JP5980418B2 - アミン基を有する非共役高分子を含む有機電子素子用機能層及びこれを含む有機電子素子 - Google Patents

アミン基を有する非共役高分子を含む有機電子素子用機能層及びこれを含む有機電子素子 Download PDF

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Description

本発明は有機電子素子用機能層及びこれを含む有機電子素子に関し、より詳しくはアミン基を有する非共役高分子を含む有機電子素子用機能層及びこれを含む有機電子素子に関する。
一般に、有機電子素子用機能層は、有機発光素子、有機太陽電池、または有機トランジスタのような有機電子素子で素子の特性を向上させるために両電極間に配置されるレイヤ（layer）を意味する。
現在、このような有機電子素子用機能層に用いられる材料は、無機材料及び有機材料に大別されることができ、また無機材料は金属オキサイド、金属カーボネートに区分され、有機材料は自己組織化単分子膜（self-assembled monolayers：ＳＡＭ）、共役高分子電解質（conjugated polyelectrolytes）、及びポリエチレンオキサイドに区分できる。
金属オキサイド材料（metal oxides）は、高い電子移動度を有しており、低いＬＵＭＯレベル（lowest unoccupied molecular orbital）及び高いＨＯＭＯレベル（highest occupied molecular orbital）を有するので、有機電子素子用機能層に広く用いられているが、金属オキサイド材料の特性発現のためには２００以上の高温工程が要求される問題がある。このような高温工程は、大部分フレキシブル基板のガラス転移温度より高い温度で遂行されるので、フレキシブル基板での有機電子素子の具現を困難にするという問題がある。また、インバーテッド構造の有機太陽電池に金属オキサイド機能層を使用する場合には、ＵＶ（ultra violet）を一定時間照射する場合のみにノーマル型有機太陽電池の効率に近接するように効率が増加する現象を見せるので、光活性物質を劣化させる問題がある。
一方、金属カーボネート材料及び自己組織化単分子膜は、均一な超薄膜を形成することに困難性があるだけでなく、連続プリンティング工程に適用され難いという問題がある。また、共役高分子電解質は電極表面で表面双極子（interfacial dipole）を誘導して前記電極の仕事関数を調節する役割を遂行するので、広く用いられているが、共役高分子電解質の合成過程が複雑であるので、有機電子素子の費用増加の主な原因として作用するという問題がある。また、ポリエチレンオキサイド材料の場合には、表面双極子の誘導効果の発現程度が低いので、有機電子素子用機能層に使われるには限界がある。
したがって、前述した従来の有機電子素子用機能層に用いられる材料の以外に新規な材料の開発が求められている。
本発明の実施形態では従来の有機電子素子用機能層材料の問題点を解決することができる高分子材料を含有する有機電子素子用機能層及びこれを含む有機電子素子を提供しようとする。
本発明の一態様によれば、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と第２電極との間に配置される１層以上の有機物層を含む有機電子素子において、前記有機物層は電子輸送層を含み、前記電子輸送層はポリアリルアミンまたはポリリジンを含有する有機電子素子でありうる。
また、前記有機電子素子は、有機発光素子、有機燐光素子、有機太陽電池、及び有機トランジスタからなる群から選択されるものでありうる。
この際、前記有機太陽電池は、ノーマル型構造を有する有機太陽電池、ノーマル型構造を有する直列積層型有機太陽電池、ノーマル型構造を有する並列積層型有機太陽電池、インバーテッド構造を有する有機太陽電池、インバーテッド構造を有する直列積層型有機太陽電池、またはインバーテッド構造を有する並列積層型有機太陽電池でありうる。
また、前記有機発光素子は、ノーマル型構造を有する有機発光素子、ノーマル型構造を有する直列積層型有機発光素子、ノーマル型構造を有する並列積層型有機発光素子、インバーテッド型構造を有する直列積層型有機発光素子、またはインバーテッド構造を有する並列積層型有機発光素子でありうる。
本発明の実施形態では有機電子素子用機能層材料にアミン基を有する非共役高分子を使用することによって、相対的に簡単な合成過程で低温工程を通じて機能層を製造することができる。
また、アミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層は薄膜製作が容易であり、電極表面で強い表面双極子を誘導して電極の仕事関数を大きく調節することができる。
