JP2019046935A - Photoelectric conversion element and solar cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子及び太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a solar cell module.
有機無機ハイブリット半導体材料を用いた光電変換素子が、高効率性のために注目を浴びている。例えば非特許文献１には、ペロブスカイト半導体化合物を活性層材料として用いた太陽電池が開示されている。 Photoelectric conversion devices using organic-inorganic hybrid semiconductor materials are attracting attention for their high efficiency. For example, Non-Patent Document 1 discloses a solar cell using a perovskite semiconductor compound as an active layer material.
しかしながら、有機無機ハイブリット半導体材料を用いた光電変換素子は、耐久性の面で課題を有していた。太陽電池の実用化のためには、より長期間の使用を可能とするために、耐久性を向上させることが望まれていた。 However, the photoelectric conversion element using the organic-inorganic hybrid semiconductor material has a problem in terms of durability. For practical use of solar cells, it has been desired to improve the durability to enable long-term use.
本発明は、有機無機ハイブリット半導体材料を用いた光電変換素子において、耐久性を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the durability of a photoelectric conversion element using an organic-inorganic hybrid semiconductor material.
本発明者らは、有機無機ハイブリット半導体材料を用いた光電変換素子において、特定の化合物を含有するバッファ層を用いることにより耐久性を向上できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させた。 The present inventors have found that, in a photoelectric conversion element using an organic-inorganic hybrid semiconductor material, it is possible to improve the durability by using a buffer layer containing a specific compound, and the present invention has been completed based on this finding. .
すなわち、本発明の要旨は、以下に存する。
［１］上部電極と下部電極とにより構成される一対の電極と、前記一対の電極間に位置し、有機無機ハイブリッド型半導体材料を含有する活性層と、前記活性層と前記一対の電極の少なくとも一方との間に位置し、下記式（Ｉ）で表される化合物を含有する層と、を有する光電変換素子。
［２］Ａｒ１〜Ａｒ４のうち少なくとも１つが置換基としてフッ素原子を有する芳香族基である、［１］に記載の光電変換素子。
［３］Ｒ１とＲ２とのうちの少なくとも１つが置換基としてイオン性の置換基を有する炭素数１〜２０のアルキル基である、［１］又は［２］に記載の光電変換素子。
［４］前記有機無機ハイブリッド型半導体材料は、ペロブスカイト構造を有する化合物である、［１］から［３］のいずれかに記載の光電変換素子。
［５］前記式（Ｉ）で表される化合物を含有する層は、前記下部電極と前記活性層との間に位置する、［１］から［４］のいずれかに記載の光電変換素子。
［６］前記式（Ｉ）で表される化合物を含有する層は正孔取り出し層である、［１］から［５］のいずれかに記載の光電変換素子。
［７］［１］から［６］のいずれかに記載の光電変換素子を有する太陽電池モジュール。
That is, the gist of the present invention resides in the following.
[1] A pair of electrodes composed of an upper electrode and a lower electrode, an active layer located between the pair of electrodes, containing an organic-inorganic hybrid semiconductor material, at least the active layer and the pair of electrodes And a layer containing a compound represented by the following formula (I), which is located between the one and the other.
[2] The photoelectric conversion device according to [1], wherein at least one of Ar 1 to Ar 4 is an aromatic group having a fluorine atom as a substituent.
[3] The photoelectric conversion device according to [1] or [2], wherein at least one of R 1 and R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms having an ionic substituent as a substituent.
[4] The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [3], wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor material is a compound having a perovskite structure.
[5] The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [4], wherein the layer containing the compound represented by the formula (I) is located between the lower electrode and the active layer.
[6] The photoelectric conversion device according to any one of [1] to [5], wherein the layer containing the compound represented by the formula (I) is a hole extraction layer.
[7] A solar cell module having the photoelectric conversion device according to any one of [1] to [6].
有機無機ハイブリット半導体材料を用いた光電変換素子において、耐久性を向上させることができる。 In the photoelectric conversion element using the organic-inorganic hybrid semiconductor material, the durability can be improved.
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定はされない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The description of the configuration requirements described below is an example (representative example) of the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the contents unless it exceeds the gist.
本発明に係る光電変換素子は、一対の電極と、活性層と、式（Ｉ）で表される化合物を含有する層と、を備える。一対の電極は、上部電極と下部電極とにより構成される。活性層は、一対の電極間に位置し、有機無機ハイブリッド型半導体材料を含有する。以下、式（Ｉ）で表される化合物のことを、ベンゾジピロール化合物と呼ぶことがある。
図１は、本発明に係る光電変換素子の一実施形態を模式的に表す断面図である。図１に示される光電変換素子は、一般的な薄膜太陽電池に用いられる光電変換素子であるが、本発明に係る光電変換素子が図１に示されるものに限られるわけではない。図１に示す光電変換素子１００においては、下部電極１０１、活性層１０３、及び上部電極１０７がこの順に配置されている。また、光電変換素子１００において、下部電極１０１と活性層１０３との間に存在するバッファ層１０２は、式（Ｉ）で表される化合物を含有する層である。もっとも、光電変換素子１００が上部電極１０７と活性層１０３との間にバッファ層１０５を有していてもよく、このバッファ層１０５が式（Ｉ）で表される化合物を含有する層であってもよい。また、図１に示すように、光電変換素子１００が、基材１０８、絶縁体層、及び仕事関数チューニング層のようなその他の層を有していてもよい。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention. The photoelectric conversion element shown in FIG. 1 is a photoelectric conversion element used for a general thin film solar cell, but the photoelectric conversion element according to the present invention is not limited to that shown in FIG. In the
［１．活性層］
活性層１０３は光電変換が行われる層である。光電変換素子１００が光を受けると、光が活性層１０３に吸収されてキャリアが発生し、発生したキャリアは下部電極１０１及び上部電極１０７から取り出される。
[1. Active layer]
The
本実施形態において、活性層１０３は有機無機ハイブリッド型半導体材料を含有する。有機無機ハイブリッド型半導体材料とは、有機成分と無機成分とが分子レベル又はナノレベルで組み合わせられた材料であって、半導体特性を示す材料のことを指す。
In the present embodiment, the
有機無機ハイブリッド型半導体材料の一例としては、ペロブスカイト構造を有する化合物（以下、ペロブスカイト半導体化合物と呼ぶことがある）が挙げられる。ペロブスカイト半導体化合物とは、ペロブスカイト構造を有する半導体化合物のことを指す。ペロブスカイト半導体化合物としては、特段の制限はないが、例えば、Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7 - Perovskite type and related structuresで挙げられているものから選ぶことができる。例えば、ペロブスカイト半導体化合物としては、一般式ＡＭＸ３で表されるＡＭＸ３型のもの又は一般式Ａ２ＭＸ４で表されるＡ２ＭＸ４型のものが挙げられる。ここで、Ｍは２価のカチオンを、Ａは１価のカチオンを、Ｘは１価のアニオンを指す。 One example of the organic-inorganic hybrid semiconductor material is a compound having a perovskite structure (hereinafter sometimes referred to as a perovskite semiconductor compound). The perovskite semiconductor compound refers to a semiconductor compound having a perovskite structure. The perovskite semiconductor compound is not particularly limited, but can be selected from, for example, those listed in Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7-Perovskite type and related structures. For example, as a perovskite semiconductor compound, one of AMX 3 type represented by General Formula AMX 3 or A 2 MX 4 type represented by General Formula A 2 MX 4 can be mentioned. Here, M indicates a divalent cation, A indicates a monovalent cation, and X indicates a monovalent anion.
１価のカチオンＡに特段の制限はないが、上記Ｇａｌａｓｓｏの著書に記載されているものを用いることができる。より具体的な例としては、周期表第１族及び第１３族〜第１６族元素を含むカチオンが挙げられる。これらの中でも、セシウムイオン、ルビジウムイオン、置換基を有していてもよいアンモニウムイオン又は置換基を有していてもよいホスホニウムイオンが好ましい。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの例としては、１級アンモニウムイオン又は２級アンモニウムイオンが挙げられる。置換基にも特段の制限はない。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの具体例としては、アルキルアンモニウムイオン又はアリールアンモニウムイオンが挙げられる。特に、立体障害を避けるために、３次元の結晶構造となるモノアルキルアンモニウムイオンが好ましく、安定性向上の観点からは、一つ以上のフッ素基を置換したアルキルアンモニウムイオンを用いることが好ましい。また、カチオンＡとして２種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。
The monovalent cation A is not particularly limited, but those described in the above-mentioned Galasso book can be used. More specific examples include cations containing elements of
１価のカチオンＡの具体例としては、メチルアンモニウムイオン、モノフッ化メチルアンモニウムイオン、ジフッ化メチルアンモニウムイオン、トリフッ化メチルアンモニウムイオン、エチルアンモニウムイオン、イソプロピルアンモニウムイオン、ｎ−プロピルアンモニウムイオン、イソブチルアンモニウムイオン、ｎ−ブチルアンモニウムイオン、ｔ−ブチルアンモニウムイオン、ジメチルアンモニウムイオン、ジエチルアンモニウムイオン、フェニルアンモニウムイオン、ベンジルアンモニウムイオン、フェネチルアンモニウムイオン、グアニジウムイオン、ホルムアミジニウムイオン、アセトアミジニウムイオン又はイミダゾリウムイオン等が挙げられる。 Specific examples of the monovalent cation A include methyl ammonium ion, methyl ammonium monofluoride ion, methyl ammonium difluoride ion, methyl ammonium trifluoride ion, ethyl ammonium ion, isopropyl ammonium ion, n-propyl ammonium ion, isobutyl ammonium ion , N-butyl ammonium ion, t-butyl ammonium ion, dimethyl ammonium ion, diethyl ammonium ion, phenyl ammonium ion, benzyl ammonium ion, phenethyl ammonium ion, guanidinium ion, formamidinium ion, acetamidinium ion or imidazolium Ion etc. are mentioned.
２価のカチオンＭにも特段の制限はないが、２価の金属カチオン又は半金属カチオンであることが好ましい。具体的な例としては周期表第１４族元素のカチオンが挙げられ、より具体的な例としては、鉛カチオン（Ｐｂ２＋）、スズカチオン（Ｓｎ２＋）、ゲルマニウムカチオン（Ｇｅ２＋）が挙げられる。また、カチオンＭとして２種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。なお、安定な光電変換素子を得る観点からは、鉛カチオン又は鉛カチオンを含む２種以上のカチオンを用いることが特に好ましい。
The divalent cation M is not particularly limited, but is preferably a divalent metal cation or semimetal cation. Specific examples include cations of
１価のアニオンＸの例としては、ハロゲン化物イオン、酢酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ホウ酸イオン、アセチルアセトナートイオン、炭酸イオン、クエン酸イオン、硫黄イオン、テルルイオン、チオシアン酸イオン、チタン酸イオン、ジルコン酸イオン、２，４−ペンタンジオナトイオン又はケイフッ素イオン等が挙げられる。バンドギャップを調整するためには、Ｘは１種類のアニオンであってもよいし、２種類以上のアニオンの組み合わせであってもよい。なかでも、Ｘとしてはハロゲン化物イオン、又はハロゲン化物イオンとその他のアニオンとの組み合わせを用いることが好ましい。ハロゲン化物イオンＸの例としては、塩化物イオン、臭化物イオン又はヨウ化物イオン等が挙げられる。半導体のバンドギャップを広げすぎない観点から、ヨウ化物イオンを用いることが好ましい。 Examples of the monovalent anion X include halide ion, acetate ion, nitrate ion, sulfate ion, borate ion, acetylacetonate ion, carbonate ion, citrate ion, sulfur ion, tellurium ion, thiocyanate ion, titanate Ion, zirconate ion, 2,4-pentanedionato ion or silicofluorine ion may, for example, be mentioned. In order to adjust the band gap, X may be one type of anion or a combination of two or more types of anions. Among them, as X, it is preferable to use a halide ion or a combination of a halide ion and another anion. Examples of the halide ion X include chloride ion, bromide ion or iodide ion. From the viewpoint of not widening the band gap of the semiconductor, it is preferable to use iodide ion.
