JP5839596B2 - Photoelectric conversion material and organic thin film solar cell using the same - Google Patents

Photoelectric conversion material and organic thin film solar cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、側鎖に可溶性基を備える縮合芳香環を構成単位とするポリマーからなる光電変換材料及び該光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion material comprising a polymer having a condensed aromatic ring having a soluble group in a side chain as a structural unit, and an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion material.

ロールツーロール法等のコストが低廉なプロセスによって作製することが容易な太陽電池として、有機材料を用いた有機薄膜太陽電池が着目されている。この種の有機薄膜太陽電池として、バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池(以下、「BHJ太陽電池」ともいう)が知られている。   As a solar cell that can be easily manufactured by a low-cost process such as a roll-to-roll method, an organic thin film solar cell using an organic material has attracted attention. As this type of organic thin film solar cell, a bulk heterojunction type organic thin film solar cell (hereinafter also referred to as “BHJ solar cell”) is known.

BHJ太陽電池は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメインと、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメインとが混在し、光を電気に変換する機能を営む光電変換層を具備する。具体的には、該光電変換層は正極及び負極に介装されており、正極を介して太陽光が光電変換層に入射し、励起子が発生する。   A BHJ solar cell is a mixture of a donor domain made of a photoelectric conversion material acting as an electron donor (donor) and an acceptor domain made of a photoelectric conversion material acting as an electron acceptor (acceptor), and converts light into electricity. A photoelectric conversion layer having a function is provided. Specifically, the photoelectric conversion layer is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and sunlight enters the photoelectric conversion layer through the positive electrode, thereby generating excitons.

この励起子は、ドナードメインとアクセプタドメインとの界面に到達すると、電子と正孔に分離する。この中、電子は、アクセプタドメイン内を移動して負極に到達する。一方、正孔は、ドナードメイン内を移動し、正極に到達する。これら正孔及び電子は、負極及び正極に電気的に接続された外部回路を付勢する電気エネルギーとなる。   When the exciton reaches the interface between the donor domain and the acceptor domain, it is separated into electrons and holes. Among these, the electrons move in the acceptor domain and reach the negative electrode. On the other hand, the holes move in the donor domain and reach the positive electrode. These holes and electrons become electrical energy that energizes an external circuit electrically connected to the negative and positive electrodes.

以上のような機能を営む光電変換層における光電変換材料、すなわち、ドナー及びアクセプタの代表的な例としては、特許文献1に示されるように、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT、図10参照)、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM、図11参照)がそれぞれ挙げられる。 As a typical example of the photoelectric conversion material in the photoelectric conversion layer having the above functions, that is, a donor and an acceptor, as shown in Patent Document 1, poly-3-hexylthiophene (P3HT, see FIG. 10), phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PCBM, see FIG. 11) can be mentioned.

ここで、P3HT、PCBMの各々の最高被占軌道(HOMO)及び最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位は、図12に示すようになる。上記のようにして光電変換層に光が入射すると、先ず、ドナーであるP3HTのHOMOからLUMOへ電子が遷移する。すなわち、P3HTのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差がバンドギャップ(Eg)に対応する。   Here, the energy levels of the highest occupied orbit (HOMO) and the lowest unoccupied orbit (LUMO) of P3HT and PCBM are as shown in FIG. When light enters the photoelectric conversion layer as described above, first, electrons make a transition from HOMO to LUMO of the donor P3HT. That is, the energy level difference between HOMO and LUMO of P3HT corresponds to the band gap (Eg).

P3HTのLUMOに遷移した電子は、次に、アクセプタであるPCBMのLUMOに電子移動することで電子と正孔が発生する。すなわち、P3HTとPCBMのLUMO同士のエネルギー準位差によってエネルギーの損失が生じ、P3HTのHOMOとPCBMのLUMOとのエネルギー準位差が開放電圧(Voc)に対応する。   The electrons that have transitioned to the LUMO of the P3HT then move to the LUMO of the PCBM that is the acceptor, thereby generating electrons and holes. That is, energy loss occurs due to the energy level difference between the LUMOs of P3HT and PCBM, and the energy level difference between the HOMO of P3HT and the LUMO of PCBM corresponds to the open circuit voltage (Voc).

ところで、太陽電池では、同一の発電量を得ようとする場合、光電変換効率が大きいものほど面積を小さくすることができる。これにより重量が低減するとともに、設置面積が小さくなるので設置レイアウトの自由度が大きくなるという利点が得られる。   By the way, in a solar cell, when it is going to acquire the same electric power generation amount, an area can be made small, so that photoelectric conversion efficiency is large. As a result, the weight is reduced and the installation area is reduced, so that there is an advantage that the degree of freedom of the installation layout is increased.

BHJ太陽電池等の有機薄膜太陽電池において、光電変換効率をさらに向上させるためには、(a)光の吸収量を高め、励起子の生成を活発化する、(b)長波長(近赤外側)の光の吸収を高め、太陽光の利用効率を高める、(c)開放電圧Vocを大きくする等すればよい。そして、これら(a)〜(c)を実現するべく、(A)吸光係数が大きい、(B)HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さい、(C)LUMOのエネルギー準位がアクセプタのLUMOの準位に近いドナーを選定することが考えられる。   In an organic thin film solar cell such as a BHJ solar cell, in order to further improve the photoelectric conversion efficiency, (a) increase the amount of light absorption and activate the generation of excitons. (B) long wavelength (near infrared side) ) Light absorption to increase the utilization efficiency of sunlight, (c) increase the open circuit voltage Voc, etc. In order to realize these (a) to (c), (A) a large extinction coefficient, (B) a small energy level difference (band gap Eg) between HOMO and LUMO, (C) an energy level of LUMO It is conceivable to select a donor whose position is close to the LUMO level of the acceptor.

上記(A)〜(C)を満足する可能性がある物質として、特許文献2〜5に記載される縮合芳香環、すなわち、π電子共役化合物が想起される。なお、この種の縮合芳香環は、「グラフェン」と呼称されるときもある(特許文献4参照)。   As a substance that may satisfy the above (A) to (C), a condensed aromatic ring described in Patent Documents 2 to 5, that is, a π electron conjugated compound is conceived. Note that this type of condensed aromatic ring is sometimes referred to as “graphene” (see Patent Document 4).

特開2007−273939号公報JP 2007-273939 A 特許第4005571号公報Japanese Patent No. 4005571 特開2010−56492号公報JP 2010-56492 A 特開2007−19086号公報JP 2007-19086 A 特表2010−508677号公報Special table 2010-508677 gazette

特許文献2記載の技術は、ヘキサベンゾコロネン(HBC)に官能基を結合するとともに、この官能基を介して自己集積化させることで、いわゆるナノチューブ状の集積体を得ようとするものである。従って、最終的な半導体を得るための工程数が多く、しかも、得られた集積体がp型(ドナー)であるのか、又はn型(アクセプタ)であるのかが明確ではない。   The technique described in Patent Document 2 intends to obtain a so-called nanotube-like aggregate by bonding a functional group to hexabenzocoronene (HBC) and self-assembling via the functional group. Therefore, the number of steps for obtaining the final semiconductor is large, and it is not clear whether the obtained integrated body is p-type (donor) or n-type (acceptor).

