JP2016210750A - Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module - Google Patents

Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module Download PDF

Info

Publication number
JP2016210750A
JP2016210750A JP2015098410A JP2015098410A JP2016210750A JP 2016210750 A JP2016210750 A JP 2016210750A JP 2015098410 A JP2015098410 A JP 2015098410A JP 2015098410 A JP2015098410 A JP 2015098410A JP 2016210750 A JP2016210750 A JP 2016210750A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
compound
layer
fullerene
group
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015098410A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
栄一 中村
Eiichi Nakamura
栄一 中村
詠子 武田
Eiko Takeda
詠子 武田
幸治 原野
Koji Harano
幸治 原野
荒牧 晋司
Shinji Aramaki
晋司 荒牧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Chemical Corp, University of Tokyo NUC filed Critical Mitsubishi Chemical Corp
Priority to JP2015098410A priority Critical patent/JP2016210750A/en
Publication of JP2016210750A publication Critical patent/JP2016210750A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new semiconductor material.SOLUTION: The present invention provides a fullerene compound having a structure represented by formula (I). The present invention provides a fullerene compound having 1-5 structure(s) represented by formula (I) (Cis a carbon atom constituting a fullerene ring; R-Rindependently represent H or a monovalent organic group; R-Rmay be bound to each other to form a ring; a and b independently represent an integer of 1 or more).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、フラーレン化合物、半導体デバイス、太陽電池及び太陽電池モジュール   The present invention relates to a fullerene compound, a semiconductor device, a solar cell, and a solar cell module

修飾フラーレンは半導体材料として知られており、電界効果トランジスタ、電界発光素子(LED)、及び光電変換素子のような様々な半導体デバイスにおいて用いられている。例えば特許文献1及び特許文献2には、シリルメチル基を置換基として有するフラーレン化合物が記載されている。   Modified fullerenes are known as semiconductor materials and are used in various semiconductor devices such as field effect transistors, electroluminescent elements (LEDs), and photoelectric conversion elements. For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe fullerene compounds having a silylmethyl group as a substituent.

特開2009−206470号公報JP 2009-206470 A 特開2011−184326号公報JP 2011-184326 A

半導体デバイスの性能を向上させるため、また半導体デバイスの用途を広げるために、選択可能な半導体材料の幅を広げることが求められている。   In order to improve the performance of semiconductor devices and to expand the applications of semiconductor devices, it is required to expand the range of selectable semiconductor materials.

本発明は、新たな半導体材料を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a new semiconductor material.

本発明の要旨は以下に存する。
[1]下記式(I)に表される構造を有するフラーレン化合物。

Figure 2016210750
(式(I)中、Cはフラーレン環を構成する炭素原子を表し、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は1価の有機基を表し、R〜Rは互いに結合して環を形成していてもよく、a及びbはそれぞれ1以上の整数を表す。)
[2]前記式(I)で表わされる構造を1以上5以下有する、[1]に記載のフラーレン化合物。
[3]前記式(I)中、R及びRはそれぞれ独立して、置換基を有していてもよい脂肪族基、置換基を有していてもよい芳香族基、置換基を有していてもよいアルコキシ基、又は置換基を有していてもよいアリールオキシ基であることを特徴とする、[1]又は[2]に記載のフラーレン化合物。
[4]前記式(I)中、R〜Rはそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、置換基を有していてもよい脂肪族基又は置換基を有していてもよい芳香族基であることを特徴とする、[1]から[3]の何れかに記載のフラーレン化合物。
[5]aとbとの和が2以上3以下であることを特徴とする、[1]から[4]の何れかに記載のフラーレン化合物。
[6][1]から[5]の何れかに記載のフラーレン化合物を含有する半導体デバイス。
[7]光電変換素子、電界効果トランジスタ又は電界発光素子であることを特徴とする[6]に記載の半導体デバイス。
[8]光電変換素子である[7]に記載の半導体デバイスを備える太陽電池。
[9][8]に記載の太陽電池を備える太陽電池モジュール。 The gist of the present invention is as follows.
[1] A fullerene compound having a structure represented by the following formula (I).
Figure 2016210750
(In the formula (I), C f represents a carbon atom constituting the fullerene ring, R 1 to R 6 each independently represents a hydrogen atom or a monovalent organic group, R 1 to R 6 are bonded to each other And a and b each represents an integer of 1 or more.)
[2] The fullerene compound according to [1], wherein the structure represented by the formula (I) is 1 to 5 inclusive.
[3] In the formula (I), R 1 and R 2 each independently represents an aliphatic group which may have a substituent, an aromatic group which may have a substituent, or a substituent. The fullerene compound according to [1] or [2], which is an alkoxy group which may have or an aryloxy group which may have a substituent.
[4] In the formula (I), R 3 to R 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an aliphatic group which may have a substituent, or an aromatic which may have a substituent. The fullerene compound according to any one of [1] to [3], which is a group.
[5] The fullerene compound according to any one of [1] to [4], wherein the sum of a and b is 2 or more and 3 or less.
[6] A semiconductor device containing the fullerene compound according to any one of [1] to [5].
[7] The semiconductor device according to [6], which is a photoelectric conversion element, a field effect transistor, or an electroluminescence element.
[8] A solar cell comprising the semiconductor device according to [7], which is a photoelectric conversion element.
[9] A solar cell module comprising the solar cell according to [8].

本発明によれば、新たな半導体材料を提供することができる。   According to the present invention, a new semiconductor material can be provided.

一実施形態に係る電界効果トランジスタ素子を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the field effect transistor element which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係る電界発光素子を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the electroluminescent element which concerns on one Embodiment. 一実施形態としての光電変換素子を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the photoelectric conversion element as one Embodiment. 一実施形態としての太陽電池を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the solar cell as one Embodiment. 一実施形態としての太陽電池モジュールを模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the solar cell module as one Embodiment.

以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定はされない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The description of the constituent requirements described below is an example (representative example) of the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents unless it exceeds the gist.

<1.フラーレン化合物>
本発明に係るフラーレン化合物は、一般式(I)に表される構造を有する。

Figure 2016210750
<1. Fullerene Compound>
The fullerene compound according to the present invention has a structure represented by the general formula (I).
Figure 2016210750

フラーレン化合物とは、フラーレン環を含む化合物のことを指し、フラーレン環とは、主に炭素原子で構成される閉殻構造クラスターであるフラーレンにおいて、閉殻構造を構成する縮合環構造のことを指す。フラーレンを構成する原子数は特に制限されず、一般的には60〜130の間の偶数であることが多い。炭素原子で構成されるフラーレンの例としては、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94又はC96が挙げられる。本実施形態においてフラーレンは、さらに多くの原子を有する高次クラスターであってもよい。また、フラーレンは、炭素原子以外の原子、例えばホウ素原子又は窒素原子等を閉殻構造を構成する原子として有する、ヘテロフラーレンであってもよい。これらの中でも、フラーレンはC60又はC70であることが好ましい。C60は、入手が容易である点及び好適な電子受容性を示しうる点でさらに好ましい。C70もまた、好適な電子受容性を示しうる点で好ましい。 The fullerene compound refers to a compound containing a fullerene ring, and the fullerene ring refers to a condensed ring structure constituting a closed shell structure in fullerene which is a closed shell structure cluster mainly composed of carbon atoms. The number of atoms constituting the fullerene is not particularly limited and is generally an even number between 60 and 130 in many cases. Examples of fullerenes composed of carbon atoms include C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , C 94 or C 96 . In the present embodiment, the fullerene may be a higher-order cluster having more atoms. The fullerene may be a heterofullerene having an atom other than a carbon atom, for example, a boron atom or a nitrogen atom as an atom constituting a closed shell structure. Among these, it is preferred fullerene is C 60 or C 70. C60 is more preferable in that it is easily available and can exhibit suitable electron acceptability. C70 is also preferable in that it can exhibit a suitable electron accepting property.

上記の通り、本発明に係るフラーレン化合物は、一般式(I)で表される構造を有する。式(I)において、Cはフラーレン環を構成する炭素原子を表す。すなわち、本発明に係るフラーレン化合物は、一般式(I)中の置換基(−[CR−SiR−[CR−)をフラーレン環上に有する。具体的には、本発明に係るフラーレン化合物においては、一般式(I)中の2価の置換基(−[CR−SiR−[CR−)の両端が、フラーレン環の閉殻構造を構成する原子に直接結合している。 As described above, the fullerene compound according to the present invention has a structure represented by the general formula (I). In the formula (I), C f represents the carbon atoms constituting the fullerene ring. That is, the fullerene compound according to the present invention has a substituent (— [CR 3 R 4 ] a —SiR 1 R 2 — [CR 5 R 6 ] b —) in the general formula (I) on the fullerene ring. Specifically, in the fullerene compound according to the present invention, a divalent substituent (— [CR 3 R 4 ] a —SiR 1 R 2 — [CR 5 R 6 ] b —) in the general formula (I) is used. Both ends of are directly bonded to atoms constituting the closed shell structure of the fullerene ring.

式(I)において、a及びbはそれぞれ1以上の整数を表す。aとbとの和は2以上であり、一方、12以下であることが好ましく、8以下であることがさらに好ましく、4以下であることがより好ましく、3以下であることが特に好ましい。aは2以下であることが好ましく、1であることがより好ましい。また、bは2以下であることが好ましく、1であることがより好ましい。   In the formula (I), a and b each represent an integer of 1 or more. The sum of a and b is 2 or more, on the other hand, preferably 12 or less, more preferably 8 or less, more preferably 4 or less, and particularly preferably 3 or less. a is preferably 2 or less, and more preferably 1. B is preferably 2 or less, more preferably 1.

式(I)において、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は1価の有機基を表す。フラーレン化合物がRを2つ以上有する場合、それぞれのRは互いに異なっていてもよい。R〜Rについても同様である。また、R〜Rは互いに結合して環を形成していてもよい。 In the formula (I), R 1 to R 6 each independently represents a hydrogen atom or a monovalent organic group. If the fullerene compound has an R 3 2 or more, each R 3 may be different from each other. The same applies to R 4 to R 6 . R 1 to R 6 may be bonded to each other to form a ring.

1価の有機基としては、ハロゲン原子、置換基を有していてもよい脂肪族基、置換基を有していてもよい芳香族基、置換基を有していてもよいアルコキシ基、又は置換基を有していてもよいアリールオキシ基が挙げられる。   As the monovalent organic group, a halogen atom, an aliphatic group which may have a substituent, an aromatic group which may have a substituent, an alkoxy group which may have a substituent, or The aryloxy group which may have a substituent is mentioned.

ハロゲン原子としては、フッ素原子又は塩素原子等が挙げられ、フッ素原子であることがより好ましい。   Examples of the halogen atom include a fluorine atom or a chlorine atom, and a fluorine atom is more preferable.

脂肪族基としては、炭素数1〜14の脂肪族炭化水素基又は炭素数2〜20の脂肪族複素環基が好ましく、炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基がさらに好ましい。脂肪族炭化水素基として、具体的には、アルキル基、アルケニル基又はアルキニル基が挙げられる。アルキル基としては、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、n−ヘキシル基又はオクチル基が好ましく、メチル基又はエチル基がより好ましい。アルケニル基としては、ビニル基、アリル基、又はブテニル基等が挙げられる。アルキニル基としては、エチニル基、プロパルギル基、又はブチニル基等が挙げられる。   As an aliphatic group, a C1-C14 aliphatic hydrocarbon group or a C2-C20 aliphatic heterocyclic group is preferable, and a C1-C6 aliphatic hydrocarbon group is more preferable. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, and an alkynyl group. As the alkyl group, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, an n-hexyl group or an octyl group is preferable, and a methyl group or an ethyl group is more preferable. Examples of the alkenyl group include a vinyl group, an allyl group, and a butenyl group. Examples of the alkynyl group include an ethynyl group, a propargyl group, and a butynyl group.

芳香族基としては、炭素数6〜20の芳香族炭化水素基又は炭素数2〜20の芳香族複素環基が好ましく、炭素数6〜10の芳香族炭化水素基又は炭素数2〜10の芳香族複素環基がさらに好ましい。芳香族炭化水素基の例としては、フェニル基、ナフチル基又はアントラセニル基等が挙げられ、フェニル基又はナフチル基がより好ましい。芳香族複素環基の例としては、ピリジル基、チエニル基、フリル基又はピロリル基等が挙げられる。   As the aromatic group, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms or an aromatic heterocyclic group having 2 to 20 carbon atoms is preferable, and an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms or 2 to 10 carbon atoms. Aromatic heterocyclic groups are more preferred. Examples of the aromatic hydrocarbon group include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthracenyl group, and a phenyl group or a naphthyl group is more preferable. Examples of the aromatic heterocyclic group include a pyridyl group, a thienyl group, a furyl group, and a pyrrolyl group.

アルコキシ基としては、炭素数1〜14のアルコキシ基が好ましく、炭素数1〜6のアルコキシ基がさらに好ましい。アルコキシ基の例としては、メトキシ基、エトキシ基、i−プロポキシ基、n−ヘキシルオキシ基、又は2−エチルヘキシルオキシ基等が挙げられる。   As an alkoxy group, a C1-C14 alkoxy group is preferable and a C1-C6 alkoxy group is more preferable. Examples of the alkoxy group include a methoxy group, an ethoxy group, an i-propoxy group, an n-hexyloxy group, and a 2-ethylhexyloxy group.

アリールオキシ基の例としては、炭素数2〜20のアリールオキシ基が好ましく、炭素数2〜10のアリールオキシ基がさらに好ましい。アリールオキシ基の例としては、フェノキシ基又はナフトキシ基等が挙げられる。   As an example of the aryloxy group, an aryloxy group having 2 to 20 carbon atoms is preferable, and an aryloxy group having 2 to 10 carbon atoms is more preferable. Examples of the aryloxy group include a phenoxy group or a naphthoxy group.

これらの置換基が有してもよい置換基として特に限定は無いが、ハロゲン原子、炭素数1〜14のアルキル基、炭素数1〜14のフッ化アルキル基、炭素数1〜14のアルコキシ基が好ましい。置換基としてより好ましくはフッ素原子又は炭素数1〜14のアルコキシ基である。炭素数1〜14のアルコキシ基の例としては、メトキシ基、エトキシ基、i−プロポキシ基、n−ヘキシルオキシ基、又は2−エチルヘキシルオキシ基等が挙げられる。また、置換基を有していてもよい芳香族基の具体的な例としては、2−(2’−エチルヘキシルオキシ)フェニル基等が挙げられる。有していてもよい置換基の数に限定は無いが、1以上3以下が好ましく、1がより好ましい。複数の置換基を有する場合、それぞれの置換基の種類は異なっていてもよいが、好ましくは同一である。   Although there is no limitation in particular as a substituent which these substituents may have, a halogen atom, a C1-C14 alkyl group, a C1-C14 fluorinated alkyl group, and a C1-C14 alkoxy group Is preferred. More preferably, it is a fluorine atom or a C1-C14 alkoxy group as a substituent. Examples of the alkoxy group having 1 to 14 carbon atoms include a methoxy group, an ethoxy group, an i-propoxy group, an n-hexyloxy group, and a 2-ethylhexyloxy group. Specific examples of the aromatic group that may have a substituent include 2- (2'-ethylhexyloxy) phenyl group. Although there is no limitation in the number of the substituents which may have, 1 or more and 3 or less are preferable and 1 is more preferable. When it has a plurality of substituents, the type of each substituent may be different, but is preferably the same.

式(I)において、R及びRは、それぞれ独立して置換基を有していてもよい脂肪族基、置換基を有していてもよい芳香族基、置換基を有していてもよいアルコキシ基、又は置換基を有していてもよいアリールオキシ基であることが好ましく、置換基を有していてもよい脂肪族炭化水素基又は置換基を有していてもよい芳香族基であることがさらに好ましい。R及びRは同一の置換基であってもよい。 In the formula (I), R 1 and R 2 each independently have an aliphatic group which may have a substituent, an aromatic group which may have a substituent, or a substituent. It is preferably an alkoxy group which may be substituted, or an aryloxy group which may have a substituent, and an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent or an aromatic which may have a substituent More preferably, it is a group. R 1 and R 2 may be the same substituent.

式(I)において、R〜Rは、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、置換基を有していてもよい脂肪族基又は置換基を有していてもよい芳香族基であることが好ましく、水素原子、ハロゲン原子又は置換基を有していてもよい脂肪族炭化水素基であることがさらに好ましく、水素原子又はハロゲン原子であることがより好ましい。R〜Rは同一の置換基であってもよい。 In formula (I), R 3 to R 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an aliphatic group which may have a substituent, or an aromatic group which may have a substituent. It is preferably a hydrogen atom, a halogen atom or an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent, and more preferably a hydrogen atom or a halogen atom. R 3 to R 6 may be the same substituent.

本発明に係るフラーレン化合物が有する式(I)に表される構造の数は特に限定されないが、1以上5以下であることが好ましく、特に好ましくは、フラーレン化合物は式(I)に表される構造を1つだけ有している。   The number of structures represented by the formula (I) of the fullerene compound according to the present invention is not particularly limited, but is preferably 1 or more and 5 or less, and particularly preferably, the fullerene compound is represented by the formula (I). It has only one structure.

フラーレン環には、式(I)中の置換基以外の置換基が結合していてもよい。フラーレン環にさらに結合していてもよい置換基の例としては、置換基を有していてもよいメタノ基、置換基を有していてもよいインダンジイル基、又は置換基を有していてもよいシリルメチル基等が挙げられる。メタノ基を有するフラーレン環の例としては、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM)及びジヒドロメタノフラーレン等が知られている。インダンジイル基を有するフラーレン環の例としては、フラーレンインデンビス付加体(ICBA)等が知られている。また、シリルメチル基を有するフラーレン環の例としては、ジメチルフェニルシリルメチルフラーレン(SIMEF)等が知られている。 Substituents other than the substituent in formula (I) may be bonded to the fullerene ring. Examples of the substituent that may be further bonded to the fullerene ring include a methano group that may have a substituent, an indanediyl group that may have a substituent, or a substituent. A good silylmethyl group and the like can be mentioned. Examples of the fullerene ring having a methano group, a phenyl C 61-butyric acid methyl ester (PCBM) and dihydrotestosterone methanofullerene like are known. As an example of a fullerene ring having an indandiyl group, a fullerene indenebis adduct (ICBA) and the like are known. Further, dimethylphenylsilylmethylfullerene (SIMEF) is known as an example of a fullerene ring having a silylmethyl group.

本発明に係るフラーレン化合物のより具体的な例は、下記式(II)で表されるフラーレン化合物である。

Figure 2016210750
A more specific example of the fullerene compound according to the present invention is a fullerene compound represented by the following formula (II).
Figure 2016210750

式(II)において、R〜R、a及びbは式(I)と同様である。式(II)において、FLNは式(I)で表される構造中の置換基以外の置換基を有していてもよいフラーレンを表す。フラーレンの例及び有していてもよい置換基の例は、上述の通りである。 In the formula (II), R 1 to R 6 , a and b are the same as those in the formula (I). In the formula (II), FLN represents a fullerene which may have a substituent other than the substituent in the structure represented by the formula (I). The example of fullerene and the example of the substituent which may have are as above-mentioned.

式(II)において、nは、特段の制限はないが、1以上5以下の整数であることが好ましく、フラーレン化合物のLUMOエネルギー準位が適切に調整されうる点で、nは1であることが好ましい。   In formula (II), n is not particularly limited, but is preferably an integer of 1 to 5, and n is 1 in that the LUMO energy level of the fullerene compound can be appropriately adjusted. Is preferred.