ペロブスカイト半導体化合物の好ましい例としては、有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられ、特にハライド系有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられる。ペロブスカイト半導体化合物の具体例としては、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＢｒ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＣｌ３、ＣＨ３ＮＨ３ＳｎＩ３、ＣＨ３ＮＨ３ＳｎＢｒ３、ＣＨ３ＮＨ３ＳｎＣｌ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ（３−ｘ）Ｃｌｘ、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ（３−ｘ）Ｂｒｘ、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＢｒ（３−ｘ）Ｃｌｘ、ＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＩ３、ＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＢｒ３、ＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＣｌ３、ＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＩ（３−ｘ）Ｃｌｘ、ＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＩ（３−ｘ）Ｂｒｘ、及びＣＨ３ＮＨ３Ｐｂ（１−ｙ）ＳｎｙＢｒ（３−ｘ）Ｃｌｘ、並びに、上記の化合物においてＣＨ３ＮＨ３の代わりにＣＦＨ２ＮＨ３、ＣＦ２ＨＮＨ３、又はＣＦ３ＮＨ３を用いたもの、等が挙げられる。なお、ｘは０以上３以下、ｙは０以上１以下の任意の値を示す。 Preferred examples of the perovskite semiconductor compound include organic-inorganic perovskite semiconductor compounds, and in particular, halide-based organic-inorganic perovskite semiconductor compounds. Specific examples of the perovskite semiconductor compounds include CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbCl 3 , CH 3 NH 3 SnI 3 , CH 3 NH 3 SnBr 3 , CH 3 NH 3 SnCl 3 CH 3 NH 3 PbI (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 PbI (3-x) Br x , CH 3 NH 3 PbBr (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Cl 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3 -X) Cl x , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3-x) Br x , and CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br (3-x) Cl x , and , CFH 2 NH 3 instead of CH 3 NH 3 in serial of compounds, CF 2 HNH 3, or those using CF 3 NH 3, include like. In addition, x is 0 or more and 3 or less, y shows any value of 0 or more and 1 or less.
活性層１０３は、２種類以上のペロブスカイト半導体化合物を含有していてもよい。例えば、Ａ、Ｂ及びＸのうちの少なくとも１つが異なる２種類以上のペロブスカイト半導体化合物が活性層１０３に含まれていてもよい。また活性層１０３は、異なる材料を含み又は異なる成分を有する複数の層で形成される積層構造を有していてもよい。
The
活性層１０３に含まれるペロブスカイト半導体化合物の量は、良好な半導体特性が得られるように、好ましくは５０質量％以上であり、さらに好ましくは７０質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上である。上限に特に制限はない。また、活性層１０３には、ペロブスカイト半導体化合物に加えて添加剤が含まれていてもよい。添加剤の例としては、ハロゲン化物、酸化物、又は硫化物、硫酸塩、硝酸塩若しくはアンモニウム塩等の無機塩のような、無機化合物、又は有機化合物が挙げられる。
The amount of the perovskite semiconductor compound contained in the
活性層１０３の厚さに特段の制限はない。より多くの光を吸収できる点で、活性層１０３の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上、さらに好ましくは５０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上、特に好ましくは１２０ｎｍ以上である。一方で、直列抵抗が下がる点、又は電荷の取出し効率を高める点で、活性層１０３の厚さは、好ましくは１５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは６００ｎｍ以下である。
The thickness of the
活性層１０３の形成方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。具体例としては、塗布法及び蒸着法（又は共蒸着法）が挙げられる。簡易に活性層１０３を形成できる点で、塗布法を用いることは好ましい。例えば、有機無機ハイブリッド半導体材料又はその前駆体を含有する塗布液を塗布し、必要に応じて加熱乾燥することにより活性層１０３を形成する方法が挙げられる。また、このような塗布液を塗布した後で、有機無機ハイブリッド半導体材料の溶解性が低い溶媒をさらに塗布することにより、有機無機ハイブリッド半導体材料を析出させることもできる。
The method for forming the
有機無機ハイブリッド半導体材料の前駆体とは、塗布液を塗布した後に有機無機ハイブリッド半導体材料へと変換可能な材料のことを指す。具体的な例として、加熱することによりペロブスカイト半導体化合物へと変換可能なペロブスカイト半導体化合物前駆体を用いることができる。例えば、一般式ＡＸで表される化合物と、一般式ＭＸ２で表される化合物と、溶媒と、を混合して加熱攪拌することにより、塗布液を作製することができる。この塗布液を塗布して加熱乾燥を行うことにより、一般式ＡＭＸ３で表されるペロブスカイト半導体化合物を含有する活性層１０３を作製することができる。溶媒としては、ペロブスカイト半導体化合物及び添加剤が溶解するのであれば特に限定されず、例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドのような有機溶媒が挙げられる。
The precursor of the organic-inorganic hybrid semiconductor material refers to a material that can be converted to the organic-inorganic hybrid semiconductor material after the application liquid is applied. As a specific example, a perovskite semiconductor compound precursor that can be converted to a perovskite semiconductor compound by heating can be used. For example, a compound represented by the general formula AX, a compound represented by the general formula MX 2, by heating and stirring by mixing a solvent and can be prepare a coating solution. By applying the coating solution and performing heating and drying, an
塗布液の塗布方法としては任意の方法を用いることができるが、例えば、スピンコート法、インクジェット法、ドクターブレード法、ドロップキャスティング法、リバースロールコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法又はカーテンコート法等が挙げられる。 Although any method can be used as a coating method of a coating liquid, For example, a spin coat method, an inkjet method, a doctor blade method, a drop casting method, a reverse roll coat method, a gravure coat method, a kiss coat method, a roll brush method, A spray coating method, an air knife coating method, a wire bar bar coating method, a pipe doctor method, an impregnation / coating method or a curtain coating method may, for example, be mentioned.
［２．電極］
電極は、活性層１０３における光吸収により生じた正孔及び電子を捕集する機能を有する。本発明の一実施形態に係る光電変換素子１００は一対の電極を有し、一対の電極のうち一方を上部電極と呼び、他方を下部電極と呼ぶ。光電変換素子１００が基材を有するか又は基材上に設けられている場合、基材により近い電極を下部電極と、基材からより遠い電極を上部電極と、それぞれ呼ぶことができる。また、透明電極を下部電極と、下部電極よりも透明性が低い電極を上部電極と、それぞれ呼ぶこともできる。図１に示す光電変換素子１００は、下部電極１０１及び上部電極１０７を有している。
[2. electrode]
The electrode has a function of collecting holes and electrons generated by light absorption in the
一対の電極としては、正孔の捕集に適したアノードと、電子の捕集に適したカソードとを用いることができる。この場合、光電変換素子１００は、下部電極１０１がアノードであり上部電極１０７がカソードである順型構成を有していてもよいし、下部電極１０１がカソードであり上部電極１０７がアノードである逆型構成を有していてもよい。
As the pair of electrodes, an anode suitable for collecting holes and a cathode suitable for collecting electrons can be used. In this case, the
一対の電極は、いずれか一方が透光性であればよく、両方が透光性であっても構わない。透光性があるとは、太陽光が４０％以上透過することを指す。また、透明電極の太陽光線透過率は７０％以上であることが、より多くの光が透明電極を透過して活性層１０３に到達するために好ましい。光の透過率は、分光光度計（例えば、日立ハイテク社製Ｕ−４１００）で測定できる。
Any one of the pair of electrodes may be translucent, and both of them may be translucent. Being translucent means that sunlight transmits 40% or more. In addition, it is preferable that the sunlight transmittance of the transparent electrode is 70% or more, in order to transmit more light through the transparent electrode and reach the
下部電極１０１及び上部電極１０７、又はアノード及びカソードの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等の公知文献に記載の部材及びその製造方法を使用することができる。
There is no particular limitation on the components of the
［３．バッファ層］
バッファ層は、活性層１０３と一対の電極１０１，１０７の少なくとも一方との間に位置する層である。バッファ層は、例えば、活性層１０３から下部電極１０１又は上部電極１０７へのキャリア移動効率を向上させるために用いることができる。
[3. Buffer layer]
The buffer layer is a layer located between the
本発明の一実施形態において、バッファ層は式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有する。バッファ層が当該化合物を含有して形成されることにより、有機無機ハイブリッド型化合物を用いた光電変換素子の耐久性を向上させることができると考えられる。素子の耐久性が向上するメカニズムは明らかではないが、以下が考えられる。本発明者らの検討によると、有機無機ハイブリッド化合物は、水、さらには酸や塩基の影響を受けやすい傾向があり、そのため、従来、使用されていたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含有したバッファ層では、高い耐久性が得られない傾向があることが判明した。しかしながら、式（Ｉ）で表される化合物は基Ｒ１〜Ｒ４及びＡｒ１〜Ａｒ４によらず、従来のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとは異なり、化学的に中性、弱酸性又は弱塩基性となることができ、さらには、吸湿性が極めて低い傾向がある。そのため、当該化合物を含有するバッファ層と有機無機ハイブリッド型化合物を含有する活性層との界面における水の影響又は酸塩基反応による活性層の劣化が進みにくくなると考えられる。この結果、有機無機ハイブリッド化合物を用いた光電変換素子の耐久性を向上させられるものと考えられる。
式（Ｉ）において、Ｘ１とＸ２との一方は置換基Ｒ２を有する窒素原子であり、他方は置換基Ａｒ３を有する炭素原子である。式（Ｉ）において、破線で示されている２つの結合は、一方が単結合であり他方が二重結合であることを表す。より具体的には、置換基Ｒ２を有する窒素原子と置換基Ａｒ４を有する炭素原子との間の結合は単結合であり、置換基Ａｒ３を有する炭素原子と置換基Ａｒ４を有する炭素原子との間の結合は二重結合である。 In formula (I), one of X 1 and X 2 is a nitrogen atom having a substituent R 2 , and the other is a carbon atom having a substituent Ar 3 . In Formula (I), two bonds shown by a broken line represent that one is a single bond and the other is a double bond. More specifically, the bond between the nitrogen atom having the substituent R 2 and the carbon atom having the substituent Ar 4 is a single bond, and the carbon atom having the substituent Ar 3 and the carbon having the substituent Ar 4 The bond between the atom is a double bond.
ベンゾジピロール化合物の分子量は、本発明に係る光電変換素子の電極と活性層との間に層を形成できれば特に制約はなく、通常４６０以上、好ましくは５００以上、より好ましくは６００以上であって、通常５０００以下、好ましくは４０００以下、より好ましくは３０００以下である。層の形成を蒸着で行う場合には２０００以下が好ましい。 The molecular weight of the benzodipyrrole compound is not particularly limited as long as it can form a layer between the electrode of the photoelectric conversion device according to the present invention and the active layer, and is usually 460 or more, preferably 500 or more, more preferably 600 or more. Usually, it is 5000 or less, preferably 4000 or less, more preferably 3000 or less. When formation of a layer is performed by vapor deposition, 2000 or less is preferable.
式（Ｉ）において、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立して水素原子又は１価の有機基を表す。１価の有機基の例としては、アシル基；炭素数１〜３０の炭化水素基；炭素数１〜３０の複素環基等が挙げられる。 In formula (I), R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or a monovalent organic group. Examples of the monovalent organic group include an acyl group; a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms; and a heterocyclic group having 1 to 30 carbon atoms.
炭素数１〜３０の炭化水素基としては、炭素数１〜３０の脂肪族炭化水素基又は炭素数１〜３０の芳香族炭化水素基等が挙げられる。 As a C1-C30 hydrocarbon group, a C1-C30 aliphatic hydrocarbon group, a C1-C30 aromatic hydrocarbon group, etc. are mentioned.
