JP2012023324A - Composition containing polymer compound having fullerene structure - Google Patents

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保則 上谷
Atsushi Fujiwara
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composition capable of producing an organic photoelectric conversion element having a sufficiently high open end voltage (Voc).SOLUTION: The composition contains a polymer compound and an electron donative compound which can be synthesized by reacting polymer compound containing a chloromethylphenyl ethylene group as a repeating unit and fullerene. The electron donative compound is preferably a polymer compound having one kind or more of groups selected from a group made of a thiophenediyl group and a fluorenediyl group.

Description

本発明は、フラーレン構造を有する高分子化合物を含む組成物及びそれを用いた有機光電変換素子に関する。   The present invention relates to a composition containing a polymer compound having a fullerene structure and an organic photoelectric conversion device using the same.

電荷(電子、ホール)輸送性を有する有機半導体材料は、有機光電変換素子(有機太陽電池、光センサー等)等への適用が検討されており、例えば、フラーレン誘導体を含む組成物を用いた有機太陽電池が検討されている。例えば、フラーレン誘導体である[6,6]−フェニルC61−酪酸メチルエステル(以下、[60]−PCBMということがある。)と電子供与性化合物であるポリ(3−へキシルチオフェン)とを含む組成物が知られている(非特許文献1参照)。   Organic semiconductor materials having charge (electron, hole) transport properties are being studied for application to organic photoelectric conversion elements (organic solar cells, optical sensors, etc.). For example, organic semiconductors using compositions containing fullerene derivatives are used. Solar cells are being considered. For example, it contains [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (hereinafter sometimes referred to as [60] -PCBM) which is a fullerene derivative and poly (3-hexylthiophene) which is an electron donating compound. A composition is known (see Non-Patent Document 1).

アドバンスト ファンクショナル マテリアルズ(Advanced Functional Materials)、2003年、第13巻、p.85Advanced Functional Materials, 2003, Vol. 13, p. 85

しかし、[60]−PCBMと電子供与性化合物からなる有機層を有する有機光電変換素子は、開放端電圧(Voc)が必ずしも十分でないという問題点がある。   However, an organic photoelectric conversion element having an organic layer composed of [60] -PCBM and an electron donating compound has a problem that the open-circuit voltage (Voc) is not always sufficient.

そこで、本発明は、開放端電圧(Voc)が十分に高い有機光電変換素子を作製することが可能な組成物を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the composition which can produce the organic photoelectric conversion element whose open-circuit voltage (Voc) is high enough.

即ち、本発明は第一に、式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む組成物を提供する。

Figure 2012023324
(1)
(式中、A環は、炭素数60以上のフラーレン骨格を表す。pは、0〜10の整数を表す。) That is, the present invention first provides a composition comprising a polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1) and an electron donating compound.
Figure 2012023324
(1)
(In the formula, ring A represents a fullerene skeleton having 60 or more carbon atoms. P represents an integer of 0 to 10.)

本発明は第二に、電子供与性化合物が、チオフェンジイル基及びフルオレンジイル基からなる群から選ばれる1種以上の基を有する高分子化合物である前記組成物を提供する。   The present invention secondly provides the composition, wherein the electron donating compound is a polymer compound having one or more groups selected from the group consisting of a thiophenediyl group and a fluorenediyl group.

本発明は第三に、一対の電極と、該電極間に設けられた前記組成物を含有する有機層とを有する有機光電変換素子を提供する。   Thirdly, the present invention provides an organic photoelectric conversion element having a pair of electrodes and an organic layer containing the composition provided between the electrodes.

本発明の組成物を含有する有機層を有する有機光電変換素子は、開放端電圧(Voc)が高くなるため、有機薄膜太陽電池用又は有機光センサー用として好適であり、本発明は極めて有用である。   An organic photoelectric conversion element having an organic layer containing the composition of the present invention has a high open-circuit voltage (Voc), and is therefore suitable for an organic thin film solar cell or an organic photosensor, and the present invention is extremely useful. is there.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<組成物>
本発明の組成物は、式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む。
<Composition>
The composition of this invention contains the high molecular compound which has a repeating unit represented by Formula (1), and an electron-donating compound.

式(1)中、A環は、炭素数60以上のフラーレン骨格を表す。具体的には、炭素数60のフラーレン骨格、炭素数70のフラーレン骨格、炭素数84のフラーレン骨格が挙げられる。炭素数60以上のフラーレン骨格は、その一部が修飾されていてもよい。pは、0〜10の整数を表す。   In formula (1), the A ring represents a fullerene skeleton having 60 or more carbon atoms. Specifically, a fullerene skeleton having 60 carbon atoms, a fullerene skeleton having 70 carbon atoms, and a fullerene skeleton having 84 carbon atoms can be given. Part of the fullerene skeleton having 60 or more carbon atoms may be modified. p represents an integer of 0 to 10.

