JP2012099632A - Organic photoelectric conversion element, solar battery using the organic photoelectric conversion element, and optical sensor array - Google Patents

Organic photoelectric conversion element, solar battery using the organic photoelectric conversion element, and optical sensor array Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar battery and an optical array sensor which use an organic photoelectric conversion element having a high fill factor and photoelectric conversion efficiency, which is a reverse-layer type organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability.SOLUTION: An organic photoelectric conversion element has at least a first electrode, a bulk hetero junction layer made of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode on a substrate. The substrate and the first electrode are transparent and the organic photoelectric conversion element includes a structure as the p-type organic semiconductor material represented by a general formula (1) shown below.

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、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子、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。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array. More specifically, the present invention relates to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical array sensor.

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(銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなる半導体材料)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 single-crystal / polycrystal / amorphous Si, GaAs, CIGS (copper (Cu), indium (In) ), Semiconductor materials such as gallium (Ga) and selenium (Se)), and dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells) have been proposed and put to 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ヘテロジャンクション型光電変換素子が提案され、5%を超える効率が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。   For such a situation, as a solar cell that can achieve a power generation cost lower than that of fossil fuel, an electron donor layer (p-type semiconductor layer) and an electron acceptor layer (p-type semiconductor layer) are provided between the transparent electrode and the counter electrode. A bulk heterojunction photoelectric conversion element sandwiching a photoelectric conversion layer mixed with an n-type semiconductor layer) has been proposed, and an efficiency exceeding 5% has been reported (for example, see Non-Patent Document 1).

これらのバルクヘ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、高速且つ安価で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. . 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.

しかし発電コストの削減のためには、さらなる効率向上が求められており、有機薄膜太陽電池において光電変換効率10%以上を出すためには、非特許文献2ではp型半導体として特定のバンドギャップ(bg)およびLUMO準位を有する化合物が必要とされている。   However, in order to reduce the power generation cost, further improvement in efficiency is required. In order to obtain a photoelectric conversion efficiency of 10% or more in the organic thin film solar cell, Non-Patent Document 2 discloses a specific band gap (p-type semiconductor). There is a need for compounds having bg) and LUMO levels.

しかし、この条件は必要条件であり、実際に光電変換効率10%を出すためにはさらに複数の条件を満たすことが必要である。前記非特許文献2においては、外部量子効率(EQE)が65%、および曲線因子(FF)が65%という2つの条件が前提条件として設定されている。   However, this condition is a necessary condition, and it is necessary to satisfy a plurality of conditions in order to actually obtain a photoelectric conversion efficiency of 10%. In the said nonpatent literature 2, two conditions that an external quantum efficiency (EQE) is 65% and a fill factor (FF) are 65% are set as a precondition.

ここで外部量子効率(EQE)とは、スペクトルに分解された太陽光の光子1つからどれくらいの電子を発生できるかを示す値であり、曲線因子(FF)とは、太陽電池内部の抵抗とかかわる値であり、IV特性上の実際の最大電力と、開放電圧と短絡電流の積の比である。逆にいえば、曲線因子という係数を設定することで、照射光が太陽光であれば、太陽電池の効率は以下の簡略な式で表されることになる。   Here, the external quantum efficiency (EQE) is a value indicating how many electrons can be generated from one photon of sunlight decomposed into a spectrum, and the fill factor (FF) is the resistance inside the solar cell. It is a value concerned and is the ratio of the actual maximum power on the IV characteristic and the product of the open circuit voltage and the short circuit current. In other words, by setting a coefficient called a curve factor, if the irradiation light is sunlight, the efficiency of the solar cell is expressed by the following simple expression.

光電変換効率(%)=
開放電圧(V)×短絡電流密度(mA/cm)×曲線因子(FF)
なお外部量子効率×理論Jscの積分が短絡電流密度であるため、外部量子効率(EQE)および曲線因子(FF)が太陽電池の効率に非常に重要な要素であることが分かる。
Photoelectric conversion efficiency (%) =
Open circuit voltage (V) x short circuit current density (mA / cm 2 ) x fill factor (FF)
Since the integration of external quantum efficiency × theoretical Jsc is the short-circuit current density, it can be seen that the external quantum efficiency (EQE) and the fill factor (FF) are very important factors for the efficiency of the solar cell.

この曲線因子および外部量子効率に関係する特性として、p型半導体材料の移動度を挙げることができる。   As a characteristic relating to the fill factor and the external quantum efficiency, mobility of the p-type semiconductor material can be mentioned.

移動度が高ければ、太陽電池内部の直列抵抗は低くなり、曲線因子を向上させることができる。また、キャリアを取り出せる長さは移動度とキャリア寿命および内蔵電界の積であるため、理想的には移動度が高い材料ほど厚い発電層を作製することができ、吸光度を上げることができるため、高い外部量子効率を狙うことができる。   If the mobility is high, the series resistance inside the solar cell is low, and the fill factor can be improved. In addition, since the length of the carrier that can be taken out is the product of mobility, carrier life, and built-in electric field, ideally a material with higher mobility can produce a thicker power generation layer and can increase absorbance, High external quantum efficiency can be aimed at.

したがって、高い移動度を有することが一つの重要な条件となるが、移動度は一般に非晶性よりも結晶性材料が高いため、結晶性のp型半導体材料を選択することが重要な要素となる。有機材料の結晶性を向上させるためには、なるべく平面性の高い材料であることが重要である。   Therefore, having high mobility is one important condition. However, since mobility is generally higher in a crystalline material than amorphous, it is important to select a crystalline p-type semiconductor material. Become. In order to improve the crystallinity of the organic material, it is important that the material be as flat as possible.

上記のような観点から、本発明者らは一つの素材に注目した。非特許文献3において、イソインディゴ構造を含む低分子系p型有機半導体材料を用いた有機薄膜太陽電池が開示されているのに注目した。この材料はバンドギャップが1.65EV(750NM)、LUMO準位が−3.8〜−3.9EVと、前述の光電変換効率10%の達成に必要な準位の条件に近い値が得られている。しかし、その曲線因子は0.36〜0.38と低いため、光電変換効率は1.7%にとどまっている。   From the above viewpoint, the present inventors paid attention to one material. It paid attention to the nonpatent literature 3 that the organic thin-film solar cell using the low molecular-type p-type organic-semiconductor material containing an isoindigo structure was disclosed. This material has a band gap of 1.65 EV (750 NM) and a LUMO level of -3.8 to -3.9 EV, which is close to the level condition necessary for achieving the photoelectric conversion efficiency of 10%. ing. However, since the fill factor is as low as 0.36 to 0.38, the photoelectric conversion efficiency is only 1.7%.

特開2009−146981号公報JP 2009-146981 A

Nature Mat.,vol.6(2007),p497、A.Heeger等Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497, A.I. Heeger etc. Adv.Mater.2006,Vol.18, p789(C.J.Brabec等)Adv. Mater. 2006, Vol. 18, p789 (CJ Brabec et al.) ORGANIC LETTERS、2010、Vol.12,No.4、p660(J.R.Reynolds等)ORGANIC LETTERS, 2010, Vol. 12, no. 4, p660 (JR Reynolds, etc.) APPLIED PHYSICS LETTERS 89,p143517、NREL Shaheen等APPLIED PHYSICS LETTERS 89, p143517, NREL Shahen, etc.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換効率及び耐久性の高い逆層型有機光電変換素子において、曲線因子および光電変換効率の高い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を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said subject, The objective is the solar which used the organic photoelectric conversion element with a high fill factor and a high photoelectric conversion efficiency in the photoelectric conversion efficiency and the reverse layer type organic photoelectric conversion element with high durability. It is to provide a battery and an optical array sensor.

本発明者らは、分子軌道計算を用いて曲線因子が低い理由を解析したところ、イソインディゴ母核のケトン構造が立体的な障害となって、ねじれた構造をとっていることが原因で移動度が低く、曲線因子(FF)が低いのではないかと推定された。   The present inventors analyzed the reason why the fill factor is low by using molecular orbital calculation, and as a result, the ketone structure of the isoindigo mother nucleus became a steric hindrance and moved due to taking a twisted structure. The degree was low and it was estimated that the fill factor (FF) might be low.

そこで同等の準位を提供可能で、ねじれがなく平面性の高い構造を探索したところ、本発明の化合物は、それらの要件を満たし高い曲線因子を提供可能であり、ひいては高い光電変換効率を達成できることを見出した。   Therefore, when searching for a structure that can provide an equivalent level, has no twist, and has high planarity, the compound of the present invention can satisfy these requirements and provide a high fill factor, and thus achieve high photoelectric conversion efficiency. I found out that I can do it.