インバーテッド構造を有する有機太陽電池を概略的に示す図である。 インバーテッド構造を有する積層型有機太陽電池を概略的に示す図である。 ノーマル型構造を有する有機発光ダイオードを概略的に示す図である。 インバーテッド構造を有する有機発光ダイオードを概略的に示す図である。 比較例及び実施形態の仕事関数測定結果グラフである。 図１の有機太陽電池における比較例及び実施形態のＩ−Ｖグラフである。 図２の積層型有機太陽電池における実施形態のＩ−Ｖグラフである。 図３ａの有機発光ダイオードにおける比較例及び実施形態の発光効率グラフである。 図３ｂの有機発光ダイオードにおける比較例及び実施形態の発光効率グラフである。
以下、本発明の実施形態に対して具体的に説明する。
本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層は、化学構造内にアミン基を有する非共役高分子（non-conjugated polymer）を含有することを一特徴とする。本明細書において、前記化学構造内にアミン基を有する非共役高分子が含まれるという記載は、高分子のバックボーン（backbone）または側鎖（side chain）にアミン基を有する非共役高分子が含まれることを意味する。
この際、前記アミン基を有する非共役高分子は、ポリエチレンイミン（polyethyleneimine）、ポリアリルアミン（polyallylamine）、またはポリリジン（polylysine）でありうるが、これに限定されるものではない。即ち、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層は、アミン基を有する非共役高分子を全て含むことができる。
アミン基を有する非共役高分子に、前記で例示したポリエチレンイミン（polyethyleneimine）、ポリアリルアミン（polyallylamine）、及びポリリジン（polylysine）の構造式は以下の通りである。
［構造式１］
ポリエチレンイミン（polyethyleneimine）
［構造式２］
ポリアリルアミン（polyallylamine）
［構造式３］
ポリリジン（polylysine）
アミン基を有する非共役高分子は有機物質であるので、従来の金属オキサイド材料のように高温工程が要求されず、ＵＶ（ultraviolet）依存現象が表れない。したがって、工程過程でのフレキシブル基板の変形が起こらないので、フレキシブル基板に対して有機電子素子を適用させることができ、インバーテッド構造の有機太陽電池に使われる場合にも光活性物質を劣化させる現象が発生しないという長所がある。
また、アミン基を有する非共役高分子は、高分子の薄膜形成の優秀性によって従来に機能層に使われていた金属カーボネート材料、または自己組織化単分子膜とは異なり、超薄膜を形成できるだけでなく、連続プリンティング工程にも適用できるという長所がある。
また、アミン基を有する非共役高分子は水に溶かす場合、容易に陽性子添加反応（protonation）が起こることができるので、電極表面で強い表面双極子（interfacial dipole）を誘導することによって、前記電極の仕事関数を大きく調節することができる。したがって、電極及び光活性物質の間のエネルギー障壁を減らすことによって、有機電子素子の効率向上に寄与することができる。
即ち、アミン基を有する非共役高分子は、従来の共役高分子電解質より相対的に簡単な工程でも同一またはその以上の電極仕事関数調節効果があり、イオン性を帯びないポリエチレンオキサイド材料より電極の仕事関数を大きく調節できるという長所を有する。このようなアミン基を有する非共役高分子を用いた有機電子素子の効果については後述する試験例を通じて補充して説明する。一方、前記で例示したポリエチレンイミン（polyethyleneimine）、ポリアリルアミン（polyallylamine）、及びポリリジン（polylysine）の陽性子添加反応を以下に図示した。
（陽性子添加反応）
本発明では、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層を含む有機電子素子を提供する。
この際、前記有機電子素子は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と第２電極との間に配置される１層以上の有機物層を含む素子を意味する。このような有機電子素子の種類には、有機発光素子、有機燐光素子、高分子発光ダイオード、有機太陽電池、または有機トランジスタなどがあるが、これに限定されるものではない。また、前記有機太陽電池は、ノーマル型構造を有する有機太陽電池、ノーマル型構造を有する直列積層型有機太陽電池、ノーマル型構造を有する並列積層型有機太陽電池、インバーテッド構造を有する有機太陽電池、インバーテッド構造を有する直列積層型有機太陽電池、または並列積層型有機太陽電池などを含むことができるが、これに限定されるものではない。また、前記有機発光素子（または、高分子発光ダイオード）は、ノーマル型構造を有する有機発光素子、ノーマル型構造を有する直列積層型有機発光素子、ノーマル型構造を有する並列積層型有機発光素子、インバーテッド型構造を有する直列積層型有機発光素子、またはインバーテッド構造を有する並列積層型有機発光素子などを含むことができるが、これに限定されるものではない。
