit as a mixing method, After adding to a solvent in a desired ratio, the method of making it melt | dissolve in a solvent combining 1 type or multiple types of methods, such as a heating, stirring, and ultrasonic irradiation, is mentioned. . As will be described later, when the photovoltaic element material forms a single organic semiconductor layer, the above-described content ratios of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention contained in the single layer are included. When the organic semiconductor layer has a laminated structure of two or more layers, it means the content ratio of the electron donating organic material and the electron accepting organic material of the present invention in the whole organic semiconductor layer.

光電変換効率をより向上させるためには、キャリアのトラップとなるような不純物は極力除去することが好ましい。本発明では、前述のキノキサリン化合物やこれを含む電子供与性有機材料、および電子受容性有機材料の不純物を除去する方法は特に限定されないが、カラムクロマトグラフィー法、再結晶法、昇華法、再沈殿法、ソクスレー抽出法、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)による分子量分画法、濾過法、イオン交換法、キレート法等を用いることができる。一般的に低分子有機材料の精製にはカラムクロマトグラフィー法、再結晶法、昇華法が好ましく用いられる。他方、高分子量体の精製には、低分子量成分を除去する場合には再沈殿法やソクスレー抽出法、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)による分子量分画法が好ましく用いられ、金属成分を除去する場合には再沈殿法やキレート法、イオン交換法が好ましく用いられる。これらの方法のうち、複数を組み合わせてもよい。   In order to further improve the photoelectric conversion efficiency, it is preferable to remove impurities that can trap carriers as much as possible. In the present invention, the method for removing impurities of the above-described quinoxaline compound, the electron-donating organic material containing the compound, and the electron-accepting organic material is not particularly limited, but column chromatography, recrystallization, sublimation, reprecipitation Method, Soxhlet extraction method, molecular weight fractionation method by GPC (gel permeation chromatography), filtration method, ion exchange method, chelate method and the like can be used. In general, a column chromatography method, a recrystallization method, and a sublimation method are preferably used for purification of a low molecular weight organic material. On the other hand, for the purification of high molecular weight compounds, when removing low molecular weight components, reprecipitation, Soxhlet extraction, or molecular weight fractionation by GPC (gel permeation chromatography) is preferably used to remove metal components. In such a case, a reprecipitation method, a chelate method, or an ion exchange method is preferably used. A plurality of these methods may be combined.

次に、本発明の光起電力素子について説明する。本発明の光起電力素子は、少なくとも正極と負極を有し、これらの間に本発明の光起電力素子用材料を含む。図1は本発明の光起電力素子の一例を示す模式図である。図1において符号1は基板、符号2は正極、符号3は本発明の光起電力素子用材料を含む有機半導体層、符号4は負極である。   Next, the photovoltaic element of the present invention will be described. The photovoltaic device of the present invention has at least a positive electrode and a negative electrode, and includes the photovoltaic device material of the present invention between them. FIG. 1 is a schematic view showing an example of the photovoltaic element of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 is a substrate, reference numeral 2 is a positive electrode, reference numeral 3 is an organic semiconductor layer containing the photovoltaic element material of the present invention, and reference numeral 4 is a negative electrode.

有機半導体層3は本発明の光起電力素子用材料を含む。すなわち、本発明の電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を含む。これらの材料は混合されていても積層されていてもよい。混合されている場合は、本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料は分子レベルで相溶しているか、相分離している。この相分離構造のドメインサイズは特に限定されるものではないが通常1nm以上50nm以下のサイズである。積層されている場合は、p型半導体特性を示す電子供与性有機材料を有する層が正極側、n型半導体特性を示す電子受容性有機材料を有する層が負極側であることが好ましい。有機半導体層3が積層されている場合の光起電力素子の一例を図2に示す。符号5は一般式(1)で表される構造を有するキノキサリン化合物を有する層、符号6は電子受容性有機材料を有する層である。有機半導体層は5nmから500nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nmから300nmである。積層されている場合は、本発明の電子供与性有機材料を有する層は上記厚さのうち1nmから400nmの厚さを有していることが好ましく、より好ましくは15nmから150nmである。   The organic semiconductor layer 3 contains the photovoltaic element material of the present invention. That is, the electron donating organic material and the electron accepting organic material of the present invention are included. These materials may be mixed or laminated. When mixed, the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention are compatible or phase-separated at the molecular level. The domain size of this phase separation structure is not particularly limited, but is usually 1 nm or more and 50 nm or less. When laminated, the layer having an electron-donating organic material exhibiting p-type semiconductor characteristics is preferably on the positive electrode side, and the layer having an electron-accepting organic material exhibiting n-type semiconductor characteristics is preferably on the negative electrode side. An example of the photovoltaic element in the case where the organic semiconductor layer 3 is laminated is shown in FIG. Reference numeral 5 denotes a layer having a quinoxaline compound having a structure represented by the general formula (1), and reference numeral 6 denotes a layer having an electron-accepting organic material. The organic semiconductor layer preferably has a thickness of 5 nm to 500 nm, more preferably 30 nm to 300 nm. When laminated, the layer having the electron donating organic material of the present invention preferably has a thickness of 1 nm to 400 nm, more preferably 15 nm to 150 nm.

また、有機半導体層3には本発明のキノキサリン化合物、および電子受容性有機材料以外の電子供与性有機材料(p型有機半導体)を含んでいてもよい。ここで用いる電子供与性有機材料(p型有機半導体)としては、先に電子供与性有機材料の他の化合物として例示したものが挙げられる。   In addition, the organic semiconductor layer 3 may contain an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) other than the quinoxaline compound of the present invention and an electron-accepting organic material. Examples of the electron donating organic material (p-type organic semiconductor) used here include those exemplified above as other compounds of the electron donating organic material.

本発明の光起電力素子においては、正極2もしくは負極4のいずれかに光透過性を有することが好ましい。電極の光透過性は、有機半導体層3に入射光が到達して起電力が発生する程度であれば、特に限定されるものではない。ここで、本発明における光透過性は、[透過光強度(W/m)/入射光強度(W/m)]×100(%)で求められる値である。電極の厚さは光透過性と導電性とを有する範囲であればよく、電極素材によって異なるが20nmから300nmが好ましい。なお、もう一方の電極は導電性があれば必ずしも光透過性は必要ではなく、厚さも特に限定されない。 In the photovoltaic device of the present invention, it is preferable that either the positive electrode 2 or the negative electrode 4 has light transmittance. The light transmittance of the electrode is not particularly limited as long as incident light reaches the organic semiconductor layer 3 and an electromotive force is generated. Here, the light permeability in the present invention is a value determined by [transmitted light intensity (W / m 2) / incident light intensity (W / m 2)] × 100 (%). The thickness of the electrode may be in a range having light transparency and conductivity, and is preferably 20 nm to 300 nm, although it varies depending on the electrode material. The other electrode is not necessarily light-transmitting as long as it has conductivity, and the thickness is not particularly limited.