なかでも、仕事関数の深い安定な金属電極を利用できるために耐久性の観点で有利である、透明電極側をカソードとしたいわゆる逆層構成(特許文献1、非特許文献4参照)では、透明電極をアノードとした順層構成よりも曲線因子が低下しやすいが、このような逆層構成においても高い曲線因子および光電変換効率を提供できることを見出した。   In particular, since a stable metal electrode having a deep work function can be used, it is advantageous from the viewpoint of durability, and the so-called reverse layer configuration using the transparent electrode side as a cathode (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 4) is transparent. It has been found that the fill factor is likely to be lower than that of a normal layer configuration in which the electrode is an anode, but a high fill factor and photoelectric conversion efficiency can be provided even in such a reverse layer configuration.

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

(1)
少なくとも、基板上に第1の電極、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料からなるバルクヘテロジャンクション層、および第2の電極とを有する有機光電変換素子であって、
基板及び第1の電極が透明であり、
かつ前記p型有機半導体材料として下記一般式(1)で表される構造を含有することを特徴とする有機光電変換素子。
(1)
An organic photoelectric conversion element having at least a first electrode, a bulk heterojunction layer made of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode on a substrate,
The substrate and the first electrode are transparent;
And the organic photoelectric conversion element characterized by containing the structure represented by following General formula (1) as said p-type organic-semiconductor material.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

(式中、X〜Xは−CR=または−N=を表す。Rはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
(2)
前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料が、数平均分子量15000〜50000であることを特徴とする(1)に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, X 1 to X 8 represent —CR 1 ═ or —N═. R 1 is a substituent selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a group, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
(2)
The p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1) has a number average molecular weight of 15,000 to 50,000, and the organic photoelectric conversion device according to (1).

(3)
前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料であって、X=X、X=X、X=X、X=Xである対称構造であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の有機光電変換素子。
(3)
A p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1), wherein X 1 = X 5 , X 2 = X 6 , X 3 = X 7 , X 4 = X 8 The organic photoelectric conversion device according to (1) or (2), wherein

(4)
前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料であって、X〜X、X〜Xのそれぞれ少なくとも一つは窒素原子であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の有機光電変換素子。
(4)
A p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1), wherein at least one of X 1 to X 4 and X 5 to X 8 is a nitrogen atom (1 ) Or the organic photoelectric conversion device according to (2).

(5)
前記一般式(1)で表される構造が、下記一般式(2)で表される構造であることを特徴とする(1)〜(3)の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
(5)
The structure represented by the general formula (1) is a structure represented by the following general formula (2), wherein the organic photoelectric conversion device according to any one of (1) to (3) .

Figure 2012099632
Figure 2012099632

(式中、X11〜X13は−CR=または−N=を表し、少なくとも1つ以上は−N=である。Rはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
(6)
前記一般式(2)において、X12が−N=であることを特徴とする(5)に記載の有機光電変換素子。
(Wherein X 11 to X 13 represent —CR 2 ═ or —N═, and at least one is —N═. R 2 represents an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, It represents a substituent selected from a heteroaryl group and an alkylsilyl group, and may further have a substituent, or may be bonded to each other to form a ring.
(6)
In the general formula (2), an organic photoelectric conversion device according to, characterized in that X 12 is -N = (5).

(7)
前記一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造であることを特徴とする(5)又は(6)に記載の有機光電変換素子。
(7)
The structure represented by the general formula (2) is a structure represented by the following general formula (3), wherein the organic photoelectric conversion element according to (5) or (6) is characterized.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

(式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R及びRはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
(8)
前記一般式(3)において、Zが炭素原子であることを特徴とする(7)に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, Z 1 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 3 and R 4 are selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a substituent, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
(8)
In the general formula (3), an organic photoelectric conversion element according to Z 1 is characterized in that it is a carbon atom (7).

(9)
前記一般式(1)〜(3)の何れかの構造を有するp型有機半導体材料が、さらに下記一般式(4)で表される構造との共重合体であるp型有機半導体材料を含むことを特徴とする(1)〜(8)の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
(9)
The p-type organic semiconductor material having the structure of any one of the general formulas (1) to (3) further includes a p-type organic semiconductor material that is a copolymer with the structure represented by the following general formula (4). The organic photoelectric conversion element according to any one of (1) to (8), wherein

Figure 2012099632
Figure 2012099632

(式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R又はRはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
(10)
前記一般式(4)のZで表される原子が、珪素原子である構造を有するp型有機半導体材料を含むことを特徴とする(1)〜(9)の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, Z 2 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 5 or R 6 is selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a substituent, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
(10)
The p-type organic semiconductor material having a structure in which the atom represented by Z 2 in the general formula (4) is a silicon atom includes the structure according to any one of (1) to (9), Organic photoelectric conversion element.

(11)
前記第1の電極の仕事関数が、第2の電極の仕事関数よりも小さい、逆層構成であることを特徴とする(1)〜(10)の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
(11)
The organic photoelectric conversion element according to any one of (1) to (10), wherein the work function of the first electrode is a reverse layer configuration smaller than the work function of the second electrode .

(12)
(1)〜(11)の何れか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)
A solar cell comprising the organic photoelectric conversion element according to any one of (1) to (11).

本発明により、光電変換効率及び耐久性の高い有機光電変換素子、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 array sensor can be provided.

順層構成の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。Sectional drawing which shows the solar cell which consists of a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element of a normal layer structure. 逆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。Sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with the photoelectric converting layer of a reverse layer structure. タンデム型の光電変換層を備えた有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図。Sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with the tandem type photoelectric conversion layer.

以下、本発明について詳述する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の有機光電変換素子は、光電変換層に前記一般式(1)で表される構造を有する化合物を含有することを特徴とするが、以下、本発明を更に詳しく説明する。   The organic photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion layer contains a compound having a structure represented by the general formula (1), and the present invention will be described in more detail below.

(有機光電変換素子及び太陽電池の構成)
図1は、従来の順層型のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子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(一般にアノード)12、正孔輸送層17、光電変換層14、電子輸送層18及び対極(一般にカソード)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 illustrating a conventional normal layer type bulk heterojunction type 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 photoelectric conversion layer 14, an electron transport layer 18 and a counter electrode (generally, on one surface of a substrate 11. Cathode) 13 is sequentially laminated.

基板11は、順次積層された透明電極12、光電変換層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、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。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、光電変換層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 layer 14, and the counter electrode 13 that are sequentially stacked. In the present embodiment, since light photoelectrically converted enters from the substrate 11 side, the substrate 11 can transmit the light subjected to photoelectric conversion, that is, transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is an important 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 layer 14.

光電変換層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光電変換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。   The photoelectric conversion layer 14 is a layer that converts light energy into electric energy, and includes a photoelectric conversion 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).

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。   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、光電変換層14の光電変換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。   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 photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion layer 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. Thus, a hole-electron pair (charge separation state) is formed. In the case where the generated electric charges have different internal electric fields, 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 and the holes are between the electron donors due to the potential difference between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13. And is carried to different electrodes, and photocurrent is detected.

ここで、通常透明電極12の仕事関数は対極13の仕事関数よりも大きいため、正孔は透明電極12へ、電子は対極13へ輸送される。つまり対極13は仕事関数が小さく酸化されやすい金属がつかう必要がある。この金属が酸化されると、導電性がなくなったり、逆に仕事関数が大きくなって相関する接触抵抗が大幅に増加して素子の電気特性が劣化してしまうことが、順層型素子における耐久性が低い大きな要因であった。   Here, since the work function of the transparent electrode 12 is usually larger than that of the counter electrode 13, holes are transported to the transparent electrode 12 and electrons are transported to the counter electrode 13. That is, the counter electrode 13 needs to use a metal having a small work function and easily oxidized. When this metal is oxidized, the electrical properties of the device deteriorate due to the loss of conductivity or, conversely, the work function increases and the correlated contact resistance increases significantly. It was a big factor with low nature.

そこで本発明では、図2に示されるような、逆層構成の有機光電変換素子の構造を有していることが好ましい。すなわち、透明電極12の仕事関数よりも対極13の仕事関数を大きくすることで、電子を透明電極12へ、正孔を対極13へと輸送するように設計することで、対極13を酸化されにくく安定な、仕事関数の大きい金属を使用することができる。すなわち、前述のように仕事関数の関係を逆転させ(透明電極12をカソードとし、対極13をアノードとした構成)、さらに図1における正孔輸送層17と電子輸送層18の位置を入れ替えた、図2に示されるような逆層構成の有機光電変換素子とすることで、対極の酸化に起因する素子の劣化を大幅に抑制することができ、高い安定性を提供できるようになる。   Therefore, in the present invention, it is preferable to have a structure of an organic photoelectric conversion element having a reverse layer structure as shown in FIG. That is, the counter electrode 13 is less likely to be oxidized by designing the counter electrode 13 to be larger than the work function of the transparent electrode 12 so as to transport electrons to the transparent electrode 12 and holes to the counter electrode 13. Stable, high work function metals can be used. That is, as described above, the work function relationship is reversed (configuration in which the transparent electrode 12 is a cathode and the counter electrode 13 is an anode), and the positions of the hole transport layer 17 and the electron transport layer 18 in FIG. By using an organic photoelectric conversion element having a reverse layer structure as shown in FIG. 2, deterioration of the element due to oxidation of the counter electrode can be significantly suppressed, and high stability can be provided.

