JP2012234877A - Organic photoelectric conversion element and solar cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic photoelectric conversion element which has high photoelectric conversion efficiency and excellent durability, and a solar cell using the same.SOLUTION: A photoelectric conversion layer contains a compound having a partial structure represented by general formula (1) as a p-type organic semiconductor material. (In the formula, Yrepresents -CR= or -N=, and Rrepresents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, or a cyano group and may have a condensed ring structure.)

Description

本発明は、有機光電変換素子、太陽電池に関し、更に詳しくは、バルクへ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に関する。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element and a solar cell, and more particularly to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element and a solar cell using the organic photoelectric conversion element.

近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いた太陽電池、GaAsやCIGS(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)等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)等が提案・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, and 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へ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).

これらのバルクへテロジャンクション型光電変換素子を用いた太陽電池においては、アノード・カソード以外は塗布により形成することができるため、高速且つ安価で製造が可能であり、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、半導体系太陽電池、色素増感太陽電池等と異なり、160℃より高温の製造工程がないため、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。   Solar cells using these bulk heterojunction photoelectric conversion elements can be formed by coating other than the anode and cathode, so they can be manufactured at high speed and at low cost. There is a possibility. Furthermore, unlike the Si-based solar cells, semiconductor-based solar cells, dye-sensitized solar cells, etc., since there is no manufacturing process at a temperature higher than 160 ° C., it is expected that it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.

しかしながら、発電コストの削減のためにはさらなる光電変換効率向上が求められている。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)及びLUMO準位を有する化合物が必要とされている。この文献によれば、バンドギャップは1.3〜1.7eV、LUMO準位は−3.9〜−4.0eVであることが必要とされる。   However, further improvement in photoelectric conversion efficiency is required to reduce power generation costs. In order to obtain a photoelectric conversion efficiency of 10% or more in an organic thin film solar cell, Non-Patent Document 2 requires a compound having a specific band gap (bg) and LUMO level as a p-type semiconductor. According to this document, the band gap is required to be 1.3 to 1.7 eV, and the LUMO level is required to be -3.9 to -4.0 eV.

しかも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その他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%、及び曲線因子(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。   In addition, this condition is a necessary condition, and in order to actually obtain a photoelectric conversion efficiency of 10%, it is necessary to satisfy other conditions. 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との比である。   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. This value 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.

この曲線因子及び外部量子効率は発電層の半導体材料の移動度と関係すると言われている。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及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。   This fill factor and external quantum efficiency are said to be related to the mobility of the semiconductor material in the power generation layer. 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 the mobility, the carrier lifetime and the built-in electric field, ideally a material with higher mobility can produce a thicker power generation layer, and the absorbance can be increased. 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となる。特に本発明のように有機化合物の場合、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。   Accordingly, one important condition is to have a high mobility. However, since the mobility is generally higher for a crystalline material than for an amorphous material, it is important to select a crystalline p-type semiconductor material. In particular, in the case of an organic compound as in the present invention, in order to improve crystallinity, it is important that the material be as flat as possible.

すなわち、有機薄膜太陽電池の発電層の素材としては、より深いLUMO準位を有し、より大きなπ共役長を有する(バンドギャップが小さく、結晶性が高い)化合物が必要とされている。   That is, as a material for the power generation layer of the organic thin film solar cell, a compound having a deeper LUMO level and a larger π conjugate length (small band gap and high crystallinity) is required.

このような深いLUMO準位を得るために、前記非特許文献1のように、電子供与性の高いドナーユニット(チオフェン等)と電子吸引性の高いアクセプターユニット(含窒素芳香族環等)の共重合体が数多く検討されている。   In order to obtain such a deep LUMO level, as in Non-Patent Document 1, a donor unit (thiophene, etc.) having a high electron donating property and an acceptor unit (nitrogen-containing aromatic ring, etc.) having a high electron withdrawing property are used. Many copolymers have been studied.

また、高移動度の母核として知られるチオフェンに電子吸引性基を付加することで、深いLUMO準位及び低バンドギャップ化されたp型高分子材料を得ようとする試みがなされている。   In addition, an attempt has been made to obtain a p-type polymer material having a deep LUMO level and a low band gap by adding an electron-withdrawing group to thiophene known as a high-mobility mother nucleus.

特許文献1では、オリゴチオフェンの末端のα位をトリシアノビニレン基が置換した材料が開示されているが、溶解性に乏しいためか蒸着プロセスで製膜されており、生産性の高い塗布プロセスへの適用は困難であった。   Patent Document 1 discloses a material in which the terminal α-position of oligothiophene is substituted with a tricyanovinylene group, but it is formed by a vapor deposition process because of poor solubility, leading to a highly productive coating process. Application of was difficult.

非特許文献3では、チオフェン環にジシアノメチレン基を付与した構造が開示されているが、ジシアノメチレン基は隣のチオフェン環と立体障害を起こしてπ共役面がねじれるためか、移動度が不十分であり、変換効率も1%未満と低いものにとどまっていた。   Non-Patent Document 3 discloses a structure in which a dicyanomethylene group is added to a thiophene ring, but the dicyanomethylene group causes steric hindrance with the adjacent thiophene ring and twists the π-conjugated surface, or the mobility is insufficient. The conversion efficiency was also low, less than 1%.

非特許文献4では、チエノチオフェン環にカルボキシシアノビニレン基を付与した構造が開示されているが、効率は2%台と低いものにとどまっていた。   Non-Patent Document 4 discloses a structure in which a carboxycyanovinylene group is added to a thienothiophene ring, but the efficiency is as low as 2%.

また特許文献2では、チエノ[3,4−b]チオフェン環のα位・β位をシアノ基が置換したモノマーが開示されている。しかしこのようなチエノ[3,4−b]チオフェン環のβ位をシアノ基が置換した場合、剛直なシアノ基が隣接するモノマーと立体障害を起こす可能性があり、ポリマーの平面性が低く移動度の低いポリマーとなる恐れがある。また、重合したポリマーを用いた評価結果は開示されていない。   Patent Document 2 discloses a monomer in which the α-position and β-position of the thieno [3,4-b] thiophene ring are substituted with a cyano group. However, when the cyano group is substituted at the β-position of such a thieno [3,4-b] thiophene ring, the rigid cyano group may cause steric hindrance with the adjacent monomer, and the polymer has low planarity and moves. There is a risk of a low degree polymer. Moreover, the evaluation result using the polymerized polymer is not disclosed.

特許文献3では、透明電極用のポリマーの例としてシアノチオフェンを電界重合したポリマーを使用してもよいとの記載が一部にあるが、これらは不溶性であり有機薄膜太陽電池の発電層用材料として用いることはできないものであった。   Patent Document 3 partially describes that a polymer obtained by electropolymerizing cyanothiophene may be used as an example of a polymer for a transparent electrode. However, these are insoluble and materials for power generation layers of organic thin-film solar cells. It could not be used as.

また有機薄膜太陽電池の実用化には耐久性も改善が必要であるとの課題があるが、電極等の劣化が起こりにくい、高い仕事関数を有する金属を対電極として用い、太陽光入射側をカソードとするタイプの太陽電池(いわゆる逆層型太陽電池)において耐久性が向上することが知られているため(例えば、特許文献4参照)、逆層構成において高い光電変換効率を出せる材料が求められていた。   In addition, there is a problem that the durability needs to be improved for practical use of the organic thin film solar cell. However, the electrode is not easily deteriorated and a metal having a high work function is used as a counter electrode. Since it is known that durability is improved in a solar cell of a cathode type (so-called reverse layer type solar cell) (see, for example, Patent Document 4), a material capable of providing high photoelectric conversion efficiency in a reverse layer configuration is desired. It was done.

しかし逆層型は、光透過性に劣る導電性ポリマー層が金属電極と発電層の間に存在する関係から、光の利用の観点からいえば不利な構成であるため、最適な膜厚が順層型太陽電池に比して厚くなることがシミュレーションから求められている(例えば、非特許文献5参照)。したがって、厚膜(150nm〜)でも発電する材料が求められているが、多くの材料は薄膜+順層構成では良好な効率が出るものの、厚膜+逆層構成では効率が出る材料が非常に少ないと言う課題を有していた。これは主に移動度が低いことに起因しており、すなわち分子間πスタックが弱く、分子結晶を取りにくい構造であることに起因している。   However, the reverse layer type is disadvantageous from the viewpoint of light utilization because of the relationship between the metal electrode and the power generation layer that has a conductive polymer layer inferior in light transmittance. It is calculated | required from simulation that it becomes thick compared with a layer type solar cell (for example, refer nonpatent literature 5). Therefore, there is a demand for a material that can generate power even with a thick film (from 150 nm), but many materials have good efficiency in the thin film + forward layer configuration, but there are very many materials that have efficiency in the thick film + reverse layer configuration. It had the problem of being few. This is mainly due to the low mobility, that is, the structure in which the intermolecular π stack is weak and it is difficult to obtain molecular crystals.

国際公開第2006−092134号パンフレットInternational Publication No. 2006-092134 Pamphlet 国際公開第2010−008672号パンフレットInternational Publication No. 2010-008672 Pamphlet 特開2011−65799号公報JP 2011-65799 A 特開2009−146981号公報JP 2009-146981 A

A.Heeger et.al.,Nature Mat.,vol.6(2007),p497A. Heeger et. al. , Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497 C.J.Brabec et.al.,Adv.Mater.2006,Vol.18,p789C. J. et al. Brabec et. al. , Adv. Mater. 2006, Vol. 18, p789 Tsuyoshi Endo et.al.,Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,volume 49(2010),Issue 1,p234Tsuyoshi Endo et. al. , Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, volume 49 (2010), Issue 1, p234. Tsuyoshi Endo et.al.,Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,volume 49(2010),Issue 1,p1427Tsuyoshi Endo et. al. , Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, volume 49 (2010), Issue 1, p1427. J.Peet et.al.,Appl.Phys.Lett.,98,043301(2011)J. et al. Peet et. al. , Appl. Phys. Lett. , 98, 043301 (2011)

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、光電変換効率が高く耐久性に優れる有機光電変換素子、それを用いた太陽電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and excellent durability, and a solar cell using the organic photoelectric conversion element.