以下、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層が適用された有機電子素子の応用例に対して説明する。しかしながら、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層は、以下の応用例のみに適用されることに限定されるものではない。即ち、以下の応用例では、各々インバーテッド構造を有する有機太陽電池（応用例１）、インバーテッド構造を有する積層型有機太陽電池（応用例２）、ノーマル型／インバーテッド型構造を有する有機発光ダイオード（応用例３）を例示しているが、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層はノーマル型構造を有する有機太陽電池または積層型有機太陽電池にも適用できる。
一方、本明細書の応用例に記載された有機電子素子の構成要素または層（layer）は、添付した図面を基準に提示されただけであることを明らかにする。即ち、以下に記載される応用例において、言及される構成要素または層（layer）のみから構成される場合だけでなく、前記構成要素または層の間に他の構成要素または層が介されるか、または存在する場合も本発明の応用例に含まれることができる。但し、説明の便宜のために、以下に記載される応用例は添付した図面に図示された構成要素または層で構成された場合を中心に説明する。
［応用例１：インバーテッド構造を有する有機太陽電池］
図１は、インバーテッド構造を有する有機太陽電池１００（以下、インバーテッド有機太陽電池）を概略的に示す図である。
図１を参照すると、インバーテッド有機太陽電池１００は、基板１１０、第１電極１２０、第１機能層１３０、光電変換層１４０、第２機能層１５０、及び第２電極１６０が順次に積層された構造を有することができる。
基板１１０は、ガラス、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＥＮ（polyethylene naphthalate）、ＰＰ（polypropylene）、ＰＩ（polyimide）、ＰＣ（polycarbornate）、ＰＳ（polystylene）、ＰＯＭ（polyoxyethylene）、ＡＳ（acrylonitrile styrene copolymer）樹脂、ＡＢＳ（acrylonitrile butadiene styrene copolymer）樹脂、及びＴＡＣ（Triacetyl cellulose）などを含むプラスチックのような柔軟で透明な物質であることがあり、これに限定されるものではない。例えば、基板１１０は半透明または不透明物質で製造されるか、基板１１０に半透明または不透明金属電極がコーティングされた形態を使用することも可能である。
第１電極１２０はカソードの機能をする部分であって、第２電極１６０より仕事関数が大きい物質が使用できる。例えば、第１電極１２０は、ＩＴＯ（indium tin oxide）、金、銀、フロリンがドーピングされたチンオキサイド（fluorine doped tin oxide；ＦＴＯ）、アルミニウムがドーピングされたジンクオキサイド（aluminum doped zink oxide；ＡＺＯ）、ＩＺＯ（indium zink oxide）、ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Poly（3,4-ethylenedioxythiophene）：poly（styrenesulfonate））、ＰＡＮＩ：ＣＳＡ（polyaniline：camphorsulfonic acid）、グラフェン（Graphene）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ；Carbon Nano Tube）、ナノワイヤー（Nanowire）、またはＡＴＯ（antimony tin oxide）でありうるが、これに限定されず、カソードとして機能する全ての種類の公知された物質が使用できる。
第１機能層１３０は、電子輸送層（乃至電子捕獲層）として機能することができる。この際、第１機能層１３０は本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層であることがあり、具体的には、アミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層でありうる。ここで、アミン基を有する非共役高分子の例には、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、またはポリリジンなどがある。
第１機能層１３０がアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層の場合に、強い表面双極子を誘導して第１電極１２０の仕事関数を低めることができる。したがって、一般的にアノードに使われるＩＴＯ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＰＡＮＩ：ＣＳＡ、グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノワイヤーなどの物質をカソードに使用することが可能である。