なお、図1、図2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層を有していてもよい。   Although not shown in FIGS. 1 and 2, a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, a smoothing layer, or the like may be included.

更に、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、タンデム型の光電変換層を備える有機光電変換素子を示す断面図である。   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 a cross-sectional view illustrating an organic photoelectric conversion element including a tandem photoelectric conversion layer.

タンデム型構成の場合、基板11上に順次透明電極12、第1の光電変換層14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の光電変換層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の光電変換層16は、第1の光電変換層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。   In the case of the tandem configuration, the transparent electrode 12 and the first photoelectric conversion layer 14 ′ are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion layer 16, and then the counter electrode 13. By stacking layers, a tandem configuration can be obtained. The second photoelectric conversion layer 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion layer 14 'or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. is there.

また、第1の光電変換層14′、第2の光電変換層16と各電極の間には、正孔輸送層17や電子輸送層18を有していても良いが、本発明においてはタンデム構成においてもそれぞれの光電変換層14′、16は、図2に示されるような逆層構成を有していることが好ましい。   Further, a hole transport layer 17 and an electron transport layer 18 may be provided between the first photoelectric conversion layer 14 ′ and the second photoelectric conversion layer 16 and each electrode. Also in the configuration, each of the photoelectric conversion layers 14 'and 16 preferably has a reverse layer configuration as shown in FIG.

以下に、これらの層を構成する材料について述べる。   Below, the material which comprises these layers is described.

〔p型半導体材料〕
本発明においてp型半導体材料としては、前記一般式(1)で表される、ビインデニリデン構造を含むことが好ましい。このようなキノイド構造は、イソインディゴ構造とほぼ同等のアクセプタ性、すなわち深いLUMO準位を提供でき、またドナー性のモノマーと共重合をすることで低バンドギャップの材料、すなわち長波長まで吸収できる材料とすることができる。また、イソインディゴ構造と異なり分子のねじれがないため、高い結晶性および移動度、すなわち高い曲線因子と光電変換効率を期待することができる。
[P-type semiconductor materials]
In the present invention, the p-type semiconductor material preferably includes a biindenylidene structure represented by the general formula (1). Such a quinoid structure can provide an acceptor property that is almost equivalent to the isoindigo structure, that is, a deep LUMO level, and can be absorbed to a low band gap material, that is, a long wavelength by copolymerizing with a donor monomer. Can be a material. In addition, unlike an isoindigo structure, since there is no molecular twist, high crystallinity and mobility, that is, high fill factor and photoelectric conversion efficiency can be expected.

式中、X〜Xは−CR=または−N=を表す。Rはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。 Wherein, X 1 to X 8 represents -CR 1 = or -N =. R 1 represents a substituent selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group, and may further have a substituent or may be bonded to each other. A ring may be formed.

で表されるアルキル基としては、好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12、特に好ましくは炭素数1〜8であり、例えば、メチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル、2−エチルヘキシルなどが挙げられる。これらは一部またはすべてがフッ素化されたフッ化アルキル基であってもよい。 The alkyl group represented by R 1 preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 8 carbon atoms. For example, methyl, ethyl, iso-propyl, tert -Butyl, n-octyl, n-decyl, n-hexadecyl, 2-ethylhexyl and the like. These may be fluorinated alkyl groups partially or wholly fluorinated.

シクロアルキル基としては、好ましくは炭素数4〜8であり、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、ノルボルニル、アダマンチルなどが挙げられる。   The cycloalkyl group preferably has 4 to 8 carbon atoms, and examples thereof include cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, norbornyl, adamantyl and the like.

アリール基としては、好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えば、フェニル、p−メチルフェニル、ナフチル、フェナントリル、ピレニルなどが挙げられる。   The aryl group preferably has 6 to 30 carbon atoms, more preferably 6 to 20 carbon atoms, and particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, and examples thereof include phenyl, p-methylphenyl, naphthyl, phenanthryl, and pyrenyl. It is done.

ヘテロアリール基としては、好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12であり、ヘテロ原子としては、例えば、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、具体的には、例えば、イミダゾリル、ピリジル、キノリル、フリル、ピペリジル、ベンズオキサゾリル、ベンズイミダゾリル、ベンズチアゾリル、チエニル、フリル、ピロール、チアゾリル等が挙げられる。   The heteroaryl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms. Examples of the hetero atom include a nitrogen atom, an oxygen atom, and a sulfur atom, specifically, for example, imidazolyl, Examples include pyridyl, quinolyl, furyl, piperidyl, benzoxazolyl, benzimidazolyl, benzthiazolyl, thienyl, furyl, pyrrole, thiazolyl and the like.

アルキルシリル基としては、好ましくは炭素数3〜15であり、例えば、トリメチルシリル、トリエチルシリル、トリイソプロピルシリル、トリシクロペンチル、トリス(トリメチルシリル)シリル等が挙げられる。   The alkylsilyl group preferably has 3 to 15 carbon atoms, and examples thereof include trimethylsilyl, triethylsilyl, triisopropylsilyl, tricyclopentyl, tris (trimethylsilyl) silyl and the like.

なお前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料は高分子材料であることが好ましい。これは高分子である方が発電層内でのp型半導体材料同士の連続的なドメインを形成する可能性が高まる点、低分子フラーレン誘導体であるn型半導体材料の相分離が容易となる点、の2点から高分子材料であることが好ましい。その結果、より高い短絡電流密度および曲線因子を得られるようになる。   The p-type organic semiconductor material having the structure represented by the general formula (1) is preferably a polymer material. This is because a polymer is more likely to form a continuous domain between p-type semiconductor materials in the power generation layer, and a phase separation of an n-type semiconductor material that is a low-molecular fullerene derivative is easier. From these two points, a polymer material is preferable. As a result, higher short circuit current density and fill factor can be obtained.

分子量としては数平均分子量が少なくとも5000以上500000以下であることが好ましい。これより低分子であると上記の曲線因子向上の効果が低下するし、これより高分子量であると溶解性が低く生産性が低くなる恐れがある。   As the molecular weight, the number average molecular weight is preferably at least 5,000 to 500,000. If the molecular weight is lower than this, the effect of improving the above-mentioned fill factor is lowered. If the molecular weight is higher than this, the solubility is low and the productivity may be lowered.

より好ましくは、10000以上100000以下であり、さらに好ましくは15000以上50000以下である。   More preferably, it is 10,000 or more and 100,000 or less, More preferably, it is 15000 or more and 50000 or less.

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。また、分子量に応じた精製も分取用のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で精製することができる。   The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC). Purification according to molecular weight can also be performed by preparative gel permeation chromatography (GPC).

より好ましい構造としては、より高い結晶性を得るためには、前記一般式(1)で表される構造が対象構造であることが好ましい。すなわちX=X、X=X、X=X、X=Xであることが好ましい。 As a more preferable structure, in order to obtain higher crystallinity, the structure represented by the general formula (1) is preferably a target structure. That is, X 1 = X 5 , X 2 = X 6 , X 3 = X 7 , and X 4 = X 8 are preferable.

さらに好ましくは、X〜X、X〜Xのそれぞれ少なくとも一つは窒素原子であることである。ビインデニリデン構造の一部が窒素に置換されることで、よりポリマーのLUMO準位が深くなり、高い開放電圧を提供できるようになる。 More preferably, at least one of X 1 to X 4 and X 5 to X 8 is a nitrogen atom. When a part of the biindenylidene structure is substituted with nitrogen, the LUMO level of the polymer becomes deeper and a high open circuit voltage can be provided.

より好ましくは、前記一般式(1)で表される構造が、前記一般式(2)で表される構造であることが好ましい。   More preferably, the structure represented by the general formula (1) is preferably a structure represented by the general formula (2).

式中、X11〜X13は−CR=または−N=を表し、少なくとも1つ以上は−N=である。RはRと同様にアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。 Wherein, X 11 to X 13 represents -CR 2 = or -N =, at least one is -N =. R 2 represents a substituent selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group, as in R 1, and may further have a substituent, They may be bonded to each other to form a ring.

