JP2021174940A - Photoelectric conversion element and power generation device - Google Patents

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Abstract

To improve the power generation efficiency in a low-illuminance region, in a photoelectric conversion element that uses an organic-inorganic hybrid semiconductor material.SOLUTION: A photoelectric conversion element 100 has: a pair of electrodes configured by an upper electrode 105 and a lower electrode 101; an active layer 103 located between the pair of electrodes and that contains an organic-inorganic hybrid semiconductor compound; and a hole transport layer 102 located between the active layer 103 and at least one of the pair of electrodes and that contains an organic semiconductor compound. In the photoelectric conversion element 100, an ionization potential of the active layer 103 is equal to or more than -6.0 eV and equal to or less than -5.7 eV, and a bandgap of the active layer 103 is equal to or more than 1.6 eV and equal to or less than 2.3 eV. An ionization potential of the organic semiconductor compound is equal to or more than -5.8 eV and equal to or less than -5.4 eV.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子及び発電デバイスに関する。 The present invention relates to photoelectric conversion elements and power generation devices.

光電変換素子として、一対の電極の間に、活性層、及びバッファ層等が配置されたものが知られている。この光電変換効率の向上を目的として、有機無機ハイブリッド半導体材料を活性層として用いることが検討されており、特に、ペロブスカイト構造を有する化合物が注目されている。 As a photoelectric conversion element, one in which an active layer, a buffer layer and the like are arranged between a pair of electrodes is known. For the purpose of improving the photoelectric conversion efficiency, the use of an organic-inorganic hybrid semiconductor material as an active layer has been studied, and in particular, a compound having a perovskite structure has attracted attention.

また、このような光電変換素子の正孔輸送層としては、有機半導体化合物等が使用されており、特許文献1では、光電変換素子の耐久性を向上させるため、フタロシアニン系の有機半導体化合物を正孔輸送層に適用することが記載されている。 Further, an organic semiconductor compound or the like is used as the hole transport layer of such a photoelectric conversion element, and in Patent Document 1, in order to improve the durability of the photoelectric conversion element, a phthalocyanine-based organic semiconductor compound is positively used. It is described as being applied to the hole transport layer.

特開2017−066096号公報JP-A-2017-066096

しかし、このような有機半導体化合物を正孔輸送層に用いた場合、特に、エネルギーハーベスティング用途で重要な、蛍光灯やLED等による可視光を光源とする、室内のような低照度環境下における発電効率が低下することがあった。 However, when such an organic semiconductor compound is used for the hole transport layer, it is particularly important in energy harvesting applications, in a low illuminance environment such as a room where visible light from a fluorescent lamp or LED is used as a light source. Power generation efficiency may decrease.

本発明は、有機無機ハイブリッド半導体材料を活性層として用いた光電変換素子において、低照度における発電効率を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the power generation efficiency in low illuminance in a photoelectric conversion element using an organic-inorganic hybrid semiconductor material as an active layer.

本発明者らは、特定範囲のイオン化ポテンシャル及びバンドギャップを有する活性層とともに、特定範囲のイオン化ポテンシャルを有する正孔輸送層を採用することによって、可視光による低照度環境下においても、優れた発電効率を有する光電変換素子を提供できることを見出し、本発明を完成させた。 By adopting a hole transport layer having a specific range of ionization potential together with an active layer having a specific range of ionization potential and bandgap, the present inventors have excellent power generation even in a low illuminance environment by visible light. We have found that we can provide a photoelectric conversion element with efficiency, and completed the present invention.

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化合物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、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層と、を有する光電変換素子であって、
前記活性層のイオン化ポテンシャルが−6.0eV以上−5.7eV以下であり、かつ、前記活性層のバンドギャップが1.6eV以上2.3eV以下であるとともに、前記正孔輸送層のイオン化ポテンシャルが、−5.8eV以上−5.4eV以下である、光電変換素子。
[2]前記有機半導体化合物が、ポリトリアリールアミン構造を有する半導体化合物である、[1]に記載の光電変換素子。
[3]前記正孔輸送層が、さらにドーパントを含有する、[1]又は[2]に記載の光電変換素子。
[4]前記ドーパントは、3価のヨウ素を含む有機化合物である、[3]に記載の光電変換素子。
[5]前記ドーパントは、ジアリールヨードニウム塩である、[3]又は[4]に記載の光電変換素子。
[6]前記有機無機ハイブリッド型半導体化合物が、ペロブスカイト構造を有する化合物である、[1]〜[5]のいずれかに記載の光電変換素子。
[7]200ルクスにおける光電変換効率が25%以上である、[1]〜[6]のいずれかに記載の光電変換素子。
[8][1]〜[7]のいずれかに記載の光電変換素子を有する、発電デバイス。
That is, the gist of the present invention lies below.
[1] A pair of electrodes composed of an upper electrode and a lower electrode, an active layer located between the pair of electrodes and containing an organic-inorganic hybrid semiconductor compound, and at least one of the active layer and the pair of electrodes. A photoelectric conversion element having a hole transport layer containing an organic semiconductor compound, which is located between the two.
The ionization potential of the active layer is -6.0 eV or more and -5.7 eV or less, the band gap of the active layer is 1.6 eV or more and 2.3 eV or less, and the ionization potential of the hole transport layer is , -5.8 eV or more and -5.4 eV or less, photoelectric conversion element.
[2] The photoelectric conversion element according to [1], wherein the organic semiconductor compound is a semiconductor compound having a polytriarylamine structure.
[3] The photoelectric conversion element according to [1] or [2], wherein the hole transport layer further contains a dopant.
[4] The photoelectric conversion element according to [3], wherein the dopant is an organic compound containing trivalent iodine.
[5] The photoelectric conversion element according to [3] or [4], wherein the dopant is a diaryliodonium salt.
[6] The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [5], wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor compound is a compound having a perovskite structure.
[7] The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [6], wherein the photoelectric conversion efficiency at 200 lux is 25% or more.
[8] A power generation device having the photoelectric conversion element according to any one of [1] to [7].

本発明により、有機無機ハイブリッド半導体材料を用いた光電変換素子において、特に室内光源を用いた低照度環境下の発電効率を向上させることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, in a photoelectric conversion element using an organic-inorganic hybrid semiconductor material, it is possible to improve the power generation efficiency particularly in a low illuminance environment using an indoor light source.

一実施形態としての光電変換素子を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the photoelectric conversion element as one Embodiment. 一実施形態としての太陽電池を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solar cell as one Embodiment. 一実施形態としての太陽電池モジュールを模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solar cell module as one Embodiment.

本発明の一形態である光電変換素子は、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化合物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、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層と、を有する光電変換素子である。そして、前記活性層のイオン化ポテンシャルが−6.0eV以上−5.7eV以下であり、かつ、前記活性層のバンドギャップが1.6eV以上2.3eV以下であるとともに、前記正孔輸送層のイオン化ポテンシャルが−5.8eV以上−5.4eV以下である。このような構成を有する光電変換素子は、低照度環境下における発電効率に優れる。
なお、本明細書において、低照度領域とは、10〜5000ルクスを意味し、典型的には200ルクス周辺である。
The photoelectric conversion element according to one embodiment of the present invention includes a pair of electrodes composed of an upper electrode and a lower electrode, an active layer located between the pair of electrodes and containing an organic-inorganic hybrid semiconductor compound, and the above-mentioned active layer. It is a photoelectric conversion element located between the active layer and at least one of the pair of electrodes and having a hole transport layer containing an organic semiconductor compound. The ionization potential of the active layer is −6.0 eV or more and −5.7 eV or less, the band gap of the active layer is 1.6 eV or more and 2.3 eV or less, and the hole transport layer is ionized. The potential is -5.8 eV or more and -5.4 eV or less. The photoelectric conversion element having such a configuration is excellent in power generation efficiency in a low illuminance environment.
In the present specification, the low illuminance region means 10 to 5000 lux, and is typically around 200 lux.

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

[1.一実施形態に係る光電変換素子]
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105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、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層とすることができる。この場合、有機半導体化合物とともに、ドーパントをさらに含有させることもできる。もっとも、光電変換素子100が上部電極105と活性層103との間にバッファ層104を有していてもよく、この場合、このバッファ層104を上述の正孔輸送層とすることもできる。また、図1に示すように、光電変換素子100が、基材106を有していてもよく、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。
[1. Photoelectric conversion element according to one embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a photoelectric conversion element according to the present invention. The photoelectric conversion element shown in FIG. 1 is a photoelectric conversion element used in a general thin-film solar cell, but the photoelectric conversion element according to the present invention is not limited to the one shown in FIG.
In the photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 1, the lower electrode 101, the active layer 103, and the upper electrode 105 are arranged in this order. Further, in the photoelectric conversion element 100, the buffer layer 102 existing between the lower electrode 101 and the active layer 103 can be a hole transport layer containing an organic semiconductor compound. In this case, the dopant can be further contained together with the organic semiconductor compound. However, the photoelectric conversion element 100 may have a buffer layer 104 between the upper electrode 105 and the active layer 103, and in this case, the buffer layer 104 can be used as the hole transport layer described above. Further, as shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element 100 may have a base material 106, or may have an insulator layer and other layers such as a work function tuning layer.

[2.活性層]
活性層は、有機無機ハイブリッド型半導体材料を含有し、そのイオン化ポテンシャルの範囲が−6.0eV以上−5.7eV以下であり、かつ、そのバンドギャップが1.6e
V以上2.3eV以下である。
[2. Active layer]
The active layer contains an organic-inorganic hybrid semiconductor material, its ionization potential range is -6.0 eV or more and -5.7 eV or less, and its band gap is 1.6 e.
V or more and 2.3 eV or less.

