JP2013254912A - Organic photoelectric conversion element and solar cell using the same - Google Patents

Organic photoelectric conversion element and solar cell using the same Download PDF

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Yasushi Okubo
康 大久保
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic photoelectric conversion element excellent in photoelectric conversion efficiency, and a solar cell using the same.SOLUTION: The organic photoelectric conversion element comprises a first electrode, a bulk-heterojunction photoelectric conversion layer containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order. The photoelectric conversion layer contains carbon nanotubes which is surface-modified so that the work function of the surface thereof is larger than that of the carbon nanotubes themselves.

Description

本発明は、有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池に関する。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element and a solar cell using the same.

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、および天然ガス等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、原子力等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 an earth-friendly energy resource to replace them. Therefore, development of power generation technology using sunlight, wind power, geothermal heat, nuclear power, and the like has been actively performed, and 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)等が提案・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、屋根等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 a rise 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(BHJ)型の光電変換素子が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。   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 (BHJ) type photoelectric conversion element is proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

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、大量生産に好適であり、コストダウンによる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)等を構成する金属層や金属酸化物層は蒸着法等により形成されうるが、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。さらに、バルクへテロジャンクション型有機光電変換素子は、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等の製造とは異なり、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, it is suitable for mass production and contributes to the early diffusion of solar cells due to cost reduction. It is thought to do. More specifically, in a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element, a metal layer or a metal oxide layer constituting electrodes (anode and cathode) can be formed by a vapor deposition method, but other layers are coated. It can be formed using a 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-mentioned problem of power generation cost can be solved. Furthermore, the bulk heterojunction organic photoelectric conversion element is different from the conventional production of silicon photoelectric conversion elements, compound photoelectric conversion elements, dye-sensitized photoelectric conversion elements, etc. Since it is not essential, it is expected that it can be formed on a cheap and 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、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。   However, it cannot be said that the organic photoelectric conversion element has sufficient photoelectric conversion efficiency and durability against heat and light compared to other types of photoelectric conversion elements.

バルクヘテロジャンクション型有機光電変換素子の光電変換効率を向上させることを目的として、十分な光吸収量を得るため、発電層の膜厚を厚くする方法が考えられる。しかし、発電層の膜厚を厚くすると、発電層で発生したホールまたは電子といったキャリアが、電極や電荷輸送層に到達する前に発電層内で再結合してしまうため、キャリアを回収しにくくなる。したがって、発電層の膜厚を厚くすることができず、素子性能としては短絡電流密度(JSC)とフィルファクター(FF)において発電層の膜厚に対するトレードオフが存在する。 In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a method of increasing the film thickness of the power generation layer can be considered in order to obtain a sufficient amount of light absorption. However, when the thickness of the power generation layer is increased, carriers such as holes or electrons generated in the power generation layer are recombined in the power generation layer before reaching the electrodes and the charge transport layer, and thus it is difficult to recover the carriers. . Therefore, the film thickness of the power generation layer cannot be increased, and there is a trade-off between the power generation layer thickness in the short circuit current density (J SC ) and the fill factor (FF) as element performance.

上記の問題の解決策として、高移動度ナノ構造体をバルクヘテロジャンクション型の光電変換層(BHJ層)内に組み入れて、電子やホールの移動度を向上させることにより電荷の取り出しを効率的に行い、素子性能を向上させる取り組みがなされている。高移動度のナノ構造体をBHJ層内に組み込むことによりキャリアの移動度を向上させることができるので、BHJ層を厚膜化させた際にも電荷を十分取り出すことができ、JscとFFのトレードオフが解消されることが報告されている(例えば、非特許文献2)。中でも、カーボンナノチューブ(CNT)はキャリアの移動度が高くキャリアパスとして有用な材料である(例えば、非特許文献3)。非特許文献3では、有機光電変換素子のBHJ層内にCNTを添加することにより、ホールの輸送性が向上し、Jscが高くなることが報告されている。さらに、特許文献1では、BHJ層内に添加するCNTの表面にキャリアのブロック層を設ける技術が報告されている。この技術はCNTの周りにホールブロック層としてフラーレン誘導体やバソキュプロイン(BCP)などを被覆させることにより、CNTに輸送させるキャリアにより選択性を持たせるものである。   As a solution to the above problem, high mobility nanostructures are incorporated into a bulk heterojunction type photoelectric conversion layer (BHJ layer) to improve the mobility of electrons and holes for efficient charge extraction. Efforts are being made to improve device performance. Since the mobility of carriers can be improved by incorporating a nanostructure with high mobility in the BHJ layer, sufficient charge can be taken out even when the BHJ layer is thickened. It has been reported that the trade-off is eliminated (for example, Non-Patent Document 2). Among these, carbon nanotubes (CNT) are materials that have high carrier mobility and are useful as carrier paths (for example, Non-Patent Document 3). Non-Patent Document 3 reports that the addition of CNTs in the BHJ layer of an organic photoelectric conversion element improves hole transportability and increases Jsc. Further, Patent Document 1 reports a technique of providing a carrier blocking layer on the surface of a CNT added to the BHJ layer. In this technique, a fullerene derivative, bathocuproin (BCP), or the like is coated as a hole block layer around the CNT, thereby providing selectivity to the carrier transported to the CNT.

米国特許出願公開第2010/0307589号明細書US Patent Application Publication No. 2010/030759

A.Heeger et al.,Nature Mat.,vol.6(2007),p497A. Heeger et al. , Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497 Chin−Yu Chang et al.,Angew.Chem.Int.Ed.vol.50(2011),p9386−9390Chin-Yu Chang et al. , Angew. Chem. Int. Ed. vol. 50 (2011), p9386-9390 Gwang H.Jun et al.,CARBON.vol.50(2012)p40−46Gwang H.G. Jun et al. , CARBON. vol. 50 (2012) p40-46

しかしながら、本発明者らが検討したところ、上記文献に記載された技術を以てしても、十分な光電変換効率を達成することは難しいことが判明した。すなわち、非特許文献2または非特許文献3のように、BHJ層内にCNTなどのナノ構造体を添加した場合、p型有機半導体材料の最高被占有軌道(HOMO)のエネルギー準位に対しCNTの仕事関数が浅いため、ビルトインポテンシャルの関係から、素子の開放電圧(Voc)がフラーレンなどのn型有機半導体材料の最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位とCNTなどのナノ構造体の仕事関数により決定されることになり、Vocの低下が起こることがわかった。特に高効率を目指す新規のポリマー設計では高Vocを得るためにp型有機半導体材料のHOMO準位がより深くなるよう設計しているものが多く、CNTによるVocの低下がより顕著であった。   However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that it is difficult to achieve sufficient photoelectric conversion efficiency even with the technique described in the above document. That is, as in Non-Patent Document 2 or Non-Patent Document 3, when a nanostructure such as CNT is added in the BHJ layer, the CNTs are compared with the energy level of the highest occupied orbital (HOMO) of the p-type organic semiconductor material. Because of the built-in potential, the open circuit voltage (Voc) of the device is the lowest empty orbital (LUMO) energy level of n-type organic semiconductor materials such as fullerene and the work function of nanostructures such as CNT. It was determined that Voc decreased. In particular, many new polymer designs aiming at high efficiency are designed so that the HOMO level of the p-type organic semiconductor material becomes deeper in order to obtain a high Voc, and the decrease in Voc due to CNT is more remarkable.

さらにCNTは材料の作り分けが困難であり、試料の中に金属寄りの性質を持つCNTと半導体性の性質を持つCNTが混在することが一般的である。半導体性のCNTのみであればキャリアの輸送性が向上するが、金属性のCNTが含まれることにより金属性のCNTの表面でキャリアが再結合しやすくなり、キャリアの輸送性を向上させるためにCNTの添加量を増加させるに伴い、並列抵抗(Rsh)が低下し、FFが低下してしまうといった課題もあることが判明した。   Furthermore, it is difficult to make different materials for CNT, and it is common that CNT having properties close to metal and CNT having semiconducting properties are mixed in a sample. If only semiconducting CNTs are used, the carrier transportability is improved. However, the inclusion of metallic CNTs makes it easier for carriers to recombine on the surface of the metallic CNTs, thereby improving the carrier transportability. It has been found that there is a problem that the parallel resistance (Rsh) decreases and the FF decreases as the amount of CNT added increases.

つまり、BHJ層内に単にCNTを添加しただけでは、Jscの向上は見られるがVocとFFの低下が生じてしまうため、光電変換効率の全体としての向上幅は小さく、CNT添加の十分な効果は得られていなかった。   In other words, if CNT is simply added to the BHJ layer, Jsc can be improved, but Voc and FF will decrease. Therefore, the overall improvement in photoelectric conversion efficiency is small, and the effect of adding CNT is sufficient. Was not obtained.

一方、特許文献1に記載の方法は、CNTの周りにホールブロック層としてフラーレン誘導体やBCPなどを被覆させるというものである。しかし、本発明者らが検討した結果、CNTはホールの輸送性に優れるためCNTの表面にホールブロック層を被覆させるとよりキャリアの再結合が誘発されることになり、Rshの大幅な低下が引き起こされることがわかった。さらに、特許文献1には、CNT表面にホールブロック層を被覆させるための具体的な手段については開示されておらず、単にCNTとホールブロック層の材料を混合したのみではCNTの周りを選択的にブロック層で被覆することはできず、キャリアのブロック性能としては十分ではないことがわかった。   On the other hand, the method described in Patent Document 1 is to coat fullerene derivatives, BCP, etc. as a hole blocking layer around CNTs. However, as a result of investigations by the present inventors, since CNT is excellent in hole transportability, the recombination of carriers is further induced when the surface of the CNT is coated with a hole blocking layer, and the Rsh is greatly reduced. It turns out that it is caused. Further, Patent Document 1 does not disclose a specific means for coating the hole blocking layer on the surface of the CNT, and it is possible to selectively around the CNT simply by mixing the materials of the CNT and the hole blocking layer. It was not possible to coat with a block layer, and it was found that the block performance of the carrier was not sufficient.

そこで本発明は、上記の問題を解決し、光電変換層を厚膜化させた場合にも高いJSCとFFが両立させることにより光電変換効率に優れる光電変換素子、およびこれを用いた太陽電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problem, and even when a photoelectric conversion layer is thickened, a high JSC and FF make both photoelectric conversion elements excellent in photoelectric conversion efficiency, and a solar cell using the same The purpose is to provide.

本発明者らが、上記課題を解決すべく鋭意研究を行ったところ、以下の構成によって上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成させた。   The present inventors have conducted intensive research to solve the above-mentioned problems, and found that the above-mentioned problems can be solved by the following constitution, thereby completing the present invention.

すなわち本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。   That is, the above object of the present invention is achieved by the following configuration.

1.第1の電極と、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料を有するバルクヘテロジャンクション型の光電変換層と、第2の電極と、をこの順に有する光電変換素子であって、前記光電変換層は、表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも大きくなるように表面変性されたカーボンナノチューブを含む、有機光電変換素子。   1. A photoelectric conversion element having a first electrode, a bulk heterojunction photoelectric conversion layer having a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order, wherein the photoelectric conversion layer is An organic photoelectric conversion element comprising carbon nanotubes whose surface has been modified such that the work function of the surface is greater than the work function of the carbon nanotubes themselves.

2.前記表面変性されたカーボンナノチューブの表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも0.2eV以上大きい、前記1に記載の有機光電変換素子。   2. 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein a work function of the surface of the surface-modified carbon nanotube is 0.2 eV or more larger than a work function of the carbon nanotube itself.

3.前記表面変性されたカーボンナノチューブが電子吸引性基を有する双極子材料によって表面変性されたカーボンナノチューブである、前記1または2に記載の有機光電変換素子。   3. 3. The organic photoelectric conversion device according to 1 or 2 above, wherein the surface-modified carbon nanotube is a carbon nanotube surface-modified with a dipole material having an electron-withdrawing group.

4.前記双極子材料の双極子モーメントが−0.1〜−13Dである、前記3に記載の有機光電変換素子。   4). 4. The organic photoelectric conversion device according to 3 above, wherein a dipole moment of the dipole material is −0.1 to −13D.

5.前記p型有機半導体材料のHOMO準位が5.2eV以下である、前記1〜4のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   5. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 4, wherein a HOMO level of the p-type organic semiconductor material is 5.2 eV or less.

6.前記p型有機半導体材料のHOMO準位と前記変性されたカーボンナノチューブの表面の仕事関数との差が0.1eV以下である、前記1〜5のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   6). 6. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 5, wherein a difference between a HOMO level of the p-type organic semiconductor material and a work function of the surface of the modified carbon nanotube is 0.1 eV or less.

7.前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を有する、太陽電池。   7). The solar cell which has an organic photoelectric conversion element of any one of said 1-6.

本発明によれば、表面変性されたカーボンナノチューブを光電変換層に導入することで、開放電圧の低下が生じることなく、キャリアの輸送性が向上しうる。このため、光電変換素子において、高い開放電圧が維持されつつ、高い短絡電流密度とフィルファクターが両立し、光電変換効率が向上しうる。   According to the present invention, by introducing surface-modified carbon nanotubes into the photoelectric conversion layer, the carrier transport property can be improved without causing a reduction in open circuit voltage. For this reason, in the photoelectric conversion element, a high short-circuit current density and a fill factor are compatible while maintaining a high open-circuit voltage, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の一実施形態に係る有機光電素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the organic photoelectric element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る有機光電素子の光電変換層の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the photoelectric converting layer of the organic photoelectric element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の一実施形態に係る有機光電素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the organic photoelectric element which concerns on other one Embodiment of this invention. 本発明の他の一実施形態に係るタンデム型の光電変換層を備えた有機光電素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the organic photoelectric element provided with the tandem type photoelectric conversion layer which concerns on other one Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本明細書中、「仕事関数」とは、物質の表面から1個の電子を真空準位まで取り出すのに必要な最小のエネルギーと定義され、一般的には仕事関数の大きい(深い)材料は酸化されにくく、仕事関数の小さい(浅い)材料は酸化されやすいという性質を有する。また、本明細書中、仕事関数の測定方法は、紫外線光電子スペクトル分光装置(UPS法)により測定されるものとする。また、p型有機半導体材料のHOMO準位の測定方法は、紫外線光電子スペクトル分光装置(UPS法)により測定されるものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In this specification, “work function” is defined as the minimum energy required to extract one electron from the surface of a substance to the vacuum level, and generally has a large work function (deep). The material has a property that it is difficult to be oxidized, and a material having a small work function (shallow) is easily oxidized. In this specification, the work function is measured by an ultraviolet photoelectron spectrum spectrometer (UPS method). Moreover, the measuring method of the HOMO level of p-type organic-semiconductor material shall be measured with an ultraviolet photoelectron spectrum spectrometer (UPS method).