本発明に係るフラーレン化合物は、既知のフラーレン化合物の代わりに用いることが可能である。例えば、一実施形態に係るフラーレン化合物を用いて形成した層は、n型半導体特性を示す。このため、このようなフラーレン化合物は、半導体デバイスが備える半導体層の材料として使用することができる。例えば、一実施形態に係るフラーレン化合物は、光電変換素子が備える活性層用のn型半導体材料として用いることができる。また、一実施形態に係るフラーレン化合物は、光電変換素子が備える電子取り出し層用の材料として用いることができる。   The fullerene compound according to the present invention can be used in place of a known fullerene compound. For example, a layer formed using a fullerene compound according to one embodiment exhibits n-type semiconductor characteristics. For this reason, such a fullerene compound can be used as a material of the semiconductor layer with which a semiconductor device is provided. For example, the fullerene compound which concerns on one Embodiment can be used as an n-type semiconductor material for active layers with which a photoelectric conversion element is provided. Moreover, the fullerene compound which concerns on one Embodiment can be used as a material for electron extraction layers with which a photoelectric conversion element is provided.

本発明に係るフラーレン化合物を用いることにより良好な電気特性を有する半導体デバイスを作製することができる。その理由としては、ケイ素原子を含む環状の置換基を有することにより本発明に係るフラーレン化合物の溶解性が向上し、その結果本発明に係るフラーレン化合物を含有する良質な膜を形成できることが考えられる。また、シリルメチル基を有するフラーレン化合物(例えば1,4−ビス(トリメチルシリルメチル)[60]フラーレン)の結晶は、フラーレン部位とシリルメチル基とがそれぞれ集合している電荷輸送に有利な構造をとることが知られている。本発明に係るフラーレン化合物は、このような従来の化合物と比較してケイ素原子を含む置換基が環状構造を有するために、立体障害が小さくなり、このような電荷輸送に有利な構造をよりとりやすくなるものと考えられる。   By using the fullerene compound according to the present invention, a semiconductor device having good electrical characteristics can be produced. The reason is considered that the solubility of the fullerene compound according to the present invention is improved by having a cyclic substituent containing a silicon atom, and as a result, a high-quality film containing the fullerene compound according to the present invention can be formed. . A crystal of a fullerene compound having a silylmethyl group (for example, 1,4-bis (trimethylsilylmethyl) [60] fullerene) may have a structure advantageous for charge transport in which a fullerene site and a silylmethyl group are assembled. Are known. The fullerene compound according to the present invention has a steric hindrance because the substituent containing a silicon atom has a cyclic structure as compared with such a conventional compound, and has a structure advantageous for such charge transport. It will be easier.

(フラーレン化合物含有層形成用組成物) (Fullerene compound-containing layer forming composition)

本発明に係るフラーレン化合物と溶媒とを含有する組成物は、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を形成するための組成物として利用することができる。具体的には、このような組成物を塗布及び乾燥することにより、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を形成することができる。この組成物はさらに添加剤を含有していてもよいが、好ましくは組成物の主成分は本発明に係るフラーレン化合物及び溶媒である。   The composition containing the fullerene compound according to the present invention and a solvent can be used as a composition for forming a layer containing the fullerene compound according to the present invention. Specifically, a layer containing the fullerene compound according to the present invention can be formed by applying and drying such a composition. This composition may further contain an additive, but preferably the main components of the composition are the fullerene compound and the solvent according to the present invention.

溶媒の例としては、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン若しくはデカン等の脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン、クロロベンゼン若しくはオルトジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、テトラリン若しくはデカリン等の脂環式炭化水素類;メタノール、エタノール若しくはプロパノール等の低級アルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン若しくはシクロヘキサノン等の脂肪族ケトン類;アセトフェノン若しくはプロピオフェノン等の芳香族ケトン類;酢酸エチル、酢酸ブチル若しくは乳酸メチル等のエステル類;クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタン若しくはトリクロロエチレン等のハロゲン炭化水素類;エチルエーテル、テトラヒドロフラン若しくはジオキサン等のエーテル類;又は、ジメチルホルムアミド若しくはジメチルアセトアミド等のアミド類等が挙げられる。また、二硫化炭素を使用することもできる。   Examples of the solvent include aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, isooctane, nonane or decane; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, mesitylene, cyclohexylbenzene, chlorobenzene, or orthodichlorobenzene; cyclopentane, Cycloaliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, methylcyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, tetralin or decalin; lower alcohols such as methanol, ethanol or propanol; aliphatic ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, cyclopentanone or cyclohexanone; Aromatic ketones such as acetophenone or propiophenone; esters such as ethyl acetate, butyl acetate or methyl lactate; chloroform, methylene chloride, dichloroe Emissions, halogenated hydrocarbons such as trichloroethane or trichlorethylene; ethers such as ethyl ether and tetrahydrofuran or dioxane; or an amide such as dimethylformamide or dimethylacetamide, and the like. Carbon disulfide can also be used.

組成物中に含まれるフラーレン化合物の濃度は特に限定されず、適切な厚さの層が形成されるように適宜選択することができる。塗布成膜が円滑に進むように、フラーレン化合物の濃度は好ましくは0.1重量%以上であり、さらに好ましくは0.5重量%以上であり、一方で好ましくは60重量%以下であり、さらに好ましくは45重量%以下である。   The concentration of the fullerene compound contained in the composition is not particularly limited, and can be appropriately selected so that a layer having an appropriate thickness is formed. The concentration of the fullerene compound is preferably 0.1% by weight or more, more preferably 0.5% by weight or more, while preferably 60% by weight or less, so that the coating film formation proceeds smoothly. Preferably it is 45 weight% or less.

<2.フラーレン化合物の製造方法>
本発明に係るフラーレン化合物の製造方法は特に限定されないが、以下のように、一般式(Ia)で表される構造を有する化合物を用いて本発明に係るフラーレン化合物を製造することができる。すなわち、式(Ia)で表される構造を転移反応により式(I)で表される構造へと変換することにより、本発明に係るフラーレン化合物を製造することが可能である。

Figure 2016210750
<2. Method for producing fullerene compound>
Although the manufacturing method of the fullerene compound which concerns on this invention is not specifically limited, The fullerene compound which concerns on this invention can be manufactured using the compound which has a structure represented by general formula (Ia) as follows. That is, the fullerene compound according to the present invention can be produced by converting the structure represented by the formula (Ia) into the structure represented by the formula (I) by a transfer reaction.
Figure 2016210750

式(I)と同様にCはフラーレン環を構成する炭素原子を表す。式(Ia)においてXは任意の脱離基であり、例えばシリルメチル基でありうる。一例において、式(Ia)に表される置換基のうち一方はフラーレン環を構成する六員環の1位に結合し、他方は同一の六員環の2位又は4位に結合する。なお、aが1の場合には−[CRa−1−は直接結合を表し、bが1の場合には−[CRb−1−は直接結合を表す。 Similarly C f in the formula (I) represents a carbon atom constituting the fullerene ring. In the formula (Ia), X is any leaving group, for example, a silylmethyl group. In one example, one of the substituents represented by formula (Ia) is bonded to the 1-position of the 6-membered ring constituting the fullerene ring, and the other is bonded to the 2-position or 4-position of the same 6-membered ring. When a is 1,-[CR 3 R 4 ] a-1- represents a direct bond, and when b is 1,-[CR 5 R 6 ] b-1- represents a direct bond.

例えば、式(Ia)で表される構造を有する化合物を加熱することにより、式(I)で表される構造を有する化合物を製造することができる。より具体的には、式(IIa)で表されるフラーレン化合物を加熱することにより、式(II)で表されるフラーレン化合物を製造することができる。

Figure 2016210750
For example, a compound having a structure represented by formula (I) can be produced by heating a compound having a structure represented by formula (Ia). More specifically, the fullerene compound represented by the formula (II) can be produced by heating the fullerene compound represented by the formula (IIa).
Figure 2016210750

式(IIa)において、R及びRは水素原子又は1価の有機基であり、具体例としては、R及びRについて上述したものと同様の置換基が挙げられる。R〜R12も水素原子又は1価の有機基であり、具体例としては、R〜Rについて上述したものと同様の置換基が挙げられる。また、R〜R12は互いに結合して環を形成していてもよい。a及びbは式(I)と同様である。 In the formula (IIa), R 7 and R 8 are a hydrogen atom or a monovalent organic group, and specific examples thereof include the same substituents as those described above for R 1 and R 2 . R 9 to R 12 are also a hydrogen atom or a monovalent organic group, and specific examples thereof include the same substituents as those described above for R 3 to R 6 . R 7 to R 12 may be bonded to each other to form a ring. a and b are the same as in formula (I).

式(IIa)において、一方の置換基−[CRa−1CRSiRCHRはフラーレン環を構成する六員環の1位に結合し、他方の置換基−[CRb−1CR10SiRCHR1112は同一の六員環の2位又は4位に結合する。 In the formula (IIa), one substituent — [CR 3 R 4 ] a-1 CR 3 R 4 SiR 1 R 2 CHR 5 R 6 is bonded to the 1-position of the six-membered ring constituting the fullerene ring, and the other Substituent-[CR 5 R 6 ] b-1 CR 9 R 10 SiR 7 R 8 CHR 11 R 12 is bonded to the 2- or 4-position of the same 6-membered ring.

このような化合物は、特開2009−206470号公報に従って製造可能である。具体的な製法の一例としては、フラーレンにClMg[CRa−1CRSiRCHR等の求核試薬を作用させた後、カリウムt−ブトキシド等の塩基で処理し、Cl[CRb−1CR10SiRCHR1112等の求電子試薬を作用させる方法が挙げられる。精製を容易とする観点から、置換基−[CRa−1CRSiRCHRは、置換基−[CRb−1CR10SiRCHR1112と同じ置換基であることが好ましい。 Such a compound can be produced according to JP 2009-206470 A. As an example of a specific production method, a nucleophilic reagent such as ClMg [CR 3 R 4 ] a-1 CR 3 R 4 SiR 1 R 2 CHR 5 R 6 is allowed to act on fullerene, and then potassium t-butoxide or the like is used. A method of treating with a base and causing an electrophilic reagent such as Cl [CR 5 R 6 ] b-1 CR 9 R 10 SiR 7 R 8 CHR 11 R 12 to act on may be mentioned. From the viewpoint of facilitating purification, the substituent-[CR 3 R 4 ] a-1 CR 3 R 4 SiR 1 R 2 CHR 5 R 6 is substituted with the substituent-[CR 5 R 6 ] b-1 CR 9 R 10. The substituent is preferably the same as SiR 7 R 8 CHR 11 R 12 .

式(Ia)又は式(IIa)で表される置換基をフラーレン環上に有する化合物を加熱する際の加熱温度は、特段の制限はないが、環化反応の促進のために200℃以上であることが好ましく、250℃以上であることがさらに好ましく、300℃以上であることが特に好ましく、一方、分解反応の抑制のために500℃以下であることが好ましく、400℃以下であることがさらに好ましく、350℃以下であることが特に好ましい。   The heating temperature for heating the compound having the substituent represented by the formula (Ia) or (IIa) on the fullerene ring is not particularly limited, but is 200 ° C. or more for promoting the cyclization reaction. Preferably, it is 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and on the other hand, preferably 500 ° C. or lower, and 400 ° C. or lower to suppress the decomposition reaction. More preferably, it is particularly preferably 350 ° C. or lower.

加熱時間は、環化反応の促進のために1分以上であることが好ましく、5分以上であることがさらに好ましく、10分以上であることが特に好ましく、一方、分解反応の抑制のために24時間以下であることが好ましく、12時間以下であることがさらに好ましく、6時間以下であることが特に好ましい。   The heating time is preferably 1 minute or more for promoting the cyclization reaction, more preferably 5 minutes or more, particularly preferably 10 minutes or more, while for suppressing the decomposition reaction. It is preferably 24 hours or less, more preferably 12 hours or less, and particularly preferably 6 hours or less.

また、本発明に係るフラーレン化合物は、上記以外の方法により製造することもできる。例えば、式(III)で表される化合物とフラーレンとの反応により、本発明に係るフラーレン化合物を製造することができる。   The fullerene compound according to the present invention can also be produced by a method other than the above. For example, the fullerene compound according to the present invention can be produced by a reaction between the compound represented by the formula (III) and fullerene.

Figure 2016210750
Figure 2016210750

本発明に係るフラーレン化合物は、例えば、式(III)で表される化合物に対するフラーレンの求核置換反応により製造することができる。具体例としては、式(III)で表わされる化合物、フラーレン、及び塩基を反応させる方法が挙げられる。例えば、溶媒中でフラーレンと塩基とを攪拌し(第1の攪拌)、その後、式(III)で表される化合物を追加してさらに攪拌(第2の攪拌)することによって、本発明に係るフラーレン化合物を製造することができる。   The fullerene compound according to the present invention can be produced, for example, by a nucleophilic substitution reaction of fullerene with respect to the compound represented by the formula (III). Specific examples include a method of reacting a compound represented by formula (III), fullerene, and a base. For example, according to the present invention, the fullerene and the base are stirred in a solvent (first stirring), and then the compound represented by the formula (III) is added and further stirred (second stirring). A fullerene compound can be produced.

式(III)において、R〜R、a及びbは、式(I)中のR〜R、a及びbと同義である。また、式(III)において、X及びXは脱離基を表す。脱離基に特段の制限はなく、例えば求核置換反応で通常用いられる脱離基を用いることができる。脱離基の好ましい例としてはハロゲン原子が挙げられ、なかでも脱離基がヨウ素原子であることは特に好ましい。 In formula (III), R 1 ~R 6 , a and b have the same meanings as R 1 to R 6, a and b in the formula (I). Further, in the equation (III), X 1 and X 2 represents a leaving group. There is no particular limitation on the leaving group, and for example, a leaving group usually used in a nucleophilic substitution reaction can be used. A preferred example of the leaving group is a halogen atom, and it is particularly preferred that the leaving group is an iodine atom.

この反応で用いられる塩基に特段の制限はないが、例えば炭酸カリウム、ナトリウムメトキシド又はナトリウムチオメトキシド等が挙げられる。また、この反応で用いられる溶媒にも特段の制限はない。溶解性の観点から溶媒は極性溶媒であることが好ましく。例えば、アセトニトリル、ジメチルフラン、ジメチルスルホキシド又はN−メチルピロリドン等が挙げられる。   Although there is no special restriction | limiting in the base used by this reaction, For example, potassium carbonate, sodium methoxide, sodium thiomethoxide, etc. are mentioned. Moreover, there is no special restriction | limiting also in the solvent used by this reaction. From the viewpoint of solubility, the solvent is preferably a polar solvent. For example, acetonitrile, dimethylfuran, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, etc. are mentioned.

この反応は、室温で行ってもよいし、加熱して行ってもよい。第1の攪拌を行う時間及び第2の攪拌を行う時間に特段の制限はないが、それぞれ1日間以上であることが好ましく、2日間以上であることが特に好ましい。   This reaction may be performed at room temperature or by heating. The time for performing the first stirring and the time for performing the second stirring are not particularly limited, but each is preferably 1 day or longer, and particularly preferably 2 days or longer.

<3.半導体デバイス>
以下に、本発明に係るフラーレン化合物を用いた半導体デバイスについて説明する。本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係るフラーレン化合物を含有しており、より具体的には、本発明に係るフラーレン化合物を含有する構成要素、例えば本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を有している。一実施形態に係る半導体デバイスは、一対の電極と、一対の電極間に配置された半導体層と、を有している。この半導体デバイスにおいては、半導体層が本発明に係るフラーレン化合物を含んでいるか、又は本発明に係るフラーレン化合物を含むさらなる層が設けられている。
<3. Semiconductor Device>
Below, the semiconductor device using the fullerene compound which concerns on this invention is demonstrated. The semiconductor device according to the present invention contains the fullerene compound according to the present invention, more specifically, a component containing the fullerene compound according to the present invention, for example, a layer containing the fullerene compound according to the present invention. Have. A semiconductor device according to an embodiment includes a pair of electrodes and a semiconductor layer disposed between the pair of electrodes. In this semiconductor device, the semiconductor layer includes the fullerene compound according to the present invention, or a further layer including the fullerene compound according to the present invention is provided.

本明細書において半導体デバイスとは、半導体化合物を含有する半導体層を備える電子デバイスのことを指す。電子デバイスとは、2個以上の電極とを有し、その電極間に流れる電流若しくは生じる電圧を、電気、光、磁気若しくは化学物質等により制御するデバイス、又は、その電極間に印加した電圧若しくは電流により、光、電場若しくは磁場等を発生させるデバイスのことを指す。具体例としては、電圧若しくは電流の印加により電流若しくは電圧を制御する素子、磁場の印加により電圧若しくは電流を制御する素子、又は化学物質を作用させて電圧若しくは電流を制御する素子等が挙げられる。制御の具体例としては、整流、スイッチング、増幅又は発振等が挙げられる。   In this specification, a semiconductor device refers to an electronic device provided with a semiconductor layer containing a semiconductor compound. An electronic device is a device that has two or more electrodes and controls the current flowing between the electrodes or the voltage generated by electricity, light, magnetism, or a chemical substance, or the voltage applied between the electrodes or A device that generates light, an electric field, a magnetic field, or the like by an electric current. Specific examples include an element that controls current or voltage by applying voltage or current, an element that controls voltage or current by applying a magnetic field, or an element that controls voltage or current by applying a chemical substance. Specific examples of control include rectification, switching, amplification, or oscillation.

なお、本明細書において「半導体」とは、固体状態におけるキャリア移動度の大きさによって定義される。キャリア移動度とは、周知であるように、電荷(電子又は正孔)がどれだけ速く(又は多く)移動されうるかを示す指標となるものである。具体的には、本明細書における「半導体」は、室温におけるキャリア移動度が好ましくは1.0x10−6cm/V・s以上、より好ましくは1.0x10−5cm/V・s以上、さらに好ましくは5.0x10−5cm/V・s以上、特に好ましくは1.0x10−4cm/V・s以上である。なお、キャリア移動度は、例えば電界効果トランジスタのIV特性の測定、又はタイムオブフライト法等により測定できる。 In this specification, “semiconductor” is defined by the magnitude of carrier mobility in a solid state. As is well known, the carrier mobility is an index indicating how fast (or many) charges (electrons or holes) can be transferred. Specifically, the “semiconductor” in this specification preferably has a carrier mobility at room temperature of preferably 1.0 × 10 −6 cm 2 / V · s or more, more preferably 1.0 × 10 −5 cm 2 / V · s or more. More preferably, it is 5.0 × 10 −5 cm 2 / V · s or more, and particularly preferably 1.0 × 10 −4 cm 2 / V · s or more. The carrier mobility can be measured, for example, by measuring the IV characteristics of the field effect transistor or the time-of-flight method.

半導体デバイスの例としては、抵抗器、整流器(ダイオード)、スイッチング素子(トランジスタ、サイリスタ)、増幅素子(トランジスタ)、メモリー素子若しくは化学センサー等、又はこれらの素子を組み合わせ若しくは集積化して得られたデバイスが挙げられる。また、半導体デバイスのさらなる例としては光素子が挙げられ、光素子には光電流を生じるフォトダイオード若しくはフォトトランジスタ、電界を印加することにより発光する電界発光素子、又は光により起電力を生じる光電変換素子若しくは太陽電池等が含まれる。   Examples of semiconductor devices include resistors, rectifiers (diodes), switching elements (transistors, thyristors), amplifier elements (transistors), memory elements, chemical sensors, etc., or devices obtained by combining or integrating these elements Is mentioned. Further, as a further example of a semiconductor device, there is an optical element. In the optical element, a photodiode or a phototransistor that generates a photocurrent, an electroluminescent element that emits light by applying an electric field, or photoelectric conversion that generates an electromotive force by light. An element or a solar cell is included.

