JP5643735B2 - Organic thin film solar cell, organic semiconductor polymer and organic semiconductor material composition used therefor - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜太陽電池、これに用いられる有機半導体ポリマーおよび有機半導体材料用組成物に関する。 The present invention relates to an organic thin film solar cell, an organic semiconductor polymer used for the organic thin film solar cell, and a composition for an organic semiconductor material.
有機半導体ポリマーは、有機エレクトロニクス分野において近年盛んに研究が行われている。例えば、電気を流すと発光する有機エレクトロルミネッセンス素子、光照射で発電する有機光電変換素子、電流量や電圧量を制御する有機薄膜トランジスタ素子等に使用されている。このような素子では、無機半導体材料と同様、電子供与材料であるp型導電性・半導体材料と電子受容材料であるn型導電性・半導体材料を組み合わせた有機半導体材料が使用される。
近年、石油等の化石エネルギーでは大気中への二酸化炭素を放出することから、温暖化抑制による地球環境保全のため、太陽電池への需要が高まっている。有機光電変換素子を使用する有機太陽電池には、湿式である色素増感太陽電池(グレッツェルセル)と全固形型である有機薄膜太陽電池が知られている。後者は電解液を使用しないため、この電解液の蒸発や液漏れを考慮する必要がなく、柔軟性をもたせることが可能であり、太陽電池の構造や製造が前者より簡便となる。
In recent years, organic semiconductor polymers have been actively studied in the field of organic electronics. For example, it is used for an organic electroluminescence element that emits light when electricity is passed, an organic photoelectric conversion element that generates power by light irradiation, an organic thin film transistor element that controls the amount of current and voltage, and the like. In such an element, an organic semiconductor material in which a p-type conductivity / semiconductor material as an electron donating material and an n-type conductivity / semiconductor material as an electron-accepting material are combined is used as in the case of the inorganic semiconductor material.
In recent years, since fossil energy such as petroleum releases carbon dioxide into the atmosphere, demand for solar cells is increasing in order to protect the global environment by suppressing global warming. Known organic solar cells using organic photoelectric conversion elements include wet-type dye-sensitized solar cells (Gretzel cells) and all-solid-state organic thin-film solar cells. Since the latter does not use an electrolytic solution, it is not necessary to consider the evaporation and leakage of the electrolytic solution, and it is possible to provide flexibility, and the structure and production of the solar cell becomes simpler than the former.
しかしながら、有機薄膜太陽電池の光電変換効率はいまだ不十分である。光電変換効率は短絡電流(Jsc)×開放電圧(Voc)×曲線因子(FF)で算出されるが、この効率を高めるためには、短絡電流の向上に加え、開放電圧の向上も必要となる。短絡電流の向上には、高い溶解性とキャリア移動性の有機半導体材料(例えば、フルオレン構造やシラフルオレン構造の化合物)を使用すること、また、開放電圧はp型導電性・半導体材料のHOMO準位とn型導電性・半導体材料のLUMO準位との差分と関係しているといわれており、この差分を大きくすると開放電圧は向上する。さらに、有機太陽電池の場合、効率を向上させるためには太陽光のより長い波長領域(650〜800nm)から多くの光を吸収するのが効率的である。このため、狭いバンドギャップ化が望まれている。有機エレクトロルミネッセンス素子の場合、発光効率、すなわち有機エレクトロルミネッセンス照明の電力効率のさらなる向上が期待されている。
一方、電子供与材料であるp型導電性・半導体材料としての有機半導体ポリマーの研究は盛んに行なわれている。例えば、特許文献1では特定のシクロペンタジチアゾール構造のポリマーが提案されている。
However, the photoelectric conversion efficiency of the organic thin film solar cell is still insufficient. The photoelectric conversion efficiency is calculated by short circuit current (Jsc) × open circuit voltage (Voc) × fill factor (FF). In order to increase this efficiency, it is necessary to improve the open circuit voltage in addition to the short circuit current. . In order to improve the short-circuit current, organic semiconductor materials with high solubility and carrier mobility (for example, compounds having a fluorene structure or a silafluorene structure) should be used, and the open circuit voltage is HOMO level of p-type conductive / semiconductor materials. It is said that this is related to the difference between the level and the LUMO level of the n-type conductive / semiconductor material. Increasing this difference increases the open circuit voltage. Furthermore, in the case of an organic solar cell, in order to improve efficiency, it is efficient to absorb a lot of light from a longer wavelength region (650 to 800 nm) of sunlight. For this reason, a narrow band gap is desired. In the case of an organic electroluminescence element, further improvement in luminous efficiency, that is, power efficiency of organic electroluminescence illumination is expected.
On the other hand, research on organic semiconductor polymers as p-type conductive / semiconductor materials, which are electron donating materials, has been actively conducted. For example, Patent Document 1 proposes a polymer having a specific cyclopentadithiazole structure.
前記特許文献1の化学物は有機半導体ポリマーとして有用であったとしても、本発明者の確認によると、有機薄膜太陽電池に用いたときその性能は必ずしも十分でなく(後記比較例参照)、さらなる性能の向上が望まれた。 Even if the chemical substance of Patent Document 1 is useful as an organic semiconductor polymer, according to the present inventors' confirmation, its performance is not always sufficient when used in an organic thin film solar cell (see Comparative Examples below). Improvement in performance was desired.
本発明は、光電変換効率及び耐久性(特に酸素存在下での耐久性)に優れ、しかもセルサイズを大きくしても光電変換効率の低下が少ない有機薄膜太陽電池の提供を目的とする。さらに本発明は、上記太陽電池等に用いられる半導体材料として有用な組成物及びポリマーの提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide an organic thin-film solar cell that is excellent in photoelectric conversion efficiency and durability (particularly durability in the presence of oxygen), and has a small decrease in photoelectric conversion efficiency even when the cell size is increased. Furthermore, an object of the present invention is to provide a composition and a polymer useful as a semiconductor material used for the solar cell and the like.
前記の課題は以下の手段により達成できた。 The above-mentioned subject has been achieved by the following means.
(1)第一の電極と、第二の電極と、その間に配置された光電変換層とを具備する有機薄膜太陽電池であって、前記光電変換層に、下記式(I)で表される構造単位を有するポリマーを含有させた有機薄膜太陽電池。 (1) An organic thin-film solar cell comprising a first electrode, a second electrode, and a photoelectric conversion layer disposed therebetween, wherein the photoelectric conversion layer is represented by the following formula (I) An organic thin film solar cell containing a polymer having a structural unit.
(2)前記ポリマーが共重合体である(1)に記載の有機薄膜太陽電池。
(3)前記ポリマーの置換基R1及びR2ハメットの置換基定数σp値の合計が0以上1.3以下である(1)又は(2)に記載の有機薄膜太陽電池。
(4)前記式(I)で表されるポリマーをp型有機半導体ポリマーとして用い、前記光電変換層にさらにn型有機半導体化合物を含有させた(1)〜(3)のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
(5)前記n型有機半導体化合物が、フラーレンもしくはその誘導体である(4)に記載の有機薄膜太陽電池。
(6)前記フラーレンもしくはその誘導体が、フェニル−C61−酪酸エステル、ジフェニル−C62−ビス(酪酸エステル)、フェニル−C71−酪酸エステル、フェニル−C85−酪酸エステルまたはチエニル−C61−酪酸エステルである(5)に記載の有機薄膜太陽電池。
(7)前記第一の電極と前記光電変換層との間にホール輸送層を有する(1)〜(6)のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
(8)前記第二の電極と前記光電変換層との間に電子輸送層を有する(1)〜(7)のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
(9)前記第一の電極が透明電極である(1)〜(8)のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
(10)前記第二の電極が金属電極である(1)〜(9)のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
(11)下記式(I’)で表される構造単位を有するポリマー。
(2) The organic thin film solar cell according to (1), wherein the polymer is a copolymer.
(3) The organic thin film solar cell according to (1) or (2), wherein the sum of substituent constants σp values of substituents R 1 and R 2 Hammett of the polymer is 0 or more and 1.3 or less.
(4) In any one of (1) to (3), the polymer represented by the formula (I) is used as a p-type organic semiconductor polymer, and the photoelectric conversion layer further contains an n-type organic semiconductor compound. The organic thin film solar cell described.
(5) The organic thin film solar cell according to (4), wherein the n-type organic semiconductor compound is fullerene or a derivative thereof.
(6) the fullerene or its derivatives, phenyl -C 61 - butyric acid ester, diphenyl -C 62 - bis (butyrate), phenyl -C 71 - butyrate, phenyl -C 85 - acid ester or thienyl -C 61 - The organic thin-film solar cell according to (5), which is a butyric acid ester.
(7) The organic thin-film solar cell according to any one of (1) to (6), wherein a hole transport layer is provided between the first electrode and the photoelectric conversion layer.
(8) The organic thin-film solar cell according to any one of (1) to (7), having an electron transport layer between the second electrode and the photoelectric conversion layer.
(9) The organic thin-film solar cell according to any one of (1) to (8), wherein the first electrode is a transparent electrode.
(10) The organic thin film solar cell according to any one of (1) to (9), wherein the second electrode is a metal electrode.
(11) A polymer having a structural unit represented by the following formula ( I ′ ).
(12)下記式(I)で表される構造単位と下記式(II−1)、(II−5)または(IIA)で表される構造単位を有するか、または下記ex−6で表される共重合体であるポリマー。
(13)前記共重合体が、下記ex−3、ex−5または前記ex−6で表される請求項12に記載のポリマー。
(14)下記式(I)で表される構造単位を有するポリマーとフラーレンもしくはその誘導体とを含有する有機半導体材料用組成物。
(12) It has a structural unit represented by the following formula (I) and a structural unit represented by the following formula (II-1), (II-5) or (IIA), or represented by the following ex-6 A polymer that is a copolymer.
(13) The polymer according to
(14) A composition for an organic semiconductor material comprising a polymer having a structural unit represented by the following formula (I) and fullerene or a derivative thereof.
本発明の有機薄膜太陽電池は、光電変換効率、耐久性(特に酸素存在下での耐久性)に優れる。さらに、必要によりセルサイズを大きくした場合においても光電変換効率の低下が少ないという優れた効果を奏する。また、本発明のポリマー及びこれを含む組成物は新規であり、かつ前記太陽電池等に用いられる半導体材料として有用である。 The organic thin-film solar cell of the present invention is excellent in photoelectric conversion efficiency and durability (particularly durability in the presence of oxygen). Furthermore, even when the cell size is increased as necessary, there is an excellent effect that the decrease in photoelectric conversion efficiency is small. In addition, the polymer of the present invention and a composition containing the polymer are novel and useful as a semiconductor material used in the solar cell and the like.