特許文献3には、HBCの集積体であるナノチューブは、正孔及び電子の伝導経路を同時に有する、との示唆がある。この特許文献3記載の技術は、ナノチューブの内面及び外面をフラーレンで被覆するとともに、その被覆率でHBCにおける正孔移動度を制御するものであるが、このことから諒解されるように、特許文献2、3記載の技術では、HBCそれ自体のドナーとしての特性を向上させることはできない。   Patent Document 3 suggests that nanotubes, which are HBC aggregates, have hole and electron conduction paths at the same time. In the technique described in Patent Document 3, the inner surface and the outer surface of the nanotube are coated with fullerene, and the hole mobility in HBC is controlled by the coverage ratio. The techniques described in a few cannot improve the characteristics of HBC itself as a donor.

また、特許文献4記載の技術は、グラフェン誘導体に対し、フッ素原子を有する官能基を結合させ、これにより、n型半導体を得るものである。すなわち、この技術では、アクセプタが得られるに留まり、ドナーを得ることはできない。   In the technique described in Patent Document 4, a functional group having a fluorine atom is bonded to a graphene derivative, whereby an n-type semiconductor is obtained. That is, with this technique, an acceptor is obtained, and a donor cannot be obtained.

さらに、特許文献2〜5のいずれにおいても、低分子有機化合物が開示されるのみである。周知のように、低分子有機化合物は溶媒に溶解し難く、このため、光電変換層を得る際にロールツーロール法等を行うことが困難となるという不具合が顕在化している。   Furthermore, in any of Patent Documents 2 to 5, only low molecular organic compounds are disclosed. As is well known, a low molecular organic compound is difficult to dissolve in a solvent, and therefore, it has become difficult to perform a roll-to-roll method or the like when obtaining a photoelectric conversion layer.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ドナー(電子供与体)あるいはアクセプタ(電子受容体)として優れた特性を示し、しかも、有機溶媒に対して易溶であり、光電変換層を簡便且つ容易に得ることが可能となる光電変換材料及びこの光電変換材料を含む光電変換層を具備する有機薄膜太陽電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and exhibits excellent characteristics as a donor (electron donor) or acceptor (electron acceptor), and is easily soluble in an organic solvent, and has a photoelectric conversion property. It aims at providing the organic thin-film solar cell which comprises the photoelectric converting material which can obtain a layer simply and easily, and the photoelectric converting layer containing this photoelectric converting material.

前記の目的を達成するために、本発明は、電子を供与する電子供与体(ドナー)あるいは電子を受容する電子受容体(アクセプタ)として機能する光電変換材料において、一般式(1)〜(4)で表されるグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention relates to a photoelectric conversion material that functions as an electron donor (donor) that donates electrons or an electron acceptor (acceptor) that accepts electrons. It is characterized by comprising a polymer whose structural unit is at least one of graphene represented by

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ただし、式(1)〜(4)中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。   However, at least one of R1 to R6 in the formulas (1) to (4) represents a soluble group that enhances the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.

本発明の光電変換材料は、全体にわたってπ電子雲が広がった縮合芳香環を構成単位とするπ共役系ポリマーからなる(以下、「ナノグラフェンポリマー」ともいう)。このポリマーでは、主鎖に沿ってπ電子雲が広がっているので、吸光係数が大きくなり、励起子が活発に生成されるようになる。   The photoelectric conversion material of the present invention comprises a π-conjugated polymer having a condensed aromatic ring in which a π electron cloud spreads as a whole as a structural unit (hereinafter, also referred to as “nanographene polymer”). In this polymer, since the π electron cloud spreads along the main chain, the extinction coefficient increases and excitons are actively generated.

特に、このポリマーでは、HOMOとLUMOとの間のエネルギー準位差が小さい。すなわち、バンドギャップEgが小さい。このために極大吸収波長が長波長側にシフトするので、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、これに伴って、太陽光の利用効率が向上する。   In particular, this polymer has a small energy level difference between HOMO and LUMO. That is, the band gap Eg is small. For this reason, since the maximum absorption wavelength is shifted to the long wavelength side, the light of the long wavelength (near infrared side) is favorably absorbed, and accordingly, the utilization efficiency of sunlight is improved.

さらに、このポリマーのLUMOのエネルギー準位は、P3HT等に比して低い(深い)。従って、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとする場合には、エネルギー損失がP3HTをドナーとする場合に比して小さくなる。その結果、有機薄膜太陽電池では、開放電圧Vocが大きくなる。   Furthermore, the LUMO energy level of this polymer is lower (deeper) than P3HT or the like. Therefore, when the polymer is used as a donor and PCBM is used as an acceptor, the energy loss is smaller than when P3HT is used as a donor. As a result, in the organic thin film solar cell, the open circuit voltage Voc increases.

以上のような理由から、このポリマーをドナーとする有機薄膜太陽電池では、変換効率が向上する。   For the above reasons, the conversion efficiency is improved in the organic thin film solar cell using this polymer as a donor.

また、このポリマーは、可溶性基が導入されているため、有機溶媒に対して易溶である。すなわち、このポリマーを溶媒に溶解することが著しく容易となる。このため、スピンコート法やロールツーロール法等を用いて光電変換層を簡便且つ容易に得ることができる。   In addition, this polymer is easily soluble in an organic solvent since a soluble group is introduced. That is, it becomes extremely easy to dissolve this polymer in a solvent. For this reason, a photoelectric converting layer can be obtained simply and easily using a spin coat method, a roll-to-roll method, etc.

上記の可溶性基は、一般式(1)〜(4)中のR1〜R6の全ての位置に結合していること、及びアルキル基であることが好ましい。また、この可溶性基はC3〜C20のアルキル基であることがより好ましい。 It is preferable that said soluble group is couple | bonded with all the positions of R1-R6 in General formula (1)-(4), and is an alkyl group. It is more preferred that the soluble group is an alkyl group of C 3 -C 20.

R1〜R6の全てにアルキル基を結合させることによって、上記ポリマーと有機溶媒との親和性が一層向上する。このため、該ポリマーの有機溶媒に対する溶解度がさらに大きくなる。   By binding an alkyl group to all of R1 to R6, the affinity between the polymer and the organic solvent is further improved. For this reason, the solubility with respect to the organic solvent of this polymer becomes still larger.

なお、アルキル基の炭素数が上記の範囲内にない場合、ポリマーの溶媒に対する溶解性を十分に高くすることが容易でなくなる。   In addition, when the carbon number of the alkyl group is not within the above range, it is not easy to sufficiently increase the solubility of the polymer in the solvent.

換言すれば、アルキル基の炭素数を上記の範囲内に設定することにより、溶媒に易溶なポリマーを得ることができる。   In other words, a polymer that is easily soluble in a solvent can be obtained by setting the carbon number of the alkyl group within the above range.

なお、本発明においては、前記特許文献4と同様に、一般式(1)〜(4)に示されるような縮合芳香環を「グラフェン」という。また、「ナノグラフェン」とは、1つの構成単位がナノメートルスケールであることを表す。   In the present invention, as in Patent Document 4, the condensed aromatic ring represented by the general formulas (1) to (4) is referred to as “graphene”. In addition, “nanographene” indicates that one constituent unit is a nanometer scale.