半導体デバイスのより具体的な例としては、S.M.Sze著、Physics of Semiconductor Devices、2nd Edition(Wiley Interscience 1981)に記載されているものを挙げることができる。なかでも、一実施形態に係る半導体デバイスの好ましい例としては、電界効果トランジスタ素子(FET)、電界発光素子(LED)、光電変換素子又は太陽電池が挙げられる。   As a more specific example of the semiconductor device, S.A. M.M. Examples include those described in Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition (Wiley Interscience 1981). Especially, as a preferable example of the semiconductor device which concerns on one Embodiment, a field effect transistor element (FET), an electroluminescent element (LED), a photoelectric conversion element, or a solar cell is mentioned.

電極の種類は特に限定さない。半導体デバイスの種類に応じて、適切な材料を用いて電極を作製することができる。電極の具体例は、いくつかの半導体デバイスに関して後に説明する。   The kind of electrode is not specifically limited. Depending on the type of semiconductor device, an electrode can be manufactured using an appropriate material. Specific examples of electrodes will be described later with respect to some semiconductor devices.

半導体化合物とは、半導体の材料となる化合物のことを指す。半導体化合物の種類も特に限定されない。例えば、半導体層は、半導体化合物として本発明に係るフラーレン化合物を含有していてもよい。また、半導体層は、p型半導体化合物を含有していてもよいし、n型半導体化合物を含有していてもよいし、これらの双方を含有していてもよい。また、半導体層は、ペロブスカイト半導体化合物を含有していてもよい。   A semiconductor compound refers to a compound that becomes a material of a semiconductor. The kind of semiconductor compound is not particularly limited. For example, the semiconductor layer may contain the fullerene compound according to the present invention as a semiconductor compound. Further, the semiconductor layer may contain a p-type semiconductor compound, may contain an n-type semiconductor compound, or may contain both of them. The semiconductor layer may contain a perovskite semiconductor compound.

p型半導体化合物としては、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリアセチレン又はポリアニリン等の共役コポリマー半導体のような高分子半導体化合物が挙げられる。また、p型半導体化合物として、ナフタセン、ペンタセン又はピレン等の縮合芳香族炭化水素;α−セキシチオフェン等のチオフェン環を4個以上含むオリゴチオフェン類;チオフェン環、ベンゼン環、フルオレン環、ナフタレン環、アントラセン環、チアゾール環、チアジアゾール環及びベンゾチアゾール環のうち少なくとも一つ以上を含み、かつ合計4個以上連結したもの;フタロシアニン化合物及びその金属錯体、又はテトラベンゾポルフィリン等のポルフィリン化合物及びその金属錯体、等の大環状化合物等のような低分子半導体化合物も挙げられる。また、単層カーボンナノチューブ又はグラフェン等もp型半導体化合物として使用することができる。   Examples of the p-type semiconductor compound include polymer semiconductor compounds such as conjugated copolymer semiconductors such as polythiophene, polyfluorene, polyphenylene vinylene, polythienylene vinylene, polyacetylene, and polyaniline. Further, as a p-type semiconductor compound, condensed aromatic hydrocarbons such as naphthacene, pentacene or pyrene; oligothiophenes containing 4 or more thiophene rings such as α-sexithiophene; thiophene ring, benzene ring, fluorene ring, naphthalene ring , An anthracene ring, a thiazole ring, a thiadiazole ring, and a benzothiazole ring, and a total of four or more connected; a phthalocyanine compound and a metal complex thereof, or a porphyrin compound such as tetrabenzoporphyrin and a metal complex thereof And low molecular semiconductor compounds such as macrocyclic compounds. Single-walled carbon nanotubes or graphene can also be used as the p-type semiconductor compound.

n型半導体化合物としては、本発明に係るフラーレン化合物を用いることができる。その他のn型半導体化合物の例としては、フラーレン化合物、8−ヒドロキシキノリンアルミニウム等のキノリノール誘導体金属錯体、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド若しくはペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、ペリレンジイミド誘導体、ターピリジン金属錯体、トロポロン金属錯体、フラボノール金属錯体、ペリノン誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、ベンズチアゾール誘導体、ベンゾチアジアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、アルダジン誘導体、ビススチリル誘導体、ピラジン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノキサリン誘導体、ベンゾキノリン誘導体、ビピリジン誘導体、ボラン誘導体、アントラセン、ピレン、ナフタセン若しくはペンタセン等の縮合多環芳香族炭化水素の全フッ化物、グラフェン又はn型ポリマー等が挙げられる。   As the n-type semiconductor compound, the fullerene compound according to the present invention can be used. Examples of other n-type semiconductor compounds include fullerene compounds, quinolinol derivative metal complexes such as 8-hydroxyquinoline aluminum, condensed ring tetracarboxylic acid diimides such as naphthalene tetracarboxylic acid diimide or perylene tetracarboxylic acid diimide, and perylene diimide derivatives. , Terpyridine metal complex, tropolone metal complex, flavonol metal complex, perinone derivative, benzimidazole derivative, benzoxazole derivative, thiazole derivative, benzthiazole derivative, benzothiadiazole derivative, oxadiazole derivative, thiadiazole derivative, triazole derivative, aldazine derivative, bisstyryl Derivatives, pyrazine derivatives, phenanthroline derivatives, quinoxaline derivatives, benzoquinoline derivatives, bipyridine derivatives, Emissions derivatives, anthracene, pyrene, total fluoride condensed polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthacene or pentacene, and graphene or n-type polymers and the like.

ペロブスカイト半導体化合物とは、ペロブスカイト構造を有する半導体化合物のことを指す。ペロブスカイト半導体化合物としては、特段の制限はないが、例えば、Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7 - Perovskite type and related structuresで挙げられているものから選ぶことができる。例えば、ペロブスカイト化合物としては、一般式AMXで表されるもの又は一般式AMXで表されるものが挙げられる。ここで、Mは2価のカチオンを、Aは1価のカチオンを、Xは1価のアニオンを指す。 A perovskite semiconductor compound refers to a semiconductor compound having a perovskite structure. The perovskite semiconductor compound is not particularly limited, and can be selected from, for example, those listed in Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7-Perovskite type and related structures. For example, examples of the perovskite compound include those represented by the general formula AMX 3 and those represented by the general formula A 2 MX 4 . Here, M represents a divalent cation, A represents a monovalent cation, and X represents a monovalent anion.

半導体層に含まれる半導体化合物としては、半導体デバイスの種類に応じて適切なものを選択することができる。半導体化合物の具体例は、いくつかの半導体デバイスに関して後に説明する。   As the semiconductor compound contained in the semiconductor layer, an appropriate compound can be selected according to the type of the semiconductor device. Specific examples of semiconductor compounds will be described later with respect to several semiconductor devices.

半導体層の厚さは特に限定されず、半導体層の用途に応じて適宜選択することができる。一例としては、半導体層の厚さは0.5nm以上500nm以下であってもよい。   The thickness of the semiconductor layer is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the use of the semiconductor layer. As an example, the thickness of the semiconductor layer may be not less than 0.5 nm and not more than 500 nm.

半導体層には、半導体化合物以外に、他の化合物が添加されていてもよい。この場合、半導体層の半導体特性がよく発揮されるように、半導体層中の半導体化合物の割合は、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上である。また半導体層は、異なる材料を含み又は異なる成分を有する複数の層で形成される積層構造を有していてもよい。   In addition to the semiconductor compound, other compounds may be added to the semiconductor layer. In this case, the ratio of the semiconductor compound in the semiconductor layer is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and more preferably 90% by mass so that the semiconductor characteristics of the semiconductor layer are well exhibited. % Or more. The semiconductor layer may have a stacked structure including a plurality of layers containing different materials or having different components.

半導体層の形成方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。具体例としては、半導体化合物又は半導体化合物前駆体を含有する塗布液を塗布することにより半導体層を形成する塗布法、並びに半導体化合物を蒸着させる蒸着法等が挙げられる。簡易に半導体層を形成できる点で、塗布法を用いることは好ましい。   The method for forming the semiconductor layer is not particularly limited, and any method can be used. Specific examples include a coating method for forming a semiconductor layer by coating a coating solution containing a semiconductor compound or a semiconductor compound precursor, and a vapor deposition method for depositing a semiconductor compound. It is preferable to use a coating method because a semiconductor layer can be easily formed.

半導体化合物前駆体とは、塗布液を塗布した後に半導体化合物へと変換可能な材料のことを指す。具体的な例としては、加熱することにより半導体化合物へと変換可能な半導体化合物前駆体がある。例えば、塗布液を塗布することにより得られた膜を加熱することにより、半導体化合物前駆体を半導体化合物へと変換して半導体化合物を含有する半導体層を形成することができる。   The semiconductor compound precursor refers to a material that can be converted into a semiconductor compound after coating a coating solution. A specific example is a semiconductor compound precursor that can be converted into a semiconductor compound by heating. For example, by heating a film obtained by applying a coating solution, a semiconductor compound precursor can be converted into a semiconductor compound to form a semiconductor layer containing the semiconductor compound.

半導体化合物前駆体の具体例としては、加熱により後述する式(1)で表されるペロブスカイト半導体化合物へと変換可能である、後述する式(2)で表される化合物及び/又は後述する式(3)で表される化合物が挙げられ、具体的には金属ハロゲン化物及びアルキルアンモニウム塩ハロゲン化物が挙げられる。また、加熱によりp型半導体化合物であるポルフィリン化合物へと変換可能なビシクロポルフィリン化合物等も挙げられる。   Specific examples of the semiconductor compound precursor include a compound represented by the formula (2) described below and / or a formula (described later) which can be converted into a perovskite semiconductor compound represented by the formula (1) described below by heating. Examples of the compound represented by 3) include metal halides and alkylammonium salt halides. Moreover, the bicycloporphyrin compound etc. which can be converted into the porphyrin compound which is a p-type semiconductor compound by heating are mentioned.

塗布法に用いられる塗布液は、半導体化合物又は半導体化合物前駆体を溶媒に溶解させることにより作製することができる。溶媒としては、半導体化合物又は半導体化合物前駆体が溶解するのであれば特に限定されない。溶媒としては、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を形成するための組成物が含有する溶媒として上述したものと同様のものを用いることができる。   The coating liquid used for the coating method can be prepared by dissolving a semiconductor compound or a semiconductor compound precursor in a solvent. The solvent is not particularly limited as long as the semiconductor compound or the semiconductor compound precursor is dissolved. As a solvent, the thing similar to what was mentioned above as a solvent which the composition for forming the layer containing the fullerene compound concerning this invention contains can be used.

ペロブスカイト半導体化合物を使用する場合、塗布液の溶媒としては、Brandrup,J.ら編「Polymer Handbook, 4th Ed.」に記載の溶解度パラメータ(SP値)が、9以上であるものが好ましく、10以上であるものが特に好ましい。例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、ピリジン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。溶媒としては、2種類以上の溶媒の混合溶媒を用いてもよい。なお、混合溶媒を用いる場合も、混合溶媒のうち少なくとも1種の溶媒の溶解度パラメータは10以上であることが好ましい。   When a perovskite semiconductor compound is used, as a solvent for the coating solution, Brandrup, J. et al. The solubility parameter (SP value) described in et al. “Polymer Handbook, 4th Ed.” Is preferably 9 or more, and more preferably 10 or more. Examples thereof include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, pyridine, and γ-butyrolactone. As the solvent, a mixed solvent of two or more kinds of solvents may be used. Even when a mixed solvent is used, the solubility parameter of at least one of the mixed solvents is preferably 10 or more.

塗布液の塗布方法としては任意の方法を用いることができるが、例えば、スピンコート法、インクジェット法、ドクターブレード法、ドロップキャスティング法、リバースロールコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法又はカーテンコート法等が挙げられる。   Although any method can be used as a coating method of the coating solution, for example, spin coating method, ink jet method, doctor blade method, drop casting method, reverse roll coating method, gravure coating method, kiss coating method, roll brush method, Examples thereof include a spray coating method, an air knife coating method, a wire barber coating method, a pipe doctor method, an impregnation / coating method, and a curtain coating method.

塗布液を塗布した後に乾燥を行うとともに、必要に応じて半導体化合物前駆体を半導体化合物へと変換する処理を行うことにより、半導体層を形成することができる。乾燥方法は特に限定されず、例えば加熱乾燥を行ってもよい。   A semiconductor layer can be formed by performing drying after applying the coating solution and performing a process of converting the semiconductor compound precursor into a semiconductor compound as necessary. The drying method is not particularly limited, and for example, heat drying may be performed.

以下、本発明に係る半導体デバイスの例として、電界効果トランジスタ素子、電界発光素子、光電変換素子、及び太陽電池について詳細に説明する。   Hereinafter, a field effect transistor element, an electroluminescence element, a photoelectric conversion element, and a solar cell will be described in detail as examples of the semiconductor device according to the present invention.

<4.電界効果トランジスタ(FET)>
本発明に係る電界効果トランジスタ(FET)素子は、半導体層と、一対の電極であるソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極とを有する。
<4. Field Effect Transistor (FET)>
A field effect transistor (FET) device according to the present invention includes a semiconductor layer, a pair of electrodes, a source electrode and a drain electrode, and a gate electrode.

以下、一実施形態に係るFET素子について詳細に説明する。図1は、本発明に係るFET素子の構造例を模式的に表す図である。図1において、51が半導体層、52が絶縁体層、53及び54がソース電極及びドレイン電極、55がゲート電極、56が基材をそれぞれ示す。半導体層51は、半導体化合物として本発明に係るフラーレン化合物を含有している。もっとも、別の実施形態において、FET素子は、ソース電極53とドレイン電極54との間のチャネルとして働く半導体層51とは異なる、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を有していてもよい。   Hereinafter, the FET element according to an embodiment will be described in detail. FIG. 1 is a diagram schematically showing a structural example of an FET element according to the present invention. In FIG. 1, 51 is a semiconductor layer, 52 is an insulator layer, 53 and 54 are source and drain electrodes, 55 is a gate electrode, and 56 is a substrate. The semiconductor layer 51 contains the fullerene compound according to the present invention as a semiconductor compound. However, in another embodiment, the FET element may have a layer containing the fullerene compound according to the present invention, which is different from the semiconductor layer 51 serving as a channel between the source electrode 53 and the drain electrode 54. .

図1(A)〜(D)にはそれぞれ異なる構造のFET素子が記載されているが、どれも本発明に係るFET素子の構造例を示している。FET素子を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/180230号等の公知文献に記載の技術を使用することができる。   Although FIGS. 1A to 1D show FET elements having different structures, each of them shows a structure example of an FET element according to the present invention. There is no particular limitation on these constituent members constituting the FET element and the manufacturing method thereof, and well-known techniques can be used. For example, techniques described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/180230 can be used.

一実施形態に係るFET素子において、半導体層51は、基材56上に直接又は他の層を介して半導体を膜状に形成することにより作製される。半導体層51の膜厚に制限は無く、例えば横型の電界効果トランジスタ素子の場合、所定の膜厚以上であれば素子の特性は半導体層51の膜厚には依存しない。ただし、膜厚が厚くなりすぎると漏れ電流が増加してくることが多いため、半導体層の膜厚は、好ましくは0.5nm以上、さらに好ましくは10nm以上であり、コストの観点から好ましくは1μm以下、さらに好ましくは200nm以下である。   In the FET element according to one embodiment, the semiconductor layer 51 is produced by forming a semiconductor film on the substrate 56 directly or via another layer. The film thickness of the semiconductor layer 51 is not limited. For example, in the case of a horizontal field effect transistor element, the element characteristics do not depend on the film thickness of the semiconductor layer 51 as long as the film thickness is equal to or greater than a predetermined film thickness. However, since the leakage current often increases when the film thickness becomes too thick, the film thickness of the semiconductor layer is preferably 0.5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and preferably 1 μm from the viewpoint of cost. Hereinafter, it is more preferably 200 nm or less.

半導体層51の特性としては、室温におけるキャリア移動度が好ましくは1.0x10−6cm/V・s以上、さらに好ましくは1.0x10−5cm/V・s以上、より好ましくは5.0x10−5cm/V・s以上、特に好ましくは1.0x10−4cm/V・s以上である。 As the characteristics of the semiconductor layer 51, the carrier mobility at room temperature is preferably 1.0 × 10 −6 cm 2 / V · s or more, more preferably 1.0 × 10 −5 cm 2 / V · s or more, more preferably 5. 0 × 10 −5 cm 2 / V · s or more, particularly preferably 1.0 × 10 −4 cm 2 / V · s or more.

<5.電界発光素子(LED)>
本発明に係る電界発光素子(LED)は、一対の電極である陽極及び陰極と、電極間に配置された発光層と、を有する。電界発光素子は、電界を印加することにより、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子との再結合エネルギーによって蛍光性物質が発光する原理を利用した自発光素子である。一実施形態において、発光層は、本発明に係るフラーレン化合物を含有している。しかしながら、別の実施形態において、本発明に係る電界発光素子は、発光層とは異なる、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を有していてもよい。例えば、電子注入層又は電子輸送層等が、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層であってもよい。
<5. Electroluminescent device (LED)>
The electroluminescent element (LED) according to the present invention includes a pair of electrodes, an anode and a cathode, and a light emitting layer disposed between the electrodes. An electroluminescent element is a self-luminous element that utilizes the principle that a fluorescent substance emits light by recombination energy between holes injected from an anode and electrons injected from a cathode when an electric field is applied. In one embodiment, the light emitting layer contains the fullerene compound according to the present invention. However, in another embodiment, the electroluminescent element according to the present invention may have a layer containing the fullerene compound according to the present invention, which is different from the light emitting layer. For example, the electron injection layer or the electron transport layer may be a layer containing the fullerene compound according to the present invention.

図2は、本発明に係る電界発光素子の一実施形態を模式的に示す断面図である。図2において、符号31は基材、32は陽極、33は正孔注入層、34は正孔輸送層、35は発光層、36は電子輸送層、37は電子注入層、38は陰極、39は電界発光素子を示している。なお、電界発光素子がこれらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。例えば、必ずしも、正孔注入層33、正孔輸送層34、電子輸送層36、及び電子注入層37を設ける必要はない。電界発光素子を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、特開2015−032606号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the electroluminescent element according to the present invention. In FIG. 2, reference numeral 31 is a base material, 32 is an anode, 33 is a hole injection layer, 34 is a hole transport layer, 35 is a light emitting layer, 36 is an electron transport layer, 37 is an electron injection layer, 38 is a cathode, 39 Indicates an electroluminescent element. Note that the electroluminescent element does not need to have all of these constituent members, and the necessary constituent members can be arbitrarily selected. For example, the hole injection layer 33, the hole transport layer 34, the electron transport layer 36, and the electron injection layer 37 are not necessarily provided. There are no particular restrictions on these constituent members constituting the electroluminescent element and the manufacturing method thereof, and well-known techniques can be used. For example, a technique described in a publicly known document such as Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-032606 can be used.

