JP2014003255A - Organic thin film and photoelectric conversion element using the same - Google Patents

Organic thin film and photoelectric conversion element using the same Download PDF

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Yasushi Morihara
靖 森原
Yuki Motoda
有紀 元田
Takashi Sugioka
尚 杉岡
Akeshi Fujita
明士 藤田
Hiroyuki Oki
弘之 大木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic thin film which allows for independent photoelectric conversion while having a function as a buffer layer, and to provide a photoelectric conversion element using the same.SOLUTION: A homogeneous film soluble in an organic solvent by having an alkyl ester group in the side-chain can be produced by coating. Subsequently, the alkyl group is detached by giving an external stimulation to obtain a thiophene copolymer composing an organic thin film 3. Since the organic thin film 3 is insoluble in an organic solvent, a lamination structure can be formed by coating. Furthermore, since the thin film is capable of photoelectric conversion independently, it is useful as a buffer layer of a photoelectric conversion element 10.

Description

本発明は、バッファー層としての機能に優れ単独でも光電変換可能な、チオフェン共重合体からなる有機薄膜及び該有機薄膜を有する光電変換素子に関するものである。   The present invention relates to an organic thin film made of a thiophene copolymer that is excellent in function as a buffer layer and capable of photoelectric conversion alone, and a photoelectric conversion element having the organic thin film.

太陽光発電は、再生可能エネルギーの中でも特に潜在的な利用可能量が多いことから、石油代替エネルギーの筆頭として着目されている。太陽光発電を担う素子として単結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン系太陽電池、GaAs、CIGS、CdTeなどの無機化合物系薄膜太陽電池などがある。これらの太陽電池は比較的高い光電変換効率を有するが、他の電源コストと比較して高価格であることが問題である。コスト高の要因は、高真空且つ高温下で半導体薄膜を製造しなくてはならないプロセスにある。そこで近年特に製造プロセスの簡便化が期待される有機半導体材料を用いた有機薄膜太陽電池が検討されている。   Photovoltaic power generation is attracting attention as the leading energy alternative to oil because it has a particularly high potential use of renewable energy. Examples of elements responsible for photovoltaic power generation include silicon-based solar cells such as single crystal silicon and amorphous silicon, and inorganic compound thin-film solar cells such as GaAs, CIGS, and CdTe. These solar cells have a relatively high photoelectric conversion efficiency, but are problematic in that they are expensive compared to other power supply costs. A factor of high cost is a process in which a semiconductor thin film must be manufactured under high vacuum and high temperature. Therefore, in recent years, an organic thin film solar cell using an organic semiconductor material which is expected to simplify the manufacturing process has been studied.

有機半導体薄膜は塗布法や印刷法により製膜できるため、製造プロセスを簡便化し、発電コストを低減することが期待される。また、軽量且つフレキシブルな素子及びモジュールを作製できることから可搬性に優れ、電気的インフラの整備されていない地域においても簡便に電気エネルギーを利用できる可能性を秘めている。さらに、有機半導体は分子設計により吸収帯域を制御できることから、様々な色調で意匠性に優れる太陽電池を提供できる。   Since the organic semiconductor thin film can be formed by a coating method or a printing method, it is expected to simplify the manufacturing process and reduce the power generation cost. In addition, since lightweight and flexible elements and modules can be manufactured, it is highly portable and has the potential to easily use electrical energy even in areas where electrical infrastructure is not established. Furthermore, since the organic semiconductor can control the absorption band by molecular design, it can provide a solar cell with various colors and excellent design.

有機薄膜太陽電池の素子構成として現在の主流となっているのは、電子供与性有機半導体(p型有機半導体)と電子受容性有機半導体(n型有機半導体)とを混合し、電荷分離を起こすpn接合界面の面積を増大させたバルクヘテロ接合型の光電変換素子である。しかしながら、バルクヘテロ接合型の光電変換素子は、p型、n型双方の半導体材料が電極に接しているため、再結合により電荷をロスし、低い光電変換効率に留まるという問題を有する。   The current mainstream element configuration of organic thin-film solar cells is that an electron-donating organic semiconductor (p-type organic semiconductor) and an electron-accepting organic semiconductor (n-type organic semiconductor) are mixed to cause charge separation. It is a bulk heterojunction type photoelectric conversion element in which the area of the pn junction interface is increased. However, the bulk heterojunction photoelectric conversion element has a problem in that both p-type and n-type semiconductor materials are in contact with the electrode, so that charge is lost due to recombination and the photoelectric conversion efficiency remains low.

有機薄膜太陽電池の光電変換効率を向上させる一つの方法として、バッファー層の挿入が考案されている。バッファー層は、集電極に対する逆電荷の流入を遮蔽し、電荷再結合を抑制することで光電変換効率を向上させる働きがある。   As one method for improving the photoelectric conversion efficiency of the organic thin film solar cell, insertion of a buffer layer has been devised. The buffer layer functions to improve photoelectric conversion efficiency by blocking inflow of reverse charges to the collector electrode and suppressing charge recombination.

例えば特許文献1には、有機光電変換素子に電極と光電変換活性層を隔離するためのバッファー層を用いることで光電変換効率が向上することが報告されおり、これらに用いる材料として、無機物ではフッ化リチウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のハロゲン化物、金属酸化物などが、有機物ではCBP(4,4'-ビス(9H-カルバゾール-9-イル)ビフェニル)等のアリールアミン誘導体、バソクプロイン等のフェナントレン誘導体などが例示されている。しかしながら、これらの材料を製膜する際に、真空蒸着法を用いた場合には高コストとなる。一方、低コストを実現するプロセスとして種々の溶媒に溶解した前記材料を塗布法により製膜することも可能であるが、積層構造を形成するためには使用できる溶媒が限定される。また、溶解する溶媒が存在しないものには適用できない。このため、バッファー層としての機能と溶解性を有しながら、塗布法による製膜後に不溶化するような材料が求められている。   For example, Patent Document 1 reports that the photoelectric conversion efficiency is improved by using a buffer layer for isolating an electrode and a photoelectric conversion active layer in an organic photoelectric conversion element. Alkali metals such as lithium halides, halides of alkaline earth metals, metal oxides and the like, and organic substances such as arylamine derivatives such as CBP (4,4′-bis (9H-carbazol-9-yl) biphenyl), bathocuproine, etc. Examples of the phenanthrene derivative are as follows. However, when these materials are formed into a film, the cost becomes high when the vacuum deposition method is used. On the other hand, as a process for realizing low cost, it is possible to form the material dissolved in various solvents by a coating method, but the solvent that can be used is limited to form a laminated structure. Moreover, it cannot apply to the thing in which the solvent which melt | dissolves does not exist. For this reason, there is a demand for a material that has a function and solubility as a buffer layer and becomes insoluble after film formation by a coating method.

特許文献2には、溶解性を有しながら塗布法による製膜後に不溶化するバッファー層として、重合可能な置換基を1つ以上有するポリマーまたはオリゴマーが記載されている。しかし、重合開始剤を用いた場合には系中に残留した開始剤によって電荷移動が阻害されるため光電変換効率に優れた素子を得ることはできず、開始剤を用いない場合には不溶化するに十分な架橋密度を得ることはできない。   Patent Document 2 describes a polymer or oligomer having one or more polymerizable substituents as a buffer layer that has solubility but becomes insoluble after film formation by a coating method. However, when a polymerization initiator is used, charge transfer is inhibited by the initiator remaining in the system, so that an element with excellent photoelectric conversion efficiency cannot be obtained, and when the initiator is not used, it becomes insoluble. It is not possible to obtain a sufficient crosslinking density.

特開2008−109114号公報JP 2008-109114 A 特開2010−287767号公報JP 2010-287767 A

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、塗布法による製膜が可能であり、バッファー層としての機能に優れ、かつ単独で光電変換も可能な有機薄膜、およびそれを用いた変換効率に優れる光電変換素子を提供することを目的とする。また、本発明は、該有機薄膜を有する光電変換素子を容易に製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an organic thin film that can be formed by a coating method, has an excellent function as a buffer layer, and can also be subjected to photoelectric conversion alone, and the same are used. It aims at providing the photoelectric conversion element which is excellent in conversion efficiency. Moreover, an object of this invention is to provide the method of manufacturing the photoelectric conversion element which has this organic thin film easily.

本発明者等は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、アルキルエステル基を側鎖に有することで有機溶媒に可溶で塗布法により均質な膜を作製でき、その後の熱処理によってアルキル基を脱離させることで得られる、側鎖にカルボキシル基を有するチオフェン共重合体からなる有機薄膜をバッファー層として用いることで、光電変換素子の整流性が向上することを見出した。さらに、該有機薄膜は単独でも光電変換機能を有するため光電変換素子の電流を増大させることが可能であり、バッファー層として用いた場合にはその相乗効果により光電変換素子の変換効率が向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have been able to produce a homogeneous film that is soluble in an organic solvent and has a coating method by having an alkyl ester group in the side chain. It has been found that the rectifying property of the photoelectric conversion element is improved by using an organic thin film made of a thiophene copolymer having a carboxyl group in the side chain, obtained by desorbing as a buffer layer. Furthermore, since the organic thin film has a photoelectric conversion function alone, it is possible to increase the current of the photoelectric conversion element, and when used as a buffer layer, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element is improved by the synergistic effect. As a result, the present invention has been completed.

即ち本発明は、
[1]下記一般式(1)

Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、p+q=n、0≦p<n、0<q≦nであり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が15,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体からなる膜厚が10nm以上30nm以下である有機薄膜;
[2]前記[1]の有機薄膜及び光電変換活性層を、少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極の間に有する光電変換素子;
[3]前記有機薄膜を正極と光電変換活性層との間に有することを特徴とする[2]に記載の光電変換素子;
[4]前記光電変換活性層が、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との混合物である[2]または[3]に記載の光電変換素子;
[5]前記電子供与性有機半導体が、化学構造の一部にチオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジべンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ベンゾジチオフェン及びジケトピロロピロールから選ばれる複素環骨格を少なくとも一つ有する単量体単位からなるπ電子共役系重合体である[4]に記載の光電変換素子;
[6]前記π電子共役系重合体がブロック共重合体であることを特徴とする[5]に記載の光電変換素子;
[7]電極と有機薄膜との間に正孔輸送材料からなる正孔輸送層をさらに有する[2]〜[6]のいずれかに記載の光電変換素子;
[8]下記一般式(2)
Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が20,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体を溶媒に溶解して製膜した後、熱処理することによって、下記一般式(1)
Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、p+q=n、0≦p<n、0<q≦nであり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が15,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体からなる膜厚が10nm以上30nm以下である有機薄膜を形成することを特徴とする、[2]〜[7]のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法;
[9]前記溶媒が、テトラヒドロフラン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、クロロホルム、ブロモホルム、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アニソール、メトキシベンゼン、トリクロロベンゼン及びピリジンから選ばれる有機溶媒またはこれらの混合溶媒であることを特徴とする[8]に記載の光電変換素子の製造方法;
[10]前記熱処理を180℃以上280℃以下で行うことを特徴とする[8]または[9]に記載の光電変換素子の製造方法;
[11]前記有機薄膜を形成した後、前記有機薄膜の表面にさらに光電変換活性層を塗布によって形成する[8]〜[10]のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法;
に関する。 That is, the present invention
[1] The following general formula (1)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. Or a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms which may have a substituent, p + q = n, 0 ≦ p <n, 0 <q ≦ n, and n is a positive number of 2 or more. is there.)
An organic thin film having a thickness of 10 nm to 30 nm, comprising a thiophene copolymer having a number average molecular weight of 15,000 to 1,000,000;
[2] A photoelectric conversion element having the organic thin film and the photoelectric conversion active layer of [1] between a pair of electrodes, at least one of which has light transmittance;
[3] The photoelectric conversion element according to [2], which has the organic thin film between a positive electrode and a photoelectric conversion active layer;
[4] The photoelectric conversion element according to [2] or [3], wherein the photoelectric conversion active layer is a mixture of an electron donating organic semiconductor and an electron accepting organic semiconductor;
[5] The electron-donating organic semiconductor has at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene and diketopyrrolopyrrole as part of the chemical structure. The photoelectric conversion device according to [4], which is a π-electron conjugated polymer composed of monomer units;
[6] The photoelectric conversion element according to [5], wherein the π-electron conjugated polymer is a block copolymer;
[7] The photoelectric conversion device according to any one of [2] to [6], further including a hole transport layer made of a hole transport material between the electrode and the organic thin film;
[8] The following general formula (2)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. And a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms that may have an aryl group or a substituent, and n is a positive number of 2 or more.)
A thiophene copolymer having a number average molecular weight of 20,000 or more and 1,000,000 or less represented by the following formula is dissolved in a solvent to form a film, followed by heat treatment to give the following general formula (1)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. Or a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms which may have a substituent, p + q = n, 0 ≦ p <n, 0 <q ≦ n, and n is a positive number of 2 or more. is there.)
An organic thin film having a film thickness of 10 nm or more and 30 nm or less is formed of a thiophene copolymer having a number average molecular weight of 15,000 or more and 1,000,000 or less [2] to [7] The method for producing a photoelectric conversion element according to any one of the above;
[9] The solvent is tetrahydrofuran, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, chloroform, bromoform, benzene, toluene, o-xylene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, o-dichlorobenzene, anisole, methoxybenzene, trichlorobenzene and The method for producing a photoelectric conversion element according to [8], which is an organic solvent selected from pyridine or a mixed solvent thereof;
[10] The method for producing a photoelectric conversion element according to [8] or [9], wherein the heat treatment is performed at 180 ° C. or higher and 280 ° C. or lower;
[11] The method for producing a photoelectric conversion element according to any one of [8] to [10], wherein after forming the organic thin film, a photoelectric conversion active layer is further formed on the surface of the organic thin film by coating;
About.

本発明によれば、塗布法による積層構造の形成が可能で、バッファー層としての機能に優れ、かつ単独で光電変換も可能な有機薄膜を提供することができる。また、該有機薄膜を有する光電変換効率に優れる光電変換素子及びその簡便な製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the organic thin film which can form the laminated structure by the apply | coating method, is excellent in the function as a buffer layer, and can also perform photoelectric conversion independently can be provided. Moreover, the photoelectric conversion element which is excellent in the photoelectric conversion efficiency which has this organic thin film, and its simple manufacturing method can be provided.