本発明者等は、有機薄膜太陽電池の光電変換の効率の向上や耐久性の向上のために、そこに適用される、n型の有機半導体ポリマーのHOMO準位に着目した。そのポリマー構造の化合物を種々検討することにより、有機半導体ポリマーのHOMO準位が太陽電池のVoc(開放電圧)と関係し、このHOMO準位が低いほどVocが向上すること、また、有機半導体ポリマーは一般的に酸化され劣化しやすい傾向にあるが、そのエネルギー準位を低くすることで、大気中の酸素等による酸化安定性が向上することを確認した。一方、変換効率を維持するためにLUMOのエネルギー準位も低く抑え、さらに狭いバンドギャップを維持すれば吸収波長の長波化及び耐久性の向上を同時に達成できると考えた。本発明者らは、上記の着想を基にこれを達成するポリマーを探索し、これを突き止め、有機薄膜太陽電池の光電変換層に組み込むことで本発明を完成するに至った。以下、本発明について詳細に説明する The present inventors paid attention to the HOMO level of an n-type organic semiconductor polymer applied thereto in order to improve the photoelectric conversion efficiency and durability of the organic thin film solar cell. By examining various compounds of the polymer structure, the HOMO level of the organic semiconductor polymer is related to the Voc (open voltage) of the solar cell, and the lower the HOMO level, the higher the Voc is. In general, it tends to be oxidized and easily deteriorated, but it was confirmed that lowering its energy level improves the oxidation stability due to oxygen in the atmosphere. On the other hand, it was thought that if the energy level of LUMO was kept low to maintain the conversion efficiency and the narrow band gap was maintained, it was possible to simultaneously achieve longer absorption wavelength and improved durability. Based on the above idea, the present inventors searched for a polymer that achieves this, ascertained this, and incorporated it into the photoelectric conversion layer of an organic thin film solar cell, thereby completing the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<有機薄膜太陽電池>
図1は、本発明の有機薄膜太陽電池の一例を模式的に示した側面図である。本実施形態の太陽電池10は、下記式(I)で表されるポリマーを含む光電変換層(バルクへテロ結合層)3を具備する。有機薄膜太陽電池は、一般に、p−i−n三層構造を有するp−i−n接合型有機薄膜太陽電池とバルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池に分類され、本発明においてはそのいずれでも構わない。高い発電効率が容易に得られることから、図1に示したようなバルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池に特に好ましく適用される。
<Organic thin film solar cell>
FIG. 1 is a side view schematically showing an example of the organic thin film solar cell of the present invention. The
本実施形態の有機薄膜太陽電池においては、光電変換層3を前記特定のポリマーからなり電子供与化合物であるp型半導体相と、電子受容化合物であるn型半導体相で構成している。この光電変換層3は、第一の電極11と第二の電極12の間に設けられる。本発明においては、第一の電極と光電変換層の間にホール輸送層21を設けるのが好ましく、また第二の電極と光電変換層の間に電子輸送層22を設けることが好ましい。これらのホール輸送層や電子輸送層を設けることにより、光電変換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。なお、本実施形態の太陽電池においてその上下の区別は特に重要ではないが、便宜的に必要により、第1電極11側を「上」もしくは「天」側と位置づけ、第2電極12側を「下」もしくは「底」側と位置づける。
In the organic thin film solar cell of this embodiment, the
光電変換層においては前記のようにp型半導体相とn型半導体相とが特有の形態で混在し、その界面で光電変換が行われる。その形態は特に限定されないが、理想的な例として挙げると、図示したもののように櫛歯状に互いの相がナノメートルオーダーで入り込んだ状態が好ましい。このような形態を効果的に作出できるよう、p型半導体ポリマーにはn型半導体ポリマーとの特有の相溶性あるいは非相溶があることが好ましい。またp型半導体となる材料は固有の物性のみで定まるものではなく、n型半導体となる材料との相対的な関係で特定されるものである。例えば、n型半導体材料として代表的なフラーレンを例にとれば、これよりも電子供与性が高いものがp型半導体材料となりうる。下記式(I)で表されるポリマーによれば、上記の要求を好的に満足することができる。 In the photoelectric conversion layer, the p-type semiconductor phase and the n-type semiconductor phase are mixed in a specific form as described above, and photoelectric conversion is performed at the interface. The form is not particularly limited, but as an ideal example, a state in which the phases are interdigitated in the order of nanometers as illustrated is preferable. In order to effectively create such a form, the p-type semiconductor polymer preferably has a specific compatibility or incompatibility with the n-type semiconductor polymer. The material that becomes the p-type semiconductor is not determined only by the specific physical properties, but is specified by the relative relationship with the material that becomes the n-type semiconductor. For example, when a typical fullerene is taken as an example of an n-type semiconductor material, a p-type semiconductor material can have a higher electron donating property. According to the polymer represented by the following formula (I), the above requirements can be satisfied satisfactorily.
<式(I)で表される構造単位を有するポリマー>
本発明においては、式(I)で表される構造単位を有するポリマーを用いる。
<Polymer having structural unit represented by formula (I)>
In the present invention, a polymer having a structural unit represented by the formula (I) is used.
・X1、X2
式中、X1、X2は各々、NまたはCR3を表す。但しX1およびX2の少なくとも一方はNである。R3は水素原子又は置換基を表す。好ましい置換基としては、後記置換基Tの例が挙げられる。
· X 1, X 2
In the formula, each of X 1 and X 2 represents N or CR 3 . However, at least one of X 1 and X 2 is N. R 3 represents a hydrogen atom or a substituent. Preferred examples of the substituent include examples of the substituent T described later.
・Z1、Z2
Z1、Z2は各々、SまたはSiを表す。但しZ1およびZ2の少なくとも一方はSである。
・ Z 1 , Z 2
Z 1 and Z 2 each represent S or Si. However, at least one of Z 1 and Z 2 is S.
・R1、R2
R1、R2は各々、1価の置換基を表す。R1、R2は互いに結合して環を形成してもよい。この環は飽和及び不飽和のどちらでもよく、炭素原子からなる脂肪族環であっても芳香族環であっても、脂肪族ヘテロ環ないし芳香族ヘテロ環であってもよい。
・ R 1 , R 2
R 1 and R 2 each represent a monovalent substituent. R 1 and R 2 may combine with each other to form a ring. This ring may be either saturated or unsaturated, and may be an aliphatic ring composed of carbon atoms, an aromatic ring, an aliphatic heterocyclic ring or an aromatic heterocyclic ring.
本発明においては、R1、R2のハメットの置換基定数σp値の合計が0以上1.3以下である場合が好ましい。
ハメットの置換基定数σ値について説明する。ハメット則は、ベンゼン誘導体の反応又は平衡に及ぼす置換基の影響を定量的に論ずるために1935年L.P.Hammettにより提唱された経験則であるが、これは今日広く妥当性が認められている。ハメット則に求められた置換基定数にはσp値とσm値があり、これらの値は多くの一般的な成書に見出すことができる。例えば、J.A.Dean編、「Lange’s Handbook of Chemistry」第12版,1979年(McGraw−Hill)や「化学の領域」増刊,122号,96〜103頁,1979年(南光堂)、Chem.Rev.,1991年,91巻,165〜195ページなどに詳しい。本発明におけるハメットの置換基定数σp値の合計が0以上1.3以下の置換基の組みとは、適度な電子求引性を示す組み合わせであることを示している。
σp値の合計(Σσp)としては、0以上1.2以下がより好ましく、0以上0.9以下であることがさらに好ましく、0.1以上0.7以下であることがさらに好ましく、0.25以上0.6以下であることが特に好ましい。
In the present invention, it is preferable that the sum of Hammett's substituent constant σp values of R 1 and R 2 is 0 or more and 1.3 or less.
Hammett's substituent constant σ value will be described. Hammett's rule is a method described in 1935 by L. E. in order to quantitatively discuss the effect of substituents on the reaction or equilibrium of benzene derivatives. P. A rule of thumb proposed by Hammett, which is widely accepted today. Substituent constants determined by Hammett's rule include σp value and σm value, and these values can be found in many general books. For example, J. et al. A. Dean, “Lange's Handbook of Chemistry”, 12th edition, 1979 (McGraw-Hill), “Areas of Chemistry”, No. 122, 96-103, 1979 (Nankodo), Chem. Rev. 1991, 91, 165-195. The combination of substituents having a total Hammett's substituent constant σp value of 0 or more and 1.3 or less in the present invention indicates a combination exhibiting moderate electron withdrawing properties.
The total σp value (Σσp) is more preferably 0 or more and 1.2 or less, further preferably 0 or more and 0.9 or less, further preferably 0.1 or more and 0.7 or less, and It is particularly preferably 25 or more and 0.6 or less.
ハメットの置換基定数σp値の合計が0以上1以下の置換基の組み合わせ例としては、アルコキシカルボニル基(−COOCH3)とエチル基(0.45+(−0.15)=0.30)、シアノ基とメチル基(0.66+(−0.17)=0.49)、アルキルスルホニル基(−SO2CH3)と水素原子(0.72+0=0.72)、アルコキシカルボニル基とアルコキシカルボニル基(0.45+0.45=0.90)、アルキルカルボニル基(−CO CH3)とアルキルカルボニル基(0.50+0.50=1.00)などが挙げられる。なお、括弧内の値は代表的な置換基のσp値をChem.Rev.,1991年,91巻,165〜195ページから抜粋したものである。また、σp値が記載されてない置換基においては、同様の性質を有する類似の置換基の値から推定することができる。例えば、n−オクチル基の値は上記文献に記載されてないが、記載があるメチル基(−0.17)とエチル基(−0.15)から、およそ−0.15であると推定できる。 Examples of combinations of substituents having a total Hammett's substituent constant σp value of 0 or more and 1 or less include an alkoxycarbonyl group (—COOCH 3 ) and an ethyl group (0.45 + (− 0.15) = 0.30), Cyano group and methyl group (0.66 + (− 0.17) = 0.49), alkylsulfonyl group (—SO 2 CH 3 ) and hydrogen atom (0.72 + 0 = 0.72), alkoxycarbonyl group and alkoxycarbonyl A group (0.45 + 0.45 = 0.90), an alkylcarbonyl group (—CO 2 CH 3 ), an alkylcarbonyl group (0.50 + 0.50 = 1.00), and the like. The values in parentheses are the σp values of typical substituents in Chem. Rev. 1991, Vol. 91, pp. 165-195. Moreover, in the substituent in which σp value is not described, it can be estimated from the value of a similar substituent having similar properties. For example, although the value of the n-octyl group is not described in the above-mentioned document, it can be estimated that it is approximately −0.15 from the methyl group (−0.17) and ethyl group (−0.15) described. .
R1とR2が互いに結合して環を形成した場合、R1及びR2のσp値を規定することができないが、本発明においてはR1及びR2にそれぞれ環の部分構造が置換しているとみなして、環形成の場合のσp値を定義することとする。例えば1,3−インダンジオン環を形成している場合、R1とR2にそれぞれベンゾイル基が置換したものとして考える。 When R 1 and R 2 are bonded to each other to form a ring, the σp value of R 1 and R 2 cannot be defined. However, in the present invention, R 1 and R 2 are each substituted with a ring partial structure. Σp value in the case of ring formation is defined. For example, when a 1,3-indandione ring is formed, it is considered that R 1 and R 2 are each substituted with a benzoyl group.