本発明の式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物は、例えば、クロロメチルフェニルエチレン基を繰り返し単位として含む高分子化合物とフラーレンとを、ジャーナル オブ アプライド ポリマー サイエンス(Journal of Applied Polymer Science)、2010年、第116巻、p.433〜440に示される方法で反応させることにより合成することができる。   The polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1) of the present invention includes, for example, a polymer compound containing a chloromethylphenylethylene group as a repeating unit and fullerene, Journal of Applied Polymer Science (Journal of Applied Polymer Science). Science), 2010, 116, p. It can synthesize | combine by making it react by the method shown by 433-440.

前記反応に用いるフラーレンとしては、原料の入手が容易さの観点からは、C60フラーレン、C70フラーレンが好ましい。 The fullerene used in the reaction is preferably C 60 fullerene or C 70 fullerene from the viewpoint of easy availability of raw materials.

式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物は、式(1)で表される繰り返し単位以外の繰り返し単位を含んでいてもよい。該繰り返し単位としては、エチレン構造を有する化合物から誘導される繰り返し単位があげられる。エチレン構造を有する化合物としては、エチレン、ブチレン、スチレン、アクリロニトリル、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、無水マレイン酸などがあげられる。   The high molecular compound which has a repeating unit represented by Formula (1) may contain repeating units other than the repeating unit represented by Formula (1). Examples of the repeating unit include a repeating unit derived from a compound having an ethylene structure. Examples of the compound having an ethylene structure include ethylene, butylene, styrene, acrylonitrile, acrylic acid, methacrylic acid, acrylic acid ester, methacrylic acid ester, and maleic anhydride.

前記電子供与性化合物は、塗布性の観点からは、高分子化合物であることが好ましい。高分子化合物としては、例えば、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体が挙げられる。   The electron donating compound is preferably a polymer compound from the viewpoint of coatability. Examples of the polymer compound include polyvinyl carbazole and derivatives thereof, polysilane and derivatives thereof, polysiloxane derivatives having an aromatic amine in the side chain or main chain, polyaniline and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof, polyphenylene Examples include vinylene and its derivatives, polythienylene vinylene and its derivatives, and polyfluorene and its derivatives.

有機光電変換素子に用いる電子供与性化合物は、光電変換効率の観点からは、チオフェンジイル基及びフルオレンジイル基からなる群から選ばれる1種以上の基を有する高分子化合物が好ましい。中でも、式(10)で表される繰り返し単位及び式(11)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる1種以上の繰り返し単位を有する高分子化合物であることが好ましく、式(10)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物であることがより好ましい。

Figure 2012023324
(10) (11)
[式中、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14及びR15は、同一又は相異なり、水素原子、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基を表す。] The electron donating compound used in the organic photoelectric conversion element is preferably a polymer compound having one or more groups selected from the group consisting of a thiophenediyl group and a fluorenediyl group from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency. Especially, it is preferable that it is a high molecular compound which has 1 or more types of repeating units chosen from the group which consists of the repeating unit represented by Formula (10), and the repeating unit represented by Formula (11), Formula (10) It is more preferable that the polymer compound has a repeating unit represented by:
Figure 2012023324
(10) (11)
[Wherein, R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 and R 15 are the same or different and are a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group or an aryl group. Represents a group. ]

6〜R15で表されるアルキル基は、炭素数が通常1〜20であり、直鎖状でも分岐状でもよく、シクロアルキル基でもよい。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、tert−ブチル基、sec−ブチル基、3−メチルブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ラウリル基が挙げられる。前記アルキル基中の水素原子はハロゲン原子で置換されていてもよく、具体的には、モノハロメチル基、ジハロメチル基、トリハロメチル基、ペンタハロエチル基等があげられる。ハロゲン原子の中では、フッ素原子で置換されていることが好ましい。フッ素原子で水素原子が置換されたアルキル基の具体例としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロオクチル基が挙げられる。 The alkyl group represented by R 6 to R 15 usually has 1 to 20 carbon atoms, may be linear or branched, and may be a cycloalkyl group. Specific examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, i-butyl group, tert-butyl group, sec-butyl group, 3-methylbutyl group, n -Pentyl group, n-hexyl group, 2-ethylhexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-lauryl group can be mentioned. The hydrogen atom in the alkyl group may be substituted with a halogen atom, and specific examples include a monohalomethyl group, a dihalomethyl group, a trihalomethyl group, a pentahaloethyl group, and the like. Of the halogen atoms, it is preferably substituted with a fluorine atom. Specific examples of the alkyl group in which a hydrogen atom is substituted with a fluorine atom include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluorobutyl group, a perfluorohexyl group, and a perfluorooctyl group.

