JP2011124421A - Organic photoelectric conversion element, solar battery and optical sensor array each using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and high durability; and to provide a solar battery and an optical sensor array each using the element. <P>SOLUTION: The organic photoelectric conversion element has a transparent electrode, counter-electrodes, and a photoelectric conversion layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed. In the element, the photoelectric conversion layer contains a compound containing a partial structure represented by specific general formula. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイに関し、更に詳しくは、p型半導体材料とn型半導体材料が混合されたバルクへテロジャンクション型の層を有する有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光アレイセンサに関するものである。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array, and more specifically, an organic photoelectric conversion element having a bulk heterojunction type layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, and the organic The present invention relates to a solar cell and an optical array sensor using a photoelectric conversion element.

近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いた太陽電池、GaAsやCIGSなどの化合物系の太陽電池、あるいは色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)などが提案・実用化されている。   Due to the recent rise in fossil energy, a system that can generate electric power directly from natural energy has been demanded. Solar cells using monocrystalline, polycrystalline, or amorphous Si, compound-based solar cells such as GaAs and CIGS, or Dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells) have been proposed and put into practical use.

しかしながら、これらの太陽電池で発電するコストは、未だ化石燃料を用いて発電・送電される電気の価格よりも高いものとなっており、普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、設置時に補強工事が必要であり、これらも発電コストが高くなる一因であった。   However, the cost of generating electricity with these solar cells is still higher than the price of electricity generated and transmitted using fossil fuels, which has hindered widespread use. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required at the time of installation, which is one of the causes that increase the power generation cost.

このような状況に対し、化石燃料による発電コストよりも低い発電コストを達成しうる太陽電池として、透明電極と対電極との間に電子供与体層(p型半導体層)と電子受容体層(n型半導体層)とが混合された光電変換層を挟んだバルクへテロジャンクション型光電変換素子が提案されている(例えば、非特許文献1および特許文献1参照)。   In such a situation, as a solar cell that can achieve a power generation cost lower than the power generation cost of fossil fuel, an electron donor layer (p-type semiconductor layer) and an electron acceptor layer ( A bulk heterojunction photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer mixed with an n-type semiconductor layer has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

これらのバルクへテロジャンクション型太陽電池においては、陽極・陰極以外は塗布プロセスで形成されているため、高速且つ安価な製造が可能であると期待され、前述の発電コストの課題を解決できる可能性がある。更に、上記のSi系太陽電池・化合物半導体系太陽電池・色素増感太陽電池などと異なり、160℃より高温のプロセスがないため、安価且つ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。   Since these bulk heterojunction solar cells are formed by a coating process except for the anode and cathode, it is expected that they can be manufactured at high speed and at low cost, and may solve the above-mentioned problem of power generation cost. There is. Furthermore, unlike the Si-based solar cells, compound semiconductor-based solar cells, and dye-sensitized solar cells described above, there is no process at a temperature higher than 160 ° C., so that it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.

前記非特許文献1では、5%を超える変換効率を達成するにいたっているが、これはチオフェン環とベンゾチアジアゾール環との間の分子内電荷移動を利用することで非常な長波長(〜900nm)までの幅広い太陽光を吸収することが可能となったためである。   In Non-Patent Document 1, conversion efficiency exceeding 5% has been achieved. This is achieved by utilizing intramolecular charge transfer between a thiophene ring and a benzothiadiazole ring, which is very long wavelength (˜900 nm). This is because it has become possible to absorb a wide range of sunlight until.

他方で太陽電池には耐久性も要求されるが、未だ有機薄膜太陽電池の耐久性は不十分なものであった。上記材料を用いた別の非特許文献2では、100時間で光電変換効率が約40%低下したと報告されている。   On the other hand, durability is also required for the solar cell, but the durability of the organic thin film solar cell is still insufficient. In another non-patent document 2 using the above material, it is reported that the photoelectric conversion efficiency is reduced by about 40% in 100 hours.

本発明に用いられる化合物に類似した構造の化合物は、開示されている(例えば、特許文献2参照)が、ここで開示されているのは色素増感型太陽電池の増感色素としての用途である。   A compound having a structure similar to the compound used in the present invention has been disclosed (see, for example, Patent Document 2), but it is disclosed here for use as a sensitizing dye in a dye-sensitized solar cell. is there.

また、特許文献3などに開示されているように、既存の電子供与性高分子と電子受容性化合物に加えて、第3成分を含有させて変換効率をあげる試みもなされてきた。   In addition to the existing electron donating polymer and electron accepting compound, as disclosed in Patent Document 3 and the like, attempts have been made to increase the conversion efficiency by containing a third component.

しかし、上記した先行技術を用いても、高い変換効率と、高い耐久性の両立は困難であり、高い変換効率と、耐久性が高い、有機光電変換素子、及びそれを用いた太陽電池及び光センサアレイが望まれていた。   However, even if the above-described prior art is used, it is difficult to achieve both high conversion efficiency and high durability, and high conversion efficiency and high durability, an organic photoelectric conversion element, and a solar cell and light using the same A sensor array was desired.

特表平8−500701号公報JP-T 8-500701 特開2001−76773号公報JP 2001-76773 A 特開2007−180190号公報JP 2007-180190 A

Nature Mat.,vol.6(2007),p497)Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497) Science_317_2007_p222)Science_317_2007_p222)

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性を有する有機光電変換素子と、それを用いた太陽電池、及び光センサアレイを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical sensor array. There is to do.

本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。   The above object of the present invention is achieved by the following configurations.

1.透明電極、対電極、及びp型半導体材料とn型半導体材料とが混合された光電変換層を有する有機光電変換素子において、該光電変換層に下記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物のいずれかを含有することを特徴とする有機光電変換素子。   1. In an organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and a photoelectric conversion layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, the photoelectric conversion layer is represented by the following general formulas (1A) to (1C). An organic photoelectric conversion element comprising any one of compounds having a partial structure.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Zは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。)
2.前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物において、Yが窒素原子をあらわすことを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, X 1 and Y 1 each represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom. R represents a substituent, and n represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 and Z 3 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring.
2. 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein Y 1 represents a nitrogen atom in the compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (1C).

3.前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が1分子内に2つ以上含まれていることを特徴とする前記1、2に記載の有機光電変換素子。   3. 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 or 2 above, wherein two or more partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are contained in one molecule.

4.前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(2A)、(2B)、(2C)で表される部分構造であることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   4). The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (2A), (2B), and (2C), respectively. The organic photoelectric conversion element of any one of these.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Arは置換、無置換の芳香族基を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Z及びZは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。mは重合度を表す。)
5.前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(3A)、(3B)または(3C)で表される部分構造であることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, X 1 and Y 1 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, and a substituted or unsubstituted carbon atom. Ar represents a substituted or unsubstituted aromatic group. R represents a substituent. N represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring, and m represents the degree of polymerization.)
5). The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (3A), (3B), or (3C), respectively. The organic photoelectric conversion element of any one of these.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
6.前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(4A)、(4B)または(4C)で表される部分構造であることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
6). The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (4A), (4B), or (4C), respectively. The organic photoelectric conversion element of any one of these.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
7.前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造においてnが0または1をあらわすことを特徴とする前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
7). 7. The organic photoelectric conversion device according to any one of 1 to 6, wherein n represents 0 or 1 in the partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C).

8.前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物においてX、Xが硫黄原子、または酸素原子をあらわすことを特徴とする前記1〜7のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 8). 8. The compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C), wherein X 1 and X 2 represent a sulfur atom or an oxygen atom, Organic photoelectric conversion element.

9.前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物が、高分子化合物であることを特徴とする前記1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   9. 9. The organic photoelectric conversion element as described in any one of 1 to 8 above, wherein the compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C) is a polymer compound.

10.前記光電変換層が、電子受容性のフラーレン化合物と、電子供与性のp型半導体材料と、前記一般式(1A)〜(1C)で表される構造を有する低分子化合物とを含有することを特徴とする前記1〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   10. The photoelectric conversion layer contains an electron-accepting fullerene compound, an electron-donating p-type semiconductor material, and a low-molecular compound having a structure represented by the general formulas (1A) to (1C). 10. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 9, which is characterized by the following.

11.前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物を含有する層が、溶液塗布法によって作製されたことを特徴とする前記1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   11. 11. The organic material according to any one of 1 to 10 above, wherein the layer containing a compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C) is produced by a solution coating method. Photoelectric conversion element.

12.前記1〜11のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   12 It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of said 1-11, The solar cell characterized by the above-mentioned.

13.前記1〜11のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   13. The organic photoelectric conversion element of any one of said 1-11 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.