発光層35の形成方法に制限はない。例えば、湿式成膜法又は乾式成膜法を用いることができる。また、素子の発光効率を向上させる目的、発光色を変える目的、及び素子の駆動寿命を改善する目的等で、ホスト材料に蛍光色素や燐光性金属錯体等の別の化合物をドープすることにより発光層35を作製してもよい。例えば、蛍光色素をドープすることで、
1)高効率の蛍光色素による発光効率の向上
2)蛍光色素の選択による発光波長の可変化
3)濃度消光を起こす蛍光色素が使用可能となる
4)薄膜性の悪い蛍光色素も使用可能となる
5)電荷トラップ解消により駆動安定性が向上する、等の効果が期待される。
There is no restriction | limiting in the formation method of the light emitting layer 35. FIG. For example, a wet film formation method or a dry film formation method can be used. In addition, for the purpose of improving the light emission efficiency of the device, changing the emission color, and improving the drive life of the device, the host material emits light by doping with another compound such as a fluorescent dye or a phosphorescent metal complex. Layer 35 may be made. For example, by doping with a fluorescent dye,
1) Improvement of luminous efficiency by high-efficiency fluorescent dyes 2) Variable emission wavelength by selection of fluorescent dyes 3) Use of fluorescent dyes that cause concentration quenching 4) Use of fluorescent dyes with poor thin film properties 5) It is expected that driving stability is improved by eliminating charge traps.

また、発光層35中に正孔輸送材料を混合することも、特に素子の駆動安定性を向上させる目的のために有効である。発光層35中に混合される正孔輸送材料の量は、5〜50質量%の範囲であることが好ましい。   In addition, mixing a hole transport material in the light emitting layer 35 is also effective for the purpose of improving the driving stability of the device. The amount of the hole transport material mixed in the light emitting layer 35 is preferably in the range of 5 to 50% by mass.

発光層35の膜厚に制限はなく、発光層35に望まれる条件を満たしながら発光量を確保できるように、好ましくは3nm以上、さらに好ましくは10nm以上であり、好ましくは300nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。   The thickness of the light emitting layer 35 is not limited, and is preferably 3 nm or more, more preferably 10 nm or more, preferably 300 nm or less, more preferably so that the amount of light emission can be secured while satisfying the conditions desired for the light emitting layer 35. 100 nm or less.

なお、図2は本発明に係る電界発光素子の一実施形態を示すものにすぎず、本発明に係る電界発光素子が図示された構成に限定されるわけではない。例えば、図2とは逆の積層構造とすること、すなわち、基板31上に陰極38、電子注入層37、電子輸送層36、発光層35、正孔輸送層34、正孔注入層33及び陽極32をこの順に積層することも可能である。   2 shows only one embodiment of the electroluminescent element according to the present invention, and the electroluminescent element according to the present invention is not limited to the illustrated configuration. For example, the stacked structure is the reverse of that shown in FIG. 2, that is, the cathode 38, the electron injection layer 37, the electron transport layer 36, the light emitting layer 35, the hole transport layer 34, the hole injection layer 33 and the anode on the substrate 31. It is also possible to stack 32 in this order.

本発明に係る電界発光素子の構成は特に限定されず、単一の素子であっても、アレイ状に配置された構造からなる素子であっても、陽極と陰極とがX−Yマトリックス状に配置された構造の素子であってもよい。   The configuration of the electroluminescent device according to the present invention is not particularly limited, and the anode and the cathode are arranged in an XY matrix, whether it is a single device or an element having a structure arranged in an array. It may be an element having an arranged structure.

<6.光電変換素子>
本発明に係る光電変換素子は、一対の電極であるカソード及びアノードと、電極間に配置された半導体層である活性層と、を有する。また、一実施形態に係る光電変換素子は、基材、電子取り出し層、及び正孔取り出し層を含むその他の構成要素を有していてもよい。一実施形態において、活性層は、本発明に係るフラーレン化合物を含有している。しかしながら、別の実施形態において、光電変換素子が、活性層とは異なる、本発明に係るフラーレン化合物を含有する層を有していてもよい。例えば、電子取り出し層等が、本発明に係るフラーレン化合物を含有していてもよい。
<6. Photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element according to the present invention includes a cathode and an anode that are a pair of electrodes, and an active layer that is a semiconductor layer disposed between the electrodes. In addition, the photoelectric conversion element according to an embodiment may include other components including a base material, an electron extraction layer, and a hole extraction layer. In one embodiment, the active layer contains the fullerene compound according to the present invention. However, in another embodiment, the photoelectric conversion element may have a layer containing the fullerene compound according to the present invention, which is different from the active layer. For example, the electron extraction layer or the like may contain the fullerene compound according to the present invention.

図3は、本発明に係る光電変換素子の一実施形態を模式的に表す断面図である。図3に示される光電変換素子は、一般的な薄膜太陽電池に用いられる光電変換素子であるが、本発明に係る光電変換素子が図3に示されるものに限られるわけではない。本発明の一実施形態に係る光電変換素子100は、基材107、カソード(電極)101、電子取り出し層(バッファ層)102、活性層103、正孔取り出し層(バッファ層)104及びアノード(電極)106がこの順に形成された層構造を有する。なお、必ずしも電子取り出し層102及び正孔取り出し層104を設ける必要はない。また、仕事関数チューニング層がカソード101と電子取り出し層102との間に存在してもよい。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of the photoelectric conversion element according to the present invention. The photoelectric conversion element shown in FIG. 3 is a photoelectric conversion element used in a general thin-film solar cell, but the photoelectric conversion element according to the present invention is not limited to that shown in FIG. A photoelectric conversion element 100 according to an embodiment of the present invention includes a base material 107, a cathode (electrode) 101, an electron extraction layer (buffer layer) 102, an active layer 103, a hole extraction layer (buffer layer) 104, and an anode (electrode). ) 106 has a layered structure formed in this order. Note that the electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104 are not necessarily provided. A work function tuning layer may be present between the cathode 101 and the electron extraction layer 102.

<6−1.活性層(103)>
活性層103は光電変換が行われる層である。光電変換素子100が光を受けると、光が活性層103に吸収されてキャリアが発生し、発生したキャリアはカソード101及びアノード106から取り出される。
<6-1. Active layer (103)>
The active layer 103 is a layer where photoelectric conversion is performed. When the photoelectric conversion element 100 receives light, the light is absorbed by the active layer 103 to generate carriers, and the generated carriers are extracted from the cathode 101 and the anode 106.

活性層103の構造は特に限定されない。例えば、活性層103はp型半導体化合物を含有するp層とn型半導体化合物を含有するn層とを含むヘテロ接合型の活性層であってもよい。このような活性層103に光が入射すると、層界面でキャリア分離が起こり、生じたキャリア(正孔及び電子)がカソード101及びアノード106へと輸送される。一実施形態において、n層はn型半導体材料として本発明に係るフラーレン化合物を含有している。   The structure of the active layer 103 is not particularly limited. For example, the active layer 103 may be a heterojunction active layer including a p-layer containing a p-type semiconductor compound and an n-layer containing an n-type semiconductor compound. When light enters such an active layer 103, carrier separation occurs at the layer interface, and the generated carriers (holes and electrons) are transported to the cathode 101 and the anode 106. In one embodiment, the n layer contains the fullerene compound according to the present invention as an n-type semiconductor material.

一実施形態において、活性層103は、p型半導体化合物とn型半導体化合物とが混合した層(i層)を有するバルクヘテロ型の活性層である。i層においては、p型半導体化合物とn型半導体化合物とが相分離している。i層に光が入射すると、相界面でキャリア分離が起こり、生じたキャリア(正孔及び電子)がカソード101及びアノード106へと輸送される。i層には、p型半導体化合物を含有するp層と、n型半導体化合物を含有するn層との少なくとも一方が積層されていてもよい。一実施形態において、i層とn層との少なくとも一方はn型半導体材料として本発明に係るフラーレン化合物を含有している。   In one embodiment, the active layer 103 is a bulk hetero active layer having a layer (i layer) in which a p-type semiconductor compound and an n-type semiconductor compound are mixed. In the i layer, the p-type semiconductor compound and the n-type semiconductor compound are phase-separated. When light enters the i layer, carrier separation occurs at the phase interface, and the generated carriers (holes and electrons) are transported to the cathode 101 and the anode 106. In the i layer, at least one of a p layer containing a p-type semiconductor compound and an n layer containing an n-type semiconductor compound may be laminated. In one embodiment, at least one of the i layer and the n layer contains the fullerene compound according to the present invention as an n-type semiconductor material.

他の実施形態において、活性層103は、ペロブスカイト半導体化合物を含有する層であり、このような活性層103を有する太陽電池はペロブスカイト太陽電池として知られている。ペロブスカイト半導体においては、ペロブスカイト構造を有するペロブスカイト半導体化合物が結晶を形成している。このような結晶においては速い電荷分離が起こるとともに正孔及び電子の拡散距離が長いため、効率のよい電荷分離が起こる。   In other embodiments, the active layer 103 is a layer containing a perovskite semiconductor compound, and a solar cell having such an active layer 103 is known as a perovskite solar cell. In the perovskite semiconductor, a perovskite semiconductor compound having a perovskite structure forms a crystal. In such crystals, fast charge separation occurs and the diffusion distance of holes and electrons is long, so that efficient charge separation occurs.

活性層103の厚さに特段の制限はない。より多くの光を吸収できる点で、活性層103の厚さは、好ましくは5nm以上、さらに好ましくは10nm以上、より好ましくは50nm以上、特に好ましくは120nm以上である。一方で、直列抵抗が下がる点で、活性層103の厚さは、好ましくは500nm以下、さらに好ましくは400nm以下、より好ましくは300nm以下である。   There is no particular limitation on the thickness of the active layer 103. In terms of the ability to absorb more light, the thickness of the active layer 103 is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, more preferably 50 nm or more, and particularly preferably 120 nm or more. On the other hand, the thickness of the active layer 103 is preferably 500 nm or less, more preferably 400 nm or less, and more preferably 300 nm or less in that the series resistance decreases.

(ヘテロ接合型の活性層及びバルクヘテロ型の活性層)
ヘテロ接合型又はバルクヘテロ型の活性層103が含有するp型半導体化合物に特段の制限はなく、例えば、半導体層が含んでいてもよいp型半導体化合物として例示したものを用いることができる。p型の高分子半導体化合物としては、二種以上のモノマー単位の共重合体である高分子半導体化合物を用いることが好ましい。このような光電子半導体化合物の例としては、Accounts of Chemical Research, 2012, 45, 723-733、Macromolecules, 2012, 45, 607-632、Chemistry of Materials, 2011, 23, 456-469、Energy & Environmental Science, 2011, 4, 1225-1237、Progress in Polymer Science, 2011, 36, 1326-1414、Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 10416-10434、及びProgress in Polymer Science, 2012, 37, 1292-1331に記載されるものが挙げられる。また、これらの高分子半導体化合物の誘導体を用いることもできるし、上記の文献に記載されたモノマーの共重合により得られる高分子半導体化合物を用いることもできる。さらには、溶解性、結晶性、成膜性、HOMOエネルギー準位、及びLUMOエネルギー準位等を制御するために、これらの高分子半導体化合物に対して置換基を導入してもよい。
(Heterojunction type active layer and bulk hetero type active layer)
There is no particular limitation on the p-type semiconductor compound contained in the heterojunction type or bulk hetero type active layer 103. For example, those exemplified as the p-type semiconductor compound that may be contained in the semiconductor layer can be used. As the p-type polymer semiconductor compound, a polymer semiconductor compound that is a copolymer of two or more monomer units is preferably used. Examples of such optoelectronic semiconductor compounds include Accounts of Chemical Research, 2012, 45, 723-733, Macromolecules, 2012, 45, 607-632, Chemistry of Materials, 2011, 23, 456-469, Energy & Environmental Science. , 2011, 4, 1225-1237, Progress in Polymer Science, 2011, 36, 1326-1414, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 10416-10434, and Progress in Polymer Science, 2012, 37, 1292-1331. What is done. Moreover, the derivative | guide_body of these high molecular semiconductor compounds can also be used, and the high molecular semiconductor compound obtained by copolymerization of the monomer described in said literature can also be used. Furthermore, in order to control solubility, crystallinity, film formability, HOMO energy level, LUMO energy level, and the like, substituents may be introduced into these polymer semiconductor compounds.

p型半導体化合物として、2種以上のp型半導体化合物を用いてもよい。電荷分離を促進する観点から、1.0eV以上1.8eV以下のエネルギーバンドギャップを有するp型半導体化合物を用いることは好ましい。また、簡易な塗布プロセスを用いて活性層103を形成できる点で、溶媒に溶解可能な高分子半導体化合物を用いることは好ましい。   Two or more p-type semiconductor compounds may be used as the p-type semiconductor compound. From the viewpoint of promoting charge separation, it is preferable to use a p-type semiconductor compound having an energy band gap of 1.0 eV to 1.8 eV. In addition, it is preferable to use a polymer semiconductor compound that can be dissolved in a solvent in that the active layer 103 can be formed using a simple coating process.

ヘテロ接合型又はバルクヘテロ型の活性層103が含有するn型半導体化合物に特段の制限はなく、例えば、半導体層が含んでいてもよいn型半導体化合物として例示したものを用いることができる。   There is no particular limitation on the n-type semiconductor compound contained in the heterojunction type or bulk hetero type active layer 103. For example, those exemplified as the n-type semiconductor compound that may be contained in the semiconductor layer can be used.

これらの中でも、n型半導体化合物として本発明に係るフラーレン化合物を用いることは好ましい。その他のn型半導体化合物としては、フラーレン化合物、ボラン誘導体、チアゾール誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、ベンゾチアジアゾール誘導体、N−アルキル置換されたナフタレンテトラカルボン酸ジイミド又はN−アルキル置換されたペリレンジイミド誘導体が好ましく、フラーレン化合物、N−アルキル置換されたペリレンジイミド誘導体、N−アルキル置換されたナフタレンテトラカルボン酸ジイミド又はn型ポリマーがより好ましい。また、2種以上のn型半導体化合物を用いてもよい。   Among these, it is preferable to use the fullerene compound according to the present invention as the n-type semiconductor compound. As other n-type semiconductor compounds, fullerene compounds, borane derivatives, thiazole derivatives, benzothiazole derivatives, benzothiadiazole derivatives, N-alkyl substituted naphthalene tetracarboxylic acid diimides or N-alkyl substituted perylene diimide derivatives are preferable, More preferred are fullerene compounds, N-alkyl substituted perylene diimide derivatives, N-alkyl substituted naphthalene tetracarboxylic acid diimides or n-type polymers. Two or more n-type semiconductor compounds may be used.

バルクヘテロ型の活性層103において、i層におけるn型半導体化合物に対するp型半導体化合物の質量比率(p型半導体化合物/n型半導体化合物)は、特段の制限はないが、良好な相分離構造を得ることにより光電変換効率を向上させる点で、0.15以上であることが好ましく、0.3以上であることがより好ましく、一方、4以下であることが好ましく、2以下であることがさらに好ましく、0.8以下であることが特に好ましい。   In the bulk hetero type active layer 103, the mass ratio of the p-type semiconductor compound to the n-type semiconductor compound in the i layer (p-type semiconductor compound / n-type semiconductor compound) is not particularly limited, but a good phase separation structure is obtained. In view of improving the photoelectric conversion efficiency, it is preferably 0.15 or more, more preferably 0.3 or more, on the other hand, preferably 4 or less, and more preferably 2 or less. Is particularly preferably 0.8 or less.

(ペロブスカイト半導体化合物を含有する活性層)
ペロブスカイト半導体化合物としては、特段の制限はなく、上述したものを用いることができる。好ましいペロブスカイト化合物の構造としては、一般式AMXで表されるものと一般式AMXで表されるものとが挙げられる。
(Active layer containing perovskite semiconductor compound)
The perovskite semiconductor compound is not particularly limited, and those described above can be used. Preferred structures of the perovskite compound include those represented by the general formula AMX 3 and those represented by the general formula A 2 MX 4 .

1価のカチオンAに特段の制限はないが、例えば、上記Galassoの著書に記載されているものを用いることができる。より具体的な例としては、周期表第1族及び第13族〜第16族元素を含むカチオンが挙げられる。これらの中でも、セシウムイオン、ルビジウムイオン、置換基を有していてもよいアンモニウムイオン又は置換基を有していてもよいホスホニウムイオンが好ましい。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの例としては、1級アンモニウムイオン又は2級アンモニウムイオンが挙げられる。置換基にも特段の制限はない。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの具体例としては、アルキルアンモニウムイオン又はアリールアンモニウムイオンが挙げられる。特に、立体障害を避けるために、3次元の結晶構造となるモノアルキルアンモニウムイオンを用いることが好ましい。また、カチオンAとして2種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。   Although the monovalent cation A is not particularly limited, for example, those described in the above-mentioned book of Galasso can be used. More specific examples include cations including Group 1 and Group 13 to Group 16 elements of the periodic table. Among these, cesium ion, rubidium ion, ammonium ion which may have a substituent, or phosphonium ion which may have a substituent are preferable. As an example of the ammonium ion which may have a substituent, a primary ammonium ion or a secondary ammonium ion is mentioned. There is no particular limitation on the substituent. Specific examples of the ammonium ion that may have a substituent include alkylammonium ions and arylammonium ions. In particular, in order to avoid steric hindrance, it is preferable to use a monoalkylammonium ion having a three-dimensional crystal structure. Moreover, the combination of 2 or more types of cations can also be used as the cation A.

1価のカチオンAの具体例としては、メチルアンモニウムイオン、エチルアンモニウムイオン、イソプロピルアンモニウムイオン、n−プロピルアンモニウムイオンイソブチルアンモニウムイオン、n−ブチルアンモニウムイオン、t−ブチルアンモニウムイオン、ジメチルアンモニウムイオン、ジエチルアンモニウムイオン、フェニルアンモニウムイオン、ベンジルアンモニウムイオン、フェネチルアンモニウムイオン、グアニジウムイオン、ホルムアミジニウムイオン、アセトアミジニウムイオン又はイミダゾリウムイオン等が挙げられる。   Specific examples of the monovalent cation A include methylammonium ion, ethylammonium ion, isopropylammonium ion, n-propylammonium ion, isobutylammonium ion, n-butylammonium ion, t-butylammonium ion, dimethylammonium ion, and diethylammonium ion. Examples thereof include an ion, a phenylammonium ion, a benzylammonium ion, a phenethylammonium ion, a guanidinium ion, a formamidinium ion, an acetamidinium ion, and an imidazolium ion.

2価のカチオンMにも特段の制限はないが、2価の金属カチオン又は半金属カチオンであることが好ましい。具体的な例としては周期表第14族元素のカチオンが挙げられ、より具体的な例としては、鉛カチオン(Pb2+)、スズカチオン(Sn2+)、ゲルマニウムカチオン(Ge2+)が挙げられる。また、カチオンMとして2種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。なお、安定な光電変換素子を得る観点からは、鉛カチオン又は鉛カチオンを含む2種以上のカチオンを用いることが特に好ましい。 The divalent cation M is not particularly limited, but is preferably a divalent metal cation or a semimetal cation. Specific examples include cations of Group 14 elements of the periodic table, and more specific examples include lead cations (Pb 2+ ), tin cations (Sn 2+ ), and germanium cations (Ge 2+ ). Moreover, the combination of 2 or more types of cations can also be used as the cation M. From the viewpoint of obtaining a stable photoelectric conversion element, it is particularly preferable to use a lead cation or two or more cations including a lead cation.