6〜R15で表されるアルコキシ基は、炭素数が通常1〜20であり、直鎖状でも分岐状でもよく、シクロアルキルオキシ基であってもよい。アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、i−プロピルオキシ基、n−ブトキシ基、i−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、n−ペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、n−ヘプチルオキシ基、n−オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、n−ノニルオキシ基、n−デシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基、n−ラウリルオキシ基が挙げられる。前記アルコキシ基中の水素原子はハロゲン原子で置換されていてもよい。ハロゲン原子の中では、フッ素原子で置換されていることが好ましい。フッ素原子で水素原子が置換されたアルコキシ基の具体例としては、トリフルオロメトキシ基、ペンタフルオロエトキシ基、パーフルオロブトキシ基、パーフルオロヘキシルオキシ基、パーフルオロオクチルオキシ基が挙げられる。 The alkoxy group represented by R 6 to R 15 usually has 1 to 20 carbon atoms, may be linear or branched, and may be a cycloalkyloxy group. Specific examples of the alkoxy group include methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, i-propyloxy group, n-butoxy group, i-butoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, n-pentyloxy. Group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, n-heptyloxy group, n-octyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, n-nonyloxy group, n-decyloxy group, 3,7-dimethyloctyloxy group, n -Lauryloxy group is mentioned. A hydrogen atom in the alkoxy group may be substituted with a halogen atom. Of the halogen atoms, it is preferably substituted with a fluorine atom. Specific examples of the alkoxy group in which a hydrogen atom is substituted with a fluorine atom include a trifluoromethoxy group, a pentafluoroethoxy group, a perfluorobutoxy group, a perfluorohexyloxy group, and a perfluorooctyloxy group.

6〜R15で表されるアリール基は、炭素数が通常6〜60であり、置換基を有していてもよい。アリール基が有している置換基としては、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状のアルキル基又は炭素数1〜20のシクロアルキル基、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状のアルキル基又は炭素数1〜20のシクロアルキル基をその構造中に含むアルコキシ基があげられる。アリール基の具体例としては、フェニル基、C1〜C12アルコキシフェニル基(C1〜C12は、炭素数1〜12であることを示す。以下も同様である。)、C1〜C12アルキルフェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基が挙げられ、炭素数6〜20のアリール基が好ましく、C1〜C12アルコキシフェニル基、C1〜C12アルキルフェニル基がより好ましい。前記アリール基中の水素原子はハロゲン原子で置換されていてもよい。ハロゲン原子の中では、フッ素原子で置換されていることが好ましい。 The aryl group represented by R 6 to R 15 usually has 6 to 60 carbon atoms and may have a substituent. Examples of the substituent that the aryl group has include a linear or branched alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a linear or branched chain having 1 to 20 carbon atoms. Or an alkoxy group containing a cycloalkyl group having 1 to 20 carbon atoms in its structure. Specific examples of the aryl group include a phenyl group, a C 1 to C 12 alkoxyphenyl group (C 1 to C 12 represents 1 to 12 carbon atoms, and the same applies to the following), C 1 to C. Examples thereof include a 12 alkylphenyl group, a 1-naphthyl group, and a 2-naphthyl group, preferably an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and more preferably a C 1 to C 12 alkoxyphenyl group and a C 1 to C 12 alkylphenyl group. A hydrogen atom in the aryl group may be substituted with a halogen atom. Of the halogen atoms, it is preferably substituted with a fluorine atom.

式(10)中、光電変換効率の観点からは、R6及びR7の少なくとも一方が、炭素数1〜20のアルキル基であることが好ましく、炭素数4〜8のアルキル基であることがより好ましい。 In formula (10), from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, at least one of R 6 and R 7 is preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and preferably an alkyl group having 4 to 8 carbon atoms. More preferred.

式(11)中、モノマーの合成の行いやすさの観点からは、R10〜R15は水素原子であることが好ましい。また、光電変換効率の観点からは、R8及びR9は炭素数1〜20のアルキル基又は炭素数6〜20のアリール基であることが好ましく、炭素数5〜8のアルキル基又は炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましい。 In formula (11), R 10 to R 15 are preferably hydrogen atoms from the viewpoint of ease of monomer synthesis. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, R 8 and R 9 are preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and an alkyl group having 5 to 8 carbon atoms or a carbon number. More preferably, it is a 6-15 aryl group.

本発明の組成物に含まれる式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物は、電子供与性化合物100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、50〜500重量部であることがより好ましい。   The polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1) contained in the composition of the present invention is preferably 10 to 1000 parts by weight, and 50 to 500 parts per 100 parts by weight of the electron donating compound. More preferred are parts by weight.