ポリマーの重合度(構成単位の個数)は、10〜150であることが好ましい。10未満の場合、吸光係数を十分に高くすることや、Egを十分に小さくすることが容易ではない。一方、150よりも大きいと、重合に要する時間が長くなり、ポリマーの生産効率が低下する。   The degree of polymerization of the polymer (number of structural units) is preferably 10 to 150. If it is less than 10, it is not easy to make the extinction coefficient sufficiently high or to make Eg sufficiently small. On the other hand, when it is larger than 150, the time required for the polymerization becomes long, and the production efficiency of the polymer is lowered.

換言すれば、ポリマーの重合度を上記の範囲内に設定することにより、ドナーとして優れた特性を示すポリマーを効率よく得ることができる。   In other words, the polymer which shows the characteristic outstanding as a donor can be obtained efficiently by setting the polymerization degree of a polymer in said range.

ここで、構成単位が上記したグラフェンである場合、ポリマーの分子量は9900〜364000である。   Here, when the structural unit is the graphene described above, the molecular weight of the polymer is 9900 to 364000.

また、本発明は、前記光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池であって、該光電変換材料を電子供与体として含む光電変換層を具備することを特徴とする。   Moreover, this invention is an organic thin-film solar cell using the said photoelectric conversion material, Comprising: The photoelectric conversion layer which contains this photoelectric conversion material as an electron donor is comprised, It is characterized by the above-mentioned.

この有機薄膜太陽電池においては、PCBMをアクセプタとした場合、P3HTをドナーとして用いたときに比して、光電変換層の吸光係数が大きくなるとともに、ドナーのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さくなる。その上、ドナーのLUMOのエネルギー準位が、アクセプタであるPCBMのLUMOの準位に近くなる。   In this organic thin film solar cell, when PCBM is used as an acceptor, the absorption coefficient of the photoelectric conversion layer is larger than when P3HT is used as a donor, and the energy level difference between HOMO and LUMO of the donor ( The band gap Eg) is reduced. In addition, the LUMO energy level of the donor is close to the LUMO level of the PCBM that is the acceptor.

従って、該有機薄膜太陽電池では、励起子の生成が活発化するとともに、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。以上のような理由から、変換効率が向上する。   Therefore, in the organic thin film solar cell, the generation of excitons is activated and the utilization efficiency of sunlight is improved. Further, the open circuit voltage Voc increases. For the reasons described above, the conversion efficiency is improved.

このように変換効率が大きな有機薄膜太陽電池は、同一の発電量が得られる太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので、設置場所に加わる負荷が小さくなる。また、設置面積が小さくなるので、設置レイアウトの自由度も向上する。   Thus, an organic thin-film solar cell with large conversion efficiency can make an area small compared with the solar cell from which the same electric power generation amount is obtained. Accordingly, since the weight is reduced, the load applied to the installation place is reduced. Further, since the installation area is reduced, the degree of freedom of the installation layout is also improved.

また、溶媒に溶解したポリマーを用いて簡便且つ容易に光電変換層を得ることができるため、有機薄膜太陽電池自体を簡便且つ容易に得ることができる。   Moreover, since a photoelectric converting layer can be obtained simply and easily using the polymer melt | dissolved in the solvent, organic thin-film solar cell itself can be obtained simply and easily.

有機薄膜太陽電池の好適な例は、ドナードメインとアクセプタドメインが混在する光電変換層を備えるバルクへテロ接合型のものである。この場合、例えば、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型のものに比して、ドナードメインとアクセプタドメインとの接触面積が大きい。有機薄膜太陽電池では、主にドナードメインとアクセプタドメインの界面で励起子が電子と正孔に分離して発電に関与するので、両者の接触面積が大きいバルクへテロ接合型として構成することにより、変換効率を向上させることが可能となる。   A preferred example of the organic thin film solar cell is a bulk heterojunction type including a photoelectric conversion layer in which a donor domain and an acceptor domain are mixed. In this case, for example, the contact area between the donor domain and the acceptor domain is larger than that of a planar heterojunction type in which a donor layer and an acceptor layer are individually formed. In organic thin-film solar cells, excitons are mainly separated into electrons and holes at the interface between the donor domain and the acceptor domain, and are involved in power generation. By configuring as a bulk heterojunction type with a large contact area between the two, Conversion efficiency can be improved.

本発明によれば、π電子雲の広がりが大きいπ共役系ポリマーからなるため、吸光係数が大きくなるとともに、HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さく、また、HOMOのエネルギー準位が低いドナーとなる。この結果、LUMOのエネルギー準位が、PCBMのLUMOのエネルギー準位に近い。   According to the present invention, it is composed of a π-conjugated polymer having a large π electron cloud spread, so that the absorption coefficient is increased, the energy level difference (band gap Eg) between HOMO and LUMO is small, and the energy of HOMO It becomes a donor with a low level. As a result, the LUMO energy level is close to the PCBM LUMO energy level.

このため、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとして有機薄膜太陽電池を構成すると、励起子が活発に生成される。また、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。従って、変換効率が大きく、小面積で軽量な有機薄膜太陽電池を構成することができる。   For this reason, when an organic thin film solar cell is constituted using the polymer as a donor and PCBM as an acceptor, excitons are actively generated. Moreover, the long wavelength (near infrared side) light will be absorbed favorably and the utilization efficiency of sunlight will improve. Further, the open circuit voltage Voc increases. Therefore, an organic thin-film solar cell having a large conversion efficiency and a small area can be configured.

また、このポリマーは有機溶媒に著しく容易に溶解するので、光電変換層の成膜作業を効率よく、しかも、容易に行うことができる。   Moreover, since this polymer dissolves remarkably easily in an organic solvent, the film forming operation of the photoelectric conversion layer can be performed efficiently and easily.

本実施の形態に係るバルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池の模式的縦断面図である。It is a typical longitudinal section of a bulk heterojunction type organic thin film solar cell concerning this embodiment. 無置換のポリフェニレンが反応して得られる化合物の構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the compound obtained by unsubstituted polyphenylene reacting. 可溶性基を導入したポリフェニレンにおける構成単位と可溶性基との関係を示した模式的構造図である。It is the typical structure figure which showed the relationship between the structural unit and soluble group in polyphenylene which introduce | transduced the soluble group. 可溶性基を導入したポリフェニレンの構成単位を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural unit of polyphenylene which introduce | transduced the soluble group. 無置換のポリフェニレン、アシル基を導入したポリフェニレン、アルキル基を導入したポリフェニレンそれぞれの1H−核磁気共鳴(NMR)スペクトルである。 1 is a 1 H-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum of unsubstituted polyphenylene, polyphenylene introduced with an acyl group, and polyphenylene introduced with an alkyl group. 無置換のポリフェニレン、アシル基を導入したポリフェニレン、アルキル基を導入したポリフェニレンそれぞれの13C−NMRスペクトルである。It is a 13 C-NMR spectrum of each of unsubstituted polyphenylene, polyphenylene introduced with an acyl group, and polyphenylene introduced with an alkyl group. アルキル基を導入したポリフェニレンと、本実施の形態に係る光電変換材料(ナノグラフェンポリマー)のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of the polyphenylene which introduce | transduced the alkyl group, and the photoelectric converting material (nanographene polymer) which concerns on this Embodiment. 前記光電変換材料及びP3HTと、PCBMの各HOMO、LUMOのエネルギー準位を示すエネルギー準位図である。It is an energy level diagram which shows the energy level of each photoelectric conversion material, P3HT, and each HOMO and LUMO of PCBM. 前記光電変換材料と、P3HTの各特性を併せて示す図表である。It is a chart which shows together each characteristic of the photoelectric conversion material and P3HT. P3HTの構造式を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural formula of P3HT. PCBMの構造式を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural formula of PCBM. P3HTのHOMOからLUMO、さらにPCBMのLUMOへと電子が遷移することを示した模式説明図である。It is a schematic explanatory view showing that electrons transition from HOMO of P3HT to LUMO and further to LUMO of PCBM.

