JP5513386B2 - インデノピレン化合物、並びにそれを用いた有機薄膜太陽電池用材料および有機薄膜太陽電池 - Google Patents

インデノピレン化合物、並びにそれを用いた有機薄膜太陽電池用材料および有機薄膜太陽電池 Download PDF

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Description

本発明は、インデノピレン化合物及びそれを用いた有機薄膜太陽電池用材料、さらに当該有機薄膜太陽電池材料を用いた有機薄膜太陽電池に関する。
太陽電池は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードや撮像素子と同様、光入力に対して電気出力を示す装置であり、電気入力に対して光出力を示すエレクトロルミネッセンス(EL)素子とは逆の応答を示す装置である。この太陽電池は、化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題を背景に、クリーンエネルギー源として近年大変注目されてきており、研究開発が盛んに行なわれるようになってきた。これまでに、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどを用いたシリコン系太陽電池が実用化されてきたが、シリコン系太陽電池が高価であることや原料シリコンの不足の問題などが表面化してきたことにより、次世代太陽電池開発の要望が高まりつつある。そのようななか、安価で毒性が低く、かつ原材料不足の懸念も無い有機薄膜太陽電池が、シリコン系太陽電池に次ぐ次世代の太陽電池として大変注目を集めている。
有機薄膜太陽電池の研究は、当初メロシアニン色素などを用いた単層膜をもとに進められてきた。しかし更なる研究開発により、電子を輸送する「n層」と正孔を輸送する「p層」とを有する多層膜にすることで、光入力から電気出力への変換効率(光電変換効率)が向上することが見出されて以降、多層膜が主流になってきている。多層膜の検討当初に用いられた材料は、p層としては銅フタロシアニン(CuPc)、n層としてはペリレンイミド類(PTCBI)であった。その後、p層とn層の間に「i層(p材料とn材料との混合層)」を挿入して積層を増やすことにより、光電変換効率が向上することが見出されたが、依然として、p層及びn層には、それぞれ同じ材料が使用されていた。
その後、「p層/i層/n層」を何層も繰り返し積層するというスタックセル構成により、さらに光電変換効率が向上することが見出された。この時に使用された材料は、p層としてはフタロシアニン類、n層としてはフラーレン(C60)であった。
一方、高分子を用いた有機薄膜太陽電池では、p層の材料として導電性高分子を用い、n層の材料としてC60誘導体を用いてそれらを混合し、熱処理することによりミクロ層分離を誘起してヘテロ界面を増やし、光電変換効率を向上させるという、所謂バルクヘテロ構造の研究が主に行なわれてきた。ここで用いられてきた材料系は、主に、p層の材料としてはポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)、n層の材料としてはC60誘導体(PCBM)であった。
このように、有機薄膜太陽電池では、各層の材料は初期の頃からあまり進展がなく、依然としてフタロシアニン誘導体、ペリレンイミド誘導体、C60誘導体が用いられている。従って、光電変換効率を高めるべく、これら従来の材料に代わる新規な材料の開発が熱望されている。
ところで、一般に有機太陽電池の動作過程は、(1)光吸収及び励起子生成、(2)励起子拡散、(3)電荷分離、(4)キャリア移動、(5)起電力発生の素過程からなっており、有機物は概して太陽光スペクトルに合致する吸収特性を示すものが多くないため、高い光電変換効率を達成できないことが多かった。例えば、近年精力的に開発が行なわれている有機EL素子において、優れた正孔輸送材料及び正孔注入材料であるアミン化合物が見出されているが、それらは、有機薄膜太陽電池用のp層の材料として使用しても、太陽光スペクトルに対する吸収特性が不十分であり、光電変換効率が十分得られないという欠点を有している。
一般に、有機化合物において可視光領域に吸収を持たせるためには、π電子共役構造を拡大して吸収極大波長を長波長化すればよいことが知られている。ただし、あまりに共役系を拡張して分子量が大きくなり過ぎると、溶媒に対する溶解性が低下して精製が困難になり、且つ昇華温度が上昇して昇華精製できなくなる等の難点がある。そこで、ある程度分子量を抑えながら効率的に吸収波長を長波長化した材料として、ポリアセン類が開発されてきた(特許文献1〜3参照)。
特開2007−335760号公報 特開2008−34764号公報 特開2008−91380号公報
しかしながら、特許文献1〜3に記載のポリアセン類では、可視吸収領域を広げるためにポリアセン構造部位の縮合環数を増やすと、光や酸素に対する不安定性から、精製や取り扱いが困難であり、高純度化が困難であり実用性に乏しいという問題があった。また、これらポリアセン類を有機太陽電池材料として用いたときの光電変換効率が十分でないという欠点もあった。
本発明はこのような状況下になされたもので、有機エレクトロニクス材料として有用なインデノピレン化合物、特に有機薄膜太陽電池に用いたときに高効率の光電変換特性を示すインデノピレン化合物を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、特定の置換基を有するインデノピレン化合物によって上記目的を達成できることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち本発明は、
1. 下記一般式(I)
Figure 0005513386
(式中、R1〜R12はそれぞれ独立に、水素原子、または炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基、炭素数3〜40の置換もしくは無置換のヘテロアリール基、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルコキシ基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリールオキシ基、および炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基から選ばれる基を表し、R6とR7は互いに結合して環を形成してもよく、R1〜R12のうち少なくとも1つは、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基である。)
で表されるインデノピレン化合物、
2. 炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基が、
一般式(II)
Figure 0005513386
(式中、R13、R14はそれぞれ独立に、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、または炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基を表す。)
で表されるアミノ基である、上記1に記載のインデノピレン化合物、
3. 上記一般式(I)において、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基以外のR1〜R12が、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、または炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基である、上記1に記載のインデノピレン化合物、
4. 上記一般式(I)において、R2、R3およびR9から選ばれる少なくとも1つが、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基である、上記1に記載のインデノピレン化合物、
5. 上記一般式(I)において、R2、R3およびR9から選ばれる少なくとも1つが、一般式(II)で表される2置換アミノ基であって、かつR13およびR14がそれぞれ独立に炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基である2置換アミノ基である、上記2に記載のインデノピレン化合物、
6. 上記一般式(I)において、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基以外のR1〜R12が水素原子である、上記4に記載のインデノピレン化合物、
7. 上記一般式(I)において、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基以外のR1〜R12が水素原子である、上記5に記載のインデノピレン化合物、
8. 上記1〜7のいずれかに記載のインデノピレン化合物からなる有機薄膜太陽電池用材料、
9. 一対の電極の間に少なくともp層(正孔輸送層)を有し、該p層が上記8に記載の有機薄膜電池用材料を含有する有機薄膜太陽電池、
10. 上記9に記載の有機薄膜太陽電池を具備する装置、
を提供するものである。
本発明によれば、有機エレクトロニクス材料、例えば有機エレクトロルミネセンス材料、有機半導体材料、有機電界効果トランジスタ材料、有機太陽電池材料などとして有用なインデノピレン化合物を得ることができる。特に該インデノピレン化合物を有機薄膜太陽電池用材料として用いることで、高効率のエネルギー変換特性を示す有機薄膜太陽電池が得られる。
<インデノピレン化合物>
本発明のインデノピレン化合物は、下記一般式(I)
Figure 0005513386
で示される。
式中、R1〜R12はそれぞれ独立に、水素原子、または炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基、炭素数3〜40の置換もしくは無置換のヘテロアリール基、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルコキシ基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリールオキシ基、および炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基から選ばれる基を表し、R6とR7は互いに結合して環を形成してもよく、R1〜R12のうち少なくとも1つは、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基である。
1〜R12が表す炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基は、直鎖状、分岐鎖状および環状のいずれであってもよい。置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、1−プロピル基、2−プロピル基、1−ブチル基、2−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、2−エチルヘキシル基、3,7−ジメチルオクチル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、1−アダマンチル基、2−アダマンチル基、ノルボルニル基、トリフルオロメチル基、トリクロロメチル基、ベンジル基、α,α−ジメチルベンジル基、2−フェニルエチル基、1−フェニルエチル基などが挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさなどの観点から、炭素数1〜20のアルキル基が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基がより好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、シクロヘキシル基が好ましい。
1〜R12が表す炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基において、置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