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

1.透明な基板上に、透明な第一の電極、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含有する光電変換層、及び第二の電極をこの順に有する有機光電変換素子であって、該光電変換層が、該p型有機半導体材料として下記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物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 a transparent first electrode, a photoelectric conversion layer containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order on a transparent substrate, The photoelectric conversion layer contains a compound having a partial structure represented by the following general formula (1) as the p-type organic semiconductor material.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

(式中、Yは−CR=または−N=を表す。Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表し、縮合環構造であってもよい。)
2.前記一般式(1)で表される構造を有する化合物の数平均分子量が、15000〜50000であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, Y 1 represents —CR 1 ═ or —N═. R 1 represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a hetero group. Represents an aryl group or a cyano group, and may be a condensed ring structure.)
2. 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein the compound having the structure represented by the general formula (1) has a number average molecular weight of 15,000 to 50,000.

3.前記一般式(1)において、Yで表される基が−CR=であることを特徴とする前記1または2に記載の有機光電変換素子。 3. In the general formula (1), an organic photoelectric conversion element as described in 1 or 2 groups represented by Y 1 is characterized in that it is a -CR 1 =.

4.前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物が、下記一般式(2A)、(2B)、(2C)または(2D)で表されるいずれかの部分構造を有する化合物であることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   4). The compound having a partial structure represented by the general formula (1) is a compound having any partial structure represented by the following general formula (2A), (2B), (2C) or (2D) The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 3, wherein:

Figure 2012234877
Figure 2012234877

(式中、A及びAは芳香族環または複素芳香族環を表し、m、nは0〜2の整数を表す。R〜Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表す。)
5.前記p型有機半導体材料が、前記一般式(2C)で表される部分構造を有する化合物であることを特徴とする前記4に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, A 1 and A 2 represent an aromatic ring or a heteroaromatic ring, and m and n represent an integer of 0 to 2. R 2 to R 3 represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorine atom. Represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group or a cyano group.)
5. 5. The organic photoelectric conversion element as described in 4 above, wherein the p-type organic semiconductor material is a compound having a partial structure represented by the general formula (2C).

6.前記一般式(2C)において、mが0であることを特徴とする前記4または5に記載の有機光電変換素子。   6). 6. The organic photoelectric conversion element as described in 4 or 5 above, wherein in the general formula (2C), m is 0.

7.前記p型有機半導体材料が、前記一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される構造と、さらに下記一般式(3)で表される構造との共重合体であることを特徴とする前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   7). The p-type organic semiconductor material is a copolymer of a structure represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D) and a structure represented by the following general formula (3). The organic photoelectric conversion device according to any one of 1 to 6, which is characterized in that

Figure 2012234877
Figure 2012234877

(式中、Zはアルキル基で置換された炭素原子、窒素原子または珪素原子を表す。)
8.前記一般式(3)において、Zがアルキル基で置換されたケイ素であることを特徴とする前記7に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, Z represents a carbon atom, a nitrogen atom or a silicon atom substituted with an alkyl group.)
8). 8. The organic photoelectric conversion element as described in 7 above, wherein in the general formula (3), Z is silicon substituted with an alkyl group.

9.前記第一の電極がカソードであり、第二の電極がアノードである前記1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を具備することを特徴とする太陽電池。   9. 9. The solar cell comprising the organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 8, wherein the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode.

本発明の上記手段により、高い曲線因子の値を有し光電変換効率が高く、耐久性に優れる有機光電変換素子、それを用いた太陽電池を提供することができる。   The above means of the present invention can provide an organic photoelectric conversion element having a high fill factor value, high photoelectric conversion efficiency and excellent durability, and a solar cell using the organic photoelectric conversion element.

本発明の有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the example of a structure of the organic photoelectric conversion element of this invention. 本発明の有機光電変換素子の構成の他の例を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the other example of a structure of the organic photoelectric conversion element of this invention. タンデム型の光電変換層を備えた、本発明の有機光電変換素子の例を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the example of the organic photoelectric conversion element of this invention provided with the tandem type photoelectric conversion layer.

本発明者らは、α位で共役ポリマー主鎖に結合されたチオフェン環のβ位をシアノ基で置換した場合、シアノ基の強い電子吸引性によって深いHOMO/LUMO、つまり高いVocを提供するだけでなく、隣接するモノマーとの立体障害がない構造のために高い平面性を保持でき、高い移動度及び高い曲線因子を得ることができることを見出した。このような材料では、耐久性に優れる逆層構成においても厚膜化可能であり、良好な光電変換効率が得られる。   The present inventors only provide deep HOMO / LUMO, that is, high Voc, due to the strong electron-withdrawing property of the cyano group when the β-position of the thiophene ring bonded to the conjugated polymer main chain at the α-position is substituted with a cyano group. In addition, the present inventors have found that a structure having no steric hindrance with an adjacent monomer can maintain high planarity, and high mobility and a high fill factor can be obtained. With such a material, it is possible to increase the thickness even in a reverse layer structure having excellent durability, and good photoelectric conversion efficiency can be obtained.

本発明は、透明な基板上に、透明な第一の電極、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含有する光電変換層、及び第二の電極をこの順に有する有機光電変換素子であって、該光電変換層が、p型有機半導体材料として前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物を含有することを特徴とする。   The present invention is an organic photoelectric conversion element having a transparent first electrode, a photoelectric conversion layer containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order on a transparent substrate. The photoelectric conversion layer contains a compound having a partial structure represented by the general formula (1) as a p-type organic semiconductor material.

本発明では、特にp型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含有するバルクヘテロジャンクション型の光電変換層のp型有機半導体材料として、前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物を用いることで、高い曲線因子の値を有し光電変換効率が高く、耐久性に優れる有機光電変換素子を提供することができる。   In this invention, the compound which has the partial structure represented by the said General formula (1) as a p-type organic-semiconductor material of the bulk heterojunction type photoelectric converting layer containing a p-type organic-semiconductor material and an n-type organic-semiconductor material especially By using, an organic photoelectric conversion element having a high fill factor value, high photoelectric conversion efficiency, and excellent durability can be provided.

(有機光電変換素子の構成)
図1は、本発明の有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図である。
(Configuration of organic photoelectric conversion element)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the organic photoelectric conversion element of the present invention.

有機光電変換素子10は、透明な基板11上に、透明な第一の電極12を有し、第一の電極12の上に光電変換層14を有し、さらに光電変換層14の上に第二の電極13を有する。   The organic photoelectric conversion element 10 has a transparent first electrode 12 on a transparent substrate 11, a photoelectric conversion layer 14 on the first electrode 12, and a first electrode on the photoelectric conversion layer 14. It has two electrodes 13.

図1の例では、第一の電極12と光電変換層14との間に後述する正孔輸送層17を有し、光電変換層14と第二の電極13との間に後述する電子輸送層18を有する。   In the example of FIG. 1, a hole transport layer 17 described later is provided between the first electrode 12 and the photoelectric conversion layer 14, and an electron transport layer described later is provided between the photoelectric conversion layer 14 and the second electrode 13. 18

本発明においては、基板11及び第一の電極12は透明であり、光電変換に用いられる光は、図1の矢印の方向から入射される。   In this invention, the board | substrate 11 and the 1st electrode 12 are transparent, and the light used for photoelectric conversion injects from the direction of the arrow of FIG.

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型半導体材料とを含有する。   The photoelectric conversion layer 14 is a layer that converts light energy into electrical energy, and contains a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material.

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 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を介して第一の電極12から入射された光は、光電変換層14の光電変換層14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。   In FIG. 1, light incident from the first electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or the electron donor in the photoelectric conversion layer 14 of the photoelectric conversion layer 14, and from the electron donor to the electron acceptor. Electrons move and a hole-electron pair (charge separation state) is formed.

発生した電荷は内部電界、例えば、第一の電極12と第二の電極13との仕事関数が異なる場合では第一の電極12と第二の電極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。   The generated electric charge is generated between the electron acceptors due to the internal electric field, for example, when the work functions of the first electrode 12 and the second electrode 13 are different, due to the potential difference between the first electrode 12 and the second electrode 13. And the holes pass between the electron donors and are carried to different electrodes, and a photocurrent is detected.

図1の例では、第一の電極12の仕事関数は第二の電極13の仕事関数よりも大きいため、正孔は第一の電極12へ、電子は第二の電極13へ輸送される。この場合、第二の電極13には仕事関数が小さく酸化されやすい金属が用いられる。この場合、第一の電極はアノード(陽極)として、第二の電極はカソード(陰極)として機能する。   In the example of FIG. 1, the work function of the first electrode 12 is larger than the work function of the second electrode 13, so that holes are transported to the first electrode 12 and electrons are transported to the second electrode 13. In this case, a metal having a small work function and easily oxidized is used for the second electrode 13. In this case, the first electrode functions as an anode (anode) and the second electrode functions as a cathode (cathode).

図2に他の構成の例を示す。   FIG. 2 shows an example of another configuration.