<有機光電変換素子>
本発明の有機光電変換素子は、一対の電極と、該電極間に式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む組成物を含有する有機層を有する。一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が透明又は半透明であることが好ましい。
<Organic photoelectric conversion element>
The organic photoelectric conversion device of the present invention has an organic layer containing a composition comprising a pair of electrodes, a polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1) between the electrodes, and an electron donating compound. . Of the pair of electrodes, at least one of the electrodes is preferably transparent or translucent.

次に、有機光電変換素子の動作機構を説明する。透明又は半透明の電極から入射した光エネルギーが電子受容性化合物及び/又は電子供与性化合物で吸収され、電子とホールの結合した励起子を生成する。生成した励起子が移動して、電子受容性化合物と電子供与性化合物が隣接しているヘテロ接合界面に達すると界面でのそれぞれのHOMOエネルギー及びLUMOエネルギーの違いにより電子とホールが分離し、独立に動くことができる電荷(電子とホール)が発生する。発生した電荷は、それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー(電流)として取り出すことができる。   Next, the operation mechanism of the organic photoelectric conversion element will be described. Light energy incident from a transparent or translucent electrode is absorbed by the electron-accepting compound and / or the electron-donating compound to generate excitons in which electrons and holes are combined. When the generated excitons move and reach the heterojunction interface where the electron-accepting compound and the electron-donating compound are adjacent to each other, electrons and holes are separated due to the difference in HOMO energy and LUMO energy at the interface. Electric charges (electrons and holes) that can move are generated. The generated charges can be taken out as electric energy (current) by moving to the electrodes.

本発明の有機光電変換素子には、電極と式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む組成物を含有する有機層との間に付加的な層を設けてもよい。付加的な層としては、例えば、ホール又は電子を輸送する電荷輸送層が挙げられる。   In the organic photoelectric conversion device of the present invention, an additional layer is provided between the electrode and an organic layer containing a composition containing a polymer compound having a repeating unit represented by formula (1) and an electron donating compound. May be provided. Examples of the additional layer include a charge transport layer that transports holes or electrons.

本発明の有機光電変換素子に用いられる式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む組成物を含有する有機層は、該組成物を含有する有機薄膜から形成されていることが好ましい。該有機薄膜の厚さは、通常、1nm〜100μmであり、好ましくは2nm〜1000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmであり、さらに好ましくは20nm〜200nmである。   An organic layer containing a composition containing a polymer compound having a repeating unit represented by formula (1) and an electron donating compound used in the organic photoelectric conversion device of the present invention is an organic thin film containing the composition. It is preferable that it is formed from. The thickness of the organic thin film is usually 1 nm to 100 μm, preferably 2 nm to 1000 nm, more preferably 5 nm to 500 nm, and further preferably 20 nm to 200 nm.

本発明の有機光電変換素子は、通常、基板上に形成される。この基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に化学的に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、高分子フィルム、シリコン等が挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極(即ち、基板から遠い方の電極)が透明又は半透明であることが好ましい。   The organic photoelectric conversion element of the present invention is usually formed on a substrate. The substrate may be any substrate that does not chemically change when the electrodes are formed and the organic layer is formed. Examples of the material for the substrate include glass, plastic, polymer film, and silicon. In the case of an opaque substrate, the opposite electrode (that is, the electrode far from the substrate) is preferably transparent or translucent.

透明又は半透明の電極の材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性材料を用いて作製された膜、NESA、金、白金、銀、銅等が用いられ、ITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等が挙げられる。また、電極材料として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機の透明導電膜を用いてもよい。   Examples of the material for the transparent or translucent electrode include a conductive metal oxide film and a translucent metal thin film. Specifically, a film formed using a conductive material made of indium oxide, zinc oxide, tin oxide, and indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, etc., which is a composite thereof, NESA Gold, platinum, silver, copper and the like are used, and ITO, indium / zinc / oxide, and tin oxide are preferable. Examples of the method for producing the electrode include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a plating method, and the like. Moreover, you may use organic transparent conductive films, such as polyaniline and its derivative (s), polythiophene, and its derivative (s) as an electrode material.