本発明の有機薄膜と光電変換活性層を有する光電変換素子の模式図である。It is a schematic diagram of the photoelectric conversion element which has the organic thin film and photoelectric conversion active layer of this invention. 本発明の有機薄膜と光電変換活性層及び正孔輸送層を有する有機光電変換素子の模式図である。It is a schematic diagram of the organic photoelectric conversion element which has the organic thin film of this invention, a photoelectric conversion active layer, and a positive hole transport layer. 本発明の有機薄膜と光電変換活性層、正孔輸送層及び電子輸送層を有する光電変換素子の模式図である。It is a schematic diagram of the photoelectric conversion element which has the organic thin film of this invention, a photoelectric conversion active layer, a positive hole transport layer, and an electron carrying layer.

本発明の有機薄膜は、下記一般式(1)で表されるチオフェン共重合体(以下、チオフェン共重合体(1)と称することがある)からなる。式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基である。R及びRが有してもよい置換基は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。

Figure 2014003255
The organic thin film of the present invention comprises a thiophene copolymer represented by the following general formula (1) (hereinafter sometimes referred to as thiophene copolymer (1)). In the formula, R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon number. a 4-20 heteroaryl group, R 2 represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an even better C6-20 have substituent It is a C4-C20 heteroaryl group which may have an aryl group or a substituent. The substituents that R 1 and R 2 may have may be the same or different.
Figure 2014003255

前記一般式(1)中のRで用いられるアルキル基は、直鎖や分岐鎖のアルキル基であってもよいし、環状のシクロアルキル基であってもよい。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、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、2−メチル−2−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、ドデシル基等の直鎖や分岐鎖のアルキル基;シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロノニル基、シクロデシル基、シクロウンデシル基、シクロドデシル基等のシクロアルキル基が挙げられる。 The alkyl group used for R 1 in the general formula (1) may be a linear or branched alkyl group or a cyclic cycloalkyl group. For example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, n-pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, Linear or branched such as n-hexyl group, isohexyl group, 2-methyl-2-hexyl group, 2-ethylhexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, dodecyl group Chain alkyl group; cycloalkyl groups such as cyclopropyl group, cyclobutyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cycloheptyl group, cyclooctyl group, cyclononyl group, cyclodecyl group, cycloundecyl group, cyclododecyl group and the like can be mentioned.

前記Rのアルキル基は置換基を有してもよく、かかる置換基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などのアリール基;ピリジル基、チエニル基、フリル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ピラジニル基、オキサゾリル基、チアゾリル基、ピラゾリル基、ベンゾチアゾリル基、ベンゾイミダゾリル基などのヘテロアリール基;メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、イソペンチルオキシ基、ネオペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、n−オクチルオキシ基、ノニルオキシ基、n−デシルオキシ基、n−ドデシルオキシ基などのアルコキシ基;メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ブチルチオ基などのアルキルチオ基;フェニルチオ基、ナフチルチオ基などのアリールチオ基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、プロポキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基、n−ブトキシカルボニル基、イソブトキシカルボニル基、sec−ブトキシカルボニル基、tert−ブトキシカルボニル基、ペンチルオキシカルボニル基、ヘキシルオキシカルボニル基、ヘプチルオキシカルボニル基、オクチルオキシカルボニル基などのアルコキシカルボニル基;メチルスルフォキシド基、エチルスルフォキシド基などのアルキルスルフェニル基;フェニルスルフォキシド基などのアリールスルフォキシド基;メチルスルフォニルオキシ基、エチルスルフォニルオキシ基、フェニルスルフォニルオキシ基、メトキシスルフォニル基、エトキシスルフォニル基、フェニルオキシスルフォニル基などのスルフォン酸エステル基;ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基、メチルフェニルアミノ基、メチルアミノ基、エチルアミノ基などの1級又は2級のアミノ基;アセチル基、ベンゾイル基、ベンゼンスルホニル基、tert−ブトキシカルボニル基などで置換された、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、フェニル基などのアルキル基又はアリール基などで置換されていてもよいアミノ基;シアノ基;ニトロ基;フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子;などが挙げられる。 The alkyl group of R 1 may have a substituent. Examples of the substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group; a pyridyl group, a thienyl group, a furyl group, and a pyrrolyl group. Group, imidazolyl group, pyrazinyl group, oxazolyl group, thiazolyl group, pyrazolyl group, benzothiazolyl group, benzimidazolyl group and other heteroaryl groups; methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group Group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, pentyloxy group, isopentyloxy group, neopentyloxy group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, heptyloxy group, n-octyloxy group, nonyloxy group, n -Decyloxy group, n-dodecylo group Alkoxy groups such as xy group; alkylthio groups such as methylthio group, ethylthio group, propylthio group and butylthio group; arylthio groups such as phenylthio group and naphthylthio group; methoxycarbonyl group, ethoxycarbonyl group, propoxycarbonyl group, isopropoxycarbonyl group, alkoxycarbonyl groups such as n-butoxycarbonyl group, isobutoxycarbonyl group, sec-butoxycarbonyl group, tert-butoxycarbonyl group, pentyloxycarbonyl group, hexyloxycarbonyl group, heptyloxycarbonyl group, octyloxycarbonyl group; Alkyl sulfenyl groups such as foxoxide groups and ethyl sulfoxide groups; aryl sulfoxide groups such as phenyl sulfoxide groups; methyl sulfonyloxy groups; Sulphonic acid ester groups such as tilsulfonyloxy group, phenylsulfonyloxy group, methoxysulfonyl group, ethoxysulfonyl group, phenyloxysulfonyl group; dimethylamino group, diphenylamino group, methylphenylamino group, methylamino group, ethylamino group, etc. A primary or secondary amino group; methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, tert, substituted with acetyl, benzoyl, benzenesulfonyl, tert-butoxycarbonyl, etc. -An amino group which may be substituted with an alkyl group such as a butyl group or a phenyl group or an aryl group; a cyano group; a nitro group; a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom; .

前記一般式(1)中のRで用いられるアリール基は、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらアリール基は置換基を有していてもよく、かかる置換基としては、アルキル基の説明のところで例示されたアリール基以外の置換基や、上述のアルキル基などを用いることができる。 Examples of the aryl group used for R 1 in the general formula (1) include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. These aryl groups may have a substituent, and as such a substituent, a substituent other than the aryl group exemplified in the description of the alkyl group, the above-described alkyl group, and the like can be used.

前記一般式(1)中のRで用いられるヘテロアリール基は、例えば、ピリジル基、チエニル基、フリル基、ピロリル基などが挙げられる。これらヘテロアリール基は置換基を有していてもよく、かかる置換基としては、アルキル基の説明のところで例示されたヘテロアリール基以外の置換基や、上述のアルキル基などを用いることができる。 Examples of the heteroaryl group used for R 1 in the general formula (1) include a pyridyl group, a thienyl group, a furyl group, and a pyrrolyl group. These heteroaryl groups may have a substituent, and as such a substituent, a substituent other than the heteroaryl group exemplified in the description of the alkyl group, the above-described alkyl group, and the like can be used.

前記Rとしては、合成の容易さ、製造コストの観点から、置換基を有してもよいアルキル基であることが好ましい。これらの中でも有機溶媒に対する溶解性を付与し、熱刺激により脱離しやすいという観点から分岐鎖のアルキル基であることが好ましく、2−メチル−2−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基などの嵩高いアルキル基がさらに好ましい。 R 1 is preferably an alkyl group which may have a substituent from the viewpoint of ease of synthesis and production cost. Among these, a branched alkyl group is preferable from the viewpoint of imparting solubility in an organic solvent and being easily removed by thermal stimulation, and a bulky alkyl such as a 2-methyl-2-hexyl group or a 2-ethylhexyl group. More preferred are groups.

前記一般式(1)中のRで用いられるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基としては、前記Rで挙げたものと同じものが例として挙げられ、これらが有していてもよい置換基としてもRで挙げたものと同じものが例として挙げられる。 Rは、ポリマーに求める特徴に応じて任意に選択することができる。例えば、主鎖骨格平面性向上の観点からは水素原子、フッ素原子が、ポリマーの結晶性向上の観点からはn−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基が、ポリマー溶解性向上の観点からは2−エチルヘキシル基などが好ましい。 Examples of the alkyl group, aryl group and heteroaryl group used for R 2 in the general formula (1) include the same groups as those described above for R 1 , and these may have a substituent. Examples of the group include the same groups as those described for R 1 . R 2 can be arbitrarily selected depending on the characteristics required for the polymer. For example, from the viewpoint of improving the main chain skeleton planarity, a hydrogen atom and a fluorine atom are used. From the viewpoint of improving the crystallinity of the polymer, an n-hexyl group, an n-heptyl group, and an n-octyl group are used to improve the polymer solubility. Is preferably a 2-ethylhexyl group.

前記一般式(1)において、p+q=nであり、0≦p<n、0<q≦nである。nは前記一般式(1)で示されるチオフェン共重合体の重合度を表し、2以上の正数であればよく、特に限定されない。光電変換特性の観点からは、nが10以上であることが好ましい。   In the general formula (1), p + q = n, 0 ≦ p <n, and 0 <q ≦ n. n represents the degree of polymerization of the thiophene copolymer represented by the general formula (1), and may be any positive number of 2 or more, and is not particularly limited. From the viewpoint of photoelectric conversion characteristics, n is preferably 10 or more.

チオフェン共重合体(1)は、ゲル浸透クロマトグラフィーを用い、ポリスチレン標準物質により換算された数平均分子量が15,000以上であることを要する。これにより、均質な薄膜の製膜が可能で高い光電変換特性を発現でき、光電変換素子のバッファー層として用いた際、光電変換効率を向上させることができる。数平均分子量は18,000以上であることが好ましく25,000以上であることがより好ましい。数平均分子量が18,000以上である場合には、得られる有機薄膜の結晶性が高く、吸光特性および電荷移動度に優れるためより光電変換効率に優れた光電変換素子を得ることができる。数平均分子量の上限は、溶解性の観点から1,000,000以下であり、500,000以下であることがより好ましい。   The thiophene copolymer (1) is required to have a number average molecular weight of 15,000 or more converted by polystyrene standard using gel permeation chromatography. Thereby, formation of a homogeneous thin film is possible, high photoelectric conversion characteristics can be expressed, and when used as a buffer layer of a photoelectric conversion element, photoelectric conversion efficiency can be improved. The number average molecular weight is preferably 18,000 or more, and more preferably 25,000 or more. When the number average molecular weight is 18,000 or more, the obtained organic thin film has high crystallinity, and is excellent in light absorption characteristics and charge mobility, so that a photoelectric conversion element with more excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained. The upper limit of the number average molecular weight is 1,000,000 or less and more preferably 500,000 or less from the viewpoint of solubility.

前記チオフェン共重合体(1)からなる本発明の有機薄膜の膜厚は、10nm以上30nm以下であることを要する。膜厚が10nm未満である場合には、バッファー層として十分な機能を得ることができず、膜厚が30nmを越える場合には、抵抗が増大して光電変換効率低下の原因となる。より好ましくは、膜厚が10nm以上20nm以下である。   The film thickness of the organic thin film of the present invention comprising the thiophene copolymer (1) needs to be 10 nm or more and 30 nm or less. When the film thickness is less than 10 nm, a sufficient function as a buffer layer cannot be obtained, and when the film thickness exceeds 30 nm, the resistance increases and causes a decrease in photoelectric conversion efficiency. More preferably, the film thickness is 10 nm or more and 20 nm or less.

本発明の有機薄膜の製造方法は、特に限定されるものではないが、下記一般式(2)で示されるチオフェン共重合体(以下、チオフェン共重合体(2)と称することがある)を溶媒に溶解して製膜した後に、外部刺激によってRを脱離してチオフェン共重合体(1)とすることで製造することができる。下記一般式(2)中、R及びRは前記と同義である。Rとしては、合成の容易さ、製造コストの観点から、置換基を有してもよいアルキル基であることが好ましく、有機溶媒に対する溶解性を付与し、熱処理により脱離しやすいという観点から分岐鎖のアルキル基であることがより好ましく、2−メチル−2−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基などの嵩高いアルキル基がさらに好ましい。

Figure 2014003255
The method for producing an organic thin film of the present invention is not particularly limited, but a thiophene copolymer represented by the following general formula (2) (hereinafter sometimes referred to as thiophene copolymer (2)) is a solvent. It can be produced by dissolving R 1 in a film and then removing R 1 by external stimulation to obtain a thiophene copolymer (1). In the following general formula (2), R 1 and R 2 are as defined above. R 1 is preferably an alkyl group which may have a substituent from the viewpoint of ease of synthesis and production cost, and is branched from the viewpoint of imparting solubility in an organic solvent and being easily desorbed by heat treatment. A chain alkyl group is more preferable, and a bulky alkyl group such as a 2-methyl-2-hexyl group and a 2-ethylhexyl group is more preferable.
Figure 2014003255

チオフェン共重合体(2)は、例えば、3位にエステル基を有するチオフェンと置換または無置換のチオフェンとを、金属錯体触媒の存在下で、いわゆるカップリング反応により共重合することで得ることができる。金属錯体触媒としては、ニッケル錯体やパラジウム錯体を用いることが好ましい。   The thiophene copolymer (2) can be obtained, for example, by copolymerizing a thiophene having an ester group at the 3-position and a substituted or unsubstituted thiophene by a so-called coupling reaction in the presence of a metal complex catalyst. it can. As the metal complex catalyst, a nickel complex or a palladium complex is preferably used.

前記一般式(2)で表されるチオフェン共重合体は、ゲル浸透クロマトグラフィーを用い、ポリスチレン標準物質により換算された数平均分子量が20,000以上であることが好ましい。20,000未満であると、得られるチオフェン共重合体(1)の数平均分子量が15,000未満となり、本発明の効果を得られない場合がある。チオフェン共重合体(2)の数平均分子量は25,000以上であることが好ましく35,000以上であることがより好ましい。上限は特に限定されないが、製膜性の観点から1,000,000以下であることが好ましい。   The thiophene copolymer represented by the general formula (2) preferably has a number average molecular weight of 20,000 or more converted by polystyrene standard using gel permeation chromatography. If it is less than 20,000, the number average molecular weight of the resulting thiophene copolymer (1) becomes less than 15,000, and the effects of the present invention may not be obtained. The number average molecular weight of the thiophene copolymer (2) is preferably 25,000 or more, and more preferably 35,000 or more. Although an upper limit is not specifically limited, It is preferable that it is 1,000,000 or less from a viewpoint of film forming property.

