JP4964258B2 - Organic photoelectric conversion device using benzophosphole compound - Google Patents
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Description
本発明は、ベンゾホスホール化合物を用いた有機光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to an organic photoelectric conversion element using a benzophosphole compound.
従来、太陽電池としては、多結晶シリコンを用いたものが開発され実用化されている。しかしその製造には高純度シリコンが必要とされ、製造工程は高温プロセスからなり、製造に要するエネルギーを考慮すると、太陽電池として必ずしも省エネルギー技術に十分貢献しているとは言えない。 Conventionally, solar cells using polycrystalline silicon have been developed and put into practical use. However, high-purity silicon is required for its manufacture, and the manufacturing process consists of a high-temperature process. Considering the energy required for manufacturing, it cannot be said that the solar cell necessarily contributes sufficiently to energy-saving technology.
また、屋外の発電用途以外では、例えば、可搬型の太陽電池に要求されるプラスチック基板上への素子作製にも課題を残している。 In addition to outdoor power generation applications, for example, problems remain in the fabrication of elements on plastic substrates, which are required for portable solar cells.
一方、光センサーにおいては、ファクシミリや複写機におけるイメージセンサーとして、シリコン結晶を用いた一次元センサーによるスキャナーによる画像読み取り装置が実用化されているが、スキャン不要で大面積の二次元センサーは実用化されていない。 On the other hand, in optical sensors, image reading devices using scanners with one-dimensional sensors using silicon crystals have been put to practical use as image sensors in facsimile machines and copiers, but large-area two-dimensional sensors that do not require scanning have been put into practical use. It has not been.
しかし近年、上記問題点の改良のため、製造に省エネルギーが期待でき、大面積化が容易な塗布プロセスが適用可能な有機材料を用いた太陽電池の開発が行われるようになってきた。 However, in recent years, in order to improve the above-mentioned problems, solar cells using organic materials that can be applied to a coating process that can be expected to save energy in manufacturing and that can be easily increased in area have been developed.
有機材料を用いた湿式太陽電池として、色素増感型が検討されているが、電解質溶液を用いた系であるため、液漏れや液中のヨウ素抜けが問題となっており、実用化には至っていない。 As a wet solar cell using organic materials, a dye-sensitized type has been studied, but since it is a system using an electrolyte solution, there are problems of liquid leakage and iodine loss in the liquid. Not reached.
一方、全固体型の有機薄膜太陽電池は、活性層の設計により、ヘテロ接合型とバルクへテロ接合型に分類される。ヘテロ接合型とは、電子供与体からなる層と電子受容体からなる層を積層して、接合界面における光誘起による電荷移動を利用するものである。非特許文献1では、電子供与体として銅フタロシアニンを、電子受容体としてペリレン誘導体を用いて、変換効率1%が報告されている。この他にも、電子供与体としてペンタセンやテトラセンなどの縮合多環芳香族化合物が検討されており、電子受容体としてはC60のようなフラーレン化合物が使用されている。
On the other hand, all solid-state organic thin-film solar cells are classified into a heterojunction type and a bulk heterojunction type according to the design of the active layer. In the heterojunction type, a layer made of an electron donor and a layer made of an electron acceptor are stacked, and photoinduced charge transfer at the bonding interface is utilized. Non-Patent
もう一つのバルクへテロ接合型とは、電子供与体と電子受容体を適当な比率で混合して活性層とするもので、ヘテロ接合型が2層構造で活性層を形成するのとは異なる。電子供与体と電子受容体の接合は、混合活性層のバルク中において一様に存在し、太陽光を有効に活用できるのが特徴となる。このバルクへテロ接合型素子を作製する方法として、真空蒸着により電子供与体と電子受容体を共蒸着して活性層を形成するものと、両者の混合溶液からスピンコートや印刷法により塗布して形成するものとがある。真空蒸着法では銅フタロシアニンとC60からなる活性層が報告されており(非特許文献2)、湿式塗布法では、共役系高分子であるポリチオフェンとフラーレンの可溶性誘導体である[6,6]-フェニルC61-ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)を混合した系が代表的なものとして挙げられる(非特許文献3)。 Another bulk heterojunction type is an active layer formed by mixing an electron donor and an electron acceptor at an appropriate ratio, and is different from a heterojunction type in which an active layer is formed in a two-layer structure. . The junction between the electron donor and the electron acceptor is uniformly present in the bulk of the mixed active layer, and is characterized by the effective use of sunlight. The bulk heterojunction type device can be produced by vacuum depositing an electron donor and an electron acceptor to form an active layer, or by applying a mixture of the two by spin coating or printing. There is something to form. In the vacuum deposition method, an active layer composed of copper phthalocyanine and C 60 has been reported (Non-Patent Document 2), and in the wet coating method, it is a soluble derivative of polythiophene and fullerene, which are conjugated polymers [6,6]- A typical example is a system in which phenyl C 61 -butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM) is mixed (Non-patent Document 3).
バルクヘテロ接合型において、効率をさらに高めるために、活性層を、電子供与体層(p-層)、電子供与体と電子受容体の混合層(i-層)、電子受容体層(n-層)とp-i-n型の3層構造にすることも行われている(非特許文献4)。 In the bulk heterojunction type, in order to further increase the efficiency, the active layer is composed of an electron donor layer (p-layer), a mixed layer of electron donor and electron acceptor (i-layer), an electron acceptor layer (n-layer). ) And a pin-type three-layer structure (Non-patent Document 4).
上記のいずれの素子構造においても、光吸収により生成した光キャリア(正孔と電子)を電極まで効率良く輸送するために、電極と活性層との間にバッファ層を設けることが行われている。陽極との間には導電性高分子が使用されることが多く、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)(略称PEDOT:PSS)などが挙げられる(非特許文献3)。また,陰極と活性層との間には,フッ化リチウムのような無機物や(非特許文献3)、バソクプロイン(略称BCP)(非特許文献2)が用いられている。 In any of the above element structures, in order to efficiently transport photocarriers (holes and electrons) generated by light absorption to the electrode, a buffer layer is provided between the electrode and the active layer. . A conductive polymer is often used between the anode and the anode, and examples thereof include poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonic acid) (abbreviation PEDOT: PSS) and the like (Non-patent Document 3). ). Further, an inorganic material such as lithium fluoride (Non-patent Document 3) or bathocuproine (abbreviated as BCP) (Non-patent Document 2) is used between the cathode and the active layer.