活性層のイオン化ポテンシャルを−6.0eV以上−5.7eV以下とするとともに、バンドギャップを1.6eV以上2.3eV以下とすることによって、屋内や室内において広範に用いられる可視光光源である蛍光灯やLED灯に対する、発電効率を向上させることができる。
これは、活性層のイオン化ポテンシャルが−6.0eV未満だと、白色光を与える可視光領域の光源に対し、長波長領域の吸収可能域が不足するためである。好ましくは、−5.95eV以上であり、より好ましくは、−5.9eV以上である。
また、活性層のイオン化ポテンシャルが−5.7eVを超えると、可視光領域の光源に対し、得られる電圧のロスが大きくなる。好ましくは、−5.75eV以下であり、より好ましくは、−5.8eV以下である。
さらに、活性層のバンドギャップが1.6eV未満だと、屋内光源を受けることによって半導体中に生成する励起子を正負電荷に分離する際に必要なエネルギーが不足する。好ましくは、1.65eV以上であり、より好ましくは、1.7eV以上であり、さらに好ましくは1.75eV以上である。
また、活性層のバンドギャップが2.3eVを超えると、屋内光源によって生成する励起子に対し過剰なエネルギーとなり、発電効率に劣る。好ましくは、2.25eV以下であり、より好ましくは、2.2eV以下であり、さらに好ましくは、2.15eV以下である。
Fluorescence, which is a visible light source widely used indoors and indoors, by setting the ionization potential of the active layer to -6.0 eV or more and -5.7 eV or less and the band gap to 1.6 eV or more and 2.3 eV or less. It is possible to improve the power generation efficiency for lights and LED lights.
This is because if the ionization potential of the active layer is less than −6.0 eV, the absorbable region in the long wavelength region is insufficient for the light source in the visible light region that gives white light. It is preferably −5.95 eV or higher, and more preferably −5.9 eV or higher.
Further, when the ionization potential of the active layer exceeds −5.7 eV, the loss of the obtained voltage becomes large with respect to the light source in the visible light region. It is preferably −5.75 eV or less, and more preferably −5.8 eV or less.
Further, if the bandgap of the active layer is less than 1.6 eV, the energy required to separate excitons generated in the semiconductor into positive and negative charges by receiving an indoor light source is insufficient. It is preferably 1.65 eV or more, more preferably 1.7 eV or more, and further preferably 1.75 eV or more.
Further, when the band gap of the active layer exceeds 2.3 eV, excess energy is generated for excitons generated by an indoor light source, resulting in inferior power generation efficiency. It is preferably 2.25 eV or less, more preferably 2.2 eV or less, and even more preferably 2.15 eV or less.

図1の実施形態において、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105から取り出される。 In the embodiment of FIG. 1, the active layer 103 is a layer on which photoelectric conversion is performed. When the photoelectric conversion element 100 receives light, the light is absorbed by the active layer 103 to generate carriers, and the generated carriers are taken out from the lower electrode 101 and the upper electrode 105.

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 active layer 103 contains an organic-inorganic hybrid semiconductor material. The organic-inorganic hybrid semiconductor material refers to a material in which an organic component and an inorganic component are combined at the molecular level or the nano level and exhibits semiconductor characteristics.

本実施形態において、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(以下、ペロブスカイト半導体化合物と呼ぶことがある)であることが好ましい。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AMXで表されるAMX型のもの、又は一般式AMXで表されるAMX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。 In the present embodiment, the organic-inorganic hybrid semiconductor material is preferably a compound having a perovskite structure (hereinafter, may be 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 for example, Galasso et al. You can choose from those listed in Structure and Properties of Organic Solids, Chapter 7-Perovskite type and directed structures. For example, examples of the perovskite semiconductor compound include those of AMX 3 type represented by the general formula AMX 3 and those of A 2 MX 4 type represented by the general formula A 2 MX 4. Here, M refers to a divalent cation, A refers to a monovalent cation, and X refers to 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族乃至第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、カリウムイオン、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 the one described in the above-mentioned Galasso's book can be used. More specific examples include cations containing Group 1 and Group 13 to Group 16 elements of the Periodic Table. Among these, cesium ion, rubidium ion, potassium ion, ammonium ion which may have a substituent or phosphonium ion which may have a substituent are preferable. Examples of ammonium ions that may have a substituent include primary ammonium ions or secondary ammonium ions. There are no particular restrictions on the substituents. Specific examples of ammonium ions that may have a substituent include alkylammonium ions or arylammonium ions. In particular, monoalkylammonium ions having a three-dimensional crystal structure are preferable in order to avoid steric hindrance, and from the viewpoint of improving stability, alkylammonium ions substituted with one or more fluorine groups are preferably used. Further, a combination of two or more kinds of cations can be used as the cation A.

1価のカチオンAの具体例としては、メチルアンモニウムイオン、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 methylammonium ion, monofluoromethylammonium ion, difluoride methylammonium ion, trifluoride methylammonium ion, ethylammonium ion, isopropylammonium ion, n-propylammonium ion, and isobutylammonium ion. , N-butylammonium ion, t-butylammonium ion, dimethylammonium ion, diethylammonium ion, phenylammonium ion, benzylammonium ion, phenethylammonium ion, guanidium ion, formamidinium ion, acetamidinium ion or imidazolium Ions and the like can be 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 also not particularly limited, but is preferably a divalent metal cation or a metalloid cation. Specific examples include cations of Group 14 elements of the periodic table, and more specific examples include lead cations (Pb 2+ ), tin cations (Sn 2+ ), and germanium cations (Ge 2+ ). Further, a combination of two or more kinds of cations can be used as the cation M. From the viewpoint of obtaining a stable photoelectric conversion element, it is particularly preferable to use a lead cation or two or more kinds of cations containing a lead cation.

1価のアニオンXの例としては、ハロゲン化物イオン、酢酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ホウ酸イオン、アセチルアセトナートイオン、炭酸イオン、クエン酸イオン、硫黄イオン、テルルイオン、チオシアン酸イオン、チタン酸イオン、ジルコン酸イオン、2,4−ペンタンジオナトイオン又はケイフッ素イオン等が挙げられる。バンドギャップを調整するためには、Xは1種類のアニオンであってもよいし、2種類以上のアニオンの組み合わせであってもよい。一実施形態において、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が挙げられる。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、ヨウ化物イオンもしくは臭化物イオンを主に用いることが好ましいが、ヨウ化物イオンと臭化物イオンとを適当な比率で組み合わせてもよい。 Examples of 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, and titanoic acid. Examples thereof include an ion, a zirconate ion, a 2,4-pentandionato ion, a siliceous fluorine ion and the like. In order to adjust the bandgap, X may be one kind of anion or a combination of two or more kinds of anions. In one embodiment, X includes a halide ion, or a combination of a halide ion and another anion. Examples of the halide ion X include chloride ion, bromide ion, iodide ion and the like. From the viewpoint of not widening the band gap of the semiconductor too much, it is preferable to mainly use iodide ions or bromide ions, but iodide ions and bromide ions may be combined in an appropriate ratio.

ペロブスカイト半導体化合物の好ましい例としては、有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられ、特にハライド系有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられる。ペロブスカイト半導体化合物の具体例としては、CHNHPbI、CHNHPbBr、CHNHPbCl、CHNHSnI、CHNHSnBr、CHNHSnCl、CHNHPbI(3−x)Cl、CHNHPbI(3−x)Br、CHNHPbBr(3−x)Cl、CHNHPb(1−y)Sn、CHNHPb(1−y)SnBr、CHNHPb(1−y)SnCl、CHNHPb(1−y)Sn(3−x)Cl、CHNHPb(1−y)Sn(3−x)Br、及びCHNHPb(1−y)SnBr(3−x)Cl、並びに、上記の化合物においてCHNHの代わりにCFHNH、CFHNH、又はCFNH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 an organic-inorganic perovskite semiconductor compound, and in particular, a halide-based organic-inorganic perovskite semiconductor compound. Specific examples of perovskite semiconductor compound, 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 , CF 2 HNH 3 , or CF 3 NH 3 is used instead of CH 3 NH 3 in the above compounds. Note that x indicates an arbitrary value of 0 or more and 3 or less, and y indicates an arbitrary 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 active layer 103 may contain two or more kinds of perovskite semiconductor compounds. For example, the active layer 103 may contain two or more types of perovskite semiconductor compounds in which at least one of A, B, and X is different. Further, the active layer 103 may have a laminated structure formed of a plurality of layers containing different materials or having different components.

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 active layer 103 is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more so that good semiconductor properties can be obtained. be. There is no particular upper limit. Further, the active layer 103 may contain an additive in addition to the perovskite semiconductor compound. Examples of additives include inorganic compounds, such as halides, oxides, or inorganic salts such as sulfides, sulfates, nitrates or ammonium salts, or organic compounds.

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、一実施形態において10nm以上、別の実施形態において50nm以上、さらに別の実施形態において100nm以上、さらに別の実施形態において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、一実施形態において1500nm以下、別の実施形態において1200nm以下、さらに別の実施形態において800nm以下である。 There is no particular limitation on the thickness of the active layer 103. The thickness of the active layer 103 is 10 nm or more in one embodiment, 50 nm or more in another embodiment, 100 nm or more in yet another embodiment, and 120 nm or more in yet another embodiment in that more light can be absorbed. Is. On the other hand, the thickness of the active layer 103 is 1500 nm or less in one embodiment, 1200 nm or less in another embodiment, and 800 nm or less in another embodiment in terms of lowering the series resistance or increasing the charge extraction efficiency. Is.

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ができる。例えば、ペロブスカイト半導体化合物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、ペロブスカイト半導体化合物の溶解性が低い溶媒をさらに塗布することにより、ペロブスカイト半導体化合物を析出させることもできる。 The method for forming the active layer 103 is not particularly limited, and any method can be used. Specific examples include a coating method and a vapor deposition method (or a co-evaporation method). The coating method can be used in that the active layer 103 can be easily formed. For example, a method of forming the active layer 103 by applying a coating liquid containing a perovskite semiconductor compound or a precursor thereof and heating and drying it as necessary can be mentioned. Further, after applying such a coating solution, the perovskite semiconductor compound can be precipitated by further applying a solvent having low solubility of the perovskite semiconductor compound.

ペロブスカイト半導体化合物の前駆体とは、塗布液を塗布した後にペロブスカイト半導体化合物へと変換可能な材料のことを指す。具体的な例として、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MX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AMX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 a perovskite semiconductor compound refers to a material that can be converted into a perovskite semiconductor compound after the coating liquid is applied. As a specific example, a perovskite semiconductor compound precursor that can be converted into a perovskite semiconductor compound by heating can be used. For example, a coating liquid can be prepared by mixing a compound represented by the general formula AX, a compound represented by the general formula MX 2 , and a solvent, and heating and stirring the mixture. By applying this coating liquid and performing heat drying, an active layer 103 containing a perovskite semiconductor compound represented by the general formula AMX 3 can be produced. The solvent is not particularly limited as long as the perovskite semiconductor compound and the additive are dissolved, and examples thereof include organic solvents such as N, N-dimethylformamide.

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。 Any method can be used as the coating method, and for example, a spin coating method, an inkjet method, a doctor blade method, a drop casting method, a reverse roll coating method, a gravure coating method, a kiss coating method, a roll brushing method, etc. Examples thereof include a spray coating method, an air knife coating method, a wire barber coating method, a pipe doctor method, an impregnation / coating method, and a curtain coating method.

活性層のイオン化ポテンシャルを上記所望の範囲とするための方法としては、例えば、前記のペロブスカイト半導体化合物におけるカチオン成分を適宜変更することがあげられる。
また、活性層のバンドギャップを上記所望の範囲とするための方法としては、例えば、前記ペロブスカイト半導体化合物におけるハロゲン元素の構成比率を適宜変更することがあげられる。
As a method for setting the ionization potential of the active layer within the desired range, for example, the cation component in the perovskite semiconductor compound may be appropriately changed.
Further, as a method for setting the band gap of the active layer within the desired range, for example, the composition ratio of the halogen element in the perovskite semiconductor compound may be appropriately changed.