R1、R2として好ましくは、水素原子、ハロゲン、炭素数1〜20のアルキル基、シアノ基、炭素数2〜21のアルコキシカルボニル基、炭素数1〜20のアルキルスルホニル基、炭素数2〜21のアルキルカルボニル基、アミノカルボニル基、炭素数2〜21のアルキルアミノカルボニル基、炭素数3〜41のジアルキルアミノカルボニル基、アミノスルホニル基、炭素数1〜20のアルキルアミノスルホニル基、炭素数2〜40のジアルキルアミノスルホニル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜22のアリール基、炭素数1〜20のヘテロアリール基が挙げられる。これらはさらに置換基を有していてもよく、不飽和結合が存在してもよい。
より好ましくは、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、シアノ基、炭素数2〜21のアルコキシカルボニル基、炭素数1〜20のアルキルスルホニル基、炭素数2〜21のアルキルカルボニル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜22のアリール基、炭素数1〜20のヘテロアリール基である。水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、シアノ基、炭素数2〜21のアルコキシカルボニル基、炭素数1〜20のアルキルスルホニル基、炭素数2〜21のアルキルカルボニル基、炭素数6〜22のアリール基がさらに好ましい。水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、シアノ基、炭素数2〜21のアルコキシカルボニル基、炭素数1〜20のアルキルスルホニル基が特に好ましい。
R 1 and R 2 are preferably a hydrogen atom, halogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, an alkoxycarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, an alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, or 2 to 2 carbon atoms. 21 alkylcarbonyl groups, aminocarbonyl groups, C2-C21 alkylaminocarbonyl groups, C3-C41 dialkylaminocarbonyl groups, aminosulfonyl groups, C1-20 alkylaminosulfonyl groups, C2 -40 dialkylaminosulfonyl group, a C1-C20 alkoxy group, a C6-C22 aryl group, and a C1-C20 heteroaryl group are mentioned. These may further have a substituent and may have an unsaturated bond.
More preferably, a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, an alkoxycarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, an alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylcarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, carbon These are an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 22 carbon atoms, and a heteroaryl group having 1 to 20 carbon atoms. Hydrogen atom, alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, cyano group, alkoxycarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, alkylcarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, 6 to 22 carbon atoms The aryl group is more preferable. A hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, an alkoxycarbonyl group having 2 to 21 carbon atoms, and an alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms are particularly preferable.
・共重合成分
本発明に用いられる前記ポリマーは前記式(I)で表される構造単位からなるホモポリマーであることが好ましいが、他の共重合成分を有するコポリマーであってもよい。共重合成分としては、シラシクロペンタジチオフェン構造単位、シクロペンタジチアゾール構造単位、ベンゾチアジアゾール構造単位、チアジアゾロキノキサリン構造単位、シクロペンタジチオフェン構造単位、酸化シクロペンタジチオフェン構造単位、ベンゾイソチアゾール構造単位、ベンゾチアゾール構造単位、酸化チオフェン構造単位、チエノチオフェン構造単位、酸化チエノチオフェン構造単位、ジチエノチオフェン構造単位、酸化ジチエノチオフェン構造単位、テトラヒドロイソインドール構造単位、フルオレン構造単位、フルオレノン構造単位、チアゾール構造単位、セレノフェンもしくはチオフェン構造単位、シロール構造単位、チアゾロチアゾール部分、チエノチオフェン構造単位、ナフトチアジアゾール構造単位、チエノピラジン構造単位、オキサゾール構造単位、イミダゾール構造単位、ピリミジン構造単位、ベンゾオキサゾール構造単位、ベンゾイミダゾール構造単位、チエノチアゾール構造単位およびシクロペンタジピリジン構造単位が挙げられる。共重合様式は特に限定されないが、モノマーが2成分であるときは交互共重合体となることが好ましい。
-Copolymerization component The polymer used in the present invention is preferably a homopolymer comprising the structural unit represented by the formula (I), but may be a copolymer having other copolymerization components. The copolymer components include silacyclopentadithiophene structural unit, cyclopentadithiazole structural unit, benzothiadiazole structural unit, thiadiazoloquinoxaline structural unit, cyclopentadithiophene structural unit, oxidized cyclopentadithiophene structural unit, benzoiso Thiazole structural unit, benzothiazole structural unit, thiophene oxide structural unit, thienothiophene structural unit, oxidized thienothiophene structural unit, dithienothiophene structural unit, oxidized dithienothiophene structural unit, tetrahydroisoindole structural unit, fluorene structural unit, fluorenone structure Unit, thiazole structural unit, selenophene or thiophene structural unit, silole structural unit, thiazolothiazole moiety, thienothiophene structural unit, naphthothiadiazole structural unit, thieno Rajin structural units, oxazole structural unit having an imidazole structure unit, pyrimidine structural units, benzoxazole structural units, benzimidazole structural units include thienothiazole structural units and cyclopentadienyl pyridine structural units. The copolymerization mode is not particularly limited, but when the monomer is a two-component, it is preferably an alternating copolymer.
これらの構造単位は、好ましくは、さらに下記式(II−1)〜(II−7)で表されるものが好ましい。 These structural units are preferably those represented by the following formulas (II-1) to (II-7).
式中、XaはC(Ra)2、Si(Ra)2、S、Se、SO、SO2、又はCOを表す。XbはNH又はOを表す。XcはCRa又はNを表す。Raは水素原子又は置換基を表し、互いに連結してあるいは縮環して環を形成していてもよい。なお、1つの記号で複数の置換基を表示するとき、それらは各々異なっていてもよい。また、置換基Raが縮環して芳香族環もしくは芳香族複素環を構成するとき、上記で示した共鳴構造と異なる構造をとっていてもよい。Raが置換基をあらわす場合、Raとしては後記置換基Tが挙げられ、好ましい範囲も同じである。 In the formula, Xa represents C (Ra) 2 , Si (Ra) 2 , S, Se, SO, SO 2 , or CO. Xb represents NH or O. Xc represents CRa or N. Ra represents a hydrogen atom or a substituent, and may be connected to each other or condensed to form a ring. When a plurality of substituents are indicated by one symbol, they may be different from each other. Further, when the substituent Ra is condensed to form an aromatic ring or an aromatic heterocyclic ring, it may have a structure different from the resonance structure shown above. When Ra represents a substituent, examples of Ra include the substituent T described later, and the preferred range is also the same.
式(II)の構造単位は、好ましくは、さらに式(1)〜(36)表されるものである。 The structural unit of the formula (II) is preferably further represented by the formulas (1) to (36).
式(1)〜(36)において、R11〜R18は各々独立に、水素原子又は後記置換基Tが挙げられ、中でもハロゲン原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シアノ基、ヒドロキシル基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、およびアルキルもしくはアリールスルホニル基が好ましい。R13〜R17については、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基がさらに好ましい。それぞれの基の好ましいものとしては、後記置換基Tの例が挙げられる。 In the formulas (1) to (36), R 11 to R 18 each independently represents a hydrogen atom or a substituent T described later, among which a halogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkoxy group Group, aryloxy group, cyano group, hydroxyl group, acyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, and alkyl or arylsulfonyl group are preferred. R 13 to R 17 are more preferably a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkoxy group, or an aryloxy group. Preferable examples of each group include examples of the substituent T described later.
X2およびY1は各々独立に、CH2、OまたはSを表す。 X 2 and Y 1 each independently represent CH 2 , O or S.
Y2はSまたはSeを表す。 Y 2 represents S or Se.
これらの中でも、(1)、(2)、(3)、(12)、(14)、(20)、(22)、(25)、(27)、(35)表される構造単位および下記に示す式(IIA)で表される構造単位が好ましく、(1)、(20)、(25)で表される構造単位および下記に示す式(II)で表される構造単位がより好ましい。 Among these, structural units represented by (1), (2), (3), (12), (14), (20), (22), (25), (27), (35) and the following The structural unit represented by the formula (IIA) shown below is preferred, the structural unit represented by (1), (20), (25) and the structural unit represented by the following formula (II) are more preferred.
共重合成分の例として下記式(IIA)で表される構造単位も挙げられる。 Examples of the copolymer component include a structural unit represented by the following formula (IIA).
・Z 1 ’、Z2 ’
式中、Z 1 ’およびZ 2 ’は各々独立にS、O、SeまたはTeを表し、SまたはOがより好ましく、Sが最も好ましい。
・ Z 1 ′ , Z 2 ′
In the formula, Z 1 ′ and Z 2 ′ each independently represent S, O, Se or Te, S or O is more preferable, and S is most preferable.
・Y
YはC(R21)またはNを表す。
・ Y
Y represents C (R 21 ) or N.
・R、R21
RおよびR21はそれぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。RおよびR21における置換基としては、後記置換基Tの例が挙げられる。なかでも、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基および芳香族へテロ環基が有してもよい置換基が挙げられる。
・ R, R 21
R and R 21 each independently represents a hydrogen atom or a substituent. Examples of the substituent in R and R 21 include examples of the substituent T described later. Especially, the substituent which an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, and an aromatic heterocyclic group may have is mentioned.
Rは、好ましくは、アルキル基、−SOpX1、−CN、−NO2、−P(=O)(OR22)(OR23)または−C(R24)=C(CN)2であり、さらに好ましくは−SOpX1、−CN、−NO2、−P(=O)(OR22)(OR23)または−C(R24)=C(CN)2である。ここで、X1は水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、芳香族へテロ環基または−NR25(R26)を表す。R22〜R26は各々独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基または芳香族へテロ環基を表す。なお、R25とR26が互いに結合して環を形成してもよい。pは1または2を表す。pは2が好ましい。 R is preferably an alkyl group, —SO p X 1 , —CN, —NO 2 , —P (═O) (OR 22 ) (OR 23 ) or —C (R 24 ) ═C (CN) 2 There, more preferably -SO p X 1, -CN, -NO 2, a -P (= O) (oR 22 ) (oR 23) or -C (R 24) = C ( CN) 2. Here, X 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an aromatic heterocyclic group, or —NR 25 (R 26 ). R 22 to R 26 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or an aromatic heterocyclic group. R 25 and R 26 may be bonded to each other to form a ring. p represents 1 or 2. p is preferably 2.
R21〜R26におけるアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、芳香族へテロ環基は置換基Tにおけるアルキル基、シクロアルキル基、アリール基および芳香族へテロ環基と同義であり、好ましい範囲も同じである。 The alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, and aromatic heterocyclic group in R 21 to R 26 have the same meanings as the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, and aromatic heterocyclic group in the substituent T, and preferred ranges Is the same.
R21〜R26やX1は、得られたポリマー膜の熱安定性に優れることから、ビニル基やアリル基等の二重結合、アセチレン基、エポキシ基やオキセタン基などの環状エーテルを含まないものがより好ましい。 R 21 to R 26 and X 1 are excellent in thermal stability of the obtained polymer film, and thus do not contain a double bond such as a vinyl group or an allyl group, or a cyclic ether such as an acetylene group, an epoxy group or an oxetane group. More preferred.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(a)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (a) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4
式中、X1、X2、X3およびX4はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。したがって、X1とX2との間、X3とX4との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2、X3、X4の組合せとして選定される。
· X 1, X 2, X 3, X 4
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 each independently represent Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2 . One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 and between X 3 and X 4 is selected as a combination of X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 .
・A1、A2
A1およびA2はそれぞれ独立してCR、CR2、SiRa、SiRa 2、N、NRa、O、Sを表す。A1−A2の結合は単結合または二重結合を表す。
· A 1, A 2
A 1 and A 2 each independently represent CR, CR 2 , SiR a , SiR a 2 , N, NR a , O, or S. The bond of A 1 -A 2 represents a single bond or a double bond.
Rはそれぞれ独立して水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、芳香族ヘテロ環基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、アルコキシカルボニル基、アミノカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、アミノスルホニル基またはハロゲンを表す。Raはそれぞれ独立して水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基または芳香族ヘテロ環基を表す。同一原子に2つのRが結合している場合には、互いに結合して環を形成してもよく、同一原子を表して=O、=S、=CR2、=NRaとなってもよい。同一原子に2つのRaが結合している場合には、互いに結合して環を形成してもよい。異なる原子に結合したRまたはRaが互いに結合して環を形成してもよい。 R is independently a hydrogen atom, alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, aromatic heterocyclic group, hydroxy group, alkoxy group, aryloxy group, cyano group, amino group, nitro group, alkoxycarbonyl group, aminocarbonyl Represents a group, an alkylsulfonyl group, an arylsulfonyl group, an aminosulfonyl group or a halogen. R a each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or an aromatic heterocyclic group. When two R's are bonded to the same atom, they may be bonded to each other to form a ring, and may represent = O, = S, = CR 2 , = NR a representing the same atom. . When two R a are bonded to the same atom, they may be bonded to each other to form a ring. R or R a bonded to different atoms may be bonded to each other to form a ring.
