JP2021190520A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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俊一 鬼久保
Shunichi Onikubo
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Abstract

To provide a photoelectric conversion element with excellent photoelectric conversion efficiency, in which dark current can be suppressed.SOLUTION: A photoelectric conversion element includes an anode, a photoelectric conversion unit including at least two photoelectric conversion layers that are continuous, and a cathode. The photoelectric conversion unit includes at least two kinds of photoelectric conversion layers selected from a photoelectric conversion layer (PEL1) including a semiconductor particle (A1) whose surface is processed with a hole-transporting ligand, a photoelectric conversion layer (PEL2) including a semiconductor particle (A2) whose surface is processed with an electron-transporting ligand, a photoelectric conversion layer (PEL3) including a semiconductor particle (A3) whose surface is processed with both the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand, and a photoelectric conversion layer (PEL4) including a mixture of the semiconductor particle (A1) and the semiconductor particle (A2).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element.

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報告されている。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。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。特許文献3には、オレイン酸の替わりに、ベンゼンチオール、ベンゼンジチオール、3−メルカプトプロピオン酸、エチレンジアミン、テトラブチルアンモニウムのハライド塩等をリガンドとして用いることで、PbS量子ドットのエネルギーレベルを制御し、光電変換素子特性を改善可能であることが示唆されている。 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 reports 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. 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. There is. In Patent Document 3, the energy level of PbS quantum dots is controlled by using a halide salt of benzenethiol, benzenedithiol, 3-mercaptopropionic acid, ethylenediamine, tetrabutylammonium, etc. as a ligand instead of oleic acid. It is suggested that the characteristics of the photoelectric conversion element can be improved.

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 特表2017−516320号公報Special Table 2017-516320 Gazette

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 1,2,2-Ethanethi

しかしながら、上記発明では、光電変換能の一層の改善が必要となっていた。また、光検出用途ではノイズの原因となる暗電流を十分に抑制できておらず、課題となっていた。したがって、本発明が解決しようとする課題は、優れた光電変換効率と暗電流を抑制できる光電変換素子を提供することにある。 However, in the above invention, it is necessary to further improve the photoelectric conversion ability. Further, in light detection applications, the dark current that causes noise cannot be sufficiently suppressed, which has been a problem. Therefore, an object to be solved by the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of excellent photoelectric conversion efficiency and suppression of dark current.

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、
陽極と、少なくとも連続した二層の光電変換層を有する光電変換部と、陰極と、を有する光電変換素子であって、上記光電変換部が、正孔輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A1)を含む光電変換層(PEL1)、電子輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A2)を含む光電変換層(PEL2)、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの両者で表面処理されている半導体粒子(A3)を含む光電変換層(PEL3)、及び上記半導体粒子(A1)と上記半導体粒子(A2)との混合物を含む光電変換層(PEL4)からなる群から選ばれる少なくとも二種の光電変換層を有する光電変換素子に関する。
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
A semiconductor particle having a photoelectric conversion unit having an anode, at least two continuous photoelectric conversion layers, and a cathode, wherein the photoelectric conversion unit is surface-treated with a hole transporting ligand. A photoelectric conversion layer (PEL1) containing (A1), a photoelectric conversion layer (PEL2) containing semiconductor particles (A2) surface-treated with an electron-transporting ligand, and a surface of both a hole-transporting ligand and an electron-transporting ligand. At least selected from the group consisting of a photoelectric conversion layer (PEL3) containing the processed semiconductor particles (A3) and a photoelectric conversion layer (PEL4) containing a mixture of the semiconductor particles (A1) and the semiconductor particles (A2). The present invention relates to a photoelectric conversion element having two types of photoelectric conversion layers.

また、本発明は、上記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、化合物半導体を含んでなる光電変換層を有する上記光電変換素子に関する。 The present invention also relates to the photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer in which at least one selected from the group consisting of the semiconductor particles (A1), (A2) and (A3) contains a compound semiconductor.

また、本発明は、上記光電変換部が、上記陽極側から、(PEL1)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)、(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL4)、(PEL4)/(PEL2)、又は(PEL1)/(PEL4)/(PEL2)の順に配置されている上記光電変換素子に関する。 Further, in the present invention, the photoelectric conversion unit has (PEL1) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3), (PEL3) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3) / (from the anode side. The present invention relates to the above-mentioned photoelectric conversion element arranged in the order of PEL2), (PEL1) / (PEL4), (PEL4) / (PEL2), or (PEL1) / (PEL4) / (PEL2).

また、本発明は、上記正孔輸送性リガンドの最高被占軌道(HOMO)のエネルギー準位が、上記電子輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きい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 energy level of the highest occupied orbital (HOMO) of the hole transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of HOMO of the electron transporting ligand.

また、本発明は、上記正孔輸送性リガンドの最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位が、上記電子輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きい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 energy level of the lowest empty orbit (LUMO) of the hole transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of LUMO of the electron transporting ligand.

また、本発明は、上記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、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 at least one selected from the group consisting of the semiconductor particles (A1), (A2) and (A3) can absorb an electromagnetic wave having a wavelength of 700 to 2500 nm.

また、本発明は、上記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、PbS、PbSe及びAg2Sからなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでなる光電変換層を有する上記光電変換素子に関する。 Further, the present invention, the semiconductor particles (A1), (A2) and at least one member selected from the group consisting of (A3) is, PbS, photoelectric comprising at least one selected from the group consisting of PbSe and Ag 2 S The present invention relates to the photoelectric conversion element having a conversion layer.

本発明によれば、優れた光電変換効率と暗電流を抑制できる光電変換素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a photoelectric conversion element capable of excellent photoelectric conversion efficiency and suppressing dark current.

以下、本発明の実施形態について説明する。
<光電変換材料>
光電変換層に使用される光電変換材料は、正孔輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A1)、電子輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A2)、又は正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの両者で表面処理されている半導体粒子(A3)の何れかを含んでなることが特徴である。半導体粒子(A1)、(A2)又は(A3)中の半導体粒子は、以下で説明する半導体粒子が挙げられ、これらは同一であっても異なっていても良い。ただし、半導体粒子(A1)および(A2)は、半導体粒子(A3)である場合を除くものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
<Photoelectric conversion material>
The photoelectric conversion material used for the photoelectric conversion layer is a semiconductor particle (A1) surface-treated with a hole-transporting ligand, a semiconductor particle (A2) surface-treated with an electron-transporting ligand, or a hole-transporting property. It is characterized by containing any of semiconductor particles (A3) surface-treated with both a ligand and an electron-transporting ligand. Examples of the semiconductor particles in the semiconductor particles (A1), (A2) or (A3) include the semiconductor particles described below, and these may be the same or different. However, the semiconductor particles (A1) and (A2) exclude the case where they are semiconductor particles (A3).

<半導体粒子>
本明細書でいう半導体粒子とは、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。
<Semiconductor particles>
The semiconductor particles referred to in the present specification 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.

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2二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。 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 or more selected elements. It is preferable that the semiconductor particles can absorb electromagnetic waves having a wavelength of 700 to 2500 nm.

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、In23、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。 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 can be mentioned. Among these, PbS, PbSe, Ag 2 S is preferred.

<リガンド>
リガンドは、半導体粒子の表面処理に用いられ、半導体粒子表面の少なくとも一部を覆うものである。
<Ligand>
The ligand is used for surface treatment of semiconductor particles and covers at least a part of the surface of the semiconductor particles.

[正孔輸送性リガンド]
正孔輸送性リガンドは、半導体粒子表面への吸着部位と、正孔輸送する機能を持つ正孔輸送性部位からなる。吸着部位と正孔輸送性部位は完全に分離している必要は無く、例えば、正孔輸送性部位の一部が吸着部位となっていてもよい。
[Hole-transporting ligand]
The hole-transporting ligand consists of an adsorption site on the surface of semiconductor particles and a hole-transporting site having a hole-transporting function. The adsorption site and the hole transporting site do not have to be completely separated. For example, a part of the hole transporting site may be an adsorption site.

