JP2021184408A - Photoelectric conversion element and composition for forming photoelectric conversion layer - Google Patents

Photoelectric conversion element and composition for forming photoelectric conversion layer Download PDF

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瑞穂 土屋
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Abstract

To provide a photoelectric conversion element having excellent durability and a composition for a photoelectric conversion layer.SOLUTION: There is provided a photoelectric conversion element in which a photoelectric conversion layer includes a surface treatment agent of a general formula (1) and semiconductor particles.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、光電変換素子及び光電変換層形成用組成物に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a composition for forming a photoelectric conversion layer.

光エネルギーを電気エネルギーに変える光電変換素子は、太陽電池、光センサー、複写機などに利用されている。これらの内、光エネルギーとして近赤外光を使用した光センサーは、暗視、測距、セキュリティ、半導体ウエハ検査等への用途展開が注目されている。 Photoelectric conversion elements that convert light energy into electrical energy are used in solar cells, photosensors, copiers, and the like. Of these, optical sensors that use near-infrared light as light energy are attracting attention for their use in night vision, ranging, security, semiconductor wafer inspection, and the like.

ところで近年、PbS等の半導体粒子(量子ドット)を光電変換素子や太陽電池等の光電変換の材料に用いることが報告されている。例えば、非特許文献1には、PbSeの半導体粒子の周囲のオレイン酸をエタンジチオールに置換する事によって、半導体粒子同士が近接化し、電気伝導性が向上することが開示されている。また、特許文献1には、CdS等の複数の超微粒子がベンゼンジチオール等の分子鎖で結合された超微粒子が記載されており、光学材料、電子材料等の各種用途に使用可能であることが開示されている。更に、特許文献2には、PbSeの半導体粒子の周囲のオレイン酸を2−アミノエタン−1−チオール等に置換する事によって、半導体粒子同士がより近接化し、高い光電流値が得られることが開示されている。 By the way, in recent years, it has been reported that semiconductor particles (quantum dots) such as PbS are used as materials for photoelectric conversion such as photoelectric conversion elements and solar cells. For example, Non-Patent Document 1 discloses that by substituting ethanedithiol for oleic acid around the semiconductor particles of PbSe, the semiconductor particles are brought closer to each other and the electrical conductivity is improved. Further, Patent Document 1 describes ultrafine particles in which a plurality of ultrafine particles such as CdS are bonded by a molecular chain such as benzenedithiol, and can be used for various purposes such as optical materials and electronic materials. It has been disclosed. Further, Patent Document 2 discloses that by substituting oleic acid around the semiconductor particles of PbSe with 2-aminoethane-1-thiol or the like, the semiconductor particles are closer to each other and a high photocurrent value can be obtained. Has been done.

特開平7−60109号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-60109 国際公開第2014/103536号International Publication No. 2014/105353

J.M.Lutherら著、「Structural, Optical, and Electrical Properties of Self−Assembled Films of PbSe Nanocrystals Treated with 1,2−Ethanedithiol」、(ACS Nano 2008, 2,2,271―280)J. M. Luther et al., "Structure, Optical, and Electrical Properties of Self-Assembled Films of PbSe Nanocrystals Treated with 2,

しかしながら、従来の技術では、高い光電流値を示す光電変換素子を作製し得るものの、素子の経時での耐久性が低いという問題があった。したがって、本発明が解決しようとする課題は、優れた耐久性を有する光電変換素子とそれを得るための光電変換層形成用組成物を提供することにある。 However, although the conventional technique can produce a photoelectric conversion element showing a high photocurrent value, there is a problem that the durability of the element over time is low. Therefore, an object to be solved by the present invention is to provide a photoelectric conversion element having excellent durability and a composition for forming a photoelectric conversion layer for obtaining the photoelectric conversion element.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。
すなわち、本発明は、一対の電極間に光電変換層を有してなる光電変換素子であって、光電変換層が、下記一般式(1)で示される表面処理剤と半導体粒子とを含んでなる光電変換素子に関する。

一般式(1)

Figure 2021184408
[一般式(1)中、
X: 直接結合、又は分子量14以上150以下の2価の連結基
Y: m+1価の炭素数1の炭化水素基
Q: スルファニル基、アルキルスルファニル基、又は硫黄原子を含有する1価の複素環基
1: 直接結合、イミノ基、酸素原子、又はCH2
2: 水素原子、アルキル基、NR34、又はアルコキシ基
3及びR4: 各々独立して、アルキル基、又は水素原子
m: 1〜3の整数] The present inventors have reached the present invention as a result of repeated diligent studies to solve the above problems.
That is, the present invention is a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer between a pair of electrodes, wherein the photoelectric conversion layer contains a surface treatment agent represented by the following general formula (1) and semiconductor particles. The present invention relates to a photoelectric conversion element.

General formula (1)
Figure 2021184408
[In general formula (1),
X: Direct bond or divalent linking group with a molecular weight of 14 or more and 150 or less Y: Hydrocarbon group with m + 1 valence and 1 carbon number Q: Sulfanyl group, alkylsulfanyl group, or monovalent heterocyclic group containing sulfur atom R 1 : Direct bond, imino group, oxygen atom, or CH 2 O
R 2 : Hydrogen atom, alkyl group, NR 3 R 4 , or alkoxy group R 3 and R 4 : Independently each of the alkyl group or hydrogen atom m: an integer of 1 to 3]

また、本発明は、上記半導体粒子が、化合物半導体を含んでなる上記光電変換素子に関する。 The present invention also relates to the photoelectric conversion element in which the semiconductor particles include a compound semiconductor.

また、本発明は、上記半導体粒子が、波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得る上記光電変換素子に関する。 The present invention also relates to the photoelectric conversion element in which the semiconductor particles can absorb electromagnetic waves having a wavelength of 700 to 2500 nm.

また、本発明は、上記半導体粒子が、PbS、PbSe及びAg2Sからなる群より選ばれる一種以上を含んでなる上記光電変換素子に関する。 Further, the present invention, the semiconductor particles, PbS, relates the photoelectric conversion element comprising one or more kinds selected from the group consisting of PbSe and Ag 2 S.

また、本発明は、上記一般式(1)で示される表面処理剤と半導体粒子とを含んでなる光電変換層形成用組成物に関する。 The present invention also relates to a composition for forming a photoelectric conversion layer, which comprises a surface treatment agent represented by the above general formula (1) and semiconductor particles.

本発明によれば、耐久性に優れる光電変換素子を得ることができる。 According to the present invention, a photoelectric conversion element having excellent durability can be obtained.

以下、本発明の実施形態について説明する。
<光電変換層>
光電変換層は、電荷分離に寄与し、電磁波(主として光)の吸収によって生じた電子及び正孔をそれぞれ反対方向の電極に向かって輸送する機能を有しているが、本発明に用いられる光電変換層は、一般式(1)で示される表面処理剤と半導体粒子とを含んでなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
<photoelectric conversion layer>
The photoelectric conversion layer contributes to charge separation and has a function of transporting electrons and holes generated by absorption of electromagnetic waves (mainly light) toward electrodes in opposite directions. The photoelectric conversion layer used in the present invention has a function of transporting electrons and holes. The conversion layer contains a surface treatment agent represented by the general formula (1) and semiconductor particles.

