JP5381619B2 - Organic photoelectric conversion element, solar cell using the same, and optical sensor array - Google Patents

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Description

本発明は、有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイに関し、さらに詳しくは、バルクへテロジャンクション型の有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池、および光アレイセンサに関する。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array. More specifically, the present invention relates to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical array sensor.

バルクヘテロジャンクション型の有機太陽電池(有機光電変換素子)は、光吸収によって形成した励起子を失活する前に効率よく電荷分離できることが特徴だが、発生したキャリアは、有機ドナー材料または有機アクセプタ材料がそれぞれ相分離し、電極まで繋がったドメイン構造中を拡散によって移動するため、両極性のキャリア同士が電極上で再結合してしまい、エネルギー変換効率においてロス要因となっていた。   Bulk heterojunction type organic solar cells (organic photoelectric conversion elements) are characterized by efficient charge separation before quenching excitons formed by light absorption. However, the generated carriers are organic donor materials or organic acceptor materials. Since each phase-separates and moves in the domain structure connected to the electrode by diffusion, the bipolar carriers are recombined on the electrode, causing a loss factor in energy conversion efficiency.

この様な課題に対し、発電層と電極との間に電荷輸送層を有する構成により、正孔と電子のキャリア分離能を高める試みが成されている。例えば、光電変換層と電極の間にバンドギャップ1.8eV以上の共役ポリマー層を形成する方法(例えば、特許文献1参照)や、熱変換型のベンゾポルフィリン層を形成する方法(例えば、特許文献2参照)、金属アルコキシドの溶液を塗布し、大気中で加水分解させることで金属酸化物層とする方法(例えば、特許文献3、4参照)等が紹介されている。   In order to deal with such problems, attempts have been made to increase the carrier separation ability of holes and electrons by using a structure having a charge transport layer between the power generation layer and the electrode. For example, a method of forming a conjugated polymer layer having a band gap of 1.8 eV or more between the photoelectric conversion layer and the electrode (for example, see Patent Document 1), or a method of forming a heat conversion type benzoporphyrin layer (for example, Patent Document) 2), a method of forming a metal oxide layer by applying a metal alkoxide solution and hydrolyzing it in the air (see, for example, Patent Documents 3 and 4).

上述した従来構成の課題について図1を用いて説明する。図1(a)は従来の素子構成を示し、図1(b)はそのエネルギーダイアグラムを示す。図1中の光電変換素子10は、第1の電極101(正極)上に、正孔輸送層102を積層し、p型半導体材料103aとn型半導体材料103bとを混合したバルクヘテロジャンクション型の発電層103と、電子輸送層104、第2の電極105(陰極)とを積層した構造が一般的に用いられる。   The problem of the above-described conventional configuration will be described with reference to FIG. FIG. 1A shows a conventional element configuration, and FIG. 1B shows its energy diagram. The photoelectric conversion element 10 in FIG. 1 is a bulk heterojunction type power generation in which a hole transport layer 102 is stacked on a first electrode 101 (positive electrode) and a p-type semiconductor material 103a and an n-type semiconductor material 103b are mixed. A structure in which the layer 103, the electron transport layer 104, and the second electrode 105 (cathode) are stacked is generally used.

ここで発電層103は、103aと103bとが相分離したドメイン構造を有し、実際には両極側にそれぞれのドメインが部分的に接しているため、電子と正孔の逆流を抑制するために、正孔輸送層102、もしくは電子輸送層104を配することで、電子と正孔の分離性を高める試みが成されている。上述した従来技術では、正孔輸送層102のLUMO(伝導帯/CB)レベルを制御し、発電層から電子が逆流することを防ぐ。また、電子輸送層104のHOMO(価電子帯/VB)レベルを制御し、発電層から正孔が逆流するのを防ぐ。   Here, the power generation layer 103 has a domain structure in which 103a and 103b are phase-separated, and each domain is actually in contact with both sides, so that the backflow of electrons and holes is suppressed. Attempts have been made to increase the separation between electrons and holes by providing the hole transport layer 102 or the electron transport layer 104. In the conventional technology described above, the LUMO (conduction band / CB) level of the hole transport layer 102 is controlled to prevent electrons from flowing back from the power generation layer. In addition, the HOMO (valence band / VB) level of the electron transport layer 104 is controlled to prevent holes from flowing backward from the power generation layer.

しかしながら、実際にこの様な構成では、正孔輸送層102および電子輸送層104は、様々な内部欠陥準位(図1b中、106または107)を有するため、この過程を通過して逆のキャリアが電極まで輸送され、再結合することによって発電のロスになっている。   However, in fact, in such a configuration, since the hole transport layer 102 and the electron transport layer 104 have various internal defect levels (106 or 107 in FIG. 1b), the reverse carrier passes through this process. Is transported to the electrode and recombined, resulting in power generation loss.

したがって、上述した課題に対し、電子と正孔を効率よく分離することで、電極に回収されるキャリアを増大させ、より優れた光電変換特性を発現する技術が求められている。   Therefore, there is a need for a technique that increases the number of carriers recovered by an electrode and efficiently develops photoelectric conversion characteristics by efficiently separating electrons and holes from the above-described problems.

しかし、この上述した何れの解決策においても未だ発電層で光吸収によって発生したキャリア(正孔と電子)の分離能が十分でなく、電極上でのフリーキャリア同士の再結合を十分に抑制できていない結果、光電変換特性を高めることが出来ず、更には光照射時の素子耐久性においても十分な性能が得られていなかった。   However, in any of the above-described solutions, the separation power of carriers (holes and electrons) generated by light absorption in the power generation layer is not sufficient, and recombination of free carriers on the electrode can be sufficiently suppressed. As a result, the photoelectric conversion characteristics could not be improved, and further, sufficient performance was not obtained in terms of element durability during light irradiation.

また、このような目的でITO側のバッファ層としてPEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)の様な導電性高分子とポリ陰イオンのポリマー層を導入した場合に、該層の酸が陰極層まで拡散し、素子の酸化による劣化を促進している(例えば、非特許文献1参照)と言う問題があった。   For this purpose, a conductive polymer such as PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrenesulfonic acid) and a polyanion polymer layer were introduced as a buffer layer on the ITO side. In such a case, there is a problem that the acid in the layer diffuses to the cathode layer and promotes deterioration due to oxidation of the element (see, for example, Non-Patent Document 1).

WO2004/017422号パンフレットWO2004 / 017422 pamphlet 特開2008−135622号公報JP 2008-135622 A WO2007/011741号パンフレットWO2007 / 011741 pamphlet 特開2007−273939号公報JP 2007-273939 A

高分子学会予稿集、vol158, No2,5654−5655ページ、2009年Proceedings of the Society of Polymer Science, vol. 158, No. 2, pages 5654-5655, 2009

本発明の目的は、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性を有する有機光電変換素子、それを用いた太陽電池及び光センサアレイを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability, a solar cell using the same, and an optical sensor array.

本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。   The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.

1.陽極と陰極の間に少なくとも正孔輸送層と発電層が順次積層された構成を有する有機光電変換素子であって、該正孔輸送層は、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーで形成され、かつ、該発電層は、p型半導体材料及びn型半導体材料が混合されたバルクへテロジャンクション層であり、更に、該正孔輸送層と該発電層の間に下記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。   1. An organic photoelectric conversion element having a structure in which at least a hole transport layer and a power generation layer are sequentially laminated between an anode and a cathode, wherein the hole transport layer comprises a π-conjugated conductive polymer and a poly anion. And the power generation layer is a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, and further includes the hole transport layer and the power generation layer. An organic photoelectric conversion element comprising a compound having an amino group represented by the following general formula (1) in between.

Figure 0005381619
Figure 0005381619

(式中、Rは水素原子又はアルキル基を表し、Rは水素原子または炭化水素基を表す。)
2.前記π共役系導電性高分子が、下記一般式(2)で表される繰り返し単位を有するものであることを特徴とする、前記1記載の有機光電変換素子。
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 2 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group.)
2. 2. The organic photoelectric conversion device as described in 1 above, wherein the π-conjugated conductive polymer has a repeating unit represented by the following general formula (2).

Figure 0005381619
Figure 0005381619

(式中、Aは置換基を有しても良い炭素数1〜4のアルキレン基を示し、Qは酸素原子または硫黄原子を表す)
3.前記一般式(2)で表される部分構造を有するπ共役系導電性高分子が、ポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェンの重合体または共重合体であることを特徴とする、前記2記載の有機光電変換素子。
(In the formula, A 1 represents an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms which may have a substituent, and Q represents an oxygen atom or a sulfur atom)
3. The π-conjugated conductive polymer having a partial structure represented by the general formula (2) is a polymer or copolymer of poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene, 2. The organic photoelectric conversion element according to 2.

4.前記ポリ陰イオンが、下記一般式(3)で表されることを特徴とする、前記1〜3のいずれか1項記載の有機光電変換素子。   4). 4. The organic photoelectric conversion device according to any one of 1 to 3, wherein the poly anion is represented by the following general formula (3).

Figure 0005381619
Figure 0005381619

(式中、Rは水素原子またはメチル基を表し、Aは、単なる結合手、置換または非置換のC〜C30のアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルコキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルコキシ基;置換または非置換のC−C30のアリール基;置換または非置換のC〜C30のアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリール基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C20のシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のアリールエステル基;及び、置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールエステル基からなる群から選択され、Bは、イオン基、またはイオン基を含む基を表し、この際、前記イオン基は、陰イオンと陽イオンとの共役であり、前記陰イオンは、SO 、COO、から選択され、前記陽イオンは、Na、K、Li、Mg+2、Zn+2、およびAl+3から選択される金属イオンまたはH、NH 、CH(−CH−)(nは、1〜50の整数である)から選択される有機イオンのいずれかである。)
5.前記ポリ陰イオンが、スルホン酸基を有することを特徴とする、前記4記載の有機光電変換素子。
(In the formula, R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, and A 2 is a simple bond, a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 alkyl group; a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkyl. group; an alkoxy group substituted or unsubstituted C 1 -C 30; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkoxy group; an aryl group substituted or unsubstituted C 6 -C 30; a substituted or unsubstituted A C 6 -C 30 arylalkyl group; a substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryloxy group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroaryl group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroarylalkyl group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroaryloxy group, substituted or cycloalkyl group unsubstituted C 5 -C 20, substituted or unsubstituted C 2 ~ C 30 heterocycloalkyl group; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 alkyl ester group; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkyl ester group; substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryl ester group; and it is selected from the group consisting of heteroaryl ester group of C 2 -C 30 substituted or unsubstituted, B represents a group containing an ionic group or an ionic group, this time, the ionic group An anion and a cation, wherein the anion is selected from SO 3 , COO , and the cation is Na + , K + , Li + , Mg +2 , Zn +2 , and Al +, metal ion or H is selected from +3 NH 3 +, CH 3 ( -CH 2 -) n O + (n is an integer of 1 to 50) Izu organic ion selected from It is how.)
5. 5. The organic photoelectric conversion element as described in 4 above, wherein the poly anion has a sulfonic acid group.

6.前記ポリ陰イオンが、ポリスチレンスルホン酸であることを特徴とする、前記5記載の有機光電変換素子。   6). 6. The organic photoelectric conversion element as described in 5 above, wherein the poly anion is polystyrene sulfonic acid.

7.前記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物を含有する層が0.5〜10nmの膜厚で形成されていることを特徴とする、前記1〜6のいずれか一項記載の有機光電変換素子。   7). The layer containing the compound having an amino group represented by the general formula (1) is formed with a film thickness of 0.5 to 10 nm, according to any one of the above 1 to 6, Organic photoelectric conversion element.