1価のアニオンXの例としては、ハロゲン化物イオン、酢酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ホウ酸イオン、アセチルアセトナートイオン、炭酸イオン、クエン酸イオン、硫黄イオン、テルルイオン、チオシアン酸イオン、チタン酸イオン、ジルコン酸イオン、2,4−ペンタンジオナトイオン又はケイフッ素イオン等が挙げられる。バンドギャップを調整するためには、Xは1種類のアニオンであってもよいし、2種類以上のアニオンの組み合わせであってもよい。なかでも、Xとしてはハロゲン化物イオン、又はハロゲン化物イオンとその他のアニオンとの組み合わせを用いることが好ましい。ハロゲン化物イオンXの例としては、塩化物イオン、臭化物イオン又はヨウ化物イオン等が挙げられる。半導体のバンドギャップを広げすぎない観点から、ヨウ化物イオンを用いることが好ましい。   Examples of monovalent anions X include halide ion, acetate ion, nitrate ion, sulfate ion, borate ion, acetylacetonate ion, carbonate ion, citrate ion, sulfur ion, tellurium ion, thiocyanate ion, titanate. An ion, a zirconate ion, a 2,4-pentanedionate ion, or a silicofluorine ion. In order to adjust the band gap, X may be one type of anion or a combination of two or more types of anions. Among these, X is preferably a halide ion or a combination of a halide ion and other anions. Examples of the halide ion X include chloride ion, bromide ion or iodide ion. From the viewpoint of not excessively widening the band gap of the semiconductor, it is preferable to use iodide ions.

ペロブスカイト半導体化合物の好ましい例としては、有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられ、特にハライド系有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられる。ペロブスカイト半導体化合物の具体例としては、CHNHPbI、CHNHPbBr、CHNHPbCl、CHNHSnI、CHNHSnBr、CHNHSnCl、CHNHPbI(3−x)Cl、CHNHPbI(3−x)Br、CHNHPbBr(3−x)Cl、CHNHPb(1−y)Sn、CHNHPb(1−y)SnBr、CHNHPb(1−y)SnCl、CHNHPb(1−y)Sn(3−x)Cl、CHNHPb(1−y)Sn(3−x)Br、CHNHPb(1−y)SnBr(3−x)Cl、等が挙げられる。なお、xは0以上3以下、yは0以上1以下の任意の値を示す。 Preferable examples of the perovskite semiconductor compound include organic-inorganic perovskite semiconductor compounds, and particularly halide organic-inorganic perovskite semiconductor compounds. Specific examples of the perovskite semiconductor compound include CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbCl 3 , CH 3 NH 3 SnI 3 , CH 3 NH 3 SnBr 3 , and CH 3 NH 3 Sn 3. CH 3 NH 3 PbI (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 PbI (3-x) Br x , CH 3 NH 3 PbBr (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Cl 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3 -x) Cl x, CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3-x) Br x, CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br (3-x) Cl x, is equal Cited . Note that x is an arbitrary value from 0 to 3, and y is an arbitrary value from 0 to 1.

光電変換効率を向上させる観点から、ペロブスカイト半導体化合物としては、1.0eV以上3.5eV以下のエネルギーバンドギャップを有する半導体化合物を用いることが好ましい。   From the viewpoint of improving the photoelectric conversion efficiency, it is preferable to use a semiconductor compound having an energy band gap of 1.0 eV to 3.5 eV as the perovskite semiconductor compound.

活性層103は、2種類以上のペロブスカイト半導体化合物を含有していてもよい。例えば、A、M及びXのうちの少なくとも1つが異なる2種類以上のペロブスカイト半導体化合物が活性層103に含まれていてもよい。   The active layer 103 may contain two or more types of perovskite semiconductor compounds. For example, two or more types of perovskite semiconductor compounds in which at least one of A, M, and X is different may be included in the active layer 103.

活性層103に含まれるペロブスカイト半導体化合物の量は、良好な光電変換特性が得られるように、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上である。上限に制限はなく、100質量%以下である。   The amount of the perovskite semiconductor compound contained in the active layer 103 is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more so that good photoelectric conversion characteristics can be obtained. It is. There is no restriction | limiting in an upper limit, and it is 100 mass% or less.

また、活性層103は、ペロブスカイト半導体化合物に加えて、添加物を含有していてもよい。添加物は特に限定されないが、添加物としては、例えばハロゲン化物、酸化物、又は硫化物、硫酸塩、硝酸塩若しくはアンモニウム塩等の無機塩のような、無機化合物が挙げられる。活性層103中の添加剤の量は、良好な光電変換特性が得られるように、好ましくは50質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは20質量%以下である。下限に制限はなく、0質量%以上である。   The active layer 103 may contain an additive in addition to the perovskite semiconductor compound. The additive is not particularly limited, and examples of the additive include inorganic compounds such as halides, oxides, or inorganic salts such as sulfides, sulfates, nitrates, and ammonium salts. The amount of the additive in the active layer 103 is preferably 50% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less so that good photoelectric conversion characteristics can be obtained. . There is no restriction | limiting in a lower limit, and it is 0 mass% or more.

(活性層の形成方法)
活性層103の形成方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。具体例としては、塗布法及び蒸着法(又は共蒸着法)が挙げられる。簡易に活性層103を形成できる点で、塗布法を用いることは好ましい。以下に、塗布法により活性層103を形成する方法について説明する。
(Method for forming active layer)
The formation method of the active layer 103 is not particularly limited, and any method can be used. Specific examples include a coating method and a vapor deposition method (or a co-evaporation method). It is preferable to use a coating method because the active layer 103 can be easily formed. Hereinafter, a method for forming the active layer 103 by a coating method will be described.

バルクヘテロ型の活性層103は、p型半導体化合物と、n型半導体化合物と、溶媒と、を含む塗布液を調製し、この塗布液を塗布することにより形成することができる。この塗布液は、さらに添加剤を含有していてもよい。また、溶媒として、高沸点溶媒と低沸点溶媒との混合溶媒を用いてもよい。このような添加剤又は混合溶媒を用いることにより、溶媒の揮発速度を調整することができ、半導体化合物の組織化を促進して相分離構造を最適化することができる。   The bulk hetero type active layer 103 can be formed by preparing a coating liquid containing a p-type semiconductor compound, an n-type semiconductor compound, and a solvent, and applying the coating liquid. This coating solution may further contain an additive. Moreover, you may use the mixed solvent of a high boiling point solvent and a low boiling point solvent as a solvent. By using such an additive or mixed solvent, the volatilization rate of the solvent can be adjusted, and the organization of the semiconductor compound can be promoted to optimize the phase separation structure.

塗布液の塗布方法としては任意の方法を用いることができるが、例えば、スピンコート法、インクジェット法、ドクターブレード法、ドロップキャスティング法、リバースロールコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法又はカーテンコート法等が挙げられる。   Although any method can be used as a coating method of the coating solution, for example, spin coating method, ink jet method, doctor blade method, drop casting method, reverse roll coating method, gravure coating method, kiss coating method, roll brush method, Examples thereof include a spray coating method, an air knife coating method, a wire barber coating method, a pipe doctor method, an impregnation / coating method, and a curtain coating method.

塗布液を塗布した後に、加熱乾燥を行ってもよい。バルクヘテロ型の活性層103に対して加熱を行うことにより、活性層の自己組織化を促進することができる。加熱温度は、自己組織化の効果が得られるように、好ましくは50℃以上、さらに好ましくは80℃以上であり、一方、熱による損傷が生じないように、好ましくは300℃以下、さらに好ましくは280℃以下、より好ましくは250℃以下である。加熱する時間としては、自己組織化の効果が得られるように、好ましくは1分以上、さらに好ましくは3分以上であり、一方、処理効率を向上させる観点から、好ましくは3時間以下、さらに好ましくは1時間以下である。   You may heat-dry after apply | coating a coating liquid. By heating the bulk hetero active layer 103, self-organization of the active layer can be promoted. The heating temperature is preferably 50 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher, so that the effect of self-organization can be obtained. On the other hand, preferably no higher than 300 ° C., more preferably so as not to cause damage due to heat. It is 280 degrees C or less, More preferably, it is 250 degrees C or less. The heating time is preferably 1 minute or more, more preferably 3 minutes or more, so that the effect of self-organization can be obtained. On the other hand, from the viewpoint of improving the processing efficiency, preferably 3 hours or less, more preferably Is less than 1 hour.

塗布液の溶媒としては、p型半導体化合物及びn型半導体化合物を均一に溶解できるものであれば、特に限定されない。例えば、半導体層を塗布法により形成する際に用いることができる溶媒として挙げたものを用いることができる。なかでも好ましくは、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン、クロロベンゼン若しくはオルトジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、テトラリン若しくはデカリン等の脂環式炭化水素類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン若しくはシクロヘキサノン等のケトン類;又は、エチルエーテル、テトラヒドロフラン若しくはジオキサン等のエーテル類である。一方で環境負荷の観点からは、非ハロゲン系溶媒を用いることが好ましい。   The solvent for the coating solution is not particularly limited as long as it can uniformly dissolve the p-type semiconductor compound and the n-type semiconductor compound. For example, what was mentioned as a solvent which can be used when forming a semiconductor layer by the apply | coating method can be used. Among them, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, mesitylene, cyclohexylbenzene, chlorobenzene or orthodichlorobenzene; cycloaliphatic carbonization such as cyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, tetralin or decalin Hydrogen; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, cyclopentanone or cyclohexanone; or ethers such as ethyl ether, tetrahydrofuran or dioxane. On the other hand, it is preferable to use a non-halogen solvent from the viewpoint of environmental burden.

より好ましくは、トルエン、キシレン、メシチレン若しくはシクロヘキシルベンゼン等の非ハロゲン芳香族炭化水素類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン若しくはシクロヘキサノン等の非ハロゲン系ケトン類;アセトフェノン若しくはプロピオフェノン等の芳香族ケトン類;テトラヒドロフラン、シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、テトラリン若しくはデカリン等の非ハロゲン系脂環式炭化水素類;又は、1,4−ジオキサン等の非ハロゲン系脂肪族エーテル類である。特に好ましくは、トルエン、キシレン、メシチレン又はシクロヘキシルベンゼン等の非ハロゲン芳香族炭化水素類である。溶媒としては1種の溶媒を単独で用いてもよいし、任意の2種以上の溶媒を任意の比率で併用してもよい。   More preferably, non-halogen aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, mesitylene or cyclohexylbenzene; non-halogen ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, cyclopentanone or cyclohexanone; aromatic ketones such as acetophenone or propiophenone Non-halogen alicyclic hydrocarbons such as tetrahydrofuran, cyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, tetralin or decalin; or non-halogen aliphatic ethers such as 1,4-dioxane; . Particularly preferred are non-halogen aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, mesitylene or cyclohexylbenzene. As the solvent, one kind of solvent may be used alone, or any two or more kinds of solvents may be used in any ratio.

高沸点溶媒としては、常圧下での沸点が180℃以上250℃以下である溶媒を用いることが好ましく、具体例としてはテトラリン、デカリン又はアセトフェノン等が挙げられる。低沸点溶媒としては、常圧下での沸点が60℃以上150℃以下である溶媒を用いることが好ましく、具体例としては、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン又はエチルメチルケトン等が挙げられる。このような沸点の溶媒を組み合わせることにより、半導体化合物の組織化を促進することができる。環境負荷の観点から、これらの高沸点溶媒及び低沸点溶媒は非ハロゲン系溶媒であることが好ましい。   As the high boiling point solvent, it is preferable to use a solvent having a boiling point of 180 ° C. or higher and 250 ° C. or lower under normal pressure, and specific examples include tetralin, decalin, acetophenone, and the like. As the low boiling point solvent, a solvent having a boiling point of 60 ° C. or higher and 150 ° C. or lower under normal pressure is preferably used, and specific examples include toluene, xylene, tetrahydrofuran, ethyl methyl ketone, and the like. By combining solvents having such boiling points, the organization of the semiconductor compound can be promoted. From the viewpoint of environmental burden, these high-boiling solvents and low-boiling solvents are preferably non-halogen solvents.

高沸点溶媒と低沸点溶媒との比率は、特に制限されない。半導体化合物の組織化を促進しやすい点で、重量比(高沸点溶媒/低沸点溶媒)が1/20以上であることが好ましく、1/15以上であることがさらに好ましく、1/10以上であることがより好ましい。一方、重量比(高沸点溶媒/低沸点溶媒)が10/1以下であることが好ましく、2/1以下であることがさらに好ましく、1/1以下であることがより好ましく、1/2以下であることが特に好ましい。   The ratio between the high boiling point solvent and the low boiling point solvent is not particularly limited. In terms of facilitating the organization of the semiconductor compound, the weight ratio (high boiling point solvent / low boiling point solvent) is preferably 1/20 or more, more preferably 1/15 or more, and 1/10 or more. More preferably. On the other hand, the weight ratio (high boiling point solvent / low boiling point solvent) is preferably 10/1 or less, more preferably 2/1 or less, more preferably 1/1 or less, and more preferably 1/2 or less. It is particularly preferred that

低沸点溶媒と高沸点溶媒との組み合わせの例としては、非ハロゲン芳香族炭化水素類と脂環式炭化水素類、非ハロゲン芳香族炭化水素類と芳香族ケトン類、エーテル類と脂環式炭化水素類、エーテル類と芳香族ケトン類、脂肪族ケトン類と脂環式炭化水素類、又は脂肪族ケトン類と芳香族ケトン類、等が挙げられる。好ましい組み合わせの具体例としては、トルエンとテトラリン、キシレンとテトラリン、トルエンとアセトフェノン、キシレンとアセトフェノン、テトラヒドロフランとテトラリン、テトラヒドロフランとアセトフェノン、メチルエチルケトンとテトラリン、メチルエチルケトンとアセトフェノン等が挙げられる。   Examples of combinations of low and high boiling solvents include non-halogen aromatic hydrocarbons and alicyclic hydrocarbons, non-halogen aromatic hydrocarbons and aromatic ketones, ethers and alicyclic carbonization. Examples thereof include hydrogens, ethers and aromatic ketones, aliphatic ketones and alicyclic hydrocarbons, or aliphatic ketones and aromatic ketones. Specific examples of preferred combinations include toluene and tetralin, xylene and tetralin, toluene and acetophenone, xylene and acetophenone, tetrahydrofuran and tetralin, tetrahydrofuran and acetophenone, methyl ethyl ketone and tetralin, methyl ethyl ketone and acetophenone, and the like.

塗布液が添加剤を含む場合、塗布液全体に対する添加剤の量は、半導体化合物の組織化を促進しやすい点で、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがさらに好ましく、一方、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがさらに好ましい。   When the coating solution contains an additive, the amount of the additive with respect to the entire coating solution is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more in terms of facilitating the organization of the semiconductor compound. More preferably, it is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less.

塗布液は、p型半導体化合物の溶液とn型半導体化合物の溶液とをそれぞれ調製した後に、これらの溶液を混合することにより作製することができる。また、塗布液は、溶媒にp型半導体化合物及びn型半導体化合物を溶解させることによっても作製することができる。   The coating solution can be prepared by preparing a solution of a p-type semiconductor compound and a solution of an n-type semiconductor compound, and then mixing these solutions. The coating liquid can also be produced by dissolving a p-type semiconductor compound and an n-type semiconductor compound in a solvent.

塗布液中のp型半導体化合物とn型半導体化合物との合計濃度は、特に限定されない。十分な厚さの活性層を形成する観点から、合計濃度は塗布液全体に対して0.3質量%以上であることが好ましい。また、半導体化合物を十分に溶解させる観点から、合計濃度は塗布液全体に対して20質量%以下であることが好ましい。   The total concentration of the p-type semiconductor compound and the n-type semiconductor compound in the coating solution is not particularly limited. From the viewpoint of forming an active layer having a sufficient thickness, the total concentration is preferably 0.3% by mass or more based on the entire coating solution. Further, from the viewpoint of sufficiently dissolving the semiconductor compound, the total concentration is preferably 20% by mass or less with respect to the entire coating solution.

さらに、半導体化合物前駆体を用いてバルクヘテロ型の活性層(i層)を形成する場合、以下の方法を用いることもできる。まず、半導体化合物前駆体と易溶性化合物とを含有する塗布液を塗布して層を形成した後で、半導体化合物前駆体を第1の半導体化合物(例えばp型半導体化合物)へと変換する。次に、得られた層に第2の半導体化合物(例えばn型半導体化合物)を含有する塗布液を塗布することにより、易溶性化合物を第2の半導体化合物で置換する。このような方法により、第1の半導体化合物と第2の半導体化合物とが好適に相分離しているバルクヘテロ型の活性層を得ることができる。易溶性化合物は特に限定されず、例えば特開2013−254949号公報に記載されているものを用いることができる。易溶性化合物の具体例としては、4’,4’’−トリ−9−カルバゾリルトリフェニルアミン(TCTA)等が挙げられる。   Furthermore, when forming a bulk hetero type | mold active layer (i layer) using a semiconductor compound precursor, the following methods can also be used. First, after applying a coating solution containing a semiconductor compound precursor and a readily soluble compound to form a layer, the semiconductor compound precursor is converted into a first semiconductor compound (for example, a p-type semiconductor compound). Next, the easily soluble compound is replaced with the second semiconductor compound by applying a coating liquid containing a second semiconductor compound (for example, an n-type semiconductor compound) to the obtained layer. By such a method, a bulk hetero active layer in which the first semiconductor compound and the second semiconductor compound are preferably phase-separated can be obtained. The easily soluble compound is not particularly limited, and for example, those described in JP2013-254949A can be used. Specific examples of the readily soluble compound include 4 ', 4 "-tri-9-carbazolyltriphenylamine (TCTA).

ヘテロ接合型の活性層103は、p型半導体化合物と溶媒とを含む塗布液と、n型半導体化合物と溶媒とを含む塗布液をそれぞれ調製し、これらの塗布液を順番に塗布することにより形成することができる。溶媒及び塗布方法に特段の制限はなく、バルクヘテロ型の活性層の形成方法において説明した溶媒及び塗布方法を使用することができる。バルクヘテロ型の活性層を作製する場合と同様、それぞれの塗布液を塗布した後に加熱乾燥を行うことが好ましい。また、バルクヘテロ型の活性層を作製する場合と同様、それぞれの塗布液は添加剤を含んでいてもよい。   The heterojunction active layer 103 is formed by preparing a coating solution containing a p-type semiconductor compound and a solvent and a coating solution containing an n-type semiconductor compound and a solvent, and sequentially applying these coating solutions. can do. There is no particular limitation on the solvent and the coating method, and the solvent and the coating method described in the method for forming the bulk hetero type active layer can be used. As in the case of producing a bulk hetero type active layer, it is preferable to heat-dry after applying each coating solution. In addition, as in the case of producing a bulk hetero type active layer, each coating solution may contain an additive.

ペロブスカイト半導体化合物を含有する活性層103を形成する場合にも、活性層103の形成方法に特段の制限はない。一例としては、下記式(2)で表される化合物と、下記式(3)で表わされる化合物と溶媒とを含有する塗布液を作製し、この塗布液を塗布する方法が挙げられる。このような塗布液は、化合物を溶液中で加熱攪拌することにより作製することができる。この方法によれば、下記式(1)で表される化合物を含有する活性層103を作製することができる。   Even when the active layer 103 containing the perovskite semiconductor compound is formed, there is no particular limitation on the method of forming the active layer 103. As an example, a method of preparing a coating solution containing a compound represented by the following formula (2), a compound represented by the following formula (3) and a solvent, and coating the coating solution can be mentioned. Such a coating solution can be prepared by heating and stirring the compound in the solution. According to this method, the active layer 103 containing a compound represented by the following formula (1) can be produced.