該アリール基の具体例としては、フェニル基、2−トリル基、4−トリル基、4−トリフルオロメチルフェニル基、4−メトキシフェニル基、4−シアノフェニル基、2−ビフェニリル基、3−ビフェニリル基、4−ビフェニリル基、ターフェニリル基、3,5−ジフェニルフェニル基、3,4−ジフェニルフェニル基、ペンタフェニルフェニル基、4−(2,2−ジフェニルビニル)フェニル基、4−(1,2,2−トリフェニルビニル)フェニル基、フルオレニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−アントリル基、2−アントリル基、9−フェナントリル基、1−ピレニル基、クリセニル基、ナフタセニル基、コロニル基などが挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさなどの観点から、環形成炭素数6〜18のアリール基が好ましく、環形成炭素数6〜14のアリール基がより好ましく、フェニル基、4−ビフェニリル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−フェナントリル基がさらに好ましい。
1〜R12が表す炭素数3〜40の置換もしくは無置換のヘテロアリール基は、可能な限り、どの原子で結合してもよく、例えば、含窒素アゾール系ヘテロ環の場合は、炭素だけでなく窒素で結合してもよい。置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
該ヘテロアリール基の具体例としては、フラニル基、チオフェニル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ベンズイミダゾリル基、ピラゾリル基、ベンズピラゾリル基、トリアゾリル基、オキサジアゾリル基、ピリジニル基、ピラジニル基、トリアジニル基、キノリニル基、ベンゾフラニル基、ジベンゾフラニル基、ベンゾチオフェニル基、ジベンゾチオフェニル基、カルバゾリル基等が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさなどの観点から、環形成原子数6〜20のヘテロアリール基が好ましく、環形成原子数6〜14のヘテロアリール基がより好ましく、フラニル基、チオフェニル基、ピリジニル基、カルバゾリル基がさらに好ましい。
1〜R12が表す置換もしくは無置換の炭素数1〜40のアルコキシ基としては、アルキル基部位が、前記したR1〜R12が表す炭素数1〜40のアルキル基と同様のものが挙げられ、置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
該アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、1−プロピルオキシ基、2−プロピルオキシ基、1−ブチルオキシ基、2−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、デシルオキシ基、ドデシルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基、シクロプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、1−アダマンチルオキシ基、2−アダマンチルオキシ基、ノルボルニルオキシ基、トリフルオロメトキシ基、ベンジロキシ基、α,α−ジメチルベンジロキシ基、2−フェニルエトキシ基、1−フェニルエトキシ基などが挙げられる。これらのうち、原料の入手容易性等の観点から、炭素数1〜20のアルコキシ基が好ましく、炭素数1〜5のアルコキシ基がより好ましく、メトキシ基、エトキシ基、tert−ブチルオキシ基がさらに好ましい。
1〜R12が表す置換もしくは無置換の炭素数6〜40のアリールオキシ基としては、アリール基部位が、前記したR1〜R12が表す炭素数6〜40のアリール基と同様のものが挙げられ、置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
該アリールオキシ基の中では、原料の入手容易性等の観点から、環形成炭素数6〜20のアリールオキシ基が好ましく、環形成炭素数6〜14のアリールオキシ基がより好ましく、フェノキシ基、ナフトキシ基、フェナントリルオキシ基がさらに好ましい。
1〜R12が表す、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基は、一般式(II)
Figure 0005513386
で示される基が好ましい。一般式(II)中、R13、R14はそれぞれ独立に、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、または炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基を表す。
13およびR14が表す炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基は、直鎖状、分岐鎖状および環状のいずれであってもよい。置換基としては、ヒドロキシル基;メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、各種プロピル基、各種ブチル基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルキル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基等が挙げられる。
13およびR14が表す炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基において、置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;ヒドロキシル基;メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、各種プロピル基、各種ブチル基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルキル基;ビニル基、2,2−ジフェニルビニル基、1,2,2−トリフェニルビニル基等のアルケニル基;メトキシ基、エトキシ基、各種プロポキシ基、各種ブトキシ基等の好ましくは炭素数1〜10(より好ましくは炭素数1〜5)のアルコキシ基;フェニル基、トリル基、ナフチル基等の好ましくは環形成炭素数6〜14のアリール基;シアノ基等が挙げられる。
炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基としては、ジアルキルアミノ基、ジアリールアミノ基、アルキルアリールアミノ基等が挙げられる。ジアルキルアミノ基においては、窒素原子に結合するアルキル基は同じでも異なっていてもよく、具体的には、ジメチルアミノ基、メチルエチルアミノ基、ジエチルアミノ基等が挙げられる。またアルキル基は互いに結合して環(環の一部は窒素原子や酸素原子で置換されていてもよい。)を形成していてもよく、具体的には、ピロリジニル基、ピペリジノ基、ピペラジニル基、モルホリノ基等の環形成原子数5〜20(好ましくは5〜10)の含窒素複素環基が挙げられる。置換基を有するアルキルアミノ基の具体例としては、ビス(2−ヒドロキシエチル)アミノ基、ビス(2−メトキシエチル)アミノ基、ピペコリノ基等が挙げられる。これらの中でも、原料の入手容易性等の観点から、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ピペリジノ基が好ましい。なお、ジアルキルアミノ基において、アルキル基部位の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、さらに好ましくは1〜5である。
ジアリールアミノ基においては、窒素原子に結合するアリール基は同じでも異なっていてもよく、具体的には、ジフェニルアミノ基、フェニル−1−ナフチルアミノ基、フェニル−2−ナフチルアミノ基等が挙げられる。置換基を有するジアリールアミノ基としては、ジp−トリルアミノ基、ジm−トリルアミノ基、フェニルm−トリルアミノ基、フェニル(sec−ブチルフェニル)アミノ基、ビス(4−メトキシフェニル)アミノ基等が挙げられる。これらの中でも、原料の入手容易性等の観点から、ジフェニルアミノ基、ジトリルアミノ基、ビス(4−メトキシフェニル)アミノ基が好ましい。
アルキルアリールアミノ基としては、メチルフェニルアミノ基、フェニルt−ブチルアミノ基等が挙げられる。
本発明のインデノピレン化合物は、上記一般式(I)において、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基以外のR1〜R12が、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、または炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基であることが好ましい。
また、本発明のインデノピレン化合物は、上記一般式(I)において、R2、R3およびR9から選ばれる少なくとも1つが、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基であることが好ましく、該炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基が一般式(II)で表される2置換アミノ基であって、かつR13およびR14がそれぞれ独立に炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基である2置換アミノ基であることがより好ましい。
また、これらの場合においては、炭素数1〜40の基で置換された2置換アミノ基以外のR1〜R12が水素原子であることが特に好ましい。
以下に、上記一般式(I)で示されるインデノピレン化合物の具体例を挙げるが、特にこれらに限定されるものではない。
Figure 0005513386
これらの中で、以下のインデノピレン化合物が好ましい。
Figure 0005513386
<インデノピレン化合物の製造方法>
本発明のインデノピレン化合物の製造方法に特に制限はなく、例えばパラジウム等の金属触媒を用いて閉環する方法により当該化合物を製造することができる。この製造方法であれば原料が入手し易いこと、反応条件が温和なこと、高収率で目的物を与えることなどの点で好ましい。
(閉環反応)
閉環反応としては、以下のScheme Iで示す反応が挙げられる。
Figure 0005513386
ここで、Xは塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子またはトリフルオロメタンスルホニルオキシ基、ノナフルオロブタンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、p−トルエンスルホニルオキシ基等の脱離基を表す。これらの中で、原料が容易に入手可能であり、また収率に優れることから、ハロゲン原子が好ましく、塩素または臭素が特に好ましい。
閉環反応における金属触媒としては、塩化パラジウム、酢酸パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどの2価パラジウム、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジジウム、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムなどの0価パラジウム、塩化ニッケル、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、ジクロロ(1,3−ビスジフェニルホスフィノプロパン)ニッケルなどの2価ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラカルボニルニッケル、ビス(シクロオクタジエン)ニッケルなどの0価ニッケルが挙げられる。