以下、本発明に係る光電変換材料につき、該光電変換材料を含む光電変換層を具備するBHJ太陽電池との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the photoelectric conversion material according to the present invention will be described in detail in relation to a BHJ solar cell including a photoelectric conversion layer including the photoelectric conversion material, with reference to the accompanying drawings.

図1は、本実施の形態に係るBHJ太陽電池10の要部概略縦断面図である。このBHJ太陽電池10は、透明電極12に対し、正孔輸送層14、光電変換層16、裏面電極18が下方からこの順で重畳されることで構成される。   FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a main part of a BHJ solar cell 10 according to the present embodiment. The BHJ solar cell 10 is configured such that a hole transport layer 14, a photoelectric conversion layer 16, and a back electrode 18 are superimposed on the transparent electrode 12 in this order from below.

透明電極12は、正極として機能する。すなわち、該透明電極12には、正孔24が移動する。なお、透明電極12としては、例えばインジウム−スズ複合酸化物(ITO)等、太陽光をはじめとする光を十分に透過するものが選定される。   The transparent electrode 12 functions as a positive electrode. That is, the holes 24 move to the transparent electrode 12. In addition, as the transparent electrode 12, a material that sufficiently transmits light such as sunlight, such as indium-tin composite oxide (ITO), is selected.

正孔輸送層14は、光電変換層16にて生成した正孔24が透明電極12に移動することを支援する層であり、一般的には、ポリスチレンスルホン酸でドープされたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、すなわち、いわゆるPEDOT:PSSからなる。   The hole transport layer 14 is a layer that supports the movement of the holes 24 generated in the photoelectric conversion layer 16 to the transparent electrode 12, and is generally poly (3,4) doped with polystyrene sulfonic acid. -Ethylenedioxythiophene), i.e. so-called PEDOT: PSS.

光電変換層16は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメイン26と、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメイン28とが混在する層として形成されている。この中、アクセプタとなる光電変換材料の好適な例としては、上記のPCBMが挙げられる。   The photoelectric conversion layer 16 is formed as a layer in which a donor domain 26 made of a photoelectric conversion material acting as an electron donor (donor) and an acceptor domain 28 made of a photoelectric conversion material acting as an electron acceptor (acceptor) are mixed. ing. Among these, the above-mentioned PCBM is mentioned as a suitable example of the photoelectric conversion material used as an acceptor.

一方、ドナーとなるp型半導体、すなわち、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)に示すグラフェンを構成単位とするポリマーからなる。   On the other hand, the p-type semiconductor serving as a donor, that is, the photoelectric conversion material according to the present embodiment is made of a polymer containing graphene represented by general formulas (1) to (4) as a structural unit.

Figure 0005839596
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なお、式(1)〜(4)中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。   In addition, at least one of R1 to R6 in the formulas (1) to (4) represents a soluble group that enhances the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.

このポリマーは、一般式(5)に示すポリフェニレンをさらに反応させたポリマーからなる。   This polymer is a polymer obtained by further reacting polyphenylene represented by the general formula (5).

Figure 0005839596
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なお、式(5)中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。   In addition, at least one of R1 to R6 in Formula (5) represents a soluble group that enhances the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.

ここで、官能基を具備しない無置換のポリフェニレンを反応させてポリマーを形成する場合、図2(a)に示すように、一つの構成単位内の芳香環同士が全て反応してナノグラフェン構造を形成することが理想的である。   Here, when a polymer is formed by reacting an unsubstituted polyphenylene having no functional group, as shown in FIG. 2A, all aromatic rings in one structural unit react to form a nano graphene structure. Ideal to do.

これに対し、ポリフェニレンの反応が十分に進行しなかった場合、図2(b)に示すように、ポリマーの構成単位内に反応していない芳香環が含まれることとなる。このため、π共役系ポリマーのπ電子雲の広がりが十分に得られないことがある。   On the other hand, when the reaction of polyphenylene does not proceed sufficiently, an unreacted aromatic ring is included in the polymer structural unit as shown in FIG. 2 (b). For this reason, the spread of the π electron cloud of the π conjugated polymer may not be sufficiently obtained.

さらに、ポリフェニレンの反応の進行を過剰に促進させた場合、図2(c)に示すように、構成単位内における芳香環同士が反応するに留まらず、複数の構成単位同士が架橋結合してしまうことがある。すなわち、ポリマーに架橋構造が形成されるため、ポリマーが有機溶媒等に対して難溶、場合によっては不溶となる。この場合、溶液を用いての成膜が困難となる。   Furthermore, when the progress of the reaction of polyphenylene is excessively promoted, as shown in FIG. 2 (c), the aromatic rings in the structural unit do not only react with each other, but a plurality of structural units are cross-linked. Sometimes. That is, since a crosslinked structure is formed in the polymer, the polymer is hardly soluble in an organic solvent or the like and insoluble in some cases. In this case, film formation using a solution becomes difficult.

本実施の形態に係るポリフェニレンは、上記のように可溶性基が導入されている。可溶性基は、側鎖としてポリフェニレンに導入することで、該ポリフェニレンを反応させたポリマーにも導入され、該ポリマーを有機溶媒に対して易溶とする官能基である。さらに、この可溶性基は、ポリフェニレンに導入されることで、例えば、図3に示すように、該ポリフェニレンの反応において、その立体障害により、その構成単位同士が接近することを抑制する。すなわち、可溶性基が導入されたポリフェニレンでは、複数の構成単位同士の間で反応が生じることを抑制できるため、架橋構造のポリマーが形成されることを抑制できる。このため、十分にπ電子雲が広がったπ共役系ポリマーを得ることができる。なお、図3のR1〜R6は可溶性基を示す。   In the polyphenylene according to the present embodiment, a soluble group is introduced as described above. A soluble group is a functional group that is introduced into a polymer obtained by reacting the polyphenylene by being introduced into polyphenylene as a side chain, and makes the polymer easily soluble in an organic solvent. Furthermore, this soluble group is introduced into polyphenylene, for example, as shown in FIG. 3, in the reaction of polyphenylene, it suppresses that the structural units approach due to the steric hindrance. That is, in polyphenylene into which a soluble group has been introduced, reaction between a plurality of structural units can be suppressed, so that formation of a polymer having a crosslinked structure can be suppressed. For this reason, a π-conjugated polymer with a sufficiently expanded π electron cloud can be obtained. In addition, R1-R6 of FIG. 3 shows a soluble group.

可溶性基の好適な具体例としては、アルキル基、アシル基等が挙げられる。特に、結合(導入)が容易であることから、アルキル基が好ましい。   Preferable specific examples of the soluble group include an alkyl group and an acyl group. In particular, an alkyl group is preferable because of easy bonding (introduction).

