JP2013091712A - Conjugated polymer compound and organic photoelectric conversion element using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共役系高分子化合物およびこれを用いた有機光電変換素子に関する。より詳しくは、本発明は、有機光電変換素子の光電変換効率を向上させるための技術に関する。 The present invention relates to a conjugated polymer compound and an organic photoelectric conversion device using the same. More specifically, the present invention relates to a technique for improving the photoelectric conversion efficiency of an organic photoelectric conversion element.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の削減が切に望まれている。また、近い将来、石油、石炭、および天然ガスなどの化石燃料が枯渇することが予想されており、これらに替わる地球に優しいエネルギー資源の確保が急務となっている。そこで、太陽光、風力、地熱、原子力など利用した発電技術の開発が盛んに行われているが、なかでも太陽光発電は、安全性の高さから特に注目されている。 In recent years, in order to cope with global warming, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired. In addition, fossil fuels such as oil, coal, and natural gas are expected to be depleted in the near future, and there is an urgent need to secure alternative earth-friendly energy resources. Therefore, development of power generation technology using sunlight, wind power, geothermal energy, nuclear power, and the like has been actively carried out. Among them, solar power generation is particularly attracting attention because of its high safety.
太陽光発電では、光起電力効果を利用した光電変換素子を用いて、光エネルギーを直接電力に変換する。光電変換素子は、一般的に、一対の電極の間に光電変換層(光吸収層)が挟持されてなる構造を有し、当該光電変換層において光エネルギーが電気エネルギーに変換される。光電変換素子は、光電変換層に用いられる材料や、素子の形態により、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いたシリコン系光電変換素子、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)等の化合物半導体を用いた化合物系光電変換素子、色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)などが提案・実用化されている。 In solar power generation, light energy is directly converted into electric power using a photoelectric conversion element utilizing the photovoltaic effect. Generally, a photoelectric conversion element has a structure in which a photoelectric conversion layer (light absorption layer) is sandwiched between a pair of electrodes, and light energy is converted into electric energy in the photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion element is a silicon-based photoelectric conversion element using single-crystal / polycrystalline / amorphous Si, GaAs, CIGS (copper (Cu), indium (In), depending on the material used for the photoelectric conversion layer and the form of the element. Compound-based photoelectric conversion elements using a compound semiconductor such as gallium (Ga) and selenium (Se)), dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells), and the like have been proposed and put to practical use.
しかしながら、これらの太陽電池を用いた場合の発電コストは、依然として化石燃料を用いて発電・送電する場合のコストと比較して高く、これが太陽光発電の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、屋根などに設置する場合に補強工事が必要であり、これらも発電コストを高騰させる一因であった。 However, the power generation cost when these solar cells are used is still higher than the cost when generating and transmitting power using fossil fuels, which hinders the spread of solar power generation. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required when it is installed on a roof or the like, which has also contributed to the increase in power generation costs.
太陽光発電における発電コストを低減させるための技術として、透明電極と対電極との間に、電子供与性有機化合物(p型有機半導体)と電子受容性有機化合物(n型有機半導体)との混合物を光電変換層として含むバルクへテロジャンクション型の光電変換素子が提案され、2007年には5%を超える光電変換効率が報告され(非特許文献1)、さらに、理論的には光電変換効率10%の達成も可能であるとの見通しがなされている(非特許文献2)。 As a technique for reducing power generation costs in solar power generation, a mixture of an electron-donating organic compound (p-type organic semiconductor) and an electron-accepting organic compound (n-type organic semiconductor) between a transparent electrode and a counter electrode A bulk heterojunction type photoelectric conversion element including a photoelectric conversion layer has been proposed, and in 2007, a photoelectric conversion efficiency exceeding 5% was reported (Non-patent Document 1). % Can be achieved (Non-Patent Document 2).
バルクへテロジャンクション型有機光電変換素子は、軽量で柔軟性に富むことから、様々な製品への応用が期待されている。また、構造が比較的単純であり、p型有機半導体およびn型有機半導体を塗布することによって光電変換層を形成できることから、ロール・トゥ・ロールでの大量生産によってコストダウンが期待でき、太陽電池の早期普及にも寄与するものと考えられる。より具体的には、バルクへテロジャンクション型有機光電変換素子において、電極(陽極および陰極)や、正孔輸送層等を構成する金属酸化物層は、塗布プロセス以外の手法(例えば、真空蒸着法など)により形成されうる。その一方で、これら以外の層は塗布プロセスを用いて形成することができる。したがって、バルクへテロジャンクション型光電変換素子の製造は高速でかつ安価に行うことが可能であると期待され、上述した発電コストの課題を解決できる可能性があると考えられるのである。さらに、従来のシリコン系光電変換素子、化合物系光電変換素子、色素増感型光電変換素子などの製造とは異なり、160℃よりも高温の製造プロセスを必須に伴うものではないため、安価でか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。 Bulk heterojunction organic photoelectric conversion elements are lightweight and flexible, and are expected to be applied to various products. In addition, since the structure is relatively simple and a photoelectric conversion layer can be formed by applying a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, cost reduction can be expected by mass production on a roll-to-roll basis. It is thought to contribute to the early dissemination of More specifically, in the bulk heterojunction organic photoelectric conversion element, the electrodes (anode and cathode), the metal oxide layer constituting the hole transport layer, and the like can be formed by a method other than the coating process (for example, vacuum deposition method). Etc.). On the other hand, other layers can be formed using a coating process. Therefore, it is expected that the production of the bulk heterojunction photoelectric conversion element can be performed at high speed and at low cost, and it is considered that there is a possibility that the above-described problem of power generation cost can be solved. Further, unlike the production of conventional silicon-based photoelectric conversion elements, compound-based photoelectric conversion elements, dye-sensitized photoelectric conversion elements, etc., it does not necessarily involve a manufacturing process at a temperature higher than 160 ° C. It is expected that it can be formed on a lightweight plastic substrate.
しかしながら、有機光電変換素子は、他のタイプの光電変換素子と比較して、未だ光電変換効率や、熱や光に対する耐久性が十分とはいえない。そこで、光電変換効率や耐久性を向上させるために、各種改良が進められている。特に、耐久性を向上させることを目的として、例えば、通常の有機光電変換素子とは逆順に各層を積層し、透明電極側から電子を取り出し、仕事関数の深い安定な金属電極側から正孔を取り出す、いわゆる逆層型の有機光電変換素子が提案されている(特許文献1)。 However, the organic photoelectric conversion element is still not sufficient in photoelectric conversion efficiency and durability against heat and light as compared with other types of photoelectric conversion elements. Accordingly, various improvements have been made in order to improve photoelectric conversion efficiency and durability. In particular, for the purpose of improving durability, for example, each layer is laminated in the reverse order of a normal organic photoelectric conversion element, electrons are taken out from the transparent electrode side, and holes are taken from the stable metal electrode side having a deep work function. A so-called reverse layer type organic photoelectric conversion element to be taken out has been proposed (Patent Document 1).
このような逆層型の有機光電変換素子は、光透過性に劣る導電性ポリマーから構成される正孔輸送層が、対電極(陰極)と光電変換層との間に存在する構成を有する。一般に、対電極(陰極)は金属材料から構成されるが、光透過性の低い正孔輸送層の存在により、対電極で反射される光を効率的に光電変換層に再利用することができないため、逆層型は光の利用の観点からいえば不利な構成である(非特許文献3)。逆層型の素子において十分な光電変換効率を得るためには、光電変換層の膜厚を大きくする(例えば150nm以上とする)必要があるが、これまでに知られている光電変換材料は、光電変換層の膜厚が小さい(100nm未満)場合は良好な光電変換効率を達成できるものの、膜厚が大きい(100nm以上)場合は曲線因子(FF)が低下し、所望の光電変換効率を得られないという問題点を有していた。 Such a reverse layer type organic photoelectric conversion element has a configuration in which a hole transport layer composed of a conductive polymer having inferior optical transparency exists between a counter electrode (cathode) and a photoelectric conversion layer. In general, the counter electrode (cathode) is made of a metal material, but the light reflected by the counter electrode cannot be efficiently reused in the photoelectric conversion layer due to the presence of the hole transport layer having low light transmittance. Therefore, the reverse layer type is a disadvantageous configuration from the viewpoint of utilization of light (Non-Patent Document 3). In order to obtain sufficient photoelectric conversion efficiency in the reverse layer type element, it is necessary to increase the film thickness of the photoelectric conversion layer (for example, 150 nm or more), but the photoelectric conversion materials known so far are: When the film thickness of the photoelectric conversion layer is small (less than 100 nm), good photoelectric conversion efficiency can be achieved, but when the film thickness is large (100 nm or more), the fill factor (FF) decreases, and the desired photoelectric conversion efficiency is obtained. It had the problem that it was not possible.
これに対し、最近、光電変換材料としてフッ化ベンゾトリアゾール基を有するポリマー(非特許文献4)や、フッ化ベンゾチアジアゾール基を有するポリマー(非特許文献5)を用いることにより、光電変換層の膜厚を200nm程度とした場合であっても7%以上の光電変換効率を達成できるとの報告がなされた。 On the other hand, recently, by using a polymer having a fluorinated benzotriazole group (Non-Patent Document 4) or a polymer having a fluorinated benzothiadiazole group (Non-Patent Document 5) as a photoelectric conversion material, It has been reported that even when the thickness is about 200 nm, a photoelectric conversion efficiency of 7% or more can be achieved.
しかしながら、上記非特許文献4または5に記載された光電変換材料を逆層型の素子に用いた場合、所望の光電変換効率が得られないことが判明した。さらに、光電変換層の表面に正孔輸送層を形成することが困難となるといった新たな問題が発生することが判明した。すなわち、逆層型の素子の製造工程では、通常、水系溶媒に溶解させたPEDOT:PSSなどの正孔輸送材料を光電変換層の表面に塗布し、塗膜を乾燥させることにより正孔輸送層を形成するが、上述の非特許文献4または5に記載の光電変換材料は、当該塗膜をはじきやすいという性質を有しているため、正孔輸送層を均一に形成することが難しくなる。これは、フッ素を含有することにより、ポリマーの表面エネルギーが低下することに起因すると考えられ、改善が求められていた。 However, it has been found that when the photoelectric conversion material described in Non-Patent Document 4 or 5 is used for a reverse layer type element, desired photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. Furthermore, it has been found that a new problem occurs that it is difficult to form a hole transport layer on the surface of the photoelectric conversion layer. That is, in the manufacturing process of the reverse layer type element, a hole transport material such as PEDOT: PSS dissolved in an aqueous solvent is usually applied to the surface of the photoelectric conversion layer, and the coating film is dried to thereby form a hole transport layer. However, since the photoelectric conversion material described in Non-Patent Document 4 or 5 has a property of easily repelling the coating film, it is difficult to form the hole transport layer uniformly. This is considered to be caused by a decrease in the surface energy of the polymer by containing fluorine, and improvement has been demanded.
そこで本発明は、有機光電変換素子で用いられる共役系高分子化合物において、当該共役系高分子化合物を含む層に隣接する層の製膜性を向上し、かつ十分な光電変換効率を達成するための手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a conjugated polymer compound for use in an organic photoelectric conversion element in order to improve the film forming property of a layer adjacent to the layer containing the conjugated polymer compound and achieve sufficient photoelectric conversion efficiency. It aims at providing the means of.
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を行った。そして、ベンゾイミダゾール骨格の5位および/または6位にフッ素原子または塩素原子を有する特定の部分構造を有する共役系高分子化合物を用いることにより、光電変換層に隣接する電荷輸送層(例えば正孔輸送層)の製膜性が有意に向上し、かつ十分な光電変換効率が得られることを見出し、本発明を完成させた。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive research. Then, by using a conjugated polymer compound having a specific partial structure having a fluorine atom or a chlorine atom at the 5-position and / or 6-position of the benzimidazole skeleton, a charge transport layer (for example, a hole) adjacent to the photoelectric conversion layer is used. The film forming property of the transport layer) was significantly improved and sufficient photoelectric conversion efficiency was obtained, and the present invention was completed.
すなわち、本発明の共役系高分子化合物は、下記化学式1で表される部分構造を少なくとも1種含む点に特徴を有する。 That is, the conjugated polymer compound of the present invention is characterized in that it contains at least one partial structure represented by the following chemical formula 1.
式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子;置換されたもしくは非置換の、炭素原子数1〜20のアルキル基、炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基、炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、炭素原子数3〜20のフッ化シクロアルキル基、炭素原子数1〜20のアルコキシ基、炭素原子数1〜20のフッ化アルコキシ基、炭素原子数1〜20のフッ化アルキルチオ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数6〜30のフッ化アリール基、炭素原子数4〜20のヘテロアリール基、または炭素原子数4〜20のフッ化ヘテロアリール基;を表し、R1およびR2は互いに結合して環を形成してもよく、
X1およびX2は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、または塩素原子を表す(ただし、X1およびX2の少なくとも一方は、フッ素原子または塩素原子を表す)。
In the formula, each of R 1 and R 2 independently represents a hydrogen atom; a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a carbon atom. A cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a fluorinated alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and 1 to 20 carbon atoms A fluorinated alkylthio group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a fluorinated aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, or a fluorinated heterocycle having 4 to 20 carbon atoms R 1 and R 2 may be bonded to each other to form a ring;
X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, or a chlorine atom (provided that at least one of X 1 and X 2 represents a fluorine atom or a chlorine atom).
本発明によれば、有機光電変換素子で用いられる共役系高分子化合物において、当該共役系高分子化合物を含む層に隣接する層の製膜性を向上し、かつ十分な光電変換効率を達成することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the conjugated polymer compound used with an organic photoelectric conversion element, the film forming property of the layer adjacent to the layer containing the said conjugated polymer compound is improved, and sufficient photoelectric conversion efficiency is achieved. It becomes possible.
以下、本発明の好ましい形態を説明する。本発明の一形態は、ベンゾイミダゾール骨格の5位および/または6位にフッ素原子または塩素原子を有する特定の部分構造を有する共役系高分子化合物に関する。すなわち、本形態の共役系高分子化合物は、下記化学式1で表される部分構造を少なくとも1種含む点に特徴を有する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. One embodiment of the present invention relates to a conjugated polymer compound having a specific partial structure having a fluorine atom or a chlorine atom at the 5-position and / or the 6-position of a benzimidazole skeleton. That is, the conjugated polymer compound of this embodiment is characterized in that it contains at least one partial structure represented by the following chemical formula 1.
式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子;置換されたもしくは非置換の、炭素原子数1〜20のアルキル基、炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基、炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、炭素原子数3〜20のフッ化シクロアルキル基、炭素原子数1〜20のアルコキシ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数6〜30のフッ化アリール基、炭素原子数4〜20のヘテロアリール基、または炭素原子数4〜20のフッ化ヘテロアリール基;を表す。 In the formula, each of R 1 and R 2 independently represents a hydrogen atom; a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a carbon atom. A cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, and a fluorine group having 6 to 30 carbon atoms. An aryl group, a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, or a fluorinated heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms.
上記炭素原子数1〜20のアルキル基としては、特に制限はないが、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ヘキサデシル基、2−エチルヘキシル基、2−ヘキシルデシル基などが挙げられる。このうち、溶解性を向上させるという観点から、炭素原子数1〜12のアルキル基であることが好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基であることがより好ましい。 The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited. For example, a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, an n-octyl group, an n-decyl group, an n-hexadecyl group, Examples include 2-ethylhexyl group and 2-hexyldecyl group. Among these, from the viewpoint of improving solubility, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is preferable, and an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms is more preferable.
上記炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基としては、特に制限はないが、例えば、上記で例示したアルキル基に含まれる水素原子の少なくとも1つがフッ素原子で置換された基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)を達成する観点から、上記で例示したアルキル基のベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子(すなわちアルキル基中の1位の炭素原子)のみがフッ素原子で置換された基であることが好ましい。具体的には、フルオロメチル基、1−フルオロエチル基、1−フルオロプロピル基、1−フルオロブチル基、1−フルオロオクチル基、1−フルオロデシル基、1−フルオロヘキサデシル基、1−フルオロ−2−エチルヘキシル基、1−フルオロ−2−ヘキシルデシル基などのモノフルオロアルキル基;ジフルオロメチル基、1,1−ジフルオロエチル基、1,1−ジフルオロプロピル基、1,1−ジフルオロブチル基、1,1−ジフルオロオクチル基、1,1−ジフルオロデシル基、1,1−ジフルオロヘキサデシル基、1,1−ジフルオロ−2−エチルヘキシル基、1,1−ジフルオロ−2−ヘキシルデシル基などのジフルオロアルキル基;トリフルオロメチル基等のトリフルオロアルキル基などが挙げられる。また、上層の塗布性を維持するという観点から、炭素原子数1〜3のフッ化アルキル基であることが好ましい。このような炭素原子数であれば、他の溶解性基に比して十分短く(溶解性を付与するための置換基は、一般にC6以上を用いている)、上層塗布性に対する影響が少ないためである。なかでも、炭素原子数が1であるトリフルオロメチル基であることがより好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular as said C1-C20 fluorinated alkyl group, For example, the group by which at least 1 of the hydrogen atom contained in the alkyl group illustrated above was substituted by the fluorine atom is mentioned. Among these, from the viewpoint of achieving a higher V oc (deep HOMO level), the carbon atom closest to the bonding site of the alkyl group exemplified above with the benzimidazole skeleton (ie, the carbon atom at the 1st position in the alkyl group) It is preferable that only a group substituted with a fluorine atom. Specifically, fluoromethyl group, 1-fluoroethyl group, 1-fluoropropyl group, 1-fluorobutyl group, 1-fluorooctyl group, 1-fluorodecyl group, 1-fluorohexadecyl group, 1-fluoro- Monofluoroalkyl groups such as 2-ethylhexyl group and 1-fluoro-2-hexyldecyl group; difluoromethyl group, 1,1-difluoroethyl group, 1,1-difluoropropyl group, 1,1-difluorobutyl group, 1 , 1-difluorooctyl group, 1,1-difluorodecyl group, 1,1-difluorohexadecyl group, 1,1-difluoro-2-ethylhexyl group, 1,1-difluoro-2-hexyldecyl group, etc. Group; a trifluoroalkyl group such as a trifluoromethyl group, and the like. Moreover, it is preferable that it is a C1-C3 fluorinated alkyl group from a viewpoint of maintaining the applicability | paintability of an upper layer. Such a number of carbon atoms is sufficiently shorter than other soluble groups (substituents for imparting solubility generally use C6 or more) and have little influence on the upper layer coating property. It is. Of these, a trifluoromethyl group having 1 carbon atom is more preferable.