[3.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105を有している。
[3. electrode]
The electrode has a function of collecting holes and electrons generated by light absorption in the active layer 103. The photoelectric conversion element 100 according to the embodiment of the present invention has a pair of electrodes, one of the pair of electrodes is referred to as an upper electrode, and the other is referred to as a lower electrode. When the photoelectric conversion element 100 has a base material or is provided on the base material, an electrode closer to the base material can be called a lower electrode, and an electrode farther from the base material can be called an upper electrode. Further, the transparent electrode may be referred to as a lower electrode, and the electrode having a lower transparency than the lower electrode may be referred to as an upper electrode. The photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 1 has a lower electrode 101 and an upper electrode 105.

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105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105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 photoelectric conversion element 100 may have a forward configuration in which the lower electrode 101 is the anode and the upper electrode 105 is the cathode, or the lower electrode 101 is the cathode and the upper electrode 105 is the anode. It may have a mold configuration.

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。 One of the pair of electrodes may be translucent, and both may be translucent. Translucent means that sunlight is transmitted by 40% or more. Further, it is preferable that the solar ray transmittance of the transparent electrode is 70% or more because more light passes through the transparent electrode and reaches the active layer 103. The light transmittance can be measured with a spectrophotometer (for example, U-4100 manufactured by Hitachi High-Tech).

下部電極101及び上部電極105、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 are no particular restrictions on the lower electrode 101 and the upper electrode 105, the components of the anode and the cathode, and the method for manufacturing the same, and a well-known technique can be used. For example, the members described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194, and methods for producing the same can be used.

[4.バッファ層]
バッファ層は、活性層103と一対の電極101、105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105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。
[4. Buffer layer]
The buffer layer is a layer located between the active layer 103 and at least one of the pair of electrodes 101 and 105. The buffer layer can be used, for example, to improve the carrier transfer efficiency from the active layer 103 to the lower electrode 101 or the upper electrode 105.

(正孔輸送層)
本発明においては、バッファ層として、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層を少なくとも有し、この正孔輸送層のイオン化ポテンシャルは、−5.8eV以上−5.4eV以下である。
これは、正孔輸送層のイオン化ポテンシャルが−5.8eV未満だと、活性層において生成する正孔に対してミスマッチとなり、エネルギー損失につながるためである。好ましくは、−5.75eV以上であり、より好ましくは、−5.70eV以上である。
また、正孔輸送層のイオン化ポテンシャルが−5.4eVを超えると、活性層において生成する正孔に対してミスマッチとなり、電圧損失につながる。好ましくは、−5.45eV以下であり、より好ましくは、−5.5eV以下である。
(Hole transport layer)
In the present invention, the buffer layer has at least a hole transport layer containing an organic semiconductor compound, and the ionization potential of this hole transport layer is −5.8 eV or more and −5.4 eV or less.
This is because if the ionization potential of the hole transport layer is less than -5.8 eV, a mismatch will occur with the holes generated in the active layer, leading to energy loss. It is preferably −5.75 eV or higher, and more preferably −5.70 eV or higher.
Further, when the ionization potential of the hole transport layer exceeds −5.4 eV, a mismatch is made with the holes generated in the active layer, leading to voltage loss. It is preferably −5.45 eV or less, and more preferably −5.5 eV or less.

また、この正孔輸送層には、有機半導体化合物とともに、そのドーパントを含有させることで、その導電性や正孔輸送能力等の特性をコントロールすることもできる。
この場合、ドーパントの含有量は、前記有機半導体化合物と前記ドーパントの合計量に対して、例えば0.001〜5質量%の範囲とすることができる。
ドーパントの含有量を0.001質量%以上とすることによって、バッファ層の導電性や正孔輸送能力を前記活性層に対してより向上できる傾向にある。より好ましくは、0.01質量%以上であり、さらに好ましくは0.05質量%以上であり、特に好ましくは0.1質量%以上である。
また、ドーパントの含有量を5質量%以下とすることによって、光電変換素子のリーク電流の発生を抑制し、特に低照度領域における発電効率をより向上できる傾向にある。より好ましくは、4.5質量%以下であり、さらに好ましくは、4質量%以下である。
正孔輸送層のイオン化ポテンシャルを上記所望の範囲とするための方法としては、例えば、正孔輸送層を構成する有機半導体化合物に電子吸引性官能基を導入することや、この有機半導体化合物の共役部位成分を拡張することで電子を非局在化させ安定性を向上させ
ることがあげられる。
Further, by incorporating the dopant in the hole transport layer together with the organic semiconductor compound, it is possible to control the characteristics such as the conductivity and the hole transport capacity.
In this case, the content of the dopant can be, for example, in the range of 0.001 to 5% by mass with respect to the total amount of the organic semiconductor compound and the dopant.
By setting the content of the dopant to 0.001% by mass or more, the conductivity and hole transporting ability of the buffer layer tend to be further improved with respect to the active layer. It is more preferably 0.01% by mass or more, further preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.1% by mass or more.
Further, by setting the content of the dopant to 5% by mass or less, the generation of the leakage current of the photoelectric conversion element is suppressed, and the power generation efficiency tends to be further improved particularly in the low illuminance region. More preferably, it is 4.5% by mass or less, and further preferably 4% by mass or less.
Examples of the method for setting the ionization potential of the hole transport layer within the above desired range include introducing an electron-withdrawing functional group into the organic semiconductor compound constituting the hole transport layer, and conjugating the organic semiconductor compound. By expanding the site component, electrons can be delocalized and stability can be improved.

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

本発明においては半導体化合物として有機半導体化合物が用いられるが、その種類は特に限定されず、例えば従来知られているものを用いることができる。有機半導体化合物としては、低分子化合物及び高分子化合物が知られている。低分子の有機半導体化合物としては、多環芳香族化合物が挙げられ、具体例としてはテトラセン若しくはペンタセン等のアセン類化合物、オリゴチオフェン類化合物、フタロシアニン類化合物、ペリレン類化合物、ルブレン類化合物、又はトリアリールアミン化合物等のアリールアミン化合物、等が挙げられる。また、高分子の有機半導体化合物としては、ポリチオフェン系ポリマー、ポリアセチレン系ポリマー、ポリアニリン系ポリマー、ポリフェニレン系ポリマー、ポリフェニレンビニレン系ポリマー、ポリフルオレン系ポリマー、若しくはポリピロール系ポリマーのような共役ポリマー、又はトリアリールアミンポリマーのようなアリールアミンポリマーが挙げられる。 In the present invention, an organic semiconductor compound is used as the semiconductor compound, but the type thereof is not particularly limited, and for example, conventionally known compounds can be used. Low molecular weight compounds and high molecular weight compounds are known as organic semiconductor compounds. Examples of low-molecular-weight organic semiconductor compounds include polycyclic aromatic compounds, and specific examples thereof include acenese compounds such as tetracene and pentacene, oligothiophene compounds, phthalocyanine compounds, perylene compounds, rubrene compounds, and tria. Aromatic compounds such as reelamine compounds, and the like can be mentioned. Examples of the high molecular weight organic semiconductor compound include a polythiophene polymer, a polyacetylene polymer, a polyaniline polymer, a polyphenylene polymer, a polyphenylene vinylene polymer, a polyfluorene polymer, a conjugated polymer such as a polypyrrole polymer, or a triaryl. Arylamine polymers such as amine polymers can be mentioned.

有機半導体化合物として好ましくはアリールアミン系化合物であり、より好ましくはトリアリールアミン系化合物である。アリールアミン系化合物とは、アリールアミン構造(アリール基と窒素原子との結合)を有する化合物のことであり、アリールアミン系ポリマーを含む。アリールアミン系ポリマーとは、繰り返し単位がアリールアミン構造を含んでいるポリマーのことであり、ポリアリールアミン系化合物ともいう。また、トリアリールアミン系化合物とは、トリアリールアミン構造(3つのアリール基の同じ窒素原子への結合)を有する化合物のことであり、トリアリールアミン系ポリマーを含む。トリアリールアミンポリマーとは、繰り返し単位がトリアリールアミン構造を含んでいるポリマーのことであり、ポリトリアリールアミン系化合物ともいう。このようなアリールアミン系化合物又はトリアリールアミン系化合物は、ドーパントにより安定に酸化され、良好な半導体特性を示しうる点で好ましく、中でもトリアリールアミン系化合物がより好ましい。 The organic semiconductor compound is preferably an arylamine-based compound, and more preferably a triarylamine-based compound. The arylamine-based compound is a compound having an arylamine structure (bonding of an aryl group and a nitrogen atom), and includes an arylamine-based polymer. The arylamine-based polymer is a polymer whose repeating unit contains an arylamine structure, and is also referred to as a polyarylamine-based compound. The triarylamine-based compound is a compound having a triarylamine structure (bonding of three aryl groups to the same nitrogen atom), and includes a triarylamine-based polymer. The triarylamine polymer is a polymer whose repeating unit contains a triarylamine structure, and is also referred to as a polytriarylamine-based compound. Such arylamine-based compounds or triarylamine-based compounds are preferable in that they can be stably oxidized by a dopant and exhibit good semiconductor properties, and among them, triarylamine-based compounds are more preferable.

ここで、アリール基(又は芳香族基)は、芳香族炭化水素基又は芳香族複素環基のことを指し、単環のもの、縮合環のもの、及び単環又は縮合環が連結しているもの、を含む。芳香族基としては、特に限定されないが、炭素数30以下であることが好ましく、炭素数12以下であることがより好ましい。芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ナフチル基、又はビフェニル基等が挙げられる。芳香族複素環基の具体例としては、チエニル基、フリル基、ピロリル基、ピリジル基、又はイミダゾリル基等が挙げられる。 Here, the aryl group (or aromatic group) refers to an aromatic hydrocarbon group or an aromatic heterocyclic group, and a monocyclic group, a fused ring group, and a monocyclic ring or a fused ring group are linked. Including things. The aromatic group is not particularly limited, but preferably has 30 or less carbon atoms, and more preferably 12 or less carbon atoms. Specific examples of the aromatic hydrocarbon group include a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group and the like. Specific examples of the aromatic heterocyclic group include a thienyl group, a frill group, a pyrrolyl group, a pyridyl group, an imidazolyl group and the like.

芳香族基は、さらなる置換基を有していてもよい。芳香族基が有していてもよい置換基としては、特に制限されないが、ハロゲン原子、水酸基、シアノ基、アミノ基、カルボキシル基、エステル基、アルキルカルボニル基、アセチル基、スルホニル基、シリル基、ボリル基、ニトリル基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、チオ基、セレノ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基等が挙げられる。アリール基が有している置換基として好ましくは、アミノ基又は炭素数1〜6のアルキル基が挙げられる。ここ
で、アミノ基として好ましくは、炭素数2〜12のジアルキルアミノ基、炭素数7〜20のアルキルアリールアミノ基、又は炭素数12〜30のジアリールアミノ基である。
The aromatic group may have additional substituents. The substituent that the aromatic group may have is not particularly limited, but is limited to a halogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group, a carboxyl group, an ester group, an alkylcarbonyl group, an acetyl group, a sulfonyl group, a silyl group, and the like. Examples thereof include a boryl group, a nitrile group, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an alkoxy group, a thio group, a seleno group, an aromatic hydrocarbon group and an aromatic heterocyclic group. Preferred examples of the substituent contained in the aryl group include an amino group and an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. Here, the amino group is preferably a dialkylamino group having 2 to 12 carbon atoms, an alkylarylamino group having 7 to 20 carbon atoms, or a diarylamino group having 12 to 30 carbon atoms.