前記式(2)中のRを脱離するための外部刺激は、Rを脱離し得るものであれば得に限定されないが、制御および処理の容易性から熱処理であることが好ましい。熱処理の温度はRを脱離し得る温度であれば特に限定されないが、180℃以上であることが好ましく、過度のポリマー変性およびその他部材の劣化の抑制、工程管理、安全性などの観点から280℃以下であることが好ましい。さらに高い光電変換効率を有する光電変換素子を作製するという観点から、250℃以下であることがより好ましい。 The external stimulus for detaching R 1 in the formula (2) is not particularly limited as long as it can detach R 1 , but is preferably a heat treatment from the viewpoint of ease of control and processing. The temperature of the heat treatment is not particularly limited as long as it is a temperature capable of desorbing R 1 , but is preferably 180 ° C. or higher, and is 280 from the viewpoint of excessive polymer modification and suppression of deterioration of other members, process control, safety and the like. It is preferable that it is below ℃. Furthermore, it is more preferable that it is 250 degrees C or less from a viewpoint of producing the photoelectric conversion element which has high photoelectric conversion efficiency.

前記チオフェン共重合体(2)からRを脱離して、チオフェン共重合体(1)からなる有機薄膜を製造する工程において、脱離されずにRが残った割合が前記一般式(1)中のpであり、脱離されて水素原子に置き換わった割合が前記式(1)中のqで表される。p及びqの割合は特に限定されるものではなくRの脱離しやすさや熱処理温度に依存するが、q/(p+q)が0.5以上1以下であることが好ましく、0.8以上1以下であることがより好ましい。q/(p+q)が1に近いほど、Rがより脱離していることを表す。 In the process of producing an organic thin film composed of the thiophene copolymer (1) by detaching R 1 from the thiophene copolymer (2), the proportion of R 1 remaining without being desorbed is the above general formula (1). P in the formula, and the ratio of desorption and replacement with hydrogen atoms is represented by q in the formula (1). The ratio of p and q is not particularly limited and depends on the ease of R 1 desorption and the heat treatment temperature, but q / (p + q) is preferably 0.5 or more and 1 or less, and 0.8 or more and 1 The following is more preferable. The closer q / (p + q) is to 1, the more R 1 is desorbed.

前記チオフェン共重合体(2)は、種々の有機溶媒に溶解して均一溶液とし、基板に塗布することで薄膜を形成することができる。可溶解溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、テトラヒドロフラン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、クロロホルム、ブロモホルム、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アニソール、メトキシベンゼン、トリクロロベンゼン、ピリジンなどが挙げられる。これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種類以上混合して用いてもよいが、特に溶解度が高いo−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、クロロホルム及びこれらの混合物が好ましく、o−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン及びこれらの混合物が特に好ましい。   The thiophene copolymer (2) can be dissolved in various organic solvents to form a uniform solution, and can be applied to a substrate to form a thin film. The soluble solvent is not particularly limited, and examples thereof include tetrahydrofuran, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, chloroform, bromoform, benzene, toluene, o-xylene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, o-di. Examples include chlorobenzene, anisole, methoxybenzene, trichlorobenzene, pyridine and the like. These solvents may be used singly or in combination of two or more, but o-dichlorobenzene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, chloroform and mixtures thereof having particularly high solubility are preferred, and o- Particularly preferred are dichlorobenzene, chlorobenzene and mixtures thereof.

前記チオフェン共重合体(2)の溶液を調製する際の濃度は、本発明の有機薄膜を得られる限りにおいて特に限定されないが、均質且つ10nm以上30nm以下の薄膜を得るという観点から前記溶解溶媒に対するチオフェン共重合体の濃度は0.5mg/mL以上20mg/mL以下であることが好ましい。また、溶解時の加熱条件は特に限定されないが、化合物の安定性、生産性、安全性の観点から加熱温度は10℃〜120℃であることが好ましい。攪拌条件は特に限定されないが、攪拌速度は50rpm〜1500rpmであることが好ましく、100rpm〜700rpmであることがより好ましい。   The concentration at the time of preparing the solution of the thiophene copolymer (2) is not particularly limited as long as the organic thin film of the present invention can be obtained, but from the viewpoint of obtaining a thin film having a thickness of 10 nm or more and 30 nm or less, The concentration of the thiophene copolymer is preferably 0.5 mg / mL or more and 20 mg / mL or less. Moreover, although the heating conditions at the time of melt | dissolution are not specifically limited, It is preferable that heating temperature is 10 to 120 degreeC from a viewpoint of stability of a compound, productivity, and safety. The stirring conditions are not particularly limited, but the stirring speed is preferably 50 rpm to 1500 rpm, and more preferably 100 rpm to 700 rpm.

前記チオフェン共重合体(2)の溶液は必要に応じてろ過しても良い。ろ過することで異物を取り除き、欠陥の少ない良質な薄膜を得ることができる。ろ過工程で使用するろ材には、市販されている種々のものを用いることができる。ろ材の選定は使用する有機溶媒に応じ、溶解しない素材を選択することができるが、耐溶剤性の観点から、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン製のものが好ましく用いられる。使用するろ材の細孔径は、前記チオフェン共重合体(2)の溶解性に応じて任意のものを選択できるが、本発明の均質な有機薄膜を得るためには、0.1μm〜5μmの細孔径であることが好ましく、0.2μmまたは0.45μmの細孔径であることがより好ましい。   The solution of the thiophene copolymer (2) may be filtered as necessary. By filtering, foreign matter can be removed and a good quality thin film with few defects can be obtained. As the filter medium used in the filtration step, various commercially available ones can be used. Although the filter medium can be selected from materials that do not dissolve in accordance with the organic solvent used, those made of polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene are preferably used from the viewpoint of solvent resistance. The pore diameter of the filter medium to be used can be arbitrarily selected according to the solubility of the thiophene copolymer (2). However, in order to obtain the homogeneous organic thin film of the present invention, the pore diameter is 0.1 μm to 5 μm. The pore diameter is preferable, and the pore diameter is more preferably 0.2 μm or 0.45 μm.

本発明の有機薄膜を製膜する方法は特に限定されず、前記チオフェン共重合体溶液を基板または支持体へ塗工するにおいて、液状の塗工材料を用いる従来から知られている塗工方法のいずれもが採用できる。例えば、浸漬コーティング法、スプレーコーティング法、インクジェット法、エアロゾルジェット法、スピンコーティング法、ビードコーティング法、ワイヤーバーコーティング法、ブレードコーティング法、ローラーコーティング法、カーテンコーティング法、スリットダイコーター法、グラビアコーター法、スリットリバースコーター法、マイクログラビア法、コンマコーター法などの塗工方法を採用することができ、塗膜厚さ制御や配向制御など、得ようとする塗膜特性に応じて塗布方法を選択すればよい。このとき、必要に応じて不活性ガス雰囲気下で製膜することにより、材料の変性を抑制することができる。   The method for forming the organic thin film of the present invention is not particularly limited, and in the application of the thiophene copolymer solution to a substrate or a support, a conventionally known coating method using a liquid coating material is used. Either can be adopted. For example, dip coating method, spray coating method, ink jet method, aerosol jet method, spin coating method, bead coating method, wire bar coating method, blade coating method, roller coating method, curtain coating method, slit die coater method, gravure coater method , Slit reverse coater method, micro gravure method, comma coater method, etc. can be adopted, and the coating method can be selected according to the coating film properties to be obtained, such as coating thickness control and orientation control. That's fine. At this time, material denaturation can be suppressed by forming a film in an inert gas atmosphere as necessary.

本発明の有機薄膜は、光電変換素子のバッファー層として用いることで、逆電荷の集電極への流入を遮蔽して光電変換素子の整流性を向上し、且つ本発明の有機薄膜自身でも光電変換することから、光電変換効率に優れる光電変換素子を得ることができる。以下に、本発明の有機薄膜を用いた光電変換素子について説明する。   The organic thin film of the present invention is used as a buffer layer of a photoelectric conversion element, thereby blocking the inflow of reverse charges to the collector electrode to improve the rectification property of the photoelectric conversion element, and the organic thin film of the present invention itself also performs photoelectric conversion. Thus, a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained. Below, the photoelectric conversion element using the organic thin film of this invention is demonstrated.

本発明の有機薄膜を用いた光電変換素子は、少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極、つまり正極と負極との間に本発明の有機薄膜及び光電変換活性層を有するものである。   The photoelectric conversion element using the organic thin film of the present invention has the organic thin film and the photoelectric conversion active layer of the present invention between a pair of electrodes, at least one of which has optical transparency, that is, a positive electrode and a negative electrode.

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

光電変換素子は、通常、基板上に形成される。この基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス、シリコンなどの無機材料、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、エポキシ樹脂やフッ素系樹脂などの有機材料から任意の方法によって作製されたフィルムや板が使用可能である。不透明な基板の場合には、反対の電極即ち、基板から遠い方の電極が透明または半透明であることが好ましい。透明な基板の場合には、基板に接する方の電極を光透過性を有する電極にしてもよい。   The photoelectric conversion element is usually formed on a substrate. This substrate may be any substrate that does not change when an electrode is formed and an organic layer is formed. As a substrate material, for example, an inorganic material such as alkali-free glass, quartz glass, or silicon, or any organic material such as polyester, polycarbonate, polyolefin, polyamide, polyimide, polyphenylene sulfide, polyparaxylene, epoxy resin, or fluorine resin can be used. Films and plates produced by the above method can be used. In the case of an opaque substrate, the opposite electrode, that is, the electrode far from the substrate is preferably transparent or translucent. In the case of a transparent substrate, the electrode in contact with the substrate may be a light transmissive electrode.

前記の光透過性を有する透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜などが挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、フッ素・スズ・オキサイド(FTO)、アンチモン・スズ・オキサイド、インジウム・亜鉛・オキサイド(IZO)、ガリウム・亜鉛・オキサイド、アルミニウム・亜鉛・オキサイド、アンチモン・亜鉛・オキサイドからなる導電性材料を用いて作製された膜や、金、白金、銀、銅の極薄膜が用いられ、ITO、FTO、IZO、酸化スズが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法などが挙げられる。また、透明な電極材料として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体などの有機の透明導電膜を用いてもよい。   Examples of the transparent or translucent electrode material having optical transparency include a conductive metal oxide film and a translucent metal thin film. Specifically, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, and their composites, indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), antimony tin oxide, indium zinc oxide (IZO), gallium / zinc / oxide, aluminum / zinc / oxide, antimony / zinc / oxide conductive film, gold, platinum, silver, copper ultrathin film is used, ITO , FTO, IZO and tin oxide are preferred. Examples of the method for producing the electrode include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a plating method. Moreover, you may use organic transparent conductive films, such as polyaniline and its derivative (s), polythiophene, and its derivative (s) as a transparent electrode material.

対向電極材料としては、公知の金属、導電性高分子などを用いることができ、光透過性を有さなくてもよく、透明または半透明であってもよい。好ましくは一対の電極のうち、一方の電極は仕事関数の小さい材料が好ましい。例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウムなどの金属、及びそれらのうち2つ以上の合金、またはそれらのうち1つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫のうち1つ以上との合金、グラファイトまたはグラファイト層間化合物などが用いられる。合金の例としては、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金などが挙げられる。   As the counter electrode material, a known metal, a conductive polymer, or the like can be used, and it may not have optical transparency, and may be transparent or translucent. Preferably, one of the pair of electrodes is preferably made of a material having a low work function. For example, metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, scandium, vanadium, zinc, yttrium, indium, cerium, samarium, europium, terbium, ytterbium, and two of them One or more alloys, or one or more of them, and an alloy of one or more of gold, silver, platinum, copper, manganese, titanium, cobalt, nickel, tungsten, tin, graphite, or a graphite intercalation compound are used. It is done. Examples of the alloy include magnesium-silver alloy, magnesium-indium alloy, magnesium-aluminum alloy, indium-silver alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-magnesium alloy, lithium-indium alloy, calcium-aluminum alloy, and the like.

本発明の光電変換素子に用いる電極は、一方に仕事関数の大きな導電性素材、もう一方に仕事関数の小さな導電性素材を使用することが好ましく、このとき、仕事関数の大きな導電性素材を用いた電極は正極となり、仕事関数の小さな導電性素材を用いた電極は負極となる。   For the electrode used in the photoelectric conversion element of the present invention, it is preferable to use a conductive material having a high work function on one side and a conductive material having a low work function on the other side. The electrode using the conductive material having a small work function becomes the negative electrode.

本発明の光電変換素子は、正極と負極との間に電子供与性有機半導体(p型有機半導体)および電子受容性有機半導体(n型有機半導体)を含有する有機半導体組成物からなる光電変換活性層を有する。   The photoelectric conversion element of the present invention comprises a photoelectric conversion activity comprising an organic semiconductor composition containing an electron-donating organic semiconductor (p-type organic semiconductor) and an electron-accepting organic semiconductor (n-type organic semiconductor) between a positive electrode and a negative electrode. Has a layer.