前記一般式(2)で表される構造を含む高分子同士は線状構造であり、これらが結晶化・パッキングすることを考慮すると、電子吸引性構造である窒素原子(−N=)が線対象に並んでいる方がパッキングに有利であると考えられる。   The polymers including the structure represented by the general formula (2) are linear structures, and considering that these are crystallized and packed, nitrogen atoms (-N =) that are electron-withdrawing structures are linear. It is considered that it is more advantageous for the packing to be aligned with the object.

なおX11〜X13のうち少なくとも1つ以上が窒素原子(−N=)であればよいが、2つ以上が窒素原子であると、前述の光電変換効率10%以上を達成するために理想的なLUMO準位よりも深くなりすぎたり、バンドギャップが長くなりすぎる傾向があるため、X11〜X13のうち1つが窒素原子であり、2つは炭素原子であることが好ましい。中でもX12が−N=であることが好ましい。 It should be noted that at least one of X 11 to X 13 may be a nitrogen atom (-N =), but when two or more are nitrogen atoms, it is ideal for achieving the above-described photoelectric conversion efficiency of 10% or more. It is preferable that one of X 11 to X 13 is a nitrogen atom and two are carbon atoms because it tends to be deeper than the typical LUMO level or the band gap becomes too long. Of these it is preferred X 12 is -N =.

より好ましくは、前記一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造を含むp型有機半導体材料であることである。   More preferably, the structure represented by the general formula (2) is a p-type organic semiconductor material including a structure represented by the following general formula (3).

式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R〜Rは同様にアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。 In the formula, Z 1 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 3 to R 4 are similarly selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. And may further have a substituent or may be bonded to each other to form a ring.

このような構造は、高い平面性を有しつつ溶解性も高くできるため、高分子の重合反応中に溶解性の不足に起因する重合度の制限を抑えることができる。すなわち高分子量のポリマーを得やすく、結果として高い曲線因子と光電変換効率を得ることができるようになる。   Since such a structure has high planarity and high solubility, it is possible to suppress the restriction of the degree of polymerization due to lack of solubility during the polymerization reaction of the polymer. That is, it is easy to obtain a high molecular weight polymer, and as a result, a high fill factor and photoelectric conversion efficiency can be obtained.

中でもZが炭素原子であり、R及びRが直鎖アルキル基であることが好ましい。 Among these, it is preferable that Z 1 is a carbon atom and R 3 and R 4 are linear alkyl groups.

前記一般式(1)〜(3)で表される構造は、ドナー性のモノマーと共重合を行うことによってドナー・アクセプター型のポリマーとなり、目標とする深いLUMO準位と長波長の吸収が可能な高分子となるため、本発明のp型有機半導体材料としては、前記一般式(1)〜(3)で表される構造とともにドナー性ユニットを含んでいることが好ましい。   The structure represented by the general formulas (1) to (3) becomes a donor-acceptor type polymer by copolymerizing with a donor monomer, and can absorb a target deep LUMO level and a long wavelength. Therefore, the p-type organic semiconductor material of the present invention preferably includes a donor unit together with the structures represented by the general formulas (1) to (3).

ドナー性ユニットとしては、たとえば同じπ電子数を有する炭化水素芳香族環(ベンゼン、ナフタレン、アントラセン等)よりもLUMO準位またはHOMO準位が浅くなるようなユニットであれば際限なく用いることができる。   As the donor unit, for example, a unit having a LUMO level or a HOMO level shallower than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons can be used without limitation. .

より好ましくは、チオフェン環、フラン環、ピロール環、シクロペンタジエン、シラシクロペンタジエン等の複素5員環およびこれらを縮合環として含む構造である。   More preferably, it is a 5-membered ring such as a thiophene ring, a furan ring, a pyrrole ring, a cyclopentadiene, a silacyclopentadiene, and a structure containing these as a condensed ring.

具体的には、フルオレン、シラフルオレン、カルバゾール、ジチエノシクロペンタジエン、ジチエノシラシクロペンタジエン、ジチエノピロール、ベンゾジチオフェン等を挙げることができる。   Specific examples include fluorene, silafluorene, carbazole, dithienocyclopentadiene, dithienosylcyclopentadiene, dithienopyrrole, and benzodithiophene.

より好ましくは、前記一般式(4)で表される構造である。   More preferably, it is a structure represented by the general formula (4).

式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R又はRは同様にアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。 In the formula, Z 2 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 5 or R 6 is similarly selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. And may further have a substituent or may be bonded to each other to form a ring.

このような構造は、高い平面性を有しつつ溶解性も高くできるため、高分子の重合反応中に溶解性の不足に起因する重合度の制限を抑えることができる。すなわち高分子量のポリマーを得やすく、結果として高い曲線因子と光電変換効率を得ることができるようになる。   Since such a structure has high planarity and high solubility, it is possible to suppress the restriction of the degree of polymerization due to lack of solubility during the polymerization reaction of the polymer. That is, it is easy to obtain a high molecular weight polymer, and as a result, a high fill factor and photoelectric conversion efficiency can be obtained.

中でもZが珪素原子であり、R及びRが直鎖アルキル基であることが好ましい。 Among these, it is preferable that Z 2 is a silicon atom, and R 3 and R 4 are linear alkyl groups.

以下、本発明の一般式(1)〜(3)及び(4)で表される構造を有す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 which has a structure represented by general formula (1)-(3) and (4) of this invention is given, this invention is not limited to these.

Figure 2012099632
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このような構造を有する化合物は、J.AM.CHEM.SOC.2009,131,14374項、あるいはUS3091568A、DE1289217B等を参考として合成することができる。   Compounds having such a structure are described in J. Org. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 14374, US3091568A, DE12892217B or the like can be used as a reference.

具体的には、以下のような合成ルートで合成することができる。   Specifically, it can be synthesized by the following synthesis route.

一例として、本発明の化合物14の合成ルートを記載する。   As an example, a synthetic route for compound 14 of the present invention is described.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

J.Am.Chem.Soc.1999,121,1851を参考として、化合物14−1を合成した。東京化成製ジノニルケトン28.2g(100mmol)と、関東化学製オルトギ酸トリメチル31.8g(30mmol)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.3g(1.5mmol)、メタノール250mlおよびテトラヒドロフラン(THF)500mlを12時間還流したのち、トリエチルアミンを0.3g(3mmol)加えて反応を停止した。放冷後に溶液を氷冷した飽和炭酸ナトリウム水溶液に投入し、酢酸エチルで有機相を抽出した。硫酸マグネシウムで有機相を乾燥した後、濃縮してジノニルケトンジメチルアセタール(化合物14−1)を得た。収量26.2g(80%)、MS(p)=329   J. et al. Am. Chem. Soc. Compound 14-1 was synthesized with reference to 1999, 121, 1851. 28.2 g (100 mmol) of dinonyl ketone manufactured by Tokyo Chemical Industry, 31.8 g (30 mmol) of trimethyl orthoformate manufactured by Kanto Chemical, 0.3 g (1.5 mmol) of p-toluenesulfonic acid monohydrate, 250 ml of methanol and tetrahydrofuran (THF) After refluxing 500 ml for 12 hours, 0.3 g (3 mmol) of triethylamine was added to stop the reaction. After allowing to cool, the solution was poured into an ice-cooled saturated aqueous sodium carbonate solution, and the organic phase was extracted with ethyl acetate. The organic phase was dried over magnesium sulfate and then concentrated to obtain dinonyl ketone dimethyl acetal (Compound 14-1). Yield 26.2 g (80%), MS (p) = 329

Figure 2012099632
Figure 2012099632

ついでORGANIC LETTERS 2004,Vol.6,No.22,p3981を参考として、化合物14−2を合成した。窒素で満たしたフラスコ内に水素化ナトリウム(55%オイル分散物)を4.36g(100mmol)、脱水テトラヒドロフランを10ml添加したのち、ピロール6.7g(100mmol)を含む脱水THF溶液50mlを滴下し、水素の発生が終了するまで2h撹拌を続けた。次いで脱水THFに0.5Mで溶解した塩化亜鉛溶液200ml(100mmol)を滴下し、10分間撹拌した後に酢酸パラジウム112mg(0.5mmol)、2−ジ−t−ブチルホスフィノビフェニル150mg(0.5mmol)、次いでヨードチオフェン6.9g(33mmol)を添加し、100℃で20時間加熱を行った。放冷後に酢酸エチルを加えて有機相を抽出し、有機相を硫酸マグネシウムで乾燥後に留去して得た粗製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し、化合物14−2(2−チエノピロール)を得た。収量3.44g(70%)、MS(p)=150   Then ORGANIC LETTERS 2004, Vol. 6, no. The compound 14-2 was synthesized with reference to 22, p3981. Into a flask filled with nitrogen, 4.36 g (100 mmol) of sodium hydride (55% oil dispersion) and 10 ml of dehydrated tetrahydrofuran were added, and then 50 ml of dehydrated THF solution containing 6.7 g (100 mmol) of pyrrole was dropped. Stirring was continued for 2 h until hydrogen evolution ceased. Next, 200 ml (100 mmol) of a zinc chloride solution dissolved in dehydrated THF at 0.5 M was added dropwise and stirred for 10 minutes, and then 112 mg (0.5 mmol) of palladium acetate, 150 mg (0.5 mmol) of 2-di-t-butylphosphinobiphenyl. ), And then 6.9 g (33 mmol) of iodothiophene was added and heated at 100 ° C. for 20 hours. After allowing to cool, ethyl acetate is added to extract the organic phase, and the organic phase is dried over magnesium sulfate and then distilled off, and the resulting crude product is purified by silica gel column chromatography to obtain compound 14-2 (2-thienopyrrole). It was. Yield 3.44 g (70%), MS (p) = 150