また、「双極子モーメント」とは、負電荷から正電荷へ向かうベクトルと、電荷の大きさとの積を示す。具体的には、密度汎関数(DFT)法による計算からそのベクトルおよび大きさを求めることができる。   The “dipole moment” indicates the product of the vector from the negative charge to the positive charge and the magnitude of the charge. Specifically, the vector and size can be obtained from calculation by the density functional (DFT) method.

本発明は、第1の電極と、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料を有するバルクヘテロジャンクション型の光電変換層と、第2の電極と、をこの順に有する光電変換素子であって、前記光電変換層は、表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも大きくなるように表面変性されたカーボンナノチューブを含む、有機光電変換素子である。   The present invention is a photoelectric conversion element having a first electrode, a bulk heterojunction photoelectric conversion layer having a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order, The photoelectric conversion layer is an organic photoelectric conversion element including carbon nanotubes whose surface is modified so that the work function of the surface is larger than the work function of the carbon nanotubes themselves.

好ましくは、前記光電変換層は、紫外光電子分光法で測定した表面の仕事関数が、4.8eVまたはこれよりも深くなるように、より好ましくは5.2eVまたはこれよりも深くなるように表面準位を調整したCNTを含む。   Preferably, the photoelectric conversion layer has a surface state such that the work function of the surface measured by ultraviolet photoelectron spectroscopy is 4.8 eV or deeper, more preferably 5.2 eV or deeper. Includes CNTs with adjusted position.

有機光電変換素子において原理的に十分な開放電圧(Voc)を得るためには、正孔輸送層の仕事関数と第1の電極、すなわち陰極の仕事関数との間に十分な電位差を有することが好ましい。本発明においては、好ましくは、前記電位差は0.8eV以上である。当該電位差が0.8eV以上であれば、実用的な開放電圧(Voc)が得られうる。   In order to obtain a sufficient open-circuit voltage (Voc) in principle in an organic photoelectric conversion element, it is necessary to have a sufficient potential difference between the work function of the hole transport layer and the work function of the first electrode, that is, the cathode. preferable. In the present invention, preferably, the potential difference is 0.8 eV or more. When the potential difference is 0.8 eV or more, a practical open circuit voltage (Voc) can be obtained.

一般的には、両電極(または両電荷輸送層)の電位差以上のVocは得ることができず、さらに、「光電変換層のp−n界面で形成される電位差(p型有機半導体材料とn型有機半導体材料を有する有機光電変換素子においては、p型有機半導体材料のHOMO準位とn型有機半導体材料のLUMO準位との差)−0.3eV≧開放電圧(Voc)」という関係が経験則的に得られている。そのため、より高いVocを発現するためにはp型有機半導体材料のHOMO準位を深くすることが重要であるが、非特許文献2のように、BHJ層内にキャリアパスとしてカーボンナノチューブなどの別の半導体材料を添加した場合、前記別の半導体材料のHOMO準位ないし仕事関数が、BHJ層内のp型有機半導体材料のHOMO準位よりも浅い場合には、素子のVocが前記別の半導体材料のHOMO準位ないし仕事関数とn型有機半導体材料のLUMO準位との差によって決定されてしまい、本来のVocよりも小さくなってしまうことになる。 In general, a Voc greater than the potential difference between both electrodes (or both charge transport layers) cannot be obtained. Further, “a potential difference formed at the pn interface of the photoelectric conversion layer (p-type organic semiconductor material and n”). In an organic photoelectric conversion element having a p-type organic semiconductor material, a relationship of “difference between a HOMO level of a p-type organic semiconductor material and a LUMO level of an n-type organic semiconductor material) −0.3 eV ≧ open circuit voltage (V oc )” Is obtained as a rule of thumb. Therefore, in order to develop higher Voc, it is important to deepen the HOMO level of the p-type organic semiconductor material. However, as in Non-Patent Document 2, as a carrier path in the BHJ layer, another carbon nanotube or the like is used. When the HOMO level or work function of the other semiconductor material is shallower than the HOMO level of the p-type organic semiconductor material in the BHJ layer, the Voc of the element is the other semiconductor material. It is determined by the difference between the HOMO level or work function of the material and the LUMO level of the n-type organic semiconductor material, and is smaller than the original Voc.

そのため、BHJ層を構成するp型有機半導体材料およびn型有機半導体材料から得られる本来のVocを得るためには、BHJ層内にキャリアパスとして添加する材料の仕事関数をp型有機半導体材料のHOMO準位と同等程度またはより深く設計する必要がある。さらには、素子における内蔵電界強度(E)は、電位差(V)に比例すると共に、膜厚(d)に反比例するため、電極間の電位差を広げることで、光電変換層内部のキャリア密度が略均一の場合、膜厚依存性を低減し変換効率を向上させるためにも両極の電位差を広げることが好ましい。   Therefore, in order to obtain the original Voc obtained from the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material constituting the BHJ layer, the work function of the material added as a carrier path in the BHJ layer is changed to that of the p-type organic semiconductor material. It is necessary to design the same or deeper than the HOMO level. Further, since the built-in electric field strength (E) in the element is proportional to the potential difference (V) and inversely proportional to the film thickness (d), the carrier density inside the photoelectric conversion layer is substantially reduced by widening the potential difference between the electrodes. When uniform, it is preferable to widen the potential difference between the two electrodes in order to reduce the film thickness dependency and improve the conversion efficiency.

特に、双極子材料を用いてCNTの表面の仕事関数を調整することにより、表面のキャリアの選択性も同時に付与することができると考えられる。このメカニズムについては以下のように推定している。CNTの表面を電子吸引性の双極子モーメントを有する双極子材料で表面被覆することにより、CNT表面の真空準位をCNT自体の仕事関数よりも深く制御することができる。この真空準位をp型有機半導体材料のHOMO準位と同等ないし近い準位に制御することにより、BHJ層内のp型有機半導体材料とCNTの界面との準位のミスマッチが起きないように制御することができる。このことにより、本来ホール輸送性が強いCNTのホール輸送性をより高めることができるだけでなく、電子に対するブロック層となりキャリアの選択性が向上するものと推定している。この効果はCNTが金属寄りの性質を有している際により顕著である。ブロック層を被覆していない場合は両方のキャリアを輸送してしまい、特許文献1のようにホールに対するブロック層を被覆した場合はキャリアの選択性を低下させ、いずれの場合も再結合を誘発してしまうが、表面を双極子材料で被覆することによりキャリアの再結合を効果的に抑制することができる。   In particular, it is considered that the carrier selectivity on the surface can be simultaneously imparted by adjusting the work function of the surface of the CNT using a dipole material. This mechanism is estimated as follows. By covering the surface of the CNT with a dipole material having an electron-withdrawing dipole moment, the vacuum level of the CNT surface can be controlled deeper than the work function of the CNT itself. By controlling this vacuum level to a level equivalent to or close to the HOMO level of the p-type organic semiconductor material, a level mismatch between the p-type organic semiconductor material and the CNT interface in the BHJ layer does not occur. Can be controlled. Thus, it is estimated that not only can the hole transport property of CNTs, which originally has a strong hole transport property, be improved, but also a block layer with respect to electrons, resulting in improved carrier selectivity. This effect is more prominent when CNT has a metal-like nature. When the block layer is not coated, both carriers are transported, and when the block layer for holes is coated as in Patent Document 1, the selectivity of the carrier is lowered, and in either case, recombination is induced. However, carrier recombination can be effectively suppressed by coating the surface with a dipole material.

以下、添付した図面を参照しながら本発明の有機光電素子を説明するが、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 organic photoelectric device of the present invention 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.

〔素子構造〕
図1は、本発明の一実施形態に係る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(第一の電極)11、正孔輸送層26、光電変換層13、電子輸送層27、および陰極(第二の電極)12がこの順に積層されてなる構成を有する。ここで、図2に示すように、光電変換層13には、p型有機半導体材料15およびn型有機半導体材料16に加えて、表面の仕事関数が大きくなるよう制御されたカーボンナノチューブからなるナノ構造体14が含まれている。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13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、正孔輸送層26を経て光電変換層13へと届く。
(Element structure)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an organic photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention. Specifically, the organic photoelectric conversion element 10 of FIG. 1 includes an anode (first electrode) 11, a hole transport layer 26, a photoelectric conversion layer 13, an electron transport layer 27, and a cathode (second electrode) on a substrate 25. Electrode) 12 is laminated in this order. Here, as shown in FIG. 2, in addition to the p-type organic semiconductor material 15 and the n-type organic semiconductor material 16, the photoelectric conversion layer 13 is made of nanometers made of carbon nanotubes controlled so as to increase the work function of the surface. A structure 14 is included. 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 13. The light irradiated from the substrate 25 side reaches the photoelectric conversion layer 13 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13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 the electron donor in the photoelectric conversion layer 13, electrons move from the electron donor to the electron acceptor, and holes and electrons are absorbed. 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、電子および正孔はそれぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。この際、光電変換層13内の仕事関数が大きくなるよう表面変性されたカーボンナノチューブからなるナノ構造体14はホールの輸送性を向上させる役割を担う。   When 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 potential difference between the anode 11 and the cathode 12 causes the electrons and holes to be carried to different electrodes, and a photocurrent is detected. . At this time, the nanostructure 14 made of carbon nanotubes whose surface has been modified so as to increase the work function in the photoelectric conversion layer 13 plays a role of improving hole transportability.

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13のpn接合界面で生成し、ナノ構造体14で輸送された正孔をより効率よく陽極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、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 is generated at the pn junction interface of the photoelectric conversion layer 13 and more efficiently transports holes transported by the nanostructure 14. It is responsible for transporting to 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 to the cathode 12.

図3は、本発明の他の一実施形態に係る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20は、図1の有機光電変換素子10と比較して、陽極(第一の電極)11と陰極(第二の電極)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3の有機光電変換素子20は、基板25上に、陰極(第二の電極)12、電子輸送層27、光電変換層13、正孔輸送層26、および陽極(第一の電極)11がこの順に積層されてなる構成を有している。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing an organic photoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention. The organic photoelectric conversion element 20 of FIG. 3 has an anode (first electrode) 11 and a cathode (second electrode) 12 disposed at opposite positions as compared to the organic photoelectric conversion element 10 of FIG. The difference is that the hole transport layer 26 and the electron transport layer 27 are disposed at opposite positions. That is, the organic photoelectric conversion element 20 in FIG. 3 includes a cathode (second electrode) 12, an electron transport layer 27, a photoelectric conversion layer 13, a hole transport layer 26, and an anode (first electrode) on a substrate 25. 11 has a configuration in which the layers are stacked in this order.

図4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4の有機光電変換素子30は第一のセルと第二のセルが中間層38において並列接続ないし直列接続している構成であり、図1の有機光電変換素子10の光電変換層13に代えて、第一のセルには光電変換層13a、第二のセルには光電変換層13bを含む構成となっている。この時中間層38は第一のセルと第二のセルを並列接続する場合は電荷取り出し電極となり、直列接続する場合は電荷再結合電極となる。本実施形態では、光電変換層13aおよびは光電変換層13bの少なくとも一層は、光電変換層内にWFが大きくなるよう制御されたCNTからなるナノ構造体を含有している。図4に示すタンデム型の有機光電変換素子30では、第一のセルの光電変換層13aおよび第二のセルの光電変換層13b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. 4 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. The organic photoelectric conversion element 30 in FIG. 4 has a configuration in which a first cell and a second cell are connected in parallel or in series in the intermediate layer 38, and instead of the photoelectric conversion layer 13 of the organic photoelectric conversion element 10 in FIG. The first cell includes the photoelectric conversion layer 13a, and the second cell includes the photoelectric conversion layer 13b. At this time, the intermediate layer 38 becomes a charge extraction electrode when the first cell and the second cell are connected in parallel, and becomes a charge recombination electrode when they are connected in series. In the present embodiment, at least one layer of the photoelectric conversion layer 13a and the photoelectric conversion layer 13b contains a nanostructure made of CNTs controlled to increase WF in the photoelectric conversion layer. In the tandem organic photoelectric conversion element 30 shown in FIG. 4, photoelectric conversion materials (p-type organic semiconductors and n-types) having different absorption wavelengths are respectively formed in the photoelectric conversion layer 13 a of the first cell and the photoelectric conversion layer 13 b of the second cell. By using a type organic semiconductor), it becomes possible to efficiently convert light in a wider wavelength range into electricity.

〔カーボンナノチューブ(CNT)〕
ナノ構造体としてのカーボンナノチューブは特に限定されず、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブなどのいずれのカーボンナノチューブを用いてもよく、これらの二種以上を組み合わせてもよい。また、単層カーボンナノチューブは、金属性カーボンナノチューブであっても、半導体性カーボンナノチューブであっても、これらの混合物であってもよい。
[Carbon nanotubes (CNT)]
The carbon nanotube as the nanostructure is not particularly limited, and any carbon nanotube such as a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, or a multi-walled carbon nanotube may be used, or two or more of these may be combined. The single-walled carbon nanotube may be a metallic carbon nanotube, a semiconducting carbon nanotube, or a mixture thereof.

本発明において、ナノ構造体としてのカーボンナノチューブ(CNT)は、その長さが直径(太さ)に比べて十分に長い形状を持つものである。CNTの形状としては中空チューブ状、ワイヤ状、ファイバー状のもの等が挙げられる。   In the present invention, a carbon nanotube (CNT) as a nanostructure has a shape whose length is sufficiently longer than a diameter (thickness). Examples of the shape of the CNT include a hollow tube shape, a wire shape, and a fiber shape.

本発明において用いられうるCNTは、有機膜内においてCNTが互いに接触し合うことにより3次元的なキャリアパスネットワークを形成し電極に対して補助的に機能すると考えられる。従って、CNTが長い方が導電ネットワーク形成に有利であるため好ましい。本発明に用いられうるCNTとしては、1本のCNTで長い導電パスを形成するために、平均長さが3μm以上であることが好ましく、さらには4〜500μmが好ましく、特に5〜300μmであることが好ましい。併せて、長さの相対標準偏差は40%以下であることが好ましい。一方で、CNTの長さが500μm以下であれば、CNTのナノワイヤーが絡み合って凝集体を生じることを防ぐことができるため、このような凝集体の生成に起因する光学特性の劣化を抑制することができる。導電ネットワーク形成や凝集体生成には、CNTの剛性や直径等も影響するため、最適な平均アスペクト比(アスペクト比=長さ/直径)のものを使用することが好ましい。大凡の目安として、平均アスペクト比は、5〜50,000、より好ましくは10〜10,000、更に好ましくは100〜1,000であるものが好ましい。   The CNTs that can be used in the present invention are considered to function as an auxiliary to the electrodes by forming a three-dimensional carrier path network when the CNTs contact each other in the organic film. Therefore, a longer CNT is preferable because it is advantageous for forming a conductive network. As the CNT that can be used in the present invention, in order to form a long conductive path with one CNT, the average length is preferably 3 μm or more, more preferably 4 to 500 μm, and particularly preferably 5 to 300 μm. It is preferable. In addition, the relative standard deviation of the length is preferably 40% or less. On the other hand, if the length of the CNT is 500 μm or less, it can be prevented that the nanowires of the CNT are entangled to generate an aggregate, and therefore, deterioration of optical properties due to the generation of such an aggregate is suppressed. be able to. Since formation of a conductive network and aggregate formation are affected by the rigidity and diameter of the CNT, it is preferable to use one having an optimal average aspect ratio (aspect ratio = length / diameter). As a rough guide, the average aspect ratio is preferably 5 to 50,000, more preferably 10 to 10,000, and still more preferably 100 to 1,000.