上記の有機薄膜太陽電池においては、特に、陰極と活性層との間に設けられる陰極バッファ層がフッ化リチウムの場合は、1nm以下の極薄膜が要求されるために、成膜の制御性と活性層表面への均一な被覆が困難である。また、バソクプロインについては、膜厚は6nm程度と制御可能ではあるが、耐熱性に乏しいことから素子の安定性が課題となっている。 In the above organic thin-film solar cell, particularly when the cathode buffer layer provided between the cathode and the active layer is lithium fluoride, an ultra-thin film of 1 nm or less is required. Uniform coating on the active layer surface is difficult. As for bathocuproine, although the film thickness can be controlled to about 6 nm, the stability of the device is a problem because of its poor heat resistance.
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、陰極バッファ層の成膜性および耐熱性が良好であり、さらに高いエネルギー変換効率を有する有機光電変換素子を提供することを課題としている。 This invention is made | formed in view of the above situation, and makes it a subject to provide the organic photoelectric conversion element which the film-forming property and heat resistance of a cathode buffer layer are favorable, and also has high energy conversion efficiency. .
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。 The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.
第1:基板上に、少なくとも一方が透明である陽極と陰極との間に配置された、電子供与体と電子受容体とからなる活性層を有する有機光電変換素子において、活性層と陰極との間に、下記一般式(I)で表わされるベンゾホスホール化合物からなる層を有することを特徴とする有機光電変換素子。 1st: In the organic photoelectric conversion element which has the active layer which consists of an electron donor and an electron acceptor arrange | positioned on the board | substrate between the anode and cathode which at least one is transparent, an active layer and a cathode An organic photoelectric conversion element having a layer made of a benzophosphole compound represented by the following general formula (I) between them.
(式中、R1、R2およびR3はそれぞれ独立に炭素数1〜6の飽和または不飽和の脂肪族炭化水素基、アルコキシ基、芳香族炭化水素基、または芳香族複素環基を示し、nは2または3を示す。a、b、c、およびdはそれぞれ独立に水素原子または置換基と結合した炭素原子または窒素原子を示す。Eは酸素原子、硫黄原子、セレン原子、またはテルル原子を示す。)
第2:活性層が、電子供与体としてポルフィリン化合物またはフタロシアニン化合物を含有し、電子受容体としてフラーレン化合物を含有することを特徴とする上記第1の有機光電変換素子。
Wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbon group, alkoxy group, aromatic hydrocarbon group or aromatic heterocyclic group having 1 to 6 carbon atoms. , N represents 2 or 3. a, b, c, and d each independently represent a hydrogen atom or a carbon atom or a nitrogen atom bonded to a substituent, and E represents an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom, or tellurium. Indicates an atom.)
Second: The first organic photoelectric conversion element as described above, wherein the active layer contains a porphyrin compound or a phthalocyanine compound as an electron donor and a fullerene compound as an electron acceptor.
第3:活性層が、電子供与体として下記一般式(II)または(III)で表わされるベンゾポルフィリン化合物を含有し、ベンゾポルフィリン化合物が溶解性前駆体からの熱転換により形成されることを特徴とする上記第2の有機光電変換素子。 Third: The active layer contains a benzoporphyrin compound represented by the following general formula (II) or (III) as an electron donor, and the benzoporphyrin compound is formed by thermal conversion from a soluble precursor. Said 2nd organic photoelectric conversion element.
(式中、ZiaおよびZib(i=1〜4)は水素原子、ハロゲン原子、または1価の有機基を示し、ZiaとZibとが結合して環を形成していてもよい。R4〜R7は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、または1価の有機基を示す。Mは2価の金属原子、または3価以上の金属と他の原子とが結合した原子団を示す。)
第4:活性層が、電子供与体として共役系高分子を含有し、電子受容体としてフラーレン化合物を含有することを特徴とする上記第1の有機光電変換素子。
( Wherein Z ia and Z ib (i = 1 to 4) represent a hydrogen atom, a halogen atom, or a monovalent organic group, and Z ia and Z ib may combine to form a ring. R 4 to R 7 each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, or a monovalent organic group, M is a divalent metal atom, or an atomic group in which a trivalent or higher metal is bonded to another atom. Is shown.)
Fourth: The first organic photoelectric conversion element as described above, wherein the active layer contains a conjugated polymer as an electron donor and a fullerene compound as an electron acceptor.
第5:前記一般式(I)で表わされるベンゾホスホールを含有する層が形成された後、50〜250℃の温度範囲でアニール処理したものであることを特徴とする上記第1から第4のいずれかの有機光電変換素子。 Fifth: After the formation of the benzophosphole-containing layer represented by the general formula (I), annealing is performed in a temperature range of 50 to 250 ° C. Any organic photoelectric conversion element.
本発明の有機光電変換素子によれば、成膜性が良好で耐熱性のある特定のベンゾホスホールを含有する層を活性層と陰極との間にバッファ層として設けているので、光電変換特性に優れた素子を得ることができる。 According to the organic photoelectric conversion element of the present invention, since a layer containing a specific benzophosphole having good film forming properties and heat resistance is provided as a buffer layer between the active layer and the cathode, photoelectric conversion characteristics are provided. It is possible to obtain an element excellent in the above.
従って、本発明による有機光電変換素子は、太陽光発電素子、イメージセンサーへの応用が考えられ、その技術的価値は大きいものである。 Therefore, the organic photoelectric conversion element according to the present invention can be applied to a photovoltaic power generation element and an image sensor, and its technical value is great.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の有機光電変換素子の実施の形態を示す模式的な断面図であり、1は透明基板、2は透明陽極、3は陽極バッファ層、4は活性層、5は陰極バッファ層、6は陰極を各々表す。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the organic photoelectric conversion device of the present invention, wherein 1 is a transparent substrate, 2 is a transparent anode, 3 is an anode buffer layer, 4 is an active layer, and 5 is a cathode buffer layer. , 6 each represents a cathode.