吸着部位としては、一価の基としては、カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH2)、ホスフィノ基(−PH2)、及び、スルファニル基(−SH)等が挙げられ、また、二価の基としては、カルボニル基(>(C=O))等があげられ、また、三価の基としては、ホスホロソ基(>(P=O)−)等が挙げられる。 Examples of the adsorption site include a carboxyl group (-COOH), an amino group (-NH 2 ), a phosphino group (-PH 2 ), a sulfanyl group (-SH) and the like as monovalent groups, and examples thereof include a sulfanyl group (-SH). Examples of the divalent group include a carbonyl group (> (C = O)) and the like, and examples of the trivalent group include a phosphoroso group (> (P = O) −).

正孔輸送性部位は、有機電界発光素子材料として用いられる公知の正孔輸送性化合物及びその誘導体からなる構造を有する部位(部分構造、残基)が挙げられ、特に限定されないが、例えば、第三級芳香族アミン、チオフェンオリゴマー、チオフェンポリマー、ピロールオリゴマー、ピロールポリマー、フェニレンビニレンオリゴマー、フェニレンビニレンポリマー、ビニルカルバゾールオリゴマー、ビニルカルバゾールポリマー、フルオレンオリゴマー、フルオレンポリマー、フェニレンエチンオリゴマー、フェニレンエチンポリマー、フェニレンオリゴマー、フェニレンポリマー、アセチレンオリゴマー、アセチレンポリマー、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン等の化合物及びその誘導体から水素原子を一つ以上除いた残基が挙げられる。また、以下に示す化合物の残基も、正孔輸送性部位として機能し得る。 Examples of the hole-transporting moiety include a moiety (partial structure, residue) having a structure composed of a known hole-transporting compound used as an organic electroluminescent element material and a derivative thereof, and the hole transporting moiety is not particularly limited. Tertiary aromatic amines, thiophene oligomers, thiophene polymers, pyrrole oligomers, pyrrole polymers, phenylene vinylene oligomers, phenylene vinylene polymers, vinyl carbazole oligomers, vinyl carbazole polymers, fluorene oligomers, fluorene polymers, phenylene ethine oligomers, phenylene ethine polymers, phenylene oligomers. , Phenylene polymer, acetylene oligomer, acetylene polymer, phthalocyanine, phthalocyanine derivative, porphyrin and other compounds and residues obtained by removing one or more hydrogen atoms from the derivative. The residues of the compounds shown below can also function as hole-transporting sites.

Figure 2021190520
Figure 2021190520

さらに、正孔輸送リガンドの好ましい構造として下記一般式(1)、一般式(2)又は一般式(3)で表されるものが挙げられる。 Further, as a preferable structure of the hole transporting ligand, those represented by the following general formula (1), general formula (2) or general formula (3) can be mentioned.

Figure 2021190520
Figure 2021190520

[一般式(1)中、X1は、水素原子、置換基を有してもよい脂肪族炭化水素基、置換基を有してもよい芳香環基、又は置換基を有してもよいアシル基であり、R1〜R8は、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有してもよい脂肪族炭化水素基、置換基を有してもよい芳香環基、置換基を有してもよいアルコキシ基、置換基を有してもよいアリールオキシ基、置換基を有してもよいアシル基、置換基を有してもよいアミノ基、置換基を有してもよい(ポリ)オルガノシロキサン基、カルボキシル基又はスルファニル基であり、X1及びR1〜R8の内、少なくとも一つが、カルボキシル基を有する基又はスルファニル基を有する基である。] [In the general formula (1), X 1 may have a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent, an aromatic ring group which may have a substituent, or a substituent. It is an acyl group, and R 1 to R 8 each independently have a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent, an aromatic ring group which may have a substituent, and a substituent. It may have an alkoxy group which may have a substituent, an aryloxy group which may have a substituent, an acyl group which may have a substituent, an amino group which may have a substituent, and a substituent (which may have a substituent (which may be used). Poly) It is an organosiloxane group, a carboxyl group or a sulfanyl group, and at least one of X 1 and R 1 to R 8 is a group having a carboxyl group or a group having a sulfanyl group. ]

Figure 2021190520
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[一般式(2)中、R11〜R25は、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有してもよい脂肪族炭化水素基、置換基を有してもよい芳香環基、置換基を有してもよいアルコキシ基、置換基を有してもよいアリールオキシ基、置換基を有してもよいアシル基、置換基を有してもよい(ポリ)オルガノシロキサン基、ニトロ基、置換基を有してもよいアミノ基、カルボキシル基又はスルファニル基であり、R11〜R25の内、少なくとも一つが、カルボキシル基を有する基又はスルファニル基を有する基である。] [In the general formula (2), R 11 to R 25 are independently hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent, an aromatic ring group which may have a substituent, and a substituent. An alkoxy group which may have a group, an aryloxy group which may have a substituent, an acyl group which may have a substituent, a (poly) organosiloxane group which may have a substituent, and a nitro group. , Amino group, carboxyl group or sulfanyl group which may have a substituent , and at least one of R 11 to R 25 is a group having a carboxyl group or a group having a sulfanyl group. ]

Figure 2021190520
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[一般式(3)中、X2は、水素原子、置換基を有してもよい脂肪族炭化水素基、置換基を有してもよい芳香環基(ただしフェニル基を除く)、又は置換基を有してもよいアシル基であり、R26〜R35は、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有してもよい脂肪族炭化水素、置換基を有してもよい芳香環基、置換基を有してもよいアルコキシ基、置換基を有してもよいアリールオキシ基、置換基を有してもよい(ポリ)オルガノシロキサン基、置換基を有してもよいアミノ基、置換基を有してもよいアシル基、カルボキシル基又はスルファニル基であり、X2及びR26〜R35の内、少なくとも一つが、カルボキシル基を有する基又はスルファニル基を有する基である。] [In the general formula (3), X 2 is a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group which may have a substituent, an aromatic ring group which may have a substituent (excluding a phenyl group), or a substituent. It is an acyl group which may have a group, and R 26 to R 35 are independently hydrogen atoms, an aliphatic hydrocarbon which may have a substituent, and an aromatic ring which may have a substituent. A group, an alkoxy group which may have a substituent, an aryloxy group which may have a substituent, a (poly) organosiloxane group which may have a substituent, and an amino group which may have a substituent. , An acyl group, a carboxyl group or a sulfanyl group which may have a substituent , and at least one of X 2 and R 26 to R 35 is a group having a carboxyl group or a sulfanyl group. ]

以下に、上記一般式(1)〜(3)における基について説明する。
脂肪族炭化水素基は、脂肪族炭化水素から形式的に水素原子を一つ取り除いた一価の残基であり、飽和脂肪族炭化水素基及び不飽和脂肪族炭化水素基が挙げられる。飽和脂肪族炭化水素基としては、アルキル基、シクロアルキル基等が挙げられる。不飽和脂肪族炭化水素基としては、アルケニル基、アルキニル基、シクロアリケニル基等が挙げられる。 脂肪族炭化水素基は、直鎖、分岐又は環状であっても良い。脂肪族炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基、ヘキシル基、ドデシル基、エイコシル基等の直鎖アルキル基;2−エチルヘキシル基等の分岐アルキル基;シクロヘキシル基、3−シクロヘキシルプロピル基等のシクロアルキル基;エテニル基、ドデセン基等のアルケニル基;プロパ−2−イン−1−基、プロパルギル基等のアルキニル基が挙げられる。脂肪族炭化水素基の炭素数は1〜30が好ましい。
Hereinafter, the groups in the above general formulas (1) to (3) will be described.
The aliphatic hydrocarbon group is a monovalent residue in which one hydrogen atom is formally removed from the aliphatic hydrocarbon, and examples thereof include saturated aliphatic hydrocarbon groups and unsaturated aliphatic hydrocarbon groups. Examples of the saturated aliphatic hydrocarbon group include an alkyl group and a cycloalkyl group. Examples of the unsaturated aliphatic hydrocarbon group include an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloarikenyl group and the like. The aliphatic hydrocarbon group may be linear, branched or cyclic. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include a linear alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, a hexyl group, a dodecyl group and an eicosyl group; a branched alkyl group such as a 2-ethylhexyl group; a cyclohexyl group and a 3-cyclohexylpropyl group. Cycloalkyl groups such as ethenyl groups, alkenyl groups such as dodecene groups; alkynyl groups such as propa-2-in-1- group and propargyl group. The aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 30 carbon atoms.