本発明に用いられる有機半導体化合物としては、上述の通りトリアリールアミン系化合物が好適であるが、高い電気化学的安定性、及び、高い正孔輸送能を有し、湿式成膜法に適した化合物である点から、特に、下記式(I)で表される繰り返し単位を有するポリトリアリールアミン系化合物であることがさらに好ましい。 As the organic semiconductor compound used in the present invention, a triarylamine compound is preferable as described above, but it has high electrochemical stability and high hole transporting ability, and is suitable for a wet film forming method. From the viewpoint of being a compound, a polytriarylamine-based compound having a repeating unit represented by the following formula (I) is particularly preferable.

Figure 2021174940
Figure 2021174940

式(I)中、R及びRは、各々独立に、水素原子、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、置換基を有していてもよい芳香族複素環基又は置換基を有していてもよいアルキル基を表し、R及びRは互いに結合して環を形成してもよく、
nは0〜3の整数を表し、
Ar及びArは、各々独立に、直接結合、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、又は置換基を有していてもよい芳香族複素環基を表し、
Ar〜Arは、各々独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、又は置換基を有していてもよい芳香族複素環基を表す。
In formula (I), R 1 and R 2 each independently have a hydrogen atom, an aromatic hydrocarbon group which may have a substituent, an aromatic heterocyclic group which may have a substituent, or an aromatic heterocyclic group. Representing an alkyl group which may have a substituent, R 1 and R 2 may be bonded to each other to form a ring.
n represents an integer from 0 to 3
Ar 1 and Ar 2 each independently represent an aromatic hydrocarbon group which may have a direct bond and a substituent, or an aromatic heterocyclic group which may have a substituent.
Ar 3 to Ar 5 each independently represent an aromatic hydrocarbon group which may have a substituent or an aromatic heterocyclic group which may have a substituent.

上記式(I)の主鎖にあるフルオレン環は、この部分にHOMO(highest occupied molecular orbital) 及びLUMO(lowest
unoccupied molecular orbital)が広がることにより、電荷輸送に強く関与する。
The fluorene ring in the main chain of the above formula (I) has HOMO (highest expanded molecular orbital) and LUMO (lowest) in this portion.
By spreading unoccuped molecular orbital), it is strongly involved in charge transport.

Ar〜Arにおける、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、ペリレン環、テトラセン環、ピレン環、ベンズピレン環、クリセン環、トリフェニレン環、アセナフテン環、フルオランテン環、フルオレン環などの、6員環の単環又は2〜5縮合環由来の基を挙げることができる。 Examples of the aromatic hydrocarbon group having a substituent in Ar 1 to Ar 5 include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, a perylene ring, a tetracene ring, a pyrene ring, and a benzpyrene ring. Examples thereof include groups derived from a 6-membered monocyclic ring or a 2-5 fused ring such as a chrysen ring, a triphenylene ring, an acenaphthene ring, a fluorantene ring, and a fluorene ring.

また、Ar〜Arにおける、置換基を有していてもよい芳香族複素環基としては、例えばフラン環、ベンゾフラン環、チオフェン環、ベンゾチオフェン環、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、オキサジアゾール環、インドール環、カルバゾール環、ピロロイミダゾール環、ピロロピラゾール環、ピロロピロール環、チエノピロール環、チエノチオフェン環、フロピロール環、フロフラン環、チエノフラン環、ベンゾイソオキサゾール環、ベンゾイソチアゾール環、ベンゾイミダゾール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、トリアジン環、キノリン環、イソキノリン環、シノリン環、キノキサリン環、フェナントリジン環、ベンゾイミダゾール環、ペリミジン環、キナゾリン環、キナゾリノン環、アズレン環などの、5又は6員環の単環又は2〜4縮合環由来の基を挙げることができる。 Examples of the aromatic heterocyclic group having a substituent in Ar 1 to Ar 5 include a furan ring, a benzofuran ring, a thiophene ring, a benzothiophene ring, a pyrrole ring, a pyrazole ring, an imidazole ring, and an oxa. Diazol ring, indole ring, carbazole ring, pyroloymidazole ring, pyrrolopyrazole ring, pyrrolopyrrole ring, thienopyrrole ring, thienothiophene ring, flopirol ring, flofuran ring, thienofuran ring, benzoisoxazole ring, benzoisothiazole ring, benzimidazole ring. Ring, pyridine ring, pyrazine ring, pyridazine ring, pyrimidine ring, triazine ring, quinoline ring, isoquinoline ring, sinoline ring, quinoxaline ring, phenanthridin ring, benzimidazole ring, perimidine ring, quinazoline ring, quinazolinone ring, azulene ring, etc. Can be mentioned as a group derived from a 5- or 6-membered monocyclic ring or a 2-4 fused ring.

有機溶剤に対する溶解性、及び耐熱性の点から、Ar〜Arは、各々独立に、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、トリフェニレン環、ピレン環、チオフェン環、ピリジン環、フルオレン環からなる群より選ばれる環由来の基が好ましい。
また、Ar〜Arとしては、前記群から選ばれる1種又は2種以上の環を直接結合、又は−CH=CH−基により連結した2価の基も好ましく、ビフェニレン基及びターフェニレン基、がさらに好ましい。
Ar〜Arにおける芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基が有していてもよい置換基としては、特に制限はないが、例えば、下記[置換基群Z]から選ばれる1種又は2種以上を挙ることができる。
From the viewpoint of solubility in organic solvents and heat resistance, Ar 1 to Ar 5 independently have a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, a triphenylene ring, a pyrene ring, a thiophene ring, a pyridine ring, and a fluorene ring. Ring-derived groups selected from the group consisting of are preferred.
Further, as Ar 1 to Ar 5 , a divalent group in which one or more rings selected from the above group are directly bonded or linked by a −CH = CH− group is also preferable, and a biphenylene group and a terphenylene group are also preferable. , Are more preferred.
The substituents that the aromatic hydrocarbon group and the aromatic heterocyclic group in Ar 1 to Ar 5 may have are not particularly limited, but are, for example, one selected from the following [substituent group Z] or one. Two or more types can be listed.

[置換基群Z]
メチル基、エチル基等の好ましくは炭素数1〜24、更に好ましくは炭素数1〜12のアルキル基;ビニル基等の好ましくは炭素数2〜24、更に好ましくは炭素数2〜12のアルケニル基;
エチニル基等の好ましくは炭素数2〜24、更に好ましくは炭素数2〜12のアルキニル基;
メトキシ基、エトキシ基等の好ましくは炭素数1〜24、更に好ましくは炭素数1〜12のアルコキシ基;
フェノキシ基、ナフトキシ基、ピリジルオキシ基等の好ましくは炭素数4〜36、更に好ましくは炭素数5〜24のアリールオキシ基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等の好ましくは炭素数2〜24、更に好ましくは炭素数2〜12のアルコキシカルボニル基;
ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基等の好ましくは炭素数2〜24、更に好ましくは炭素数2〜12のジアルキルアミノ基;
ジフェニルアミノ基、ジトリルアミノ基、N − カルバゾリル基等の好ましくは炭素数10〜36、更に好ましくは炭素数12〜24のジアリールアミノ基;
フェニルメチルアミノ基等の好ましくは炭素数6〜36、更に好ましくは炭素数7〜24のアリールアルキルアミノ基;
[Substituent group Z]
An alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an alkenyl group having 2 to 24 carbon atoms, more preferably 2 to 12 carbon atoms such as a vinyl group. ;
An alkynyl group having preferably 2 to 24 carbon atoms, more preferably 2 to 12 carbon atoms, such as an ethynyl group;
An alkoxy group having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms, such as a methoxy group and an ethoxy group;
An aryloxy group having preferably 4 to 36 carbon atoms, more preferably 5 to 24 carbon atoms such as a phenoxy group, a naphthoxy group and a pyridyloxy group; preferably 2 to 24 carbon atoms such as a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Preferably, an alkoxycarbonyl group having 2 to 12 carbon atoms;
A dialkylamino group having 2 to 24 carbon atoms, more preferably 2 to 12 carbon atoms, such as a dimethylamino group and a diethylamino group;
A diarylamino group having preferably 10 to 36 carbon atoms, more preferably 12 to 24 carbon atoms, such as a diphenylamino group, a ditrilamino group, and an N-carbazolyl group;
An arylalkylamino group having preferably 6 to 36 carbon atoms, more preferably 7 to 24 carbon atoms, such as a phenylmethylamino group;

アセチル基、ベンゾイル基等の好ましくは炭素数2〜24 、好ましくは炭素数2〜1
2のアシル基;
フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子;
トリフルオロメチル基等の好ましくは炭素数1〜2、更に好ましくは炭素数1〜6のハロアルキル基;
メチルチオ基、エチルチオ基等の好ましくは炭素数1〜24、更に好ましくは炭素数1〜12のアルキルチオ基;
フェニルチオ基、ナフチルチオ基、ピリジルチオ基等の好ましくは炭素数4〜36、更に好ましくは炭素数5〜24のアリールチオ基;
トリメチルシリル基、トリフェニルシリル基等の好ましくは炭素数2〜36、更に好ましくは炭素数3〜24のシリル基;
トリメチルシロキシ基、トリフェニルシロキシ基等の好ましくは炭素数2〜36、更に好ましくは炭素数3〜24のシロキシ基;
シアノ基;
フェニル基、ナフチル基等の好ましくは炭素数6〜36、更に好ましくは炭素数6〜24の芳香族炭化水素基;
チエニル基、ピリジル基等の好ましくは炭素数3〜36、更に好ましくは炭素数4〜24の芳香族複素環基;
上記各置換基は、さらに置換基を有していてもよく、その例としては前記置換基群Zに例示した基を挙げることができる。
An acetyl group, a benzoyl group, etc., preferably having 2 to 24 carbon atoms, preferably 2 to 1 carbon atoms.
Acyl group of 2;
Halogen atoms such as fluorine atoms and chlorine atoms;
A haloalkyl group having 1 to 2 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, such as a trifluoromethyl group;
An alkylthio group having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms, such as a methylthio group and an ethylthio group;
An arylthio group having preferably 4 to 36 carbon atoms, more preferably 5 to 24 carbon atoms, such as a phenylthio group, a naphthylthio group, and a pyridylthio group;
A silyl group having preferably 2-336 carbon atoms, more preferably 3 to 24 carbon atoms, such as a trimethylsilyl group and a triphenylsilyl group;
A syroxy group having preferably 2 to 36 carbon atoms, more preferably 3 to 24 carbon atoms, such as a trimethylsiloxy group and a triphenylsiloxy group;
Cyano group;
An aromatic hydrocarbon group having preferably 6 to 36 carbon atoms, more preferably 6 to 24 carbon atoms, such as a phenyl group and a naphthyl group;
An aromatic heterocyclic group having preferably 3 to 36 carbon atoms, more preferably 4 to 24 carbon atoms, such as a thienyl group and a pyridyl group;
Each of the above-mentioned substituents may further have a substituent, and examples thereof include the groups exemplified in the above-mentioned Substituent Group Z.