<半導体粒子>
光電変換層は、半導体粒子を含有する。半導体粒子とは、半導体からなる平均粒径0.5nm〜100nmの粒子を指す。半導体粒子の平均粒径は、安定性及び光電変換効率を向上させる観点から、好ましくは1nm以上、より好ましくは1.5nm以上、更に好ましくは2nm以上であり、成膜性及び光電変換効率を向上させる観点から、好ましくは20nm以下、より好ましくは10nm以下である。尚、本明細書における半導体粒子の粒径は、透過型電子顕微鏡観察によって測定した数値である。半導体粒子は、化合物半導体を含有することが好ましい。化合物半導体とは、周期表1族元素、2族元素、10族元素、11族元素、12族元素、13族元素、14族元素、15族元素、16族元素及び17族元素からなる群から選ばれる少なくとも2種以上の元素を含む化合物からなる半導体であることが好ましい。半導体粒子は、波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得ることが好ましい。波長700〜2500nmの電磁波は、一般に近赤外光(近赤外線ともいう)と呼称され、半導体粒子が波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得るためには、半導体粒子が波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得る化合物半導体を含有することが好ましい。波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得る化合物半導体としては、例えば、ペロブスカイト結晶構造を有する化合物半導体や金属カルコゲナイド(例えば、酸化物、硫化物、セレン化物、及びテルル化物など)が挙げられる。ペロブスカイト結晶構造を有する化合物半導体としては、具体的には、CH3NH3PbF3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3、CsPbF3、CsPbCl3、CsPbBr3、CsPbI3、RbPbF3、RbPbCl3、RbPbBr3、RbPbI3、KPbF3、KPbCl3、KPbBr3、KPbI3などが挙げられる。また、金属カルコゲナイドとしては、具体的には、PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Sb23、Bi23、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te、Au2S、Au2Se、Au2Te、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、Fe2S、Fe2Se、Fe2Te、In2S3、SnS、SnSe、SnTe、CuInS2、CuInSe2、CuInTe2、EuS、EuSe、EuTeなどが挙げられる。これらの中でも、PbS、PbSe、Ag2Sが好ましい。
<Semiconductor particles>
The photoelectric conversion layer contains semiconductor particles. The semiconductor particles refer to particles made of semiconductors having an average particle size of 0.5 nm to 100 nm. From the viewpoint of improving stability and photoelectric conversion efficiency, the average particle size of the semiconductor particles is preferably 1 nm or more, more preferably 1.5 nm or more, still more preferably 2 nm or more, and improve film forming property and photoelectric conversion efficiency. From the viewpoint of allowing the particles to grow, it is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less. The particle size of the semiconductor particles in the present specification is a numerical value measured by observation with a transmission electron microscope. The semiconductor particles preferably contain compound semiconductors. The compound semiconductor consists of a group consisting of group 1 element, group 2 element, group 10 element, group 11 element, group 12 element, group 13 element, group 14 element, group 15 element, group 16 element and group 17 element. It is preferably a semiconductor composed of a compound containing at least two selected elements. It is preferable that the semiconductor particles can absorb electromagnetic waves having a wavelength of 700 to 2500 nm. An electromagnetic wave having a wavelength of 700 to 2500 nm is generally called near-infrared light (also referred to as near-infrared light), and in order for a semiconductor particle to absorb an electromagnetic wave having a wavelength of 700 to 2500 nm, the semiconductor particle has an electromagnetic wave having a wavelength of 700 to 2500 nm. It preferably contains a compound semiconductor that can be absorbed. Examples of the compound semiconductor capable of absorbing electromagnetic waves having a wavelength of 700 to 2500 nm include compound semiconductors having a perovskite crystal structure and metal chalcogenides (for example, oxides, sulfides, selenes, and tellurides). Specific examples of the compound semiconductor having a perovskite crystal structure include CH 3 NH 3 PbF 3 , CH 3 NH 3 PbCl 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI 3 , CsPbF 3 , CsPbCl 3 , and CsPbBr. 3 , CsPbI 3 , RbPbF 3 , RbPbCl 3 , RbPbBr 3 , RbPbI 3 , KPbF 3 , KPbCl 3 , KPbBr 3 , KPbI 3 and the like. Specific examples of the metal chalcogenide include PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 , Ag 2 S, Ag 2 Se, Ag 2 Te, Au 2 S, and so on. Au 2 Se, Au 2 Te, Cu 2 S, Cu 2 Se, Cu 2 Te, Fe 2 S, Fe 2 Se, Fe 2 Te, In 2 S 3, SnS, SnSe, SnTe, CuInS 2 , CuInSe 2 , CuInTe 2 , EuS, EuSe, EuTe and the like. Among these, PbS, PbSe, Ag 2 S is preferred.

<一般式(1)で示される表面処理剤>
まず、一般式(1)の置換基について説明する。
Xにおける分子量14以上150以下の2価の連結基は、特に限定されないが、好ましくは、アルキレン基及びオキシアルキレン基並びにこれらが結合した基からなる群から選ばれる少なくとも1種の基であることが好ましい。2価の連結基の分子量の上限は、130以下が好ましく、110以下がより好ましい。
<Surface treatment agent represented by the general formula (1)>
First, the substituent of the general formula (1) will be described.
The divalent linking group having a molecular weight of 14 or more and 150 or less in X is not particularly limited, but is preferably at least one group selected from the group consisting of an alkylene group, an oxyalkylene group, and a group to which these are bonded. preferable. The upper limit of the molecular weight of the divalent linking group is preferably 130 or less, more preferably 110 or less.

アルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、ヘキシレン基等のアルキレン基が挙げられ、直鎖であっても分岐であってもよい。炭素数1〜6のアルキレン基が好ましく、より好ましくは炭素数1〜3のアルキレン基である。 Examples of the alkylene group include an alkylene group such as a methylene group, an ethylene group and a hexylene group, which may be linear or branched. An alkylene group having 1 to 6 carbon atoms is preferable, and an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms is more preferable.

オキシアルキレン基としては、オキシメチレン基、オキシエチレン基、オキシヘキシレン基等のオキシアルキレン基等が挙げられ、直鎖であっても分岐であってもよい。炭素数1〜5のオキシアルキレン基が好ましく、より好ましくは炭素数1〜3のオキシアルキレン基である。 Examples of the oxyalkylene group include an oxyalkylene group such as an oxymethylene group, an oxyethylene group and an oxyhexylene group, which may be linear or branched. An oxyalkylene group having 1 to 5 carbon atoms is preferable, and an oxyalkylene group having 1 to 3 carbon atoms is more preferable.

2〜R4におけるアルキル基、及び、Qにおけるアルキルスルファニル基中のアルキル基としては、メチル基、エチル基、ヘキシル基等のアルキル基が挙げられ、直鎖であっても分岐であってもよい。当該アルキル基としては、炭素数1〜6のアルキル基が好ましく、より好ましくは炭素数1〜3のアルキル基であり、特に好ましくはメチル基である。 Examples of the alkyl group in the alkyl group in R 2 to R 4 and the alkyl group in the alkyl sulfanyl group in Q include an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group and a hexyl group, which may be linear or branched. good. As the alkyl group, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferable, an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms is more preferable, and a methyl group is particularly preferable.

2におけるアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、ヘキシロキシ基等のアルコキシ基が挙げられ、直鎖であっても分岐であってもよい。当該アルコキシ基としては、炭素数1〜6のアルコキシ基が好ましく、より好ましくは炭素数1〜3のアルコキシ基であり、特に好ましくはメトキシ基である。 Examples of the alkoxy group in R 2 include an alkoxy group such as a methoxy group, an ethoxy group, and a hexyloxy group, which may be linear or branched. The alkoxy group is preferably an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, more preferably an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms, and particularly preferably a methoxy group.

Qにおける硫黄原子を含有する1価の複素環基としては、例えば、チエニル基、テトラヒドロチエニル基、テトラヒドロチオピラニル基、チアゾリル基、チオモルフォリニル基等が挙げられる。これらは、アルキル基で置換されていてもよい。より好ましくは、チエニル基又はテトラヒドロチオピラニル基である。Qとして、好ましくは、スルファニル基、アルキルスルファニル基、チエニル基又はテトラヒドロチオピラニル基であり、より好ましくは、スルファニル基である。 Examples of the monovalent heterocyclic group containing a sulfur atom in Q include a thienyl group, a tetrahydrothienyl group, a tetrahydrothiopyranyl group, a thiazolyl group, a thiomorpholinyl group and the like. These may be substituted with an alkyl group. More preferably, it is a thienyl group or a tetrahydrothiopyranyl group. The Q is preferably a sulfanil group, an alkylsulfanil group, a thienyl group or a tetrahydrothiopyranyl group, and more preferably a sulfanil group.

Yにおけるm+1価の炭素数1の炭化水素基としては、メチレン基、メチン基が挙げられる。mは1〜3の整数であるが、1又は2が好ましく、より好ましくは1である。すなわちYはメチレン基であることが好ましい。 Examples of the m + 1 valent hydrocarbon group having 1 carbon atom in Y include a methylene group and a methine group. m is an integer of 1 to 3, but 1 or 2 is preferable, and 1 is more preferable. That is, Y is preferably a methylene group.

一般式(1)の態様としては、R1が直接結合であり、R2がアルコキシ基である場合、又は、R1が酸素原子又はCH2Oであり、R2がアルキル基である場合が好ましく、より好ましくはR1が酸素原子でありR2がアルキル基である場合である。以下、一般式(1)で示される表面処理剤の具体例を示す。 In the embodiment of the general formula (1), R 1 is a direct bond and R 2 is an alkoxy group, or R 1 is an oxygen atom or CH 2 O and R 2 is an alkyl group. Preferably, more preferably, R 1 is an oxygen atom and R 2 is an alkyl group. Hereinafter, specific examples of the surface treatment agent represented by the general formula (1) will be shown.

Figure 2021184408
Figure 2021184408

Figure 2021184408
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更に、半導体粒子は、有機配位子やハロゲン元素を含んでも良い。有機配位子としては、カルボキシ基含有化合物、アミノ基含有化合物、スルファニル基含有化合物、及びホスフィノ基含有化合物などが挙げられる。 Further, the semiconductor particles may contain an organic ligand or a halogen element. Examples of the organic ligand include a carboxy group-containing compound, an amino group-containing compound, a sulfanyl group-containing compound, and a phosphino group-containing compound.