CNTの平均直径は、透明性の観点からは小さいことが好ましく、一方で、導電性の観点からは大きい方が好ましい。本発明においては、CNTの平均直径として10〜300nmが好ましく、20〜200nmであることがより好ましく、さらに、30〜100nmであると特に好ましい。併せて、直径の相対標準偏差は20%以下であることが好ましい。なお、上記CNTの長さおよび直径は、高倍率のTEM観察により計測したものとし、より具体的には、TEM観察により500本のCNTを測定した平均値を採用するものとする。   The average diameter of CNTs is preferably small from the viewpoint of transparency, while larger ones are preferable from the viewpoint of conductivity. In the present invention, the average diameter of CNT is preferably 10 to 300 nm, more preferably 20 to 200 nm, and particularly preferably 30 to 100 nm. In addition, the relative standard deviation of the diameter is preferably 20% or less. Note that the length and diameter of the CNTs are measured by high-magnification TEM observation, and more specifically, average values obtained by measuring 500 CNTs by TEM observation are adopted.

本発明においてCNTの製造手段に特に制限はなく、例えば、アーク放電、レーザー蒸発法、CVD法、炭化水素の熱分解法などを用いて合成されうる。閉じているナノチューブの先端を燃焼酸化などの精製法を利用して開端させてもよい。また、市販のCNTを用いてもよい。   In the present invention, the means for producing CNTs is not particularly limited, and can be synthesized using, for example, arc discharge, laser evaporation, CVD, or hydrocarbon pyrolysis. The end of the closed nanotube may be opened using a purification method such as combustion oxidation. Commercially available CNTs may also be used.

本発明において、CNTは、表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも大きくなるように表面変性されていることを特徴とする。   In the present invention, the CNT is characterized by being surface-modified so that the work function of the surface is larger than the work function of the carbon nanotube itself.

好ましくは、表面編成されたカーボンナノチューブは、表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも0.2eV以上大きい。0.2eV以上大きくなるように表面変性されている場合は、本発明の効果がより顕著に得られうる。   Preferably, the surface-organized carbon nanotube has a work function of 0.2 eV or more larger than the work function of the carbon nanotube itself. When the surface is modified so as to be 0.2 eV or more, the effect of the present invention can be obtained more remarkably.

CNTの表面の仕事関数はp型有機半導体材料のHOMO準位よりも大きくなるように調整されていることが好ましく、p型有機半導体材料のHOMO準位よりも0.1eV以内の範囲で大きくなるように調整されていることがさらに好ましい。CNTの表面の仕事関数がp型有機半導体材料のHOMO準位よりも大きい(深い)場合、Vocの向上に効果がある。p型有機半導体材料のHOMO準位とCNTの表面の仕事関数との差が0.1eV以内であれば、ホールの輸送性が阻害されにくいため、CNTの添加量を増加させることでJscが十分に向上しうる。   The work function of the surface of the CNT is preferably adjusted so as to be larger than the HOMO level of the p-type organic semiconductor material, and becomes larger in the range of 0.1 eV than the HOMO level of the p-type organic semiconductor material. It is further preferable that the adjustment is made as described above. When the work function of the surface of CNT is larger (deeper) than the HOMO level of the p-type organic semiconductor material, there is an effect in improving Voc. If the difference between the HOMO level of the p-type organic semiconductor material and the work function of the surface of the CNT is within 0.1 eV, the hole transport is unlikely to be hindered. Can be improved.

カーボンナノチューブの表面の仕事関数を、カーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも大きくなるように変性させる方法は特に制限されない。例えば、カーボンナノチューブの表面の仕事関数を大きくしうる、電子吸引性基を有する双極子材料をCNTの表面に付与する方法が用いられうる。また、CNTの表面を、空気、酸素プラズマ、または酸を用いて酸化させることで、表面の仕事関数を大きくすることができる。   The method for modifying the work function of the surface of the carbon nanotube so as to be larger than the work function of the carbon nanotube itself is not particularly limited. For example, a method of applying a dipole material having an electron-withdrawing group that can increase the work function of the surface of the carbon nanotube to the surface of the CNT can be used. Further, the work function of the surface can be increased by oxidizing the surface of the CNT using air, oxygen plasma, or acid.

CNTの表面を空気を用いて酸化させる方法としては、例えば、CNTを空気流中で800〜1000℃に加熱して酸化させる。CNT表面の酸素プラズマ処理は、例えば、CNTを酸素雰囲気下に静置し、プラズマを照射することにより行なわれる。プラズマ照射装置としては、特に制限されないが、例えばグロー放電形式等が用いられる。酸処理は、例えば、HNO、HSO、またはこれらの混合溶液中でCNTを加熱することにより行われうる。好ましくは、酸処理によってCNT表面を酸化させる。 As a method for oxidizing the surface of CNTs using air, for example, CNTs are oxidized by heating them to 800 to 1000 ° C. in an air stream. The oxygen plasma treatment of the CNT surface is performed, for example, by leaving the CNT in an oxygen atmosphere and irradiating the plasma. Although it does not restrict | limit especially as a plasma irradiation apparatus, For example, a glow discharge format etc. are used. The acid treatment can be performed, for example, by heating CNT in HNO 3 , H 2 SO 4 , or a mixed solution thereof. Preferably, the CNT surface is oxidized by acid treatment.

なお、上記のようなCNTの表面の空気、酸素プラズマ、または酸を用いた酸化は、未処理のCNTについて行ってもよく、表面修飾したCNTについて行ってもよい。   In addition, the oxidation using air, oxygen plasma, or acid on the surface of the CNT as described above may be performed on untreated CNT or on surface-modified CNT.

カーボンナノチューブの表面の仕事関数を大きくしうる、双極子モーメントを有する双極子材料をCNTの表面に付与する方法についても特に制限されない。   There is no particular limitation on the method of applying a dipole material having a dipole moment to the surface of the CNT that can increase the work function of the surface of the carbon nanotube.

CNTは単体ではBHJ層を形成するための溶媒への溶解性が低いため、有機溶媒への溶解性を向上させるためにアミンなどを用いて適宜表面を変性させることが知られている。代表的な例としては、CARBON.vol.50(2012)p40−46に示されているようにCNTの表面をオクタデシルアミン等で変性させることにより有機溶媒への溶解性を付与させることができる。本発明において、上記と同様の合成スキームで双極子モーメントを有する双極子材料をCNT表面に付与することができる。   Since CNT alone has low solubility in a solvent for forming a BHJ layer, it is known that the surface is appropriately modified with an amine or the like in order to improve the solubility in an organic solvent. As a typical example, CARBON. vol. 50 (2012) p40-46, it is possible to impart solubility to an organic solvent by modifying the surface of CNT with octadecylamine or the like. In the present invention, a dipole material having a dipole moment can be applied to the CNT surface by a synthesis scheme similar to the above.

例えば、末端にNHを有する双極子材料の場合、はじめにCNTを硝酸/硫酸混合溶液などの酸で処理することによって、CNT表面に−COOH基を導入し、この−COOH基に前記双極子材料の末端の−NHを反応させることでアルキルアミド結合を生成し、双極子材料がCNT表面に導入される。表面に−COOH基を導入したCNTと前記双極子材料との反応条件は特に制限されないが、好ましくは50〜180℃、より好ましくは50〜120℃で、好ましくは1〜200時間、より好ましくは1〜120時間、撹拌しながら反応させる。   For example, in the case of a dipole material having NH at the terminal, by first treating the CNT with an acid such as a nitric acid / sulfuric acid mixed solution, a -COOH group is introduced on the CNT surface, and the dipole material of the dipole material is introduced into the -COOH group. An alkylamide bond is generated by reacting the terminal —NH, and a dipole material is introduced to the CNT surface. The reaction conditions of the CNT having a —COOH group introduced on the surface and the dipole material are not particularly limited, but are preferably 50 to 180 ° C., more preferably 50 to 120 ° C., and preferably 1 to 200 hours, more preferably The reaction is carried out with stirring for 1 to 120 hours.

また、吸着基を有する双極子材料を用いることによりCNT表面に吸着基により双極子材料を選択的に吸着させせることができるが、CNTは吸着基との相互作用が弱いため仕事関数の調整に十分なほど双極子材料を被覆出来ない場合があるため、上記のような合成により双極子材料を被覆させることが好ましい。   In addition, by using a dipole material having an adsorbing group, the dipole material can be selectively adsorbed on the CNT surface by the adsorbing group. However, since CNT has a weak interaction with the adsorbing group, the work function can be adjusted. Since the dipole material may not be sufficiently coated, it is preferable to coat the dipole material by the above synthesis.

上記のように表面変性されたCNTは、光電変換層内のp型有機半導体材料に対して、好ましくは0.01〜2質量%、より好ましくは0.05〜1質量%、更に好ましくは0.05〜0.5質量%の量で添加されうる。表面変性されたCNTの添加量が0.01質量%以上であれば、ホールの輸送性を向上させる効果が高い。また、2質量%以下であれば、光電変換層の膜厚が200〜300nm程度の場合、素子のリークの可能性が低減されうる。   The surface-modified CNT as described above is preferably 0.01 to 2% by mass, more preferably 0.05 to 1% by mass, and still more preferably 0% with respect to the p-type organic semiconductor material in the photoelectric conversion layer. 0.05 to 0.5% by weight can be added. When the amount of the surface-modified CNT added is 0.01% by mass or more, the effect of improving hole transportability is high. Moreover, if it is 2 mass% or less, when the film thickness of a photoelectric converting layer is about 200-300 nm, the possibility of the leak of an element may be reduced.

〔双極子材料〕
一般に、表面修飾分子が吸着したナノ構造体(カーボンナノチューブ)の仕事関数の変化量は、表面修飾分子が吸着する密度および表面修飾分子の双極子モーメントの大きさに比例する。したがって、適当な仕事関数を有するナノ構造体を構成するため、双極子モーメントを有する表面修飾分子が双極子材料として用いられうる。双極子材料の双極子モーメントは適宜選択できるが、本発明においては電気吸引性の(電子吸引性基を有する)双極子材料によりCNTの真空準位が深くなるように制御するため、−0.1〜−13Dであると好ましく、特に−4〜−12Dであると好ましい。
[Dipole material]
In general, the amount of change in work function of a nanostructure (carbon nanotube) to which a surface modifying molecule is adsorbed is proportional to the density at which the surface modifying molecule is adsorbed and the magnitude of the dipole moment of the surface modifying molecule. Therefore, in order to construct a nanostructure having an appropriate work function, a surface modifying molecule having a dipole moment can be used as a dipole material. Although the dipole moment of the dipole material can be appropriately selected, in the present invention, since the CNT vacuum level is controlled to be deep by the electroattractive (having an electron withdrawing group) dipole material, −0. 1 to −13D is preferable, and −4 to −12D is particularly preferable.

ここで本発明における双極子モーメントは、上述したように、表面修飾分子に吸着基を介し銀(Ag)原子1個に吸着した分子構造について、密度汎関数(DFT)法により算出した双極子モーメントを指す。電子吸引性基としては、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、−CF、−COOCF、−SOCF、−COCF、−CHO、−COOCH、−SOCH、−SONH、−COCH、−CNまたは−NOが挙げられる。これらの双極子材料は末端がアミンの双極子材料と末端がカルボン酸に変性させたCNTを反応させることにより簡便に表面に双極子材料を被覆することができる。また、表面にチオール基、ジチオカルバメート基、キサンタート基、スルフィド基、ジスルフィド基等の吸着基を持つことによりCNTの表面に吸着させることもできる。 Here, as described above, the dipole moment in the present invention is the dipole moment calculated by the density functional (DFT) method for the molecular structure adsorbed to one silver (Ag) atom via an adsorbing group on the surface modification molecule. Point to. Examples of the electron withdrawing group, a halogen atom (fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom), - CF 3, -COOCF 3 , -SO 2 CF 3, -COCF 3, -CHO, -COOCH 3, -SO 2 CH 3, -SO 2 NH 2 , -COCH 3, include -CN, or -NO 2. These dipole materials can be easily coated with a dipole material on the surface by reacting a dipole material having an amine end with a CNT modified with a carboxylic acid at the end. Moreover, it can also be made to adsorb | suck to the surface of CNT by having adsorption groups, such as a thiol group, a dithiocarbamate group, a xanthate group, a sulfide group, a disulfide group, on the surface.

また、CNTの有機溶剤への分散性を同時に付与するためには、双極子材料のアルキル鎖がC5以上のアルキル鎖を有している双極子材料であることが好ましい。より好ましくは、アルキル鎖がC10以上のアルキル鎖を有している双極子材料である。   In order to simultaneously impart dispersibility of CNTs in an organic solvent, the dipole material is preferably a dipole material in which the alkyl chain has a C5 or higher alkyl chain. More preferably, it is a dipole material in which the alkyl chain has a C10 or higher alkyl chain.

具体的には、前記双極子材料としては、以下のような化合物が挙げられる。   Specifically, examples of the dipole material include the following compounds.

Figure 2013254912
Figure 2013254912

上記式中、nは0〜17の整数であり、Rは、H、CH、またはCHCHであり、EAは電子受容性基を表し、同一化合物内に同じ符号が2以上存在する場合、各符号は同一のものを表しても異なるものを表してもよい。EA’は結合、−Y=Z−(Yは−N=、−CH=、または−C(CH)=を表し、Zは=N−、=CH−、または=C(CH)−を表す)、−OC(O)−、−CO(O)−、−C(O)−、または−SO−を表す。 In the above formula, n is an integer of 0 to 17, R is H, CH 3 , or CH 2 CH 3 EA represents an electron accepting group, and two or more same symbols exist in the same compound In this case, each symbol may represent the same thing or a different thing. EA 'is bond, -Y = Z- (Y is -N =, - CH =, or -C (CH 3) = represents, Z is = N -, = CH-, or = C (CH 3) - Represents —OC (O) —, —CO (O) —, —C (O) —, or —SO 2 —.