図2においては、図1の場合とは反対に、第一の電極12の仕事関数よりも第二の電極13の仕事関数を大きくすることで、電子を第一の電極12へ、正孔を第二の電極13へと輸送するように設計した場合を示した。この場合には、第一の電極12と光電変換層14との間に電子輸送層18を有し、光電変換層14と第二の電極13との間に後述する正孔輸送層17を有し、第一の電極はカソード(陰極)として、第二の電極はアノード(陽極)として機能する。   In FIG. 2, contrary to the case of FIG. 1, the work function of the second electrode 13 is made larger than the work function of the first electrode 12, whereby electrons are transferred to the first electrode 12. The case where it designed so that it might convey to the 2nd electrode 13 was shown. In this case, an electron transport layer 18 is provided between the first electrode 12 and the photoelectric conversion layer 14, and a hole transport layer 17 described later is provided between the photoelectric conversion layer 14 and the second electrode 13. The first electrode functions as a cathode (cathode) and the second electrode functions as an anode (anode).

本発明においては、耐久性の面から、特に図2に示す構成、即ち、第一の電極がカソード(陰極)であり、第二の電極がアノード(陽極)であることが好ましい態様である。   In the present invention, from the viewpoint of durability, in particular, the configuration shown in FIG. 2, that is, the first electrode is a cathode (cathode) and the second electrode is an anode (anode) is a preferred embodiment.

なお、図1、図2には記載していないが、本発明の有機光電変換素子は、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, the organic photoelectric conversion element of the present invention has a layer such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer. You may have.

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上に第一の電極12、第一の光電変換層14′を積層し、電荷再結合層15を積層した後、第二の光電変換層16、次いで第二の電極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。   In the case of the tandem configuration, the first electrode 12 and the first photoelectric conversion layer 14 ′ are stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion layer 16, and then the second photoelectric conversion layer 15. By stacking the electrodes 13, a tandem configuration can be obtained.

第二の光電変換層16は、第一の光電変換層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。   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、第一の光電変換層14′、第二の光電変換層16と各電極の間には、正孔輸送層17や電子輸送層18を有していてもよいが、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は、図2に示されるような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 photoelectric conversion layer preferably has a 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型有機半導体材料〕
(一般式(1)で表される部分構造を有する化合物)
光電変換層は、p型有機半導体材料として前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物を含有する。
[P-type organic semiconductor materials]
(Compound having a partial structure represented by the general formula (1))
The photoelectric conversion layer contains a compound having a partial structure represented by the general formula (1) as a p-type organic semiconductor material.

当該化合物は、半導体特性を有する有機化合物である。一般式(1)の部分構造を有する化合物のみでもよいが、有機薄膜太陽電池としてより好ましい半導体特性(特定のHOMO/LUMO準位)を有する有機化合物とするためには、後述するドナーユニットと結合させた構造を有する化合物であることが好ましい。   The compound is an organic compound having semiconductor characteristics. Although only the compound having the partial structure of the general formula (1) may be used, in order to obtain an organic compound having more preferable semiconductor characteristics (specific HOMO / LUMO levels) as an organic thin film solar cell, it is combined with a donor unit described later. It is preferable that the compound has a structure.

前記一般式(1)において、Yは−CR=または−N=を表す。Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表し、縮合環構造であってもよい。 In the general formula (1), Y 1 represents -CR 1 = or -N =. R 1 represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group or a cyano group, and may be a condensed ring structure.

すなわち共役高分子の主鎖がチオフェン環となることで高い移動度、すなわち発電層を厚膜化した際にも高い曲線因子を得ることができると期待される。また、電子吸引性基であるシアノ基をチオフェンのβ位に配置することで、チオフェンのα位で連結される隣接した高分子主鎖との立体障害がないために高い平面性を得ることができ、さらに高い移動度を期待することができる。   That is, when the main chain of the conjugated polymer is a thiophene ring, it is expected that a high mobility factor, that is, a high fill factor can be obtained even when the power generation layer is thickened. In addition, by arranging a cyano group that is an electron-withdrawing group at the β-position of thiophene, high planarity can be obtained because there is no steric hindrance with the adjacent polymer main chain linked at the α-position of thiophene. And higher mobility can be expected.

は−CR=(チオフェン環)または−N=(チアゾール環)を表すが、より高い移動度を得やすい観点からはYは−CR=であることが好ましい。 Y 1 represents —CR 1 = (thiophene ring) or —N = (thiazole ring), and Y 1 is preferably —CR 1 = from the viewpoint of easily obtaining higher mobility.

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−エチルヘキシル等が挙げられる。 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.

フッ化アルキル基は、これら一部または全てがフッ素化されたフッ化アルキル基である。完全にフッ素化されたフッ化アルキル基では溶解性が低下しやすいため、母核に近い位置はアルキル基で、末端部がフッ化アルキル基であるようなフッ化アルキル基であることが好ましい。たとえば−(CHCH)−C、−(CHCH)−C15、等である。 The fluorinated alkyl group is a fluorinated alkyl group in which some or all of these are fluorinated. A completely fluorinated fluorinated alkyl group is liable to lower the solubility, and therefore, a position close to the mother nucleus is preferably an alkyl group, and a terminal portion is a fluorinated alkyl group having a fluorinated alkyl group. For example - (CH 2 CH 2) -C 4 F 9, - (CH 2 CH 2) -C 7 F 15, and the like.

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、アダマンチル等が挙げられる。   The cycloalkyl group preferably has 4 to 8 carbon atoms, and examples thereof include cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, norbornyl, adamantyl and the like.

アルケニル基としては、ビニル基、アリル基等が挙げられる。   Examples of the alkenyl group include a vinyl group and an allyl group.

アルキニル基としては、エチニル基、プロパルギル基等が挙げられる。   Examples of the alkynyl group include an ethynyl group and a propargyl group.

シクロアルキル基としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。   Examples of the cycloalkyl group include a cyclopentyl group and a cyclohexyl group.

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、ピレニル等が挙げられる。   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.

縮合環としては、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員環及びこれらを縮合環として含む構造、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。   Condensed rings include five-membered rings such as thiophene ring, furan ring, pyrrole ring, cyclopentadiene, and silacyclopentadiene, and structures containing these as condensed rings, specifically, fluorene, silafluorene, carbazole, dithienocyclo. Examples include pentadiene, dithienosilacyclopentadiene, dithienopyrrole, and benzodithiophene.

または、これらが互いに複数結合した連結基であってもよい。   Alternatively, a linking group in which a plurality of these are bonded to each other may be used.

これらの置換基の中でも、C以上C16以下のアルキル基であることが好ましい。これは、得られるp型半導体材料を十分な厚膜で形成できるようにするためには、一定以上の溶解性が必要であり、溶解性の付与といった観点ではこれらの置換基で置換された材料であることが好ましい。特に高分子材料の場合、溶解性の付与だけでなく、直鎖状のアルキル基が配列性を提供して(ファスナー効果とも呼ばれる)高い移動度を提供しうる場合もあるため、直鎖状のアルキル基で置換されたp型材料であることが好ましい。 Among these substituents, an alkyl group having 6 to 16 carbon atoms is preferable. This is because the p-type semiconductor material to be obtained needs to have a certain level of solubility in order to be formed with a sufficiently thick film, and in terms of imparting solubility, a material substituted with these substituents It is preferable that In particular, in the case of a polymer material, in addition to imparting solubility, a linear alkyl group may provide alignment and may provide high mobility (also referred to as a fastener effect). A p-type material substituted with an alkyl group is preferred.

また、前記一般式(1)においてYで表される基は−CR=及びN=を表すが、立体障害としては−N=である方が小さく平面性の高い化合物を得ることができる。 In the general formula (1), the group represented by Y 1 represents —CR 1 ═ and N═, and as the steric hindrance, a compound having smaller planarity and a smaller planarity can be obtained. .

(一般式(2A)〜(2D)で表される部分構造を有する化合物)
前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物は、βシアノチオフェン構造を有する前記一般式(2A)〜(2D)で表されるいずれかの部分構造を有する化合物であることが好ましい。
(Compound having a partial structure represented by the general formulas (2A) to (2D))
The compound having the partial structure represented by the general formula (1) is preferably a compound having any partial structure represented by the general formulas (2A) to (2D) having a β-cyanothiophene structure. .

一般式(2A)〜(2D)において、A及びAは芳香族環または複素芳香族環を表し、m、nは0〜2の整数を表す。R〜Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表す。 In formula (2A) ~ (2D), A 1 and A 2 represents an aromatic ring or a heteroaromatic ring, m, n represents an integer of 0 to 2. R 2 to R 3 represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, or a cyano group.

及びAで表される芳香族環及び複素芳香族環としては、ベンゼン、ナフタレン、チオフェン、ピロール、シロール等を挙げることができる。 Examples of the aromatic ring and heteroaromatic ring represented by A 1 and A 2 include benzene, naphthalene, thiophene, pyrrole, and silole.

〜Rで表されるアルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基は、一般式(1)のRで表される各基と同義である。 The alkyl group, the fluorinated alkyl group, the alkenyl group, the alkynyl group, the cycloalkyl group, the aryl group, and the heteroaryl group represented by R 2 to R 3 are each represented by R 1 in the general formula (1) It is synonymous.

このように、チオフェン環が複数連結または縮合した構造のβ位を少なくとも1つシアノ基が置換している構造であると、より高い移動度を期待することができ、好ましい。   Thus, a structure in which at least one cyano group is substituted at the β-position of a structure in which a plurality of thiophene rings are linked or condensed is preferable because higher mobility can be expected.

より好ましくは、前記一般式(2A)〜(2D)で表される構造を有する化合物において、チオフェン環の二つのβ位のいずれか一つ、または二つがシアノ基である化合物である。このような構造とすると、より適切なHOMO/LUMO準位を有する化合物となり、かつ対称性も向上するため移動度も向上するため好ましい。   More preferably, in the compound having the structure represented by the general formulas (2A) to (2D), any one of the two β-positions of the thiophene ring or two are cyano groups. Such a structure is preferable because a compound having a more appropriate HOMO / LUMO level is obtained and the symmetry is improved and the mobility is also improved.