光電変換層１４０は電子供与体及び電子収容体が混合されて存在するＢＨＪ（bulk hetero-junction）構造であって、前記電子供与体は高分子半導体、低分子半導体などが使用できる。
例えば、前記電子供与体は、ＰＰV（poly（para-phenylene vinylene）系列の物質、ポリチオフェン（polythiophene）誘導体、及びフタロシアニン（phthalocyanine）系物質からなる群から選択できる。このような物質の例には、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ペンタセン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）などがあるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
また、前記電子収容体は電子親和度の大きいプラーレン（Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ９０、Ｃ９４、Ｃ９６、Ｃ７２０、Ｃ８６０など）；１−（３−メトキシ−カルボニル）プロピル−１−フェニル（６，６）Ｃ６１（１−（３−methoxy-carbonyl）propyl−１−phenyl（６，６）Ｃ６１：ＰＣＢＭ）、Ｃ７１−ＰＣＢＭ、Ｃ８４−ＰＣＢＭ、ｂｉｓ−ＰＣＢＭ、ＴｈＣＢＭ（thienyl−Ｃ６１−butyricacidmethylester）などのプラーレン誘導体を使用することができるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる
第２機能層１５０は、正孔輸送層（乃至正孔捕獲層）として機能することができ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリスチレンスルホネート）;モリブデニウムオキサイド、バナジウムオキサイド、タングステンオキサイドなどの金属オキサイド、共役または非共役高分子電解質、自己組織化単分子膜（self-assembled monolayers：ＳＡＭ）などの物質を使用することができるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
第２電極１６０は、アノードの機能をする部分であって、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、アルミニウム、銀、すず、及び鉛などの金属、またはこれらの合金などが使用できるが、これに限定されず、アノードとして機能する全ての種類の公知された物質が使用できる
一方、前述したインバーテッド有機太陽電池の製造方法及び工程は公知された製造方法及び工程と同一または類似するので、具体的な説明は省略する。
［応用例２：インバーテッド構造を有する積層型有機太陽電池］
図２は、インバーテッド構造を有する積層型有機太陽電池２００（以下、インバーテッド積層型有機太陽電池）を概略的に示す図である。
図２を参照すると、インバーテッド積層型有機太陽電池２００は、第１電極２１０、第１機能層２２０、第１光活性層２３０、第２機能層２４１、及び第３機能層２４２が積層されて形成される再結合層２４０、第２光活性層２５０、第４機能層２６０、及び第２電極２７０が基板（図示せず）上に順次に積層された構造を有することができる。この際、前記基板は通常的に使われる基板を用いることができるところ、具体的な説明は省略する。
第１電極２１０、第１光活性層２３０、第２光活性層２５０、及び第２電極２７０は、前述した応用例１で記載したことと同一／または類似の物質で製造できるので、ここでは重複する説明を省略する。
第１機能層２２０は電子輸送層として機能することができ、第１光活性層２３０で発生した電子を第１電極２１０に輸送する役割を遂行する。この際、第１機能層２２０は本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層であることがあり、具体的にはアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層でありうる。ここで、アミン基を有する非共役高分子の例には、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、またはポリリジンなどがある。
第１機能層２２０がアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層の場合に、強い表面双極子を誘導して第１電極２１０の仕事関数を低めることができる。したがって、一般的にアノードに使われるＩＴＯ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＰＡＮＩ：ＣＳＡ、グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノワイヤーなどの物質をカソードに使用することが可能である。