Figure 2012099632
Figure 2012099632

J.AM.CHEM.SOC.2009,131,14374を参考として、化合物14−3〜14−4を合成した。化合物14−1を7.24g(22mmol)、化合物14−2を3.0g(20mmol)、ピリジニウムp−トルエンスルホン酸0.5g(2mmol)を順次塩化メチレン200mlに溶解し、室温で24時間反応させた。反応終了後、酢酸エチルを加えてセライトろ過した後に有機相を抽出し、有機相を硫酸マグネシウムで乾燥後に留去した。粗製物をさらに塩化メチレンに溶解し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することで化合物14−3を得た。収量8.4g(75%)、MS(p)=563。   J. et al. AM. CHEM. SOC. Compounds 14-3 to 14-4 were synthesized with reference to 2009, 131, 14374. 7.24 g (22 mmol) of Compound 14-1 and 3.0 g (20 mmol) of Compound 14-2 and 0.5 g (2 mmol) of pyridinium p-toluenesulfonic acid were sequentially dissolved in 200 ml of methylene chloride and reacted at room temperature for 24 hours. I let you. After completion of the reaction, ethyl acetate was added and the mixture was filtered through celite, and then the organic phase was extracted. The organic phase was dried over magnesium sulfate and evaporated. The crude product was further dissolved in methylene chloride and purified by silica gel column chromatography to obtain compound 14-3. Yield 8.4 g (75%), MS (p) = 563.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

化合物14−3を2.81g(5mmol)を脱水THF50mlに溶解させ、液体窒素で冷却したのちに1.8Mフェニルリチウム ジブチルエーテル溶液を5.6ml(10mmol)滴下した後、室温まで戻して2時間撹拌した。   After dissolving 2.81 g (5 mmol) of Compound 14-3 in 50 ml of dehydrated THF and cooling with liquid nitrogen, 5.6 ml (10 mmol) of 1.8M phenyllithium dibutyl ether solution was added dropwise, and the temperature was returned to room temperature for 2 hours. Stir.

別途塩化銀1.58g(11mmol)をTHF200mlに分散した溶媒を調整し、液体窒素で冷却したところに上記フェニルリチウムとの反応が終了した反応液を滴下した。滴下終了後に室温まで戻して24時間反応を続けた。反応終了後、反応液のセライトろ過を行って金属銀をろ過した後、塩化メチレンで有機相を抽出して硫酸マグネシウムで乾燥した後に留去して得た粗製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して化合物14−4を得た。収量0.83g(30%)、MS(p)=559   Separately, a solvent in which 1.58 g (11 mmol) of silver chloride was dispersed in 200 ml of THF was prepared and cooled with liquid nitrogen, and the reaction solution in which the reaction with phenyllithium was completed was dropped. After completion of the dropwise addition, the reaction was continued for 24 hours after returning to room temperature. After completion of the reaction, the reaction solution was filtered through Celite to remove metallic silver, the organic phase was extracted with methylene chloride, dried over magnesium sulfate and evaporated to purify the crude product by silica gel column chromatography. Compound 14-4 was obtained. Yield 0.83 g (30%), MS (p) = 559

Figure 2012099632
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化合物14−4を0.56g(1mmol)を塩化メチレン10mlに溶解し、N−ブロモスクシンイミド0.36g(2mmol)を添加して24時間撹拌した。KOH水溶液で分液後、有機相を抽出して硫酸マグネシウムで乾燥した後に溶媒を留去し、粗製物を得た。粗製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することで、化合物14−5を得た。収量0.64g(90%)、MS(p)=717   0.56 g (1 mmol) of Compound 14-4 was dissolved in 10 ml of methylene chloride, 0.36 g (2 mmol) of N-bromosuccinimide was added, and the mixture was stirred for 24 hours. After separation with an aqueous KOH solution, the organic phase was extracted and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off to obtain a crude product. The crude product was purified by silica gel column chromatography to give compound 14-5. Yield 0.64 g (90%), MS (p) = 717

Figure 2012099632
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化合物14−5を360mg(0.5mmol)、特表2010−507233号に記載の方法で合成したビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−n−ヘキシル−シリレン−2,2′−ジチオフェンを372mg(0.5mmol)とを20mlの無水トルエンに溶解させた。この溶液を窒素でパージした後、12.55mg(0.014ミリモル)のトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)と、28.80mg(0.110ミリモル)のトリフェニルホスフィンとを加えた。この溶液をさらに15分間、窒素でパージした。その後、110〜120℃まで溶液を加熱し、40時間反応させた。反応が完了後、溶媒を留去して生じた残渣を、メタノール(50ml×3)で洗浄し、その後、アセトン(3×50ml)で洗浄した。   Compound 14-5, 360 mg (0.5 mmol), bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-n-hexyl-silylene synthesized by the method described in JP-T 2010-507233 372 mg (0.5 mmol) of -2,2'-dithiophene was dissolved in 20 ml of anhydrous toluene. After purging the solution with nitrogen, 12.55 mg (0.014 mmol) of tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (0) and 28.80 mg (0.110 mmol) of triphenylphosphine were added. The solution was purged with nitrogen for an additional 15 minutes. Thereafter, the solution was heated to 110 to 120 ° C. and reacted for 40 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3) and then with acetone (3 × 50 ml).

回収したポリマー生成物を、加熱してクロロホルム(30ml)に溶解し、0.45μmの膜を介して濾過した。精製のために3ml部分の溶液をリサイクルHPLC(日本分析化学工業製)に装填した。高分子量の部分を集めて120mgの純粋なポリマー(Mn=21,000)を得た。   The recovered polymer product was heated and dissolved in chloroform (30 ml) and filtered through a 0.45 μm membrane. A 3 ml portion of the solution was loaded on a recycle HPLC (Nihon Analytical Chemical Industries) for purification. The high molecular weight portion was collected to give 120 mg of pure polymer (Mn = 21,000).

〔n型半導体材料〕
本発明に係る光電変換層に用いられる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 photoelectric conversion layer according to the present invention is not particularly limited. For example, a perfluoro compound (perfluoropentacene) in which hydrogen atoms of a p-type semiconductor such as fullerene and octaazaporphyrin are substituted with fluorine atoms. And perfluorophthalocyanine), naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized polymers thereof as a skeleton A compound etc. can be mentioned.

しかし、この中でもn型半導体材料としては、各種のp型半導体材料と高速(〜50フェムト秒)且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、及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, among these, as the n-type semiconductor material, a fullerene derivative capable of efficiently performing charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (up to 50 femtoseconds) is 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), etc. 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N−Methylfulleropyrrolidine、下記構造式で表される[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7,329,709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン、J.Amer.Chem.Soc.,(2009)vol.130,p15429に記載のSIMEF、Appl.Phys.Lett.,Vol.87(2005)、p203504に記載のC60MC12等のような、置換基を有してより溶解性が向上した下記の如きフラーレン誘導体を用いることが好ましい。   Among them, N-methylfullropyrrolidine, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviated as PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n-butyl ester (PCBnB) represented by the following structural formula [6,6] -phenyl C61-butyric 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, US Pat. No. 7,329,709, etc. Fullerene having a cyclic ether group such as Amer. Chem. Soc. , (2009) vol. 130, p15429, SIMEF, Appl. Phys. Lett. , Vol. 87 (2005), C60MC12 described in p203504, etc. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility as described below.

Figure 2012099632
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〔光電変換層の形成方法〕
電子受容体と電子供与体とが混合された光電変換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]
Examples of the method for forming a photoelectric conversion layer in which an electron acceptor and an electron donor are mixed include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method). 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. Also, the coating method is excellent in production speed.