Ar〜Arにおける芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基が有してもよい置換基の分子量としては、さらに置換した基を含めて500以下が好ましく、250以下がさらに好ましい。
有機溶媒に対する溶解性が向上する点で、Ar〜Arにおける芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基が有していてもよい置換基としては、各々独立に、炭素数1〜12のアルキル基及び炭素数1〜12のアルコキシ基が好ましい。
The molecular weight of the substituents that the aromatic hydrocarbon group and the aromatic heterocyclic group in Ar 1 to Ar 5 may have is preferably 500 or less, more preferably 250 or less, including the further substituted group.
In terms of improving the solubility in an organic solvent, the substituents that the aromatic hydrocarbon group and the aromatic heterocyclic group in Ar 1 to Ar 5 may have are each independently having 1 to 12 carbon atoms. An alkyl group and an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms are preferable.

なお、nが2以上である場合、前記式(I)で表される繰り返し単位は、2個以上のAr及びArを有することになる。その場合、Ar及びAr同士は、各々、同じでもよく、異なっていてもよい。さらに、Ar同士、Ar同士は、各々互いに直接又は連結基を介して結合して環状構造を形成していてもよい。 When n is 2 or more, the repeating unit represented by the formula (I) has two or more Ar 4 and Ar 5 . In that case, Ar 4 and Ar 5 may be the same or different from each other. Further, Ar 4 and Ar 5 may be bonded to each other directly or via a linking group to form a cyclic structure.

上述のポリトリアリールアミン系化合物の合成方法は特に限定されないが、例えば、特開2009−263665号公報に記載されているような方法で合成することができ、トリアリールアミンモノマーの酸化重合や遷移金属触媒を用いたカップリング反応により合成できる。
このポリトリアリールアミン系化合物の数平均分子量は、反応温度、反応時間、触媒などで調整することができるが、8,500以上とするのが好ましい。
The method for synthesizing the above-mentioned polytriarylamine compound is not particularly limited, but for example, it can be synthesized by a method as described in JP-A-2009-263665, and oxidative polymerization or transition of the triarylamine monomer can be used. It can be synthesized by a coupling reaction using a metal catalyst.
The number average molecular weight of this polytriarylamine compound can be adjusted by adjusting the reaction temperature, reaction time, catalyst, etc., but is preferably 8,500 or more.

このポリトリアリールアミン系化合物の数平均分子量を8,500以上とすることで、光電変換素子の耐久性(光電変換効率の維持率)を向上させることができる傾向にある。より好ましくは9,000以上であり、さらに好ましくは10,000以上であり、特に好ましくは15,000以上であり、最も好ましくは20,000以上である。
一方、この数平均分子量の上限は特に限定されるものでないが、例えば500,000以下とするのが、ポリトリアリールアミン系化合物のコスト面、および溶媒への溶解性を担保する点で好ましい。より好ましくは300,000以下であり、さらに好ましくいは200,000以下である。
By setting the number average molecular weight of this polytriarylamine compound to 8,500 or more, the durability of the photoelectric conversion element (maintenance rate of photoelectric conversion efficiency) tends to be improved. It is more preferably 9,000 or more, further preferably 10,000 or more, particularly preferably 15,000 or more, and most preferably 20,000 or more.
On the other hand, the upper limit of the number average molecular weight is not particularly limited, but for example, 500,000 or less is preferable in terms of cost of the polytriarylamine compound and in terms of ensuring solubility in a solvent. It is more preferably 300,000 or less, and even more preferably 200,000 or less.

さらに、ポリトリアリールアミン系化合物の重量平均分子量は、15,000以上とするのが好ましく、20,000以上とするのがより好ましく、30,000以上とするのがさらに好ましいく、35,000以上とするのが特に好ましく、40,000以上とするのが最も好ましい。この下限とすることで光電変換素子の耐久性が向上する傾向にある。一方、重量平均分子量の上限は、特に限定されるものでないが、500,000以下とするのが好ましく、300,000以下とするのがより好ましく、200,000以下とするのが特に好ましい。この上限とすることでコスト低減が図れ、かつ溶剤への溶解度を担保できる傾向にある。ポリトリアリールアミン系化合物が、上記数平均分子量と重量平均分子量の範囲を同時に満足すると、光電変換効率の維持率がさらに向上することがある。 Further, the weight average molecular weight of the polytriarylamine compound is preferably 15,000 or more, more preferably 20,000 or more, further preferably 30,000 or more, and 35,000. The above is particularly preferable, and 40,000 or more is the most preferable. By setting this lower limit, the durability of the photoelectric conversion element tends to be improved. On the other hand, the upper limit of the weight average molecular weight is not particularly limited, but is preferably 500,000 or less, more preferably 300,000 or less, and particularly preferably 200,000 or less. By setting this upper limit, the cost can be reduced and the solubility in the solvent can be guaranteed. When the polytriarylamine compound satisfies the range of the number average molecular weight and the weight average molecular weight at the same time, the maintenance rate of the photoelectric conversion efficiency may be further improved.

(ドーパント)
ドーパントとは上述の有機半導体化合物への添加物であり、本発明における正孔輸送層の導電性や正孔輸送能力を前記活性層に対して最適化するための物質である。
ドーパントとして使用できる物質としては、テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボラートなどのホウ素化合物、トリス[1−(メトキシカルボニル)−2−(トリフルオロ
メチル)−エタン−1,2−ジチオレン]モリブデンなどのモリブデン化合物、2,3,4,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタンといったテトラシアノキノジメタン骨格を有する有機化合物などが挙げられる。ドーパントは、正孔輸送層の成膜前または成膜後で、少なくとも一つの有機半導体化合物との間で電荷移動反応を起こすことが好ましい。ドーパントとしては、溶解性に優れ、加熱等により酸化剤として機
能する電子受容活性部位を産生する点で、超原子価ヨウ素化合物が好ましい。
(Dopant)
The dopant is an additive to the above-mentioned organic semiconductor compound, and is a substance for optimizing the conductivity and hole transporting ability of the hole transporting layer in the present invention with respect to the active layer.
Substances that can be used as dopants include boron compounds such as tetrakis (pentafluorophenyl) borate and molybdenum compounds such as tris [1- (methoxycarbonyl) -2- (trifluoromethyl) -ethane-1,2-dithiolene] molybdenum. , 2,3,4,6-tetrafluoro-7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane and the like, which include organic compounds having a tetracyanoquinodimethane skeleton. The dopant preferably causes a charge transfer reaction with at least one organic semiconductor compound before or after the hole transport layer is formed. As the dopant, a hypervalent iodine compound is preferable because it has excellent solubility and produces an electron-accepting active site that functions as an oxidizing agent by heating or the like.

この超原子価ヨウ素化合物は、有機半導体化合物に対するドーパントとして働き、電子受容性(すなわち酸化剤としての働き)を示すことが知られている。また、電子受容性のドーパントは、半導体化合物から電子を奪うことにより、半導体化合物の導電性又は正孔輸送能力を向上させることができる。このように、超原子価ヨウ素化合物は、半導体化合物の電荷輸送特性を向上させることができる。 It is known that this hypervalent iodine compound acts as a dopant for an organic semiconductor compound and exhibits electron acceptability (that is, acts as an oxidizing agent). In addition, the electron-accepting dopant can improve the conductivity or hole transporting ability of the semiconductor compound by depriving the semiconductor compound of electrons. As described above, the hypervalent iodine compound can improve the charge transport property of the semiconductor compound.

超原子価ヨウ素化合物とは、超原子価ヨウ素を含む化合物であり、酸化数が+3以上となっているヨウ素を含む化合物と定義される。例えば、ドーパントは、ヨウ素(III)化合物又はヨウ素(V)化合物でありうる。5価のヨウ素を含むヨウ素(V)化合物は、例えば、デス・マーチン・ペルヨージナンのようなペルヨージナン化合物でありうる。また、3価のヨウ素を含むヨウ素(III)化合物としては、(ジアセトキシヨード)ベンゼンのようなヨードベンゼンが酸化された構造を有する化合物、又はジアリールヨードニウム塩が挙げられる。良好な電子受容性を示し、また酸化過程において分子が破壊されると逆反応が起こりにくい点で、ドーパントは、3価のヨウ素を含む有機化合物が好ましく、中でもジアリールヨードニウム塩を用いるのがより好ましい。 The hypervalent iodine compound is a compound containing hypervalent iodine, and is defined as a compound containing iodine having an oxidation number of +3 or more. For example, the dopant can be an iodine (III) compound or an iodine (V) compound. The iodine (V) compound containing pentavalent iodine can be, for example, a peryodinane compound such as Dess-Martin peryodinan. Examples of the iodine (III) compound containing trivalent iodine include a compound having a structure in which iodobenzene is oxidized, such as (diacetoxyiode) benzene, or a diallyl iodonium salt. The dopant is preferably an organic compound containing trivalent iodine, and more preferably a diallyl iodonium salt, because it exhibits good electron acceptability and the reverse reaction is unlikely to occur when the molecule is destroyed in the oxidation process. ..

ジアリールヨードニウム塩とは、[Ar−I−Ar]X構造を有する塩のことである。ここで、2つのArはそれぞれアリール基を表す。アリール基(芳香族基)は特に限定されず、例えば有機半導体化合物に関して既に挙げたものでありうる。Xは、任意のアニオンを表す。Xとしては、例えば、ハロゲン化物イオン、トリフルオロ酢酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、又はテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ホウ酸イオン等でありうる。溶解性が高く、塗布液の生成反応が円滑に進行しうる点で、X−はフッ素原子を有するアニオンであることが好ましい。 The diallyl iodonium salt is a salt having a [Ar-I + -Ar] X - structure. Here, each of the two Ars represents an aryl group. The aryl group (aromatic group) is not particularly limited, and may be, for example, those already mentioned with respect to an organic semiconductor compound. X represents any anion. X may be, for example, a halide ion, a trifluoroacetate ion, a tetrafluoroborate ion, a tetrakis (pentafluorophenyl) borate ion, or the like. X- is preferably an anion having a fluorine atom because it has high solubility and the formation reaction of the coating liquid can proceed smoothly.