再結合層２４０は第１光活性層２３０で発生した正孔と第２光活性層２５０で発生した電子が再結合（Recombination）する層であって、第２機能層２４１及び第３機能層２４２が接合した構造を有することができる。
この際、第２機能層２４１は第１光活性層２３０から正孔流入が容易で、電子流入は容易でないようにして、正孔を輸送する役割を遂行するものであって、ｐ型半導体、金属酸化物、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのような物質が使用できるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
一方、第３機能層２４２は第２光活性層２５０から電子流入が容易で、正孔流入は容易でないようにして電子を輸送する役割を遂行するものであって、第３機能層２４２は本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層でありうる。即ち、第３機能層２４２はアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層でありうる。ここで、アミン基を有する非共役高分子の例には、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、またはポリリジンなどがある。
第４機能層２６０は正孔輸送層として機能することができ、第２光活性層２５０で発生した正孔を第２電極２７０に輸送する役割を遂行する。第４機能層２６０は、金属酸化物またはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのような物質を使用することができるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
一方、前述したインバーテッド積層型有機太陽電池の製造方法及び工程は公知された製造方法及び工程と同一または類似するので、具体的な説明は省略する。
［応用例３：有機発光ダイオード］
図３ａはノーマル型構造を有する有機発光ダイオード３００ａ（以下、ノーマル型有機発光ダイオード）を概略的に示す図であり、図３ｂはインバーテッド構造を有する有機発光ダイオード３００ｂ（以下、インバーテッド型有機発光ダイオード）を概略的に示す図である。
ノーマル型有機発光ダイオード３００ａは、基板及び第１電極３１０ａ、第１機能層３２０ａ、発光層３３０ａ、第２機能層３４０ａ、及び第２電極３５０ａが順次に積層された構造を有することができる。基板及び第１電極３１０ａ、発光層３３０ａ、第２電極３５０ａは、ノーマル型有機発光ダイオードで通常される物質を使用して構成できるところ、具体的な説明は省略する。この際、基板及び第１電極３１０ａは基板の上部に第１電極が形成された形態を意味する。これと関連して、図３ａでは基板及び第１電極３１０ａにガラス／ＩＴＯ、第２電極３５０ａにＡｌが使われた場合を図示したことを明らかにする。
第１機能層３２０ａは、正孔注入層または正孔輸送層、または正孔注入層／正孔輸送層が積層された形態のうちから選択できるが、これに限定されるものではない。また、第１機能層３２０ａにＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが使用できるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
第２機能層３４０ａは、電子注入層または電子輸送層、または電子注入層／電子輸送層が積層された形態のうちから選択できるが、これに限定されるものではない。この際、第２機能層３４０ａは本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層であることがあり、具体的にはアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層でありうる。ここで、アミン基を有する非共役高分子の例には、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、またはポリリジンなどがある。
一方、インバーテッド型有機発光ダイオード３００ｂは、基板及び第１電極３１０ｂ、第１機能層３２０ｂ、発光層３３０ｂ、第２機能層３４０ｂ、及び第２電極３５０ｂが積層された構造を有することができる。基板及び第１電極３１０ｂ、発光層３３０ｂ、及び第２電極３５０ｂは、インバーテッド型有機発光ダイオードで通常される物質を使用して構成できるところ、具体的な説明は省略する。この際、基板及び第１電極３１０ｂは基板の上部に第１電極が形成された形態を意味する。これと関連して、図３ｂでは基板及び第１電極３１０ｂにガラス／ＩＴＯ、第２電極３５０ｂにＡｇが使われた場合を図示したことを明らかにする。