電極材料としては、一方の電極には仕事関数の大きな導電性素材、もう一方の電極には仕事関数の小さな導電性素材を使用することが好ましい。仕事関数の大きな導電性素材を用いた電極は正極となる。この仕事関数の大きな導電性素材としては金、白金、クロム、ニッケルなどの金属のほか、透明性を有するインジウム、スズなどの金属酸化物、複合金属酸化物(インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)など)が好ましく用いられる。ここで、正極2に用いられる導電性素材は、有機半導体層3とオーミック接合するものであることが好ましい。さらに、後述する正孔輸送層を用いた場合においては、正極2に用いられる導電性素材は正孔輸送層とオーミック接合するものであることが好ましい。   As an electrode material, it is preferable to use a conductive material having a high work function for one electrode and a conductive material having a low work function for the other electrode. An electrode using a conductive material having a large work function is a positive electrode. Conductive materials with a large work function include metals such as gold, platinum, chromium and nickel, transparent metal oxides such as indium and tin, composite metal oxides (indium tin oxide (ITO), indium Zinc oxide (IZO) or the like is preferably used. Here, the conductive material used for the positive electrode 2 is preferably one that is in ohmic contact with the organic semiconductor layer 3. Furthermore, when a hole transport layer described later is used, it is preferable that the conductive material used for the positive electrode 2 is in ohmic contact with the hole transport layer.

仕事関数の小さな導電性素材を用いた電極は負極となるが、この仕事関数の小さな導電性素材としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属、具体的にはリチウム、マグネシウム、カルシウムが使用される。また、錫や銀、アルミニウムも好ましく用いられる。さらに、上記の金属からなる合金や上記の金属の積層体からなる電極も好ましく用いられる。また、負極4と電子輸送層の界面にフッ化リチウムやフッ化セシウムなどの金属フッ化物を導入することで、取り出し電流を向上させることも可能である。ここで、負極4に用いられる導電性素材は、有機半導体層3とオーミック接合するものであることが好ましい。さらに、後述する電子輸送層を用いた場合においては、負極4に用いられる導電性素材は電子輸送層とオーミック接合するものであることが好ましい。   An electrode using a conductive material having a low work function serves as a negative electrode. As the conductive material having a low work function, alkali metal or alkaline earth metal, specifically, lithium, magnesium, or calcium is used. Tin, silver, and aluminum are also preferably used. Furthermore, an electrode made of an alloy made of the above metal or a laminate of the above metal is also preferably used. Further, it is possible to improve the extraction current by introducing a metal fluoride such as lithium fluoride or cesium fluoride into the interface between the negative electrode 4 and the electron transport layer. Here, the conductive material used for the negative electrode 4 is preferably one that is in ohmic contact with the organic semiconductor layer 3. Furthermore, when an electron transport layer described later is used, it is preferable that the conductive material used for the negative electrode 4 is in ohmic contact with the electron transport layer.

基板1は、光電変換材料の種類や用途に応じて、電極材料や有機半導体層が積層できる基板、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、エポキシ樹脂やフッ素系樹脂等の有機材料から任意の方法によって作製されたフィルムや板が使用可能である。また基板側から光を入射して用いる場合は、上記に示した各基板に80%程度の光透過性を持たせておくことが好ましい。   The substrate 1 is a substrate on which an electrode material and an organic semiconductor layer can be laminated according to the type and application of the photoelectric conversion material, for example, inorganic materials such as alkali-free glass and quartz glass, polyester, polycarbonate, polyolefin, polyamide, polyimide, polyphenylene A film or plate produced by an arbitrary method from an organic material such as sulfide, polyparaxylene, epoxy resin or fluorine resin can be used. When light is incident from the substrate side and used, it is preferable that each substrate described above has a light transmittance of about 80%.

本発明では、正極2と有機半導体層3の間に正孔輸送層を設けてもよい。正孔輸送層を形成する材料としては、ポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体などの導電性高分子や、フタロシアニン誘導体(HPc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体などのp型半導体特性を示す低分子有機化合物が好ましく用いられる。特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。正孔輸送層は5nmから600nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nmから200nmである。 In the present invention, a hole transport layer may be provided between the positive electrode 2 and the organic semiconductor layer 3. As a material for forming the hole transport layer, polythiophene-based polymers, poly -p- phenylene vinylene-based polymer, or a conductive polymer such as polyfluorene-based polymer, a phthalocyanine derivative (H 2 Pc, CuPc, ZnPc, etc. ), Low molecular organic compounds exhibiting p-type semiconductor properties such as porphyrin derivatives are preferably used. In particular, polyethylenedioxythiophene (PEDOT), which is a polythiophene polymer, or PEDOT to which polystyrene sulfonate (PSS) is added is preferably used. The thickness of the hole transport layer is preferably 5 nm to 600 nm, more preferably 30 nm to 200 nm.

また本発明の光起電力素子は、有機半導体層3と負極4の間に電子輸送層を設けてもよい。電子輸送層を形成する材料として、特に限定されるものではないが、上述の電子受容性有機材料(NTCDA、PTCDA、PTCDI−C8H、オキサゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、ホスフィンオキサイド誘導体、フラーレン化合物、CNT、CN−PPVなど)のようにn型半導体特性を示す有機材料が好ましく用いられる。電子輸送層は5nmから600nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nmから200nmである。   In the photovoltaic device of the present invention, an electron transport layer may be provided between the organic semiconductor layer 3 and the negative electrode 4. The material for forming the electron transport layer is not particularly limited, but the above-described electron-accepting organic materials (NTCDA, PTCDA, PTCDI-C8H, oxazole derivatives, triazole derivatives, phenanthroline derivatives, phosphine oxide derivatives, fullerene compounds, An organic material exhibiting n-type semiconductor characteristics such as CNT and CN-PPV is preferably used. The thickness of the electron transport layer is preferably 5 nm to 600 nm, more preferably 30 nm to 200 nm.

また本発明の光起電力素子は、1つ以上の中間電極を介して2層以上の有機半導体層を積層(タンデム化)して直列接合を形成してもよい。例えば、基板/正極/第1の有機半導体層/中間電極/第2の有機半導体層/負極という積層構成を挙げることができる。このように積層することにより、開放電圧を向上させることができる。なお、正極と第1の有機半導体層の間、および、中間電極と第2の有機半導体層の間に上述の正孔輸送層を設けてもよく、第1の有機半導体層と中間電極の間、および、第2の有機半導体層と負極の間に上述の正孔輸送層を設けてもよい。   In the photovoltaic device of the present invention, two or more organic semiconductor layers may be stacked (tandemized) via one or more intermediate electrodes to form a series junction. For example, a laminated structure of substrate / positive electrode / first organic semiconductor layer / intermediate electrode / second organic semiconductor layer / negative electrode can be given. By laminating in this way, the open circuit voltage can be improved. Note that the hole transport layer described above may be provided between the positive electrode and the first organic semiconductor layer and between the intermediate electrode and the second organic semiconductor layer, and between the first organic semiconductor layer and the intermediate electrode. The hole transport layer described above may be provided between the second organic semiconductor layer and the negative electrode.