ドーパントの好ましい例としては、一般式(II)に表されるものが挙げられる。式(II)において、Xは、任意のアニオンを表し、具体例としては上記の通りである。
[R11−I−R12]X (II)
Preferred examples of the dopant include those represented by the general formula (II). In formula (II), X represents an arbitrary anion, and specific examples are as described above.
[R 11 −I + −R 12 ] X (II)

式(II)において、R11及びR12は、それぞれ独立に1価の有機基である。1価の有機基の例としては、脂肪族基又は芳香族基が挙げられる。脂肪族基の例としては、炭素数1〜20の脂肪族炭化水素基又は炭素数4〜20の脂肪族複素環基が挙げられる。例えば、脂肪族基としては、シクロアルキル基を含むアルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基等が挙げられ、具体例としてはメチル基、エチル基、ブチル基、シクロヘキシル基、又はテトラヒドロフリル基等が挙げられる。 In formula (II), R 11 and R 12 are independently monovalent organic groups. Examples of monovalent organic groups include aliphatic groups or aromatic groups. Examples of the aliphatic group include an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or an aliphatic heterocyclic group having 4 to 20 carbon atoms. For example, examples of the aliphatic group include an alkyl group containing a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group and the like, and specific examples thereof include a methyl group, an ethyl group, a butyl group, a cyclohexyl group, a tetrahydrofuryl group and the like. Be done.

芳香族基の例としては、炭素数6〜20の芳香族炭化水素基又は炭素数2〜20の芳香族複素環基が挙げられる。例えば、芳香族基としては、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、チエニル基、又はピリジル基等が挙げられる。 Examples of the aromatic group include an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms or an aromatic heterocyclic group having 2 to 20 carbon atoms. For example, examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group, a thienyl group, a pyridyl group and the like.

なお、上記の脂肪族基及び芳香族基は、置換基を有していてもよい。有していてもよい置換基としては、特段の制限はないが、ハロゲン原子、水酸基、シアノ基、アミノ基、カルボキシル基、エステル基、アルキルカルボニル基、アセチル基、スルホニル基、シリル基、ボリル基、ニトリル基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、チオ基、セレノ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基等が挙げられる。 The above aliphatic group and aromatic group may have a substituent. The substituent which may have is not particularly limited, but is a halogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group, a carboxyl group, an ester group, an alkylcarbonyl group, an acetyl group, a sulfonyl group, a silyl group and a boryl group. , Nitrile group, alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, alkoxy group, thio group, seleno group, aromatic hydrocarbon group, aromatic heterocyclic group and the like.

11及びR12は、好ましくは炭素数6〜20の芳香族炭化水素基であり、より好ましくはフェニル基である。ここで、芳香族炭化水素基は置換基を有さない又は炭素数1〜6のアルキル基を有することが好ましい。R11及びR12は、特に、パラ位にアルキル
基を有するフェニル基であることが好ましい。
R 11 and R 12 are preferably aromatic hydrocarbon groups having 6 to 20 carbon atoms, and more preferably phenyl groups. Here, the aromatic hydrocarbon group preferably has no substituent or has an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. R 11 and R 12 are particularly preferably phenyl groups having an alkyl group at the para position.

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105と活性層103との間にバッファ層104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104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105と活性層103との間に設けられるバッファ層104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有機半導体化合物を含有する正孔輸送層である一方、他方のバッファ層はこれと異なる物質で構成される電子輸送層等であってもよい。なお、上述の通り、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層は、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105との間に位置していてもよい。但し、有機半導体化合物を含有する正孔輸送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、正孔輸送層は、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 photoelectric conversion element 100 can have a buffer layer 102 between the lower electrode 101 and the active layer 103, or has a buffer layer 104 between the upper electrode 105 and the active layer 103. Can be done. Further, the photoelectric conversion element 100 may have both a buffer layer 102 and a buffer layer 104. Here, the buffer layer 102 provided between the lower electrode 101 and the active layer 103 and the buffer layer 104 provided between the upper electrode 105 and the active layer 103 may be made of different materials. That is, one buffer layer may be a hole transport layer containing an organic semiconductor compound, while the other buffer layer may be an electron transport layer or the like composed of a different substance. As described above, the hole transport layer containing the organic semiconductor compound may be located between the lower electrode 101 and the active layer 103, or may be located between the active layer 103 and the upper electrode 105. May be. However, when the hole transport layer containing the organic semiconductor compound is formed by the coating method, the coating solvent may immerse the active layer 103 and affect the active layer 103, so that the hole transport is performed. The layer is preferably located between the lower electrode 101 and the active layer 103.

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輸送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輸送層と呼ばれることがある。本発明においては、n−i−p積層型光電変換素子において輸送電荷量の制御が容易となる傾向にあることから、有機半導体化合物を含有するバッファ層は正孔輸送層として使用される。 The buffer layer provided between the anode and the active layer is sometimes called a hole transport layer, and the buffer layer provided between the cathode and the active layer is sometimes called an electron transport layer. In the present invention, the buffer layer containing the organic semiconductor compound is used as the hole transport layer because the amount of transport charge tends to be easily controlled in the n-ip laminated photoelectric conversion element.

なお、本発明においては、上記の有機半導体化合物やそのドーパントを含むバッファ層を正孔輸送層として好適に使用することができるが、バッファ層に関しては、材料に特に限定はない。例えば、正孔輸送層については、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。 In the present invention, the buffer layer containing the above-mentioned organic semiconductor compound and its dopant can be preferably used as the hole transport layer, but the material of the buffer layer is not particularly limited. For example, for the hole transport layer, any material that can improve the efficiency of removing holes from the active layer to the anode can be used. Specifically, the inorganic compound, the organic compound, or the organic-inorganic perovskite compound according to the present invention described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230 or JP2012-191194A. Can be mentioned. For example, examples of the inorganic compound include metal oxides such as copper oxide, nickel oxide, manganese oxide, iron oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide and tungsten oxide. Examples of the organic compound include a conductive polymer in which a dopant is doped in polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, triphenylenediamine, polyaniline, etc., a polythiophene derivative having a sulfonyl group as a substituent, a conductive organic compound such as arylamine, nafion, or Examples include lithium-doped spiro-OMeTAD.

同様に、電子輸送層についても、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 transport layer, any material capable of improving the efficiency of electron extraction from the active layer to the cathode can be used. Specifically, the inorganic compound, the organic compound, or the organic-inorganic perovskite compound according to the present invention described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230 or JP2012-191194A. Can be mentioned. For example, examples of the inorganic compound include salts of alkali metals such as lithium, sodium, potassium and cesium, and metal oxides such as zinc oxide, titanium oxide, aluminum oxide and indium oxide. Examples of the organic compound include vasocuproin (BCP), vasophenanthrene (Bphen), (8-hydroxyquinolinato) aluminum (Alq3), boron compound, oxadiazole compound, benzoimidazole compound, naphthalenetetracarboxylic acid anhydride (NTCDA), and the like. Examples thereof include phosphine compounds having a double bond with a Group 16 element of the periodic table such as perylene tetracarboxylic acid anhydride (PTCDA), fullerene compound, or phosphine oxide compound or phosphine sulfide compound.

バッファ層の膜厚は、本発明における正孔輸送層を含めて特に限定はないが、一実施形態において0.5nm以上、別の実施形態において1nm以上、さらに別の実施形態において5nm以上である、一方、一実施形態において1μm以下、別の実施形態において500nm以下、さらに別の実施形態において200nm以下、さらに別の実施形態において150nm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 film thickness of the buffer layer is not particularly limited including the hole transport layer in the present invention, but is 0.5 nm or more in one embodiment, 1 nm or more in another embodiment, and 5 nm or more in another embodiment. On the other hand, it is 1 μm or less in one embodiment, 500 nm or less in another embodiment, 200 nm or less in yet another embodiment, and 150 nm or less in yet another embodiment. When the film thickness of the buffer layer is within the above range, the carrier movement efficiency can be easily improved, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

また、本発明における正孔輸送層を含めて、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、上述の有機半導体化合物、ドーパント、及び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。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。 Further, the method for forming the buffer layer including the hole transport layer in the present invention is not limited, and the forming method can be selected according to the characteristics of the material. For example, a buffer layer can be formed by preparing a coating liquid containing the above-mentioned organic semiconductor compound, dopant, and solvent and using a wet film forming method such as a spin coating method or an inkjet method. Further, the buffer layer can be formed by a dry film forming method such as a vacuum vapor deposition method.

[5.基材]
光電変換素子100は、通常は支持体となる基材106を有する。もっとも、本発明に係る光電変換素子は基材106を有さなくてもよい。基材106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。
[5. Base material]
The photoelectric conversion element 100 usually has a base material 106 that serves as a support. However, the photoelectric conversion element according to the present invention does not have to have the base material 106. The material of the base material 106 is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. The materials described in 1 can be used.

[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. Manufacturing method of photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element 100 can be manufactured by forming each layer constituting the photoelectric conversion element 100 according to the above method. There is no particular limitation on the method of forming each layer constituting the photoelectric conversion element 100, and the layers can be formed by a sheet-to-sheet (many-leaf) method or a roll-to-roll method.

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

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

また、上部電極105を積層した後に、光電変換素子100を一実施形態において50
℃以上、別の実施形態において80℃以上、一方、一実施形態において300℃以下、別の実施形態において280℃以下、さらに別の実施形態において250℃以下の温度範囲において、加熱することができる(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と活性層103等の層間の密着性が向上する効果が得られる。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。アニーリング処理工程においては、上記の温度範囲内において異なる温度を用いた段階的な加熱を行ってもよい。
Further, after stacking the upper electrodes 105, the photoelectric conversion element 100 is 50 in one embodiment.
It can be heated in a temperature range of ° C. or higher, 80 ° C. or higher in another embodiment, while 300 ° C. or lower in one embodiment, 280 ° C. or lower in another embodiment, and 250 ° C. or lower in yet another embodiment. (This process may be referred to as an annealing process). Performing the annealing treatment step at a temperature of 50 ° C. or higher improves the adhesion between the layers of the photoelectric conversion element 100, for example, the adhesion between the buffer layer 102 and the lower electrode 101, and the buffer layer 102 and the active layer 103. The effect is obtained. By improving the adhesion between the layers, the thermal stability and durability of the photoelectric conversion element can be improved. When the temperature of the annealing treatment step is set to 300 ° C. or lower, the possibility that the organic compound contained in the photoelectric conversion element 100 is thermally decomposed is reduced. In the annealing treatment step, stepwise heating using different temperatures within the above temperature range may be performed.

加熱時間としては、熱分解を抑えながら密着性を向上させるために、一実施形態において1分以上、別の実施形態において3分以上、一方、一実施形態において180分以下、別の実施形態において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できる。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できる。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 1 minute or more in one embodiment and 3 minutes or more in another embodiment, while 180 minutes or less in one embodiment, in order to improve adhesion while suppressing thermal decomposition. It is less than 60 minutes. The annealing process can be completed when the open circuit voltage, short circuit current and fill factor, which are the parameters of the solar cell performance, reach constant values. Further, the annealing treatment step can be carried out under normal pressure and in an atmosphere of an inert gas 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. Further, the heating may be performed by a batch method or a continuous method.