透明基板1は有機光電変換素子の支持体となるものであり、石英やガラスの板、プラスチックフィルムやシートなどが用いられる。特にガラス板や、ポリエステル、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスルホンなどの透明な合成樹脂の板が好ましい。合成樹脂基板を使用する場合にはガスバリア性に留意する必要がある。基板のガスバリア性が低過ぎると、基板を通過する外気により有機光電変換素子が劣化する場合がある。このため、合成樹脂基板のどちらか片側もしくは両側に緻密なシリコン酸化膜などを設けてガスバリア性を確保する方法も好ましい方法の一つである。
The
透明基板1上には透明電極2が設けられるが、透明電極2は光を透過して活性層4に吸収させる機能を有するとともに、活性層4で生成した光キャリアである正孔を、陽極バッファ層3を通して受け取る役割を果たすものである。この透明電極2は、通常、インジウム・スズ酸化物またはインジウム・亜鉛酸化物などの金属酸化物などにより構成される。透明電極2の形成は通常、スパッタリング法、真空蒸着法などにより行われることが多い。透明電極2の膜厚は、可視光の透過率が、通常60%以上、好ましくは80%以上となるように設定される。この場合、膜厚は、通常10〜1000nm、好ましくは50〜300nm程度である。
A
透明電極2の上には陽極バッファ層3が設けられる。陽極バッファ層3に用いられる材料への要求条件としては、活性層4で生成した正孔を効率よく透明電極2へ輸送することができることである。そのためには、正孔移動度が高いか、導電率が高いことが先ず必要とされる。また、透明電極2との間の正孔注入障壁が小さいことが要求される。さらには、可視光の光に対して透明性が高いことも必要である。
An
陽極バッファ層3の材料としてよく使用される化合物としては、電子受容性化合物を混合したポリチオフェンである、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)(略称PEDOT:PSS)や、同じく電子受容性化合物と混合したポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子が代表例として挙げられる。
As a compound often used as a material of the
陽極バッファ層3の薄膜形成方法は、スピンコートやインクジェットなどの湿式塗布法を用いることができる。
As a thin film forming method of the
このようにして形成される陽極バッファ層3の膜厚は、通常3〜200nm、好ましくは10〜100nmである。
The film thickness of the
陽極バッファ層3の上には活性層4が設けられる。この活性層4は、電子供与体と電子受容体とからなる。この活性層に使用される材料には、可視から近赤外の光を効率よく吸収し、かつ、光で誘起された正孔または電子を効率よく輸送するために高い移動度を有することが必要である。また、電子供与体と電子受容体との接触面積が大きいことが重要で、そのためにはエキシトンの拡散長程度の大きさで相分離構造を形成していることが効率的な電荷分離のために求められる。
An
光吸収により生成した正孔・電子対の電荷分離を効率良く行うために、活性層4の構造はヘテロ接合型とバルクへテロ接合型がこれまでに提案されている。ヘテロ接合型素子においては、図2に示すように、電子供与体からなるp-層4aと電子受容体からなるn-層4bの2層構造がとられ、このpn接合界面で電荷分離が行われる。もう一つの概念であるバルクヘテロ接合型素子では、電子供与体と電子受容体を混合して活性層4を形成するものである(図1)。電子供与体と電子受容体が相分離構造を形成することにより、両者の接触面積を増大させることができる。このバルクへテロ接合素子における電荷分離をさらに効率よく行う構造として、図3に示す3層構造からなるp-i-n接合素子が検討されている。この構造においては、電子供与体からなるp-層4a、電子供与体と電子受容体の混合物からなるi-層4c、電子受容体からなるn-層4bが積層される。
In order to efficiently perform charge separation of hole-electron pairs generated by light absorption, a heterojunction type and a bulk heterojunction type have been proposed so far. As shown in FIG. 2, the heterojunction device has a two-layer structure of a p-
活性層4に用いられる電子供与体としては、可視から近赤外に吸収帯を有するポルフィリン化合物およびフタロシアニン化合物が挙げられるが、これらの化合物は中心金属を有していてもよいし、無金属のものであってもよい。ポルフィリン化合物としては、前記一般式(II)または(III)で表されるベンゾポルフィリン化合物が挙げられる。
Examples of the electron donor used in the
前記一般式(II)および(III)において,ZiaおよびZib(i=1〜4)は水素原子、ハロゲン原子、または1価の有機基を示し、ZiaとZibと結合して環を形成していてもよい。1価の有機基の具体例としては、メチル基、エチル基などの炭素数1〜6のアルキル基;ベンジル基などのアラルキル基;ビニル基などのアルケニル基;シアノ基;アミノ基;アシル基;メトキシ基,エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などの炭素数1〜6のアルコキシカルボニル基;フェノキシ基、ベンジルオキシ基などのアリールオキシ基;ジエチルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基などのジアルキルアミノ基;ジベンジルアミノ基、ジフェネチルアミノ基などのジアラルキルアミノ基;トリフルオロメチル基などのα−ハロアルキル基;水酸基;置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基などの芳香族炭化水素環基;置換基を有していてもよいチエニル基、ピリジル基などの芳香族複素環基などが挙げられる。前記置換基としては、フッ素原子などのハロゲン原子;メチル基、エチル基などの炭素数1〜6のアルキル基;ビニル基などのアルケニル基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などの炭素数1〜6のアルコキシカルボニル基;メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基;フェノキシ基、ベンジルオキシ基などのアリールオキシ基;ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基などのジアルキルアミノ基、アセチル基などのアシル基、トリフルオロメチル基などのハロアルキル基、シアノ基などが挙げられる。 In the general formulas (II) and (III), Z ia and Z ib (i = 1 to 4) represent a hydrogen atom, a halogen atom, or a monovalent organic group, and are bonded to Z ia and Z ib to form a ring. May be formed. Specific examples of the monovalent organic group include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an aralkyl group such as a benzyl group; an alkenyl group such as a vinyl group; a cyano group; an amino group; An alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms such as a methoxy group and an ethoxy group; an alkoxycarbonyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group; an aryloxy group such as a phenoxy group and a benzyloxy group; a diethylamino group; Dialkylamino groups such as diisopropylamino groups; diaralkylamino groups such as dibenzylamino groups and diphenethylamino groups; α-haloalkyl groups such as trifluoromethyl groups; hydroxyl groups; phenyl groups optionally having substituents; Aromatic hydrocarbon ring group such as naphthyl group; optionally substituted thienyl group, pyridyl group And aromatic heterocyclic groups such as groups. Examples of the substituent include a halogen atom such as a fluorine atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an alkenyl group such as a vinyl group; and 1 to 6 carbon atoms such as a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Alkoxycarbonyl groups of 1 to 6 carbon atoms such as methoxy groups and ethoxy groups; aryloxy groups such as phenoxy groups and benzyloxy groups; acyls such as dimethylamino groups, dialkylamino groups such as diethylamino groups, and acetyl groups Group, haloalkyl group such as trifluoromethyl group, cyano group and the like.