電極材料としては、好ましくは一対の電極のうち一方の電極は仕事関数の小さい材料が好ましい。仕事関数の小さい材料を含む電極は、透明又は半透明であってもよい。該材料としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム等の金属、及びそれらのうち2つ以上の合金、又はそれらのうち1つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫のうち1つ以上との合金、グラファイト又はグラファイト層間化合物が用いられる。合金の例としては、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金が挙げられる。   As the electrode material, one of the pair of electrodes is preferably a material having a small work function. An electrode including a material having a low work function may be transparent or translucent. Examples of the material include metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, scandium, vanadium, zinc, yttrium, indium, cerium, samarium, europium, terbium, ytterbium, And alloys of two or more of them, or one or more of them and one or more of gold, silver, platinum, copper, manganese, titanium, cobalt, nickel, tungsten, tin, graphite or graphite Intercalation compounds are used. Examples of the alloy include magnesium-silver alloy, magnesium-indium alloy, magnesium-aluminum alloy, indium-silver alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-magnesium alloy, lithium-indium alloy, and calcium-aluminum alloy.

電極と本発明に用いられる有機層との間に設けてもよい付加的な層は、バッファ層であってもよく、バッファ層として用いられる材料としては、フッ化リチウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化チタン等の酸化物等が挙げられる。また、無機半導体を用いる場合、微粒子の形態で用いることもできる。   The additional layer that may be provided between the electrode and the organic layer used in the present invention may be a buffer layer. Materials used as the buffer layer include alkali metals such as lithium fluoride, alkaline earth Examples thereof include metal halides and oxides such as titanium oxide. When an inorganic semiconductor is used, it can be used in the form of fine particles.

<有機薄膜の製造方法>
前記有機薄膜の製造方法は、特に制限されず、例えば、本発明の組成物と溶媒とを含む溶液からの成膜による方法が挙げられる。具体的には、一方の電極上に該溶液を塗布することで、有機薄膜を製造することができる。
<Method for producing organic thin film>
The method for producing the organic thin film is not particularly limited, and examples thereof include a method by film formation from a solution containing the composition of the present invention and a solvent. Specifically, an organic thin film can be produced by applying the solution on one electrode.

溶液からの成膜に用いる溶媒は、式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物を溶解させるものであれば特に制限はない。この溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベゼン、tert−ブチルベンゼン等の炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル系溶媒が挙げられる。式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物は、通常、前記溶媒に0.1重量%以上溶解させることができる。   The solvent used for film formation from a solution is not particularly limited as long as it dissolves a polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1). Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, mesitylene, tetralin, decalin, bicyclohexyl, n-butylbenzene, sec-butylbezen, tert-butylbenzene, carbon tetrachloride, chloroform, dichloromethane, dichloroethane, Halogenated saturated hydrocarbon solvents such as chlorobutane, bromobutane, chloropentane, bromopentane, chlorohexane, bromohexane, chlorocyclohexane and bromocyclohexane, halogenated unsaturated hydrocarbon solvents such as chlorobenzene, dichlorobenzene and trichlorobenzene, tetrahydrofuran And ether solvents such as tetrahydropyran. The polymer compound having a repeating unit represented by the formula (1) can be usually dissolved in the solvent in an amount of 0.1% by weight or more.

溶液からの成膜には、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を用いることができ、スピンコート法、フレキソ印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法が好ましい。   For film formation from solution, spin coating method, casting method, micro gravure coating method, gravure coating method, bar coating method, roll coating method, wire bar coating method, dip coating method, spray coating method, screen printing method, flexographic method Coating methods such as a printing method, an offset printing method, an ink jet printing method, a dispenser printing method, a nozzle coating method, a capillary coating method can be used, and a spin coating method, a flexographic printing method, an ink jet printing method, and a dispenser printing method are preferable.

有機光電変換素子は、透明又は半透明の電極から太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。   By irradiating light such as sunlight from a transparent or translucent electrode, the organic photoelectric conversion element generates a photovoltaic force between the electrodes and can be operated as an organic thin film solar cell. It can also be used as an organic thin film solar cell module by integrating a plurality of organic thin film solar cells.

また、電極間に電圧を印加した状態で、透明又は半透明の電極から光を照射することにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。   In addition, by applying light from a transparent or translucent electrode in a state where a voltage is applied between the electrodes, a photocurrent flows and it can be operated as an organic photosensor. It can also be used as an organic image sensor by integrating a plurality of organic photosensors.

以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples will be shown below for illustrating the present invention in more detail, but the present invention is not limited to these examples.

(分子量の測定方法)
以下の実施例において、共役高分子化合物の分子量は、GPCラボラトリー製GPC(PL−GPC2000)により、求めた。共役高分子化合物を約1重量%の濃度となるようにo−ジクロロベンゼンに溶解させた。GPCの移動相はo−ジクロロベンゼンを用い、測定温度140℃で、1mL/分の流速で流した。カラムは、PLGEL 10μm MIXED−B(PLラボラトリー製)を3本直列で繋げた。
(Measurement method of molecular weight)
In the following Examples, the molecular weight of the conjugated polymer compound was determined by GPC Laboratories GPC (PL-GPC2000). The conjugated polymer compound was dissolved in o-dichlorobenzene to a concentration of about 1% by weight. As the mobile phase of GPC, o-dichlorobenzene was used and allowed to flow at a measurement temperature of 140 ° C. at a flow rate of 1 mL / min. As the column, three PLGEL 10 μm MIXED-B (manufactured by PL Laboratory) were connected in series.