[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に適当なスペクトルの光をある照射強度で照射して、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。一例として、光電変換素子100に色温度5000Kの白色LED光を適当な照射強度(照度)で照射することで、各照度における電流−電圧特性を測定することができる。
[7. Photoelectric conversion characteristics]
The photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element 100 can be obtained as follows. The photoelectric conversion element 100 is irradiated with light having an appropriate spectrum at a certain irradiation intensity, and the current-voltage characteristics are measured. From the obtained current-voltage curve, photoelectric conversion characteristics such as photoelectric conversion efficiency (PCE), short-circuit current density (Jsc), open circuit voltage (Voc), fill factor (FF), series resistance, and shunt resistance can be obtained. As an example, by irradiating the photoelectric conversion element 100 with white LED light having a color temperature of 5000 K at an appropriate irradiation intensity (illuminance), the current-voltage characteristics at each illuminance can be measured.

本発明の光電変換素子は低照度領域(10〜5000ルクス)における発電効率に優れ、特に白色LED光等の光源を用いた場合において、光電変換効率を20%以上とすることができる。また、200ルクスにおける光電変換効率を25%以上とすることができる。この効率の上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。
なお、この光電変換効率(PCE)は、所定の照射光により測定される、光電変換素子の電流−電圧曲線の最適動作点における出力(最大出力)をこの照射光が有する総エネルギー量(例えば、強度AM1.5Gの太陽光であれば100mW/cm)で除した値(%)である。
The photoelectric conversion element of the present invention is excellent in power generation efficiency in a low illuminance region (10 to 5000 lux), and the photoelectric conversion efficiency can be set to 20% or more particularly when a light source such as white LED light is used. Further, the photoelectric conversion efficiency at 200 lux can be set to 25% or more. There is no particular limit to the upper limit of this efficiency, the higher it is, the better.
The photoelectric conversion efficiency (PCE) is the total energy amount (for example, for example) of the irradiation light having the output (maximum output) at the optimum operating point of the current-voltage curve of the photoelectric conversion element, which is measured by the predetermined irradiation light. In the case of sunlight with an intensity of AM1.5G, it is a value (%) divided by 100 mW / cm 2).

[8.発電デバイス]
一実施形態において、本発明に係る光電変換素子100は、発電デバイス、中でも室内用太陽電池として好適に使用される。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、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. Power generation device]
In one embodiment, the photoelectric conversion element 100 according to the present invention is suitably used as a power generation device, particularly an indoor solar cell. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a solar cell which is a solar cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the thin-film solar cell 14 according to the present embodiment includes a weather-resistant protective film 1, an ultraviolet cut film 2, a gas barrier film 3, a getter film 4, a sealing material 5, and a solar cell. The element 6, the sealing material 7, the getter material film 8, the gas barrier film 9, and the back sheet 10 are provided in this order. The thin-film solar cell 14 according to the present embodiment has the photoelectric conversion element according to the present invention as the solar cell element 6. Then, light is irradiated from the side where the protective film 1 is formed (lower part in FIG. 2), and the solar cell element 6 generates electricity. The thin-film solar cell 14 does not have to have all of these constituent members, and the necessary constituent members can be arbitrarily selected.

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

本実施形態に係る太陽電池、特に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。上記説明したとおり、低照度環境下で優れた変更効率を有することから、特にエネルギーハーベスティング用途に、好適に適用できる。 The application of the solar cell according to the present embodiment, particularly the thin-film solar cell 14 described above, is not limited, and can be used for any application. For example, the solar cells according to the embodiment include solar cells for building materials, solar cells for automobiles, solar cells for interiors, solar cells for railways, solar cells for ships, solar cells for airplanes, solar cells for spacecraft, and solar cells for home appliances. It can be used as a battery, a solar cell for a mobile phone, or a solar cell for a toy. As described above, since it has excellent change efficiency in a low-light environment, it can be suitably applied to energy harvesting applications in particular.

本実施形態に係る太陽電池、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、本実施形態に係る太陽電池、特には上述した太陽電池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。 The solar cell according to the present embodiment, particularly the thin-film solar cell 14 described above, may be used as it is, or may be used as a component of the solar cell module. For example, as shown in FIG. 3, a solar cell module 13 having the solar cell according to the present embodiment, particularly the above-mentioned solar cell 14 on the base material 12, is manufactured, and the solar cell module 13 is installed at a place of use. Can be used.

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、以下の実施例には限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[イオン化ポテンシャルの測定]
薄膜ITOが形成されたガラス基板上に、評価対象となる半導体化合物を成膜し、これに光をあてることによって生成する光電子の数を酸素が必要なオープンカウンターで計測した。このオープンカウンターでは、大気下で光電子を酸素分子に捕捉させることで、イオン化された酸素分子が計測される。照射する光のエネルギーを上げていくと光電子の放出が始まる閾値が観測されるが、この閾値、すなわち照射エネルギーが光電子をはじき出すのに必要な最低エネルギー(eV)が、イオン化ポテンシャル(eV)に相当する値となる。このような光電子係数方式によるイオン化ポテンシャル測定を、理研計器(株)のAC−2、AC−3等のシリーズで行った。
[Measurement of ionization potential]
A semiconductor compound to be evaluated was formed on a glass substrate on which a thin film ITO was formed, and the number of photoelectrons generated by exposing the semiconductor compound to light was measured with an open counter that requires oxygen. In this open counter, ionized oxygen molecules are measured by capturing photoelectrons by oxygen molecules in the atmosphere. A threshold value at which photoelectrons start to be emitted is observed as the energy of the irradiated light is increased, and this threshold value, that is, the minimum energy (eV) required for the irradiation energy to eject photoelectrons, corresponds to the ionization potential (eV). It becomes the value to be. The ionization potential measurement by the photoelectron coefficient method was performed with a series of AC-2, AC-3, etc. of RIKEN KEIKI Co., Ltd.

[バンドギャップの算出]
半導体化合物のバンドギャップは、その化合物の吸収端波長と吸光度とから算出した。透明ガラス基板等の適当な試料上に半導体化合物薄膜を成膜し、その透過スペクトルを測定し、横軸波長をeVに、縦軸透過率を√(ahν)に変換し、この吸収の立ち上がりを直線としてフィッティングし、ベースラインと交わるeV値をバンドギャップとして算出した。この透過スペクトルは、例えば、日立ハイテク製U−4100等の分光光度計を使用して測定した。
[Calculation of band gap]
The band gap of the semiconductor compound was calculated from the absorption edge wavelength and the absorbance of the compound. A semiconductor compound thin film is formed on an appropriate sample such as a transparent glass substrate, the transmission spectrum thereof is measured, the horizontal axis wavelength is converted to eV, and the vertical axis transmittance is converted to √ (ahν), and the rise of this absorption is measured. It was fitted as a straight line, and the eV value intersecting the baseline was calculated as a band gap. This transmission spectrum was measured using, for example, a spectrophotometer such as Hitachi High-Tech U-4100.

[光電変換素子の光電変換効率の測定]
照度計を用いて照射強度を200ルクスに調整した、色温度5000Kの白色LED光を光電変換素子に照射した。この環境下で、ソースメータを用いて電流−電圧曲線(I−V曲線)を測定し、その最大出力値を求めた。この値を上記の照射光が有する総エネルギー量で除して、光電変換素子の光電変換効率(%)を得た。
[Measurement of photoelectric conversion efficiency of photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element was irradiated with white LED light having a color temperature of 5000 K whose irradiation intensity was adjusted to 200 lux using an illuminometer. In this environment, the current-voltage curve (IV curve) was measured using a source meter, and the maximum output value thereof was obtained. This value was divided by the total amount of energy possessed by the above irradiation light to obtain the photoelectric conversion efficiency (%) of the photoelectric conversion element.

[実施例1]
(電子輸送層用塗布液の調製)
酸化スズ(IV)15質量%水分散液(Alfa Aesar社製)に超純水を加える
ことにより、7.5質量%の酸化スズ水分散液を調製した。
[Example 1]
(Preparation of coating liquid for electron transport layer)
A 7.5% by mass aqueous tin oxide dispersion was prepared by adding ultrapure water to a 15% by mass aqueous dispersion of tin (IV) oxide (manufactured by Alfa Aesar).

(活性層用塗布液の調製)
ヨウ化鉛(II)をバイアル瓶に量りとりグローブボックスに導入した。ヨウ化鉛(II)の濃度が1.3mol/Lとなるように溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミドを加え、その後、100℃で1時間加熱撹拌することで活性層用塗布液1を調製した。
(Preparation of coating liquid for active layer)
Lead (II) iodide was weighed into a vial and introduced into the glove box. N, N-dimethylformamide was added as a solvent so that the concentration of lead (II) iodide was 1.3 mol / L, and then the coating liquid 1 for the active layer was prepared by heating and stirring at 100 ° C. for 1 hour. ..

次に、別のバイアル瓶にホルムアミジン臭化水素酸塩(FABr)、メチルアミン臭化水素酸塩(MABr)、及びメチルアミン塩化水素酸塩(MACl)を7.25:1:1.5の質量比となるよう量りとり、グローブボックスに導入した。そこへ溶媒としてイソプロピルアルコールを加えることにより、FABr、MABr、及びMAClの合計濃度が0.49mol/Lである活性層用塗布液2を調製した。 Next, in another vial, formaldehyde hydrobromide (FABr), methylamine hydrobromide (MABr), and methylamine hydrobromide (MACl) 7.25: 1: 1.5. Weighed so as to have a mass ratio of, and introduced into a glove box. By adding isopropyl alcohol as a solvent there, a coating liquid 2 for an active layer having a total concentration of FABr, MABr, and MACl of 0.49 mol / L was prepared.

(ポリトリアリールアミン化合物Aの合成)
国際公開第2015/133437号や特開2016−084370号公報に記載されている方法と同様な方法にて、下記式(A)で示すポリトリアリールアミン化合物Aを合成した。
(Synthesis of Polytriarylamine Compound A)
The polytriarylamine compound A represented by the following formula (A) was synthesized by the same method as that described in International Publication No. 2015/133437 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-0843370.

Figure 2021174940
Figure 2021174940

(正孔輸送層用塗布液の調製)
64mgのポリトリアリールアミン化合物Aと、2.6mgの4−イソプロピル−4’−メチルジフェニルヨードニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボラート(TPFB,TCI社製)とをバイアル瓶に量りとり、グローブボックスに導入した。そこへ溶媒として1.6mLのオルトジクロロベンゼンを加えた。次に、得られた混合液を150℃で1時間加熱撹拌することにより、正孔輸送層用塗布液を調製した。
(Preparation of coating liquid for hole transport layer)
64 mg of polytriarylamine compound A and 2.6 mg of 4-isopropyl-4'-methyldiphenyliodonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate (TPFB, manufactured by TCI) were weighed into a vial and introduced into a glove box. bottom. 1.6 mL of ortodichlorobenzene was added thereto as a solvent. Next, the obtained mixed liquid was heated and stirred at 150 ° C. for 1 hour to prepare a coating liquid for a hole transport layer.