アルキル基としては、炭素数が3〜20個であるものが好ましい。炭素数が3未満であると、ポリフェニレンの構成単位同士の接近を十分に抑制することが容易ではない。一方、炭素数が20超の場合、ポリマーの溶媒に対する溶解性が小さくなる傾向があるので、成膜が容易でなくなる懸念がある。   As the alkyl group, those having 3 to 20 carbon atoms are preferable. When the number of carbon atoms is less than 3, it is not easy to sufficiently suppress the close proximity between the structural units of polyphenylene. On the other hand, when the number of carbon atoms exceeds 20, the solubility of the polymer in the solvent tends to be small, so that there is a concern that the film formation is not easy.

換言すれば、アルキル基の炭素数を上記の範囲内に設定することにより、ドナーとして優れた特性を示し、且つ溶媒に易溶なポリマーを効率よく得ることができる。   In other words, by setting the carbon number of the alkyl group within the above range, it is possible to efficiently obtain a polymer that exhibits excellent properties as a donor and is easily soluble in a solvent.

次に、図4を参照しつつ、ポリフェニレンの構成単位30について説明する。図4に示すように、ポリフェニレンの構成単位30において、ベンゼン核39は、ベンゼン核32の32a、32bのいずれにも結合し得る。このため、構成単位30には構造異性体が含まれる。   Next, the structural unit 30 of polyphenylene will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, in the structural unit 30 of polyphenylene, the benzene nucleus 39 can be bonded to either 32 a or 32 b of the benzene nucleus 32. For this reason, the structural unit 30 includes structural isomers.

さらに、構成単位30は、中心のベンゼン核34に対して、トリフェニルベンゼン骨格36、38が単結合した構造となっている。これらトリフェニルベンゼン骨格36、38は、ベンゼン核34に対する単結合を軸とする回転位置に応じ、異なる立体配座を取り得る。   Further, the structural unit 30 has a structure in which the triphenylbenzene skeletons 36 and 38 are single-bonded to the central benzene nucleus 34. These triphenylbenzene skeletons 36 and 38 can take different conformations depending on the rotational position around a single bond with respect to the benzene nucleus 34.

具体的には、下記に示す構造U1〜U4が挙げられる。結局、ポリフェニレンには、これらの構造の少なくともいずれか1つが含まれる。   Specific examples include the structures U1 to U4 shown below. Ultimately, polyphenylene contains at least one of these structures.

Figure 0005839596
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なお、U1〜U4中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。   In addition, at least one of R1 to R6 in U1 to U4 represents a soluble group that improves the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.

本実施の形態に係る光電変換材料は、上記の構造を構成単位30として有するポリフェニレンを反応させて得られるポリマーである。従って、該ポリマーの構成単位(繰り返し単位)は、反応前のポリフェニレンがU1〜U4のいずれであるかによって相違する。すなわち、U1〜U4のそれぞれが反応した場合、下記の一般式(1)〜(4)で示されるナノグラフェンが構成単位となる。   The photoelectric conversion material according to the present embodiment is a polymer obtained by reacting polyphenylene having the above structure as the structural unit 30. Therefore, the structural unit (repeating unit) of the polymer differs depending on whether the polyphenylene before the reaction is U1 to U4. That is, when each of U1-U4 reacts, the nano graphene shown by the following general formula (1)-(4) becomes a structural unit.

Figure 0005839596
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なお、式(1)〜(4)中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。   In addition, at least one of R1 to R6 in the formulas (1) to (4) represents a soluble group that enhances the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.

以上のように、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのうち、少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーである。すなわち、ポリマーは、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれか1つのみが互いに結合したものに限定されるものではなく、例えば、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンがランダムに結合したものであってもよい。   As described above, the photoelectric conversion material according to the present embodiment is a polymer including at least one of the nanographenes represented by the general formulas (1) to (4) as a structural unit. That is, the polymer is not limited to one in which only one of the nanographenes represented by the general formulas (1) to (4) is bonded to each other. For example, the nanographene represented by the general formulas (1) to (4) May be randomly combined.

なお、ポリマーの重合度は、10〜150であることが好ましい。重合度が10未満、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が10個未満であると、吸光係数が小さくなる傾向がある。また、重合度が150超、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が150個超であると、光電変換材料であるポリマーを得るまでの重合に要する時間が長くなり、生産効率が低下する。   In addition, it is preferable that the polymerization degree of a polymer is 10-150. When the degree of polymerization is less than 10, that is, when the number of nanographenes bonded to each other is less than 10, the extinction coefficient tends to be small. In addition, when the degree of polymerization exceeds 150, that is, the number of nanographenes bonded to each other exceeds 150, the time required for polymerization to obtain a polymer as a photoelectric conversion material becomes long, and the production efficiency is lowered.

換言すれば、重合度を上記の範囲に設定することで、吸光係数が十分に向上した光電変換材料を効率よく作製することができる。   In other words, by setting the degree of polymerization within the above range, a photoelectric conversion material having a sufficiently improved absorption coefficient can be efficiently produced.

一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれにおいても、分子量は911〜2426である。従って、ポリマーの重合度を10〜150としたとき、該ポリマーの分子量は9900〜364000の範囲内となる。   In any of the nano graphenes represented by the general formulas (1) to (4), the molecular weight is 911 to 2426. Accordingly, when the degree of polymerization of the polymer is 10 to 150, the molecular weight of the polymer is in the range of 9900 to 364000.

BHJ太陽電池10(図1参照)においては、このようなポリマーからなる光電変換材料を含む光電変換層16上に、裏面電極18が重畳される。該裏面電極18は、電子40が到達する負極として機能する。   In the BHJ solar cell 10 (see FIG. 1), the back electrode 18 is superimposed on the photoelectric conversion layer 16 including a photoelectric conversion material made of such a polymer. The back electrode 18 functions as a negative electrode to which the electrons 40 reach.

本実施の形態に係るBHJ太陽電池10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。   The BHJ solar cell 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the function and effect will be described.

BHJ太陽電池10の透明電極12に光(例えば、太陽光)が照射されると、該光は、正孔輸送層14を通過して光電変換層16に到達する。その結果、該光電変換層16において、励起子42が生成する。   When light (for example, sunlight) is irradiated onto the transparent electrode 12 of the BHJ solar cell 10, the light passes through the hole transport layer 14 and reaches the photoelectric conversion layer 16. As a result, excitons 42 are generated in the photoelectric conversion layer 16.

生成した励起子42は、ドナードメイン26内を移動して、該ドナードメイン26とアクセプタドメイン28との界面に到達する。そして、この界面において、電子40と正孔24に分離する。上記と同様に、この中の電子40は、アクセプタドメイン28内を移動し、負極である裏面電極18に到達する。一方、正孔24は、ドナードメイン26内を移動し、正孔輸送層14を経由した後、正極である透明電極12に到達する。   The generated excitons 42 move in the donor domain 26 and reach the interface between the donor domain 26 and the acceptor domain 28. At this interface, the electrons 40 and the holes 24 are separated. Similarly to the above, the electrons 40 in this move in the acceptor domain 28 and reach the back electrode 18 which is a negative electrode. On the other hand, the holes 24 move in the donor domain 26, pass through the hole transport layer 14, and then reach the transparent electrode 12 that is the positive electrode.