本発明により、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性を有する有機光電変換素子と、それを用いた太陽電池、及び光センサアレイを提供することができた。   According to the present invention, an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical sensor array can be provided.

バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図の一例である。It is an example of sectional drawing which shows the solar cell which consists of a bulk hetero junction type organic photoelectric conversion element. p−i−nの三層構成の光電変換層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図の一例である。It is an example of sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with the photoelectric converting layer of the three-layer structure of p-i-n. タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図の一例である。It is an example of sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with a tandem type bulk heterojunction layer. 光センサアレイの構成を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the structure of an optical sensor array.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail.

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、バルクへテロジャンクション型の層を有する有機光電変換素子において本発明に係る一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物であるシアニン色素誘導体を適用することで、長波長までの幅広い吸収を持ち、かつ高効率、長寿命の素子性能を発現できること、及び本発明に係るシアニン色素誘導体が有機薄膜太陽電池のp型半導体材料として有効であることを見いだし、本発明に至った次第である。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found partial structures represented by general formulas (1A) to (1C) according to the present invention in an organic photoelectric conversion element having a bulk heterojunction type layer. By applying the cyanine dye derivative, which is a compound having a wide range of absorption up to a long wavelength and exhibiting high efficiency and long-life device performance, the cyanine dye derivative according to the present invention can be used for organic thin film solar cells. As a result, the present invention has been found to be effective as a type semiconductor material and has reached the present invention.

以下、本発明に係る各構成要素の詳細について、順次説明する。   Hereinafter, details of each component according to the present invention will be sequentially described.

本発明の有機光電変換素子は、シアニン誘導体構造を含有する材料を用いるという点を特徴としている。   The organic photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that a material containing a cyanine derivative structure is used.

以下、本発明に係るシアニン誘導体部分構造を含む材料について説明する。   Hereinafter, the material containing the cyanine derivative partial structure according to the present invention will be described.

本発明においては、バルクへテロジャンクション型の層を有する有機光電変換素子において、一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物を用いる。   In the present invention, a compound having a partial structure represented by general formulas (1A) to (1C) is used in an organic photoelectric conversion element having a bulk heterojunction type layer.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Zは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。)
好ましくは、一般式(1A)〜(1C)がそれぞれ、一般式(2A)〜(2C)で表される部分構造を有する化合物を適用することである。
(In the formula, X 1 and Y 1 each represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom. R represents a substituent, and n represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 and Z 3 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring.
Preferably, the compounds represented by the general formulas (1A) to (1C) have partial structures represented by the general formulas (2A) to (2C), respectively.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Arは置換、無置換の芳香族基を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Z及びZは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。mは重合度を表す。)
好ましくは、一般式(1A)〜(1C)がそれぞれ、一般式(3A)〜(3C)で表される部分構造を有する化合物を適用することである。
(In the formula, X 1 and Y 1 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, and a substituted or unsubstituted carbon atom. Ar represents a substituted or unsubstituted aromatic group. R represents a substituent. N represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring, and m represents the degree of polymerization.)
Preferably, the compounds represented by the general formulas (1A) to (1C) have partial structures represented by the general formulas (3A) to (3C), respectively.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
好ましくは、一般式(1A)〜(1C)がそれぞれ、一般式(4A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物を適用することである。
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
Preferably, the compounds represented by the general formulas (1A) to (1C) have partial structures represented by the general formulas (4A) to (4C), respectively.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
一般式(1A)〜(4C)において、Arは置換または無置換の芳香族基を表す。Rは置換基を表す。またX、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
In the general formulas (1A) to (4C), Ar represents a substituted or unsubstituted aromatic group. R represents a substituent. X 1 and X 2 each represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom.

Arとしてはたとえばフェニル、インデニル、アズレニル、ナフチル、ビフェニル、ターフェニルイル又はクワドフェニルイル、as−インダセニル、s−インダセニル、アセナフチレニル、フェナントリル、フルオランテニル、トリフェニレニル、クリセニル、ナフタセン、ピセニル、ペリレニル、ペンタフェニル、ヘキサセニル、ピレニル、アントラセニル、チエニル、ベンゾ[b]チエニル、ジベンゾ[b,d]チエニル、チアントレニル、フリル、フルフリル、2H−ピラニル、ベンゾフラニル、イソベンゾフラニル、2H−クロメニル、キサンテニル、ジベンゾフラニル、フェノキシチエニル、ピロリル、イミダゾリル、ピラゾリル、ピリジル、ビピリジル、トリアジニル、ピリミジニル、ピラジニル、1H−ピロリジニル、イソインドリル、ピリダジニル、インドリジニル、イソインドリル、インドリル、3H−インドリル、フタラジニル、ナフチリジニル、キノキサリニル、キナゾリニル、シンノリニル、インダゾリル、プリニル、キノリジニル、キノリル、イソキノリル、フタラジニル、ナフチリジニル、キノキサリニル、キナゾリニル、シンノリニル、プテリジニル、カルバゾリル、4aH−カルバゾリル、カルボリニル、ベンゾトリアゾリル、ベンゾオキサゾリル、フェナントリジニル、アクリジニル、ペリミジニル、フェナントロリニル、フェナジニル、イソチアゾリル、フェノチアジニル、イソオキサゾリル、フラザニル又はフェノキサジニルという構造が挙げられる。   Ar includes, for example, phenyl, indenyl, azulenyl, naphthyl, biphenyl, terphenylyl or quadphenylyl, as-indacenyl, s-indacenyl, acenaphthylenyl, phenanthryl, fluoranthenyl, triphenylenyl, chrysenyl, naphthacene, picenyl, perylenyl, pentaphenyl , Hexacenyl, pyrenyl, anthracenyl, thienyl, benzo [b] thienyl, dibenzo [b, d] thienyl, thiantenyl, furyl, furfuryl, 2H-pyranyl, benzofuranyl, isobenzofuranyl, 2H-chromenyl, xanthenyl, dibenzofuranyl, Phenoxythienyl, pyrrolyl, imidazolyl, pyrazolyl, pyridyl, bipyridyl, triazinyl, pyrimidinyl, pyrazinyl, 1H-pyrrolidinyl, iso Ndolyl, pyridazinyl, indolizinyl, isoindolyl, indolyl, 3H-indolyl, phthalazinyl, naphthyridinyl, quinoxalinyl, quinazolinyl, cinnolinyl, indazolyl, purinyl, quinolidinyl, quinolyl, isoquinolyl, phthalazinyl, naphthyridinyl, quinoxalinyl, quinoxalinyl, quinoxalinyl Examples include carbazolyl, carbolinyl, benzotriazolyl, benzoxazolyl, phenanthridinyl, acridinyl, perimidinyl, phenanthrolinyl, phenazinyl, isothiazolyl, phenothiazinyl, isoxazolyl, furazanyl, or phenoxazinyl.