合成例1
(高分子化合物1の合成)

Figure 2012023324
(A) (B)

窒素雰囲気下、ジムロートコンデンサーを装着した100mLの3口フラスコに、銅粉を39mg(0.61mmol)、臭化銅(I)を8.6mg(0.06mmol)、ビピリジルを90mg(0.58mmol)入れた。次いで、真空ポンプにてフラスコ内を脱気し、その後、フラスコ内に窒素ガスを導入して常圧に戻す操作を行った。脱気及び常圧に戻す操作を5回繰り返し、フラスコ中の気体を窒素で十分に置換した。トルエン50mLに、C60フラーレンを39mg(0.05mmol)、式(A)で表されるスチレン−クロロメチルスチレン共重合体(製品番号659177、式(A)中のn:mは1:1、シグマアルドリッチ社製)を300mg加え、窒素バブリングをしながらよく攪拌した溶液を、シリンジでフラスコ内に加え、反応液を100℃で24時間加熱した。その後、反応液をメタノール100mL中に注ぎ、沈殿物をろ取した後、沈殿物をイオン交換水100mL、6Nの塩酸100mL、二硫化炭素100mLでリパルプ洗浄し、得られた固体を10mmHg、50℃の条件で2時間減圧乾燥し、式(B)で表される高分子化合物1を208mg得た。 Synthesis example 1
(Synthesis of polymer compound 1)
Figure 2012023324
(A) (B)

Under a nitrogen atmosphere, in a 100 mL three-necked flask equipped with a Dimroth condenser, 39 mg (0.61 mmol) of copper powder, 8.6 mg (0.06 mmol) of copper (I) bromide, and 90 mg (0.58 mmol) of bipyridyl I put it in. Next, the inside of the flask was evacuated with a vacuum pump, and then an operation of introducing nitrogen gas into the flask to return to normal pressure was performed. Degassing and returning to normal pressure were repeated 5 times, and the gas in the flask was sufficiently replaced with nitrogen. In 50 mL of toluene, 39 mg (0.05 mmol) of C 60 fullerene, a styrene-chloromethylstyrene copolymer represented by formula (A) (product number 659177, n: m in formula (A) is 1: 1, Sigma Aldrich Co.) was added in an amount of 300 mg, and the solution well stirred while nitrogen bubbling was added to the flask with a syringe, and the reaction solution was heated at 100 ° C. for 24 hours. Thereafter, the reaction solution was poured into 100 mL of methanol, and the precipitate was collected by filtration. Then, the precipitate was repulped with 100 mL of ion exchange water, 100 mL of 6N hydrochloric acid, and 100 mL of carbon disulfide, and the resulting solid was 10 mmHg, 50 ° C. This was dried under reduced pressure for 2 hours to obtain 208 mg of the polymer compound 1 represented by the formula (B).

合成例2
(共役高分子化合物1の合成)