炭素数１〜３０の脂肪族炭化水素基は、飽和脂肪族炭化水素基であってもよいし、不飽和脂肪族炭化水素基であってもよい。また、直鎖状の炭化水素基であってもよいし、分岐鎖状の炭化水素基であってもよいし、環状の炭化水素基であってもよい。炭素数１〜３０の脂肪族炭化水素基としては、炭素数１〜３０のアルキル基、炭素数２〜３０のアルケニル基、炭素数２〜３０のアルキニル基、又は炭素数４〜３０のアルカジエニル基等が挙げられる。 The aliphatic hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms may be a saturated aliphatic hydrocarbon group or an unsaturated aliphatic hydrocarbon group. In addition, it may be a linear hydrocarbon group, may be a branched hydrocarbon group, or may be a cyclic hydrocarbon group. As a C1-C30 aliphatic hydrocarbon group, a C1-C30 alkyl group, a C2-C30 alkenyl group, a C2-C30 alkynyl group, or a C4-C30 alkadienyl group is mentioned. Etc.
炭素数１〜３０のアルキル基としては、炭素数１〜１０のアルキル基であることが好ましく、炭素数１〜６のアルキル基であることがさらに好ましい。アルキル基の例としては、制限するわけではないが、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、又はドデカニル基等を挙げることができる。アルキル基の別の例としては、ベンジル基等のアラルキル基が挙げられる。 As a C1-C30 alkyl group, it is preferable that it is a C1-C10 alkyl group, and it is more preferable that it is a C1-C6 alkyl group. Examples of alkyl groups include, but are not limited to, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, hexyl or dodecanyl groups Etc. can be mentioned. Another example of the alkyl group is an aralkyl group such as a benzyl group.
炭素数２〜３０のアルケニル基としては、炭素数２〜１０のアルケニル基であることが好ましく、炭素数２〜６のアルケニル基であることがさらに好ましい。アルケニル基の例としては、制限するわけではないが、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、２−メチル−１−プロペニル基、２−メチルアリル基、又は２−ブテニル等を挙げることができる。 As a C2-C30 alkenyl group, it is preferable that it is a C2-C10 alkenyl group, and it is more preferable that it is a C2-C6 alkenyl group. Examples of alkenyl groups include, but are not limited to, vinyl, allyl, propenyl, isopropenyl, 2-methyl-1-propenyl, 2-methylallyl, 2-butenyl and the like it can.
炭素数２〜３０のアルキニル基としては、炭素数２〜１０のアルキニル基であることが好ましく、炭素数２〜６のアルキニル基であることがさらに好ましい。アルキニル基の例としては、制限するわけではないが、エチニル基、プロピニル基、又はブチニル基等を挙げることができる。 The alkynyl group having 2 to 30 carbon atoms is preferably an alkynyl group having 2 to 10 carbon atoms, and more preferably an alkynyl group having 2 to 6 carbon atoms. Examples of the alkynyl group include, but are not limited to, ethynyl group, propynyl group or butynyl group and the like.
炭素数４〜３０のアルカジエニル基は、炭素数４〜１０のアルカジエニル基であることが好ましく、炭素数４〜６のアルカジエニル基であることがさらに好ましい。アルカジエニル基の例としては、制限するわけではないが、１，３−ブタジエニル基等を挙げることができる。 The C4-C30 alkadienyl group is preferably a C4-C10 alkadienyl group, and more preferably a C4-C6 alkadienyl group. Examples of alkadienyl groups include, but are not limited to, 1,3-butadienyl groups and the like.
芳香族炭化水素基としては、炭素数６〜３０のものが好ましく、炭素数６〜２０のものがより好ましい。芳香族炭化水素基の例としては、フェニル基等の単環芳香族炭化水素基；２−ビフェニリル基、３−ビフェニリル基、若しくは４−ビフェニリル基等の環連結芳香族炭化水素素基；ナフチル基（１−ナフチル基若しくは２−ナフチル基）、アントリル基（２−アントリル基若しくは９−アントリル基等）、又はフルオレニル基等の芳香族縮合環基；又はメチルフェニル基等のアルキルアリール基等が挙げられる。 As an aromatic hydrocarbon group, a C6-C30 thing is preferable and a C6-C20 thing is more preferable. Examples of the aromatic hydrocarbon group include a monocyclic aromatic hydrocarbon group such as a phenyl group; a ring-linked aromatic hydrocarbon group such as a 2-biphenylyl group, a 3-biphenylyl group, or a 4-biphenylyl group; a naphthyl group Aromatic fused ring groups such as (1-naphthyl group or 2-naphthyl group), anthryl group (2-anthryl group or 9-anthryl group etc.) or fluorenyl group; or alkylaryl groups such as methylphenyl group etc. Be
炭素数１〜３０の複素環基としては、炭素数１〜３０の脂肪族複素環基又は炭素数１〜３０の芳香族複素環基等が挙げられる。 As a C1-C30 heterocyclic group, a C1-C30 aliphatic heterocyclic group, a C1-C30 aromatic heterocyclic group, etc. are mentioned.
炭素数１〜３０の脂肪族複素環基は、なかでも、炭素数２〜３０の脂肪族複素環基が好ましく、炭素数２〜２０の脂肪族複素環基がさらに好ましい。テトラヒドロチエニル基若しくはピペリジニル基、又はこれらにさらにアルキル基が結合しているものが挙げられる。 Among them, the aliphatic heterocyclic group having 1 to 30 carbon atoms is preferably an aliphatic heterocyclic group having 2 to 30 carbon atoms, and more preferably an aliphatic heterocyclic group having 2 to 20 carbon atoms. Examples thereof include tetrahydrothienyl group or piperidinyl group, or those further having an alkyl group bonded thereto.
炭素数１〜３０の芳香族複素環基としては、単環芳香族複素環基、環連結芳香族複素環基、及び縮合芳香族複素環基が挙げられる。 As a C1-C30 aromatic heterocyclic group, a single ring aromatic heterocyclic group, a ring-linked aromatic heterocyclic group, and a fused aromatic heterocyclic group are mentioned.
単環芳香族複素環基としては、炭素数２〜３０のものが好ましく、炭素数２〜２０のものがより好ましい。単環芳香族複素環基の好ましい例としては、炭素原子以外に１〜４個のヘテロ原子を環を構成する原子として有する、５〜１４員環、さらに好ましくは５〜１０員環、より好ましくは５又は６員環の単環芳香族複素環基が挙げられる。ヘテロ原子の例としては、例えば窒素原子、硫黄原子及び酸素原子が挙げられ、単環芳香族複素環基は環を構成する原子として１種又は２種のヘテロ原子を含むことが好ましい。 As a single ring aromatic heterocyclic group, a C2-C30 thing is preferable and a C2-C20 thing is more preferable. Preferred examples of the monocyclic aromatic heterocyclic group include a 5- to 14-membered ring, more preferably a 5- to 10-membered ring, more preferably a 5-to 14-membered ring, which has 1 to 4 heteroatoms as atoms constituting the ring besides carbon atoms And 5 or 6 membered monocyclic aromatic heterocyclic groups. Examples of the hetero atom include, for example, a nitrogen atom, a sulfur atom and an oxygen atom, and the monocyclic aromatic heterocyclic group preferably contains one or two hetero atoms as an atom constituting a ring.
単環芳香族複素環基の具体的な例としては、チエニル基（２−チエニル基若しくは３−チエニル基）、フリル基（２−フリル基若しくは３−フリル基）、ピリジル基（２−ピリジル基、３−ピリジル基、若しくは４−ピリジル基）、チアゾリル基（２−チアゾリル基、４−チアゾリル基、若しくは５−チアゾリル基）、オキサゾリル基（２−オキサゾリル基、４−オキサゾリル基、若しくは５−オキサゾリル基）、ピラジニル基、ピリミジニル基（２−ピリミジニル基、４−ピリミジニル基、若しくは５−ピリミジニル基）、ピロリル基（１−ピロリル基、２−ピロリル基、若しくは３−ピロリル基）、イミダゾリル基（１−イミダゾリル基、２−イミダゾリル基、４−イミダゾリル基、若しくは５−イミダゾリル基）、ピラゾリル基（１−ピラゾリル基、３−ピラゾリル基、若しくは４−ピラゾリル基）、ピリダジニル基（３−ピリダジニル基若しくは４−ピリダジニル基）、イソチアゾリル基（３−イソチアゾリル基等）、イソオキサゾリル基（３−イソオキサゾリル基等）、イミダゾリル基、又はこれらにさらにアルキル基が結合していているもの、等が挙げられる。 Specific examples of the monocyclic aromatic heterocyclic group include thienyl group (2-thienyl group or 3-thienyl group), furyl group (2-furyl group or 3-furyl group), pyridyl group (2-pyridyl group) , 3-pyridyl group or 4-pyridyl group), thiazolyl group (2-thiazolyl group, 4-thiazolyl group, or 5-thiazolyl group), oxazolyl group (2-oxazolyl group, 4-oxazolyl group, or 5-oxazolyl Groups, pyrazinyl group, pyrimidinyl group (2-pyrimidinyl group, 4-pyrimidinyl group, or 5-pyrimidinyl group), pyrrolyl group (1-pyrrolyl group, 2-pyrrolyl group or 3-pyrrolyl group), imidazolyl group (1 -Imidazolyl group, 2-imidazolyl group, 4-imidazolyl group, or 5-imidazolyl group), pyrazolyl group (1- Razolyl group, 3-pyrazolyl group or 4-pyrazolyl group), pyridazinyl group (3-pyridazinyl group or 4-pyridazinyl group), isothiazolyl group (such as 3-isothiazolyl group), isoxazolyl group (such as 3-isoxazolyl group), imidazolyl And groups in which an alkyl group is further bonded thereto, and the like.
縮合芳香族複素環基としては、炭素数４〜３０のものが好ましく、炭素数４〜２０のものがより好ましい。縮合芳香族複素環基の好ましい例としては、炭素原子以外に１〜４個のヘテロ原子を環を構成する原子として有する、８〜２０員環、さらに好ましくは９〜１４員環の、２環又は３環式の芳香族複素環基が挙げられる。縮合芳香族複素環基の別の好ましい例としては、炭素原子以外に１〜４個のヘテロ原子を含む５〜１４員（好ましくは５〜１０員）の７〜１０員芳香族複素架橋環から任意の１個の水素原子を除いてできる１価の基が用いられる。ヘテロ原子の例としては、例えば窒素原子、硫黄原子及び酸素原子が挙げられ、縮合芳香族複素環基は環を構成する原子として１種又は２種のヘテロ原子を含むことが好ましい。 As a fused aromatic heterocyclic group, a C4-C30 thing is preferable and a C4-C20 thing is more preferable. Preferred examples of the fused aromatic heterocyclic group include an 8- to 20-membered ring, more preferably a 9- to 14-membered ring, having 1 to 4 heteroatoms as atoms constituting the ring other than carbon atoms. Or a tricyclic aromatic heterocyclic group. Another preferred example of the fused aromatic heterocyclic group is a 5- to 14-membered (preferably 5- to 10-membered) 7- to 10-membered aromatic heterocyclic bridge containing 1 to 4 hetero atoms other than carbon atoms. A monovalent group formed by removing any one hydrogen atom is used. Examples of the hetero atom include, for example, a nitrogen atom, a sulfur atom and an oxygen atom, and the fused aromatic heterocyclic group preferably contains one or two hetero atoms as an atom constituting a ring.
縮合芳香族複素環基の具体的な例としては、キノリル基（２−キノリル基、３−キノリル基、４−キノリル基、５−キノリル基、若しくは８−キノリル基等）、イソキノリル基（１−イソキノリル基、３−イソキノリル基、４−イソキノリル基、若しくは５−イソキノリル基等）、インドリル基（１−インドリル基、２−インドリル基、若しくは３−インドリル基等）、２−ベンゾチアゾリル基、ベンゾ［ｂ］チエニル基（２−ベンゾ［ｂ］チエニル基若しくは３−ベンゾ［ｂ］チエニル基等）、ベンゾ［ｂ］フラニル基（２−ベンゾ［ｂ］フラニル基若しくは３−ベンゾ［ｂ］フラニル基等）、又はこれらにさらにアルキル基が結合していているもの、等が挙げられる。 Specific examples of the fused aromatic heterocyclic group include quinolyl group (2-quinolyl group, 3-quinolyl group, 4-quinolyl group, 5-quinolyl group, or 8-quinolyl group etc.), isoquinolyl group (1- Isoquinolyl group, 3-isoquinolyl group, 4-isoquinolyl group, or 5-isoquinolyl group, etc., indolyl group (1-indolyl group, 2-indolyl group, or 3-indolyl group etc.), 2-benzothiazolyl group, benzo [b Thienyl group (2-benzo [b] thienyl group or 3-benzo [b] thienyl group etc.), benzo [b] furanyl group (2-benzo [b] furanyl group or 3-benzo [b] furanyl group etc.) And those having an alkyl group further bonded thereto, and the like.