置換基、またはRとしてはアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等)、シクロアルキル基(例えば、シクロヘキシル基、シクロペンチル基等)、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基(例えば、プロパルギル基等)、グリシジル基、アクリレート基、メタクリレート基、芳香族基(例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基等)、複素環基(例えば、ピリジル基、チアゾリル基、オキサゾリル基、イミダゾリル基、フリル基、ピロリル基、ピラジニル基、ピリミジニル基、ピリダジニル基、セレナゾリル基、スリホラニル基、ピペリジニル基、ピラゾリル基、テトラゾリル基等)、アルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ペンチルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等)、アリールオキシ基(例えば、フェノキシ基等)、アルコキシカルボニル基(例えば、メチルオキシカルボニル基、エチルオキシカルボニル基、ブチルオキシカルボニル基等)、アリールオキシカルボニル基(例えば、フェニルオキシカルボニル基等)、スルホンアミド基(例えば、メタンスルホンアミド基、エタンスルホンアミド基、ブタンスルホンアミド基、ヘキサンスルホンアミド基、シクロヘキサンスルホンアミド基、ベンゼンスルホンアミド基等)、スルファモイル基(例えば、アミノスルホニル基、メチルアミノスルホニル基、ジメチルアミノスルホニル基、ブチルアミノスルホニル基、ヘキシルアミノスルホニル基、シクロヘキシルアミノスルホニル基、フェニルアミノスルホニル基、2−ピリジルアミノスルホニル基等)、ウレタン基(例えば、メチルウレイド基、エチルウレイド基、ペンチルウレイド基、シクロヘキシルウレイド基、フェニルウレイド基、2−ピリジルウレイド基等)、アシル基(例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブタノイル基、ヘキサノイル基、シクロヘキサノイル基、ベンゾイル基、ピリジノイル基等)、カルバモイル基(例えば、アミノカルボニル基、メチルアミノカルボニル基、ジメチルアミノカルボニル基、プロピルアミノカルボニル基、ペンチルアミノカルボニル基、シクロヘキシルアミノカルボニル基、フェニルアミノカルボニル基、2−ピリジルアミノカルボニル基等)、アシルアミノ基(例えば、アセチルアミノ基、ベンゾイルアミノ基、メチルウレイド基等)、スルホニル基(例えば、メチルスルホニル基、エチルスルホニル基、ブチルスルホニル基、シクロヘキシルスルホニル基、フェニルスルホニル基、2−ピリジルスルホニル基等)、アミノ基(例えば、アミノ基、エチルアミノ基、ジメチルアミノ基、ブチルアミノ基、シクロペンチルアミノ基、アニリノ基、2−ピリジルアミノ基等)、ハロゲン原子(例えば、塩素原子、臭素原子、沃素原子等)、シアノ基、ニトロ基、スルホ基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、ホスホノ基(例えば、ホスホノエチル基、ホスホノプロピル基、ホスホノオキシエチル基)等を挙げることができる。また、これらの基はさらにこれらの基で置換されていてもよい。   Substituent or R is an alkyl group (for example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, etc.), cycloalkyl group (for example, cyclohexyl group, cyclopentyl group, etc.) , Alkenyl group, cycloalkenyl group, alkynyl group (for example, propargyl group), glycidyl group, acrylate group, methacrylate group, aromatic group (for example, phenyl group, naphthyl group, anthracenyl group, etc.), heterocyclic group (for example, Pyridyl group, thiazolyl group, oxazolyl group, imidazolyl group, furyl group, pyrrolyl group, pyrazinyl group, pyrimidinyl group, pyridazinyl group, selenazolyl group, sriphoranyl group, piperidinyl group, pyrazolyl group, tetrazolyl group, etc.), alkoxy group (for example, methoxy Group, ethoxy group, Propyloxy group, pentyloxy group, cyclopentyloxy group, hexyloxy group, cyclohexyloxy group, etc.), aryloxy group (eg, phenoxy group, etc.), alkoxycarbonyl group (eg, methyloxycarbonyl group, ethyloxycarbonyl group, butyloxy) Carbonyl group etc.), aryloxycarbonyl group (eg phenyloxycarbonyl group etc.), sulfonamide group (eg methanesulfonamide group, ethanesulfonamide group, butanesulfonamide group, hexanesulfonamide group, cyclohexanesulfonamide group, Benzenesulfonamido group, etc.), sulfamoyl group (for example, aminosulfonyl group, methylaminosulfonyl group, dimethylaminosulfonyl group, butylaminosulfonyl group, hexylaminosulfonyl group) Group, cyclohexylaminosulfonyl group, phenylaminosulfonyl group, 2-pyridylaminosulfonyl group, etc.), urethane group (for example, methylureido group, ethylureido group, pentylureido group, cyclohexylureido group, phenylureido group, 2-pyridylureido group) Etc.), acyl groups (eg acetyl group, propionyl group, butanoyl group, hexanoyl group, cyclohexanoyl group, benzoyl group, pyridinoyl group etc.), carbamoyl groups (eg aminocarbonyl group, methylaminocarbonyl group, dimethylaminocarbonyl) Group, propylaminocarbonyl group, pentylaminocarbonyl group, cyclohexylaminocarbonyl group, phenylaminocarbonyl group, 2-pyridylaminocarbonyl group, etc.), acylamino group (for example, acetyl) Sulfonyl group (for example, methylsulfonyl group, ethylsulfonyl group, butylsulfonyl group, cyclohexylsulfonyl group, phenylsulfonyl group, 2-pyridylsulfonyl group), amino group (for example, methylamino group, benzoylamino group, methylureido group, etc.) Amino group, ethylamino group, dimethylamino group, butylamino group, cyclopentylamino group, anilino group, 2-pyridylamino group, etc.), halogen atom (for example, chlorine atom, bromine atom, iodine atom etc.), cyano group, nitro group Group, sulfo group, carboxyl group, hydroxyl group, phosphono group (for example, phosphonoethyl group, phosphonopropyl group, phosphonooxyethyl group) and the like. Further, these groups may be further substituted with these groups.

また複数のRが結合し、環構造を形成していても良い。更に、Rは、お互いにそれぞれ異なっていても良い。   Moreover, several R may couple | bond together and it may form the ring structure. Furthermore, R may be different from each other.

前記一般式(1A)〜(1C)においてYが窒素原子である場合、高いモル吸光係数を示し、高い変換効率を有する素子を得ることができ、好ましい。また、一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が1分子内に2つ以上含まれていることが好ましい。 In the general formulas (1A) to (1C), when Y 1 is a nitrogen atom, an element having a high molar extinction coefficient and high conversion efficiency can be obtained, which is preferable. Moreover, it is preferable that two or more partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are included in one molecule.

一般式(2A)〜(4C)において、高分子化合物である場合、低分子化合物である場合に比べ移動度が向上し好ましい。これは化合物の結晶性が向上するためであると考えられている。また一般的にメチン鎖が長すぎると化合物の安定性が損なわれるため、nは0〜4の整数を示す。nは0〜3が好ましく、さらに0〜1の場合が好ましい。   In the general formulas (2A) to (4C), a high molecular compound is preferable because mobility is improved as compared with a low molecular compound. This is considered to be because the crystallinity of the compound is improved. Moreover, since stability of a compound will be impaired when a methine chain is too long generally, n shows the integer of 0-4. n is preferably 0 to 3, and more preferably 0 to 1.

一般式(4A)〜(4C)に示されるように、チオフェン環が含まれていると、吸収波長が長波化し、太陽光を有効に利用することが可能となり好ましい。また化合物の結晶性も向上し、移動度も向上する。さらにXおよびXがカルコゲン原子である場合、高いモル吸光係数を示し、高い変換効率を有する素子を得ることができる。XおよびXがそれぞれ独立に硫黄原子もしくは酸素原子であることが好ましい。 As shown in the general formulas (4A) to (4C), when a thiophene ring is included, the absorption wavelength becomes longer, and sunlight can be used effectively, which is preferable. In addition, the crystallinity of the compound is improved and the mobility is improved. Further, when X 1 and X 2 are chalcogen atoms, an element having a high molar absorption coefficient and high conversion efficiency can be obtained. X 1 and X 2 are preferably each independently a sulfur atom or an oxygen atom.

また、前記特許文献3に記載されているように、基本的なキャリアパスを公知のp型材料とn型フラーレン材料から形成し、第3成分として本発明の一般式(1A)〜(1C)で表される構造を有する化合物が添加されているといった構成でも良い。これは、本発明の一般式(1A)〜(1C)で表される構造は吸光度にすぐれるため、既存の光電変換層に添加することでも外部量子効率の向上などの効果によって光電変換効率を向上できるためである。このような目的で本発明の一般式(1A)〜(1C)で表される構造を有する化合物を光電変換層に含有する場合は、低分子化合物であることが好ましい。   Further, as described in Patent Document 3, a basic carrier path is formed from a known p-type material and n-type fullerene material, and the general formulas (1A) to (1C) of the present invention are used as the third component. The structure which the compound which has the structure represented by this is added may be sufficient. This is because the structures represented by the general formulas (1A) to (1C) of the present invention are excellent in absorbance, so that the photoelectric conversion efficiency can be improved by the effect of improving the external quantum efficiency even by adding to the existing photoelectric conversion layer. It is because it can improve. For such a purpose, when the compound having a structure represented by the general formulas (1A) to (1C) of the present invention is contained in the photoelectric conversion layer, it is preferably a low molecular compound.

本発明において低分子化合物とは、化合物の分子量に分布のない、単一分子であることを意味する。一般式(1A)〜(1C)の部分構造を持つ化合物であれば、下限に特に制限はない。   In the present invention, the low molecular weight compound means a single molecule having no distribution in the molecular weight of the compound. If it is a compound which has a partial structure of general formula (1A)-(1C), there will be no restriction | limiting in particular in a minimum.

式中、mは重合度であり全体分子量が3000以上となるように設定される整数である。この重合度に特に制限はないが、重合度が高すぎると溶媒への溶解性が低下するため、塗布液作成上問題となる。そのため適度な溶解性を持つ程度の分子量に設定することが好ましい。好ましくは使用する溶媒に対して1質量%以上、更に好ましくは3質量%以上溶解することである。   In the formula, m is a degree of polymerization and is an integer set so that the total molecular weight is 3000 or more. The degree of polymerization is not particularly limited, but if the degree of polymerization is too high, the solubility in a solvent is lowered, which causes a problem in preparing a coating solution. Therefore, it is preferable to set the molecular weight so as to have an appropriate solubility. It is preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, based on the solvent used.

