JP2017066096A - Hole transport bed material and solar cell using hole transport bed material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hole transport bed material having superior hole transportability and durability cheaply, and a solar cell having high photoelectric conversion efficiency by using the hole transport bed material.SOLUTION: A hole transport bed material is a compound which has a phthalocyanine skeleton as a central structure and a substituent is introduced into the periphery of the phthalocyanine skeleton for solubility acquisition to a solvent and improvement of electrical characteristics. A solar cell uses the hole transport bed material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ホール輸送層材料及びホール輸送層材料を用いた太陽電池に関する。   The present invention relates to a hole transport layer material and a solar cell using the hole transport layer material.

太陽電池には、シリコン系、化合物半導体、有機半導体などの素子を用いたものが一般的であるが、高い光捕集能に加え、薄膜化や低コスト化の可能な有機及び無機のハイブリッド型太陽電池が注目されている。   Solar cells generally use elements such as silicon, compound semiconductors, and organic semiconductors, but in addition to high light collection capabilities, organic and inorganic hybrid types that can be made thinner and less expensive Solar cells are attracting attention.

非特許文献1には、透明導電膜付きガラス基板と、緻密な二酸化チタン(TiO2)膜からなるブロッキング層と、光によって励起して電子を発生する色素としてヨウ化鉛(PbI2)及びメチルアンモニウムアイオダイド(CH3NH3I)を、多孔質の二酸化チタン(TiO2)に吸着させて形成される発電層と、ホール輸送層と、電極とを備えたハイブリッド型太陽電池が示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a glass substrate with a transparent conductive film, a blocking layer made of a dense titanium dioxide (TiO 2 ) film, and lead iodide (PbI 2 ) and methyl as dyes that are excited by light to generate electrons. A hybrid solar cell comprising a power generation layer formed by adsorbing ammonium iodide (CH 3 NH 3 I) on porous titanium dioxide (TiO 2 ), a hole transport layer, and an electrode is shown. Yes.

この発電層は、スピンコート法を用いてPbI2を多孔質TiO2の孔内部に浸透させた後、CH3NH3Iを含んだ溶液に浸漬させる二段階工程を用いて製造される。その結果、速やかにペロブスカイト色素(CH3NH3 PbI3)の結晶が生成されるので、光電変換効率の向上が図られている。 This power generation layer is manufactured using a two-step process in which PbI 2 is infiltrated into the pores of porous TiO 2 using a spin coating method and then immersed in a solution containing CH 3 NH 3 I. As a result, crystals of perovskite dye (CH 3 NH 3 PbI 3 ) are promptly generated, so that the photoelectric conversion efficiency is improved.

また、ホール輸送層に用いられるホール輸送層材料として、下記一般式(A)に示す2,2',7,7'-テトラキス(N,N'-ジ-p-メトキシフェニルアミノ)-9,9'-スピロビフルオレン(2,2',7,7'-tetrakis(N,N'-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorene(一般呼称「Spiro-OMeTAD」、以下、本呼称を使用))が使用されている。ペロブスカイト色素の結晶が光を吸収することによって電子とホールを生じる。ホールは、ホール輸送層材料により対向電極に輸送され、電子は光電極に移動するといったサイクルを繰り返すことで発電する。

Figure 2017066096
In addition, as a hole transport layer material used for the hole transport layer, 2,2 ′, 7,7′-tetrakis (N, N′-di-p-methoxyphenylamino) -9 represented by the following general formula (A): 9'-spirobifluorene (2,2 ', 7,7'-tetrakis (N, N'-di-p-methoxyphenylamine) -9,9'-spirobifluorene (generic name "Spiro-OMeTAD") Is used)). Perovskite dye crystals absorb light and generate electrons and holes. The holes are transported to the counter electrode by the hole transport layer material, and electricity is generated by repeating a cycle in which electrons move to the photoelectrode.
Figure 2017066096

また、非特許文献2には、ホール輸送層材料として、ポリトリアリールアミン(poly(triarylamine)(一般呼称「PTAA」、以下、本呼称を使用))などの高分子化した材料を利用した太陽電池も報告されている。   Non-Patent Document 2 discloses a solar that uses a polymerized material such as poly (triarylamine) (general name “PTAA”, hereinafter referred to as this name) as a hole transport layer material. Batteries have also been reported.

Burschka, J. et al, Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells, Nature, 2013.07.10, volume499, p316-319, doi:10.1038/nature12340Burschka, J. et al, Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells, Nature, 2013.07.10, volume499, p316-319, doi: 10.1038 / nature12340 Jun Hong Noh et al, Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic-Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells, Nano Letter, 2013, 13 (4), p 1764-1769Jun Hong Noh et al, Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic-Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells, Nano Letter, 2013, 13 (4), p 1764-1769

前述したように、ハイブリッド型太陽電池は高い光捕集能を備えており、室内などの弱い光のエネルギー下でも発電性能が高いことから、様々な環境下での利用が期待されている。一方、非特許文献1及び非特許文献2のハイブリッド型太陽電池においてホール輸送層材料として使用されるSpiro-OMeTADやPTAAは、耐久性に劣り、大気中放置では数日でその機能を喪失するという問題点があった。その要因としてはSpiro-OMeTADやPTAAは、分子構造が嵩高く、分子間の電気的な接触が得られ難いことが挙げられる。そのため、ドーパントとしてコバルト錯体等を添加することによってホール輸送層として機能するが、このドーパントの添加量や混ざり具合(濃度分布)によって、太陽電池の性能が変化し、安定して同一の機能を発揮させることが難しかった。   As described above, the hybrid solar cell has a high light collecting ability, and has high power generation performance even under weak light energy such as indoors. Therefore, it is expected to be used in various environments. On the other hand, Spiro-OMeTAD and PTAA used as the hole transport layer material in the hybrid solar cells of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are inferior in durability and lose their function in a few days if left in the atmosphere. There was a problem. The reason is that Spiro-OMeTAD and PTAA have a bulky molecular structure and it is difficult to obtain electrical contact between molecules. Therefore, it functions as a hole transport layer by adding a cobalt complex or the like as a dopant, but the performance of the solar cell changes depending on the addition amount and mixing condition (concentration distribution) of this dopant, and exhibits the same function stably. It was difficult to let

例えば、Spiro-OMeTADをホール輸送層材料として積層した場合等において、前述の分子構造に起因して隣接する分子間に隙間が生じ、この隙間に様々な分子が取り込まれる可能性がある。そのため、Spiro-OMeTADによりホール輸送層を作製する際には、例えば、Spiro-OMeTADをドーパント等と混合し、この混合物を溶媒に溶解して塗布後、加温して溶媒を蒸発させる。しかしながら、Spiro-OMeTAD分子間の隙間に溶媒分子が取り込まれると、この分子を完全に取り除くことは困難であり、これに起因して太陽電池性能が安定しないという問題点もあった。しかも、太陽電池として構築した場合において、使用時において、環境中の水分子が前記隙間に入り込み、太陽電池性能や耐久性の低下を招くおそれがあった。   For example, when Spiro-OMeTAD is laminated as a hole transport layer material, gaps are formed between adjacent molecules due to the molecular structure described above, and various molecules may be taken into the gaps. Therefore, when producing a hole transport layer by Spiro-OMeTAD, for example, Spiro-OMeTAD is mixed with a dopant or the like, this mixture is dissolved in a solvent, applied, and then heated to evaporate the solvent. However, when solvent molecules are taken into the gaps between Spiro-OMeTAD molecules, it is difficult to completely remove the molecules, and as a result, the solar cell performance is not stable. Moreover, when constructed as a solar cell, water molecules in the environment may enter the gap during use, leading to a decrease in solar cell performance and durability.

また、Spiro-OMeTAD及びPTAAの合成は、その反応工程が煩雑で工程数も多く、精製に際しても多くの工程数が必要である。結果として、Spiro-OMeTAD及びPTAAの高価格化を招いていた。更に、Spiro-OMeTAD及びPTAAをホール輸送層材料として使用する太陽電池においても、作製に必要な工程数が増加し、価格の高騰を招いていた。   In addition, the synthesis of Spiro-OMeTAD and PTAA involves complicated reaction steps and a large number of steps, and many steps are required for purification. As a result, high prices of Spiro-OMeTAD and PTAA were invited. Furthermore, in the solar cell using Spiro-OMeTAD and PTAA as the hole transport layer material, the number of processes required for the production increased and the price increased.

そこで、上記従来技術の問題点を鑑み、優れたホール輸送性を有するホール輸送層材料の提供が求められ、耐久性にも優れたホール輸送層材料を提供することが求められていた。また、ホール輸送層材料を安価に提供することが求められていた。更に、電池性能の高い太陽電池を安価で提供することが求められていた。   Therefore, in view of the above-mentioned problems of the prior art, provision of a hole transport layer material having excellent hole transportability is required, and it is required to provide a hole transport layer material excellent in durability. Further, it has been demanded to provide a hole transport layer material at a low cost. Furthermore, it has been desired to provide solar cells with high battery performance at low cost.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、分子内にフタロシアニン骨格を有し、かつフタロシアニン骨格外周に特定の置換基を有するホール輸送層材料が、分子の平面性が高く、分子を重ねた場合にπ共役系等の分子間の電気的結合が良好に確保でき、優れたホール輸送性を有することを見出した。また、当該ホール輸送層材料は耐久性の面でも優れた性質を有することを見出した。当該ホール輸送層材料をハイブリッド型太陽電池等のホール輸送層に用いた場合、当該ホール輸送層材料が優れたホール輸送性を発揮し、初期実験において優れた電池性能を示し、耐久性の面でも優れていることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have a hole transport layer material having a phthalocyanine skeleton in the molecule and a specific substituent on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton, which has high molecular planarity, It has been found that when molecules are stacked, electrical coupling between molecules such as a π-conjugated system can be secured satisfactorily and has excellent hole transport properties. Further, the present inventors have found that the hole transport layer material has excellent properties in terms of durability. When the hole transport layer material is used in a hole transport layer such as a hybrid solar cell, the hole transport layer material exhibits excellent hole transportability, exhibits excellent battery performance in initial experiments, and is also durable. It has been found that it is excellent, and the present invention has been completed.

本発明に係るホール輸送層材料の特徴構成は、下記一般式(I)〜(III)から選択される化合物である点にある。

Figure 2017066096
(一般式(I)において、
Mは、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、マンガン(Mn)又はスズ(Sn)であり、
R1a及びR1bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R2a及びR2bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R3a及びR3bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R4a及びR4bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R1a又はR1bで選択される置換基、R2a又はR2bで選択される置換基、R3a又はR3bで選択される置換基、R4a又はR4bで選択される置換基は同一である。
Figure 2017066096
ここで、前記置換基(A)のX1が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(B)のX2が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(C)のX3が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(D)のX4が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(E)のX5及びX6が、同一でC6〜C8アルキル基であり、前記置換基(F)のX7及びX8が、同一でC4〜C6アルキル基又はC1〜C3アルコキシ基であり、前記置換基(G)のX9が、C4〜C6アルキル基又はジフェニルアミノ基であり、前記置換基(I)のX10が、C4〜C6アルキル基である。)
Figure 2017066096
Figure 2017066096
(一般式(II)、(III)において、
Mは、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、マンガン(Mn)又はスズ(Sn)であり、
R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、及びR12は同一の置換基であり、下記の(J)〜(N)から選択される。
Figure 2017066096
ここで、前記置換基(J)のX11が、C1〜C6アルキル基であり、前記置換基(K)のX12が、C4〜C6アルキル基、C1〜C3アルコキシ基、又はジフェニルアミノ基であり、前記置換基(L)のX13及びX14が、同一でC1〜C3アルコキシ基であり、前記置換基(M)のX15が、C4〜C6アルキル基であり、前記置換基(N)のX16はC1〜C3アルコキシ基、又は水素である。) The characteristic structure of the hole transport layer material according to the present invention is that it is a compound selected from the following general formulas (I) to (III).
Figure 2017066096
(In general formula (I),
M is zinc (Zn), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), manganese (Mn) or tin (Sn);
R 1a and R 1b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 2a and R 2b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 3a and R 3b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 4a and R 4b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
The substituent selected by R 1a or R 1b , the substituent selected by R 2a or R 2b , the substituent selected by R 3a or R 3b , and the substituent selected by R 4a or R 4b are the same. is there.
Figure 2017066096
Here, X 1 of the substituent (A) is a C 6 -C 8 alkyl group, X 2 of the substituent (B) is a C 6 -C 8 alkyl group, and the substituent (C X 3 is a C 6 -C 8 alkyl group, X 4 of the substituent (D) is a C 6 -C 8 alkyl group, and X 5 and X 6 of the substituent (E) are , The same C 6 -C 8 alkyl group, and X 7 and X 8 of the substituent (F) are the same C 4 -C 6 alkyl group or C 1 -C 3 alkoxy group, and the substituent X 9 in (G) is a C 4 to C 6 alkyl group or a diphenylamino group, and X 10 in the substituent (I) is a C 4 to C 6 alkyl group. )
Figure 2017066096
Figure 2017066096
(In the general formulas (II) and (III),
M is zinc (Zn), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), manganese (Mn) or tin (Sn);
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , and R 12 are the same substituent and are selected from the following (J) to (N).
Figure 2017066096
Here, X 11 of the substituent (J) is a C 1 to C 6 alkyl group, and X 12 of the substituent (K) is a C 4 to C 6 alkyl group or a C 1 to C 3 alkoxy group. Or X 13 and X 14 of the substituent (L) are the same C 1 -C 3 alkoxy group, and X 15 of the substituent (M) is C 4 -C 6. An alkyl group, and X 16 of the substituent (N) is a C 1 -C 3 alkoxy group or hydrogen. )

上記構成によれば、安定的かつ効率的にホールを捕捉し移動させることができる優れたホール輸送性を有しているホール輸送層材料を提供することができる。詳細には、本構成のホール輸送層材料の骨格をなすフタロシアニンは、高い平面性を持つ環状の構造物であり、環状に連続したπ電子雲を形成している。フタロシアニン分子間でこのπ電子雲どうしが重なり、フタロシアニン分子は平皿を複数重ねたような配置(「π-πスタッキング」という)で安定化する。これにより、フタロシアニンは、平皿を重ねた方向にホールを移動させることができ、良好なホール輸送性を発揮することができる。   According to the said structure, the hole transport layer material which has the outstanding hole transport property which can capture | acquire and move a hole stably and efficiently can be provided. Specifically, the phthalocyanine that forms the skeleton of the hole transport layer material of this configuration is a cyclic structure having high planarity, and forms a cyclic π electron cloud. The π-electron clouds overlap between phthalocyanine molecules, and the phthalocyanine molecules are stabilized in an arrangement (called “π-π stacking”) in which multiple flat plates are stacked. Thereby, phthalocyanine can move a hole to the direction which piled the flat plate, and can exhibit favorable hole transportability.