8.前記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物が、チオフェンオリゴマーであることを特徴とする、前記1〜7のいずれか1項記載の有機光電変換素子。   8). 8. The organic photoelectric conversion device as described in any one of 1 to 7 above, wherein the compound having an amino group represented by the general formula (1) is a thiophene oligomer.

9.前記チオフェンオリゴマーの分子量が400以上であることを特徴とする、前記8記載の有機光電変換素子。   9. 9. The organic photoelectric conversion device according to 8, wherein the thiophene oligomer has a molecular weight of 400 or more.

10.前記チオフェンオリゴマーの分子量が600以上であることを特徴とする、前記9記載の有機光電変換素子。   10. 10. The organic photoelectric conversion device according to 9, wherein the thiophene oligomer has a molecular weight of 600 or more.

11.前記正孔輸送層を形成し、前記正孔輸送層の上に該正孔輸送層が形成された後、前記アミノ基を有する化合物を含有する層と前記発電層は、前記アミノ基を有する化合物、前記p型半導体材料及び前記n型半導体材料が含まれた溶液を塗布することによって形成されることを特徴とする、前記1〜10のいずれか1項記載の有機光電変換素子。   11. After the hole transport layer is formed and the hole transport layer is formed on the hole transport layer, the layer containing the compound having an amino group and the power generation layer are compounds having the amino group. 11. The organic photoelectric conversion element as described in any one of 1 to 10 above, which is formed by applying a solution containing the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material.

12.前記1〜11のいずれか1項記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   12 It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of said 1-11, The solar cell characterized by the above-mentioned.

13.前記1〜11のいずれか1項記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   13. The organic photoelectric conversion element of any one of said 1-11 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.

本発明により、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性を有する有機光電変換素子、それを用いた太陽電池及び光センサアレイを提供することができた。   According to the present invention, an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical sensor array can be provided.

従来技術における有機光電変換素子(有機太陽電池素子)の断層構造、およびエネルギーダイアグラムを示した図である。It is the figure which showed the tomographic structure and energy diagram of the organic photoelectric conversion element (organic solar cell element) in a prior art. 本発明のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the solar cell which consists of a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element of this invention. 光センサアレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an optical sensor array.

以下本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited thereto.

本発明者らは、上記課題に対して鋭意検討したところ、正孔輸送層がπ共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーで形成され、発電層がp型半導体材料及びn型半導体材料が混合されたバルクへテロジャンクション層である有機光電変換素子において、正孔輸送層と陰極の間に一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物を含有させることで、高い光電変換効率及び耐久性を発現できることを見いだした。   As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that the hole transport layer is formed of a conductive polymer including a π-conjugated conductive polymer and a polyanion, and the power generation layer is a p-type semiconductor. In the organic photoelectric conversion element which is a bulk heterojunction layer in which a material and an n-type semiconductor material are mixed, a compound having an amino group represented by the general formula (1) is included between the hole transport layer and the cathode. Thus, it has been found that high photoelectric conversion efficiency and durability can be expressed.

以下、本発明に係る各構成要素の詳細について、順次説明する。   Hereinafter, details of each component according to the present invention will be sequentially described.

〔一般式(1)〜一般式(3)で表される部分構造を有する化合物〕
まず、本発明における一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物について説明する。
[Compound having a partial structure represented by general formula (1) to general formula (3)]
First, the compound which has an amino group represented by General formula (1) in this invention is demonstrated.

一般式(1)において、式中、Rは水素原子又はアルキル基を表し、Rは水素原子または炭化水素基を表す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、iso−プロピル基等が挙げられ、炭化水素基としては、アルキル基(メチル基、エチル基、iso−プロピル基等)、シクロアルキル基(シクロプロピル基、シクロヘキシル基等)、アリール基(フェニル基等)等が挙げられる。一般式(1)で表される化合物としては、公知の共役ポリマー化合物、芳香族オリゴマー化合物や縮合多環芳香族化合物等が好適に用いられる。 In the general formula (1), in the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 2 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, and an iso-propyl group. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group (such as a methyl group, an ethyl group, and an iso-propyl group), a cycloalkyl group (a cyclopropyl group, A cyclohexyl group), an aryl group (phenyl group, etc.), and the like. As the compound represented by the general formula (1), known conjugated polymer compounds, aromatic oligomer compounds, condensed polycyclic aromatic compounds and the like are preferably used.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第08/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater.,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。   As the conjugated polymer, for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO08 / 000664, Adv. Mater. , 2007, p4160, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomeric materials instead of polymer materials include thiophene hexamer α-sexual thiophene α, ω-dihexyl-α-sexual thiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.

芳香族オリゴマー化合物としては、チオフェンオリゴマー、ピロールオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、フェニレンビニレンオリゴマー又はチエニレンビニレン等が挙げられる。本発明において、オリゴマーとは、分子量が3000以下の化合物を表す。   Examples of aromatic oligomer compounds include thiophene oligomers, pyrrole oligomers, polyaniline, polyphenylene and oligomers thereof, phenylene vinylene oligomers, and thienylene vinylenes. In the present invention, the oligomer represents a compound having a molecular weight of 3000 or less.

縮合多環芳香族化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。   As the condensed polycyclic aromatic compound, for example, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, sarkham anthracene, bisanthene, zestrene, heptazelene, Compounds such as pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF)- Examples include perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.

一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物としては、チオフェンオリゴマーが好適に用いられ、より好ましくは、分子量が400以上のチオフェンオリゴマーであり、更に好ましくは、分子量が600以上のチオフェンオリゴマーが用いられる。   As the compound having an amino group represented by the general formula (1), a thiophene oligomer is preferably used, more preferably a thiophene oligomer having a molecular weight of 400 or more, and further preferably a thiophene oligomer having a molecular weight of 600 or more. Is used.

以下、本発明に係る一般式(1)で表される部分構造を有する化合物の例を挙げるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, although the example of the compound which has the partial structure represented by General formula (1) based on this invention is given, this invention is not limited to these.

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なお、これらの化合物は公開公報2004−137502号、公開公報2005−294588号、公開公報2006−117672号、公開公報2007−59558号、J.Heterocyclic Chem.、33、173−178、1996などを参考にして公知の方法で合成することができる。   In addition, these compounds are disclosed in Japanese Patent Application Publication Nos. 2004-137502, 2005-294588, 2006-117672, 2007-59558, J. Pat. Heterocyclic Chem. , 33, 173-178, 1996, etc., can be synthesized by a known method.

次に、本発明における導電性ポリマーについて説明する。   Next, the conductive polymer in the present invention will be described.

本発明における導電性ポリマーは、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなり、主鎖がカチオン性のπ共役導電性高分子を有し、ポリ陰イオンを対アニオンとして有する複合体構成を有する。   The conductive polymer in the present invention includes a π-conjugated conductive polymer and a polyanion, a main chain having a cationic π-conjugated conductive polymer, and a polyanion as a counter anion. Has a body structure.

次に、本発明におけるπ共役系導電性高分子について説明する。   Next, the π-conjugated conductive polymer in the present invention will be described.

本発明のπ共役系導電性高分子とは、金属的又は半導体的な導電性を示す、主鎖がπ共役系骨格である高分子物質を表す。本発明において、「導電性」とは、電気が流れる状態を指し、JIS K 7194の「導電電性プラスチックの4探針法による抵抗率試験方法」に準拠した方法で測定したシート抵抗が10×8Ω/□より低いことをいう。π共役系導電性高分子としては、芳香族炭化水素の重合体、複素環化合物の重合体が例示される。具体的には、チオフェンおよびその誘導体の重合体(例えば、ポリ−3−アルキルチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン)、ピロールおよびその誘導体の重合体(例えばポリピロール)、アニリンおよびその誘導体の重合体(例えばポリアニリン)、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリフェニレンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体、ポリイソチオナフテンおよびその誘導体が例示される。これらの中で、好ましくは、ポリチオフェン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、であり、より好ましくは、ポリアニリン類、ポリチオフェン類である。   The π-conjugated conductive polymer of the present invention represents a polymer substance that has metallic or semiconducting conductivity and whose main chain is a π-conjugated skeleton. In the present invention, “conductive” refers to a state in which electricity flows, and the sheet resistance measured by a method in accordance with JIS K 7194 “Resistivity Test Method by Conductive Plastic Four-Probe Method” is 10 ×. It means lower than 8Ω / □. Examples of the π-conjugated conductive polymer include aromatic hydrocarbon polymers and heterocyclic compound polymers. Specifically, polymers of thiophene and its derivatives (eg, poly-3-alkylthiophene, polyethylenedioxythiophene), polymers of pyrrole and its derivatives (eg, polypyrrole), polymers of aniline and its derivatives (eg, polyaniline) ), Polyphenylene vinylene and its derivatives, polythienylene vinylene and its derivatives, polyacetylene and its derivatives, polyphenylene and its derivatives, polyfluorene and its derivatives, polyisothionaphthene and its derivatives. Of these, polythiophenes, polypyrroles, and polyanilines are preferable, and polyanilines and polythiophenes are more preferable.

これらのπ共役系導電性高分子は、無置換のままでも、十分な導電性、バインダ樹脂への相溶性を得ることができるが、導電性及び相溶性をより高めるためには、アルキル基、カルボキシキル基、スルホ基、アルコキシ基、ヒドロキシ基等の官能基を有機高分子に導入することが好ましい。   These π-conjugated conductive polymers can obtain sufficient conductivity and compatibility with the binder resin even if they are not substituted, but in order to further improve conductivity and compatibility, an alkyl group, It is preferable to introduce a functional group such as a carboxyl group, a sulfo group, an alkoxy group, or a hydroxy group into the organic polymer.

有機高分子の具体例としては、ポリピロール、ポリ(N−メチルピロール)、ポリ(3−メチルピロール)、ポリ(3−エチルピロール)、ポリ(3−n−プロピルピロール)、ポリ(3−ブチルピロール)、ポリ(3−オクチルピロール)、ポリ(3−デシルピロール)、ポリ(3−ドデシルピロール)、ポリ(3,4−ジメチルピロール)、ポリ(3,4−ジブチルピロール)、ポリ(3−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシエチルピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシブチルピロール)、ポリ(3−ヒドロキシピロール)、ポリ(3−メトキシピロール)、ポリ(3−エトキシピロール)、ポリ(3−ブトキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−ヘキシルオキシピロール)、ポリ(チオフェン)、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ(3−エチルチオフェン)、ポリ(3−プロピルチオフェン)、ポリ(3−ブチルチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3−ヘプチルチオフェン)、ポリ(3−オクチルチオフェン)、ポリ(3−デシルチオフェン)、ポリ(3−ドデシルチオフェン)、ポリ(3−オクタデシルチオフェン)、ポリ(3−ブロモチオフェン)、ポリ(3−クロロチオフェン)、ポリ(3−ヨードチオフェン)、ポリ(3−シアノチオフェン)、ポリ(3−フェニルチオフェン)、ポリ(3,4−ジメチルチオフェン)、ポリ(3,4−ジブチルチオフェン)、ポリ(3−ヒドロキシチオフェン)、ポリ(3−メトキシチオフェン)、ポリ(3−エトキシチオフェン)、ポリ(3−ブトキシチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルオキシチオフェン)、ポリ(3−ヘプチルオキシチオフェン)、ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)、ポリ(3−デシルオキシチオフェン)、ポリ(3−ドデシルオキシチオフェン)、ポリ(3−オクタデシルオキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−メトキシチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−エトキシチオフェン)、ポリ(3−カルボキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシエチルチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシブチルチオフェン)、ポリアニリン、ポリ(2−メチルアニリン)、ポリ(3−イソブチルアニリン)、ポリ(2−アニリンスルホン酸)、ポリ(3−アニリンスルホン酸)等が挙げられる。   Specific examples of the organic polymer include polypyrrole, poly (N-methylpyrrole), poly (3-methylpyrrole), poly (3-ethylpyrrole), poly (3-n-propylpyrrole), poly (3-butyl Pyrrole), poly (3-octylpyrrole), poly (3-decylpyrrole), poly (3-dodecylpyrrole), poly (3,4-dimethylpyrrole), poly (3,4-dibutylpyrrole), poly (3 -Carboxypyrrole), poly (3-methyl-4-carboxypyrrole), poly (3-methyl-4-carboxyethylpyrrole), poly (3-methyl-4-carboxybutylpyrrole), poly (3-hydroxypyrrole) , Poly (3-methoxypyrrole), poly (3-ethoxypyrrole), poly (3-butoxypyrrole), poly (3-methyl-4-he Siloxypyrrole), poly (thiophene), poly (3-methylthiophene), poly (3-ethylthiophene), poly (3-propylthiophene), poly (3-butylthiophene), poly (3-hexylthiophene), Poly (3-heptylthiophene), poly (3-octylthiophene), poly (3-decylthiophene), poly (3-dodecylthiophene), poly (3-octadecylthiophene), poly (3-bromothiophene), poly ( 3-chlorothiophene), poly (3-iodothiophene), poly (3-cyanothiophene), poly (3-phenylthiophene), poly (3,4-dimethylthiophene), poly (3,4-dibutylthiophene), Poly (3-hydroxythiophene), poly (3-methoxythiophene), poly (3-ethoxy Thiophene), poly (3-butoxythiophene), poly (3-hexyloxythiophene), poly (3-heptyloxythiophene), poly (3-octyloxythiophene), poly (3-decyloxythiophene), poly (3 -Dodecyloxythiophene), poly (3-octadecyloxythiophene), poly (3-methyl-4-methoxythiophene), poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3-methyl-4-ethoxythiophene) , Poly (3-carboxythiophene), poly (3-methyl-4-carboxythiophene), poly (3-methyl-4-carboxyethylthiophene), poly (3-methyl-4-carboxybutylthiophene), polyaniline, poly (2-methylaniline), poly (3-isobutylaniline), Examples include poly (2-aniline sulfonic acid), poly (3-aniline sulfonic acid), and the like.