この際に使用する塗布方法に制限はないが、例えば、スピンコート法、溶液からのキャスト法、ディップコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、スプレーコート法等が挙げられる。さらには、インクジェット法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法等の印刷法でパターニングすることもできる。   Although there is no restriction | limiting in the application | coating method used in this case, For example, a spin coat method, the cast method from a solution, a dip coat method, a wire bar coat method, a gravure coat method, a spray coat method etc. are mentioned. Furthermore, patterning can also be performed by a printing method such as an ink jet method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an offset printing method, or a flexographic printing method.

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、光電変換層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、光電変換層の正孔と電子(キャリア)の移動度が向上し、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 photoelectric conversion layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the mobility of holes and electrons (carriers) in the photoelectric conversion layer is improved, and high efficiency can be obtained.

光電変換層は、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 layer may be composed of a single layer in which an electron acceptor and an electron donor are uniformly mixed, or may be composed of a plurality of layers in which the mixing ratio of the electron acceptor and the electron donor is changed. Good. 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は、光電変換層と陰極との中間に電子輸送層を形成することで、光電変換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)]
In the organic photoelectric conversion element of the present invention, by forming an electron transport layer between the photoelectric conversion layer and the cathode, it becomes possible to more efficiently take out the charges generated in the photoelectric conversion layer. It is preferable to have.

電子輸送層とは、このように陰極とバルクヘテロジャンクション層の中間に位置して、バルクヘテロジャンクション層と電極との間で電子の授受をより効率的にすることのできる層のことである。より具体的には、バルクヘテロジャンクション層のn型半導体材料のLUMO準位と陰極の仕事関数との中間のLUMO準位を有する化合物が電子輸送層として適切である。より好ましくは、電子移動度が10−4以上の化合物である。 The electron transport layer is a layer that is located between the cathode and the bulk heterojunction layer and can more efficiently transfer electrons between the bulk heterojunction layer and the electrode. More specifically, a compound having an LUMO level intermediate between the LUMO level of the n-type semiconductor material of the bulk heterojunction layer and the work function of the cathode is suitable as the electron transporting layer. More preferably, it is a compound having an electron mobility of 10 −4 or more.

電子輸送層の中には、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。このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれる。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する材料を電子輸送層として用いることである。また、正孔を阻止する特性から、正孔移動度が10−6よりも低い化合物を用いることが好ましい。 In the electron transport layer, in the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer, holes generated in the bulk heterojunction layer are allowed to flow to the cathode side. A hole blocking function having a rectifying effect is provided. Such an electron transport layer is also referred to as a hole blocking layer. More preferably, a material having a HOMO level deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used for the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use the compound whose hole mobility is lower than 10 <-6> from the characteristic which blocks a hole.

電子輸送層としては、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)、国際公開第04/095889号に記載のカルボリン化合物等を用いることができるが、同様に、光電変換層に用いられる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、光電変換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, octaazaporphyrin, p-type semiconductor perfluoro compounds (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), carboline compounds described in International Publication No. 04/095889, and the like can be used. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor material used for the photoelectric conversion layer has a rectifying effect so that holes generated in the photoelectric conversion layer do not flow to the cathode side. The hole blocking function is imparted. 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方が好ましい。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、光電変換層に用いた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. Moreover, the layer which consists of a n-type semiconductor material single-piece | unit used for the photoelectric converting 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は、光電変換層と陽極との中間には正孔輸送層を、光電変換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)]
The organic photoelectric conversion element of the present invention has a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the anode, and it is possible to take out charges generated in the photoelectric conversion layer more efficiently. It is preferable.

これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層としては、スタルクヴイテック製、商品名BaytronP等の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)、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第06/019270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、光電変換層に用いられる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、光電変換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方が好ましい。   As a material constituting these layers, for example, as a hole transport layer, PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) such as Stark Vitec, trade name BaytronP, Polyaniline and its doping material, cyan compounds described in International Publication No. 06/019270, and the like 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 photoelectric conversion layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the photoelectric conversion 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.

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、光電変換層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。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。光電変換層を形成する前に、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。   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. Moreover, the layer which consists of a p-type semiconductor material single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used. 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 a coating film in the lower layer before forming the photoelectric conversion layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

また、同様に正孔を輸送する特性から10−4よりも高い正孔移動度を有していることが好ましく、また電子を阻止する特性から、電子移動度が10−6よりも低い化合物を用いることが好ましい。 Similarly, it preferably has a hole mobility higher than 10 −4 due to the property of transporting holes, and a compound with electron mobility lower than 10 −6 due to the property of blocking electrons. It is preferable to use it.

〔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、正孔ブロック層、電子ブロック層、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 block layer, an electron block layer, 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〕
本発明の有機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 organic photoelectric conversion element of the present invention has at least an anode and a cathode. Moreover, when taking a tandem configuration, 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と呼び分ける場合がある。本発明においては、耐久性の観点から逆層構成であることが好ましく、その場合、透光性のある透明電極をカソードとして使用し、透光性のない対電極はアノードとして使用する。なお順層構成の場合は逆で、透光性のある透明電極をアノードとして使用し、透光性のない対電極はカソードとして使用する。   In addition, the translucent electrode is sometimes referred to as a transparent electrode and the non-translucent electrode is sometimes referred to as a counter electrode because of the function of whether or not it has translucency. In the present invention, from the viewpoint of durability, a reverse layer structure is preferable. In that case, a transparent electrode having translucency is used as a cathode, and a counter electrode having no translucency is used as an anode. In the case of a normal layer configuration, the opposite is true, and a transparent electrode with translucency is used as the anode, and a counter electrode without translucency is used as the cathode.

〔透明電極(カソード)〕
本発明の透明電極は、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、AZO、FTO、SnO、ZnO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au、Pt等の非常に薄い金属層または金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノワイヤやナノ粒子を含有する層、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。
[Transparent electrode (cathode)]
The transparent electrode of the present invention is preferably an electrode that transmits light of 380 to 800 nm. Examples of the material include transparent metal oxides such as indium tin oxide (ITO), AZO, FTO, SnO 2 , ZnO, and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al, Au, and Pt, metal nanowires, and carbon Nanowires such as nanotubes, layers containing nanoparticles, conductive polymer materials such as PEDOT: PSS, polyaniline, and the like 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カソードとすることもできる。   Also selected from the group consisting of derivatives of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene. Conductive polymers can also be used. Further, a plurality of these conductive compounds can be combined to form a cathode.

〔対電極(アノード)〕
カソードは導電材単独層であってもよいが、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よい。
[Counter electrode (anode)]
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.

カソードである透明電極の仕事関数がおよそ−5.0〜−4.0eVであるため、バルクヘテロジャンクション層で生成したキャリアが拡散してそれぞれの電極に到達するためには、ビルトインポテンシャル、すなわちアノードとカソード間の仕事関数の差がなるべく大きいことが好ましい。   Since the work function of the transparent electrode as the cathode is about −5.0 to −4.0 eV, the carriers generated in the bulk heterojunction layer diffuse and reach each electrode. It is preferable that the work function difference between the cathodes is as large as possible.

したがって、アノードの導電材としては、仕事関数の大きい(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、金、銀、銅、白金、ロジウム、インジウム、ニッケル、パラジウム等が挙げられる。   Therefore, as the conductive material for the anode, 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 an electrode material include gold, silver, copper, platinum, rhodium, indium, nickel, palladium, and the like.

これらの中で、正孔の取り出し性能、光の反射率、及び酸化等に対する耐久性の点から、銀が最も好ましい。   Among these, silver is most preferable from the viewpoints of hole extraction performance, light reflectance, and durability against oxidation.

アノード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。   The anode 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.

また、アノード側を光透過性とする場合は、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、上記透明電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、光透過性カソードとすることができる。   When the anode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for a cathode such as aluminum and an aluminum alloy, silver and a silver compound is made thin with a thickness of about 1 to 20 nm, and then the transparent electrode A light transmissive cathode can be obtained by providing the conductive light transmissive material film 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、SnO、ZnO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au、Pt等の非常に薄い金属層または金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノワイヤやナノ粒子を含有する層、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, SnO 2 , ZnO and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al, Au and Pt, or layers containing nanowires and nanoparticles such as metal nanowires and carbon nanotubes PEDOT: PSS, conductive polymer materials such as 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. Is preferable.

〔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。
〔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.

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。   For example, polyolefins such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyester resin film such as modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, cyclic olefin resin, etc. Resin films, vinyl resin films such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin films, polysulfone (PSF) resin films, polyether sulfone (PES) resin films, polycarbonate (PC) resin films , Polyamide resin film, polyimide resin film, acrylic resin film, triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like. If the resin film transmittance of 80% or more in from zero to eight hundred nanomolar), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention.

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。   Among them, 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. More preferred are a stretched polyethylene terephthalate film and a biaxially stretched polyethylene naphthalate film.