EAで表わされる電子受容性基としては、例えば、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、−CF、−BF、−COOCF、−SOCF、−COCF、−CHO、−COOCH、−SOCH、−SONH、−COCH、−CNまたは−NO、−BF、−SOF、−COOCFが挙げられる。EAの置換位置は、特に限定されないが、o位であることが好ましい。 Examples of the electron accepting group represented by EA, for example, a halogen atom (fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom), - CF 3, -BF 3 , -COOCF 3, -SO 2 CF 3, -COCF 3 , -CHO, -COOCH 3 , -SO 2 CH 3 , -SO 2 NH 2 , -COCH 3 , -CN or -NO 2 , -BF 3 , -SO 2 F, and -COOCF 3 . The substitution position of EA is not particularly limited, but is preferably the o position.

または、上記式中、   Or in the above formula,

Figure 2013254912
Figure 2013254912

は、下記で表される構造であってもよい。 May be a structure represented by:

Figure 2013254912
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また、前記双極子材料としては、以下のような化合物を用いてもよい。   Further, as the dipole material, the following compounds may be used.

Figure 2013254912
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Figure 2013254912
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上記式(A)〜(H)において、nは0〜3の整数であり、XはNまたはCHを表し、好ましくはNであり、X’はそれぞれ独立して−N=または−CH=を表し、好ましくは−N=であり、Yは−N=、−CH=、または−C(CH)=を表し、Zは=N−、=CH−、または=C(CH)−を表し、EA’は−OC(O)−、−CO(O)−、−C(O)−、および−SO−を表す。また、上記式(A)〜(H)において、EAは電子受容性基を表し、同一化合物内に同じ符号が2以上存在する場合、各符号は同一のものを表しても異なるものを表してもよい。 In the above formulas (A) to (H), n is an integer of 0 to 3, X represents N or CH, preferably N, and X ′ independently represents —N═ or —CH═. represents preferably an -N =, Y is -N =, - CH =, or -C (CH 3) = represents, Z is = N -, = CH-, or = C (CH 3) - and EA ′ represents —OC (O) —, —CO (O) —, —C (O) —, and —SO 2 —. In the above formulas (A) to (H), EA represents an electron-accepting group, and when two or more same symbols exist in the same compound, each symbol represents a different one even if it represents the same one. Also good.

EAで表わされる電子受容性基としては、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素
原子、ヨウ素原子)、−CF、−BF、−COOCF、−SOCF、−COCF、−CHO、−COOCH、−SOCH、−SONH、−COCH、−CNまたは−NO、−BF、−SOF、−COOCFが挙げられる。EAの置換位置は、特に限定されないが、o位であることが好ましい。
As an electron-accepting group represented by EA, a halogen atom (fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom), —CF 3 , —BF 3 , —COOCF 3 , —SO 2 CF 3 , —COCF 3 , — CHO, -COOCH 3, -SO 2 CH 3, -SO 2 NH 2, -COCH 3, -CN or -NO 2, -BF 3, -SO 2 F, is -COOCF 3 like. The substitution position of EA is not particularly limited, but is preferably the o position.

また、上記式(G)において、R”は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1〜20、好ましくは1〜12の直鎖、分岐鎖または環状のアルキル基を表すが、双方が水素原子を表すことはない。   In the above formula (G), each R ″ independently represents a hydrogen atom, a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 12 carbon atoms. It does not represent a hydrogen atom.

上記式の中でも、好ましい双極子材料の具体例としては、下記の構造の化合物が挙げられる。   Among the above formulas, specific examples of preferable dipole materials include compounds having the following structures.

Figure 2013254912
Figure 2013254912

Figure 2013254912
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Figure 2013254912
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Figure 2013254912
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Figure 2013254912
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(光電変換層)
本形態の有機光電変換素子10は、上述の陰極12と陽極11との間に、光電変換層13を必須に含む。
(Photoelectric conversion layer)
The organic photoelectric conversion element 10 of this embodiment includes a photoelectric conversion layer 13 between the above-described cathode 12 and anode 11.

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。光電変換層は、光電変換材料として、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料、さらに表面を変性させたCNTを必須に含む。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、正孔と電子がp型有機半導体材料ないしCNT内を通り陽極に輸送される、また電子はn型有機半導体材料内を通り陰極に輸送される。   The photoelectric conversion layer has a function of converting light energy into electric energy using the photovoltaic effect. The photoelectric conversion layer essentially includes a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material as a photoelectric conversion material, and CNTs whose surface has been modified. When light is absorbed by these photoelectric conversion materials, excitons are generated, which are separated into holes and electrons at the pn junction interface, and the holes and electrons pass through the p-type organic semiconductor material or CNT. The electrons are transported to the anode, and the electrons are transported to the cathode through the n-type organic semiconductor material.

〈p型有機半導体材料〉
本発明に係る光電変換層に用いられるp型有機半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられる。
<P-type organic semiconductor material>
Examples of the p-type organic semiconductor material used for the photoelectric conversion layer according to the present invention include various condensed polycyclic aromatic low molecular compounds and conjugated polymers.

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

また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基を持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.,vol.127,No.14,p4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123,p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008),No.9,p2706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。または、米国特許出願公開第2003/136964号明細書、及び特開2008−16834号公報等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)材料等を挙げることができる。   Examples of 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-2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol. 127, no. 14, p 4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, acene compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in p2706 and the like. Alternatively, as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834, etc., a soluble substituent reacts and becomes insoluble by applying energy such as heat (pigment) Material) and the like.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第2008/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater.,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.,vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。   As the conjugated polymer, for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in International Publication No. 2008/000664 pamphlet, Adv. Mater. , 2007, p4160, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomeric materials 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.

より好ましくは、p型共役系高分子として主鎖に電子供与性基(ドナー性ユニット)および電子吸引性基(アクセプター性ユニット)を有する共重合体である。より具体的には、p型共役系高分子は、ドナー性ユニットとアクセプター性ユニットとが交互に配列するように重合された構造を有する。このように、ドナー性ユニットとアクセプター性ユニットとが交互に配列することにより、p型有機半導体の吸収域を長波長域に拡大することができる。すなわち、p型共役系高分子は、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できるため、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ことが可能となる。   More preferably, it is a copolymer having an electron donating group (donor unit) and an electron withdrawing group (acceptor unit) in the main chain as a p-type conjugated polymer. More specifically, the p-type conjugated polymer has a structure in which donor units and acceptor units are alternately arranged. Thus, by arranging the donor unit and the acceptor unit alternately, the absorption region of the p-type organic semiconductor can be expanded to a long wavelength region. That is, since the p-type conjugated polymer 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 the conventional p-type organic semiconductor, It becomes possible to efficiently absorb radiant energy over a wide range of the optical spectrum.

p型共役系高分子に含まれう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 that can be included in the p-type conjugated polymer is a unit in which the LUMO level or the HOMO level is shallower than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons. If there is, it 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、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。   Specific examples include fluorene, silafluorene, carbazole, dithienocyclopentadiene, dithienosylcyclopentadiene, dithienopyrrole, and benzodithiophene.

一方、p型共役系高分子に含まれうるアクセプター性ユニットとしては、例えば、キノキサリン骨格、ピラジノキノキサリン骨格、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾオキサジアゾール骨格、ベンゾセレナジアゾール骨格、ベンゾトリアゾール骨格、ピリドチアジアゾール骨格、チエノピラジン骨格、フタルイミド骨格、3,4−チオフェンジカルボン酸イミド骨格、イソインディゴ骨格、チエノチオフェン骨格、ジケトピロロピロール骨格、4−アシル−チエノ[3,4−b]チオフェン骨格、チエノピロールジオン骨格、チアゾロチアゾール骨格、ピラゾロ[5,1−c][1,2,4]トリアゾール骨格、ジオキソピロロチオフェン骨格などが挙げられる。なお、本形態のp型共役系高分子に含まれるドナー性ユニットまたはアクセプター性は、それぞれ、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。   On the other hand, acceptor units that can be included in the p-type conjugated polymer include, for example, quinoxaline skeleton, pyrazinoquinoxaline skeleton, benzothiadiazole skeleton, benzooxadiazole skeleton, benzoselenadiazole skeleton, benzotriazole skeleton, pyrido Thiadiazole skeleton, thienopyrazine skeleton, phthalimide skeleton, 3,4-thiophenedicarboxylic acid imide skeleton, isoindigo skeleton, thienothiophene skeleton, diketopyrrolopyrrole skeleton, 4-acyl-thieno [3,4-b] thiophene skeleton, thienopyrrole Examples thereof include a dione skeleton, a thiazolothiazole skeleton, a pyrazolo [5,1-c] [1,2,4] triazole skeleton, and a dioxopyrrolothiophene skeleton. In addition, the donor unit or acceptor property contained in the p-type conjugated polymer of this embodiment may be used alone or in combination of two or more.

これらの中でも、Appl.Phys.Lett.Vol.98,p043301に記載されているような、移動度が高く厚い発電層を形成することのできる材料であることが好ましい。厚い発電層を形成できる材料を用いることで、すべてのスペクトル領域において高い外部量子効率を得ることができ、かつ発電層が厚い(内蔵電界が減少)しても移動度が高いために曲線因子が低下しないため、高い外部量子効率と曲線因子を両立でき、高い効率の素子を得ることができる。   Among these, Appl. Phys. Lett. Vol. 98, p043301 is preferably a material that can form a thick power generation layer with high mobility. By using a material that can form a thick power generation layer, it is possible to obtain high external quantum efficiency in all spectral regions, and because the mobility is high even when the power generation layer is thick (the built-in electric field is reduced), the fill factor is Since it does not decrease, both high external quantum efficiency and fill factor can be achieved, and a highly efficient device can be obtained.

すなわち具体的には、p型有機半導体材料が、下記一般式3または一般式3’:   Specifically, the p-type organic semiconductor material is represented by the following general formula 3 or general formula 3 ':

Figure 2013254912
Figure 2013254912

で表わされる構造をドナー性ユニットとして有することが好ましい。上記一般式3において、Xは、炭素原子、ケイ素原子、またはゲルマニウム原子を表し、R13およびR14は、それぞれ独立して、置換若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3〜20のシクロアルキル基、炭素原子数6〜30のアリール基または炭素原子数1〜30のヘテロアリール基を表す。ここで、R13およびR14は、同じであってもあるいは異なるものであってもよい。また、各構造単位中の、R13およびR14は、それぞれ、同じであってもあるいは異なるものであってもよい。R13およびR14は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜12の直鎖または分岐鎖のアルキル基がより好ましく、炭素原子数1〜8の直鎖または分岐鎖のアルキル基であることがさらにより好ましい。 It is preferable to have a structure represented by as a donor unit. In the above general formula 3, X 3 represents a carbon atom, a silicon atom, or a germanium atom, and R 13 and R 14 each independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, carbon A cycloalkyl group having 3 to 20 atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or a heteroaryl group having 1 to 30 carbon atoms is represented. Here, R 13 and R 14 may be the same or different. Further, R 13 and R 14 in each structural unit may be the same or different. R 13 and R 14 are each independently more preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. Even more preferred.

ここで、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、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル、ネオペンチル、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、2−エチルヘキシル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−イコシル基、2−ヘキシルデシル基、などの直鎖または分岐鎖のアルキル基が挙げられる。   Here, the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited. For example, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, tert-butyl group, n-pentyl group, isopentyl, neopentyl, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, 2-ethylhexyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n -Dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n-nonadecyl group, n-icosyl group, 2-hexyldecyl group, And linear or branched alkyl groups such as

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。   The cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a cyclopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, and an adamantyl group.

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, and a heptaenyl group. Group, biphenylenyl group, fluorenyl group, acenaphthylenyl group, preadenenyl group, acenaphthenyl group, phenalenyl group, phenanthryl group, anthryl group, fluoranthenyl group, acephenanthrenyl group, aceanthrylenyl group, triphenylenyl group, pyrenyl group, Examples thereof include condensed polycyclic hydrocarbon groups such as a chrycenyl group and a naphthacenyl group.

炭素原子数1〜30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 30 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include pyridyl group, pyrimidyl group, pyrazinyl group, triazinyl group, furanyl group, pyrrolyl group, thiophenyl group (thienyl group), quinolyl group, and 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, Nyl group, naphtholactamyl group, quinolonyl group, naphthalidinyl group, benzimidazolonyl group, benzoxazolonyl group, benzothiazolonyl group, benzothiazothionyl group, quinazolonyl group, quinoxalonyl group, phthalazonyl group, 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.

また、上記アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、またはヘテロアリール基が置換基を有する場合の置換基としては特に制限されない。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、(アルキル)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、アルキルエステル基、エステル基、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(−SiH)、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(−OH)、メルカプト基(−SH)、シアノ基(−CN)、スルホ基(−SOH)、カルボキシル基(−COOH)、ニトロ基(−NO)、ヒドロキサム酸基(−C(=O)−NH−OH)、スルフィノ基(−S(=O)OH)、ヒドラジノ基(−NHNH)、イミノ基などを挙げることができる。なお、上記の置換基は、置換するR13またはR14と同じとなることはない。例えば、R13またはR14がアルキル基の場合には、さらにアルキル基で置換されることはない。 Further, the substituent is not particularly limited when the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, or heteroaryl group has a substituent. For example, alkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, acyl group, alkoxycarbonyl group, (alkyl) amino group, alkoxy group, cycloalkyloxy group, aryloxy group, aryloxycarbonyl group, an alkyl ester group, an ester group, an acylamino group, an alkoxycarbonylamino group, an aryloxycarbonylamino group, a sulfonylamino group, a sulfamoyl group, a carbamoyl group, an alkylthio group, an arylthio group, a silyl group (-SiH 3), a sulfonyl group, Sulfinyl group, ureido group, phosphoric acid amide group, halogen atom, hydroxyl group (—OH), mercapto group (—SH), cyano group (—CN), sulfo group (—SO 3 H), carboxyl group (—COOH) , Nitro group ( -NO 2), a hydroxamic acid group (-C (= O) -NH- OH), a sulfino group (-S (= O) OH) , a hydrazino group (-NHNH 2), such as an imino group can be exemplified. The above substituent is not the same as R 13 or R 14 to be substituted. For example, when R 13 or R 14 is an alkyl group, it is not further substituted with an alkyl group.

上記一般式3において、合成が容易であり、結晶性が高く移動度の高いものが得やすいことから、X3がケイ素である化合物であることが好ましい。   In the general formula 3, a compound in which X3 is silicon is preferable because synthesis is easy and a crystal having high mobility and high mobility can be easily obtained.

また、上記一般式3’において、R12’およびR15’は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子または置換されたもしくは非置換の炭素原子数1〜20のアルキル基を表す。ここで、R12’およびR15’を表す各置換基の定義は上記一般式3と同様であるため、ここでは説明を省略する。好ましくは、R12およびR15は水素原子である。 In the general formula 3 ′, R 12 ′ and R 15 ′ each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, or a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Here, since the definition of each substituent representing R 12 ′ and R 15 ′ is the same as that in the above general formula 3, description thereof is omitted here. Preferably, R 12 and R 15 are hydrogen atoms.