本発明の光電変換素子の光電変換活性層に用いるp型有機半導体としては、低分子化合物であっても高分子化合物であってもよい。低分子化合物としては、フタロシアニン、金属フタロシアニン、ポルフィリン、金属ポルフィリン、オリゴチオフェン、テトラセン、ペンタセン、ルブレンなどが挙げられる。高分子化合物としては、化学構造の一部にチオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジべンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ジケトピロロピロールおよびこれらの誘導体から選ばれる複素環骨格を少なくとも一つ有する単量体単位からなるπ電子共役系重合体などが挙げられ、これらの中でも、少なくとも1つのチオフェン環を化学構造の一部に含む複素環骨格を有する単量体単位からなるπ電子共役系重合体が光電変換効率の観点から好ましい。少なくとも1つのチオフェン環を化学構造の一部に含む複素環骨格としては例えば、シクロペンタジチオフェン、チエノピロール、ジチエノピロール、ジチエノシロール、ジチエノゲルモール、ベンゾジチオフェン、ナフトジチオフェン及びこれらの誘導体などが挙げられる。これらは、溶解性や極性を制御する目的で主鎖骨格に置換基を導入してもよい。また、これらの高分子化合物は、単独重合体、ランダムまたはブロック共重合体のいずれでもよく、分子鎖は直鎖状、分岐状、物理的または化学的架橋状のいずれでもよい。これらの中でも、塗布プロセスに適用するという観点から、高分子化合物が好ましく、少なくとも1つのチオフェン環を化学構造の一部に含む複素環骨格を有する単量体単位からなるπ電子共役系重合体がより好ましい。また、p型有機半導体として、前記式(1)で表されるチオフェン共重合体を用いてもよい。   The p-type organic semiconductor used for the photoelectric conversion active layer of the photoelectric conversion element of the present invention may be a low molecular compound or a high molecular compound. Examples of the low molecular weight compound include phthalocyanine, metal phthalocyanine, porphyrin, metal porphyrin, oligothiophene, tetracene, pentacene, and rubrene. The polymer compound includes a monomer unit having at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, diketopyrrolopyrrole and derivatives thereof as part of the chemical structure. Among these, π electron conjugated polymers composed of monomer units having a heterocyclic skeleton containing at least one thiophene ring as part of the chemical structure are photoelectric conversion efficiencies. From the viewpoint of Examples of the heterocyclic skeleton containing at least one thiophene ring as a part of the chemical structure include cyclopentadithiophene, thienopyrrole, dithienopyrrole, dithienosilole, dithienogermol, benzodithiophene, naphthodithiophene, and derivatives thereof. It is done. These may introduce a substituent into the main chain skeleton for the purpose of controlling solubility and polarity. These polymer compounds may be either homopolymers, random or block copolymers, and the molecular chain may be linear, branched, physically or chemically cross-linked. Among these, from the viewpoint of applying to a coating process, a polymer compound is preferable, and a π-electron conjugated polymer comprising a monomer unit having a heterocyclic skeleton including at least one thiophene ring as a part of the chemical structure is provided. More preferred. Moreover, you may use the thiophene copolymer represented by the said Formula (1) as a p-type organic semiconductor.

前記π電子共役系重合体の重合度は特に限定されないが、欠陥のない均質な薄膜を得るという観点からは、ゲル浸透クロマトグラフィーを用い、ポリスチレン標準物質により換算された数平均分子量が10,000以上であることが好ましい。また、高い光電変換効率の素子を得るという観点からは、数平均分子量が20,000以上であることがより好ましい。   The degree of polymerization of the π-electron conjugated polymer is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining a homogeneous thin film having no defects, the number average molecular weight converted to polystyrene standard is 10,000 using gel permeation chromatography. The above is preferable. Further, from the viewpoint of obtaining an element with high photoelectric conversion efficiency, the number average molecular weight is more preferably 20,000 or more.

本発明の光電変換素子の光電変換活性層に用いるn型有機半導体は、電子受容性を有する有機材料であれば特に限定されない。n型有機半導体として、例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール等のオキサゾール誘導体、3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾール等のトリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、C60またはC70フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)等が挙げられる。これらはそれぞれ単体で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの中でも、安定且つキャリア移動度に優れるn型半導体という観点からフラーレン誘導体が好ましく用いられる。   The n-type organic semiconductor used for the photoelectric conversion active layer of the photoelectric conversion element of this invention will not be specifically limited if it is an organic material which has an electron-accepting property. As an n-type organic semiconductor, for example, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, N, N′-dioctyl-3,4,9 , 10-naphthyltetracarboxydiimide, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole, 2,5-di (1-naphthyl) -1, Oxazole derivatives such as 3,4-oxadiazole, triazole derivatives such as 3- (4-biphenylyl) -4-phenyl-5- (4-t-butylphenyl) -1,2,4-triazole, phenanthroline derivatives, Induction of introduction of cyano group into C60 or C70 fullerene derivative, carbon nanotube, poly-p-phenylene vinylene polymer A conductor (CN-PPV) etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, fullerene derivatives are preferably used from the viewpoint of an n-type semiconductor that is stable and excellent in carrier mobility.

前記n型有機半導体として好適に用いられるフラーレン誘導体は、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものと、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル(PC61BM)、[5,6]−フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドn−ブチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドi−ブチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドヘキシルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドドデシルエステル、[6,6]−ジフェニルC62ビス(ブチリックアシッドメチルエステル)(bis−PC62BM)、[6,6]−フェニルC71ブチリックアシッドメチルエステル(PC71BM)、[6,6]−ジフェニルC72ビス(ブチリックアシッドメチルエステル)(bis−PC72BM)、インデンC60−モノ付加体、インデンC60−ビス付加体、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体をはじめとする置換誘導体などが挙げられる。   Fullerene derivatives suitably used as the n-type organic semiconductor include unsubstituted ones such as C60, C70, C76, C78, C82, C84, C90, and C94, and [6,6] -phenyl C61 butyric acid. Methyl ester (PC61BM), [5,6] -phenyl C61 butyric acid methyl ester, [6,6] -phenyl C61 butyric acid n-butyl ester, [6,6] -phenyl C61 butyric acid i-butyl Ester, [6,6] -phenyl C61 butyric acid hexyl ester, [6,6] -phenyl C61 butyric acid dodecyl ester, [6,6] -diphenyl C62 bis (butyric acid methyl ester) (bis-PC62BM) ), [6,6] -phenyl C71 butyric Acid methyl ester (PC71BM), [6,6] -diphenyl C72 bis (butyric acid methyl ester) (bis-PC72BM), indene C60-mono adduct, indene C60-bis adduct, indene C70-mono adduct, Examples thereof include substituted derivatives including indene C70-bis adduct.

前記フラーレン誘導体は単独またはそれらの混合物として用いることができる。有機溶媒に対する溶解性の観点から、PC61BM、bis−PC62BM、PC71BM、bis−PC72BM、インデンC60−モノ付加体、インデンC60−ビス付加体、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体が好適に用いられる。さらにこれらの中で、光吸収の観点からは、PC71BM、bis−PC72BM、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体が、製造コストの観点からは、PC61BM、bis−PC62BM、インデンC60−ビス付加体がより好適に用いられる。   The fullerene derivatives can be used alone or as a mixture thereof. From the viewpoint of solubility in organic solvents, PC61BM, bis-PC62BM, PC71BM, bis-PC72BM, indene C60-mono adduct, indene C60-bis adduct, indene C70-mono adduct, and indene C70-bis adduct are preferable. Used for. Further, among these, from the viewpoint of light absorption, PC71BM, bis-PC72BM, indene C70-mono adduct, and indene C70-bis adduct are preferable. From the viewpoint of production cost, PC61BM, bis-PC62BM, indene C60- Bis adducts are more preferably used.

光電変換活性層を構成する有機半導体組成物中のp型有機半導体及びn型有機半導体の含有量は、特に限定されない。p型有機半導体とn型有機半導体との組成比は、p型有機半導体:n型有機半導体=1〜99:99〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜80:80〜20の範囲である。また、p型有機半導体とn型有機半導体との質量の和は、後述する溶解溶媒の質量の和100質量部に対して0.1〜10質量部であることが好ましく、0.5〜5質量部であることがより好ましい。   The contents of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the organic semiconductor composition constituting the photoelectric conversion active layer are not particularly limited. The composition ratio of the p-type organic semiconductor to the n-type organic semiconductor is preferably in the range of p-type organic semiconductor: n-type organic semiconductor = 1 to 99:99 to 1, more preferably 20 to 80:80 to 20. Range. Moreover, it is preferable that the sum of the mass of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor is 0.1-10 mass parts with respect to 100 mass parts of the sum of the mass of the dissolution solvent mentioned later, 0.5-5 More preferably, it is part by mass.

光電変換活性層は、前記p型有機半導体及びn型有機半導体を含有する有機半導体組成物を溶媒に溶解し、基板上に塗工して製膜することで製造することができる。溶解溶媒としては、テトラヒドロフラン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、クロロホルム、ブロモホルム、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アニソール、メトキシベンゼン、トリクロロベンゼン、ピリジンなどが挙げられる。これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種類以上混合して用いてもよいが、特にp型有機半導体及びn型有機半導体のそれぞれについて溶解度が高いo−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、クロロホルム及びこれらの混合物が好ましい。より好ましくは、p型有機半導体及びn型有機半導体のそれぞれについて溶解度が最も高いo−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン及びこれらの混合物が用いられる。   The photoelectric conversion active layer can be produced by dissolving the organic semiconductor composition containing the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in a solvent, coating the substrate, and forming a film. Solvent solvents include tetrahydrofuran, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, chloroform, bromoform, benzene, toluene, o-xylene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, o-dichlorobenzene, anisole, methoxybenzene, trichlorobenzene, pyridine, etc. Is mentioned. These solvents may be used singly or in combination of two or more, but o-dichlorobenzene, chlorobenzene, bromobenzene, iodo having high solubility especially for each of p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor. Benzene, chloroform and mixtures thereof are preferred. More preferably, o-dichlorobenzene, chlorobenzene, and a mixture thereof having the highest solubility for each of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are used.

前記の工程において、有機半導体組成物溶液中にp型有機半導体およびn型有機半導体以外に添加物を含んでもよい。添加物を含有させることによって光電変換活性層を製膜する過程において、p型有機半導体およびn型有機半導体の微細且つ連続した相分離構造が形成されるため、光電変換効率に優れる光電変換活性層を得ることが可能となる。   In the above step, the organic semiconductor composition solution may contain an additive other than the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor. In the process of forming a photoelectric conversion active layer by adding an additive, a fine and continuous phase separation structure of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor is formed, so that the photoelectric conversion active layer is excellent in photoelectric conversion efficiency Can be obtained.

添加物としては、オクタンジチオール(沸点:270℃)、ジブロモオクタン(沸点:272℃)、ジヨードオクタン(沸点:327℃)、ジヨードヘキサン(沸点:142℃[10mmHg])、ジヨードブタン(沸点:125℃[12mmHg])、ジエチレングリコールジエチルエーテル(沸点:162℃)、N−メチル−2−ピロリドン(沸点:229℃)、1−または2−クロロナフタレン(沸点:256℃)などが例示される。これらの中で、光電変換効率に優れる光電変換素子を得るという観点から、オクタンジチオール、ジブロモオクタン、ジヨードオクタン、1−または2−クロロナフタレンが好ましく用いられる。   As additives, octanedithiol (boiling point: 270 ° C.), dibromooctane (boiling point: 272 ° C.), diiodooctane (boiling point: 327 ° C.), diiodohexane (boiling point: 142 ° C. [10 mmHg]), diiodobutane (boiling point: 125 ° C. [12 mmHg]), diethylene glycol diethyl ether (boiling point: 162 ° C.), N-methyl-2-pyrrolidone (boiling point: 229 ° C.), 1- or 2-chloronaphthalene (boiling point: 256 ° C.), and the like. Among these, from the viewpoint of obtaining a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency, octanedithiol, dibromooctane, diiodooctane, 1- or 2-chloronaphthalene is preferably used.

さらに、前記有機半導体組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲において、界面活性剤、バインダー樹脂、フィラーなどの他の添加物成分を含んでいてもよい。   Furthermore, the said organic-semiconductor composition may contain other additive components, such as surfactant, binder resin, and a filler, in the range which does not inhibit the effect of this invention.

光電変換活性層の膜厚は、通常、1nm〜2000nmであり、好ましくは2nm〜1000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmであり、さらに好ましくは20nm〜300nmである。膜厚が薄すぎると光が十分に吸収されず、逆に厚すぎると抵抗損失によって電荷が電極へ到達し難くなる。   The film thickness of the photoelectric conversion active layer is usually 1 nm to 2000 nm, preferably 2 nm to 1000 nm, more preferably 5 nm to 500 nm, and further preferably 20 nm to 300 nm. If the film thickness is too thin, the light is not sufficiently absorbed. Conversely, if it is too thick, it becomes difficult for the charge to reach the electrode due to resistance loss.

前記光電変換活性層は、さらに必要に応じて熱または溶媒アニールを行ってもよい。アニール処理を施すことで、光電変換活性層材料の結晶性と、p型有機半導体とn型有機半導体との相分離構造を変化させ、光電変換特性に優れる素子を得ることができる。尚、このアニール処理は、負極の形成後に行ってもよい。   The photoelectric conversion active layer may be further subjected to heat or solvent annealing as necessary. By performing the annealing treatment, it is possible to change the crystallinity of the photoelectric conversion active layer material and the phase separation structure between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, thereby obtaining an element having excellent photoelectric conversion characteristics. In addition, you may perform this annealing process after formation of a negative electrode.

前記の熱アニールは、前記光電変換活性層を製膜した基板を所望の温度で保持して行う。熱アニールは減圧下または不活性ガス雰囲気下で行ってもよく、好ましい温度は40℃〜150℃、より好ましくは70℃〜150℃である。温度が低いと十分な効果が得られず、温度が高すぎると有機薄膜が酸化及び/または分解し、十分な光電変換特性を得ることができない。   The thermal annealing is performed by holding the substrate on which the photoelectric conversion active layer is formed at a desired temperature. The thermal annealing may be performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere, and a preferable temperature is 40 ° C to 150 ° C, more preferably 70 ° C to 150 ° C. If the temperature is low, a sufficient effect cannot be obtained. If the temperature is too high, the organic thin film is oxidized and / or decomposed, and sufficient photoelectric conversion characteristics cannot be obtained.

前記の溶媒アニールは、前記光電変換活性層を製膜した基板を溶媒雰囲気下で所望の時間保持することで行う。このときのアニール溶媒は特に限定されないが、前記光電変換活性層に対する良溶媒であることが好ましい。溶媒アニールは、光電変換活性層を構成する有機半導体組成物を基板上に塗工して、当該組成物中に溶媒が残存した状態で行ってもよい。   The solvent annealing is performed by holding the substrate on which the photoelectric conversion active layer is formed in a solvent atmosphere for a desired time. The annealing solvent at this time is not particularly limited, but is preferably a good solvent for the photoelectric conversion active layer. Solvent annealing may be performed in a state where the organic semiconductor composition constituting the photoelectric conversion active layer is applied onto the substrate and the solvent remains in the composition.