このような積層構成の場合、有機半導体層の少なくとも1層が本発明の光起電力素子用材料を含み、他の層には、短絡電流を低下させないために、本発明の電子供与性有機材料とはバンドギャップの異なる電子供与性有機材料を含むことが好ましい。このような電子供与性有機材料としては、例えば上述のポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体などの共役系重合体や、Hフタロシアニン(HPc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(NPD)等のトリアリールアミン誘導体、4,4’−ジ(カルバゾール−9−イル)ビフェニル(CBP)等のカルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物が挙げられる。また、ここで用いられる中間電極用の素材としては高い導電性を有するものが好ましく、例えば上述の金、白金、クロム、ニッケル、リチウム、マグネシウム、カルシウム、錫、銀、アルミニウムなどの金属や、透明性を有するインジウム、スズなどの金属酸化物、複合金属酸化物(インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)など)、上記の金属からなる合金や上記の金属の積層体、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたもの、などが挙げられる。中間電極は光透過性を有することが好ましいが、光透過性が低い金属のような素材でも膜厚を薄くすることで充分な光透過性を確保できる場合が多い。 In the case of such a laminated structure, at least one layer of the organic semiconductor layer contains the photovoltaic device material of the present invention, and the other layer does not reduce the short-circuit current. It preferably contains an electron donating organic material having a different band gap. Examples of such an electron-donating organic material include the polythiophene polymer, poly-p-phenylene vinylene polymer, poly-p-phenylene polymer, polyfluorene polymer, polypyrrole polymer, polyaniline described above. Conjugated polymers such as polymer, polyacetylene polymer, polythienylene vinylene polymer, phthalocyanine derivatives such as H 2 phthalocyanine (H 2 Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), porphyrin Derivatives, N, N′-diphenyl-N, N′-di (3-methylphenyl) -4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (TPD), N, N′-dinaphthyl-N, N ′ -Triarylamine derivatives such as diphenyl-4,4'-diphenyl-1,1'-diamine (NPD), 4,4'-di (cal Tetrazole-9-yl) carbazole derivatives such as biphenyl (CBP), oligothiophene derivatives (terthiophene, quarter thiophene, sexithiophene include low molecular organic compound of octyl thiophene etc.) and the like. In addition, the material for the intermediate electrode used here is preferably a material having high conductivity, for example, the above-mentioned metals such as gold, platinum, chromium, nickel, lithium, magnesium, calcium, tin, silver, aluminum, and transparent Metal oxides such as indium and tin, composite metal oxides (indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), etc.), alloys composed of the above metals and laminates of the above metals, polyethylene Examples include dioxythiophene (PEDOT) and those obtained by adding polystyrene sulfonate (PSS) to PEDOT. The intermediate electrode preferably has a light transmission property, but even a material such as a metal having a low light transmission property can often ensure a sufficient light transmission property by reducing the film thickness.

次に本発明の光起電力素子の製造方法について説明する。基板上にITOなどの透明電極(この場合正極に相当)をスパッタリング法などにより形成する。次に、本発明のキノキサリン化合物、および電子受容性有機材料を含む光電変換素子用材料を溶媒に溶解させて溶液を作り、透明電極上に塗布し有機半導体層を形成する。このとき用いられる溶媒は有機溶媒が好ましく、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、トルエン、キシレン、o−クロロフェノール、アセトン、酢酸エチル、エチレングリコール、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロナフタレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。また、フルオラス溶媒(分子中にフッ素原子を1個以上有する有機溶媒)を含有することで光電変換効率をより向上させることができる。このようなフルオラス溶媒として、例えばベンゾトリフルオリド、ヘキサフルオロベンゼン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、ペルフルオロトルエン、ペルフルオロデカリンなどが挙げられる。より好ましくはベンゾトリフルオリドが用いられる。フルオラス溶媒の含有量は全溶媒量に対して0.01〜20体積%であることが好ましく、より好ましくは0.1〜5体積%である。   Next, the manufacturing method of the photovoltaic element of this invention is demonstrated. A transparent electrode such as ITO (corresponding to a positive electrode in this case) is formed on the substrate by sputtering or the like. Next, the photoelectric conversion element material including the quinoxaline compound of the present invention and the electron-accepting organic material is dissolved in a solvent to form a solution, which is applied on the transparent electrode to form an organic semiconductor layer. The solvent used at this time is preferably an organic solvent. For example, methanol, ethanol, butanol, toluene, xylene, o-chlorophenol, acetone, ethyl acetate, ethylene glycol, tetrahydrofuran, dichloromethane, chloroform, dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, Examples include chlorobenzene, chloronaphthalene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, and γ-butyrolactone. Two or more of these may be used. Moreover, the photoelectric conversion efficiency can be further improved by containing a fluorous solvent (an organic solvent having one or more fluorine atoms in the molecule). Examples of such a fluorous solvent include benzotrifluoride, hexafluorobenzene, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, perfluorotoluene, perfluorodecalin and the like. More preferably, benzotrifluoride is used. The content of the fluorous solvent is preferably 0.01 to 20% by volume, more preferably 0.1 to 5% by volume with respect to the total amount of solvent.