これらの中でも特に上記一般式(2)で表される構造単位を繰り返し含む有機高分子が好ましく、本発明に係る導電性化合物が上記一般式(2)で表される構造単位を繰り返し含む態様が好ましい態様である。   Among these, in particular, an organic polymer that repeatedly includes the structural unit represented by the general formula (2) is preferable, and an embodiment in which the conductive compound according to the present invention repeatedly includes the structural unit represented by the general formula (2). This is a preferred embodiment.

(一般式(2)で表される構造単位)
一般式(2)中、Aは置換基を有しても良い炭素数1〜4のアルキレン基を示し、Qは酸素原子または硫黄原子を表す。
(Structural unit represented by general formula (2))
In General Formula (2), A 1 represents an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms which may have a substituent, and Q represents an oxygen atom or a sulfur atom.

一般式(2)で表される構造単位を含む有機高分子は、同一の構造単位を繰り返し含んでもよいし、異なる2種類以上の構造単位を繰り返し含んでいても良い。   The organic polymer containing the structural unit represented by the general formula (2) may repeatedly contain the same structural unit, or may contain two or more different structural units repeatedly.

中でもポリエチレンジオキシチオフェン(Poly(3,4−ethylenedioxythiophene);PEDOT)がより好ましい。   Among these, polyethylenedioxythiophene (Poly (3,4-ethylenediothiophene); PEDOT) is more preferable.

一般式(2)で表される構造単位であるチオフェン化合物の合成は、例えば下記のようにして行うことができる。   The synthesis of the thiophene compound that is the structural unit represented by the general formula (2) can be performed, for example, as follows.

一般式(2)においてQが酸素原子である3,4−ジ−置換チオフェンは、3,4−ジヒドロキシチオフェン−2,5−ジカルボン酸エステルのアルカリ金属塩と適当なアルキレン−vic−ジハライドとを反応させ、次いで遊離3,4−(アルキレン−vic−ジオキシ−)チオフェン−2,5−ジカルボン酸を脱カルボン酸にして得ることができる(例えば、Tetrahedron,1967,23,2437−2441およびJ.Am.Chem.Soc.,1945,67,2217−2218参照)。   In the general formula (2), 3,4-di-substituted thiophene, in which Q is an oxygen atom, comprises an alkali metal salt of 3,4-dihydroxythiophene-2,5-dicarboxylic acid ester and a suitable alkylene-vic-dihalide. And then free 3,4- (alkylene-vic-dioxy-) thiophene-2,5-dicarboxylic acid can be obtained by decarboxylation (see, for example, Tetrahedron, 1967, 23, 2437-2441 and J. Am. Am. Chem. Soc., 1945, 67, 2217-2218).

次に、本発明におけるポリ陰イオンについて説明する。   Next, the poly anion in the present invention will be described.

本発明におけるポリ陰イオンとしては、例えばポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸等の高分子状カルボン酸類、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸等の高分子状スルホン酸類等が挙げられる。また、これらの高分子状カルボン酸類および高分子状スルホン酸類等のポリ陰イオンとしては、ビニルカルボン酸類またはビニルスルホン酸類等から選ばれる1種類のアニオン性モノマーのみから重合される単独重合体であってもよく、あるいは複数種類のアニオン性モノマーからなる共重合体であってもよく、さらにはアニオン性モノマーと、当該モノマーと共重合可能な他のアニオン性ではないモノマー類との共重合体であってもよい。アニオン性モノマーと共重合可能な他のアニオン性ではないモノマーとしては、例えばアニオン性ではないアクリル酸類、スチレン等を挙げることができる。ポリ陰イオンが共重合体である場合には、少なくとも1種のアニオン性モノマーが共重合体成分として含まれていればよく、複数種のアニオン性モノマー、あるいは複数種の他の共重合モノマーを任意に用いることができる。   Examples of the polyanion in the present invention include polymeric carboxylic acids such as polyacrylic acid, polymethacrylic acid and polymaleic acid, and polymeric sulfonic acids such as polystyrene sulfonic acid and polyvinyl sulfonic acid. Further, polyanions such as these polymeric carboxylic acids and polymeric sulfonic acids are homopolymers polymerized from only one kind of anionic monomer selected from vinyl carboxylic acids or vinyl sulfonic acids. Or a copolymer comprising a plurality of types of anionic monomers, and further a copolymer of an anionic monomer and other non-anionic monomers copolymerizable with the monomer. There may be. Examples of other non-anionic monomers copolymerizable with anionic monomers include non-anionic acrylic acids and styrene. When the polyanion is a copolymer, it is sufficient that at least one kind of anionic monomer is contained as a copolymer component, and a plurality of kinds of anionic monomers, or a plurality of kinds of other copolymerization monomers are used. It can be used arbitrarily.

また、化合物内にフッ素(F)を有するポリアニオンであっても良い。具体的には、パーフルオロスルホ基を含有するナフィオン(アルドリッチ社製)、カルボン酸基を含有するパーフルオロ型ビニルエーテルからなるフレミオン(旭硝子社製)などをあげることができる。   Moreover, the polyanion which has a fluorine (F) in a compound may be sufficient. Specifically, Nafion (manufactured by Aldrich) containing a perfluorosulfo group, Flemion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) made of perfluoro vinyl ether containing a carboxylic acid group, and the like can be mentioned.

本発明おいて、ポリ陰イオンは一般式(3)で表されることが好ましい。   In the present invention, the polyanion is preferably represented by the general formula (3).

一般式(3)において、Rは水素原子またはメチル基を表し、Aは、単なる結合手、置換または非置換のC〜C30のアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルコキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルコキシ基;置換または非置換のC−C30のアリール基;置換または非置換のC〜C30のアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリール基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C20のシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のアリールエステル基;及び、置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールエステル基からなる群から選択され、好ましくは、置換又は非置換のフェニル基または単なる結合手を表す。 In the general formula (3), R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, A 2 is merely a bond, a substituted or unsubstituted C 1 to C 30 alkyl group; a substituted or unsubstituted C 1 to C 30 heteroalkyl group; a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 alkoxy group of; substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryl group; a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkoxy groups, substituted or An unsubstituted C 6 -C 30 arylalkyl group; a substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryloxy group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroaryl group; a substituted or unsubstituted C 2 cycloalkyl substituted or unsubstituted C 5 -C 20;; heteroaryloxy group C 2 -C 30 substituted or unsubstituted; heteroarylalkyl group -C 30 substituted or Heterocycloalkyl group of C 2 -C 30 substituted; substituted or unsubstituted alkyl ester group substituted C 1 -C 30, substituted or hetero alkyl ester group unsubstituted C 1 -C 30; a substituted or unsubstituted C Selected from the group consisting of 6 to C 30 aryl ester groups; and substituted or unsubstituted C 2 to C 30 heteroaryl ester groups, and preferably represents a substituted or unsubstituted phenyl group or a simple bond.

Bは、イオン基、またはイオン基を含む基を表し、この際、前記イオン基は、陰イオンと陽イオンとの共役であり、前記陰イオンは、SO 、COOから選択され、前記陽イオンは、Na、K、Li、Mg+2、Zn+2、およびAl+3のような金属イオンまたはH、NH 、CH(−CH−)(nは、1〜50の整数である)のような有機イオンから選択される。好ましいBは、−SONaである。 B represents an ionic group or a group containing an ionic group, wherein the ionic group is a conjugate of an anion and a cation, and the anion is selected from SO 3 and COO , Cations can be metal ions such as Na + , K + , Li + , Mg +2 , Zn +2 , and Al +3 or H + , NH 3 + , CH 3 (—CH 2 —) n O + (n is Selected from organic ions such as 1 to 50). Preferred B is a -SO 3 Na.

一般式(3)で表されるポリ陰イオンは、Aがフェニル及びRが水素原子を表すポリスチレンスルホン酸又はAが単なる結合手及びRが水素原子を表すポリビニルスルホン酸であることが好ましい。 The polyanion represented by the general formula (3) is polystyrene sulfonic acid in which A 2 is phenyl and R 1 is a hydrogen atom, or A 2 is a simple bond and polyvinyl sulfonic acid in which R 1 is a hydrogen atom. Is preferred.

本発明におけるポリアニオンの合成は、塊状、溶液、沈澱、懸濁または(逆)乳化重合法によって実施することができる。適当な分子量を得るには溶液重合法が好ましい。   The synthesis of the polyanion in the present invention can be carried out by bulk, solution, precipitation, suspension or (inverse) emulsion polymerization. A solution polymerization method is preferred for obtaining an appropriate molecular weight.

本発明におけるポリアニオンの合成に使用する開始剤としては、例えば過酸化物、ヒドロペルオキシド類、過硫酸塩、アゾ化合物またはレドックス触媒等を用いることができる。過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム等の過流酸塩、2,2’−アゾビスブチロニトリル等のアゾ化合物が好ましく使用される。   As an initiator used for the synthesis | combination of the polyanion in this invention, a peroxide, hydroperoxides, a persulfate, an azo compound, a redox catalyst etc. can be used, for example. A persulfate such as potassium persulfate, sodium persulfate and ammonium persulfate, and an azo compound such as 2,2'-azobisbutyronitrile are preferably used.

本発明におけるポリアニオンの合成に使用する重合溶剤は、反応条件化で不活性であり、モノマー、生成するポリマーを溶解できれば特に制限はないが、水が好ましい。溶液重合は1〜80質量%、好ましくは10〜60質量%の総モノマー濃度で実施することができる。   The polymerization solvent used for the synthesis of the polyanion in the present invention is not particularly limited as long as it is inert under the reaction conditions and can dissolve the monomer and the polymer to be formed, but water is preferred. Solution polymerization can be carried out at a total monomer concentration of 1 to 80% by weight, preferably 10 to 60% by weight.