カルボキシ基含有化合物としては、オレイン酸、ステアリン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸、カプリン酸などが挙げられる。 Examples of the carboxy group-containing compound include oleic acid, stearic acid, palmitic acid, myristic acid, lauric acid, and capric acid.

アミノ基含有化合物としては、オレイルアミン、ステアリルアミン、パルミチルアミン、ミリスチルアミン、ラウリルアミン、カプリルアミン、オクチルアミン、ヘキシルアミン、ブチルアミンなどが挙げられる。 Examples of the amino group-containing compound include oleylamine, stearylamine, palmitylamine, myristylamine, laurylamine, caprylamine, octylamine, hexylamine, butylamine and the like.

スルファニル基含有化合物としては、エタンチオール、エタンジチオール、ベンゼンチオール、ベンゼンジチオール、デカンチオール、デカンジチオール、メルカプトプロピオン酸などが挙げられる。 Examples of the sulfanyl group-containing compound include ethanethiol, ethanedithiol, benzenethiol, benzenedithiol, decanethiol, decandithiol, and mercaptopropionic acid.

ホスフィノ基含有化合物としては、例えば、トリオクチルホスフィン、及びトリブチルホスフィンなどが挙げられる。 Examples of the phosphino group-containing compound include trioctylphosphine and tributylphosphine.

ハロゲン元素は、特に制限されず、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。ハロゲン元素は、半導体粒子の製造容易性、分散安定性、汎用性、コスト、優れた性能発現などの観点から、好ましくは塩素である。 The halogen element is not particularly limited, and examples thereof include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. The halogen element is preferably chlorine from the viewpoints of ease of manufacture of semiconductor particles, dispersion stability, versatility, cost, excellent performance development, and the like.

<光電変換素子>
本発明の光電変換素子は、一対の電極間に上記光電変換層を有するものである。本発明の光電変換素子において、公知の光電変換素子の構成を適用することができる。また、本発明の光電変換素子は、光電変換層以外は公知の方法で製造することができる。
<photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element of the present invention has the above-mentioned photoelectric conversion layer between a pair of electrodes. In the photoelectric conversion element of the present invention, a known configuration of a photoelectric conversion element can be applied. Further, the photoelectric conversion element of the present invention can be manufactured by a known method except for the photoelectric conversion layer.

ここで、本発明の光電変換層形成用組成物を用いて作成することができる光電変換素子について詳細に説明する。一般的に、半導体粒子を用いた光電変換素子は、少なくとも一対の電極と光電変換層から構成される。光電変換効率の向上などを目的に、電極と半導体粒子のエネルギー的なマッチングや半導体粒子から成る光電変換層の作製法方などによってさまざまな形の素子構造が提案されている。例えば、本発明の光電変換層形成用組成物を用いて以下に示す公知の構成からなる光電変換素子を作製することができる。 Here, a photoelectric conversion element that can be produced by using the composition for forming a photoelectric conversion layer of the present invention will be described in detail. Generally, a photoelectric conversion element using semiconductor particles is composed of at least a pair of electrodes and a photoelectric conversion layer. For the purpose of improving the photoelectric conversion efficiency, various types of device structures have been proposed depending on the energy matching between the electrode and the semiconductor particles and the method of manufacturing the photoelectric conversion layer composed of the semiconductor particles. For example, the photoelectric conversion layer forming composition of the present invention can be used to produce a photoelectric conversion element having the following known configurations.

1.ショットキー型光電変換素子
電子供与性(p型)又は電子受容性(n型)の半導体粒子と電極との界面において形成されるショットキー障壁を利用し、光起電力を得る光電変換素子である。例えば、p型の光電変換層を用いた場合には、一対の電極の内仕事関数が小さいほうの電極との界面にショットキー障壁が形成され、その界面に電荷分離が生じ光電変換が行われる。
1. 1. Schottky type photoelectric conversion element A photoelectric conversion element that obtains photovoltaic power by using a Schottky barrier formed at the interface between an electron-donating (p-type) or electron-accepting (n-type) semiconductor particle and an electrode. .. For example, when a p-type photoelectric conversion layer is used, a Schottky barrier is formed at the interface between the pair of electrodes and the electrode having the smaller internal work function, and charge separation occurs at the interface to perform photoelectric conversion. ..

2.バイレイヤーヘテロ接合型光電変換素子
一対の電極の間に、電子供与性(p型)及び電子受容性(n型)の半導体粒子やその他の半導体材料を個々に形成し、pn接合界面に光電荷分離を生じさせ光電流を得る光電変換素子である。
2. 2. Bilayer heterojunction photoelectric conversion element Electron-donating (p-type) and electron-accepting (n-type) semiconductor particles and other semiconductor materials are individually formed between a pair of electrodes, and light charges are applied to the pn junction interface. It is a photoelectric conversion element that causes separation and obtains a photocurrent.

3.バルクヘテロ接合型光電変換素子
一対の電極の間に、電子供与性(p型)及び電子受容性(n型)の半導体粒子やその他の半導体材料を任意の比率で混合させ有機半導体層を形成する。この際、p型及びn型の材料は均一に分散していても、不均一であっても構わない。個々のp型材料、n型材料が形成する界面で光電荷分離が起こるため、バイレイヤーヘテロ接合型よりもpn接合を広く形成させることが出来る。
3. 3. Bulk heterojunction type photoelectric conversion element An organic semiconductor layer is formed by mixing electron-donating (p-type) and electron-accepting (n-type) semiconductor particles and other semiconductor materials at an arbitrary ratio between a pair of electrodes. At this time, the p-type and n-type materials may be uniformly dispersed or non-uniform. Since photocharge separation occurs at the interface formed by each p-type material and n-type material, it is possible to form a wider pn junction than the bilayer heterojunction type.

<電極>
光電変換素子を構成する一対の電極の内、少なくとも一つは光を透過することが好ましい。具体的な例としては、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、白金、クロム、ニッケル、リチウム、インジウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物などが挙げられる。
<Electrode>
It is preferable that at least one of the pair of electrodes constituting the photoelectric conversion element transmits light. Specific examples include conductive metal oxides such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, and indium tin oxide (ITO), or gold, silver, platinum, chromium, nickel, lithium, indium, aluminum, calcium, and magnesium. And the like, and examples thereof include a mixture or a laminate of these metals and a conductive metal oxide.

電極の形状としては、フラットな形状が一般的であるが、エネルギー変換効率を向上させるために、波型、ピラミッド型、くし型等の形状であっても良い。これら電極の形成方法としては、一般的な電極の形成方法を用いることができ、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等のPVD法、CVD法、化学反応法(ゾルゲル法など)、キャスト法、スプレーコーティング法、インクジェット法、スピンコート法などを挙げることができる。 The electrode is generally flat, but may be corrugated, pyramidal, comb-shaped or the like in order to improve energy conversion efficiency. As a method for forming these electrodes, a general electrode forming method can be used, and a PVD method such as a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, and an ion plating method, a CVD method, a chemical reaction method (sol-gel method, etc.), and casting can be used. Examples thereof include a method, a spray coating method, an inkjet method, and a spin coating method.

光電変換素子は、一対の電極の間に光電変換層以外の層を備えていてもよく、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、及び/又は、電子注入層を有していてもよい。 The photoelectric conversion element may include a layer other than the photoelectric conversion layer between the pair of electrodes, and has a hole injection layer, a hole transport layer, an electron transport layer, and / or an electron injection layer. May be good.

<正孔注入層>
正孔注入層には、光電変換層に対して優れた正孔注入効果を示し、かつ陽極界面との密着性と薄膜形成性に優れた正孔注入層を形成できる正孔注入材料が用いられる。また、このような材料を多層積層させ、正孔注入効果の高い材料と正孔輸送効果の高い材料とを多層積層させた場合、それぞれに用いる材料を正孔注入材料、正孔輸送材料と呼ぶことがある。これら正孔注入材料や正孔輸送材料は、正孔移動度が大きく、イオン化エネルギーが通常5.5eV以下と小さい必要がある。このような正孔注入層としては、より低い電界強度で正孔を発光層に輸送する材料が好ましく、更に正孔の移動度が、例えば104〜106V/cmの電界印加時に、少なくとも10-6cm2/V・秒であるものが好ましい。正孔注入材料及び正孔輸送材料としては、上記の好ましい性質を有するものであれば特に制限はなく、従来、光導伝材料において正孔の電荷輸送材料として慣用されているものや、有機EL素子の正孔注入層に使用されている公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
<Hole injection layer>
For the hole injection layer, a hole injection material that exhibits an excellent hole injection effect on the photoelectric conversion layer and can form a hole injection layer having excellent adhesion to the anode interface and thin film formation is used. .. Further, when such a material is laminated in multiple layers and a material having a high hole injection effect and a material having a high hole transport effect are laminated in multiple layers, the materials used for each are referred to as a hole injection material and a hole transport material. Sometimes. These hole injection materials and hole transport materials need to have a large hole mobility and a small ionization energy of usually 5.5 eV or less. As such a hole injection layer, a material that transports holes to the light emitting layer with a lower electric field strength is preferable, and further , when an electric field with a hole mobility of, for example, 10 4 to 10 6 V / cm is applied, at least. It is preferably 10 -6 cm 2 / V · sec. The hole injecting material and the hole transporting material are not particularly limited as long as they have the above-mentioned preferable properties, and are conventionally used as a hole charge transporting material in an optical transmission material or an organic EL element. Any known material used for the hole injection layer can be selected and used.