本発明の電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を混合して有機半導体層を形成する場合は、本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料を所望の比率で溶媒に添加し、加熱、撹拌、超音波照射などの方法を用いて溶解させ溶液を作り、透明電極上に塗布する。この場合、2種以上の溶媒を混合して用いることで光起電力素子の光電変換効率を向上させることもできる。これは、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料がナノレベルで相分離を起こし、電子と正孔の通り道となるキャリアパスが形成されるためと推測される。組み合わせる溶媒は、用いる電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の種類によって最適な組み合わせの種類を選択することができる。本発明の電子供与性有機材料を用いる場合、組み合わせる好ましい溶媒として上述の中でもクロロホルムとクロロベンゼンが挙げられる。この場合、各溶媒の混合体積比率は、クロロホルム:クロロベンゼン=5:95〜95:5の範囲であることが好ましく、さらに好ましくはクロロホルム:クロロベンゼン=10:90〜90:10の範囲である。また、本発明の電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を積層して有機半導体層を形成する場合は、例えば本発明電子供与性有機材料の溶液を塗布して電子供与性有機材料を有する層を形成した後に、電子受容性有機材料の溶液を塗布して層を形成する。ここで、本発明の電子供与性有機材料および電子受容性有機材料は、分子量が1000以下程度の低分子量体である場合には、蒸着法を用いて層を形成することも可能である。   When an organic semiconductor layer is formed by mixing the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention, the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention are added to the solvent in a desired ratio. Then, the solution is dissolved using a method such as heating, stirring, and ultrasonic irradiation to form a solution, which is applied on the transparent electrode. In this case, the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element can be improved by using a mixture of two or more solvents. This is presumably because the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material undergo phase separation at the nano level, and a carrier path that forms a path for electrons and holes is formed. As the solvent to be combined, an optimal combination type can be selected depending on the types of the electron donating organic material and the electron accepting organic material to be used. When the electron donating organic material of the present invention is used, chloroform and chlorobenzene are mentioned as preferable solvents to be combined among the above. In this case, the mixing volume ratio of each solvent is preferably in the range of chloroform: chlorobenzene = 5: 95 to 95: 5, more preferably in the range of chloroform: chlorobenzene = 10: 90 to 90:10. When the organic semiconductor layer is formed by laminating the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention, for example, the electron-donating organic material is applied by applying a solution of the electron-donating organic material of the present invention. After forming the layer, a solution of the electron-accepting organic material is applied to form the layer. Here, when the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention are low molecular weight substances having a molecular weight of about 1000 or less, it is also possible to form a layer using a vapor deposition method.

有機半導体層の形成には、スピンコート塗布、ブレードコート塗布、スリットダイコート塗布、スクリーン印刷塗布、バーコーター塗布、鋳型塗布、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法、スプレー法、真空蒸着法など何れの方法を用いてもよく、膜厚制御や配向制御など、得ようとする有機半導体層特性に応じて形成方法を選択すればよい。例えばスピンコート塗布を行う場合には、本発明の電子供与性有機材料、および電子受容性有機材料が1〜20g/lの濃度(本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料と溶媒を含む溶液の体積に対する、本発明の電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の重量)であることが好ましく、この濃度にすることで厚さ5〜200nmの均質な有機半導体層を得ることができる。形成した有機半導体層に対して、溶媒を除去するために、減圧下または不活性雰囲気下(窒素やアルゴン雰囲気下)などでアニーリング処理を行ってもよい。アニーリング処理の好ましい温度は40℃〜300℃、より好ましくは50℃〜200℃である。また、アニーリング処理を行うことで、積層した層が界面で互いに浸透して接触する実行面積が増加し、短絡電流を増大させることができる。このアニーリング処理は、負極の形成後に行ってもよい。   For organic semiconductor layer formation, spin coating, blade coating, slit die coating, screen printing coating, bar coater coating, mold coating, printing transfer method, dip pulling method, ink jet method, spray method, vacuum deposition method, etc. This method may be used, and the formation method may be selected according to the characteristics of the organic semiconductor layer to be obtained, such as film thickness control and orientation control. For example, when spin coating is performed, the electron donating organic material of the present invention and the electron accepting organic material have a concentration of 1 to 20 g / l (the electron donating organic material, the electron accepting organic material and the solvent of the present invention). The weight of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material of the present invention with respect to the volume of the solution containing selenium is preferable, and a homogeneous organic semiconductor layer having a thickness of 5 to 200 nm can be obtained by using this concentration. Can do. In order to remove the solvent, the formed organic semiconductor layer may be subjected to an annealing treatment under reduced pressure or in an inert atmosphere (in a nitrogen or argon atmosphere). A preferable temperature for the annealing treatment is 40 ° C to 300 ° C, more preferably 50 ° C to 200 ° C. Further, by performing the annealing process, the effective area where the stacked layers permeate and contact each other at the interface increases, and the short-circuit current can be increased. This annealing treatment may be performed after the formation of the negative electrode.

次に、有機半導体層上にAlなどの金属電極(この場合負極に相当)を真空蒸着法やスパッタ法により形成する。金属電極は、電子輸送層に低分子有機材料を用いて真空蒸着した場合は、引き続き、真空を保持したまま続けて形成することが好ましい。   Next, a metal electrode such as Al (corresponding to a negative electrode in this case) is formed on the organic semiconductor layer by vacuum deposition or sputtering. When the metal electrode is vacuum-deposited using a low molecular organic material for the electron transport layer, it is preferable that the metal electrode is continuously formed while maintaining the vacuum.

正極と有機半導体層の間に正孔輸送層を設ける場合には、所望のp型有機半導体材料(PEDOTなど)を正極上にスピンコート法、バーコーティング法、ブレードによるキャスト法等で塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて溶媒を除去し、正孔輸送層を形成する。フタロシアニン誘導体やポルフィリン誘導体などの低分子有機材料を使用する場合には、真空蒸着機を用いた真空蒸着法を適用することも可能である。   When a hole transport layer is provided between the positive electrode and the organic semiconductor layer, a desired p-type organic semiconductor material (such as PEDOT) is applied on the positive electrode by spin coating, bar coating, blade casting, or the like. Then, the solvent is removed using a vacuum thermostat or a hot plate to form a hole transport layer. In the case of using a low molecular organic material such as a phthalocyanine derivative or a porphyrin derivative, it is also possible to apply a vacuum vapor deposition method using a vacuum vapor deposition machine.

有機半導体層と負極の間に電子輸送層を設ける場合には、所望のn型有機半導体材料(フラーレン誘導体など)を有機半導体層上にスピンコート法、バーコーティング法、ブレードによるキャスト法、スプレー法等で塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて溶媒を除去し、電子輸送層を形成する。フェナントロリン誘導体やC60などの低分子有機材料を使用する場合には、真空蒸着機を用いた真空蒸着法を適用することも可能である。 When an electron transport layer is provided between the organic semiconductor layer and the negative electrode, a desired n-type organic semiconductor material (fullerene derivative, etc.) is applied onto the organic semiconductor layer by spin coating, bar coating, blade casting, or spraying. After coating with, for example, a solvent is removed using a vacuum thermostat or a hot plate to form an electron transport layer. When using a low molecular organic material such as a phenanthroline derivative or C 60, it is also possible to apply a vacuum deposition method using a vacuum deposition machine.