環連結芳香族複素環基としては、炭素数４〜３０のものが好ましく、炭素数４〜２０のものがより好ましい。環連結芳香族複素環基の例としては、上述した単環芳香族複素環基、縮合芳香族複素環基、及び芳香族炭化水素基のうちの少なくとも１つが互いに結合したものが挙げられる。 The ring-linked aromatic heterocyclic group preferably has 4 to 30 carbon atoms, and more preferably 4 to 20 carbon atoms. Examples of the ring-linked aromatic heterocyclic group include those in which at least one of the above-described monocyclic aromatic heterocyclic group, fused aromatic heterocyclic group, and aromatic hydrocarbon group is bonded to each other.
Ｒ１及びＲ２によりベンゾジピロール化合物の酸化電位を調整することができる。酸化電位を低くするためには電子供与性基を、酸化電位を高くするためには電子受容性基を選択すればよい。また、Ｒ１及びＲ２として対応する溶媒に親和性のあるものを選択することにより、ベンゾジピロール化合物の溶解性を向上できる。 The oxidation potential of the benzodipyrrole compound can be adjusted by R 1 and R 2 . In order to lower the oxidation potential, an electron donating group may be selected, and in order to increase the oxidation potential, an electron accepting group may be selected. In addition, the solubility of the benzodipyrrole compound can be improved by selecting one having an affinity to the corresponding solvent as R 1 and R 2 .
以上例示した１価の有機基は、さらなる置換基を有していてもよい。さらなる置換基としては、水酸基；フッ素原子若しくは塩素原子等のハロゲン原子；メチル基若しくはエチル基等の炭素数１〜６のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；メトキシカルボニル基若しくはエトキシカルボニル基等の炭素数１〜６のアルコキシカルボニル基；メトキシ基若しくはエトキシ基等の炭素数１〜６のアルコキシ基；フェノキシ基等のアリールオキシ基；ベンジルオキシ基等のアリールアルキルオキシ基；ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基、ジベンジルアミノ基、若しくはジフェネチルアミノ基等のジアルキルアミノ基；ジフェニルアミノ基若しくはカルバゾリル基等のジアリールアミノ基；アセチル基等のアシル基；トリフルオロメチル基等のハロアルキル基；シアノ基；ニトロ基；メチレンジオキシ基若しくはエチレンジオキシ等の炭素数１〜３のアルキレンジオキシ基；イオン性の置換基；等が挙げられる。 The monovalent organic group exemplified above may have a further substituent. Further substituents include a hydroxyl group; a halogen atom such as fluorine atom or chlorine atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as methyl group or ethyl group; an alkenyl group such as vinyl group; a methoxycarbonyl group or ethoxycarbonyl group C1-C6 alkoxycarbonyl group; C1-C6 alkoxy group such as methoxy group or ethoxy group; aryloxy group such as phenoxy group; arylalkyloxy group such as benzyloxy group; dimethylamino group, diethylamino group , Dialkylamino groups such as diisopropylamino group, dibenzylamino group, or diphenethylamino group; diarylamino groups such as diphenylamino group or carbazolyl group; acyl groups such as acetyl group; haloalkyl groups such as trifluoromethyl group; cyano Group; nitro group; Chirenjiokishi group or alkylenedioxy group having 1 to 3 carbon atoms ethylenedioxy and the like; substituents ionic; and the like.
イオン性の置換基としては、酸性置換基若しくはその塩、又は４級アンモニウム基が挙げられる。酸性置換基の例としては、スルホン酸基（スルホ基）及びスルフィン酸基（スルフィノ基）を含む硫黄酸基；（狭義の）リン酸基、リン酸エステル基、亜リン酸基、及び亜リン酸エステル基を含むリン酸基；又はカルボキシル基等が挙げられる。酸性置換基の塩とは、酸性置換基が有する水素イオンを他の陽イオンで置換して得られる置換基を指し、具体的には、上述の酸性置換基の水素原子が、ナトリウム若しくはカリウムのようなアルカリ金属、又はカルシウム若しくはマグネシウムのようなアルカリ土類金属で置換されたものが挙げられる。４級アンモニウム基として好ましくは、炭素数１〜６のアルキル基を３つ有するアンモニウム基が挙げられる。 The ionic substituent includes an acidic substituent or a salt thereof, or a quaternary ammonium group. Examples of the acidic substituent include a sulfur acid group containing a sulfonic acid group (sulfo group) and a sulfinic acid group (sulfino group); (in a narrow sense) phosphoric acid group, phosphoric acid ester group, phosphorous acid group, and phosphorous acid A phosphoric acid group containing an acid ester group; or a carboxyl group etc. may be mentioned. The salt of the acidic substituent refers to a substituent obtained by substituting the hydrogen ion of the acidic substituent with another cation, and specifically, the hydrogen atom of the above-mentioned acidic substituent is sodium or potassium. Such alkali metals or those substituted with an alkaline earth metal such as calcium or magnesium can be mentioned. As a quaternary ammonium group, the ammonium group which has three C1-C6 alkyl groups preferably is mentioned.
なかでもＲ１及びＲ２は、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数１〜３０の脂肪族基、又は置換基を有していてもよい芳香族基であることが好ましい。これらの基が有していてもよい置換基としては、１価の有機基が有するさらなる置換基として上述したものが挙げられる。 Among them, R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom, an aliphatic group having 1 to 30 carbon atoms which may have a substituent, or an aromatic group which may have a substituent. Is preferred. Examples of the substituent that these groups may have include those described above as the further substituent that the monovalent organic group has.
Ｒ１及びＲ２のより好ましい例としては、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基が挙げられる。Ｒ１及びＲ２としてさらに好ましくは置換基を有していてもよい炭素数１〜１２のアルキル基であり、特に好ましくは置換基を有していてもよい炭素数２〜１２のアルキル基である。また、これらのアルキル基は、直鎖のアルキル基であることが好ましいが、分岐鎖アルキル基であってもよい。Ｒ１及びＲ２がアルキル基であることは、キャリアの輸送性能が向上しうる点で好ましい。 More preferable examples of R 1 and R 2 include an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent. More preferably, R 1 and R 2 are an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms which may have a substituent, and particularly preferably an alkyl group having 2 to 12 carbon atoms which may have a substituent. is there. Moreover, these alkyl groups are preferably linear alkyl groups, but may be branched alkyl groups. It is preferable that R 1 and R 2 be an alkyl group in that the transport performance of the carrier can be improved.
アルキル基が有する置換基として好ましくは、イオン性の置換基である。Ｒ１及びＲ２がイオン性の置換基を有することはさらにキャリア輸送効率が向上しうる点で好ましい。また、Ｒ１及びＲ２がイオン性の置換基を有することは、水、アルコール、アセトン等に代表される極性溶媒への溶解性が向上し、極性溶媒を用いた塗布成膜性が高くなる点でも好ましい。これらの置換基は、アルキル基の末端炭素原子に結合していてもよいし、中間の炭素原子に結合していてもよい。 As a substituent which an alkyl group has, Preferably it is an ionic substituent. It is preferable that R 1 and R 2 have an ionic substituent in that the carrier transport efficiency can be further improved. In addition, when R 1 and R 2 have an ionic substituent, the solubility in polar solvents represented by water, alcohol, acetone and the like is improved, and the coating film forming property using the polar solvent is enhanced. The point is also preferable. These substituents may be bonded to the terminal carbon atom of the alkyl group or to an intermediate carbon atom.
式（Ｉ）において、Ｒ３及びＲ４はそれぞれ独立に水素原子又は１価の有機基を表す。１価の有機基の例としては、Ｒ１及びＲ２の例として挙げたものの他に、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、又はペンチルオキシ基等の、置換基を有していてもよい炭素数１〜３０のアルコキシ基；ベンジルオキシ基等のアリールアルキルオキシ基；水酸基；フッ素原子若しくは塩素原子等のハロゲン原子；メトキシカルボニル基若しくはエトキシカルボニル基等の炭素数１〜３０のアルコキシカルボニル基；又はフェノキシ基等のアリールオキシ基等が挙げられる。 In formula (I), R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or a monovalent organic group. Examples of the monovalent organic group include, in addition to those mentioned as examples of R 1 and R 2 , substituents having a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group, or a pentyloxy group, etc. Alkoxy groups having 1 to 30 carbon atoms; arylalkyloxy groups such as benzyloxy group; hydroxyl groups; halogen atoms such as fluorine atom or chlorine atom; alkoxycarbonyl groups having 1 to 30 carbon atoms such as methoxycarbonyl group or ethoxycarbonyl group Or aryloxy groups such as phenoxy group.
Ｒ３及びＲ４は、分子間の相互作用が向上する傾向がある点で、水素原子又は炭素数１〜２５の有機基であることが好ましく、炭素数１〜２０の有機基であることがより好ましい。 R 3 and R 4 are preferably a hydrogen atom or an organic group having 1 to 25 carbon atoms from the viewpoint that the interaction between molecules tends to be improved, and an organic group having 1 to 20 carbon atoms More preferable.
なかでも、Ｒ３及び／又はＲ４が、芳香族基などのπ共役電子を有する置換基、またはアルキル基などの分子間のパッキングを制御できる置換基であると、薄膜としての非晶質性を高めることができ、薄膜形成能力を向上させることもできる。 Among them, when R 3 and / or R 4 is a substituent having a π-conjugated electron such as an aromatic group or a substituent capable of controlling intermolecular packing such as an alkyl group, it is amorphous as a thin film. Can be enhanced, and the thin film formation ability can also be improved.
一方、Ｒ３及び／又はＲ４が水素原子の場合、化合物（Ｉ）の立体障害が小さくなり、主骨格の平面性が損なわれないために、分子間のπ−π相互作用が強固となり、電荷移動度が向上し得る。 On the other hand, when R 3 and / or R 4 is a hydrogen atom, the steric hindrance of compound (I) decreases and the planarity of the main skeleton is not impaired, so that the π-π interaction between molecules becomes strong, Charge mobility may be improved.
従って、Ｒ３及びＲ４のより好ましい例としては、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数２〜２０の芳香族基、又は置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基が挙げられる。 Therefore, as a more preferable example of R 3 and R 4 , a hydrogen atom, an aromatic group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or a carbon number 1 to which may optionally have a substituent There are 20 alkyl groups.
式（Ｉ）においてＡｒ１〜Ａｒ４は、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族基を表す。Ａｒ１〜Ａｒ４の具体的な例としては、Ｒ１及びＲ２について芳香族炭化水素基又は芳香族複素環基の例として挙げたものがある。 In Formula (I), Ar 1 to Ar 4 each independently represent an aromatic group which may have a substituent. Specific examples of Ar 1 to Ar 4 include those mentioned as examples of the aromatic hydrocarbon group or the aromatic heterocyclic group for R 1 and R 2 .
Ａｒ１〜Ａｒ４を選択することで、膜としての非晶質性を高めることに加えて、ガラス転移温度の制御による膜の耐熱性向上が期待される。非晶質性を高めるためには、π共役電子を有する置換基、具体的には、ベンゼン環基、ビフェニル基、ナフチル基等の芳香族基が好ましく、ガラス転移温度を上げるためには，フェナントリル基、カルバゾリル基等が好ましい。 The selection of Ar 1 to Ar 4 is expected to improve the heat resistance of the film by controlling the glass transition temperature, in addition to enhancing the amorphousness of the film. A substituent having a π-conjugated electron, specifically an aromatic group such as a benzene ring group, a biphenyl group or a naphthyl group, is preferred to enhance the amorphous property, and a phenanthryl is preferred to raise the glass transition temperature. Groups, carbazolyl groups and the like are preferable.