このような正孔注入材料や正孔輸送材料としては、例えばトリアゾール誘導体(米国特許3,112,197号明細書等参照)、オキサジアゾール誘導体(米国特許3,189,447号明細書等参照)、イミダゾール誘導体(特公昭37−16096号公報等参照)、ポリアリールアルカン誘導体(米国特許3,615,402号明細書、同第3,820,989号明細書、同第3,542,544号明細書、特公昭45−555号公報、同51−10983号公報、特開昭51−93224号公報、同55−17105号公報、同56−4148号公報、同55−108667号公報、同55−156953号公報、同56−36656号公報等参照)、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体(米国特許第3,180,729号明細書、同第4,278,746号明細書、特開昭55−88064号公報、同55−88065号公報、同49−105537号公報、同55−51086号公報、同56−80051号公報、同56−88141号公報、同57−45545号公報、同54−112637号公報、同55−74546号公報等参照)、フェニレンジアミン誘導体(米国特許第3,615,404号明細書、特公昭51−10105号公報、同46−3712号公報、同47−25336号公報、特開昭54−53435号公報、同54−110536号公報、同54−119925号公報等参照)、アリールアミン誘導体(米国特許第3,567,450号明細書、同第3,180,703号明細書、同第3,240,597号明細書、同第3,658,520号明細書、同第4,232,103号明細書、同第4,175,961号明細書、同第4,012,376号明細書、特公昭49−35702号公報、同39−27577号公報、特開昭55−144250号公報、同56−119132号公報、同56−22437号公報、西独特許第1,110,518号明細書等参照)、アミノ置換カルコン誘導体(米国特許第3,526,501号明細書等参照)、オキサゾール誘導体(米国特許第3,257,203号明細書等に開示のもの)、スチリルアントラセン誘導体(特開昭56−46234号公報等参照)、フルオレノン誘導体(特開昭54−110837号公報等参照)、ヒドラゾン誘導体(米国特許第3,717,462号明細書、特開昭54−59143号公報、同55−52063号公報、同55−52064号公報、同55−46760号公報、同55−85495号公報、同57−11350号公報、同57−148749号公報、特開平2−311591号公報等参照)、スチルベン誘導体(特開昭61−210363号公報、同第61−228451号公報、同61−14642号公報、同61−72255号公報、同62−47646号公報、同62−36674号公報、同62−10652号公報、同62−30255号公報、同60−93455号公報、同60−94462号公報、同60−174749号公報、同60−175052号公報等参照)、シラザン誘導体(米国特許第4,950,950号明細書)、ポリシラン系(特開平2−204996号公報)、アニリン系共重合体(特開平2−282263号公報)、特開平1−211399号公報に開示されている導電性高分子オリゴマー(特にチオフェンオリゴマー)等が挙げられる。 Examples of such a hole injecting material and a hole transporting material include a triazole derivative (see US Pat. No. 3,112,197) and an oxadiazole derivative (see US Pat. No. 3,189,447). ), Imidazole derivative (see Japanese Patent Publication No. 37-1609, etc.), polyarylalkane derivative (US Pat. Nos. 3,615,402, 3,820,989, 3,542,544). No. 45-555, No. 51-10983, No. 51-93224, No. 55-17105, No. 56-4148, No. 55-108667, No. 55-15953A, 56-36656, etc.), Pyrazoline derivative and Pyrazolone derivative (US Pat. Nos. 3,180,729, 4,278,746, JP-A-55- No. 88064, No. 55-88065, No. 49-105537, No. 55-51086, No. 56-80051, No. 56-88141, No. 57-45545, No. 54-112637. No. 55-74546, etc.), phenylenediamine derivatives (US Pat. Nos. 3,615,404, Japanese Patent No. 51-10105, No. 46-3712, No. 47-25336). , JP-A-54-53435, JP-A-541-10536, JP-A-54-119925, etc.), arylamine derivatives (US Pat. Nos. 3,567,450, 3,180,703). No. 3, 240,597, No. 3,658,520, No. 4,232,103, No. 4,175,961, No. 4,175,961 4,012,376, Japanese Patent Publication No. 49-35702, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-27577, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-144250, Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-119132, Japanese Patent Publication No. 56-22437, Western German Patent No. Disclosed in 1,110,518, etc.), amino-substituted calcon derivatives (see US Pat. No. 3,526,501, etc.), oxazole derivatives (see US Pat. No. 3,257,203, etc.) ), Styrylanthracene derivative (see JP-A-56-46234, etc.), fluorenone derivative (see JP-A-54-110837, etc.), Hydrazone derivative (US Pat. Kaisho 54-59143, Gaz. 55-520 See No. 63, No. 55-52064, No. 55-46760, No. 55-85495, No. 57-11350, No. 57-148949, No. 2-311591, etc.). Stilbene Derivatives (Japanese Patent Laid-Open No. 61-210363, No. 61-228451, No. 61-14642, No. 61-72255, No. 62-47646, No. 62-36674, No. 62. See -10652, 62-30255, 60-93455, 60-94462, 60-174749, 60-175052, etc.), stilbene derivatives (US Patent No. 4). , 950, 950), Polysilane-based (Japanese Patent Laid-Open No. 2-204996), Aniline-based copolymer (Japanese Patent Laid-Open No. 2-282263), Conductiveness disclosed in JP-A 1-211399. Examples thereof include polymer oligomers (particularly thiophene oligomers).

また、正孔注入材料や正孔輸送材料として、ポルフィリン化合物(特開昭63−2956965号公報)、芳香族第三級アミン化合物及びスチリルアミン化合物(米国特許第4,127,412号明細書、特開昭53−27033号公報、同54−58445号公報、同54−149634号公報、同54−64299号公報、同55−79450号公報、同55−144250号公報、同56−119132号公報、同61−295558号公報、同61−98353号公報、同63−295695号公報等参照)を用いることもできる。例えば、米国特許第5,061,569号に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有する4,4’−ビス(N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ)ビフェニル等や、特開平4−308688号公報に記載されているトリフェニルアミンユニットが3つスターバースト型に連結された4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン等をあげることができる。また、正孔注入材料として銅フタロシアニンや水素フタロシアニン等のフタロシアニン誘導体も挙げられる。更に、その他、芳香族ジメチリデン系化合物、p型Si、p型SiC等の無機化合物も正孔注入材料や正孔輸送材料として使用することができる。 Further, as a hole injection material and a hole transport material, a porphyrin compound (Japanese Patent Laid-Open No. 63-2956965), an aromatic tertiary amine compound and a styrylamine compound (US Pat. No. 4,127,412). Japanese Patent Laid-Open Nos. 53-27033, 54-58445, 54-149634, 54-64299, 55-79450, 55-144250, 56-119132. , No. 61-295558, No. 61-98353, No. 63-295695, etc.) can also be used. For example, 4,4'-bis (N- (1-naphthyl) -N-phenylamino) biphenyl having two fused aromatic rings in the molecule described in US Pat. No. 5,061,569, etc. , 4,4', 4 "-tris (N- (3-methylphenyl) -N-phenyl" in which three triphenylamine units described in JP-A-4-308688 are linked in a starburst type. Amino) Triphenylamine and the like can be mentioned. Further, phthalocyanine derivatives such as copper phthalocyanine and hydrogen phthalocyanine can be mentioned as the hole injection material. Further, aromatic dimethylidene compounds, p-type Si, p-type SiC and the like can be mentioned. Inorganic compounds can also be used as hole injection materials and hole transport materials.

更に、正孔注入層に使用できる材料としては、酸化モリブデン(MnOx)、酸化バナジウム(VOx)、酸化ルテニウム(RuOx)、酸化銅(CuOx)、酸化タングステン(WOx)、酸化イリジウム(IrOx)等の無機酸化物及びそれらのドープ体も挙げられる。 Further, materials that can be used for the hole injection layer include molybdenum oxide (MnO x ), vanadium oxide (VO x ), ruthenium oxide (RuO x ), copper oxide (CuO x ), tungsten oxide (WO x ), and iridium oxide. Inorganic oxides such as (IrO x ) and their dopes are also mentioned.