本発明の光電変換素子は、必要に応じて正孔輸送層を設けてもよい。正孔輸送層を形成する材料としては、p型半導体特性を有するものであれば特に限定されないが、ポリチオフェン系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体等の導電性高分子や、フタロシアニン誘導体(H2Pc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体等のp型半導体特性を示す低分子有機化合物、酸化モリブデン、酸化亜鉛、酸化バナジウム等の金属酸化物が好ましく用いられる。特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。正孔輸送層は1nmから600nmの厚さが好ましく、20nmから300nmがより好ましい。   The photoelectric conversion element of this invention may provide a positive hole transport layer as needed. The material for forming the hole transport layer is not particularly limited as long as it has p-type semiconductor characteristics. However, polythiophene polymers, polyaniline polymers, poly-p-phenylene vinylene polymers, polyfluorene polymers are not limited. Preferred are conductive polymers such as coalescence, low molecular organic compounds exhibiting p-type semiconductor properties such as phthalocyanine derivatives (such as H2Pc, CuPc, and ZnPc), porphyrin derivatives, and metal oxides such as molybdenum oxide, zinc oxide, and vanadium oxide. Used. In particular, polyethylenedioxythiophene (PEDOT), which is a polythiophene polymer, or PEDOT to which polystyrene sulfonate (PSS) is added is preferably used. The hole transport layer preferably has a thickness of 1 nm to 600 nm, more preferably 20 nm to 300 nm.

本発明の光電変換素子は、必要に応じて電子輸送層を設けてもよい。電子輸送層を形成する材料としては、n型半導体特性を有するものであれば特に限定されないが、前記の電子受容性有機材料(NTCDA、PTCDA、PTCDI−C8H、オキサゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、フラーレン誘導体、CNT、CN−PPVなど)などが好ましく用いられる。電子輸送層は1nmから600nmの厚さが好ましく、5nmから100nmがより好ましい。   The photoelectric conversion element of this invention may provide an electron carrying layer as needed. The material for forming the electron transport layer is not particularly limited as long as it has n-type semiconductor characteristics, but the above-described electron-accepting organic materials (NTCDA, PTCDA, PTCDI-C8H, oxazole derivatives, triazole derivatives, phenanthroline derivatives, Fullerene derivatives, CNT, CN-PPV, etc.) are preferably used. The thickness of the electron transport layer is preferably 1 nm to 600 nm, more preferably 5 nm to 100 nm.

本発明の光電変換素子は必要に応じ、電極と本発明の有機薄膜または光電変換活性層と電極との間に電荷移動を円滑にするバッファー層として金属フッ化物を設けてもよい。金属フッ化物としては、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化セシウムなどが挙げられるが、特にフッ化リチウムが好ましく用いられる。バッファー層は0.05nmから50nmの厚さが好ましく、0.5nmから20nmがより好ましい。   In the photoelectric conversion element of the present invention, a metal fluoride may be provided as a buffer layer for facilitating charge transfer between the electrode and the organic thin film or photoelectric conversion active layer of the present invention and the electrode, if necessary. Examples of the metal fluoride include lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, cesium fluoride, and lithium fluoride is particularly preferably used. The buffer layer preferably has a thickness of 0.05 nm to 50 nm, more preferably 0.5 nm to 20 nm.

本発明の有機薄膜を有する多層構造の光電変換素子の好ましい一形態について、図面を用いて説明する。図1は、第1の実施形態に係る光電変換素子10を表しており、基板1と、本発明の有機薄膜3、光電変換活性層4及び少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極2及び5を有する光電変換素子である。透明電極2及び対抗電極5は上述した電極材料のいずれを用いてもよく、材料の選択により仕事関数の大きな導電性素材を用いた電極は正極となり、仕事関数の小さな導電性素材を用いた電極は負極となる。本発明の有機薄膜は、正極と光電変換活性層との間にバッファー層として用いるのが好ましい。これにより、逆電荷である電子の正極への流入を遮蔽して光電変換素子の整流性を向上させ、変換効率を向上させることができる。つまり、図1においては、透明電極2が正極であるのが好ましい。   A preferred embodiment of a multilayered photoelectric conversion element having an organic thin film of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a photoelectric conversion element 10 according to the first embodiment. The substrate 1, the organic thin film 3 of the present invention, the photoelectric conversion active layer 4, and a pair of electrodes 2 at least one of which has optical transparency and 5 is a photoelectric conversion element. Any of the electrode materials described above may be used for the transparent electrode 2 and the counter electrode 5, and an electrode using a conductive material having a large work function is selected as a positive electrode, and an electrode using a conductive material having a small work function. Becomes the negative electrode. The organic thin film of the present invention is preferably used as a buffer layer between the positive electrode and the photoelectric conversion active layer. Thereby, inflow of the electron which is a reverse charge to the positive electrode is shielded, the rectification property of the photoelectric conversion element can be improved, and the conversion efficiency can be improved. That is, in FIG. 1, it is preferable that the transparent electrode 2 is a positive electrode.

図2は、第2の実施形態に係る光電変換素子10を表しており、基板1と、本発明の有機薄膜3、光電変換活性層4、少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極2,5及び正孔輸送層6を有する光電変換素子である。正孔輸送層6は正極と本発明の有機薄膜との間に用いるのが好ましく、図2においては、透明電極2が正極であるのが好ましい。正孔輸送層6は上述した正孔輸送材料のいずれを用いてもよい。   FIG. 2 shows a photoelectric conversion element 10 according to the second embodiment. The substrate 1, the organic thin film 3 of the present invention, the photoelectric conversion active layer 4, at least one of which has a pair of light-transmitting electrodes 2, 2. 5 and a photoelectric conversion element having a hole transport layer 6. The hole transport layer 6 is preferably used between the positive electrode and the organic thin film of the present invention. In FIG. 2, the transparent electrode 2 is preferably the positive electrode. The hole transport layer 6 may use any of the hole transport materials described above.

図3は、第3の実施形態に係る光電変換素子10を表しており、基板1と、本発明の有機薄膜3、光電変換活性層4、少なくとも一方が透明な一対の電極2,5、正孔輸送層6及び電子輸送層7を有する光電変換素子である。電子輸送層7は負極と光電変換活性層との間に用いるのが好ましく、図3においては、透明電極2が正極であるのが好ましい。電子輸送層7は上述した電子輸送材料のいずれを用いてもよい。   FIG. 3 shows a photoelectric conversion element 10 according to the third embodiment. The substrate 1, the organic thin film 3 of the present invention, the photoelectric conversion active layer 4, a pair of electrodes 2 and 5, at least one of which is transparent, A photoelectric conversion element having a hole transport layer 6 and an electron transport layer 7. The electron transport layer 7 is preferably used between the negative electrode and the photoelectric conversion active layer. In FIG. 3, the transparent electrode 2 is preferably the positive electrode. The electron transport layer 7 may use any of the electron transport materials described above.

本発明の光電変換素子は、タンデム型光電変換素子として用いてもよい。タンデム型光電変換素子は、文献公知の方法、例えば、サイエンス,2007年,第317巻,pp222に記載の方法を用いて作製することができる。具体的には、電荷再結合層を、長波長側(〜1100nm)まで光吸収し光電変換可能な光電変換活性層(I)と紫外〜可視光領域(190〜700nm)の光電変換が可能な光電変換活性層(II)とで挟み込んだ構造が挙げられる。この光電変換活性層(I)と光電変換活性層(II)との接続順は逆であってもよい。   The photoelectric conversion element of the present invention may be used as a tandem photoelectric conversion element. The tandem photoelectric conversion element can be produced using a method known in the literature, for example, a method described in Science, 2007, Vol. 317, pp222. Specifically, the photoelectric conversion active layer (I) capable of absorbing and photoelectrically converting the charge recombination layer to the long wavelength side (up to 1100 nm) and the photoelectric conversion in the ultraviolet to visible light region (190 to 700 nm) are possible. A structure sandwiched between the photoelectric conversion active layer (II) may be mentioned. The order of connection between the photoelectric conversion active layer (I) and the photoelectric conversion active layer (II) may be reversed.

電荷再結合層とは、正極側の光電変換活性層で生じた電子と、負極側の光電変換活性層で生じた正孔とを再結合させる働きをする。各光電変換活性層で電荷分離して生じた正孔および電子は、光電変換活性層中の内部電場によってそれぞれ正極と負極方向へと移動する。このとき、正極側の光電変換活性層で生じた正孔および負極側の光電変換活性層で生じた電子はそれぞれ正極および負極へ取り出され、正極側の光電変換活性層で生じた電子および負極側の光電変換活性層で生じた正孔が再結合することによって、各光電変換活性層が電気的に直列に接続された電池として機能し開放電圧が増大する。   The charge recombination layer functions to recombine electrons generated in the positive-electrode side photoelectric conversion active layer and holes generated in the negative-electrode side photoelectric conversion active layer. Holes and electrons generated by charge separation in each photoelectric conversion active layer move toward the positive electrode and the negative electrode, respectively, by an internal electric field in the photoelectric conversion active layer. At this time, holes generated in the photoelectric conversion active layer on the positive electrode side and electrons generated in the photoelectric conversion active layer on the negative electrode side are taken out to the positive electrode and the negative electrode, respectively, and electrons generated on the photoelectric conversion active layer on the positive electrode side and the negative electrode side When the holes generated in the photoelectric conversion active layer are recombined, each photoelectric conversion active layer functions as a battery electrically connected in series, and the open circuit voltage increases.

電荷再結合層は、複数の光電変換活性層が光吸収できるようにするため、光透過性を有することが好ましい。また、電荷再結合層は、十分に正孔と電子とが再結合するように設計されていればよいので、必ずしも膜である必要はなく、例えば、光電変換活性層上に一様に形成された金属クラスターであってもかまわない。従って、該電荷再結合層には、金、白金、クロム、ニッケル、リチウム、マグネシウム、カルシウム、錫、銀、アルミニウムなどからなる数nm以下程度の光透過性を有する非常に薄い金属膜や金属クラスター(合金を含む)、ITO、IZO、AZO、GZO、FTO、酸化チタンや酸化モリブデンなどの光透過性の高い金属酸化物膜およびクラスター、PSSが添加されたPEDOTなどの導電性有機材料膜、またはこれらの複合体などが用いられる。例えば、銀を、真空蒸着法を用いて水晶振動子膜厚モニター上で数nm以下となるように蒸着すれば、一様な銀クラスターが形成できる。その他にも、酸化チタン膜を形成するならば、例えば、アドバンスト マテリアルズ,2006年,第18巻,pp572に記載のゾルゲル法を用いればよい。ITO、IZOなどの複合金属酸化物であるならば、スパッタリング法を用いて製膜すればよい。これらの電荷再結合層の形成法や種類は、電荷再結合層形成時の光電変換活性層への非破壊性や、次に積層される光電変換活性層の形成法などを考慮して適当に選択すればよい。   The charge recombination layer preferably has optical transparency so that the plurality of photoelectric conversion active layers can absorb light. Further, the charge recombination layer need only be designed so that holes and electrons are sufficiently recombined. Therefore, the charge recombination layer does not necessarily have to be a film. For example, it is uniformly formed on the photoelectric conversion active layer. It may be a metal cluster. Therefore, the charge recombination layer includes a very thin metal film or metal cluster made of gold, platinum, chromium, nickel, lithium, magnesium, calcium, tin, silver, aluminum or the like and having a light transmittance of several nm or less. (Including alloys), ITO, IZO, AZO, GZO, FTO, highly transparent metal oxide films and clusters such as titanium oxide and molybdenum oxide, conductive organic material films such as PEDOT to which PSS is added, or These composites are used. For example, uniform silver clusters can be formed by depositing silver so as to be several nm or less on a quartz oscillator film thickness monitor using a vacuum deposition method. In addition, if a titanium oxide film is formed, for example, the sol-gel method described in Advanced Materials, 2006, Vol. 18, pp572 may be used. If it is a composite metal oxide such as ITO or IZO, the film may be formed by sputtering. The formation method and type of these charge recombination layers are appropriately determined in consideration of the non-destructive property to the photoelectric conversion active layer at the time of charge recombination layer formation, the formation method of the next photoelectric conversion active layer, etc. Just choose.

本発明の有機薄膜を具備する前記の光電変換素子は光電変換効率に優れ、太陽電池をはじめとして各種光センサーなどへ応用が可能である。   The photoelectric conversion element provided with the organic thin film of the present invention is excellent in photoelectric conversion efficiency, and can be applied to various photosensors including solar cells.

また、本発明の有機薄膜は塗布法による製膜が可能であり、且つ単独でも光電変換機能を有するため、有機光電変換素子の他にスイッチングデバイス等への応用も可能である。スイッチングデバイスとは、本発明の有機薄膜を少なくとも一方が透明な一対の電極で挟んだもので、光を感知することで微小電流を生じ、回路のオン・オフを制御するものである。さらに、本発明の有機薄膜は、有機エレクトロルミネッセンス素子の正極バッファ層としても用いることができる。   Moreover, since the organic thin film of the present invention can be formed by a coating method and has a photoelectric conversion function by itself, it can be applied to a switching device in addition to the organic photoelectric conversion element. The switching device is a device in which the organic thin film of the present invention is sandwiched between a pair of electrodes, at least one of which is transparent. A small current is generated by sensing light to control on / off of a circuit. Furthermore, the organic thin film of this invention can be used also as a positive electrode buffer layer of an organic electroluminescent element.

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described in detail below, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

以下の合成例で得られた化合物の分子構造について、H−NMR測定により構造を同定した。装置はGSX−270(日本電子社製)を使用し、溶媒は重クロロホルム(和光純薬工業社製)、温度25℃で測定を行った。 About the molecular structure of the compound obtained by the following synthesis examples, the structure was identified by < 1 > H-NMR measurement. The apparatus used was GSX-270 (manufactured by JEOL Ltd.), the solvent was deuterated chloroform (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the temperature was measured at 25 ° C.