ZiaとZibとが結合して環を形成する有機基の具体例としては、Zia−CH=CH−Zibの構造として形成される環;置換基を有していてもよいベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環など芳香族炭化水素環;置換基を有していてもよいピリジン環、キノリン環、フラン環、チオフェン環などの芳香族複素環;シクロヘキサン環などの非芳香族環状炭化水素などが挙げられる。前記置換基としては、フッ素原子などのハロゲン原子;メチル基、エチル基などの炭素数1〜6のアルキル基;ビニル基などのアルケニル基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などの炭素数1〜6のアルコキシカルボニル基;メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基;フェノキシ基、ベンジルオキシ基などのアリールオキシ基;ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基などのジアルキルアミノ基、アセチル基などのアシル基、トリフルオロメチル基などのハロアルキル基、シアノ基などが挙げられる。 Specific examples of the organic group in which Z ia and Z ib combine to form a ring include a ring formed as a structure of Z ia —CH═CH—Z ib ; an optionally substituted benzene ring , Naphthalene ring, anthracene ring, etc .; aromatic hydrocarbon ring such as optionally substituted pyridine ring, quinoline ring, furan ring, thiophene ring, etc .; non-aromatic cyclic hydrocarbon such as cyclohexane ring Etc. Examples of the substituent include a halogen atom such as a fluorine atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an alkenyl group such as a vinyl group; and 1 to 6 carbon atoms such as a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Alkoxycarbonyl groups of 1 to 6 carbon atoms such as methoxy groups and ethoxy groups; aryloxy groups such as phenoxy groups and benzyloxy groups; acyls such as dimethylamino groups, dialkylamino groups such as diethylamino groups, and acetyl groups Group, haloalkyl group such as trifluoromethyl group, cyano group and the like.
R4〜R7は水素原子、ハロゲン原子、または1価の有機基を示す。1価の有機基の具体例としては、メチル基、エチル基などの炭素数1〜6のアルキル基;ベンジル基などのアラルキル基;ビニル基などのアルケニル基;シアノ基;アミノ基;アシル基;メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などの炭素数1〜6のアルコキシカルボニル基;フェノキシ基、ベンジルオキシ基などのアリールオキシ基;ジエチルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基などのジアルキルアミノ基;ジベンジルアミノ基、ジフェネチルアミノ基などのジアラルキルアミノ基;トリフルオロメチル基などのα−ハロアルキル基;水酸基;置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基などの芳香族炭化水素環基;置換基を有していてもよいチエニル基、ピリジル基などの芳香族複素環基などが挙げられる。前記置換基としては、フッ素原子などのハロゲン原子;メチル基、エチル基などの炭素数1〜6のアルキル基;ビニル基などのアルケニル基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などの炭素数1〜6のアルコキシカルボニル基;メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基;フェノキシ基、ベンジルオキシ基などのアリールオキシ基;ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基などのジアルキルアミノ基、アセチル基などのアシル基、トリフルオロメチル基などのハロアルキル基、シアノ基などが挙げられる。 R 4 to R 7 represent a hydrogen atom, a halogen atom, or a monovalent organic group. Specific examples of the monovalent organic group include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an aralkyl group such as a benzyl group; an alkenyl group such as a vinyl group; a cyano group; an amino group; Alkoxy groups having 1 to 6 carbon atoms such as methoxy group and ethoxy group; alkoxycarbonyl groups having 1 to 6 carbon atoms such as methoxycarbonyl group and ethoxycarbonyl group; aryloxy groups such as phenoxy group and benzyloxy group; Dialkylamino groups such as diisopropylamino groups; diaralkylamino groups such as dibenzylamino groups and diphenethylamino groups; α-haloalkyl groups such as trifluoromethyl groups; hydroxyl groups; phenyl groups optionally having substituents; Aromatic hydrocarbon ring group such as naphthyl group; optionally substituted thienyl group, pyridyl group And aromatic heterocyclic groups such as groups. Examples of the substituent include a halogen atom such as a fluorine atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group; an alkenyl group such as a vinyl group; and 1 to 6 carbon atoms such as a methoxycarbonyl group and an ethoxycarbonyl group. Alkoxycarbonyl groups of 1 to 6 carbon atoms such as methoxy groups and ethoxy groups; aryloxy groups such as phenoxy groups and benzyloxy groups; acyls such as dimethylamino groups, dialkylamino groups such as diethylamino groups, and acetyl groups Group, haloalkyl group such as trifluoromethyl group, cyano group and the like.
R4〜R7は,分子の平面性を高める点からは、水素原子、ハロゲン原子などの単原子が好ましい。 R 4 to R 7 are preferably a single atom such as a hydrogen atom or a halogen atom from the viewpoint of enhancing the planarity of the molecule.
Mとしては、2価の金属原子、例えば、Zn、Cu、Fe、Ni、Co、さらには、3価以上の金属と他の原子とが結合した原子団、例えばFe−B1、Al−B2、Ti=O、Si−B3B4などが挙げられる。ここで、B1、B2、B3、B4はハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基などの1価の基を示す。 M is a divalent metal atom, for example, Zn, Cu, Fe, Ni, Co, or an atomic group in which a trivalent or higher metal is bonded to another atom, for example, Fe-B 1 , Al-B. 2 , Ti = O, Si-B 3 B 4 and the like. Here, B 1 , B 2 , B 3 , and B 4 represent monovalent groups such as halogen atoms, alkyl groups, and alkoxy groups.
さらに本発明では、1個の原子に2個のポルフィリン環が共有して配位しているものや、2個のポルフィリン環が1個以上の原子または原子団を共有して結合したもの、あるいはそれらが3個以上結合して長鎖状につながったものを用いてもよい。 Furthermore, in the present invention, two porphyrin rings are commonly coordinated to one atom, two porphyrin rings are bonded to each other by sharing one or more atoms or atomic groups, or Those in which three or more of them are connected to form a long chain may be used.
以下に、ベンゾポルフィリン化合物として好ましい具体例を挙げるが、本発明に用いられるベンゾポルフィリン化合物はこれらに限定されるものではない。また、対称性の良い分子構造を主に例示しているが、部分的な構造の組み合わせによる非対称構造であってもよい。 Specific examples of preferred benzoporphyrin compounds are shown below, but the benzoporphyrin compounds used in the present invention are not limited to these. In addition, molecular structures with good symmetry are mainly exemplified, but an asymmetric structure by a combination of partial structures may be used.
上記のベンゾポルフィリン化合物は単独で用いても、2種類以上を混合して用いてもよい。 Said benzoporphyrin compound may be used independently, or 2 or more types may be mixed and used for it.
上記に示したベンゾポルフィリン化合物以外に2,3,7,8,12,13,17,18-21H,23H-ポルフィン白金なども挙げられる。 In addition to the benzoporphyrin compounds shown above, 2,3,7,8,12,13,17,18-21H, 23H-porphine platinum and the like can also be mentioned.