以下に、式(a)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (a) are given below, but the present invention is not construed as being limited thereby.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(b)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (b) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4
式中、X1、X2、X3およびX4はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。したがって、X1とX2との間、X3とX4との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2、X3、X4の組合せとして選定される。
· X 1, X 2, X 3, X 4
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 each independently represent Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2 . One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 and between X 3 and X 4 is selected as a combination of X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 .
・A1、A2
A1およびA2はそれぞれ独立してCR、CR2、SiRa、SiRa 2、N、NRa、O、Sを表す。A1およびA2を含む6員環の各結合は単結合または二重結合を表す。
· A 1, A 2
A 1 and A 2 each independently represent CR, CR 2 , SiR a , SiR a 2 , N, NR a , O, or S. Each bond of the 6-membered ring including A 1 and A 2 represents a single bond or a double bond.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(b)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (b) are given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(c)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferred to use a copolymer component of the following formula (c) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4
式中、X1、X2、X3およびX4はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。したがって、X1とX2との間、X3とX4との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2、X3、X4の組合せとして選定される。
· X 1, X 2, X 3, X 4
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 each independently represent Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2 . One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 and between X 3 and X 4 is selected as a combination of X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 .
・A1
A1CR2、SiRa 2、NRa、O、Sを表す。
・A2、A3
A2およびA3はそれぞれ独立してCR、CR2、SiRa、SiRa 2、N、NRa、O、Sを表す。A2とA3の間の結合は単結合または二重結合を表す。
・ A 1
A 1 CR 2 , SiR a 2 , NR a , O, S are represented.
・ A 2 , A 3
A 2 and A 3 each independently represent CR, CR 2 , SiR a , SiR a 2 , N, NR a , O, or S. The bond between A 2 and A 3 represents a single bond or a double bond.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(c)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (c) are given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(d)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (d) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8
式中、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7およびX8はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1、X2、X3およびX4含む6員環およびX5、X6、X7およびX8を含む6員環の各結合は単結合または二重結合を表す。但し、X1、X2、X3およびX4のうち1つ、X5、X6、X7およびX8のうち1つは、それぞれ別の構造単位と結合するための単結合を有している。
· X 1, X 2, X 3, X 4, X 5, X 6,
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, represents CR or CR 2. Each bond of the 6-membered ring containing X 1 , X 2 , X 3 and X 4 and the 6-membered ring containing X 5 , X 6 , X 7 and X 8 represents a single bond or a double bond. However, one of X 1 , X 2 , X 3 and X 4 and one of X 5 , X 6 , X 7 and X 8 each have a single bond for bonding to another structural unit. ing.
・A
AはCR2、SiRa 2、NRa、O、Sを表す。
・ A
A represents CR 2 , SiR a 2 , NR a , O, or S.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(d)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (d) will be given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(e)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (e) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8
式中、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7およびX8はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1、X2、X3およびX4含む6員環およびX5、X6、X7およびX8を含む6員環の各結合は単結合または二重結合を表す。但し、X1、X2、X3およびX4のうち1つ、X5、X6、X7およびX8のうち1つは、それぞれ別の構造単位と結合するための単結合を有している。
· X 1, X 2, X 3, X 4, X 5, X 6,
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, represents CR or CR 2. Each bond of the 6-membered ring containing X 1 , X 2 , X 3 and X 4 and the 6-membered ring containing X 5 , X 6 , X 7 and X 8 represents a single bond or a double bond. However, one of X 1 , X 2 , X 3 and X 4 and one of X 5 , X 6 , X 7 and X 8 each have a single bond for bonding to another structural unit. ing.
・A1およびA2
A1およびA2はそれぞれ独立してCR2、SiRa 2、NRa、O、Sを表す。
A 1 and A 2
A 1 and A 2 each independently represent CR 2 , SiR a 2 , NR a , O, or S.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(c)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (c) are given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(e)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (e) are given below, but the present invention is not construed as being limited thereby.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(f)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (f) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
式中、X1、X2、X3およびX4はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。したがって、X1とX2との間、X3とX4との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2、X3、X4の組合せとして選定される。
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 each independently represent Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2 . One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 and between X 3 and X 4 is selected as a combination of X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 .
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(f)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (f) will be given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(g)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferred to use a copolymer component of the following formula (g) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4、X5、X6
式中、X1、X2、X3、X4、X5およびX6はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。X3、X4、X5およびX6を含む6員環の各結合は単結合または二重結合を表す。したがって、X1とX2との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2の組合せとして選定される。
· X 1, X 2, X 3, X 4, X 5, X 6
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 and X 6 are each independently Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2. Represents. One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Each bond of the 6-membered ring including X 3 , X 4 , X 5 and X 6 represents a single bond or a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 is selected as a combination of X 1 and X 2 .
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(g)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (g) will be given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
本発明においては、前記式(I)の構造単位を有するコポリマーに下記式(h)の共重合成分を用いることも好ましい。 In the present invention, it is also preferable to use a copolymer component of the following formula (h) for the copolymer having the structural unit of the formula (I).
・X1、X2、X3、X4
式中、X1、X2、X3およびX4はそれぞれ独立してSi、S、S=O、O、N、NRa、P、Se、Te、CRまたはCR2を表す。X1−CとC−X2の結合の組およびX3−CとC−X4の結合の組は、いずれか一方が単結合で他方が二重結合の組み合わせを表す。したがって、X1とX2との間、X3とX4との間に前記の関係が成立する原子(群)がX1、X2、X3、X4の組合せとして選定される。
· X 1, X 2, X 3, X 4
In the formula, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 each independently represent Si, S, S═O, O, N, NR a , P, Se, Te, CR or CR 2 . One of the bond set of X 1 -C and C—X 2 and the bond set of X 3 —C and C—X 4 represents a combination of one single bond and the other a double bond. Therefore, an atom (group) in which the above relationship is established between X 1 and X 2 and between X 3 and X 4 is selected as a combination of X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 .
・A1、A2
A1およびA2はそれぞれ独立してCR2、SiRa 2、NRa、O、Sを表す。
· A 1, A 2
A 1 and A 2 each independently represent CR 2 , SiR a 2 , NR a , O, or S.
R、Raは前記式(a)と同義である。 R and Ra are as defined in the above formula (a).
以下に、式(h)で表される構造単位の例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 Examples of the structural unit represented by the formula (h) will be given below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
前記式(I)の構造単位を含むホモポリマー及びコポリマーとして好ましいものを下記に例示するが、これにより本発明が限定して解釈されるものではない。 Preferred examples of the homopolymer and copolymer containing the structural unit of the formula (I) are shown below, but the present invention is not construed as being limited thereto.
R1、R2は前記式(I)と同義である。R3、R4としては、R1、R2の例が挙げられる。n、mは共重合比(モル比)を表す。 R 1 and R 2 are as defined in the above formula (I). Examples of R 3 and R 4 include R 1 and R 2 . n and m represent a copolymerization ratio (molar ratio).
本発明の式(I)で表される構造単位を有するポリマーは、カップリング反応、例えばChemical Reviews,2002年,102巻,1358ページなどに記載の方法を用いて合成することができる。すなわち、遷移金属触媒使用した、亜鉛反応剤を用いる根岸カップリング、スズ反応剤を用いる右田−小杉−Stilleカップリング、ホウ素反応剤を用いる鈴木−宮浦カップリング、マグネシウム反応剤を用いる熊田−玉尾−Corriuカップリング、ケイ素反応剤を用いる檜山カップリングなどのクロスカップリングや、銅を使用したUllmann反応、ニッケルを使用した山本重合などを利用して合成することができる。遷移金属触媒としては、パラジウム、ニッケル、銅、コバルト、鉄(Journal of the American Chemical Society,2007年,129巻,9844ページ記載)などの金属を使用することができる。また金属は配位子を有していても良く、PPh3、P(t−Bu)3などのリン配位子や、N−ヘテロサイクリックカルベン配位子(Angewandte Chemie International Edition,2002年,41巻,1290ページ記載)などが好ましく用いられる。原料となるスズ反応剤やホウ素反応剤などの金属反応剤は、Organic Synthesis Collective Volume,11巻,2009年,393ページ、同 9巻,1998年,553ページ、Tetrahedron,1997年,53巻,1925ページ、Journal of Organic Chemistry,1993年,58巻,904ページ、特開2005−290001号公報、特表2010−526853号公報などの記載を参考にして合成することができる。反応はMacromolecular Rapid Communications,2007年,28巻,387ページに記載されているようにマイクロウェーブ照射下でおこなってもよい。 The polymer having the structural unit represented by the formula (I) of the present invention can be synthesized using a coupling reaction, for example, a method described in Chemical Reviews, 2002, 102, 1358. That is, Negishi coupling using a zinc reagent using transition metal catalyst, Ueda-Kosugi-Stille coupling using tin reagent, Suzuki-Miyaura coupling using boron reagent, Kumada-Tamao using magnesium reagent -Corriu coupling, cross coupling such as Ulsan coupling using a silicon reagent, Ullmann reaction using copper, Yamamoto polymerization using nickel, etc. can be used for the synthesis. As the transition metal catalyst, metals such as palladium, nickel, copper, cobalt, and iron (described in Journal of the American Chemical Society, 2007, Vol. 129, page 9844) can be used. The metal may have a ligand, such as a phosphorus ligand such as PPh 3 or P (t-Bu) 3, or an N-heterocyclic carbene ligand (Angewandte Chemie International Edition, 2002, 41 and 1290 pages) are preferably used. Metal reactants such as tin reactant and boron reactant as raw materials are Organic Synthesis Collective Volume, 11, 2009, page 393, Vol. 9, 1998, page 553, Tetrahedron, 1997, 53, 1925. Page, Journal of Organic Chemistry, 1993, Vol. 58, page 904, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-290001, Japanese Translation of PCT International Publication No. 2010-526853, and the like. The reaction may be performed under microwave irradiation as described in Macromolecular Rapid Communications, 2007, 28, 387.
前記式(I)で表される構造単位を有するポリマーの分子量は特に限定されないが、重量平均分子量で5000〜500000が好ましく、10000〜100000がより好ましい。 Although the molecular weight of the polymer which has a structural unit represented by the said formula (I) is not specifically limited, 5000-500000 are preferable at a weight average molecular weight, and 10000-100,000 are more preferable.