別の例としては、下記式(3)で表される化合物と溶媒とを含有する塗布液を塗布した後、下記式(2)で表される化合物と溶媒とを含有する塗布液を塗布し、加熱アニールする方法が挙げられる。この方法によっても、下記式(1)で表される化合物を含有する活性層103を作製することができる。   As another example, after applying a coating liquid containing a compound represented by the following formula (3) and a solvent, a coating liquid containing a compound represented by the following formula (2) and a solvent was applied. And a method of heat annealing. Also by this method, the active layer 103 containing the compound represented by the following formula (1) can be produced.

AMX ・・・(1)
AX ・・・(2)
MX ・・・(3)
A、M及びXの定義は上述の通りである。AXの具体例としてはアルキルアンモニウム塩ハロゲン化物が挙げられ、MXの具体例としては金属ハロゲン化物が挙げられる。AX及びMXは、ベロブスカイト半導体化合物AMXの前駆体である。
AMX 3 (1)
AX (2)
MX 2 (3)
The definitions of A, M and X are as described above. Specific examples of the AX include alkylammonium salts halides, and metal halides Examples of MX 2. AX and MX 2 are precursors of the velovskite semiconductor compound AMX 3 .

加熱攪拌又は加熱アニールの際の加熱温度は、化合物の反応を十分に促進する観点から、60℃以上であることが好ましく、一方、副反応を避ける観点から、150℃以下であることが好ましい。また、加熱攪拌時間は、化合物の反応を十分に促進する観点から、2時間以上であることが好ましく、生産効率を向上させる観点から、24時間以下であることが好ましい。なお、アニールの方法は、特段の制限はなく、ホットプレートにより行ってもよいし、近赤外線加熱装置(NIR)により行ってもよい。   The heating temperature at the time of heating and stirring or heating annealing is preferably 60 ° C. or higher from the viewpoint of sufficiently promoting the reaction of the compound, and is preferably 150 ° C. or lower from the viewpoint of avoiding side reactions. The heating and stirring time is preferably 2 hours or longer from the viewpoint of sufficiently promoting the reaction of the compound, and preferably 24 hours or shorter from the viewpoint of improving production efficiency. The annealing method is not particularly limited, and may be performed using a hot plate or a near infrared heating device (NIR).

式(3)で表される化合物に対する式(2)で表される化合物のモル分率(2/3)は、特段の制限はない。しかしながら、活性層中にMXが残存すると光電変換素子の変換効率が低下する傾向がある。また、後述する加熱処理により式(2)で表される化合物を除去できても、式(3)で表される化合物は加熱により除去することが困難であることが多い。そのため、式(3)で表される化合物が層中に残存しないように活性層103を形成することが好ましい。この点から、式(3)で表される化合物に対する式(2)で表される化合物のモル分率(2/3)は100モル%以上であることが好ましく、一方、600モル%以下であることが好ましく、400モル%以下であることが特に好ましい。 The molar fraction (2/3) of the compound represented by the formula (2) with respect to the compound represented by the formula (3) is not particularly limited. However, when MX 2 remains in the active layer, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element tends to decrease. Moreover, even if the compound represented by Formula (2) can be removed by the heat treatment described later, the compound represented by Formula (3) is often difficult to remove by heating. Therefore, it is preferable to form the active layer 103 so that the compound represented by the formula (3) does not remain in the layer. From this point, the molar fraction (2/3) of the compound represented by the formula (2) with respect to the compound represented by the formula (3) is preferably 100 mol% or more, while it is 600 mol% or less. It is preferable that it is 400 mol% or less.

また、塗布液全量に対する式(2)で表される化合物及び/又は式(3)で表される化合物の合計量は、十分な厚さの活性層103を作製するために、好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは15質量%以上、特に好ましくは20質量%以上である。一方で、溶媒中での析出を避けるために、好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは45質量%以下、特に好ましくは40質量%以下である。   The total amount of the compound represented by the formula (2) and / or the compound represented by the formula (3) with respect to the total amount of the coating solution is preferably 10 masses in order to produce the active layer 103 having a sufficient thickness. % Or more, more preferably 15% by mass or more, and particularly preferably 20% by mass or more. On the other hand, in order to avoid precipitation in a solvent, it is preferably 50% by mass or less, more preferably 45% by mass or less, and particularly preferably 40% by mass or less.

また、結晶形成を促進するために、塗布液がさらに添加物を含んでいてもよい。この場合、添加物の量は、良好な光電変換性能が得られるように、式(2)で表される化合物及び/又は(3)で表される化合物の合計量に対して、好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下、特に好ましくは10質量%以下である。   Moreover, in order to accelerate | stimulate crystal formation, the coating liquid may contain the additive further. In this case, the amount of the additive is preferably 50 with respect to the total amount of the compound represented by the formula (2) and / or the compound represented by (3) so that good photoelectric conversion performance can be obtained. It is not more than mass%, more preferably not more than 30 mass%, particularly preferably not more than 10 mass%.

ペロブスカイト半導体化合物を含有する活性層103を形成する場合も、塗布液を塗布した後に加熱乾燥を行うことが好ましい。加熱により配位している溶媒及び残存する式(2)で表わされる化合物が層中から除去されて結晶化が促進され、光電変換効率が向上する傾向にある。結晶化の進行は塗布液の濃度に依存するため、塗布液の濃度が薄い場合又は溶媒の含有量が少ない場合には、加熱時間を短くすることが好ましい。   Also when forming the active layer 103 containing a perovskite semiconductor compound, it is preferable to heat-dry after apply | coating a coating liquid. The solvent coordinated by heating and the remaining compound represented by the formula (2) are removed from the layer, crystallization is promoted, and the photoelectric conversion efficiency tends to be improved. Since the progress of crystallization depends on the concentration of the coating solution, it is preferable to shorten the heating time when the concentration of the coating solution is low or the content of the solvent is small.

この際の加熱温度は、特段の制限はないが、十分に結晶化を促進する観点から、好ましくは70℃以上、さらに好ましくは90℃以上であり、一方、ペロブスカイト半導体化合物の分解及び副反応を抑制するために、好ましくは150℃以下、さらに好ましくは130℃以下、より好ましくは120℃以下である。加熱する時間にも特段の制限はないが、十分に結晶化を促進する観点から、好ましくは10分以上、さらに好ましくは30分以上、より好ましくは1時間以上であり、一方、生産効率を向上させる観点から、好ましくは3時間以下、さらに好ましくは2時間以下である。   The heating temperature at this time is not particularly limited, but is preferably 70 ° C. or higher, more preferably 90 ° C. or higher, from the viewpoint of sufficiently promoting crystallization. On the other hand, decomposition and side reactions of the perovskite semiconductor compound are performed. In order to suppress, it is preferably 150 ° C. or lower, more preferably 130 ° C. or lower, more preferably 120 ° C. or lower. The heating time is not particularly limited, but is preferably 10 minutes or longer, more preferably 30 minutes or longer, more preferably 1 hour or longer from the viewpoint of sufficiently promoting crystallization, while improving the production efficiency. From the viewpoint of making it, it is preferably 3 hours or less, more preferably 2 hours or less.

<6−2.バッファ層(102,104)>
バッファ層は通常、電子取り出し層と正孔取り出し層とに分類することができる。一実施形態において、光電変換素子100は、カソード101と活性層103との間に電子取り出し層102を有し、活性層103とアノード106との間に正孔取り出し層104を有する。もっとも、光電変換素子100は、電子取り出し層102と正孔取り出し層104との一方のみを有していてもよいし、電子取り出し層102と正孔取り出し層104とのどちらも有さなくてもよい。
<6-2. Buffer layer (102, 104)>
The buffer layer can be generally classified into an electron extraction layer and a hole extraction layer. In one embodiment, the photoelectric conversion element 100 includes an electron extraction layer 102 between the cathode 101 and the active layer 103, and a hole extraction layer 104 between the active layer 103 and the anode 106. However, the photoelectric conversion element 100 may have only one of the electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104, or may not include either the electron extraction layer 102 or the hole extraction layer 104. Good.

電子取り出し層102と正孔取り出し層104とは、一対の電極(101,106)間に、活性層103を挟むように配置されることが好ましい。すなわち、光電変換素子100が電子取り出し層102と正孔取り出し層104の両者を含む場合、アノード(電極)106、正孔取り出し層104、活性層103、電子取り出し層102、及びカソード(電極)101をこの順に配置することができる。光電変換素子100が電子取り出し層102を含み正孔取り出し層104を含まない場合は、アノード(電極)106、活性層103、電子取り出し層102、及びカソード(電極)101をこの順に配置することができる。電子取り出し層102と正孔取り出し層104とは積層順序が逆であってもよい。また、電子取り出し層102と正孔取り出し層104の少なくとも一方が異なる複数の膜により構成されていてもよい。   The electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104 are preferably disposed so as to sandwich the active layer 103 between a pair of electrodes (101, 106). That is, when the photoelectric conversion element 100 includes both the electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104, the anode (electrode) 106, the hole extraction layer 104, the active layer 103, the electron extraction layer 102, and the cathode (electrode) 101. Can be arranged in this order. When the photoelectric conversion element 100 includes the electron extraction layer 102 and does not include the hole extraction layer 104, the anode (electrode) 106, the active layer 103, the electron extraction layer 102, and the cathode (electrode) 101 may be arranged in this order. it can. The stacking order of the electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104 may be reversed. Further, at least one of the electron extraction layer 102 and the hole extraction layer 104 may be composed of a plurality of different films.

(電子取り出し層)
電子取り出し層102の材料に特に限定は無く、活性層103からカソード101への電子の取り出し効率を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。電子取り出し層102の材料としては、本発明に係るフラーレン化合物を用いることができる。一実施形態において、電子取り出し層102は、本発明に係るフラーレン化合物を主成分として含有しているが、その他の電子取り出し層材料又は添加剤をさらに含んでいてもよい。
(Electronic extraction layer)
There is no particular limitation on the material of the electron extraction layer 102, and any material can be used as long as it can improve the efficiency of extracting electrons from the active layer 103 to the cathode 101. As a material for the electron extraction layer 102, the fullerene compound according to the present invention can be used. In one embodiment, the electron extraction layer 102 contains the fullerene compound according to the present invention as a main component, but may further include other electron extraction layer materials or additives.

その他の電子取り出し層102の材料の例としては、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、リチウム、ナトリウム、カリウム又はセシウム等のアルカリ金属の塩、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム又は酸化インジウム等の金属酸化物が挙げられる。有機化合物としては、バソクプロイン(BCP)、バソフェナントレン(Bphen)、(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(Alq3)、ホウ素化合物、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物(NTCDA)、ペリレンテトラカルボン酸無水物(PTCDA)、フラーレン化合物、又はホスフィンオキシド化合物若しくはホスフィンスルフィド化合物等の周期表第16族元素と二重結合を有するホスフィン化合物が挙げられる。   Examples of other materials for the electron extraction layer 102 include inorganic compounds, organic compounds, or publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194, or The organic-inorganic perovskite compound according to the present invention is exemplified. For example, examples of the inorganic compound include salts of alkali metals such as lithium, sodium, potassium, and cesium, and metal oxides such as zinc oxide, titanium oxide, aluminum oxide, and indium oxide. Examples of the organic compound include bathocuproine (BCP), bathophenanthrene (Bphen), (8-hydroxyquinolinato) aluminum (Alq3), boron compound, oxadiazole compound, benzimidazole compound, naphthalenetetracarboxylic anhydride (NTCDA), Examples include perylene tetracarboxylic acid anhydride (PTCDA), fullerene compounds, or phosphine compounds having a double bond with a Group 16 element of the periodic table such as phosphine oxide compounds or phosphine sulfide compounds.

電子取り出し層102の形成方法に特に制限はない。昇華性を有する化合物を材料として用いる場合は、真空蒸着法等の乾式成膜法により形成することができる。また、溶媒に可溶な化合物を材料として用いる場合は、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法により形成することができる。なお、溶媒としては、活性層103の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。湿式成膜法を用いる場合の、電子取り出し層102の材料を含有する塗布液の塗布方法としては、任意の方法を用いることができる。例えば、スピンコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法及びカーテンコート法が挙げられる。また、塗布法として1種の方法のみを用いてもよいし、2種以上の方法を組み合わせて用いることもできる。   There is no particular limitation on the method for forming the electron extraction layer 102. When a compound having sublimation properties is used as a material, it can be formed by a dry film formation method such as a vacuum evaporation method. Further, when a compound soluble in a solvent is used as a material, it can be formed by a wet film forming method such as a spin coating method or an ink jet method. Note that as the solvent, the solvents described in the description of the method for forming the active layer 103 can be used. In the case of using the wet film forming method, any method can be used as a coating method of the coating liquid containing the material of the electron extraction layer 102. Examples thereof include spin coating, gravure coating, kiss coating, roll brushing, spray coating, air knife coating, wire barber coating, pipe doctor method, impregnation / coating method, and curtain coating method. Moreover, only 1 type of method may be used as a coating method, and it can also be used in combination of 2 or more types.

電子取り出し層102の全体の膜厚に特に限定はないが、好ましくは0.5nm以上、さらに好ましくは1nm以上、より好ましくは5nm以上、特に好ましくは10nm以上である。一方、好ましくは1μm以下、さらに好ましくは700nm以下、より好ましくは400nm以下、特に好ましくは200nm以下である。電子取り出し層102の膜厚が上記の範囲内にあることで、均一な塗布が容易となり、電子取り出し機能もよく発揮されうる。   The total film thickness of the electron extraction layer 102 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more, more preferably 1 nm or more, more preferably 5 nm or more, and particularly preferably 10 nm or more. On the other hand, it is preferably 1 μm or less, more preferably 700 nm or less, more preferably 400 nm or less, and particularly preferably 200 nm or less. When the film thickness of the electron extraction layer 102 is within the above range, uniform application is facilitated, and the electron extraction function can be exhibited well.

(正孔取り出し層)
正孔取り出し層104の材料に特に限定は無く、活性層103からアノード106への正孔の取り出し効率を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。具体的には、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等の金属酸化物が挙げられる。また、有機化合物としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミン又はポリアニリン等に、スルホン酸及びヨウ素等がドーピングされた導電性ポリマー(例えば、PEDOT:PSS又はドーピングされたP3HT)、スルホニル基を置換基に有するポリチオフェン誘導体、アリールアミン等の導電性有機化合物、ナフィオン、又はリチウムドーピングされたspiro−OMeTADが挙げられる。
(Hole extraction layer)
The material of the hole extraction layer 104 is not particularly limited as long as it is a material capable of improving the efficiency of extracting holes from the active layer 103 to the anode 106. Specifically, inorganic compounds, organic compounds, or organic / inorganic perovskite compounds according to the present invention described in publicly known documents such as International Publication Nos. 2013/171517, 2013/180230, and 2012-191194. Is mentioned. For example, examples of the inorganic compound include metal oxides such as copper oxide, nickel oxide, manganese oxide, iron oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, and tungsten oxide. In addition, as an organic compound, a conductive polymer in which polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, triphenylenediamine, polyaniline, or the like is doped with sulfonic acid, iodine, or the like (for example, PEDOT: PSS or doped P3HT), a sulfonyl group as a substituent And polythiophene derivatives, conductive organic compounds such as arylamine, Nafion, or lithium-doped spiro-OMeTAD.

正孔取り出し層104の全体の膜厚に特に限定はないが、好ましくは0.5nm以上である。一方、好ましくは400nm以下、さらに好ましくは200nm以下である。正孔取り出し層104の膜厚が0.5nm以上であることでバッファ材料としての機能をよく果たすことになり、正孔取り出し層104の膜厚が400nm以下であることで、正孔が取り出し易くなり、光電変換効率が向上しうる。   The total film thickness of the hole extraction layer 104 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more. On the other hand, it is preferably 400 nm or less, more preferably 200 nm or less. When the thickness of the hole extraction layer 104 is 0.5 nm or more, the function as a buffer material is performed well, and when the thickness of the hole extraction layer 104 is 400 nm or less, holes are easily extracted. Thus, the photoelectric conversion efficiency can be improved.

正孔取り出し層104の形成方法に制限はない。昇華性を有する化合物を用いる場合は真空蒸着法等の乾式成膜法により形成することができる。また、溶媒に可溶な化合物を用いる場合は、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法により形成することができる。なお、溶媒としては、活性層103の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。   There is no limitation on the formation method of the hole extraction layer 104. When a compound having sublimation property is used, it can be formed by a dry film forming method such as a vacuum vapor deposition method. Further, when a compound soluble in a solvent is used, it can be formed by a wet film forming method such as a spin coating method or an ink jet method. Note that as the solvent, the solvents described in the description of the method for forming the active layer 103 can be used.

<6−3.電極(101,106)>
電極は、光吸収により生じた正孔及び電子を捕集する機能を有する。したがって、一対の電極としては、正孔の捕集に適したアノード106と、電子の捕集に適したカソード101とを用いることが好ましい。一対の電極は、いずれか一方が透光性であればよく、両方が透光性であっても構わない。透光性があるとは、太陽光が40%以上透過することを指す。また、透明電極の太陽光線透過率は70%以上であることが、より多くの光が透明電極を透過して活性層103に到達するために好ましい。光の透過率は、分光光度計(例えば、日立ハイテク社製U−4100)で測定できる。
<6-3. Electrode (101, 106)>
The electrode has a function of collecting holes and electrons generated by light absorption. Therefore, it is preferable to use the anode 106 suitable for collecting holes and the cathode 101 suitable for collecting electrons as the pair of electrodes. Any one of the pair of electrodes may be translucent, and both may be translucent. Translucency means that sunlight passes through 40% or more. Moreover, it is preferable that the transparent electrode has a solar ray transmittance of 70% or more because more light passes through the transparent electrode and reaches the active layer 103. The light transmittance can be measured with a spectrophotometer (for example, U-4100 manufactured by Hitachi High-Tech).

カソード101及びアノード106の構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の部材及びその製造方法を使用することができる。   There are no particular limitations on the constituent members of the cathode 101 and the anode 106 and the manufacturing method thereof, and well-known techniques can be used. For example, members described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194 and a manufacturing method thereof can be used.

<6−4.基材(107)>
光電変換素子100は、通常は支持体となる基材107を有する。もっとも、本発明に係る光電変換素子は基材107を有さなくてもよい。基材107の材料は、本発明の効果を著しく損なわない限り特に限定されず、例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の材料を使用することができる。
<6-4. Substrate (107)>
The photoelectric conversion element 100 has the base material 107 used as a support body normally. But the photoelectric conversion element which concerns on this invention does not need to have the base material 107. FIG. The material of the base material 107 is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. For example, publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, or Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-191194. The materials described in can be used.

<6−5.光電変換素子の作製方法>
上述の方法に従って、光電変換素子100を構成する各層を形成することにより、光電変換素子100を作製することができる。光電変換素子100を構成する各層の形成方法に特段の制限はなく、シートツゥーシート(万葉)方式、又はロールツゥーロール方式で形成することができる。
<6-5. Method for manufacturing photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element 100 can be manufactured by forming each layer constituting the photoelectric conversion element 100 in accordance with the above-described method. There is no particular limitation on the method of forming each layer constituting the photoelectric conversion element 100, and the layers can be formed by a sheet-to-sheet (manyoba) method or a roll-to-roll method.