なお、通常、フッ素原子を有する共役系高分子化合物は、フッ素原子によりポリマーの表面エネルギーが低下するため、極性溶媒をはじきやすくなる。しかしながら、本形態の共役系高分子化合物によると、例えば、R1およびR2にフッ化アルキル基を導入し、かつX1およびX2にフッ素原子を導入した場合であっても、極性溶媒がはじかれ難く、上層の製膜性を十分に維持することができる。なぜこのような特性が得られるのかは定かではないが、本発明者らは、ベンゾイミダゾール構造自体の極性に起因していると推測している。 In general, a conjugated polymer compound having a fluorine atom easily repels a polar solvent because the surface energy of the polymer is lowered by the fluorine atom. However, according to a conjugated polymer compound of the present embodiment, for example, even when introducing a fluorinated alkyl group in R 1 and R 2, and was introduced fluorine atom in X 1 and X 2, the polar solvent It is difficult to be repelled, and the film forming property of the upper layer can be sufficiently maintained. The reason why such characteristics are obtained is not certain, but the present inventors speculate that it is due to the polarity of the benzimidazole structure itself.
上記炭素原子数3〜20のシクロアルキル基としては、特に制限はないが、例えば、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、アダマンチル基などが挙げられる。このうち、溶解性を向上させるという観点から、炭素原子数4〜8のシクロアルキル基であることが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular as said C3-C20 cycloalkyl group, For example, a cyclopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, an adamantyl group etc. are mentioned. Among these, a cycloalkyl group having 4 to 8 carbon atoms is preferable from the viewpoint of improving solubility.
上記炭素原子数3〜20のフッ化シクロアルキル基としては、特に制限はないが、例えば、上記で例示したシクロアルキル基に含まれる水素原子の少なくとも1つがフッ素原子で置換された基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)を達成する観点から、上記で例示したシクロアルキル基に含まれる全ての水素原子がフッ素原子で置換された基であることが好ましいが、塗布性との兼ね合いから適切な個数・位置に調節される(例えば、ベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子のみがフッ素原子で置換される)こともまた好ましい。また、溶解性を向上させるという観点から、炭素原子数4〜8のフッ化シクロアルキル基であることが好ましい。 The fluorinated cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a group in which at least one hydrogen atom contained in the cycloalkyl group exemplified above is substituted with a fluorine atom. . Among these, from the viewpoint of achieving higher V oc (deep HOMO level), it is preferable that all the hydrogen atoms contained in the cycloalkyl group exemplified above are groups substituted with fluorine atoms. It is also preferable to adjust the number and position to an appropriate number and position (for example, only the carbon atom closest to the bonding site with the benzimidazole skeleton is substituted with a fluorine atom). Moreover, it is preferable that it is a C4-C8 fluorinated cycloalkyl group from a viewpoint of improving solubility.
上記炭素原子数1〜20のアルコキシ基としては、特に制限はないが、例えば、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert−ブトキシ基、n−オクチルオキシ基、n−デシルオキシ基、n−ヘキサデシルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、2−ヘキシルデシルオキシ基などが挙げられる。 The alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include methoxy group, ethoxy group, isopropoxy group, tert-butoxy group, n-octyloxy group, n-decyloxy group, and n-hexa. A decyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, 2-hexyldecyloxy group, etc. are mentioned.
上記炭素原子数1〜20のフッ化アルコキシ基(フッ化アルキルオキシ基)としては、特に制限はないが、例えば、上記で例示したフッ化アルキル基の根元に酸素原子が結合されてなる基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)達成の観点の観点から、上記で例示したアルキル鎖中に含まれる全ての水素原子がフッ素原子で置換された基であることが好ましいが、塗布性との兼ね合いから適切な個数・位置に調節される(例えば、ベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子のみがフッ素原子で置換される)こともまた好ましい。 The fluorinated alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms (fluorinated alkyloxy group) is not particularly limited, but for example, a group in which an oxygen atom is bonded to the root of the fluorinated alkyl group exemplified above. Can be mentioned. Among these, from the viewpoint of achieving a higher Voc (deep HOMO level), it is preferable that all the hydrogen atoms contained in the alkyl chain exemplified above are groups substituted with fluorine atoms. It is also preferable to adjust the number and position to an appropriate number and position (for example, only the carbon atom closest to the bonding site with the benzimidazole skeleton is substituted with a fluorine atom).
上記炭素原子数1〜20のフッ化アルキルチオ基としては特に制限はないが、例えば、上記で例示したフッ化アルキル基の根元に酸素原子が結合されてなる基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)達成の観点の観点から、上記で例示したアルキル鎖中に含まれる全ての水素原子がフッ素原子で置換された基であることが好ましいが、塗布性との兼ね合いから適切な個数・位置に調節される(例えば、ベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子のみがフッ素原子で置換される)こともまた好ましい。 The fluorinated alkylthio group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a group in which an oxygen atom is bonded to the base of the fluorinated alkyl group exemplified above. Among these, from the viewpoint of achieving a higher Voc (deep HOMO level), it is preferable that all the hydrogen atoms contained in the alkyl chain exemplified above are groups substituted with fluorine atoms. It is also preferable to adjust the number and position to an appropriate number and position (for example, only the carbon atom closest to the bonding site with the benzimidazole skeleton is substituted with a fluorine atom).
上記炭素原子数6〜30のアリール基としては、特に制限はないが、例えば、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基などの非縮合炭化水素基;ペンタレニル基、インデニル基、ナフチル基、アズレニル基、ヘプタレニル基、ビフェニレニル基、フルオレニル基、アセナフチレニル基、プレイアデニル基、アセナフテニル基、フェナレニル基、フェナントリル基、アントリル基、フルオランテニル基、アセフェナントリレニル基、アセアントリレニル基、トリフェニレニル基、ピレニル基、クリセニル基、ナフタセニル基などの縮合多環炭化水素基が挙げられる。 The aryl group having 6 to 30 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include non-condensed hydrocarbon groups such as a phenyl group, a biphenyl group, and a terphenyl group; a pentarenyl group, an indenyl group, a naphthyl group, an azulenyl group, Heptalenyl group, biphenylenyl group, fluorenyl group, acenaphthylenyl group, preadenyl group, acenaphthenyl group, phenalenyl group, phenanthryl group, anthryl group, fluoranthenyl group, acephenanthrenyl group, aceanthrylenyl group, triphenylenyl group, pyrenyl group , Condensed polycyclic hydrocarbon groups such as a chrycenyl group and a naphthacenyl group.
上記炭素原子数6〜30のフッ化アリール基としては、特に制限はないが、例えば、上記で例示したアリール基に含まれる水素原子の少なくとも1つがフッ素原子で置換された基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)を達成する観点から、上記で例示したアリール基に含まれる全ての水素原子がフッ素原子で置換された基であることが好ましいが、塗布性との兼ね合いから適切な個数・位置に調節される(例えば、ベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子のみがフッ素原子で置換される)こともまた好ましい。 The fluorinated aryl group having 6 to 30 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a group in which at least one hydrogen atom contained in the aryl group exemplified above is substituted with a fluorine atom. Among these, from the viewpoint of achieving higher V oc (deep HOMO level), it is preferable that all the hydrogen atoms contained in the aryl group exemplified above are groups substituted with fluorine atoms. It is also preferable to adjust the number and position to an appropriate number (for example, only the carbon atom closest to the binding site with the benzimidazole skeleton is substituted with a fluorine atom).
上記炭素原子数1〜20のヘテロアリール基としては、特に制限はないが、例えば、ピリジル基、ピリミジル基、ピラジニル基、トリアジニル基、フラニル基、ピロリル基、チオフェニル基(チエニル基)、キノリル基、フリル基、ピペリジル基、クマリニル基、シラフルオレニル基、ベンゾフラニル基、ベンズイミダゾリル基、ベンズオキサゾリル基、ベンズチアゾリル基、ジベンゾフラニル基、ベンゾチオフェニル基、ジベンゾチオフェニル基、インドリル基、カルバゾリル基、ピラゾリル基、イミダゾリル基、オキサゾリル基、イソオキサゾリル基、チアゾリル基、インダゾリル基、ベンゾチアゾリル基、ピリダジニル基、シンノリル基、キナゾリル基、キノキサリル基、フタラジニル基、フタラジンジオニル基、フタルアミジル基、クロモニル基、ナフトラクタミル基、キノロニル基、ナフタリジニル基、ベンズイミダゾロニル基、ベンズオキサゾロニル基、ベンゾチアゾロニル基、ベンゾチアゾチオニル基、キナゾロニル基、キノキサロニル基、フタラゾニル基、ジオキソピリミジニル基、ピリドニル基、イソキノロニル基、イソキノリニル基、イソチアゾリル基、ベンズイソキサゾリル基、ベンズイソチアゾリル基、インダジロニル基、アクリジニル基、アクリドニル基、キナゾリンジオニル基、キノキサリンジオニル基、ベンゾオキサジンジオニル基、ベンゾキサジノニル基、ナフタルイミジル基、ジチエノシクロペンタジエニル基、ジチエノシラシクロペンタジエニル基、ジチエノピロリル基、ベンゾジチオフェニル基などが挙げられる。 The heteroaryl group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited. For example, pyridyl group, pyrimidyl group, pyrazinyl group, triazinyl group, furanyl group, pyrrolyl group, thiophenyl group (thienyl group), quinolyl group, Furyl group, piperidyl group, coumarinyl group, silafluorenyl group, benzofuranyl group, benzimidazolyl group, benzoxazolyl group, benzthiazolyl group, dibenzofuranyl group, benzothiophenyl group, dibenzothiophenyl group, indolyl group, carbazolyl group, pyrazolyl Group, imidazolyl group, oxazolyl group, isoxazolyl group, thiazolyl group, indazolyl group, benzothiazolyl group, pyridazinyl group, cinnolyl group, quinazolyl group, quinoxalyl group, phthalazinyl group, phthalazine dionyl group, phthalamidyl group, Romonyl, naphtholactamyl, quinolonyl, naphthalidinyl, benzimidazolonyl, benzoxazolonyl, benzothiazolonyl, benzothiazothionyl, quinazolonyl, quinoxalonyl, phthalazonyl, dioxopyrimidinyl Group, pyridonyl group, isoquinolonyl group, isoquinolinyl group, isothiazolyl group, benzisoxazolyl group, benzisothiazolyl group, indazironyl group, acridinyl group, acridonyl group, quinazoline dionyl group, quinoxaline dionyl group, benzoxazine dionyl Group, benzoxazinonyl group, naphthalimidyl group, dithienocyclopentadienyl group, dithienosylcyclopentadienyl group, dithienopyrrolyl group, benzodithiophenyl group and the like.
上記炭素原子数1〜20のフッ化ヘテロアリール基としては、特に制限はないが、例えば、上記で例示したヘテロアリール基に含まれる水素原子の少なくとも1つがフッ素原子で置換された基が挙げられる。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)を達成する観点から、上記で例示したヘテロアリール基に含まれる全ての水素原子がフッ素原子で置換された基であることが好ましいが、塗布性との兼ね合いから適切な個数・位置に調節される(例えば、ベンゾイミダゾール骨格との結合部位に最も近い炭素原子のみがフッ素原子で置換される)こともまた好ましい。 The fluorinated heteroaryl group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a group in which at least one hydrogen atom contained in the heteroaryl group exemplified above is substituted with a fluorine atom. . Among these, from the viewpoint of achieving higher V oc (deep HOMO level), it is preferable that all of the hydrogen atoms contained in the heteroaryl group exemplified above are groups substituted with fluorine atoms. It is also preferable to adjust the number and position to an appropriate number and position (for example, only the carbon atom closest to the bonding site with the benzimidazole skeleton is substituted with a fluorine atom).
また、上記R1およびR2に場合によって存在する置換基は、特に制限はないが、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、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、アシル基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アルコキシ基、シクロアルキルオキシ基、アリールオキシ基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、シリル基、スルホニル基、スルフィニル基、ウレイド基、リン酸アミド基、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、メルカプト基、シアノ基、スルホ基、カルボキシル基、ニトロ基、ヒドロキサム酸基、スルフィノ基、ヒドラジノ基、イミノ基などを挙げることができる。 The substituent optionally present in R 1 and R 2 is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an acyl group, and an alkoxycarbonyl group. Group, amino group, alkoxy group, cycloalkyloxy group, aryloxy group, aryloxycarbonyl group, acyloxy group, acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio Group, arylthio group, silyl group, sulfonyl group, sulfinyl group, ureido group, phosphoric acid amide group, halogen atom, hydroxyl group, mercapto group, cyano group, sulfo group, carboxyl group, nitro group, hydroxamic acid group, sulfi group It can be exemplified group, a hydrazino group, and an imino group.
また、前記非特許文献2では、高い光電変換効率が期待される共役系高分子化合物の要件として、LUMO準位がn型有機半導体材料(例えば、フラーレン誘導体)から0.3eV程度浅いこと、すなわち−4.0eV程度のLUMO準位を持つことが好ましいとされている。このような深いHOMO・LUMO準位を有する共役系高分子化合物とするためには、R1および/またはR2は、上述のフッ化アルキル基や、上述のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、またはヘテロアリール基の少なくとも1つの水素原子が電子求引性基で置換されたものであることが好ましい。すなわち、R1および/またはR2は、炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基、炭素原子数1〜20のフッ化アルコキシ基、炭素原子数1〜20のフッ化アルキルチオ基、または下記化学式2で表される基であることが好ましい。 In Non-Patent Document 2, as a requirement for a conjugated polymer compound that is expected to have high photoelectric conversion efficiency, the LUMO level is shallower by about 0.3 eV than an n-type organic semiconductor material (for example, fullerene derivative), that is, It is preferable to have a LUMO level of about −4.0 eV. In order to obtain a conjugated polymer compound having such a deep HOMO / LUMO level, R 1 and / or R 2 may be the above-described fluorinated alkyl group, the above-described alkyl group, cycloalkyl group, or aryl group. Or at least one hydrogen atom of the heteroaryl group is preferably substituted with an electron withdrawing group. That is, R 1 and / or R 2 is a fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluorinated alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a fluorinated alkylthio group having 1 to 20 carbon atoms, or the following chemical formula: The group represented by 2 is preferable.
式中、Lは、炭素原子数1〜20のアルキレン基、炭素原子数3〜20のシクロアルキレン基、炭素原子数3〜20のアリーレン基、または炭素原子数3〜20のヘテロアリーレン基、を表す。このうち、より高いVoc(深いHOMO準位)を達成する観点から、Lは、炭素原子数3〜20のアリーレン基、または炭素原子数3〜20のヘテロアリーレン基あることが好ましい。 In the formula, L represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkylene group having 3 to 20 carbon atoms, an arylene group having 3 to 20 carbon atoms, or a heteroarylene group having 3 to 20 carbon atoms, Represent. Among these, from the viewpoint of achieving higher V oc (deep HOMO level), L is preferably an arylene group having 3 to 20 carbon atoms or a heteroarylene group having 3 to 20 carbon atoms.
上記炭素原子数1〜20のアルキレン基としては、特に制限はないが、例えば、上記炭素原子数1〜20のアルキル基の説明で例示した基から水素原子が1つ除かれてなる基が挙げられる。同様に、上記炭素原子数3〜20のシクロアルキレン基、炭素原子数3〜20のアリーレン基、または炭素原子数3〜20のヘテロアリーレン基も特に制限はなく、例えば、上記炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、炭素原子数1〜20のアルコキシ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数4〜20のヘテロアリール基の説明で例示した基から水素原子が1つ除かれてなる基が挙げられる。 The alkylene group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a group in which one hydrogen atom is removed from the groups exemplified in the description of the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. It is done. Similarly, the cycloalkylene group having 3 to 20 carbon atoms, the arylene group having 3 to 20 carbon atoms, or the heteroarylene group having 3 to 20 carbon atoms is not particularly limited. One hydrogen atom is removed from the groups exemplified in the description of 20 cycloalkyl groups, alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, aryl groups having 6 to 30 carbon atoms, and heteroaryl groups having 4 to 20 carbon atoms. The group which consists of.
また、上記化学式2中、EWGは、炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基、炭素原子数2〜20のアルキルカルボニル基(アシル基;−COR)、炭素原子数2〜20のアルキルカルボニルオキシ基(アシルオキシ基;−OCOR)、炭素原子数2〜20のアルキルオキシカルボニル基(−COOR)、炭素原子数2〜40のアルキルカルボニルアミノ基(アシルアミノ基;−NHCOR、−N(COR)2)、炭素原子数2〜40のアルキルアミノカルボニル基(−CONHR、−CONR2)、シアノ基、ニトロ基、炭素原子数1〜20のアルキルスルフィニル基(−S(O)R)、スルホ基(−SO3H)、炭素原子数1〜20のアルキルスルホニルオキシ基(−OSO2R)、アミノスルホニル基(−SO2NH2)からなる群から選択される少なくとも1種の電子吸引性基を表す。 In the chemical formula 2, EWG represents a fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylcarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms (acyl group; —COR), or an alkylcarbonyloxy having 2 to 20 carbon atoms. Group (acyloxy group; —OCOR), alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms (—COOR), alkylcarbonylamino group having 2 to 40 carbon atoms (acylamino group; —NHCOR, —N (COR) 2 ) , An alkylaminocarbonyl group having 2 to 40 carbon atoms (—CONHR, —CONR 2 ), a cyano group, a nitro group, an alkylsulfinyl group having 1 to 20 carbon atoms (—S (O) R), a sulfo group (— SO 3 H), an alkylsulfonyloxy group having a carbon number of 1~20 (-OSO 2 R), aminosulfonyl group (-SO 2 NH 2) It represents at least one electron withdrawing group is selected from that group.
上記炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基としては、特に制限はないが、例えば、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロイソプロピル基、パーフルオロtert−ブチル基、パーフルオロn−オクチル基、パーフルオロn−デシル基、パーフルオロn−ヘキサデシル基、パーフルオロ2−エチルヘキシル基、パーフルオロ2−ヘキシルデシル基などが挙げられる。 The fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include perfluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoroisopropyl group, perfluoro tert-butyl group, and perfluoro n-octyl. Group, perfluoro n-decyl group, perfluoro n-hexadecyl group, perfluoro 2-ethylhexyl group, perfluoro 2-hexyldecyl group and the like.
上記炭素原子数2〜20のアルキルカルボニル基(アシル基)としては、特に制限はないが、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、tert−ブチリル基、ペンタノイル基、バレリル基、イソバレリル基、ピバロイル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、デカノイル基、ドデカノイル基、ヘキサデカノイル基、オクタデカノイル基、シクロヘキシルカルボニル基、2−エチルヘキシルカルボニル基、2−ヘキシルデシルカルボニル基などが挙げられる。
The alkylcarbonyl group (acyl group) having 2 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, tert-butyryl, pentanoyl, valeryl, and isovaleryl. Group, pivaloyl group, hexanoyl group, heptanoyl group, octanoyl group, decanoyl group, dodecanoyl group, hexadecanoyl group, octadecanoyl group, cyclohexylcarbonyl group, 2-ethylhexylcarbonyl group, 2-hexyldecylcarbonyl group, etc. .