また、R13’およびR14’は、それぞれ独立して、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、置換されたもしくは非置換の炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、置換されたもしくは非置換の炭素原子数1〜24のアルコキシ基、置換されたもしくは非置換の炭素原子数6〜30のアリール基、または置換されたもしくは非置換の炭素原子数1〜30のヘテロアリール基を表す。ここで、R13’およびR14’を表す各置換基のうち、上記炭素原子数1〜24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。他の置換基の定義は上記一般式3と同様である。好ましくは、R13’およびR14’は、それぞれ独立して、置換されたもしくは非置換の炭素原子数1〜30のアルキル基、または置換されたもしくは非置換の炭素原子数1〜30のアルコキシ基を表す。 R 13 ′ and R 14 ′ are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms. A substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 24 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted carbon group having 1 to 30 carbon atoms Represents a heteroaryl group. Here, among the substituents representing R 13 ′ and R 14 ′, the alkoxy group having 1 to 24 carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, and a tert group. -Butoxy group, n-octyloxy group, n-decyloxy group, n-hexadecyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, 2-hexyldecyloxy group and the like. The definition of other substituents is the same as in the above general formula 3. Preferably, R 13 ′ and R 14 ′ each independently represent a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 30 carbon atoms. Represents a group.

上記p型共役系高分子の分子量は、特に制限はないが、数平均分子量が5000〜500000であることが好ましく、10000〜100000であることがより好ましく、15000〜50000であることがさらに好ましい。数平均分子量が5000以上であると、曲線因子向上の効果がより一層顕著になる。一方、数平均分子量が500000以下であると、p型共役系高分子の溶解性が向上するため、生産性を上げることができる。なお、本明細書において、数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した値を採用する。   The molecular weight of the p-type conjugated polymer is not particularly limited, but the number average molecular weight is preferably 5,000 to 500,000, more preferably 10,000 to 100,000, and further preferably 15,000 to 50,000. When the number average molecular weight is 5000 or more, the effect of improving the fill factor becomes more remarkable. On the other hand, when the number average molecular weight is 500,000 or less, the solubility of the p-type conjugated polymer is improved, so that productivity can be increased. In addition, in this specification, the value measured by gel permeation chromatography (GPC) is employ | adopted for a number average molecular weight.

なお、本発明における光電変換層は、上述したp型共役系高分子を必須に含むが、その他のp型有機半導体材料を含んでもよい。かようなその他のp型有機半導体材料としては、例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。ただし、本発明の作用効果を顕著に発現させるという観点からは、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料に占めるp型共役系高分子の質量割合は、好ましくは5質量%以上であり、より好ましくは10質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上であり、特に好ましくは90質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。   In addition, although the photoelectric converting layer in this invention essentially contains the p-type conjugated polymer mentioned above, it may contain other p-type organic semiconductor materials. Examples of such other p-type organic semiconductor materials include triarylamine compounds, benzidine compounds, pyrazoline compounds, styrylamine compounds, hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, carbazole compounds, polysilane compounds, thiophene compounds, phthalocyanine compounds, Cyanine compounds, merocyanine compounds, oxonol compounds, polyamine compounds, indole compounds, pyrrole compounds, pyrazole compounds, polyarylene compounds, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, Fluoranthene derivatives) and metal complexes having a nitrogen-containing heterocyclic compound as a ligand. However, from the viewpoint of remarkably expressing the effects of the present invention, the mass ratio of the p-type conjugated polymer in the p-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably 5% by mass or more, More preferably, it is 10 mass% or more, More preferably, it is 50 mass% or more, Especially preferably, it is 90 mass% or more, Most preferably, it is 100 mass%.

本発明において、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料のバンドギャップは、1.8eV以下であることが好ましく、1.6〜1.1eVであることがより好ましい。バンドギャップが1.8eV以下であると、幅広く太陽光を吸収できる。一方、バンドギャップが1.1eV以上であると、開放電圧Voc(V)が出やすくなり、変換効率が向上しうる。また、本発明に関わるp型有機半導体材料のHOMO準位は5.2eVより大きい方がより好ましい。p型有機半導体材料のHOMO準位は5.2eVより大きい場合は、本発明の効果がより顕著に得られうる。なお、本形態において、p型有機半導体材料は、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。   In the present invention, the band gap of the p-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably 1.8 eV or less, and more preferably 1.6 to 1.1 eV. When the band gap is 1.8 eV or less, sunlight can be widely absorbed. On the other hand, when the band gap is 1.1 eV or more, the open circuit voltage Voc (V) is easily generated, and the conversion efficiency can be improved. In addition, the HOMO level of the p-type organic semiconductor material according to the present invention is more preferably larger than 5.2 eV. When the HOMO level of the p-type organic semiconductor material is larger than 5.2 eV, the effect of the present invention can be obtained more remarkably. In this embodiment, the p-type organic semiconductor material may be used alone or in combination of two or more.

〈n型有機半導体材料〉
本形態の光電変換層に使用されるn型有機半導体材料は、アクセプター性(電子受容性)の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、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、または、上記p型有機半導体材料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。
<N-type organic semiconductor materials>
The n-type organic semiconductor material used for the photoelectric conversion layer of this embodiment is not particularly limited as long as it is an acceptor (electron-accepting) organic compound, and materials that can be used in this technical field can be appropriately employed. . Examples of such compounds include fullerenes, carbon nanotubes, octaazaporphyrins, or perfluoro compounds in which hydrogen atoms of the p-type organic semiconductor material are substituted with fluorine atoms (for example, perfluoropentacene and perfluorophthalocyanine). ), Aromatic compounds such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and polymer compounds containing imidized compounds thereof as skeletons. .

このうち、p型有機半導体材料と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができるという観点から、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 material 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またはPC61BM)、[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構わない。   In particular, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM or PC61BM), [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 material 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、バルクへテロ接合である。平面ヘテロ接合では、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接合界面となるが、バルクヘテロ接合(バルクヘテロジャンクション)では、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る。したがって、バルクヘテロ接合では、平面へテロ接合と比較して、pn接合界面が層全体に亘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。   The junction form of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer of this embodiment is a bulk heterojunction. In a planar heterojunction, a p-type organic semiconductor layer including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor layer including an n-type organic semiconductor are stacked, and a surface where these two layers contact is a pn junction interface. 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. Takes a microphase separation structure. Therefore, in a bulk heterojunction, as compared with a planar heterojunction, many pn junction interfaces exist over the entire layer. 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.

本発明において、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料とn型有機半導体材料との混合比は、質量比で2:8〜8:2の範囲が好ましく、より好ましくは3:7〜7:3の範囲である。また、光電変換層の膜厚は、好ましくは50〜400nmであり、より好ましくは80〜300nmである。   In the present invention, the mixing ratio of the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably in the range of 2: 8 to 8: 2, more preferably 3: 7 to 7 in terms of mass ratio. : 3 range. Moreover, the film thickness of a photoelectric converting layer becomes like this. Preferably it is 50-400 nm, More preferably, it is 80-300 nm.

また必要に応じて無機のp型半導体材料およびn型半導体材料を含んでも良い。   Further, an inorganic p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material may be included as necessary.

さらに、本発明の光電変換素子は、必要に応じて2以上の光電変換層を含んでもよい。   Furthermore, the photoelectric conversion element of the present invention may include two or more photoelectric conversion layers as necessary.

<正孔輸送層>
本形態の有機光電変換素子は、好ましくは正孔輸送層を必須に含む。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。よって、本明細書では、正孔注入層、電子ブロック層等も正孔輸送層の概念に含む。
<Hole transport layer>
The organic photoelectric conversion element of this embodiment preferably includes a hole transport layer as an essential component. 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. Therefore, in this specification, a positive hole injection layer, an electronic block layer, etc. are also included in the concept of a positive hole transport layer.

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、例えば導電性高分子や、低分子有機半導体、金属酸化物などを好ましく用いることができる。   The hole transport material used for the hole transport layer is not particularly limited, and any material that can be used in this technical field can be appropriately employed. For example, a conductive polymer, a low molecular organic semiconductor, a metal oxide, and the like. Can be preferably used.

本発明で好ましく用いられる導電性高分子は、特に限定されないが、π共役系高分子とポリアニオンとを有してなることが好ましい。こうした高分子は、π共役系高分子を形成する前駆体モノマーを、適切な酸化剤と酸化触媒と後述のポリアニオンの存在下で化学酸化重合することによって容易に製造できる。   The conductive polymer preferably used in the present invention is not particularly limited, but preferably comprises a π-conjugated polymer and a polyanion. Such a polymer can be easily produced by subjecting a precursor monomer forming a π-conjugated polymer to chemical oxidative polymerization in the presence of an appropriate oxidizing agent, an oxidation catalyst, and a polyanion described later.

本発明に用いることができるπ共役系高分子としては、ポリチオフェン(基本のポリチオフェンを含む、以下同様)類、ポリピロール類、ポリインドール類、ポリカルバゾール類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリフラン類、ポリパラフェニレンビニレン類、ポリアズレン類、ポリパラフェニレン類、ポリパラフェニレンサルファイド類、ポリイソチアナフテン類、ポリチアジル類、の鎖状導電性ポリマーを利用することができる。中でも、導電性、透明性、安定性等の観点からポリチオフェン類やポリアニリン類が好ましい。更にはポリエチレンジオキシチオフェン類であることが好ましい。   Examples of the π-conjugated polymer that can be used in the present invention include polythiophenes (including basic polythiophenes, the same applies hereinafter), polypyrroles, polyindoles, polycarbazoles, polyanilines, polyacetylenes, polyfurans, and polyparaffins. A chain conductive polymer of phenylene vinylenes, polyazulenes, polyparaphenylenes, polyparaphenylene sulfides, polyisothianaphthenes, polythiazyl compounds can be used. Of these, polythiophenes and polyanilines are preferable from the viewpoints of conductivity, transparency, stability, and the like. Furthermore, polyethylenedioxythiophenes are preferable.

本発明で好ましく用いられるポリアニオンは特に限定されないが、アニオン性基として、スルホ基を有することがより好ましい。ポリアニオンの具体例としては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリル酸エチルスルホン酸、ポリアクリル酸ブチルスルホン酸、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸等が挙げられる。これらの単独重合体であってもよいし、2種以上の共重合体であってもよい。   The polyanion preferably used in the present invention is not particularly limited, but it is more preferable to have a sulfo group as the anionic group. Specific examples of polyanions include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, polyacrylic acid ethyl sulfonic acid, polyacrylic acid butyl sulfonic acid, poly-2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, polyisoprene sulfone. An acid etc. are mentioned. These homopolymers may be sufficient and 2 or more types of copolymers may be sufficient.

また、化合物内にフッ素(F)を有するポリアニオンであってもよい。具体的には、パーフルオロスルホン酸基を含有するナフィオン(Dupont社製)、カルボン酸基を含有するパーフルオロ型ビニルエーテルからなるフレミオン(旭硝子社製)等を挙げることができる。   Moreover, the polyanion which has a fluorine (F) in a compound may be sufficient. Specifically, Nafion (made by Dupont) containing a perfluorosulfonic acid group, Flemion (made by Asahi Glass Co., Ltd.) made of perfluoro vinyl ether containing a carboxylic acid group, and the like can be mentioned.

こうした導電性ポリマーは公知な材料や市販の材料も好ましく利用できる。例えば、一例を挙げると、ヘレウス社製、商品名Clevios(登録商標)−P等のPEDOT:PSS、欧州特許第1546237号、特開2009−132897号公報等に記載のフッ素系ポリアニオン類(ナフィオン(登録商標)等)含有、または特開2006−225658号公報のようなフッ素系ポリアニオン添加構成、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等、Aldrich社からPEDOT−PASS483095、560598として、Nagase Chemtex社からDenatron(登録商標)シリーズとして市販されている。また、ポリアニリンが、日産化学社からORMECON(登録商標)シリーズとして市販されている。本発明において、こうした剤も好ましく用いることができる。   As the conductive polymer, known materials and commercially available materials can be preferably used. For example, PEDOT: PSS such as trade name Clevios (registered trademark) -P manufactured by Heraeus Co., Ltd., and fluorine-based polyanions (Nafion ( Registered trademark)), or a fluorine-based polyanion-added structure as disclosed in JP-A-2006-225658, polythienothiophenes described in European Patent No. 1647566, and sulfonated polythiophene described in JP-A-2010-206146 , Polyaniline and its doping materials, cyan compounds described in WO 2006/019270 pamphlet, etc., Aldrich as PEDOT-PASS 483095, 560598, Nagase Chemtex from Denatron (registered trademark) It is commercially available as Leeds. Polyaniline is commercially available from Nissan Chemical as the ORMECON (registered trademark) series. In the present invention, such an agent can also be preferably used.

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等もまた、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 Further, stilbene derivatives, silazane derivatives, aniline copolymers, conductive polymer oligomers, particularly thiophene oligomers, and the like can 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等が使用可能であり、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、p型−Si、p型−SiC、酸化ニッケル、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン等の無機化合物を用いて正孔輸送層を形成してもよい。   In addition to these, porphyrin compounds, aromatic tertiary amine compounds, styrylamine compounds, and the like can be used, and among these, aromatic tertiary amine compounds are preferably used. In some cases, the hole transport layer may be formed using an inorganic compound such as p-type-Si, p-type-SiC, nickel oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, or tungsten oxide.

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型有機半導体化合物からなる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)、Appl.Phys.Lett.,98,073311(2011)等に記載された材料、および構成が挙げられる。   Further, 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 a polymer main chain 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 hole transport material made of a p-type organic semiconductor compound 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), Appl. Phys. Lett. , 98, 073311 (2011), and the like.