また、これらの金属触媒に配位子を添加することもできる。その際に用いることのできる配位子としては、2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリンなどのピリジン類、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(2−フリル)ホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリ(t−ブチル)ホスフィン、2−ジt−ブチルホスフィノビフェニル(JohnPhos)、2−ジt−ブチルホスフィノ−2’−ジメチルアミノビフェニル(DavePhos)、2−ジシクロヘキシルホスフィノ−2’,4’,6’−トリイソプロピル−1,1’−ビフェニル(XPhos)、2−ジシクロヘキシルホスフィノ−2’,6’−ジメトキシビフェニル(SPhos)などの単座ホスフィン類、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン(DPPE)、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン(DPPP)、2,2’−ビス(ジフェニルホスフィノ)−1,1’−ビナフチル(BINAP)、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン(DPPF)、4,5−ビス(ジフェニルホスフィノ)−9,9−ジメチルキサンテン(XantPhos)などの2座ホスフィン類などがある。これらのうちで、高収率を与えることや反応条件が温和になるという理由からホスフィン類が好ましい。
閉環反応においては、反応の際に発生する塩化水素などをトラップするために、反応系に塩基を添加することが好ましい。この際に用いることのできる塩基としては、炭酸カリウム、炭酸セシウム、水酸化カリウム、水酸化バリウムなどの無機塩基、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(DBU)、1,5−ジアザ[4.3.0]ビシクロ−5−ノネン(DBN)、2,4,6−トリメチルピリジンなどの有機塩基を挙げることができる。これらのうちで高収率をあたえるという理由から有機塩基が好ましい。
閉環反応における溶媒としては、反応に対して不活性なものであれば特に制限はなく、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、テトラリンなどの芳香族溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルピロリドン(NMP)などのアミド類、ジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシド類が挙げられる。これらのうちで高収率を与えるという点からN,N−ジメチルホルムアミドなどのアミド類が好ましい。
本反応の反応温度は通常、室温〜200℃であり、好ましくは100℃〜200℃である。反応時間は通常、1時間〜72時間であり、好ましくは6時間〜24時間である。
上記閉環反応の原料であるアリール置換ピレンの合成法としては種々の方法があるが、例えば、以下のような有機金属試薬を用いるクロスカップリング反応を挙げることができる。
Figure 0005513386
ここで、Xは塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子またはトリフルオロメタンスルホニルオキシ基、ノナフルオロブタンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、p−トルエンスルホニルオキシ基などの脱離基を表し、MはMgCl、MgBr、MgIなどのGrignard試薬、ZnCl、ZnBrなどの有機亜鉛試薬、B(OH)2、ピナコラートボリル基、カテコールボリル基などのボロン酸およびそのエステル試薬、Sn(Bu)4などの有機スズ試薬、Si(OH)3などの有機ケイ素試薬に代表される典型金属グループを表す。典型金属グループはアリール基に結合していても良いし(Scheme II)、ピレンに結合していても良い(Scheme III)。これらの反応においては、熊田・玉尾カップリング(Grignard試薬)、根岸カップロング(有機亜鉛試薬)、鈴木・宮浦カップリング(ボロン試薬)、小杉・右田・Stilleカップリング(有機スズ試薬)、檜山カップリング(有機珪素試薬)などの反応を用いることができる。
<有機薄膜太陽電池>
本発明のインデノピレン化合物は有機薄膜太陽電池用材料として用いることができる。この場合、有機薄膜太陽電池の部材(層)は本発明のインデノピレン化合物単独で形成されていてもよいし、本発明のインデノピレン化合物と他の成分との混合物から形成されていてもよい。本発明のインデノピレン化合物を用いる有機薄膜太陽電池は、高効率の光電変換特性を示す。
本発明の有機薄膜太陽電池のセル構造は、一対の電極の間に本発明の有機薄膜太陽電池用材料を含有する構造であれば特に限定はないが、本発明の有機薄膜太陽電池用材料は特にp層の成分として好適に用いられる。
本発明の有機薄膜太陽電池のセル構造としては、具体的には、安定な絶縁性基板上に下記の構成を有する構造が挙げられる。
(1)下部電極/有機化合物層/上部電極
(2)下部電極/p層/n層/上部電極
(3)下部電極/p層/i層(p層の材料とn層の材料の混合層)/n層/上部電極
(4)下部電極/p層の材料とn層の材料の混合層/上部電極
(5)下部電極/[p層/(i層/)n層の繰り返し層]/上部電極
及び上記(2)、(3)の構成のp層とn層を置換した構造が挙げられる。
また、必要に応じて、電極間にバッファー層を設けてもよい。例えば具体例として、上記構成(1)にバッファー層を設けた場合、下記構成を有する構造が挙げられる。
(6)下部電極/バッファー層/有機化合物層/上部電極
(7)下部電極/有機化合物層/バッファー層/上部電極
(8)下部電極/バッファー層/有機化合物層/バッファー層/上部電極
本発明の有機薄膜太陽電池用材料は、例えば上記構造の有機薄膜太陽電池において有機化合物層、p層、n層、i層、バッファー層の材料として使用することができる。
本発明の有機薄膜太陽電池においては、有機薄膜太陽電池を構成するいずれかの部材(層)に本発明の有機薄膜太陽電池用材料を含有していればよい。また、本発明の材料を含有する部材(層)は他の成分を含んでいてもよい。本発明の有機薄膜太陽電池用材料を含まない層の材料や、本発明の有機薄膜太陽電池用材料と混合する層の材料としては、有機薄膜太陽電池で使用される公知の材料を使用することができる。
次に、上記構成において使用し得る各部材(層)について説明する。
(下部電極、上部電極)
下部電極、上部電極の材料に特に制限はなく、公知の導電性材料を使用できる。
例えば、p層と接続する電極としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO)や金(Au)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の金属が使用できる。また、n層と接続する電極としては、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、カルシウム(Ca)、白金(Pt)、リチウム(Li)等の一成分金属や、マグネシウム(Mg)−Ag、Mg−In、Al−Li等の二成分金属、さらには、上記のp層と接続する電極として例示した金属が使用できる。
なお、一対の電極構成の好ましい構成は、電極部の一方が仕事関数の大きな金属を含み、他方は仕事関数の小さな金属を含む構成である。仕事関数の大きな電極材料としては、ITO、Os、Pd等であり、仕事関数の小さな電極材料としては、Al、In、Mg−Agの合金、Ca、Li、Mg等である。
高効率の光電変換特性を得るためには、太陽電池の少なくとも一方の面は太陽光スペクトルにおいて充分透明にすることが望ましい。そのためには、公知の導電性材料を使用し、蒸着やスパッタリング等の方法で所定の透光性が確保するように電極を形成すればよい。受光面の電極の光透過率としては、10%以上が好ましく、60%以上がより好ましく、90%以上がさらに好ましい。
膜厚は材料により適宜選択可能であるが、好ましくは1nm〜10μmであり、より好ましくは5nm〜1μmである。
(有機化合物層)
上記有機化合物層とは電極間の層が1層である場合の当該層を指す。本発明の有機薄膜太陽電池用材料を使用する場合の構成としては、「下部電極/本発明の有機薄膜太陽電池用材料の単独層/上部電極」や、「下部電極/本発明の有機薄膜太陽電池用材料とn層材料またはp層材料の混合層/上部電極」が挙げられる。
(p層、n層、i層)
本発明の有機薄膜太陽電池用材料をp層に用いるときは、n層は特に限定されないが、電子受容体としての機能を有する化合物が好ましい。例えば低分子有機化合物であれば、C60、C70等のフラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ペリレン誘導体、多環キノン、キナクリドン等が挙げられ、高分子化合物ではCN−ポリ(フェニレン−ビニレン)、MEH−CN−PPV、−CN基又はCF3基含有ポリマー、ポリ(フルオレン)誘導体等を挙げることができる。電子の移動度が高い材料が好ましく、電子親和力が小さい材料がさらに好ましい。このように電子親和力の小さい材料をn層として組み合わせることで充分な開放端電圧を実現することができる。また、無機化合物であれば、n型特性の無機半導体化合物を挙げることができる。具体的には、n−Si、GaAs、CdS、PbS、CdSe、InP、Nb25,WO3,Fe23等のドーピング半導体及び化合物半導体、また、二酸化チタン(TiO2)、一酸化チタン(TiO)、三酸化二チタン(Ti23)等の酸化チタン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)等の導電性酸化物が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。好ましくは、酸化チタン、特に好ましくは、二酸化チタンを用いる。
本発明の有機薄膜太陽電池用材料をn層に用いるときは、p層は特に限定されないが、正孔受容体としての機能を有する化合物が好ましい。例えば低分子有機化合物であれば、N,N’−ビス(3−トリル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(mTPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニルベンジジン(NPD)、4,4’,4’’−トリス(フェニル−3−トリルアミノ)トリフェニルアミン(MTDATA)等に代表されるアミン化合物、フタロシアニン(Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、チタニルフタロシアニン(TiOPc)等のフタロシアニン類、オクタエチルポルフィリン(OEP)、白金オクタエチルポルフィリン(PtOEP)、亜鉛テトラフェニルポルフィリン(ZnTPP)等に代表されるポルフィリン類が挙げられ、高分子化合物であれば、ポリヘキシルチオフェン(P3HT)、メトキシエチルヘキシロキシフェニレンビニレン(MEHPPV)等の主鎖型共役高分子類、ポリビニルカルバゾール等に代表される側鎖型高分子類等が挙げられる。
本発明の有機薄膜太陽電池用材料をi層に用いるときは、上記p層化合物もしくはn層化合物と混合してi層を形成してもよいが、本発明の材料を単独でi層として用いることもできる。その場合のp層もしくはn層は、上記例示化合物のいずれも用いることができる。
混合してi層を形成する場合は、n層の材料とp層の材料との混合比は、体積比で1:5〜5:1が好ましく、1:2〜2:1がより好ましく、0.9:1.1〜1.1:0.9がさらに好ましい。
本発明の有機薄膜太陽電池において、p層を設ける場合、その膜厚は、好ましくは5nm〜5μmであり、より好ましくは10nm〜1μmであり、n層を設ける場合、その膜厚は、好ましくは5nm〜5μmであり、より好ましくは10nm〜1μmであり、i層を設ける場合、その膜厚は、好ましくは1nm〜2μmであり、より好ましくは5nm〜1μmである。