本発明の光起電力素子は、光電変換機能、光整流機能などを利用した種々の光電変換デバイスへの応用が可能である。例えば光電池(太陽電池など)、電子素子(光センサ、光スイッチ、フォトトランジスタなど)、光記録材(光メモリなど)などに有用である。   The photovoltaic element of the present invention can be applied to various photoelectric conversion devices using a photoelectric conversion function, an optical rectification function, and the like. For example, it is useful for photovoltaic cells (such as solar cells), electronic elements (such as optical sensors, optical switches, and phototransistors), optical recording materials (such as optical memories), and the like.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。また実施例等で用いた化合物のうち、略語を使用しているものについて、以下に示す。
ITO:インジウム錫酸化物
PEDOT:ポリエチレンジオキシチオフェン
PSS:ポリスチレンスルホネート
PC70BM:フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル
Eg:バンドギャップ
HOMO:最高被占分子軌道
Isc:短絡電流密度
Voc:開放電圧
FF:フィルファクター
η:光電変換効率
なお、H−NMR測定にはFT−NMR装置((株)日本電子製JEOL JNM−EX270)を用いた。また、平均分子量(数平均分子量、重量平均分子量)はGPC装置(クロロホルムを送液したTOSOH社製、高速GPC装置HLC−8220GPC)を用い、絶対検量線法によって算出した。重合度nは以下の式で算出した。
重合度n=[(重量平均分子量)/(モノマー1ユニットの分子量)]
また、光吸収端波長は、ガラス上に約60nmの厚さに形成した薄膜について、日立製作所(株)製のU−3010型分光光度計を用いて測定した薄膜の紫外可視吸収スペクトル(測定波長範囲:300〜900nm)から得た。バンドギャップ(Eg)は上述した式により、光吸収端波長から算出した。なお、薄膜はクロロホルムを溶媒に用いてスピンコート法により形成した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In addition, this invention is not limited to the following Example. Of the compounds used in the examples and the like, those using abbreviations are shown below.
ITO: indium tin oxide PEDOT: polyethylene dioxythiophene PSS: polystyrene sulfonate PC 70 BM: phenyl C71 butyric acid methyl ester Eg: band gap HOMO: highest occupied molecular orbital Isc: short circuit current density Voc: open circuit voltage FF: fill Factor η: Photoelectric conversion efficiency For the 1 H-NMR measurement, an FT-NMR apparatus (JEOL JNM-EX270 manufactured by JEOL Ltd.) was used. Moreover, the average molecular weight (number average molecular weight, weight average molecular weight) was calculated by an absolute calibration curve method using a GPC apparatus (manufactured by TOSOH Co., Ltd., to which chloroform was fed, high-speed GPC apparatus HLC-8220 GPC). The degree of polymerization n was calculated by the following formula.
Degree of polymerization n = [(weight average molecular weight) / (molecular weight of one monomer unit)]
The light absorption edge wavelength is an ultraviolet-visible absorption spectrum (measurement wavelength) of a thin film formed on glass with a thickness of about 60 nm using a U-3010 spectrophotometer manufactured by Hitachi, Ltd. (Range: 300-900 nm). The band gap (Eg) was calculated from the light absorption edge wavelength by the above formula. The thin film was formed by spin coating using chloroform as a solvent.

また、最高被占分子軌道(HOMO)準位は、ITOガラス上に約60nmの厚さに形成した薄膜について、表面分析装置(大気中紫外線光電子分光装置AC−1型、理研機器(株)製)を用いて測定した。なお、薄膜はクロロホルムを溶媒に用いてスピンコート法により形成した。   In addition, the highest occupied molecular orbital (HOMO) level was determined by using a surface analyzer (in-air ultraviolet photoelectron spectrometer AC-1 type, manufactured by Riken Kikai Co., Ltd.) for a thin film formed on ITO glass to a thickness of about 60 nm. ). The thin film was formed by spin coating using chloroform as a solvent.

合成例1
化合物A−1を式1に示す方法で合成した。
Synthesis example 1
Compound A-1 was synthesized by the method shown in Formula 1.

Figure 2010111649
Figure 2010111649

化合物(1−a)((株)東京化成工業製)4.3gと臭素((株)和光純薬工業製)10gを48%臭化水素酸((株)和光純薬工業製)150mlに加え、120℃で3時間撹拌した。室温に冷却し、析出した固体をグラスフィルターで濾過し、水1000mlとアセトン100mlで洗浄した。得られた固体を60℃で真空乾燥し、化合物(1−b)6.72gを得た。   Compound (1-a) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 4.3 g and bromine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 10 g are added to 150 ml of 48% hydrobromic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). In addition, the mixture was stirred at 120 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, the precipitated solid was filtered through a glass filter and washed with 1000 ml of water and 100 ml of acetone. The obtained solid was vacuum-dried at 60 ° C. to obtain 6.72 g of compound (1-b).

上記の化合物(1−b)5.56gをエタノール((株)和光純薬工業製)180mlに加え、窒素雰囲気下5℃でNaBH((株)和光純薬工業製)13.2gを加えた後、室温で2日間撹拌した。溶媒を留去したのち水500mlを加え、固体をろ取し、水1000mlで洗浄した。得られた固体をジエチルエーテル200mlに溶解し、水300mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。溶媒を留去し、化合物(1−c)を2.37g得た。 5.56 g of the above compound (1-b) is added to 180 ml of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 13.2 g of NaBH 4 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added at 5 ° C. in a nitrogen atmosphere. After that, the mixture was stirred at room temperature for 2 days. After distilling off the solvent, 500 ml of water was added, and the solid was collected by filtration and washed with 1000 ml of water. The obtained solid was dissolved in 200 ml of diethyl ether, washed with 300 ml of water, and dried over magnesium sulfate. The solvent was distilled off to obtain 2.37 g of compound (1-c).

上記の化合物(1−c)2.37gとベンジル((株)和光純薬工業製)1.87gをクロロホルム80mlに加え、窒素雰囲気下でメタンスルホン酸((株)和光純薬工業製)3滴を加えた後、11時間加熱還流した。得られた溶液を炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:クロロホルム)で精製し、メタノールで洗浄して化合物(1−d)を3.72g得た。   2.37 g of the above compound (1-c) and 1.87 g of benzyl (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are added to 80 ml of chloroform, and methanesulfonic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 3 is added in a nitrogen atmosphere. After adding the drops, the mixture was heated to reflux for 11 hours. The resulting solution was washed with an aqueous sodium bicarbonate solution and then dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: chloroform) and washed with methanol to obtain 3.72 g of compound (1-d).

化合物(1−e)((株)東京化成工業製)10.2gをジメチルホルムアミド((株)キシダ化学製)100mlに溶解し、N−ブロモスクシンイミド((株)和光純薬工業製)9.24gを加え、窒素雰囲気下、室温で3時間撹拌した。得られた溶液に水200ml、n−ヘキサン200ml、ジクロロメタン200mlを加え、有機層を分取し、水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン)で精製し化合物(1−f)14.4gを得た。   8. 10.2 g of compound (1-e) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is dissolved in 100 ml of dimethylformamide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), and N-bromosuccinimide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 24 g was added, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours under a nitrogen atmosphere. 200 ml of water, 200 ml of n-hexane and 200 ml of dichloromethane were added to the resulting solution, and the organic layer was separated, washed with 200 ml of water, and then dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane) to obtain 14.4 g of compound (1-f).