ここで、本実施の形態では、光電変換層16中のドナードメイン26が、構造一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなる。   Here, in this Embodiment, the donor domain 26 in the photoelectric converting layer 16 consists of a polymer which uses at least any one of the nano graphene shown by structural general formula (1)-(4) as a structural unit.

一般式(1)〜(4)から諒解される通り、ナノグラフェンにおいては、その全体にπ電子雲が広がっている。すなわち、ドナードメイン26をなすポリマーは、π共役系ポリマーである。必然的に、該ポリマーでは、ナノグラフェン単体(モノマー)に比して、π電子雲が広範囲にわたって広がる。   As understood from the general formulas (1) to (4), in the nano graphene, the π electron cloud spreads over the whole. That is, the polymer forming the donor domain 26 is a π-conjugated polymer. Inevitably, in the polymer, the π electron cloud spreads over a wide range as compared with nanographene alone (monomer).

このようにπ電子雲の広がりが大きいポリマーでは、極大吸収波長が長波長側にシフトするとともに吸光係数が大きくなり、これによって、HOMO−LUMO間のエネルギー準位差に相当するバンドギャップ(Eg)が小さくなる。従って、ドナードメイン26において、励起子42の生成が活発となるとともに、太陽光の利用効率が向上する。
また、この場合、ドナーである上記ポリマーのLUMOのエネルギー準位は後述するように約−3.5eVであり、P3HTのLUMOのエネルギー準位(約−2.5eV)に比して深くなる。よって、該ポリマーのLUMOのエネルギー準位は、アクセプタドメイン28をなすPCBM(フラーレン誘導体)のLUMOのエネルギー準位に近い。
In such a polymer having a large spread of the π electron cloud, the maximum absorption wavelength is shifted to the longer wavelength side and the absorption coefficient is increased, whereby the band gap (Eg) corresponding to the energy level difference between HOMO-LUMO. Becomes smaller. Accordingly, in the donor domain 26, the generation of excitons 42 becomes active and the utilization efficiency of sunlight is improved.
In this case, the LUMO energy level of the polymer as a donor is about −3.5 eV as described later, which is deeper than the LUMO energy level of P3HT (about −2.5 eV). Therefore, the LUMO energy level of the polymer is close to the LUMO energy level of PCBM (fullerene derivative) forming the acceptor domain 28.

この理由は、上記ポリマーの構成単位であるナノグラフェンが炭化水素芳香環を基本骨格とする縮合芳香環であり、PCBMの構造に類似するためであると推察される。そして、この結果、BHJ太陽電池10の開放電圧Vocが大きくなる。   The reason for this is presumably because nanographene, which is a constituent unit of the polymer, is a condensed aromatic ring having a hydrocarbon aromatic ring as a basic skeleton, and is similar to the structure of PCBM. As a result, the open circuit voltage Voc of the BHJ solar cell 10 increases.

以上のことが相俟って、BHJ太陽電池10は、優れた光電変換効率を示す。このため、該BHJ太陽電池10では、同一の発電量が得られる他の太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので設置場所に加わる負荷が小さくなり、また、設置レイアウトの自由度が向上する。   In combination with the above, the BHJ solar cell 10 exhibits excellent photoelectric conversion efficiency. For this reason, in this BHJ solar cell 10, an area can be made small compared with the other solar cell from which the same electric power generation amount is obtained. Therefore, since the weight is reduced, the load applied to the installation place is reduced, and the degree of freedom in the installation layout is improved.

次に、本実施の形態に係る光電変換材料を製造する方法につき、上記ポリマーの製造方法との関係で説明する。   Next, a method for producing the photoelectric conversion material according to the present embodiment will be described in relation to the polymer production method.

上記した通り、このポリマーは、可溶性基を導入したポリフェニレンの反応生成物として得ることができる。なお、ここでは、構造U1のポリフェニレンを得た後、該ポリフェニレンに、可溶性基としてアルキル基を導入する場合を例に挙げて説明する。   As described above, this polymer can be obtained as a reaction product of polyphenylene having a soluble group introduced. Here, the case where an alkyl group is introduced into the polyphenylene as a soluble group after obtaining the polyphenylene having the structure U1 will be described as an example.

無置換のポリフェニレンは、例えば、下記の反応式(6)に示すように、ビスシクロペンタジエノンにジアセチレンを反応させることで得ることができる。   Unsubstituted polyphenylene can be obtained, for example, by reacting biscyclopentadienone with diacetylene as shown in the following reaction formula (6).

Figure 0005839596
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なお、ビスシクロペンタジエノンは、既知の方法によって製造することができる。例えば、先ず、1,4−ビスベンジル及びジベンジルケトン(1,3−ジフェニル−2−プロパノン)と、n−ブタノールとを混合して混合溶液を調製する。そして、この混合溶液を加熱しながら、TritonB(水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム)のメタノール溶液を添加すればよい。   Note that biscyclopentadienone can be produced by a known method. For example, first, 1,4-bisbenzyl and dibenzyl ketone (1,3-diphenyl-2-propanone) and n-butanol are mixed to prepare a mixed solution. Then, a methanol solution of Triton B (benzyltrimethylammonium hydroxide) may be added while heating the mixed solution.

次に、このようにして得られた無置換のポリフェニレンの側鎖のフェニル基にアシル基を導入する。具体的には、例えば、下記反応式(7)に示すように、カルボン酸塩化物をアシル化剤とし、塩化アルミニウム(AlCl3)を触媒として、無置換のポリフェニレンをアシル化する。 Next, an acyl group is introduced into the phenyl group of the side chain of the unsubstituted polyphenylene thus obtained. Specifically, for example, as shown in the following reaction formula (7), unsubstituted polyphenylene is acylated using a carboxylic acid chloride as an acylating agent and aluminum chloride (AlCl 3 ) as a catalyst.

Figure 0005839596
Figure 0005839596

なお、式(7)中のRはアルキル基を表す。   In addition, R in Formula (7) represents an alkyl group.

次に、アシル基が導入されたポリフェニレンを、例えば、下記反応式(8)に示すように、水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)及び塩化アルミニウムを還元剤として還元する。これによって、アルキル基が導入されたポリフェニレンが得られる。 Next, the polyphenylene into which the acyl group is introduced is reduced using lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ) and aluminum chloride as a reducing agent, for example, as shown in the following reaction formula (8). Thereby, polyphenylene having an alkyl group introduced therein is obtained.

Figure 0005839596
Figure 0005839596

なお、式(8)中のRはアルキル基を表す。   In addition, R in Formula (8) represents an alkyl group.

図5は、無置換のポリフェニレンと、上記のようにして得られたアシル基が導入されたポリフェニレン及びアルキル基としてヘプチル基(C7H15)が導入されたポリフェニレンそれぞれの1H−核磁気共鳴(NMR)スペクトルであり、図6は、上記ポリフェニレンそれぞれの13C−NMRスペクトルである。なお、図5及び図6において、Aは無置換のポリフェニレンのスペクトル、Bはアシル基が導入されたポリフェニレンのスペクトル、Cはアルキル基が導入されたポリフェニレンのスペクトルをそれぞれ示している。 FIG. 5 shows 1 H-nuclear magnetic resonance (NMR) of each of unsubstituted polyphenylene, polyphenylene with an acyl group introduced as described above, and polyphenylene with a heptyl group (C7H15) introduced as an alkyl group. FIG. 6 is a 13 C-NMR spectrum of each of the above polyphenylenes. 5 and 6, A represents the spectrum of unsubstituted polyphenylene, B represents the spectrum of polyphenylene with an acyl group introduced, and C represents the spectrum of polyphenylene with an alkyl group introduced.