フタロシアニン化合物の具体例としては、29H,31H-フタロシアニン、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン、スズフタロシアニン、チタンフタロシアニンオキシド、銅4,4',4'',4'''-テトラアザ-29H,31H-フタロシアニンなどが挙げられる。
Specific examples of the phthalocyanine compound include 29H, 31H-phthalocyanine, copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, titanium phthalocyanine oxide,
ベンゾポルフィリン化合物を含有する活性層は、真空蒸着法または湿式塗布法により形成することができるが、薄膜の結晶性および形状を制御する目的からは、湿式塗布法が好ましい。湿式塗布法の場合、ベンゾポルフィリン化合物は有機溶媒などに対する溶解度が低いため塗布が困難であるが、この問題を解決する手段として、下記一般式(IV)および(V)で表される可溶性前駆体を用いて、塗布成膜後に熱転換して目的化合物からなる層を形成することが有効なことが見出されている。
The active layer containing the benzoporphyrin compound can be formed by a vacuum deposition method or a wet coating method, but the wet coating method is preferred for the purpose of controlling the crystallinity and shape of the thin film. In the case of the wet coating method, the benzoporphyrin compound is difficult to apply because of its low solubility in organic solvents, but as a means for solving this problem, a soluble precursor represented by the following general formulas (IV) and (V) It has been found that it is effective to form a layer composed of a target compound by heat conversion after coating film formation.
前記一般式(IV)および(V)において、ZiaとZib,R4〜R7およびMは、それぞれ一般式(II)および(III)と同様である。Y1〜Y4は、それぞれ独立に、1価の原子または原子団を表す。また、Y1〜Y4はそれぞれ4個ずつ存在するが、Y1同士、Y2同士、Y3同士、Y4同士は、それぞれ同じでもよく、異なっていてもよい。 In the general formulas (IV) and (V), Z ia and Z ib , R 4 to R 7 and M are the same as those in the general formulas (II) and (III), respectively. Y 1 to Y 4 each independently represents a monovalent atom or atomic group. Y 1 to Y 4 are each four, but Y 1 , Y 2 , Y 3 , and Y 4 may be the same or different.
Y1〜Y4の例を挙げると、原子としては、水素原子などが挙げられる。一方、原子団としては、水酸基、アルキル基などが挙げられる。ここで、アルキル基の炭素数は、好ましくは1〜3である。アルキル基の例としては、メチル基、エチル基などが挙げられる。 Examples of Y 1 to Y 4, as the atom, such as hydrogen atom. On the other hand, examples of the atomic group include a hydroxyl group and an alkyl group. Here, the carbon number of the alkyl group is preferably 1 to 3. Examples of the alkyl group include a methyl group and an ethyl group.
前記の例示化合物(BP-1)を例として、湿式塗布成膜による電子供与体層を形成する方法を以下に説明する。 A method for forming an electron donor layer by wet coating will be described below by taking the exemplified compound (BP-1) as an example.
ベンゾポルフィリン化合物は、その前駆体として対応するビシクロ化合物を用いて誘導することができる。この前駆体は平面構造でないため、溶媒への溶解性が高くかつ結晶化もしにくいため、溶液から塗布することにより、アモルファスまたはアモルファスに近い良好な膜を与える。この膜を加熱処理して脱エチレン反応により、平面性の高いベンゾポルフィリン化合物膜を得ることができる。無置換、無金属体の構造では以下のような化学反応で表される。 The benzoporphyrin compound can be derived using the corresponding bicyclo compound as its precursor. Since this precursor does not have a planar structure, it has high solubility in a solvent and is difficult to crystallize. Therefore, application from a solution gives an amorphous or a good film close to amorphous. A benzoporphyrin compound film having high planarity can be obtained by heat-treating this film and removing ethylene. The structure of the unsubstituted and metal-free body is represented by the following chemical reaction.
上記の反応は100℃以上、好ましくは150℃以上に加熱することにより定量的に進行する。また、脱離するものがエチレン分子であるため、系内に残りにくく、毒性、安全性の面でも問題ない。
上記低分子化合物以外に、共役系高分子も湿式塗布成膜可能な電子供与体として用いられる。共役系高分子の具体例としては、ポリチオエフェン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレンを基本骨格とするものが挙げられる。以下に具体例を示す。
In addition to the low molecular weight compound, a conjugated polymer is also used as an electron donor capable of wet coating. Specific examples of the conjugated polymer include those having polythioephene, polyparaphenylene vinylene, or polyfluorene as a basic skeleton. Specific examples are shown below.
活性層4に用いられる電子受容体の役割としては、光吸収に際して電子供与体から効率よく電子を受け取り、陰極バッファ層5を通して陰極6へと効率よく輸送することが挙げられる。このためには、電子受容体と電子供与体の最低空軌道(LUMO)の相対関係が重要であり、電子供与体材料のLUMOが電子受容体材料のLUMOより0.3eV以上上にあること、言い換えると、電子受容体層材料の電子親和力が電子供与体層材料の電子親和力より0.3eV以上大きいということが挙げられる。また、電子移動度が高いことも必要で、10-4[cm2/Vs]以上の移動度を有することが求められる。
The role of the electron acceptor used in the
このような条件を満たす電子受容体材料としては、フラーレン化合物が挙げられる。本発明において、好ましく用いられるフラーレン化合物の具体例を以下に示す。 Examples of the electron acceptor material that satisfies such conditions include fullerene compounds. Specific examples of fullerene compounds that are preferably used in the present invention are shown below.
活性層4の形成方法としては、真空蒸着法または湿式塗布方法が、用いられる電子供与体と電子受容体の性質に応じて選ばれる。各材料が昇華性を有する場合には真空蒸着法により活性層4が形成され、各材料が適当な溶媒に可溶な場合には、スピンコート、キャスト法、ブレードコート、インクジェット、グラビア印刷などの塗布方法が適用される。
As a method for forming the
図2に示すヘテロ接合素子構造では、電子供与体と電子受容体からなる層をいずれかの成膜方法により積層すればよい。図1および図3に示すバルクへテロ接合素子においては、電子供与体と電子受容体の混合層を形成する必要があるが、真空蒸着法では電子供与体と電子受容体を共蒸着することにより形成され、塗布方法では電子供与体と電子受容体を含有する混合溶液を用いて形成することができる。 In the heterojunction element structure shown in FIG. 2, a layer composed of an electron donor and an electron acceptor may be stacked by any film forming method. In the bulk heterojunction device shown in FIGS. 1 and 3, it is necessary to form a mixed layer of an electron donor and an electron acceptor. In the vacuum deposition method, the electron donor and the electron acceptor are co-evaporated. In the coating method, a mixed solution containing an electron donor and an electron acceptor can be used.