さらに好ましくは、前記一般式(2C)または(2D)で表される構造において、m及びnが0である構造を有する化合物である。このような構造(チエノチオフェン環)は有機薄膜トランジスタの用途において高移動度の母核として知られ、シアノ基が置換した化合物においても高い移動度を期待できるためである。より好ましくは一般式(2C)の化合物である。   More preferably, it is a compound having a structure in which m and n are 0 in the structure represented by the general formula (2C) or (2D). This is because such a structure (thienothiophene ring) is known as a high mobility mother nucleus in the use of an organic thin film transistor, and high mobility can be expected even in a compound substituted with a cyano group. More preferred are compounds of general formula (2C).

なお一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される部分構造は、ドナー・アクセプター型のp型有機半導体高分子材料に置いては一般的にアクセプターユニットと呼ばれる部分構造であり、ドナーとして機能するドナーユニット(浅いHOMO・LUMO準位を有するユニット)と結合させた化合物はアクセプターユニット(深いHOMO・LUMO準位を有するユニット)と共役して長波長の吸収と深いLUMO準位を併せ持つ材料となり、p型有機半導体材料として、好ましく用いられる化合物である。   The partial structures represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D) are partial structures generally called an acceptor unit when placed on a donor-acceptor type p-type organic semiconductor polymer material. A compound combined with a donor unit (a unit having a shallow HOMO / LUMO level) functioning as a donor is conjugated with an acceptor unit (a unit having a deep HOMO / LUMO level) to combine long wavelength absorption and a deep LUMO level. It is a compound that can be used as a p-type organic semiconductor material.

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員環及びこれらを縮合環として含む構造である。   More preferably, it is a structure containing a hetero five-membered ring such as a thiophene ring, a furan ring, a pyrrole ring, cyclopentadiene, silacyclopentadiene or the like 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.

(一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される構造と、一般式(3)で表される構造との共重合体)
p型有機半導体材料は、より好ましくは、前記p型有機半導体材料が、前記一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される構造と、前記一般式(3)で表される構造との共重合体である。
(Copolymer of the structure represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D) and the structure represented by the general formula (3))
More preferably, the p-type organic semiconductor material is represented by the structure represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D) and the general formula (3). It is a copolymer with the structure.

一般式(3)において、Zはアルキル基で置換された炭素原子、窒素原子または珪素原子を表す。このような構造は、高い移動度、高い溶解性、及び長波長まで吸収可能な材料を提供することができるため好ましい。Zはアルキル基で置換されたケイ素であることがより好ましい。   In the general formula (3), Z represents a carbon atom, a nitrogen atom or a silicon atom substituted with an alkyl group. Such a structure is preferable because it can provide a material with high mobility, high solubility, and absorption up to a long wavelength. More preferably, Z is silicon substituted with an alkyl group.

さらに上記一般式(1)で表される部分構造を有するp型半導体材料としては、数平均分子量が15000〜50000であることが好ましい。   Further, the p-type semiconductor material having the partial structure represented by the general formula (1) preferably has a number average molecular weight of 15,000 to 50,000.

これは、バルクヘテロジャンクション型の光電変換層を構成する他方の成分であるn型有機半導体として低分子化合物(フラーレン誘導体)が広く用いられているため、p型半導体材料が高分子である方が互いにミクロ相分離構造を形成し、バルクヘテロジャンクション型光電変換層で発生した正孔と電子をそれぞれ運ぶキャリアパスを生成しやすくなる傾向があるためである。   This is because a low-molecular compound (fullerene derivative) is widely used as an n-type organic semiconductor, which is the other component constituting the bulk heterojunction type photoelectric conversion layer. This is because a microphase-separated structure is formed, and it is easy to generate carrier paths that respectively carry holes and electrons generated in the bulk heterojunction photoelectric conversion layer.

他方で分子量が大きすぎると溶解性が低下するため、数平均分子量は5万以下であることが好ましい。より好ましくは15000〜30000の範囲である。   On the other hand, if the molecular weight is too large, the solubility is lowered, so the number average molecular weight is preferably 50,000 or less. More preferably, it is the range of 15000-30000.

なお、溶解性は前記一般式(1)、(2A)〜(2D)、(3)で表される母核を溶解性の置換基で置換することで向上させることもできるが、溶解性基が過剰にあると結晶性及び移動度を低下させ、得られる有機薄膜太陽電池の曲線因子等の特性を低下させることがあるため、溶解性基及び溶解性基で置換されたアリール基等で置換された構造を有する前記一般式(1)、(2A)〜(2D)、(3)で表される構造と、溶解性基を有しない前記一般式(1)、(2A)〜(2D)、(3)で表される構造とを共重合することによって、前記好ましい分子量の範囲と結晶性とを両立させることも好ましい手段である。   The solubility can be improved by replacing the mother nucleus represented by the general formulas (1), (2A) to (2D) and (3) with a soluble substituent. If it is excessive, the crystallinity and mobility may be lowered, and the characteristics such as the fill factor of the resulting organic thin film solar cell may be degraded. Therefore, substitution with a soluble group or an aryl group substituted with a soluble group, etc. The structures represented by the general formulas (1), (2A) to (2D), (3) having the structure described above, and the general formulas (1), (2A) to (2D) having no soluble group It is also a preferable means to achieve both the preferable molecular weight range and crystallinity by copolymerizing with the structure represented by (3).

なお、分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。   The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).

ここでいう数平均分子量は、下記の方法により測定したものをいう。   The number average molecular weight here refers to that measured by the following method.

ウオーターズ社製150C ALC/GPC(カラム:東ソー(株)製GMHHR−H(S)、溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン)を使用して、ゲルパーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)法により、重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)を測定する。なお、東ソー(株)製標準ポリスチレンを用いて、ユニバーサルキャリブレーション法によりカラム溶出体積は校正する。   By using 150C ALC / GPC manufactured by Waters (column: GMHHR-H (S) manufactured by Tosoh Corporation, solvent: 1,2,4-trichlorobenzene), by gel permeation chromatography (GPC) method, The weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn) are measured. In addition, the column elution volume is calibrated by the universal calibration method using Tosoh Corporation standard polystyrene.

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。   Purification according to molecular weight can also be performed by preparative gel permeation chromatography (GPC).

本発明に係る部分構造を有する化合物に占める本発明に係る部分構造(一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される部分構造)の割合は、当該化合物に対して概ね20〜80質量%が好ましく25〜60質量%が特に好ましい。本発明においては、当該化合物は、上記のような高分子量の化合物であることが好ましいが、この場合部分構造を繰り返し単位として有し、この部分構造以外の繰り返し単位を含めた化合物全体に対して、30〜50モル%の範囲で含有することが好ましい。   The ratio of the partial structure according to the present invention (the partial structure represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D)) in the compound having the partial structure according to the present invention is generally 20 to 80 mass% is preferable and 25-60 mass% is especially preferable. In the present invention, the compound is preferably a high molecular weight compound as described above. In this case, the compound has a partial structure as a repeating unit, and the entire compound including a repeating unit other than the partial structure is used. , Preferably in the range of 30 to 50 mol%.

以下に、一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される部分構造を有する化合物の例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。   Although the example of the compound which has the partial structure represented by General formula (1) and (2A)-(2D) below is given, this invention is not limited to these.

Figure 2012234877
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上記化合物に置いて、本発明に係る部分構造の数は前述の分子量の範囲に入るような値となれば十分であるが、例えば数平均分子量10000〜100000の範囲に入るためには、およそ10〜200程度である必要がある。   In the above compound, it is sufficient that the number of partial structures according to the present invention is a value that falls within the range of the molecular weight described above. For example, in order to fall within the range of the number average molecular weight of 10,000 to 100,000, about 10 It needs to be about ~ 200.

〔本発明に係る化合物の合成方法〕
本発明に係る化合物のうち、一般式(1)で表される部分構造を有する化合物は、Chemistry−A European Journal,2006,p1244、及びSynthesis 2004,p23、J.Org.Chem.,1986,p230等を参考として合成することができる。
[Method for Synthesizing Compound According to the Present Invention]
Among the compounds according to the present invention, compounds having a partial structure represented by the general formula (1) include Chemistry-A European Journal, 2006, p1244, and Synthesis 2004, p23, J. Org. Org. Chem. , 1986, p230 and the like.

また、本発明に係る化合物のうち、一般式(2A)で表される部分構造を有する化合物は、J.Org.Chem.,1972,p1712、Tetrahedron (2010)、p9560等を参考として合成することができる。   Of the compounds according to the present invention, compounds having a partial structure represented by the general formula (2A) are disclosed in J. Pat. Org. Chem. , 1972, p1712, Tetrahedron (2010), p9560 and the like.

また、本発明に係る化合物のうち、一般式(2B)で表される部分構造を有する化合物は、J.Chem.Res.,1996,p1285、J.Org.Chem.,2002,p9275、J.Chem.Res.,1996,p1285等を参考として合成することができる。   Of the compounds according to the present invention, compounds having a partial structure represented by the general formula (2B) are disclosed in J. Org. Chem. Res. 1996, p1285, J.A. Org. Chem. , 2002, p9275, J. et al. Chem. Res. , 1996, p1285, etc.