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よい。光学機能層としては、例えば、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よい。
(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 is smaller than this, the effect of diffraction is generated and colored.

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.

光電変換層、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よいし、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よい。   If it is a soluble material such as a photoelectric conversion layer and a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc., or patterning is directly performed at the time of coating using a method such as an ink jet method or screen printing. May be.

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行ったり、エッチングまた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よい。   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。
[Sealing]
Moreover, since the produced organic photoelectric conversion element is not deteriorated by oxygen, moisture, or the like 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.

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、酸化珪素、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(酸化珪素、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。   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 an organic photoelectric conversion element are pasted with an adhesive. Method, spin coating of organic polymer material with high gas barrier property (polyvinyl alcohol, etc.), inorganic thin film with high gas barrier property (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or organic film (parylene etc.) are deposited under vacuum. Examples thereof include a method and a method of laminating these in a composite manner.

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。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
〔有機光電変換素子1の作製〕
逆層型の有機光電変換素子を作製した。
Example 1
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element 1]
A reverse layer type organic photoelectric conversion element was produced.

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(表面抵抗率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。   On a glass substrate, an indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited with a thickness of 110 nm (surface resistivity 13 Ω / □) is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching, A transparent 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。   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.

次いで基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下でこの透明基板上に、以下の手順で作製した150mMのTiO前駆体溶液をスピンコート(回転速度2000rpm、回転時間60s)し、所定のパターンに拭き取りを行った。 Next, the substrate was brought into a glove box, and a 150 mM TiO x precursor solution prepared by the following procedure was spin-coated (rotation speed 2000 rpm, rotation time 60 s) on the transparent substrate in a nitrogen atmosphere to form a predetermined pattern. Wiping was performed.

次に、空気中で放置してTiO前駆体を加水分解させた。次に、TiO前駆体を150℃で1時間加熱処理して30nmのTiO層を得た。 Next, the TiO x precursor was hydrolyzed by being left in the air. Next, the TiO x precursor was heat-treated at 150 ° C. for 1 hour to obtain a 30 nm TiO x layer.

(TiO前駆体の調製:ゾルゲル法)
先ず、100ml三口フラスコに2−メトキシエタノール12.5mlと、6.25mmolのチタニウムテトライソプロポキシドとを入れ、氷浴中で10分間冷却した。次に、12.5mmolのアセチルアセトンをゆっくり加えて、氷浴中で10分間撹拌した。次に、混合溶液を80℃で2時間加熱後、1時間還流した。最後に、室温まで冷却し、メトキシエタノールを用いて所定の濃度(150m)に調整した。TiO前駆体を得た。なお、上記工程は全て窒素雰囲気で行った。
(Preparation of TiO x precursor: sol-gel method)
First, 12.5 ml of 2-methoxyethanol and 6.25 mmol of titanium tetraisopropoxide were placed in a 100 ml three-necked flask and cooled in an ice bath for 10 minutes. Next, 12.5 mmol of acetylacetone was slowly added and stirred in an ice bath for 10 minutes. Next, the mixed solution was heated at 80 ° C. for 2 hours and then refluxed for 1 hour. Finally, it was cooled to room temperature and adjusted to a predetermined concentration (150 m) using methoxyethanol. A TiO x precursor was obtained. The above steps were all performed in a nitrogen atmosphere.

次いで、TiO層の上にバルクヘテロジャンクション層を形成した。p型半導体材料として比較化合物1を0.9質量%、n型半導体材料としてPCBM(フロンティアカーボン製、Nanon Spectra E100H)を0.9質量%(全固形分濃度1.8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、100℃で30分乾燥し、光電変換層を得た。なお比較化合物1は非特許文献3に基づいて合成した。 Next, a bulk heterojunction layer was formed on the TiO x layer. 0.9% by mass of Comparative Compound 1 as a p-type semiconductor material and 0.9% by mass (total solid content concentration: 1.8% by mass) of PCBM (manufactured by Frontier Carbon, Nano Spectra E100H) as an n-type semiconductor material were dissolved. A liquid was prepared, spin-coated at 700 rpm for 60 seconds and then at 2200 rpm for 1 second while being filtered with a 0.45 μm filter, and dried at 100 ° C. for 30 minutes to obtain a photoelectric conversion layer. Comparative compound 1 was synthesized based on Non-Patent Document 3.

次に、有機半導体層の上に有機溶剤系PEDOT:PSSの分散液(化研産業製、エノコートHC200)をスピンコート(2000rpm、60s)し風乾して正孔輸送層を成膜した。   Next, an organic solvent-based PEDOT: PSS dispersion (Enocoat HC200, manufactured by Kaken Sangyo Co., Ltd.) was spin-coated (2000 rpm, 60 s) on the organic semiconductor layer and air-dried to form a hole transport layer.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

次に、導電性ポリマー層の上に銀電極層を膜厚約100nmになるように真空蒸着を行ったのち、150℃で10分間加熱処理を行うことで、逆層型の有機光電変換素子を作製した。   Next, after vacuum-depositing a silver electrode layer on the conductive polymer layer so as to have a film thickness of about 100 nm, a heat treatment is performed at 150 ° C. for 10 minutes, so that the reverse layer type organic photoelectric conversion element is obtained. Produced.

得られた有機光電変換素子1は、封止を行った後、ソーラーシミュレーター(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、初期の変換効率および耐久性を測定した。 The obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed and then irradiated with light from a solar simulator (AM1.5G) at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 to measure voltage-current characteristics, and to perform initial conversion. Efficiency and durability were measured.

〔有機光電変換素子2〜4の作製〕
上記有機光電変換素子1の作製において、p型半導体材料を表1に記載の材料に変更し、さらにp:n比を表1に記載の組成(全固形分濃度は1.8質量%に固定)に代えた以外は、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2〜4を得た。
[Production of organic photoelectric conversion elements 2 to 4]
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, the p-type semiconductor material is changed to the material shown in Table 1, and the p: n ratio is the composition shown in Table 1 (the total solid content concentration is fixed at 1.8% by mass). The organic photoelectric conversion elements 2 to 4 were obtained in the same manner as the comparative organic photoelectric conversion element 1 except that the organic photoelectric conversion elements 2 to 4 were replaced.

なお有機光電変換素子4のP3HTとしては、プレクトストロニクス製、プレックスコアOS2100を使用した。   In addition, as P3HT of the organic photoelectric conversion element 4, the plex core OS2100 made from Plectotronics was used.

〔有機光電変換素子5〜13の作製〕
上記有機光電変換素子1の作製において、p型半導体材料を表1に記載の材料に変更し、さらにp:n比を表に記載の組成(全固形分濃度は1.8質量%に固定)に代え、さらに1,8−オクタンジチオールを3.0質量%添加した以外は、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5〜13を得た。なお有機光電変換素子12、13は有機光電変換素子11で使用した材料の分子量違いを用いている。
[Production of organic photoelectric conversion elements 5 to 13]
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, the p-type semiconductor material is changed to the material shown in Table 1, and the p: n ratio is the composition shown in the table (the total solid content concentration is fixed at 1.8% by mass). The organic photoelectric conversion elements 5 to 13 were obtained in the same manner as the comparative organic photoelectric conversion element 1 except that 3.0% by mass of 1,8-octanedithiol was further added. In addition, the organic photoelectric conversion elements 12 and 13 use the molecular weight difference of the material used by the organic photoelectric conversion element 11. FIG.

(光電変換効率の評価)
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に従って光電変換効率η(%)を求めた。
(Evaluation of photoelectric 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. In addition, the photoelectric conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1.

式1 η(%)=Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF Formula 1 η (%) = Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF

Figure 2012099632
Figure 2012099632

表1において有機光電変換素子1,2と3を比較すると、同じ低分子化合物で比較した際も本発明の化合物の方が曲線因子が高く、高い光電変換効率が得られていることが分かる。   When comparing the organic photoelectric conversion elements 1, 2 and 3 in Table 1, it can be seen that the compound of the present invention has a higher fill factor and higher photoelectric conversion efficiency when compared with the same low molecular weight compound.

さらに有機光電変換素子5〜11を見ると、p型半導体材料として高分子材料を用いた場合にはより曲線因子が高くなり高い光電変換効率が得られるようになるだけでなく、耐久性も向上して実用的な耐久性が得られるようになることが分かる。   Further, looking at the organic photoelectric conversion elements 5 to 11, when a polymer material is used as the p-type semiconductor material, not only the curve factor becomes higher and high photoelectric conversion efficiency can be obtained, but also the durability is improved. It can be seen that practical durability can be obtained.