(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、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。
(Manufacturing of photoelectric conversion element)
A glass substrate (manufactured by Geomatec Co., Ltd.) provided with a patterned indium tin oxide (ITO) transparent conductive film was subjected to ultrasonic cleaning using ultrapure water, drying by nitrogen blowing, and UV-ozone treatment.

次に、上記のように調製した電子輸送層用塗布液を、室温で、上記の基板上に2000rpmの速度でスピンコートすることにより、厚さ約35nmの電子輸送層を形成した。その後、基板をホットプレート上150℃で10分間加熱した。 Next, the coating liquid for the electron transporting layer prepared as described above was spin-coated on the above-mentioned substrate at room temperature at a speed of 2000 rpm to form an electron transporting layer having a thickness of about 35 nm. Then, the substrate was heated on a hot plate at 150 ° C. for 10 minutes.

さらに、基板をグローブボックスに導入し、100℃に加熱した活性層用塗布液1を電子輸送層上に150μL滴下し、2000rpmの速度でスピンコートした。次に、基板をホットプレート上100℃で10分間加熱アニールすることにより、ヨウ化鉛層を形成した。次に、基板が室温に戻った後、ヨウ化鉛層上に活性層塗布液2(120μL)を2000rpmの速度でスピンコートし、150℃で20分間加熱することにより、有機無機ペロブスカイトの活性層(厚さ650nm)を形成した。 Further, the substrate was introduced into the glove box, 150 μL of the coating liquid 1 for the active layer heated to 100 ° C. was dropped onto the electron transport layer, and spin coating was performed at a speed of 2000 rpm. Next, the lead iodide layer was formed by heating and annealing the substrate on a hot plate at 100 ° C. for 10 minutes. Next, after the substrate has returned to room temperature, the active layer coating liquid 2 (120 μL) is spin-coated on the lead iodide layer at a speed of 2000 rpm and heated at 150 ° C. for 20 minutes to obtain an active layer of organic-inorganic perovskite. (Thickness 650 nm) was formed.

次に、基板が室温に戻った後、活性層上に、正孔輸送層塗布液(120μL)を2000rpmの速度でスピンコートし、さらにホットプレート上90℃で5分間加熱することで、正孔輸送層(100nm)を形成した。 Next, after the substrate has returned to room temperature, the hole transport layer coating solution (120 μL) is spin-coated on the active layer at a speed of 2000 rpm, and further heated on a hot plate at 90 ° C. for 5 minutes to obtain holes. A transport layer (100 nm) was formed.

次に、正孔輸送層上に、抵抗加熱型真空蒸着法により厚さ約10nmのMoO、次いで約30nmのIZO及び約100nmの銀を蒸着させ、上部電極を形成した。
以上のようにして、光電変換素子を作製した。
この光電変換素子における、活性層のイオン化ポテンシャル、活性層のバンドギャップ、正孔輸送材料のイオン化ポテンシャル、及び白色LED光200ルクス照射条件下での光電変換効率の測定結果を表1に示す。
Next, MoO 3 having a thickness of about 10 nm, then IZO having a thickness of about 30 nm and silver having a thickness of about 100 nm were deposited on the hole transport layer by a resistance heating type vacuum deposition method to form an upper electrode.
As described above, the photoelectric conversion element was manufactured.
Table 1 shows the measurement results of the ionization potential of the active layer, the band gap of the active layer, the ionization potential of the hole transport material, and the photoelectric conversion efficiency under the irradiation condition of 200 lux of white LED light in this photoelectric conversion element.

[実施例2]
ポリトリアリールアミン化合物Aの代わりに、国際公開第2015/133437号や特開2016−084370号公報に記載されている方法と同様に合成した、下記式(B)で示すポリトリアリールアミン化合物Bを用いた以外は実施例1と同様にして、光電変換素子を作製した。
[Example 2]
Instead of the polytriarylamine compound A, the polytriarylamine compound B represented by the following formula (B) was synthesized in the same manner as described in International Publication No. 2015/133437 and JP-A-2016-08437. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used.

Figure 2021174940
Figure 2021174940

この光電変換素子における、活性層のイオン化ポテンシャル、活性層のバンドギャップ、正孔輸送材料のイオン化ポテンシャル、及び白色LED光200ルクス照射条件下での光電変換効率の測定結果を表1に示す。 Table 1 shows the measurement results of the ionization potential of the active layer, the band gap of the active layer, the ionization potential of the hole transport material, and the photoelectric conversion efficiency under the irradiation condition of 200 lux of white LED light in this photoelectric conversion element.

[比較例1]
正孔輸送層塗布液として、ポリトリアリールアミン化合物Aを用いる代わりに、ポリ[ビス(4−フェニル)(2,4,6−トリメチルフェニル)アミン]を用いた以外は実施例1と同様にして、光電変換素子を作製した。この光電変換素子における、活性層のイオン化ポテンシャル、活性層のバンドギャップ、正孔輸送材料のイオン化ポテンシャル、及び白色LED光200ルクス照射条件下での光電変換効率の測定結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
The same as in Example 1 except that poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine] was used instead of polytriarylamine compound A as the hole transport layer coating liquid. To produce a photoelectric conversion element. Table 1 shows the measurement results of the ionization potential of the active layer, the band gap of the active layer, the ionization potential of the hole transport material, and the photoelectric conversion efficiency under the irradiation condition of 200 lux of white LED light in this photoelectric conversion element.

Figure 2021174940
Figure 2021174940

表1に示すように、活性層のイオン化ポテンシャルが−6.0eV以上−5.7eV以
下であり、前記活性層のバンドギャップが1.6eV以上2.3eV以下であり、かつ、正孔輸送材料のイオン化ポテンシャルが−5.8eV以上−5.4eV以下である、実施
例1及び実施例2において、光電変換素子の白色LED光200ルクスにおける光電変換効率は、それぞれ27.0%及び26.8%であり、高い変換効率を示した。
一方、活性層のイオン化ポテンシャルが−5.8eVであり、かつ、前記活性層のバンドギャップが1.6eV以上2.3eV以下であるものの、正孔輸送材料のイオン化ポテンシャルが、−5.3eVである比較例1においては、光電変換素子の白色LED光200ルクスにおける光電変換効率は23.5%と不充分な値を示した。
As shown in Table 1, the ionization potential of the active layer is -6.0 eV or more and -5.7 eV or less, the band gap of the active layer is 1.6 eV or more and 2.3 eV or less, and the hole transport material. In Examples 1 and 2, the ionization potential of the photoelectric conversion element is -5.8 eV or more and -5.4 eV or less, and the photoelectric conversion efficiencies of the photoelectric conversion element at 200 lux of white LED light are 27.0% and 26.8, respectively. It was%, showing high conversion efficiency.
On the other hand, although the ionization potential of the active layer is -5.8 eV and the band gap of the active layer is 1.6 eV or more and 2.3 eV or less, the ionization potential of the hole transport material is -5.3 eV. In a certain Comparative Example 1, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element at 200 lux of white LED light was 23.5%, which was an insufficient value.

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
104 バッファ層
105 上部電極
106 基材
1 Weatherproof protective film 2 UV cut film 3, 9 Gas barrier film 4, 8 Getter film 5, 7 Encapsulant 6 Solar cell element 10 Back sheet 12 Base material 13 Solar cell module 14 Thin film solar cell 100 Photoelectric conversion element 101 Lower part Electrode 102 Buffer layer 103 Active layer 104 Buffer layer 105 Upper electrode 106 Base material

Claims (8)

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化合物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、有機半導体化合物を含有する正孔輸送層と、を有する光電変換素子であって、
前記活性層のイオン化ポテンシャルが−6.0eV以上−5.7eV以下であり、かつ、前記活性層のバンドギャップが1.6eV以上2.3eV以下であるとともに、前記正孔輸送層のイオン化ポテンシャルが−5.8eV以上−5.4eV以下である、光電変換素子。
A pair of electrodes composed of an upper electrode and a lower electrode, an active layer located between the pair of electrodes and containing an organic-inorganic hybrid semiconductor compound, and at least one of the active layer and the pair of electrodes. A photoelectric conversion element having a hole transport layer containing an organic semiconductor compound located between the electrodes.
The ionization potential of the active layer is -6.0 eV or more and -5.7 eV or less, the band gap of the active layer is 1.6 eV or more and 2.3 eV or less, and the ionization potential of the hole transport layer is A photoelectric conversion element having a value of −5.8 eV or more and −5.4 eV or less.
前記有機半導体化合物が、ポリトリアリールアミン構造を有する半導体化合物である、請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic semiconductor compound is a semiconductor compound having a polytriarylamine structure. 前記正孔輸送層が、さらにドーパントを含有する、請求項1又は2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the hole transport layer further contains a dopant. 前記ドーパントは、3価のヨウ素を含む有機化合物である、請求項3に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 3, wherein the dopant is an organic compound containing trivalent iodine. 前記ドーパントは、ジアリールヨードニウム塩である、請求項3又は4に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 3 or 4, wherein the dopant is a diaryliodonium salt. 前記有機無機ハイブリッド型半導体化合物が、ペロブスカイト構造を有する化合物である、請求項1〜5いずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor compound is a compound having a perovskite structure. 200ルクスにおける光電変換効率が25%以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the photoelectric conversion efficiency at 200 lux is 25% or more. 請求項1〜7のいずれかに記載の光電変換素子を有する、発電デバイス。 A power generation device having the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8865025B2 (en) 2008-04-11 2014-10-21 Solvay Usa, Inc. Doped conjugated polymers, devices, and methods of making devices
WO2010062558A1 (en) 2008-10-27 2010-06-03 Plextronics Inc. Charge injection and transport layers
WO2013055410A1 (en) 2011-06-14 2013-04-18 Georgia Tech Research Corporation N-doping of organic semiconductors by bis-metallosandwich compounds
JP6037215B2 (en) 2012-09-28 2016-12-07 学校法人桐蔭学園 Photoelectric conversion device with organic-inorganic hybrid structure
JP6106130B2 (en) 2013-07-31 2017-03-29 富士フイルム株式会社 Photoelectric conversion element and solar cell
CN104681731B (en) 2015-02-09 2018-03-06 南京工业大学 A kind of Ca-Ti ore type electroluminescent device and preparation method thereof
US9997707B2 (en) 2015-02-26 2018-06-12 Nanyang Technological University Perovskite thin films having large crystalline grains
JP7116904B2 (en) 2017-11-08 2022-08-12 三菱ケミカル株式会社 Electronic device manufacturing method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023038050A1 (en) * 2021-09-13 2023-03-16 株式会社エネコートテクノロジーズ Photoelectric conversion element and compound

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