芳香環基は、芳香環から形式的に水素原子を1つ取り除いた一価の残基であり、芳香族炭化水素基と芳香族複素環基が挙げられる。芳香族炭化水素基としては、単環、縮合環及び環集合からなる群より選ばれる芳香族炭化水素基であるアリール基が挙げられる。アリール基の具体例としては、ベンゼン、ナフタレン、ピレン、ビフェニル、ターフェニル等の芳香族炭化水素から形式的に水素原子を1つ取り除いた一価の残基が挙げられる。アリール基の炭素数は6〜30が好ましい。芳香族複素環基は、芳香族複素環から形式的に水素原子を1つ取り除いた一価の残基である。芳香族複素環基の具体例としては、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、キノリン、フラン、ピロール、チオフェン、イミダゾール、ピラゾール、オキサゾール、チアゾール、インドール、ベンズイミダゾール、ベンゾフラン、プリン、アクリジン、フェノチアジン等の芳香族複素環から形式的に水素原子を1つ取り除いた一価の残基が挙げられる。芳香族複素環基の炭素数は2〜30が好ましい。 Aromatic ring groups are monovalent residues in which one hydrogen atom is formally removed from an aromatic ring, and examples thereof include aromatic hydrocarbon groups and aromatic heterocyclic groups. Examples of the aromatic hydrocarbon group include an aryl group which is an aromatic hydrocarbon group selected from the group consisting of a monocyclic ring, a fused ring and a ring assembly. Specific examples of the aryl group include monovalent residues in which one hydrogen atom is formally removed from aromatic hydrocarbons such as benzene, naphthalene, pyrene, biphenyl, and terphenyl. The aryl group preferably has 6 to 30 carbon atoms. An aromatic heterocyclic group is a monovalent residue obtained by formally removing one hydrogen atom from an aromatic heterocycle. Specific examples of the aromatic heterocyclic group include pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, quinoline, furan, pyrrol, thiophene, imidazole, pyrazole, oxazole, thiazole, indol, benzimidazole, benzofuran, purine, acrydin, phenothiazine and the like. Examples include monovalent residues in which one hydrogen atom is formally removed from the group heterocycle. The aromatic heterocyclic group preferably has 2 to 30 carbon atoms.

アルコキシ基は、エーテル結合を介してアルキル基が結合した官能基であり、当該アルキル基としては、上記アルキル基が挙げられる。 The alkoxy group is a functional group to which an alkyl group is bonded via an ether bond, and examples of the alkyl group include the above-mentioned alkyl group.

アリールオキシ基は、エーテル結合を介してアリール基が結合した官能基であり、当該アリール基としては、上記アリール基が挙げられる。 The aryloxy group is a functional group to which an aryl group is bonded via an ether bond, and examples of the aryl group include the above-mentioned aryl group.

アシル基は、カルボニル基を介してアルキル基又はアリール基が結合した官能基であり、当該アルキル基及びアリール基としては、上記アルキル基及びアリール基が挙げられる。 The acyl group is a functional group to which an alkyl group or an aryl group is bonded via a carbonyl group, and examples of the alkyl group and the aryl group include the above-mentioned alkyl group and the aryl group.

(ポリ)オルガノシロキサン基は、オルガノシロキサンから形式的に水素原子を1つ取り除いた残基である。オルガノシロキサンとしては、例えば、ペンタメチルジシロキサン、ヘプタエチルトリシロキサン、ウンデカメチルテトラシロキサン、トリメチルシロキシジメチルシラノール、1,1,3,3−テトラメチル−1,3−ジヒドロキシジシロキサン又は1,1,3,3,5,5−ヘキサメチル−1,5−ジヒドロキシトリシロキサン等が挙げられる。(ポリ)オルガノシロキサン基中のシロキサン結合の繰返し単位数は、1〜4であることが好ましい。 The (poly) organosiloxane group is a residue obtained by formally removing one hydrogen atom from the organosiloxane. Examples of the organosiloxane include pentamethyldisiloxane, heptaethyltrisiloxane, undecamethyltetrasiloxane, trimethylsiloxydimethylsilanol, 1,1,3,3-tetramethyl-1,3-dihydroxydisiloxane or 1,1. , 3,3,5,5-hexamethyl-1,5-dihydroxytrisiloxane and the like. The number of repeating units of the siloxane bond in the (poly) organosiloxane group is preferably 1 to 4.

また、一般式(1)〜(3)における脂肪族炭化水素基、芳香環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アミノ基、(ポリ)オルガノシロキサン基は、さらに、置換基を有していてもよい。 Further, the aliphatic hydrocarbon group, aromatic ring group, alkoxy group, aryloxy group, acyl group, amino group and (poly) organosiloxane group in the general formulas (1) to (3) further have a substituent. May be.

また、カルボキシル基又はスルファニル基を有する基とは、カルボキシル基及びスルファニル基の他、置換基としてカルボキシル基又はスルファニル基を有する、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アミノ基、(ポリ)オルガノシロキサン基又はアシル基等の一価の有機残基が挙げられる。 The group having a carboxyl group or a sulfanyl group is an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, an amino group, which has a carboxyl group or a sulfanyl group as a substituent in addition to the carboxyl group and the sulfanyl group. ) Monovalent organic residues such as an organosiloxane group or an acyl group can be mentioned.

カルボキシル基を有するアルキル基、又はカルボキシル基を有するアリール基の例としては、例えば、2−カルボシキシルエチル基、2,2−ジカルボキシルエチル基、2−カルボシキシルエテニル基、2−シアノ−2−カルボシキシルエテニル基、2−トリフルオロメチル−2−カルボシキシルエテニル基、2−フルオロ−2−カルボシキシルエテニル基等が挙げられる。 Examples of the alkyl group having a carboxyl group or the aryl group having a carboxyl group include, for example, a 2-carbosixylethyl group, a 2,2-dicarboxyethyl group, a 2-carbosixylethenyl group, and a 2-cyano-. Examples thereof include 2-carbosixylethenyl group, 2-trifluoromethyl-2-carbosixylethenyl group, 2-fluoro-2-carbosixylethenyl group and the like.

スルファニル基を有するアルキル基、スルファニル基を有するアリール基、又はスルファニル基を有するアシル基としては、例えば、[(3−スルファニルプロパノイル)オキシ]エチル基、[(2−スルファニルアセチル)オキシ]エチル基、4−(スルファニルメチル)フェニル基、[(3−スルファニルプロパノイル)オキシ]プロピル基、3−スルファニル[(3−スルファニルプロパノイル)オキシ]エチル基、又は{[(2−スルファニルエトキシ)プロパノイル]オキシ}エチル基等が挙げられる。 Examples of the alkyl group having a sulfanyl group, the aryl group having a sulfanyl group, or the acyl group having a sulfanyl group include [(3-sulfanylpropanoyl) oxy] ethyl group and [(2-sulfanylacetyl) oxy] ethyl group. , 4- (Sulfanylmethyl) phenyl group, [(3-sulfanylpropanol) oxy] propyl group, 3-sulfanyl [(3-sulfanylpropanoyl) oxy] ethyl group, or {[(2-sulfanylethoxy) propanoyl] Oxy} ethyl group and the like can be mentioned.