芳香族第三級アミン化合物の具体例としては、例えば、N,N’−ジフェニル−N,N’−(3−メチルフェニル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン、N,N,N’,N’−(4−メチルフェニル)−1,1’−フェニル−4,4’−ジアミン、N,N,N’,N’−(4−メチルフェニル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジナフチル−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン、N,N’−(メチルフェニル)−N,N’−(4−n−ブチルフェニル)−フェナントレン−9,10−ジアミン、N,N−ビス(4−ジ−4−トリルアミノフェニル)−4−フェニル−シクロヘキサン、N,N’−ビス(4’−ジフェニルアミノ−4−ビフェニリル)−N,N’−ジフェニルベンジジン、N,N’−ビス(4’−ジフェニルアミノ−4−フェニル)−N,N’−ジフェニルベンジジン、N,N’−ビス(4’−ジフェニルアミノ−4−フェニル)−N,N’−ジ(1−ナフチル)ベンジジン、N,N’−ビス(4’−フェニル(1−ナフチル)アミノ−4−フェニル)−N,N’−ジフェニルベンジジン、N,N’−ビス(4’−フェニル(1−ナフチル)アミノ−4−フェニル)−N,N’−ジ(1−ナフチル)ベンジジン等があげられ、これらは正孔注入材料、正孔輸送材料いずれにも使用することができる。
正孔注入材料として、特に好ましい例を表3及び4に示す。



Specific examples of the aromatic tertiary amine compound include, for example, N, N'-diphenyl-N, N'-(3-methylphenyl) -1,1'-biphenyl-4,4'-diamine, N, N, N', N'-(4-methylphenyl) -1,1'-phenyl-4,4'-diamine, N, N, N', N'-(4-methylphenyl) -1,1'-Biphenyl-4,4'-diamine, N, N'-diphenyl-N, N'-dinaphthyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine, N, N'-(methylphenyl) -N, N'-(4-n-butylphenyl) -phenanthrene-9,10-diamine, N, N-bis (4-di-4-tolylaminophenyl) -4-phenyl-cyclohexane, N, N'-bis ( 4'-diphenylamino-4-biphenylyl) -N, N'-diphenylbenzidine, N, N'-bis (4'-diphenylamino-4-phenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, N, N'- Bis (4'-diphenylamino-4-phenyl) -N, N'-di (1-naphthyl) benzidine, N, N'-bis (4'-phenyl (1-naphthyl) amino-4-phenyl) -N , N'-diphenylbenzidine, N, N'-bis (4'-phenyl (1-naphthyl) amino-4-phenyl) -N, N'-di (1-naphthyl) benzidine and the like, which are positive. It can be used for both hole injection materials and hole transport materials.
Tables 3 and 4 show particularly preferable examples of the hole injection material.



Figure 2021184408
Figure 2021184408




Figure 2021184408
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正孔注入層を形成するには、上述の化合物を、例えば真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ラングミュア−ブロジェット法(LB法)等の公知の方法により薄膜化する。正孔注入層の膜厚は、特に制限はないが、通常は5nm〜5μmである。 In order to form the hole injection layer, the above-mentioned compound is thinned by a known method such as a vacuum deposition method, a spin coating method, a casting method, or a Langmuir-Bloget method (LB method). The film thickness of the hole injection layer is not particularly limited, but is usually 5 nm to 5 μm.

<電子注入層>
電子注入層には、光電変換層に対して優れた電子注入効果を示し、かつ陰極界面との密着性と薄膜形成性に優れた電子注入層を形成できる電子注入材料が用いられる。そのような電子注入材料の例としては、金属錯体化合物、含窒素五員環誘導体、フルオレノン誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェノキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、ペリレンテトラカルボン酸誘導体、フレオレニリデンメタン誘導体、アントロン誘導体、シロール誘導体、トリアリールホスフィンオキシド誘導体、ポリキノリン及びその誘導体、ポリキノキサリン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、カルシウムアセチルアセトナート、酢酸ナトリウム等が挙げられる。また、セシウム等の金属をバソフェナントロリンにドープした無機/有機複合材料(高分子学会予稿集,第50巻,4号,660頁,2001年発行)や、第50回応用物理学関連連合講演会講演予稿集、No.3、1402頁、2003年発行記載のBCP、TPP、T5MPyTZ等も電子注入材料の例として挙げられるが、素子作成に必要な薄膜を形成し、陰極からの電子を注入できて、電子を輸送できる材料であれば、特にこれらに限定されるものではない。
<Electron injection layer>
For the electron injection layer, an electron injection material that exhibits an excellent electron injection effect on the photoelectric conversion layer and can form an electron injection layer having excellent adhesion to the cathode interface and thin film forming property is used. Examples of such electron-injected materials include metal complex compounds, nitrogen-containing five-membered ring derivatives, fluorenone derivatives, anthraquinodimethane derivatives, diphenoquinone derivatives, thiopyrandioxide derivatives, perylenetetracarboxylic acid derivatives, fleolenilidenemethane. Examples thereof include derivatives, anthron derivatives, silol derivatives, triarylphosphin oxide derivatives, polyquinolin and its derivatives, polyquinoxalin and its derivatives, polyfluorene and its derivatives, calcium acetylacetonate, sodium acetate and the like. Inorganic / organic composite materials in which a metal such as cesium is doped with vasophenanthroline (Proceedings of the Society of Polymer Science, Vol. 50, No. 4, p. 660, published in 2001) and the 50th Joint Lecture on Applied Physics. Proceedings of the lecture, No. BCP, TPP, T5MPyTZ, etc. described on page 3, 1402, published in 2003 are also given as examples of electron injection materials, but they can form a thin film necessary for device fabrication, inject electrons from the cathode, and transport electrons. As long as it is a material, it is not particularly limited to these.

上記電子注入材料の中で好ましいものとしては、金属錯体化合物、含窒素五員環誘導体、シロール誘導体、トリアリールホスフィンオキシド誘導体が挙げられる。好ましい金属錯体化合物としては、8−ヒドロキシキノリン又はその誘導体の金属錯体が好適である。8−ヒドロキシキノリン又はその誘導体の金属錯体の具体例としては、トリス(8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム、トリス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム、トリス(4−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム、トリス(5−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム、トリス(5−フェニル−8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)(1−ナフトラート)アルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)(2−ナフトラート)アルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)(フェノラート)アルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)(4−シアノ−1−ナフトラート)アルミニウム、ビス(4−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(1−ナフトラート)アルミニウム、ビス(5−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(2−ナフトラート)アルミニウム、ビス(5−フェニル−8−ヒドロキシキノリナート)(フェノラート)アルミニウム、ビス(5−シアノ−8−ヒドロキシキノリナート)(4−シアノ−1−ナフトラート)アルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)クロロアルミニウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)(o−クレゾラート)アルミニウム等のアルミニウム錯体化合物、トリス(8−ヒドロキシキノリナート)ガリウム、トリス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)ガリウム、トリス(4−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)ガリウム、トリス(5−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)ガリウム、トリス(2−メチル−5−フェニル−8−ヒドロキシキノリナート)ガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(1−ナフトラート)ガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(2−ナフトラート)ガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(フェノラート)ガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(4−シアノ−1−ナフトラート)ガリウム、ビス(2、4−ジメチル−8−ヒドロキシキノリナート)(1−ナフトラート)ガリウム、ビス(2、5−ジメチル−8−ヒドロキシキノリナート)(2−ナフトラート)ガリウム、ビス(2−メチル−5−フェニル−8−ヒドロキシキノリナート)(フェノラート)ガリウム、ビス(2−メチル−5−シアノ−8−ヒドロキシキノリナート)(4−シアノ−1−ナフトラート)ガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)クロロガリウム、ビス(2−メチル−8−ヒドロキシキノリナート)(o−クレゾラート)ガリウム等のガリウム錯体化合物の他、8−ヒドロキシキノリナートリチウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)銅、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)マンガン、ビス(10−ヒドロキシベンゾ[h]キノリナート)ベリリウム、ビス(8−ヒドロキシキノリナート)亜鉛、ビス(10−ヒドロキシベンゾ[h]キノリナート)亜鉛等の金属錯体化合物が挙げられる。 Among the electron-injected materials, preferred examples include a metal complex compound, a nitrogen-containing five-membered ring derivative, a silol derivative, and a triarylphosphine oxide derivative. As a preferable metal complex compound, a metal complex of 8-hydroxyquinoline or a derivative thereof is suitable. Specific examples of the metal complex of 8-hydroxyquinoline or a derivative thereof include tris (8-hydroxyquinolinate) aluminum, tris (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) aluminum, and tris (4-methyl-8-). Hydroxyquinolinate) Aluminum, Tris (5-Methyl-8-Hydroxyquinolinate) Aluminum, Tris (5-phenyl-8-Hydroxyquinolinate) Aluminum, Bis (8-Hydroxyquinolinate) (1-naphtholat) ) Aluminum, bis (8-hydroxyquinolinate) (2-naphtholat) Aluminum, bis (8-hydroxyquinolinate) (phenorate) aluminum, bis (8-hydroxyquinolinate) (4-cyano-1-naphtholate) ) Aluminum, bis (4-methyl-8-hydroxyquinolinate) (1-naphtholate) aluminum, bis (5-methyl-8-hydroxyquinolinate) (2-naphtholate) aluminum, bis (5-phenyl-8) -Hydroxyquinolinate) (phenorate) aluminum, bis (5-cyano-8-hydroxyquinolinate) (4-cyano-1-naphtholate) aluminum, bis (8-hydroxyquinolinate) chloroaluminum, bis (8) -Aluminum complex compounds such as hydroxyquinolinate (o-cresolate) aluminum, tris (8-hydroxyquinolinate) gallium, tris (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) gallium, tris (4-methyl- 8-Hydroxyquinolinate) gallium, tris (5-methyl-8-hydroxyquinolinate) gallium, tris (2-methyl-5-phenyl-8-hydroxyquinolinate) gallium, bis (2-methyl-8) -Hydroxyquinolinate) (1-naphtholate) gallium, bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) (2-naphtholate) gallium, bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) (phenorate) gallium , Bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) (4-cyano-1-naphtholate) gallium, bis (2,4-dimethyl-8-hydroxyquinolinate) (1-naphtholate) gallium, bis (2) , 5-Dimethyl-8-Hydroxyquinolinate) (2-naphtholate) gallium, bis (2-methyl-5-phenyl-8-hydroxyquinolinate) (phenorate) gallium, bis (2-methyl-5-cy) Anno-8-hydroxyquinolinate) (4-cyano-1-naphtholate) gallium, bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) chlorogallium, bis (2-methyl-8-hydroxyquinolinate) ( In addition to gallium complex compounds such as o-cresolate) gallium, 8-hydroxyquinolinate lithium, bis (8-hydroxyquinolinate) copper, bis (8-hydroxyquinolinate) manganese, bis (10-hydroxybenzo [h] ] Kinolinate) Metal complex compounds such as berylium, bis (8-hydroxyquinolinate) zinc, and bis (10-hydroxybenzo [h] quinolinate) zinc can be mentioned.