Figure 2012023324
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した2L四つ口フラスコに、化合物(C)を7.928g(16.72mmol)、化合物(D)を13.00g(17.60mmol)、メチルトリオクチルアンモニウムクロライド(商品名:aliquat336(登録商標)、Aldrich製、CH3N[(CH2)7CH3]3Cl、density 0.884g/ml,25℃)を4.979g、及びトルエンを405ml入れ、撹拌しながら反応系内を30分間アルゴンバブリングした。フラスコ内にジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)を0.02g加え、105℃に昇温し、撹拌しながら2mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液42.2mlを滴下した。滴下終了後5時間反応させ、反応液にフェニルボロン酸2.6gとトルエン1.8mlとを加え、105℃で16時間撹拌した。その後、反応液にトルエン700ml及び7.5%ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム三水和物水溶液200mlを加え、85℃で3時間撹拌した。反応液の水層を除去後、有機層を60℃のイオン交換水300mlで2回、60℃の3%酢酸300mlで1回、さらに60℃のイオン交換水300mlで3回洗浄した。有機層をセライト、アルミナ及びシリカを充填したカラムに通し、ろ液を回収した。その後、熱トルエン800mlでカラムを洗浄し、洗浄後のトルエン溶液をろ液に加えた。得られた溶液を700mlまで濃縮した後、濃縮した溶液を2Lのメタノールに加え、重合体を再沈殿させた。重合体をろ過して回収し、500mlのメタノール、500mlのアセトン、500mlのメタノールで重合体を洗浄した。重合体を50℃で一晩真空乾燥することにより、下記式:
Figure 2012023324
で表されるペンタチエニル−フルオレンコポリマー(以下、「共役高分子化合物1」という)を12.21g得た。共役高分子化合物1のポリスチレン換算の数平均分子量は5.4×104、ポリスチレン換算の重量平均分子量は1.1×105であった。 Synthesis example 2
(Synthesis of Conjugated Polymer Compound 1)
Figure 2012023324
In a 2 L four-necked flask in which the gas in the flask was replaced with argon, 7.928 g (16.72 mmol) of compound (C), 13.00 g (17.60 mmol) of compound (D), methyltrioctylammonium chloride ( Product name: aliquat336 (registered trademark), manufactured by Aldrich, 4.979 g of CH 3 N [(CH 2 ) 7 CH 3 ] 3 Cl, density 0.884 g / ml, 25 ° C.) and 405 ml of toluene are added and stirred. The reaction system was bubbled with argon for 30 minutes. 0.02 g of dichlorobis (triphenylphosphine) palladium (II) was added to the flask, the temperature was raised to 105 ° C., and 42.2 ml of a 2 mol / L sodium carbonate aqueous solution was added dropwise with stirring. After completion of the dropwise addition, the reaction was allowed to proceed for 5 hours, and 2.6 g of phenylboronic acid and 1.8 ml of toluene were added to the reaction solution, followed by stirring at 105 ° C. for 16 hours. Thereafter, 700 ml of toluene and 200 ml of 7.5% sodium diethyldithiocarbamate trihydrate aqueous solution were added to the reaction solution, followed by stirring at 85 ° C. for 3 hours. After removing the aqueous layer from the reaction solution, the organic layer was washed twice with 300 ml of ion exchanged water at 60 ° C., once with 300 ml of 3% acetic acid at 60 ° C., and further three times with 300 ml of ion exchanged water at 60 ° C. The organic layer was passed through a column packed with celite, alumina and silica, and the filtrate was recovered. Thereafter, the column was washed with 800 ml of hot toluene, and the washed toluene solution was added to the filtrate. After the obtained solution was concentrated to 700 ml, the concentrated solution was added to 2 L of methanol to reprecipitate the polymer. The polymer was recovered by filtration, and the polymer was washed with 500 ml of methanol, 500 ml of acetone, and 500 ml of methanol. By vacuum drying the polymer at 50 ° C. overnight, the following formula:
Figure 2012023324
12.21 g of a pentathienyl-fluorene copolymer represented by the following (hereinafter referred to as “conjugated polymer compound 1”) was obtained. The conjugated polymer compound 1 had a polystyrene-equivalent number average molecular weight of 5.4 × 10 4 and a polystyrene-equivalent weight average molecular weight of 1.1 × 10 5 .

実施例1
(有機薄膜太陽電池の作製、評価)
電子供与性化合物として共役高分子化合物1を0.5%(重量%)の濃度でo−ジクロロベンゼンに溶解させた。その後、電子受容性化合物として高分子化合物1を、電子供与性化合物の重量に対して等倍重量となるように溶液に混合した。その後、孔径5.0μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過し、塗布溶液を作製した。
Example 1
(Production and evaluation of organic thin-film solar cells)
The conjugated polymer compound 1 was dissolved in o-dichlorobenzene at a concentration of 0.5% (weight%) as an electron donating compound. Thereafter, the polymer compound 1 as an electron-accepting compound was mixed in the solution so as to have an equal weight with respect to the weight of the electron-donating compound. Then, it filtered with the Teflon (trademark) filter with the hole diameter of 5.0 micrometers, and produced the application | coating solution.

スパッタ法により150nmの厚みでITO膜を付けたガラス基板をオゾンUV処理して表面処理を行った。次に、前記塗布溶液を用い、スピンコートによりITO膜上に塗布し、有機薄膜太陽電池の活性層を得た。活性層の膜厚は、約100nmであった。その後、真空中90℃の条件で60分間加熱を行った。その後、真空蒸着機によりフッ化リチウムを4nmの厚さで蒸着し、次いでAlを100nmの厚さで蒸着した。蒸着のときの真空度は、すべて1〜9×10-3Paであった。また、得られた有機薄膜太陽電池の形状は、2mm×2mmの正方形であった。得られた有機薄膜太陽電池の開放端電圧(Voc)は、ソーラシミュレーター(分光計器製、商品名OTENTO−SUNII:AM1.5Gフィルター、放射照度100mW/cm)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定して求めた。結果を表1に示す。 A glass substrate provided with an ITO film with a thickness of 150 nm by a sputtering method was subjected to surface treatment by ozone UV treatment. Next, the coating solution was applied onto the ITO film by spin coating to obtain an active layer of an organic thin film solar cell. The thickness of the active layer was about 100 nm. Thereafter, heating was performed in a vacuum at 90 ° C. for 60 minutes. Then, lithium fluoride was vapor-deposited with a thickness of 4 nm by a vacuum vapor deposition machine, and then Al was vapor-deposited with a thickness of 100 nm. The degree of vacuum at the time of vapor deposition was 1 to 9 × 10 −3 Pa in all cases. Moreover, the shape of the obtained organic thin film solar cell was a square of 2 mm × 2 mm. The open-circuit voltage (Voc) of the obtained organic thin-film solar cell was irradiated with constant light using a solar simulator (trade name OTENTO-SUNII: AM1.5G filter, irradiance 100 mW / cm 2 , manufactured by Spectrometer Co., Ltd.). The current and voltage generated were measured and determined. The results are shown in Table 1.