また、本構成のホール輸送層材料は、長期の耐久性の面でも優れた特性を有している。前述のフタロシアニンにおけるπ-πスタッキング状態は、非常に安定かつ強固であり、外部からの酸化(電子の放出)や還元(電子の注入)は、複数の分子にその攻撃が拡散することにより、全体として安定状態を保つことができ、耐候性が高い。本構成のホール輸送層材料は、かかる耐候性を有するフタロシアニン骨格を有することから、光照射や温湿度によって分解することなく耐久性が高いという特性を有する。   Moreover, the hole transport layer material of this configuration has excellent characteristics in terms of long-term durability. The aforementioned π-π stacking state in phthalocyanine is very stable and strong, and oxidation (electron emission) and reduction (electron injection) from the outside are caused by diffusion of the attack to multiple molecules. Can maintain a stable state and has high weather resistance. Since the hole transport layer material of this configuration has a phthalocyanine skeleton having such weather resistance, it has a characteristic of high durability without being decomposed by light irradiation or temperature and humidity.

また、本構成のホール輸送層材料は、前述の通り平面性が高いことから分子間に空隙が生じず、ホール輸送性を低下させる要因と成り得る他の分子が分子間に混入する等の不具合を防止することができる。また、分子間の電気的結合を確保することができる。これにより、ホール輸送性能が安定し、かつ耐久性の面でも優れた性能を発揮することができる。   In addition, since the hole transport layer material of this configuration has high flatness as described above, voids do not occur between molecules, and other molecules that can cause a decrease in hole transport properties are mixed between molecules. Can be prevented. Moreover, electrical coupling between molecules can be ensured. Thereby, the hole transport performance is stable, and excellent performance can be exhibited in terms of durability.

本構成のホール輸送層材料は、溶媒への溶解性の面でも優れた特性を有する。フタロシアニンは、前述のπ-πスタッキングにより分子どうしが強く相互作用していることから溶媒に対する溶解度が極めて低く、その利用が制限されていた。しかしながら、本構成のホール輸送層材料は、フタロシアニン骨格外周に、π-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、溶媒への可溶性を向上させるため置換基を均等に導入した。これにより、本構成のホール輸送層材料は、クロロベンゼンなどの溶媒に可溶となり、汎用のSpiro-OMeTAD等のスピロ環構造を持つ化合物と置き換えて使用することができる。   The hole transport layer material of this configuration has excellent characteristics in terms of solubility in a solvent. Phthalocyanine has extremely low solubility in solvents due to the strong interaction between molecules due to the aforementioned π-π stacking, and its use has been limited. However, the hole transport layer material of this configuration is bulky to the outer periphery of the phthalocyanine skeleton so as not to prevent π-π stacking, and substituents are uniformly introduced to improve solubility in a solvent. Thereby, the hole transport layer material of this configuration becomes soluble in a solvent such as chlorobenzene, and can be used in place of a compound having a spiro ring structure such as general-purpose Spiro-OMeTAD.

本構成のホール輸送層材料は、フタロシアニン骨格外周に導入する置換基や中心金属を変更することにより、電気的特性、及び溶媒への溶解性を制御することができる。これにより、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することができる。   The hole transport layer material of this configuration can control electrical characteristics and solubility in a solvent by changing a substituent or a central metal introduced into the outer periphery of the phthalocyanine skeleton. Thereby, the hole transport layer material which has further high performance can be provided.

本構成のホール輸送層材料は簡便かつ安価に合成することができる。本構成のホール輸送層材料は、従来のSpiro-OMeTAD等のスピロ環構造を持つ化合物と比較して、少ない工程で合成することができ、精製も容易であることから、合成に要するコストを低減することができる。   The hole transport layer material of this configuration can be synthesized easily and inexpensively. The hole transport layer material with this configuration can be synthesized in fewer steps and is easier to purify compared to conventional Spiro-OMeTAD and other compounds with a spiro ring structure, reducing the cost required for synthesis. can do.

本構成のホール輸送層材料は、前述の通り、優れた特性を有することから、太陽電池10のホール輸送層材料として好適に利用することができる。   Since the hole transport layer material of this configuration has excellent characteristics as described above, it can be suitably used as the hole transport layer material of the solar cell 10.

本発明の他の特徴構成は、前記一般式(I)に示す化合物において、
前記置換基(A)が、5-ヘキシル-チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(B)が、5-(ヘキシルスルファニル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(C)が、5'-ヘキシル-2,2'-ビチオフェン-5-イル基、又は5'-(2-エチルヘキシル) -2,2'-ビチオフェン-5-イル基であり、
前記置換基(D)が、5-ヘキシル-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(E)が、5,5''-ジヘキシル-2,2':3',2''-テルチオフェン-5'-イル基であり、
前記置換基(F)が、ビス(4-ヘキシルフェニル)アミノ基、ビス(4-メトキシフェニル)アミノ基、又はビス(4-tert-ブチルフェニル)アミノ基であり、
前記置換基(G)が、4- tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(H)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基であり、
前記置換基(I)が、tert-ブチル基である、点にある。
Another feature of the present invention is a compound represented by the general formula (I),
The substituent (A) is a 5-hexyl-thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (B) is a 5- (hexylsulfanyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (C) is a 5′-hexyl-2,2′-bithiophen-5-yl group or a 5 ′-(2-ethylhexyl) -2,2′-bithiophen-5-yl group;
The substituent (D) is a 5-hexyl-thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group. And
The substituent (E) is a 5,5 ″ -dihexyl-2,2 ′: 3 ′, 2 ″ -terthiophene-5′-yl group;
The substituent (F) is a bis (4-hexylphenyl) amino group, a bis (4-methoxyphenyl) amino group, or a bis (4-tert-butylphenyl) amino group;
The substituent (G) is a 4-tert-butylphenyl group or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (H) is a 2,6-diphenylphenoxy group;
The point is that the substituent (I) is a tert-butyl group.

本構成によれば、フタロシアニン骨格の外周に位置する4つのイミダゾール環のベンゼン環部分のβ位にそれぞれ1箇所ずつ、分子間のπ-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、かつ溶媒への可溶性を向上させるために好適な置換基が導入されたフタロシアニン誘導体としてホール輸送層材料を提供することができる。これにより、電気的特性及び溶媒への溶解性を特に好適に制御することができ、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することが可能となる。   According to this configuration, each of the four imidazole ring benzene ring portions located on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton has one bulk at the β-position so as not to prevent intermolecular π-π stacking, and to the solvent. A hole transport layer material can be provided as a phthalocyanine derivative having a suitable substituent introduced to improve solubility. Thereby, it is possible to particularly suitably control the electrical characteristics and the solubility in a solvent, and it is possible to provide a hole transport layer material having high performance.

他の特徴構成は、前記一般式(II)に示す化合物において、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基、又は5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である、点にある。
Another characteristic feature is that in the compound represented by the general formula (II),
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The substituent (N) is 2,6-diphenylphenoxy group or 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.

本構成によれば、フタロシアニン骨格の外周に位置する4つのイミダゾール環のベンゼン環部分のβ位それぞれ2箇所に、分子間のπ-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、かつ溶媒への可溶性を向上させるために特に好適な置換基が導入されたフタロシアニン誘導体としてホール輸送層材料を提供することができる。これにより、電気的特性及び溶媒への溶解性を特に好適に制御することができ、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することが可能となる。   According to this configuration, the benzene ring part of the four imidazole rings located on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton is bulky to two positions at the β positions so as not to prevent π-π stacking between molecules and is soluble in a solvent. A hole transport layer material can be provided as a phthalocyanine derivative into which a particularly preferable substituent has been introduced in order to improve the thickness. Thereby, it is possible to particularly suitably control the electrical characteristics and the solubility in a solvent, and it is possible to provide a hole transport layer material having high performance.

他の特徴構成は、前記一般式(III)に示す化合物において、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である、点にある。
Another characteristic feature is that in the compound represented by the general formula (III),
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The substituent (N) is a 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.

本構成によれば、本構成によれば、フタロシアニン骨格の外周に位置する4つのイミダゾール環のベンゼン環部分のα位それぞれ2箇所に、分子間のπ-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、かつ溶媒への可溶性を向上させるために特に好適な置換基が導入されたフタロシアニン誘導体としてホール輸送層材料を提供することができる。これにより、電気的特性及び溶媒への溶解性を特に好適に制御することができ、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することが可能となる。   According to this configuration, according to this configuration, two α-positions of the benzene ring portion of the four imidazole rings located on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton are made so bulky as not to hinder intermolecular π-π stacking. In addition, a hole transport layer material can be provided as a phthalocyanine derivative into which a particularly preferable substituent is introduced in order to improve solubility in a solvent. Thereby, it is possible to particularly suitably control the electrical characteristics and the solubility in a solvent, and it is possible to provide a hole transport layer material having high performance.

他の構成は、下記一般式(IV)で示される化合物である、点にある。

Figure 2017066096
Another structure is a point which is a compound shown by the following general formula (IV).
Figure 2017066096

本構成によれば、置換基として、フタロシアニン骨格の外周に位置する4つのイミダゾール環のベンゼン環部分のβ位のそれぞれ一箇所にヘキシルチオフェン環を置換基として均等に導入したフタロシアニン誘導体としてホール輸送層材料を提供することができる。当該置換基は、ホール輸送層材料の分子間のπ-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、溶媒への可溶性を向上させるため特に好適であることから、電気的特性及び溶媒への溶解性を特に好適に制御することができ、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することが可能となる。   According to this configuration, as a substituent, a hole transport layer as a phthalocyanine derivative in which a hexylthiophene ring is uniformly introduced as a substituent at each of the β positions of the benzene ring portions of the four imidazole rings located on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton. Material can be provided. The substituent is bulky to the extent that it does not prevent π-π stacking between molecules of the hole transport layer material, and is particularly suitable for improving solubility in a solvent. The hole transport layer material having high performance can be provided.

本発明に係る太陽電池の特徴構成は、透明導電膜を有する基板、電子を前記透明導電膜に受け渡し、かつ逆電子移動を防止するブロッキング層、光によって励起して前記電子を発生する色素を多孔質半導体に吸着させて形成される発電層、前記色素から発生したホールが通過し、前記ホール輸送層材料を有するホール輸送層、の順に積層される積層体と、前記透明導電膜を介して前記電子を放出する光電極、及び、前記ホール輸送層の表面に設けられた対向電極で構成される電極と、を備えている点にある。   The characteristic configuration of the solar cell according to the present invention includes a substrate having a transparent conductive film, a blocking layer that transfers electrons to the transparent conductive film and prevents reverse electron transfer, and a dye that generates electrons when excited by light. A power generation layer formed by adsorption on a porous semiconductor, a hole transport layer having a hole transport layer material through which holes generated from the dye pass, and a laminated body in that order, and the transparent conductive film It is in the point provided with the photoelectrode which discharge | releases an electron, and the electrode comprised by the counter electrode provided in the surface of the said hole transport layer.

本構成のように、優れたホール輸送性を有するホール輸送層材料を太陽電池のホール輸送層に用いることで、光電変換効率が向上する。更に、ホール輸送層材料の優れた耐久性によって、太陽電池の耐久性が高まる。特に、吸湿により性能劣化が起こりやすいぺロブスカイト色素の結晶を耐候性を有するホール輸送層材料で被覆することになるため、更に長期の耐久性を期待できる。このように、優れた特性を有するホール輸送層材料を有するホール輸送層によって、太陽電池の電池性能の向上を図ることができる。また、安価に合成が可能なホール輸送層材料を利用することによって、太陽電池自体の価格の低減を図ることが可能となる。   Like this structure, photoelectric conversion efficiency improves by using the hole transport layer material which has the outstanding hole transport property for the hole transport layer of a solar cell. Furthermore, the durability of the solar cell is enhanced by the excellent durability of the hole transport layer material. In particular, since the perovskite dye crystals, which are likely to deteriorate in performance due to moisture absorption, are coated with a weather-resistant hole transport layer material, further long-term durability can be expected. Thus, the cell performance of the solar cell can be improved by the hole transport layer having the hole transport layer material having excellent characteristics. Further, by using a hole transport layer material that can be synthesized at low cost, it is possible to reduce the price of the solar cell itself.