また、好ましい含窒素五員環誘導体としては、オキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体があげられ、具体的には、2,5−ビス(1−フェニル)−1,3,4−オキサゾール、2,5−ビス(1−フェニル)−1,3,4−チアゾール、2,5−ビス(1−フェニル)−1,3,4−オキサジアゾール、2−(4’−tert−ブチルフェニル)−5−(4”−ビフェニル)1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ビス(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール、1,4−ビス[2−(5 −フェニルオキサジアゾリル)]ベンゼン、1,4−ビス[2−(5−フェニルオキサジアゾリル)−4−tert−ブチルベンゼン]、2−(4’−tert− ブチルフェニル)−5−(4”−ビフェニル)−1,3,4−チアジアゾール、2,5−ビス(1−ナフチル)−1,3,4−チアジアゾール、1,4−ビス[2−(5−フェニルチアジアゾリル)]ベンゼン、2−(4’−tert−ブチルフェニル)−5−(4”−ビフェニル)−1,3,4−トリアゾール、2,5−ビス(1−ナフチル)−1,3,4−トリアゾール、1,4−ビス[2−(5−フェニルトリアゾリル)]ベンゼン等が挙げられる。 Preferable nitrogen-containing five-membered ring derivatives include oxadiazole derivatives, thiazole derivatives, oxadiazole derivatives, thiadiazole derivatives, and triazole derivatives, and specifically, 2,5-bis (1-phenyl) -1, 3,4-Oxadiazole, 2,5-bis (1-phenyl) -1,3,4-thiazole, 2,5-bis (1-phenyl) -1,3,4-oxadiazole, 2- (4) '-Tert-butylphenyl) -5- (4 "-biphenyl) 1,3,4-oxadiazole, 2,5-bis (1-naphthyl) -1,3,4-oxadiazole, 1,4 -Bis [2- (5-phenyloxadiazolyl)] benzene, 1,4-bis [2- (5-phenyloxadiazolyl) -4-tert-butylbenzene], 2- (4'-tert-butyl Benzene) -5- (4 "-biphenyl) -1,3,4-thiadiazole, 2,5-bis (1-naphthyl) -1,3,4-thiadiazole, 1,4-bis [2- (5- (5-) Phenylthiazolyl)] Benzene, 2- (4'-tert-butylphenyl) -5- (4 "-biphenyl) -1,3,4-triazole, 2,5-bis (1-naphthyl) -1, Examples thereof include 3,4-triazole and 1,4-bis [2- (5-phenyltriazolyl)] benzene.

更に、電子注入層に使用できる材料としては、酸化亜鉛(ZnOx)、酸化チタン(TiOx)、等の無機酸化物及びそれらのドープ体も挙げられる。 Further, examples of the material that can be used for the electron injection layer include inorganic oxides such as zinc oxide (ZnO x ) and titanium oxide (TiO x ) and their doped bodies.

特に好ましいオキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体及びシロール誘導体の具体例を表5〜7に示す。尚、表中のPhはフェニル基を表わす。 Specific examples of particularly preferable oxadiazole derivatives, triazole derivatives and siror derivatives are shown in Tables 5 to 7. In addition, Ph in the table represents a phenyl group.

(オキサジアゾール誘導体)

Figure 2021184408



(Oxadiazole derivative)
Figure 2021184408



(トリアゾール誘導体)

Figure 2021184408



























(Triazole derivative)
Figure 2021184408



























(シロール誘導体)

Figure 2021184408





(Siror derivative)
Figure 2021184408





光電変換素子は、の各層以外に、その他の構成部材を備えていても良い。例えば、紫外線を透過させない光学膜(フィルタ)を備えていても良い。紫外線は、エネルギーが高いため有機材料を劣化させる一因となる。この紫外線を遮断することにより、素子を長寿命化させることが出来る。 The photoelectric conversion element may include other constituent members in addition to the respective layers. For example, an optical film (filter) that does not transmit ultraviolet rays may be provided. Ultraviolet rays have high energy and contribute to deterioration of organic materials. By blocking this ultraviolet ray, the life of the element can be extended.

外部からの衝撃に対して光電変換層を保護する目的で、保護膜を備えていても良い。保護膜は、例えば、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンポリビニルアルコール共重合体等のポリマー膜、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等の無機酸化膜や窒化膜、アルミニウム等の金属板もしくは金属箔、あるいはこれらの積層膜などにより構成することができる。なお、これらの保護膜の材料は、1種のみを用いてもよく、2種以上をも良い。 A protective film may be provided for the purpose of protecting the photoelectric conversion layer from an external impact. The protective film is, for example, a polymer film such as styrene resin, epoxy resin, acrylic resin, polyurethane, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyethylene polyvinyl alcohol copolymer, or an inorganic oxide film such as silicon oxide, silicon nitride, or aluminum oxide. It can be made of a nitride film, a metal plate such as aluminum or a metal foil, or a laminated film thereof. As the material of these protective films, only one kind may be used, or two or more kinds may be used.

一般に半導体粒子は、空気中の水分や酸素により劣化を招くといわれている。それを防ぐため、バリア膜を備えていても良い。例えば、金属又は無機酸化物が好ましく、Ti、Al、Mg、Zr、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化珪素、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化イットリウム、酸化ホウ素、酸化カルシウム等を挙げることができる。これら各種機能性膜を積層させる順番は特になく、これらの機能を併せ持つ機能性膜を用いても良い。 It is generally said that semiconductor particles are deteriorated by moisture and oxygen in the air. A barrier membrane may be provided to prevent this. For example, metals or inorganic oxides are preferable, and Ti, Al, Mg, Zr, silicon oxide, aluminum oxide, silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, yttrium oxide, boron oxide, etc. Calcium oxide and the like can be mentioned. There is no particular order in which these various functional films are laminated, and a functional film having these functions may be used.

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明する。特に断りのない限り、「部」は「質量部」、「%」は「質量%」を表す。なお、特に断りのない限り、全ての測定は25℃で行った。比較例に用いた表面処理剤の構造を表8に示す。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. Unless otherwise specified, "part" means "part by mass" and "%" means "% by mass". Unless otherwise specified, all measurements were performed at 25 ° C. Table 8 shows the structure of the surface treatment agent used in the comparative example.