比較例1
(有機薄膜太陽電池の作製、評価)
電子供与性化合物として共役高分子化合物1を0.5%(重量%)の濃度でo−ジクロロベンゼンに溶解させた。その後、電子受容性化合物として[6,6]−フェニルC61−酪酸メチルエステル([60]−PCBM)(Phenyl C61-butyric acid methyl ester、フロンティアカーボン社製、商品名E100、ロット番号:8A0125A)を、電子供与性化合物の重量に対して0.75倍重量となるように溶液に混合した。さらに、式(A)で表されるスチレン−クロロメチルスチレン共重合体(製品番号659177、式(A)中のn:mは1:1、シグマアルドリッチ社製)を電子供与性化合物の重量に対して0.25倍重量となるように溶液に混合した。その後、孔径5.0μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過し、塗布溶液を作製した。
Comparative Example 1
(Production and evaluation of organic thin-film solar cells)
The conjugated polymer compound 1 was dissolved in o-dichlorobenzene at a concentration of 0.5% (weight%) as an electron donating compound. Then, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester ([60] -PCBM) (Phenyl C61-butyric acid methyl ester, manufactured by Frontier Carbon Corporation, trade name E100, lot number: 8A0125A) as an electron-accepting compound. The solution was mixed so as to be 0.75 times the weight of the electron donating compound. Further, a styrene-chloromethylstyrene copolymer represented by the formula (A) (product number 659177, n: m in the formula (A) is 1: 1, manufactured by Sigma-Aldrich) is used as the weight of the electron donating compound. The solution was mixed so that the weight was 0.25 times. Then, it filtered with the Teflon (trademark) filter with the hole diameter of 5.0 micrometers, and produced the application | coating solution.

この塗布溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、有機薄膜太陽電池を作製し、開放端電圧を測定した。結果を表1に示す。   Except having used this coating solution, operation similar to Example 1 was performed, the organic thin film solar cell was produced, and the open circuit voltage was measured. The results are shown in Table 1.

比較例2
(有機薄膜太陽電池の作製、評価)
電子受容性化合物として、高分子化合物1にかえて[6,6]−フェニルC61−酪酸メチルエステル([60]−PCBM)(Phenyl C61-butyric acid methyl ester、フロンティアカーボン社製、商品名E100、ロット番号:8A0125A)を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、有機薄膜太陽電池を作製し、開放端電圧を測定した。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
(Production and evaluation of organic thin-film solar cells)
As an electron-accepting compound, instead of the polymer compound 1, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester ([60] -PCBM) (Phenyl C61-butyric acid methyl ester, manufactured by Frontier Carbon Corporation, trade name E100, Except having used lot number: 8A0125A), operation similar to Example 1 was performed, the organic thin-film solar cell was produced, and the open end voltage was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2012023324
Figure 2012023324

Claims (3)

式(1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と電子供与性化合物とを含む組成物。
Figure 2012023324
(1)
(式中、A環は、炭素数60以上のフラーレン骨格を表す。pは、0〜10の整数を表す。)
A composition comprising a polymer compound having a repeating unit represented by formula (1) and an electron donating compound.
Figure 2012023324
(1)
(In the formula, ring A represents a fullerene skeleton having 60 or more carbon atoms. P represents an integer of 0 to 10.)
電子供与性化合物が、チオフェンジイル基及びフルオレンジイル基からなる群から選ばれる1種以上の基を有する高分子化合物である請求項1に記載の組成物。   The composition according to claim 1, wherein the electron donating compound is a polymer compound having one or more groups selected from the group consisting of a thiophenediyl group and a fluorenediyl group. 一対の電極と、該電極間に設けられた請求項1又は2に記載の組成物を含有する有機層とを有する有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element which has a pair of electrode and the organic layer containing the composition of Claim 1 or 2 provided between this electrode.
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