なお、ロールツゥーロール方式とは、ロール状に巻かれたフレキシブルな基材を繰り出して、間欠的、或いは連続的に搬送しながら、巻き取りロールにより巻き取られるまでの間に加工を行う方式である。ロールツゥーロール方式によれば、kmオーダの長尺基板を一括処理することが可能であるため、ロールツゥーロール方式はシートツゥーシート方式に比べて量産化に適している。一方、ロールツゥーロール方式で各層を成膜しようとすると、その構造上、成膜面とロールとが接触することにより膜に傷がついたり、部分的に剥がれてしまったりする場合がある。   The roll-to-roll method is a method in which a flexible base material wound in a roll shape is fed out and processed intermittently or continuously while being wound up by a take-up roll. is there. According to the roll-to-roll method, it is possible to batch-process long substrates of the order of km, and the roll-to-roll method is more suitable for mass production than the sheet-to-sheet method. On the other hand, when attempting to form each layer by the roll-to-roll method, the film may be damaged or partially peeled due to the contact between the film-forming surface and the roll due to its structure.

ロールツゥーロール方式に用いることのできるロールの大きさは、ロールツゥーロール方式の製造装置で扱える限り特に限定されないが、外径の上限は、好ましくは5m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは1m以下である。一方、下限は好ましくは10cm以上、さらに好ましくは20cm以上、より好ましくは30cm以上である。ロール芯の外径の上限は、好ましくは4m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは0.5m以下である。一方、下限は好ましくは1cm以上、さらに好ましくは3cm以上、より好ましくは5cm以上、さらに好ましくは10cm以上、特に好ましくは20cm以上である。これらの径が上記上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは各工程で成膜される層が曲げ応力により破壊される可能性が低くなる点で好ましい。ロールの幅の下限は、好ましくは5cm以上、さらに好ましくは10cm以上、より好ましくは20cm以上である。一方、上限は、好ましくは5m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは2m以下である。幅が上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは光電変換素子100の大きさの自由度が高くなるため好ましい。   The size of the roll that can be used in the roll-to-roll method is not particularly limited as long as it can be handled by a roll-to-roll manufacturing apparatus, but the upper limit of the outer diameter is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably 1 m or less. On the other hand, the lower limit is preferably 10 cm or more, more preferably 20 cm or more, more preferably 30 cm or more. The upper limit of the outer diameter of the roll core is preferably 4 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably 0.5 m or less. On the other hand, the lower limit is preferably 1 cm or more, more preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, still more preferably 10 cm or more, and particularly preferably 20 cm or more. It is preferable that these diameters are not more than the above upper limit from the viewpoint of high handleability of the roll, and it is preferable that the diameter is not less than the lower limit from the viewpoint that the layer formed in each step is less likely to be broken by bending stress. . The lower limit of the width of the roll is preferably 5 cm or more, more preferably 10 cm or more, more preferably 20 cm or more. On the other hand, the upper limit is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, more preferably 2 m or less. It is preferable that the width is not more than the upper limit from the viewpoint of high handleability of the roll, and it is preferable that the width is not less than the lower limit because the degree of freedom of the size of the photoelectric conversion element 100 is increased.

また、カソード101又はアノード106を積層した後に、光電変換素子100を好ましくは50℃以上、さらに好ましくは80℃以上、一方、好ましくは300℃以下、さらに好ましくは280℃以下、より好ましくは250℃以下の温度範囲において、加熱することが好ましい(この工程をアニーリング処理工程と称する場合がある)。アニーリング処理工程を50℃以上の温度で行うことにより、光電変換素子100の各層間の密着性、例えば電子取り出し層102とカソード101、電子取り出し層102と活性層103等の層間の密着性が向上する効果が得られるため、好ましい。各層間の密着性が向上することにより、光電変換素子の熱安定性や耐久性等が向上しうる。アニーリング処理工程の温度を300℃以下にすることは、光電変換素子100に含まれる有機化合物が熱分解する可能性が低くなるため、好ましい。アニーリング処理工程においては、上記の温度範囲内において異なる温度を用いた段階的な加熱を行ってもよい。   Further, after the cathode 101 or the anode 106 is laminated, the photoelectric conversion element 100 is preferably 50 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher, on the other hand, preferably 300 ° C. or lower, more preferably 280 ° C. or lower, more preferably 250 ° C. Heating is preferably performed in the following temperature range (this step may be referred to as an annealing treatment step). By performing the annealing process at a temperature of 50 ° C. or higher, the adhesion between the layers of the photoelectric conversion element 100, for example, the adhesion between the layers such as the electron extraction layer 102 and the cathode 101 and the electron extraction layer 102 and the active layer 103 is improved. This is preferable because the effect of By improving the adhesion between the layers, the thermal stability and durability of the photoelectric conversion element can be improved. It is preferable to set the temperature of the annealing treatment step to 300 ° C. or lower because the organic compound contained in the photoelectric conversion element 100 is less likely to be thermally decomposed. In the annealing process, stepwise heating using different temperatures within the above temperature range may be performed.

加熱時間としては、熱分解を抑えながら密着性を向上させるために、好ましくは1分以上、さらに好ましくは3分以上、一方、好ましくは180分以下、さらに好ましくは60分以下である。アニーリング処理工程は、太陽電池性能のパラメータである開放電圧、短絡電流及びフィルファクターが一定の値になったところで終了させることが好ましい。また、アニーリング処理工程は、構成材料の熱酸化を防ぐ上でも、常圧下、かつ不活性ガス雰囲気中で実施することが好ましい。加熱方法としては、ホットプレート等の熱源に光電変換素子を載せてもよいし、オーブン等の加熱雰囲気中に光電変換素子を入れてもよい。また、加熱はバッチ式で行っても連続方式で行ってもよい。   The heating time is preferably 1 minute or more, more preferably 3 minutes or more, on the other hand, preferably 180 minutes or less, more preferably 60 minutes or less in order to improve adhesion while suppressing thermal decomposition. The annealing treatment step is preferably terminated when the open-circuit voltage, the short-circuit current, and the fill factor, which are parameters of the solar cell performance, reach a constant value. Further, the annealing treatment step is preferably performed under normal pressure and in an inert gas atmosphere in order to prevent thermal oxidation of the constituent materials. As a heating method, the photoelectric conversion element may be placed on a heat source such as a hot plate, or the photoelectric conversion element may be placed in a heating atmosphere such as an oven. The heating may be performed batchwise or continuously.

<6−6.光電変換特性>
光電変換素子100の光電変換特性は次のようにして求めることができる。光電変換素子100にソーラシュミレーターでAM1.5G条件の光を照射強度100mW/cmで照射して、電流−電圧特性を測定する。得られた電流−電圧曲線から、光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)、直列抵抗、シャント抵抗といった光電変換特性を求めることができる。
<6-6. Photoelectric conversion characteristics>
The photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element 100 can be obtained as follows. The photoelectric conversion element 100 is irradiated with light having an AM1.5G condition at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using a solar simulator, and current-voltage characteristics are measured. From the obtained current-voltage curve, photoelectric conversion characteristics such as photoelectric conversion efficiency (PCE), short circuit current density (Jsc), open circuit voltage (Voc), fill factor (FF), series resistance, and shunt resistance can be obtained.

光電変換素子100の光電変換効率は、特段の制限はないが、好ましくは1%以上、さらに好ましくは1.5%以上、より好ましくは2%以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。また、光電変換素子100のフィルファクターは、特段の制限はないが、好ましくは0.6以上、さらに好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。   The photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 100 is not particularly limited, but is preferably 1% or more, more preferably 1.5% or more, and more preferably 2% or more. On the other hand, there is no particular limitation on the upper limit, and the higher the better. Further, the fill factor of the photoelectric conversion element 100 is not particularly limited, but is preferably 0.6 or more, more preferably 0.7 or more, and more preferably 0.9 or more. On the other hand, there is no particular limitation on the upper limit, and the higher the better.

<7.太陽電池>
本発明に係る光電変換素子100は、太陽電池、なかでも薄膜太陽電池の太陽電池素子として使用されることが好ましい。図4は本発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を模式的に表す断面図であり、図4には本発明の一実施形態に係る太陽電池である薄膜太陽電池が示されている。図4に表すように、本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、耐候性保護フィルム1と、紫外線カットフィルム2と、ガスバリアフィルム3と、ゲッター材フィルム4と、封止材5と、太陽電池素子6と、封止材7と、ゲッター材フィルム8と、ガスバリアフィルム9と、バックシート10と、をこの順に備える。本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、太陽電池素子6として、本発明に係る光電変換素子を有している。そして、耐候性保護フィルム1が形成された側(図4中下方)から光が照射されて、太陽電池素子6が発電するようになっている。なお、薄膜太陽電池14は、これらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。
<7. Solar cell>
The photoelectric conversion element 100 according to the present invention is preferably used as a solar cell, particularly a solar cell element of a thin film solar cell. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a solar cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a thin-film solar cell that is a solar cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the thin-film solar cell 14 according to this embodiment includes a weather-resistant protective film 1, an ultraviolet cut film 2, a gas barrier film 3, a getter material film 4, a sealing material 5, and a solar cell. The element 6, the sealing material 7, the getter material film 8, the gas barrier film 9, and the back sheet 10 are provided in this order. The thin film solar cell 14 according to the present embodiment has the photoelectric conversion element according to the present invention as the solar cell element 6. And light is irradiated from the side (downward in Drawing 4) in which weatherproof protective film 1 was formed, and solar cell element 6 generates electricity. In addition, the thin film solar cell 14 does not need to have all these structural members, and can select a required structural member arbitrarily.

薄膜太陽電池を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。   There are no particular restrictions on these constituent members constituting the thin-film solar cell and the manufacturing method thereof, and well-known techniques can be used. For example, techniques described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194 can be used.

本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14の用途に制限はなく、任意の用途に用いることができる。例えば、一実施形態に係る太陽電池は、建材用太陽電池、自動車用太陽電池、インテリア用太陽電池、鉄道用太陽電池、船舶用太陽電池、飛行機用太陽電池、宇宙機用太陽電池、家電用太陽電池、携帯電話用太陽電池又は玩具用太陽電池として用いることができる。   There is no restriction | limiting in the use of the solar cell which concerns on this invention, especially the thin film solar cell 14 mentioned above, It can use for arbitrary uses. For example, a solar cell according to one embodiment includes a solar cell for building materials, a solar cell for automobiles, a solar cell for interiors, a solar cell for railways, a solar cell for ships, a solar cell for airplanes, a solar cell for spacecraft, and a solar cell for home appliances. It can be used as a battery, a solar cell for mobile phones or a solar cell for toys.

本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14はそのまま用いてもよいし、太陽電池モジュールの構成要素として用いられてもよい。例えば、図5に示すように、本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14を基材12上に備える太陽電池モジュール13を作製し、この太陽電池モジュール13を使用場所に設置して用いることができる。基材12としては周知技術を用いることができ、例えば、基材12の材料としては国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等に記載の材料を用いることができる。例えば、基材12として建材用板材を使用する場合、この板材の表面に薄膜太陽電池14を設けることにより、太陽電池モジュール13として、建物の外壁用太陽電池パネルを作製することができる。   The solar cell according to the present invention, particularly the thin film solar cell 14 described above, may be used as it is, or may be used as a component of the solar cell module. For example, as shown in FIG. 5, a solar cell according to the present invention, in particular, a solar cell module 13 provided with the above-described thin film solar cell 14 on a substrate 12 is manufactured, and the solar cell module 13 is installed at a place of use. Can be used. A well-known technique can be used as the base material 12, for example, as the material of the base material 12, a material described in International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194. Can be used. For example, when a building material plate is used as the substrate 12, a solar cell panel for an outer wall of a building can be produced as the solar cell module 13 by providing the thin film solar cell 14 on the surface of the plate.

以下に、実施例により本発明の実施形態を説明する。しかしながら、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例には限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

[合成例1−1]
<フラーレン化合物(S1)及び(P1)の合成>

Figure 2016210750
[Synthesis Example 1-1]
<Synthesis of Fullerene Compounds (S1) and (P1)>
Figure 2016210750

フラーレン化合物である1,4−ビス(トリメチルシリルメチル)[60]フラーレン(S1)は、特開2009−206470号公報の記載を参考にして合成した。   1,4-bis (trimethylsilylmethyl) [60] fullerene (S1), which is a fullerene compound, was synthesized with reference to the description in JP-A-2009-206470.

耐熱ガラス管に1,4−ビス(トリメチルシリルメチル)[60]フラーレン(S1)(210mg,0.235mmol)を入れ、減圧下、電気炉にて350℃で30分間加熱した。放冷後、ゲル濾過クロマトグラフィー(トルエン)で精製し、減圧乾燥することにより、目的とするフラーレン化合物である2’,2’−ジメチル−2’−シラプロパノ[60]フラーレン(P1)を、黒茶色固体として得た。   1,4-bis (trimethylsilylmethyl) [60] fullerene (S1) (210 mg, 0.235 mmol) was placed in a heat-resistant glass tube, and heated at 350 ° C. for 30 minutes under reduced pressure in an electric furnace. After allowing to cool, the product is purified by gel filtration chromatography (toluene) and dried under reduced pressure to obtain the target fullerene compound 2 ′, 2′-dimethyl-2′-silapropano [60] fullerene (P1) in black. Obtained as a brown solid.

[合成例1−2]
<フラーレン化合物(S2)及び(P2)の合成>

Figure 2016210750
[Synthesis Example 1-2]
<Synthesis of Fullerene Compounds (S2) and (P2)>
Figure 2016210750

フラーレン化合物である1,4−ビス(ジメチルフェニルシリルメチル)[60]フラーレン(S2)は、特開2009−206470号公報の記載を参考にして合成した。   1,4-bis (dimethylphenylsilylmethyl) [60] fullerene (S2), which is a fullerene compound, was synthesized with reference to the description in JP-A-2009-206470.

耐熱ガラス管に1,4−ビス(ジメチルフェニルシリルメチル)[60]フラーレン(S2)(144mg,0.141mmol)を入れ、減圧下、電気炉にて350℃で30分間加熱した。放冷後、ゲル濾過クロマトグラフィー(トルエン)で精製し、減圧乾燥することにより、目的とするフラーレン化合物である2’−メチル−2’−フェニル−2’−シラプロパノ[60]フラーレン(P2)を、黒茶色固体として得た。   1,4-bis (dimethylphenylsilylmethyl) [60] fullerene (S2) (144 mg, 0.141 mmol) was placed in a heat-resistant glass tube, and heated at 350 ° C. for 30 minutes under reduced pressure in an electric furnace. After cooling, it is purified by gel filtration chromatography (toluene) and dried under reduced pressure to obtain the target fullerene compound 2′-methyl-2′-phenyl-2′-silapropano [60] fullerene (P2). Obtained as a black-brown solid.

[合成例2]
<ポルフィリン化合物(CP)の合成>
テトラキス(ビシクロ[2.2.2]オクタジエン)ポルフィリン(CP)は、特開2003−304014号公報の記載を参考にして合成した。
[Synthesis Example 2]
<Synthesis of Porphyrin Compound (CP)>
Tetrakis (bicyclo [2.2.2] octadiene) porphyrin (CP) was synthesized with reference to the description in JP-A-2003-304014.

[合成例3]
<ホスフィンオキシド化合物(POPy)の合成>
ホスフィンオキシド化合物であるフェニルジピレニルホスフィンオキシド(POPy)は、国際公開第2011/016430号の記載を参考にして合成した。
[Synthesis Example 3]
<Synthesis of phosphine oxide compound (POPy 2 )>
Phenyl dipyrenyl phosphine oxide (POPy 2 ), which is a phosphine oxide compound, was synthesized with reference to the description in WO 2011/016430.

[実施例1−1]
図4に示す構造を有する光電変換素子を以下の方法で作製した。下部電極として用いられるインジウムスズ酸化物(ITO)透明導電膜(145nm)を堆積したガラス基板を、界面活性剤による超音波洗浄、超純水による水洗、及び超純水による超音波洗浄の順で洗浄した後に、窒素ブローで乾燥させ、紫外線オゾン洗浄を行った。
[Example 1-1]
A photoelectric conversion element having the structure shown in FIG. 4 was produced by the following method. A glass substrate on which an indium tin oxide (ITO) transparent conductive film (145 nm) used as a lower electrode is deposited is subjected to ultrasonic cleaning with a surfactant, water with ultrapure water, and ultrasonic cleaning with ultrapure water. After cleaning, the substrate was dried with nitrogen blow and subjected to ultraviolet ozone cleaning.

次に、下部電極上に、0.45μmのポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルターで濾過したポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)水性分散液(エイチ・シー・スタルク社製 商品名「CLEVIOUS(TM) PVP AI4083」)をスピンコートした後、大気雰囲気下で、120℃、10分間加熱乾燥した。その後、窒素雰囲気下で180℃、3分間の加熱処理を施した。こうして、正孔取り出し層を形成した。   Next, an aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonic acid) filtered through a 0.45 μm polyvinylidene fluoride (PVDF) filter on the lower electrode (manufactured by HC Starck) The product name “CLEVIOUS (TM) PVP AI4083”) was spin-coated and then heat-dried at 120 ° C. for 10 minutes in an air atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed at 180 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere. Thus, a hole extraction layer was formed.

次に、合成例2で得られたビシクロポルフィリン化合物(CP)を、クロロベンゼンとクロロホルムの混合溶媒(質量比で2:1)に0.5質量%となるように溶かした溶液を、正孔取り出し層上にスピンコートした(回転数1500rpm)。塗布後、ホットプレート上、180℃で20分間加熱処理を行った。この加熱処理により、褐色のビシクロポルフィリン化合物(CP)膜は、緑色のテトラベンゾポルフィリン(BP)膜へと熱転換された。こうして、25nmの平均膜厚を有する結晶性のp層が得られた。   Next, a hole was extracted from a solution in which the bicycloporphyrin compound (CP) obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in a mixed solvent of chlorobenzene and chloroform (mass ratio of 2: 1) to 0.5 mass%. The layer was spin-coated (rotation speed 1500 rpm). After the application, heat treatment was performed on a hot plate at 180 ° C. for 20 minutes. By this heat treatment, the brown bicycloporphyrin compound (CP) film was thermally converted into a green tetrabenzoporphyrin (BP) film. Thus, a crystalline p layer having an average film thickness of 25 nm was obtained.

Figure 2016210750
Figure 2016210750

引き続き、合成例2で得られたビシクロポルフィリン化合物(CP)と、化合物(TCTA)(4,4’,4’’−トリ−9−カルバゾリルトリフェニルアミン,Lumtec社製)とを、それぞれ0.6質量%と1.4質量%となるように、クロロベンゼンとクロロホルムの混合溶媒(質量比1:1)に溶かした溶液を、p層の上にスピンコートした(回転数1500rpm)。塗布後、190℃で20分間加熱処理を行い、ビシクロポルフィリン化合物(CP)をテトラベンゾポルフィリン(BP)へと熱転換した。   Subsequently, the bicycloporphyrin compound (CP) obtained in Synthesis Example 2 and the compound (TCTA) (4,4 ′, 4 ″ -tri-9-carbazolyltriphenylamine, manufactured by Lumtec) were each reduced to 0. A solution dissolved in a mixed solvent of chlorobenzene and chloroform (mass ratio of 1: 1) was spin-coated on the p-layer (rotation speed: 1500 rpm) so that the amount was 0.6 mass% and 1.4 mass%. After coating, heat treatment was performed at 190 ° C. for 20 minutes to thermally convert the bicycloporphyrin compound (CP) to tetrabenzoporphyrin (BP).