Figure 2021184408
Figure 2021184408

<半導体粒子PbS−0の調製>
まず、硫黄源溶液として、単体硫黄0.40部とオレイルアミン6.0部を反応容器中、窒素雰囲気下、120℃に加熱して均一な溶液をした後、25℃に冷却した。次に、鉛源溶液として、塩化鉛0.32部、オレイルアミン6.0部を別の反応容器中、窒素雰囲気下、120℃に加熱した。その後、鉛源溶液を40℃に調製した後、上記の硫黄源溶液1.8部を一気に加えた。30秒間反応させた後、容器を氷浴に漬けて急冷した後、ヘキサン13部で希釈した。遠心分離(4000rpm、5分間)を行って未反応の原料を除去した後、ブタノール:メタノール=2:1(体積比)からなる混合液を12部加えて半導体粒子を沈降させ、遠心分離(4000rpm、5分間)を行い半導体粒子を回収した。その後、ヘキサン:オレイン酸=1:2(体積比)からなる混合液を24部加えて30分間攪拌し、遠心分離を行い、上澄みを回収した。半導体粒子沈降、再分散、不純物沈降を更に2回繰り返し、最後に半導体粒子を沈降させ、真空乾燥した後、n−オクタンを用いて固形分濃度5%に調製し、半導体粒子PbS−0を得た(平均粒径3.5nm)。
<Preparation of semiconductor particles PbS-0>
First, as a sulfur source solution, 0.40 part of elemental sulfur and 6.0 parts of oleylamine were heated to 120 ° C. in a nitrogen atmosphere in a reaction vessel to form a uniform solution, and then cooled to 25 ° C. Next, as a lead source solution, 0.32 parts of lead chloride and 6.0 parts of oleylamine were heated to 120 ° C. in another reaction vessel under a nitrogen atmosphere. Then, after preparing the lead source solution at 40 ° C., 1.8 parts of the above sulfur source solution was added at once. After reacting for 30 seconds, the container was immersed in an ice bath and rapidly cooled, and then diluted with 13 parts of hexane. After centrifuging (4000 rpm, 5 minutes) to remove unreacted raw materials, add 12 parts of a mixed solution of butanol: methanol = 2: 1 (volume ratio) to precipitate the semiconductor particles and centrifuge (4000 rpm). 5 minutes) to recover the semiconductor particles. Then, 24 parts of a mixed solution consisting of hexane: oleic acid = 1: 2 (volume ratio) was added, and the mixture was stirred for 30 minutes, centrifuged, and the supernatant was recovered. Semiconductor particle sedimentation, redispersion, and impurity sedimentation are repeated twice, and finally the semiconductor particles are precipitated and vacuum dried, and then adjusted to a solid content concentration of 5% using n-octane to obtain semiconductor particles PbS-0. (Average particle size 3.5 nm).

<半導体粒子PbSe−0の合成>
鉛源溶液として、酸化鉛0.22部、オレイン酸0.73部、1−オクタデセン10部を反応容器中、窒素雰囲気下、150℃に加熱した。その後、1Mトリオクチルホスフィン-セレン溶液を2.5部とジフェニルホスフィン0.028部からなる混合物を素早く加え、反応溶液を180℃に加熱した後、160℃に保温し、2分間反応させたあと、反応溶液を急冷した。10部のヘキサンで希釈した後、アセトンで沈殿させた。沈殿物をアセトンで5回洗浄し、真空乾燥させて半導体粒子PbSe−0を得た(平均粒径2.7nm)。
<Semiconductor particle PbSe-0 synthesis>
As a lead source solution, 0.22 parts of lead oxide, 0.73 parts of oleic acid, and 10 parts of 1-octadecene were heated to 150 ° C. in a reaction vessel under a nitrogen atmosphere. Then, a mixture consisting of 2.5 parts of 1M trioctylphosphine-selenium solution and 0.028 parts of diphenylphosphine was quickly added, the reaction solution was heated to 180 ° C., kept at 160 ° C., and reacted for 2 minutes. , The reaction solution was quenched. After diluting with 10 parts of hexane, it was precipitated with acetone. The precipitate was washed with acetone 5 times and vacuum dried to obtain semiconductor particles PbSe-0 (average particle size 2.7 nm).

<半導体微粒子Ag2S−0の合成>
0.04部のオレイン酸銀と、8部のオクタンチオールと、4部のドデシルアミンとを反応容器中、Ar雰囲気下、200℃で0.5時間加熱した。この溶液を室温に放冷した後、40部の無水エタノールを添加した。得られた混合物を遠心分離し、真空乾燥させて半導体粒子Ag2S−0を得た(平均粒径2.5nm)。
<Semiconductor fine particles Ag 2 S-0 synthesis>
0.04 parts of silver oleate, 8 parts of octanethiol, and 4 parts of dodecylamine were heated in a reaction vessel at 200 ° C. for 0.5 hours in an Ar atmosphere. After allowing this solution to cool to room temperature, 40 parts of absolute ethanol was added. The obtained mixture was centrifuged and vacuum dried to obtain semiconductor particles Ag 2 S-0 (average particle size 2.5 nm).

<光電変換層形成用組成物の調製>
<実施例1>
半導体粒子PbS−0を固形分濃度1%のトルエン溶液に調製した。調製した溶液1部と5%表面処理剤1のトルエン溶液1部とを混合した後、12時間撹拌した。トルエンとエタノールを用いて再沈殿法で精製を行った。沈殿を真空乾燥し、n‐オクタンの5重量%溶液として、光電変換形成用組成物PbS−1を調製した。
<Preparation of composition for forming photoelectric conversion layer>
<Example 1>
Semiconductor particles PbS-0 were prepared in a toluene solution having a solid content concentration of 1%. After mixing 1 part of the prepared solution and 1 part of the toluene solution of 5% surface treatment agent 1, the mixture was stirred for 12 hours. Purification was performed by the reprecipitation method using toluene and ethanol. The precipitate was vacuum dried to prepare a photoelectric conversion forming composition PbS-1 as a 5 wt% solution of n-octane.

<実施例2〜22、比較例1〜8>
表面処理剤1を表9に示す表面処理剤に変更した以外は、実施例1と同様にしてPbS−2〜24、PbSe−1〜3、Ag2S−1〜3をそれぞれ調製した。この内、PbS−2〜18、PbSe−1及び2、Ag2S−1及び2は、本発明の光電変換層形成用組成物であり、PbS−19〜24、PbSe−3、Ag2S−3は、本発明の光電変換層形成用組成物ではない組成物である。
<Examples 2 to 22, Comparative Examples 1 to 8>
PbS-2 to 24, PbSe-1 to 3, and Ag 2 S-1 to 3 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface treatment agent 1 was changed to the surface treatment agent shown in Table 9. Of these, PbS-2 to 18, PbSe-1 and 2, Ag 2 S-1 and 2 are the compositions for forming a photoelectric conversion layer of the present invention, and PbS-19 to 24, PbSe-3, Ag 2 S. -3 is a composition that is not the composition for forming a photoelectric conversion layer of the present invention.

Figure 2021184408
Figure 2021184408

<実施例1>
(光電変換素子の作製)
以下に光電変換素子の作製と評価について説明する。蒸着は、10-6Torrの真空中にて基板の加熱や冷却等の温度制御は行わない条件下で行った。素子の評価は、素子面積2mm×2mmの光電変換素子を用いて測定した。まず、洗浄したITO電極付きガラス板上に、PEDOT/PSS(ポリ(3,4−エチレンジオキシ)−2,5−チオフェン/ポリスチレンスルホン酸、Heraeus社製CLEVIOUS(登録商標) PVP CH8000)をスピンコート法にて塗工し、110℃にて20分間乾燥させて、厚み35nmの正孔注入層を得た。正孔注入層上に、光電変換層形成用組成物PbS−1をスピンコート法で塗工し、厚み150nmの光電変換層を形成した。 次いで、光電変換層上に、Avantama社製ZnO分散液N−10をスピンコートで製膜して厚み50nmの電子輸送層を形成した。次いで、電子輸送層上に、厚み200nmでアルミニウム(以下、Al)を蒸着して電極を形成し、光電変換素子を得た。
<Example 1>
(Manufacturing of photoelectric conversion element)
The production and evaluation of the photoelectric conversion element will be described below. The vapor deposition was carried out in a vacuum of 10-6 Torr under the condition that the temperature was not controlled such as heating and cooling of the substrate. The evaluation of the element was measured using a photoelectric conversion element having an element area of 2 mm × 2 mm. First, spin PEDOT / PSS (poly (3,4-ethylenedioxy) -2.5-thiophene / polystyrene sulfonic acid, CLEVIOUS (registered trademark) PVP CH8000 manufactured by Heraeus) on a cleaned glass plate with ITO electrode. It was coated by a coating method and dried at 110 ° C. for 20 minutes to obtain a hole injection layer having a thickness of 35 nm. The composition for forming a photoelectric conversion layer PbS-1 was applied onto the hole injection layer by a spin coating method to form a photoelectric conversion layer having a thickness of 150 nm. Next, a ZnO dispersion N-10 manufactured by Avantama was formed on the photoelectric conversion layer by spin coating to form an electron transport layer having a thickness of 50 nm. Next, aluminum (hereinafter referred to as Al) was vapor-deposited on the electron transport layer to a thickness of 200 nm to form an electrode, and a photoelectric conversion element was obtained.