以上のように形成される活性層4の平均膜厚は、通常10〜2000nm、好ましくは20〜1000nmである。
The average film thickness of the
本発明においては、高い光電変換特性および耐熱性を発現させるために、活性層4の上に前記一般式(I)で表されるベンゾホスホールからなる陰極バッファ層5を積層する。
In the present invention, the
陰極バッファ層5の機能としては、活性層で生成した光キャリアである電子を再結合により失活させることなく陰極6に輸送することにある。また、活性層内で生成したエキシトンを閉じ込める機能も想定される。さらには、陰極を形成する際の活性層へのダメージを防ぐ機能も担っていると考えられる。
一般式(I)において、R1、R2およびR3はそれぞれ独立に炭素数1〜6の飽和または不飽和の脂肪族炭化水素基、アルコキシ基、芳香族炭化水素基、または芳香族複素環基を示す。
The function of the
In the general formula (I), R 1 , R 2 and R 3 are each independently a saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbon group, alkoxy group, aromatic hydrocarbon group or aromatic heterocycle having 1 to 6 carbon atoms. Indicates a group.
脂肪族炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基などの炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルキル基、ビニル基などの炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルケニル基などが挙げられる。 Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group, and a linear or branched chain having 1 to 6 carbon atoms such as a vinyl group. And alkenyl groups.
アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルコキシ基などが挙げられる。 Specific examples of the alkoxy group include linear or branched alkoxy groups having 1 to 6 carbon atoms such as a methoxy group and an ethoxy group.
芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ナフチル基などの炭素数6〜14のアリール基などが挙げられる。これらは、例えば炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルキル基などの置換基を有していてもよい。 Specific examples of the aromatic hydrocarbon group include aryl groups having 6 to 14 carbon atoms such as a phenyl group and a naphthyl group. These may have a substituent such as a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
芳香族複素環基の具体例としては、ピリジル基、キノリル基などが挙げられる。 Specific examples of the aromatic heterocyclic group include a pyridyl group and a quinolyl group.
一般式(I)において、a、b、c、およびdはそれぞれ独立に水素原子または置換基と結合した炭素原子または窒素原子を示す。炭素原子上の置換基の具体例としては、メチル基、エチル基などの炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルキル基、ハロゲン原子、シアノ基、フェニル基等の炭素数6〜14のアリール基などが挙げられる。 In the general formula (I), a, b, c and d each independently represent a hydrogen atom or a carbon atom or a nitrogen atom bonded to a substituent. Specific examples of the substituent on the carbon atom include 6 to 14 carbon atoms such as a straight or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group and an ethyl group, a halogen atom, a cyano group, and a phenyl group. And aryl groups.
一般式(I)のベンゾポリホスホール化合物は、例えば、T. Sanji et al.: Organic Letters, 10巻,2689頁,2008年および特開2008-56630号公報に記載の方法により合成される。 以下、本発明に係る一般式(I)のベンゾホスホール化合物の好ましい具体例を挙げるが、本発明はこれらの化合物に限定されるものではない。また、以下においては対称性の良い分子構造のものを主に例示しているが、これらの部分的な構造の組み合わせによる非対称構造のものであってもよい。
The benzopolyphosphole compound of the general formula (I) is synthesized, for example, by the method described in T. Sanji et al .: Organic Letters, Vol. 10, page 2689, 2008 and JP 2008-56630 A. Hereinafter, preferred specific examples of the benzophosphole compound of the general formula (I) according to the present invention will be given, but the present invention is not limited to these compounds. In the following, molecular structures having good symmetry are mainly exemplified, but an asymmetric structure having a combination of these partial structures may be used.
上記ベンゾホスホール化合物からなる陰極バッファ層5は、真空蒸着法または湿式塗布方法により活性層の上に積層される。陰極バッファ層の膜厚は、通常1〜100nm、好ましくは2〜50nmである。膜厚が1nm未満であると、活性層を完全に被覆することができず、開放電圧(Voc)の低下を招く場合がある。膜厚が100nmを超えると、この層自体の直列抵抗が無視できなくなり、フィルファクター(FF)が低下する場合がある。
The
陰極6は、活性層で電荷分離した電子を、陰極バッファ層5を通して、効率よく受け取る役割を果たす。陰極6として用いられる材料は、効率よく電子収集を行うには、陰極バッファ層5とコンタクトのよい金属が好ましく、マグネシウム、インジウム、カルシウム、アルミニウム、銀等の適当な金属またはそれらの合金が用いられる。
The
陰極6の膜厚は、通常50〜300 nmである。
The film thickness of the
なお、陰極6を形成した後、素子を50〜250℃の温度範囲においてアニール処理することにより、素子の熱安定性を向上させるとともに、陰極6と陰極バッファ層5との間のコンタクトを向上させることができる。また、活性層の構造緩和、結晶化促進にもこのアニール処理は効果的である。このために、陰極バッファ材料には耐熱性の指標であるガラス転移温度(Tg)が、120℃以上であることが要求される。
図1、図2および図3は、本発明に係る有機光電変換素子の一実施形態を示すものであって、本発明は何ら図示した構成に限定されるものではない。例えば、図1とは逆の積層構造とすること、すなわち、基板1上に陰極6、陰極バッファ層5、活性層4、陽極バッファ層3、陽極2の順に積層することも可能である。このことは図2、図3の構造についても同様である。
After the
1, 2 and 3 show one embodiment of the organic photoelectric conversion device according to the present invention, and the present invention is not limited to the illustrated configuration. For example, a stacked structure opposite to that shown in FIG. 1 can be used, that is, the
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
<合成例1>
例示化合物(2)を以下に示す方法により合成した。
3,7-ジブロモ-1,2,5,6-テトラフェニルベンゾ[1,2-b-4,5-b']ジホスホールスルフィドの合成
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all.
<Synthesis Example 1>
Exemplary compound (2) was synthesized by the method shown below.