本発明におけるポリアニオンの合成を実施する重合温度は、使用する開始剤によって異なるが、一般に−10〜250℃、好ましくは0〜200℃、より好ましくは10〜100℃で実施される。出発材料は溶剤中に最初に導入しても、溶剤中に別々に導入してもまたは一緒に導入してもよい。場合によっては適当な溶剤に溶解した遊離基開始剤の添加は、出発材料の添加前、添加と同時にまたは添加後に実施することができる。重合の妨害を回避するために、反応は還流下にまたは保護ガス雰囲気、好ましくは窒素ガスまたはアルゴン中で実施することが好ましい。   The polymerization temperature for carrying out the synthesis of the polyanion in the present invention varies depending on the initiator used, but is generally -10 to 250 ° C, preferably 0 to 200 ° C, more preferably 10 to 100 ° C. The starting materials may be introduced first into the solvent, introduced separately into the solvent or together. In some cases, the addition of the free radical initiator dissolved in a suitable solvent can be carried out before, simultaneously with or after the addition of the starting material. In order to avoid interference with the polymerization, the reaction is preferably carried out under reflux or in a protective gas atmosphere, preferably nitrogen gas or argon.

本発明におけるポリアニオンの合成に使用するモノマーは、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、スチリルスルホン酸、ビニルスルホン酸およびこれらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩が挙げられる、これらは単独で使用しても、複数使用して共重合体を合成しても良い。   Examples of the monomer used for the synthesis of the polyanion in the present invention include acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, styryl sulfonic acid, vinyl sulfonic acid and alkali metal salts and ammonium salts thereof. A copolymer may be synthesized using a plurality.

本発明におけるポリアニオンの分子量は好ましくは1,000〜2,000,000の範囲、より好ましくは2,000〜500,000、さらに好ましくは3000〜100000の範囲内である。分子量が1000未満もしくは2,000,000を超えると、十分な導電性を得ることができないため好ましくない。   The molecular weight of the polyanion in the present invention is preferably in the range of 1,000 to 2,000,000, more preferably in the range of 2,000 to 500,000, and still more preferably in the range of 3000 to 100,000. If the molecular weight is less than 1000 or exceeds 2,000,000, it is not preferable because sufficient conductivity cannot be obtained.

本発明におけるポリアニオンの分子量はゲルパーミッションクロマトグラフィーまたは浸透圧測定の様な慣用の方法で測定することができる。   The molecular weight of the polyanion in the present invention can be measured by a conventional method such as gel permeation chromatography or osmotic pressure measurement.

本発明に係るπ共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーは、市販の分散液を用いても良い。市販していない場合、合成品を用いても良い。これらの導電性ポリマの合成法について、一般式(4)で表される構造単位を有する有機高分子である、3,4−ジアルコキシチオフェン構造を有するカチオン性有機高分子を有する場合を例にして説明する。   As the conductive polymer comprising the π-conjugated conductive polymer and the polyanion according to the present invention, a commercially available dispersion may be used. If not commercially available, a synthetic product may be used. As for the synthesis method of these conductive polymers, the case of having a cationic organic polymer having a 3,4-dialkoxythiophene structure, which is an organic polymer having a structural unit represented by the general formula (4), is taken as an example. I will explain.

本発明におけるポリ陰イオンの存在下に、ピロールの酸化重合に代表的に用いる酸化剤を用い、溶媒中で3,4−ジアルコキシチオフェンの酸化重合により得られる。   It is obtained by oxidative polymerization of 3,4-dialkoxythiophene in a solvent using an oxidizing agent typically used for oxidative polymerization of pyrrole in the presence of the polyanion in the present invention.

ポリチオフェンは酸化重合により正に荷電されるが、その数および位置を明確に求めることは困難である。   Polythiophene is positively charged by oxidative polymerization, but it is difficult to determine its number and position clearly.

本発明に係るπ共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーの合成は、本発明におけるポリ陰イオンと、カチオン性有機高分子を形成する構造単位である化合物を含有する溶媒中で、重合反応が完了するまで所定の重合温度で撹拌することで行われる。   The synthesis of a conductive polymer comprising a π-conjugated conductive polymer and a polyanion according to the present invention includes a compound which is a structural unit forming a cationic organic polymer with the polyanion in the present invention. In the solvent to be stirred at a predetermined polymerization temperature until the polymerization reaction is completed.

カチオン性有機高分子と本発明におけるポリ陰イオンの質量比は、ポリ陰イオンがリッチな環境ならば特に限定はないが、該π共役系導電性高分子が1に対し50以下が好ましく、より好ましくは25以下、更に好ましくは10以下である。   The mass ratio of the cationic organic polymer to the polyanion in the present invention is not particularly limited as long as the polyanion is rich, but the π-conjugated conductive polymer is preferably 50 or less, more preferably Preferably it is 25 or less, More preferably, it is 10 or less.

重合時間はバッチの大きさ、重合温度および酸化剤に依存して数分乃至30時間の間であり得る。重合時間は一般に30分乃至24時間の間である。   The polymerization time can be between a few minutes and 30 hours depending on the size of the batch, the polymerization temperature and the oxidizing agent. The polymerization time is generally between 30 minutes and 24 hours.

適切な酸化剤は例えばJ.Am.Soc.85、454(1963)に記載されるピロールの酸化重合に適するいずれかの酸化剤である。実際的な理由のために、安価で且つ取扱い易い酸化剤例えば鉄(III)塩例えばFeCl、Fe(ClO、有機酸および有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩(例えば、Fe(SO)、またはH、KCr、過硫酸アルカリ(例えば過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム)またはアンモニウム、過ホウ酸アルカリ、過マンガン酸カリウムおよび銅塩例えば四フッ化ホウ酸銅を用いることが好ましい。加えて、酸化剤として随時触媒量の金属イオン例えば鉄、コバルト、ニッケル、モリブデンおよびバナジウムイオンの存在下における空気および酸素も使用することができる。過硫酸塩並びに有機酸および有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩の使用が腐食性でないために大きな応用上の利点を有する。有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩の例にはC1〜20アルカノールの硫酸半エテルの鉄(III)塩の例えばラウリル硫酸のFe(III)塩がある。有機酸の鉄(III)塩の例として次のものが挙げられる:C1〜20アルキルスルホン酸例えばメタンまたはドデカンスルホン酸;脂肪族C1〜20カルボン酸例えば2−エチルヘキシルカルボン酸;脂肪族パーフルオロカルボン酸例えばトリフルオロ酢酸およびパーフルオロオクタノン酸;脂肪族ジカルボン酸、例えばシュウ酸並びに殊に芳香族の、随時C1〜20−アルキル置換されたスルホン酸例えばベンゼセンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸およびドデシルベンゼンスルホン酸のFe(III)塩、また上記の有機酸のFe(III)塩の混合物も使用することができる。 Suitable oxidizing agents are for example described in J. Am. Soc. 85, 454 (1963). Any oxidant suitable for oxidative polymerization of pyrrole. For practical reasons, inexpensive and easy to handle oxidants such as iron (III) salts such as FeCl 3 , Fe (ClO 4 ) 3 , organic acids and iron (III) salts of inorganic acids containing organic residues (eg Fe 2 (SO 4 ) 3 ), or H 2 O 2 , K 2 Cr 2 O 7 , alkali persulfate (eg potassium persulfate, sodium persulfate) or ammonium, alkali perborate, potassium permanganate and copper It is preferred to use a salt such as copper tetrafluoroborate. In addition, air and oxygen in the presence of catalytic amounts of metal ions such as iron, cobalt, nickel, molybdenum and vanadium ions can be used as oxidants at any time. The use of persulfates and iron (III) salts of inorganic acids containing organic acids and organic residues has great application advantages because they are not corrosive. Examples of iron (III) salts of inorganic acids containing organic residues are the iron (III) salts of C1-20 alkanol sulfate hemiether, such as the Fe (III) salt of lauryl sulfate. Examples of iron (III) salts of organic acids include: C1-20 alkyl sulfonic acids such as methane or dodecane sulfonic acid; aliphatic C1-20 carboxylic acids such as 2-ethylhexyl carboxylic acid; aliphatic perfluorocarboxylic acids Acids such as trifluoroacetic acid and perfluorooctanoic acid; aliphatic dicarboxylic acids such as oxalic acid and especially aromatic, optionally C1-20-alkyl substituted sulfonic acids such as benzesenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid and It is also possible to use a Fe (III) salt of dodecylbenzenesulfonic acid or a mixture of the above-mentioned Fe (III) salts of organic acids.

酸化重合反応において、例えば、本発明におけるポリ陰イオンの好ましい構造である一般式(3)で表される構造単位は、対応するチオフェン各1モルに対して0.25〜10個、好ましくは0.8〜8個のアニオン基が存在する量で加えることが好ましい。   In the oxidative polymerization reaction, for example, the structural unit represented by the general formula (3), which is a preferable structure of the polyanion in the present invention, is 0.25 to 10, preferably 0, per 1 mol of the corresponding thiophene. It is preferable to add in an amount in which 8 to 8 anionic groups are present.

理論的にはチオフェン1モル当り2.25当量の酸化剤が対応するチオフェンの酸化重合に必要である[例えばJ.Polym.Sci.PartA、Polymer Chemistry,第26巻、1287頁(1988)参照]。しかしながら実際には、酸化剤はある過剰量で、例えばチオフェン1モル当り0.1〜2当量の過剰で用いる。   Theoretically, 2.25 equivalents of oxidizing agent per mole of thiophene are required for the oxidative polymerization of the corresponding thiophene [see, for example, J. Org. Polym. Sci. Part A, Polymer Chemistry, Vol. 26, page 1287 (1988)]. In practice, however, the oxidizing agent is used in some excess, for example in an excess of 0.1 to 2 equivalents per mole of thiophene.

重合に用いる有機溶剤としては、反応条件化で不活性であり、例えば脂肪族アルコール、例えばメタノール、エタノールおよびプロパノール;脂肪族ケトン、例えばアセトン、メチルエチルケトン;脂肪族カルボン酸エステル、例えば酢酸エチル、酢酸ブチル;芳香族炭化水素、例えばトルエンおよびキシレン;脂肪族炭化水素、例えばヘキサン、ヘプタンおよびシクロヘキサン;塩素化炭化水素、例えばジクロロメタンおよびジクロロエタン;脂肪族ニトリル、例えばアセトニトリル;脂肪族スルホキシドおよびスルホン、例えばジメチルスルホキシドおよびスルホラン;脂肪族カルボキシアミド、例えばメチルアセトアミドおよびジメチルホルムアミド;脂肪族および芳香族エーテル、例えばジエチルエーテルおよびアニソール等が挙げられる。さらに水又は水と上記有機溶剤との混合物も溶媒として使用することができる。好ましくは水である。   Organic solvents used for the polymerization are inert under reaction conditions, such as aliphatic alcohols such as methanol, ethanol and propanol; aliphatic ketones such as acetone, methyl ethyl ketone; aliphatic carboxylic acid esters such as ethyl acetate and butyl acetate. Aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene; aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane and cyclohexane; chlorinated hydrocarbons such as dichloromethane and dichloroethane; aliphatic nitriles such as acetonitrile; aliphatic sulfoxides and sulfones such as dimethyl sulfoxide and Sulfolane; aliphatic carboxamides such as methylacetamide and dimethylformamide; aliphatic and aromatic ethers such as diethyl ether and anisole It is. Furthermore, water or a mixture of water and the above organic solvent can also be used as the solvent. Preferably it is water.