分子量及び分散度は特に断らない限りGPC(ゲルろ過クロマトグラフィー)法を用いて測定した値とし、分子量はポリスチレン換算の重量平均分子量とする。GPC法に用いるカラムに充填されているゲルは芳香族化合物を繰り返し単位に持つゲルが好ましく、例えばスチレン−ジビニルベンゼン共重合体からなるゲルが挙げられる。カラムは2〜6本連結させて用いることが好ましい。用いる溶媒は、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、N−メチルピロリドンのアミド系溶媒、クロロホルム等のハロゲン系溶媒、1,2−ジクロロベンゼン等の芳香族系溶媒が挙げられる。測定は、溶媒の流速が0.1〜2mL/minの範囲で行うことが好ましく、0.5〜1.5mL/minの範囲で行うことが最も好ましい。この範囲内で測定を行うことで、装置に負荷がかからず、さらに効率的に測定ができる。測定温度は10〜50℃で行うことが好ましく、20〜40℃で行うことが最も好ましい。使用可能温度が高いカラムを用いて50℃〜200℃で測定をおこなうこともできる。なお、使用するカラム及びキャリアは測定対象となる高分子化合物の物性に応じて適宜選定することができる Unless otherwise specified, the molecular weight and the degree of dispersion are values measured using a GPC (gel filtration chromatography) method, and the molecular weight is a polystyrene-reduced weight average molecular weight. The gel packed in the column used in the GPC method is preferably a gel having an aromatic compound as a repeating unit, and examples thereof include a gel made of a styrene-divinylbenzene copolymer. It is preferable to use 2 to 6 columns connected together. Examples of the solvent used include ether solvents such as tetrahydrofuran, amide solvents of N-methylpyrrolidone, halogen solvents such as chloroform, and aromatic solvents such as 1,2-dichlorobenzene. The measurement is preferably performed at a solvent flow rate in the range of 0.1 to 2 mL / min, and most preferably in the range of 0.5 to 1.5 mL / min. By performing the measurement within this range, the apparatus is not loaded and the measurement can be performed more efficiently. The measurement temperature is preferably 10 to 50 ° C, most preferably 20 to 40 ° C. Measurement can also be performed at 50 ° C. to 200 ° C. using a column having a high usable temperature. The column and carrier to be used can be appropriately selected depending on the physical properties of the polymer compound to be measured.
本発明において式(I)表される構造単位を含むポリマーが共重合体であるとき、その共重合比は特に限定されないが、式(I)で表される構造単位がモル比で全体の10〜90モル%であることが好ましく、45〜55モル%であることが好ましい。
本発明の式(I)において、R1とR2、X1とX2、Z1とZ2のいずれかの組が互いに異なるものを表す場合、すなわち式(I)で表される構造単位が非対称である場合には、これを含むポリマーには結合様式の違いによる位置規則性が生じる。本発明では代表的な一つの結合様式のみを記載しているが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。
コポリマーはランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、周期的共重合体のいずれであってもよいが、交互共重合体または周期的共重合体であることが好ましく、交互共重合体であることがより好ましい。
In the present invention, when the polymer containing the structural unit represented by the formula (I) is a copolymer, the copolymerization ratio is not particularly limited, but the structural unit represented by the formula (I) is 10 in terms of molar ratio. It is preferable that it is -90 mol%, and it is preferable that it is 45-55 mol%.
In the formula (I) of the present invention, when any one of R 1 and R 2 , X 1 and X 2 , Z 1 and Z 2 represents different from each other, that is, the structural unit represented by the formula (I) When is asymmetric, the polymer containing it has regioregularity due to the difference in bonding mode. In the present invention, only one typical binding mode is described, but the present invention is not construed as being limited thereto.
The copolymer may be a random copolymer, an alternating copolymer, a block copolymer, or a periodic copolymer, but is preferably an alternating copolymer or a periodic copolymer. More preferably, it is a coalescence.
本明細書において化合物やポリマー(重合体)については、当該化合物やポリマーそのもののほか、その塩、錯体、そのイオンの状態にあるものを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、所定の形態で修飾された誘導体を含む意味である。また、本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基を含む)については、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物やポリマーについても同義である。好ましい置換基としては、下記置換基Tが挙げられる。 In the present specification, the term “compound” or “polymer” (polymer) is used to mean that the compound or polymer itself, its salt, complex, or its ionic state. Moreover, it is the meaning including the derivative modified with the predetermined form in the range with the desired effect. Further, in the present specification, a substituent (including a linking group) for which substitution / non-substitution is not specified means that the group may have an arbitrary substituent. This is also the same for compounds and polymers that do not specify substitution / non-substitution. Preferred substituents include the following substituent T.
置換基Tとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルホンアミド基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルホンアミド基、例えば、N,N−ジメチルスルホンアミド、N−フェニルスルホンアミド等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、シアノ基、又はハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基、シアノ基又はハロゲン原子であり、特に好ましくはアルキル基、アルケニル基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基又はシアノ基が挙げられる。
Examples of the substituent T include the following.
An alkyl group (preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as methyl, ethyl, isopropyl, t-butyl, pentyl, heptyl, 1-ethylpentyl, benzyl, 2-ethoxyethyl, 1-carboxymethyl, etc.), alkenyl A group (preferably an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, such as vinyl, allyl, oleyl, etc.), an alkynyl group (preferably an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, such as ethynyl, butadiynyl, phenylethynyl, etc.), A cycloalkyl group (preferably a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, such as cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, 4-methylcyclohexyl, etc.), an aryl group (preferably an aryl group having 6 to 26 carbon atoms, for example, Phenyl, 1-naphthyl, 4-methoxyphenyl, -Chlorophenyl, 3-methylphenyl, etc.), heterocyclic groups (preferably heterocyclic groups having 2 to 20 carbon atoms, such as 2-pyridyl, 4-pyridyl, 2-imidazolyl, 2-benzimidazolyl, 2-thiazolyl, 2 -Oxazolyl etc.), an alkoxy group (preferably an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, such as methoxy, ethoxy, isopropyloxy, benzyloxy etc.), an aryloxy group (preferably an aryloxy group having 6 to 26 carbon atoms) , For example, phenoxy, 1-naphthyloxy, 3-methylphenoxy, 4-methoxyphenoxy, etc.), alkoxycarbonyl groups (preferably C2-C20 alkoxycarbonyl groups such as ethoxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl, etc.) ), Amino group (preferably carbon Amino group having 0 to 20 children, such as amino, N, N-dimethylamino, N, N-diethylamino, N-ethylamino, anilino, etc.), sulfonamide group (preferably sulfonamide having 0 to 20 carbon atoms) A group such as N, N-dimethylsulfonamide, N-phenylsulfonamide, etc., an acyloxy group (preferably an acyloxy group having 1 to 20 carbon atoms such as acetyloxy, benzoyloxy, etc.), a carbamoyl group (preferably A carbamoyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as N, N-dimethylcarbamoyl, N-phenylcarbamoyl, etc.), an acylamino group (preferably an acylamino group having 1 to 20 carbon atoms, such as acetylamino, benzoylamino, etc.) , A cyano group, or a halogen atom (eg, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom) More preferably an alkyl group, alkenyl group, aryl group, heterocyclic group, alkoxy group, aryloxy group, alkoxycarbonyl group, amino group, acylamino group, cyano group or halogen atom, Particularly preferred are an alkyl group, an alkenyl group, a heterocyclic group, an alkoxy group, an alkoxycarbonyl group, an amino group, an acylamino group, and a cyano group.
<有機半導体ポリマー>
本発明の前記式(I)で表される構造単位を有するポリマーは、有機半導体ポリマーとして有用である。有機半導体ポリマーとは、半導体としての性質を示すことが可能な有機化合物のポリマーであり、本発明のポリマーは、とりわけp型有機半導体ポリマーとして有用である。なお、ポリマーを含むp型有機半導体化合物は、一般的に最高被占軌道(HOMO)準位が4.5〜6.0eVのπ電子共役系化合物である。
有機半導体ポリマーは有機エレクトロニクス分野で使用される、電気を流すと発光する有機エレクトロルミネッセンス素子、光照射で発電する有機光電変換素子、電流量や電圧量を制御する有機薄膜トランジスタ素子、電気化学センサー、プリンタブル回路等で利用される。本発明においては、光電池、特に有機薄膜太陽電池で使用するのが好ましい。
<Organic semiconductor polymer>
The polymer having the structural unit represented by the formula (I) of the present invention is useful as an organic semiconductor polymer. An organic semiconductor polymer is a polymer of an organic compound capable of exhibiting properties as a semiconductor, and the polymer of the present invention is particularly useful as a p-type organic semiconductor polymer. The p-type organic semiconductor compound containing a polymer is generally a π-electron conjugated compound having a highest occupied orbital (HOMO) level of 4.5 to 6.0 eV.
Organic semiconductor polymers are used in the field of organic electronics, organic electroluminescence elements that emit light when electricity is passed, organic photoelectric conversion elements that generate electricity when irradiated with light, organic thin film transistor elements that control the amount of current and voltage, electrochemical sensors, and printables Used in circuits. In this invention, it is preferable to use with a photovoltaic cell, especially an organic thin-film solar cell.
<有機半導体材料用組成物>
本発明の有機半導体材料用組成物に関して説明する。
本発明の前記式(I)で表される構造単位を有するポリマーは、p型有機半導体ポリマーとして有用であり、本発明の有機半導体材料用組成物は、この式(I)で表される構造単位を有するポリマーとn型半導体化合物を含有するが、特に本発明においてはn型有機半導体化合物を含有することが好ましい。また、必要によっては、式(I)で表される構造単位を有するポリマー以外のp型有機半導体化合物、半導体以外の化合物(例えば、その他のp型半導体化合物として、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)や、ポリ[2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシロキシ)−1,4−フェニレンビニレン(MEH−PPV)、ポリ[2−メトキシ−5−(3’,7’−ジメチルオクチルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン](MDMO−PPV)、ポリ[(9,9−ジ−n−オクチルフルオレニル−2,7−ジイル)−alt−(ベンゾ[2,1,3]チアジアゾール−4,8−ジイル)](F8BT)等が例示され、半導体以外の化合物としては、後述するポリエステル系樹脂やメタクリル樹脂等の他のポリマー)を含有してもよい。
<Composition for organic semiconductor material>
The composition for organic semiconductor materials of the present invention will be described.
The polymer having the structural unit represented by the formula (I) of the present invention is useful as a p-type organic semiconductor polymer, and the composition for an organic semiconductor material of the present invention has a structure represented by the formula (I). Although it contains a polymer having a unit and an n-type semiconductor compound, it is particularly preferred in the present invention to contain an n-type organic semiconductor compound. If necessary, a p-type organic semiconductor compound other than the polymer having the structural unit represented by the formula (I), a compound other than a semiconductor (for example, other p-type semiconductor compounds such as poly-3-hexylthiophene (P3HT ), Poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene (MEH-PPV), poly [2-methoxy-5- (3 ′, 7′-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene] (MDMO-PPV), poly [(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl) -alt- (benzo [2,1,3] thiadiazole- 4,8-diyl)] (F8BT) and the like, and as a compound other than a semiconductor, other polymers such as a polyester-based resin and a methacrylic resin described later may be contained.
式(I)で表される構造単位を有するポリマーの含有量は特に限定されないが、組成物全量の質量を100としたとき、式(I)で表される構造単位を有するポリマーを10〜90質量%含有させることが好ましく、30〜70質量%含有させることがより好ましい。 The content of the polymer having the structural unit represented by the formula (I) is not particularly limited, but when the total mass of the composition is 100, the polymer having the structural unit represented by the formula (I) is 10 to 90. It is preferable to make it contain by mass%, and it is more preferable to make it contain 30-70 mass%.
n型有機半導体化合物については、組成物全量の質量を100としたとき、10〜90質量%含有させることが好ましく、30〜70質量%含有させることがより好ましい。式(I)で表される構造単位を有するポリマー以外の任意のp型有機半導体化合物については、0〜50質量%含有させることが好ましく、0〜30質量%含有させることがより好ましい。半導体以外の化合物については、その成分にもよるが、0〜50質量%程度含有させてもよい。 About an n-type organic-semiconductor compound, when the mass of the composition whole quantity is set to 100, it is preferable to contain 10-90 mass%, and it is more preferable to contain 30-70 mass%. About arbitrary p-type organic-semiconductor compounds other than the polymer which has a structural unit represented by Formula (I), it is preferable to contain 0-50 mass%, and it is more preferable to contain 0-30 mass%. About compounds other than a semiconductor, although it is based also on the component, you may make it contain about 0-50 mass%.