Synthesis of 3,7-dibromo-1,2,5,6-tetraphenylbenzo [1,2-b-4,5-b '] diphosphole sulfide
1,4-ジブロモ-2,5-ジ(フェニルエチニル)ベンゼン (2.16 g, 4.95 mmol) とジエチルエーテル (25 mL) の混合物に,-78 ℃でブチルリチウム (13.0 mL, 1.58 M,ペンタン溶液) を加え、2時間撹拌した。この混合物にクロロジエチルアミノフェニルホスフィン (2.34 g, 10.9 mmol) を加え、さらに15分撹拌した後、溶媒を減圧留去した。.この混合物に、-78 ℃にてテトラヒドロフラン(25.0 mL) を加えて 0 ℃まで昇温した後,三臭化リン (2.80 mL, 29.7 mmol) を加え、加熱還流下で14時間撹拌した。得られたオレンジ色の沈殿を濾過し、濾紙上の固体を水およびメタノールで洗浄することにより、3,7-ジブロモ-1,2,5,6-テトラフェニルベンゾ[1,2-b-4,5-b']ジホスホールを得た。この化合物と塩化リチウム (112 mg, 2.90 mmol)、硫黄 (153 mg, 4.78 mmol) をトルエン (14.5 mL) 中、15時間加熱撹拌した後、溶媒を減圧留去することで、黄色の粗生成物を得た。シリカゲルカラムクロマトグラフィーによる精製を行い、目的化合物 (1.02 g, 1.42 mmol, 29%) を得た。この生成物はシス体、トランス体のジアステレオマー混合物であった。 To a mixture of 1,4-dibromo-2,5-di (phenylethynyl) benzene (2.16 g, 4.95 mmol) and diethyl ether (25 mL) at -78 ° C, butyllithium (13.0 mL, 1.58 M, pentane solution) And stirred for 2 hours. To this mixture was added chlorodiethylaminophenylphosphine (2.34 g, 10.9 mmol), and the mixture was further stirred for 15 minutes, and then the solvent was distilled off under reduced pressure. . Tetrahydrofuran (25.0 mL) was added to this mixture at −78 ° C. and the temperature was raised to 0 ° C., phosphorus tribromide (2.80 mL, 29.7 mmol) was added, and the mixture was stirred with heating under reflux for 14 hr. The resulting orange precipitate was filtered, and the solid on the filter paper was washed with water and methanol to give 3,7-dibromo-1,2,5,6-tetraphenylbenzo [1,2-b-4 , 5-b '] diphosphole was obtained. This compound, lithium chloride (112 mg, 2.90 mmol) and sulfur (153 mg, 4.78 mmol) were stirred in toluene (14.5 mL) for 15 hours, and then the solvent was distilled off under reduced pressure to give a yellow crude product. Got. Purification by silica gel column chromatography gave the target compound (1.02 g, 1.42 mmol, 29%). The product was a mixture of cis and trans diastereomers.
1,2,3,5,6,7-ヘキサフェニルベンゾ[1,2-b-4,5-b']ジホスホールスルフィド(2)の合成
上記において得た化合物 (591 mg, 0.825 mmol)、フェニルボロン酸 (329 mg, 2.70 mmol)、Pd2(dba)3・CHCl3錯体 (43.5 mg, 0.0420 mmol)、2-ジシクロヘキシルホスフィノ-2’,6’-ジメトキシビフェニル (69.1 mg, 0.168 mmol)、炭酸カリウム (450 mg, 3.26 mmol)をトルエン (4.20 mL)および水 (1.60 mL)の混合溶媒中、80 ℃にて5時間加熱撹拌した後、硫黄 (6.40 mg, 0.198 mmol) を加え、さらに80 ℃で2.5時間加熱撹拌した。有機層と水層を分離した後、水層をクロロホルムで2回抽出し、クロロホルム層を先の有機層と併せた。この溶液をシリカゲルに通した後、溶媒を減圧留去することで黄色の粗成生物を得た。トルエンからの再結晶、引き続きゲル透過クロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)による精製を行い、例示化合物(2)(422 mg, 72%) を、シス体、トランス体のジアステレオマー混合物として得た。
Synthesis of 1,2,3,5,6,7-hexaphenylbenzo [1,2-b-4,5-b '] diphosphole sulfide (2) Compound obtained above (591 mg, 0.825 mmol) , Phenylboronic acid (329 mg, 2.70 mmol), Pd 2 (dba) 3・ CHCl 3 complex (43.5 mg, 0.0420 mmol), 2-dicyclohexylphosphino-2 ', 6'-dimethoxybiphenyl (69.1 mg, 0.168 mmol) ), Potassium carbonate (450 mg, 3.26 mmol) in a mixed solvent of toluene (4.20 mL) and water (1.60 mL) at 80 ° C. for 5 hours with stirring, sulfur (6.40 mg, 0.198 mmol) was added, The mixture was further heated and stirred at 80 ° C. for 2.5 hours. After the organic layer and the aqueous layer were separated, the aqueous layer was extracted twice with chloroform, and the chloroform layer was combined with the previous organic layer. After passing this solution through silica gel, the solvent was distilled off under reduced pressure to obtain a yellow crude product. Recrystallization from toluene and subsequent purification by gel permeation chromatography (developing solvent: chloroform) yielded Exemplified Compound (2) (422 mg, 72%) as a diastereomeric mixture of cis and trans isomers.
上記例示化合物(2)の示差熱量分析(DSC)測定によるガラス転移温度は158℃であった。
<実施例1>
図3に示す構造を有する有機薄膜太陽電池を以下の方法で作製した。
The glass transition temperature of the above exemplary compound (2) by differential calorimetry (DSC) measurement was 158 ° C.
<Example 1>
An organic thin film solar cell having the structure shown in FIG. 3 was produced by the following method.
ガラス基板上にインジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を 145nm堆積したもの(シート抵抗8.4Ω)を通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングを用いて 2mm幅のストライプにパターニングして透明電極を形成した。パターン形成したITO基板を、界面活性剤による超音波洗浄、超純水による水洗、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。 A transparent electrode is formed by patterning a 145nm thick indium tin oxide (ITO) transparent conductive film (sheet resistance 8.4Ω) on a glass substrate into a 2mm wide stripe using normal photolithography and hydrochloric acid etching. did. The patterned ITO substrate was cleaned in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant, water with ultrapure water, and ultrasonic cleaning with ultrapure water, then dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning.
この透明基板上に、陽極バッファ層3として,導電性高分子であるPEDOT:PSS(スタルクヴィテック社製,品名Baytron PH)を40nmの膜厚でスピンコートした後、120℃で大気中10分間加熱乾燥後、窒素中180℃で3分間加熱処理した。
On this transparent substrate, PEDOT: PSS (product name: Baytron PH), a conductive polymer, was spin-coated as an
次に、前記に示したテトラベンゾポルフィリン化合物(BP-1)の前駆体を、クロロベンゼンとクロロホルムの混合溶媒(重量比で2:1)に0.5重量%で溶かした溶液を用いて、陽極バッファ層上にスピンコートした。塗布後、ホットプレート上、180℃で20分間加熱処理を行った。この加熱処理により褐色の前駆体膜は緑色のテトラベンゾポルフィリン膜へと熱転換され、結晶性の25nmの平均膜厚を有するp-層4aが得られた。
Next, an anode buffer layer is prepared by using a solution obtained by dissolving the precursor of the tetrabenzoporphyrin compound (BP-1) shown above in a mixed solvent of chlorobenzene and chloroform (2: 1 by weight) at 0.5% by weight. Spin coated on top. After the application, heat treatment was performed on a hot plate at 180 ° C. for 20 minutes. By this heat treatment, the brown precursor film was thermally converted into a green tetrabenzoporphyrin film, and a crystalline p-
引き続き、テトラベンゾポルフィリンとフラーレン化合物(SIMEF)をそれぞれ0.6重量%と1.4重量%で、クロロベンゼンとクロロホルムの混合溶媒(重量比1:1)に溶かした溶液を用いて、上記ベンゾポルフィリンからなる活性層(p-層)4aの上に、スピンコートした。塗布後、180℃で20分間加熱処理を行ない、活性層(i-層)4bを積層した。 Subsequently, an active layer composed of the above benzoporphyrin using a solution obtained by dissolving tetrabenzoporphyrin and fullerene compound (SIMEF) in a mixed solvent of chlorobenzene and chloroform (weight ratio 1: 1) at 0.6% by weight and 1.4% by weight, respectively. The (p-layer) 4a was spin coated. After coating, heat treatment was performed at 180 ° C. for 20 minutes to laminate an active layer (i-layer) 4b.