図5及び図6から、AのスペクトルではCH2C=Oのピーク及びCn2n+1のピークが出現していないのに対して、Bのスペクトルではこれらのピークが出現していることが分かる。さらに、AのスペクトルではC=Oのピークが出現していないのに対して、Bのスペクトルでは該ピークが出現している。これらのことから、上記のアシル化によって、無置換のポリフェニレンにアシル基が導入されていると判断し得る。 5 and 6, the CH 2 C═O peak and the C n H 2n + 1 peak do not appear in the spectrum of A, whereas these peaks appear in the spectrum of B. I understand. Further, the C = O peak does not appear in the A spectrum, whereas the peak appears in the B spectrum. From these facts, it can be judged that an acyl group is introduced into unsubstituted polyphenylene by the above acylation.

図5及び図6からは、Cのスペクトルには、AのスペクトルにはないCn2n+1のピークが出現し、且つ、Bのスペクトルで出現したCH2C=Oのピークが出現していないことも分かる。さらに、Cのスペクトルには、Bのスペクトルで出現したC=Oのピークが存在しない。これらのことから、上記のように、アシル基が導入されたポリフェニレンを還元することによって、アルキル基(Cn2n+1)が導入されたポリフェニレンが生成されていると判断し得る。 From FIGS. 5 and 6, a C n H 2n + 1 peak that does not appear in the A spectrum appears in the C spectrum, and a CH 2 C═O peak that appears in the B spectrum appears. You can see that it is not. Further, the C = O peak that appears in the B spectrum does not exist in the C spectrum. From these, as described above, it can be determined that polyphenylene having an alkyl group (C n H 2n + 1 ) introduced therein is produced by reducing polyphenylene having an acyl group introduced.

次に、アルキル基が導入されたポリフェニレンを、例えば、下記反応式(9)に示すように、塩化鉄(FeCl3)を触媒として反応させる。これによって、ナノグラフェンを構成単位とするポリマーが得られる。 Next, the polyphenylene introduced with the alkyl group is reacted using iron chloride (FeCl 3 ) as a catalyst, for example, as shown in the following reaction formula (9). Thereby, a polymer having nanographene as a structural unit is obtained.

Figure 0005839596
Figure 0005839596

なお、式(9)中のRはアルキル基を表す。   In addition, R in Formula (9) represents an alkyl group.

上記したように、アルキル基が存在することに基づく立体障害により、ポリフェニレンの構成単位同士が反応することが回避される。   As described above, the steric hindrance based on the presence of an alkyl group prevents the structural units of polyphenylene from reacting with each other.

ポリフェニレンの構造が上記の構造U2〜U4のいずれかである場合をさらに例示すると、以下の反応式(10)〜(12)に示すように、一般式(2)〜(4)で示すナノグラフェンを構成単位とするポリマーが得られる。   To further illustrate the case where the structure of polyphenylene is any one of the above structures U2 to U4, as shown in the following reaction formulas (10) to (12), the nanographene represented by the general formulas (2) to (4) A polymer as a structural unit is obtained.

Figure 0005839596
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Figure 0005839596
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上記したように、アルキル基が導入されたポリフェニレンでは、複数の構成単位間のカップリング(分子間カップリング)が抑制されている。従って、例えば、触媒としての塩化鉄の量を調整することで、構成単位内の芳香環を全て反応させつつ、架橋構造が形成されることを抑制してポリマーを得ることができる。すなわち、構成単位全体にわたって十分にπ電子雲が広がった縮合芳香環からなるπ共役系ポリマーが得られる。   As described above, in the polyphenylene in which an alkyl group is introduced, coupling between a plurality of structural units (intermolecular coupling) is suppressed. Therefore, for example, by adjusting the amount of iron chloride as a catalyst, it is possible to obtain a polymer while suppressing the formation of a crosslinked structure while reacting all aromatic rings in the structural unit. That is, a π-conjugated polymer composed of a condensed aromatic ring in which the π electron cloud is sufficiently spread over the entire structural unit can be obtained.

上記したように、ポリマーの重合度は10〜150であることが好ましい。10未満である場合、吸光係数がさほどは向上しない。また、150超の場合、重合が終了するまでに長時間を要するので、ポリマーの生産効率が低下するからである。ポリマーの重合度を上記の範囲内に設定するためには、例えば、重合反応時の反応温度や反応時間を、重合度が10〜150となるような条件に設定すればよい。   As described above, the degree of polymerization of the polymer is preferably 10 to 150. When it is less than 10, the extinction coefficient is not improved so much. On the other hand, if it exceeds 150, it takes a long time for the polymerization to end, so the production efficiency of the polymer decreases. In order to set the polymerization degree of the polymer within the above range, for example, the reaction temperature and reaction time during the polymerization reaction may be set to conditions such that the polymerization degree is 10 to 150.

図7は、アルキル基としてヘプチル基が導入されたポリフェニレンと、上記のようにして該ヘプチル基が導入されたポリマー(ナノグラフェンポリマー)のラマンスペクトルである。この図7に示すように、上記ポリフェニレンのスペクトルには側鎖のフェニル基に由来するピークが出現したが、上記ポリマーのスペクトルには、該ピークが出現しなかった。このことから、上記ポリフェニレンの側鎖のフェニル基が反応することにより、ナノグラフェンを構成単位とするポリマーが生成されていると判断し得る。   FIG. 7 is a Raman spectrum of polyphenylene having a heptyl group introduced as an alkyl group and a polymer (nanographene polymer) having the heptyl group introduced as described above. As shown in FIG. 7, although the peak derived from the side chain phenyl group appeared in the spectrum of the polyphenylene, the peak did not appear in the spectrum of the polymer. From this, it can be judged that a polymer having nanographene as a structural unit is produced by the reaction of the phenyl group in the side chain of the polyphenylene.

紫外可視吸収スペクトル法(UV−Vis)、光電子収量分光法(PYS)を行い、HOMO−LUMO間のエネルギー準位(バンドギャップEg)、HOMOのエネルギー準位を求めた結果をまとめて、P3HTとともに図9に併せて示す。   The results of UV-Vis absorption spectroscopy (UV-Vis) and photoelectron yield spectroscopy (PYS) were used to determine the energy level between HOMO-LUMO (bandgap Eg) and the energy level of HOMO. Together with P3HT This is also shown in FIG.

上記した理由から、このポリマーをドナーとして光電変換層16を形成した本実施の形態に係るBHJ太陽電池10では、P3HTをドナーとして用いた従来技術に係るBHJ太陽電池に比して、開放電圧Vocが大きくなる。   For the reason described above, in the BHJ solar cell 10 according to the present embodiment in which the photoelectric conversion layer 16 is formed using this polymer as a donor, the open-circuit voltage Voc is higher than that of the conventional BHJ solar cell using P3HT as a donor. Becomes larger.

なお、このポリマーを含む光電変換層16は、以下のようにして形成することができる。   In addition, the photoelectric converting layer 16 containing this polymer can be formed as follows.