一般式(1)〜(3)で表されるリガンドの具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。なお、下記構造式において、シス型及びトランス型の幾何異性体が存在する場合は、シス型であってもよく、トランス型であってもよく、シス型及びトランス型の異性体混合物であってもよい。シン−アンチの幾何異性についても同様である。 Specific examples of the ligands represented by the general formulas (1) to (3) are shown below, but the present invention is not limited thereto. In the following structural formula, when cis-type and trans-type geometric isomers are present, they may be cis-type, trans-type, or a mixture of cis-type and trans-type isomers. May be good. The same applies to the thin-anti geometric isomerism.

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[電子輸送性リガンド]
電子輸送性リガンドは、半導体粒子表面への吸着部位と、電子輸送する機能を持つ電子輸送性部位からなる。吸着部位と電子輸送性部位は完全に分離している必要は無く、例えば、電子輸送性部位の一部が吸着部位となっていても良い。吸着部位としては、正孔輸送性リガンドの項で説明したものと同じ吸着部位が挙げられる。加えて、2,2’−ビピリジン骨格や8−キノリノール骨格等も吸着部位として使用できる。
[Electron-transporting ligand]
The electron-transporting ligand consists of an adsorption site on the surface of semiconductor particles and an electron-transporting site having an electron-transporting function. The adsorption site and the electron transporting site do not have to be completely separated. For example, a part of the electron transporting site may be an adsorption site. Examples of the adsorption site include the same adsorption sites as those described in the section on hole transporting ligands. In addition, a 2,2'-bipyridine skeleton, an 8-quinolinol skeleton, or the like can also be used as an adsorption site.

なお、上述の正孔輸送性部位及び電子輸送性部位に、同一の構造が含まれているが、これは、電子輸送性部位と正孔輸送性部位のどちらにもなりえるためである。リガンドが正孔輸送性又は電子輸送性のどちらとして振る舞うかは、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの相対的な最高被占軌道(HOMO)のエネルギー準位と最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位の関係、及び電界発光素子で用いられる他の化合物との相対的なHOMOのエネルギー準位及びLUMOのエネルギー準位の関係によって決まり、さらに、特定の構造であっても、電子吸引性や電子供与性の置換基の存在によりHOMOのエネルギー準位やLUMOのエネルギー準位は変化する。以下に示す化合物及びその誘導体から水素原子を一つ以上除いた有機残基は、電子輸送性部位として機能し得るが、電子輸送性部位はこれらに限定されるものではない。 The hole-transporting site and the electron-transporting site described above contain the same structure, because they can be both an electron-transporting site and a hole-transporting site. Whether the ligand behaves as hole-transporting or electron-transporting depends on the relative highest occupied orbital (HOMO) energy level and lowest empty orbital (LUMO) of the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand. It is determined by the energy level relationship and the relationship between the HOMO energy level and the LUMO energy level relative to other compounds used in the electric field light emitting element, and further, even with a specific structure, electron attraction. The energy level of HOMO and the energy level of LUMO change due to the presence of an electron-donating substituent. Organic residues obtained by removing one or more hydrogen atoms from the compounds and derivatives thereof shown below can function as electron-transporting sites, but the electron-transporting sites are not limited thereto.

Figure 2021190520
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Figure 2021190520
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<光電変換素子>
本発明の光電変換素子は、一対の電極間に光電変換層を有するものである。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、本発明の光電変換材料を含んでなる。また、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。
<photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element of the present invention has a photoelectric conversion layer between a pair of electrodes. 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, respectively. The photoelectric conversion layer used in the present invention has a function of transporting electrons and holes. The conversion layer comprises the photoelectric conversion material of the present invention. Further, in the photoelectric conversion element of the present invention, a known configuration of the photoelectric conversion element can be applied.

光電変換素子は、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方法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、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。 For the photoelectric conversion element, various shapes of element 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 made of the semiconductor particles for the purpose of improving the photoelectric conversion efficiency. For example, a photoelectric conversion element having the known configuration shown below can be manufactured.

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.

<光電変換部>
光電変換部は、正孔輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A1)を含む光電変換層(PEL1)、電子輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A2)を含む光電変換層(PEL2)、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの両者で表面処理されている半導体粒子(A3)を含む光電変換層(PEL3)、及び半導体粒子(A1)と半導体粒子(A2)との混合物を含む光電変換層(PEL4)からなる群から選ばれる少なくとも二種の光電変換層を有し、上記少なくとも二種の光電変換層が連続して配置されている。ただし、光電変換層(PEL1)および(PEL2)は、光電変換層(PEL4)である場合を除くものである。
<photoelectric conversion unit>
The photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion layer (PEL1) containing semiconductor particles (A1) surface-treated with a hole-transporting ligand, and a photoelectric conversion layer containing semiconductor particles (A2) surface-treated with an electron-transporting ligand. (PEL2), a photoelectric conversion layer (PEL3) containing semiconductor particles (A3) surface-treated with both hole-transporting ligands and electron-transporting ligands, and semiconductor particles (A1) and semiconductor particles (A2). It has at least two types of photoelectric conversion layers selected from the group consisting of a photoelectric conversion layer (PEL4) containing a mixture, and the at least two types of photoelectric conversion layers are continuously arranged. However, the photoelectric conversion layer (PEL1) and (PEL2) are excluded from the case of the photoelectric conversion layer (PEL4).

光電変換部が、陽極側から、(PEL1)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)、(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL4)、(PEL4)/(PEL2)、又は(PEL1)/(PEL4)/(PEL2)の順で配置された場合に、光電変換部内を相対的にみて陽極側は正孔輸送性に優れ、陰極側は電子輸送性に優れた状態となるため好ましい。 From the anode side, the photoelectric conversion unit performs (PEL1) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3), (PEL3) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3) / (PEL2), (PEL1) / ( When arranged in the order of PEL4), (PEL4) / (PEL2), or (PEL1) / (PEL4) / (PEL2), the anode side has excellent hole transport property when relatively viewed inside the photoelectric conversion unit. The cathode side is preferable because it has excellent electron transportability.

正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの両者で表面処理されている半導体粒子(A3)を含む光電変換層(PEL3)は、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの質量比が10:90〜90:10の範囲であることが好ましい。 The photoelectric conversion layer (PEL3) containing the semiconductor particles (A3) surface-treated with both the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand has a mass ratio of the hole-transporting ligand to the electron-transporting ligand of 10:90. It is preferably in the range of ~ 90:10.

また、半導体粒子(A1)と半導体粒子(A2)の混合物を含む光電変換層(PEL4)における、半導体粒子(A1)と半導体粒子(A2)の質量比としては、10:90〜90:10の範囲であることが好ましい。 The mass ratio of the semiconductor particles (A1) to the semiconductor particles (A2) in the photoelectric conversion layer (PEL4) containing a mixture of the semiconductor particles (A1) and the semiconductor particles (A2) is 10:90 to 90:10. It is preferably in the range.

正孔輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位は、−6.5eV以上−4.6eV以下であることが好ましい。また、電子輸送性リガンドのLUMOエネルギー準位は、−4.5eV以上−2.5eV以下であることが好ましい。 The energy level of HOMO of the hole transporting ligand is preferably -6.5 eV or more and -4.6 eV or less. The LUMO energy level of the electron transporting ligand is preferably −4.5 eV or more and −2.5 eV or less.

また、正孔輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位は、電子輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きいことが好ましい。また、正孔輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位は、電子輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy level of HOMO of the hole transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of HOMO of the electron transporting ligand. Further, it is preferable that the energy level of LUMO of the hole transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of LUMO of the electron transporting ligand.