本発明係る高分子化合物とは、所定のモノマーを反応させることによって一定の分子量分布を有する化合物の集合体であることを意味する。しかし、実用上分子量によって定義をする際には、分子量が3000未満の化合物を低分子化合物と区分する。より好ましくは2500未満、さらに好ましくは2000未満である。他方、分子量が3000以上、より好ましくは4000以上、さらに好ましくは5000以上の化合物を高分子化合物と区分する。なお、分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。   The polymer compound according to the present invention means an aggregate of compounds having a certain molecular weight distribution by reacting a predetermined monomer. However, when defining by molecular weight in practice, a compound having a molecular weight of less than 3000 is classified as a low molecular weight compound. More preferably, it is less than 2500, More preferably, it is less than 2000. On the other hand, a compound having a molecular weight of 3000 or more, more preferably 4000 or more, and further preferably 5000 or more is classified as a polymer compound. The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).

以下、本発明の一般式(1A)〜(4C)で表される化合物の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, although the specific example of the compound represented by general formula (1A)-(4C) of this invention is given, this invention is not limited to these.

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なおこれらの化合物はOrg.Lett.,Vol.6,No.6,2004、p909、およびAdv.Mater.2007,19,2295-2300を参考にすることで合成できる。   These compounds are described in Org. Lett. , Vol. 6, no. 6, 2004, p909, and Adv. Mater. 2007, 19, 2295-2300.

以下、本発明を更に詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

〔有機光電変換素子および太陽電池の構成〕
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、透明電極(一般に陽極)12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部14、電子輸送層18及び対極(一般に陰極)13が順次積層されている。
[Configuration of organic photoelectric conversion element and solar cell]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell composed of a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element. In FIG. 1, a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 includes a transparent electrode (generally an anode) 12, a hole transport layer 17, a bulk heterojunction layer photoelectric conversion unit 14, and an electron transport layer 18 on one surface of a substrate 11. And a counter electrode (generally a cathode) 13 are sequentially stacked.

基板11は、順次積層された透明電極12、光電変換部14及び対極13を保持する部材である。本実施形態では、基板11側から光電変換される光が入射するので、基板11は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。基板11は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板11は、必須ではなく、例えば、光電変換部14の両面に透明電極12及び対極13を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10が構成されてもよい。   The substrate 11 is a member that holds the transparent electrode 12, the photoelectric conversion unit 14, and the counter electrode 13 that are sequentially stacked. In the present embodiment, since light that is photoelectrically converted enters from the substrate 11 side, the substrate 11 can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, with respect to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is a transparent member. As the substrate 11, for example, a glass substrate or a resin substrate is used. The substrate 11 is not essential. For example, the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 may be configured by forming the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 on both surfaces of the photoelectric conversion unit 14.

光電変換部14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。   The photoelectric conversion unit 14 is a layer that converts light energy into electric energy, and includes a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed. The p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor). Here, the electron donor and the electron acceptor are “an electron donor in which, when light is absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. And an electron acceptor ”, which does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.

図1において、基板11を介して透明電極12から入射された光は、光電変換部14のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、透明電極12と対極13の仕事関数が異なる場合では透明電極12と対極13との電位差によって、電子は、電子受容体間を通り、また正孔は、電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。例えば、透明電極12の仕事関数が対極13の仕事関数よりも大きい場合では、電子は、透明電極12へ、正孔は、対極13へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば電子と正孔は、これとは逆方向に輸送される。また、透明電極12と対極13との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。   In FIG. 1, light incident from the transparent electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the bulk heterojunction layer of the photoelectric conversion unit 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. Thus, a hole-electron pair (charge separation state) is formed. The generated electric charge is caused by an internal electric field, for example, when the work functions of the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 are different, the electrons pass between the electron acceptors due to the potential difference between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13, and the holes are The photocurrent is detected by passing between the donors and being carried to different electrodes. For example, when the work function of the transparent electrode 12 is larger than the work function of the counter electrode 13, electrons are transported to the transparent electrode 12 and holes are transported to the counter electrode 13. If the magnitude of the work function is reversed, electrons and holes are transported in the opposite direction. In addition, by applying a potential between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13, the transport direction of electrons and holes can be controlled.

なお図1には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の他の層を有していてもよい。   Although not shown in FIG. 1, other layers such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer may be included.

さらに好ましい構成としては、前記光電変換部14が、いわゆるp−i−nの三層構成となっている構成の一例(図2)である。通常のバルクへテロジャンクション層は、p型半導体材料とn型半導体層が混合した、14i層単体であるが、p型半導体材料単体からなる14p層、およびn型半導体材料単体からなる14n層で挟むことにより、正孔及び電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ることができる。   A more preferable configuration is an example (FIG. 2) in which the photoelectric conversion unit 14 has a so-called p-i-n three-layer configuration. A normal bulk heterojunction layer is a 14i layer composed of a mixture of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor layer, but a 14p layer composed of a single p-type semiconductor material and a 14n layer composed of a single n-type semiconductor material. By sandwiching, the rectification of holes and electrons becomes higher, loss due to recombination of charge-separated holes and electrons is reduced, and higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

さらに、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。図3は、タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図の一例である。タンデム型構成の場合、基板11上に、順次透明電極12、第1の光電変換部14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の光電変換部16、次いで対電極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第2の光電変換部16は、第1の光電変換部14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また第1の光電変換部14′、第2の光電変換部16がともに前述のp−i−nの三層構成であってもよい。   Furthermore, it is good also as a tandem-type structure which laminated | stacked such a photoelectric conversion element for the purpose of the improvement of sunlight utilization factor (photoelectric conversion efficiency). FIG. 3 is an example of a cross-sectional view illustrating a solar cell including an organic photoelectric conversion element including a tandem bulk heterojunction layer. In the case of the tandem configuration, the transparent electrode 12 and the first photoelectric conversion unit 14 ′ are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion unit 16, and then the counter electrode. By stacking 13, a tandem configuration can be obtained. The second photoelectric conversion unit 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion unit 14 'or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. is there. Further, the first photoelectric conversion unit 14 ′ and the second photoelectric conversion unit 16 may both have the above-described three-layer configuration of pin.

以下に、これらの層を構成する材料について述べる。
〔p型半導体材料〕
本発明では一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物を含むことを特徴とするが、併用できる、p型半導体材料としては、以下のものが挙げられる。
Below, the material which comprises these layers is described.
[P-type semiconductor materials]
The present invention includes a compound having a partial structure represented by general formulas (1A) to (1C). Examples of p-type semiconductor materials that can be used in combination include the following.

一般的なp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられる。   Examples of general p-type semiconductor materials include various condensed polycyclic aromatic low-molecular compounds and conjugated polymers.

縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。   Examples of the condensed polycyclic aromatic low molecular weight compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthanthene, bisanthene, zeslene. , Compounds such as heptazesulene, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene ( BEDTTTTF) -perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.

また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。   Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, acene-based compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in 2706 and the like.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、WO2008000664に記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。   As the conjugated polymer, for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, a polythiophene-thienothiophene copolymer, a polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO2008000664, Adv. Mater, 2007, p4160, polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomeric materials, not polymer materials, include thiophene hexamer α-seccithiophene α, ω-dihexyl-α-sexualthiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.

これらの化合物の中でも、溶液プロセスが可能な程度に有機溶剤への溶解性が高く、かつ乾燥後は結晶性薄膜を形成し、高い移動度を達成することが可能な化合物が好ましい。より好ましくは、本発明の好ましい態様であるn型有機半導体材料のフラーレン誘導体と適度な相溶性を有するような化合物(適度な相分離構造形成し得る化合物)であることが好ましい。   Among these compounds, compounds that have high solubility in organic solvents to the extent that solution processing is possible, can form a crystalline thin film after drying, and can achieve high mobility are preferable. More preferably, it is a compound (a compound capable of forming an appropriate phase separation structure) having appropriate compatibility with the fullerene derivative of the n-type organic semiconductor material which is a preferred embodiment of the present invention.

他方で、より厚い膜を得るためには、一度塗布した層の上にさらに塗布することができれば、容易に厚い膜を得ることができるが、通常溶解性のよい材料からなる層の上にさらに層を溶液プロセスによって積層使用とすると、下地の層を溶かしてしまうために積層することができないという課題を有していた。したがって、溶液プロセスで塗布した後に不溶化できるような材料が好ましい。   On the other hand, in order to obtain a thicker film, a thick film can be easily obtained if it can be further coated on a layer that has been coated once. When a layer is used by lamination by a solution process, there is a problem that the layer cannot be laminated because the underlying layer is dissolved. Therefore, a material that can be insolubilized after application by a solution process is preferable.