上記の化合物(1−f)14.2gをテトラヒドロフラン((株)和光純薬工業製)200mlに溶解し、−80℃に冷却した。n−ブチルリチウム1.6Mヘキサン溶液((株)和光純薬工業製)35mlを加えた後、−50℃まで昇温し、再度−80℃に冷却した。2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン((株)和光純薬工業製)13.6mlを加え、室温まで昇温し、窒素雰囲気下で4時間撹拌した。得られた溶液に1N塩化アンモニウム水溶液200mlと酢酸エチル200mlを加え、有機層を分取し、水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン/ジクロロメタン)で精製し化合物(1−g)14.83gを得た。   14.2 g of the above compound (1-f) was dissolved in 200 ml of tetrahydrofuran (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and cooled to -80 ° C. After adding 35 ml of n-butyllithium 1.6M hexane solution (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), it heated up to -50 degreeC and cooled again to -80 degreeC. 13.6 ml of 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, the temperature was raised to room temperature, and 4 in a nitrogen atmosphere. Stir for hours. 200 ml of 1N aqueous ammonium chloride and 200 ml of ethyl acetate were added to the resulting solution, and the organic layer was separated, washed with 200 ml of water, and then dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane / dichloromethane) to obtain 14.83 g of compound (1-g).

上記の化合物(1−g)14.83gと、5,5’−ジブロモ−2,2’−ビチオフェン((株)東京化成工業製)6.78gをジメチルホルムアミド((株)和光純薬工業製)200mlに加え、窒素雰囲気下でリン酸カリウム((株)和光純薬工業製)26.6g、[ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(アルドリッチ社製)1.7gを加え、100℃で4時間撹拌した。得られた溶液に水500mlと酢酸エチル300mlを加え、有機層を分取し、水500mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン)で精製し、化合物(1−h)を4.53g得た。   14.83 g of the above compound (1-g) and 6.78 g of 5,5′-dibromo-2,2′-bithiophene (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were added to dimethylformamide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). ) In addition to 200 ml, 26.6 g of potassium phosphate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 1.7 g of [bis (diphenylphosphino) ferrocene] dichloropalladium (manufactured by Aldrich) were added at 100 ° C. under a nitrogen atmosphere. For 4 hours. To the resulting solution, 500 ml of water and 300 ml of ethyl acetate were added, the organic layer was separated, washed with 500 ml of water, and dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane) to obtain 4.53 g of compound (1-h).

上記の化合物(1−h)4.53gをテトラヒドロフラン((株)和光純薬工業製)40mlに溶解し、−80℃に冷却した。n−ブチルリチウム1.6Mヘキサン溶液((株)和光純薬工業製)6.1mlを加えた後、−5℃まで昇温し、−80℃に冷却した。2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン((株)和光純薬工業製)2.3mlを加え、室温まで昇温し、窒素雰囲気下で2時間撹拌した。得られた溶液に1N塩化アンモニウム水溶液150mlと酢酸エチル200mlを加え、有機層を分取し、水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ジクロロメタン/ヘキサン)で精製し、化合物(1−i)2.31gを得た。   The above compound (1-h) 4.53 g was dissolved in 40 ml of tetrahydrofuran (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and cooled to -80 ° C. After adding 6.1 ml of n-butyllithium 1.6M hexane solution (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), the temperature was raised to −5 ° C. and cooled to −80 ° C. Add 2.3 ml of 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), raise the temperature to room temperature, and add 2 under nitrogen atmosphere. Stir for hours. To the resulting solution, 150 ml of 1N aqueous ammonium chloride solution and 200 ml of ethyl acetate were added, the organic layer was separated, washed with 200 ml of water, and dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: dichloromethane / hexane) to obtain 2.31 g of compound (1-i).

上記の化合物(1−d)200mgと、上記の化合物(1−i)615mgをジメチルホルムアミド5mlに加え、窒素雰囲気下でリン酸カリウム((株)和光純薬工業製)1.15g、[ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(アルドリッチ社製)18mgを加え、100℃で10時間撹拌した。得られた溶液に水100mlとクロロホルム100mlを加え、有機層を分取し、水300mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ジクロロメタン/ヘキサン)で精製し、化合物A−1を400mg得た。化合物A−1のH−NMR測定結果を示す。
H−NMR(CDCl,ppm):8.12(s,2H)、7.82−7.77(m,6H)、7.43−7.41(m,6H)、7.20−7.12(m,8H)、7.05(d,2H)、6.96(d,2H)、2.84(m,8H)、1.78−1.61(m,8H)、1.29(m,40H)、0.88(m,12H)
化合物A−1の光吸収端波長は697nm、バンドギャップ(Eg)は1.78eV、最高被占分子軌道(HOMO)準位は−4.97eVであった。
200 mg of the above compound (1-d) and 615 mg of the above compound (1-i) are added to 5 ml of dimethylformamide, and 1.15 g of potassium phosphate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) under a nitrogen atmosphere, [bis 18 mg of (diphenylphosphino) ferrocene] dichloropalladium (manufactured by Aldrich) was added and stirred at 100 ° C. for 10 hours. 100 ml of water and 100 ml of chloroform were added to the resulting solution, and the organic layer was separated, washed with 300 ml of water, and dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: dichloromethane / hexane) to obtain 400 mg of compound A-1. The 1 H-NMR measurement result of Compound A-1 is shown.
1 H-NMR (CDCl 2 , ppm): 8.12 (s, 2H), 7.82-7.77 (m, 6H), 7.43-7.41 (m, 6H), 7.20- 7.12 (m, 8H), 7.05 (d, 2H), 6.96 (d, 2H), 2.84 (m, 8H), 1.78-1.61 (m, 8H), 1 .29 (m, 40H), 0.88 (m, 12H)
Compound A-1 had a light absorption edge wavelength of 697 nm, a band gap (Eg) of 1.78 eV, and a highest occupied molecular orbital (HOMO) level of -4.97 eV.

合成例2
化合物A−2を式2に示す方法で合成した。
Synthesis example 2
Compound A-2 was synthesized by the method shown in Formula 2.

Figure 2010111649
Figure 2010111649

合成例1の化合物A−1の372mgをクロロホルム10mlに溶解し、N−ブロモスクシンイミド((株)和光純薬工業製)96mgのジメチルホルムアミド(2ml)溶液を加え、5℃〜10℃で5時間撹拌した。得られた溶液に水100mlとジクロロメタン100mlを加え、有機層を分取し、水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ジクロロメタン/ヘキサン)で精製し、化合物(2−a)を281mg得た。   372 mg of Compound A-1 of Synthesis Example 1 was dissolved in 10 ml of chloroform, and 96 mg of dimethylformamide (2 ml) solution of N-bromosuccinimide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added at 5 ° C. to 10 ° C. for 5 hours. Stir. 100 ml of water and 100 ml of dichloromethane were added to the resulting solution, and the organic layer was separated, washed with 200 ml of water, and dried over magnesium sulfate. The resulting solution was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: dichloromethane / hexane) to obtain 281 mg of compound (2-a).