なお、本発明において組成物とは、2以上の成分が特定の組成で実質的に均一に存在していることを言う。ここで実質的に均一とは発明の作用効果を奏する範囲で各成分が偏在していていもよいことを意味する。また、組成物とは上記の定義を満たす限り形態は特に限定されず、流動性の液体やペーストに限定されず、複数の成分からなる固体や粉末等も含む意味である。さらに、沈降物があるような場合でも、攪拌により所定時間分散状態を保つようなものも組成物に含む意味である。 In the present invention, the composition means that two or more components exist substantially uniformly in a specific composition. Here, “substantially uniform” means that each component may be unevenly distributed within the range where the effects of the invention are exerted. The composition is not particularly limited as long as the above definition is satisfied, is not limited to a fluid liquid or a paste, and includes a solid or powder composed of a plurality of components. Furthermore, even when there is a sediment, it means that the composition maintains a dispersion state for a predetermined time by stirring.
<有機薄膜太陽電池の部材>
(n型有機半導体化合物)
n型有機半導体化合物としては、特に限定されないが、一般的に、その最低空軌道(LUMO)準位が3.5〜4.5eVであるようなπ電子共役系化合物であり、例えば、フラーレンもしくはその誘導体、オクタアザポルフィリン等、p型有機半導体化合物の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(例えば、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)、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。
<Components of organic thin-film solar cells>
(N-type organic semiconductor compound)
The n-type organic semiconductor compound is not particularly limited, but is generally a π-electron conjugated compound having a lowest unoccupied orbital (LUMO) level of 3.5 to 4.5 eV, such as fullerene or Perfluoro derivatives (eg, perfluoropentacene or perfluorophthalocyanine) in which hydrogen atoms of p-type organic semiconductor compounds are substituted with fluorine atoms, such as derivatives thereof, octaazaporphyrins, naphthalene tetracarboxylic acid anhydrides, naphthalene tetracarboxylic acid diimides, Examples thereof include aromatic carboxylic acid anhydrides such as perylene tetracarboxylic acid anhydride and perylene tetracarboxylic acid diimide, and polymer compounds containing the imidized product thereof as a skeleton.
これらのn型有機半導体化合物のうち、本発明の式(I)で表される構造単位を有する有機半導体ポリマー(p型有機半導体化合物)と高速かつ効率的に電荷分離ができるためフラーレンもしくはその誘導体が好ましく、フラーレンもしくはその誘導体がより好ましい。
フラーレンやその誘導体としては、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フラーレン、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、およ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。
Among these n-type organic semiconductor compounds, fullerenes or derivatives thereof can be efficiently and efficiently separated from an organic semiconductor polymer (p-type organic semiconductor compound) having a structural unit represented by the formula (I) of the present invention. Is preferable, and fullerene or a derivative thereof is more preferable.
As fullerenes and derivatives thereof, C 60 fullerene, C 70 fullerene, C 76 fullerene, C 78 fullerene, C 84 fullerene, C 240 fullerene, C 540 fullerene, mixed fullerene, fullerene nanotube, and some of them are hydrogen atoms. , Fullerene derivatives substituted by halogen atoms, substituted or unsubstituted alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups, cycloalkyl groups, silyl groups, ether groups, thioether groups, amino groups, silyl groups, etc. Can be mentioned.
フラーレン誘導体としては、フェニル−C61−酪酸エステル、ジフェニル−C62−ビス(酪酸エステル)、フェニル−C71−酪酸エステル、フェニル−C85−酪酸エステルまたはチエニル−C61−酪酸エステルが好ましく、上記の酪酸エステルのアルコール部分の好ましい炭素数は1〜30、より好ましくは1〜8、さらに好ましくは1〜4、最も好ましくは1である。 As the fullerene derivative, phenyl-C 61 -butyric acid ester, diphenyl-C 62 -bis (butyric acid ester), phenyl-C 71 -butyric acid ester, phenyl-C 85 -butyric acid ester or thienyl-C 61 -butyric acid ester are preferable, The carbon number of the alcohol part of the butyric acid ester is preferably 1 to 30, more preferably 1 to 8, still more preferably 1 to 4, and most preferably 1.
好ましいフラーレン誘導体を例示すると、フェニル−C61−酪酸メチルエステル([60]PCBM)、フェニル−C61−酪酸n−ブチルエステル([60]PCBnB)、フェニル−C61−酪酸イソブチルエステル([60]PCBiB)、フェニル−C61−酪酸n−ヘキシルエステル([60]PCBH)、フェニル−C61−酪酸n−オクチルエステル([60]PCBO)、ジフェニル−C62−ビス(酪酸メチルエステル)(ビス[60]PCBM)、フェニル−C71−酪酸メチルエステル([70]PCBM)、フェニル−C85−酪酸メチルエステル([84]PCBM)、チエニル−C61−酪酸メチルエステル([60]ThCBM)、C60ピロリジントリス酸、C60ピロリジントリス酸エチルエステル、N−メチルフラロピロリジン(MP−C60)、(1,2−メタノフラーレンC60)−61−カルボン酸、(1,2−メタノフラーレンC60)−61−カルボン酸t−ブチルエステル、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7,329,709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレンが挙げられる。 Examples of preferred fullerene derivatives include phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester ([60] PCBM), phenyl-C 61 -butyric acid n-butyl ester ([60] PCBnB), phenyl-C 61 -butyric acid isobutyl ester ([60 PCBiB), phenyl-C 61 -butyric acid n-hexyl ester ([60] PCBH), phenyl-C 61 -butyric acid n-octyl ester ([60] PCBO), diphenyl-C 62 -bis (butyric acid methyl ester) ( bis [60] PCBM), phenyl -C 71 - butyric acid methyl ester ([70] PCBM), phenyl -C 85 - butyric acid methyl ester ([84] PCBM), thienyl -C 61 - butyric acid methyl ester ([60] ThCBM ), C 60 pyrrolidine tris acids, C 60 pyrrolidine tris San'e Glycol ester, N- methyl hula b pyrrolidine (MP-C 60), (1,2 methanofullerene C 60) -61- carboxylic acid, (1,2-methanofullerene C 60) -61- carboxylic acid t- butyl ester And fullerene having a cyclic ether group such as US Pat. No. 7,329,709, and the like.
(p型有機半導体化合物)
本発明の有機半導体材料用組成物には、本発明の前記式(I)で表される構造単位を有するポリマーとともに、他のp型半導体化合物(例えば、縮合多環芳香族低分子化合物、オリゴマーまたはポリマー)を含有してもよい。
(P-type organic semiconductor compound)
The composition for an organic semiconductor material of the present invention includes, in addition to the polymer having the structural unit represented by the above formula (I) of the present invention, other p-type semiconductor compounds (for example, condensed polycyclic aromatic low molecular weight compounds, oligomers). Or a polymer).
p型半導体化合物である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 that is a p-type semiconductor compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumcam Compounds such as anthracene, bisanthene, zestrene, heptazeslen, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bis Examples thereof include ethylene tetrathiafulvalene (BEDTTTTF) -perchloric acid complex, and derivatives and precursors thereof.
(光電変換層)
本発明の有機半導体材料用組成物は、光電変換層(特にバルクへテロ結合層)の塗工用組成物として好ましく使用される。電子供与材料であるp型有機半導体化合物と電子受容材料であるn型半導体化合物の混合比は光電変換効率が最も高くなるように調整されるが、通常は、質量比で、10:90〜90:10、好ましくは20:80〜80:20の範囲から選ばれる。このような混合層の形成方法は、例えば、共蒸着法が用いられる。あるいは、両方の有機材料に共通する溶媒を用いて溶剤塗布することによって作製することも可能である。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ためには、塗布法が好ましい。
(Photoelectric conversion layer)
The composition for organic semiconductor materials of the present invention is preferably used as a coating composition for a photoelectric conversion layer (particularly a bulk hetero-bonding layer). The mixing ratio of the p-type organic semiconductor compound that is an electron-donating material and the n-type semiconductor compound that is an electron-accepting material is adjusted so that the photoelectric conversion efficiency is the highest. Usually, the mass ratio is 10:90 to 90. : 10, preferably 20:80 to 80:20. As a method for forming such a mixed layer, for example, a co-evaporation method is used. Or it is also possible to produce by carrying out solvent application | coating using the solvent common to both organic materials. A coating method is preferable in order to increase the area of the interface where holes and electrons are separated by charge and to have high photoelectric conversion efficiency.
ここで、光電変換層における電子供与領域(ドナー)と電子受容領域(アクセプター)の相分離促進、光電変換層に含まれる有機材料の結晶化、電子輸送層の透明化などを目的として、種々の方法で加熱処理(アニール)してもよい。蒸着等の乾式製膜法の場合は、例えば、製膜中の基板温度を50℃〜150℃に加熱する方法がある。印刷や塗布等の湿式製膜法の場合は、塗布後の乾燥温度を50℃〜150℃とする方法などがある。また、後の工程、例えば、金属負極の形成が終了した後に50℃〜150℃に加熱してもよい。相分離が促進されることで、キャリア移動度が向上し、高い光電変換効率を得ることができることがある。 Here, for the purpose of promoting the phase separation of the electron donating region (donor) and the electron accepting region (acceptor) in the photoelectric conversion layer, crystallization of the organic material contained in the photoelectric conversion layer, and transparency of the electron transport layer, etc. You may heat-process (anneal) by the method. In the case of a dry film formation method such as vapor deposition, for example, there is a method of heating the substrate temperature during film formation to 50 ° C. to 150 ° C. In the case of a wet film forming method such as printing or coating, there is a method of setting the drying temperature after coating to 50 ° C to 150 ° C. Moreover, you may heat at 50 degreeC-150 degreeC after completion | finish of subsequent process, for example, formation of a metal negative electrode. By promoting phase separation, carrier mobility may be improved and high photoelectric conversion efficiency may be obtained.
(電極)
本発明に関わる光電変換素子においては、少なくとも第一の電極と第二の電極を有する。第一の電極と第二の電極は、いずれか一方が正極で、残りが負極となる。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(ホール)が流れる電極を正極と称し、主に電子が流れる電極を負極と称す。また透光性があるかどうかといった機能面から、透光性のある電極を透明電極と称し、透光性のない電極を対電極または金属電極と称す。通常、正極は透光性のある透明電極であり、負極は透光性のない対電極または金属電極であるが、第一の電極と第二の電極の両方を透明電極とすることもできる。
(electrode)
The photoelectric conversion element according to the present invention has at least a first electrode and a second electrode. One of the first electrode and the second electrode is a positive electrode, and the rest is a negative electrode. 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 referred to as a positive electrode, and an electrode through which electrons mainly flow is referred to as a negative electrode. From the functional aspect of whether or not there is translucency, an electrode having translucency is referred to as a transparent electrode, and an electrode having no translucency is referred to as a counter electrode or a metal electrode. Usually, the positive electrode is a translucent transparent electrode, and the negative electrode is a non-translucent counter electrode or metal electrode, but both the first electrode and the second electrode can be transparent electrodes.