重合体の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)は、何れもサイズ排除クロマトグラフィー(SEC)を用いて測定を行い、ポリスチレン換算分子量として算出した。測定条件の詳細を以下に示す。
<測定条件>
装置:高速液体クロマトグラフィー SSC−7000(センシュー科学社製)
カラム:HT−G及びGPC HT−806M(昭和電工社製)を2本連結(カラム温度:135℃)
移動相:o−ジクロロベンゼン
The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of the polymer were both measured using size exclusion chromatography (SEC) and calculated as polystyrene equivalent molecular weight. Details of the measurement conditions are shown below.
<Measurement conditions>
Apparatus: High performance liquid chromatography SSC-7000 (manufactured by Senshu Kagaku Co.)
Column: HT-G and GPC HT-806M (manufactured by Showa Denko KK) are connected in two (column temperature: 135 ° C.)
Mobile phase: o-dichlorobenzene

重合体の加熱による側鎖置換基の脱離挙動について分析するため、熱重量分析(TG−DTA)、フーリエ変換型赤外分光光度計(FT−IR)を行った。測定条件の詳細を以下に示す。
<TG−DTAの分析条件>
装置:差動型示差熱天秤 Thermo plus TG8120(リガク社製)
測定範囲:25−250℃
昇温速度:10℃/min
<FT−IRの分析条件>
装置:フーリエ変換型赤外分光光度計 JIR−5500(日本電子製)
モード:減衰全反射(ATR)法
積算回数:128回
Thermogravimetric analysis (TG-DTA) and Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR) were performed in order to analyze the elimination behavior of the side chain substituents by heating the polymer. Details of the measurement conditions are shown below.
<Analysis conditions for TG-DTA>
Apparatus: Differential type differential thermal balance Thermo plus TG8120 (manufactured by Rigaku Corporation)
Measurement range: 25-250 ° C
Temperature increase rate: 10 ° C / min
<FT-IR analysis conditions>
Apparatus: Fourier transform infrared spectrophotometer JIR-5500 (manufactured by JEOL)
Mode: attenuated total reflection (ATR) method Integration count: 128 times

本発明の有機薄膜に用いるチオフェン共重合体の製造工程を下記反応式(I)及び(II)に示す。

Figure 2014003255
The production process of the thiophene copolymer used for the organic thin film of the present invention is shown in the following reaction formulas (I) and (II).
Figure 2014003255

(合成例1)
反応式(I)中に示す化合物1(2,5−ジブロモチオフェン−3−カルボン酸)は、J.Am.Chem.Soc.76巻,2445ページ,(1954年)に記載の方法に従って合成した。
(Synthesis Example 1)
Compound 1 (2,5-dibromothiophene-3-carboxylic acid) shown in Reaction Formula (I) is described in J. Am. Am. Chem. Soc. 76, 2445, (1954).

(合成例2)
反応式(I)中に示す化合物2(2−メチル−2−ヘキシルー2,5−ジブロモチオフェン−3−カルボン酸)の合成について示す。
250mL三口フラスコに、前記化合物1(12.0g,42mmol)、2−メチル−2−ヘキサノール(6.4g,55mmol)、ピリジン(60mL)を加え、窒素雰囲気下、常圧で攪拌しながら2−クロロ−3,5−ジニトロピリジン(8.6g,42mmol)を加え、120℃で30分加熱攪拌した。室温に冷却後、内溶液を6%炭酸水素ナトリウム水溶液(720mL)に入れ、400mLの石油エーテルで2回抽出した。得られた有機相を300mLの水で3回洗浄し、無水硫酸ナトリウムを加えて一晩脱水した。溶媒を除去した後、残留物を酢酸メチル/ヘキサン(1/7)を展開溶媒としたシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し、薄い黄色の油状物を得た(収量7.5g、収率41%)。
H−NMR(CDCl):δ7.26(s,1H),δ1.84(t,2H),δ1.53(s,6H),δ1.31−1.36(m,4H),0.90(t,3H)
質量分析GC−MS(GCMS−QP2010Plus(島津製作所社製)):m/s 384.1275(M+)
(Synthesis Example 2)
The synthesis of compound 2 (2-methyl-2-hexyl 2,5-dibromothiophene-3-carboxylic acid) shown in reaction formula (I) is shown.
The compound 1 (12.0 g, 42 mmol), 2-methyl-2-hexanol (6.4 g, 55 mmol) and pyridine (60 mL) were added to a 250 mL three-necked flask, and the mixture was stirred under normal pressure under a nitrogen atmosphere. Chloro-3,5-dinitropyridine (8.6 g, 42 mmol) was added, and the mixture was stirred with heating at 120 ° C. for 30 min. After cooling to room temperature, the inner solution was placed in a 6% aqueous sodium hydrogen carbonate solution (720 mL) and extracted twice with 400 mL petroleum ether. The obtained organic phase was washed with 300 mL of water three times, and anhydrous sodium sulfate was added to dehydrate overnight. After removing the solvent, the residue was purified by silica gel column chromatography using methyl acetate / hexane (1/7) as a developing solvent to obtain a pale yellow oil (yield 7.5 g, 41%). .
1 H-NMR (CDCl 3 ): δ 7.26 (s, 1H), δ 1.84 (t, 2H), δ 1.53 (s, 6H), δ 1.31-1.36 (m, 4H), 0 .90 (t, 3H)
Mass spectrometry GC-MS (GCMS-QP2010Plus (manufactured by Shimadzu Corporation)): m / s 3844.1275 (M +)

(合成例3)
反応式(II)中に示す化合物3(2,5−ビス−トリメチルスタニルチオフェン)の合成について示す。
500mLの三口フラスコに、窒素雰囲気下で、チオフェン(10.0g,119mmol)とテトラメチルエチレンジアミン(35.9mL,238mmol)を加えた。続いてブチルリチウム(2.5Mヘキサン溶液,100mL,250mmol)を徐々に滴下し、還流すると30分で白色粉末が析出した。反応溶液を−70℃に冷却し、攪拌しながら塩化トリメチルスズ(1Mテトラヒドロフラン溶液,250mL,250mmol)を徐々に加え、室温まで昇温して12時間保持した。攪拌を停止した後、反応溶液を500mLの水に注ぎ、200mLのジエチルエーテルで2回抽出した。得られた有機相に硫酸マグネシウムをいれ、一晩脱水した後、ろ別して溶媒を除去し、エタノールで再結晶することで、白色の針状結晶を得た(収量36.9g、収率76%)。
H−NMR(CDCl):δ7.37(s,1H),δ0.36(s,9H)
(Synthesis Example 3)
The synthesis of Compound 3 (2,5-bis-trimethylstannylthiophene) shown in Reaction Formula (II) is shown.
Thiophene (10.0 g, 119 mmol) and tetramethylethylenediamine (35.9 mL, 238 mmol) were added to a 500 mL three-necked flask under a nitrogen atmosphere. Subsequently, butyl lithium (2.5 M hexane solution, 100 mL, 250 mmol) was gradually added dropwise, and when refluxed, a white powder precipitated in 30 minutes. The reaction solution was cooled to −70 ° C., trimethyltin chloride (1M tetrahydrofuran solution, 250 mL, 250 mmol) was gradually added while stirring, and the temperature was raised to room temperature and maintained for 12 hours. After stopping the stirring, the reaction solution was poured into 500 mL of water and extracted twice with 200 mL of diethyl ether. Magnesium sulfate was added to the obtained organic phase, dehydrated overnight, filtered to remove the solvent, and recrystallized with ethanol to obtain white needle crystals (yield 36.9 g, yield 76%). ).
1 H-NMR (CDCl 3 ): δ 7.37 (s, 1H), δ 0.36 (s, 9H)

(合成例4)
反応式(II)中に示すチオフェン共重合体4及び4’の合成について示す。
1.0Lの三口フラスコに、合成例2で得られた化合物2(12.8g,33.3mmol)と合成例3で得られた化合物3(13.7g,33.3mmol)を入れ、減圧と窒素置換を5回以上繰り返し、パラジウム触媒[Pd(PPh,2.05g,1.76mmol]、ジメチルホルムアミド(90mL)とトルエン(385mL)をシリンジを用いて加えた。窒素雰囲気下、120℃で24時間加熱攪拌し、室温まで冷却した後、反応溶液を3.6Lのメタノールに入れて反応物を析出させた。析出物をろ別し、ヘキサンで12時間ソックスレー抽出し、次いで300mLのテトラヒドロフラン(THF)で12時間ソックスレー抽出して重合物のTHF溶液を得た。得られたTHF溶液を3.6Lのメタノールに入れて重合物を析出させ、ろ別して固体を得た。続いて、得られた固体をアセトンでソックスレー抽出し、乾燥してチオフェン共重合体4を得た(収量3.3g,収率32.3%)。SECで測定したその数平均分子量(Mn)は25,000であり、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)で求められる分子量分布(PDI)は、3.35であった。
H−NMR(CDCl):δ7.35(s,1H),δ7.35(s,1H),δ7.15(s,1H),δ1.83(t,2H),δ1.54(s,6H),δ1.26−1.30(m,4H)δ0.91(t,3H)
(Synthesis Example 4)
It shows about the synthesis | combination of the thiophene copolymer 4 and 4 'shown in Reaction formula (II).
In a 1.0 L three-necked flask, the compound 2 obtained in Synthesis Example 2 (12.8 g, 33.3 mmol) and the compound 3 obtained in Synthesis Example 3 (13.7 g, 33.3 mmol) were placed. The nitrogen substitution was repeated 5 times or more, and palladium catalyst [Pd (PPh 3 ) 4 , 2.05 g, 1.76 mmol], dimethylformamide (90 mL) and toluene (385 mL) were added using a syringe. The mixture was heated and stirred at 120 ° C. for 24 hours under a nitrogen atmosphere and cooled to room temperature, and then the reaction solution was put into 3.6 L of methanol to precipitate a reaction product. The precipitate was separated by filtration, Soxhlet extracted with hexane for 12 hours, and then Soxhlet extracted with 300 mL of tetrahydrofuran (THF) for 12 hours to obtain a THF solution of the polymer. The obtained THF solution was put into 3.6 L of methanol to precipitate a polymer, and filtered to obtain a solid. Subsequently, the obtained solid was subjected to Soxhlet extraction with acetone and dried to obtain a thiophene copolymer 4 (yield 3.3 g, yield 32.3%). The number average molecular weight (Mn) measured by SEC was 25,000, and the molecular weight distribution (PDI) obtained by weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn) was 3.35.
1 H-NMR (CDCl 3 ): δ 7.35 (s, 1 H), δ 7.35 (s, 1 H), δ 7.15 (s, 1 H), δ 1.83 (t, 2 H), δ 1.54 (s , 6H), δ 1.26-1.30 (m, 4H) δ 0.91 (t, 3H)

得られたチオフェン共重合体4を前記方法に従い昇温速度10℃/minで熱重量分析した結果、220℃において重量減少は28%に達し、以後250℃まで変化なしであった。また、室温から200℃まで昇温し、以降200℃で保持したところ、保持開始より18分経過後から重量減少が始まり、20分経過後において重量減少は28%に達し、以後60分経過後まで変化なしであった。また、得られたチオフェン共重合体4を前記方法に従ってFT−IR分析した。分析は、重合・精製した直後のものと、さらに200℃で20分間加熱処理したものについて実施した。その結果、重合・精製した直後のものではアルキルエステル由来ピーク(1714cm−1)のみ確認されたのに対し、200℃で20分間加熱処理したものではアルキルエステル由来ピーク(1714cm−1)の減少とカルボン酸由来ピーク(1680cm−1)の出現が確認された。
以上の結果より、200℃で20分間熱処理することでチオフェン共重合体4の側鎖アルキル基が脱離し、チオフェン共重合体4’が得られていることが明らかとなった。
The obtained thiophene copolymer 4 was subjected to thermogravimetric analysis at a rate of temperature increase of 10 ° C./min according to the above method. As a result, the weight loss reached 28% at 220 ° C. and remained unchanged until 250 ° C. Further, when the temperature was raised from room temperature to 200 ° C. and then held at 200 ° C., the weight reduction started after 18 minutes from the start of the holding, and the weight reduction reached 28% after 20 minutes, and then after 60 minutes. There was no change until. Further, the obtained thiophene copolymer 4 was subjected to FT-IR analysis according to the above method. The analysis was carried out on a sample immediately after polymerization and purification and a sample subjected to heat treatment at 200 ° C. for 20 minutes. As a result, only the alkyl ester-derived peak (1714 cm −1 ) was confirmed immediately after the polymerization / purification, whereas the alkyl ester-derived peak (1714 cm −1 ) decreased with heat treatment at 200 ° C. for 20 minutes. The appearance of a carboxylic acid-derived peak (1680 cm −1 ) was confirmed.
From the above results, it was revealed that the side chain alkyl group of the thiophene copolymer 4 was eliminated by heat treatment at 200 ° C. for 20 minutes, and the thiophene copolymer 4 ′ was obtained.

(合成例5)
重合時に加える溶媒をジメチルホルムアミド(63mL)とトルエン(270mL)に変更した以外は、合成例4と同様の方法でチオフェン共重合体を得た(収量3.7g,収率36.2%)。
SECで測定したその数平均分子量(Mn)は51,000であり、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)で求められる分子量分布(PDI)は、4.28であった。
(Synthesis Example 5)
A thiophene copolymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the solvent added during polymerization was changed to dimethylformamide (63 mL) and toluene (270 mL) (yield 3.7 g, yield 36.2%).
The number average molecular weight (Mn) measured by SEC was 51,000, and the molecular weight distribution (PDI) obtained by weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn) was 4.28.

(合成例6)
重合時に加える溶媒をジメチルホルムアミド(135mL)とトルエン(405mL)に変更した以外は、合成例4と同様の方法でチオフェン共重合体を得た(収量2.8g,収率27.4%)。
SECで測定したその数平均分子量(Mn)は12,000であり、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)で求められる分子量分布(PDI)は、3.28であった。
(Synthesis Example 6)
A thiophene copolymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the solvent added during the polymerization was changed to dimethylformamide (135 mL) and toluene (405 mL) (yield 2.8 g, yield 27.4%).
The number average molecular weight (Mn) measured by SEC was 12,000, and the molecular weight distribution (PDI) obtained by weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn) was 3.28.