先ず、トルエン、クロロホルム、クロロベンゼン等の適切な溶媒に、上記ポリマーとPCBMを個別に、又は上記ポリマーとPCBMの混合物を添加する。上記ポリマー及びPCBMが溶媒に溶解することにより、溶液が形成される。   First, the polymer and PCBM are added individually or a mixture of the polymer and PCBM to a suitable solvent such as toluene, chloroform, or chlorobenzene. The polymer and PCBM are dissolved in a solvent to form a solution.

次に、この溶液を、スピンコーティング、インクジェット印刷、ローラキャスティング、ロールツーロール法等のいずれかの手法によって、正孔輸送層14上に塗布する。   Next, this solution is applied onto the hole transport layer 14 by any method such as spin coating, ink jet printing, roller casting, or roll-to-roll method.

次に、該正孔輸送層14上の溶液を加熱すると、該溶液が硬化し、光電変換層16が得られる。必要に応じて、アニール処理を施す事でドナードメイン26とアクセプタドメイン28との相分離をさらに促進する事が可能である。その結果、ドナードメイン26とアクセプタドメイン28の接合界面の面積が増大し、性能を向上させることも可能である。   Next, when the solution on the hole transport layer 14 is heated, the solution is cured and the photoelectric conversion layer 16 is obtained. If necessary, the phase separation between the donor domain 26 and the acceptor domain 28 can be further promoted by annealing. As a result, the area of the junction interface between the donor domain 26 and the acceptor domain 28 increases, and the performance can be improved.

ドナーとしてモノマーを用いる場合、モノマーが溶媒に溶解し難いことから、光電変換層16を得る際に上記したような手法を採用することは困難である。これに対し、本実施の形態では、上記のように可溶性基が導入されたポリマーをドナーとして用いる。ポリマーが所定の溶媒に易溶であることから、上記したプロセスによって、光電変換層16を容易且つ簡便に、しかも、低コストで形成することが可能である。   When a monomer is used as a donor, it is difficult to employ the method as described above when obtaining the photoelectric conversion layer 16 because the monomer is difficult to dissolve in a solvent. On the other hand, in this embodiment, a polymer having a soluble group introduced as described above is used as a donor. Since the polymer is easily soluble in a predetermined solvent, the photoelectric conversion layer 16 can be formed easily and simply at a low cost by the above-described process.

なお、本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。   The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、この実施の形態では、光電変換層16にドナーとアクセプタが混在するバルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池(BHJ太陽電池)10を例示して説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池であってもよい。この場合、ドナーからなる層を、上記ポリマーから形成するようにすればよい。   For example, in this embodiment, a bulk heterojunction type organic thin film solar cell (BHJ solar cell) 10 in which donors and acceptors are mixed in the photoelectric conversion layer 16 is described as an example, but the present invention is particularly limited to this. Instead, it may be a planar heterojunction organic thin-film solar cell in which a donor layer and an acceptor layer are individually formed. In this case, the donor layer may be formed from the polymer.

また、この実施の形態では、上記ポリマー(光電変換材料)を有機薄膜太陽電池のドナーとして用いる例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。上記ポリマーを有機薄膜太陽電池のアクセプタとして採用することも可能である。   In this embodiment, an example in which the polymer (photoelectric conversion material) is used as a donor for an organic thin film solar cell has been described. However, the present invention is not particularly limited thereto. It is also possible to employ the polymer as an acceptor for an organic thin film solar cell.

さらに、上記ポリマー(光電変換材料)の用途は、有機薄膜太陽電池の光電変換層16に限定されるものではない。例えば、光センサに採用することも可能である。   Furthermore, the use of the polymer (photoelectric conversion material) is not limited to the photoelectric conversion layer 16 of the organic thin film solar cell. For example, it is also possible to employ for an optical sensor.

10…バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池
12…透明電極 14…正孔輸送層
16…光電変換層 18…裏面電極
24…正孔 26…ドナードメイン
28…アクセプタドメイン 30…構成単位
32、34、39…ベンゼン核 40…電子
42…励起子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Bulk heterojunction type organic thin film solar cell 12 ... Transparent electrode 14 ... Hole transport layer 16 ... Photoelectric conversion layer 18 ... Back surface electrode 24 ... Hole 26 ... Donor domain 28 ... Acceptor domain 30 ... Structural unit 32, 34, 39 ... Benzene nucleus 40 ... electron 42 ... exciton

Claims (7)

電子を供与する電子供与体あるいは電子を受容する電子受容体として機能する光電変換材料において、
一般式(1)〜(4)で表されるグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなることを特徴とする光電変換材料。
Figure 0005839596
Figure 0005839596
Figure 0005839596
Figure 0005839596
ただし、式(1)〜(4)中のR1〜R6の少なくとも一つは、R1〜R6が存在しない場合以外は同一構造であるポリマーよりも有機溶媒に対する溶解性を高める可溶性基を表す。
In a photoelectric conversion material that functions as an electron donor that donates electrons or an electron acceptor that accepts electrons,
A photoelectric conversion material comprising a polymer having at least one of graphene represented by general formulas (1) to (4) as a structural unit.
Figure 0005839596
Figure 0005839596
Figure 0005839596
Figure 0005839596
However, at least one of R1 to R6 in the formulas (1) to (4) represents a soluble group that enhances the solubility in an organic solvent as compared with a polymer having the same structure except when R1 to R6 are not present.
請求項1記載の光電変換材料において、一般式(1)〜(4)中のR1〜R6の全てがアルキル基であることを特徴とする光電変換材料。   The photoelectric conversion material according to claim 1, wherein all of R1 to R6 in the general formulas (1) to (4) are alkyl groups. 請求項2記載の光電変換材料において、一般式(1)〜(4)中のR1〜R6が、炭素数が3〜20個のアルキル基であることを特徴とする光電変換材料。   3. The photoelectric conversion material according to claim 2, wherein R1 to R6 in the general formulas (1) to (4) are alkyl groups having 3 to 20 carbon atoms. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換材料において、前記ポリマーの重合度が10〜150であることを特徴とする光電変換材料。   The photoelectric conversion material of any one of Claims 1-3 WHEREIN: The polymerization degree of the said polymer is 10-150, The photoelectric conversion material characterized by the above-mentioned. 請求項4記載の光電変換材料において、前記ポリマーの分子量が9900〜364000であることを特徴とする光電変換材料。   5. The photoelectric conversion material according to claim 4, wherein the polymer has a molecular weight of 9900 to 364000. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池であって、前記光電変換材料を電子供与体として含む光電変換層を具備することを特徴とする有機薄膜太陽電池。   It is an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion material of any one of Claims 1-5, Comprising: The organic thin film characterized by comprising the photoelectric conversion layer which contains the said photoelectric conversion material as an electron donor. Solar cell. 請求項6記載の有機薄膜太陽電池において、前記電子供与体と、該電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体とが混在する光電変換層を具備するバルクへテロ接合構造をなすことを特徴とする有機薄膜太陽電池。   7. The organic thin film solar cell according to claim 6, wherein a bulk heterojunction structure comprising a photoelectric conversion layer in which the electron donor and an electron acceptor that accepts an electron donated from the electron donor are mixed is formed. An organic thin film solar cell characterized by
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