上記炭素原子数2〜20のアルキルカルボニルオキシ基(アシルオキシ基)としては、特に制限はないが、例えば、アセチルオキシ基、プロピオニルオキシ基、ブチリルオキシ基、イソブチリルオキシ基、tert−ブチリルオキシ基、ペンタノイルオキシ基、バレリルオキシ基、イソバレリルオキシ基、ピバロイルオキシ基、ヘキサノイルオキシ基、ヘプタノイルオキシ基、オクタノイルオキシ基、デカノイルオキシ基、ドデカノイルオキシ基、ヘキサデカノイルオキシ基、オクタデカノイルオキシ基、シクロヘキシルカルボニルオキシ基、2−エチルヘキシルカルボニルオキシ基、2−ヘキシルデシルカルボニルオキシ基などが挙げられる。 The alkylcarbonyloxy group having 2 to 20 carbon atoms (acyloxy group) is not particularly limited. For example, acetyloxy group, propionyloxy group, butyryloxy group, isobutyryloxy group, tert-butyryloxy group, penta Noyloxy, valeryloxy, isovaleryloxy, pivaloyloxy, hexanoyloxy, heptanoyloxy, octanoyloxy, decanoyloxy, dodecanoyloxy, hexadecanoyloxy, octadecanoyl Examples thereof include an oxy group, a cyclohexylcarbonyloxy group, a 2-ethylhexylcarbonyloxy group, and a 2-hexyldecylcarbonyloxy group.
上記炭素原子数2〜20のアルキルオキシカルボニル基としては、特に制限はないが、例えば、メチルオキシカルボニル基、エチルオキシカルボニル基、イソプロピルオキシカルボニル基、tert−ブチルオキシカルボニル基、n−オクチルオキシカルボニル基、n−デシルオキシカルボニル基、n−ヘキサデシルオキシカルボニル基、2−エチルヘキシルオキシカルボニル基、2−ヘキシルデシルオキシカルボニル基などが挙げられる。 The alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a methyloxycarbonyl group, an ethyloxycarbonyl group, an isopropyloxycarbonyl group, a tert-butyloxycarbonyl group, and an n-octyloxycarbonyl group. Group, n-decyloxycarbonyl group, n-hexadecyloxycarbonyl group, 2-ethylhexyloxycarbonyl group, 2-hexyldecyloxycarbonyl group and the like.
上記炭素原子数2〜40のアルキルカルボニルアミノ基(アシルアミノ基)としては、特に制限はないが、例えば、(ジ)アセチルアミノ基、(ジ)プロピオニルアミノ基、(ジ)ブチリルアミノ基、(ジ)イソブチリルアミノ基、(ジ)tert−ブチリルアミノ基、(ジ)ペンタノイルアミノ基、(ジ)バレリルアミノ基、(ジ)イソバレリルアミノ基、(ジ)ピバロイルアミノ基、(ジ)ヘキサノイルアミノ基、(ジ)ヘプタノイアミノル基、(ジ)オクタノイルアミノ基、(ジ)デカノイルアミノ基、(ジ)ドデカノイルアミノ基、(ジ)ヘキサデカノイルアミノ基、(ジ)オクタデカノイルアミノ基、(ジ)シクロヘキサンカルボニルアミノ基、(ジ)2−エチルヘキシルカルボニルアミノ基、(ジ)2−ヘキシルデシルカルボニルアミノ基などが挙げられる。 The alkylcarbonylamino group (acylamino group) having 2 to 40 carbon atoms is not particularly limited. For example, (di) acetylamino group, (di) propionylamino group, (di) butyrylamino group, (di) Isobutyrylamino group, (di) tert-butyrylamino group, (di) pentanoylamino group, (di) valerylamino group, (di) isovalerylamino group, (di) pivaloylamino group, (di) hexanoylamino group , (Di) heptanoylamino group, (di) octanoylamino group, (di) decanoylamino group, (di) dodecanoylamino group, (di) hexadecanoylamino group, (di) octadecanoylamino group (Di) cyclohexanecarbonylamino group, (di) 2-ethylhexylcarbonylamino group, (di) 2-hexyldecylcarbonyl An amino group.
上記炭素原子数2〜40のアルキルアミノカルボニル基としては、特に制限はないが、例えば、(ジ)メチルアミノカルボニル基、(ジ)エチルアミノカルボニル基、(ジ)イソプロピルアミノカルボニル基、(ジ)tert−ブチルアミノカルボニル基、(ジ)n−オクチルアミノカルボニル基、(ジ)n−デシルアミノカルボニル基、(ジ)n−ヘキサデシルアミノカルボニル基、(ジ)2−エチルヘキシルアミノカルボニル基、(ジ)2−ヘキシルデシルアミノカルボニル基などが挙げられる。 The alkylaminocarbonyl group having 2 to 40 carbon atoms is not particularly limited. For example, (di) methylaminocarbonyl group, (di) ethylaminocarbonyl group, (di) isopropylaminocarbonyl group, (di) tert-butylaminocarbonyl group, (di) n-octylaminocarbonyl group, (di) n-decylaminocarbonyl group, (di) n-hexadecylaminocarbonyl group, (di) 2-ethylhexylaminocarbonyl group, (di ) 2-hexyldecylaminocarbonyl group and the like.
上記炭素原子数1〜20のアルキルスルフィニル基または炭素原子数1〜20のアルキルスルホニルオキシ基に含まれるアルキル基としては、特に制限はないが、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ヘキサデシル基、2−エチルヘキシル基、2−ヘキシルデシル基などが挙げられる。 The alkyl group contained in the alkylsulfinyl group having 1 to 20 carbon atoms or the alkylsulfonyloxy group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, and tert- A butyl group, n-octyl group, n-decyl group, n-hexadecyl group, 2-ethylhexyl group, 2-hexyldecyl group and the like can be mentioned.
これらのうち、上記EWGは、炭素原子数1〜3のフッ化アルキル基であることが好ましい。このように強い電子吸引性基であるフッ化アルキル基を含むことにより、上述の好ましいHOMO/LUMO準位を有する共役系高分子化合物とすることができる。また、フッ化アルキル基の鎖長を一定以下とすることにより、当該共役系高分子化合物を含む光電変換層上に正孔輸送層を塗布法により形成する場合であっても、正孔輸送材料を含む水系の塗布液が光電変換層上ではじかれにくくすることができる。 Of these, the EWG is preferably a fluorinated alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. By including such a fluorinated alkyl group that is a strong electron-withdrawing group, a conjugated polymer compound having the above-mentioned preferable HOMO / LUMO levels can be obtained. Moreover, even when the hole transport layer is formed by a coating method on the photoelectric conversion layer containing the conjugated polymer compound by setting the chain length of the fluorinated alkyl group to a certain value or less, the hole transport material An aqueous coating solution containing can be made difficult to be repelled on the photoelectric conversion layer.
また、上記R1およびR2は、互いに結合して環を形成してもよい。一例を挙げると、後述の化学式3のA04、A07、A16のような形態が挙げられる。このように、R1およびR2が互いに結合して環を形成している場合、共役系高分子化合物全体として高い平面性を保持することができる。 R 1 and R 2 may be bonded to each other to form a ring. As an example, forms such as A04, A07, and A16 of the following chemical formula 3 may be mentioned. Thus, when R 1 and R 2 are bonded to each other to form a ring, high planarity can be maintained as a whole of the conjugated polymer compound.
なお、1つの部分構造に含まれるR1およびR2は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、より高いVoc(深いHOMO準位)の達成と上層塗布性の両立の観点からは、一方がアルキル基であり、他方がフッ化アルキル基または化学式2で表わされる基であることが好ましい。また、本形態の共役系高分子化合物には、上記化学式1で表される部分構造が1または2以上含まれるが、当該部分構造が2以上存在する場合に存在する複数のR1同士、複数のR2同士も、互いに同一であってもよいし、異なってもよい。 Note that R 1 and R 2 contained in one partial structure may be the same or different from each other, but it is possible to achieve higher V oc (deep HOMO level) and upper layer coatability. From the viewpoint, it is preferable that one is an alkyl group and the other is a fluorinated alkyl group or a group represented by Formula 2. In addition, the conjugated polymer compound of the present embodiment includes one or more partial structures represented by the above chemical formula 1, but a plurality of R 1 present when two or more partial structures are present, R 2 may be the same as or different from each other.
上記化学式1において、X1およびX2は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、または塩素原子を表す。ただし、X1およびX2の少なくとも一方は、フッ素原子または塩素原子を表す。このように、ベンゾイミダゾール骨格の5位および/または6位に電子求引性であるフッ素原子または塩素原子を有することで、より深いHOMO・LUMO準位を有する共役系高分子化合物とすることができる。よって、このような共役系高分子化合物を有機光電変換素子に用いることにより、優れた光電変換効率や光酸化安定性を達成することが可能となる。また、X1およびX2の両方がフッ素原子であるか、X1およびX2の両方が塩素原子であることがより好ましく、X1およびX2の両方がフッ素原子であることがさらに好ましい。X1およびX2の両方がフッ素原子であるか、X1およびX2の両方が塩素原子であると、化学式1で表される部分構造の対称性が向上し、共役系高分子化合物の結晶性を高めることができる。さらに、X1およびX2の両方がフッ素原子である場合、X1およびX2の両方が塩素原子である場合と比較して、隣接するユニットとの立体障害が小さいため、共役系高分子化合物全体として高い平面性を保持することができ、これにより共役系高分子化合物の結晶性を高めることができる。その結果、キャリアの移動度が向上するため、より光電変換効率を向上させることが可能となる。 In the above chemical formula 1, X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, or a chlorine atom. However, at least one of X 1 and X 2 represents a fluorine atom or a chlorine atom. As described above, a conjugated polymer compound having a deeper HOMO / LUMO level can be obtained by having an electron-attracting fluorine atom or chlorine atom at the 5-position and / or the 6-position of the benzimidazole skeleton. it can. Therefore, it is possible to achieve excellent photoelectric conversion efficiency and photooxidation stability by using such a conjugated polymer compound for an organic photoelectric conversion element. Also, if both X 1 and X 2 is a fluorine atom, more preferably both X 1 and X 2 is a chlorine atom, more preferably both X 1 and X 2 are fluorine atoms. When both X 1 and X 2 are fluorine atoms, or both X 1 and X 2 are chlorine atoms, the symmetry of the partial structure represented by Chemical Formula 1 is improved, and the crystal of the conjugated polymer compound Can increase the sex. Furthermore, when both X 1 and X 2 are fluorine atoms, the steric hindrance with the adjacent unit is small compared to the case where both X 1 and X 2 are chlorine atoms. High planarity can be maintained as a whole, whereby the crystallinity of the conjugated polymer compound can be enhanced. As a result, the carrier mobility is improved, so that the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
以下、化学式3で表される部分構造の好ましい形態を例示する。 Hereinafter, preferred forms of the partial structure represented by Chemical Formula 3 will be exemplified.
以上のような、化学式1で表される部分構造は、ベンゾイミダゾール骨格の5位および/または6位にフッ素原子または塩素原子を有するため、深いHOMO・LUMO準位を有する共役系高分子化合物とすることができる。また、このように平面性の高い部分構造を含むことにより、共役系高分子化合物のスタッキング能が向上し、キャリアの移動度を向上させることができる。よって、本形態の共役系高分子化合物を用いて光電変換層を形成することにより、有機光電変換素子において、従来よりも優れた光電変換効率を達成することが可能となる。特に、光電変換層を厚くすると、一般にキャリア(正孔・電子)の取り出し効率が低下するために光電変換効率が低下する傾向があるが、上記部分構造によると、光電変換層を厚くした場合であっても高い光電変換効率を維持することが可能となる。また、当該部分構造による深いHOMO・LUMO準位は、開放電圧、光酸化安定性の向上といった効果も得られる。さらに、一般的に部分構造中にフッ素原子を導入すると、各種溶媒との親和性が低下する傾向があるが、本形態のようにベンゾイミダゾール骨格にフッ素原子を導入した場合は、各種溶媒との親和性を維持することができる。 Since the partial structure represented by the chemical formula 1 as described above has a fluorine atom or a chlorine atom at the 5-position and / or the 6-position of the benzimidazole skeleton, the conjugated polymer compound having a deep HOMO / LUMO level can do. In addition, by including a partial structure having high planarity as described above, the stacking ability of the conjugated polymer compound can be improved, and the carrier mobility can be improved. Therefore, by forming a photoelectric conversion layer using the conjugated polymer compound of this embodiment, it is possible to achieve photoelectric conversion efficiency superior to that of the conventional organic photoelectric conversion element. In particular, when the photoelectric conversion layer is thickened, the photoelectric conversion efficiency tends to decrease because the extraction efficiency of carriers (holes / electrons) generally decreases. However, according to the partial structure, the photoelectric conversion layer is thickened. Even if it exists, it becomes possible to maintain a high photoelectric conversion efficiency. In addition, the deep HOMO / LUMO level due to the partial structure also has the effect of improving the open-circuit voltage and the photo-oxidation stability. Furthermore, in general, when a fluorine atom is introduced into a partial structure, the affinity with various solvents tends to decrease. However, when a fluorine atom is introduced into the benzimidazole skeleton as in the present embodiment, Affinity can be maintained.
一般に、化学式1で表される部分構造のように同じπ電子数を有する炭化水素芳香環(ベンゼン、ナフタレン、アントラセンなど)よりもLUMO準位またはHOMO準位が深くなるような部分構造(ユニット)を「アクセプター性ユニット」という。一方、同じπ電子数を有する炭化水素芳香環(ベンゼン、ナフタレン、アントラセンなど)よりもLUMO準位またはHOMO準位が浅くなるような部分構造(ユニット)を「ドナー性ユニット」という。本形態の共役系高分子化合物は、化学式1で表される部分構造を少なくとも1種含む限りにおいて、(1)アクセプター性ユニットのみからなる共役系高分子化合物であってもよいし、(2)アクセプター性ユニットと、ドナー性ユニットを1以上含むドナー性ユニット群とが交互に配列してなる共役系高分子化合物であってもよい。このうち、太陽光スペクトルの広い範囲にわたる放射エネルギーを効率よく吸収させるためには、後者(2)の共役系高分子化合物であることが好ましい。これは、アクセプター性ユニットとドナー性ユニット群とを交互に配列させることにより、吸収域を長波長域に拡大することができるからである。したがって、このような共役系高分子化合物は、従来のp型有機半導体の吸収域(例えば、400〜700nm)に加え、長波長域(例えば、700〜1000nm)の光も吸収することが可能となる。 Generally, a partial structure (unit) in which the LUMO level or the HOMO level is deeper than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons as in the partial structure represented by Chemical Formula 1. Is called “acceptor unit”. On the other hand, a partial structure (unit) whose LUMO level or HOMO level is shallower than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons is called a “donor unit”. The conjugated polymer compound of this embodiment may be (1) a conjugated polymer compound consisting only of an acceptor unit as long as it contains at least one partial structure represented by Chemical Formula 1, or (2) It may be a conjugated polymer compound in which an acceptor unit and a donor unit group including one or more donor units are alternately arranged. Among these, in order to efficiently absorb radiant energy over a wide range of the solar spectrum, the conjugated polymer compound of the latter (2) is preferable. This is because the absorption region can be expanded to a long wavelength region by alternately arranging the acceptor unit and the donor unit group. Therefore, such a conjugated polymer compound can absorb light in a long wavelength region (for example, 700 to 1000 nm) in addition to the absorption region (for example, 400 to 700 nm) of a conventional p-type organic semiconductor. Become.
なお、本形態の共役系高分子化合物に含まれるアクセプター性ユニットは、上記化学式1で表される部分構造を含む限りにおいては、他の部分構造(電子求引性を有する構造)を含んでもよい。ただし、より高い光電変換効率を達成するためには、共役系高分子化合物に含まれるアクセプター性ユニットのうち、上記化学式1で表される部分構造の割合が多いほど好ましい。具体的には、共役系高分子化合物に含まれる全アクセプター性ユニットの数に対して、上記化学式1で表される部分構造の数が50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましく、95%以上であることが特に好ましく、100%であることが最も好ましい。 Note that the acceptor unit included in the conjugated polymer compound of this embodiment may include another partial structure (a structure having an electron withdrawing property) as long as it includes the partial structure represented by Chemical Formula 1. . However, in order to achieve higher photoelectric conversion efficiency, it is preferable that the proportion of the partial structure represented by Chemical Formula 1 is larger in the acceptor unit included in the conjugated polymer compound. Specifically, the number of partial structures represented by Chemical Formula 1 is preferably 50% or more and 70% or more with respect to the total number of acceptor units contained in the conjugated polymer compound. Is more preferably 90% or more, particularly preferably 95% or more, and most preferably 100%.
本形態の共役系高分子化合物に含まれうるドナー性ユニット群に含まれるドナー性ユニットとしては、同じπ電子数を有する炭化水素芳香環(ベンゼン、ナフタレン、アントラセンなど)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、制限なく使用できる。例えば、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などの複素5員環、およびこれらの縮合環を含むユニットである。 The donor unit included in the group of donor units that can be included in the conjugated polymer compound of this embodiment includes a LUMO level or a HOMO rather than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons. Any unit that has a shallow level can be used without restriction. For example, a unit including a thiophene ring, a furan ring, a pyrrole ring, a hetero 5-membered ring such as cyclopentadiene, silacyclopentadiene, and a condensed ring thereof.
具体的には、チオフェン、チエノチオフェン、ビチオフェン、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などを挙げることができる。これらのユニットのうち、高い移動度を付与できるチオフェン構造を有していることが好ましく、これにより光電変換効率を一層向上させることが可能である。また、環構造を構成する原子に結合している水素原子を、炭素原子数1〜20の直鎖または分岐鎖のアルキル基やアルコキシ基などに置換することにより、溶解性や結晶性を向上させることも可能である。 Specific examples include thiophene, thienothiophene, bithiophene, fluorene, silafluorene, carbazole, dithienocyclopentadiene, dithienosilacyclopentadiene, dithienopyrrole, and benzodithiophene. Among these units, it is preferable to have a thiophene structure capable of imparting high mobility, and thus, the photoelectric conversion efficiency can be further improved. Moreover, the solubility and crystallinity are improved by substituting the hydrogen atom couple | bonded with the atom which comprises a ring structure with a C1-C20 linear or branched alkyl group, an alkoxy group, etc. It is also possible.
以下、ドナー性ユニットの好ましい形態を例示する。 Hereinafter, preferred forms of the donor unit will be exemplified.
上記化学式4で表されるドナー性ユニットにおいて、Rは、それぞれ独立して、水素原子または炭素原子数1〜20のアルキル基を表す。当該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ヘキサデシル基、2−エチルヘキシル基、2−ヘキシルデシル基などが挙げられる。 In the donor unit represented by Chemical Formula 4, each R independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Specific examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, an n-octyl group, an n-decyl group, an n-hexadecyl group, a 2-ethylhexyl group, and a 2-hexyldecyl group. Can be mentioned.