また、本発明に係る化合物のうち、一般式(2C)、(2D)で表される部分構造を有する化合物は、Chem.Commun.,2005,p1161等を参考としてジブロモ体を合成した後、J.Org.Chem.,1972,p1712にそってBrを青酸銅でシアノ化することで合成することができる。   Of the compounds according to the present invention, compounds having partial structures represented by the general formulas (2C) and (2D) are disclosed in Chem. Commun. , 2005, p1161, etc., and a dibromo compound was synthesized. Org. Chem. , 1972, p1712, and can be synthesized by cyanating Br with copper cyanide.

〔合成例〕
以下、本発明の有機光電変換素子用化合物の合成例を記載する。
(Synthesis example)
Hereafter, the synthesis example of the compound for organic photoelectric conversion elements of this invention is described.

(例示化合物15)   (Exemplary Compound 15)

Figure 2012234877
Figure 2012234877

Tetrahedron (2010),p9560に従って、2,5−ジブロモ−3,4−ジシアノチオフェンを合成した。また、ビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−エチルヘキシル−シリレン−2,2′−ジチオフェンを、特表2010−507233号公報を参考として合成した。   2,5-Dibromo-3,4-dicyanothiophene was synthesized according to Tetrahedron (2010), p9560. Further, bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-ethylhexyl-silylene-2,2′-dithiophene was synthesized with reference to JP-T-2010-507233.

上記2,5−ジブロモ−3,4−ジシアノチオフェン146mg(0.5mmol)と、ビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−エチルヘキシル−シリレン−2,2′−ジチオフェン372mg(0.5mmol)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(0.014mmol)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(0.110mmol)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。さらにエンドキャップを行うため、2−トリブチル錫チオフェン(11mg、0.03mmol)を添加し、10時間還流した。さらに2−ブロモチオフェン(10mg、0.06mmol)を添加し、10時間還流した。反応完了後、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。   146 mg (0.5 mmol) of the above 2,5-dibromo-3,4-dicyanothiophene and bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-ethylhexyl-silylene-2,2′- 372 mg (0.5 mmol) of 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. Furthermore, in order to perform an end cap, 2-tributyltin thiophene (11 mg, 0.03 mmol) was added and refluxed for 10 hours. Further 2-bromothiophene (10 mg, 0.06 mmol) was added and refluxed for 10 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3), and then washed 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の膜を介してろ過した。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。高分子量の分画を集めて100mgの純粋なポリマー(Mn=20000)(例示化合物15)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 fractions were collected to obtain 100 mg of a pure polymer (Mn = 20000) (Exemplary Compound 15).

(例示化合物16)   (Exemplary Compound 16)

Figure 2012234877
Figure 2012234877

J.Chem.Res.,1996,p1285に従って合成した、3,3′−ジシアノ−2,2′−ビチオフェン2.16g(10mmol)を窒素雰囲気下で脱水THF100mlに溶解させ、ドライアイス−メタノール浴に浸漬して−78℃とした後、東京化成社製2.0Mリチウムジイソプロピルアミド25%テトラヒドロフラン/エチルベンゼン/ヘプタン溶液30ml(60mmol)を滴下し、15分撹拌した後、室温まで昇温して1時間撹拌を行った後、再び−78℃に冷却し、臭素7.2g(45mmol)を滴下し、−78℃で2時間撹拌を続け、次いで室温で一昼夜撹拌した。   J. et al. Chem. Res. , 1996, p1285, 2.16 g (10 mmol) of 3,3′-dicyano-2,2′-bithiophene was dissolved in 100 ml of dehydrated THF under a nitrogen atmosphere and immersed in a dry ice-methanol bath at −78 ° C. Then, 30 ml (60 mmol) of a 2.0M lithium diisopropylamide 25% tetrahydrofuran / ethylbenzene / heptane solution manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. was added dropwise, stirred for 15 minutes, then warmed to room temperature and stirred for 1 hour. The mixture was cooled again to −78 ° C., 7.2 g (45 mmol) of bromine was added dropwise, stirring was continued at −78 ° C. for 2 hours, and then stirred at room temperature overnight.

飽和塩化アンモニウム水溶液50mlを添加して水洗し、有機層を塩化メチレンで抽出し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、溶媒を留去して粗製物を得た。得られた粗製物はシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘプタン:酢酸エチル=9:1〜3:1)で精製し、例示化合物16−1を2.06g(収率55%)得た。   After adding 50 ml of saturated aqueous ammonium chloride solution and washing with water, the organic layer was extracted with methylene chloride and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off to obtain a crude product. The obtained crude product was purified by silica gel column chromatography (heptane: ethyl acetate = 9: 1 to 3: 1) to obtain 2.06 g (yield 55%) of Exemplary Compound 16-1.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物16−1を187mg(0.5mmol)、ビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−エチルヘキシル−シリレン−2,2′−ジチオフェン372mg(0.5mmol)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(0.014mmol)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(0.110mmol)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。さらにエンドキャップを行うため、2−トリブチル錫チオフェン(11mg、0.03mmol)を添加し、10時間還流した。さらに2−ブロモチオフェン(10mg、0.06mmol)を添加し、10時間還流した。反応完了後、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。   187 mg (0.5 mmol) of the above exemplified compound 16-1 and 372 mg (0.5 mmol) of bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-ethylhexyl-silylene-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. Furthermore, in order to perform an end cap, 2-tributyltin thiophene (11 mg, 0.03 mmol) was added and refluxed for 10 hours. Further 2-bromothiophene (10 mg, 0.06 mmol) was added and refluxed for 10 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3), and then washed 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の膜を介してろ過した。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。高分子量の分画を集めて70mgの純粋なポリマー(Mn=15000)(例示化合物16)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 fractions were collected to obtain 70 mg of a pure polymer (Mn = 15000) (Exemplary Compound 16).

(例示化合物18)   (Exemplary Compound 18)

Figure 2012234877
Figure 2012234877

東京化成製3,6−ジブロモ−チエノ[3,2−b]チオフェン600mg(2mmol)、シアン化銅540mg(6mmol)とをDMF10mlに溶解し、140℃で一昼夜撹拌した。反応終了後、反応溶液を水100mlに注いで析出した結晶をろ取した。得られた結晶をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し、例示化合物18−1を250mg(収率66%)得た。   Tokyo Chemical Co., Ltd. 3,6-dibromo-thieno [3,2-b] thiophene 600 mg (2 mmol) and copper cyanide 540 mg (6 mmol) were dissolved in DMF 10 ml and stirred at 140 ° C. overnight. After completion of the reaction, the reaction solution was poured into 100 ml of water, and the precipitated crystals were collected by filtration. The obtained crystals were purified by silica gel column chromatography to obtain 250 mg (yield 66%) of Exemplary Compound 18-1.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

例示化合物18−1を250mg(1.3mmol)を窒素雰囲気下で脱水THF25mlに溶解させ、ドライアイス−メタノール浴に浸漬して−78℃とした後、東京化成製2.0Mリチウムジイソプロピルアミド25%テトラヒドロフラン/エチルベンゼン/ヘプタン溶液3.8ml(7.6mmol)を滴下し、15分撹拌した後、室温まで昇温して1時間撹拌を行った後、再び−78℃に冷却し、臭素1.0g(6.3mmol)を滴下し、−78℃で2時間撹拌を続け、次いで室温で一昼夜撹拌した。   250 mg (1.3 mmol) of Exemplified Compound 18-1 was dissolved in 25 ml of dehydrated THF under a nitrogen atmosphere, immersed in a dry ice-methanol bath to −78 ° C., and then 2.0M lithium diisopropylamide 25% manufactured by Tokyo Chemical Industry. A tetrahydrofuran / ethylbenzene / heptane solution (3.8 ml, 7.6 mmol) was added dropwise, and the mixture was stirred for 15 minutes, then warmed to room temperature and stirred for 1 hour, then cooled to -78 ° C again, and bromine 1.0 g (6.3 mmol) was added dropwise, and stirring was continued at -78 ° C for 2 hours, and then at room temperature overnight.

飽和塩化アンモニウム水溶液50mlを添加して水洗し、有機層を塩化メチレンで抽出し、硫酸マグネシウムで乾燥させたのち、溶媒を留去して粗製物を得た。得られた粗製物はシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘプタン:酢酸エチル=9:1〜3:1)で精製し、例示化合物18−2を180mg(収率40%)得た。   After adding 50 ml of saturated aqueous ammonium chloride solution and washing with water, the organic layer was extracted with methylene chloride and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off to obtain a crude product. The obtained crude product was purified by silica gel column chromatography (heptane: ethyl acetate = 9: 1 to 3: 1) to obtain 180 mg (yield 40%) of Exemplary Compound 18-2.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物18−2を174mg(0.5mmol)、ビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−エチルヘキシル−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(0.014mmol)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(0.110mmol)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。さらにエンドキャップを行うため、2−トリブチル錫チオフェン(11mg、0.03mmol)を添加し、さらに10時間還流した。さらに2−ブロモチオフェン(10mg、0.06mmol)を添加し、さらに10時間還流した。反応完了後、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。   174 mg (0.5 mmol) of the above exemplary compound 18-2, 372 mg (0.5 mmol) of bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-ethylhexyl-silylene-2,2′-dithiophene Were 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. In order to further end-cap, 2-tributyltin thiophene (11 mg, 0.03 mmol) was added and refluxed for another 10 hours. Further 2-bromothiophene (10 mg, 0.06 mmol) was added and refluxed for an additional 10 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3), and then washed 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の膜を介してろ過した。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。高分子量の分画を集めて70mgの純粋なポリマー(Mn=22000)(例示化合物18)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 fractions were collected to obtain 70 mg of a pure polymer (Mn = 22000) (Exemplary Compound 18).