酸化重合に用いられる溶媒の量としては、合成された導電性ポリマーの分散性の面から、本発明に係る導電性ポリマーが、0.1〜80質量%、好ましくは0.5〜50質量%の固体含有量を有するような溶媒の量が好ましい。   As the amount of the solvent used for the oxidative polymerization, from the viewpoint of dispersibility of the synthesized conductive polymer, the conductive polymer according to the present invention is 0.1 to 80% by mass, preferably 0.5 to 50% by mass. The amount of solvent having a solids content of

酸化重合においては、使用する酸化剤および必要とする反応時間によって異なるが、一般に−10〜250℃、好ましくは0〜200℃、より好ましくは10〜100℃で実施される。   In oxidative polymerization, although it changes with the oxidizing agent to be used and reaction time required, it is generally carried out at -10 to 250 ° C, preferably 0 to 200 ° C, more preferably 10 to 100 ° C.

出発材料は溶剤中に最初に導入しても、溶剤中に別々に導入してもまたは一緒に導入してもよい。場合によっては適当な溶剤に溶解した酸化剤の添加は、出発材料の添加前、添加と同時にまたは添加後に実施することができる。重合の妨害を回避するために、反応は還流下にまたは保護ガス雰囲気、好ましくは窒素ガスまたはアルゴン中で実施することが好ましい。   The starting materials may be introduced first into the solvent, introduced separately into the solvent or together. In some cases, the addition of the oxidizing agent dissolved in a suitable solvent can be carried out before, simultaneously with or after the addition of the starting materials. In order to avoid interference with the polymerization, the reaction is preferably carried out under reflux or in a protective gas atmosphere, preferably nitrogen gas or argon.

本発明に係る導電性ポリマーは、一般式(1)で表される構造単位以外にアニオン基を有する構造単位を有してもよいが、全体のアニオン基のうち50%(モル)以上は一般式(1)で表される構造単位であることが好ましく、特に90%以上が一般式(1)で表される構造単位であることが好ましい。   The conductive polymer according to the present invention may have a structural unit having an anionic group in addition to the structural unit represented by the general formula (1), but 50% (mol) or more of the total anionic group is general. The structural unit represented by the formula (1) is preferable, and 90% or more is particularly preferably the structural unit represented by the general formula (1).

〔有機光電変換素子及び太陽電池〕
図2は、本発明のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図2において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子20は、基板201の一方面上に、陽極202、正孔輸送層203、アミン化合物を含有する層207、バルクヘテロジャンクション層の発電層204、電子輸送層205及び陰極206が順次積層されている。
[Organic photoelectric conversion element and solar cell]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell composed of the bulk heterojunction organic photoelectric conversion element of the present invention. In FIG. 2, a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 20 includes an anode 202, a hole transport layer 203, an amine compound-containing layer 207, a bulk heterojunction power generation layer 204, and electron transport on one surface of a substrate 201. A layer 205 and a cathode 206 are sequentially stacked.

基板201は、順次積層された陽極202、正孔輸送層203、アミン化合物を含有する層207、バルクヘテロジャンクション層の発電層204、電子輸送層205、及び陰極206を保持する部材である。本実施形態では、基板201側から光電変換される光が入射するので、基板201は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。基板201は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板201は、必須ではなく、例えば、光電変換部204の両面に陽極202及び陰極206を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子20が構成されてもよい。   The substrate 201 is a member that holds an anode 202, a hole transport layer 203, an amine compound-containing layer 207, a bulk heterojunction power generation layer 204, an electron transport layer 205, and a cathode 206, which are sequentially stacked. In the present embodiment, since light that is photoelectrically converted enters from the substrate 201 side, the substrate 201 can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, with respect to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is a transparent member. As the substrate 201, for example, a glass substrate or a resin substrate is used. The substrate 201 is not essential. For example, the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 20 may be configured by forming the anode 202 and the cathode 206 on both surfaces of the photoelectric conversion unit 204.

光電変換部204は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。   The photoelectric conversion unit 204 is a layer that converts light energy into electrical energy, and includes a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed. The p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor). Here, the electron donor and the electron acceptor are “an electron donor in which, when light is absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. And an electron acceptor ”, which does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.

図2において、基板201を介して陽極202から入射された光は、発電層204のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、陽極202と陰極206の仕事関数が異なる場合では陽極202と陰極206との電位差によって、電子は、電子受容体間を通り、また正孔は、電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。例えば、陽極202の仕事関数が陰極206の仕事関数よりも大きい場合では、電子は、陽極202へ、正孔は、陰極206へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば電子と正孔は、これとは逆方向に輸送される。また、陽極202と陰極206との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。   In FIG. 2, light incident from the anode 202 through the substrate 201 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the bulk heterojunction layer of the power generation layer 204, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. A pair of holes and electrons (charge separation state) is formed. The generated electric charge is caused by an internal electric field, for example, when the work functions of the anode 202 and the cathode 206 are different, the potential difference between the anode 202 and the cathode 206 causes electrons to pass between the electron acceptors, and the holes serve as electron donors. The photocurrent is detected by passing through different electrodes to different electrodes. For example, when the work function of the anode 202 is greater than that of the cathode 206, electrons are transported to the anode 202 and holes are transported to the cathode 206. If the magnitude of the work function is reversed, electrons and holes are transported in the opposite direction. In addition, by applying a potential between the anode 202 and the cathode 206, the transport direction of electrons and holes can be controlled.

なお、図2には記載していないが、平滑化層等の他の層を有していてもよい。   In addition, although not described in FIG. 2, you may have other layers, such as a smoothing layer.

図2において、正孔輸送層203は、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンから構成されており、発電層204との間にアミン化合物を含有する層207が挿入されている。本発明者等は鋭意検討の結果、アミン化合物を正孔輸送層と発電層間に含有させることで、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性を有する光電変換素子を実現することができた。この原因は定かではないが、恐らくアミン化合物が正孔輸送層203の酸部分を中和し、発電層204への酸の拡散を防ぐことで素子の耐久性を改善していると思われ、また、電極上での再結合を防止することができるため、光電変換効率を向上させていると思われる。さらに、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。   In FIG. 2, the hole transport layer 203 is composed of a π-conjugated conductive polymer and a polyanion, and a layer 207 containing an amine compound is inserted between the power generation layer 204. As a result of intensive studies, the present inventors have been able to realize a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability by including an amine compound between the hole transport layer and the power generation layer. The cause of this is not clear, but it is likely that the amine compound neutralizes the acid portion of the hole transport layer 203 and prevents the acid from diffusing into the power generation layer 204, thereby improving the durability of the device. Moreover, since recombination on an electrode can be prevented, it is thought that the photoelectric conversion efficiency is improved. Furthermore, it is good also as a tandem-type structure which laminated | stacked such a photoelectric conversion element for the purpose of the improvement of sunlight utilization factor (photoelectric conversion efficiency).

以下に、これらの層を構成する材料について述べる。   Below, the material which comprises these layers is described.

(正孔輸送層)
本発明の有機光電変換素子20は、発電層と陽極との間に正孔輸送層202を有する。これによりバルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となる。
(Hole transport layer)
The organic photoelectric conversion element 20 of the present invention has a hole transport layer 202 between the power generation layer and the anode. This makes it possible to extract charges generated in the bulk heterojunction layer more efficiently.

本発明の正孔輸送層202は、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーで形成される。   The hole transport layer 202 of the present invention is formed of a conductive polymer including a π-conjugated conductive polymer and a polyanion.

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming the coating film in the lower layer before forming the bulk heterojunction layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

(アミン化合物を含有する層)
本発明の光電変換素子20は、発電層と正孔輸送層の間に一般式(1)で表されるアミン化合物を含有する層を有するのが好ましい。一般式(1)で表されるアミン化合物はチオフェン化合物であることが好ましく、更に好ましくは分子量が400以上であり、更に好ましくは分子量が700以上である。
(Layer containing amine compound)
The photoelectric conversion element 20 of the present invention preferably has a layer containing an amine compound represented by the general formula (1) between the power generation layer and the hole transport layer. The amine compound represented by the general formula (1) is preferably a thiophene compound, more preferably a molecular weight of 400 or more, and still more preferably a molecular weight of 700 or more.

この層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。例えば、正孔輸送層を形成した上に、該アミノ基を有する化合物、p型材料及びn型材料を混合した溶液を塗布することによってアミン化合物を自己組織的に正孔輸送層側に堆積させるような方法で積層構造を形成しても良い。   As a means for forming this layer, either a vacuum vapor deposition method or a solution coating method may be used, but a solution coating method is preferable. For example, after forming a hole transport layer, an amine compound is deposited on the hole transport layer side in a self-organized manner by applying a solution in which the amino group-containing compound, p-type material and n-type material are mixed. A laminated structure may be formed by such a method.

(p型半導体材料)
本発明において、p型半導体材料としては、公知のp型半導体材料(縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマー等)を用いることができる。
(P-type semiconductor material)
In the present invention, as the p-type semiconductor material, a known p-type semiconductor material (such as a condensed polycyclic aromatic low-molecular compound or a conjugated polymer) can be used.

縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。   Examples of the condensed polycyclic aromatic low-molecular compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthracene, bisanthene, zesulene, Compounds such as heptazeslen, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF ) -Perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.

また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基を持ったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol.127,No.14,4986,J.Amer.Chem.Soc.,vol.123,p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008),No.9,2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物、特開2008−16834号等に記載のポルフィリン系化合物等が挙げられる。   Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A-2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol. 127, no. 14, 4986, J.A. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. Examples include acene compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in 9,2706, and porphyrin compounds described in JP-A-2008-16834.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第08/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater.,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。   As the conjugated polymer, for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO08 / 000664, Adv. Mater. , 2007, p4160, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomeric materials instead of polymer materials include thiophene hexamer α-sexual thiophene α, ω-dihexyl-α-sexual thiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.

(n型半導体材料)
本発明のバルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料としては、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
(N-type semiconductor material)
The n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited. Perfluorophthalocyanine), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized compounds thereof as a skeleton Etc.

しかし、各種のp型半導体材料と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体が好ましい。フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、及びこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。   However, fullerene derivatives that can perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (˜50 fs) and efficiently are preferable. Fullerene derivatives include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), and the like. Partially by hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, cycloalkyl group, silyl group, ether group, thioether group, amino group, silyl group, etc. Examples thereof include substituted fullerene derivatives.

中でも[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)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7329709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。   Among them, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, etc., aminated fullerenes such as JP-A 2006-199674, metallocene fullerenes such as JP-A 2008-130889, and cyclics such as US Pat. No. 7,329,709. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility, such as fullerene having an ether group.

(発電層の形成方法)
P型半導体材料とn型半導体材料とが混合された発電層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
(Method for forming power generation layer)
Examples of a method for forming a power generation layer in which a P-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method). Among these, the coating method is preferable in order to increase the area of the interface where charges and electrons are separated from each other as described above and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency. The coating method is also excellent in production speed.

塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクヘテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。   After coating, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave due to crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the carrier mobility of the bulk heterojunction layer is improved and high efficiency can be obtained.

発電層14は、P型半導体材料とn型半導体材料とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、P型半導体材料とn型半導体材料との混合比を変えた複数層で構成してもよい。この場合、前述したような塗布後に不溶化できるような材料を用いることで形成することが可能となる。   The power generation layer 14 may be composed of a single layer in which a P-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed. However, the power generation layer 14 may be a plurality of layers in which the mixing ratio of the P-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is changed. It may be configured. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after coating as described above.

(電子輸送層・正孔ブロック層)
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間に電子輸送層18を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
(Electron transport layer / hole blocking layer)
Since the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention can take out charges generated in the bulk heterojunction layer more efficiently by forming the electron transport layer 18 between the bulk heterojunction layer and the cathode. It is preferable to have this layer.