(バッファー層)
一般に、有機薄膜太陽電池はその総膜厚が薄いため、上部電極と下部電極が短絡し、セル作製の歩留まりが低下することが多い。このような場合には、バッファー層を積層することによってこれを防止することが好ましい。また、発生した電流を効率よく外部に取り出すためにもバッファー層を設けたほうが好ましい。
バッファー層に好ましい化合物としては、膜厚を厚くしても短絡電流が低下しないようにキャリア移動度が充分に高い化合物が好ましい。例えば、低分子化合物であれば下記のNTCDAに代表される芳香族環状酸無水物等が挙げられ、高分子化合物であればポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェン;下記のポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)、ポリアニリン;カンファースルホン酸(PANI:CSA)等に代表される公知の導電性高分子等が挙げられる。
Figure 0005513386
また、バッファー層には、励起子が電極まで拡散して失活してしまうのを防止する役割を持たせることも可能である。このように励起子阻止層としてバッファー層を挿入することは、高効率化のために有効である。バッファー層に励起子阻止層としての役割を持たせる場合の好ましい材料としては、例えば有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)用途で公知な正孔障壁層用材料又は電子障壁層用材料等が挙げられる。正孔障壁層として好ましく利用されている材料は、イオン化ポテンシャルが充分に大きい化合物であり、電子障壁層として好ましく利用されている材料は、電子親和力が充分に小さい化合物である。陰極側の正孔障壁層材料としては、具体的には、下記のバソクプロイン(BCP)、下記のバソフェナントロリン(BPhen)等が挙げられる。
Figure 0005513386
さらに、バッファー層には、n層の材料として例示した無機化合物を用いてもよい。また、p型特性の公知の無機化合物である、CdTe、p型シリコン(p−Si)、SiC、GaAs、WO3等を用いてもよい。
バッファー層の膜厚は、好ましくは1nm〜3μmであり、より好ましくは5nm〜1μmである。
なお、有機薄膜太陽電池のセル構造を、「下部電極/本発明の有機薄膜太陽電池用材料の単独層/上部電極」とする場合は、単独層の膜圧は、好ましくは1nm〜10μmであり、より好ましくは5nm〜1μmである。
(基板)
基板は、通常、有機薄膜太陽電池に用いられる基板でよい。機械的、熱的強度を有し、透明性を有するガラス基板や透明性樹脂フィルムを使用することが好ましい。
透明性樹脂フィルムとしては、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルフォン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリプロピレン等が挙げられる。
(有機薄膜太陽電池の各層の形成方法)
本発明の有機薄膜太陽電池の各層の形成方法に特に制限はなく、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ、イオンプレーティング等の乾式成膜法や、スピンコーティング、ディップコート、キャスティング、ロールコート、フローコーティング、インクジェット等の湿式成膜法を適用することができる。この方法により、各層を前記した各層の膜厚に調整することが好ましい。一般に有機薄膜の励起子拡散長は短いことが知られているため、膜厚が厚すぎると励起子がヘテロ界面に到達する前に失活してしまうため光電変換効率が低くなる。膜厚が薄すぎるとピンホール等が発生してしまうため、充分なダイオード特性が得られないため、変換効率が低下する。
上記乾式成膜法を適用する場合、抵抗加熱法を用いて材料を加熱蒸発させることが好ましい。また、混合層を形成する場合には、例えば、複数の蒸発源からの同時蒸着による成膜方法が好ましい。成膜時には、基板温度を一定に制御することが好ましい。
上記湿式成膜法を適用する場合、材料を適切な溶媒に溶解又は分散させて発光性有機溶液を調製してから薄膜を形成する。かかる溶媒としては任意の溶媒を使用でき、例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素、テトラクロロエタン、トリクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエン等のハロゲン系炭化水素系溶媒;ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソール等のエーテル系溶媒;メタノールやエタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール等のアルコール系溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ヘキサン、オクタン、デカン、テトラリン等の炭化水素系溶媒;酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル等のエステル系溶媒等が挙げられる。これらの中でも、炭化水素系溶媒又はエーテル系溶媒が好ましい。また、これらの溶媒は、単独で使用しても複数混合して用いてもよい。なお、溶媒は特にこれらに限定されるものではない。
本発明においては、有機薄膜太陽電池のいずれの有機薄膜層においても、成膜性向上、膜のピンホール防止等のため、適切な樹脂や添加剤を含有させてもよい。使用可能な樹脂としては、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリスルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、セルロース等の絶縁性樹脂及びそれらの共重合体;ポリ−N−ビニルカルバゾール、ポリシラン等の光導電性樹脂;ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性樹脂等が挙げられる。
また、添加剤としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤等が挙げられる。
本発明で得られる有機薄膜太陽電池用材料を用いた有機薄膜太陽電池は、太陽電池モジュール、太陽光発電パネル、時計、携帯情報端末、パーソナルコンピューター等の装置に有効に利用される。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
なお、各例において、ソーラーシミュレーター(装置名「SS−50XIL」、英弘精機株式会社製)を用いて、AM1.5条件(光強度100mW/cm2)下で、I−V特性を測定し、開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、変換効率(η)を求めた。同じPin(光強度)において、Voc、Jsc及びFFがいずれも大きな化合物ほど優れた変換効率を示す。なお、光電変換効率は下記式によって導出した。
Figure 0005513386
〔製造例1〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Aを製造した。
Figure 0005513386
中間体A1の合成
2,4−ジブロモアニリン(10g,40mmol)を塩酸水(濃塩酸40ml+水30ml)に懸濁し、氷/食塩浴で−8℃に冷却した。これに亜硝酸ナトリウム水溶液(3.0g,43mmol,1.1eq./15ml)を10分かけて徐々に滴下し、−10℃〜0℃で30分撹拌しジアゾニウム塩を調整した。反応液をヨウ化カリウム水溶液(60g,0.36mol,9eq./180ml)に室温で20分かけて徐々に滴下した。反応混合物を室温で3時間撹拌し、ジクロロメタン(200ml)を加え、続いて亜硫酸水素ナトリウム(2g)を加えて発生したヨウ素を失活させた。有機層を分取し、10%亜硫酸水素ナトリウム水溶液(100ml)、飽和食塩水(30ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して赤色液体を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン)で精製して白色固体(11.0g,76%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.11(1H,dd,J=8Hz,2Hz),7.69(1H,d,J=8Hz),7.76(1H,d,J=2Hz)
中間体A2の合成
窒素雰囲気下、中間体A1(2.5g,6.9mmol)、1−ピレンボロン酸(1.7g,6.9mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.24g,0.21mmol,3%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(20ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(2.2g,21mmol,3eq./10ml)を加えて10時間還流した。反応混合物にトルエン(150ml)、水(50ml)を加え、有機層を分取、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して淡黄色固体を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して白色固体(1.9g,63%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.32(1H,d,J=8Hz),7.60(1H,dd,J=8Hz,2Hz),7.68(1H,d,J=9Hz),7.83(1H,d,J=8Hz),7.96−8.02(3H,m),8.10(2H,s),8.16(1H,d,J=8Hz),8.20(1H,d,J=8Hz),8.21(1H,d,J=8Hz)
中間体A3の合成
窒素雰囲気下、中間体A2(3.3g,7.6mmol)、ジフェニルアミン(1.4g,8.3mmol,1.1eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.10g,0.11mmol,3%Pd)、2,2’−ビス(ジフェニルホスフィノ)−1,1’−ビナフチル(BINAP,0.20g,0.32mmol,1.5eq. to Pd)、ナトリウムt−ブトキシド(1.0g,10mmol,1.4eq.)を無水トルエン(20ml)に懸濁し、10時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液を溶媒留去して得られた褐色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン、続いてヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して淡橙色固体(1.7g,43%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.09−7.15(3H,m),7.23−7.25(4H,m),7.29(1H,dd,J=9Hz,2Hz),7.35(4H,t,J=8Hz),7.50(1H,s),7.87(1H,d,J=9Hz),7.93(1H,dd,J=8Hz,2Hz),8.01(1H,dt,J=8Hz,1Hz),8.05(1H,d,J=9Hz),8.10(2H,s),8.17−8.23(3H,m)