(例示化合物23)   (Exemplary Compound 23)

Figure 2012234877
Figure 2012234877

2−ブロモ−3−テトラデシルチオフェン3.6g(10mmol)を窒素雰囲気下で脱水THF100mlに溶解させ、ドライアイス−メタノール浴に浸漬して−78℃としたのち、東京化成社製1.6M n−ブチルリチウム溶液10ml(16mmol)を滴下し、15分撹拌した後、室温まで昇温して1時間撹拌を行った後、再び−78℃に冷却し、塩化トリメチルスズ4.0g(20mmol)をヘプタン20mlに溶解した溶液を滴下し、−78℃で2時間撹拌を続け、次いで室温で一昼夜撹拌した。   After dissolving 3.6 g (10 mmol) of 2-bromo-3-tetradecylthiophene in 100 ml of dehydrated THF under a nitrogen atmosphere and dipping in a dry ice-methanol bath to −78 ° C., 1.6 M n manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. -10 ml (16 mmol) of butyllithium solution was added dropwise and stirred for 15 minutes. After warming to room temperature and stirring for 1 hour, the mixture was cooled to -78 ° C again, and 4.0 g (20 mmol) of trimethyltin chloride was added. A solution dissolved in 20 ml of heptane was dropped, and stirring was continued at −78 ° C. for 2 hours, and then stirred overnight at room temperature.

飽和塩化アンモニウム水溶液50mlを添加して水洗し、有機層を塩化メチレンで抽出し、硫酸マグネシウムで乾燥させたのち、溶媒を留去して粗製物を得た。得られた粗製物は、事前にトリエチルアミンで処理したシリカゲルを用いたシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘプタン100%)によって精製し、例示化合物23−1を3.6g(収率80%)得た。   After adding 50 ml of saturated aqueous ammonium chloride solution and washing with water, the organic layer was extracted with methylene chloride and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off to obtain a crude product. The obtained crude product was purified by silica gel column chromatography (heptane 100%) using silica gel previously treated with triethylamine to obtain 3.6 g (yield 80%) of Exemplary Compound 23-1.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物23−1を2.2g(5mmol)、前記例示化合物18−2を1.74g(5mmol)とを100ml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、125.5mg(0.14mmol)のトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)と、288mg(1.10mmol)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シリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘプタン:酢酸エチル=10:0〜8:2)で精製し、例示化合物23−2を2.7g(収率72%)得た。   2.2 g (5 mmol) of Exemplified Compound 23-1 and 1.74 g (5 mmol) of Exemplified Compound 18-2 were dissolved in 100 ml of anhydrous toluene. After purging the solution with nitrogen, 125.5 mg (0.14 mmol) of tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (0) and 288 mg (1.10 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 residue obtained by distilling off the solvent was purified by silica gel column chromatography (heptane: ethyl acetate = 10: 0 to 8: 2) to obtain 2.7 g of Exemplified Compound 23-2 (yield 72). %)Obtained.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物23−2を2.7g(3.6mmol)をクロロホルム50mlに溶解し、室温でN−ブロモスクシンイミド1.28g(7.2mmol)を添加して一昼夜撹拌を行った。反応終了後、水洗して有機層を抽出し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥させた後、溶媒を留去して粗製物を得た。得られた粗製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘプタン:酢酸エチル=10:0〜8:2)で精製し、例示化合物23−3を3.0g得た(収率92%)。   2.7 g (3.6 mmol) of the exemplified compound 23-2 was dissolved in 50 ml of chloroform, and 1.28 g (7.2 mmol) of N-bromosuccinimide was added at room temperature, followed by stirring all day and night. After completion of the reaction, the organic layer was extracted by washing with water. The organic layer was dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off to obtain a crude product. The obtained crude product was purified by silica gel column chromatography (heptane: ethyl acetate = 10: 0 to 8: 2) to obtain 3.0 g of Exemplified Compound 23-3 (yield 92%).

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物23−3を453mg(0.5mmol)、ビス−(5,5′−トリメチルスタンニル)−3,3′−ジ−エチルヘキシル−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(0.014mmol)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(0.110mmol)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。さらにエンドキャップを行うため、2−トリブチル錫チオフェン(11mg、0.03mmol)を添加し、10時間還流した。さらに2−ブロモチオフェン(10mg、0.06mmol)を添加し、10時間還流した。反応完了後、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。   453 mg (0.5 mmol) of the above exemplified compound 23-3 and 372 mg (0.5 mmol) of bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di-ethylhexyl-silylene-2,2′-dithiophene Were 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. Furthermore, in order to perform an end cap, 2-tributyltin thiophene (11 mg, 0.03 mmol) was added and refluxed for 10 hours. Further 2-bromothiophene (10 mg, 0.06 mmol) was added and refluxed for 10 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3), and then washed 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の膜を介してろ過した。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。高分子量の分画を集めて140mgの純粋なポリマー(Mn=28000)(例示化合物23)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 fractions were collected to obtain 140 mg of a pure polymer (Mn = 28000) (Exemplary Compound 23).

(例示化合物36)   (Exemplary Compound 36)

Figure 2012234877
Figure 2012234877

上記例示化合物23−3を453mg(0.5mmol)、2,6−ビス(トリメチル錫)−4,8−ジドデシロキシベンゾ[1,2−b:4,5−b′]ジチオフェン303mg(0.5mmol)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(0.014mmol)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(0.110mmol)のトリフェニルホスフィンを加えた。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。さらにエンドキャップを行うため、2−トリブチル錫チオフェン(11mg、0.03mmol)を添加し、10時間還流した。さらに2−ブロモチオフェン(10mg、0.06mmol)を添加し、10時間還流した。反応完了後、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。   453 mg (0.5 mmol) of the above exemplified compound 23-3, 303 mg of 2,6-bis (trimethyltin) -4,8-didodecyloxybenzo [1,2-b: 4,5-b ′] dithiophene (0 0.5 mmol) was dissolved in 20 ml of anhydrous toluene. After purging this 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. Furthermore, in order to perform an end cap, 2-tributyltin thiophene (11 mg, 0.03 mmol) was added and refluxed for 10 hours. Further 2-bromothiophene (10 mg, 0.06 mmol) was added and refluxed for 10 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the resulting residue was washed with methanol (50 ml × 3), and then washed 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の膜を介してろ過した。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。高分子量の分画を集めて110mgの純粋なポリマー(Mn=43000)(例示化合物36)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 fractions were collected to obtain 110 mg of a pure polymer (Mn = 43000) (Exemplary Compound 36).

〔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型有機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型有機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 organic semiconductor material used for the photoelectric conversion layer according to the present invention is not particularly limited. For example, perfluoro compounds (perfluorocarbons such as fullerene, octaazaporphyrin, etc.) in which hydrogen atoms of a p-type organic semiconductor are substituted with fluorine atoms. Fluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized products thereof Examples thereof include polymer compounds.

この中でもn型有機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。   Among these, as the n-type organic semiconductor material, a fullerene derivative that can efficiently perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (up to 50 femtoseconds) is preferable.

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。 Fullerene derivatives include fullerene C 60 , fullerene C 70 , fullerene C 76 , fullerene C 78 , fullerene C 84 , fullerene C 240 , fullerene C 540 , mixed fullerene, fullerene nanotube, multi-wall nanotube, single-wall nanotube, nanohorn (cone Type), etc., and some of these are hydrogen atoms, halogen atoms, substituted or unsubstituted alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups, cycloalkyl groups, silyl groups, ether groups, thioether groups, The fullerene derivative substituted by the amino group, the silyl group, etc. can be mentioned.

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 C 61 -butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM) represented by the following structural formula, [6,6] -phenyl C 61 -butyric acid-n-butyl ester ( PCBnB), [6,6] - phenyl C 61 - butyric acid - isobutyl ester (PCBiB), [6,6] - phenyl C 61 - 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), C 60 MC12 described in p203504, etc. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility as described below.

Figure 2012234877
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〔光電変換層の形成方法〕
p型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含有する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。
[Method for forming photoelectric conversion layer]
Examples of a method for forming a photoelectric conversion layer containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method).

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。   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.

このような溶液塗布法で塗布する場合には、少なくとも光電変換層塗布液にはp型半導体材料、n型半導体材料、及び溶剤の3種で構成される塗布液を用いる必要がある。溶剤としては、溶質となるp型半導体材料及びn型半導体材料の両方を溶解可能な溶媒が好ましい。このような溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン等の芳香族系溶媒、及びクロロホルム、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン系溶媒が好ましい。   When coating by such a solution coating method, it is necessary to use a coating liquid composed of three types of p-type semiconductor material, n-type semiconductor material, and solvent at least for the photoelectric conversion layer coating liquid. As the solvent, a solvent capable of dissolving both the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material which are solutes is preferable. As such a solvent, for example, aromatic solvents such as toluene, xylene and tetralin, and halogen solvents such as chloroform, dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene and trichlorobenzene are preferable.

これらの溶媒に対する溶質のトータル濃度は、得たい膜厚及び製膜方法によって異なるが、スピンコート法及びブレードコート法においては約1〜3質量%とすることが好ましい。より好ましくは1.5〜2.5質量%である。このような溶解量とすることで、代表的な製膜法であるスピンコート法及びブレードコート法で約150〜300nm程度の膜厚の光電変換層を形成することができる。   The total concentration of the solute in these solvents varies depending on the film thickness to be obtained and the film forming method, but is preferably about 1 to 3% by mass in the spin coating method and the blade coating method. More preferably, it is 1.5-2.5 mass%. By setting it as such melt | dissolution amount, the photoelectric converting layer of a film thickness of about 150-300 nm can be formed with the spin coat method and the blade coat method which are typical film forming methods.