また、半導体粒子が、複数種の正孔輸送性リガンド及び/又は電子輸送性リガンドで表面処理された半導体粒子である場合、考慮すべき、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドとの組合せが複数存在する。このような場合、複数の組合せの内、上述の好ましいエネルギー準位条件を満たす組合せが多いことが好ましく、特に好ましくは全ての組合せが条件を満たすことである。 Further, when the semiconductor particles are semiconductor particles surface-treated with a plurality of hole-transporting ligands and / or electron-transporting ligands, the combination of the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand to be considered is There are multiple. In such a case, it is preferable that many of the plurality of combinations satisfy the above-mentioned preferable energy level conditions, and it is particularly preferable that all the combinations satisfy the conditions.

正孔輸送性リガンド及び電子輸送性リガンドの、HOMOのエネルギー及び/又はLUMOのエネルギーが上述の条件を満たす場合、光電変換素子中での電子や正孔の輸送や半導体粒子からの電子や正孔の取出しを優れたものとすることができ、高性能な光電変換素子が得られるため好ましい。 When the HOMO energy and / or LUMO energy of the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand satisfy the above conditions, the transport of electrons and holes in the photoelectric conversion element and the electrons and holes from the semiconductor particles are satisfied. It is preferable because it can be taken out excellently and a high-performance photoelectric conversion element can be obtained.

光電変換層は、半導体粒子(A1)、(A2)、(A1)と(A2)との混合物、又は(A3)が、溶剤に分散された光電変換層形成用組成物を塗布・印刷することで形成可能である。 The photoelectric conversion layer is coated and printed with a composition for forming a photoelectric conversion layer in which semiconductor particles (A1), (A2), a mixture of (A1) and (A2), or (A3) is dispersed in a solvent. Can be formed with.

光電変換層形成用組成物に用いられる溶剤としては、従来公知の種々の溶剤が使用でき、特に限定されないが、例えば、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、メチシレン、シクロヘキシルベンゼン、テトラリン等の芳香族炭化水素;クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素;1,2−ジメトキシベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、アニソール、フェネトール、2−メトキシトルエン、3−メトキシトルエン、4−メトキシトルエン、2,3−ジメチルアニソール、2,4−ジメチルアニソール等の芳香族エーテル;酢酸フェニル、プロピオン酸フェニル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸n−ブチル等の芳香族エステル;シクロヘキサノン、シクロオクタノン等の脂環を有するケトン;メチルエチルケトン、ジブチルケトン等の脂肪族ケトン;メチルエチルケトン、シクロヘキサノール、シクロオクタノール等の脂環を有するアルコール;ブタノール、ヘキサノール等の脂肪族アルコール;エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテルアセタート(PGMEA)等の脂肪族エーテル;酢酸エチル、酢酸n−ブチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル等の脂肪族エステル;n−ヘキサン、2−メチルペンタン、3−メチルペンタン、2,2−ジメチルブタン、2,3−ジメチルブタン、n−ヘプタン、n−デカン、2,2,4−トリメチルペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ミネラルスピリット等の脂肪族炭化水素;等が挙げられ、単独で使用しても複数混合して用いてもよい。 As the solvent used in the composition for forming the photoelectric conversion layer, various conventionally known solvents can be used and are not particularly limited, but for example, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, methicylene, cyclocarbonate, and the like. Aromatic hydrocarbons such as tetraline; Halogenized aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene; 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, anisole, phenetol, 2-methoxytoluene, 3-methoxy Aromatic ethers such as toluene, 4-methoxytoluene, 2,3-dimethylanisole, 2,4-dimethylanisole; phenyl acetate, phenyl propionate, methyl benzoate, ethyl benzoate, propyl benzoate, n-butyl benzoate Aromatic esters such as: Hydrocarbons having an alicyclic such as cyclohexanone and cyclooctanone; Aromatic ketones such as methylethylketone and dibutylketone; Alcohols having an alicyclic such as methylethylketone, cyclohexanol and cyclooctanol; Fats such as butanol and hexanol Group alcohols; aliphatic ethers such as ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, propylene glycol-1-monomethyl ether acetate (PGMEA); aliphatic esters such as ethyl acetate, n-butyl acetate, ethyl lactate, n-butyl lactate. N-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, 2,2-dimethylbutane, 2,3-dimethylbutane, n-heptane, n-decane, 2,2,4-trimethylpentane, cyclohexane, methylcyclohexane , Aromatic hydrocarbons such as mineral spirits; etc., and may be used alone or in combination of two or more.

光電変換層形成用組成物は、本発明の目的が損なわれない範囲で、半導体粒子以外の公知の光電変換材料、例えば有機光電変換材料や公知の添加剤を添加してもよい。公知の添加剤としては、特に限定されないが、例えば、消泡剤、レベリング剤、増粘剤等が挙げられる。 A known photoelectric conversion material other than semiconductor particles, for example, an organic photoelectric conversion material or a known additive may be added to the composition for forming a photoelectric conversion layer as long as the object of the present invention is not impaired. The known additive is not particularly limited, and examples thereof include a defoaming agent, a leveling agent, and a thickener.

光電変換層形成用組成物から光電変換層を得る方法としては、公知の湿式成膜法、例えば、塗布法、インクジェット法、ディップコート法、ダイコート法、スプレーコート法、スピンコート法、ロールコーター法、湿漬塗布法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷、スクリーン印刷法、LB法等が挙げられる。 As a method for obtaining a photoelectric conversion layer from a composition for forming a photoelectric conversion layer, a known wet film forming method, for example, a coating method, an inkjet method, a dip coating method, a die coating method, a spray coating method, a spin coating method, or a roll coater method is used. , Wet pickling method, screen printing method, flexographic printing, screen printing method, LB method and the like.

<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、光導電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 a photoconductive 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、カルバゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、芳香族第三級アミン化合物、スチリルアミン化合物、芳香族ジメチリディン系化合物、ポルフィリン系化合物、フタロシアニン系化合物、オリゴチオフェン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体、及びポリパラフェニレンビニレン誘導体などが挙げられる。 Examples of such hole injecting materials and hole transporting materials include carbazole derivatives, polyarylalkane derivatives, phenylenediamine derivatives, arylamine derivatives, amino-substituted carcon derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorene derivatives, hydrazone derivatives, and stylben derivatives. , Silazan derivatives, aromatic tertiary amine compounds, styrylamine compounds, aromatic dimethyridin compounds, porphyrin compounds, phthalocyanine compounds, oligothiophene derivatives, polythiophene derivatives, polypyrrole derivatives, polyparaphenylene vinylene derivatives and the like. ..

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(MоOx)、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, as materials that can be used for the hole injection layer, molybdenum oxide (MоOx), vanadium oxide (VO X ), ruthenium oxide (RuO X ), copper oxide (CuO X ), tungsten oxide (WO X ), and iridium oxide (Iridium oxide) IrO X) inorganic oxides and their doped body such may be mentioned.

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-Brojet 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。また、このような材料を多層積層させ、電子注入効果の高い材料と電子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電子注入材料、電子輸送材料と呼ぶことがある。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. Further, when such a material is laminated in multiple layers and a material having a high electron injection effect and a material having a high electron transport effect are laminated in multiple layers, the materials used for each may be referred to as an electron injection material and an electron transport material. 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.

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、さらに、フッ化リチウム(LiF)、フッ化セシウム(CsF)などのアルカリ金属のフッ化物も挙げられる。 Further, as the material that can be used for the electron injection layer, inorganic oxides such as zinc oxide (ZnOx) and titanium oxide (TiOx) and their doped materials, as well as lithium fluoride (LiF) and cesium fluoride (CsF). Alkali metal fluorides such as are also mentioned.