(第一の電極)
第一の電極は、正極であり、太陽電池の場合、好ましくは可視光から近赤外光(380〜800nm)の光を透過する透明電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ等を用いることができる。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ポリマー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正極とすることもできる。なお、光透過性が要求されない場合は、ニッケル、モリブデン、銀、タングステン、金などの金属材料によって正極を形成してもよい。透明な太陽電池とする場合は、正極の透過率は、太陽電池に使用する厚さ(例えば、0.2μmの厚さ)で、波長380nm〜800nm領域における平均光透過率が75%以上であることが好ましく85%以上であることがより好ましい。
(First electrode)
The first electrode is a positive electrode, and in the case of a solar cell, it is preferably a transparent electrode that transmits light from visible light to near infrared light (380 to 800 nm). As the material, for example, transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO, metal nanowires, carbon nanotubes and the like can be used. 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. In addition, a plurality of these conductive compounds can be combined to form a positive electrode. Note that when light transmittance is not required, the positive electrode may be formed using a metal material such as nickel, molybdenum, silver, tungsten, or gold. In the case of a transparent solar cell, the transmittance of the positive electrode is the thickness used for the solar cell (for example, 0.2 μm thickness), and the average light transmittance in the wavelength region of 380 nm to 800 nm is 75% or more. It is preferably 85% or more.
(第二の電極)
本発明の第二の電極は負極であり、標準電極電位が正値である金属負極である。
負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。負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(Al2O3)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(Al2O3)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。負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。
(Second electrode)
The second electrode of the present invention is a negative electrode and a metal negative electrode having a positive standard electrode potential.
The negative electrode 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 the conductive material for the negative electrode, a material having a small 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 negative electrode 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.
負極の導電材として金属材料を用いれば負極側に到達した光は反射されて第一の電極側に反射され、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。また、負極は、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負極を塗布法により形成でき好ましい。
また、負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負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、上記正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、光透過性負極とすることができる。
If a metal material is used as the conductive material for the negative electrode, the light reaching the negative electrode side is reflected and reflected to the first electrode side, and this light can be reused and absorbed again by the photoelectric conversion layer. Improved and preferable. The negative electrode may be a metal (for example, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.), carbon nanoparticle, nanowire, or nanostructure. If it is a thing, a transparent and highly conductive negative electrode can be formed by the apply | coating method, and it is preferable.
In addition, when the negative electrode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the negative electrode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is thinly formed with a film thickness of about 1 to 20 nm, and then the positive electrode is formed. A light-transmitting negative electrode can be obtained by providing the conductive light-transmitting material film mentioned in the description.
(ホール輸送層)
本発明においては、第一の電極と光電変換層の間にホール輸送層を設けるのが好ましい。
ホール輸送層を形成する導電性ポリマーとしては、例えば、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレン、ポリアセチレン、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジアゾール等や、これら導電骨格を複数有するポリマー等が挙げられる。
これらのなかではポリチオフェンおよびその誘導体が好ましく、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリチエノチオフェンが特に好ましい。これらのポリチオフェンは導電性を得るために、通常、部分酸化されている。導電性ポリマーの電気伝導率は部分酸化の程度(ドープ量)で調節することができ、ドープ量が多いほど電気伝導率が高くなる。部分酸化によりポリチオフェンはカチオン性となるので、電荷を中和するための対アニオンを要する。そのようなポリチオフェンの例としては、ポリスチレンスルホン酸を対イオンとするポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT−PSS)やp−トルエンスルホン酸を対アニオンとするポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT−TsO)が挙げられる。
(Hall transport layer)
In the present invention, it is preferable to provide a hole transport layer between the first electrode and the photoelectric conversion layer.
Examples of the conductive polymer that forms the hole transport layer include polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyphenylene vinylene, polyphenylene, polyacetylene, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzothiadiazole, and polymers having a plurality of these conductive skeletons. Can be mentioned.
Among these, polythiophene and its derivatives are preferable, and polyethylenedioxythiophene and polythienothiophene are particularly preferable. These polythiophenes are usually partially oxidized in order to obtain conductivity. The electrical conductivity of the conductive polymer can be adjusted by the degree of partial oxidation (doping amount). The larger the doping amount, the higher the electrical conductivity. Since polythiophene becomes cationic by partial oxidation, a counter anion for neutralizing the charge is required. Examples of such polythiophenes include polyethylene dioxythiophene (PEDOT-PSS) with polystyrene sulfonic acid as a counter ion and polyethylene dioxythiophene (PEDOT-TsO) with p-toluenesulfonic acid as a counter anion.
(電子輸送層)
本発明においては、第二の電極と光電変換層の間に電子輸送層を設けることが好ましく、第一の電極と光電変換層の間にホール輸送層を設け、かつ光電変換層と第二の電極の間に電子輸送層を設けるのが特に好ましい。
電子輸送層に用いることのできる電子輸送材料としては、前記の光電変換層で挙げた電子受容材料であるn型半導体化合物および、ケミカルレビュー第107巻,953〜1010頁(2007年)にElectron−Transporting and Hole−Blocking Materialsとして記載されているものが挙げられる。本発明においては、無機塩や無機酸化物を使用することが好ましい。無機塩としては、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が好ましい。各種金属酸化物は安定性が高い電子輸送層の材料として好ましく利用され、例えば、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化ルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化バリウムが挙げられる。これらのうち比較的に安定な酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛がより好ましい。電子輸送層の膜厚は0.1〜500nmであり、好ましくは0.5〜300nmである。電子輸送層は、塗布などによる湿式製膜法、蒸着やスパッタ等のPVD法による乾式製膜法、転写法、印刷法など、いずれによっても好適に形成することができる。
(Electron transport layer)
In the present invention, an electron transport layer is preferably provided between the second electrode and the photoelectric conversion layer, a hole transport layer is provided between the first electrode and the photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion layer and the second It is particularly preferable to provide an electron transport layer between the electrodes.
Examples of the electron transporting material that can be used for the electron transporting layer include an n-type semiconductor compound that is the electron-accepting material mentioned in the above photoelectric conversion layer, and Chemical Review Vol. 107, pages 953 to 1010 (2007). What is described as Transporting and Hole-Blocking Materials is mentioned. In the present invention, it is preferable to use an inorganic salt or an inorganic oxide. As the inorganic salt, alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride are preferable. Various metal oxides are preferably used as materials for electron transport layers having high stability. For example, lithium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, calcium oxide, titanium oxide, zinc oxide, strontium oxide, niobium oxide, ruthenium oxide, indium oxide Zinc oxide and barium oxide. Of these, relatively stable aluminum oxide, titanium oxide, and zinc oxide are more preferable. The film thickness of the electron transport layer is 0.1 to 500 nm, preferably 0.5 to 300 nm. The electron transport layer can be suitably formed by any of a wet film formation method by coating or the like, a dry film formation method by PVD method such as vapor deposition or sputtering, a transfer method, or a printing method.
なお、光電変換層に用いられるp型半導体化合物のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、光電変換層で生成した正孔(ホール)を負極側には流さないような整流効果を有する、正孔(ホール)ブロック機能が付与される。より好ましくは、n型半導体化合物の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。このような電子輸送層は、正孔(ホール)ブロック層とも称し、このような機能を有する電子輸送層を使用するほうが好ましい。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型半導体化合物、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、光電変換層に用いたn型半導体化合物単体からなる層を用いることもできる。 Note that holes generated in the photoelectric conversion layer do not flow to the negative electrode side in the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor compound used in the photoelectric conversion layer. A hole blocking function having a rectifying effect is provided. More preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor compound 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. Such an electron transport layer is also referred to as a hole block layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor compounds such as naphthalene tetracarboxylic acid anhydride, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, perylene tetracarboxylic acid anhydride, perylene tetracarboxylic 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. Moreover, the layer which consists of a n-type semiconductor compound single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used.
(支持体)
本発明の光電池を構成する支持体は、その上に少なくとも第一の電極(正極)、光電変換層、第二の電極(金属負極)、より好ましい態様では、第一の電極(正極)、ホール輸送層、光電変換層、電子輸送層、第二の電極(金属負極)を形成して保持することができるものであれば特に限定されず、例えば、ガラス、プラスチックフィルムなど、目的に応じて適宜選択しうる。
(Support)
The support constituting the photovoltaic cell of the present invention comprises at least a first electrode (positive electrode), a photoelectric conversion layer, a second electrode (metal negative electrode), and in a more preferred embodiment, a first electrode (positive electrode), a hole. It is not particularly limited as long as it can form and hold a transport layer, a photoelectric conversion layer, an electron transport layer, and a second electrode (metal negative electrode). For example, glass, plastic film, etc. You can choose.
その他、常用のものを適用して、易接着層/下塗り層、機能性層、再結合層、その他の半導体層、保護層、ガスバリア層などを配設してもよい。 In addition, a commonly used layer may be applied to dispose an easy adhesion layer / undercoat layer, a functional layer, a recombination layer, other semiconductor layers, a protective layer, a gas barrier layer, and the like.
本発明の式(I)で表される構造単位を有するポリマーに対し、光電池について説明してきたが、いくつかの実施形態では、本発明の式(I)で表される構造単位を有するポリマーを、その他の素子およびシステムに使用することができる。例えば、電界効果トランジスタ、光検出器(例えば、赤外光検出器)、光起電力検出器、撮像素子(例えば、カメラまたは医用画像撮影システムのRGB撮像素子)、発光ダイオード(LED)(例えば、有機LED、または赤外もしくは近赤外LED)、レーザー素子、変換層(例えば、可視発光を赤外発光に変換する層)、電気通信用の増幅器兼放射器(例えば、ファイバ用ドープ剤)、記憶素子(例えば、ホログラフィック記憶素子)、並びにエレクトロクロミック素子(例えば、エレクトロクロミックディスプレイ)のような好適な有機半導体素子に、これらのポリマーを使用することができる。 Although the photovoltaic cell has been described with respect to the polymer having the structural unit represented by the formula (I) of the present invention, in some embodiments, the polymer having the structural unit represented by the formula (I) of the present invention is used. Can be used for other devices and systems. For example, field effect transistors, photodetectors (eg, infrared photodetectors), photovoltaic detectors, imaging devices (eg, RGB imaging devices for cameras or medical imaging systems), light emitting diodes (LEDs) (eg, Organic LEDs, or infrared or near-infrared LEDs), laser elements, conversion layers (eg, layers that convert visible emission to infrared emission), amplifiers and radiators for telecommunications (eg, fiber dopants), These polymers can be used in suitable organic semiconductor elements such as storage elements (eg, holographic storage elements), as well as electrochromic elements (eg, electrochromic displays).
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not construed as being limited thereby.
(合成例)
ポリマー3の合成
化合物Bを以下のスキームで合成した。なお、化合物Aは米国特許出願公報2010/0301314A1号明細書に記載の方法で合成した。
(Synthesis example)
Synthesis of
化合物Bをモノマーとしたホモポリマー(ポリマー3)を、Macromolecules,1992年,25巻,1214〜1223ページに記載の方法を参考にして合成した。 A homopolymer (Polymer 3) using Compound B as a monomer was synthesized with reference to the method described in Macromolecules, 1992, Vol. 25, pages 1214-1223.