インデノピレン化合物A(以下化合物Aと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体A3(1.7g,3.2mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)(0.23g,0.33mmol,10%Pd)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(0.7g,4.6mmol,1.4eq.)を無水DMF(15ml)に溶かし、140℃で11時間撹拌した。反応混合物をトルエン(150ml)で希釈し、水(100ml)、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して得られた赤色個体をカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+10%ジクロロメタン、続いてヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して橙色固体(1.2g,85%)を得た。これをエタノール(30ml)+トルエン(100ml)で再結晶して橙色針状晶(1.0g)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.06(2H,t,J=7Hz),7.18−7.25(5H,m),7.31(4H,t,J=8Hz),7.87−7.89(2H,m),7.99(1H,d,J=8Hz),8.03(1H,d,J=8Hz),8.10(1H,d,J=9Hz),8.20(1H,d,J=8Hz),8.22(1H,d,J=7Hz),8.28(1H,d,J=8Hz),8.31(1H,d,J=8Hz),8.42(1H,s)
FDMS,計算値C3421N=443、実測値m/z=443(M+,100)
HPLC,99.5%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(1.0g)を280℃/3.2x10-4Paで昇華精製することにより赤色アモルファス固体(0.9g)を得た。
HPLC,99.6%(UV254,面積%)
融点207℃(DSC)
吸収極大波長(CH2Cl2)、471nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、597nm
〔製造例2〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Bを製造した。
Figure 0005513386
中間体B1の合成
窒素雰囲気下、1−ブロモピレン(5.0g,18mmol)、2,5−ジクロロフェニルボロン酸(4.1g,21mmol,1.2eq.)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.40g,0.35mmol,2%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(65ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(6.7g,63mmol,3eq./30ml)を加えて10時間還流した。反応混合物にトルエン(100ml)、水(50ml)を加え、有機層を分取、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して淡黄色オイルを得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して白色固体(5.2g,83%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.40(1H,dd,J=9Hz,2Hz),7.49(1H,d,J=2Hz),7.51(1H,d,J=9Hz),7.71(1H,d,J=9Hz),7.86(1H,d,J=8Hz),8.00(1H,t,J=8Hz),8.02(1H,d,J=9Hz),8.08(1H,d,J=9Hz),8.11(1H,d,J=9Hz),8.16(1H,d,J=8Hz),8.20(1H,d,J=7Hz),8.21(1H,d,J=8Hz)
中間体B2の合成
窒素雰囲気下、中間体B1(5.2g,15mmol)、ジフェニルアミン(2.8g,17mmol,1.1eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.14,0.15mmol,2%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.07ml,0.23mmol,0.8eq.to Pd)、ナトリウムt−ブトキシド(2.0g,21mmol,1.4eq.)を無水トルエン(40ml)に懸濁し、10時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液を溶媒留去して得られた褐色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン、続いてヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して黄橙色アモルファス固体(5.9g,82%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.05(2H,t,J=7Hz),7.18−7.33(11H,m),7.74−8.14(6H,m),8.20−8.26(3H,m)
インデノピレン化合物B(以下化合物Bと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体B2(5.9g,12mmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.28g,0.31mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.19ml,0.62mmol,1eq. to Pd)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(2.6g,17mmol,1.4eq.)を無水DMF(30ml)に溶かし、140℃で11時間撹拌した。反応混合物をトルエン(150ml)で希釈し、水(100ml)、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して得られた赤褐色個体をカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+10%ジクロロメタン、続いてヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して橙色固体(3.5g,66%)を得た。これをエタノール(20ml)+トルエン(50ml)で再結晶して橙色板状晶(1.2g,23%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.07(1H,d,J=7Hz),7.12(1H,dd,J=8Hz,2Hz),7.23(4H,d,J=7Hz),7.31(4H,t,J=7Hz),7.76(1H,d,J=2Hz),7.97(1H,d,J=8Hz),8.01−8.12(3H,m),8.16−8.25(3H,m),8.38(1H,d,J=7Hz),8.46(1H,s)
FDMS,計算値C3421N=443、実測値m/z=443(M+,100)
HPLC,99.6%(UV254,面積%)
上記方法で得られた固体(1.0g)を300℃/1.5x10-4Paで昇華精製することにより橙色固体(0.87g)を得た。
HPLC,99.8%(UV254,面積%)
融点234℃(DSC)
吸収極大波長(CH2Cl2)、420nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、569nm
〔製造例3〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Cを製造した。
Figure 0005513386
中間体C1の合成
窒素雰囲気下、1,6−ジブロモピレン(5.0g,14mmol)、ジフェニルアミン(2.3g,14mmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.19g,0.21mmol,3%Pd)、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン(DPPF,0.34g,0.61mmol,1.5eq.to Pd)、ナトリウムt−ブトキシド(1.9g,20mmol,1.4eq.)を無水トルエン(40ml)に懸濁させ、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液を溶媒留去して得られた褐色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン、続いてヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して黄色固体(2.0g,32%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)6.96(2H,t,J=7Hz),7.06(4H,d,J=7Hz),7.20(4H,t,J=7Hz),7.85(1H,d,J=8Hz),7.86(1H,d,J=9Hz),7.92(1H,d,J=8Hz),8.10−8.21(4H,m),8.41(1H,d,J=9Hz)
中間体C2の合成
窒素雰囲気下、中間体C1(2.0g,4.5mmol)、2−ブロモフェニルボロン酸(1.1g,5.5mmol,1.2eq.)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.10g,87mol,2%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(20ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(1.7g,16mmol,3eq./8ml)を加えて11時間還流した。反応混合物を水(100ml)で希釈し、固体をろ別、水、メタノールで洗浄して黄色固体(2.3g,98%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ6.95(3H,t,J=7Hz),7.08(4H,d,J=7Hz),7.20(4H,t,J=7Hz),7.33−7.39(1H,m),7.45−7.50(2H,m),7.70(1H,d,J=9Hz),7.80(1H,d,J=8Hz),7.84(1H,d,J=8Hz),7.87(1H,d,J=8Hz),7.97(1H,d,J=9Hz),7.98(1H,d,J=9Hz),8.12−8.16(2H,m),8.19(1H,d,J=9Hz)
インデノピレン化合物C(以下化合物Cと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体C2(2.4g,4.6mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)(0.32g,0.46mmol,10%Pd)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(1.0g,6.6mmol,1.4eq.)を無水DMF(20ml)に溶かし、140℃で11時間撹拌した。反応混合物をトルエン(200ml)で希釈し、水(100ml)、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して得られた濃褐色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+10%ジクロロメタン、続いてヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して黄橙色固体(1.2g,59%)を得た。これをエタノール(30ml)+トルエン(30ml)で再結晶して黄橙色板状晶(0.9g)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ6.99(2H,t,J=7Hz),7.12(4H,d,J=9Hz),7.23(4H,t,J=7Hz),7.41−7.48(2H,m),7.79(1H,d,J=8Hz),7.92(1H,d,J=9Hz),8.01(1H,d,J=7Hz),8.07(1H,d,J=9Hz),8.11(1H,d,J=7Hz),8.13(1H,d,J=8Hz),8.34(1H,dd,J=8Hz,2Hz),8.52(1H,s)