ハイブリッド型太陽電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of a hybrid type solar cell. ハイブリッド型太陽電池の上方からの模式図である。It is a schematic diagram from the upper side of a hybrid type solar cell. ハイブリッド型太陽電池の発電説明図である。It is power generation explanatory drawing of a hybrid type solar cell. ハイブリッド型太陽電池の作製手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the preparation procedures of a hybrid type solar cell. ホール輸送層材料の好適例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of hole transport layer material. ホール輸送層材料の好適例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of hole transport layer material. ホール輸送層材料の好適例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of hole transport layer material. ホール輸送層材料の合成スキームを示す図である。It is a figure which shows the synthetic scheme of hole transport layer material. ホール輸送層材料としてSym-HT-PcHを用いた太陽電池の性能曲線を示す。The performance curve of a solar cell using Sym-HT-PcH as the hole transport layer material is shown. ホール輸送層材料としてSpiro-OMeTADを用いた太陽電池の性能曲線を示す(比較例)。The performance curve of the solar cell using Spiro-OMeTAD as a hole transport layer material is shown (comparative example). ホール輸送層材料にSym-HT-PcH 及びSpiro-OMeTADの場合の太陽電池セルの耐久性を比較した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having compared the durability of the photovoltaic cell in the case of Sym-HT-PcH and Spiro-OMeTAD as a hole transport layer material.

以下に、本発明の実施形態に係るホール輸送層材料を用いたハイブリッド型太陽電池10(太陽電池の一例。以下、「太陽電池10」と記載する。)の実施形態について、図面に基づいて説明する。太陽電池10は、有機及び無機のハイブリッド化合物で生成されるペロブスカイト色素を備えて構成されている。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。   EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of the hybrid type solar cell 10 (an example of a solar cell. Hereafter, it describes as "the solar cell 10.") using the hole transport layer material which concerns on embodiment of this invention is described based on drawing. To do. The solar cell 10 is configured to include a perovskite dye produced from an organic and inorganic hybrid compound. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

(本実施形態に係る太陽電池の基本構成)
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る太陽電池10は、透明基板21及び透明導電膜22を有する基板2と、基板2上に設けられ、電子を透明導電膜22に受け渡し、且つホール輸送層5と透明導電膜22とを分離して電子とホールとの再結合(逆電子移動)を防止するブロッキング層3と、ブロッキング層3上に設けられ、光によって励起して電子を発生する色素44を多孔質半導体41に吸着させて形成される発電層4と、発電層4上に設けられ色素44で発生したホールが通過するホール輸送層5とで構成される積層体11を備えている。また、ブロッキング層3の表面に設けられ、透明導電膜22を介して電子を放出する光電極61と、ホール輸送層5の表面に設けられ、電子を受け取る対向電極62とで構成される電極6を備えている。なお、電極6の配置は、例えば透明導電膜22に導線接続して光電極61を形成するなど、電子の受け渡しが可能なものであれば特に限定されない。また、太陽電池10の耐久性を高めるため、対向電極62を透明基板21などで保護しても良い。
(Basic configuration of solar cell according to this embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the solar cell 10 according to the present embodiment is provided on the substrate 2 having the transparent substrate 21 and the transparent conductive film 22, and passes electrons to the transparent conductive film 22. In addition, the hole transport layer 5 and the transparent conductive film 22 are separated to prevent recombination (reverse electron transfer) between electrons and holes. The blocking layer 3 is provided on the blocking layer 3 and excited by light to emit electrons. A laminate 11 composed of a power generation layer 4 formed by adsorbing the generated dye 44 to the porous semiconductor 41 and a hole transport layer 5 provided on the power generation layer 4 and through which holes generated in the dye 44 pass. I have. An electrode 6 is provided on the surface of the blocking layer 3 and includes a photoelectrode 61 that emits electrons through the transparent conductive film 22 and a counter electrode 62 that is provided on the surface of the hole transport layer 5 and receives electrons. It has. The arrangement of the electrodes 6 is not particularly limited as long as electrons can be transferred, for example, the photoelectrode 61 is formed by conducting a wire connection to the transparent conductive film 22. Further, the counter electrode 62 may be protected by the transparent substrate 21 or the like in order to increase the durability of the solar cell 10.

透明基板21は、光透過性を有するもので構成される。例えば、透明ガラス基板、すりガラス状の半透明ガラス基板、透明樹脂基板等を適用することができる。また、透明導電膜22は、例えば、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化スズ(TO)、スズドープ酸化インジウム(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)やアルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)などを用いることができる。   The transparent substrate 21 is made of a material having optical transparency. For example, a transparent glass substrate, a ground glass-like translucent glass substrate, a transparent resin substrate, or the like can be used. The transparent conductive film 22 may be made of, for example, fluorine-doped tin oxide (FTO), tin oxide (TO), tin-doped indium oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or aluminum-doped zinc oxide (AZO). .

ブロッキング層3及び多孔質半導体41は、金属酸化物が適しており、例えば、二酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)、二酸化スズ(SnO2)や酸化アルミニウム(Al2O3)などが用いられる。特に、色素44を吸着するための表面積を多く確保できる二酸化チタン(TiO2)の焼結体として構成することが好ましい。また、ブロッキング層3は、一部が透明導電膜22に延出して形成され、透明導電膜22が区画される。更に、ブロッキング層3は、電子が積層方向に通過することができるが、横方向への移動がし難いように緻密な絶縁層31を形成している。つまり、ブロッキング層3から侵入した電子は、透明導電膜22の積層方向に円滑に移動して光電極61に供給されると共に、絶縁層31によって対向電極62への移動が防止されるので短絡しない。 For the blocking layer 3 and the porous semiconductor 41, metal oxides are suitable, for example, titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tin dioxide (SnO 2 ), and oxidation. Aluminum (Al 2 O 3 ) or the like is used. In particular, it is preferably configured as a sintered body of titanium dioxide (TiO 2 ) that can secure a large surface area for adsorbing the dye 44. In addition, the blocking layer 3 is partly extended to the transparent conductive film 22, and the transparent conductive film 22 is partitioned. Furthermore, the blocking layer 3 is formed with a dense insulating layer 31 so that electrons can pass in the stacking direction but are difficult to move in the lateral direction. That is, electrons that have entered from the blocking layer 3 smoothly move in the laminating direction of the transparent conductive film 22 and are supplied to the photoelectrode 61 and are not short-circuited because the insulating layer 31 prevents movement to the counter electrode 62. .

色素44は、鉛及びハロゲン元素Xで構成される化合物(PbX2、X=ハロゲン元素)と、メチルアンモニウムアイオダイド(CH3NH3I:以下、MAIと記載する。)とを反応させて生成される。具体的には、多孔質半導体41の孔内部に鉛及びハロゲン元素Xを含む溶液42を浸透・乾燥させた後、MAIの混合溶液43に浸漬して、色素44であるペロブスカイト色素(X=Iの場合、CH3NH3 PbI3)の結晶が速やかに生成される。なお、ハロゲン元素Xは、ヨウ素、臭素や塩素などを用いることができるが、形態安定性の高いヨウ素を用いることが好ましい。 The dye 44 is formed by reacting a compound composed of lead and a halogen element X (PbX 2 , X = halogen element) and methylammonium iodide (CH 3 NH 3 I: hereinafter referred to as MAI). Is done. Specifically, after a solution 42 containing lead and a halogen element X is infiltrated and dried inside the pores of the porous semiconductor 41, it is immersed in a mixed solution 43 of MAI, and a perovskite dye (X = I In this case, crystals of CH 3 NH 3 PbI 3 ) are rapidly formed. Note that iodine, bromine, chlorine, or the like can be used as the halogen element X, but iodine having high form stability is preferably used.

ホール輸送層5は、後述するホール輸送層材料を用いる。電極6は、例えば、金、白金、銀、銅等の金属の単体や合金、あるいはフッ素ドープ酸化スズ(FTO)やスズドープ酸化インジウム(ITO)といった酸化物導電体などを用いることができる。   The hole transport layer 5 uses a hole transport layer material described later. For the electrode 6, for example, a simple substance or alloy of metal such as gold, platinum, silver, or copper, or an oxide conductor such as fluorine-doped tin oxide (FTO) or tin-doped indium oxide (ITO) can be used.

ここで、図3に基づいて太陽電池10が発電する原理について説明する。透明基板21に太陽光や室内光等の光が入射すると、この入射光はほとんど吸収されることなく基板2やブロッキング層3を透過して、大部分が発電層4に到達する。そして、発電層4に到達した入射光が色素44に照射されると、この色素44は光エネルギーを吸収して励起する。この励起により、色素44のエネルギー準位が多孔質半導体41である金属酸化物の伝導帯電位よりも所定レベル以上高くなると、色素44から多孔質半導体41へと電子が注入される。注入された電子は、ブロッキング層3を経て光電極61で集電される。   Here, the principle that the solar cell 10 generates power will be described with reference to FIG. When light such as sunlight or room light enters the transparent substrate 21, the incident light is hardly absorbed and passes through the substrate 2 and the blocking layer 3, and most of the light reaches the power generation layer 4. When the incident light reaching the power generation layer 4 is irradiated onto the dye 44, the dye 44 absorbs light energy and is excited. When the energy level of the dye 44 becomes higher than the conduction charge level of the metal oxide, which is the porous semiconductor 41, by this excitation, electrons are injected from the dye 44 into the porous semiconductor 41. The injected electrons are collected by the photoelectrode 61 through the blocking layer 3.

一方、色素44で発生したホールは、ホール輸送層5を経由して対向電極62へ到達し、ここで外部負荷7を経由してきた電子と再結合する。つまり、光電極61と対向電極62との間に電位勾配が生じるので、両極間に外部負荷7を接続することによって、電力を供給することができる。   On the other hand, the holes generated in the dye 44 reach the counter electrode 62 through the hole transport layer 5 and recombine with electrons that have passed through the external load 7. That is, since a potential gradient is generated between the photoelectrode 61 and the counter electrode 62, electric power can be supplied by connecting the external load 7 between the two electrodes.

(本実施形態に係る太陽電池の作製手順)
本実施形態に係る太陽電池10の作製手順を、図4に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
(Procedure for manufacturing solar cell according to this embodiment)
The manufacturing procedure of the solar cell 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

まず、透明基板21の上に透明導電膜22を形成して基板2を作製する。透明導電膜22は、例えば、CVD(化学的気相成長法)やスパッタリングなどにより透明基板21上に積層される。次いで、レーザースクライブを施して透明導電膜22を部分的に除去し絶縁層31が入る凹部221を形成した後、洗浄する。次いで、基板2上の全面に、ALD法(原子層堆積法)やSPD法(スプレー熱分解法)などによりブロッキング層3を形成する。ブロッキング層は、好ましくは、TiO2緻密層として形成される。次いで、マスキングを施した基板2及びブロッキング層3上の中央付近に、ナノ粒子焼結層である多孔質半導体41を形成する。好ましくはTiO2の多孔質層(p-TiO2)として形成される。この多孔質半導体41は、ナノ粒子ペーストを溶媒によって希釈し、例えば、4000rpm〜6000rpmの回転速度のスピンコート法で塗布・乾燥した後、マスキングを取り除いて450℃〜550℃で加熱し、焼結形成される。 First, the transparent conductive film 22 is formed on the transparent substrate 21 to produce the substrate 2. The transparent conductive film 22 is laminated on the transparent substrate 21 by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition) or sputtering. Next, laser scribing is performed to partially remove the transparent conductive film 22 to form a recess 221 into which the insulating layer 31 is inserted, followed by cleaning. Next, the blocking layer 3 is formed on the entire surface of the substrate 2 by an ALD method (atomic layer deposition method), an SPD method (spray pyrolysis method), or the like. The blocking layer is preferably formed as a dense TiO 2 layer. Next, a porous semiconductor 41 that is a nanoparticle sintered layer is formed in the vicinity of the center on the masked substrate 2 and blocking layer 3. Preferably formed as a porous layer of TiO 2 (p-TiO 2) . The porous semiconductor 41 is prepared by diluting the nanoparticle paste with a solvent, applying and drying the spin paste method at a rotational speed of, for example, 4000 rpm to 6000 rpm, removing the masking, and heating at 450 ° C. to 550 ° C. for sintering. It is formed.

例えばヨウ化鉛(PbI2)のN,N−ジメチルホルムアミド溶液42を調製し、多孔質半導体41上に滴下後、例えば、5000 rpm〜8000 rpmの回転速度のスピンコートにより孔(p-TiO2)内部への浸透と余分な溶液の除去を行う。60℃〜120℃(好ましくは70℃〜90℃)で乾燥させてPbI2層を形成する。 For example, an N, N-dimethylformamide solution 42 of lead iodide (PbI 2 ) is prepared, dropped on the porous semiconductor 41, and then subjected to pores (p-TiO 2) by spin coating at a rotational speed of 5000 rpm to 8000 rpm, for example. ) Penetration inside and removal of excess solution. The PbI 2 layer is formed by drying at 60 ° C. to 120 ° C. (preferably 70 ° C. to 90 ° C.).