上記の化合物(2−a)281mgと、化合物(2−b)(アルドリッチ社製)91mgをトルエン20mlに溶解した。ここに水6ml、炭酸カリウム500mg、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)((株)東京化成工業製)11mg、Aliquat336(アルドリッチ社製)1滴を加え、窒素雰囲気下、100℃にて10時間撹拌した。次いで、ブロモベンゼン((株)東京化成工業製)5滴を加え、100℃にて30分間撹拌した。得られた溶液にメタノール200mlを加え、生成した固体をろ取し、メタノール、水、メタノール、アセトン、ヘキサンの順に洗浄した。得られた固体をクロロホルム200mlに溶解させ、シリカゲルショートカラム(溶離液:クロロホルム)を通した後に濃縮乾固した後、メタノールで洗浄し、化合物A−2を200mg得た。重量平均分子量は7818、数平均分子量は3740、重合度nは4.4であった。また、光吸収端波長は712nm、バンドギャップ(Eg)は1.74eV、最高被占分子軌道(HOMO)準位は−5.10eVであった。   281 mg of the above compound (2-a) and 91 mg of the compound (2-b) (manufactured by Aldrich) were dissolved in 20 ml of toluene. 6 ml of water, 500 mg of potassium carbonate, tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 11 mg, and 1 drop of Aliquat336 (manufactured by Aldrich) were added thereto, and the solution was added at 10 ° C. under nitrogen atmosphere at 100 ° C. Stir for hours. Next, 5 drops of bromobenzene (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added and stirred at 100 ° C. for 30 minutes. 200 ml of methanol was added to the resulting solution, and the generated solid was collected by filtration and washed with methanol, water, methanol, acetone, and hexane in this order. The obtained solid was dissolved in 200 ml of chloroform, passed through a silica gel short column (eluent: chloroform), concentrated to dryness, and then washed with methanol to obtain 200 mg of compound A-2. The weight average molecular weight was 7818, the number average molecular weight was 3740, and the degree of polymerization n was 4.4. The light absorption edge wavelength was 712 nm, the band gap (Eg) was 1.74 eV, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) level was −5.10 eV.

上記化合物A−1〜A−2、および後述する化合物B−1〜B−2の諸物性(光吸収端波長、バンドギャップ(Eg)、最高被占分子軌道(HOMO)準位)を表1に示す。   Table 1 shows various physical properties (light absorption edge wavelength, band gap (Eg), highest occupied molecular orbital (HOMO) level) of the compounds A-1 to A-2 and compounds B-1 to B-2 described later. Shown in

Figure 2010111649
Figure 2010111649

実施例1
上記A−1の1mgとPC70BM(サイエンスラボラトリーズ社製)4mgをクロロベンゼン0.25mlの入ったサンプル瓶の中に加え、超音波洗浄機((株)井内盛栄堂製US−2(商品名)、出力120W)中で30分間超音波照射することにより溶液Aを得た。
Example 1
1 mg of the above A-1 and 4 mg of PC 70 BM (manufactured by Science Laboratories) are added to a sample bottle containing 0.25 ml of chlorobenzene, and an ultrasonic cleaner (US-2 manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd.) The solution A was obtained by ultrasonic irradiation for 30 minutes in an output of 120 W).

スパッタリング法により正極となるITO透明導電層を120nm堆積させたガラス基板を38mm×46mmに切断した後、ITOをフォトリソグラフィー法により38mm×13mmの長方形状にパターニングした。得られた基板をアルカリ洗浄液(フルウチ化学(株)製、“セミコクリーン”EL56(商品名))で10分間超音波洗浄した後、超純水で洗浄した。この基板を30分間UV/オゾン処理した後に、基板上に正孔輸送層となるPEDOT:PSS水溶液(PEDOT0.8重量%、PPS0.5重量%)をスピンコート法により60nmの厚さに成膜した。ホットプレートにより200℃で5分間加熱乾燥した後、上記の溶液AをPEDOT:PSS層上に滴下し、スピンコート法により膜厚100nmの有機半導体層を形成した。その後、有機半導体層が形成された基板と陰極用マスクを真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度が1×10−3Pa以下になるまで再び排気し、抵抗加熱法によって、負極となるアルミニウム層を80nmの厚さに蒸着した。以上のように、ストライプ状のITO層とアルミニウム層が交差する部分の面積が5mm×5mmである光起電力素子を作製した。 A glass substrate on which an ITO transparent conductive layer serving as a positive electrode having a thickness of 120 nm was deposited by sputtering was cut into 38 mm × 46 mm, and then ITO was patterned into a 38 mm × 13 mm rectangular shape by photolithography. The obtained substrate was subjected to ultrasonic cleaning for 10 minutes with an alkali cleaning solution (“Semico Clean” EL56 (trade name), manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), and then washed with ultrapure water. After this substrate was UV / ozone treated for 30 minutes, a PEDOT: PSS aqueous solution (0.8% by weight of PEDOT, 0.5% by weight of PPS) serving as a hole transport layer was formed on the substrate to a thickness of 60 nm by spin coating. did. After heating and drying at 200 ° C. for 5 minutes using a hot plate, the above solution A was dropped onto the PEDOT: PSS layer, and an organic semiconductor layer having a thickness of 100 nm was formed by spin coating. Thereafter, the substrate on which the organic semiconductor layer is formed and the cathode mask are placed in a vacuum evaporation apparatus, and the vacuum is exhausted again until the degree of vacuum in the apparatus becomes 1 × 10 −3 Pa or less. An aluminum layer was deposited to a thickness of 80 nm. As described above, a photovoltaic device having an area where the stripe-shaped ITO layer intersects with the aluminum layer was 5 mm × 5 mm was produced.