電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、バルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深い材料を電子輸送層として用いることである。また、電子を輸送する特性から、電子移動度の高い化合物を用いることが好ましい。   As the electron transport layer 18, octaazaporphyrin and a p-type semiconductor perfluoro (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, a HOMO of a p-type semiconductor material used for a bulk heterojunction layer. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the level is given a hole blocking function having a rectifying effect so that holes generated in the bulk heterojunction layer do not flow to the cathode side. More preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used as the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use a compound with high electron mobility from the characteristic of transporting electrons.

このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用する方が好ましい。このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。   Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide. N-type inorganic oxides such as zinc oxide and gallium oxide, and alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride can be used. A layer made of a single n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method.

(その他の層)
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層等を挙げることができる。
(Other layers)
For the purpose of improving energy conversion efficiency and improving the lifetime of the element, a structure having various intermediate layers in the element may be employed. Examples of the intermediate layer include a hole block layer, an electron block layer, a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.

〔電極〕
本発明の有機光電変換素子においては、少なくとも陽極と陰極とを有する。また、タンデム構成をとる場合には中間電極を用いることでタンデム構成を達成することができる。なお、本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。
〔electrode〕
The organic photoelectric conversion element of the present invention has at least an anode and a cathode. Further, when a tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using an intermediate electrode. In the present invention, an electrode through which holes mainly flow is called an anode, and an electrode through which electrons mainly flow is called a cathode.

また透光性があるかどうかといった機能から、透光性のある電極を透明電極と呼び、透光性のない電極を対電極と呼び分ける場合がある。通常、陽極は透光性のある透明電極であり、陰極は透光性のない対電極である。   Further, because of the function of whether or not there is a light-transmitting property, a light-transmitting electrode may be called a transparent electrode, and a non-light-transmitting electrode may be called a counter electrode. Usually, the anode is a translucent transparent electrode, and the cathode is a non-translucent counter electrode.

(陽極)
本発明の陽極は、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
(anode)
The anode of the present invention is preferably an electrode that transmits light of 380 to 800 nm. As the material, for example, transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO, metal thin films such as gold, silver and platinum, metal nanowires and carbon nanotubes can be used.

またポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて陽極とすることもできる。   Also, a conductive material selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene, and polynaphthalene. A functional polymer can also be used. Further, a plurality of these conductive compounds can be combined to form an anode.

(陰極)
陰極は導電材単独層であってもよいが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用してもよい。陰極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。陰極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。
(cathode)
The cathode may be a single layer of a conductive material, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination. As a conductive material for the cathode, a material having a work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound, and a mixture thereof as an electrode material is used. Specific examples of such electrode materials include sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Mixtures, indium, lithium / aluminum mixtures, rare earth metals and the like. Among these, from the viewpoint of electron extraction performance and durability against oxidation, etc., a mixture of these metals and a second metal which is a stable metal having a larger work function value than this, for example, a magnesium / silver mixture, magnesium / Aluminum mixtures, magnesium / indium mixtures, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixtures, lithium / aluminum mixtures, aluminum and the like are preferred. The cathode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.

陰極の導電材として金属材料を用いれば陰極側に来た光は反射されて第1電極側に反射され、この光が再利用可能となり、光電変換層で再度吸収され、より光電変換効率が向上し好ましい。   If a metal material is used as the conductive material of the cathode, the light coming to the cathode side is reflected and reflected to the first electrode side, and this light can be reused and absorbed again by the photoelectric conversion layer, further improving the photoelectric conversion efficiency. It is preferable.

また、陰極206は、金属(例えば金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素からなるナノ粒子、ナノワイヤー、ナノ構造体であってもよく、ナノワイヤーの分散物であれば、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成でき好ましい。   Further, the cathode 206 may be a metal (eg, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.), carbon nanoparticle, nanowire, or nanostructure. A dispersion is preferable because a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method.

また、陰極側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の陰極に適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、上記陽極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性陰極とすることができる。   When the cathode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the cathode, such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound, is formed with a thin film thickness of about 1 to 20 nm, and By providing a film of the conductive light-transmitting material mentioned in the description, a light-transmitting cathode can be obtained.

(基板)
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
(substrate)
When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN) modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, polyolefin resins such as cyclic olefin resin Film, vinyl resin film such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin film, polysulfone (PSF) resin film, polyether sulfone (PES) resin film, polycarbonate (PC) resin film, A polyamide resin film, a polyimide resin film, an acrylic resin film, a triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like can be given. If the resin film transmittance of 80% or more at ~800nm), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. More preferred are polyethylene terephthalate films and biaxially stretched polyethylene naphthalate films.

本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。   The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.

また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよいし、透明導電層を転写する反対側にはハードコート層が予め形成されていてもよい。   Further, for the purpose of suppressing the permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate, or a hard coat layer may be formed in advance on the opposite side to which the transparent conductive layer is transferred. Good.

(光学機能層)
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層等を設けてもよい。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As the optical functional layer, for example, a light condensing layer such as an antireflection film or a microlens array, a light diffusion layer that can scatter the light reflected by the cathode and enter the power generation layer again may be provided. .

反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダ樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。   Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。   As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.

マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。   As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.

また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤー等を無色透明なポリマーに分散した層等を挙げることができる。   Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.

(パターニング)
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
(Patterning)
The method and process for patterning the electrode, the power generation layer, the hole transport layer, the electron transport layer, and the like according to the present invention are not particularly limited, and known methods can be appropriately applied.

バルクヘテロジャンクション層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取ってもよいし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしてもよい。   If it is a soluble material such as a bulk heterojunction layer or a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc., or direct patterning at the time of coating using a method such as an ink jet method or screen printing. May be.

電極材料等の不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着を行ったり、エッチングまたはリフトオフ等の公知の方法によってパターニングすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成してもよい。   In the case of an insoluble material such as an electrode material, the electrode can be patterned by a known method such as mask vapor deposition during vacuum deposition or etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

(封止)
また、作製した有機光電変換素子が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、有機光電変換素子だけでなく有機エレクトロルミネッセンス素子等で公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
(Sealing)
Moreover, since the produced organic photoelectric conversion element is not deteriorated by oxygen, moisture, or the like in the environment, it is preferable to seal not only the organic photoelectric conversion element but also an organic electroluminescence element by a known method. For example, a method of sealing a cap made of aluminum or glass by bonding with an adhesive, a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide, or aluminum oxide is formed and an organic photoelectric conversion element are pasted with an adhesive. Method, spin coating of organic polymer material (polyvinyl alcohol, etc.) with high gas barrier property, inorganic thin film (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or organic film (parylene etc.) with high gas barrier property are deposited under vacuum Examples thereof include a method and a method of laminating these in a composite manner.

〔光センサアレイ〕
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
[Optical sensor array]
Next, an optical sensor array to which the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element described above is applied will be described in detail. The optical sensor array is produced by arranging the photoelectric conversion elements in a fine pixel form by utilizing the fact that the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements generate a current upon receiving light, and projected onto the optical sensor array. A sensor having an effect of converting an image into an electrical signal.

図3は、光センサアレイの構成を示す図である。図3(A)は、上面図であり、図3(B)は、図3(A)のA−A’線断面図である。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the photosensor array. 3A is a top view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.

図3において、光センサアレイ20は、保持部材としての基板21上に、下部電極としての陽極22、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部24及び陽極22と対をなし、上部電極としての陰極23が順次積層されたものである。光電変換部24は、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有してなる光電変換層24cと、本発明のアミン化合物を含有する層24bと、正孔輸送層24aの3層で構成される。そし図3に示す例では、6個のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が形成されている。   In FIG. 3, an optical sensor array 20 is paired with an anode 22 as a lower electrode, a photoelectric conversion unit 24 for converting light energy into electric energy, and an anode 22 on a substrate 21 as a holding member. The cathode 23 is sequentially laminated. The photoelectric conversion unit 24 includes a photoelectric conversion layer 24c having a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed, a layer 24b containing the amine compound of the present invention, holes It consists of three layers of transport layer 24a. In the example shown in FIG. 3, six bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements are formed.

これら基板21、陽極22、光電変換層24b及び陰極23は、前述したバルクヘテロジャンクション型の光電変換素子20における陽極202、光電変換部204及び陰極206と同等の構成及び役割を示すものである。   The substrate 21, the anode 22, the photoelectric conversion layer 24b, and the cathode 23 have the same configuration and role as the anode 202, the photoelectric conversion unit 204, and the cathode 206 in the bulk heterojunction photoelectric conversion element 20 described above.

基板21には、例えば、ガラスが用いられ、陽極22には、例えば、ITOが用いられ、陰極23には、例えば、アルミニウムが用いられる。そして、光電変換層24cのp型半導体材料には、例えば、前記ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)が用いられ、アミン化合物を含有する層24bには、例えば、前記AM−5が用いられ、n型半導体材料には、例えば、前記PCBMが用いられる。また、正孔輸送層24aには、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)導電性高分子(スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP)が用いられる。このような光センサアレイ20は、次のようにして製作された。   For example, glass is used for the substrate 21, ITO is used for the anode 22, and aluminum is used for the cathode 23, for example. For example, the poly-3-hexylthiophene (P3HT) is used as the p-type semiconductor material of the photoelectric conversion layer 24c, and the AM-5 is used as the layer 24b containing the amine compound. For example, the PCBM is used as the type semiconductor material. The hole transport layer 24a is made of PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) conductive polymer (trade name BaytronP, manufactured by Stark Vitec). Such an optical sensor array 20 was manufactured as follows.

ガラス基板上にスパッタリングによりITO膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定のパターン形状に加工した。ガラス基板の厚さは、0.7mm、ITO膜の厚さは、200nm、フォトリソグラフィ後のITO膜における測定部面積(受光面積)は、0.5mm×0.5mmであった。次に、このガラス基板21上に、スピンコート法(条件;回転数=1000rpm、フィルター径=1.2μm)によりPEDOT−PSS膜を形成した。その後、該基板を、オーブンで140℃、10分加熱し、乾燥させた。乾燥後のPEDOT−PSS膜の厚さは30nmであった。   An ITO film was formed on the glass substrate by sputtering and processed into a predetermined pattern shape by photolithography. The thickness of the glass substrate was 0.7 mm, the thickness of the ITO film was 200 nm, and the measurement area (light receiving area) of the ITO film after photolithography was 0.5 mm × 0.5 mm. Next, a PEDOT-PSS film was formed on the glass substrate 21 by spin coating (conditions: rotational speed = 1000 rpm, filter diameter = 1.2 μm). Thereafter, the substrate was heated in an oven at 140 ° C. for 10 minutes and dried. The thickness of the PEDOT-PSS film after drying was 30 nm.

次に、上記PEDOT−PSS膜の上に、アミン化合物AM−5の膜を蒸着法で5nm形成した。その上に、P3HTとPCBMの1:4混合膜を、スピンコート法(条件;回転数=3300rpm、フィルター径=0.8μm)により形成した。このスピンコートに際しては、P3HT及びPCBMをクロロベンゼン溶媒に=1:4で混合し、これを攪拌(5分)して得た混合液を用いた。P3HTとPCBMの混合膜の形成後、窒素ガス雰囲気下においてオーブンで180℃、30分加熱しアニール処理を施した。アニール処理後のP3HTとPCBMの混合膜の厚さは70nmであった。   Next, 5 nm of an amine compound AM-5 film was formed on the PEDOT-PSS film by a vapor deposition method. On top of that, a 1: 4 mixed film of P3HT and PCBM was formed by a spin coating method (conditions: rotational speed = 3300 rpm, filter diameter = 0.8 μm). In this spin coating, P3HT and PCBM were mixed with a chlorobenzene solvent at a ratio of 1: 4, and a mixture obtained by stirring (5 minutes) was used. After forming the mixed film of P3HT and PCBM, annealing was performed by heating in an oven at 180 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The thickness of the mixed film of P3HT and PCBM after the annealing treatment was 70 nm.