更に、有機半導体材料としては、8−キノリノール誘導体の金属錯体、フタロシアニン誘導体、ポリフルオレン誘導体などがある。このうち、8−キノリノール誘導体の金属錯体としては、特に制限されないが、例えば、トリス(8−キノリノール)アルミニウム(Alq)、トリス(5,7−ジクロロ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5,7−ジブロモ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(2−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、ビス(8−キノリノール)亜鉛(Znq)等、およびこれらの金属錯体の中心金属がIn、Mg、Cu、Ca、Sn、GaまたはPbに置き替わった金属錯体などが挙げられる。また、フタロシアニン誘導体としては、特に制限されないが、例えば、フタロシアニンの中心金属がCu、Sn、Si、Zn、Alなどを含むもの。また、これら中心金属に共有結合または配位結合した側鎖構造を有するもの。例えば、フタロシアニンクロロアルミニウムや、フタロシアニンアルキルシラン、また、メタルフリーおよびメタルフタロシアニン、またはそれらの末端がアルキル基やスルホン酸基、ハロゲン基等で置換されているものなどが挙げられる。ポリフルオレン誘導体としては、特に制限されないが、例えば、APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 063303 2010に記載のポリジオクチルフルオレン−ブチルフェニルジフェニルアミン(通称TFB)、国際公開第2002/028983号パンフレットのFig.4aやFig.4bに記載のフルオレン誘導体などが挙げられる。 Furthermore, examples of the organic semiconductor material include a metal complex of an 8-quinolinol derivative, a phthalocyanine derivative, and a polyfluorene derivative. Among these, the metal complex of the 8-quinolinol derivative is not particularly limited, and examples thereof include tris (8-quinolinol) aluminum (Alq 3 ), tris (5,7-dichloro-8-quinolinol) aluminum, tris (5,5). 7-dibromo-8-quinolinol) aluminum, tris (2-methyl-8-quinolinol) aluminum, tris (5-methyl-8-quinolinol) aluminum, bis (8-quinolinol) zinc (Znq), etc., and their metals Examples include metal complexes in which the central metal of the complex is replaced with In, Mg, Cu, Ca, Sn, Ga, or Pb. In addition, the phthalocyanine derivative is not particularly limited, but, for example, one in which the central metal of phthalocyanine contains Cu, Sn, Si, Zn, Al, or the like. In addition, those having a side chain structure covalently or coordinately bonded to these central metals. Examples thereof include phthalocyanine chloroaluminum, phthalocyanine alkylsilane, metal-free and metal phthalocyanine, or those having a terminal substituted with an alkyl group, a sulfonic acid group, a halogen group, or the like. The polyfluorene derivative is not particularly limited, and examples thereof include polydioctylfluorene-butylphenyldiphenylamine (commonly referred to as TFB) described in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 063303 2010, FIG. 4a and FIG. Examples include the fluorene derivative described in 4b.

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種以上を併用またはドープしてもよい。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。   In addition, these hole transport materials may be used individually by 1 type, and may use together or dope 2 or more types. It is also possible to form a hole transport layer by laminating two or more layers made of each material.

このような導電性高分子や有機半導体化合物からなる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 made of such a conductive polymer or organic semiconductor compound 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.

本発明で好ましく用いることができる正孔輸送層として、主に金属酸化物を主成分とする形態もまた用いられうる。ここで、「主成分」とは正孔輸送層の構成材料の合計量100質量%に占める金属酸化物の割合が50質量%以上であることを意味する。ただし、金属酸化物層の構成材料の合計量100質量%に占める金属材料の割合は、好ましくは60質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上であり、さらに好ましくは90質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。   As a hole transport layer which can be preferably used in the present invention, a form mainly composed mainly of metal oxide can also be used. Here, the “main component” means that the proportion of the metal oxide in the total amount of 100 mass% of the constituent materials of the hole transport layer is 50 mass% or more. However, the ratio of the metal material to the total amount of 100% by mass of the constituent materials of the metal oxide layer is preferably 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more. Yes, most preferably 100% by weight.

金属酸化物層に用いられる金属酸化物(一部、非金属材料を含む)としては、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、トリウム(Tr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)あるいは、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までのいわゆる希土類元素などの酸化物が挙げられる。なかでも、正孔輸送能に優れるという観点からは、三酸化モリブデン(MoO)、酸化ニッケル(NiO)、三酸化タングステン(WO)、五酸化二バナジウム(V)等の金属酸化物等を好ましく用いることができ、三酸化モリブデン、三酸化タングクテン、五酸化二バナジウムが特に好ましい。これらの無機酸化物は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用または上述した導電性高分子や有機半導体材料にドープして用いてもよい。 Metal oxides used for the metal oxide layer (including some nonmetallic materials) include molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten (W), chromium (Cr), niobium (Nb), tantalum ( Ta), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), scandium (Sc), yttrium (Y), thorium (Tr), manganese (Mn), iron (Fe), ruthenium (Ru), osmium ( Os), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), cadmium (Cd), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium ( Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi) or lanthanum (La) to lutetium (Lu) Oxides of rare earth elements and the like that. Among these, metal oxides such as molybdenum trioxide (MoO 3 ), nickel oxide (NiO), tungsten trioxide (WO 3 ), and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) are used from the viewpoint of excellent hole transport ability. In particular, molybdenum trioxide, tungsten trioxide, and divanadium pentoxide are particularly preferable. These inorganic oxides may be used alone or in combination of two or more or may be used by doping the above-described conductive polymer or organic semiconductor material.

金属酸化物からなる正孔輸送層の厚さは、特に制限はないが、光電変換効率と耐久性の観点から、好ましくは3〜20nm程度が好ましく、5〜15nm程度が更に好ましい。   The thickness of the hole transport layer made of a metal oxide is not particularly limited, but is preferably about 3 to 20 nm, and more preferably about 5 to 15 nm, from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency and durability.

正孔輸送層は一般的な製膜方法を用いて形成でき、例えば、真空蒸着法、加熱真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザービーム蒸着法、スパッタ法、CVD法、大気圧プラズマ法などのドライプロセス、塗布法、メッキ法、電界形成法などのウェットプロセスなどを用いることができる。また、塗布法の中でも、印刷技術を用いた直接パターニング法、例えば、インクジェット印刷法などを好ましく用いることができる。   The hole transport layer can be formed by using a general film forming method, for example, vacuum deposition method, heating vacuum deposition method, electron beam deposition method, laser beam deposition method, sputtering method, CVD method, atmospheric pressure plasma method, etc. A wet process such as a dry process, a coating method, a plating method, or an electric field forming method can be used. Among the coating methods, a direct patterning method using a printing technique, for example, an ink jet printing method can be preferably used.

また、本発明で用いることができる正孔輸送層材料は、ホールを輸送するエネルギー準位(主には仕事関数やHOMO準位と一致)が、4.8eV〜6.5eVの範囲であることが好ましい。更に好ましくは5.0eV〜6.0eV、最も好ましくは5.0eV〜5.7eVである。4.8eVより大きければ素子の開放電圧(Voc)が十分得られ、6.5eV以下であれば、素子の安定性においても十分と言える。   In addition, the hole transport layer material that can be used in the present invention has an energy level for transporting holes (mainly coincident with the work function and the HOMO level) in the range of 4.8 eV to 6.5 eV. Is preferred. More preferably, it is 5.0 eV-6.0 eV, Most preferably, it is 5.0 eV-5.7 eV. If it is larger than 4.8 eV, a sufficient open circuit voltage (Voc) of the element can be obtained, and if it is 6.5 eV or less, it can be said that the stability of the element is sufficient.

<電子輸送層>
本発明の有機光電変換素子は、好ましくは電子輸送層を含む。電子輸送層とは、陰極と光電変換層との間に位置して、光電変換層と電極との間で電子の授受をより効率的にする役割を担う層のことである。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。よって、本明細書では、電子注入層、正孔ブロック層、励起子ブロック層等も電子輸送層の概念に含む。
<Electron transport layer>
The organic photoelectric conversion element of the present invention preferably includes an electron transport layer. The electron transport layer is a layer that is located between the cathode and the photoelectric conversion layer and plays a role of more efficiently transferring electrons between the photoelectric conversion layer and the electrode. 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. Therefore, in this specification, an electron injection layer, a hole block layer, an exciton block layer, and the like are also included in the concept of the electron transport layer.

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、ニトロ置換フルオレン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、カルボジイミド、フレオレニリデンメタン誘導体、アントラキノジメタンおよびアントロン誘導体、オキサジアゾール誘導体等が挙げられる。また、上記オキサジアゾール誘導体において、オキサジアゾール環の酸素原子を硫黄原子に置換したチアジアゾール誘導体、電子吸引基として知られているキノキサリン環を有するキノキサリン誘導体も、電子輸送材料として用いることができる。さらに、これらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。   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. Examples include nitro-substituted fluorene derivatives, diphenylquinone derivatives, thiopyran dioxide derivatives, carbodiimides, fluorenylidenemethane derivatives, anthraquinodimethane and anthrone derivatives, oxadiazole derivatives, and the like. In addition, in the above oxadiazole derivative, a thiadiazole derivative in which the oxygen atom of the oxadiazole ring is substituted with a sulfur atom, and a quinoxaline derivative having a quinoxaline ring known as an electron-withdrawing group can also be used as an electron transport material. Furthermore, a polymer material in which these materials are introduced into a polymer chain or these materials are used as a polymer main chain can also be used.

また、8−キノリノール誘導体の金属錯体、例えば、トリス(8−キノリノール)アルミニウム(Alq)、トリス(5,7−ジクロロ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5,7−ジブロモ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(2−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、ビス(8−キノリノール)亜鉛(Znq)等、およびこれらの金属錯体の中心金属がIn、Mg、Cu、Ca、Sn、GaまたはPbに置換した金属錯体も、電子輸送材料として用いることができる。その他、メタルフリーもしくはメタルフタロシアニン、またはそれらの末端がアルキル基やスルホン酸基等で置換されているものも、電子輸送材料として好ましく用いることができる。上述の正孔輸送層と同様に、n型−Si、n型−SiC等の無機半導体や、n型の伝導性を有する無機酸化物(酸化チタン、酸化亜鉛等)も電子輸送材料として用いることができる。 In addition, metal complexes of 8-quinolinol derivatives such as tris (8-quinolinol) aluminum (Alq 3 ), tris (5,7-dichloro-8-quinolinol) aluminum, tris (5,7-dibromo-8-quinolinol) Aluminum, tris (2-methyl-8-quinolinol) aluminum, tris (5-methyl-8-quinolinol) aluminum, bis (8-quinolinol) zinc (Znq), etc., and the central metals of these metal complexes are In, Mg A metal complex substituted with Cu, Ca, Sn, Ga or Pb can also be used as an electron transporting material. In addition, metal-free or metal phthalocyanine, or those having terminal ends substituted with an alkyl group or a sulfonic acid group can be preferably used as the electron transporting material. As with the hole transport layer described above, an inorganic semiconductor such as n-type-Si or n-type-SiC, or an inorganic oxide having n-type conductivity (such as titanium oxide or zinc oxide) should be used as an electron transport material. Can do.

電極に双極子材料を結合させることで界面双極子を形成し、電荷の取り出しを向上させる材料種、例えば国際公開第2008/134492号パンフレットに記載の3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン(AEAP−TMOS)などを電子輸送層の材料として挙げることができる。   A material species that forms an interface dipole by bonding a dipole material to an electrode and improves charge extraction, for example, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxy described in WO2008 / 134492 Silane (AEAP-TMOS) etc. can be mentioned as a material of an electron carrying layer.

また、電子輸送層として、不純物をドープしたn性の高い電子輸送層を用いることができる。その例としては、特開平4−297076号公報、特開平10−270172号公報、特開2000−196140号公報、特開2001−102175号公報、J.Appl.Phys.,95,5773(2004)等に記載されたものが挙げられる。   Further, as the electron transport layer, an electron transport layer having a high n property doped with impurities can be used. Examples thereof include JP-A-4-297076, JP-A-10-270172, JP-A-2000-196140, JP-A-2001-102175, J. Pat. Appl. Phys. 95, 5773 (2004), and the like.

具体例としては、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物やその誘導体、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m−MTDATA)、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジザゾール誘導体、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、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アニールアミン誘導体、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、シラザン誘導体等を用いることができ、高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体や、その誘導体等を好ましく用いることができる。   Specific examples include N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (TPD) and 4,4′-bis [N- (naphthyl)- Aromatic diamine compounds such as N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD) and derivatives thereof, oxazole, oxadiazole, triazole, imidazole, imidazolone, stilbene derivative, pyrazoline derivative, tetrahydroimidazole, polyarylalkane, butadiene, 4 , 4 ', 4 "-tris (N- (3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine (m-MTDATA), porphine, tetraphenylporphine copper, phthalocyanine, copper phthalocyanine, titanium phthalocyanine oxide, etc. , Triazole derivatives, oxa Use of zazole derivatives, imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, annealed amine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives, silazane derivatives, etc. In the polymer material, polymers such as phenylene vinylene, fluorene, carbazole, indole, pyrene, pyrrole, picoline, thiophene, acetylene, diacetylene, and derivatives thereof can be preferably used.

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く、さらに50nm以下であると好ましい。   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 1000 nm or less, more preferably 200 nm or less, and further preferably 50 nm or less.

<電荷再結合層;中間電極>
図4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)が形成される。
<Charge recombination layer; intermediate electrode>
In a tandem (multi-junction) organic photoelectric conversion element having two or more photoelectric conversion layers as shown in FIG. 4, a charge recombination layer (intermediate electrode) is formed 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、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の金属、およびカーボンナノ粒子、カーボンナノワイヤー等の炭素材料、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子等が用いられうる。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。なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると電荷再結合層(中間電極)1層分を形成する工程を省くことができ好ましい。   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. Examples of the electrode material described above include ITO, AZO, FTO, and titanium oxide. Transparent metal oxides, metals such as Ag, Al, and Au, carbon materials such as carbon nanoparticles and carbon nanowires, conductive polymers such as PEDOT: PSS, polyaniline, and the like 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. In addition, the hole transport layer and the electron transport layer described above also have a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by stacking them in an appropriate combination. With such a configuration, the charge recombination layer (intermediate layer) Electrode) It is preferable because the step of forming one layer can be omitted.

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、5〜50,000S/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/cm)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 50,000 S / cm, and preferably 100 to 10,000 S / cm. Is more 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 ).

<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。
<Board>
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.

<その他の層>
本発明の有機光電変換素子の構成としては、上記の各部材(各層)の他に、光電変換効率の向上や、素子の寿命の向上を目的として、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。
<Other layers>
As the configuration of the organic photoelectric conversion element of the present invention, in addition to the above-described members (each layer), various intermediate layers may be included in the element for the purpose of improving photoelectric conversion efficiency and improving the lifetime of the element. Good.

中間層の例としては、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層、平滑化層等が挙げられる。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。   Examples of the intermediate layer include an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, a wavelength conversion layer, and a smoothing 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1に示す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、図1の有機光電変換素子のみならず、図3に示す有機光電変換素子や、図4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 organic photoelectric conversion element shown in FIG. 1 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 can be applied not only to the organic photoelectric conversion element of FIG. 1 but also to the organic photoelectric conversion element shown in FIG. 3 and the tandem type manufacturing as shown in FIG.

本形態の有機光電変換素子の製造方法は、第1の電極である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み、表面変性されたカーボンナノチューブを有する光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層の上に、第2の電極である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 method for producing an organic photoelectric conversion element of the present embodiment includes a step of forming a cathode as a first electrode, and a surface-modified carbon containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material on the cathode. Forming a photoelectric conversion layer having nanotubes, and forming an anode as a second electrode on the photoelectric conversion layer. Hereinafter, each process of the manufacturing method of the organic photoelectric conversion element of this form is demonstrated in detail.

本形態(図1の一実施形態)の製造方法では、まず、基板を準備し、該基板上に陰極を形成する。なお、陰極を形成する工程の前に、必要に応じて、透明導電膜等により補助電極を形成する工程を行ってもよい。陰極を形成する方法としては、特に制限されないが、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 (one embodiment of FIG. 1), first, a substrate is prepared, and a cathode is formed on the substrate. In addition, you may perform the process of forming an auxiliary electrode by a transparent conductive film etc. as needed before the process of forming a cathode. The method of forming the cathode is not particularly limited, but it 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. In addition, a commercially available thin film electrode material may be used as it is.