ポリマー1、2および4〜7も同様にして合成した。対応するモノマーは、化合物AからWittig反応、Horner−Wadsworth−Emmons反応、Knoevenagel反応のいずれかの方法を用いて化合物Bと同様に合成した。 Polymers 1, 2 and 4-7 were synthesized in the same manner. The corresponding monomer was synthesized from Compound A in the same manner as Compound B using any method of Wittig reaction, Horner-Wadsworth-Emmons reaction, and Knoevenagel reaction.
ポリマー8の合成
化合物Cおよび化合物Dをモノマーとしたコポリマー(ポリマー8)を、特開2011−116961号広報に記載の方法を参考にして合成した。なお、化合物Cは化合物BからJournal of Organic Chemistry,1995年,60巻,7508〜7510ページに記載の方法を参考にして、化合物Dは特願2011−80813に記載の方法で合成した。
Synthesis of Polymer 8 A copolymer (Polymer 8) using Compound C and Compound D as monomers was synthesized with reference to a method described in JP 2011-116961 A. Compound C was synthesized from Compound B by the method described in Japanese Patent Application No. 2011-80813 with reference to the method described in Journal of Organic Chemistry, 1995, Vol. 60, pages 7508-7510.
ポリマー9の合成
化合物Bおよび化合物Eをモノマーとしたコポリマー(ポリマー9)を、Journal of the American Chemical Society,2008年,130巻,7670〜7685ページに記載の方法を参考にして合成した。なお、化合物EはJournal of the American Chemical Society,2009年,131巻,7792〜7799ページに記載の方法で合成した。
Synthesis of Polymer 9 A copolymer (Polymer 9) using Compound B and Compound E as monomers was synthesized with reference to the method described in Journal of the American Chemical Society, 2008, 130, 7670-7865. Compound E was synthesized by the method described in Journal of the American Chemical Society, 2009, Vol. 131, pages 7792-7799.
ポリマー10の合成
化合物Bおよび化合物Fをモノマーとしたコポリマー(ポリマー10)を、ポリマー8と同様にして合成した。なお、化合物Fは特願2011−80999に記載の方法で合成した。
Synthesis of Polymer 10 A copolymer (Polymer 10) using Compound B and Compound F as monomers was synthesized in the same manner as Polymer 8. Compound F was synthesized by the method described in Japanese Patent Application No. 2011-80999.
ポリマー11の合成
化合物Cおよび化合物Gをモノマーとしたコポリマー(ポリマー11)を、ポリマー8と同様にして合成した。なお、化合物Gは特許4414881号公報に記載の方法を参考にして合成した。
Synthesis of Polymer 11 A copolymer (Polymer 11) using Compound C and Compound G as monomers was synthesized in the same manner as Polymer 8. Compound G was synthesized with reference to the method described in Japanese Patent No. 4414881.
ポリマー12の合成
化合物Bおよび化合物Hをモノマーとしたコポリマー(ポリマー12)を、ポリマー8と同様にして合成した。なお、化合物Hは国際公開第2003/074533号パンフレットに記載の方法で合成した。
Synthesis of Polymer 12 A copolymer (Polymer 12) using Compound B and Compound H as monomers was synthesized in the same manner as Polymer 8. Compound H was synthesized by the method described in International Publication No. 2003/077453.
各ポリマーに対応する式(I)のR1及びR2のσpの和(Σσp)は下記のとおりであった。なお、Chem.Rev.,1991年,91巻,165〜195ページに記載されてない置換基の値は、類似の置換基から推定して括弧付きで表した。 The sum (Σσp) of σp of R 1 and R 2 in the formula (I) corresponding to each polymer was as follows. Note that Chem. Rev. , 1991, Vol. 91, pages 165 to 195, the value of a substituent not described in parentheses was deduced from similar substituents and expressed in parentheses.
・比較ポリマーAの合成
国際公開第2008/067023号パンフレット(p12〜13)に記載の方法を参考にして、以下の比較ポリマーAを合成した。
-Synthesis | combination of the comparison polymer A The following comparison polymer A was synthesize | combined with reference to the method as described in international publication 2008/067023 pamphlet (p12-13).
・比較ポリマーBの合成
国際公開第93/05077号パンフレット(p26および34〜36)に記載の方法を参考にして、以下の比較ポリマーBを合成した。
-Synthesis | combination of the comparison polymer B The following comparison polymer B was synthesize | combined with reference to the method as described in the international publication 93/05077 pamphlet (p26 and 34-36).
・比較ポリマーCの合成
国際公開第2008/067023号パンフレット(p12〜13)に記載の方法を参考にして、以下の比較ポリマーCを合成した。
-Synthesis | combination of the comparison polymer C The following comparison polymer C was synthesize | combined with reference to the method as described in international publication 2008/067023 pamphlet (p12-13).
・比較ポリマーDの合成
Macromolecules,2010年,43巻,7864−7867ページに記載の方法を参考にして、以下の比較ポリマーDを合成した。
Synthesis of Comparative Polymer D The following comparative polymer D was synthesized with reference to the method described in Macromolecules, 2010, Vol. 43, pages 7864-7867.
(光電池の作成)
下記表1に示したポリマーを使用して、以下の手順にてガラスITO基板上に光電池を形成した。
清浄かつUVオゾン処理したITOガラス基板上に、ホール輸送層として使用するPEDOT:PSS(H.C.Stark社CleviosP VP AI4083)層をスピンコートし、120℃×15分間乾燥させた。
引き続き、前記各p型半導体ポリマーとPC61BM(Solenne社製[60]PCBM)との混合物(質量比1:1)をo−ジクロロベンゼンに溶解させた後、上記PEDOT:PSS層の上にスピンコートし、120℃で15分間乾燥させ、光電変換層を形成させた。
さらに、この光電変換層上にチタンイソプロポキシド(シグマアルドリッチ社製)の脱水エタノール溶液(2質量%)をスピンコートし、室温で1時間乾燥させ酸化チタン層の電子輸送層を形成させた。
その後、アルミニウムの高真空蒸着により上部電極を形成させることにより、光電池素子とした。
この際、用いるガラスITO基板のサイズ、ITOと蒸着アルミニウムのパターンサイズを変えることによって、2mm□の素子と20mm□の2種類の素子を作成した。
(Create photovoltaic cell)
Using the polymers shown in Table 1 below, photovoltaic cells were formed on a glass ITO substrate by the following procedure.
A PEDOT: PSS (HC Star CleviosP VP AI4083) layer used as a hole transport layer was spin-coated on a clean and UV ozone-treated ITO glass substrate and dried at 120 ° C. for 15 minutes.
Subsequently, a mixture (mass ratio 1: 1) of each p-type semiconductor polymer and PC61BM (Solenne [60] PCBM) was dissolved in o-dichlorobenzene, and then spin-coated on the PEDOT: PSS layer. And dried at 120 ° C. for 15 minutes to form a photoelectric conversion layer.
Further, a dehydrated ethanol solution (2% by mass) of titanium isopropoxide (manufactured by Sigma Aldrich) was spin-coated on this photoelectric conversion layer, and dried at room temperature for 1 hour to form an electron transport layer of a titanium oxide layer.
Thereafter, an upper electrode was formed by high vacuum vapor deposition of aluminum to obtain a photovoltaic cell element.
At this time, by changing the size of the glass ITO substrate to be used and the pattern size of ITO and vapor-deposited aluminum, two types of elements of 2 mm □ and 20 mm □ were prepared.
(光電池の評価)
(1)素子の電流密度−電圧(J−V)特性
上記のようにして作製したそれぞれの2mm□素子および20mm□素子を以下のようにして性能評価した。
得られた素子を窒素雰囲気下(酸素濃度1ppm以下、水分濃度1ppm以下)で、ケースレー社(Keithley)製SMU2400型I−V測定装置を用いて、素子の電流密度−電圧(J−V)特性を評価した。オリエル(Oriel)社製太陽光シミュレータからの濾波キセノン灯光を使用して、100mW/cm2のAM1.5Gスペクトルに近づけた。上記装置にて、出力された短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)および発電効率(η)を下記表1に記載した。
(Photocell evaluation)
(1) Element Current Density-Voltage (JV) Characteristics The performance of each 2 mm □ element and 20 mm □ element produced as described above was evaluated as follows.
Using the SMU2400 type IV measuring device manufactured by Keithley in an atmosphere of nitrogen (oxygen concentration of 1 ppm or less, moisture concentration of 1 ppm or less), the obtained device was measured for current density-voltage (JV) characteristics. Evaluated. Using a filtered xenon lamp light from Oriel (Oriel) manufactured solar simulator approximated to AM1.5G spectrum of 100 mW / cm 2. The short-circuit current (Jsc), open-circuit voltage (Voc), fill factor (FF), and power generation efficiency (η) output by the above apparatus are shown in Table 1 below.
(2)大気放置での発電効率の保持率
上記で得られた2mm□素子を遮光した大気(23℃、50%RH)下に72時間曝し、その後、上記1)と同様にして素子の電流密度−電圧(J−V)特性を評価した。保持率は下式で算出した。
これらの結果を下記表1にまとめて示した。
[式A]発電効率の保持率(%)=(大気放置後の発電効率)/(初期の発電効率)×100
(2) Retention rate of power generation efficiency when left in the atmosphere The 2 mm square element obtained above is exposed to light-shielded atmosphere (23 ° C., 50% RH) for 72 hours, and then the current of the element is the same as in 1) above. Density-voltage (JV) characteristics were evaluated. The retention rate was calculated by the following formula.
These results are summarized in Table 1 below.
[Formula A] Power generation efficiency retention ratio (%) = (power generation efficiency after being left in the atmosphere) / (initial power generation efficiency) × 100
(3)素子サイズ依存性
上記で得られた2mm□素子と20mm□素子の初期の発電効率を比較し、素子サイズを大きくしたことによる発電効率の違いを、下式でで算出した。
[式B]比率(%)=(20mm□素子の発電効率)/(2mm□素子の発電効率)×100
(3) Element Size Dependence The initial power generation efficiency of the 2 mm square element and the 20 mm square element obtained above were compared, and the difference in power generation efficiency due to the increase in element size was calculated using the following equation.
[Formula B] Ratio (%) = (20 mm □ element power generation efficiency) / (2 mm □ element power generation efficiency) × 100
この結果、本発明の有機半導体ポリマーを用いた太陽電池素子は、発電効率ηが高く、大気放置後の発電効率の保持率が高く、さらに、素子サイズを大きくした時の発電効率の低下が少ないことがわかる。
一方、比較例の有機半導体ポリマーを用いた太陽電池素子は、変換効率ηが低く、大気放置後に変換効率ηが低下しやすく、また、素子サイズを大きくした際の発電効率の低下が大きいことがわかる。
As a result, the solar cell element using the organic semiconductor polymer of the present invention has a high power generation efficiency η, a high power generation efficiency retention ratio after being left in the atmosphere, and a small decrease in power generation efficiency when the element size is increased. I understand that.
On the other hand, the solar cell element using the organic semiconductor polymer of the comparative example has a low conversion efficiency η, the conversion efficiency η tends to decrease after being left in the atmosphere, and the decrease in power generation efficiency when the element size is increased is large. Recognize.
7 透明支持体
10 バルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池
11 透明電極(第1電極)
12 対極(第2電極)
21 ホール輸送層
22 電子輸送層
3 光電変換層
31 p型半導体相
32 n型半導体相
L 光
P 電動モータ(旋風機)
7
12 Counter electrode (second electrode)
21
Claims (14)
The composition for organic-semiconductor materials containing the polymer which has a structural unit represented by following formula (I), and fullerene or its derivative (s) .
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