また、有機光電変換素子11〜13を見ると、高い効率の得られる化合物であっても、分子量が適切でないと高い光電変換効率が得られないことが分かる。なお有機光電変換素子13に用いた分子量104000の例示化合物14は、溶解性が低下し不溶物が残り、塗布膜の均一性が低かった。   Moreover, when the organic photoelectric conversion elements 11-13 are seen, even if it is a compound with high efficiency, it will be understood that high photoelectric conversion efficiency cannot be obtained unless the molecular weight is appropriate. In addition, the exemplary compound 14 having a molecular weight of 104000 used for the organic photoelectric conversion element 13 was poor in solubility and remained insoluble, and the uniformity of the coating film was low.

実施例2
実施例1で作製した有機光電変換素子11について、それぞれ同様の素材(数平均分子量21000の例示化合物14)および組成を用いて以下のような順層型の素子を作製し耐久性を評価した。
Example 2
About the organic photoelectric conversion element 11 produced in Example 1, the following normal layer type | mold elements were produced using the same raw material (Exemplary compound 14 of number average molecular weight 21000) and a composition, respectively, and durability was evaluated.

〔有機光電変換素子21の作製〕
実施例1と同じ透明基板を同様の工程で洗浄した後、ITO膜上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック社製)を30nmの膜厚となるようにスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。
[Preparation of organic photoelectric conversion element 21]
After the same transparent substrate as in Example 1 was washed in the same process, on the ITO film, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated so as to have a film thickness of 30 nm. Heat drying at 140 ° C. for 10 minutes in the air.

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再度140℃で10分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and worked under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was again heat-treated at 140 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere.

p型半導体材料として、前記例示化合物1の0.6質量%と、n型半導体材料として前記PCBM0.9質量%分をクロロベンゼンに溶解して、1.2質量%のクロロベンゼン溶液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過しながら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分放置した。   As a p-type semiconductor material, 0.6% by mass of Exemplified Compound 1 and 0.9% by mass of PCBM as an n-type semiconductor material are dissolved in chlorobenzene to produce a 1.2% by mass chlorobenzene solution. While being filtered through a 45 μm filter, spin coating was performed at 700 rpm for 60 seconds, then at 2200 rpm for 1 second, and left at room temperature for 30 minutes.

次に、上記一連の有機層を成膜した基板を大気に晒すことなく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以下にまで真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.6nm、対極としてアルミニウムを100nm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21を得た。なお蒸着速度は2nm/秒で、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the series of organic layers was formed was placed in a vacuum deposition apparatus without being exposed to the atmosphere. The device 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. Finally, the heating for 30 minutes was performed at 120 degreeC, and the comparative organic photoelectric conversion element 21 was obtained. The deposition rate was 2 nm / second, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子21は、窒素雰囲気下でUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて凸版印刷製透明バリアフィルムGX(水蒸気透過率0.05g/m・d)と貼り合わせて封止した後に大気下に取り出した。 The obtained organic photoelectric conversion element 21 is a transparent barrier film GX made of relief printing using a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) under a nitrogen atmosphere (water vapor transmission rate 0.05 g / m). 2 · d) and sealed and taken out to the atmosphere.

実施例1と同様に初期の変換効率を測定した後、以下の耐久性評価を実施した。   After measuring the initial conversion efficiency in the same manner as in Example 1, the following durability evaluation was performed.

(耐久性評価)
温度80度、湿度80%に保持した容器内に保存し、定期的に取りだして電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を100として、初期の効率の80%の効率まで低下する時間をLT80として評価した。
(Durability evaluation)
Store in a container maintained at a temperature of 80 ° C and humidity of 80%, periodically take out and measure the voltage-current characteristics, and set the initial conversion efficiency as 100, and reduce the time to 80% of the initial efficiency. It was evaluated as LT80.

Figure 2012099632
Figure 2012099632

表2において有機光電変換素子11,21を比較すると、同じ化合物で有機薄膜太陽電池を作製した場合、順層型の方が若干効率が良いが、逆層型素子の方が高い耐久性が得られることが分かる。   When comparing the organic photoelectric conversion elements 11 and 21 in Table 2, when an organic thin film solar cell is manufactured with the same compound, the normal layer type is slightly more efficient, but the reverse layer type element has higher durability. You can see that

10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
11 基板
12 陽極
13 陰極
14 光電変換層
14′ 第1の光電変換層
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換層
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Anode 13 Cathode 14 Photoelectric conversion layer 14 '1st photoelectric conversion layer 15 Charge recombination layer 16 2nd photoelectric conversion layer 17 Hole transport layer 18 Electron transport layer

Claims (12)

少なくとも、基板上に第1の電極、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料からなるバルクヘテロジャンクション層、および第2の電極とを有する有機光電変換素子であって、
基板及び第1の電極が透明であり、
かつ前記p型有機半導体材料として下記一般式(1)で表される構造を含有することを特徴とする有機光電変換素子。
Figure 2012099632
(式中、X〜Xは−CR=または−N=を表す。Rはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
An organic photoelectric conversion element having at least a first electrode, a bulk heterojunction layer made of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode on a substrate,
The substrate and the first electrode are transparent;
And the organic photoelectric conversion element characterized by containing the structure represented by following General formula (1) as said p-type organic-semiconductor material.
Figure 2012099632
(In the formula, X 1 to X 8 represent —CR 1 ═ or —N═. R 1 is a substituent selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a group, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料が、数平均分子量15000〜50000であることを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1) has a number average molecular weight of 15,000 to 50,000. 前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料であって、X=X、X=X、X=X、X=Xである対称構造であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機光電変換素子。 A p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1), wherein X 1 = X 5 , X 2 = X 6 , X 3 = X 7 , X 4 = X 8 The organic photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic photoelectric conversion element is provided. 前記一般式(1)で表される構造を有するp型有機半導体材料であって、X〜X、X〜Xのそれぞれ少なくとも一つは窒素原子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機光電変換素子。 The p-type organic semiconductor material having a structure represented by the general formula (1), wherein at least one of X 1 to X 4 and X 5 to X 8 is a nitrogen atom. 3. The organic photoelectric conversion element according to 1 or 2. 前記一般式(1)で表される構造が、下記一般式(2)で表される構造であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2012099632
(式中、X11〜X13は−CR=または−N=を表し、少なくとも1つ以上は−N=である。Rはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
4. The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the structure represented by the general formula (1) is a structure represented by the following general formula (2).
Figure 2012099632
(Wherein X 11 to X 13 represent —CR 2 ═ or —N═, and at least one is —N═. R 2 represents an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, It represents a substituent selected from a heteroaryl group and an alkylsilyl group, and may further have a substituent, or may be bonded to each other to form a ring.
前記一般式(2)において、X12が−N=であることを特徴とする請求項5に記載の有機光電変換素子。 In the general formula (2), an organic photoelectric conversion device according to claim 5, wherein X 12 is -N =. 前記一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造であることを特徴とする請求項6に記載の有機光電変換素子。
Figure 2012099632
(式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R及びRはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
The organic photoelectric conversion element according to claim 6, wherein the structure represented by the general formula (2) is a structure represented by the following general formula (3).
Figure 2012099632
(In the formula, Z 1 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 3 and R 4 are selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a substituent, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
前記一般式(3)において、Zが炭素原子であることを特徴とする請求項6又は7に記載の有機光電変換素子。 In the general formula (3), an organic photoelectric conversion device according to claim 6 or 7, characterized in that Z 1 is a carbon atom. 前記一般式(1)〜(3)の何れかの構造を有するp型有機半導体材料が、さらに下記一般式(4)で表される構造との共重合体であるp型有機半導体材料を含むことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2012099632
(式中、Zは炭素、珪素、ゲルマニウムから選ばれる原子を表し、R又はRはアルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、さらに置換基を有していてもよいし、たがいに結合して環を形成してもよい。)
The p-type organic semiconductor material having the structure of any one of the general formulas (1) to (3) further includes a p-type organic semiconductor material that is a copolymer with the structure represented by the following general formula (4). The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8, wherein
Figure 2012099632
(In the formula, Z 2 represents an atom selected from carbon, silicon, and germanium, and R 5 or R 6 is selected from an alkyl group, a fluorinated alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group. Represents a substituent, may further have a substituent, and may be bonded to each other to form a ring.)
前記一般式(4)のZで表される原子が、珪素原子である構造を有するp型有機半導体材料を含むことを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の有機光電変換素子。 The organic photoelectric material according to claim 1, comprising a p-type organic semiconductor material having a structure in which the atom represented by Z 2 in the general formula (4) is a silicon atom. Conversion element. 前記第1の電極の仕事関数が、第2の電極の仕事関数よりも小さい、逆層構成であることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の有機光電変換素子。   11. The organic photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first electrode has a reverse layer configuration in which a work function of the first electrode is smaller than a work function of the second electrode. 請求項1〜11の何れか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.
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