本形態において、ドナー性ユニット群は、ドナー性ユニットを1以上含む限りにおいて特に制限はなく、1つのドナー性ユニットのみからなるものであってもよいし、2以上のドナー性ユニットが連結されてなるものであってもよい。好ましくは、ドナー性ユニット群は、第一のドナー性ユニット、第二のドナー性ユニット、第三のドナー性ユニットが、この順に直鎖状に連結されてなる構造を有する。この際、ドナー性ユニット群の両端に位置する第一のドナー性ユニットおよび第三のドナー性ユニットは、アクセプター性ユニットと隣接している。言い換えると、当該共役系高分子化合物は、アクセプター性ユニットと、第二のドナー性ユニットとが、第一のドナー性ユニットまたは第三のドナー性ユニットを介して連結されてなる構造を有する。 In this embodiment, the donor unit group is not particularly limited as long as it includes one or more donor units, and may be composed of only one donor unit, or two or more donor units are connected. It may be. Preferably, the donor unit group has a structure in which a first donor unit, a second donor unit, and a third donor unit are linearly connected in this order. At this time, the first donor unit and the third donor unit located at both ends of the donor unit group are adjacent to the acceptor unit. In other words, the conjugated polymer compound has a structure in which an acceptor unit and a second donor unit are connected via a first donor unit or a third donor unit.
当該ドナー性ユニット群において、両端に位置する第一のドナー性ユニットおよび第三のドナー性ユニットは、それぞれ独立して下記化学式5で表される部分構造を少なくとも1種含み、真ん中に位置する第二のドナー性ユニットは、当該部分構造を含まないものであることが好ましい。 In the donor unit group, each of the first donor unit and the third donor unit located at both ends independently includes at least one partial structure represented by the following chemical formula 5, and is located in the middle. The second donor unit preferably does not contain the partial structure.
式中、R3およびR4は、それぞれ独立して、水素原子または炭素原子数1〜20のアルキル基を表す。 In the formula, R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
このように、アクセプター性ユニットと、第二のドナー性ユニットとの間に、化学式5で表される部分構造を導入することにより、共役系高分子化合物の結晶性を高めることができる。その結果、キャリアの移動度が向上するため、より光電変換効率を向上させることが可能となる。 Thus, the crystallinity of the conjugated polymer compound can be improved by introducing the partial structure represented by Chemical Formula 5 between the acceptor unit and the second donor unit. As a result, the carrier mobility is improved, so that the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
上記化学式5で表される部分構造において、R3およびR4の少なくとも一方は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜20の直鎖のアルキル基であることが好ましい。 In the partial structure represented by Chemical Formula 5, at least one of R 3 and R 4 is preferably independently a linear alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
このうち、共役系高分子化合物の結晶性を高め、キャリアの移動度を向上させる観点;または、共役系高分子化合物を製造する際のモノマーの溶解性を向上させる観点からは、炭素原子数が比較的大きな直鎖アルキル基であることが好ましい。具体的には、n−オクチル基、n−デシル基、n−ウンデシル基などの炭素原子数8〜20の直鎖アルキル基であることが好ましい。炭素原子数8〜20の直鎖アルキル基を導入することにより、共役系高分子化合物を製造する際のモノマーの溶解性を向上させることができるため、分子量の大きなポリマーを得ることができる。このように共役系高分子化合物の分子量を増大させることにより、バルクヘテロジャンクション型の光電変換層において、好ましいモルフォロジを与えることができるため、光電変換効率をより向上させることができる。また、共役系高分子化合物全体の溶解性も向上させることができるため、光電変換層を塗布法で形成するのに十分な溶解性を付与することが可能となり、比較的厚い(100nm以上)光電変換層であっても容易に形成することができる。また、アルキル鎖同士がパッキングしようとする、いわゆるファスナー効果を用いることによって化合物の結晶性が増大し、より高い光電変換効率が得られるようになるといった効果もある。なお、直鎖アルキル基の炭素原子数を20以下とすることにより短絡電流値の低下を防ぐことができる。一方、発生した励起子を効率よく電荷分離させるためには、炭素原子数が比較的小さな直鎖アルキル基であることが好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基といった炭素原子数1〜7の直鎖アルキル基であることが好ましい。 Among these, from the viewpoint of improving the crystallinity of the conjugated polymer compound and improving the mobility of the carrier; or from the viewpoint of improving the solubility of the monomer when producing the conjugated polymer compound, the number of carbon atoms is A relatively large linear alkyl group is preferred. Specifically, a linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms such as an n-octyl group, an n-decyl group, and an n-undecyl group is preferable. By introducing a linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms, it is possible to improve the solubility of the monomer when producing a conjugated polymer compound, so that a polymer having a large molecular weight can be obtained. By increasing the molecular weight of the conjugated polymer compound in this manner, a preferable morphology can be provided in the bulk heterojunction type photoelectric conversion layer, so that the photoelectric conversion efficiency can be further improved. In addition, since the solubility of the entire conjugated polymer compound can be improved, it is possible to provide sufficient solubility for forming a photoelectric conversion layer by a coating method, and a relatively thick (100 nm or more) photoelectric film can be provided. Even the conversion layer can be easily formed. Moreover, there is an effect that the crystallinity of the compound is increased by using a so-called fastener effect in which alkyl chains try to pack each other, and higher photoelectric conversion efficiency can be obtained. In addition, the fall of a short circuit current value can be prevented by making the carbon atom number of a linear alkyl group into 20 or less. On the other hand, in order to efficiently charge-separate the generated excitons, a linear alkyl group having a relatively small number of carbon atoms is preferable. Specifically, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, n It is preferably a straight-chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms such as -butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, and n-heptyl group.
より好ましい形態として、上記第一のドナー性ユニットに含まれる部分構造および第三のドナー性ユニットに含まれる部分構造のうち、一方の部分構造におけるR3およびR4の少なくとも一方は、炭素原子数6〜20の直鎖のアルキル基であり、他方の部分構造におけるR3およびR4は、水素原子または炭素原子数1〜5の直鎖のアルキル基である形態が挙げられる。このように、一の共役系高分子化合物内に、炭素原子数の比較的小さな直鎖アルキル基を有する部分構造と、炭素原子数の比較的大きな直鎖アルキル基を有する部分構造とを共存させることにより、キャリアの移動度やモノマーの溶解性および電荷分離効率を共に向上させることが可能となる。 As a more preferable embodiment, at least one of R 3 and R 4 in one partial structure out of the partial structure included in the first donor unit and the partial structure included in the third donor unit is the number of carbon atoms Examples include a straight-chain alkyl group having 6 to 20 and R 3 and R 4 in the other partial structure being a hydrogen atom or a straight-chain alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. Thus, a partial structure having a linear alkyl group having a relatively small number of carbon atoms and a partial structure having a linear alkyl group having a relatively large number of carbon atoms coexist in one conjugated polymer compound. As a result, it is possible to improve both carrier mobility, monomer solubility, and charge separation efficiency.
以下に、ドナー性ユニット群の好ましい形態を以下に示す。下記化学式6中、「D−II」は、任意の第二のドナー性ユニットを表す。 Below, the preferable form of a donor property unit group is shown below. In the following chemical formula 6, “D-II” represents an arbitrary second donor unit.
さらに、ドナー性ユニット群は、順次第一〜第五のドナー性ユニットが、この順に直鎖状に連結されてなる、下記のような構造を有していてもよい。 Further, the donor unit group may have the following structure in which the first to fifth donor units are sequentially connected in a straight chain in this order.
本形態の共役系高分子化合物の分子量は特に制限はないが、共役系高分子化合物にモルフォロジを与えるためには、適度な分子量を有することが好ましい。他方で分子量が高すぎると溶解性が低くなることがある。具体的には、共役系高分子化合物の数平均分子量が10000〜100000であることが好ましく、15000〜70000であることがより好ましく、25000〜50000であることがさらに好ましい。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場合に、n型有機半導体として使用される低分子化合物(例えば、フラーレン誘導体)が広く用いられているが、p型有機半導体として用いられる共役系高分子化合物の分子量が上記範囲内であると、ミクロ相分離構造が良好に形成されるため、pn接合界面で発生した正孔と電子とを運ぶキャリアパスが形成されやすくなるためである。本明細書における数平均分子量は、後述の実施例に記載するように、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC;標準物質ポリスチレン)で測定することができる。 The molecular weight of the conjugated polymer compound of this embodiment is not particularly limited, but preferably has an appropriate molecular weight in order to give morphology to the conjugated polymer compound. On the other hand, if the molecular weight is too high, the solubility may be lowered. Specifically, the number average molecular weight of the conjugated polymer compound is preferably 10,000 to 100,000, more preferably 15,000 to 70,000, and even more preferably 25,000 to 50,000. A low molecular compound (for example, fullerene derivative) used as an n-type organic semiconductor is widely used in constituting a bulk heterojunction type photoelectric conversion layer, but a conjugated polymer compound used as a p-type organic semiconductor When the molecular weight is within the above range, a microphase separation structure is formed well, and a carrier path for carrying holes and electrons generated at the pn junction interface is easily formed. The number average molecular weight in the present specification can be measured by gel permeation chromatography (GPC; standard material polystyrene) as described in Examples described later.
なお、本形態において、以上で例示したアクセプター性ユニットと、ドナー性ユニットとの組み合わせは、特に制限はなく、任意のアクセプター性ユニットと、任意のドナー性ユニットとを適宜組み合わせて共役系高分子化合物を合成し、使用することが可能である。後述の実施例では、下記表1および下記化学式7で示す組み合わせの共役系高分子化合物を合成し、その性能を評価しているが、本発明の技術的範囲は、これらの例にのみに制限されない。 In the present embodiment, the combination of the acceptor unit exemplified above and the donor unit is not particularly limited, and a conjugated polymer compound is appropriately combined with any acceptor unit and any donor unit. Can be synthesized and used. In the examples described later, conjugated polymer compounds having the combinations shown in Table 1 and Chemical Formula 7 below were synthesized and their performance was evaluated, but the technical scope of the present invention was limited to these examples only. Not.
<有機光電変換素子>
上述のように、本発明に係る共役系高分子化合物は、十分な光電変換効率を発揮することができるため、有機光電変換素子に好適に用いられうる。すなわち、本発明の他の一形態によると、第一の電極と、第二の電極と、第一の電極および第二の電極の間に存在する、n型有機半導体および上述のp型有機半導体を含む光電変換層と、を含み、当該p型有機半導体は、上述の本発明の共役系高分子化合物を含む、有機光電変換素子が提供される。
<Organic photoelectric conversion element>
As described above, since the conjugated polymer compound according to the present invention can exhibit sufficient photoelectric conversion efficiency, it can be suitably used for an organic photoelectric conversion element. That is, according to another embodiment of the present invention, the first electrode, the second electrode, the n-type organic semiconductor and the p-type organic semiconductor that are present between the first electrode and the second electrode An organic photoelectric conversion element including the above-described conjugated polymer compound of the present invention is provided.
以下、添付した図面を参照しながら本形態を説明するが、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載により定められるべきものであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined by the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1は、本発明の一実施形態に係る、順層型の有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。具体的には、図1の有機光電変換素子10は、基板25上に、陽極11、正孔輸送層26、光電変換層14、電子輸送層27、および陰極12がこの順に積層されてなる構成を有する。なお、基板25は、主に、その上の陽極11を塗布方式で形成するのを容易にするために任意に設けられる部材である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a normal layer type organic photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention. Specifically, the organic photoelectric conversion element 10 of FIG. 1 has a configuration in which an anode 11, a hole transport layer 26, a photoelectric conversion layer 14, an electron transport layer 27, and a cathode 12 are laminated in this order on a substrate 25. Have The substrate 25 is a member that is arbitrarily provided mainly for facilitating the formation of the anode 11 thereon by a coating method.
図1に示す有機光電変換素子10の作動時において、光は基板25側から照射される。本実施形態において、陽極11は、照射された光が光電変換層14へと届くようにするため、透明な電極材料(例えば、ITO)で構成される。基板25側から照射された光は、透明な陽極11および正孔輸送層26を経て光電変換層14へと届く。 When the organic photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 is operated, light is irradiated from the substrate 25 side. In the present embodiment, the anode 11 is made of a transparent electrode material (for example, ITO) so that the irradiated light reaches the photoelectric conversion layer 14. The light irradiated from the substrate 25 side reaches the photoelectric conversion layer 14 through the transparent anode 11 and the hole transport layer 26.
図1において、基板25を経て陽極11から入射された光は、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 anode 11 through the substrate 25 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the photoelectric conversion layer 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. Pair (charge separation state) is formed.
発生した電荷は内部電界、例えば、陽極11と陰極12との仕事関数が異なる場合では陽極11と陰極12との電位差によって、電子は電子受容体間を通り、また正孔は電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。 In the case where the generated electric charges have different internal electric fields, for example, when the work functions of the anode 11 and the cathode 12 are different, the electrons pass between the electron acceptors and the holes pass between the electron donors due to the potential difference between the anode 11 and the cathode 12. Each is carried to a different electrode and the photocurrent is detected.
なお、正孔輸送層26は、正孔の移動度が高い材料で形成されており、光電変換層14のpn接合界面で生成した正孔を効率よく陽極11へと輸送する機能を担っている。一方、電子輸送層27は、電子の移動度が高い材料で形成されており、光電変換層14のpn接合界面で生成した電子を効率よく陰極12へと輸送する機能を担っている。 The hole transport layer 26 is formed of a material having a high hole mobility, and has a function of efficiently transporting holes generated at the pn junction interface of the photoelectric conversion layer 14 to the anode 11. . On the other hand, the electron transport layer 27 is made of a material having high electron mobility, and has a function of efficiently transporting electrons generated at the pn junction interface of the photoelectric conversion layer 14 to the cathode 12.
図2は、本発明の他の一実施形態に係る、逆層型の有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。図2の有機光電変換素子20は、図1の有機光電変換素子10と比較して、陽極11と陰極12とが逆の位置に配置され、また、正孔輸送層26と電子輸送層27とが逆の位置に配置されている点が異なる。すなわち、図2の有機光電変換素子20は、基板25上に、陰極12、電子輸送層27、光電変換層14、正孔輸送層26、および陽極11がこの順に積層されてなる構成を有している。このような構成を有することにより、光電変換層14のpn接合界面で生成される電子は電子輸送層27を経て陰極12へと輸送され、正孔は正孔輸送層26を経て陽極11へと輸送される。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a reverse layer type organic photoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention. The organic photoelectric conversion element 20 in FIG. 2 has the anode 11 and the cathode 12 disposed at opposite positions as compared with the organic photoelectric conversion element 10 in FIG. 1, and the hole transport layer 26, the electron transport layer 27, and the like. Are different in that they are arranged at the opposite positions. 2 has a configuration in which the cathode 12, the electron transport layer 27, the photoelectric conversion layer 14, the hole transport layer 26, and the anode 11 are laminated on the substrate 25 in this order. ing. With this configuration, electrons generated at the pn junction interface of the photoelectric conversion layer 14 are transported to the cathode 12 through the electron transport layer 27, and holes are transported to the anode 11 through the hole transport layer 26. Transported.
図3は、本発明の他の一実施形態に係る、タンデム型(多接合型)の光電変換層を備えた有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。図3の有機光電変換素子30は、図1の有機光電変換素子10と比較して、光電変換層14に代えて、第1の光電変換層14aと、第2の光電変換層14bと、これら2つの光電変換層の間に介在する電荷再結合層38との積層体が配置されている点が異なる。図3に示すタンデム型の有機光電変換素子30では、第1の光電変換層14aおよび第2の光電変換層14bに、それぞれ吸収波長の異なる光電変換材料(p型有機半導体およびn型有機半導体)を用いることにより、より広い波長域の光を効率よく電気に変換することが可能となる。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating an organic photoelectric conversion element including a tandem (multi-junction type) photoelectric conversion layer according to another embodiment of the present invention. Compared with the organic photoelectric conversion element 10 in FIG. 1, the organic photoelectric conversion element 30 in FIG. 3 replaces the photoelectric conversion layer 14 with a first photoelectric conversion layer 14 a, a second photoelectric conversion layer 14 b, and these The difference is that a stacked body with a charge recombination layer 38 interposed between two photoelectric conversion layers is disposed. In the tandem organic photoelectric conversion element 30 shown in FIG. 3, photoelectric conversion materials (p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor) having different absorption wavelengths are used for the first photoelectric conversion layer 14a and the second photoelectric conversion layer 14b, respectively. By using this, light in a wider wavelength range can be efficiently converted into electricity.
以下、本発明に係る有機光電変換素子の各構成について詳細に説明する。 Hereinafter, each structure of the organic photoelectric conversion element which concerns on this invention is demonstrated in detail.
[電極]
本形態の有機光電変換素子は、第一の電極および第二の電極を必須に含む。第一の電極および第二の電極は、各々、陽極または陰極として機能する。本明細書において、「第一の」および「第二の」とは、陽極または陰極としての機能を区別するための用語である。したがって、第一の電極が陽極として機能し、第二の電極が陰極として機能する場合もあるし、逆に、第一の電極が陰極として機能し、第二の電極が陽極として機能する場合もある。上述したように、光電変換層14で生成されるキャリア(正孔・電子)は、電極間をドリフトし、正孔は陽極12へ、電子は陰極16へと到達する。なお、本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。また、タンデム構成をとる場合には電荷再結合層(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。さらに、電極が透光性を有するものであるか否かという機能面から、透光性を有する電極を透明電極と呼び、透光性のない電極を対電極と呼び分ける場合もある。順層構成の場合、通常、陽極は透光性のある透明電極であり、陰極は透光性のない対電極である。
[electrode]
The organic photoelectric conversion element of this embodiment essentially includes a first electrode and a second electrode. The first electrode and the second electrode each function as an anode or a cathode. In the present specification, “first” and “second” are terms for distinguishing functions as an anode or a cathode. Therefore, the first electrode may function as an anode and the second electrode may function as a cathode. Conversely, the first electrode may function as a cathode and the second electrode may function as an anode. is there. As described above, the carriers (holes / electrons) generated in the photoelectric conversion layer 14 drift between the electrodes, and the holes reach the anode 12 and the electrons reach the cathode 16. In the present invention, an electrode through which holes mainly flow is called an anode, and an electrode through which electrons mainly flow is called a cathode. Moreover, when taking a tandem structure, a tandem structure can be achieved by using a charge recombination layer (intermediate electrode). Furthermore, from the functional aspect of whether or not the electrode has translucency, the translucent electrode is sometimes referred to as a transparent electrode, and the non-translucent electrode is sometimes referred to as a counter electrode. In the case of a normal layer configuration, the anode is usually a transparent electrode having a light transmitting property, and the cathode is a counter electrode having no light transmitting property.