このような材料としては、Technical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第2003/136964号、及び特開2008−16834等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)材料等を挙げることができる。   Examples of such materials include materials that can be insolubilized by polymerizing the coating film after coating, such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Or a material in which soluble substituents react and become insoluble (pigmented) by applying energy such as heat, as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834 Etc.

これらの中でも、不溶化後の移動度の高い塗布後に顔料化できる材料が好ましく、中でも好ましくは前記特開2008−16834号公報記載のポルフィリン系化合物を用いることが好ましい。このポルフィリン系化合物(BP−1前駆体)は、塗布時は立体的に嵩高いビシクロ基を分子末端に4箇所有しているが、熱等のエネルギーが加えられると、逆Diels−Alder反応を起こしてビシクロ基部分が反応し、4分子のエチレンガスを放出して溶剤に不溶なベンゾポルフィリン誘導体(BP−1)に変換される。   Among these, materials that can be pigmented after coating with high mobility after insolubilization are preferable, and among them, porphyrin compounds described in JP-A-2008-16834 are preferably used. This porphyrin-based compound (BP-1 precursor) has four sterically bulky bicyclo groups at the molecular end at the time of coating. However, when energy such as heat is applied, the reverse Diels-Alder reaction is performed. Then, the bicyclo group part reacts to release 4 molecules of ethylene gas, which is converted into a benzoporphyrin derivative (BP-1) insoluble in the solvent.

このような、塗布後に不溶な顔料に変換できる材料としては、特開2008−16834号段落番号0044及び0045に記載されている化合物を挙げることができる。   Examples of such a material that can be converted into an insoluble pigment after coating include compounds described in paragraph numbers 0044 and 0045 of JP-A-2008-16834.

このようなポルフィリン系化合物は、前記特開2008−16834号公報、Chem.Commun.1998,p1661等を参考として合成することができる。   Such porphyrin-based compounds are disclosed in JP 2008-16834 A, Chem. Commun. 1998, p1661 etc. can be synthesized with reference.

〔n型半導体材料〕
本発明のバルクへテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料としては、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
[N-type semiconductor materials]
The n-type semiconductor material used in the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited. For example, a perfluoro compound (perfluoro compound) in which hydrogen atoms of a p-type semiconductor such as fullerene and octaazaporphyrin are substituted with fluorine atoms. Pentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), naphthalene tetracarboxylic anhydride, naphthalene tetracarboxylic diimide, perylene tetracarboxylic anhydride, perylene tetracarboxylic diimide Examples thereof include molecular compounds.

しかし、各種のp型半導体材料と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体が好ましい。フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、およびこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。   However, fullerene derivatives that can perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (˜50 fs) and efficiently are preferable. Fullerene derivatives include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), and the like. Partially by hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, cycloalkyl group, silyl group, ether group, thioether group, amino group, silyl group, etc. Examples thereof include substituted fullerene derivatives.

中でも[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7329709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。   Among them, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, etc., aminated fullerenes such as JP-A 2006-199674, metallocene fullerenes such as JP-A 2008-130889, and cyclics such as US Pat. No. 7,329,709. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility, such as fullerene having an ether group.

〔光電変換層の形成方法〕
本発明では有機光電変換素子中にp型半導体材料とn型半導体材料が混合された光電変換層を有する。この電子受容体(p型半導体)と電子供与体(n型半導体)とが混合された光電変換層、即ちバルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
[Method for forming photoelectric conversion layer]
In the present invention, the organic photoelectric conversion element has a photoelectric conversion layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed. As a method of forming a photoelectric conversion layer in which this electron acceptor (p-type semiconductor) and electron donor (n-type semiconductor) are mixed, that is, a bulk heterojunction layer, an evaporation method, a coating method (cast method, spin coating method) is used. And the like. Among these, the coating method is preferable in order to increase the area of the interface where charges and electrons are separated from each other as described above and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency. The coating method is also excellent in production speed.

塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクへテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。   After coating, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave due to crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the carrier mobility of the bulk heterojunction layer is improved and high efficiency can be obtained.

光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)14は、電子受容体と電子供与体とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、電子受容体と電子供与体との混合比を変えた複数層で構成してもよい。この場合、前述したような塗布後に不溶化できるような材料を用いることで形成することが可能となる。   The photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer) 14 may be composed of a single layer in which the electron acceptor and the electron donor are uniformly mixed, but a plurality of the mixture ratios of the electron acceptor and the electron donor are changed. It may consist of layers. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after coating as described above.

〔電子輸送層・正孔ブロック層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間に電子輸送層18を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Electron transport layer / hole blocking layer]
Since the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention can take out charges generated in the bulk heterojunction layer more efficiently by forming the electron transport layer 18 between the bulk heterojunction layer and the cathode. It is preferable to have this layer.

電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、バルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深い材料を電子輸送層として用いることである。また、電子を輸送する特性から、電子移動度の高い化合物を用いることが好ましい。   As the electron transport layer 18, octaazaporphyrin and a p-type semiconductor perfluoro material (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, a HOMO of a p-type semiconductor material used for a bulk heterojunction layer. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the level is given a hole blocking function having a rectifying effect so that holes generated in the bulk heterojunction layer do not flow to the cathode side. More preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used as the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use a compound with high electron mobility from the characteristic of transporting electrons.

このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。   Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide. N-type inorganic oxides such as zinc oxide and gallium oxide, and alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride can be used. A layer made of a single n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method.

〔正孔輸送層・電子ブロック層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陽極との中間には正孔輸送層17を、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Hole Transport Layer / Electron Blocking Layer]
In the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention, the hole transport layer 17 can be taken out between the bulk heterojunction layer and the anode, and charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. It is preferable to have.

これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層17としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、WO2006/019270号等に記載のシアン化合物、などを用いることができる。なお、バルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した電子を陽極側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は、電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。   As a material constituting these layers, for example, as the hole transport layer 17, PEDOT such as trade name BaytronP, polyaniline and its doped material, cyan compounds described in WO2006 / 019270, etc. Etc. can be used. Note that the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the bulk heterojunction layer from flowing to the anode side. It has an electronic block function. Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function. As such a material, a triarylamine compound described in JP-A-5-271166 or a metal oxide such as molybdenum oxide, nickel oxide, or tungsten oxide can be used. A layer made of a single p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming the coating film in the lower layer before forming the bulk heterojunction layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

〔その他の層〕
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などを挙げることができる。
[Other layers]
For the purpose of improving energy conversion efficiency and improving the lifetime of the element, a structure having various intermediate layers in the element may be employed. Examples of the intermediate layer include a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.

<電極>
本発明に関わる光電変換素子においては、少なくとも陽極と陰極とを有する。また、タンデム構成をとる場合には中間電極を用いることでタンデム構成を達成することができる。なお本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。
<Electrode>
The photoelectric conversion element according to the present invention has at least an anode and a cathode. Further, when a tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using an intermediate electrode. In the present invention, an electrode through which holes mainly flow is called an anode, and an electrode through which electrons mainly flow is called a cathode.

また透光性があるかどうかといった機能から、透光性のある電極を透明電極と呼び、透光性のない電極を対電極を呼び分ける場合がある。通常、陽極は透光性のある透明電極であり、陰極は透光性のない対電極である。   Further, because of the function of whether or not there is a light-transmitting property, a light-transmitting electrode may be referred to as a transparent electrode, and an electrode that does not transmit light may be referred to as a counter electrode. Usually, the anode is a translucent transparent electrode, and the cathode is a non-translucent counter electrode.

本発明において、透明電極は、380〜800nmの光を透過する電極であり、全光線透過率が50%以上である電極をいう。60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、80%以上であることが特に好ましい。全光透過率は、分光光度計等を用いた公知の方法に従って測定することができる。   In the present invention, the transparent electrode refers to an electrode that transmits light of 380 to 800 nm and has a total light transmittance of 50% or more. It is preferably 60% or more, more preferably 70% or more, and particularly preferably 80% or more. The total light transmittance can be measured according to a known method using a spectrophotometer or the like.

〔陽極〕
本発明の陽極は、好ましくは透明電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
〔anode〕
The anode of the present invention is preferably a transparent electrode. As the material, for example, transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO, metal thin films such as gold, silver and platinum, metal nanowires and carbon nanotubes can be used.

またポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて陽極とすることもできる。   Also, a conductive material selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene. A functional polymer can also be used. Further, a plurality of these conductive compounds can be combined to form an anode.

〔陰極〕
陰極は導電材単独層であっても良いが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用しても良い。陰極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。陰極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。
〔cathode〕
The cathode may be a single layer of a conductive material, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination. As a conductive material for the cathode, a material having a work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound, and a mixture thereof as an electrode material is used. Specific examples of such electrode materials include sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Mixtures, indium, lithium / aluminum mixtures, rare earth metals and the like. Among these, from the viewpoint of electron extraction performance and durability against oxidation, etc., a mixture of these metals and a second metal which is a stable metal having a larger work function value than this, for example, a magnesium / silver mixture, magnesium / Aluminum mixtures, magnesium / indium mixtures, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixtures, lithium / aluminum mixtures, aluminum and the like are preferred. The cathode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.

陰極の導電材として金属材料を用いれば陰極側に来た光は反射されて第1電極側に反射され、この光が再利用可能となり、光電変換層で再度吸収され、より光電変換効率が向上し好ましい。   If a metal material is used as the conductive material of the cathode, the light coming to the cathode side is reflected and reflected to the first electrode side, and this light can be reused and absorbed again by the photoelectric conversion layer, further improving the photoelectric conversion efficiency. It is preferable.

また、陰極13は、金属(例えば金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素からなるナノ粒子、ナノワイヤー、ナノ構造体であってもよく、ナノワイヤーの分散物であれば、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成でき好ましい。   Further, the cathode 13 may be a metal (for example, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.), a nanoparticle made of carbon, a nanowire, or a nanostructure. A dispersion is preferable because a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method.

また、陰極側を透明電極とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の陰極に適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、上記陽極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、透明電極とすることができる。   In the case where the cathode side is a transparent electrode, for example, a conductive material suitable for the cathode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is made thin with a thickness of about 1 to 20 nm, and then the anode is explained. A transparent electrode can be obtained by providing the film of the conductive light-transmitting material mentioned above.

〔中間電極〕
また、前記図3のようなタンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記陽極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
[Intermediate electrode]
The intermediate electrode material required in the case of the tandem structure as shown in FIG. 3 is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity. Transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al and Au, or layers containing nanoparticles / nanowires, conductive polymer materials such as PEDOT: PSS and polyaniline Etc.) can be used.

なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。   In addition, in the hole transport layer and the electron transport layer described above, there is also a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by appropriately combining and laminating, and with such a configuration, the process of forming one layer This is preferable because it can be omitted.

〔基板〕
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
〔substrate〕
When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN) modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, polyolefin resins such as cyclic olefin resin Film, vinyl resin film such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin film, polysulfone (PSF) resin film, polyether sulfone (PES) resin film, polycarbonate (PC) resin film, A polyamide resin film, a polyimide resin film, an acrylic resin film, a triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like can be given. If the resin film transmittance of 80% or more at ~800nm), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. More preferred are polyethylene terephthalate films and biaxially stretched polyethylene naphthalate films.

本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。   The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.

また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよいし、透明導電層を転写する反対側にはハードコート層が予め形成されていてもよい。   Further, for the purpose of suppressing the permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate, or a hard coat layer may be formed in advance on the opposite side to which the transparent conductive layer is transferred. Good.

〔光学機能層〕
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していて良い。光学機能層としては、たとえば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層などを設けても良い。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As the optical functional layer, for example, a light condensing layer such as an antireflection film or a microlens array, or a light diffusion layer that can scatter light reflected by the cathode and enter the power generation layer again may be provided. .

反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。   Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。   As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.

マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。   As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.

また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物などのナノ粒子・ナノワイヤー等を無色透明なポリマーに分散した層などを挙げることができる。   Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.

〔パターニング〕
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
[Patterning]
The method and process for patterning the electrode, the power generation layer, the hole transport layer, the electron transport layer, and the like according to the present invention are not particularly limited, and known methods can be appropriately applied.

バルクへテロジャンクション層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取っても良いし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしても良い。   If it is a soluble material such as a bulk heterojunction layer and a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface application such as die coating or dip coating, or directly at the time of application using a method such as an ink jet method or screen printing. Patterning may be performed.

電極材料などの不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着をおこなったり、エッチング又はリフトオフ等の公知の方法によってパターニングすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成しても良い。   In the case of an insoluble material such as an electrode material, the electrode can be patterned by a known method such as mask evaporation at the time of vacuum deposition or etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

〔封止〕
また、作製した有機光電変換素子10が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、有機光電変換素子だけでなく有機エレクトロルミネッセンス素子などで公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上10を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
[Sealing]
Moreover, since the produced organic photoelectric conversion element 10 does not deteriorate with oxygen, moisture, etc. in the environment, it is preferable to seal not only the organic photoelectric conversion element but also an organic electroluminescence element by a known method. For example, a method of sealing a cap made of aluminum or glass by bonding with an adhesive, a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide, or aluminum oxide is formed and the organic photoelectric conversion element top 10 with an adhesive Method of bonding, spin coating of organic polymer materials with high gas barrier properties (polyvinyl alcohol, etc.), inorganic thin films with high gas barrier properties (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or organic films (parylene, etc.) deposited under vacuum And a method of laminating these in a composite manner.

〔光センサアレイ〕
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
[Optical sensor array]
Next, an optical sensor array to which the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 described above is applied will be described in detail. The optical sensor array is produced by arranging the photoelectric conversion elements in a fine pixel form by utilizing the fact that the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements generate a current upon receiving light, and projected onto the optical sensor array. A sensor having an effect of converting an image into an electrical signal.

図4は、光センサアレイの構成を示す図である。図4(a)は、上面図であり、図4(b)は、図4(a)のA−A’線断面図である。   FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the photosensor array. 4A is a top view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG.

図4において、光センサアレイ20は、保持部材としての基板21上に、下部電極としての陽極22、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部24及び陽極22と対をなし、上部電極としての陰極23が順次積層されたものである。26は入射光の方向を示す。入射光は例えば受光面積5mm□の測定部25で受光される。光電変換部24は、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有してなる光電変換層24bと、バッファ層24aとの2層で構成される。図4に示す例では、6個のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が形成されている。   In FIG. 4, an optical sensor array 20 is paired with an anode 22 as a lower electrode, a photoelectric conversion unit 24 for converting light energy into electrical energy, and an anode 22 on a substrate 21 as a holding member. The cathode 23 is sequentially laminated. Reference numeral 26 denotes the direction of incident light. Incident light is received by the measuring unit 25 having a light receiving area of 5 mm square, for example. The photoelectric conversion unit 24 includes two layers, a photoelectric conversion layer 24b having a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed, and a buffer layer 24a. In the example shown in FIG. 4, six bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements are formed.

これら基板21、陽極22、光電変換層24b及び陰極23は、前述したバルクヘテロジャンクション型の光電変換素子10における陽極12、光電変換部14及び陰極13と同等の構成及び役割を示すものである。   The substrate 21, the anode 22, the photoelectric conversion layer 24b, and the cathode 23 have the same configuration and role as the anode 12, the photoelectric conversion unit 14, and the cathode 13 in the bulk heterojunction photoelectric conversion element 10 described above.

基板21には、例えば、ガラスが用いられ、陽極22には、例えば、ITOが用いられ、陰極23には、例えば、アルミニウムが用いられる。そして、光電変換層24bのp型半導体材料には、例えば、本発明の化合物304が用いられ、n型半導体材料には、例えば、前記PCBMが用いられる。また、バッファ層24aには、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)導電性高分子(スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP)が用いられる。このような光センサアレイ20は、次のようにして製作された。   For example, glass is used for the substrate 21, ITO is used for the anode 22, and aluminum is used for the cathode 23, for example. For example, the compound 304 of the present invention is used as the p-type semiconductor material of the photoelectric conversion layer 24b, and the PCBM is used as the n-type semiconductor material, for example. The buffer layer 24a is made of PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) conductive polymer (trade name BaytronP, manufactured by Stark Vitec). Such an optical sensor array 20 was manufactured as follows.