上記加熱処理後、フラーレン化合物(SIMEF)のトルエン溶液(1.2重量%)を用いて活性層4bの上に、活性層4c(n-層)をスピンコートにより積層した。塗布後、65℃で10分間乾燥処理を行なった。
After the heat treatment, an
次に、上記一連の有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。上記装置の粗排気を油回転ポンプにより行った後、装置内の真空度が1.4x10-4Paとなるまでクライオポンプを用いて排気した。上記装置内に配置されたメタルボート入れたベンゾジホスホール化合物(2)を加熱して蒸着を行った。蒸着時の真空度は1.4x10-4Pa、蒸着速度は0.05nm/秒で、膜厚5nmの膜を活性層4cの上に積層して陰極バッファ層5を完成させた。
Next, the substrate on which the series of organic layers was formed was placed in a vacuum deposition apparatus. After roughly exhausting the apparatus with an oil rotary pump, the apparatus was exhausted with a cryopump until the degree of vacuum in the apparatus was 1.4 × 10 −4 Pa. Vapor deposition was performed by heating the benzodiphosphole compound (2) in a metal boat placed in the apparatus. The degree of vacuum during vapor deposition was 1.4 × 10 −4 Pa, the vapor deposition rate was 0.05 nm / second, and a 5 nm thick film was laminated on the
引続き、上部電極用のマスクとして 2mm幅のストライプ状シャドーマスクを、透明電極2のITOストライプとは直交するように素子に密着させて、別の真空蒸着室内に設置して有機層と同様にして装置内の真空度が2.5x10-4Paまで排気した。
Subsequently, as a mask for the upper electrode, a 2 mm wide striped shadow mask is brought into close contact with the element so as to be orthogonal to the ITO stripe of the
陰極6として、アルミニウムを蒸着速度0.5 nm/秒で陰極バッファ層5に膜厚72nmで形成した。蒸着時の真空度は2.5x10-4Paであった。
As the
上記素子をグローブボックス中に取り出した後、120℃において10分間アニール処理を行なった。アニール後、素子を背面ガラス板を用いて光硬化樹脂により貼り合わせて封止した。 After the device was taken out of the glove box, an annealing treatment was performed at 120 ° C. for 10 minutes. After the annealing, the element was bonded and sealed with a photocuring resin using a back glass plate.
以上の様にして、2mmx2mm のサイズの受光面積部分を有する有機薄膜太陽電池が得られた。 As described above, an organic thin-film solar cell having a light-receiving area portion having a size of 2 mm × 2 mm was obtained.
この素子に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cm2の照射強度で照射して,電圧-電流特性を測定したところ、開放電圧(Voc)0.72V,短絡電流(Jsc)10.4 mA/cm2、フィルファクター(FF)0.61、エネルギー変換効率(hp)4.58 %、という光電変換特性が得られた。
<実施例2>
陰極バッファ層に,ベンゾジホスホール化合物(1)を用いた他は実施例1と同様にして,有機薄膜太陽電池を作製した。
When this element was irradiated with solar simulator (AM1.5G) light at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 and the voltage-current characteristics were measured, the open-circuit voltage (Voc) was 0.72 V and the short-circuit current (Jsc) was 10.4 mA. The photoelectric conversion characteristics of / cm 2 , fill factor (FF) 0.61, energy conversion efficiency (hp) 4.58% were obtained.
<Example 2>
An organic thin film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the benzodiphosphole compound (1) was used for the cathode buffer layer.
この素子に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cm2の照射強度で照射して、電圧-電流特性を測定したところ、開放電圧(Voc)0.71V、短絡電流(Jsc)10.6mA/cm2、フィルファクター(FF)0.60、エネルギー変換効率(hp)4.52%、という光電変換特性が得られた。
<比較例1>
陰極バッファ層として下記化合物(BCP)を用いた他は実施例1と同様にして素子を作製した。
When this element was irradiated with solar simulator (AM1.5G) light at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 and the voltage-current characteristics were measured, the open circuit voltage (Voc) was 0.71 V and the short circuit current (Jsc) was 10.6 mA. The photoelectric conversion characteristics of / cm 2 , fill factor (FF) 0.60, energy conversion efficiency (hp) 4.52% were obtained.
<Comparative Example 1>
A device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following compound (BCP) was used as the cathode buffer layer.
この素子に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cm2の照射強度で照射して,電圧-電流特性を測定したところ、開放電圧(Voc)0.22V、短絡電流(Jsc)7.8mA/cm2、フィルファクター(FF)0.33,エネルギー変換効率(hp)0.57%、という光電変換特性が得られた。
<比較例2>
陰極バッファ層を設けない用他は実施例1と同様にして素子を作製した。
When this element was irradiated with solar simulator (AM1.5G) light at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 and the voltage-current characteristics were measured, the open circuit voltage (Voc) was 0.22 V and the short-circuit current (Jsc) was 7.8 mA. The photoelectric conversion characteristics of / cm 2 , fill factor (FF) 0.33, energy conversion efficiency (hp) 0.57% were obtained.
<Comparative example 2>
A device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the cathode buffer layer was not provided.
この素子に、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cm2の照射強度で照射して、電圧-電流特性を測定したところ、開放電圧(Voc)0.48V、短絡電流(Jsc)8.5mA/cm2、フィルファクター(FF)0.40、エネルギー変換効率(hp)1.61%、という光電変換特性が得られた。 The device was irradiated with solar simulator (AM1.5G) light at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 and measured for voltage-current characteristics. The open circuit voltage (Voc) was 0.48 V and the short-circuit current (Jsc) was 8.5 mA. The photoelectric conversion characteristics of / cm 2 , fill factor (FF) 0.40, energy conversion efficiency (hp) 1.61% were obtained.
1 透明基板
2 透明陽極
3 陽極バッファ層
4 活性層
4a p-型活性層
4b n-型活性層
4c i-型活性層
5 陰極バッファ層
6 陰極
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