上記加熱処理後、テトラベンゾポルフィリン(BP)と化合物(TCTA)とを含む膜の上に、合成例1−1で得られたフラーレン化合物(P1)のトルエン溶液(0.6質量%)をスピンコートした(0.3mL,回転数1500rpm)。こうして、化合物(TCTA)がフラーレン化合物(P1)で置換されることにより、テトラベンゾポルフィリン(BP)と化合物(TCTA)とを含む膜が、テトラベンゾポルフィリン(BP)とフラーレン化合物(P1)とを含むi層へと変換された。また、i層上には、フラーレン化合物(P1)を含むn層が形成された。   After the heat treatment, a toluene solution (0.6% by mass) of the fullerene compound (P1) obtained in Synthesis Example 1-1 was spun onto a film containing tetrabenzoporphyrin (BP) and the compound (TCTA). Coated (0.3 mL, rotation speed 1500 rpm). Thus, by replacing the compound (TCTA) with the fullerene compound (P1), the film containing the tetrabenzoporphyrin (BP) and the compound (TCTA) is converted into the tetrabenzoporphyrin (BP) and the fullerene compound (P1). It was converted into an i layer. An n layer containing a fullerene compound (P1) was formed on the i layer.

次に、p層、i層、及びn層で構成される活性層上に、電子取り出し層として、膜厚7nmのホスフィンオキシド化合物(POPy)層を抵抗加熱型真空蒸着法により形成した。 Next, a phosphine oxide compound (POPy 2 ) layer having a thickness of 7 nm was formed as an electron extraction layer on the active layer including the p layer, the i layer, and the n layer by a resistance heating vacuum deposition method.

さらに、上部電極として用いられる膜厚100nmのアルミニウム層を、抵抗加熱型真空蒸着法により電子取り出し層上に形成した。こうして、光電変換素子を作製した。   Further, an aluminum layer having a thickness of 100 nm used as the upper electrode was formed on the electron extraction layer by a resistance heating vacuum deposition method. In this way, a photoelectric conversion element was produced.

こうして得られた素子をグローブボックス中に取り出した後、上部電極側に配置された背面ガラス板とガラス基板とを光硬化樹脂により貼り合わせることにより、素子を封止した。以上のようにして、4mmx4mmのサイズの受光面積部分を有する光電変換素子が得られた。   After the device thus obtained was taken out into the glove box, the device was sealed by bonding the back glass plate disposed on the upper electrode side and the glass substrate with a photo-curing resin. As described above, a photoelectric conversion element having a light receiving area portion having a size of 4 mm × 4 mm was obtained.

[実施例1−2]
i層及びn層を形成する際に、フラーレン化合物(P1)の代わりに合成例1−2で得られたフラーレン化合物(P2)を用いたことを除き、実施例1−1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 1-2]
Photoelectric conversion as in Example 1-1, except that the fullerene compound (P2) obtained in Synthesis Example 1-2 was used in place of the fullerene compound (P1) when forming the i layer and the n layer. An element was produced.

[実施例1−3]
電子取り出し層の材料としてホスフィンオキシド化合物(POPy)の代わりにフェナントロリン化合物(NBPhen,2,9−ビス(2−ナフチル)−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン,Lumtec社製)を用いたことを除き、実施例1−2と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 1-3]
A phenanthroline compound (NBPhen, 2,9-bis (2-naphthyl) -4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, manufactured by Lumtec) is used in place of the phosphine oxide compound (POPy 2 ) as a material for the electron extraction layer. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1-2.

[比較例1−1]
i層及びn層を形成する際に、フラーレン化合物(P1)の代わりに合成例1−1で得られたフラーレン化合物(S1)を用いたことを除き、実施例1−1と同様に光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 1-1]
Photoelectric conversion as in Example 1-1, except that the fullerene compound (S1) obtained in Synthesis Example 1-1 was used in place of the fullerene compound (P1) when forming the i layer and the n layer. An element was produced.

[比較例1−2]
i層及びn層を形成する際に、フラーレン化合物(P2)の代わりに合成例1−2で得られたフラーレン化合物(S2)を用いたことを除き、実施例1−2と同様に光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 1-2]
Photoelectric conversion as in Example 1-2, except that the fullerene compound (S2) obtained in Synthesis Example 1-2 was used instead of the fullerene compound (P2) when forming the i layer and the n layer. An element was produced.

[比較例1−3]
i層及びn層を形成する際に、フラーレン化合物(P2)の代わりに下記のフラーレン化合物(C60インデンモノ付加体,ICMA)(S3)を用いたことを除き、実施例1−2と同様に光電変換素子を作製した。

Figure 2016210750
[Comparative Example 1-3]
when forming the i-layer and n-layer, following the fullerene compound in place of the fullerene compound (P2) except using (C 60 Indenmono adduct, ICMA) (S3), in the same manner as in Example 1-2 A photoelectric conversion element was produced.
Figure 2016210750

実施例1−1〜1−3及び比較例1−1〜1−3により得られた光電変換素子のそれぞれについて、4mm角のメタルマスクを付け、エアマス(AM)1.5、放射照度100mW/cmのソーラシミュレータを用い、ソースメーター(ケイスレー社製、2400型)により電流電圧特性を測定した。測定結果を表1に示す。 For each of the photoelectric conversion elements obtained in Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 to 1-3, a 4 mm square metal mask was attached, an air mass (AM) of 1.5, and an irradiance of 100 mW / Using a cm 2 solar simulator, current-voltage characteristics were measured with a source meter (Keisley, Model 2400). The measurement results are shown in Table 1.

Figure 2016210750
Figure 2016210750

表1に示すように、本発明に係るフラーレン化合物を活性層材料として用いた実施例においては、比較例よりも高い光電変換効率が得られた。   As shown in Table 1, in the examples using the fullerene compound according to the present invention as the active layer material, a higher photoelectric conversion efficiency was obtained than in the comparative example.

[実施例2−1]
溶液中の濃度がそれぞれ4.8mol/Lとなるように、ヨウ化鉛(II)及びヨウ化メチルアンモニウムを、ジメチルスルホキシドとγ−ブチロラクトンとの混合溶媒(体積比7:3)に溶解させた。得られた溶液を、窒素雰囲気下において、60℃で12時間、スターラーにより攪拌混合した。その後、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルターで溶液を濾過し、ペロブスカイト半導体塗布液を作製した。
[Example 2-1]
Lead (II) iodide and methylammonium iodide were dissolved in a mixed solvent of dimethyl sulfoxide and γ-butyrolactone (volume ratio 7: 3) so that the concentration in the solution was 4.8 mol / L, respectively. . The obtained solution was stirred and mixed by a stirrer at 60 ° C. for 12 hours under a nitrogen atmosphere. Thereafter, the solution was filtered with a 0.45 μm polytetrafluoroethylene (PTFE) filter to prepare a perovskite semiconductor coating solution.

下部電極として用いられるインジウムスズ酸化物(ITO)透明導電膜を堆積したガラス基板を、界面活性剤による超音波洗浄、超純水による水洗、及び超純水による超音波洗浄の順で洗浄した後に、窒素ブローで乾燥させ、紫外線オゾン洗浄を行った。   After cleaning a glass substrate on which an indium tin oxide (ITO) transparent conductive film used as a lower electrode is deposited in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant, water with ultrapure water, and ultrasonic cleaning with ultrapure water. Then, it was dried with nitrogen blow and subjected to ultraviolet ozone cleaning.

次に、下部電極上に、0.45μmのポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルターで濾過したポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)水性分散液(エイチ・シー・スタルク社製 商品名「CLEVIOUSTM PVP AI4083」)をスピンコートした後、大気雰囲気下で、105℃、30分間加熱乾燥した。その後、窒素雰囲気下で105℃、15分間の加熱処理を施した。こうして、正孔取り出し層を形成した。   Next, an aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonic acid) filtered through a 0.45 μm polyvinylidene fluoride (PVDF) filter on the lower electrode (manufactured by HC Starck) The product name “CLEVIOUSTM PVP AI4083”) was spin-coated and then heat-dried at 105 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed at 105 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Thus, a hole extraction layer was formed.

次に、窒素雰囲気下において、上記の通り作製したペロブスカイト半導体塗布液をスピンコートにより正孔取り出し層上に塗布し、窒素雰囲気下において、105℃、20分間の加熱処理を行うことにより、活性層としてペロブスカイト半導体層を形成した。   Next, the perovskite semiconductor coating solution prepared as described above is applied onto the hole extraction layer by spin coating in a nitrogen atmosphere, and a heat treatment is performed at 105 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere, whereby an active layer is formed. As a result, a perovskite semiconductor layer was formed.

その後、合成例1−1で得られたフラーレン化合物(P1)を溶解したクロロベンゼン溶液(20mg/mL)をスピンコートにより活性層上に塗布した。さらに、膜厚が20nmのC60層と、膜厚が8nmのバソクプロイン(BCP)層と、を抵抗加熱型真空蒸着法により順次形成した。こうして、3層構造を有する電子取り出し層を形成した。 Thereafter, a chlorobenzene solution (20 mg / mL) in which the fullerene compound (P1) obtained in Synthesis Example 1-1 was dissolved was applied onto the active layer by spin coating. Furthermore, the C 60 layer having a thickness of 20 nm, the film thickness was successively formed by the 8nm of bathocuproine (BCP) layer, a resistance heating type vacuum deposition. Thus, an electron extraction layer having a three-layer structure was formed.

さらに、上部電極として用いられる膜厚が120nmのアルミニウム層を、抵抗加熱型真空蒸着法により電子取り出し層上に形成し、2mm角の光電変換素子を作製した。   Furthermore, an aluminum layer having a thickness of 120 nm used as the upper electrode was formed on the electron extraction layer by a resistance heating vacuum deposition method, and a 2 mm square photoelectric conversion element was produced.

[実施例2−2]
フラーレン化合物(P1)の代わりに、合成例1−2で作製したフラーレン化合物(P2)を用いたことを除き、実施例2−1と同様の方法により光電変換素子を作製した。
[Example 2-2]
A photoelectric conversion device was produced in the same manner as in Example 2-1, except that the fullerene compound (P2) produced in Synthesis Example 1-2 was used instead of the fullerene compound (P1).

[実施例2−3]
電子取り出し層を形成する際に用いたフラーレン化合物(P2)溶液を、クロロベンゼンの代わりにトルエンを用いて調製したことを除き、実施例2−2と同様の方法により光電変換素子を作製した。
[Example 2-3]
A photoelectric conversion element was produced by the same method as in Example 2-2, except that the fullerene compound (P2) solution used in forming the electron extraction layer was prepared using toluene instead of chlorobenzene.

[比較例2−1]
フラーレン化合物(P1)の代わりにフラーレン化合物(S1)を用いたことを除き、実施例2−1と同様の方法により光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 2-1]
A photoelectric conversion device was produced in the same manner as in Example 2-1, except that the fullerene compound (S1) was used instead of the fullerene compound (P1).

[比較例2−2]
フラーレン化合物(P2)の代わりにフラーレン化合物(S2)を用いたことを除き、実施例2−2と同様の方法により光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 2-2]
A photoelectric conversion device was produced in the same manner as in Example 2-2 except that the fullerene compound (S2) was used instead of the fullerene compound (P2).

[比較例2−3]
フラーレン化合物(P2)の代わりにフラーレン化合物(S2)を用いたことを除き、実施例2−3と同様の方法により光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 2-3]
A photoelectric conversion device was produced in the same manner as in Example 2-3 except that the fullerene compound (S2) was used instead of the fullerene compound (P2).

実施例2−1〜2−3及び比較例2−1〜2−3により得られた光電変換素子のそれぞれについて、1mm角のメタルマスクを付け、エアマス(AM)1.5、放射照度100mW/cmのソーラシミュレータを用い、ソースメーター(ケイスレー社製、2400型)により電流電圧特性を測定した。測定結果を表2に示す。 For each of the photoelectric conversion elements obtained in Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 to 2-3, a 1 mm square metal mask was attached, an air mass (AM) of 1.5, and an irradiance of 100 mW / Using a cm 2 solar simulator, current-voltage characteristics were measured with a source meter (Keisley, Model 2400). The measurement results are shown in Table 2.

Figure 2016210750
Figure 2016210750

表2に示すように、本発明に係るフラーレン化合物を電子取り出し層材料として用いた実施例においては、比較例よりも高い光電変換効率が得られた。   As shown in Table 2, in the example using the fullerene compound according to the present invention as the electron extraction layer material, higher photoelectric conversion efficiency was obtained than in the comparative example.

1 耐候性保護フィルム
2 紫外線カットフィルム
3,9 ガスバリアフィルム
4,8 ゲッター材フィルム
5,7 封止材
6 太陽電池素子
10 バックシート
12 基材
13 太陽電池モジュール
14 薄膜太陽電池
31 基材
32 陽極
33 正孔注入層
34 正孔輸送層
35 発光層
36 電子輸送層
37 電子注入層
38 陰極
39 電界発光素子
51 半導体層
52 絶縁体層
53,54 ソース電極及びドレイン電極
55 ゲート電極
56 基材
100 光電変換素子
101 カソード
102 電子取り出し層
103 活性層
104 正孔取り出し層
106 アノード
107 基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Weatherproof protective film 2 Ultraviolet cut film 3,9 Gas barrier film 4,8 Getter material film 5,7 Sealing material 6 Solar cell element 10 Back sheet 12 Base material 13 Solar cell module 14 Thin film solar cell 31 Base material 32 Anode 33 Hole injection layer 34 Hole transport layer 35 Light emitting layer 36 Electron transport layer 37 Electron injection layer 38 Cathode 39 Electroluminescent device 51 Semiconductor layer 52 Insulator layers 53 and 54 Source electrode and drain electrode 55 Gate electrode 56 Base material 100 Photoelectric conversion Element 101 Cathode 102 Electron extraction layer 103 Active layer 104 Hole extraction layer 106 Anode 107 Base material

Claims (9)

下記式(I)で表される構造を有するフラーレン化合物。
Figure 2016210750
(式(I)中、Cはフラーレン環を構成する炭素原子を表し、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は1価の有機基を表し、R〜Rは互いに結合して環を形成していてもよく、a及びbはそれぞれ1以上の整数を表す。)
A fullerene compound having a structure represented by the following formula (I).
Figure 2016210750
(In the formula (I), C f represents a carbon atom constituting the fullerene ring, R 1 to R 6 each independently represents a hydrogen atom or a monovalent organic group, R 1 to R 6 are bonded to each other And a and b each represents an integer of 1 or more.)
前記式(I)で表わされる構造を1以上5以下有する、請求項1に記載のフラーレン化合物。   2. The fullerene compound according to claim 1, which has a structure represented by the formula (I) in a range of 1 to 5 inclusive. 前記式(I)中、R及びRはそれぞれ独立して、置換基を有していてもよい脂肪族基、置換基を有していてもよい芳香族基、置換基を有していてもよいアルコキシ基、又は置換基を有していてもよいアリールオキシ基であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のフラーレン化合物。 In the formula (I), R 1 and R 2 each independently have an aliphatic group which may have a substituent, an aromatic group which may have a substituent, or a substituent. The fullerene compound according to claim 1, which is an alkoxy group which may be substituted or an aryloxy group which may have a substituent. 前記式(I)中、R〜Rはそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、置換基を有していてもよい脂肪族基又は置換基を有していてもよい芳香族基であることを特徴とする、請求項1乃至3の何れか1項に記載のフラーレン化合物。 In the formula (I), R 3 to R 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an aliphatic group which may have a substituent, or an aromatic group which may have a substituent. The fullerene compound according to any one of claims 1 to 3, wherein the fullerene compound is provided. aとbとの和が2以上3以下であることを特徴とする、請求項1乃至4の何れか1項に記載のフラーレン化合物。   The fullerene compound according to any one of claims 1 to 4, wherein a sum of a and b is 2 or more and 3 or less. 請求項1乃至5の何れか1項に記載のフラーレン化合物を含有する半導体デバイス。   A semiconductor device containing the fullerene compound according to any one of claims 1 to 5. 光電変換素子、電界効果トランジスタ又は電界発光素子であることを特徴とする請求項6に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor device is a photoelectric conversion element, a field effect transistor, or an electroluminescence element. 光電変換素子である請求項7に記載の半導体デバイスを備える太陽電池。   A solar cell comprising the semiconductor device according to claim 7, which is a photoelectric conversion element. 請求項8に記載の太陽電池を備える太陽電池モジュール。   A solar cell module comprising the solar cell according to claim 8.
JP2015098410A 2015-05-13 2015-05-13 Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module Pending JP2016210750A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015098410A JP2016210750A (en) 2015-05-13 2015-05-13 Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015098410A JP2016210750A (en) 2015-05-13 2015-05-13 Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2016210750A true JP2016210750A (en) 2016-12-15

Family

ID=57551091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015098410A Pending JP2016210750A (en) 2015-05-13 2015-05-13 Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2016210750A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020229910A1 (en) * 2019-05-10 2020-11-19 株式会社半導体エネルギー研究所 Information processing device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020229910A1 (en) * 2019-05-10 2020-11-19 株式会社半導体エネルギー研究所 Information processing device
US11886250B2 (en) 2019-05-10 2024-01-30 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Data processing device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3044817B9 (en) Inverted solar cell and process for producing the same
EP2942826B1 (en) Doped perovskites and their use as active and/or charge transport layers in optoelectronic devices
JP6562398B2 (en) Semiconductor device, solar cell, solar cell module, and composition
JP5243714B2 (en) Method for producing organic photoelectric conversion element and organic photoelectric conversion element
JP2017112186A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same, solar cell, and composition for forming semiconductor layer
KR102325206B1 (en) N-fluoroalkyl-substituted dibromonaphthalene diimides and their use as semiconductor
JP5862189B2 (en) Organic photoelectric conversion device and solar cell using the same
JP2017112185A (en) Semiconductor device, solar cell, and solar cell module
JP5106361B2 (en) Organic photoelectric conversion device using benzophosphole compound
JP2022161921A (en) Electronic device and manufacturing method thereof, coating liquid for forming semiconductor layer and manufacturing method thereof
JP2022171900A (en) Photoelectric conversion element and solar cell module
WO2014156771A1 (en) Organic thin-film solar cell
JP7409215B2 (en) Photoelectric conversion elements and power generation devices
JP2016210750A (en) Fullerene compound, semiconductor device, solar cell and solar cell module
JP2016178193A (en) Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof, solar cell, solar cell module, and composition
JP2016149505A (en) Composition, photoelectric conversion element, solar cell, and solar cell module
WO2011101993A1 (en) Solar cell and method for manufacturing same
JP2013077760A (en) Organic photoelectric conversion element and solar cell using the same
JP2019175919A (en) Photoelectric conversion element and solar cell module
JP2015191965A (en) Photoelectric conversion element, method of manufacturing the same, solar cell, and solar cell module
JP6167734B2 (en) Electroluminescent device, photoelectric conversion device, solar cell, and electronic device
JP2014027175A (en) Method for manufacturing photoelectric conversion element, photoelectric conversion element, solar cell, and solar cell module
JP2022151016A (en) Photoelectric conversion element and power generation device
JP2023062277A (en) Polytriarylamine compound, power generation device, and method for manufacturing the same
JP2023063837A (en) Power generation device and method for manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20170511