(光電変換素子の評価)
得られた素子について、以下に示す方法によって耐久性を評価した。素子の保管前後のI−V曲線を測定し、比を算出することにより、耐久性を算出した。セルのI−V曲線は、キセノンランプ白色光を光源(ペクセル・テクノロジーズ株式会社製、PEC―L01)とし、太陽光(AM1.5)相当の光強度(100 mW/cm2)にて、光照射面積0.0363 cm2(2 mm角)のマスク下、I−V特性計測装置(ペクセル・テクノロジーズ株式会社製、PECK2400−N)を用いて走査速度0.1V/sec(0.01Vstep)、電圧設定後待ち時間50 msec、測定積算時間50msec、開始電圧−0.1V、終了電圧1.1Vの条件で測定した。耐久性は、光電変換素子を保存前(素子作製直後)、及び遮光、25℃、湿度60%の条件下で4日間保存した後のI―V曲線を測定し、保存前(素子作製直後)の変換効率に対する保存後の変換効率の比として算出した。
(評価基準)
◎:比が95%以上 :良好
○:比が90%以上95%未満 :実用上使用可能
△:比が80%以上90%未満 :実用上使用不可
×:比が80%未満 :不良
(Evaluation of photoelectric conversion element)
The durability of the obtained device was evaluated by the method shown below. Durability was calculated by measuring the IV curve before and after storage of the element and calculating the ratio. The IV curve of the cell uses xenon lamp white light as a light source (PEC-L01 manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.) and is light at a light intensity (100 mW / cm 2 ) equivalent to sunlight (AM1.5). Under a mask with an irradiation area of 0.0363 cm 2 (2 mm square), a scanning speed of 0.1 V / sec (0.01 Vstep) using an IV characteristic measuring device (PECK2400-N, manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.). The measurement was performed under the conditions of a waiting time of 50 msec after setting the voltage, a measurement integration time of 50 msec, a start voltage of −0.1 V, and an end voltage of 1.1 V. For durability, the IV curve was measured before storage (immediately after device fabrication) and after storage of the photoelectric conversion element for 4 days under the conditions of shading, 25 ° C., and humidity of 60%, and before storage (immediately after device fabrication). It was calculated as the ratio of the conversion efficiency after storage to the conversion efficiency of.
(Evaluation criteria)
⊚: Ratio 95% or more: Good ○: Ratio 90% or more and less than 95%: Practically usable △: Ratio 80% or more and less than 90%: Practically unusable ×: Ratio less than 80%: Defective

<実施例2〜22>
実施例1で使用したPbS−1の替わりに、PbS−2〜18,PbSe−1〜2,Ag2S−1〜2をそれぞれ使用した以外は、実施例1と同様にして光電変換素子をそれぞれ作製、評価した。結果を表10に示した。
<Examples 2 to 22>
The photoelectric conversion element was used in the same manner as in Example 1 except that PbS-2 to 18, PbSe-1 to 2 and Ag 2 S-1 to 2 were used instead of PbS-1 used in Example 1. Each was prepared and evaluated. The results are shown in Table 10.

<比較例1〜8>
実施例1で使用したPbS−1の替わりに、PbS−19〜24,PbSe−3,Ag2S−3をそれぞれ使用した以外は、実施例1と同様にして光電変換素子をそれぞれ作製、評価した。結果を表10に示した。
<Comparative Examples 1 to 8>
Instead of PbS-1 used in Example 1, prepared PbS-19~24, PbSe-3, Ag is 2 S-3 a except for using each in the same manner as in Example 1 a photoelectric conversion element, respectively, evaluation bottom. The results are shown in Table 10.

Figure 2021184408
Figure 2021184408

本発明の光電変換素子(実施例1〜22)は、いずれも比較例の素子よりも経時での耐久性に優れていることが明らかとなった。実施例1〜22で用いた表面処理剤1〜18は、カルボニル基半導体粒子表面への吸着が可能であり、その結果、酸素、水等による劣化が抑制され、素子の耐久性が向上したのではないかと推察される。実施例1〜3、13〜15では、特に高い耐久性が認められた。これは、表面処理剤1〜3、13〜15はいずれもアセトキシ基を有しており、半導体粒子上で多点吸着する効果に加え、半導体粒子同士を密に配列させることで酸素、水の接近が更に抑制できたのではないかと推察される。 It has been clarified that all of the photoelectric conversion elements (Examples 1 to 22) of the present invention are superior in durability over time to the elements of the comparative examples. The surface treatment agents 1 to 18 used in Examples 1 to 22 can be adsorbed on the surface of carbonyl group semiconductor particles, and as a result, deterioration due to oxygen, water, etc. is suppressed, and the durability of the device is improved. It is speculated that it may be. In Examples 1 to 3 and 13 to 15, particularly high durability was observed. This is because the surface treatment agents 1 to 3 and 13 to 15 all have an acetoxy group, and in addition to the effect of adsorbing at multiple points on the semiconductor particles, oxygen and water are formed by closely arranging the semiconductor particles. It is speculated that the approach could be further suppressed.

Claims (5)

一対の電極間に光電変換層を有してなる光電変換素子であって、光電変換層が、下記一般式(1)で示される表面処理剤と半導体粒子とを含んでなる光電変換素子。

一般式(1)
Figure 2021184408
[一般式(1)中、
X: 直接結合、又は分子量14以上150以下の2価の連結基
Y: m+1価の炭素数1の炭化水素基
Q: スルファニル基、アルキルスルファニル基、又は硫黄原子を含有する1価の複素環基
1: 直接結合、イミノ基、酸素原子、又はCH2
2: 水素原子、アルキル基、NR34、又はアルコキシ基
3及びR4: 各々独立して、アルキル基、又は水素原子
m: 1〜3の整数]
A photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer between a pair of electrodes, wherein the photoelectric conversion layer contains a surface treatment agent represented by the following general formula (1) and semiconductor particles.

General formula (1)
Figure 2021184408
[In general formula (1),
X: Direct bond or divalent linking group with a molecular weight of 14 or more and 150 or less Y: Hydrocarbon group with m + 1 valence and 1 carbon number Q: Sulfanyl group, alkylsulfanyl group, or monovalent heterocyclic group containing sulfur atom R 1 : Direct bond, imino group, oxygen atom, or CH 2 O
R 2 : Hydrogen atom, alkyl group, NR 3 R 4 , or alkoxy group R 3 and R 4 : Independently each of the alkyl group or hydrogen atom m: an integer of 1 to 3]
半導体粒子が、化合物半導体を含んでなる請求項1記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor particles include a compound semiconductor. 半導体粒子が、波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得る請求項1又は2記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor particles can absorb electromagnetic waves having a wavelength of 700 to 2500 nm. 半導体粒子が、PbS、PbSe及びAg2Sからなる群より選ばれる一種以上を含んでなる請求項2又は3記載の光電変換素子。 Semiconductor particles, PbS, PbSe and Ag 2 is selected from the group consisting of S comprising one or more kinds according to claim 2 or 3 photoelectric conversion device according. 下記一般式(1)で示される表面処理剤と半導体粒子とを含んでなる光電変換層形成用組成物。
一般式(1)
Figure 2021184408
[一般式(1)中、
X: 直接結合、又は分子量14以上150以下の2価の連結基
Y: m+1価の炭素数1の炭化水素基
Q: スルファニル基、アルキルスルファニル基、又は硫黄原子を含有する1価の複素環基
1: 直接結合、イミノ基、酸素原子、又はCH2
2: 水素原子、アルキル基、NR34、又はアルコキシ基
3及びR4: 各々独立して、アルキル基、又は水素原子
m: 1〜3の整数]
A composition for forming a photoelectric conversion layer, which comprises a surface treatment agent represented by the following general formula (1) and semiconductor particles.
General formula (1)
Figure 2021184408
[In general formula (1),
X: Direct bond or divalent linking group with a molecular weight of 14 or more and 150 or less Y: Hydrocarbon group with m + 1 valence and 1 carbon number Q: Sulfanyl group, alkylsulfanyl group, or monovalent heterocyclic group containing sulfur atom R 1 : Direct bond, imino group, oxygen atom, or CH 2 O
R 2 : Hydrogen atom, alkyl group, NR 3 R 4 , or alkoxy group R 3 and R 4 : Independently each of the alkyl group or hydrogen atom m: an integer of 1 to 3]
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