このようにして作製された光起電力素子の正極と負極をヒューレット・パッカード社製ピコアンメーター/ボルテージソース4140Bに接続して、大気中でITO層側から擬似太陽光(山下電装株式会社製 簡易型ソーラシミュレータ YSS−E40、スペクトル形状:AM1.5、強度:100mW/cm)を照射し、印加電圧を−1Vから+2Vまで変化させたときの電流値を測定した。この時の短絡電流密度(印加電圧が0Vのときの電流密度の値)は5.75mA/cm、開放電圧(電流密度が0になるときの印加電圧の値)は0.81V、フィルファクター(FF)は0.34であり、これらの値から算出した光電変換効率は1.58%であった。なお、フィルファクターと光電変換効率は次式により算出した。
フィルファクター=JVmax/(短絡電流密度×開放電圧)
(ここで、JVmaxは、印加電圧が0Vから開放電圧値の間で電流密度と印加電圧の積が最大となる点における電流密度と印加電圧の積の値である。)
光電変換効率=[(短絡電流密度×開放電圧×フィルファクター)/擬似太陽光強度(100mW/cm)]×100(%)
以下の実施例と比較例におけるフィルファクターと光電変換効率も全て上式により算出した。
The positive and negative electrodes of the photovoltaic device thus fabricated were connected to a picoammeter / voltage source 4140B manufactured by Hewlett-Packard Co., and simulated sunlight (from Yamashita Denso Co., Ltd., simplified) from the ITO layer side in the atmosphere. Type solar simulator YSS-E40, spectrum shape: AM1.5, intensity: 100 mW / cm 2 ), and the current value was measured when the applied voltage was changed from −1V to + 2V. At this time, the short-circuit current density (value of the current density when the applied voltage is 0 V) is 5.75 mA / cm 2 , the open circuit voltage (value of the applied voltage when the current density is 0) is 0.81 V, and the fill factor (FF) was 0.34, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 1.58%. The fill factor and photoelectric conversion efficiency were calculated by the following equations.
Fill factor = JVmax / (Short-circuit current density × Open-circuit voltage)
(Here, JVmax is the product of the current density and the applied voltage at the point where the product of the current density and the applied voltage is maximum when the applied voltage is between 0 V and the open circuit voltage value.)
Photoelectric conversion efficiency = [(short circuit current density × open circuit voltage × fill factor) / pseudo sunlight intensity (100 mW / cm 2 )] × 100 (%)
The fill factor and photoelectric conversion efficiency in the following examples and comparative examples were all calculated by the above formula.

実施例2
A−1の代わりに上記A−2を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は6.96mA/cm、開放電圧は0.75V、フィルファクター(FF)は0.422であり、これらの値から算出した光電変換効率は2.20%であった。
Example 2
A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that A-2 was used in place of A-1, and current-voltage characteristics were measured. At this time, the short-circuit current density was 6.96 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.75 V, the fill factor (FF) was 0.422, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 2.20%. .

比較例1
A−1の代わりに下記B−1(重量平均分子量:2630、数平均分子量:1604、重合度n:3.8)を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は3.57mA/cm、開放電圧は0.90V、フィルファクター(FF)は0.28であり、これらの値から算出した光電変換効率は0.90%であった。
Comparative Example 1
A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that the following B-1 (weight average molecular weight: 2630, number average molecular weight: 1604, polymerization degree n: 3.8) was used instead of A-1. Then, the current-voltage characteristics were measured. The short-circuit current density at this time was 3.57 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.90 V, the fill factor (FF) was 0.28, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 0.90%. .

Figure 2010111649
Figure 2010111649

比較例2
A−1の代わりに下記B−2(重量平均分子量:5860、数平均分子量:3120、重合度n:4.3)を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は4.31mA/cm、開放電圧は0.88V、フィルファクター(FF)は0.30であり、これらの値から算出した光電変換効率は1.14%であった。
Comparative Example 2
A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that B-2 (weight average molecular weight: 5860, number average molecular weight: 3120, polymerization degree n: 4.3) was used instead of A-1. Then, the current-voltage characteristics were measured. At this time, the short-circuit current density was 4.31 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.88 V, the fill factor (FF) was 0.30, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 1.14%. .

Figure 2010111649
Figure 2010111649

上記実施例1〜2、および比較例1〜2の結果を表2にまとめて示す。   The results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 are summarized in Table 2.

Figure 2010111649
Figure 2010111649

本発明の光起電力素子の一態様を示した模式図。The schematic diagram which showed the one aspect | mode of the photovoltaic device of this invention. 本発明の光起電力素子の別の態様を示した模式図。The schematic diagram which showed another aspect of the photovoltaic element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 正極
3 有機半導体層
4 負極
5 一般式(1)で表される構造を有するキノキサリン化合物を有する層
6 電子受容性有機材料を有する層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Positive electrode 3 Organic semiconductor layer 4 Negative electrode 5 Layer having a quinoxaline compound having a structure represented by the general formula (1) 6 Layer having an electron-accepting organic material

Claims (7)

(a)キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格とを含み、(b)バンドギャップ(Eg)が1.8eV以下であり、(c)最高被占分子軌道(HOMO)準位が−4.8eV以下であるキノキサリン化合物。 (A) including a quinoxaline skeleton and an oligothiophene skeleton, (b) a band gap (Eg) of 1.8 eV or less, and (c) a highest occupied molecular orbital (HOMO) level of -4.8 eV or less. Quinoxaline compounds. キノキサリン骨格とオリゴチオフェン骨格が交互に共有結合したものであり、キノキサリン骨格:オリゴチオフェン骨格の比が1:1〜1:2の範囲であり、1つのオリゴチオフェン骨格に含まれるチオフェン環の数が3個以上12個以下である請求項1記載のキノキサリン化合物。 The quinoxaline skeleton and the oligothiophene skeleton are alternately covalently bonded, the ratio of the quinoxaline skeleton: oligothiophene skeleton is in the range of 1: 1 to 1: 2, and the number of thiophene rings contained in one oligothiophene skeleton is The quinoxaline compound according to claim 1, wherein the number is 3 or more and 12 or less. 一般式(1)で表される構造を有する請求項2記載のキノキサリン化合物。
Figure 2010111649
(R〜R20は同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンの中から選ばれる。Aは6員環構造を有する2価のアリーレン基または6員環構造を有する2価のヘテロアリーレン基である。mは0または1である。nは1以上1000以下の範囲を表す。)
The quinoxaline compound according to claim 2, which has a structure represented by the general formula (1).
Figure 2010111649
(R 1 to R 20 may be the same or different and are selected from hydrogen, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, a heteroaryl group, and halogen. A is a divalent arylene group having a 6-membered ring structure. Or a divalent heteroarylene group having a 6-membered ring structure, m is 0 or 1. n represents a range of 1 to 1000.)
請求項1〜3のいずれか記載のキノキサリン化合物を含む電子供与性有機材料。 An electron-donating organic material comprising the quinoxaline compound according to claim 1. 電子受容性有機材料および請求項4記載の電子供与性有機材料を含む光起電力素子用材料。 A material for a photovoltaic device comprising an electron-accepting organic material and the electron-donating organic material according to claim 4. 前記電子受容性有機材料がフラーレン化合物である請求項5記載の光起電力素子用材料。 The photovoltaic element material according to claim 5, wherein the electron-accepting organic material is a fullerene compound. 少なくとも正極と負極を有する光起電力素子であって、負極と正極の間に請求項5または6記載の光起電力素子用材料を含む光起電力素子。 A photovoltaic element having at least a positive electrode and a negative electrode, wherein the photovoltaic element comprises the material for a photovoltaic element according to claim 5 or 6 between the negative electrode and the positive electrode.
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