メチルアンモニウムアイオダイド(CH3NH3I、「MAI」と称する場合がある)のイソプロピルアルコール溶液43(2〜20mg/ml)に、基板2・ブッロキング層3・ヨウ化鉛が浸透した多孔質半導体41を0℃〜80℃(好ましくは常温)で浸漬する(MAI浸漬法)。PbI2とMAIが反応によりペロブスカイト層として色素44[(CH3NH3 )PbI3]を多孔質半導体41の孔内部及び上部に形成した後、純イソプロピルアルコール溶液で灌ぎ、60℃〜120℃(好ましくは70℃〜100℃)で乾燥させる。 Porous semiconductor in which Methylammonium Iodide (CH 3 NH 3 I, sometimes referred to as “MAI”) isopropyl alcohol solution 43 (2 to 20 mg / ml) is impregnated with substrate 2, blocking layer 3 and lead iodide 41 is immersed at 0 ° C. to 80 ° C. (preferably normal temperature) (MAI dipping method). PbI 2 and MAI react to form a dye 44 [(CH 3 NH 3 ) PbI 3 ] as a perovskite layer inside and above the pores of the porous semiconductor 41, and then irrigated with a pure isopropyl alcohol solution to 60 ° C. to 120 ° C. (Preferably 70 ° C to 100 ° C).

本実施形態に係るホール輸送層材料を、例えば、クロロベンゼン溶液60〜90mg/ml(若干の添加物を含む。)として調製する。これを滴下し、スピンコート法により余分な溶液の除去を行い、乾燥させることでホール輸送層5を形成する。PbI2層形成からホール輸送層5形成までの工程は、グローブボックスなど乾燥窒素雰囲気下で行うことが好ましい。最後に、真空蒸着法などによって、金などの薄膜をブロッキング層3及びホール輸送層5の表面に付着させ、電極6を形成する。 The hole transport layer material according to the present embodiment is prepared, for example, as a chlorobenzene solution 60 to 90 mg / ml (including some additives). This is dropped, an excess solution is removed by spin coating, and the hole transport layer 5 is formed by drying. The steps from the formation of the PbI 2 layer to the formation of the hole transport layer 5 are preferably performed in a dry nitrogen atmosphere such as a glove box. Finally, a thin film such as gold is attached to the surfaces of the blocking layer 3 and the hole transport layer 5 by a vacuum vapor deposition method or the like to form the electrode 6.

前述の作成手順では、色素44であるペロブスカイト色素を2ステップによって結晶成長制御したものであるが、これを1ステップで行ってよい。例えば、ペロブスカイト((CH3NH3 )PbI3)溶液をスピンコート法により、多孔質半導体41の孔内部に浸透させる。スピン中にトルエンを滴下し、微小結晶を析出させて表面を鏡面化する(負溶媒析出法)。続いて、本実施形態に係るホール輸送層材料によりホール輸送層5を形成してもよい。 In the above preparation procedure, the perovskite dye as the dye 44 is controlled in crystal growth by two steps, but this may be performed in one step. For example, a perovskite ((CH 3 NH 3 ) PbI 3 ) solution is permeated into the pores of the porous semiconductor 41 by spin coating. Toluene is dropped into the spin to precipitate microcrystals and mirror the surface (negative solvent precipitation method). Subsequently, the hole transport layer 5 may be formed of the hole transport layer material according to the present embodiment.

(本実施形態に係るホール輸送層材料)
本実施形態に係るホール輸送層材料は、中心構造体としてフタロシアニン骨格を有する。フタロシアニンは、4つのイソインドールが窒素原子を介して架橋した巨大な環状構造体であり、金属元素を中心に配位した金属フタロシアニンを形成する。本実施形態に係るホール輸送層材料は、溶媒への溶解性獲得と電気的特性の向上のために、フタロシアニン骨格外周に置換基が導入されている。置換基は、フタロシアニン骨格外周に均等に導入されることが好ましく、対称型として構築されることが特に好ましい。
(Hole transport layer material according to this embodiment)
The hole transport layer material according to the present embodiment has a phthalocyanine skeleton as a central structure. Phthalocyanine is a huge cyclic structure in which four isoindoles are bridged through nitrogen atoms, and forms metal phthalocyanine coordinated around a metal element. In the hole transport layer material according to this embodiment, a substituent is introduced to the outer periphery of the phthalocyanine skeleton in order to obtain solubility in a solvent and improve electrical characteristics. The substituents are preferably introduced evenly around the outer periphery of the phthalocyanine skeleton, and are particularly preferably constructed as a symmetrical type.

本実施形態に係るホール輸送層材料の特徴構成は、下記一般式(I)〜(II)から選択される化合物である。一般式(I)に示す化合物は、フタロシアニン骨格を構成する4つのインドール環においてそれぞれのベンゼン環部分のβ位の1箇所に均等に置換基が導入された構造を有している。つまり、フタロシアニン環の2位又は3位の一方、9位又は10位の一方、16位又は17位の一方、23位又は24位の一方に置換基が導入されている。一般式(II)に示す化合物は4つのインドール環において、それぞれのベンゼン環部分のβ位の2箇所に均等に置換基が導入された構造を有し、フタロシアニン環の2位、3位、9位、10位、16位、17位、23位及び24位に置換基が導入されている。一般式(III)はα位の2箇所に均等に置換基が導入された構造を有し、フタロシアニン環の1位、4位、8位、11位、15位、18位、22位及び25位に置換基が導入されている。図5〜7に、本実施形態に係るホール輸送層材料の代表例を提示する。しかしながら、これに限定するものではない。   The characteristic configuration of the hole transport layer material according to this embodiment is a compound selected from the following general formulas (I) to (II). The compound represented by the general formula (I) has a structure in which a substituent is evenly introduced at one position at the β-position of each benzene ring portion in the four indole rings constituting the phthalocyanine skeleton. That is, a substituent is introduced into one of 2-position or 3-position, one of 9-position or 10-position, one of 16-position or 17-position, one of 23-position or 24-position of the phthalocyanine ring. The compound represented by the general formula (II) has a structure in which substituents are evenly introduced at two positions of the β-position of each benzene ring portion in the four indole rings, and the 2-position, 3-position, 9 of the phthalocyanine ring. Substituents are introduced at positions 10, 10, 16, 17, 23 and 24. The general formula (III) has a structure in which substituents are evenly introduced at two positions on the α-position, and the 1-position, 4-position, 8-position, 11-position, 15-position, 18-position, 22-position and 25-position of the phthalocyanine ring. A substituent is introduced at the position. 5 to 7 show representative examples of the hole transport layer material according to the present embodiment. However, the present invention is not limited to this.

Figure 2017066096
Figure 2017066096
Figure 2017066096
Figure 2017066096
Figure 2017066096
Figure 2017066096

本実施形態に係るホール輸送層材料は、金属元素が中心に配位する金属フタロシアニン錯体として構成される。したがって、一般式(I)〜(III)において、Mは、金属原子、金属酸化物又は金属ハロゲン化物であり、好ましくは、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、マンガン(Mn)又はスズ(Sn)として構成する。特に好ましくは亜鉛である。   The hole transport layer material according to this embodiment is configured as a metal phthalocyanine complex in which a metal element is coordinated at the center. Therefore, in the general formulas (I) to (III), M is a metal atom, a metal oxide or a metal halide, and preferably zinc (Zn), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe ), Nickel (Ni), lead (Pb), manganese (Mn) or tin (Sn). Particularly preferred is zinc.

本実施形態に係るホール輸送層材料は、溶媒への溶解性獲得と電気的特性の向上のために、フタロシアニン骨格外周に置換基が導入されている。好適な置換基を以下に示す。   In the hole transport layer material according to this embodiment, a substituent is introduced to the outer periphery of the phthalocyanine skeleton in order to obtain solubility in a solvent and improve electrical characteristics. Suitable substituents are shown below.

一般式(I)において、
R1a及びR1bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R2a及びR2bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R3a及びR3bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R4a及びR4bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R1a又はR1bで選択される置換基、R2a又はR2bで選択される置換基、R3a又はR3bで選択される置換基、R4a又はR4bで選択される置換基は同一である。

Figure 2017066096
(ここで、前記置換基(A)のX1が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(B)のX2が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(C)のX3が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(D)のX4が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(E)のX5及びX6が、同一でC6〜C8アルキル基であり、前記置換基(F)のX7及びX8が、同一でC4〜C6アルキル基又はC1〜C3アルコキシ基であり、前記置換基(G)のX9が、C4〜C6アルキル基又はジフェニルアミノ基であり、前記置換基(I)のX10が、C4〜C6アルキル基である。) In general formula (I):
R 1a and R 1b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 2a and R 2b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 3a and R 3b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 4a and R 4b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
The substituent selected by R 1a or R 1b , the substituent selected by R 2a or R 2b , the substituent selected by R 3a or R 3b , and the substituent selected by R 4a or R 4b are the same. is there.
Figure 2017066096
(Here, X 1 of the substituent (A) is a C 6 -C 8 alkyl group, X 2 of the substituent (B) is a C 6 -C 8 alkyl group, and the substituent ( X 3 in C) is a C 6 -C 8 alkyl group, X 4 in the substituent (D) is a C 6 -C 8 alkyl group, and X 5 and X 6 in the substituent (E) Are the same C 6 -C 8 alkyl group, and X 7 and X 8 of the substituent (F) are the same C 4 -C 6 alkyl group or C 1 -C 3 alkoxy group, X 9 of the group (G) is a C 4 to C 6 alkyl group or a diphenylamino group, and X 10 of the substituent (I) is a C 4 to C 6 alkyl group.)

前記置換基(A)におけるC6〜C8アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。特に好ましくは、ヘキシル基又は2-エチルヘキシル基である。前記置換基(B)におけるC6〜C8アルキルスフェニル基のアルキル鎖は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、ヘキシル鎖である。前記置換基(C)におけるC6〜C8アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、ヘキシル基又は2-エチルヘキシル基である。前記置換基(D)におけるC6〜C8アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、ヘキシル基又は2-エチルヘキシル基である。前記置換基(E)おけるC6〜C8アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、ヘキシル基である。前記置換基(F)におけるC4〜C6のアルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、ヘキシル基又はt-ブチル基である。また、C1〜C3アルコキシ基のアルキル鎖は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、メチル鎖である。前記置換基(G)におけるC4〜C6アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、t-ブチル基である。前記置換基(G)におけるC4〜C6アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、t-ブチル基である。 The C 6 -C 8 alkyl group in the substituent (A) may be linear or branched. Particularly preferred is a hexyl group or a 2-ethylhexyl group. The alkyl chain of the C 6 -C 8 alkylsphenyl group in the substituent (B) may be linear or branched. Preferably, it is a hexyl chain. The C 6 -C 8 alkyl group in the substituent (C) may be linear or branched. Preferably, it is a hexyl group or 2-ethylhexyl group. The C 6 -C 8 alkyl group in the substituent (D) may be linear or branched. Preferably, it is a hexyl group or 2-ethylhexyl group. The C 6 -C 8 alkyl group in the substituent (E) may be linear or branched. Preferably, it is a hexyl group. The C 4 to C 6 alkyl group in the substituent (F) may be linear or branched. Preferably, it is a hexyl group or a t-butyl group. Further, the alkyl chain of the C 1 -C 3 alkoxy group may be linear or branched. Preferably, it is a methyl chain. The C 4 to C 6 alkyl group in the substituent (G) may be linear or branched. Preferably, it is a t-butyl group. The C 4 to C 6 alkyl group in the substituent (G) may be linear or branched. Preferably, it is a t-butyl group.