FDMS,計算値C3421N=443、実測値m/z=443(M+,100)
HPLC,98.6%(UV254,面積%)
上で得られた固体(0.85g)を260℃/4.7x10-4Paで昇華精製することにより黄色固体(0.80g)を得た。
HPLC,98.7%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、451nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、510nm
(実施例1)
「25mm×75mm×厚さ0.7mm」のITO透明電極付きガラス基板について、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄を5分間行った後、UVオゾン洗浄を30分間行った。洗浄後の透明電極ライン付きガラス基板を真空蒸着装置の基板ホルダーに装着し、まず、下部電極である透明電極ラインが形成されている側の面上に、前記透明電極を覆うようにして、前記化合物Aを抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(膜厚30nm)した。続けて、この膜上にフラーレン(C60)を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(膜厚60nm)し、その上に下記のバソクプロイン(BCP)を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(膜厚10nm)した。最後に、連続して対向電極として金属Alを膜厚80nmで蒸着させ、有機薄膜太陽電池を形成した。面積は0.5cm2であった。
得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
Figure 0005513386
(実施例2)
「25mm×75mm×厚さ0.7mm」のITO透明電極付きガラス基板について、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄を5分間行った後、UVオゾン洗浄を30分間行った。洗浄後の透明電極ライン付きガラス基板を真空蒸着装置の基板ホルダーに装着し、まず、下部電極である透明電極ラインが形成されている側の面上に、前記透明電極を覆うようにして、前記化合物Aを抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(p層:膜厚5nm)した。続けて、この膜上に、化合物Aを0.2Å/s、C60を0.2Å/sで共蒸着し、i層(混合比p:n=1:1、膜厚15nm)を形成した。この上にC60を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(n層:膜厚45nm)し、その上に下記のバソクプロイン(BCP)を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜(バッファー層:膜厚10nm)した。最後に、連続して対向電極として金属Alを膜厚80nmで蒸着させ、有機薄膜太陽電池を形成した。面積は0.5cm2であった。
得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例3)
i層におけるp化合物とn化合物の混合比をp:n=2:1(成膜速度はそれぞれ0.2Å/s、0.1Å/s)とした以外は実施例2と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例4)
i層におけるp化合物とn化合物の混合比をp:n=1:2(成膜速度はそれぞれ0.1Å/s、0.2Å/s)とした以外は実施例2と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例5)
実施例1のC60をC70へ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
Figure 0005513386
(実施例6)
実施例3のC60をC70へ変更し、p層の膜厚を15nm、i層の膜厚を15nm、n層の膜厚を45nmに変更した以外は実施例3と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例7)
実施例3のC60をC70へ変更し、p層の膜厚を15nm、i層の膜厚を15nm、n層の膜厚を60nmに変更した以外は実施例3と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例8)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Bへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例9)
実施例5のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Bへ変更した以外は実施例5と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(実施例10)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Cへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(比較例1)
実施例1のインデノピレン化合物AをmTPDへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
(比較例2)
実施例5のインデノピレン化合物AをmTPDへ変更した以外は実施例5と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第1表に示す。
Figure 0005513386
Figure 0005513386
比較例との対比で分かるように、実施例の有機薄膜太陽電池においては、変換効率が向上しており、優れた太陽電池特性を有している。
〔製造例4〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Dを製造した。
Figure 0005513386
中間体D1の合成
2−ブロモ−4−クロロアニリン(10g,48mmol)を塩酸水(濃塩酸50ml+水35ml)に懸濁し、ドライアイス/メタノール浴で−15℃に冷却した。これに亜硝酸ナトリウム水溶液(3.6g,52mmol,1.1eq./20ml)を20分かけて徐々に滴下し、−15℃〜0℃で30分撹拌しジアゾニウム塩を調整した。反応液をヨウ化カリウム水溶液(73g,0.44mol,9eq./220ml)に室温で10分かけて徐々に滴下した。反応混合物を室温で6時間撹拌し、一晩放置した。反応混合物にジクロロメタン(200ml)を加え、続いて亜硫酸水素ナトリウム(2g)を加えて発生したヨウ素を失活させた。有機層を分取し、10%亜硫酸水素ナトリウム水溶液(100ml)、飽和食塩水(30ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して赤色液体を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン)で精製して白色針状晶(12.4g,81%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ6.98(1H,dd,J=8Hz,2Hz),7.61(1H,d,J=2Hz),7.74(1H,d,J=8Hz)
中間体D2の合成
窒素雰囲気下、中間体D1(12.4g,39mmol)、1−ピレンボロン酸(9.6g,39mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(1.4g,1.2mmol,3%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(120ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(12.4g,0.12mol,3eq./60ml)を加えて10時間還流した。反応混合物にトルエン(200ml)、水(50ml)を加え、有機層を分取、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して褐色固体を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+10%ジクロロメタン)で精製して白色固体(11.7g,77%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.38(1H,d,J=8Hz),7.45(1H,dd,J=8Hz,2Hz),7.68(1H,d,J=9Hz),7.81(1H,d,J=2Hz),7.83(1H,d,J=8Hz),7.99(1H,d,J=7Hz),8.00(1H,d,J=9Hz),8.09(2H,s),8.16(1H,d,J=7Hz),8.19(1H,d,J=7Hz),8.21(1H,d,J=8Hz)
中間体D3の合成
窒素雰囲気下、中間体D2(11.7g,30mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)(2.1g,3mmol,10%Pd)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(6.4g,42mmol,1.4eq.)を無水DMF(120ml)に溶かし、140℃で11時間撹拌した。反応混合物をメタノール(150ml)で希釈し、固体をろ別して黄色固体(6.5g)を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ジクロロメタン)で精製して黄色針状晶(6.0g,64%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.42(1H,dd,J=9Hz,2Hz),7.88(1H,d,J=8Hz),8.02(1H,d,J=2Hz),8.05(1H,d,J=8Hz),8.06(1H,d,J=9Hz),8.10(1H,d,J=9Hz),8.19(1H,d,J=8Hz),8.26(1H,d,J=6Hz),8.28(1H,d,J=7Hz),8.38(1H,d,J=8Hz),8.49(1H,s)
インデノピレン化合物D(以下化合物Dと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体D3(1.0g,3.2mmol)、1−アニリノピレン(1.1g,3.8mmol,1.2eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.07g,0.076mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.04ml,0.13mmol,0.8eq.toPd)、ナトリウムt−ブトキシド(0.43g,4.5mmol,1.4eq.)、を無水トルエン(50ml)に懸濁し、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(600ml)で洗浄した。ろ液から溶媒留去して得られた赤褐色固体をカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+33%ジクロロメタン、続いてヘキサン+67%ジクロロメタン)で精製して橙色固体(1.6g,88%)を得た。これをトルエン(60ml)で再結晶して橙色板状晶(1.1g)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.02(1H,t,J=7Hz),7.17−7.21(2H,m),7.25−7.30(2H,m),7.83(1H,d,J=8Hz),7.86(1H,d,J=7Hz),7.94−8.02(5H,m),8.07−8.12(4H,m),8.17−8.29(8H,m),8.34(1H,s)
FDMS,計算値C4425N=567、実測値m/z=567(M+,100).