光電変換素子は、光電変換素子を構成する各層以外に、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光電変換素子を構成する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できる。 The photoelectric conversion element may include other constituent members in addition to the layers constituting the photoelectric conversion element. For example, an optical film (filter) that does not transmit ultraviolet rays may be provided. Since ultraviolet rays have high energy, they contribute to deterioration of materials constituting the photoelectric conversion element. By blocking this ultraviolet ray, the life of the device 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 composed 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。また、特に断りのない限り、全ての測定は25℃で行った。 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.

<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 particle 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).

<半導体粒子PbS−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部と表1記載の正孔輸送性リガンド(1)の5%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、トルエンの10質量%溶液として、半導体粒子PbS−1を調製した。
<Semiconductor particles PbS-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 a 5% toluene solution of the hole transporting ligand (1) shown in Table 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 semiconductor particles PbS-1 as a 10% by mass solution of toluene.

<半導体粒子PbS−2〜8>
正孔輸送性リガンド(1)を表1記載の正孔輸送性リガンド(2)〜(6)及び電子輸送性リガンド(7)、(8)にそれぞれ変えた以外は半導体粒子PbS−1と同様にしてPbS−2〜8をそれぞれ調製した。
<Semiconductor particles PbS-2 to 8>
Similar to the semiconductor particles PbS-1 except that the hole transporting ligand (1) was changed to the hole transporting ligands (2) to (6) and the electron transporting ligands (7) and (8) shown in Table 1, respectively. PbS-2 to 8 were prepared respectively.

<半導体粒子PbS−9>
表面処理剤をベンゼンチオールに変えた以外は半導体粒子PbS−1と同様にしてPbS−9を調製した。
<Semiconductor particles PbS-9>
PbS-9 was prepared in the same manner as the semiconductor particles PbS-1 except that the surface treatment agent was changed to benzenethiol.

<半導体粒子(A3)PbS−10〜19>
表1記載の正孔輸送性リガンド(1)と電子輸送性リガンド(7)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いた以外は半導体粒子PbS−1と同様にしてPbS−10〜12をそれぞれ調製した。同じく表1記載の正孔輸送性リガンド(2)と電子輸送性リガンド(8)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いた以外は半導体粒子PbS−1と同様にしてPbS−13〜15をそれぞれ調製した。同様に表1記載の正孔輸送性リガンド(3)〜(6)と電子輸送性リガンド(7)を1:1の質量比で混合して用いた以外は半導体粒子PbS−1と同様にしてPbS−16〜19をそれぞれ調製した。
<Semiconductor particles (A3) PbS-10-19>
With the semiconductor particles PbS-1, except that the hole-transporting ligand (1) and the electron-transporting ligand (7) shown in Table 1 were mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. PbS-10 to 12 were prepared in the same manner. Semiconductor particles PbS-1 except that the hole-transporting ligand (2) and the electron-transporting ligand (8) also shown in Table 1 were mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. PbS-13 to 15 were prepared in the same manner as above. Similarly, the same as that of the semiconductor particles PbS-1 except that the hole-transporting ligands (3) to (6) and the electron-transporting ligands (7) shown in Table 1 were mixed and used at a mass ratio of 1: 1. PbS-16 to 19 were prepared respectively.

<半導体粒子混合材料PbS−20〜29>
調製したPbS−1と、PbS−7をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、PbS−20〜22をそれぞれ調製した。同じく調製したPbS−2と、PbS−8をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、PbS−23〜25をそれぞれ調製した。同様に調製したPbS−3〜6と、PbS−7を1:1の質量比で混合し、PbS−26〜29をそれぞれ調製した。
<Semiconductor particle mixed material PbS-20 to 29>
The prepared PbS-1 and PbS-7 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1 and 1: 9, respectively, to prepare PbS-20 to 22 respectively. The similarly prepared PbS-2 and PbS-8 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively, to prepare PbS-23 to 25, respectively. PbS-3 to 6 prepared in the same manner and PbS-7 were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare PbS-26 to 29, respectively.

<半導体粒子PbSe−1>
半導体粒子PbSe−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部と表1記載の正孔輸送性リガンド(1)の5%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、トルエンの10質量%溶液として、半導体粒子PbSe−1を調製した。
<Semiconductor particles PbSe-1>
Semiconductor particles PbSe-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 a 5% toluene solution of the hole transporting ligand (1) shown in Table 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 semiconductor particles PbSe-1 as a 10% by mass solution of toluene.

<半導体粒子PbSe−2〜8>
正孔輸送性リガンド(1)を表1記載の正孔輸送性リガンド(2)〜(6)及び電子輸送性リガンド(7)、(8)にそれぞれ変えた以外は半導体粒子PbSe−1と同様にしてPbSe−2〜8をそれぞれ調製した。
<Semiconductor particles PbSe-2 to 8>
Similar to the semiconductor particles PbSe-1 except that the hole transporting ligand (1) was changed to the hole transporting ligands (2) to (6) and the electron transporting ligands (7) and (8) shown in Table 1, respectively. PbSe-2 to 8 were prepared respectively.

<半導体粒子(A3)PbSe−10〜19>
表1記載の正孔輸送性リガンド(1)と電子輸送性リガンド(7)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子PbSe−1と同様にしてPbSe−10〜12を調製した。同じく表1記載の正孔輸送性リガンド(2)と電子輸送性リガンド(8)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子PbSe−1と同様にしてPbSe−13〜15を調製した。同様に表1記載の正孔輸送性リガンド(3)〜(6)と電子輸送性リガンド(7)を1:1の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子PbSe−1と同様にしてPbSe−16〜19を調製した。
<Semiconductor particles (A3) PbSe-10-19>
Similar to semiconductor particles PbSe-1 except that the hole-transporting ligand (1) and the electron-transporting ligand (7) shown in Table 1 are mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. To prepare PbSe-10-12. The semiconductor particles PbSe-1 are used except that the hole-transporting ligand (2) and the electron-transporting ligand (8) also shown in Table 1 are mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. PbSe-13 to 15 were prepared in the same manner. Similarly, PbSe is the same as that of the semiconductor particles PbSe-1, except that the hole-transporting ligands (3) to (6) and the electron-transporting ligands (7) shown in Table 1 are mixed and used at a mass ratio of 1: 1. -16 to 19 were prepared.

<半導体粒子混合材料PbSe−20〜29>
調製したPbSe−1と、PbSe−7をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、PbSe−20〜22を調製した。同じく調製したPbSe−2と、PbSe−8をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、PbSe−23〜25を調製した。同様に調製したPbSe−3〜6と、PbSe−7を1:1の質量比で混合し、PbSe−26〜29を調製した。
<Semiconductor particle mixed material PbSe-20 to 29>
The prepared PbSe-1 and PbSe-7 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively, to prepare PbSe-20 to 22. The similarly prepared PbSe-2 and PbSe-8 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively, to prepare PbSe-23 to 25. PbSe-3 to 6 prepared in the same manner and PbSe-7 were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare PbSe-26 to 29.

<半導体粒子Ag2S−1>
半導体粒子Ag2S−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部と表1記載の正孔輸送性リガンド(1)の5%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、トルエンの10質量%溶液として、半導体粒子Ag2S−1を調製した。
<Semiconductor particles Ag 2 S-1>
Was prepared semiconductor particles Ag 2 S-0 to a solid concentration of 1% toluene solution. After mixing 1 part of the prepared solution and 1 part of a 5% toluene solution of the hole transporting ligand (1) shown in Table 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 semiconductor particles Ag 2 S-1 as a 10% by mass solution of toluene.

<半導体粒子Ag2S−2〜8>
正孔輸送性リガンド(1)を表1記載の正孔輸送性リガンド(2)〜(6)及び電子輸送性リガンド(7)、(8)にそれぞれ変えた以外は半導体粒子Ag2S−1と同様にしてAg2S−2〜8をそれぞれ調製した。
<Semiconductor particles Ag 2 S-2 to 8>
Semiconductor particles Ag 2 S-1 except that the hole-transporting ligand (1) was changed to the hole-transporting ligands (2) to (6) and the electron-transporting ligands (7) and (8) shown in Table 1, respectively. Ag 2 S-2 to 8 were prepared in the same manner as above.