本形態の電極に使用される材料は、光電変換素子として駆動する限りにおいては特に制限はなく、本技術分野で使用されうる電極材料を適宜採用することができる。なかでも、陽極は陰極と比較して相対的に仕事関数が大きい材料から構成されることが好ましく、逆に陰極は陽極と比較して相対的に仕事関数が小さい材料から構成から構成されることが好ましい。 The material used for the electrode of this embodiment is not particularly limited as long as it is driven as a photoelectric conversion element, and an electrode material that can be used in this technical field can be appropriately employed. In particular, the anode is preferably composed of a material having a relatively large work function compared to the cathode, and conversely, the cathode is composed of a material having a relatively small work function compared to the anode. Is preferred.
上述の図1に示す順層型の有機光電変換素子10における陽極11は、相対的に仕事関数が大きく、透明な(380〜800nmの光を透過可能な)電極材料から構成されることが好ましい。一方、陰極12は、相対的に仕事関数が小さく(例えば、4eV以下)、通常、透光性の低い電極材料から構成されうる。 The anode 11 in the normal layer type organic photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 is preferably composed of a transparent electrode material having a relatively large work function and capable of transmitting light of 380 to 800 nm. . On the other hand, the cathode 12 has a relatively small work function (for example, 4 eV or less), and can usually be composed of an electrode material having low translucency.
このような、順層型の有機光電変換素子10において、陽極(透明電極)に使用される電極材料としては、例えば、金、銀、白金などの金属;インジウムスズ酸化物(ITO)、SnO2、ZnOなどの透明な導電性金属酸化物;金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などが挙げられる。また、陽極の電極材料として導電性高分子を用いることも可能である。陽極に使用されうる導電性高分子としては、例えば、PEDOT:PSS、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、ポリナフタレンおよびこれらの誘導体などが挙げられる。これらの電極材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上の材料を混合して使用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。 In such a normal layer type organic photoelectric conversion element 10, examples of electrode materials used for the anode (transparent electrode) include metals such as gold, silver, and platinum; indium tin oxide (ITO), SnO 2. And transparent conductive metal oxides such as ZnO; carbon materials such as metal nanowires and carbon nanotubes. It is also possible to use a conductive polymer as the anode electrode material. Examples of conductive polymers that can be used for the anode include PEDOT: PSS, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenyl. Examples include acetylene, polydiacetylene, polynaphthalene, and derivatives thereof. These electrode materials may be used alone or as a mixture of two or more materials. It is also possible to form an electrode by laminating two or more layers made of each material.
一方、順層型の有機光電変換素子において、陰極(対電極)に使用される電極材料としては、金属、合金、電子電導性化合物、およびこれらの混合物が使用されうる。具体的には、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属などが挙げられる。このうち、電子の取り出し性能や、酸化などに対する耐久性の観点から、仕事関数が低い第一の金属と、第一の金属よりも仕事関数が大きく安定な金属である第二の金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、リチウム/アルミニウム混合物や、安定な金属であるアルミニウムなどを用いることが好ましい。また、これらの材料のうち金属を用いることも好ましく、これにより、第一の電極側から入射し光電変換層で吸収されずに透過した光を、第二の電極で反射させて光電変換に再利用することができ、光電変換効率を向上させることが可能である。これらの電極材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上の材料を混合して使用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。なお、陰極(対電極)の厚さは特に制限はないが、通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmである。 On the other hand, in the normal layer type organic photoelectric conversion element, as an electrode material used for the cathode (counter electrode), a metal, an alloy, an electron conductive compound, and a mixture thereof can be used. Specifically, sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixture, indium, Examples include lithium / aluminum mixtures and rare earth metals. Of these, a mixture of a first metal having a low work function and a second metal, which is a metal having a larger work function and more stable than the first metal, from the viewpoint of electron extraction performance and durability against oxidation, etc. For example, it is preferable to use a magnesium / silver mixture, a magnesium / aluminum mixture, a magnesium / indium mixture, an aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixture, a lithium / aluminum mixture, aluminum which is a stable metal, or the like. In addition, it is also preferable to use a metal among these materials, so that light that is incident from the first electrode side and transmitted without being absorbed by the photoelectric conversion layer is reflected by the second electrode and is regenerated for photoelectric conversion. The photoelectric conversion efficiency can be improved. These electrode materials may be used alone or as a mixture of two or more materials. It is also possible to form an electrode by laminating two or more layers made of each material. The thickness of the cathode (counter electrode) is not particularly limited, but is usually 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.
また、図2に示す逆層型の有機光電変換素子では、光が入射する基板25側に陰極12が位置し、反対側に陽極11が位置する。したがって、図2に示す逆層型の形態における陽極11は、相対的に仕事関数が大きく、通常、透光性の低い電極材料から構成されることが好ましい。一方、陰極12は、相対的に仕事関数が小さく、透明な電極材料から構成される。 In the reverse layer type organic photoelectric conversion element shown in FIG. 2, the cathode 12 is located on the substrate 25 side on which light is incident, and the anode 11 is located on the opposite side. Therefore, the anode 11 in the reverse layer type shown in FIG. 2 is preferably composed of an electrode material having a relatively large work function and usually low translucency. On the other hand, the cathode 12 has a relatively small work function and is made of a transparent electrode material.
逆層型の有機光電変換素子において、陰極(透明電極)に使用される電極材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウムなどの金属、金属化合物、および合金;カーボンナノ粒子、カーボンナノワイヤー、カーボンナノ構造体などの炭素材料;が挙げられる。これらの電極材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上の材料を混合して使用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。このうち、カーボンナノワイヤーを用いることにより、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成できるため好ましい。また、金属系の材料を使用する場合、陽極(対電極)と対向する側に、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀化合物などを用いて、1〜20nm程度の厚さの補助電極を作製した後、上述の順層型の有機光電変換素子の陽極(透明電極)材料として例示した導電性高分子の膜を設けることで、陰極(透明電極)とすることができる。 In the reverse layer type organic photoelectric conversion element, examples of the electrode material used for the cathode (transparent electrode) include metals such as gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, and indium, metal compounds, And carbon materials such as carbon nanoparticles, carbon nanowires, and carbon nanostructures. These electrode materials may be used alone or as a mixture of two or more materials. It is also possible to form an electrode by laminating two or more layers made of each material. Among these, it is preferable to use carbon nanowires because a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method. In addition, when a metal material is used, an auxiliary electrode having a thickness of about 1 to 20 nm is formed on the side facing the anode (counter electrode) using, for example, aluminum, an aluminum alloy, silver, a silver compound, or the like. Then, a cathode (transparent electrode) can be obtained by providing a conductive polymer film exemplified as the anode (transparent electrode) material of the above-mentioned normal layer type organic photoelectric conversion element.
一方、逆層型の有機光電変換素子において、陽極(対電極)に使用される電極材料は、上記陰極(透明電極)よりも相対的に仕事関数が大きい電極材料であることが好ましい。一例を挙げると、銀、ニッケル、モリブデン、金、白金、タングステン、および銅などの金属材料を用いて陽極(対電極)が形成されうる。 On the other hand, in the reverse layer type organic photoelectric conversion element, the electrode material used for the anode (counter electrode) is preferably an electrode material having a relatively higher work function than the cathode (transparent electrode). For example, the anode (counter electrode) may be formed using a metal material such as silver, nickel, molybdenum, gold, platinum, tungsten, and copper.
前述の通り、本発明においては、酸素や水分等で劣化しにくい材料を陽極・陰極双方に用いることができる、図2の逆層構成の有機光電変換素子であることが好ましい。逆層構成において好ましい陽極・陰極の組合せの例としては、たとえば
1)第一の電極(陰極)ITO, 第二の電極(陽極)銀
2)第一の電極(陰極)PEDOT:PSS, 第二の電極(陽極)銀
3)第一の電極(陰極)ITO, 第二の電極(陽極)銅
4)第一の電極(陰極)PEDOT:PSS, 第二の電極(陽極)金
5)第一の電極(陰極)ITO, 第二の電極(陽極)PEDOT:PSS
等を挙げることができる。
As described above, in the present invention, the organic photoelectric conversion element having the reverse layer structure of FIG. 2 in which a material that hardly deteriorates due to oxygen, moisture, or the like can be used for both the anode and the cathode is preferable. Examples of preferable anode / cathode combinations in the reverse layer configuration include, for example, 1) first electrode (cathode) ITO, second electrode (anode) silver 2) first electrode (cathode) PEDOT: PSS, second Electrode (anode) silver 3) first electrode (cathode) ITO, second electrode (anode) copper 4) first electrode (cathode) PEDOT: PSS, second electrode (anode) gold 5) first Electrode (cathode) ITO, second electrode (anode) PEDOT: PSS
Etc.
[光電変換層]
光電変換層は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。本形態の有機光電変換素子は、光電変換層に、n型有機半導体および上述の本発明の共役系高分子化合物をp型有機半導体として必須に含む点に特徴を有する。これらの光電変換材料に光が吸収されると、励起子が発生し、これがpn接合界面において、正孔と電子とに電荷分離される。
[Photoelectric conversion layer]
The photoelectric conversion layer has a function of converting light energy into electric energy using the photovoltaic effect. The organic photoelectric conversion element of this embodiment is characterized in that the photoelectric conversion layer essentially includes the n-type organic semiconductor and the conjugated polymer compound of the present invention as a p-type organic semiconductor. When light is absorbed by these photoelectric conversion materials, excitons are generated, which are separated into holes and electrons at the pn junction interface.
本形態の光電変換層は、上述の本発明の共役系高分子化合物を必須に含み、必要に応じて、他のp型有機半導体材料を含みうる。他のp型有機半導体材料の一例を以下に示す。 The photoelectric conversion layer of this embodiment essentially contains the above-described conjugated polymer compound of the present invention, and may contain other p-type organic semiconductor materials as necessary. An example of another p-type organic semiconductor material is shown below.
縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンジチオテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、およびこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。 Examples of the condensed polycyclic aromatic low molecular weight compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, thacumanthracene, bisanthene, zeslene. , Heptazethrene, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, etc., porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenedithiotetrathiafulvalene (BEDTTTTF) -perchloric acid complex, and derivatives and precursors thereof.
また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。 Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, acene-based compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in 2706 and the like.
共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェンおよびそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、WO2008/000664に記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv Mater,2007p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体、Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロールおよびそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレンおよびそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレンおよびそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレンおよびそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。 As the conjugated polymer, for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, a polythiophene-thienothiophene copolymer described in WO2008 / 000664, a polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO2008 / 000664, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer described in Adv Mater, 2007p4160, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.
また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。 In addition, oligomeric materials instead of polymer materials include thiophene hexamer α-sexual thiophene α, ω-dihexyl-α-sexual thiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.
これらの化合物の中でも、溶液プロセスが可能な程度に有機溶剤への溶解性が高く、かつ乾燥後は結晶性薄膜を形成し、高い移動度を達成することが可能な化合物が好ましい。より好ましくは、本発明のn型有機半導体材料であるフラーレン誘導体と適度な相溶性を有するような化合物(適度な相分離構造形成し得る化合物)であることが好ましい。 Among these compounds, compounds that have high solubility in organic solvents to the extent that solution processing is possible, can form a crystalline thin film after drying, and can achieve high mobility are preferable. More preferably, it is a compound (a compound capable of forming an appropriate phase separation structure) having appropriate compatibility with the fullerene derivative which is the n-type organic semiconductor material of the present invention.
またバルクへテロジャンクション層上にさらに溶液プロセスで電子輸送層や正孔ブロック層を形成する際には、一度塗布した層の上にさらに塗布することができれば、容易に積層することができるが、通常溶解性のよい材料からなる層の上にさらに層を溶液プロセスによって積層使用とすると、下地の層を溶かしてしまうために積層することができないという課題を有していた。したがって、溶液プロセスで塗布した後に不溶化できるような材料が好ましい。 In addition, when forming an electron transport layer or a hole blocking layer by a solution process on the bulk heterojunction layer, if it can be further applied on the layer once applied, it can be easily laminated, When a layer is further laminated by a solution process on a layer made of a material that usually has good solubility, there is a problem that the layer cannot be laminated because the underlying layer is dissolved. Therefore, a material that can be insolubilized after application by a solution process is preferable.
このような材料としては、Technical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第2003/136964号、および特開2008−16834等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)材料などを挙げることができる。 Examples of such materials include materials that can be insolubilized by polymerizing the coating film after coating, such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Or a material in which soluble substituents react and become insoluble (pigmented) by applying energy such as heat, as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834 And so on.
なお、本形態の光電変換層に含まれるp型有機半導体は、上述の共役系高分子化合物を含む限りにおいては、上記他のp型有機半導体材料の含有量は特に制限はない。ただし、より高い光電変換効率を達成するためには、光電変換層に含まれるp型有機半導体の総量(光電変換層が2層以上含まれる場合には、全ての層における総量)に対して、上述の共役系高分子化合物の割合が多いほど好ましい。具体的には、p型有機半導体の総量に対する共役系高分子化合物の割合が、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましく、95質量%以上であることが特に好ましく、100質量%であることが最も好ましい。 In addition, as long as the p-type organic semiconductor contained in the photoelectric converting layer of this form contains the above-mentioned conjugated polymer compound, the content of the other p-type organic semiconductor material is not particularly limited. However, in order to achieve higher photoelectric conversion efficiency, with respect to the total amount of the p-type organic semiconductor included in the photoelectric conversion layer (when two or more photoelectric conversion layers are included, the total amount in all layers), The larger the proportion of the conjugated polymer compound described above, the better. Specifically, the ratio of the conjugated polymer compound to the total amount of the p-type organic semiconductor is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass or more. More preferably, it is particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
一方、本形態の光電変換層に使用されるn型有機半導体も、前記p型有機半導体に対してアクセプター性(電子受容性)である有機化合物であれば特に制限はなく、本技術分野で使用されうる材料を適宜採用することができる。このような化合物としては、前記p型有機半導体のLUMO準位に対して0.2〜0.5eV以上深い化合物であればよく、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、オクタアザポルフィリンなど、上記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(例えば、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など)、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など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などが挙げられる。 On the other hand, the n-type organic semiconductor used in the photoelectric conversion layer of the present embodiment is not particularly limited as long as it is an organic compound that is acceptor (electron-accepting) with respect to the p-type organic semiconductor, and is used in this technical field. The material which can be used can be employ | adopted suitably. Such a compound may be a compound deeper by 0.2 to 0.5 eV or more than the LUMO level of the p-type organic semiconductor. For example, the p-type organic such as fullerene, carbon nanotube, octaazaporphyrin, etc. Perfluoro compounds (for example, perfluoropentacene and perfluorophthalocyanine) in which hydrogen atoms of a semiconductor are substituted with fluorine atoms, naphthalene tetracarboxylic acid anhydride, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, perylene tetracarboxylic acid anhydride, perylene tetracarboxylic acid Examples thereof include aromatic carboxylic acid anhydrides such as diimide and polymer compounds containing the imidized product thereof as a skeleton.
このうち、p型有機半導体と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができるという観点から、フラーレンもしくはカーボンナノチューブまたはこれらの誘導体を用いることが好ましい。より具体的には、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、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン(円錐型)など、およびこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、置換されたまたは非置換の、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、アミノ基などによって置換されたフラーレン誘導体が挙げられる。 Of these, fullerenes, carbon nanotubes, or derivatives thereof are preferably used from the viewpoint that charge separation can be efficiently performed with a p-type organic semiconductor at high speed (up to 50 fs). More specifically, fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotube, multi-walled carbon nanotube, single-walled carbon nanotube, carbon nanohorn (conical type), etc. , And some of these are hydrogen atoms, halogen atoms (fluorine atoms, chlorine atoms, bromine atoms, iodine atoms), substituted or unsubstituted alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups, And a fullerene derivative substituted with a cycloalkyl group, a silyl group, an ether group, a thioether group, an amino group, or the like.
特に、[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)、[6,6]−フェニルC71−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PC71BM)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報に記載のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報に記載のメタロセン化フラーレン、米国特許第7,329,709号明細書に記載の環状エーテル基を有するフラーレンなどのような、置換基により溶解性が向上されてなるフラーレン誘導体を用いることが好ましい。なお、本形態において、n型有機半導体は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 In particular, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61- Butyric acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), [6,6] -phenyl C71-butyric acid methyl ester (abbreviation PC71BM), Adv . Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, aminated fullerene described in JP-A 2006-199674, metallocene fullerene described in JP-A 2008-130889, US Pat. No. 7,329,709 It is preferable to use a fullerene derivative whose solubility is improved by a substituent, such as fullerene having a cyclic ether group described in the specification. In this embodiment, the n-type organic semiconductor may be used alone or in combination of two or more.
本形態の光電変換層における、p型有機半導体およびn型有機半導体の接合形態は、特に制限はなく、平面へテロ接合であってもよいし、バルクへテロ接合(バルクヘテロジャンクション)であってもよい。平面ヘテロ接合とは、p型有機半導体を含むp型有機半導体層と、n型有機半導体を含むn型有機半導体層とが積層され、これら2つの層が接触する面がpn接合界面となる接合形態である。一方、バルクヘテロジャンクションとは、p型有機半導体とn型有機半導体との混合物を塗布することにより形成され、この単一の層中において、p型有機半導体のドメインとn型有機半導体のドメインとがミクロ相分離構造をとっている。したがって、バルクヘテロジャンクションでは、平面へテロ接合と比較して、pn接合界面が層全体にわたって数多く存在することになる。よって、光吸収により生成した励起子の多くがpn接合界面に到達できることになり、電荷分離に至る効率を高めることができる。このような理由から、本形態の光電変換層における、p型有機半導体とn型有機半導体との接合は、バルクヘテロジャンクションであることが好ましい。 There is no particular limitation on the junction form of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer of this embodiment, and it may be a planar heterojunction or a bulk heterojunction (bulk heterojunction). Good. A planar heterojunction is a junction in which a p-type organic semiconductor layer containing a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor layer containing an n-type organic semiconductor are stacked, and the surface where these two layers contact is the pn junction interface. It is a form. On the other hand, a bulk heterojunction is formed by applying a mixture of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor. In this single layer, a domain of the p-type organic semiconductor and a domain of the n-type organic semiconductor are formed. It has a microphase separation structure. Therefore, in a bulk heterojunction, many pn junction interfaces exist throughout the layer as compared to a planar heterojunction. Therefore, most of the excitons generated by light absorption can reach the pn junction interface, and the efficiency leading to charge separation can be increased. For these reasons, the junction between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer of this embodiment is preferably a bulk heterojunction.