なかでも、Ａｒ１〜Ａｒ４はそれぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数５〜２０の芳香族基であることが好ましく、電子吸引基を置換基として有していてもよい炭素数６〜２０の芳香族炭化水素基であることがより好ましい。特に好ましい例においては、Ａｒ１〜Ａｒ４のうちの少なくとも１つは電子吸引基を置換基として有する炭素数６〜２０の芳香族炭化水素基であるか、又はＡｒ１〜Ａｒ４がそれぞれ独立に電子吸引基を置換基として有する炭素数６〜２０の芳香族炭化水素基である。Ａｒ１〜Ａｒ４が電子吸引基を置換基として有する炭素数６〜２０の芳香族炭化水素基であることは、キャリア輸送性能が向上しうる点で好ましい。電子吸引基としては、フッ素原子若しくは塩素原子のようなハロゲン原子、シアノ基、アシル基、ニトロ基、又はハロアルキル基等が挙げられる。なかでも、電子吸引基がハロゲン原子の場合、化合物の安定性が向上するために、得られる光電変換素子の耐久性も向上するために好ましく、なかでも、フッ素原子が特に好ましい。 Among them, Ar 1 to Ar 4 are preferably each independently an aromatic group having 5 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and may have an electron withdrawing group as a substituent It is more preferable that it is a C6-C20 aromatic hydrocarbon group. In a particularly preferred example, at least one of Ar 1 to Ar 4 is an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms having an electron withdrawing group as a substituent, or Ar 1 to Ar 4 are each independently And an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms which has an electron withdrawing group as a substituent. It is preferable that Ar 1 to Ar 4 be an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms having an electron withdrawing group as a substituent from the viewpoint that carrier transport performance can be improved. Examples of the electron withdrawing group include a halogen atom such as a fluorine atom or a chlorine atom, a cyano group, an acyl group, a nitro group or a haloalkyl group. Among them, when the electron withdrawing group is a halogen atom, in order to improve the stability of the compound, it is preferable in order to improve the durability of the obtained photoelectric conversion device, and among them, a fluorine atom is particularly preferable.
Ｘ１、Ｘ２、Ａｒ１〜Ａｒ４及びＲ１〜Ｒ４は、上記に列挙した基から好ましい基を任意に選択すれば良いが、合成のしやすさの観点から、式（Ｉ）で表される化合物は、ベンゼン環を中心として点対称構造であることが好ましい。すなわち、Ｘ１が置換基Ａｒ３を有する炭素原子であり、Ｘ２が置換基Ｒ２を有する窒素原子であることが好ましい。また、この場合、Ａｒ１はＡｒ４と同じ基であり、Ａｒ２はＡｒ３と同じ基であり、Ｒ１はＲ２と同じ基であり、Ｒ３はＲ４と同じ基であることが好ましい。 Preferred groups for X 1 , X 2 , Ar 1 to Ar 4 and R 1 to R 4 may be selected from the groups listed above, but from the viewpoint of easiness of synthesis, It is preferable that the compound to be represented is point-symmetrical structure centering on a benzene ring. That is, it is preferable that X 1 be a carbon atom having a substituent Ar 3 and X 2 be a nitrogen atom having a substituent R 2 . In this case, Ar 1 is the same group as Ar 4 , Ar 2 is the same group as Ar 3 , R 1 is the same group as R 2, and R 3 is the same group as R 4 preferable.
以下に、ベンゾジピロール化合物の具体例を挙げるが、用いられるベンゾジピロール化合物がこれらに限定されるわけではない。また、以下に記載の化合物のそれぞれの構造を組み合わせて得られる構造のベンゾジピロール化合物を用いることもできる。 Although the specific example of a benzodipyrrole compound is given to the following, the benzodipyrrole compound to be used is not necessarily limited to these. Moreover, the benzodipyrrole compound of the structure obtained by combining each structure of the compound as described in the following can also be used.
ベンゾジピロール化合物の合成方法は特に限定されないが、例えば、以下の反応式に従って合成することができる。下式の出発化合物は公知の方法に従って合成することができる。例えば、Ｄ．Ａ．Ｋｉｎｓｌｅｙ，Ｓ．Ｇ．Ｐ．Ｐｌａｎｔｓ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１９５８，１−７に記載された方法によって合成できる。あるいは、下式の出発化合物は、対応するジアミノベンゼン誘導体とアルキニル化合物とのカップリング反応によって合成することができる。なお、下記の反応式において、Ｒ１〜Ｒ４、及びＡｒ１〜Ａｒ４は、それぞれ、上記式（Ｉ）中のＲ１〜Ｒ４、及びＡｒ１〜Ａｒ４と同義である。 Although the synthesis method of the benzodipyrrole compound is not particularly limited, for example, it can be synthesized according to the following reaction formula. The starting compounds of the following formula can be synthesized according to known methods. For example, D. A. Kinsley, S. G. P. Plants. J. Chem. Soc. , 1958, 1-7. Alternatively, the starting compound of the following formula can be synthesized by the coupling reaction of the corresponding diaminobenzene derivative with an alkynyl compound. Note that in the following reaction formula, R 1 to R 4, and Ar 1 to Ar 4 are respectively the same meaning as R 1 to R 4, and Ar 1 to Ar 4 in the above formula (I).
上述のように、光電変換素子１００は、下部電極１０１と活性層１０３との間にバッファ層１０２を有することができ、又は、上部電極１０７と活性層１０３との間にバッファ層１０５を有することができる。また、光電変換素子１００は、バッファ層１０２とバッファ層１０５との双方を有することもできる。ここで、下部電極１０１と活性層１０３との間に設けられるバッファ層１０２と、上部電極１０７と活性層１０３との間に設けられるバッファ層１０５とは、異なる材料で構成されていてもよい。すなわち、一方のバッファ層が式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有する層である一方、他方のバッファ層は式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物以外の化合物で構成される層であってもよい。なお、上述の通り、式（Ｉ）で表される化合物を含有する層は、下部電極１０１と活性層１０３との間に位置していてもよいし、活性層１０３と上部電極１０７との間に位置していてもよい。但し、式（Ｉ）で表される化合物を含有する層を塗布法により成膜する際には、塗布溶媒が活性層１０３を浸漬して、活性層１０３に影響を及ぼす可能性があるため、式（Ｉ）で表される化合物を含有する層は、下部電極１０１と、活性層１０３との間に位置していることが好ましい。
As described above, the
アノードと活性層との間に設けられたバッファ層は正孔取り出し層と呼ばれることがあり、カソードと活性層との間に設けられたバッファ層は電子取り出し層と呼ばれることがある。一実施形態において、正孔取り出し層は式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有する層である。 The buffer layer provided between the anode and the active layer may be called a hole extraction layer, and the buffer layer provided between the cathode and the active layer may be called an electron extraction layer. In one embodiment, the hole extraction layer is a layer containing a benzodipyrrole compound represented by Formula (I).
式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物以外の化合物で構成されるバッファ層に関しては、材料に特に限定はない。例えば、正孔取り出し層については、活性層からアノードへの正孔の取り出し効率を向上させることが可能な任意の材料を用いることができる。具体的には、国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等の金属酸化物が挙げられる。また、有機化合物としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミン又はポリアニリン等にドーパントがドーピングされた導電性ポリマー、スルホニル基を置換基に有するポリチオフェン誘導体、アリールアミン等の導電性有機化合物、ナフィオン、又はリチウムドーピングされたｓｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤが挙げられる。 With respect to the buffer layer composed of a compound other than the benzodipyrrole compound represented by formula (I), the material is not particularly limited. For example, for the hole extraction layer, any material that can improve the efficiency of hole extraction from the active layer to the anode can be used. Specifically, an inorganic compound, an organic compound, or an organic / inorganic perovskite compound according to the present invention described in known documents such as WO 2013/171517, WO 2013/180230 or JP 2012-191194. Can be mentioned. For example, as the inorganic compound, metal oxides such as copper oxide, nickel oxide, manganese oxide, iron oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide or tungsten oxide can be mentioned. In addition, as the organic compound, a conductive polymer in which a dopant is doped to polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, triphenylenediamine or polyaniline, a polythiophene derivative having a sulfonyl group as a substituent, a conductive organic compound such as arylamine, nafion, or Lithium-doped spiro-OMeTAD can be mentioned.
同様に、電子取り出し層についても、活性層からカソードへの電子の取り出し効率を向上させることが可能な任意の材料を用いることができる。具体的には、国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、リチウム、ナトリウム、カリウム又はセシウム等のアルカリ金属の塩、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム又は酸化インジウム等の金属酸化物が挙げられる。有機化合物としては、バソキュプロイン（ＢＣＰ）、バソフェナントレン（Ｂｐｈｅｎ）、（８−ヒドロキシキノリナト）アルミニウム（Ａｌｑ３）、ホウ素化合物、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）、ペリレンテトラカルボン酸無水物（ＰＴＣＤＡ）、フラーレン化合物、又はホスフィンオキシド化合物若しくはホスフィンスルフィド化合物等の周期表第１６族元素と二重結合を有するホスフィン化合物が挙げられる。 Similarly, for the electron extraction layer, any material capable of improving the electron extraction efficiency from the active layer to the cathode can be used. Specifically, an inorganic compound, an organic compound, or an organic / inorganic perovskite compound according to the present invention described in known documents such as WO 2013/171517, WO 2013/180230 or JP 2012-191194. Can be mentioned. For example, as the inorganic compound, salts of alkali metals such as lithium, sodium, potassium or cesium, metal oxides such as zinc oxide, titanium oxide, aluminum oxide or indium oxide can be mentioned. As organic compounds, vasocuproin (BCP), bathophenanthrene (Bphen), (8-hydroxyquinolinato) aluminum (Alq3), boron compounds, oxadiazole compounds, benzimidazole compounds, naphthalenetetracarboxylic acid anhydride (NTCDA), And phosphine compounds having a double bond with a periodic table group 16 element such as perylene tetracarboxylic acid anhydride (PTCDA), a fullerene compound, or a phosphine oxide compound or a phosphine sulfide compound.