上記方法により陰極を形成した後、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、蒸着法等のドライプロセス、溶液塗布法等のウェットプロセスのいずれであってもよいが、製膜の容易さの観点から、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、ラングミュア−ブロジェット法(LB法)法等の通常の方法を用いることができる。これらのなかでも、容易に製膜できることから、スピンコート法、ブレードコーティング法を用いることが特に好ましい。   After forming the cathode by the above method, an electron transport layer may be formed on the cathode as necessary. The means for forming the electron transport layer may be either a dry process such as a vapor deposition method or a wet process such as a solution coating method, but from the viewpoint of ease of film formation, a solution coating method is preferred. 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 curtain coating method, inkjet method, screen printing method, letterpress printing method, intaglio printing method, offset printing method, flexographic printing method, Langmuir-Blodgett method (LB method), etc. Can do. Among these, it is particularly preferable to use a spin coating method or a blade coating method because the film can be easily formed.

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、0.5〜15質量%が好ましく、より好ましくは1〜10質量%である。   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 0.5 to 15% by mass, more preferably 1 to 10% by mass.

また、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30〜180℃であり、より好ましくは50〜160℃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(加熱処理)条件の一例を挙げると90〜180℃程度の温度で、5〜90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、ホットプレート、温風乾燥、赤外線ヒーター、マイクロウエーブ、真空乾燥機等が挙げられるが、これ以外の乾燥装置を用いることも勿論可能である。   The temperature of the coating solution and / or the coating surface during coating is not particularly limited, but is preferably 30 to 180 ° C. from the viewpoint of preventing precipitation and unevenness due to temperature fluctuations during coating and drying. Preferably it is 50-160 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 drying (heat treatment) conditions is exemplified by conditions of about 90 to 180 ° C. and about 5 to 90 minutes. Examples of the apparatus used for drying include a hot plate, hot air drying, an infrared heater, a microwave, and a vacuum dryer. Of course, other drying apparatuses can be used.

次に、上記で形成した陰極または電子輸送層上に、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料、さらには表面変性したカーボンナノチューブを含む光電変換層を形成する。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型有機半導体材料およびn型有機半導体材料、さらには表面変性したカーボンナノチューブをそれぞれ、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。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。   Next, a photoelectric conversion layer including a p-type organic semiconductor material, an n-type organic semiconductor material, and a surface-modified carbon nanotube is formed on the cathode or the electron transport layer formed as described above. There are no particular restrictions on the specific method for forming the photoelectric conversion layer, but preferably, p-type organic semiconductor material and n-type organic semiconductor material, and surface-modified carbon nanotubes, respectively, or in a lump are appropriately used. A solution dissolved and dispersed in a suitable solvent may be applied on the cathode using an appropriate application method (the specific form is as described above) and dried. 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型有機半導体材料とn型有機半導体材料と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 pin structure) composed of a plurality of layers having different mixing ratios of the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material, after applying one layer, It is possible to form the layer by insolubilizing (pigmenting) the layer and then applying another layer.

当該光電変換層を形成する工程は、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型有機半導体材料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。   The step of forming the photoelectric conversion layer is 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 material from being deteriorated by oxygen or moisture in the air, and to increase the durability of the element.

次に、光電変換層上に、正孔輸送層を形成する。正孔輸送層は、蒸着法または溶液塗布法、好ましくは蒸着法(例えば、真空蒸着法)を用いて形成される。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正孔輸送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。   Next, a hole transport layer is formed on the photoelectric conversion layer. The hole transport layer is formed using a vapor deposition method or a solution coating method, preferably a vapor deposition method (for example, a vacuum vapor deposition 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. As described above, by performing in a nitrogen atmosphere, the hole transport layer can be prevented from being deteriorated by oxygen or moisture in the air, and the durability of the element can be improved.

その後、上記で形成した正孔輸送層上に、第2の電極としての陽極を形成する。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、当該陽極を形成する工程は、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。   Thereafter, an anode as a second electrode is formed on the hole transport layer formed as described 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, it is preferable to perform the process of forming the said anode in the glove box in nitrogen atmosphere similarly to the process of forming the said photoelectric converting layer.

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等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.

<パターニング>
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・電子輸送層等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、製膜後に炭酸レーザー等を用いてアブレーションする方法、スクライバで直接削り取る方法等でパターニングしてもよいし、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、電極等で使用される不溶性の材料の場合は、真空蒸着法や真空スパッタ法、プラズマCVD法、電極材料の微粒子を分散させたインキを用いたスクリーン印刷法やグラビア印刷法、インクジェット法等の各種印刷方法、蒸着膜に対しエッチング又はリフトオフする等の公知の方法を用いることができる。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。
<Patterning>
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., only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc. Alternatively, patterning may be performed by ablation using a carbonic acid laser or the like after film formation, by direct scraping with a scriber, or by direct patterning at the time of coating using a method such as an inkjet method or screen printing. . On the other hand, in the case of insoluble materials used in electrodes, etc., vacuum deposition method, vacuum sputtering method, plasma CVD method, screen printing method using ink in which fine particles of electrode material are dispersed, gravure printing method, ink jet method, etc. Various printing methods, and known methods such as etching or lift-off of the deposited film can be used. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

<封止>
また、本形態の有機光電変換素子は、環境中の酸素、水分等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等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等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、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上を接着剤で貼合する手法;(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等)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、酸化アルミニウム等)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等が挙げられる。
<Sealing>
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 method of sealing, 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, aluminum oxide or the like 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.

さらに、本形態の有機光電変換素子は、エネルギー変換効率と素子寿命向上の観点から、素子全体を2枚のバリア付き基板で封止した構成でもよく、好ましくは、水分ゲッター、酸素ゲッター等を同封した構成であることがより好ましい。   Furthermore, the organic photoelectric conversion element of this embodiment may have a configuration in which the entire element is sealed with two substrates with a barrier from the viewpoint of improving energy conversion efficiency and element lifetime, and preferably includes a moisture getter, an oxygen getter, and the like. It is more preferable that the configuration is as described above.

<有機光電変換素子の用途>
本発明の他の形態によれば、上述の実施形態に係る有機光電変換素子や、上記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 which concerns on the above-mentioned embodiment, and the organic photoelectric conversion element obtained by the said manufacturing method 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 effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

〔p型有機半導体材料〕
以下の実施例および比較例で用いたポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)およびベンゾジチオフェン−ジオキソピロロチオフェン共重合体(PBDTDPT2)は、公知の合成方法にしたがって合成したもの、または市販のものを用いた。
[P-type organic semiconductor materials]
The poly-3-hexylthiophene (P3HT) and benzodithiophene-dioxopyrrolothiophene copolymer (PBDTDPT2) used in the following examples and comparative examples were synthesized according to a known synthesis method or commercially available. Using.

p型有機半導体材料として、下記化学式で表されるベンゾジチオフェン−ジオキソピロロチオフェン共重合体(PBDTDPT2)を、Chem.Commun.,2010,46,4997−4999に記載の方法を参考にして合成した。得られたPBDTDP2の数平均分子量は50000であった。   As a p-type organic semiconductor material, a benzodithiophene-dioxopyrrolothiophene copolymer (PBDTDPT2) represented by the following chemical formula is used in Chem. Commun. , 2010, 46, 4997-4999, and synthesized. The number average molecular weight of the obtained PBDTDP2 was 50,000.

Figure 2013254912
Figure 2013254912

なお、p型有機半導体材料のHOMO準位は、UPS法(ヴァキュームジェネレーターズ社製ESCALab200R及びUPS−1)にて測定した。   The HOMO level of the p-type organic semiconductor material was measured by the UPS method (ESCALab200R and UPS-1 manufactured by Vacuum Generators).

<表面変性CNTの調製>
以下の実施例および比較例で用いた双極子材料およびその前駆体は、公知の合成方法にしたがって合成したもの、または市販のものを用いた。本実施例で用いた双極子材料A〜Cの構造を下記に示す。
<Preparation of surface-modified CNT>
Dipole materials and precursors thereof used in the following Examples and Comparative Examples were synthesized according to a known synthesis method or commercially available. The structures of the dipole materials A to C used in this example are shown below.

Figure 2013254912
Figure 2013254912

オクタデシルアミン(ODA)変性のCNT(1)は、Aldrich社製のカーボンナノチューブ(平均直径:1.0±0.3nm、長さ:400〜2300nm、アスペクト比:>1000)を用いて、CARBON.vol.50(2012)p40−46の記載を参考にして合成した。   Octadecylamine (ODA) -modified CNT (1) is obtained from CARBON.RTM. Using carbon nanotubes (average diameter: 1.0 ± 0.3 nm, length: 400-2300 nm, aspect ratio:> 1000) manufactured by Aldrich. vol. 50 (2012) p40-46.

具体的には、精製したCNT500mgを、硝酸との硫酸とを体積比1:3で混合した溶液に入れ、1時間超音波処理し、CNT表面に−COOH基を導入した。その後、CNT100mgを取り出し、SOClを20mlとジメチルホルムアミド1mlとを混合した溶液中に導入し、70℃で24時間撹拌した。次いで、遠心分離して固形分を取り出して洗浄し、真空乾燥させ、表面に−COCl基を有するCNTを得た。次いで、上記の表面に−COCl基を有するCNTにオクタデシルアミン(ODA)2gを加え、100℃で96時間加熱した。その後室温まで冷却し、過剰のODAを除去し、エタノールとジクロロメタンで洗浄し、真空乾燥させて、表面に−CONH(CH17CH基を有するCNT(ODA変性のCNT)を得た。 Specifically, 500 mg of purified CNTs was placed in a solution in which sulfuric acid and nitric acid were mixed at a volume ratio of 1: 3, and subjected to ultrasonic treatment for 1 hour to introduce —COOH groups on the CNT surface. Thereafter, 100 mg of CNT was taken out, introduced into a mixed solution of 20 ml of SOCl and 1 ml of dimethylformamide, and stirred at 70 ° C. for 24 hours. Subsequently, the solid content was removed by centrifugation, washed, and vacuum-dried to obtain CNTs having —COCl groups on the surface. Next, 2 g of octadecylamine (ODA) was added to CNTs having —COCl groups on the surface, and heated at 100 ° C. for 96 hours. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature, excess ODA was removed, washed with ethanol and dichloromethane, and vacuum-dried to obtain CNT having a —CONH (CH 2 ) 17 CH 3 group on the surface (ODA-modified CNT).

上記で合成したODA変性のCNT(1)の粉末を、硝酸と硫酸との混合溶液中で130℃で1時間加熱して表面酸化を行い、その後濾過して蒸留水で洗浄し、表面が酸化されたODA変性のCNT(2)を合成した。   The ODA-modified CNT (1) powder synthesized above is heated in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid at 130 ° C. for 1 hour for surface oxidation, then filtered and washed with distilled water to oxidize the surface. ODA-modified CNT (2) was synthesized.

また、表面を−COOHで変性させたCNTを合成したのち、上記3種類の双極子材料A〜Cをそれぞれ反応させることにより、表面が双極子材料A〜Cにより変性されたCNT(3)〜(5)をそれぞれ合成した。   In addition, after synthesizing CNT whose surface is modified with -COOH, the above three kinds of dipole materials A to C are reacted, respectively, so that the surface is modified with dipole materials A to C (3) to (3) (5) was synthesized respectively.

具体的には、精製したCNT500mgを、硝酸と硫酸とを体積比1:3で混合した溶液に入れ、1時間超音波処理し、CNT表面に−COOH基を導入した。その後、CNTを取り出し、洗浄して真空乾燥させた。この表面に−COOH基を導入したCNT100mgに、上記の双極子材料Aを2g加えて、100℃で50時間加熱した。その後室温まで冷却し、過剰の双極子を除去し、エタノールとジクロロメタンで洗浄し、真空乾燥させて、表面変性されたCNTを得た。双極子材料B、Cについても同様の手順で調製した。   Specifically, 500 mg of purified CNTs was placed in a solution in which nitric acid and sulfuric acid were mixed at a volume ratio of 1: 3, and sonicated for 1 hour to introduce —COOH groups on the CNT surface. Thereafter, CNTs were taken out, washed and vacuum dried. 2 g of the above-mentioned dipole material A was added to 100 mg of CNTs having —COOH groups introduced on the surface, and heated at 100 ° C. for 50 hours. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature, excess dipoles were removed, washed with ethanol and dichloromethane, and vacuum-dried to obtain surface-modified CNTs. Dipole materials B and C were prepared in the same procedure.

上記で得られたCNT(1)〜(5)を、それぞれo−ジクロロベンゼンに0.1質量%の濃度で溶解させ、ITO基板上に塗布乾燥させることによりCNTの単膜を形成し、仕事関数をUPS法(ヴァキュームジェネレーターズ社製ESCALab200R及びUPS−1)にて測定した。得られた仕事関数の値を下記表1に示す。なお、表面変性していないCNTの仕事関数は4.8eVである。   Each of the CNTs (1) to (5) obtained above was dissolved in o-dichlorobenzene at a concentration of 0.1% by mass, and coated and dried on an ITO substrate to form a CNT single film. The function was measured by the UPS method (ESCALab200R and UPS-1 manufactured by Vacuum Generators). The obtained work function values are shown in Table 1 below. In addition, the work function of CNT which is not surface-modified is 4.8 eV.

〔光電変換層溶液の調製〕
o−ジクロロベンゼンに、p型有機半導体材料であるポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)(Rieke Metal社製)(Mn=54000)を1質量%、n型有機半導体材料であるPC60BM(Sigma Aldrich社製)を0.8質量%で混合した溶液を調製し、光電変換層溶液Aとした。
[Preparation of photoelectric conversion layer solution]
1% by mass of poly-hexylthiophene (P3HT) (Rieke Metal) (Mn = 54000), which is a p-type organic semiconductor material, and PC60BM (made by Sigma Aldrich), which is an n-type organic semiconductor material, in o-dichlorobenzene. ) Was mixed at 0.8% by mass to obtain a photoelectric conversion layer solution A.

この光電変換層溶液Aに、先に合成したCNT(1)をP3HTに対し、0.1質量%添加した光電変換層溶液Bと、0.5質量%添加した光電変換層溶液B’とをそれぞれ調製した。   A photoelectric conversion layer solution B in which 0.1% by mass of the previously synthesized CNT (1) was added to this photoelectric conversion layer solution A with respect to P3HT, and a photoelectric conversion layer solution B ′ in which 0.5% by mass was added. Each was prepared.

CNT(2)、(3)、(5)についても同様の手順でそれぞれ光電変換層溶液Aに添加し、光電変換層溶液C〜E、C’〜E ’をそれぞれ調製した。   CNTs (2), (3), and (5) were also added to the photoelectric conversion layer solution A in the same procedure to prepare photoelectric conversion layer solutions C to E and C ′ to E ′, respectively.