ここで、C1〜C3アルキル基とは、炭素数が1〜3のアルキル基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基である。C4〜C6アルキル基とは、炭素数が4〜6のアルキル基であり、具体的には、n-ブチル基、イソブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、n-ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、t-ペンチル基、s-ペンチル基、2-メチルブチル基、1-エチルプロピル基、2-エチルプロビル基、n-ヘキシル基、イソヘキシル基、ネオヘキシル基、t-ヘキシル基、2,2-ジメチルブチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、1-エチルブチル基、2-エチルブチル基、1-プロピルプロピル基等が例示される。C6〜C8アルキル基とは、炭素数が6〜8のアルキル基であり、n-ヘキシル基、イソヘキシル基、ネオヘキシル基、t-ヘキシル基、2,2-ジメチルブチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、1-エチルブチル基、2-エチルブチル基、1-プロピルプロピル基、n-ヘプチル基、イソヘプチル基、s-ヘプチル基、t-ヘプチル基、2,2-ジメチルペンチル基、3,3-ジメチルペンチル基、1-メチルヘキシル基、2-メチルヘキシル基、3-メチルヘキシル基、4-メチルヘキシル基、1-エチルペンチル基、2-エチルペンチル基、3-エチルペンチル基、1-プロピルブチル基、2-プロピルブチル基、n-オクチル基、イソオクチル基、t-オクチル基、ネオオクチル基、2,2-ジメチルヘキシル基、3,3-ジメチルヘキシル基、4,4-ジメチルヘキシル基、1-メチルヘプチル基、2-メチルヘプチル基、3-メチルヘプチル基、4-メチルヘプチル基、5-メチルヘプチル基、1-エチルヘキシル基、2-エチルヘキシル基、3-エチルヘキシル基、4-エチルヘキシル基、1-プロピルペンチル基、2-プロピルペンチル基、3-プロピルペンチル基等が挙げられる。C1〜C6のアルキル基は、炭素数1〜6のアルキル基であり、具体的なアルキル基については前述の通りである。なお、“n”は、“normal”の略、“s”は、“sec”及び“secondery”の略、“t”は、“tert”及び“tertiary”の略である。アルキル鎖についても同様である。 Here, the C 1 -C 3 alkyl group is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, specifically, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, or an isopropyl group. C 4 -C 6 alkyl group is an alkyl group having 4 to 6 carbon atoms, specifically, n-butyl group, isobutyl group, s-butyl group, t-butyl group, n-pentyl group, Isopentyl group, neopentyl group, t-pentyl group, s-pentyl group, 2-methylbutyl group, 1-ethylpropyl group, 2-ethylpropyl group, n-hexyl group, isohexyl group, neohexyl group, t-hexyl group, Examples include 2,2-dimethylbutyl group, 2-methylpentyl group, 3-methylpentyl group, 1-ethylbutyl group, 2-ethylbutyl group, 1-propylpropyl group and the like. C 6 -C 8 alkyl group is an alkyl group having 6 to 8 carbon atoms, n-hexyl group, isohexyl group, neohexyl group, t-hexyl group, 2,2-dimethylbutyl group, 2-methylpentyl Group, 3-methylpentyl group, 1-ethylbutyl group, 2-ethylbutyl group, 1-propylpropyl group, n-heptyl group, isoheptyl group, s-heptyl group, t-heptyl group, 2,2-dimethylpentyl group, 3,3-dimethylpentyl group, 1-methylhexyl group, 2-methylhexyl group, 3-methylhexyl group, 4-methylhexyl group, 1-ethylpentyl group, 2-ethylpentyl group, 3-ethylpentyl group, 1-propylbutyl group, 2-propylbutyl group, n-octyl group, isooctyl group, t-octyl group, neooctyl group, 2,2-dimethylhexyl group, 3,3-dimethylhexyl group, 4,4-dimethylhexyl Group, 1-methylheptyl group, 2-methylheptyl group 3-methylheptyl group, 4-methylheptyl group, 5-methylheptyl group, 1-ethylhexyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylhexyl group, 4-ethylhexyl group, 1-propylpentyl group, 2-propylpentyl group And 3-propylpentyl group. The C 1 -C 6 alkyl group is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and specific alkyl groups are as described above. “N” is an abbreviation for “normal”, “s” is an abbreviation for “sec” and “secondery”, and “t” is an abbreviation for “tert” and “tertiary”. The same applies to the alkyl chain.

好ましくは、一般式(I)において、これらに限定するものではないが、
前記置換基(A)が、5-ヘキシル-チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(B)が、5-(ヘキシルスルファニル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(C)が、5'-ヘキシル-2,2'-ビチオフェン-5-イル基、又は5'-(2-エチルヘキシル) -2,2'-ビチオフェン-5-イル基であり、
前記置換基(D)が、5-ヘキシル-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(E)が、5,5''-ジヘキシル-2,2':3',2''-テルチオフェン-5'-イル基であり、
前記置換基(F)が、ビス(4-ヘキシルフェニル)アミノ基、ビス(4-メトキシフェニル)アミノ基、又はビス(4-tert-ブチルフェニル)アミノ基であり、
前記置換基(G)が、4- tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(H)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基であり、
前記置換基(I)が、tert-ブチル基である。
Preferably, in general formula (I), but not limited thereto,
The substituent (A) is a 5-hexyl-thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (B) is a 5- (hexylsulfanyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (C) is a 5′-hexyl-2,2′-bithiophen-5-yl group or a 5 ′-(2-ethylhexyl) -2,2′-bithiophen-5-yl group;
The substituent (D) is a 5-hexyl-thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group. And
The substituent (E) is a 5,5 ″ -dihexyl-2,2 ′: 3 ′, 2 ″ -terthiophene-5′-yl group;
The substituent (F) is a bis (4-hexylphenyl) amino group, a bis (4-methoxyphenyl) amino group, or a bis (4-tert-butylphenyl) amino group;
The substituent (G) is a 4-tert-butylphenyl group or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (H) is a 2,6-diphenylphenoxy group;
The substituent (I) is a tert-butyl group.

一般式(II)及び(III)において、
R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、及びR12は同一の置換基であり、下記の(J)〜(N)から選択される。

Figure 2017066096
ここで、置換基(J)のX11が、C1〜C6アルキル基であり、置換基(K)のX12が、C4〜C6アルキル基、C1〜C3アルコキシ基、又はジフェニルアミノ基であり、置換基(L)のX13及びX14が、同一でC1〜C3アルコキシ基であり、置換基(M)のX15が、C4〜C6アルキル基であり、置換基(N)のX16が、C1〜C3アルコキシ基、又は水素である。) In general formulas (II) and (III),
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , and R 12 are the same substituent and are selected from the following (J) to (N).
Figure 2017066096
Here, X 11 of the substituent (J) is a C 1 to C 6 alkyl group, and X 12 of the substituent (K) is a C 4 to C 6 alkyl group, a C 1 to C 3 alkoxy group, or It is a diphenylamino group, X 13 and X 14 of the substituent (L) are the same C 1 -C 3 alkoxy group, and X 15 of the substituent (M) is a C 4 -C 6 alkyl group X 16 of the substituent (N) is a C 1 -C 3 alkoxy group or hydrogen. )

前記置換基(J)におけるC1〜C6アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、メチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、又はヘキシル基である。前記置換基(K)におけるC4〜C6アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、tert-ブチル基である。C1〜C3アルコキシ基のアルキル鎖は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、メチル鎖である。前記置換基(L)におけるC1〜C3アルコキシ基のアルキル鎖は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、メチル鎖である。前記置換基(M)におけるC4〜C6アルキル基は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、tert-ブチル基である。前記置換基(N)におけるC1〜C3アルコキシ基のアルキル鎖は、直鎖状及び分岐状の別を問わない。好ましくは、メチル鎖である。 The C 1 -C 6 alkyl group in the substituent (J) may be linear or branched. A methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, or a hexyl group is preferable. The C 4 to C 6 alkyl group in the substituent (K) may be linear or branched. A tert-butyl group is preferable. The alkyl chain of the C 1 -C 3 alkoxy group may be linear or branched. Preferably, it is a methyl chain. The alkyl chain of the C 1 -C 3 alkoxy group in the substituent (L) may be linear or branched. Preferably, it is a methyl chain. The C 4 to C 6 alkyl group in the substituent (M) may be linear or branched. A tert-butyl group is preferable. Alkyl chains of C 1 -C 3 alkoxy group in the substituent (N) may be either a separate linear and branched. Preferably, it is a methyl chain.

好ましくは、前記一般式(II)に示す化合物において、これに限定するものではないが、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基、又は5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である
Preferably, in the compound represented by the general formula (II), but not limited thereto,
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The substituent (N) is a 2,6-diphenylphenoxy group or a 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.

好ましくは、前記一般式(III)に示す化合物において、これに限定するものではないが、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である。
Preferably, the compound represented by the general formula (III) is not limited thereto,
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The substituent (N) is a 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.

〔本実施形態に係るホール輸送層材料の好適例〕
本実施形態に係るホール輸送層材料の好適例を、一般式(V)として下記に示す。明細書中、当該ホール輸送層材料を「Sym-HT-PcH」と称する場合がある。一般式(IV)に示す化合物は、中心金属として亜鉛を配位し、フタロシアニン環の外周骨格となる4つのインドール環のベンゼン環部分のβ位にそれぞれ一箇所ずつヘキシルチオフェン環を置換基として導入して構成している。つまり、フタロシアニン環の2位又は3位の一方、9位又は10位の一方、16位又は17位の一方、23位又は24位の一方にヘキシルチオフェン環が導入されている。

Figure 2017066096
(一般式(V)において、
R13a及びR13bは互いに独立で、一方が下記置換基(O)であり、他方は水素であり、
R14a及びR14bは互いに独立で、一方が下記置換基(O)であり、他方は水素であり、
R15a及びR15bは互いに独立で、一方が下記置換基(O)であり、他方は水素であり、
R16a及びR16bは互いに独立で、一方が下記置換基(O)であり、他方は水素である。
Figure 2017066096
[Preferred example of hole transport layer material according to this embodiment]
A preferred example of the hole transport layer material according to this embodiment is shown below as general formula (V). In the specification, the hole transport layer material may be referred to as “Sym-HT-PcH”. In the compound represented by the general formula (IV), zinc is coordinated as a central metal, and a hexylthiophene ring is introduced as a substituent at each β-position of the benzene ring portion of the four indole rings that form the outer peripheral skeleton of the phthalocyanine ring. Configured. That is, a hexylthiophene ring is introduced into one of the 2-position or 3-position, one of 9-position or 10-position, one of 16-position or 17-position, one of 23-position or 24-position of the phthalocyanine ring.
Figure 2017066096
(In general formula (V),
R 13a and R 13b are mutually independent, one is the following substituent (O), the other is hydrogen,
R 14a and R 14b are independent of each other, one is the following substituent (O), the other is hydrogen,
R 15a and R 15b are independent of each other, one is the following substituent (O), the other is hydrogen,
R 16a and R 16b are independent of each other, one is the following substituent (O) and the other is hydrogen.
Figure 2017066096

一般式(V)として示す化合物のなかでも、下記一般式(IV)で示す化合物が特に好ましく、例示される。

Figure 2017066096
Of the compounds represented by the general formula (V), compounds represented by the following general formula (IV) are particularly preferred and exemplified.
Figure 2017066096

〔本実施形態に係るホール輸送層材料の合成方法〕
本実施形態に係るホール輸送層材料の合成方法は、下記の実施例1に記載の合成方法を参照して容易に合成することができる。なお、実施例1は、ホール輸送層材料の好適例であるSym-HT-PcHの合成方法の一例を示すものであり、これに限定するものではなく、適宜他の方法を用いて合成することができる。
[Method of synthesizing hole transport layer material according to this embodiment]
The hole transport layer material synthesis method according to this embodiment can be easily synthesized with reference to the synthesis method described in Example 1 below. In addition, Example 1 shows an example of the synthesis method of Sym-HT-PcH, which is a preferred example of the hole transport layer material, and is not limited to this, and may be synthesized using other methods as appropriate. Can do.

本実施形態に係るホール輸送層材料のフタロシアニン骨格は、フタロニトリルと中心金属として配位させる金属塩との加熱による、フタロニトリルの環化反応により形成することができる。置換基の導入についても、フタロニトリルに予め所望の置換基を導入することにより、対称型に置換基が導入された本実施形態に係るホール輸送層材料を簡単に合成することができる。   The phthalocyanine skeleton of the hole transport layer material according to this embodiment can be formed by a cyclization reaction of phthalonitrile by heating with phthalonitrile and a metal salt coordinated as a central metal. As for the introduction of the substituent, the hole transport layer material according to the present embodiment in which the substituent is introduced symmetrically can be easily synthesized by introducing a desired substituent into phthalonitrile in advance.

合成に際して、フタロニトリルに導入する置換基の種類を適宜変更することにより、種々の置換基を有するホール輸送層材料を提供することができる。また、環化反応に使用する金属塩の種類を適宜変更することにより、種々の中心金属を有するホール輸送層材料を提供することができる。これにより、ホール輸送層材料の電気的特性を制御することができ、更に高い性能を有するホール輸送層材料を構築することが可能となる。したがって、ホール輸送性が更に向上した化合物やドーパントの添加を一切必要としない化合物のホール輸送層材料としての提供が期待できる。   In the synthesis, a hole transport layer material having various substituents can be provided by appropriately changing the type of substituent introduced into phthalonitrile. Moreover, the hole transport layer material which has various center metals can be provided by changing suitably the kind of metal salt used for cyclization reaction. Thereby, the electrical characteristics of the hole transport layer material can be controlled, and a hole transport layer material having higher performance can be constructed. Therefore, it can be expected that a compound having a further improved hole transport property or a compound which does not require any addition of a dopant as a hole transport layer material.

〔本実施形態に係るホール輸送層材料の特性〕
本実施形態に係るホール輸送層材料は、安定的かつ効率的にホールを捕捉し移動させることができる優れたホール輸送性を有している。本実施形態に係るホール輸送層材料の骨格を構成するフタロシアニンは、四つのイソインドールが窒素原子を介して架橋した縮合多芳香族化合物である。高い平面性を持つ環状の構造物であり、環状に連続したπ電子雲を形成している。フタロシアニン分子間でこのπ電子雲どうしが重なり、平皿を複数重ねたような配置(「π-πスタッキング」という)で安定化する。平皿を重ねた方向にホールを移動させることができ、良好なホール輸送性を発揮することができる。
[Characteristics of hole transport layer material according to this embodiment]
The hole transport layer material according to the present embodiment has an excellent hole transport property capable of capturing and moving holes stably and efficiently. The phthalocyanine constituting the skeleton of the hole transport layer material according to the present embodiment is a condensed polyaromatic compound in which four isoindoles are cross-linked through nitrogen atoms. It is an annular structure with high planarity, and forms an annular continuous π electron cloud. This π-electron cloud overlaps between phthalocyanine molecules and stabilizes in an arrangement (called “π-π stacking”) in which multiple flat plates are stacked. The holes can be moved in the direction in which the flat plates are stacked, and good hole transportability can be exhibited.