また、バルクヘテロジャンクション層は、通常の、p型有機半導体材料とn型有機半導体層が混合されてなる単一の層(i層)からなる場合の他に、当該i層がp型有機半導体からなるp層およびn型有機半導体からなるn層により挟持されてなる3層構造(p−i−n構造)を有する場合がある。このようなp−i−n構造は、正孔および電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ることができる。 The bulk heterojunction layer is formed of a single layer (i layer) in which a normal p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor layer are mixed, and the i layer is made of a p-type organic semiconductor. In some cases, it has a three-layer structure (p-i-n structure) sandwiched between a p layer and an n layer made of an n-type organic semiconductor. Such a pin structure has higher rectification of holes and electrons, reduces loss due to recombination of charge-separated holes and electrons, and can achieve higher photoelectric conversion efficiency. .
本発明において、光電変換層に含まれるp型有機半導体とn型有機半導体との混合比は、質量比で2:8〜8:2の範囲が好ましく、より好ましくは3.3:6.7〜5:5の範囲である。また、光電変換層1層の膜厚は、好ましくは50〜400nmであり、より好ましくは80〜300nmであり、特に好ましくは100〜200nmである。一般に、より多くの光を吸収させる観点から、光電変換層の膜厚は大きい方が好ましいが、膜厚が大きくなるとキャリア(正孔・電子)の取り出し効率が低下するために光電変換効率が低下する傾向がある。しかしながら、上述の本形態の共役系高分子化合物をp型有機半導体材料として用いて光電変換層を形成すると、従来のp型有機半導体材料を用いた光電変換層と比較して、100nm以上の膜厚とした場合であってもキャリア(正孔・電子)の取り出し効率が低下しにくいため、高い光電変換効率を維持することができる。 In the present invention, the mixing ratio of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor contained in the photoelectric conversion layer is preferably in the range of 2: 8 to 8: 2, more preferably 3.3: 6.7. It is the range of -5: 5. Moreover, the film thickness of one photoelectric conversion layer is preferably 50 to 400 nm, more preferably 80 to 300 nm, and particularly preferably 100 to 200 nm. In general, from the viewpoint of absorbing more light, it is preferable that the thickness of the photoelectric conversion layer is larger. However, as the film thickness increases, the extraction efficiency of carriers (holes / electrons) decreases, so the photoelectric conversion efficiency decreases. Tend to. However, when a photoelectric conversion layer is formed using the conjugated polymer compound of the present embodiment described above as a p-type organic semiconductor material, a film having a thickness of 100 nm or more is formed as compared with a photoelectric conversion layer using a conventional p-type organic semiconductor material. Even when the thickness is increased, the extraction efficiency of carriers (holes / electrons) is unlikely to decrease, so that high photoelectric conversion efficiency can be maintained.
(基板)
本発明の有機光電変換素子は、必要に応じて基板を含みうる。基板は、電極を塗布方式で形成する場合における、塗布液の被塗布部材としての役割を有する。
(substrate)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may include a substrate as necessary. The substrate has a role as a member to be coated with a coating solution when the electrode is formed by a coating method.
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。 When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility.
本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。なかでも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度およびコストの点から、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。 There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, 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. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film. 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、酸素およ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。 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.
(正孔輸送層)
本形態の有機光電変換素子は、必要に応じて正孔輸送層を含みうる。正孔輸送層は、正孔を輸送する機能を有し、かつ電子を輸送する能力が著しく小さい(例えば、正孔の移動度の10分の1以下)という性質を有する。正孔輸送層は、光電変換層と陽極との間に設けられ、正孔を陽極へと輸送しつつ、電子の移動を阻止することで、電子と正孔とが再結合するのを防ぐことができる。
(Hole transport layer)
The organic photoelectric conversion element of this form can contain a positive hole transport layer as needed. The hole transport layer has a function of transporting holes and a property of extremely small ability to transport electrons (for example, 1/10 or less of the mobility of holes). The hole transport layer is provided between the photoelectric conversion layer and the anode and prevents recombination of electrons and holes by blocking the movement of electrons while transporting holes to the anode. Can do.
正孔輸送層に用いられる正孔輸送材料は、特に制限はなく、本技術分野で使用されうる材料を適宜採用することができる。一例を挙げると、例えば、Clevios社製、商品名BaytronP等のPEDOT:PSS、欧州特許第1647566号等に記載のポリチエノチオフェン類、特開2010−206146号に記載のスルホン化ポリチオフェン類、ポリアニリンおよびそのドープ材料、国際公開第2006/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物などが挙げられる。 There is no restriction | limiting in particular in the hole transport material used for a hole transport layer, The material which can be used in this technical field can be employ | adopted suitably. As an example, for example, PEDOT: PSS such as product name BaytronP manufactured by Clevios, polythienothiophenes described in European Patent No. 1647566, sulfonated polythiophenes described in JP 2010-206146, polyaniline, and the like The dope material, cyan compounds described in International Publication No. 2006/019270 pamphlet and the like can be mentioned.
また、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、およびピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、アニリン系共重合体、また導電性高分子オリゴマー、特にチオフェンオリゴマーなどもまた、用いられうる。 Also, triazole derivatives, oxadiazole derivatives, imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, and pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, arylamine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives , Stilbene derivatives, silazane derivatives, aniline copolymers, and conductive polymer oligomers, particularly thiophene oligomers, may also be used.
また、これら以外にも、ポルフィリン化合物、芳香族第3級アミン化合物、およびスチリルアミン化合物などが使用可能であり、これらのうちでは、芳香族第3級アミン化合物を用いることが好ましい。なお、場合によっては、モリブデン、バナジウム、タングステンなどの金属酸化物やその混合物などの無機化合物を用いて正孔輸送層を形成してもよい。 Besides these, a porphyrin compound, an aromatic tertiary amine compound, a styrylamine compound, and the like can be used, and among these, it is preferable to use an aromatic tertiary amine compound. In some cases, the hole transport layer may be formed using an inorganic compound such as a metal oxide such as molybdenum, vanadium, or tungsten, or a mixture thereof.
さらに上記化合物に含まれる構造単位を高分子鎖に導入した、あるいは、上記化合物を高分子の主鎖とした高分子材料を正孔輸送材料として用いることもできる。また、特開平11−251067号公報、J.Huang et.al.,Applied Physics Letters,80(2002),p.139に記載されているような、p型正孔輸送材料を用いることもできる。さらに、不純物をドープしたp性の高い正孔輸送材料を用いることもできる。一例を挙げると、特開平4−297076号公報、特開2000−196140号公報、特開2001−102175号公報、J.Appl.Phys.,95,5773(2004)などに記載された材料が挙げられる。なお、これらの正孔輸送材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて正孔輸送層を構成することも可能である。 Furthermore, a polymer material in which a structural unit contained in the above compound is introduced into a polymer chain, or a polymer material having the above compound as the main chain of the polymer can also be used as a hole transport material. JP-A-11-251067, J. Org. Huang et. al. , Applied Physics Letters, 80 (2002), p. A p-type hole transport material as described in 139 can also be used. Furthermore, a hole transport material with high p property doped with impurities can be used. For example, JP-A-4-297076, JP-A-2000-196140, JP-A-2001-102175, J. Pat. Appl. Phys. 95, 5773 (2004), and the like. In addition, these hole transport materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. It is also possible to form a hole transport layer by laminating two or more layers made of each material.
正孔輸送層の厚さは、特に制限はないが、通常1〜2000nmである。リーク防止効果をより高める観点からは、厚さは5nm以上であることが好ましい。また、高い透過率と低い抵抗を維持する観点からは、厚さは1000nm以下であることが好ましく、200nm以下であることがより好ましい。 The thickness of the hole transport layer is not particularly limited, but is usually 1 to 2000 nm. From the viewpoint of further improving the leak prevention effect, the thickness is preferably 5 nm or more. Further, from the viewpoint of maintaining high transmittance and low resistance, the thickness is preferably 1000 nm or less, and more preferably 200 nm or less.
正孔輸送層の導電率は、一般的に高い方が好ましいが、高くなりすぎると電子が移動するのを阻止する能力が低下し、整流性が低くなりうる。したがって、正孔輸送層の導電率は、10−5〜1S/cmであることが好ましく、10−4〜10−2S/cmであることがより好ましい。 In general, the conductivity of the hole transport layer is preferably as high as possible. However, if the conductivity is too high, the ability to prevent electrons from moving may be reduced, and rectification may be reduced. Therefore, the conductivity of the hole transport layer is preferably 10 −5 to 1 S / cm, and more preferably 10 −4 to 10 −2 S / cm.
(電子輸送層)
本形態の有機光電変換素子は、必要に応じて電子輸送層を含みうる。電子輸送層は、電子を輸送する機能を有し、かつ正孔を輸送する能力が著しく小さいという性質を有する。電子輸送層は、光電変換層と陰極との間に設けられ、電子を陰極へと輸送しつつ、正孔の移動を阻止することで、電子と正孔とが再結合するのを防ぐことができる。
(Electron transport layer)
The organic photoelectric conversion element of this form can contain an electron carrying layer as needed. The electron transport layer has a property of transporting electrons and having a remarkably small ability to transport holes. The electron transport layer is provided between the photoelectric conversion layer and the cathode, and prevents the recombination of electrons and holes by blocking the movement of holes while transporting electrons to the cathode. it can.
電子輸送層に用いられる電子輸送材料は、特に制限はなく、本技術分野で使用されうる材料を適宜採用することができる。例えば、オクタアザポルフィリン、p型有機半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、光電変換層に用いられるp型有機半導体のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、光電変換層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。よって、より好ましくは、n型有機半導体のHOMO準位よりも深い材料が電子輸送材料として用いられる。このような電子輸送材料としては、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型有機半導体、および酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物およびフッ化リチウム、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が用いられうる。また、光電変換層に用いたn型有機半導体単体からなる層を用いることもできる。なお、これらの電子輸送材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて電子輸送層を構成することも可能である。 There is no restriction | limiting in particular in the electron transport material used for an electron carrying layer, The material which can be used in this technical field can be employ | adopted suitably. For example, octaazaporphyrin, a perfluoro body of a p-type organic semiconductor (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, it is more than the HOMO level of a p-type organic semiconductor used in a photoelectric conversion layer. The electron transport layer having a deep HOMO level is provided with a hole blocking function having a rectifying effect so that holes generated in the photoelectric conversion layer do not flow to the cathode side. Therefore, more preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type organic semiconductor is used as the electron transport material. Examples of such electron transport materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type organic semiconductors such as naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and oxidation. N-type inorganic oxides such as titanium, 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 organic semiconductor single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used. In addition, these electron transport materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. It is also possible to form an electron transport layer by stacking two or more layers made of each material.
なお、前述のように耐久性の観点で有利な逆層型の素子とする場合には、第一の電極上に電子輸送層を形成した後に光電変換層が形成されるため、光電変換材料を含む塗布液に対して不溶である化合物が電子輸送材料として好ましい。そのような観点から、電子輸送材料は、酸化チタンや酸化亜鉛といった無機物、および国際公開2008−134492号パンフレットに記載のポリエチレンイミンやアミノシランカップリング剤のような架橋可能な有機物であることが好ましい。中でもアミノシランカップリング剤を用いることが好ましい。 As described above, in the case of an inverted layer type element that is advantageous from the viewpoint of durability, the photoelectric conversion layer is formed after the electron transport layer is formed on the first electrode. A compound that is insoluble in the coating liquid to be contained is preferred as the electron transport material. From such a viewpoint, the electron transport material is preferably an inorganic substance such as titanium oxide or zinc oxide, and a crosslinkable organic substance such as polyethyleneimine or an aminosilane coupling agent described in International Publication No. 2008-134492. Among them, it is preferable to use an aminosilane coupling agent.
電子輸送層の厚さは、特に制限はないが、通常1〜2000nmである。リーク防止効果をより高める観点からは、厚さは5nm以上であることが好ましい。また、高い透過率と低い抵抗を維持する観点からは、厚さは100nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましい。 The thickness of the electron transport layer is not particularly limited, but is usually 1 to 2000 nm. From the viewpoint of further improving the leak prevention effect, the thickness is preferably 5 nm or more. Further, from the viewpoint of maintaining high transmittance and low resistance, the thickness is preferably 100 nm or less, and more preferably 20 nm or less.
(電荷再結合層;中間電極)
図3で示すような、2以上の光電変換層を有するタンデム型(多接合型)の有機光電変換素子において、光電変換層間には、電荷再結合層(中間電極)が配置される。
(Charge recombination layer; intermediate electrode)
In a tandem (multi-junction type) organic photoelectric conversion element having two or more photoelectric conversion layers as shown in FIG. 3, a charge recombination layer (intermediate electrode) is disposed between the photoelectric conversion layers.
電荷再結合層(中間電極)に用いられる材料は、導電性および透光性を併せ持つ材料であれば、特に制限はなく、上述の電極材料として例示した、ITO、AZO、FTO、酸化チタンなどの透明金属酸化物、Ag、Al、Auなどの金属、およびカーボンナノ粒子、カーボンナノワイヤーなどの炭素材料、PEDOT:PSS、ポリアニリンなどの導電性高分子などが用いられうる。これらの材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、各材料からなる層を2種以上積層させて電荷再結合層を構成することも可能である。 The material used for the charge recombination layer (intermediate electrode) is not particularly limited as long as it is a material having both conductivity and translucency, and examples thereof include ITO, AZO, FTO, and titanium oxide exemplified above. Transparent metal oxides, metals such as Ag, Al, and Au, carbon materials such as carbon nanoparticles and carbon nanowires, and conductive polymers such as PEDOT: PSS and polyaniline can be used. These materials may be used alone or in combination of two or more. It is also possible to form a charge recombination layer by laminating two or more layers made of each material.
電荷再結合層の導電率は、高い変換効率を得る観点から、高いことが好ましく、具体的には、5〜50000S/cmであることが好ましく、100〜10,000S/cmであることがより好ましい。また、電荷再結合層の厚さは、特に制限はないが、1〜1000nmであることが好ましく、5〜50nmであることが好ましい。厚さが1nm以上とすることにより、膜面を平滑化することができる。一方、厚さが1000nm以下とすることにより、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)の低下を軽減することができる。 The electric conductivity of the charge recombination layer is preferably high from the viewpoint of obtaining high conversion efficiency. Specifically, it is preferably 5 to 50000 S / cm, more preferably 100 to 10,000 S / cm. preferable. The thickness of the charge recombination layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 1000 nm, and preferably 5 to 50 nm. By setting the thickness to 1 nm or more, the film surface can be smoothed. On the other hand, by setting the thickness to 1000 nm or less, it is possible to reduce the decrease in the short-circuit current density J sc (mA / cm 2 ).
(その他の層)
本形態の有機光電変換素子は、上記の各部材(各層)の他に、光電変換効率の向上や、素子の寿命の向上のために、他の部材(他の層)をさらに設けてもよい。その他の部材としては、例えば、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などが挙げられる。また、上層に偏在した金属酸化物微粒子をより安定にするため等にシランカップリング剤等の層を設けてもよい。さらに本発明の光電変換層に隣接して金属酸化物の層を積層してもよい。
(Other layers)
The organic photoelectric conversion device of this embodiment may further include other members (other layers) in addition to the above-described members (each layer) in order to improve photoelectric conversion efficiency and improve the lifetime of the device. . Examples of other members include a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer. Further, a layer such as a silane coupling agent may be provided in order to make the metal oxide fine particles unevenly distributed in the upper layer more stable. Further, a metal oxide layer may be laminated adjacent to the photoelectric conversion layer of the present invention.
また、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もよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層等が挙げられる。 Moreover, the organic photoelectric conversion element of this invention may have various optical function layers for the purpose of more efficient light reception of sunlight. Examples of the optical functional layer include a light condensing layer such as an antireflection film and a microlens array, and a light diffusion layer that can scatter light reflected by the cathode and enter the power generation layer again.
反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。 Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.
集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。 As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.
マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。 As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.
また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤー等を無色透明なポリマーに分散した層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.
<有機光電変換素子の製造方法>
上述の本形態の有機光電変換素子の製造方法は特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することができる。以下、図2に示すような逆層型の有機光電変換素子の製造方法を例に挙げて、本形態の有機光電変換素子の好ましい製造方法を説明する。ただし、当該製造方法における各工程は、逆層型の有機光電変換素子のみならず、図1に示すような順層型の有機光電変換素子や、図3に示すようなタンデム型の製造に適用可能である。
<Method for producing organic photoelectric conversion element>
There is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of the organic photoelectric conversion element of the above-mentioned this form, It can manufacture by referring a conventionally well-known method suitably. Hereinafter, the manufacturing method of the reverse layer type organic photoelectric conversion element as shown in FIG. 2 will be described as an example, and a preferable manufacturing method of the organic photoelectric conversion element of this embodiment will be described. However, each process in the manufacturing method is applied not only to the reverse layer type organic photoelectric conversion element but also to the normal layer type organic photoelectric conversion element as shown in FIG. 1 and the tandem type manufacturing as shown in FIG. Is possible.
本形態の有機光電変換素子の製造方法は、陰極を形成する工程と、前記陰極の上に、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料を含む光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層の上に、陽極を形成する工程とを含む。以下、本形態の有機光電変換素子の製造方法の各工程について、詳細に説明する。 The manufacturing method of the organic photoelectric conversion element of this embodiment includes a step of forming a cathode, a step of forming a photoelectric conversion layer including a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material on the cathode, and the photoelectric conversion. Forming an anode on the layer. Hereinafter, each process of the manufacturing method of the organic photoelectric conversion element of this form is demonstrated in detail.
本形態の製造方法では、まず、陰極を形成する。陰極を形成する方法は、特に制限はないが、操作の容易性や、ダイコータなどの装置を用いてロール・ツー・ロールで生産可能なことから、基板の上に、陰極の構成材料を含む液体を塗布し、乾燥させる方法であることが好ましい。またこれ以外にも、市販の薄膜状の電極材料をそのまま使用しても構わない。 In the manufacturing method of this embodiment, first, a cathode is formed. The method of forming the cathode is not particularly limited, but is easy to operate and can be produced on a roll-to-roll basis using a device such as a die coater. Preferably, the method is a method of applying and drying. Besides this, a commercially available thin film electrode material may be used as it is.