このうち、溶質であるp型半導体とn型半導体の質量比は例えば、1:4〜4:1と任意の値を使用することができるが、実際には1:1〜1:2程度の値とする方が好ましい。   Among these, the mass ratio of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor, which are solutes, can be any value, for example, 1: 4 to 4: 1, but is actually about 1: 1 to 1: 2. A value is preferred.

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。   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.

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。   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.

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。   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、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料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、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。塗布後に不溶化できるp型半導体材料としては、例えば、Technical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第2003/136964号、及び特開2008−16834号等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)ポルフィリン化合物等を挙げることができる。また、塗布後に不溶化できるn型半導体材料としては、例えばAdv.Mater.,vol.20(2008),p2116に記載のフェニル−C61−酪酸グリシジル(PCBG)、等を挙げることができる。   The photoelectric conversion layer may be composed of a single layer in which a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material are uniformly mixed. It may be configured. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after application. As a p-type semiconductor material that can be insolubilized after coating, for example, the coating film is polymerized after coating, such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. A material that can be insolubilized by crosslinking, or a soluble substituent reacts and insolubilizes by applying energy such as heat as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964 and JP-A-2008-16834 And porphyrin compounds to be pigmented. Examples of the n-type semiconductor material that can be insolubilized after application include Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, phenyl-C61-glycidyl butyrate (PCBG), and the like.

〔電子輸送層〕
本発明の有機光電変換素子は、光電変換層とカソード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)
In the organic photoelectric conversion element of the present invention, since an electron transport layer is formed between the photoelectric conversion layer and the cathode, it is possible to more efficiently extract charges generated in the photoelectric conversion layer. It is preferable to have.

本発明においては、第一の電極がカソードである場合に特に好ましく適用できる。   The present invention can be particularly preferably applied when the first electrode is a cathode.

電子輸送層とは、このようにカソードとバルクへテロジャンクション層の中間に位置して、バルクへ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。   The electron transport layer is a layer that is positioned between the cathode and the bulk heterojunction layer and can transfer electrons between the bulk heterojunction layer and the electrode more efficiently. is there.

より具体的には、バルクへテロジャンクション型の光電変換層のn型半導体材料のLUMO準位とカソード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。   More specifically, a compound having an LUMO level intermediate between the LUMO level of the n-type semiconductor material of the bulk heterojunction photoelectric conversion layer and the work function of the cathode is suitable as the electron transporting layer.

より好ましくは、電子移動度が10−4以上の化合物である。 More preferably, it is a compound having an electron mobility of 10 −4 or more.

電子輸送層の中には、バルクへテロジャンクション型の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、バルクへテロジャンクション層で生成した正孔をカソード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。   In the electron transport layer, the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor material used for the bulk hetero junction type photoelectric conversion layer was formed in the bulk hetero junction layer. A hole blocking function having a rectifying effect that prevents holes from flowing to the cathode side is provided.

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。 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カソード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。   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、光電変換層とアノード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 extract charges generated in the photoelectric conversion layer more efficiently. It is preferable.

本発明においては、第二の電極が正孔輸送層である場合に好ましく適用できる。   The present invention is preferably applicable when the second electrode is a hole transport layer.

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、等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アノード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 a doping material thereof, 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〕
本発明の有機光電変換素子の構成としては、光電変換効率の向上や、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。
[Other layers]
As a structure of the organic photoelectric conversion element of this invention, it is good also as a structure which has various intermediate | middle layers in an element for the purpose of the improvement of a photoelectric conversion efficiency, and the improvement of element lifetime.

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、波長変換層等を挙げることができる。   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、第一の電極と第二の電極を有するが、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。
〔electrode〕
The organic photoelectric conversion element of the present invention has the first electrode and the second electrode. When the tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using the intermediate electrode.

本発明において、第一の電極は、透明な電極である。   In the present invention, the first electrode is a transparent electrode.

透明な、とは、光透過率が50%以上であるものをいう。   “Transparent” means that the light transmittance is 50% or more.

光透過率とは、JIS K 7361−1(ISO 13468−1に対応)の「プラスチック−透明材料の全光線透過率の試験方法」に準拠した方法で測定した可視光波長領域における全光線透過率をいう。   The light transmittance is the total light transmittance in the visible light wavelength region measured by a method according to “Testing method of total light transmittance of plastic-transparent material” of JIS K 7361-1 (corresponding to ISO 13468-1). Say.

本発明の第一の電極は、前述のように透明なカソード(陰極)であり、第二の電極はアノード(陽極)であることが好ましい。   As described above, the first electrode of the present invention is preferably a transparent cathode (cathode), and the second electrode is preferably an anode (anode).

〔第一の電極(透明なカソード)〕
本発明の第一の電極に用いられる材料としては、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。
[First electrode (transparent cathode)]
Examples of the material used for the first electrode of the present invention include transparent metal oxides such as indium tin oxide (ITO), AZO, FTO, SnO 2 , ZnO, and titanium oxide, Ag, Al, Au, and Pt. A very thin metal layer, a metal nanowire, a nanowire such as a carbon nanotube or a layer containing nanoparticles, a conductive polymer material such as PEDOT: PSS, polyaniline, or 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.

〔第二の電極(アノード)〕
第二の電極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。
[Second electrode (anode)]
The second electrode may be a single conductive material layer, 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型の光電変換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, which is the cathode, is approximately −5.0 to −4.0 eV, the built-in potential is necessary for the carriers generated in the bulk heterojunction photoelectric conversion layer to diffuse and reach each electrode. That is, it is preferable that the work function difference between the anode and the cathode 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.

カソ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 cathode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.

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アノード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、光透過性アノードとすることができる。   In addition, when the anode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the anode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is made thin with a film thickness of about 1 to 20 nm, and then the transparent electrode A light-transmitting anode can be obtained by providing the conductive light-transmitting material film mentioned in the description.

なお上記は耐久性向上に有利な、いわゆる逆層型素子とするための第2の電極材料に好ましい材料を記載したが、いわゆる順層型(第1の電極がアノードで第2の電極がカソード)とするためには、前述のように第1電極と第2の電極の仕事関数の関係を逆転させればよいが、実質的に透明な電極は種類が限られておりその仕事関数は比較的深いものが多いため、実際には第2の電極側に仕事関数の浅い(−4.0eV未満)金属を使用することで順層型の有機薄膜太陽電池とすることができる。そのような金属としては、たとえば、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カリウム等である。一般的には反射率が高く導電性の高いアルミニウムが使用される。   In the above description, preferred materials for the second electrode material for making a so-called reverse layer type element, which is advantageous for improving durability, have been described. ), The relationship between the work functions of the first electrode and the second electrode may be reversed as described above, but the types of substantially transparent electrodes are limited, and the work functions are compared. In many cases, a deep layer organic thin film solar cell can be obtained by using a metal having a shallow work function (less than −4.0 eV) on the second electrode side. Examples of such metal include aluminum, calcium, magnesium, lithium, sodium, potassium, and the like. In general, aluminum having high reflectivity and high conductivity is used.

〔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、前記アノード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]
Further, the material of the intermediate electrode required in the case of the tandem configuration 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〕
本発明において、基板は透明な基板であるが、透明な、とは前述の電極の記載と同様の意味を有する。
〔substrate〕
In the present invention, the substrate is a transparent substrate, and the term “transparent” has the same meaning as described above for the electrodes.

基板としては、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。   As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate, and the like are preferably exemplified, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of lightness 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、カソード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等を設けてもよい。
(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, a light diffusing layer that can scatter the 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、酸化錫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 of adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

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

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

また、光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤ等を無色透明なポリマーに分散した層等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〕
本発明に係る各々の電極、光電変換層や、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 each electrode, photoelectric conversion layer, hole transport layer, 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.

電極材料等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したりすることができる。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 subjected to mask vapor deposition during vacuum deposition or patterned by a known method such as etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

〔太陽電池〕
本発明の太陽電池は、上記の有機光電変換素子を有する。
[Solar cell]
The solar cell of this invention has said organic photoelectric conversion element.

本発明の太陽電池は、上記有機光電変換素子を具備し、太陽光に最適の設計並びに回路設計が行われ、太陽光を光源として用いたときに最適な光電変換が行われるような構造を有する。   The solar cell of the present invention comprises the above-described organic photoelectric conversion element, has a structure in which optimum design and circuit design are performed for sunlight, and optimum photoelectric conversion is performed when sunlight is used as a light source. .

即ち、光電変換層に太陽光が照射されうる構造となっており、本発明の太陽電池を構成する際には、前記光電変換層及び各々の電極をケース内に収納して封止するか、あるいはそれら全体を樹脂封止することが好ましい。   That is, the photoelectric conversion layer has a structure that can be irradiated with sunlight, and when the solar cell of the present invention is configured, the photoelectric conversion layer and each electrode are housed in a case and sealed, Alternatively, it is preferable to seal them entirely with resin.

封止の方法としては、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等で公知の手法によって封止することが好ましい。   As a sealing method, since the produced organic photoelectric conversion element is not deteriorated by oxygen, moisture, etc. in the environment, it is preferable to seal not only the organic photoelectric conversion element but also an organic electroluminescence element by a known method. .

例えば、アルミまたはガラスで出来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
〔有機光電変換素子の作製〕
(有機光電変換素子1の作製)
特開2009−146981号公報を参考として、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]
(Preparation of organic photoelectric conversion element 1)
With reference to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-146981, a reverse layer type organic photoelectric conversion element was produced.

ガラス基板上に、インジウム・錫酸化物(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 13Ω / □) 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150mmol/L(リットル)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 mmol / L (liter) 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. A predetermined pattern was wiped off.