ガラス基板上にスパッタリングによりITO膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定のパターン形状に加工した。ガラス基板の厚さは、0.7mm、ITO膜の厚さは、200nm、フォトリソグラフィ後のITO膜における測定部面積(受光面積)は、0.5mm×0.5mmであった。次に、このガラス基板21上に、スピンコート法(条件;回転数=1000rpm、フィルタ径=1.2μm)によりPEDOT−PSS膜を形成した。その後、該基板を、オーブンで140℃、10分加熱し、乾燥させた。乾燥後のPEDOT−PSS膜の厚さは30nmであった。   An ITO film was formed on the glass substrate by sputtering and processed into a predetermined pattern shape by photolithography. The thickness of the glass substrate was 0.7 mm, the thickness of the ITO film was 200 nm, and the measurement area (light receiving area) of the ITO film after photolithography was 0.5 mm × 0.5 mm. Next, a PEDOT-PSS film was formed on the glass substrate 21 by a spin coating method (conditions: rotation speed = 1000 rpm, filter diameter = 1.2 μm). Thereafter, the substrate was heated in an oven at 140 ° C. for 10 minutes and dried. The thickness of the PEDOT-PSS film after drying was 30 nm.

次に、上記PEDOT−PSS膜の上に、本発明の化合物304とPCBMの1:1混合膜を、スピンコート法(条件;回転数=3300rpm、フィルタ径=0.8μm)により形成した。このスピンコートに際しては、本発明の化合物304およびPCBMをクロロベンゼン溶媒に=1:1で混合し、これを攪拌(5分)して得た混合液を用いた。本発明の化合物304とPCBMの混合膜の形成後、窒素ガス雰囲気下においてオーブンで180℃、30分加熱しアニール処理を施した。アニール処理後の本発明の化合物304とPCBMの混合膜の厚さは70nmであった。   Next, a 1: 1 mixed film of the compound 304 of the present invention and PCBM was formed on the PEDOT-PSS film by a spin coating method (conditions: rotational speed = 3300 rpm, filter diameter = 0.8 μm). In this spin coating, a compound liquid obtained by mixing the compound 304 of the present invention and PCBM with a chlorobenzene solvent in a ratio of 1: 1 and stirring (5 minutes) was used. After the formation of the mixed film of the compound 304 and PCBM of the present invention, annealing was performed by heating in an oven at 180 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The thickness of the mixed film of the compound 304 of the present invention and PCBM after the annealing treatment was 70 nm.

その後、所定のパターン開口を備えたメタルマスクを用い、本発明の化合物304とPCBMの混合膜の上に、電子輸送層として前記バソキュプロインを5nm蒸着し、ついで陰極としてのアルミニウム層を蒸着法により形成(厚さ=10nm)した。その後、PVA(polyvinyl alcohol)をスピンコートで1μm形成し、150℃で焼成することで図略のパッシベーション層を作製した。以上により、光センサアレイ20が作製された。   Then, using a metal mask having a predetermined pattern opening, 5 ml of the bathocuproine is deposited as an electron transport layer on the mixed film of the compound 304 and PCBM of the present invention, and then an aluminum layer as a cathode is formed by a deposition method. (Thickness = 10 nm). Thereafter, 1 μm of PVA (polyvinyl alcohol) was formed by spin coating and baked at 150 ° C. to prepare a passivation layer (not shown). The optical sensor array 20 was produced as described above.

この光センサアレイ20上に、所定のパターンを有する光を照射したところ、光の当たったセルのみから光電流が検出され、光センサとして機能することが確認された。   When this photosensor array 20 was irradiated with light having a predetermined pattern, it was confirmed that the photocurrent was detected only from the cells that were exposed to light and functioned as a photosensor.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例において「部」あるいは「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「質量部」あるいは「質量%」を表す。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, although the display of "part" or "%" is used in an Example, unless otherwise indicated, "part by mass" or "mass%" is represented.

実施例1:p型半導体材料としての利用
〔有機光電変換素子1の作製〕
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
Example 1: Use as p-type semiconductor material [Production of organic photoelectric conversion element 1]
An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 110 nm (sheet resistance 13 Ω / □) is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching, and transparent An electrode was formed.

パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック製)を30nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。   The patterned transparent electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. On this transparent substrate, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated with a film thickness of 30 nm, and then dried by heating at 140 ° C. in the atmosphere for 10 minutes.

これ以降は基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

クロルベンゼンにp型半導体材料として、P3HT(プレクトストロニクス製、プレックスコアOS2100)を1.0質量%、n型半導体材料としてPCBM(フロンティアカーボン製)を0.8質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけながら700rpmで60秒、次いで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、室温で30分乾燥し、光電変換層を得た。   A solution is prepared by dissolving 1.0% by mass of P3HT (Plectotronics, Plexcore OS2100) as p-type semiconductor material and 0.8% by mass of PCBM (from Frontier Carbon) as n-type semiconductor material in chlorobenzene. Then, spin filtration was performed at 700 rpm for 60 seconds and then at 2200 rpm for 1 second while being filtered through a 0.45 μm filter, followed by drying at room temperature for 30 minutes to obtain a photoelectric conversion layer.

次に、上記有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.5nm、Alを80nmを蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、比較の有機光電変換素子1を得た。なお、蒸着速度はいずれも2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the organic layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 0.5 nm of lithium fluoride and 80 nm of Al were evaporated. Finally, the heating for 30 minutes was performed at 120 degreeC, and the comparative organic photoelectric conversion element 1 was obtained. The vapor deposition rate was 2 nm / second for all, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子1は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。 The obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then a solar simulator (AM1.5G). ) Was irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 , voltage-current characteristics were measured, and initial conversion efficiency was measured.

〔有機光電変換素子2〜10の作製〕
上記有機光電変換素子1の作製において、p型半導体材料をP3HTに代えて、表1に記載した比較および本発明に係る例示化合物に変更した以外は、比較の有機光電変換素子1と同様にして有機光電変換素子2〜10を得た。
[Preparation of organic photoelectric conversion elements 2 to 10]
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, the p-type semiconductor material was changed to the comparative compound described in Table 1 and the exemplified compound according to the present invention instead of P3HT. Organic photoelectric conversion elements 2 to 10 were obtained.

得られた有機光電変換素子2〜10は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂を用いて封止を行った後に大気下に取り出し、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。 The resulting organic photoelectric conversion element 2 to 10, after the sealing with aluminum caps and UV curable resin under a nitrogen atmosphere was taken out under the atmosphere, the light of solar simulator (AM1.5G) 100mW / cm 2 The voltage-current characteristics were measured by irradiation with an irradiation intensity of 1, and the initial conversion efficiency was measured.

(変換効率の評価)
上記作製した光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cmの強度の光を照射し、有効面積を4.0mmにしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。また、Jsc、Voc、FFから式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
(Evaluation of conversion efficiency)
Photoelectric conversion elements prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc ( The four light-receiving portions formed on the same element were measured for mA / cm 2 ), open-circuit voltage Voc (V), and fill factor (fill factor) FF, and the average value was obtained. Further, energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1.

式1 Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF=η(%)
(耐久性評価)
ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。更にこの時の初期変換効率を100とし、陽極と陰極の間に抵抗を接続したまま、100mW/cmの照射強度で1000h照射し続けた後の変換効率を評価し、相対効率低下を算出した。この効率低下を耐久性の指標とした。この値の小さいことは、効率低下が少なく、耐久性の良いことを示す。
Formula 1 Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF = η (%)
(Durability evaluation)
A solar simulator (AM1.5G) was irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 , voltage-current characteristics were measured, and initial conversion efficiency was measured. Further, assuming that the initial conversion efficiency at this time is 100, the conversion efficiency after continuing the irradiation for 1000 h at the irradiation intensity of 100 mW / cm 2 with the resistance connected between the anode and the cathode, the relative efficiency decrease was calculated. . This decrease in efficiency was used as an index of durability. A small value indicates that there is little decrease in efficiency and good durability.

式2 相対効率低下(%)=(1−暴露後の変換効率/暴露前の変換効率)×100
また分子量はGPC(Waters2695、Waters社製)で測定した。
Formula 2 Relative efficiency reduction (%) = (1−conversion efficiency after exposure / conversion efficiency before exposure) × 100
The molecular weight was measured by GPC (Waters 2695, manufactured by Waters).

<GPC測定条件>
装置:Wagers2695(Separations Module)
検出器:Waters 2414 (Refractive Index Detector)
カラム:Shodex Asahipak GF−7M HQ
溶離液:ジメチルホルムアミド(20mM LiBr)
流速:1.0ml/min
温度:40℃
以上の結果を表1に示す。
<GPC measurement conditions>
Apparatus: Wagers 2695 (Separations Module)
Detector: Waters 2414 (Refractive Index Detector)
Column: Shodex Asahipak GF-7M HQ
Eluent: Dimethylformamide (20 mM LiBr)
Flow rate: 1.0 ml / min
Temperature: 40 ° C
The results are shown in Table 1.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

表1から、本発明に係るp型半導体材料を利用した方が変換効率も高く、耐久性も高いものが得られることがわかる。   From Table 1, it can be seen that the use of the p-type semiconductor material according to the present invention provides a higher conversion efficiency and higher durability.