上記で陰極を形成した後、必要に応じて、この陰極上に、電子輸送層を形成してもよい。電子輸送層を形成する手段としては、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。溶液塗布法を用いて電子輸送層を形成する場合には、上述した電子輸送材料を適当な溶剤に溶解・分散させた溶液を、適当な塗布法を用いて陰極上に塗布し、乾燥させればよい。溶液塗布法に用いられる塗布法としては、キャスト法、スピンコート法、ブレードコーティング法、ワイヤーバーコーティング法、グラビアコート法、スプレーコーティング法、ディッピング(浸漬)コーティング法、ビードコーティング法、エアーナイフコーティング法、カーテンコーティング法、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、Langmuir−Blodgett(LB)法等の通常の方法を用いることができる。なかでも、ブレードコーティング法を用いることが特に好ましい。なお、塗布法に使用する溶液の固形分濃度は、塗布方法や膜厚によっても変動しうるが、1〜15質量%が好ましく、より好ましくは1.5〜10質量%である。また、なお、塗布の際の塗布液および/または塗布面の温度は、特に制限はないが、塗布・乾燥時の温度変動による析出、ムラを防ぐといった観点から、好ましくは30〜120℃であり、より好ましくは50〜110℃である。さらに、乾燥の具体的な形態についても特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。乾燥条件の一例を挙げると90〜140℃程度の温度で、数分間〜数十分間程度といった条件が例示される。乾燥に使用する装置としては、温風乾燥、赤外線ヒーター、マイクロウエーブ、真空乾燥機などが挙げられるが、これ以外の乾燥装置を用いることも勿論可能である。 After forming the cathode as described above, an electron transport layer may be formed on the cathode as necessary. The means for forming the electron transport layer may be either vapor deposition or solution coating, but is preferably solution coating. In the case of forming an electron transport layer using a solution coating method, a solution obtained by dissolving and dispersing the above-described electron transport material in a suitable solvent is coated on the cathode using a suitable coating method and dried. That's fine. The coating methods used for the solution coating method include cast method, spin coating method, blade coating method, wire bar coating method, gravure coating method, spray coating method, dipping (dipping) coating method, bead coating method, air knife coating method. Ordinary methods such as a curtain coating method, an ink jet method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an offset printing method, a flexographic printing method, and a Langmuir-Blodgett (LB) method can be used. Among these, it is particularly preferable to use a blade coating method. In addition, although the solid content concentration of the solution used for the coating method may vary depending on the coating method and the film thickness, it is preferably 1 to 15% by mass, more preferably 1.5 to 10% by mass. In addition, the temperature of the coating liquid and / or the coating surface during coating is not particularly limited, but is preferably 30 to 120 ° C. from the viewpoint of preventing precipitation and unevenness due to temperature fluctuations during coating and drying. More preferably, it is 50-110 degreeC. Furthermore, there is no restriction | limiting in particular also about the specific form of drying, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. An example of the drying condition is exemplified by a temperature of about 90 to 140 ° C. and a period of several minutes to several tens of minutes. Examples of the apparatus used for drying include hot air drying, an infrared heater, a microwave, and a vacuum dryer. Of course, it is possible to use other drying apparatuses.
続いて、上記で形成した陰極または電子輸送層上に、p型有機半導体およびn型有機半導体を含む光電変換層を形成する。ここで、本形態の製造方法は、p型有機半導体として、上述の本発明の共役系高分子化合物を必須に含む。光電変換層を形成するための具体的な手法について特に制限はないが、好ましくは、p型有機半導体およびn型有機半導体をそれぞれ、または一括して、適当な溶剤に溶解・分散させた溶液を、適当な塗布法(具体的な形態については、上述した通りである)を用いて陰極上に塗布し、乾燥させればよい。なお、p型有機半導体およびn型有機半導体を一括して溶剤に溶解・分散させた溶液を、塗布法により塗布する。その後、残留溶媒および水分、ガスの除去、および半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、光電変換層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、光電変換層の正孔と電子(キャリア)の移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。このようにして、p型有機半導体およびn型有機半導体が一様に混合され、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子とすることができる。 Subsequently, a photoelectric conversion layer including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor is formed on the cathode or the electron transport layer formed as described above. Here, the manufacturing method of this embodiment essentially includes the above-described conjugated polymer compound of the present invention as a p-type organic semiconductor. A specific method for forming the photoelectric conversion layer is not particularly limited, but preferably, a solution in which a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor are dissolved or dispersed in an appropriate solvent, respectively or collectively. Then, it may be applied on the cathode using an appropriate application method (the specific form is as described above) and dried. A solution in which a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor are collectively dissolved and dispersed in a solvent is applied by a coating method. After that, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture, gas, and improvement of mobility and absorption absorption by crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized and the photoelectric conversion layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the mobility of holes and electrons (carriers) in the photoelectric conversion layer is improved, and high efficiency can be obtained. In this way, the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are uniformly mixed, and a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element can be obtained.
一方、p型有機半導体とn型有機半導体の混合比の異なる複数層からなる光電変換層(例えば、p−i−n構造)を形成する場合には、一の層を塗布後に、当該層を不溶化(顔料化)し、その後、他の層を塗布することにより形成することが可能である。 On the other hand, in the case of forming a photoelectric conversion layer (for example, a p-i-n structure) composed of a plurality of layers having different mixing ratios of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, after applying one layer, the layer is It can be formed by insolubilizing (pigmenting) and then applying another layer.
なお、当該光電変換層を形成する工程以降は、酸素や水分に曝さないようにするために窒素雰囲気下のグローブボックス内で行うことが好ましい。このように、窒素雰囲気下で行うことにより、大気中の酸素または水分によりp型有機半導体が劣化するのを防ぎ、素子の耐久性を高めることができる。具体的には、前記グローブボックスの酸素および水分の濃度が1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは100ppm以下であることが好ましい。最も好ましくは10ppm以下である。 Note that the steps after the step of forming the photoelectric conversion layer are preferably performed in a glove box under a nitrogen atmosphere so as not to be exposed to oxygen or moisture. Thus, by performing in a nitrogen atmosphere, it is possible to prevent the p-type organic semiconductor from being deteriorated by oxygen or moisture in the air, and to increase the durability of the element. Specifically, the concentration of oxygen and moisture in the glove box is preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less. Most preferably, it is 10 ppm or less.
次に、上記で形成した光電変換層上に、陽極を形成する。陽極を形成するための手段についても特に制限はなく、蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは蒸着法(例えば、真空蒸着法)が用いられる。なお、光電変換層と陽極との間に正孔輸送層を設ける場合には、蒸着法または溶液塗布法、好ましくは溶液塗布法を用いて、正孔輸送層が形成される。なお、当該正孔輸送層を形成する工程は、上記光電変換層を形成する工程と同様、窒素雰囲気下のグローブボックス内で行うことが好ましい。このように、窒素雰囲気下で行うことにより、大気中の酸素または水分により光電変換層が劣化するのを防ぎ、素子の耐久性を高めることができる。また、本発明に係る共役系高分子化合物は、ベンゾイミダゾール骨格を有するため、フッ素原子および/または塩素原子が導入された場合であっても高い溶媒親和性を有する。よって、溶液塗布法を用いて正孔輸送層を形成する場合、光電変換層の表面において正孔輸送材料を含む塗布溶液がはじかれるのを効果的に防ぐことができ、正孔輸送層の製膜性が向上しうる。 Next, an anode is formed on the photoelectric conversion layer formed above. The means for forming the anode is not particularly limited and may be either a vapor deposition method or a solution coating method, but a vapor deposition method (for example, a vacuum vapor deposition method) is preferably used. In addition, when providing a positive hole transport layer between a photoelectric converting layer and an anode, a positive hole transport layer is formed using a vapor deposition method or a solution coating method, Preferably a solution coating method. In addition, it is preferable to perform the process of forming the said positive hole transport layer within the glove box of nitrogen atmosphere similarly to the process of forming the said photoelectric converting layer. Thus, by performing in a nitrogen atmosphere, deterioration of the photoelectric conversion layer due to oxygen or moisture in the air can be prevented, and the durability of the element can be improved. In addition, since the conjugated polymer compound according to the present invention has a benzimidazole skeleton, it has a high solvent affinity even when a fluorine atom and / or a chlorine atom is introduced. Therefore, when forming the hole transport layer using the solution coating method, it is possible to effectively prevent the coating solution containing the hole transport material from being repelled on the surface of the photoelectric conversion layer. The film property can be improved.
さらに、上述した各種の層以外の層が含まれる場合には、これらの層を形成するための工程を、溶液塗布法や蒸着法などを用いることで適宜追加して行うことができる。 Furthermore, when layers other than the various layers described above are included, a step for forming these layers can be appropriately added by using a solution coating method, a vapor deposition method, or the like.
上記電極(陰極・陽極)、光電変換層、正孔輸送層、電子輸送層等は、必要に応じてパターニングされうる。パターニングの方法は特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。例えば、バルクへテロジャンクション型の光電変換層や正孔輸送層・電子輸送層などで使用される可溶性の材料をパターニングする場合には、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。一方、電極などで使用される不溶性の材料の場合は、真空蒸着法による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などの公知の方法によってパターニングすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成してもよい。 The electrodes (cathode / anode), photoelectric conversion layer, hole transport layer, electron transport layer, and the like can be patterned as necessary. The patterning method is not particularly limited, and a known method can be appropriately applied. For example, when patterning soluble materials used in bulk heterojunction type photoelectric conversion layers, hole transport layers, electron transport layers, etc., even if only unnecessary portions are wiped off after the entire surface of die coating, dip coating, etc. Alternatively, direct patterning may be performed at the time of application using a method such as an inkjet method or screen printing. On the other hand, in the case of an insoluble material used for an electrode or the like, mask deposition can be performed at the time of deposition by vacuum deposition, or patterning can be performed by a known method such as etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.
また、本形態の有機光電変換素子は、環境中の酸素、水分などによる劣化を防止するために、必要に応じて封止されうる。封止の方法は特に制限はなく、有機光電変換素子や有機エレクトロルミネッセンス素子などで用いられる公知の手法によって行われうる。例えば、(1)アルミニウムまたはガラスなどでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法;(2)アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなど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;(3)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など)をスピンコートする方法;(4)ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウムなど)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法;ならびに(5)これらを複合的用いて積層する方法などが挙げられる。 Moreover, the organic photoelectric conversion element of this embodiment can be sealed as necessary in order to prevent deterioration due to oxygen, moisture, and the like in the environment. There is no restriction | limiting in particular in the sealing method, It can carry out by the well-known method used with an organic photoelectric conversion element, an organic electroluminescent element, etc. For example, (1) a method of sealing by bonding a cap made of aluminum or glass with an adhesive; (2) a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide, or aluminum oxide is formed, and organic photoelectric conversion (3) A method of spin-coating an organic polymer material (polyvinyl alcohol, etc.) having a high gas barrier property; (4) An inorganic thin film (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) having a high gas barrier property Alternatively, a method of depositing an organic film (parylene or the like) under vacuum; and (5) a method of laminating these in a composite manner may be mentioned.
<有機光電変換素子の用途>
本発明の他の形態によれば、上述の第1の形態に係る有機光電変換素子や、第2の形態に係る製造方法により得られる有機光電変換素子を有する太陽電池が提供される。本形態の有機光電変換素子は、優れた光電変換効率、耐久性を有するため、これを発電素子とする太陽電池に好適に使用されうる。
<Uses of organic photoelectric conversion elements>
According to the other form of this invention, the solar cell which has the organic photoelectric conversion element obtained by the organic photoelectric conversion element which concerns on the above-mentioned 1st form, and the manufacturing method which concerns on a 2nd form is provided. Since the organic photoelectric conversion element of this form has the outstanding photoelectric conversion efficiency and durability, it can be used suitably for the solar cell which uses this as an electric power generation element.
また、本発明のさらに他の形態によれば、上述した有機光電変換素子がアレイ状に配列されてなる光センサアレイが提供される。すなわち、本形態の有機光電変換素子は、その光電変換機能を利用して、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する光センサアレイとして利用することもできる。 Moreover, according to the further another form of this invention, the optical sensor array by which the organic photoelectric conversion element mentioned above is arranged in the array form is provided. That is, the organic photoelectric conversion element of this embodiment can also be used as an optical sensor array that converts an image projected on the optical sensor array into an electrical signal using the photoelectric conversion function.
本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effect of this invention is demonstrated using a following example and a comparative example. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<共役系高分子化合物の合成>
[化合物A01の合成]
<Synthesis of conjugated polymer compound>
[Synthesis of Compound A01]
(化合物bの合成)
化合物aは、Angewandte Chemie International E
ditionVolume 50,Issue 13,p2995−2998を参考に合
成した。
(Synthesis of Compound b)
Compound a is Angelwandte Chemie International E
Synthesized with reference to volume 50, Issue 13, p2995-2998.
窒素置換した200ml 3口フラスコに化合物aを8.4g取り、100mlのメタノールに溶解し、氷冷した。得られた溶液に7.6gのソジウムボロハイドライドを加え、室温(25℃、以下同様)で24時間攪拌した。反応液から不溶物を濾別し、母液を減圧濃縮した後、シリカカラムクロマトグラフィーで精製することで化合物bを4.0g得た。 8.4 g of compound a was taken in a 200 ml three-necked flask purged with nitrogen, dissolved in 100 ml of methanol, and cooled on ice. 7.6 g of sodium borohydride was added to the resulting solution, and the mixture was stirred at room temperature (25 ° C., the same applies hereinafter) for 24 hours. Insoluble matters were filtered off from the reaction solution, the mother liquor was concentrated under reduced pressure, and then purified by silica column chromatography to obtain 4.0 g of compound b.
(化合物cの合成)
化合物cおよびA01は、J.Mater.Chem.,2010,20,p6517を参考に合成した。
(Synthesis of Compound c)
Compounds c and A01 are described in J. Mater. Chem. , 2010, 20, and p6517.
化合物bを2.6g、アセトンを20ml、酢酸を2.0ml、およびテトラヒドロフラン(THF)を20ml加え、5時間70℃で還流を行った。放冷後、酢酸エチルを加えて水洗し、有機層を抽出して硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を留去した。褐色のオイル成分をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液:トルエン)にて精製し、900mgの黄色針状結晶を得た(収率38%)。NMR(CDCl3);4.02ppm、br(NH),2.16ppm,s(CH3)。 2.6 g of compound b, 20 ml of acetone, 2.0 ml of acetic acid, and 20 ml of tetrahydrofuran (THF) were added and refluxed at 70 ° C. for 5 hours. After allowing to cool, ethyl acetate was added and washed with water. The organic layer was extracted and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The brown oil component was purified by silica gel column chromatography (eluent: toluene) to obtain 900 mg of yellow needle crystals (yield 38%). NMR (CDCl 3); 4.02ppm, br (NH), 2.16ppm, s (CH 3).
(化合物A01の合成)
化合物cを900mg、THFを20ml、酸化マンガンを3.5g加えて室温で5時間撹拌を行った。酸化マンガンを濾別後、溶媒を留去し、得られた橙色オイル成分をシリカゲルカラムクロマトグラフィー、および日本分析工業製分取GPC装置LC−91xxNEXT(トルエン溶媒)を用いて精製を行い、黄色の結晶を420mg得た(収率47%)。マススペクトル(ネガティブモード)において、433のピークを確認し、構造を確認した。NMR(CDCl3);1.62ppm,s(CH3)。
(Synthesis of Compound A01)
900 mg of compound c, 20 ml of THF, and 3.5 g of manganese oxide were added, and the mixture was stirred at room temperature for 5 hours. After manganese oxide was filtered off, the solvent was distilled off, and the resulting orange oil component was purified using silica gel column chromatography and a preparative GPC device LC-91xxNEXT (toluene solvent) manufactured by Japan Analytical Industry. 420 mg of crystals were obtained (47% yield). In the mass spectrum (negative mode), 433 peaks were confirmed to confirm the structure. NMR (CDCl 3); 1.62ppm, s (CH 3).
[化合物103の合成] [Synthesis of Compound 103]
ビス−(5,5’−トリメチルスタンニル)−3,3’−ジ−(2−エチルヘキシル)−シリレン−2,2’−ジチオフェンを、特表2010−507233号公報及びAdv.Mater.,2010,p−E63を参考として合成した。 Bis- (5,5'-trimethylstannyl) -3,3'-di- (2-ethylhexyl) -silylene-2,2'-dithiophene is described in JP-T-2010-507233 and Adv. Mater. , 2010, p-E63 was synthesized with reference.
上記化合物A01を217mg(0.5mmol)と、ビス−(5,5’−トリメチルスタンニル)−3,3’−ジ−(2−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。 217 mg (0.5 mmol) of the compound A01 and 372 mg of bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di- (2-ethylhexyl) -silylene-2,2′-dithiophene (0. 5 mmol) 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、ヘプタン、クロロホルム、次いでオルトジクロロベンゼンを用いてソックスレー抽出により可溶成分を抽出し、メタノールに再沈殿を行うことで150mgの純粋なポリマー(Mn=29000)(化合物103)を得て、本発明の有機光電変換素子103に使用した。なおクロロホルムからの抽出成分は、Mn=14000であり、本発明の有機光電変換素子104に使用した。 The recovered polymer product was extracted with Soxhlet extraction using heptane, chloroform, and then orthodichlorobenzene, and then reprecipitated in methanol to give 150 mg of pure polymer (Mn = 29000) (Compound 103) To obtain an organic photoelectric conversion element 103 of the present invention. In addition, the extraction component from chloroform is Mn = 14000, and was used for the organic photoelectric conversion element 104 of the present invention.
[化合物A11の合成]
化合物cの合成の際に用いたアセトンを、1,1,1−トリフルオロブタノンに変更した以外は化合物A01と同様にして合成を行い、収量440mgで化合物A11を得た。マススペクトル(ネガティブモード)において、501のピークを確認し、構造を確認した。
[Synthesis of Compound A11]
Synthesis was performed in the same manner as Compound A01, except that acetone used in the synthesis of Compound c was changed to 1,1,1-trifluorobutanone, and Compound A11 was obtained in a yield of 440 mg. In the mass spectrum (negative mode), a peak of 501 was confirmed and the structure was confirmed.
[化合物105の合成]
化合物103の合成において、化合物A01の代わりに化合物A11を251mgとした以外は同様にして重合を行い、オルトジクロロベンゼンのソックスレー抽出成分から140mgのポリマーをMn=35000で得た。
[Synthesis of Compound 105]
In the synthesis of Compound 103, polymerization was carried out in the same manner except that Compound A11 was used in an amount of 251 mg instead of Compound A01, and 140 mg of polymer was obtained at a Mn = 35000 from the Soxhlet extract component of orthodichlorobenzene.
(化合物dの合成)
J.Am.Chem.Soc.,2008,130(25),pp7812を参考として合成した2−ブロモ−3−(2−エチルヘキシル)チオフェン5.5g(20mmol)を脱水テトラヒドロフラン100mlに溶解し、−78℃に冷却したのちにn−ブチルリチウム1.6Mヘキサン溶液を12.5ml(20mmol)滴下し、1時間撹拌したのちに塩化トリメチルスズの1.0Mヘキサン溶液を25ml(25mmol)滴下し、さらに1時間撹拌のち、温度を室温に上げて3時間撹拌した。
(Synthesis of Compound d)
J. et al. Am. Chem. Soc. , 2008, 130 (25), pp7812, 5.5 g (20 mmol) of 2-bromo-3- (2-ethylhexyl) thiophene dissolved in 100 ml of dehydrated tetrahydrofuran, cooled to −78 ° C., and n- 12.5 ml (20 mmol) of 1.6 M hexane solution of butyllithium was added dropwise and stirred for 1 hour, then 25 ml (25 mmol) of 1.0 M hexane solution of trimethyltin chloride was added dropwise, and the mixture was further stirred for 1 hour, and the temperature was brought to room temperature. The resulting mixture was stirred for 3 hours.