(合成例7)
下記反応式(III)に従いブロック共重合体9の合成を行った。

Figure 2014003255
(Synthesis Example 7)
The block copolymer 9 was synthesized according to the following reaction formula (III).
Figure 2014003255

充分に乾燥させアルゴン置換したナスフラスコAに、脱水及び過酸化物除去処理を行なったTHF21mLと、2−ブロモ−5−ヨード−3−ヘキシルチオフェン1.53g(4.1mmol、式(III)中に示す化合物5)と、i−プロピルマグネシウムクロリドの2.0M溶液2.1mLを加えて、0℃で30分攪拌し式(III)中に示す化合物6で示す有機マグネシウム化合物の溶液を合成した。別の充分に乾燥させアルゴン置換したナスフラスコBで、脱水及び過酸化物除去処理を行なったTHF4mLと2,5−ジブロモ−3−(6−ブロモヘキシル)チオフェン0.361g(0.9mmol、式(III)中に示す化合物7)とt−ブチルマグネシウムクロリドの1.0M溶液0.9mLを加えて、60℃で2時間攪拌し、式(III)中に示す化合物8で示す有機マグネシウム化合物の溶液を合成した。   In a eggplant flask A thoroughly dried and substituted with argon, 21 mL of THF subjected to dehydration and peroxide removal treatment and 1.53 g (4.1 mmol, 4.1 mmol, 2-bromo-5-iodo-3-hexylthiophene in formula (III) 2) and 2.1 mL of a 2.0M solution of i-propylmagnesium chloride were added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 30 minutes to synthesize an organomagnesium compound solution represented by compound 6 represented by formula (III). . In another eggplant flask B that had been thoroughly dried and purged with argon, 4 mL of THF subjected to dehydration and peroxide removal treatment and 0.361 g (0.9 mmol, 2,5-dibromo-3- (6-bromohexyl) thiophene) Compound 0.9) shown in (III) and 0.9 mL of a 1.0M solution of t-butylmagnesium chloride were added, stirred at 60 ° C. for 2 hours, and the organomagnesium compound shown as Compound 8 shown in Formula (III) A solution was synthesized.

乾燥させアルゴン置換したナスフラスコCに、脱水及び過酸化物除去処理を行なったTHF25mLとNiCl(dppp)27mg(0.05mmol)を加えて35℃に加熱した後、先に調製した化合物6の溶液の70%を添加し、35℃で1.5時間加熱攪拌した。次いで、残りの化合物6の溶液及び別途調製した化合物8の溶液を添加し、35℃で2時間反応させた。反応終了後、t−ブチルマグネシウムクロリドの1.0M THF溶液2mLを加え35℃にて1時間攪拌し、次いで5M塩酸30mLを加えて室温で1時間攪拌した。この反応液をクロロホルム450mLで抽出し、有機層を重曹水100mL、蒸留水100mLの順で洗浄し、有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥後、濃縮乾固した。得られた黒紫色の固体を、クロロホルムの30mLに溶かし、メタノールの300mLに再沈殿し、充分に乾燥したものを、分取用GPCカラムを用いて精製することによりブロック共重合体9(750mg)を得た。得られたブロック共重合体9の重量平均分子量(Mw)は27,400、数平均分子量(Mn)は25,370、多分散度は1.08であった。
H−NMR(CDCl):δ=6.97(s、1H)、3.41(t、J=6.8Hz、0.2H)、2.80(t、J=8.0Hz、2H)、1.89−1.27(m、9.8H)、0.91(t、J=6.8Hz、2.7H)
To a dried eggplant flask C substituted with argon, 25 mL of THF and 27 mg (0.05 mmol) of NiCl 2 (dppp) subjected to dehydration and peroxide removal treatment were added and heated to 35 ° C. Then, the compound 6 prepared above was heated. 70% of the solution was added and stirred with heating at 35 ° C. for 1.5 hours. Then, the remaining compound 6 solution and a separately prepared compound 8 solution were added and reacted at 35 ° C. for 2 hours. After completion of the reaction, 2 mL of 1.0 M THF solution of t-butylmagnesium chloride was added and stirred at 35 ° C. for 1 hour, and then 30 mL of 5M hydrochloric acid was added and stirred at room temperature for 1 hour. This reaction solution was extracted with 450 mL of chloroform, and the organic layer was washed with 100 mL of sodium bicarbonate water and 100 mL of distilled water in this order. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated to dryness. The obtained black purple solid was dissolved in 30 mL of chloroform, reprecipitated in 300 mL of methanol, and sufficiently dried, and purified using a preparative GPC column to block copolymer 9 (750 mg) Got. The resulting block copolymer 9 had a weight average molecular weight (Mw) of 27,400, a number average molecular weight (Mn) of 25,370, and a polydispersity of 1.08.
1 H-NMR (CDCl 3 ): δ = 6.97 (s, 1H), 3.41 (t, J = 6.8 Hz, 0.2H), 2.80 (t, J = 8.0 Hz, 2H) ), 1.89-1.27 (m, 9.8H), 0.91 (t, J = 6.8 Hz, 2.7H)

以下、前記合成例で得られた重合体を用いて製造した本発明の実施例について説明する。なお、実施例中の評価は以下のようにして行った。   Hereinafter, examples of the present invention produced using the polymer obtained in the synthesis example will be described. In addition, evaluation in an Example was performed as follows.

[有機薄膜の膜厚測定]
以下の実施例及び比較例の有機薄膜の膜厚は、接触式段差計(DEKTAK8:Veeco社製)を用いて、触針圧:3mg、測定レンジ:50kÅの条件で測定した。
[分光感度の測定]
以下の実施例及び比較例で作製した光電変換素子の分光感度は、分光感度測定装置(SM−250型:分光計器社製)を用いて測定した。ソースメーターとしてケースレー2400(KEITHLEY社製)を用いた。測定時の特定波長における照射強度は、フォトダイオード(S1337−66BQ、浜松フォトニクス社製)を用いて校正した。測定時には、光電変換素子の受光面積と同じ面積の照射光マスクを着用し、余剰な光の入射を排除した。
[Measurement of organic thin film thickness]
The film thickness of the organic thin film of the following Examples and Comparative Examples was measured using a contact-type step gauge (DEKTAK8: manufactured by Veeco) under the conditions of stylus pressure: 3 mg and measurement range: 50 kÅ.
[Spectral sensitivity measurement]
The spectral sensitivity of the photoelectric conversion elements produced in the following examples and comparative examples was measured using a spectral sensitivity measuring device (SM-250 type: manufactured by Spectrometer Co., Ltd.). Keithley 2400 (manufactured by KEITHLEY) was used as a source meter. The irradiation intensity at a specific wavelength at the time of measurement was calibrated using a photodiode (S1337-66BQ, manufactured by Hamamatsu Photonics). At the time of measurement, an irradiation light mask having the same area as the light receiving area of the photoelectric conversion element was worn to eliminate excessive light incidence.

[光電変換効率の測定]
以下の実施例及び比較例で作製した作製した光電変換素子の光電変換効率は、ソーラーシミュレーター(PEC−L11:ペクセルテクノロジー社製)及びソースメーター(KEITHLEY2400:KEITHLEY社製)を用い、照射スペクトルはAM1.5、照射強度は100mW/cm2で測定した。測定時の照射強度は、フォトダイオード(BS−520、分光計器社製)を用い、太陽電池評価基準となるように調節した。測定時には、光電変換素子の受光面積と同じ面積の照射光マスクを着用し、余剰な光の入射を排除した。
[Measurement of photoelectric conversion efficiency]
The photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion elements prepared in the following examples and comparative examples was measured using a solar simulator (PEC-L11: manufactured by Pexel Technology) and a source meter (KEITHLEY2400: manufactured by KEITHLEY). AM1.5, irradiation intensity was measured at 100 mW / cm2. The irradiation intensity at the time of measurement was adjusted to be a solar cell evaluation standard using a photodiode (BS-520, manufactured by Spectrometer Co., Ltd.). At the time of measurement, an irradiation light mask having the same area as the light receiving area of the photoelectric conversion element was worn to eliminate excessive light incidence.

(実施例1)
合成例4で得られたチオフェン共重合体にクロロベンゼンを加えて10mg/mLの濃度に調製し、60℃で6時間加熱攪拌した後、室温に冷却して0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のフィルターでろ過して均一な溶液を得た。
Example 1
Chlorobenzene was added to the thiophene copolymer obtained in Synthesis Example 4 to prepare a concentration of 10 mg / mL, heated and stirred at 60 ° C. for 6 hours, cooled to room temperature, and 0.45 μm polytetrafluoroethylene (PTFE). ) To obtain a uniform solution.

150nmのインジウム・スズ・オキサイド(ITO)が0.7mmのガラス上に製膜された基板(ジオマテック社製)を、セミコクリーン(フルウチ化学社製)、超純水、アセトン(試薬特級:和光純薬工業社製)イソプロパノール(試薬特級:和光純薬工業社製)の順で10分間超音波洗浄し、乾燥した後、UV−Oクリーナー(フィルジェン社製)を用いて20分間オゾンクリーニングした。 A substrate (manufactured by Geomatech Co., Ltd.) with 150 nm indium tin oxide (ITO) formed on a 0.7 mm glass, semi-clean (Furuuchi Chemical Co., Ltd.), ultrapure water, acetone (special reagent grade: Wako Jun) Yaku Kogyo Co., Ltd.) Isopropanol (reagent grade: Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in the order of ultrasonic cleaning for 10 minutes, dried, and then ozone-cleaned for 20 minutes using a UV-O 3 cleaner (manufactured by Filgen). .

調製した溶液と洗浄したITO基板を窒素で満たされたグローブボックス中に導入し、窒素雰囲気下にて、1000rpmで60秒間スピンコートした。製膜後、1時間減圧乾燥し、窒素雰囲気下、200℃で20分間熱処理して本発明の有機薄膜を得た。得られた有機薄膜の膜厚は15nmであった。   The prepared solution and the cleaned ITO substrate were introduced into a glove box filled with nitrogen, and spin-coated at 1000 rpm for 60 seconds in a nitrogen atmosphere. After film formation, the film was dried under reduced pressure for 1 hour, and heat-treated at 200 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain the organic thin film of the present invention. The film thickness of the obtained organic thin film was 15 nm.

得られた有機薄膜を50mLのトルエン、THF、クロロホルム(CF)、クロロベンゼン(CBz)、ジクロロベンゼン(DCBz)、トリクロロベンゼン(TCBz)にそれぞれ1時間浸漬したところ、いずれの有機溶媒に対しても不溶であった。   When the obtained organic thin film was immersed in 50 mL of toluene, THF, chloroform (CF), chlorobenzene (CBz), dichlorobenzene (DCBz), and trichlorobenzene (TCBz) for 1 hour, it was insoluble in any organic solvent. Met.

(実施例2)
実施例1で得られた、150nmのITO基板上に製膜した本発明の有機薄膜(膜厚15nm)を大気に触れさせることなく抵抗加熱式真空蒸着装置に導入し、5.0×10−5Paの減圧条件下にて80nmのアルミニウム(Al)(純度99.995%)を真空蒸着し、光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の受光面積は0.25cmであった。
(Example 2)
The organic thin film (film thickness of 15 nm) of the present invention formed on a 150 nm ITO substrate obtained in Example 1 was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus without being exposed to the atmosphere, and 5.0 × 10 80 nm of aluminum (Al) (purity 99.995%) was vacuum-deposited under reduced pressure of 5 Pa to produce a photoelectric conversion element. The light receiving area of the produced photoelectric conversion element was 0.25 cm 2 .

作製した光電変換素子の分光感度を測定したところ、400〜620nmの波長域において光電変換していることが明らかとなった。続いて、作製した光電変換素子の光電変換効率を測定したところ、短絡電流密度=0.2mA/cm、開放電圧=0.61V、曲線因子=0.35、光電変換効率=0.04%であった。 When the spectral sensitivity of the produced photoelectric conversion element was measured, it was revealed that photoelectric conversion was performed in a wavelength range of 400 to 620 nm. Subsequently, when the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element was measured, the short-circuit current density = 0.2 mA / cm 2 , the open circuit voltage = 0.61 V, the fill factor = 0.35, and the photoelectric conversion efficiency = 0.04%. Met.

実施例1の結果より、本発明の有機薄膜は、有機溶媒に溶解して製膜した後、熱処理を加えることで不溶化することが明らかとなった。よって、本発明の有機薄膜は、製膜後その上に有機半導体組成物の溶液等を塗工しても溶出することなく光電変換活性層を形成することができ、溶液プロセスで積層構造を作製することが可能である。また、実施例2の結果より、本発明の有機薄膜は薄膜単独でも光電変換機能を有する。   From the results of Example 1, it was revealed that the organic thin film of the present invention was insolubilized by heat treatment after being dissolved in an organic solvent to form a film. Therefore, the organic thin film of the present invention can form a photoelectric conversion active layer without elution even if a solution of the organic semiconductor composition is applied on the organic thin film after forming the film, and a laminated structure is produced by a solution process. Is possible. From the results of Example 2, the organic thin film of the present invention has a photoelectric conversion function even when the thin film is used alone.

(実施例3)
実施例1と同様の方法で150nmのITOが蒸着されたガラス基板(ITO基板)を洗浄した。続いて、大気下にて、ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホネート添加物(PEDOT:PSS)(CLEVIOS PH 500:H.C.スタルク社製)を洗浄済みのITO基板に滴下し、4000rpmで60秒間スピンコートした。製膜後の基板を140℃で10分間ベーキングした。このときのPEDOT:PSSの膜厚は40nmであった。
(Example 3)
A glass substrate (ITO substrate) on which ITO of 150 nm was deposited was washed in the same manner as in Example 1. Subsequently, polyethylene dioxythiophene: polystyrene sulfonate additive (PEDOT: PSS) (CLEVIOS PH 500: manufactured by HC Starck Co., Ltd.) is dropped on the cleaned ITO substrate in the air, and is spun at 4000 rpm for 60 seconds. Coated. The substrate after film formation was baked at 140 ° C. for 10 minutes. The film thickness of PEDOT: PSS at this time was 40 nm.