<半導体粒子(A3)Ag2S−10〜19>
表1記載の正孔輸送性リガンド(1)と電子輸送性リガンド(7)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子Ag2S−1と同様にしてAg2S−10〜12を調製した。同じく表1記載の正孔輸送性リガンド(2)と電子輸送性リガンド(8)をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子Ag2S−1と同様にしてAg2S−13〜15を調製した。同様に表1記載の正孔輸送性リガンド(3)〜(6)と電子輸送性リガンド(7)を1:1の質量比で混合して用いる以外は半導体粒子Ag2S−1と同様にしてAg2S−16〜19を調製した。
<Semiconductor particles (A3) Ag 2 S-10-19>
Semiconductor particles Ag 2 S-1 except that the hole-transporting ligand (1) and the electron-transporting ligand (7) shown in Table 1 are mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. It was prepared Ag 2 S-10 to 12 in the same manner as. Semiconductor particles Ag 2 S- except that the hole-transporting ligand (2) and the electron-transporting ligand (8) also shown in Table 1 are mixed and used at mass ratios of 9: 1, 1: 1, and 1: 9, respectively. It was prepared Ag 2 S-13 to 15 in the same manner as 1. Similarly, the same as the semiconductor particles Ag 2 S-1 except that the hole transporting ligands (3) to (6) and the electron transporting ligands (7) shown in Table 1 are mixed and used at a mass ratio of 1: 1. Ag 2 S-16-19 was prepared.

<半導体粒子混合材料Ag2S−20〜29>
調製したAg2S−1と、Ag2S−7をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、Ag2S−20〜22を調製した。同じく調製したAg2S−2と、Ag2S−8をそれぞれ9:1、1:1、1:9の質量比で混合し、Ag2S−23〜25を調製した。同様に調製したAg2S−3〜6と、Ag2S−7を1:1の質量比で混合し、Ag2S−26〜29を調製した。
<Semiconductor particle mixed material Ag 2 S-20-29>
The prepared Ag 2 S-1 and Ag 2 S-7 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1 and 1: 9, respectively, to prepare Ag 2 S-20 to 22. The similarly prepared Ag 2 S-2 and Ag 2 S-8 were mixed at a mass ratio of 9: 1, 1: 1 and 1: 9, respectively, to prepare Ag 2 S-23 to 25. Ag 2 S-3 to 6 prepared in the same manner and Ag 2 S-7 were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare Ag 2 S-26 to 29.

<リガンドのHOMOのエネルギー準位及びLUMOのエネルギー準位の測定>
以下の評価方法で、正孔輸送性リガンド及び電子輸送性リガンドの、HOMOのエネルギー準位及びLUMOのエネルギー準位を測定した。
<Measurement of HOMO energy level and LUMO energy level of ligand>
The energy levels of HOMO and LUMO of the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand were measured by the following evaluation methods.

(HOMOのエネルギー準位)
HOMOのエネルギー準位の測定は、光電子収量分光装置PYS−202(住友重機械メカトロニクス社製)を用いて行った。ITO(酸化インジウム錫)付のガラス基板上に、導電性カーボン両面テープ(不織布基材、日進EM社製)を貼り付け、その上に評価対象のリガンド粉末を付着させてサンプルとした。ITO表面でアースを取り、カーボン両面テープ上の評価対象のリガンド粉末に対してプローブ光を照射して測定を行った。測定範囲は:4.0〜7.0(eV)、測定間隔:0.1(eV)、測定雰囲気:真空中(10-2(Pa)台)とした。
(HOMO energy level)
The energy level of HOMO was measured using a photoelectron yield spectroscope PYS-202 (manufactured by Sumitomo Heavy Industries Mechatronics). A conductive carbon double-sided tape (nonwoven fabric base material, manufactured by Nissin EM) was attached onto a glass substrate with ITO (indium tin oxide), and a ligand powder to be evaluated was attached thereto to prepare a sample. The surface of the ITO was grounded, and the ligand powder to be evaluated on the carbon double-sided tape was irradiated with probe light for measurement. Measuring range: 4.0 to 7.0 (eV), measurement interval: 0.1 (eV), measured and atmosphere: in vacuum (10 -2 (Pa) base).

(LUMOのエネルギー準位)
LUMOエネルギー準位は、吸収スペクトルの吸収端からバンドギャップを見積り、前述の方法で測定したHOMOの値とバンドギャップの値より算出を行った。吸収スペクトルは、トルエンを用いて10-5(mol/L)の濃度に調整し、光路長1cmの石英セルを用いて測定した。用いた正孔輸送性リガンド及び電子輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位及びLUMOのエネルギー準位の測定値を表1に示す。
(LUMO energy level)
The LUMO energy level was calculated from the HOMO value and the bandgap value measured by the above method by estimating the bandgap from the absorption edge of the absorption spectrum. The absorption spectrum was adjusted to a concentration of 10-5 (mol / L) using toluene, and measured using a quartz cell having an optical path length of 1 cm. Table 1 shows the measured values of the HOMO energy level and the LUMO energy level of the hole-transporting ligand and the electron-transporting ligand used.

Figure 2021190520
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上記で調製した半導体粒子及び混合物を光電変換材料として用い、以下の様にして光電変換素子を作製・評価した。作製した素子の光電変換層構成と使用材料の明細、及び評価結果は表2にまとめて記載した。 Using the semiconductor particles and the mixture prepared above as a photoelectric conversion material, a photoelectric conversion element was prepared and evaluated as follows. Table 2 summarizes the photoelectric conversion layer configuration of the manufactured device, the details of the materials used, and the evaluation results.

(光電変換素子の作製)
以下に本発明の評価に使用した素子面積2mm×2mmの光電変換素子の作製について説明する。まず、エッチングパターン加工済みの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、表2の光電変換層の一層目(PEL1)、(PEL3)又は(PEL4)の材料をスピンコート法で塗工し、厚み100nmの層を形成した。次に、表2の光電変換層の二層目(PEL2)、(PEL3)又は(PEL4)の材料をスピンコート法で塗工し、厚み100nmの層を形成した。三層目(PEL2)を設ける場合は、同様にして、スピンコート法で塗工し、厚み100nmの層を形成した。さらに、積層した光電変換層上に、Avantama社製ZnO分散液N−10をスピンコートで製膜して厚み50nmの電子注入層を形成した。次いで、電子注入層上に、厚み200nmでアルミニウム(以下、Al)をマスクパターン蒸着して電極を形成し、光電変換素子を得た。蒸着は、10-4Pa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。
(Manufacturing of photoelectric conversion element)
Hereinafter, the fabrication of a photoelectric conversion element having an element area of 2 mm × 2 mm used for the evaluation of the present invention will be described. First, on a glass plate with an ITO electrode that has been processed with an etching pattern, PEDOT / PSS (poly (3,4-ethylenedioxy) -2,5-thiophene / polystyrene sulfonic acid, CLEVIOUS (registered trademark) PVP CH8000 manufactured by Heraeus) ) Was applied by a spin coating method and dried at 110 ° C. for 20 minutes to obtain a hole injection layer having a thickness of 35 nm. On the hole injection layer, the material of the first layer (PEL1), (PEL3) or (PEL4) of the photoelectric conversion layer in Table 2 was applied by a spin coating method to form a layer having a thickness of 100 nm. Next, the material of the second layer (PEL2), (PEL3) or (PEL4) of the photoelectric conversion layer in Table 2 was applied by a spin coating method to form a layer having a thickness of 100 nm. When the third layer (PEL2) was provided, it was similarly coated by a spin coating method to form a layer having a thickness of 100 nm. Further, a ZnO dispersion liquid N-10 manufactured by Avantama was formed by spin coating on the laminated photoelectric conversion layer to form an electron injection layer having a thickness of 50 nm. Next, aluminum (hereinafter referred to as Al) having a thickness of 200 nm was vapor-filmed on the electron injection layer in a mask pattern to form an electrode, and a photoelectric conversion element was obtained. The vapor deposition was carried out in a vacuum of 10 -4 Pa under the condition that the temperature was not controlled such as heating and cooling of the substrate.