本実施形態に係るホール輸送層材料は、長期の耐久性の面でも優れた特性を有している。フタロシアニンは、色合いが鮮明であるだけでなく、化学的及び物理的に極めて安定であり耐候性のあることから、顔料と塗装や標識に用いられてきた。前述のフタロシアニンにおけるπ-πスタッキング状態は、非常に安定かつ強固であり、外部からの酸化(電子の放出)や還元(電子の注入)は、複数の分子にその攻撃が拡散することにより、全体として安定状態を保つことができ、耐候性が高い。本実施形態に係るホール輸送層材料は、かかる耐候性を有するフタロシアニン骨格を有することから、光照射や温湿度によって分解することなく耐久性が高いという特性を有する。   The hole transport layer material according to the present embodiment has excellent characteristics in terms of long-term durability. Phthalocyanines have been used in pigments and paints and labels because they are not only vivid in color, but also very chemically and physically stable and weather resistant. The aforementioned π-π stacking state in phthalocyanine is very stable and strong, and oxidation (electron emission) and reduction (electron injection) from the outside are caused by diffusion of the attack to multiple molecules. Can maintain a stable state and has high weather resistance. Since the hole transport layer material according to the present embodiment has a phthalocyanine skeleton having such weather resistance, it has a characteristic of high durability without being decomposed by light irradiation or temperature and humidity.

また、従来のSpiro-OMeTADをホール輸送層として積層する等、基板上に固定化した際には、その分子構造より分子間に隙間が生じ、他の分子が混入する等の不具合があった。詳細には、Spiro-OMeTADの分子中心のスピロ環構造が5員環構造であり分子が90%程度ねじれた構造をとる。そのため、分子構造が嵩高くなり、分子間隙間に溶媒分子が侵入しホール輸送を遮ったり、またドーパントとして添加したコバルト錯体の脱落等が生じる等、ホール輸送性を安定的かつ持続的に発揮することができなかった。しかしながら、本実施形態に係るホール輸送層材料は、前述のとおり平面性が高いことから分子間に空隙が生じず、分子間の電気的結合を確保することができ、また、ホール輸送性を低下させる要因と成り得る他の分子が分子間に混入する等の不具合を防止することができる。これにより、ホール輸送性能が安定し、かつ耐久性の面でも優れた性能を発揮することができる。   In addition, when the conventional Spiro-OMeTAD was laminated as a hole transport layer or the like and fixed on the substrate, there was a problem that a gap was generated between molecules due to its molecular structure, and other molecules were mixed. Specifically, Spiro-OMeTAD has a five-membered spiro ring structure at the center of the molecule, and the molecule is twisted by about 90%. Therefore, the molecular structure becomes bulky, solvent molecules enter between the molecular gaps to block hole transport, and the cobalt complex added as a dopant is dropped off, etc., and the hole transport property is stably and continuously exhibited. I couldn't. However, since the hole transport layer material according to the present embodiment has high planarity as described above, voids are not generated between molecules, electrical coupling between molecules can be ensured, and hole transport properties are reduced. It is possible to prevent problems such as mixing of other molecules that can be a cause of the contamination between molecules. Thereby, the hole transport performance is stable, and excellent performance can be exhibited in terms of durability.

本実施形態に係るホール輸送層材料は、溶媒への溶解性の面でも優れた特性を有する。フタロシアニンは、前述のπ-πスタッキングにより分子どうしが強く相互作用していることから、水だけでなく有機溶媒に対する溶解度が極めて低く、その利用が制限されていた。本実施形態に係るホール輸送層材料は、フタロシアニン骨格外周に、π-πスタッキングを妨げない程度に嵩高くし、溶媒への可溶性を向上させるため置換基を均等に導入した。これにより、本実施形態に係るホール輸送層材料は、クロロベンゼンなどの溶媒に可溶となり、スピンコート等の塗布法によりハイブリッド型の太陽電池10のホール輸送層5を形成することができる。従来において当該太陽電池10のホール輸送層5として汎用されていたSpiro-OMeTAD等のスピロ環構造を持つ化合物と置き換えて使用することができ、作製手順についても同様に行うことができる。   The hole transport layer material according to this embodiment has excellent properties in terms of solubility in a solvent. Since phthalocyanine interacts strongly with each other due to the aforementioned π-π stacking, its solubility in not only water but also an organic solvent is extremely low, and its use is limited. In the hole transport layer material according to the present embodiment, the substituents were uniformly introduced on the outer periphery of the phthalocyanine skeleton so as not to hinder π-π stacking and to improve the solubility in a solvent. Thereby, the hole transport layer material according to the present embodiment becomes soluble in a solvent such as chlorobenzene, and the hole transport layer 5 of the hybrid solar cell 10 can be formed by a coating method such as spin coating. It can be used in place of a compound having a spiro ring structure such as Spiro-OMeTAD that has been widely used as the hole transport layer 5 of the solar cell 10 in the past, and the production procedure can be similarly performed.

また、本実施形態に係るホール輸送層材料は、フタロシアニン骨格外周に導入する置換基や中心金属を変更することにより、ホール輸送性をはじめとする電気的特性、及び溶媒への溶解性を制御することができる。これにより、更に、高い性能を有するホール輸送層材料を提供することが可能である。分子間の電気的結合の確保を更に適切に制御することが可能となり、ホール輸送性が更に向上した化合物やドーパントの添加を一切必要としない化合物の提供が期待できる。   In addition, the hole transport layer material according to the present embodiment controls electrical properties including hole transportability and solubility in a solvent by changing a substituent or a central metal introduced into the outer periphery of the phthalocyanine skeleton. be able to. Thereby, it is possible to provide a hole transport layer material having higher performance. It is possible to more appropriately control the electrical coupling between the molecules, and it can be expected to provide a compound with further improved hole transport properties and a compound that does not require any addition of a dopant.

本実施形態に係るホール輸送層材料は簡便かつ安価に合成することができる。フタロシアニン骨格は、フタロニトリルと中心金属として配位させる金属塩との加熱による、フタロニトリルの環化反応により形成することができる。置換基の導入についても、フタロニトリルに予め所望の置換基を導入することにより、フタロシアニンに対称型に置換基を導入することは至極簡単である。安価に提供することができる。このように、本実施形態に係るホール輸送層材料は、従来のSpiro-OMeTAD等のスピロ環構造を持つ化合物と比較して、少ない工程で合成することができ、精製も容易であることから、合成に要するコストを低減することができる。   The hole transport layer material according to the present embodiment can be synthesized easily and inexpensively. The phthalocyanine skeleton can be formed by a cyclization reaction of phthalonitrile by heating with phthalonitrile and a metal salt coordinated as a central metal. As for the introduction of substituents, it is very simple to introduce a substituent into phthalocyanine symmetrically by introducing a desired substituent into phthalonitrile in advance. It can be provided at low cost. Thus, the hole transport layer material according to the present embodiment can be synthesized with fewer steps as compared with a compound having a spiro ring structure such as a conventional Spiro-OMeTAD, and is easily purified. The cost required for synthesis can be reduced.

本実施形態に係るホール輸送層材料は、前述の通り、優れた特性を有することから、太陽電池10のホール輸送層材料として好適に利用することができる。   Since the hole transport layer material according to the present embodiment has excellent characteristics as described above, it can be suitably used as the hole transport layer material of the solar cell 10.

〔本実施形態に係る太陽電池10の特性〕
本実施形態に係る太陽電池10は、前述通り優れた特性を有する本発明のホール輸送層材料を用いて形成されたホール輸送層5を備える。詳細には、本実施形態に係るホール輸送層材料は優れた安定的かつ効率的にホールを捕捉し移動させることができる優れたホール輸送性を有していることから、本発明の太陽電池10は、これをホール輸送層5として用いることで、光電変換効率の向上、ひいては電池性能が向上する。
[Characteristics of Solar Cell 10 According to this Embodiment]
The solar cell 10 according to the present embodiment includes the hole transport layer 5 formed using the hole transport layer material of the present invention having excellent characteristics as described above. Specifically, since the hole transport layer material according to the present embodiment has excellent hole transportability capable of capturing and moving holes excellently and stably, the solar cell 10 of the present invention. By using this as the hole transport layer 5, the photoelectric conversion efficiency is improved, and the battery performance is improved.

また、本実施形態のホール輸送層材料の組成が安定であることから常に同一の性能が得ることが期待できる。従来のSpiro-OMeTADを、ホール輸送層材料を使用する場合には、ホール輸送効率を向上させる機能を有するドーパントの添加を要した。一方、本実施形態のホール輸送層材料はドーパントを添加せずとも良好なホール輸送性を実現し得る可能性がある。   Moreover, since the composition of the hole transport layer material of the present embodiment is stable, it can be expected that the same performance is always obtained. When using the conventional Spiro-OMeTAD with a hole transport layer material, it was necessary to add a dopant having a function of improving the hole transport efficiency. On the other hand, there is a possibility that the hole transport layer material of this embodiment can achieve good hole transport properties without adding a dopant.

本実施形態に係るホール輸送層材料は耐久性の面も優れていることから、本実施形態に係る太陽電池10は、これをホール輸送層5として用いることで、当該太陽電池10の長期の耐久性を向上することができる。更には、ホール輸送層材料としてSpiro-OMeTADを利用する従来のペロブスカイト型太陽電池において、吸湿によるペロブスカイト結晶の性能劣化が問題となっていたが、ペロブスカイト結晶は、耐候性のある本実施形態に係るホール輸送層材料により被覆されることとなり、かかる側面からも当該太陽電池の長期の耐久性を向上できる。   Since the hole transport layer material according to the present embodiment is excellent in durability, the solar cell 10 according to the present embodiment is used as the hole transport layer 5 so that the solar cell 10 has a long-term durability. Can be improved. Furthermore, in the conventional perovskite solar cell using Spiro-OMeTAD as the hole transport layer material, performance degradation of the perovskite crystal due to moisture absorption has been a problem, but the perovskite crystal is related to this embodiment having weather resistance. It will be coat | covered with hole transport layer material, and the long-term durability of the said solar cell can be improved also from this side surface.

このように優れた特性を有する本実施形態に係るホール輸送層材料により形成されたホール輸送層5によって、本実施形態に係る太陽電池10の電池性能の向上を図ることができる。   The hole transport layer 5 formed of the hole transport layer material according to the present embodiment having such excellent characteristics can improve the battery performance of the solar cell 10 according to the present embodiment.

また、前述の通り、本実施形態に係るホール輸送層材料は、少ない工程で安価に合成が可能であることから、これをホール輸送層5とする本実施形態に係る太陽電池10自体の価格低減を図ることが可能となる。   Further, as described above, since the hole transport layer material according to the present embodiment can be synthesized at a low cost with a small number of steps, the price of the solar cell 10 itself according to the present embodiment using the hole transport layer 5 as the hole transport layer 5 is reduced. Can be achieved.

[その他の実施形態]
前述の実施形態では、ホール輸送層材料を用いた太陽電池10としてハイブリッド型太陽電池を例に示したが、このホール輸送層材料をOPV(有機薄膜太陽電池)、有機EL、有機半導体を用いたデバイスなどに用いても良い。
[Other Embodiments]
In the above-described embodiment, a hybrid solar cell is shown as an example of the solar cell 10 using the hole transport layer material. However, the hole transport layer material is an OPV (organic thin film solar cell), an organic EL, and an organic semiconductor. You may use for a device etc.

本発明を、以下の実施例をもって詳細に説明する。以下の実施例においては、ホール輸送層材料として「Sym-HT-PcH」を例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。   The invention is illustrated in detail by the following examples. In the following examples, “Sym-HT-PcH” is exemplified as the hole transport layer material, but the present invention is not limited to this.

(実施例1)ホール輸送層材料の合成
以下、実施例1として、ホール輸送層材料の合成例を示す。但し、この実施例に限定されるものではない。
(Example 1) Synthesis of hole transport layer material Hereinafter, as Example 1, a synthesis example of a hole transport layer material is shown. However, it is not limited to this embodiment.

本実施例で、合成を行ったホール輸送層材料は、前述の一般式(IV)に示す「Sym-HT-PcH」と称するものである。合成スキームについて、図8に基づいて説明する。   In this example, the synthesized hole transport layer material is called “Sym-HT-PcH” shown in the general formula (IV). A synthesis scheme will be described with reference to FIG.