実施例2:添加成分(低分子化合物)としての利用
〔有機光電変換素子11の作製〕
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
Example 2: Use as additive component (low molecular weight compound) [Preparation of organic photoelectric conversion element 11]
An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 110 nm (sheet resistance 13 Ω / □) is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching, and transparent An electrode was formed.

パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック製)を30nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。   The patterned transparent electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. On this transparent substrate, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated with a film thickness of 30 nm, and then dried by heating at 140 ° C. in the atmosphere for 10 minutes.

これ以降は基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

クロルベンゼンにp型半導体材料として、P3HT(プレクトストロニクス製、プレックスコアOS2100)を1.0質量%、n型半導体材料としてPCBM(フロンティアカーボン製)を0.8質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけながら700rpmで60秒、次いで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、室温で30分乾燥し、光電変換層を得た。   A solution is prepared by dissolving 1.0% by mass of P3HT (Plectotronics, Plexcore OS2100) as p-type semiconductor material and 0.8% by mass of PCBM (from Frontier Carbon) as n-type semiconductor material in chlorobenzene. Then, spin filtration was performed at 700 rpm for 60 seconds and then at 2200 rpm for 1 second while being filtered through a 0.45 μm filter, followed by drying at room temperature for 30 minutes to obtain a photoelectric conversion layer.

次に、上記有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.5nm、Alを80nmを蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、比較の有機光電変換素子11を得た。なお、蒸着速度はいずれも2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the organic layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 0.5 nm of lithium fluoride and 80 nm of Al were evaporated. Finally, the heating for 30 minutes was performed at 120 degreeC, and the comparative organic photoelectric conversion element 11 was obtained. The vapor deposition rate was 2 nm / second for all, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子1は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。 The obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then a solar simulator (AM1.5G). ) Was irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 , voltage-current characteristics were measured, and initial conversion efficiency was measured.

〔有機光電変換素子12〜18の作製〕
上記有機光電変換素子1の作製において、さらに表2に記載した本発明に係る例示化合物を、溶媒に対してさらに0.05%添加した以外は、比較の有機光電変換素子11と同様にして有機光電変換素子12〜18を得た。
[Production of organic photoelectric conversion elements 12 to 18]
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, an organic compound similar to that of the comparative organic photoelectric conversion element 11 was added except that the exemplary compound according to the present invention described in Table 2 was further added to the solvent by 0.05%. Photoelectric conversion elements 12 to 18 were obtained.

得られた有機光電変換素子11〜18は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂を用いて封止を行った後に大気下に取り出し、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。結果を表2に示す。 The obtained organic photoelectric conversion elements 11 to 18 were sealed using an aluminum cap and a UV curable resin in a nitrogen atmosphere, and then taken out to the atmosphere, and light from a solar simulator (AM1.5G) was 100 mW / cm 2. The voltage-current characteristics were measured by irradiation with an irradiation intensity of 1, and the initial conversion efficiency was measured. The results are shown in Table 2.

なお比較例におけるN719は下の構造で表される増感色素化合物である。540nm付近に極大吸収波長を持ち、色素増感太陽電池によく用いられている。アセトニトリル:t−ブタノール=1:1の溶液を使用した。   N719 in the comparative example is a sensitizing dye compound represented by the following structure. It has a maximum absorption wavelength near 540 nm and is often used for dye-sensitized solar cells. A solution of acetonitrile: t-butanol = 1: 1 was used.

Figure 2011124421
Figure 2011124421

Figure 2011124421
Figure 2011124421

表2から、本発明に係る構造を有する低分子化合物を添加することで、変換効率を向上できることがわかる。   From Table 2, it can be seen that the conversion efficiency can be improved by adding the low molecular weight compound having the structure according to the present invention.

10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子を用いた太陽電池
11 基板
12 陽極
13 陰極
14 光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
14p p層
14i i層
14n n層
14′ 第1の光電変換部
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換部
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
20 光センサアレイ
21 基板
22 陽極(下部電極)
23 陰極(上部電極)
24 光電変換部
24a バッファ層
24b 光電変換層
25 測定部(受光部:受光面積5mm□)
26 入射光の方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solar cell using bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Anode 13 Cathode 14 Photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer)
14 p p layer 14 i i layer 14 n n layer 14 ′ first photoelectric conversion unit 15 charge recombination layer 16 second photoelectric conversion unit 17 hole transport layer 18 electron transport layer 20 photosensor array 21 substrate 22 anode (lower electrode)
23 Cathode (upper electrode)
24 photoelectric conversion part 24a buffer layer 24b photoelectric conversion layer 25 measurement part (light receiving part: light receiving area 5 mm □)
26 Direction of incident light

Claims (13)

透明電極、対電極、及びp型半導体材料とn型半導体材料とが混合された光電変換層を有する有機光電変換素子において、該光電変換層に下記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物のいずれかを含有することを特徴とする有機光電変換素子。
Figure 2011124421
(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Zは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。)
In an organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and a photoelectric conversion layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, the photoelectric conversion layer is represented by the following general formulas (1A) to (1C). An organic photoelectric conversion element comprising any one of compounds having a partial structure.
Figure 2011124421
(In the formula, X 1 and Y 1 each represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom. R represents a substituent, and n represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 and Z 3 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring.
前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造を有する化合物において、Yが窒素原子をあらわすことを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。 2. The organic photoelectric conversion device according to claim 1 , wherein Y 1 represents a nitrogen atom in the compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (1C). 前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が1分子内に2つ以上含まれていることを特徴とする請求項1、2に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein two or more partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are contained in one molecule. 前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(2A)、(2B)、(2C)で表される部分構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2011124421
(式中、X、Yはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表す。Arは置換、無置換の芳香族基を表す。Rはそれぞれ置換基を表し、nは0〜4の整数を表す。Z、Z、Z及びZは置換または無置換の5員環、もしくは6員環を表す。mは重合度を表す。)
The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (2A), (2B), and (2C), respectively. 4. The organic photoelectric conversion element according to any one of 3 above.
Figure 2011124421
(In the formula, X 1 and Y 1 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, and a substituted or unsubstituted carbon atom. Ar represents a substituted or unsubstituted aromatic group. R represents a substituent. N represents an integer of 0 to 4. Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 represent a substituted or unsubstituted 5-membered ring or 6-membered ring, and m represents the degree of polymerization.)
前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(3A)、(3B)または(3C)で表される部分構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2011124421
(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (3A), (3B), or (3C), respectively. 4. The organic photoelectric conversion element according to any one of 3 above.
Figure 2011124421
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
前記一般式(1A)〜(1C)で表される部分構造が、それぞれ下記一般式(4A)、(4B)または(4C)で表される部分構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2011124421
(式中、X、Xはカルコゲン原子、置換または無置換の窒素原子、置換または無置換の炭素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。Rは置換基を表す。mは重合度を表す。)
The partial structures represented by the general formulas (1A) to (1C) are partial structures represented by the following general formulas (4A), (4B), or (4C), respectively. 4. The organic photoelectric conversion element according to any one of 3 above.
Figure 2011124421
(Wherein X 1 and X 2 represent a chalcogen atom, a substituted or unsubstituted nitrogen atom, or a substituted or unsubstituted carbon atom, n represents an integer of 0 to 4, R represents a substituent, and m represents a substituent. Represents the degree of polymerization.)
前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造においてnが0または1をあらわすことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein n represents 0 or 1 in the partial structures represented by the general formulas (1A) to (4C). 前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物においてX、Xが硫黄原子、または酸素原子をあらわすことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 8. The compound according to claim 1 , wherein X 1 and X 2 represent a sulfur atom or an oxygen atom in the compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C). The organic photoelectric conversion element as described. 前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物が、高分子化合物であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8, wherein the compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C) is a polymer compound. 前記光電変換層が、電子受容性のフラーレン化合物と、電子供与性のp型半導体材料と、前記一般式(1A)〜(1C)で表される構造を有する低分子化合物とを含有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The photoelectric conversion layer contains an electron-accepting fullerene compound, an electron-donating p-type semiconductor material, and a low-molecular compound having a structure represented by the general formulas (1A) to (1C). The organic photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 9, wherein 前記一般式(1A)〜(4C)で表される部分構造を有する化合物を含有する層が、溶液塗布法によって作製されたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The layer containing a compound having a partial structure represented by the general formulas (1A) to (4C) is produced by a solution coating method. Organic photoelectric conversion element. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-11, The solar cell characterized by the above-mentioned. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   The organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-11 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.
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