(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I−V曲線を測定した。
I−V曲線は、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−0.5V、終了電圧1.1Vの条件で測定した。また、I−V曲線は、遮光状態と光照射状態で測定をおこなった。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(2mm角)のマスク下実施した。光照射状態のI−V曲線の印可電圧0Vの電流密度である短絡電流密度IL(mA/cm2)、及び、遮光状態のI−V曲線よりの印可電圧−0.5Vでの電流である暗電流密度ID(μA/cm2)を表2に記す。ILが高いほど、またIDが低いほど、良好であるといえる。尚、表2中、「HOMO差」とは、|正孔輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位−電子輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位|を表し、「LUMO差」とは、|正孔輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位−電子輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位|を表す。
(Evaluation of photoelectric conversion element)
The IV curve of the obtained device was measured by the method shown below.
The IV curve is obtained by using an IV characteristic measuring device (PECK2400-N, manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.) with a scanning speed of 0.1 V / sec (0.01 Vstep), a waiting time of 50 msec after voltage setting, and measurement integration. The measurement was performed under the conditions of a time of 50 msec, a start voltage of −0.5 V, and an end voltage of 1.1 V. The IV curve was measured in a light-shielded state and a light irradiation state. Xenon lamp White light is used as a light source (PEC-L01 manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.), and the light irradiation area is 0.0363 cm 2 ( 100 mW / cm 2) equivalent to sunlight (AM1.5). It was carried out under a mask of 2 mm square). Short-circuit current density is the current density of the applied voltage of 0V I-V curve of the light irradiation state I L (mA / cm 2) , and, in current at applied voltage -0.5V than I-V curve of the light-shielding state A certain dark current density ID (μA / cm 2 ) is shown in Table 2. As I L is high, also the lower the I D, it can be said to be satisfactory. In Table 2, the "HOMO difference" represents | the energy level of HOMO of the hole transporting ligand-the energy level of HOMO of the electron transporting ligand |, and the "LUMO difference" means | hole. Represents the LUMO energy level of the transportable ligand-the LUMO energy level of the electron transportable ligand |.

Figure 2021190520
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Figure 2021190520
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本発明の光電変換素子(実施例1〜50)は、いずれも比較例1、2の素子よりも、高い短絡電流密度ILと低い暗電流密度IDを示した。すなわち、比較例より感度や光電変換能が高く、比較例より低いノイズであることが明らかとなった。本発明の光電変換材料は、正孔輸送性リガンド又は電子輸送性リガンドの何れかで表面処理されている半導体粒子の2種以上からなるため、光吸収で発生した励起子が効率よく乖離して輸送されることで光電変換能が高いと考えられる。また、異なる光電変換材料からなる、少なくとも連続した2層の光電変換層を有することで、光電変換層間でバイレイヤーヘテロ接合型となるため整流特性が強まり暗電流密度が抑制されたと考えられる。 The photoelectric conversion elements (Examples 1 to 50) of the present invention all showed a higher short-circuit current density IL and a lower dark current density ID than the elements of Comparative Examples 1 and 2. That is, it was clarified that the noise was higher than that of the comparative example in sensitivity and photoelectric conversion ability, and lower than that of the comparative example. Since the photoelectric conversion material of the present invention consists of two or more types of semiconductor particles surface-treated with either a hole-transporting ligand or an electron-transporting ligand, excitons generated by light absorption are efficiently dissociated. It is considered that the photoelectric conversion ability is high by being transported. Further, it is considered that by having at least two continuous photoelectric conversion layers made of different photoelectric conversion materials, the bilayer heterojunction type is formed between the photoelectric conversion layers, so that the rectification characteristics are enhanced and the dark current density is suppressed.

Claims (7)

陽極と、少なくとも連続した二層の光電変換層を有する光電変換部と、陰極と、を有する光電変換素子であって、前記光電変換部が、正孔輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A1)を含む光電変換層(PEL1)、電子輸送性リガンドで表面処理されている半導体粒子(A2)を含む光電変換層(PEL2)、正孔輸送性リガンドと電子輸送性リガンドの両者で表面処理されている半導体粒子(A3)を含む光電変換層(PEL3)、及び前記半導体粒子(A1)と前記半導体粒子(A2)との混合物を含む光電変換層(PEL4)からなる群から選ばれる少なくとも二種の光電変換層を有する光電変換素子。 A semiconductor particle having a photoelectric conversion unit having an anode, at least two continuous photoelectric conversion layers, and a cathode, wherein the photoelectric conversion unit is surface-treated with a hole transporting ligand. A photoelectric conversion layer (PEL1) containing (A1), a photoelectric conversion layer (PEL2) containing semiconductor particles (A2) surface-treated with an electron-transporting ligand, and a surface of both a hole-transporting ligand and an electron-transporting ligand. At least selected from the group consisting of a photoelectric conversion layer (PEL3) containing the processed semiconductor particles (A3) and a photoelectric conversion layer (PEL4) containing a mixture of the semiconductor particles (A1) and the semiconductor particles (A2). A photoelectric conversion element having two types of photoelectric conversion layers. 前記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、化合物半導体を含んでなる光電変換層を有する請求項1記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of the semiconductor particles (A1), (A2) and (A3) has a photoelectric conversion layer containing a compound semiconductor. 前記光電変換部が、前記陽極側から、(PEL1)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)、(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL3)/(PEL2)、(PEL1)/(PEL4)、(PEL4)/(PEL2)、又は(PEL1)/(PEL4)/(PEL2)の順に配置されている請求項1又は2に記載の光電変換素子。 From the anode side, the photoelectric conversion unit performs (PEL1) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3), (PEL3) / (PEL2), (PEL1) / (PEL3) / (PEL2), (PEL1). The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, which is arranged in the order of / (PEL4), (PEL4) / (PEL2), or (PEL1) / (PEL4) / (PEL2). 前記正孔輸送性リガンドの最高被占軌道(HOMO)のエネルギー準位が、前記電子輸送性リガンドのHOMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きい請求項1〜3いずれか1項に記載の光電変換素子。 The third to one of claims, wherein the energy level of the highest occupied orbital (HOMO) of the hole transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of the HOMO of the electron transporting ligand. Photoelectric conversion element. 前記正孔輸送性リガンドの最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位が、前記電子輸送性リガンドのLUMOのエネルギー準位よりも0.2eV以上大きい請求項1〜4いずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric of any one of claims 1 to 4, wherein the energy level of the lowest empty orbital (LUMO) of the hole-transporting ligand is 0.2 eV or more larger than the energy level of LUMO of the electron-transporting ligand. Conversion element. 前記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、波長700〜2500nmの電磁波を吸収し得る請求項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 at least one selected from the group consisting of the semiconductor particles (A1), (A2) and (A3) can absorb an electromagnetic wave having a wavelength of 700 to 2500 nm. 前記半導体粒子(A1)、(A2)及び(A3)からなる群から選ばれる少なくとも一種が、PbS、PbSe及びAg2Sからなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでなる光電変換層を有する請求項1〜6いずれか1項に記載の光電変換素子。 Said semiconductor particles (A1), at least one member selected from the group consisting of (A2) and (A3) is, PbS, claim having a photoelectric conversion layer comprising at least one selected from the group consisting of PbSe and Ag 2 S The photoelectric conversion element according to any one of 1 to 6.
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