Sym-HT-PcHの合成
(工程1)4-ヨードフタロニトリル(4-iodophthalonitrile:化合物2)の合成
硫酸(H2SO4、12 mL)と水(6 mL)を混合し、ここに4-アミノフタロニトリル(化合物1:2.5 g、17.48 mmol)を加えて撹拌し-10℃に冷却した。この反応混合物に、反応混合物温度を-10〜0℃に保ったまま、水に溶解した亜硝酸ナトリウム(NaNO2:1.206 g、17.487 mmol)を撹拌しつつ滴下した。滴下終了後、反応混合物を吸引濾過装置を用いて手早く濾過し濾液を分取した。ヨウ化ナトリウム(7.9 g, 47 mmol)を20mlの水に溶解し、冷却したものに、先に調製した濾液を冷たいまま滴下し、0℃に保ったまま撹拌を続けた。黒色に変化した混合液をその後撹拌しつつ室温まで温度上昇させると黒色の析出が現れ、この固形物を濾過により分取した。この固形物をジクロロメタン(CH2Cl2:50 mL)に溶解し、冷水50mlで2回洗浄後、10%炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)溶液50mlで洗浄、再度冷水50mlで1回、飽和亜硫酸ナトリウム(Na2S2O3)水溶液50mlで1回、最後に水50mlで3回洗浄した。洗浄を行った溶液は硫酸マグネシウム(MgSO4)で乾燥後、全体量が10ml程度となるまで溶媒を留去した。シリカゲルカラムを用いたクロマトグラフィーにより精製し、目的とする4-ヨウ化フタロニトリル(化合物2)の白色固体を70%の収率で得た。
Synthesis of Sym-HT-PcH (Step 1) Synthesis of 4-iodophthalonitrile (compound 2) Sulfuric acid (H 2 SO 4 , 12 mL) and water (6 mL) are mixed, and 4- Aminophthalonitrile (Compound 1: 2.5 g, 17.48 mmol) was added and stirred and cooled to -10 ° C. To this reaction mixture, sodium nitrite (NaNO 2 : 1.206 g, 17.487 mmol) dissolved in water was added dropwise with stirring while maintaining the reaction mixture temperature at −10 to 0 ° C. After completion of the dropping, the reaction mixture was quickly filtered using a suction filtration device, and the filtrate was separated. Sodium iodide (7.9 g, 47 mmol) was dissolved in 20 ml of water, and the previously prepared filtrate was added dropwise to the cooled one, and stirring was continued while maintaining at 0 ° C. When the temperature of the mixed liquid changed to black was raised to room temperature while stirring, black precipitates appeared, and the solid was collected by filtration. This solid was dissolved in dichloromethane (CH 2 Cl 2 : 50 mL), washed twice with 50 ml of cold water, washed with 50 ml of 10% sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) solution, once again with 50 ml of cold water, and saturated sodium sulfite. Washed once with 50 ml of (Na 2 S 2 O 3 ) aqueous solution and finally three times with 50 ml of water. The washed solution was dried over magnesium sulfate (MgSO 4 ), and then the solvent was distilled off until the total amount was about 10 ml. Purification by chromatography using a silica gel column gave the desired 4-iodophthalonitrile (compound 2) white solid in 70% yield.

(工程2)4-(5-ヘキシルチオフェン-2-イル) フタロニトリル(4-(5-hexylthiophen-2-yl) phthalonitrile:化合物4)の合成
前述の工程1で合成した4-ヨウ化フタロニトリル(化合物2:2.5 g、9.84 mmol)と 2-(5-ヘキシルチオフェン-2-イル)-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン(2-(5-hexylthiophen-2-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane、化合物3:3.183 g、10.82 mmol) をTHF(100 mL)に溶解し、次いで水20 mL、炭酸ナトリウム(Sodium bicarbonate:17.36 g、206.6 mmol) を加えた。アルゴンガスによって30分間脱ガスを行った後、パラジウム触媒([Pd (PPh3)4]:1.13 g、0.984 mmol) を加えて加熱し、アルゴン気流下で12時間還流を行った。溶媒留去後、残渣をシリカゲル充填カラムによるクロマトグラフィーにより精製を行い、目的とする4-(5-ヘキシルチオフェン-2-イル) フタロニトリル(化合物4)を2.3g、86.9%の収率で得た。
(Step 2) Synthesis of 4- (5-hexylthiophen-2-yl) phthalonitrile (4- (5-hexylthiophen-2-yl) phthalonitrile: Compound 4) 4-Iodinated phthalonitrile synthesized in Step 1 above (Compound 2: 2.5 g, 9.84 mmol) and 2- (5-hexylthiophen-2-yl) -4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (2- (5-hexylthiophen- 2-yl) -4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane, Compound 3: 3.183 g, 10.82 mmol) was dissolved in THF (100 mL), then 20 mL of water, sodium carbonate ( Sodium bicarbonate: 17.36 g, 206.6 mmol) was added. After degassing with argon gas for 30 minutes, a palladium catalyst ([Pd (PPh 3 ) 4 ]: 1.13 g, 0.984 mmol) was added and heated, and the mixture was refluxed for 12 hours under an argon stream. After distilling off the solvent, the residue was purified by chromatography on a silica gel packed column to obtain the desired 4- (5-hexylthiophen-2-yl) phthalonitrile (Compound 4) in 2.3 g in a yield of 86.9%. It was.

(工程3)Sym-HT-PcH (一般式IV)の合成
前述の工程1で合成した4-(5-ヘキシルチオフェン-2-イル) フタロニトリル(化合物4:2.00 g、6.80 mmol)とZn(OAc)22H2O (594 mg、2.72 mmol)を20mLのペンタノールに溶解した。これを加熱し100℃となったところで触媒量のジアザビシクロウンデセン(DBU)を加え、その後24時間還流を行った。反応終了後、溶媒を留去し、残渣をシリカゲル充填カラムを用いたクロマトグラフィーにより精製を行い、最終目的生成物であるSym-HT-PcH(一般式IV)を0.6 g、23% の収率で得た。
(Step 3) Synthesis of Sym-HT-PcH (General Formula IV) 4- (5-Hexylthiophen-2-yl) phthalonitrile (Compound 4: 2.00 g, 6.80 mmol) synthesized in Step 1 above and Zn ( OAc) 2 2H 2 O (594 mg, 2.72 mmol) was dissolved in 20 mL of pentanol. When this was heated to 100 ° C., a catalytic amount of diazabicycloundecene (DBU) was added, and then refluxed for 24 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off, and the residue was purified by chromatography using a silica gel packed column. The final target product, Sym-HT-PcH (general formula IV), was 0.6 g, yield of 23%. Got in.

(実施例2)太陽電池10の作製
以下、実施例2として、太陽電池10の作製例を示す。但し、この実施例に限定されるものではない。
(Example 2) Production of Solar Cell 10 Hereinafter, as Example 2, a production example of the solar cell 10 will be described. However, it is not limited to this embodiment.

まず、20mm×20mm×2mmの透明基板21として透明ガラス板に、透明伝導膜としてフッ素ドープ酸化スズ(FTO)をCVDにより形成した透明導電膜付きガラス基板(基板2)を用意し、レーザースクライブを施してFTOを除去した凹部221を形成し十分に洗浄した。次に、透明導電膜付きガラス基板の全面に、ブロッキング層3となる二酸化チタン(TiO2)の緻密層(厚さ20nm)を、ALD(原子層堆積法)により形成した。 First, prepare a glass substrate (substrate 2) with a transparent conductive film formed by CVD on a transparent glass plate as a transparent substrate 21 of 20 mm x 20 mm x 2 mm and fluorine-doped tin oxide (FTO) as a transparent conductive film, and perform laser scribing. A recess 221 from which the FTO was removed was formed and washed thoroughly. Next, a dense layer (thickness 20 nm) of titanium dioxide (TiO 2 ) to be the blocking layer 3 was formed on the entire surface of the glass substrate with a transparent conductive film by ALD (atomic layer deposition method).

マスキングを施したブロッキング層3上に、市販のTiO2ナノ粒子ペーストをエタノールにより4倍に希釈した溶液を滴下し、スピンコートにより塗布し、80℃で乾燥した。乾燥後、マスキングを取り除き、500℃で15分間焼結することで、厚さ500nmの多孔質半導体41となるTiO2ナノ粒子層を形成した。更に、これを四塩化チタン水溶液(400mmol/l)に70℃で30分間浸漬した後、純水ですすぎ、500℃で30分間焼結した。焼結後、室温まで放冷した。 On the blocking layer 3 subjected to masking, a solution obtained by diluting a commercially available TiO 2 nanoparticle paste four times with ethanol was dropped, applied by spin coating, and dried at 80 ° C. After drying, the masking was removed, and sintering was performed at 500 ° C. for 15 minutes to form a TiO 2 nanoparticle layer to be a porous semiconductor 41 having a thickness of 500 nm. Further, this was immersed in an aqueous titanium tetrachloride solution (400 mmol / l) at 70 ° C. for 30 minutes, rinsed with pure water, and sintered at 500 ° C. for 30 minutes. After sintering, it was allowed to cool to room temperature.

次いで、ヨウ化鉛(PbI2)のN,N−ジメチルホルムアミド溶液42(1.2mol/l)を調製して滴下し、スピンコートにより多孔質半導体41で構成される層の内部へのヨウ化鉛を浸透と余分な溶液を除去した後、80℃で30分間乾燥させた。 Next, an N, N-dimethylformamide solution 42 (1.2 mol / l) of lead iodide (PbI 2 ) is prepared and dropped, and lead iodide is added into the layer composed of the porous semiconductor 41 by spin coating. After removing the permeation and excess solution, it was dried at 80 ° C. for 30 minutes.

次いで、8mg/mlのメチルアンモニウムアイオダイド(CH3NH3I、「MAI」と称する場合がある)イソプロピルアルコール溶液43に、基板2・ブロッキング層3・二酸化鉛が含まれる多孔質半導体41を、常温で15分間浸漬した後、純イソプロピルアルコール溶液で灌ぎ、スピンコートした後、100℃で15分間乾燥させた後、室温まで急冷した。これにより、色素44であるペロブスカイト色素[(CH3NH3 )PbI3]の結晶を生成した。 Next, a porous semiconductor 41 containing a substrate 2, a blocking layer 3, and lead dioxide in an isopropyl alcohol solution 43 of 8 mg / ml methylammonium iodide (CH 3 NH 3 I, sometimes referred to as “MAI”), After dipping for 15 minutes at room temperature, irrigated with pure isopropyl alcohol solution, spin-coated, dried at 100 ° C. for 15 minutes, and then rapidly cooled to room temperature. As a result, crystals of the perovskite dye [(CH 3 NH 3 ) PbI 3 ], which is the dye 44, were produced.

次いで、ホール輸送層材料であるSym-HT-PcH、又はSpiro-OMeTADのクロロベンゼン溶液(コバルトドーパントであるFK209(Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)cobalt(III)Tris(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide等を双方に添加) 72.3mg/mlを40μl滴下し、スピンコートにより余分な溶液の除去を行い、乾燥させることで、発電層4上に厚さ500nmのホール輸送層5を形成した。最後に、これらが積層した積層体11の表面に真空蒸着法によって金膜を成膜し、光電極61と対向電極62とからなる厚さ100nmの電極6を積層した。   Next, Sym-HT-PcH, which is a hole transport layer material, or a chlorobenzene solution of Spiro-OMeTAD (FK209, which is a cobalt dopant (Tris (2- (1H-pyrazol-1-yl) -4-tert-butylpyridine) cobalt ( III) Tris (add bis (trifluoromethylsulfonyl) imide etc. to both sides) Drop 40μl of 72.3mg / ml, remove excess solution by spin coating, and dry to make a 500nm thick hole on the power generation layer 4 A transport layer 5 was formed, and finally, a gold film was formed on the surface of the laminate 11 on which these layers were laminated by a vacuum deposition method, and an electrode 6 having a thickness of 100 nm composed of a photoelectrode 61 and a counter electrode 62 was laminated. .

(実施例3)太陽電池の性能評価
以下、実施例3として、太陽電池10の性能評価を行った。
(Example 3) Performance Evaluation of Solar Cell Hereinafter, as Example 3, performance evaluation of the solar cell 10 was performed.

図9及び図10は、Sym-HT-PcH、又はSpiro-OMeTADの平均電池性能を示すグラフであり、図9がSym-HT-PcH、図10がSpiro-OMeTADである。図9及び図10には、電池性能を表す開放電圧(Voc:open circuit voltage)−短絡電流(Isc:short-circuit current)特性が示される。開放電圧Vocとは太陽電池10に電流が流れていないときの電圧であり、短絡電流Iscとは電圧が0Vの時の電流である。図中のJscは、短絡電流Iscを有効受光面積で割った短絡電流密度(mA/cm2)である。 9 and 10 are graphs showing the average battery performance of Sym-HT-PcH or Spiro-OMeTAD, FIG. 9 is Sym-HT-PcH, and FIG. 10 is Spiro-OMeTAD. 9 and 10 show open circuit voltage (Voc) -short-circuit current (Isc) characteristics representing battery performance. The open circuit voltage Voc is a voltage when no current flows through the solar cell 10, and the short circuit current Isc is a current when the voltage is 0V. Jsc in the figure is the short-circuit current density (mA / cm 2 ) obtained by dividing the short-circuit current Isc by the effective light receiving area.