反応終了後、食塩水と酢酸エチルを加えて水洗し、有機層を抽出して硫酸マグネシウムで乾燥後に溶媒を留去した。得られたオイル成分をヘキサン:トリエチルアミン=9:1に溶解し、事前にトリエチルアミンに浸漬処理したシリカゲルを通して精製を行い、淡黄色の化合物dを7.0g得た(収率97%)。 After completion of the reaction, brine and ethyl acetate were added and washed, and the organic layer was extracted and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The obtained oil component was dissolved in hexane: triethylamine = 9: 1 and purified through silica gel previously immersed in triethylamine to obtain 7.0 g of light yellow compound d (yield 97%).
(化合物eの合成)
化合物d 800mgと、化合物A11 500mgと、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム 120mgとをトルエン20mlに溶解し、窒素下120℃で3時間還流を行った。反応終了後、反応溶液を直接シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し、橙色オイル化合物eを600mg得た(収率94%)。
(Synthesis of Compound e)
800 mg of compound d, 500 mg of compound A11, and 120 mg of tetrakis (triphenylphosphine) palladium were dissolved in 20 ml of toluene and refluxed at 120 ° C. for 3 hours under nitrogen. After completion of the reaction, the reaction solution was directly purified by silica gel column chromatography to obtain 600 mg of orange oil compound e (yield 94%).
(化合物fの合成)
化合物e 600mgと、N−ブロモスクシンイミド 356mgとをテトラヒドロフラン20mlに溶解し、窒素下60℃で5時間還流を行った。反応終了後、食塩水と酢酸エチルを加えて水洗し、有機層を抽出して硫酸マグネシウムで乾燥後に溶媒を留去した。得られたオイル成分をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製を行い、橙色オイル化合物fを670mg得た(収率89%)。
(Synthesis of Compound f)
600 mg of compound e and 356 mg of N-bromosuccinimide were dissolved in 20 ml of tetrahydrofuran and refluxed at 60 ° C. for 5 hours under nitrogen. After completion of the reaction, brine and ethyl acetate were added and washed, and the organic layer was extracted and dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The obtained oil component was purified by silica gel column chromatography to obtain 670 mg of orange oil compound f (yield 89%).
[化合物106の合成] [Synthesis of Compound 106]
化合物103の合成において、化合物A01の代わりに化合物A11を251mg、ビス−(5,5’−トリメチルスタンニル)−3,3’−ジ−(2−エチルヘキシル)−シリレン−2,2’−ジチオフェンを、1,5−ビス(トリメチルスズ)−4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)−ベンゾ[1,2−b:4,5−b’]ジチオフェン(J.Am.Chem.Soc.,2009,131(22),pp7792を参考として合成)386mgに変更した以外は同様にして重合を実施した。 In the synthesis of Compound 103, 251 mg of Compound A11 instead of Compound A01, bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di- (2-ethylhexyl) -silylene-2,2′-dithiophene 1,5-bis (trimethyltin) -4,8-bis (2-ethylhexyloxy) -benzo [1,2-b: 4,5-b ′] dithiophene (J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (22), synthesized with reference to pp7792) Polymerization was carried out in the same manner except that the amount was changed to 386 mg.
オルトジクロロベンゼンのソックスレー抽出成分から200mgのポリマーをMn=34000で得た。 200 mg of polymer was obtained with Mn = 34000 from Soxhlet extract component of orthodichlorobenzene.
[化合物107の合成] [Synthesis of Compound 107]
化合物103の合成において、化合物A01の代わりに化合物A11を126mg、ビス−(5,5’−トリメチルスタンニル)−3,3’−ジ−(2−エチルヘキシル)−シリレン−2,2’−ジチオフェンを、化合物g(Macromolecules 2011,44,6245を参考として合成)325mgに変更した以外は同様にして重合を実施した。 In the synthesis of Compound 103, 126 mg of Compound A11 instead of Compound A01, bis- (5,5′-trimethylstannyl) -3,3′-di- (2-ethylhexyl) -silylene-2,2′-dithiophene Was carried out in the same manner except that the compound g was changed to 325 mg of the compound g (synthesized with reference to Macromolecules 2011, 44, 6245).
オルトジクロロベンゼンのソックスレー抽出成分から110mgのポリマーをMn=41000で得た。 110 mg of polymer was obtained with Mn = 41000 from Soxhlet extract component of orthodichlorobenzene.
なお、化合物101、102、104(特にA25、A27、A01)については、上記化合物103の合成を参考に容易に合成することが可能である。 Compounds 101, 102, and 104 (especially A25, A27, and A01) can be easily synthesized with reference to the synthesis of compound 103 described above.
<逆層型の有機光電変換素子の作製>
国際公開2008−134492号パンフットの記載を参考に、以下のようにして逆層型の有機光電変換素子を作製した。
<Preparation of reverse layer type organic photoelectric conversion element>
With reference to the description of International Publication No. 2008-134492 Panfoot, a reverse layer type organic photoelectric conversion device was produced as follows.
[比較例1]
PET基板上に、第一の電極(陰極)としてインジウムスズ酸化物(ITO)透明導電膜150nm堆積したもの(シート抵抗12Ω/square)を、通常のフォトリソグラフィ技術と湿式エッチングとを用いて10mm幅にパターニングし、第一の電極を形成した。パターン形成した第一の電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。こ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。
[Comparative Example 1]
An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited with a thickness of 150 nm as a first electrode (cathode) on a PET substrate (sheet resistance 12 Ω / square) is 10 mm wide using ordinary photolithography technology and wet etching. To form a first electrode. The patterned first electrode was cleaned 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. After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere.
この第一の電極上に、Aldrich社製3−(2−アミノエチル)−アミノプロピルトリメトキシシランの0.05質量%メトキシエタノール溶液を、乾燥膜厚が約5nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、ホットプレート上で120℃1分間の加熱処理をして、電子輸送層を製膜した。 On this first electrode, a 0.05 mass% methoxyethanol solution of 3- (2-aminoethyl) -aminopropyltrimethoxysilane manufactured by Aldrich was used with a blade coater so that the dry film thickness was about 5 nm. And dried. Thereafter, a heat treatment was performed at 120 ° C. for 1 minute on a hot plate to form an electron transport layer.
次いで、o−ジクロロベンゼンに、p型有機半導体材料である比較化合物1(非特許文献3に基づいて合成)を0.8質量%、n型有機半導体材料であるPC61BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E100H)を1.6質量%で混合した溶液を調製し(p型有機半導体材料:n型有機半導体材料=33:67(質量比))、オーブンで110℃に加熱しながら一昼夜撹拌して溶解した後、乾燥膜厚が約200nmになるように基板温度を80℃に保持したブレードコーターを用いて塗布し、そのまま80℃で2分間乾燥して、光電変換層を製膜した。 Next, 0.8% by mass of Comparative Compound 1 (synthesized based on Non-Patent Document 3), which is a p-type organic semiconductor material, is added to o-dichlorobenzene, and PC61BM (nanospectra E100H made by Frontier Carbon) is an n-type organic semiconductor material. ) Was mixed at 1.6% by mass (p-type organic semiconductor material: n-type organic semiconductor material = 33: 67 (mass ratio)), and dissolved by stirring all day and night while heating to 110 ° C. in an oven. Then, it apply | coated using the blade coater which hold | maintained the substrate temperature at 80 degreeC so that the dry film thickness might be set to about 200 nm, and it dried at 80 degreeC as it was for 2 minutes, and formed the photoelectric converting layer into a film.
光電変換層の乾燥完了後、再び大気下に取り出し、次いで正孔輸送層として、導電性高分子及びポリアニオンからなるPEDOT−PSS(CLEVIOS(登録商標) P VP AI 4083、ヘレオス株式会社製、導電率1×10−3S/cm)を等量のイソプロパノールで希釈した液を調製し、乾燥膜厚が約30nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、90℃の温風で20秒間加熱処理して、有機物からなる正孔輸送層(有機材料層)を形成した。なお塗布時の大気の温度・湿度は23℃65%であった。 After the drying of the photoelectric conversion layer is completed, it is taken out again into the atmosphere, and then, as a hole transport layer, PEDOT-PSS (CLEVIOS (registered trademark) PVP AI 4083, manufactured by Helios Co., Ltd., conductivity, composed of a conductive polymer and a polyanion. (1 × 10 −3 S / cm) was diluted with an equal amount of isopropanol, and applied and dried using a blade coater so that the dry film thickness was about 30 nm. Then, it heat-processed for 20 second with 90 degreeC warm air, and formed the positive hole transport layer (organic material layer) which consists of organic substance. The temperature and humidity of the atmosphere at the time of application were 23 ° C. and 65%.
次に、10mm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、1×10−3Pa以下にまで真空蒸着装置内を減圧した後、蒸着速度0.5nm/秒でAgメタルを200nm積層して、第二の電極(陽極)を形成した。得られた積層体を窒素チャンバーに移動し、住友3M社製のUBF−9L(水蒸気透過率5.0×10−4g/m2/d)の間に挟みこみ、UV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出し、受光部が約10×10mmサイズの有機光電変換素子1を得た。 Next, the element was set so that the shadow mask with a width of 10 mm was orthogonal to the transparent electrode, the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 1 × 10 −3 Pa or less, and then Ag metal was deposited at a deposition rate of 0.5 nm / second. A second electrode (anode) was formed by laminating 200 nm. The obtained laminate was moved to a nitrogen chamber and sandwiched between UBF-9L (water vapor transmission rate 5.0 × 10 −4 g / m 2 / d) manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd., and UV curable resin (Nagase Chem) Sealing was performed using UV RESIN XNR5570-B1) manufactured by Tex Co., Ltd., and then taken out into the atmosphere to obtain an organic photoelectric conversion element 1 having a light receiving portion with a size of about 10 × 10 mm.
また、光電変換層を作成後、窒素雰囲気下のグローブボックス(GB)(酸素濃度10ppm、露点温度−80℃)から取り出すことなく、そのままグローブボックス内で正孔輸送層の形成を形成したことを除いては、同様の方法で逆層型の有機光電変換素子1’の作製を行った。 In addition, after forming the photoelectric conversion layer, the hole transport layer was formed in the glove box as it was without taking it out from the glove box (GB) under nitrogen atmosphere (oxygen concentration 10 ppm, dew point temperature −80 ° C.). Except for this, the reverse layer type organic photoelectric conversion element 1 ′ was produced in the same manner.
[比較例2〜3]
光電変換層の形成において、p型有機半導体として比較化合物2〜3をそれぞれ用いたことを除いては、上記比較例1と同様の方法で、逆層型の有機光電変換素子を作製した。
[Comparative Examples 2-3]
In the formation of the photoelectric conversion layer, a reverse layer type organic photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that Comparative Compounds 2 to 3 were used as p-type organic semiconductors.
[実施例2〜8]
光電変換層の形成において、p型有機半導体として化合物102〜107をそれぞれ用いたことを除いては、上記比較例1と同様の方法で、逆層型の有機光電変換素子を作製した。
[Examples 2 to 8]
In the formation of the photoelectric conversion layer, an inverted layer type organic photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the compounds 102 to 107 were used as p-type organic semiconductors.
<逆層型の有機光電変換素子の評価>
(開放電圧、曲線因子、および光電変換効率の評価)
上記有機光電変換素子を、それぞれエポキシ樹脂とガラスキャップとで封止した。これにソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)を用いて100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を1cm2にしたマスクを受光部に重ね、IV特性を評価することで、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、および曲線因子FF測定した。得られたJsc、Voc、およびFFの値から、下記式1に従って光電変換効率η[%]を算出した。結果を表2に示す。
<Evaluation of reverse layer type organic photoelectric conversion element>
(Evaluation of open circuit voltage, fill factor, and photoelectric conversion efficiency)
The organic photoelectric conversion element was sealed with an epoxy resin and a glass cap, respectively. A solar simulator (AM1.5G filter) is used to irradiate light with an intensity of 100 mW / cm 2 , a mask with an effective area of 1 cm 2 is overlaid on the light receiving part, and IV characteristics are evaluated, thereby short-circuit current density J sc (mA / cm 2 ), open circuit voltage V oc (V), and fill factor FF were measured. From the obtained values of J sc , V oc and FF, photoelectric conversion efficiency η [%] was calculated according to the following formula 1. The results are shown in Table 2.
(光電変換層上への正孔輸送層の製膜性評価)
上記実施例1〜8および比較例1〜3について、逆層型の有機光電変換素子の作製をそれぞれ5回ずつ試みた。そして、光電変換層上に正孔輸送層を塗布する際に、光電変換層上で有機溶剤系PEDOT:PSSの分散液に含まれる親水系溶媒が光電変換層上で弾かれることなく、良好に正孔輸送層が形成された回数により製膜性を評価した。結果を表2に示す。
(Evaluation of film forming property of hole transport layer on photoelectric conversion layer)
About the said Examples 1-8 and Comparative Examples 1-3, preparation of the reverse layer type organic photoelectric conversion element was tried 5 times, respectively. And when apply | coating a positive hole transport layer on a photoelectric converting layer, the hydrophilic solvent contained in the dispersion liquid of organic solvent type | system | group PEDOT: PSS on a photoelectric converting layer is favorable, and is not repelled on a photoelectric converting layer. The film forming property was evaluated by the number of times the hole transport layer was formed. The results are shown in Table 2.
(耐久性評価)
上記実施例1〜8および比較例1〜3で得た各有機光電変換素子を、温度80℃、湿度80%に保持した容器内に保存し、定期的に取りだしてIV特性を測定し、初期の光電変換効率を100として、初期の効率の80%まで低下した時間をLT80[時間]として評価した。LT80の値が大きいほど、耐久性が良好であることを意味する。結果を表2に示す。
(Durability evaluation)
The organic photoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 were stored in a container maintained at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 80%, and taken out periodically to measure IV characteristics. Assuming that the photoelectric conversion efficiency was 100, the time when the initial efficiency was reduced to 80% was evaluated as LT80 [time]. It means that durability is so favorable that the value of LT80 is large. The results are shown in Table 2.
表2の結果より、本発明の共役系高分子化合物を用いた実施例は、比較例と比べて正孔輸送層の塗布性が良好で、かつ高い光電変換効率が得られることが示された。 From the results of Table 2, it was shown that the examples using the conjugated polymer compound of the present invention have better coating properties of the hole transport layer and higher photoelectric conversion efficiency than the comparative examples. .
また、素子の耐久性評価については、正孔輸送層を大気下で形成した場合およびグローブボックス内で形成した場合のいずれの実施例も、比較例よりも著しく耐久性が向上した。 As for the durability evaluation of the device, the durability was remarkably improved as compared with the comparative example in each of the examples in which the hole transport layer was formed in the atmosphere and in the glove box.
さらに、酸素および水分が少ないグローブボックス内で正孔輸送層を形成した例は、大気下で正孔輸送層を形成した例と比較して、光電変換効率、素子の耐久性がより一層向上することが示された。一方、比較例2および3は、グローブボックス内で正孔輸送層を塗布する際に、親水性溶媒が弾かれて製膜が著しく困難であった。 Furthermore, the example in which the hole transport layer is formed in a glove box with less oxygen and moisture improves the photoelectric conversion efficiency and the durability of the device further than the example in which the hole transport layer is formed in the atmosphere. It was shown that. On the other hand, in Comparative Examples 2 and 3, when the hole transport layer was applied in the glove box, the hydrophilic solvent was repelled and film formation was extremely difficult.
10、20、30 有機光電変換素子、
11 陽極、
12 陰極、
14 光電変換層、
14a 第1の光電変換層、
14b 第2の光電変換層、
25 基板、
26 正孔輸送層、
27 電子輸送層、
38 電荷再結合層。
10, 20, 30 organic photoelectric conversion element,
11 Anode,
12 cathode,
14 photoelectric conversion layer,
14a 1st photoelectric conversion layer,
14b second photoelectric conversion layer,
25 substrates,
26 hole transport layer,
27 electron transport layer,
38 Charge recombination layer.
Claims (11)
X1およびX2は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、または塩素原子を表す(ただし、X1およびX2の少なくとも一方は、フッ素原子または塩素原子を表す)。 A conjugated polymer compound comprising at least one partial structure represented by the following chemical formula 1;
X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, or a chlorine atom (provided that at least one of X 1 and X 2 represents a fluorine atom or a chlorine atom).
EWGは、炭素原子数1〜20のフッ化アルキル基、炭素原子数2〜20のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜20のアルキルカルボニルオキシ基、炭素原子数2〜20のアルキルオキシカルボニル基、炭素原子数2〜40のアルキルカルボニルアミノ基、炭素原子数2〜40のアルキルアミノカルボニル基、シアノ基、ニトロ基、炭素原子数1〜20のアルキルスルフィニル基、スルホ基、炭素原子数1〜20のアルキルスルホニルオキシ基、アミノスルホニル基からなる群から選択される少なくとも1種の電子吸引性基を表す。 At least one of the R 1 and R 2 is the fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, the fluorinated alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, the fluorinated alkylthio group having 1 to 20 carbon atoms, or the following The conjugated polymer compound according to any one of claims 1 to 3, which represents a group represented by Chemical Formula 2;
EWG is a fluorinated alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylcarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, an alkylcarbonyloxy group having 2 to 20 carbon atoms, an alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, Alkylcarbonylamino group having 2 to 40 carbon atoms, alkylaminocarbonyl group having 2 to 40 carbon atoms, cyano group, nitro group, alkylsulfinyl group having 1 to 20 carbon atoms, sulfo group, 1 to 20 carbon atoms Represents at least one electron-withdrawing group selected from the group consisting of an alkylsulfonyloxy group and an aminosulfonyl group.
前記アクセプター性ユニットは、それぞれ独立して、前記化学式1で表される部分構造を少なくとも1種含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の共役系高分子化合物。 An acceptor unit and a donor unit group including one or more donor units are alternately combined,
The conjugated polymer compound according to claim 1, wherein each of the acceptor units independently includes at least one partial structure represented by Chemical Formula 1.
第二の電極と、
前記第一の電極および前記第二の電極の間に存在する、n型有機半導体およびp型有機半導体を含む光電変換層と、
を含み、
前記p型有機半導体は、請求項1〜8のいずれか1項に記載の共役系高分子化合物を含む、有機光電変換素子。 A first electrode;
A second electrode;
A photoelectric conversion layer including an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor, which exists between the first electrode and the second electrode;
Including
The said p-type organic semiconductor is an organic photoelectric conversion element containing the conjugated polymer compound of any one of Claims 1-8.
前記第二の電極は対電極であり、
前記光電変換層と前記第二の電極との間に、さらに正孔輸送層を有することを特徴とする、請求項9に記載の有機光電変換素子。 The first electrode is a transparent electrode;
The second electrode is a counter electrode;
The organic photoelectric conversion element according to claim 9, further comprising a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the second electrode.
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