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(150mmol/L)に調整し、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 mmol / L) using methoxyethanol to obtain a TiO x precursor. 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%)溶解した液を調製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけた溶液をブレードコーターで塗布し、100℃で30分乾燥後、乾燥膜厚220nmの光電変換層を得た。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. A solution in which 0.9% by mass of Comparative Compound 1 as a p-type semiconductor material and 0.9% by mass (total solid concentration 1.8% by mass) of PCBM (manufactured by Frontier Carbon, Nano Spectra E100H) as an n-type semiconductor material The solution filtered through a 0.45 μm filter was applied with a blade coater and dried at 100 ° C. for 30 minutes to obtain a photoelectric conversion layer having a dry film thickness of 220 nm. 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)をブレードコートして風乾し、乾燥膜厚30nmの正孔輸送層を成膜した。   Next, an organic solvent-based PEDOT: PSS dispersion (Enocoat HC200, manufactured by Kaken Sangyo) was blade coated on the organic semiconductor layer and air-dried to form a hole transport layer having a dry film thickness of 30 nm.

次に、導電性ポリマー層の上に銀電極層を膜厚約200nmになるように真空蒸着を行った後に、120℃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、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、有機光電変換素子1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 200 nm, a heat treatment is performed at 120 ° C. for 10 minutes, whereby the reverse layer type organic photoelectric conversion element is obtained. Prepared and bonded with a relief printing transparent barrier film GX (water vapor transmission rate 0.05 g / m 2 / d) using a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere. After sealing, the organic photoelectric conversion element 1 was produced by taking it out into the atmosphere.

(有機光電変換素子2〜13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)に代えた以外は同様にして有機光電変換素子2〜13を得た。
(Preparation of organic photoelectric conversion elements 2 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 Table 1 (the total solid content concentration is fixed at 1.8% by mass). The organic photoelectric conversion elements 2 to 13 were obtained in the same manner except for the above.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

〔有機光電変換素子の評価〕
(光電変換効率の評価)
上記作製した有機光電変換素子に、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9.0mm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 organic photoelectric conversion elements]
(Evaluation of photoelectric conversion efficiency)
The organic photoelectric conversion device 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 9.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc 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 average values were 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
評価の結果を表1に示す。
Formula 1 η (%) = Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

表中のp:nは、p型半導体(ポリマー)とn型半導体(PCBM)の質量比を表す。   In the table, p: n represents the mass ratio of the p-type semiconductor (polymer) and the n-type semiconductor (PCBM).

表1から、本発明の化合物を用いた逆層型の有機光電変換素子は、比較の化合物を用いた有機光電変換素子より高い光電変換効率を示すことが分かる。   Table 1 shows that the reverse layer type organic photoelectric conversion element using the compound of the present invention exhibits higher photoelectric conversion efficiency than the organic photoelectric conversion element using the comparative compound.

実施例2
〔有機光電変換素子の作製〕
(有機光電変換素子2′の作製)
実施例1で作製した有機光電変換素子2と同様の素材及び組成を用いて、以下のような順層型の有機光電変換素子を作製した。
Example 2
[Production of organic photoelectric conversion element]
(Preparation of organic photoelectric conversion element 2 ')
Using the same material and composition as those of the organic photoelectric conversion element 2 prepared in Example 1, the following normal layer type organic photoelectric conversion element was prepared.

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。   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、前記比較化合物2を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 the comparative compound 2 and 0.9% by mass of PCBM as an n-type semiconductor material are dissolved in chlorobenzene to prepare 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2′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, heating was performed at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a comparative organic photoelectric conversion element 2 ′. 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2′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 2 ′ was prepared by using a UV curable resin (manufactured by Nagase Chemtex Co., Ltd., UV RESIN XNR5570-B1) under a nitrogen atmosphere and a relief barrier film GX (water vapor transmission rate 0.05 g / m 2 / d) and sealed and taken out to the atmosphere.

(有機光電変換素子6′の作製)
上記有機光電変換素子2′の作製において、p型半導体材料として、比較化合物2の代わりに例示化合物23を用い、他は同様にして順層型の有機光電変換素子6′を作製した。
(Preparation of organic photoelectric conversion element 6 ')
In the production of the organic photoelectric conversion element 2 ', a normal layer type organic photoelectric conversion element 6' was produced in the same manner except that the exemplified compound 23 was used instead of the comparative compound 2 as the p-type semiconductor material.

〔有機光電変換素子の作製〕
(光電変換効率の評価)
上記作製した有機光電変換素子及び実施例1で作製した有機光電変換素子2、3について、実施例1と同様にして、短絡電流密度Jsc(mA/cm)、開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを求め、光電変換効率η(%)を算出した。
[Production of organic photoelectric conversion element]
(Evaluation of photoelectric conversion efficiency)
About the produced organic photoelectric conversion element and the organic photoelectric conversion elements 2 and 3 produced in Example 1, as in Example 1, the short-circuit current density Jsc (mA / cm 2 ), the open circuit voltage Voc (V), and the curve A factor (fill factor) FF was determined, and the photoelectric conversion efficiency η (%) was calculated.

(耐久性の評価)
温度80℃、湿度80%に保持した容器内に保存し、定期的に取り出して電圧−電流特性を測定し、初期の光電変換効率を100として、初期の光電変換効率の80%にまで低下する時間をLT80として評価した。
(Durability evaluation)
Store in a container kept at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 80%, periodically take out and measure the voltage-current characteristics, and reduce the initial photoelectric conversion efficiency to 80% of the initial photoelectric conversion efficiency, assuming 100 as the initial photoelectric conversion efficiency. Time was evaluated as LT80.

評価の結果を表2に示す。   The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 2012234877
Figure 2012234877

表2において有機光電変換素子2及び6を比較すると、本発明の化合物23を用いた有機光電変換素子6の方が、耐久性が高いことが分かる。また、有機光電変換素子6及び6′においてLT80を比較すると、前者の値が、後者の値に比べて大きく、逆層型の有機光電変換素子において、特に耐久性が高いことが分かる。   When comparing the organic photoelectric conversion elements 2 and 6 in Table 2, it can be seen that the organic photoelectric conversion element 6 using the compound 23 of the present invention has higher durability. Further, when LT80 is compared in the organic photoelectric conversion elements 6 and 6 ', it can be seen that the former value is larger than the latter value, and the reverse layer type organic photoelectric conversion element has particularly high durability.

10 有機光電変換素子
11 基板
12 第一の電極
13 第二の電極
14 光電変換層
14′ 第一の光電変換層
15 電荷再結合層
16 第二の光電変換層
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Organic photoelectric conversion element 11 Board | substrate 12 1st electrode 13 2nd electrode 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 (9)

透明な基板上に、透明な第一の電極、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含有する光電変換層、及び第二の電極をこの順に有する有機光電変換素子であって、該光電変換層が、該p型有機半導体材料として下記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。
Figure 2012234877
(式中、Yは−CR=または−N=を表す。Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表し、縮合環構造であってもよい。)
An organic photoelectric conversion element having a transparent first electrode, a photoelectric conversion layer containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order on a transparent substrate, The photoelectric conversion layer contains a compound having a partial structure represented by the following general formula (1) as the p-type organic semiconductor material.
Figure 2012234877
(In the formula, Y 1 represents —CR 1 ═ or —N═. R 1 represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a hetero group. Represents an aryl group or a cyano group, and may be a condensed ring structure.)
前記一般式(1)で表される構造を有する化合物の数平均分子量が、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。   2. The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the compound 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)において、Yで表される基が−CR=であることを特徴とする請求項1または2に記載の有機光電変換素子。 In Formula (1), an organic photoelectric conversion element according to claim 1 or 2 groups represented by Y 1 is characterized in that it is a -CR 1 =. 前記一般式(1)で表される部分構造を有する化合物が、下記一般式(2A)、(2B)、(2C)または(2D)で表されるいずれかの部分構造を有する化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2012234877
(式中、A及びAは芳香族環または複素芳香族環を表し、m、nは0〜2の整数を表す。R〜Rは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはシアノ基を表す。)
The compound having a partial structure represented by the general formula (1) is a compound having any partial structure represented by the following general formula (2A), (2B), (2C) or (2D) The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein
Figure 2012234877
(In the formula, A 1 and A 2 represent an aromatic ring or a heteroaromatic ring, and m and n represent an integer of 0 to 2. R 2 to R 3 represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a fluorine atom. Represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group or a cyano group.)
前記p型有機半導体材料が、前記一般式(2C)で表される部分構造を有する化合物であることを特徴とする請求項4に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the p-type organic semiconductor material is a compound having a partial structure represented by the general formula (2C). 前記一般式(2C)において、mが0であることを特徴とする請求項4または5に記載の有機光電変換素子。   In the said General formula (2C), m is 0, The organic photoelectric conversion element of Claim 4 or 5 characterized by the above-mentioned. 前記p型有機半導体材料が、前記一般式(1)、(2A)〜(2D)で表される構造と、さらに下記一般式(3)で表される構造との共重合体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2012234877
(式中、Zはアルキル基で置換された炭素原子、窒素原子または珪素原子を表す。)
The p-type organic semiconductor material is a copolymer of a structure represented by the general formulas (1) and (2A) to (2D) and a structure represented by the following general formula (3). The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein
Figure 2012234877
(In the formula, Z represents a carbon atom, a nitrogen atom or a silicon atom substituted with an alkyl group.)
前記一般式(3)において、Zがアルキル基で置換されたケイ素であることを特徴とする請求項7に記載の有機光電変換素子。   In the said General formula (3), Z is the silicon substituted by the alkyl group, The organic photoelectric conversion element of Claim 7 characterized by the above-mentioned. 前記第一の電極がカソードであり、第二の電極がアノードである請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を具備することを特徴とする太陽電池。   The solar cell comprising the organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode.
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