上記の光電変換層溶液Aにおいて、p型半導体材料をP3HTからPBDTDPT2に変更した光電変換溶液Fを調製した。この光電変換溶液Fに、上記で調製したCNT(1)〜(5)をPBDTDPT2に対し、それぞれ0.1質量%添加した光電変換層溶液G〜Kおよびと0.5質量%添加した光電変換層溶液G’〜K’をそれぞれ調製した。   In the above photoelectric conversion layer solution A, a photoelectric conversion solution F was prepared in which the p-type semiconductor material was changed from P3HT to PBDDTPT2. To this photoelectric conversion solution F, the photoelectric conversion layer solutions G to K added with 0.1% by mass of the CNTs (1) to (5) prepared above with respect to PBDDTPT2, and the photoelectric conversion added with 0.5% by mass, respectively. Layer solutions G ′ to K ′ were respectively prepared.

比較例1 有機光電変換素子SC−101の作製
ガラス基板上に、インジウムスズ酸化物(ITO)透明導電膜を150nm堆積させたもの(シート抵抗:10Ω/□)を、フォトリソグラフィ技術と塩酸を用いた湿式エッチングとを用いて20mm幅にパターニングし、第1の電極(透明電極;陰極)を形成した。パターン形成した第1の電極を、界面活性剤と超純水の混合液を用いて超音波洗浄した後、さらに超純水を用いて超音波洗浄し、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。
Comparative Example 1 Preparation of Organic Photoelectric Conversion Device SC-101 A 150 nm thick indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate (sheet resistance: 10Ω / □) was used for photolithography and hydrochloric acid. The first electrode (transparent electrode; cathode) was formed by patterning to a width of 20 mm using wet etching. The patterned first electrode is ultrasonically cleaned using a mixture of surfactant and ultrapure water, then ultrasonically cleaned using ultrapure water, dried by nitrogen blowing, and finally UV ozone. Washing was performed.

次に、電子輸送層を形成するため、大気下でZnO前駆体溶液を透明電極上にスピンコート(回転速度2000rpm、回転時間180秒間)し、所定のパターンに拭き取った。そして、これを空気中で400℃10分間加熱処理することにより膜厚約40nmのZnOからなる電子輸送層を形成した。   Next, in order to form an electron transport layer, the ZnO precursor solution was spin-coated on the transparent electrode in the atmosphere (rotation speed 2000 rpm, rotation time 180 seconds) and wiped off in a predetermined pattern. And this was heat-processed in air at 400 degreeC for 10 minute (s), and the electron carrying layer which consists of ZnO with a film thickness of about 40 nm was formed.

なお、上記150mMのZnO前駆体溶液は、次の方法(ゾルゲル法)により調製した。酢酸亜鉛(Sigma−Aldrich社製)を0.5Mと、エタノールアミン(東京化成)を0.5M含む2−メトキシエタノールに溶解し前駆体液とした。   The 150 mM ZnO precursor solution was prepared by the following method (sol-gel method). Zinc acetate (manufactured by Sigma-Aldrich) was dissolved in 2-methoxyethanol containing 0.5M and ethanolamine (Tokyo Kasei) 0.5M to obtain a precursor solution.

続いて、電子輸送層を製膜した基板をグローブボックス(酸素濃度<1ppm、露点温度<−80℃)に入れ、窒素雰囲気下で、先に調製した光電変換層溶液Aをスピンコート法にて乾燥膜厚が150nmになるように塗布し、光電変換層を製膜した。   Subsequently, the substrate on which the electron transport layer was formed was placed in a glove box (oxygen concentration <1 ppm, dew point temperature <−80 ° C.), and the previously prepared photoelectric conversion layer solution A was spin-coated in a nitrogen atmosphere. It apply | coated so that a dry film thickness might be set to 150 nm, and formed the photoelectric converting layer into a film.

その後、正孔輸送層を形成するため、導電性高分子およびポリアニオンからなるPEDOT:PSS(Clevios(登録商標)P4083、ヘレウス社製)分散液(固形分約3質量%)に対し、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(ポリナス(登録商標)PS−1,東ソー有機化学株式会社製)0.1wt%、イソプロパノール20wt%を含む溶液Bを調製した。得られた溶液Bを0.45μmのPVDFフィルタでろ過しながら、上記光電変換層上に、乾燥膜厚が約100nmになるようにブレードコーターを用いて塗布し乾燥させた。さらに120℃で10分間加熱処理し正孔輸送層を製膜した。   Thereafter, in order to form a hole transport layer, polystyrenesulfonic acid was used for a PEDOT: PSS (Clevios (registered trademark) P4083, manufactured by Heraeus) dispersion (solid content: about 3% by mass) composed of a conductive polymer and a polyanion. Solution B containing 0.1 wt% sodium (Polynas (registered trademark) PS-1, manufactured by Tosoh Organic Chemical Co., Ltd.) and 20 wt% isopropanol was prepared. While filtering the obtained solution B with a 0.45 μm PVDF filter, the solution B was applied and dried on the photoelectric conversion layer using a blade coater so that the dry film thickness was about 100 nm. Furthermore, it heat-processed for 10 minutes at 120 degreeC, and formed the positive hole transport layer into a film.

次に、上記一連の機能層を製膜した基板を真空蒸着装置チャンバー内に移動させ、1×10−4Pa以下にまで真空蒸着装置内を減圧した後、Agメタルを蒸着速度0.5〜1.0nm/秒で、100nm積層することで、第2の電極を形成した。得られた有機光電変換素子を窒素チャンバーに移動させ、封止用キャビティグラスとエポキシ系UV硬化樹脂(ナガセケムテック社製)を用いて封止を行い、受光部が約5mm×20mmサイズの有機光電変換素子SC−101を完成させた。 Next, the substrate on which the series of functional layers is formed is moved into a vacuum deposition apparatus chamber, and the inside of the vacuum deposition apparatus is depressurized to 1 × 10 −4 Pa or less. A second electrode was formed by laminating 100 nm at 1.0 nm / second. The obtained organic photoelectric conversion element is moved to a nitrogen chamber, and sealing is performed using a sealing cavity glass and an epoxy-based UV curable resin (manufactured by Nagase Chemtech Co., Ltd.), and the light receiving part is an organic having a size of about 5 mm × 20 mm. Photoelectric conversion element SC-101 was completed.

比較例2 有機光電変換素子SC−102の作製
有機光電変換素子SC−101の作製において、光電変換層溶液Aを光電変換層溶液BおよびB’に変更したことを除いてはSC−101と同様の手順で、CNTの添加量が0.1wt%および0.5wt%の有機光電変換素子SC−102をそれぞれ作製した。
Comparative Example 2 Production of Organic Photoelectric Conversion Device SC-102 In production of organic photoelectric conversion device SC-101, the same as SC-101 except that photoelectric conversion layer solution A was changed to photoelectric conversion layer solutions B and B ′. According to the procedure, organic photoelectric conversion elements SC-102 having CNT addition amounts of 0.1 wt% and 0.5 wt% were respectively produced.

実施例1〜3 有機光電変換素子SC−103〜105の作製
有機光電変換素子SC−102の作製において、光電変換層溶液BおよびB’をC〜EおよびC’〜E’に変更したことを除いては、SC−102と同様の手順で、CNTの添加量が0.1wt%および0.5wt%の有機光電変換素子SC−103〜105をそれぞれ作製した。
Examples 1 to 3 Production of Organic Photoelectric Conversion Elements SC-103 to 105 In production of the organic photoelectric conversion element SC-102, the photoelectric conversion layer solutions B and B ′ were changed to C to E and C ′ to E ′. Except for this, organic photoelectric conversion elements SC-103 to 105 having an addition amount of CNT of 0.1 wt% and 0.5 wt% were prepared in the same procedure as SC-102, respectively.

比較例3 有機光電変換素子SC−201の作製
有機光電変換素子SC−101の作製において、光電変換層溶液Aを光電変換層溶液Fに変更したことを除いては、SC−101と同様の手順で、有機光電変換素子SC−201を作製した。
Comparative Example 3 Production of Organic Photoelectric Conversion Element SC-201 In the production of organic photoelectric conversion element SC-101, the same procedure as SC-101 was performed except that photoelectric conversion layer solution A was changed to photoelectric conversion layer solution F. Thus, an organic photoelectric conversion element SC-201 was produced.

比較例4 有機光電変換素子SC−202の作製
有機光電変換素子SC−201の作製において、光電変換層溶液FをGおよびG’に変更したことを除いては、SC−201と同様の手順で、CNTの添加量が0.1質量%および0.5質量%の有機光電変換素子SC−202をそれぞれ作製した。
Comparative Example 4 Production of Organic Photoelectric Conversion Element SC-202 In the production of organic photoelectric conversion element SC-201, the procedure was the same as SC-201 except that the photoelectric conversion layer solution F was changed to G and G ′. The organic photoelectric conversion element SC-202 having an addition amount of CNT of 0.1% by mass and 0.5% by mass was prepared.

実施例4〜7 有機光電変換素子SC−203〜206の作製
有機光電変換素子SC−102の作製において、光電変換層溶液GおよびG’をH〜KおよびH’〜K’に変更したことを除いては、SC−102と同様の手順で、CNTの添加量が0.1質量%および0.5質量%の有機光電変換素子SC−203〜206をそれぞれ作製した。
Examples 4 to 7 Production of Organic Photoelectric Conversion Device SC-203 to 206 In production of the organic photoelectric conversion device SC-102, the photoelectric conversion layer solutions G and G ′ were changed to H to K and H ′ to K ′. Except for this, organic photoelectric conversion elements SC-203 to 206 having an addition amount of CNT of 0.1% by mass and 0.5% by mass were prepared in the same procedure as SC-102, respectively.

<変換効率の評価>
上記で作製した光電変換素子(実施例および比較例)について、ソーラーシミュレーター(英弘精機製:AM1.5Gフィルタ)の100[mW/cm]の強度の光を照射し、有効面積を1cmにしたマスクを受光部に重ね、I−V特性を評価することで、短絡電流密度Jsc[mA/cm]、開放電圧Voc[V]及び並列抵抗Rsh[Ω]を測定した。下記式1で表されるように、短絡電流密度Jsc[mA/cm]、開放電圧Voc[V]の値が大きくなるほど素子の光電変換効率ηが向上する。なお、下記式1中、FFはフィルファクターを表す。また、並列抵抗Rsh[Ω]は、IV曲線の開放端電圧が0V時(Isc)のIV曲線の接線の傾きの逆数から求めた。結果を表1に示す。
<Evaluation of conversion efficiency>
Photoelectric conversion element fabricated (Examples and Comparative Example) In the above, a solar simulator (EKO Instruments Ltd.: AM1.5G filter) was irradiated with light having an intensity of 100 [mW / cm 2] of the effective area to 1 cm 2 The shorted current density Jsc [mA / cm 2 ], the open circuit voltage Voc [V], and the parallel resistance Rsh [Ω] were measured by overlaying the mask on the light receiving portion and evaluating the IV characteristics. As represented by the following formula 1, the photoelectric conversion efficiency η of the device increases as the values of the short circuit current density Jsc [mA / cm 2 ] and the open circuit voltage Voc [V] increase. In the following formula 1, FF represents a fill factor. The parallel resistance Rsh [Ω] was obtained from the reciprocal of the slope of the tangent of the IV curve when the open end voltage of the IV curve was 0 V (Isc). The results are shown in Table 1.

Figure 2013254912
Figure 2013254912

Figure 2013254912
Figure 2013254912

上記の表に示すように、CNTの表面の仕事関数(WF)をp型有機半導体のHOMOよりも深くなるように調製することにより、CNTを添加していない場合と比較して、Vocを低下させることなくJscを向上させることができる。さらに、双極子材料によりCNTの表面の仕事関数を制御することにより、電子ブロック機能を付与させることができるため、CNTの添加量を増加させることによりRshを悪化させることなくJscをさらに向上させることができる。   As shown in the above table, by adjusting the work function (WF) of the CNT surface to be deeper than the HOMO of the p-type organic semiconductor, Voc is reduced compared to the case where CNT is not added. It is possible to improve Jsc without making it. Furthermore, since the electron blocking function can be provided by controlling the work function of the surface of the CNT with a dipole material, the Jsc can be further improved without increasing the Rsh by increasing the amount of CNT added. Can do.

10、20、30 有機光電変換素子、
11 陽極、
12 陰極、
13 光電変換層、
13a 第1の光電変換層、
13b 第2の光電変換層
14 ナノ構造体(カーボンナノチューブ)、
15 p型有機半導体材料、
16 n型有機半導体材料
25 基板、
26 正孔輸送層、
27 電子輸送層、
38 中間層。
10, 20, 30 organic photoelectric conversion element,
11 Anode,
12 cathode,
13 photoelectric conversion layer,
13a a first photoelectric conversion layer,
13b Second photoelectric conversion layer 14 Nanostructure (carbon nanotube),
15 p-type organic semiconductor material,
16 n-type organic semiconductor material 25 substrate,
26 hole transport layer,
27 electron transport layer,
38 Middle layer.

Claims (7)

第1の電極と、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料を有するバルクヘテロジャンクション型の光電変換層と、第2の電極と、をこの順に有する光電変換素子であって、
前記光電変換層は、表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも大きくなるように表面変性されたカーボンナノチューブを含む、有機光電変換素子。
A photoelectric conversion element having a first electrode, a bulk heterojunction photoelectric conversion layer having a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and a second electrode in this order,
The photoelectric conversion layer is an organic photoelectric conversion element including carbon nanotubes whose surface has been modified such that the work function of the surface is larger than the work function of the carbon nanotubes themselves.
前記表面変性されたカーボンナノチューブの表面の仕事関数がカーボンナノチューブ自体の仕事関数よりも0.2eV以上大きい、請求項1に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a work function of the surface of the surface-modified carbon nanotube is 0.2 eV or more larger than a work function of the carbon nanotube itself. 前記表面変性されたカーボンナノチューブが電子吸引性基を有する双極子材料によって表面変性されたカーボンナノチューブである、請求項1または2に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the surface-modified carbon nanotube is a carbon nanotube surface-modified with a dipole material having an electron-withdrawing group. 前記双極子材料の双極子モーメントが−0.1〜−13Dである、請求項3に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element of Claim 3 whose dipole moment of the said dipole material is -0.1-13D. 前記p型有機半導体材料のHOMO準位が5.2eV以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-4 whose HOMO level of the said p-type organic-semiconductor material is 5.2 eV or less. 前記p型有機半導体材料のHOMO準位と前記変性されたカーボンナノチューブの表面の仕事関数との差が0.1eV以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a difference between a HOMO level of the p-type organic semiconductor material and a work function of the surface of the modified carbon nanotube is 0.1 eV or less. . 請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を有する、太陽電池。   The solar cell which has an organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-6.
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