バッファ層の膜厚に特に限定はないが、好ましくは０．５ｎｍ以上、さらに好ましくは１ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上である、一方、好ましくは１μｍ以下、さらに好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以下、特に好ましくは１００ｎｍ以下である。バッファ層の膜厚が上記の範囲内にあることで、キャリアの移動効率が向上しやすくなり、光電変換効率が向上しうる。 The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more, more preferably 1 nm or more, more preferably 5 nm or more, while one, preferably 1 μm or less, more preferably 500 nm or less, more preferably 200 nm Or less, particularly preferably 100 nm or less. When the film thickness of the buffer layer is in the above range, the carrier transfer efficiency can be easily improved, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
バッファ層の形成方法に制限はなく、材料の特性に合わせて形成方法を選択することができる。例えば、材料と溶媒を含有する塗布液を作製し、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法を用いることにより、バッファ層を形成することができる。この場合、溶媒としては、活性層１０３の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。また、真空蒸着法等の乾式成膜法により、バッファ層を形成することもできる。
There is no restriction | limiting in the formation method of a buffer layer, A formation method can be selected according to the characteristic of material. For example, the buffer layer can be formed by preparing a coating solution containing a material and a solvent and using a wet film formation method such as a spin coating method or an inkjet method. In this case, the solvents mentioned in the description of the method for forming the
［４．基材］
光電変換素子１００は、通常は支持体となる基材１０８を有する。もっとも、本発明に係る光電変換素子は基材１０８を有さなくてもよい。基材１０８の材料は、本発明の効果を著しく損なわない限り特に限定されず、例えば、国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等の公知文献に記載の材料を使用することができる。
[4. Base material]
The
［５．その他の層］
光電変換素子１００は、その他の層を有していてもよい。例えば、光電変換素子１００は、電極の仕事関数を調整する仕事関数チューニング層を、下部電極１０１とバッファ層１０２との間、又は上部電極１０７とバッファ層１０５との間に有していてもよい。また、光電変換素子１００は、下部電極１０１と活性層１０３との間、又は上部電極１０７と活性層１０３との間に、水分等が活性層１０３に到達することを抑制する薄い絶縁体層を有していてもよい。もっとも、一実施形態において、式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物は堅牢な分子骨格を有しキャリア輸送性能が高いため、活性層１０３と下部電極１０１との間に式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有するバッファ層が存在する場合、光電変換素子１００は活性層１０３と下部電極１０１との間に仕事関数チューニング層又は絶縁体層を有さなくてもよいし、光電変換素子１００は活性層１０３と下部電極１０１との間にバッファ層以外の層を有さなくてもよい。また、活性層１０３と上部電極１０７との間に式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有するバッファ層が存在する場合にも、光電変換素子１００は活性層１０３と上部電極１０７との間に仕事関数チューニング層又は絶縁体層を有さなくてもよいし、光電変換素子１００は活性層１０３と上部電極１０７との間にバッファ層以外の層を有さなくてもよい。
[5. Other layers]
The
［６．光電変換素子の作製方法］
上述の方法に従って、光電変換素子１００を構成する各層を形成することにより、光電変換素子１００を作製することができる。光電変換素子１００を構成する各層の形成方法に特段の制限はなく、シートツゥーシート（万葉）方式、又はロールツゥーロール方式で形成することができる。
[6. Method of manufacturing photoelectric conversion element]
The
なお、ロールツゥーロール方式とは、ロール状に巻かれたフレキシブルな基材を繰り出して、間欠的、或いは連続的に搬送しながら、巻き取りロールにより巻き取られるまでの間に加工を行う方式である。ロールツゥーロール方式によれば、ｋｍオーダの長尺基板を一括処理することが可能であるため、ロールツゥーロール方式はシートツゥーシート方式に比べて量産化に適している。一方、ロールツゥーロール方式で各層を成膜しようとすると、その構造上、成膜面とロールとが接触することにより膜に傷がついたり、部分的に剥がれてしまったりする場合がある。 The roll-to-roll method is a method in which a flexible base material wound in a roll is drawn out and processed while being intermittently or continuously conveyed while being taken up by a take-up roll. is there. The roll-to-roll method is suitable for mass production as compared to the sheet-to-sheet method because it is possible to collectively process long substrates of the km order. On the other hand, when each layer is to be formed by the roll-to-roll method, the film may be scratched or partially peeled off due to the contact between the film formation surface and the roll due to its structure.
ロールツゥーロール方式に用いることのできるロールの大きさは、ロールツゥーロール方式の製造装置で扱える限り特に限定されないが、外径の上限は、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは３ｍ以下、より好ましくは１ｍ以下である。一方、下限は好ましくは１０ｃｍ以上、さらに好ましくは２０ｃｍ以上、より好ましくは３０ｃｍ以上である。ロール芯の外径の上限は、好ましくは４ｍ以下、さらに好ましくは３ｍ以下、より好ましくは０．５ｍ以下である。一方、下限は好ましくは１ｃｍ以上、さらに好ましくは３ｃｍ以上、より好ましくは５ｃｍ以上、さらに好ましくは１０ｃｍ以上、特に好ましくは２０ｃｍ以上である。これらの径が上記上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは各工程で成膜される層が曲げ応力により破壊される可能性が低くなる点で好ましい。ロールの幅の下限は、好ましくは５ｃｍ以上、さらに好ましくは１０ｃｍ以上、より好ましくは２０ｃｍ以上である。一方、上限は、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは３ｍ以下、より好ましくは２ｍ以下である。幅が上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは光電変換素子１００の大きさの自由度が高くなるため好ましい。
The size of the roll that can be used in the roll-to-roll system is not particularly limited as long as it can be handled by a roll-to-roll system manufacturing apparatus, but the upper limit of the outer diameter is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, more preferably It is less than 1 m. On the other hand, the lower limit is preferably 10 cm or more, more preferably 20 cm or more, and more preferably 30 cm or more. The upper limit of the outer diameter of the roll core is preferably 4 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably 0.5 m or less. On the other hand, the lower limit is preferably 1 cm or more, more preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, still more preferably 10 cm or more, particularly preferably 20 cm or more. It is preferable that the diameter is not more than the above upper limit in view of high handleability of the roll, and it is preferable in being not less than the lower limit in that the layer formed in each step is less likely to be broken by bending stress. . The lower limit of the width of the roll is preferably 5 cm or more, more preferably 10 cm or more, and more preferably 20 cm or more. On the other hand, the upper limit is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, more preferably 2 m or less. It is preferable that the width is not more than the upper limit in view of high handleability of the roll, and it is preferable that the width is not less than the lower limit because the degree of freedom of the size of the
また、上部電極１０７を積層した後に、光電変換素子１００を好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは８０℃以上、一方、好ましくは３００℃以下、さらに好ましくは２８０℃以下、より好ましくは２５０℃以下の温度範囲において、加熱することが好ましい（この工程をアニーリング処理工程と称する場合がある）。アニーリング処理工程を５０℃以上の温度で行うことは、光電変換素子１００の各層間の密着性、例えばバッファ層１０２と下部電極１０１、バッファ層１０２活性層１０３等の層間の密着性が向上する効果が得られるため、好ましい。各層間の密着性が向上することにより、光電変換素子の熱安定性や耐久性等が向上しうる。アニーリング処理工程の温度を３００℃以下にすることは、光電変換素子１００に含まれる有機化合物が熱分解する可能性が低くなるため、好ましい。アニーリング処理工程においては、上記の温度範囲内において異なる温度を用いた段階的な加熱を行ってもよい。
After stacking the
加熱時間としては、熱分解を抑えながら密着性を向上させるために、好ましくは１分以上、さらに好ましくは３分以上、一方、好ましくは１８０分以下、さらに好ましくは６０分以下である。アニーリング処理工程は、太陽電池性能のパラメータである開放電圧、短絡電流及びフィルファクターが一定の値になったところで終了させることが好ましい。また、アニーリング処理工程は、構成材料の熱酸化を防ぐ上でも、常圧下、かつ不活性ガス雰囲気中で実施することが好ましい。加熱方法としては、ホットプレート等の熱源に光電変換素子を載せてもよいし、オーブン等の加熱雰囲気中に光電変換素子を入れてもよい。また、加熱はバッチ式で行っても連続方式で行ってもよい。 The heating time is preferably 1 minute or more, more preferably 3 minutes or more, and preferably 180 minutes or less, more preferably 60 minutes or less, in order to improve adhesion while suppressing thermal decomposition. The annealing process is preferably terminated when the open circuit voltage, the short circuit current and the fill factor, which are parameters of the solar cell performance, reach fixed values. The annealing treatment step is preferably carried out under normal pressure and in an inert gas atmosphere also in order to prevent thermal oxidation of the constituent materials. As a heating method, the photoelectric conversion element may be placed on a heat source such as a hot plate, or the photoelectric conversion element may be placed in a heating atmosphere such as an oven. The heating may be performed batchwise or continuously.
［７．光電変換特性］
光電変換素子１００の光電変換特性は次のようにして求めることができる。光電変換素子１００にソーラシュミレーターでＡＭ１．５Ｇ条件の光を照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で照射して、電流−電圧特性を測定する。得られた電流−電圧曲線から、光電変換効率（ＰＣＥ）、短絡電流密度（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、フィルファクター（ＦＦ）、直列抵抗、シャント抵抗といった光電変換特性を求めることができる。
[7. Photoelectric conversion characteristics]
The photoelectric conversion characteristic of the
光電変換素子１００の光電変換効率は、特段の制限はないが、好ましくは１％以上、さらに好ましくは１．５％以上、より好ましくは２％以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。また、光電変換素子１００のフィルファクターは、特段の制限はないが、好ましくは０．６以上、さらに好ましくは０．７以上、より好ましくは０．９以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。
The photoelectric conversion efficiency of the
また、光電変換素子を実用化するには、製造が簡便かつ安価であること以外に、高い光電変換効率及び高い耐久性を有することが重要である。この観点から、光電変換素子１００を１週間大気暴露する前後での光電変換効率の耐久性は、６０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、高ければ高いほどよい。光電変換効率の耐久性は、光電変換素子１００を大気暴露する前後での光電変換効率に基づいて、以下のように算出することができる。
耐久性（％）＝（（所定時間大気暴露した後の光電変換効率）／（大気暴露直前の光電変換効率））×１００
Further, in order to put the photoelectric conversion element into practical use, it is important to have high photoelectric conversion efficiency and high durability, in addition to being simple and inexpensive to manufacture. From this point of view, the durability of the photoelectric conversion efficiency before and after exposing the
Durability (%) = ((photoelectric conversion efficiency after being exposed to the air for a predetermined time) / (photoelectric conversion efficiency immediately before air exposure)) × 100
同様の観点から、光電変換素子１００の活性層１０３が大気に対して封止されていない状態、又は大気に対する封止が破綻している状態において、光電変換素子１００を１週間暗所中で大気暴露する前後での光電変換効率の耐久性は、５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましく、９５％以上が特に好ましい。
From the same viewpoint, in a state where the
［８．太陽電池］
本発明に係る光電変換素子１００は、太陽電池、なかでも薄膜太陽電池の太陽電池素子として使用されることが好ましい。図２は本発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を模式的に表す断面図であり、図２には本発明の一実施形態に係る太陽電池である薄膜太陽電池が示されている。図２に表すように、本実施形態に係る薄膜太陽電池１４は、耐候性保護フィルム１と、紫外線カットフィルム２と、ガスバリアフィルム３と、ゲッター材フィルム４と、封止材５と、太陽電池素子６と、封止材７と、ゲッター材フィルム８と、ガスバリアフィルム９と、バックシート１０と、をこの順に備える。本実施形態に係る薄膜太陽電池１４は、太陽電池素子６として、本発明に係る光電変換素子を有している。そして、耐候性保護フィルム１が形成された側（図２中下方）から光が照射されて、太陽電池素子６が発電するようになっている。なお、薄膜太陽電池１４は、これらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。
[8. Solar cell]
The
薄膜太陽電池を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。 There is no particular limitation on these components constituting the thin film solar cell and the method of manufacturing the same, and known techniques can be used. For example, the techniques described in known documents such as WO 2013/171517, WO 2013/180230 or JP 2012-191194 can be used.
本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池１４の用途に制限はなく、任意の用途に用いることができる。例えば、一実施形態に係る太陽電池は、建材用太陽電池、自動車用太陽電池、インテリア用太陽電池、鉄道用太陽電池、船舶用太陽電池、飛行機用太陽電池、宇宙機用太陽電池、家電用太陽電池、携帯電話用太陽電池又は玩具用太陽電池として用いることができる。
There is no limitation on the application of the solar cell according to the present invention, in particular the thin film
本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池１４はそのまま用いてもよいし、太陽電池モジュールの構成要素として用いられてもよい。例えば、図３に示すように、本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池１４を基材１２上に備える太陽電池モジュール１３を作製し、この太陽電池モジュール１３を使用場所に設置して用いることができる。基材１２としては周知技術を用いることができ、例えば、基材１２の材料としては国際公開第２０１３／１７１５１７号、国際公開第２０１３／１８０２３０号又は特開２０１２−１９１１９４号公報等に記載の材料を用いることができる。例えば、基材１２として建材用板材を使用する場合、この板材の表面に薄膜太陽電池１４を設けることにより、太陽電池モジュール１３として、建物の外壁用太陽電池パネルを作製することができる。
The solar cell according to the present invention, in particular, the thin film
以下に、実施例により本発明の実施形態を説明する。しかしながら、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例には限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless the gist is exceeded.