実施例1に記載の重合体溶液をスピンコートする際の回転数を1500回転に変えたこと以外は実施例1と同様の方法で、PEDOT:PSSが製膜されたITO基板上に、合成例4で得られた重合体を含む溶液をスピンコートし、窒素雰囲気下、200℃で20分間熱処理して本発明の有機薄膜を形成した。有機薄膜の膜厚は10nmであった。続いて、合成例4で得られた重合体と[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル(PC61BM)(E−100H:フロンティアカーボン社製)とを重量比1:0.8で混合した有機半導体組成物のクロロベンゼン溶液を、窒素雰囲気下で基板上にスピンコートし、200℃で20分熱処理して、本発明の有機薄膜の上に光電変換活性層が形成された積層体を作製した。光電変換活性層の膜厚は90nmであった。 A synthetic example was formed on an ITO substrate on which PEDOT: PSS was formed in the same manner as in Example 1 except that the number of revolutions when spin-coating the polymer solution described in Example 1 was changed to 1500 revolutions. The solution containing the polymer obtained in 4 was spin-coated and heat-treated at 200 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere to form the organic thin film of the present invention. The film thickness of the organic thin film was 10 nm. Subsequently, the polymer obtained in Synthesis Example 4 and [6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PC 61 BM) (E-100H: manufactured by Frontier Carbon Co.) were used at a weight ratio of 1: 0. The chlorobenzene solution of the organic semiconductor composition mixed in step 8 is spin-coated on a substrate in a nitrogen atmosphere and heat-treated at 200 ° C. for 20 minutes to form a photoelectric conversion active layer formed on the organic thin film of the present invention. The body was made. The film thickness of the photoelectric conversion active layer was 90 nm.

続いて、実施例2と同様の方法により、光電変換活性層膜上に0.5nmのフッ化リチウム(LiF)(純度99.99%)を真空蒸着し、次いで80nmのアルミニウム(Al)(純度99.995%:ニラコ社製)を真空蒸着して、光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の受光面積は0.25cmであった。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定したところ、光電変換効率は2.55%であった。 Subsequently, by the same method as in Example 2, 0.5 nm of lithium fluoride (LiF) (purity 99.99%) was vacuum-deposited on the photoelectric conversion active layer film, and then 80 nm of aluminum (Al) (purity). 99.995% (manufactured by Niraco) was vacuum-deposited to produce a photoelectric conversion element. The light receiving area of the produced photoelectric conversion element was 0.25 cm 2 . When the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element was measured, the photoelectric conversion efficiency was 2.55%.

(実施例4)
本発明の有機薄膜をスピンコートにより製膜する際の回転数を1000回転に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は15nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.42%であった。
Example 4
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the number of revolutions when the organic thin film of the present invention was formed by spin coating was changed to 1000 revolutions. The film thickness of the organic thin film was 15 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.42%.

(実施例5)
本発明の有機薄膜をスピンコートにより製膜する際の回転数を900回転に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は22nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.31%であった。
(Example 5)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the number of revolutions when the organic thin film of the present invention was formed by spin coating was changed to 900 revolutions. The film thickness of the organic thin film was 22 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.31%.

(実施例6)
本発明の有機薄膜を熱処理する際の温度を240℃に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は12nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.35%であった。
(Example 6)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the temperature when heat treating the organic thin film of the present invention was changed to 240 ° C. The film thickness of the organic thin film was 12 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.35%.

(実施例7)
本発明の有機薄膜を熱処理する際の温度を270℃に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は13nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.28%であった。
(Example 7)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the temperature when heat treating the organic thin film of the present invention was changed to 270 ° C. The film thickness of the organic thin film was 13 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.28%.

(実施例8)
本発明の有機薄膜を作製するチオフェン共重合体を合成例5で得られた重合体(Mn=51,000)に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は11nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.72%であった。
(Example 8)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the thiophene copolymer for producing the organic thin film of the present invention was changed to the polymer obtained in Synthesis Example 5 (Mn = 51,000). . The film thickness of the organic thin film was 11 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.72%.

(実施例9)
光電変換活性層を、合成例7により得られたブロック重合体9と[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル(bis−PC62BM)(E−100H:フロンティアカーボン社製)とを重量比1:0.8で混合した有機半導体組成物のクロロベンゼン溶液を、窒素雰囲気下で基板上にスピンコートし、3時間真空乾燥後、120℃で30分熱アニールして形成したこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜圧は10nmであり、光電変換活性層の膜厚は90nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は4.51%であった。
Example 9
The photoelectric conversion active layer was obtained by combining the block polymer 9 obtained in Synthesis Example 7 with [6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester (bis-PC 62 BM) (E-100H: manufactured by Frontier Carbon Co.). A chlorobenzene solution of an organic semiconductor composition mixed at a weight ratio of 1: 0.8 is spin-coated on a substrate in a nitrogen atmosphere, vacuum-dried for 3 hours, and then thermally annealed at 120 ° C. for 30 minutes. Produced a photoelectric conversion element in the same manner as in Example 3. The film thickness of the organic thin film was 10 nm, and the film thickness of the photoelectric conversion active layer was 90 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 4.51%.

(比較例1)
200℃で20分間熱処理をしなかったこと以外は実施例1と同様の方法で18nmの有機薄膜を得た。得られた有機薄膜を50mLのトルエン、THF、CF、CBz、DCBz、TCBzにそれぞれ1時間浸漬したところ、全ての有機溶媒に対して有機薄膜は溶解した。
(Comparative Example 1)
An 18 nm organic thin film was obtained in the same manner as in Example 1 except that heat treatment was not performed at 200 ° C. for 20 minutes. When the obtained organic thin film was immersed in 50 mL of toluene, THF, CF, CBz, DCBz, and TCBz for 1 hour, the organic thin film was dissolved in all organic solvents.

(比較例2)
実施例2において、本発明の有機薄膜の代わりに実施例3と同様の方法で形成した40nmのPEDOT:PSS膜を用いた以外は実施例2と同様の方法で光電変換素子を作成した。得られた光電変換素子の光電変換効率を測定したが、光起電力は確認されず、光電変換を示す結果は得られなかった。
(Comparative Example 2)
In Example 2, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2 except that a 40 nm PEDOT: PSS film formed by the same method as in Example 3 was used instead of the organic thin film of the present invention. Although the photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was measured, the photovoltaic force was not confirmed and the result which shows photoelectric conversion was not obtained.

(比較例3)
本発明の有機薄膜を形成しなかったこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.02%であった。
(Comparative Example 3)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the organic thin film of the present invention was not formed. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.02%.

(比較例4)
本発明の有機薄膜をスピンコートにより製膜する際の回転数を6000回転に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は1nm以下であった。得られた光電変換素子の光電変換効率は2.18%であった。
(Comparative Example 4)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the number of rotations when the organic thin film of the present invention was formed by spin coating was changed to 6000. The film thickness of the organic thin film was 1 nm or less. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 2.18%.

(比較例5)
本発明の有機薄膜をスピンコートにより製膜する際の回転数を600回転に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は40nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は1.41%であった。
(Comparative Example 5)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the number of revolutions when the organic thin film of the present invention was formed by spin coating was changed to 600 revolutions. The film thickness of the organic thin film was 40 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 1.41%.

(比較例6)
本発明の有機薄膜を熱処理する際の温度を100℃に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は1nm以下であった。得られた光電変換素子の光電変換効率は1.98%であった。
(Comparative Example 6)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the temperature when the organic thin film of the present invention was heat-treated was changed to 100 ° C. The film thickness of the organic thin film was 1 nm or less. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 1.98%.

(比較例7)
本発明の有機薄膜を作製するポリチオフェン共重合体を合成例6で得られた重合体(Mn=12,000)に変えたこと以外は、実施例3と同様の方法で光電変換素子を作製した。有機薄膜の膜厚は5nmであった。得られた光電変換素子の光電変換効率は1.87%であった。
(Comparative Example 7)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the polythiophene copolymer for producing the organic thin film of the present invention was changed to the polymer obtained in Synthesis Example 6 (Mn = 12,000). . The film thickness of the organic thin film was 5 nm. The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element was 1.87%.

実施例3〜9及び比較例3〜7で得られた有機薄膜の物性及び光電変換素子の変換効率を表1にまとめて示す。

Figure 2014003255
Table 1 summarizes the physical properties of the organic thin films obtained in Examples 3 to 9 and Comparative Examples 3 to 7 and the conversion efficiency of the photoelectric conversion elements.
Figure 2014003255

実施例3と比較例3との比較により、本発明のチオフェン共重合体有機薄膜を用いることで光電変換効率に優れる光電変換素子が得られることが明らかとなった。また、実施例3〜5と比較例4〜6との比較により、本発明の有機薄膜の膜厚条件を満たさない場合には、光電変換効率に優れる光電変換素子を得ることができない。また、比較例7より数平均分子量が本発明の規定範囲より小さいチオフェン共重合体からなる有機薄膜を用いた場合には、光電変換効率がむしろ下がる。   Comparison between Example 3 and Comparative Example 3 revealed that a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained by using the thiophene copolymer organic thin film of the present invention. Moreover, when the film thickness conditions of the organic thin film of this invention are not satisfied by comparison with Examples 3-5 and Comparative Examples 4-6, the photoelectric conversion element which is excellent in photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. Moreover, when the organic thin film which consists of a thiophene copolymer whose number average molecular weight is smaller than the prescription | regulation range of this invention is used from the comparative example 7, photoelectric conversion efficiency falls rather.

1 基板
2 透明電極
3 有機薄膜
4 光電変換活性層
5 対向電極
6 正孔輸送層
7 電子輸送層
10 光電変換素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Transparent electrode 3 Organic thin film 4 Photoelectric conversion active layer 5 Counter electrode 6 Hole transport layer 7 Electron transport layer 10 Photoelectric conversion element

Claims (11)

下記一般式(1)
Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、p+q=n、0≦p<n、0<q≦nであり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が15,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体からなる膜厚が10nm以上30nm以下である有機薄膜。
The following general formula (1)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. Or a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms which may have a substituent, p + q = n, 0 ≦ p <n, 0 <q ≦ n, and n is a positive number of 2 or more. is there.)
An organic thin film having a thickness of 10 nm or more and 30 nm or less comprising a thiophene copolymer having a number average molecular weight of 15,000 or more and 1,000,000 or less.
請求項1の有機薄膜及び光電変換活性層を、少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極の間に有する光電変換素子。   The photoelectric conversion element which has the organic thin film and photoelectric conversion active layer of Claim 1 between a pair of electrodes in which at least one has a light transmittance. 前記有機薄膜を正極と光電変換活性層との間に有することを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the organic thin film is provided between a positive electrode and a photoelectric conversion active layer. 前記光電変換活性層が、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との混合物である請求項2または3に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the photoelectric conversion active layer is a mixture of an electron donating organic semiconductor and an electron accepting organic semiconductor. 前記電子供与性有機半導体が、化学構造の一部にチオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジべンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ベンゾジチオフェン及びジケトピロロピロールから選ばれる複素環骨格を少なくとも一つ有する単量体単位からなるπ電子共役系重合体である請求項4に記載の光電変換素子。   The electron-donating organic semiconductor has a monomer having at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene and diketopyrrolopyrrole as part of the chemical structure The photoelectric conversion element according to claim 4, which is a π-electron conjugated polymer composed of units. 前記π電子共役系重合体がブロック共重合体であることを特徴とする請求項5に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the π-electron conjugated polymer is a block copolymer. 電極と有機薄膜との間に正孔輸送材料からなる正孔輸送層をさらに有する請求項2〜6のいずれかに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 2, further comprising a hole transport layer made of a hole transport material between the electrode and the organic thin film. 下記一般式(2)
Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が20,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体を溶媒に溶解して製膜した後、熱処理することによって、下記一般式(1)
Figure 2014003255
(式中、Rは置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、Rは水素原子、フッ素原子、置換基を有してもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基又は置換基を有してもよい炭素数4〜20のヘテロアリール基であり、p+q=n、0≦p<n、0<q≦nであり、nは2以上の正数である。)
で表される数平均分子量が15,000以上1,000,000以下であるチオフェン共重合体からなる膜厚が10nm以上30nm以下である有機薄膜を形成することを特徴とする、請求項2〜7のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
The following general formula (2)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. And a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms that may have an aryl group or a substituent, and n is a positive number of 2 or more.)
A thiophene copolymer having a number average molecular weight of 20,000 or more and 1,000,000 or less represented by the following formula is dissolved in a solvent to form a film, followed by heat treatment to give the following general formula (1)
Figure 2014003255
(Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon. A heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom, a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 6 to 20 carbon atoms. Or a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms which may have a substituent, p + q = n, 0 ≦ p <n, 0 <q ≦ n, and n is a positive number of 2 or more. is there.)
An organic thin film having a thickness of 10 nm or more and 30 nm or less is formed of a thiophene copolymer having a number average molecular weight of 15,000 or more and 1,000,000 or less. 8. A method for producing a photoelectric conversion element according to any one of 7 above.
前記溶媒が、テトラヒドロフラン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、クロロホルム、ブロモホルム、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アニソール、メトキシベンゼン、トリクロロベンゼン及びピリジンから選ばれる有機溶媒またはこれらの混合溶媒であることを特徴とする請求項8に記載の光電変換素子の製造方法。   The solvent is selected from tetrahydrofuran, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, chloroform, bromoform, benzene, toluene, o-xylene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, o-dichlorobenzene, anisole, methoxybenzene, trichlorobenzene and pyridine. The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 8, wherein the organic solvent is a mixed solvent or a mixed solvent thereof. 前記熱処理を180℃以上280℃以下で行うことを特徴とする請求項8または9に記載の光電変換素子の製造方法。   The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 8 or 9, wherein the heat treatment is performed at 180 ° C or higher and 280 ° C or lower. 前記有機薄膜を形成した後、前記有機薄膜の表面にさらに光電変換活性層を塗布によって形成する請求項8〜10のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。   The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 8, wherein after forming the organic thin film, a photoelectric conversion active layer is further formed on the surface of the organic thin film by coating.
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