その後、所定のパターン開口を備えたメタルマスクを用い、P3HTとPCBMの混合膜の上に、電子輸送層としてフッ化リチウムを5nm蒸着し、ついで陰極としてのアルミニウム層を蒸着法により形成(厚さ=10nm)した。その後、PVA(polyvinyl alcohol)をスピンコートで1μm形成し、150℃で焼成することで図略のパッシベーション層を作製した。以上により、光センサアレイ20が作製された。   Then, using a metal mask having a predetermined pattern opening, 5 nm of lithium fluoride is deposited as an electron transport layer on the mixed film of P3HT and PCBM, and then an aluminum layer as a cathode is formed by a deposition method (thickness). = 10 nm). Thereafter, 1 μm of PVA (polyvinyl alcohol) was formed by spin coating and baked at 150 ° C. to prepare a passivation layer (not shown). The optical sensor array 20 was produced as described above.

この光センサアレイ20上に、所定のパターンを有する光を照射したところ、光の当たったセルのみから光電流が検出され、光センサとして機能することが確認された。   When this photosensor array 20 was irradiated with light having a predetermined pattern, it was confirmed that the photocurrent was detected only from the cells that were exposed to light and functioned as a photosensor.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
〔有機光電変換素子の作製〕
(有機光電変換素子SC−101の作製)
ガラス基板上にパターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、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なった。
Example 1
[Production of organic photoelectric conversion element]
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-101)
The transparent electrode patterned on the glass substrate was cleaned in the order of ultrasonic cleaning with surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally UV ozone cleaning. .

この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック社製)を30nmの膜厚でスピンコートしてPEDOT−PSS層を形成後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。   On this transparent substrate, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated with a film thickness of 30 nm to form a PEDOT-PSS layer, and then heated and dried at 140 ° C. in the atmosphere for 10 minutes.

この基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、一方タンタル製抵抗加熱ボート本発明の化合物AM−1をそれぞれ入れ、真空蒸着装置(第1真空槽)に取り付けた後、真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、化合物AM−1の入った前記加熱ボートに通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒で透明支持基板に膜厚5nmの厚さになるように蒸着した。 After fixing this board | substrate to the board | substrate holder of a commercially available vacuum evaporation system, the resistance heating boat made from a tantalum, each compound AM-1 of this invention was put, and after attaching to a vacuum evaporation system (1st vacuum chamber), a vacuum chamber was set to 4 After reducing the pressure to × 10 −4 Pa, the heating boat containing the compound AM-1 was energized and heated to a thickness of 5 nm on the transparent support substrate at a deposition rate of 0.1 to 0.2 nm / second. It vapor-deposited so that it might become.

これ以降は、基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and worked under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

クロロベンゼンにp型半導体材料として、プレクストロニクス社製プレックスコアOS2100を1.5質量%、n型半導体材料としてフロンティアカーボン社製E100(PCBM)を1.5質量%溶解した液を調製し、0.45μmのフィルターでろ過をかけながら500rpmで60秒、次いで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、室温で30分放置した。   A solution is prepared by dissolving 1.5% by mass of Plexcore OS2100 Plexcore OS2100 as a p-type semiconductor material and 1.5% by mass of Frontier Carbon E100 (PCBM) as an n-type semiconductor material in chlorobenzene. While being filtered through a 45 μm filter, spin coating was performed at 500 rpm for 60 seconds, then at 2200 rpm for 1 second, and left at room temperature for 30 minutes.

Figure 0005381619
Figure 0005381619

次にエタノールにTi−イソプロポキシドを25mmol/lになるように溶解した液を調製し、取り出し電極部をマスキングした後に2000rpmでスピンコートした後、大気中に取り出して60分間放置してTi−イソプロポキシドを加水分解することによって、膜厚10nmのTiOx層を形成し、膜厚10nmの正孔ブロック層を形成した。   Next, a solution in which Ti-isopropoxide is dissolved in ethanol to a concentration of 25 mmol / l is prepared, and after the take-out electrode portion is masked and spin-coated at 2000 rpm, it is taken out into the atmosphere and left for 60 minutes to leave Ti- By hydrolyzing isopropoxide, a 10 nm thick TiOx layer was formed, and a 10 nm thick hole blocking layer was formed.

次に、上記一連の有機層を成膜した基板を大気に晒すことなく真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、Alを100nm蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、比較の有機光電変換素子SC−101を得た。なお蒸着速度は2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the series of organic layers was formed was placed in a vacuum deposition apparatus without being exposed to the atmosphere. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 100 nm of Al was deposited. Finally, heating was performed at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a comparative organic photoelectric conversion element SC-101. The vapor deposition rate was 2 nm / second, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子SC−101は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出した。   The obtained organic photoelectric conversion element SC-101 was sealed with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then taken out into the atmosphere. .

(有機光電変換素子SC−102〜SC−105の作製)
有機光電変換素子SC−101の作製において、化合物AM−1を下記表1記載の本発明の化合物に変更した以外は同様にして、本発明の有機光電変換素子SC−102〜SC−105を作製した。
(Production of organic photoelectric conversion elements SC-102 to SC-105)
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, the organic photoelectric conversion elements SC-102 to SC-105 of the present invention were prepared in the same manner except that the compound AM-1 was changed to the compound of the present invention described in Table 1 below. did.

(比較の有機光電変換素子SC−106の作製)
有機光電変換素子SC−101の作製において、化合物AM−1の膜を製膜しない以外は同様にして、比較用の有機光電変換素子SC−106を作製した。
(Production of Comparative Organic Photoelectric Conversion Device SC-106)
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, a comparative organic photoelectric conversion element SC-106 was produced in the same manner except that the film of the compound AM-1 was not formed.

〔有機光電変換素子の評価〕
得られた、有機光電変換素子SC−101〜SC−106について、下記の変換効率、耐久性、及び折り曲げ耐性の評価を行った。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
About the obtained organic photoelectric conversion elements SC-101 to SC-106, the following conversion efficiency, durability, and bending resistance were evaluated.

(エネルギー変換効率)
上記作製した光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cmの強度の光を照射し、有効面積を4.0mmにしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。またJsc、Voc、FFから式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求め、SC−101のエネルギー変換効率を100としたときの相対値を表1に示した。
(Energy conversion efficiency)
Photoelectric conversion elements prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc ( The four light-receiving portions formed on the same element were measured for mA / cm 2 ), open-circuit voltage Voc (V), and fill factor (fill factor) FF, and the average value was obtained. The energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1, and the relative values when the energy conversion efficiency of SC-101 was set to 100 are shown in Table 1.

式1 Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF=η(%)
(耐久性)(相対低下効率)
ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。さらに、この時の初期変換効率を100とし、陽極と陰極の間に抵抗を接続したまま100mW/cmの照射強度で100h照射し続けた後の変換効率を評価し、式2に従って相対低下効率を算出した。
Formula 1 Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF = η (%)
(Durability) (Relative reduction efficiency)
A solar simulator (AM1.5G) was irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 , voltage-current characteristics were measured, and initial conversion efficiency was measured. Furthermore, assuming that the initial conversion efficiency at this time is 100, the conversion efficiency after 100 hours of irradiation with an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 with the resistance connected between the anode and the cathode is evaluated, and the relative reduction efficiency according to Equation 2 Was calculated.

式2 相対低下効率(%)=(1−暴露後の変換効率/暴露前の変換効率)×100
(折り曲げ耐性保持率)
上記方法で作製した有機光電変換素子について、1インチφのプラスチック製の円柱棒を用意し、表裏を1セットとして、50セット巻きつけた前後のエネルギー変換効率ηの保持率を式2に従って求め、表4に示した。
Formula 2 Relative reduction efficiency (%) = (1−conversion efficiency after exposure / conversion efficiency before exposure) × 100
(Bending resistance retention rate)
About the organic photoelectric conversion element produced by the above method, a 1-inch φ plastic cylindrical rod is prepared, the front and back are set as one set, and the retention rate of energy conversion efficiency η before and after winding 50 sets is obtained according to Equation 2, It is shown in Table 4.

式3 保持率(%)=巻きつけ後のη/巻きつけ前のη×100
評価の結果を表1に示す。
Formula 3 Retention ratio (%) = η after winding / η × 100 before winding
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0005381619
Figure 0005381619

表1から、本発明の有機光電変換素子は、変換効率が高いものが得られることが分かる。また、相対低下効率が低く、耐久性が向上したことが分かり、更に、折り曲げ耐性も改善された。   Table 1 shows that the organic photoelectric conversion element of this invention has a high conversion efficiency. In addition, it was found that the relative reduction efficiency was low and the durability was improved, and the bending resistance was also improved.

実施例2
(有機光電変換素子201の作製)
次いで、実施例1の有機光電変換素子SC−101と同様にしてPEDOT−PSS層まで設けた後、同様に基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。酢酸エチルにアミン化合物として化合物AM−2を0.1質量%溶解した液を調製し、0.45μmのフィルターでろ過をかけながら2000rpmで60秒間のスピンコートを行い、50℃で5分間加熱した後、室温で6時間放置した。
Example 2
(Preparation of organic photoelectric conversion element 201)
Next, after providing the PEDOT-PSS layer in the same manner as in the organic photoelectric conversion element SC-101 of Example 1, the substrate was similarly brought into the glove box and operated in a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere. A solution prepared by dissolving 0.1% by mass of compound AM-2 as an amine compound in ethyl acetate was prepared, spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds while being filtered through a 0.45 μm filter, and heated at 50 ° C. for 5 minutes. Then, it was left at room temperature for 6 hours.

次いでこの上に、クロロベンゼンにp型半導体材料として、P3HT(プレクストロニクス社製:レジオレギュラーポリー3−ヘキシルチオフェン)(Mw=52000)を0.5質量%、n型半導体材料として前記フロンティアカーボン社製E100(PCBM)を2.0質量%溶解した液を調製し、0.45μmのフィルターでろ過をかけながら2000rpmで60秒間のスピンコートを行い、50℃で10分間加熱した後、室温で12時間放置した。   Next, 0.5% by mass of P3HT (manufactured by Plextronics: regioregular poly-3-hexylthiophene) (Mw = 52000) as a p-type semiconductor material on chlorobenzene, and the above-mentioned Frontier Carbon Corporation as an n-type semiconductor material A solution in which 2.0% by mass of E100 (PCBM) was dissolved was prepared, spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds while being filtered through a 0.45 μm filter, heated at 50 ° C. for 10 minutes, and then at room temperature for 12 hours. I left it alone.

次に、上記一連の有機層を成膜した基板を大気に晒すことなく真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下に真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.6nm、及びAlを100nm蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、有機光電変換素子SC−201を得た。なお蒸着速度は2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the series of organic layers was formed was placed in a vacuum deposition apparatus without being exposed to the atmosphere. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 0.6 nm of lithium fluoride and 100 nm of Al were deposited. Finally, heating was performed at 120 ° C. for 30 minutes to obtain an organic photoelectric conversion element SC-201. The vapor deposition rate was 2 nm / second, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子SC−201は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出した。   The obtained organic photoelectric conversion element SC-201 was sealed with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then taken out into the atmosphere. .

(有機光電変換素子SC−202〜SC−206の作製)
有機光電変換素子21の作製において、アミン化合物AM−2に代えて、下記表2記載の本発明の化合物に変更した以外は同様にして、本発明の有機光電変換素子SC−202〜SC−206を作製した。
(Production of organic photoelectric conversion elements SC-202 to SC-206)
In the production of the organic photoelectric conversion element 21, the organic photoelectric conversion elements SC-202 to SC-206 of the present invention were similarly performed except that the compound of the present invention described in Table 2 below was used instead of the amine compound AM-2. Was made.