［合成例１：ベンゾジピロール化合物３Ｆ−ＢＤＰ（Ｅ１）の合成］
Ｓｈｅｎらによって報告されている手法（Ｓｈｅｎ，Ｍ．；Ｌｉ，Ｇ．；Ｌｕ，Ｂ．Ｚ．；Ｈｏｓｓａｉｎ，Ａ．；Ｒｏｓｃｈａｎｇａｒ，Ｆ．；Ｆａｒｉｎａ，Ｖ．；Ｓｅｎａｎａｙａｋｅ，Ｃ．Ｈ．Ｏｒｇ．Ｌｅｔｔ．２００４，６，４１２９−４１３２．）に倣い、２，５−ジクロロ−１，４−フェニレンジアミン（１．７７ｇ，１０ｍｍｏｌ）、Ｐａｒｋ，Ｋ．；Ｂａｅ，Ｇ．；Ｍｏｏｎ，Ｊ．；Ｃｈｏｅ，Ｊ．；Ｓｏｎｇ，Ｋ．Ｈ．；Ｌｅｅ，Ｓ．Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．２０１０，７５，６２４４−６２５１．に記載された方法に従って合成したビス（３−フルオロフェニル）アセチレン（４．９５ｇ，２３ｍｍｏｌ）、パラジウム（ＩＩ）アセテート（２２９ｍｇ，０．１０ｍｍｏｌ）、トリシクロヘキシルホスフィン（５７０ｍｇ，０．２０ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム（６．９８ｇ，５．０ｍｍｏｌ）を、Ｎ−メチルピロリドン（１００ｍＬ）中で、１３０℃、１９時間反応させた。その後、Ｎ−メチルピロリドンを減圧下で除去し、残渣をシリカゲル（展開溶媒：酢酸エチル）ショートカラムに通じ、さらにシリカゲルカラム（展開溶媒：ヘキサン／ジクロロメタン＝１／１）により処理して、黄色個体である３Ｆ−ＢＤＰを得た（５８０ｍｇ，１１％）。 Methods reported by Shen et al. (Shen, M .; Li, G .; Lu, B. Z .; Hossain, A .; Roschangar, F .; Farina, V .; Senanayake, C. H. Org. Lett According to the method described in J. 2004, 4, 4129-4132.), 2, 5-dichloro-1, 4-phenylenediamine (1.77 g, 10 mmol), Park, K., et al. Bae, G .; Moon, J. et al. Choe, J .; Song, K .; H. Lee, S .; J. Org. Chem. 2010, 75, 6244-6251. Bis (3-fluorophenyl) acetylene (4.95 g, 23 mmol), palladium (II) acetate (229 mg, 0.10 mmol), tricyclohexylphosphine (570 mg, 0.20 mmol), potassium carbonate synthesized according to the method described in (6.98 g, 5.0 mmol) was reacted in N-methylpyrrolidone (100 mL) at 130 ° C. for 19 hours. Thereafter, N-methylpyrrolidone is removed under reduced pressure, the residue is passed through a silica gel (developing solvent: ethyl acetate) short column, and further treated with a silica gel column (developing solvent: hexane / dichloromethane = 1/1) to obtain a yellow solid 3F-BDP was obtained (580 mg, 11%).
３Ｆ−ＢＤＰ：
１Ｈ ＮＭＲ（５００ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：１１．３１（ｓ，２Ｈ，ＮＨ），７．５１−７．４９（ｍ，２Ｈ，ＡｒＨ），７．４２（ｑ，Ｊ＝７．３Ｈｚ，６Ｈ，ＡｒＨ），７．１４−７．２８（ｍ，１２Ｈ，ＡｒＨ）．
１３Ｃ ＮＭＲ（１２５ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：１６３．４６，１６３．０６，１６１．５２，１６１．１３，１３８．０７，１３８．０１，１３４．６８，１３４．６１，１３３．９５，１３３．７３，１３０．７７，１３０．７０，１３０．６２，１２６．７８，１２５．９６，１２４．２１，１１６．２１，１１６．０５，１１４．５９，１１４．４６，１１４．４２，１１４．２９，１１３．１０，１１２．９４，１１１．７１，９８．４０．
１９Ｆ ＮＭＲ（４７０ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：−１１５．３２，−１１５．６９．
ＨＲＭＳ（ＡＰＣＩ＋）ｍ／ｚ Ｃａｌｃｄ． ｆｏｒ Ｃ４２Ｈ２１Ｆ４Ｎ２（［Ｍ＋Ｈ］＋）：５３３．１６４１；Ｆｏｕｎｄ：５３３．１６１９．
3F-BDP:
1 H NMR (500 MHz, DMSO-d 6 ) δ: 11.31 (s, 2 H, NH), 7.51 to 7.49 (m, 2 H, ArH), 7.42 (q, J = 7.3 Hz) , 6H, ArH), 7.14-7.28 (m, 12H, ArH).
13 C NMR (125 MHz, DMSO-d 6 ) δ: 163.46, 163.06, 161.52, 161.13, 138.07, 138.01, 134.68, 134.61, 133.95, 133 .73, 130. 77, 130. 70, 130. 62, 126. 78, 125. 96, 124. 21, 116. 21, 116. 05, 114. 59, 114. 46, 114. 42, 114. 29 , 113. 10, 112. 94, 11 1.7 1, 98. 40.
19 F NMR (470 MHz, DMSO-d 6 ) δ: -115.32, -15.69.
HRMS (APCI +) m / z Calcd. for C 42 H 21 F 4 N 2 ([M + H] + ): 533.1641; Found: 533.1619.
上述の方法により得られた３Ｆ−ＢＤＰを基に、以下の方法によりベンゾジピロール化合物３Ｆ−ＢＤＰＳＯ−ＢＮａ（Ｅ１）を合成した。
３Ｆ−ＢＤＰ（５３４ｍｇ，１．０ｍｍｏｌ）と水素化ナトリウム（６０％分散液、１７３ｍｇ，４．３ｍｍｏｌ）の混合物をテトラヒドロフラン（２０ｍＬ）中、室温で３時間撹拌し、２，４−ブタンスルフォネート（４３５ｍｇ，３．２ｍｍｏｌ）を添加し、反応混合物を７５℃で１３時間撹拌した。室温に放冷し、メタノールを添加して未反応の水素化ナトリウムを失活させた。固形分を濾過し、テトラヒドロフランで洗浄した。残渣をメタノ−ル中で超音波洗浄することで、淡黄色固体である化合物３Ｆ−ＢＤＰＳＯ−ＢＮａ（Ｅ１）（６００ｍｇ，７０％）を得た。 A mixture of 3F-BDP (534 mg, 1.0 mmol) and sodium hydride (60% dispersion, 173 mg, 4.3 mmol) in tetrahydrofuran (20 mL) is stirred at room temperature for 3 hours, 2,4-butane sulfonate (435 mg, 3.2 mmol) was added and the reaction mixture was stirred at 75 ° C. for 13 hours. The mixture was allowed to cool to room temperature and methanol was added to deactivate unreacted sodium hydride. The solids were filtered and washed with tetrahydrofuran. The residue was ultrasonically washed in methanol to give compound 3F-BDPSO-BNa (E1) (600 mg, 70%) as a pale yellow solid.
３Ｆ−ＢＤＰＳＯ−ＢＮａ（Ｅ１）：
１Ｈ ＮＭＲ（５００ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：７．８１（ｓ，２Ｈ，ＡｒＨ），７．５２（ｑ，Ｊ＝７．４Ｈｚ，２Ｈ，ＡｒＨ），７．３７（ｑ，Ｊ＝７．４Ｈｚ，２Ｈ，ＡｒＨ），７．３２−７．２３（ｍ，８Ｈ，ＡｒＨ），７．０１−６．９７（ｍ，４Ｈ，ＡｒＨ），４．２６−４．２０（ｍ，４Ｈ，ＮＣＨ２），２．２４−２．２２（ｍ，２Ｈ，ＣＨ２ＣＨ），２．１０−２．０８（ｍ，２Ｈ，ＣＨ２ＣＨ），１．５０−１．４７（ｍ，２Ｈ，ＣＨ），０．９０（ｄ，Ｊ＝６．９Ｈｚ，６Ｈ，ＣＨ３）．
１３Ｃ ＮＭＲ（１２５ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：１６３．１０，１６２．９０，１６１．１７，１６０．９６，１３７．４７，１３７．４１，１３７．２５，１３４．０１，１３３．９０，１３０．７５，１３０．６８，１３０．３７，１３０．２９，１２７．２６，１２５．５２，１２４．５０，１１７．７２，１１７．５５，１１５．５６，１１５．３９，１１２．５２，１１２．２２，１１２．０６，９８．３０，５１．５５，４１．６５，３２．１５，１５．４７，１５．４５．
１９Ｆ ＮＭＲ（４７０ＭＨｚ，ＤＭＳＯ−ｄ６）δ：−１１５．０７，−１１５．９４．
ＨＲＭＳ（ＥＳＩ−）ｍ／ｚ Ｃａｌｃｄ． ｆｏｒ Ｃ４２Ｈ３４Ｆ４Ｎ２ＮａＯ６Ｓ２（［Ｍ−Ｎａ］−）：８２５．１６９２；Ｆｏｕｎｄ：８２５．１６８１．
3F-BDPSO-BNa (E1):
1 H NMR (500 MHz, DMSO-d 6 ) δ: 7.81 (s, 2 H, ArH), 7.52 (q, J = 7.4 Hz, 2 H, ArH), 7.37 (q, J = 7 .4 Hz, 2H, ArH), 7.32-7.23 (m, 8H, ArH), 7.01-6.97 (m, 4H, ArH), 4.26-4.20 (m, 4H, Ar) NCH 2), 2.24-2.22 (m, 2H, CH 2 CH), 2.10-2.08 (m, 2H, CH 2 CH), 1.50-1.47 (m, 2H, CH), 0.90 (d, J = 6.9 Hz, 6 H, CH 3 ).
13 C NMR (125 MHz, DMSO-d 6 ) δ: 163.10, 162.90, 161.17, 160.96, 137.47, 137.41, 137.25, 134.01, 133.90, 130 .75, 130. 68, 130. 37, 130. 29, 127. 26, 125. 52, 124. 50, 117. 72, 117. 55, 115. 56, 115. 39, 112. 52, 112. 22 , 112.06, 98.30, 51.55, 41.65, 32.15, 15.47, 15.45.
19 F NMR (470 MHz, DMSO-d 6 ) δ: -115.07, -15.94.
HRMS (ESI-) m / z Calcd. for C 42 H 34 F 4 N 2 NaO 6 S 2 ([M-Na] − ): 825.1692; Found: 825.1681.
［実施例１］
（活性層塗布液の調製）
モル比が１：１となるようにヨウ化鉛（ＩＩ）（１０１４ｍｇ）及びヨウ化メチルアンモニウム（ＣＨ３ＮＨ３Ｉ，３５０ｍｇ）をバイアルに量りとり、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（２ｍＬ）を加えた。次に、得られた混合液を７０℃で１時間加熱撹拌した。その後、得られた溶液をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルター（孔径０．２μｍ）で濾過することにより、活性層塗布液を作製した。
Example 1
(Preparation of coating solution for active layer)
Measure lead (II) iodide (1014 mg) and methyl ammonium iodide (CH 3 NH 3 I, 350 mg) in a vial so that the molar ratio is 1: 1, add N, N-dimethylformamide (2 mL) The Next, the obtained mixture was heated and stirred at 70 ° C. for 1 hour. Thereafter, the obtained solution was filtered with a polytetrafluoroethylene (PTFE) filter (pore diameter: 0.2 μm) to prepare an active layer coating solution.
（光電変換素子の作製）
パターニングされた酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）透明導電膜を備えるガラス基板（ジオマテック社製）に対して、洗浄剤（横浜油脂工業社製、精密ガラス基板用洗浄剤セミクリーンＭ−ＬＯ，１５ｍＬ）を用いた超音波洗浄、超純水を用いた超音波洗浄、窒素ブローによる乾燥、及びＵＶ−オゾン処理を行った。
(Fabrication of photoelectric conversion element)
A cleaning agent (Yokohama Yushi Kogyo Co., Ltd., cleaning agent Semiclean M-LO for precision glass substrate, 15 mL) is used for a glass substrate (made by Geomatec Co., Ltd.) provided with a patterned indium tin oxide (ITO) transparent conductive film Ultrasonic cleaning, ultrasonic cleaning using ultrapure water, drying by nitrogen blow, and UV-ozone treatment were performed.