HPLC,98.8%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(1.1g)を340℃/4.0x10-3Paで昇華精製することにより橙色固体(1.0g)を得た。
HPLC,98.4%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、479nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、596nm
〔製造例5〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Eを製造した。
Figure 0005513386
窒素雰囲気下、中間体D3(0.96g,3.1mmol)、9−アニリノフェナントレン(1.0g,3.7mmol,1.2eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.07g,0.076mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.04ml,0.13mmol,0.8eq.toPd)、ナトリウムt−ブトキシド(0.5g,5.2mmol,1.7eq.)、を無水トルエン(50ml)に懸濁し、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液から溶媒留去して得られた赤褐色固体をカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+33%ジクロロメタン、続いてヘキサン+50%ジクロロメタン)で精製して橙色固体(1.5g,89%)を得た。これをエタノール(20ml)+トルエン(20ml)で再結晶して橙色板状晶(1.2g)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.04(1H,t,J=7Hz),7.19−7.32(5H,m),8.53(1H,t,J=7Hz),7.61(1H,t,J=7Hz),7.68(2H,t,J=7Hz),7.76(1H,s),7.82(1H,d,J=8Hz),7.84(1H,d,J=8Hz),7.91(1H,s),7.99(1H,t,J=8Hz),8.02(1H,d,J=8Hz),8.10(1H,d,J=8Hz),8.18−8.28(5H,m),8.38(1H,s),8.77(1H,d,J=8Hz),8.80(1H,d,J=8Hz)
FDMS,計算値C4225N=543、実測値m/z=543(M+,100)
HPLC,98.8%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(1.1g)を340℃/5.9x10-4Paで昇華精製することにより橙色固体(0.92g)を得た。
HPLC,99.0%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、475nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、588nm
〔製造例6〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Fを製造した。
Figure 0005513386
中間体F1の合成
窒素雰囲気下、2−ブロモフェニルボロン酸(6.9g,34mmol,1.2eq.)、1−ブロモピレン(8.0g,28mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.65g,0.56mmol,2%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(100ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(11g,0.10mol,3eq./50ml)を加えて10時間還流した。反応混合物にトルエン(200ml)、水(50ml)を加え、有機層を分取、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して黄色オイルを得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+10%ジクロロメタン)で精製して白色板状晶(8.0g,80%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.32−7.36(1H,m),7.46(2H,d,J=4Hz),7.72(1H,d,J=9Hz),7.79(1H,d,J=8Hz),7.89(1H,d,J=8Hz),7.98(1H,d,J=8Hz),8.00(1H,d,J=9Hz),8.09(2H,s),8.15(1H,d,J=8Hz),8.19(1H,d,J=8Hz),8.22(1H,d,J=8Hz)
中間体F2の合成
窒素雰囲気下、中間体F1(8.0g,22mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)(1.6g,2.3mmol,10%Pd)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(4.7g,31mmol,1.4eq.)を無水DMF(90ml)に溶かし、140℃で11時間撹拌した。反応混合物をトルエン(200ml)で希釈し、水(100ml)、飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して黄色固体を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン、続いてヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して黄色固体(4.4g,72%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.39(1H,t,J=7Hz),7.44(1H,t,J=7Hz),7.98(2H,t,J=8Hz),8.20(1H,d,J=9Hz),8.05(2H,d,J=8Hz),8.14(1H,d,J=8Hz),8.19(1H,d,J=8Hz),8.28(1H,d,J=8Hz),8.31(1H,d,J=8Hz),8.45(1H,s)
中間体F3の合成
中間体F2(4.4g,16mmol)を無水DMF(75ml)に懸濁し、これにN−ブロモスクシンイミド(3.1g,17mmol,1.1eq.)の無水DMF溶液(5ml)を加えて45℃で8時間撹拌した。反応混合物を水浴で冷却後、水(100ml)で希釈し、生じた固体をろ別、水、メタノールで洗浄して黄色固体(5.6g,98%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.44(1H,t,J=7Hz,2Hz),7.47(1H,t,J=7Hz,2Hz),7.92(1H,dd,J=6Hz,1Hz),8.02(1H,d,J=8Hz),8.04(1H,dd,J=6Hz,1Hz),8.09(1H,d,J=9Hz),8.24(1H,d,J=8Hz),8.29(1H,d,J=9Hz),8.34(1H,d,J=8Hz),8.42(1H,s),8.47(1H,s)
インデノピレン化合物F(以下化合物Fと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体F3(2.0g,5.6mmol)、ジフェニルアミン(1.1g,6.5mmol,1.2eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.13g,0.14mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.07ml,0.23mmol,0.8eq.toPd)、ナトリウムt−ブトキシド(0.8g,8.3mmol,1.5eq.)、を無水トルエン(50ml)に懸濁し、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(400ml)で洗浄した。ろ液から溶媒留去して得られた赤褐色固体(2.5g)をトルエン(40ml)で再結晶して橙色板状晶(2.2g,89%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ6.96(2H,t,J=7Hz),7.15(4H,d,J=7Hz),7.22(4H,t,J=7Hz),7.41−7.43(2H,m),7.89−7.91(2H,m),7.99−8.06(2H,m),8.10−8.13(1H,m),8.17(1H,d,J=8Hz),8.22(1H,s),8.39(1H,d,J=8Hz),8.55(1H,s).