また、表1には、太陽電池10の電池性能を数値化したものを示す。

Figure 2017066096
ここで、形状因子FF(フィルファクター)とは、電流と電圧の積が最大となる点における最大出力Pmaxを(Voc×Jsc)で割って得られる曲線因子であり、PCEは、(Voc×Jsc×FF÷入射光強度)で計算される。 Table 1 shows the numerical values of the battery performance of the solar battery 10.
Figure 2017066096
Here, the form factor FF (fill factor) is a curve factor obtained by dividing the maximum output Pmax at the point where the product of current and voltage is maximum by (Voc × Jsc), and PCE is (Voc × Jsc). × FF ÷ incident light intensity).

図9及び図10、並びに表1から理解できるように、Sym-HT-PcHをホール輸送層として用いた太陽電池の電池性能は、Spiro-OMeTADを用いた太陽電池の7〜8割程度であった。現状では、ホール輸送層材料としてSpiro-OMeTADを用いた方が高い性能を示すが、Sym-HT-PcHに関する今回の実験は初期実験である。したがって、溶液濃度等、太陽電池にホール輸送層として構築するための最適化などの条件設定を行っていない段階での電池性能である。Spiro-OMeTADなどのスピロ環構造を持つ化合物以外で、初期実験において今回のSym-HT-PcHほどの高い性能を示したものがない。また、溶液濃度の最適化や置換基の最適化等によって、更なる性能向上が期待できる。このとこから、ホール輸送層材料としてSym-HT-PcH等のフタロシアニン誘導体を用いることで、太陽電池の光電変換効率が大きく向上することが期待できる。   As can be understood from FIGS. 9 and 10 and Table 1, the cell performance of the solar cell using Sym-HT-PcH as the hole transport layer was about 70 to 80% of the solar cell using Spiro-OMeTAD. It was. At present, using Spiro-OMeTAD as the hole transport layer material shows higher performance, but this experiment on Sym-HT-PcH is an initial experiment. Therefore, the battery performance at a stage where conditions such as optimization for constructing the solar cell as a hole transport layer, such as solution concentration, are not performed. Other than compounds with a spiro ring structure such as Spiro-OMeTAD, none of the initial experiments has shown performance as high as Sym-HT-PcH. In addition, further performance improvement can be expected by optimizing the solution concentration, optimizing the substituents, and the like. From this point, it can be expected that the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is greatly improved by using a phthalocyanine derivative such as Sym-HT-PcH as the hole transport layer material.

(実施例4)太陽電池の耐久性評価
以下、実施例4として、太陽電池10の耐久性評価を行った。
Example 4 Evaluation of Durability of Solar Cell Hereinafter, as Example 4, durability evaluation of the solar cell 10 was performed.

実施例2で作製した太陽電池10のセルを気温23℃、湿度20%の空気中、暗所にて保管し、定期的にセル効率を計測した。このとき、太陽電池10のセルはカプセルなどで被覆せずに空気中に曝露した。結果を図11のグラフに示す。図11は、セル効率の経時変化(日)を示し、各太陽電池10のセルにおける最高性能値に対するセル効率の変化を、最高性能値を1とした場合の比率をプロットしたものである。   The cells of the solar battery 10 produced in Example 2 were stored in a dark place in air at a temperature of 23 ° C. and a humidity of 20%, and the cell efficiency was measured periodically. At this time, the cells of the solar battery 10 were exposed to the air without being covered with a capsule or the like. The results are shown in the graph of FIG. FIG. 11 shows the change in cell efficiency over time (days), and plots the ratio of the change in cell efficiency with respect to the maximum performance value of each solar cell 10 when the maximum performance value is 1.

図11より、Sym-HT-PcHセルでは作製直後よりも二日経過後に最高性能を記録した。Spiro-OMeTADセルでは、作製直後に最高値を記録し、その後徐々に性能低下した。Sym-HT-PcHは9日後に最高値の78%、Spiro-OMeTADは58%であり、Sym-HT-PcHを使用したセルの方が、耐久性が高いことが理解できる。   From FIG. 11, the highest performance was recorded in the Sym-HT-PcH cell after two days from immediately after the production. In the Spiro-OMeTAD cell, the maximum value was recorded immediately after fabrication, and then the performance gradually decreased. Sym-HT-PcH is 78% of the maximum value after 9 days, and Spiro-OMeTAD is 58%. It can be understood that the cell using Sym-HT-PcH has higher durability.

本発明は、有機及び無機のハイブリッド化合物で生成されるペロブスカイト色素を備えたハイブリッド型太陽電池などに用いられるホール輸送層材料として利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a hole transport layer material used for a hybrid solar cell provided with a perovskite dye produced from an organic and inorganic hybrid compound.

2 基板
3 ブロッキング層
4 発電層
5 ホール輸送層
6 電極
10 太陽電池
11 積層体
21 透明基板
22 透明導電膜
41 多孔質半導体
44 色素
61 光電極
62 対向電極
2 Substrate 3 Blocking layer 4 Power generation layer 5 Hole transport layer 6 Electrode 10 Solar cell 11 Laminate 21 Transparent substrate 22 Transparent conductive film 41 Porous semiconductor 44 Dye 61 Photoelectrode 62 Counter electrode

Claims (6)

下記一般式(I)〜(III)から選択される化合物であるホール輸送層材料。
Figure 2017066096
(一般式(I)において、
Mは、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、マンガン(Mn)又はスズ(Zn)であり、
R1a及びR1bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R2a及びR2bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R3a及びR3bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R4a及びR4bは互いに独立で、一方が下記置換基(A)〜(I)から選択され、他方は水素であり、
R1a又はR1bで選択される置換基、R2a又はR2bで選択される置換基、R3a又はR3bで選択される置換基、R4a又はR4bで選択される置換基は同一である。
Figure 2017066096
ここで、前記置換基(A)のX1が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(B)のX2が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(C)のX3が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(D)のX4が、C6〜C8アルキル基であり、前記置換基(E)のX5及びX6が、同一でC6〜C8アルキル基であり、前記置換基(F)のX7及びX8が、同一でC4〜C6アルキル基又はC1〜C3アルコキシ基であり、前記置換基(G)のX9が、C4〜C6アルキル基又はジフェニルアミノ基であり、前記置換基(I)のX10が、C4〜C6アルキル基である。)
Figure 2017066096
Figure 2017066096
(一般式(II)、(III)において、
Mは、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、マンガン(Mn)又はスズ(Zn)であり、
R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、及びR12は同一の置換基であり、下記の(J)〜(N)から選択される。
Figure 2017066096
ここで、前記置換基(J)のX11が、C1〜C6アルキル基であり、前記置換基(K)のX12が、C4〜C6アルキル基、C1〜C3アルコキシ基、又はジフェニルアミノ基であり、前記置換基(L)のX13及びX14が、同一でC1〜C3アルコキシ基であり、前記置換基(M)のX15が、C4〜C6アルキル基であり、前記置換基(N)のX16が、C1〜C3アルコキシ基、又は水素である。)
A hole transport layer material which is a compound selected from the following general formulas (I) to (III).
Figure 2017066096
(In general formula (I),
M is zinc (Zn), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), manganese (Mn) or tin (Zn);
R 1a and R 1b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 2a and R 2b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 3a and R 3b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
R 4a and R 4b are independent of each other, one is selected from the following substituents (A) to (I), the other is hydrogen,
The substituent selected by R 1a or R 1b , the substituent selected by R 2a or R 2b , the substituent selected by R 3a or R 3b , and the substituent selected by R 4a or R 4b are the same. is there.
Figure 2017066096
Here, X 1 of the substituent (A) is a C 6 -C 8 alkyl group, X 2 of the substituent (B) is a C 6 -C 8 alkyl group, and the substituent (C X 3 is a C 6 -C 8 alkyl group, X 4 of the substituent (D) is a C 6 -C 8 alkyl group, and X 5 and X 6 of the substituent (E) are , The same C 6 -C 8 alkyl group, and X 7 and X 8 of the substituent (F) are the same C 4 -C 6 alkyl group or C 1 -C 3 alkoxy group, and the substituent X 9 in (G) is a C 4 to C 6 alkyl group or a diphenylamino group, and X 10 in the substituent (I) is a C 4 to C 6 alkyl group. )
Figure 2017066096
Figure 2017066096
(In the general formulas (II) and (III),
M is zinc (Zn), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), manganese (Mn) or tin (Zn);
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , and R 12 are the same substituent and are selected from the following (J) to (N).
Figure 2017066096
Here, X 11 of the substituent (J) is a C 1 to C 6 alkyl group, and X 12 of the substituent (K) is a C 4 to C 6 alkyl group or a C 1 to C 3 alkoxy group. Or X 13 and X 14 of the substituent (L) are the same C 1 -C 3 alkoxy group, and X 15 of the substituent (M) is C 4 -C 6. An alkyl group, and X 16 of the substituent (N) is a C 1 -C 3 alkoxy group or hydrogen. )
前記一般式(I)に示す化合物において、
前記置換基(A)が、5-ヘキシル-チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(B)が、5-(ヘキシルスルファニル)-チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(C)が、5'-ヘキシル-2,2'-ビチオフェン-5-イル基、又は5'-(2-エチルヘキシル) -2,2'-ビチオフェン-5-イル基であり、
前記置換基(D)が、5-ヘキシル-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基、又は5-(2-エチルヘキシル)-チエノ[3,2-b]チオフェン-2-イル基であり、
前記置換基(E)が、5,5''-ジヘキシル-2,2':3',2''-テルチオフェン-5'-イル基であり、
前記置換基(F)が、ビス(4-ヘキシルフェニル)アミノ基、ビス(4-メトキシフェニル)アミノ基、又はビス(4-tert-ブチルフェニル)アミノ基であり、
前記置換基(G)が、4- tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(H)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基であり、
前記置換基(I)が、tert-ブチル基である、請求項1に記載のホール輸送層材料。
In the compound represented by the general formula (I),
The substituent (A) is a 5-hexyl-thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (B) is a 5- (hexylsulfanyl) -thiophen-2-yl group;
The substituent (C) is a 5′-hexyl-2,2′-bithiophen-5-yl group or a 5 ′-(2-ethylhexyl) -2,2′-bithiophen-5-yl group;
The substituent (D) is a 5-hexyl-thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group or a 5- (2-ethylhexyl) -thieno [3,2-b] thiophen-2-yl group. And
The substituent (E) is a 5,5 ″ -dihexyl-2,2 ′: 3 ′, 2 ″ -terthiophene-5′-yl group;
The substituent (F) is a bis (4-hexylphenyl) amino group, a bis (4-methoxyphenyl) amino group, or a bis (4-tert-butylphenyl) amino group;
The substituent (G) is a 4-tert-butylphenyl group or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (H) is a 2,6-diphenylphenoxy group;
The hole transport layer material according to claim 1, wherein the substituent (I) is a tert-butyl group.
前記一般式(II)に示す化合物において、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、2,6-ジフェニルフェノキシ基、又は5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である、請求項1に記載のホール輸送層材料。
In the compound represented by the general formula (II),
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The hole transport layer material according to claim 1, wherein the substituent (N) is a 2,6-diphenylphenoxy group or a 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.
前記一般式(III)に示す化合物において、
前記置換基(J)が、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert-ブトキシ基、又はヘキシロキシ基であり、
前記置換基(K)が、4-メトキシフェニル基、4-tert-ブチルフェニル基、又は4-(ジフェニルアミノ)フェニル基であり、
前記置換基(L)が、3,4-ジメトキシフェニル基であり、
前記置換基(M)が、(4-tert-ブチルフェニル)スルファニル基であり、
前記置換基(N)が、5-メトキシ-2,6-ジフェニルフェノキシ基である、請求項1に記載のホール輸送層材料。
In the compound represented by the general formula (III),
The substituent (J) is a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, a tert-butoxy group, or a hexyloxy group;
The substituent (K) is a 4-methoxyphenyl group, a 4-tert-butylphenyl group, or a 4- (diphenylamino) phenyl group;
The substituent (L) is a 3,4-dimethoxyphenyl group;
The substituent (M) is a (4-tert-butylphenyl) sulfanyl group;
The hole transport layer material according to claim 1, wherein the substituent (N) is a 5-methoxy-2,6-diphenylphenoxy group.
前記化合物は、下記一般式(IV)で示される請求項1又は2に記載のホール輸送層材料。
Figure 2017066096
The hole transport layer material according to claim 1, wherein the compound is represented by the following general formula (IV).
Figure 2017066096
透明導電膜を有する基板、
電子を前記透明導電膜に受け渡し、且つ逆電子移動を防止するブロッキング層、
光によって励起して前記電子を発生する色素を多孔質半導体に吸着させて形成される発電層、
前記色素から発生したホールが通過し、前記ホール輸送層材料を有するホール輸送層、の順に積層される積層体と、
前記透明導電膜を介して前記電子を放出する光電極、及び、前記ホール輸送層の表面に設けられた対向電極で構成される電極と、を備えている請求項1〜5の何れか一項に記載のホール輸送層材料を用いた太陽電池。
A substrate having a transparent conductive film,
A blocking layer for transferring electrons to the transparent conductive film and preventing reverse electron transfer;
A power generation layer formed by adsorbing to a porous semiconductor a dye that generates electrons when excited by light,
Holes generated from the dye pass, and a hole transport layer having the hole transport layer material, and a laminate that is stacked in this order,
The photoelectrode which discharge | releases the said electron through the said transparent conductive film, and the electrode comprised by the counter electrode provided in the surface of the said hole transport layer are provided. A solar cell using the hole transport layer material described in 1.
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