次に、合成例１により得られたベンゾジピロール化合物Ｅ１（８．０ｍｇ）をアセトン：水＝１：１（重量比）の混合溶媒２ｍＬに溶解させ、オートバイアル（孔径０．４５μｍ）でろ過することにより、正孔取出し層用塗布液１を調製した。この正孔取出し層用塗布液１を、室温で、上記ガラス基板上に３０００ｒｐｍの速度でスピンコートすることにより、厚さ約１０ｎｍの正孔取り出し層を形成した。得られた基板を１２０℃で２０分間加熱した。 Next, the benzodipyrrole compound E1 (8.0 mg) obtained in Synthesis Example 1 is dissolved in 2 mL of a mixed solvent of acetone: water = 1: 1 (weight ratio), and filtered with a motorcycle (pore diameter 0.45 μm) By doing this, the coating liquid 1 for hole extraction layer was prepared. The hole extracting layer having a thickness of about 10 nm was formed by spin-coating the hole extracting layer coating solution 1 at room temperature on the glass substrate at a speed of 3000 rpm. The resulting substrate was heated at 120 ° C. for 20 minutes.
次に、正孔取り出し層が形成された基板をグローブボックスに導入し、窒素雰囲気下１００℃で１０分間加熱処理した。冷却後、上記のように調製された活性層塗布液（１６０μＬ）を４０００ｒｐｍの速度で基板上にスピンコートし、約８秒後にクロロベンゼン（３２０μＬ）をさらにスピンコートすることで塗布液膜中の溶媒組成を変更してペロブスカイト組成の結晶を析出させた。さらに、ホットプレート上１００℃で１０分間加熱して結晶を成長させることにより、厚さ約３５０ｎｍの活性層（ペロブスカイト結晶層）を形成した。 Next, the substrate on which the hole extraction layer was formed was introduced into a glove box and heat treated at 100 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. After cooling, the active layer coating solution (160 μL) prepared as described above is spin coated on the substrate at a speed of 4000 rpm, and after about 8 seconds, chlorobenzene (320 μL) is further spin coated to form a solvent in the coating solution film. The composition was changed to precipitate crystals of the perovskite composition. Furthermore, the crystal was grown by heating at 100 ° C. for 10 minutes on a hot plate to form an active layer (perovskite crystal layer) having a thickness of about 350 nm.
次に、活性層上に、フラーレンＣ６０（フロンティアカーボン社製）を３０ｎｍ、続いてバソクプロイン（ＢＣＰ）（シグマ−アルドリッチ社製）を１５ｎｍ、それぞれ抵抗加熱型真空蒸着法によって成膜し、電子取り出し層を形成した。 Next, on the active layer, fullerene C 60 (manufactured by Frontier Carbon) is formed to a thickness of 30 nm, and subsequently, basokuproin (BCP) (manufactured by Sigma-Aldrich) is formed to a thickness of 15 nm by resistance heating vacuum evaporation. A layer was formed.
次に、電子取り出し層上に、抵抗加熱型真空蒸着法によりパターニングマスクを用いて厚さ約１００ｎｍの銀膜を蒸着させ、電極を形成した。以上のようにして、光電変換素子を作製した。 Next, on the electron extraction layer, a silver film having a thickness of about 100 nm was vapor-deposited by a resistance heating vacuum evaporation method using a patterning mask to form an electrode. The photoelectric conversion element was produced as mentioned above.
［比較例１］
正孔取出し層用塗布液１の代わりに、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホン酸）分散液（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ヘレウス社製ＡＩ４０８３）を用い、基板の加熱条件を１２０℃、３０分として、厚さ３５ｎｍの正孔取り出し層を形成したことを除き、実施例１と同様の方法により光電変換素子を作製した。
Comparative Example 1
The substrate heating condition is 120, using poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrene sulfonic acid) dispersion (PEDOT: PSS, AI4083 manufactured by Heraeus Co., Ltd.) in place of Coating Solution 1 for Hole Extraction Layer. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that a 35 nm-thick hole extraction layer was formed at 30 ° C. for 30 minutes.
［光電変換素子の評価］
実施例１及び比較例１で得られた光電変換素子に１ｍｍ角のメタルマスクを付け、ＩＴＯ電極と銀電極との間における電流−電圧特性を測定した。測定にはソースメーター（ケイスレー社製，２４００型）を用い、照射光源としてはエアマス（ＡＭ）１．５Ｇ、放射照度１００ｍＷ／ｃｍ２のソーラシミュレータを用いた。この測定結果から、開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）、形状因子ＦＦ、及び光電変換効率ＰＣＥ（％）を算出した。光電変換素子を作製した直後の測定結果に基づいて算出されたこれらの値を表１に示す。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
A 1 mm square metal mask was attached to the photoelectric conversion elements obtained in Example 1 and Comparative Example 1, and current-voltage characteristics between the ITO electrode and the silver electrode were measured. For measurement, a source meter (Keithley, model 2400) was used, and a solar simulator with an air mass (AM) of 1.5 G and an irradiance of 100 mW / cm 2 was used as an irradiation light source. From this measurement result, the open circuit voltage Voc (V), the short circuit current density Jsc (mA / cm 2 ), the form factor FF, and the photoelectric conversion efficiency PCE (%) were calculated. These values calculated based on the measurement result immediately after producing the photoelectric conversion element are shown in Table 1.
ここで、開放電圧Ｖｏｃとは電流値＝０（ｍＡ／ｃｍ２）の際の電圧値であり、短絡電流密度Ｊｓｃとは電圧値＝０（Ｖ）の際の電流密度である。形状因子ＦＦとは内部抵抗を表すファクターであり、最大出力をＰｍａｘとすると次式で表される。
ＦＦ ＝ Ｐｍａｘ／（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）
また、光電変換効率ＰＣＥは、入射エネルギーをＰｉｎとすると次式で与えられる。
ＰＣＥ ＝ （Ｐｍａｘ／Ｐｉｎ）×１００
＝ （Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ／Ｐｉｎ）×１００
Here, the open circuit voltage Voc is a voltage value at a current value of 0 (mA / cm 2 ), and the short circuit current density Jsc is a current density at a voltage value of 0 (V). The form factor FF is a factor representing the internal resistance, and is represented by the following equation when the maximum output is Pmax.
FF = Pmax / (Voc x Jsc)
Further, the photoelectric conversion efficiency PCE is given by the following equation, where the incident energy is Pin.
PCE = (Pmax / Pin) x 100
= (Voc x Jsc x FF / Pin) x 100
また、得られた光電変換素子を封止することなく室温下で暗所に保管しながら、１日（２４時間）ごとに同様の方法で電流−電圧特性を測定して光電変換効率ＰＣＥを算出した。それぞれの光電変換素子について、作製直後のＰＣＥ値が１．００となるように規格化された、各時点におけるＰＣＥ値の推移を表２に示す。 In addition, while storing the obtained photoelectric conversion element in the dark at room temperature without sealing, the current-voltage characteristic is measured by the same method every day (24 hours) to calculate the photoelectric conversion efficiency PCE. did. For each photoelectric conversion element, transition of the PCE value at each time point, which is standardized so that the PCE value immediately after production is 1.00, is shown in Table 2.
表２に示すように、式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有する正孔取り出し層を備える実施例１に係る光電変換素子は、封止せずに保管した場合でさえ光電変換効率ＰＣＥの経時低下が極めて小さいことが見出された。このように、式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含む正孔取り出し層は、光電変換素子の経時劣化を抑え、耐久性に優れた光電変換素子を得るために有用であることが見出された。また、実施例１に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子よりも高い光電変換効率が得られた。 As shown in Table 2, the photoelectric conversion element according to Example 1 including the hole extraction layer containing the benzodipyrrole compound represented by the formula (I) has a photoelectric conversion efficiency even when stored without sealing. It was found that the time-dependent decline of PCE was very small. As described above, the hole extraction layer containing the benzodipyrrole compound represented by the formula (I) is useful for suppressing the deterioration with time of the photoelectric conversion device and obtaining the photoelectric conversion device excellent in durability. It was found. In addition, the photoelectric conversion element according to Example 1 had higher photoelectric conversion efficiency than the photoelectric conversion element according to Comparative Example 1.
一方、比較例１に係る光電変換素子は、時間とともに光電変換効率ＰＣＥが急速に低下した。これは、活性層が劣化したことが理由の１つと考えられる。すなわち、有機無機ハイブリッド型半導体化合物は水により劣化する傾向があるが、正孔取り出し層に含まれるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層はバリア性が低く、むしろ吸湿性を有するために、水による活性層の劣化が進みやすいものと考えられる。また、正孔取り出し層に含まれるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは強酸性であるため、正孔取り出し層が吸湿するとともに活性層と正孔取り出し層との界面において酸塩基反応が進行し、有機無機ハイブリッド型半導体化合物の分解が進みやすいものと考えられる。 On the other hand, in the photoelectric conversion element according to Comparative Example 1, the photoelectric conversion efficiency PCE decreased rapidly with time. This is considered to be one of the reasons that the active layer has deteriorated. That is, although the organic-inorganic hybrid semiconductor compound tends to be degraded by water, the PEDOT: PSS layer contained in the hole extraction layer has a low barrier property, but rather has hygroscopicity, so that the degradation of the active layer is caused by water. It is considered easy to move on. Further, since PEDOT: PSS contained in the hole extraction layer is strongly acidic, the hole extraction layer absorbs moisture, and an acid-base reaction proceeds at the interface between the active layer and the hole extraction layer, whereby the organic-inorganic hybrid semiconductor It is considered that the decomposition of the compound is likely to proceed.
これに比べ、式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物は化学的に堅牢な分子骨格を有している。このために、式（Ｉ）で表されるベンゾジピロール化合物を含有する正孔取り出し層は単独で安定になり、かつ有機無機ハイブリッド型半導体化合物を含有する活性層を防護するように働くことができると考えられる。また、実施例１で用いたベンゾジピロール化合物は中性であり吸湿性が極めて低いため、正孔取り出し層と有機無機ハイブリッド型化合物を含有する活性層との界面における水の影響又は酸塩基反応による活性層の劣化が進みにくくなるものと考えられる。 In contrast to this, the benzodipyrrole compound represented by the formula (I) has a chemically robust molecular skeleton. For this reason, the hole extraction layer containing the benzodipyrrole compound represented by the formula (I) can be stabilized alone and act to protect the active layer containing the organic-inorganic hybrid semiconductor compound It is considered possible. Further, since the benzodipyrrole compound used in Example 1 is neutral and has extremely low hygroscopicity, the influence of water or the acid-base reaction at the interface between the hole extraction layer and the active layer containing the organic-inorganic hybrid type compound. It is considered that the deterioration of the active layer due to
１ 耐候性保護フィルム
２ 紫外線カットフィルム
３，９ ガスバリアフィルム
４，８ ゲッター材フィルム
５，７ 封止材
６ 太陽電池素子
１０ バックシート
１２ 基材
１３ 太陽電池モジュール
１４ 薄膜太陽電池
１００ 光電変換素子
１０１ 下部電極
１０２ バッファ層
１０３ 活性層
１０５ バッファ層
１０７ 上部電極
１０８ 基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Weather resistance protective film 2 UV cut film 3, 9 Gas barrier film 4, 8 Getter material film 5, 7 Sealing material 6
Claims (7)
前記一対の電極間に位置し、有機無機ハイブリッド型半導体材料を含有する活性層と、
前記活性層と前記一対の電極の少なくとも一方との間に位置し、下記式（Ｉ）で表される化合物を含有する層と、
を有する光電変換素子。
An active layer located between the pair of electrodes and containing an organic-inorganic hybrid semiconductor material;
A layer located between the active layer and at least one of the pair of electrodes and containing a compound represented by the following formula (I):
The photoelectric conversion element which has.
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