FDMS,計算値C3421N=443、実測値m/z=443(M+,100)
HPLC,99.7%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(1.15g)を280℃/1.6x10-4Paで昇華精製することにより橙色固体(1.11g)を得た。
HPLC,99.7%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、461nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、547nm
〔製造例7〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Gを製造した。
Figure 0005513386
中間体G1の合成
窒素雰囲気下、2,4−ジクロロフェニルボロン酸(1.4g,7.3mmol,1.2eq.)、中間体F3(2.1g,5.9mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.2g,0.17mmol,3%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(45ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(2.3g,22mmol,3eq./12ml)を加えて10時間還流した。反応混合物を水(100ml)で希釈し、固体をろ別、メタノールで洗浄して褐色固体(2.8g)を得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して黄色固体(2.4g,97%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.39−7.48(4H,m),7.67(1H,d,J=2Hz),7.71(1H,d,J=9Hz),7.96−8.02(3H,m),8.09(1H,d,J=7Hz),8.20(1H,d,J=7Hz),8.23(1H,s),8.36(1H,d,J=8Hz),8.53(1H,s)
中間体G2の合成
窒素雰囲気下、中間体G1(2.4g,5.7mmol)、ジフェニルアミン(1.1g,6.5mmol,1.1eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.13g,0.14mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.07ml,0.23mmol,0.8eq.toPd)、ナトリウムt−ブトキシド(0.8g,8.3mmol,1.5eq.)、を無水トルエン(30ml)に溶かし、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液から溶媒留去して得られた赤色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して淡褐色固体(1.6g,51%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.10−7.14(3H,m),7.24−7.59(12H,m),7.90(1H,d,J=9Hz),7.99−8.05(3H,m),8.12(1H,d,J=6Hz),8.24(1H,d,J=8Hz),8.33(1H,s),8.40(1H,d,J=7Hz),8.57(1H,s)
インデノピレン化合物G(以下化合物Gと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体G2(1.6g,2.9mmol)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(0.7g,4.6mmol,1.5eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.13g,0.14mmol,10%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.13ml,0.42mmol,1.5eq.toPd)を無水DMF(10ml)に溶かし、140℃で10時間撹拌した。反応混合物をメタノール(70ml)で希釈し、固体をろ別して赤褐色固体(1.2g)を得た。これを熱トルエン(400ml)に溶かしてろ別し、パラジウム黒を除いた。ろ液を濃縮して赤褐色固体(0.8g,53%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.08(2H,t,J=7Hz),7.18−7.35(9H,m),7.441H,t,J=7Hz),7.51(1H,t,J=7Hz),7.89(1H,d,J=2Hz),7.95(1H,d,J=8Hz),8.05(1H,d,J=8Hz),8.09(1H,d,J=8Hz),8.13(1H,d,J=7Hz),8.40(2H,t,J=4Hz),8.46(1H,d,J=8Hz),8.50(1H,s),8.57(1H,s).
FDMS,計算値C4023N=517、実測値m/z=517(M+,100)
HPLC,98.2%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(0.79g)を320℃/3.3x10-4Paで昇華精製することにより赤色固体(0.71g)を得た。
HPLC,98.5%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、513nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、548nm
〔製造例8〕
以下の合成経路で、下記インデノピレン化合物Hを製造した。
Figure 0005513386
中間体H1の合成
窒素雰囲気下、2,5−ジクロロフェニルボロン酸(2.6g,14mmol,1.2eq.)、中間体F3(4.0g,11mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.38g,0.33mmol,3%Pd)を1,2−ジメトキシエタン(90ml)に懸濁し、2M炭酸ナトリウム水溶液(4.5g,42mmol,3eq./20ml)を加えて10時間還流した。反応混合物にトルエン(200ml)と水(50ml)を加え、有機層を分取し、有機層を飽和食塩水(50ml)で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥、溶媒留去して黄色オイルを得た。これをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+17%ジクロロメタン)で精製して黄色固体(4.1g,89%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.41−7.48(3H,m),7.55−7.58(2H,m),7.73(1H,d,J=9Hz),7.98(1H,d,J=6Hz),8.03(2H,t,J=8Hz),8.11(1H,d,J=6Hz),8.23(1H,d,J=8Hz),8.25(1H,s),8.39(1H,d,J=8Hz),8.55(1H,s)
中間体H2の合成
窒素雰囲気下、中間体H1(4.1g,9.7mmol)、ジフェニルアミン(2.0g,12mmol,1.1eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.13g,0.14mmol,5%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.07ml,0.23mmol,0.8eq.toPd)、ナトリウムt−ブトキシド(1.3g,14mmol,1.4eq.)、を無水トルエン(30ml)に懸濁し、11時間還流した。反応混合物をシリカゲルパッドを通してろ別し、トルエン(200ml)で洗浄した。ろ液から溶媒留去して得られた赤色オイルをカラムクロマトグラフィ(シリカゲル/ヘキサン+33%ジクロロメタン)で精製して橙色固体(3.0g,56%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.01(2H,t,J=7Hz),7.15−7.29(10H,m),7.39−7.45(2H,m),7.47(1H,d,J=9Hz),7.83(1H,d,J=9Hz),7.97−8.03(3H,m),8.09(1H,d,J=6Hz),8.21(1H,d,J=8Hz),8.27(1H,s),8.37(1H,d,J=8Hz),8.53(1H,s)
インデノピレン化合物H(以下化合物Hと省略することがある)の合成
窒素雰囲気下、中間体H2(3.0g,2.9mmol)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(1.2g,7.9mmol,1.5eq.)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(0.25g,0.27mmol,10%Pd)、トリt−ブチルホスフィン/トルエン溶液(66wt%,0.25ml,0.82mmol,1.5eq.toPd)を無水DMF(20ml)に懸濁し、140℃で10時間撹拌した。反応混合物をトルエン(100ml)で希釈し、固体をろ別して赤褐色固体(1.5g)を得た。これをトルエン(120ml)から再結晶して赤色固体(1.1g,39%)を得た。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,TMS)δ7.10−7.18(4H,m),7.29(4H,d,J=7Hz),7.36(4H,t,J=7Hz),7.39(1H,t,J=7Hz),7.50(1H,t,J=7Hz),7.76(1H,d,J=2Hz),7.90(2H,d,J=8Hz),7.99(1H,t,J=8Hz),8.01(1H,d,J=7Hz),8.15(1H,s),8.18(1H,s),8.22(1H,s),8.29(1H,dd,J=8Hz,2Hz)
FDMS,計算値C4023N=517、実測値m/z=517(M+,100)
HPLC,98.2%(UV254,面積%)
上記の方法で得られた固体(1.1g)を320℃/6.3x10-4Paで昇華精製することにより橙色固体(0.9g)を得た。
HPLC,98.4%(UV254,面積%)
吸収極大波長(CH2Cl2)、453nm
蛍光極大波長(CH2Cl2)、614nm
(実施例11)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Dへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第2表に示す。
(実施例12)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Eへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第2表に示す。
(実施例13)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Fへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第2表に示す。
(実施例14)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Gへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第2表に示す。
(実施例15)
実施例1のインデノピレン化合物Aをインデノピレン化合物Hへ変更した以外は実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の性能を第2表に示す。
Figure 0005513386
比較例との対比で分かるように、実施例の有機薄膜太陽電池においては、変換効率が向上しており、優れた太陽電池特性を有している。
本発明のインデノピレン化合物は、有機エレクトロニクス材料、例えば有機エレクトロルミネセンス材料、有機半導体材料、有機電界効果トランジスタ材料、有機太陽電池材料などとして利用可能である。

Claims (6)

  1. 下記一般式(I)
    Figure 0005513386
    (式中、R1〜R12はそれぞれ独立に、水素原子、または炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基、炭素数3〜40の置換もしくは無置換のヘテロアリール基、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルコキシ基、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリールオキシ基、または下記一般式(II)で表されるアミノ基を表し、 2 、R 3 、R 6 およびR 9 から選ばれる少なくとも1つは、一般式(II)で表されるアミノ基である。また、R 6 が一般式(II)で表されるアミノ基ではない場合、R 6 とR 7 は互いに結合して環を形成してもよい。
    で表されるインデノピレン化合物。
    Figure 0005513386
    (式中、R 13 およびR 14 はそれぞれ独立に、炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基を表す。)
  2. 上記一般式(I)において、一般式(II)で表されるアミノ基以外のR1〜R12が、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルキル基、または炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリール基である、請求項1に記載のインデノピレン化合物。
  3. 上記一般式(I)において、一般式(II)で表されるアミノ基以外のR1〜R12が水素原子である、請求項に記載のインデノピレン化合物。
  4. 請求項1〜のいずれかに記載のインデノピレン化合物からなる有機薄膜太陽電池用材料。
  5. 一対の電極の間に少なくともp層(正孔輸送層)を有し、該p層が請求項に記載の有機薄膜電池用材料を含有する有機薄膜太陽電池。
  6. 請求項に記載の有機薄膜太陽電池を具備する装置。
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JPN6009022812; Masahiro MINABE, Norio SHIBUYA: 'Nitration of Indeno[1,2,3-cd]pyrene and Mutagenic Activities of Related Compounds' Chemical Research in Toxicology Vol.2, No.6, 1989, p.357-358 *

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