(比較の有機光電変換素子SC−207の作製)
有機光電変換素子SC−201の作製において、アミン化合物の層を形成しない以外は同様にして、比較用の有機光電変換素子SC−207を作製した。
(Production of Comparative Organic Photoelectric Conversion Device SC-207)
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-201, a comparative organic photoelectric conversion element SC-207 was produced in the same manner except that the amine compound layer was not formed.

〔有機光電変換素子の評価〕
得られた有機光電変換素子について、実施例1と同様にしてエネルギー変換効率の相対値、相対低下効率(耐久性)、及び折り曲げ耐性保持率の評価を行った。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
About the obtained organic photoelectric conversion element, it carried out similarly to Example 1, and evaluated the relative value of energy conversion efficiency, relative fall efficiency (durability), and bending tolerance retention.

評価の結果を表2に示す。   The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 0005381619
Figure 0005381619

表2からも、本発明の有機光電変換素子は、変換効率の高いものが得られることが分かる。また、相対低下効率が低く、耐久性が高いことが分かり、更に、折り曲げ耐性も改善された。   Table 2 also shows that the organic photoelectric conversion element of the present invention has a high conversion efficiency. Further, it was found that the relative reduction efficiency was low and the durability was high, and the bending resistance was also improved.

実施例3
(有機光電変換素子SC−301の作製)
実施例2の有機光電変換素子SC−202を作製する際に、アミン化合物AM−5の層を形成せずに、実施例1の有機光電変換素子1と同様にしてPEDOT−PSS層まで設けた後、クロロベンゼンにアミン化合物としてAM−5を0.1質量%、p型半導体材料として、P3HT(プレクストロニクス社製:レジオレギュラーポリー3−ヘキシルチオフェン)(Mw=52000)を0.5質量%、n型半導体材料として前記フロンティアカーボン社製E100(PCBM)を2.0質量%溶解した液を調製し、0.45μmのフィルターでろ過をかけながら2000rpmで60秒間のスピンコートを行い、50℃で10分間加熱した後、室温で12時間放置した。後は、SC−202と同様にフッ化リチウム、陰極を製膜した後封止して、有機光電変換素子SC−301を作製した。
Example 3
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-301)
When producing the organic photoelectric conversion element SC-202 of Example 2, the PEDOT-PSS layer was provided in the same manner as the organic photoelectric conversion element 1 of Example 1 without forming the layer of the amine compound AM-5. Thereafter, 0.1% by mass of AM-5 as an amine compound in chlorobenzene, 0.5% by mass of P3HT (manufactured by Plextronics: regioregular poly-3-hexylthiophene) (Mw = 52000) as a p-type semiconductor material, Prepare a solution prepared by dissolving 2.0% by mass of the above-mentioned Frontier Carbon E100 (PCBM) as an n-type semiconductor material, spin-coat at 2000 rpm for 60 seconds while filtering through a 0.45 μm filter, and at 50 ° C. After heating for 10 minutes, it was left at room temperature for 12 hours. Thereafter, as in SC-202, lithium fluoride and a cathode were formed and then sealed to prepare an organic photoelectric conversion element SC-301.

〔有機光電変換素子の評価〕
得られた有機光電変換素子について、実施例2と同様にしてエネルギー変換効率の相対値、相対低下効率(耐久性)、及び折り曲げ耐性保持率の評価を行い結果を表3に示す。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
For the obtained organic photoelectric conversion element, the relative value of energy conversion efficiency, the relative reduction efficiency (durability), and the bending resistance retention rate were evaluated in the same manner as in Example 2, and the results are shown in Table 3.

Figure 0005381619
Figure 0005381619

表3から、SC−201のエネルギー変換効率を100としたときのSC−301のエネルギー変換効率の相対値は101、相対低下効率は20%、折り曲げ耐性保持率は85%ととなり、比較の素子に比べ改善されている。このように、発電層を形成する際に、アミン化合物とn型材料とp型材料と混ぜて形成した場合でも光電変換特性、耐久性及び折り曲げ耐性に効果があった。これは、定かではないが、恐らく、ファンデルワールス相互作用により、アミン化合物がPEDOT層側に局在化していると考えられる。このような方法で積層構造が形成されているとすると、製膜プロセスの簡易化にもつながる。   From Table 3, when the energy conversion efficiency of SC-201 is 100, the relative value of the energy conversion efficiency of SC-301 is 101, the relative reduction efficiency is 20%, and the bending resistance retention is 85%. Compared to As described above, even when the power generation layer is formed by mixing the amine compound, the n-type material, and the p-type material, the photoelectric conversion characteristics, durability, and bending resistance are effective. Although this is not certain, it is considered that the amine compound is probably localized on the PEDOT layer side due to van der Waals interaction. If the laminated structure is formed by such a method, it leads to simplification of the film forming process.

10 光電変換素子
101 第1の電極(正極)
102 正孔輸送層
103 バルクヘテロジャンクション型の発電層(光電変換層)
104 電子輸送層
105 第2の電極(陰極)
20 光センサアレイ
21 基板
22 陽極
23 陰極
24 光電変換部
24a バッファ層
24b アミン化合物を含有する層
24c 光電変換層
200 光電変換素子
201 基板
202 陽極
203 正孔輸送層
204 バルクヘテロジャンクション層の発電層
205 電子輸送層
206 陰極
207 アミン化合物を含有する層
10 Photoelectric conversion element 101 First electrode (positive electrode)
102 hole transport layer 103 bulk heterojunction type power generation layer (photoelectric conversion layer)
104 Electron transport layer 105 Second electrode (cathode)
20 Photosensor Array 21 Substrate 22 Anode 23 Cathode 24 Photoelectric Conversion Unit 24a Buffer Layer 24b Layer Containing Amine Compound 24c Photoelectric Conversion Layer 200 Photoelectric Conversion Element 201 Substrate 202 Anode 203 Hole Transport Layer 204 Power Generation Layer of Bulk Heterojunction Layer 205 Electron Transport layer 206 Cathode 207 Layer containing amine compound

Claims (13)

陽極と陰極の間に少なくとも正孔輸送層と発電層が順次積層された構成を有する有機光電変換素子であって、該正孔輸送層は、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを含んでなる導電性ポリマーで形成され、かつ、該発電層は、p型半導体材料及びn型半導体材料が混合されたバルクへテロジャンクション層であり、更に、該正孔輸送層と該発電層の間に下記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。
Figure 0005381619
(式中、Rは水素原子又はアルキル基を表し、Rは水素原子または炭化水素基を表す。)
An organic photoelectric conversion element having a structure in which at least a hole transport layer and a power generation layer are sequentially laminated between an anode and a cathode, wherein the hole transport layer comprises a π-conjugated conductive polymer and a poly anion. And the power generation layer is a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, and further includes the hole transport layer and the power generation layer. An organic photoelectric conversion element comprising a compound having an amino group represented by the following general formula (1) in between.
Figure 0005381619
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 2 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group.)
前記π共役系導電性高分子が、下記一般式(2)で表される繰り返し単位を有するものであることを特徴とする、請求項1記載の有機光電変換素子。
Figure 0005381619
(式中、Aは置換基を有しても良い炭素数1〜4のアルキレン基を示し、Qは酸素原子または硫黄原子を表す)
The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the π-conjugated conductive polymer has a repeating unit represented by the following general formula (2).
Figure 0005381619
(In the formula, A 1 represents an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms which may have a substituent, and Q represents an oxygen atom or a sulfur atom)
前記一般式(2)で表される部分構造を有するπ共役系導電性高分子が、ポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェンの重合体または共重合体であることを特徴とする、請求項2記載の有機光電変換素子。   The π-conjugated conductive polymer having a partial structure represented by the general formula (2) is a polymer or copolymer of poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene, Item 3. An organic photoelectric conversion device according to Item 2. 前記ポリ陰イオンが、下記一般式(3)で表されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項記載の有機光電変換素子。
Figure 0005381619
(式中、Rは水素原子またはメチル基を表し、Aは、単なる結合手、置換または非置換のC〜C30のアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルコキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルコキシ基;置換または非置換のC−C30のアリール基;置換または非置換のC〜C30のアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリール基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールオキシ基;置換または非置換のC〜C20のシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロシクロアルキル基;置換または非置換のC〜C30のアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のヘテロアルキルエステル基;置換または非置換のC〜C30のアリールエステル基;及び、置換または非置換のC〜C30のヘテロアリールエステル基からなる群から選択され、Bは、イオン基、またはイオン基を含む基を表し、この際、前記イオン基は、陰イオンと陽イオンとの共役であり、前記陰イオンは、SO 、COO、から選択され、前記陽イオンは、Na、K、Li、Mg+2、Zn+2、およびAl+3から選択される金属イオンまたはH、NH 、CH(−CH−)(nは、1〜50の整数である)から選択される有機イオンのいずれかである。)
The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the poly anion is represented by the following general formula (3).
Figure 0005381619
(In the formula, R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, and A 2 is a simple bond, a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 alkyl group; a substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkyl. group; an alkoxy group substituted or unsubstituted C 1 -C 30; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkoxy group; an aryl group substituted or unsubstituted C 6 -C 30; a substituted or unsubstituted A C 6 -C 30 arylalkyl group; a substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryloxy group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroaryl group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroarylalkyl group; a substituted or unsubstituted C 2 -C 30 heteroaryloxy group, substituted or cycloalkyl group unsubstituted C 5 -C 20, substituted or unsubstituted C 2 ~ C 30 heterocycloalkyl group; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 alkyl ester group; substituted or unsubstituted C 1 -C 30 heteroalkyl ester group; substituted or unsubstituted C 6 -C 30 aryl ester group; and it is selected from the group consisting of heteroaryl ester group of C 2 -C 30 substituted or unsubstituted, B represents a group containing an ionic group or an ionic group, this time, the ionic group An anion and a cation, wherein the anion is selected from SO 3 , COO , and the cation is Na + , K + , Li + , Mg +2 , Zn +2 , and Al +, metal ion or H is selected from +3 NH 3 +, CH 3 ( -CH 2 -) n O + (n is an integer of 1 to 50) Izu organic ion selected from It is how.)
前記ポリ陰イオンが、スルホン酸基を有することを特徴とする、請求項4記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the poly anion has a sulfonic acid group. 前記ポリ陰イオンが、ポリスチレンスルホン酸であることを特徴とする、請求項5記載の有機光電変換素子。   6. The organic photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the poly anion is polystyrene sulfonic acid. 前記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物を含有する層が0.5〜10nmの膜厚で形成されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項記載の有機光電変換素子。   The layer containing the compound having an amino group represented by the general formula (1) is formed with a film thickness of 0.5 to 10 nm. Organic photoelectric conversion element. 前記一般式(1)で表されるアミノ基を有する化合物が、チオフェンオリゴマーであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the compound having an amino group represented by the general formula (1) is a thiophene oligomer. 前記チオフェンオリゴマーの分子量が400以上であることを特徴とする、請求項8記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to claim 8, wherein the thiophene oligomer has a molecular weight of 400 or more. 前記チオフェンオリゴマーの分子量が600以上であることを特徴とする、請求項9記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 9, wherein the thiophene oligomer has a molecular weight of 600 or more. 前記正孔輸送層を形成し、前記正孔輸送層の上に該正孔輸送層が形成された後、前記アミノ基を有する化合物を含有する層と前記発電層は、前記アミノ基を有する化合物、前記p型半導体材料及び前記n型半導体材料が含まれた溶液を塗布することによって形成されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項記載の有機光電変換素子。   After the hole transport layer is formed and the hole transport layer is formed on the hole transport layer, the layer containing the compound having an amino group and the power generation layer are compounds having the amino group. The organic photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic photoelectric conversion element is formed by applying a solution containing the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. 請求項1〜11のいずれか1項記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   It consists of an organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-11, The solar cell characterized by the above-mentioned. 請求項1〜11のいずれか1項記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   The organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-11 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.
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