第１機能層３２０ｂは、電子注入層または電子輸送層、または電子注入層／電子輸送層が積層された形態のうちから選択できるが、これに限定されるものではない。この際、第１機能層３２０ｂは本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層であることがあり、具体的にはアミン基を有する非共役高分子を含有する有機電子素子用機能層でありうる。ここで、アミン基を有する非共役高分子の例には、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、またはポリリジンなどがある。
第２機能層３４０ｂは、正孔注入層または正孔輸送層、または正孔注入層／正孔輸送層が積層された形態のうちから選択できるが、これに限定されるものではない。また、第２機能層３４０ｂにＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが使用できるが、これに限定されず、全ての種類の公知された物質が使用できる。
前述したノーマル型／インバーテッド型有機発光ダイオードの製造方法及び工程は公知された製造方法及び工程と同一または類似するので、具体的な説明は省略する。
前述したように、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層は多様な有機電子素子に適用されることができ、本発明の一実施形態に係る有機電子素子用機能層が適用される有機電子素子の特性を強化させることができる。
以下、本発明の試験例に対して説明する。但し、下記の試験例が本発明を限定しないことは自明である。
［試験例］
［仕事関数測定結果］
以下の＜表１＞のように、比較例及び実施形態を準備し、ＩＴＯ薄膜の上に比較例及び実施形態に該当する物質を各々コーティングして機能層を形成した。次に、ＩＴＯ／機能層積層体の各々に対して仕事関数（work function）を測定した。実施形態に該当する物質はSigma-Aldrich社から入手したものであり、仕事関数測定はKelvin Probe Measurementを用いて遂行された。
図４は、比較例及び実施形態の仕事関数測定結果グラフである。図４を参照すると、機能層のないＩＴＯの仕事関数は約４．８ｅＶであった。ＰＥＯが機能層に適用されたＩＴＯの場合には（比較例）仕事関数が約４．４ｅＶに仕事関数が多少減少したが、ＰＡＡ、ＰＬＳ、ＰＥＩのようにアミン基を有する非共役高分子が適用されたＩＴＯの場合には（実施形態１から３）仕事関数が各々約４．２ｅＶ、４．１ｅＶ、及び４．０ｅＶに減少する程度が増加することを確認した。
［有機太陽電池への適用結果］
図１に図示されたインバーテッド構造を有する有機太陽電池を製造し、かつ第１機能層１３０を前記＜表１＞に表した比較例及び実施形態によって各々製造した。
前記インバーテッド有機太陽電池の製造過程は、次の通りである。まず、第１電極にＩＴＯがコーティングされたガラス基板を洗浄し、DI-water、acetone、及びＩＰＡ（isopropyl alcohol）で超音波処理して洗浄した後、１００で乾燥した。次に、ＩＴＯの表面の残余汚染物を除去し、表面の親水性改質のためにＵＶ／オゾン処理を行った。次に、前記ＩＴＯの表面に比較例及び実施形態に該当する物質をスピンコーティングして機能層薄膜を各々形成し、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、電子ドナー物質としてＰ３ＨＴ（poly（3-hexylthiophene））と電子アクセプタ物質としてＰＣ７０ＢＭをクロルベンゼンに入れてブレンディングして製造されたＰ３ＨＴ：ＰＣ７０ＢＭ溶液をスピンコーティングして前記機能層薄膜の上部に光活性層として形成し、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液を前記光活性層の上部にスピンコーティングして薄膜を形成し、溶媒を揮発させた。最後に、真空チャンバーでＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の上部に第２電極にＡｇを蒸着して有機太陽電池サンプルを製造した。上記のように製造された有機太陽電池サンプルは、下からGlass／ＩＴＯ／ＰＥＯ、ＰＡＡ、ＰＬＳ、またはＰＥＩ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣ７０ＢＭ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇの構造を有する。
次に、上記のように製作された有機太陽電池の効率を測定し、その結果を以下の＜表２＞に表した。これと関連して、図５は図１の有機太陽電池における比較例及び実施形態のＩ−Ｖグラフである。
＜表２＞及び図５を参照すると、比較例に比べて実施形態の場合がエネルギー変換効率が格段に向上することを確認することができる。これは、前述したように実施形態に該当するアミン基を有する非共役高分子が強い表面双極子を誘導してＩＴＯ電極の仕事関数を低めるすることによって、電子収集が容易になるためである。
［積層型有機太陽電池への適用結果］
図２に図示されたインバーテッド構造を有する積層型有機太陽電池を製造し、かつ第１機能層２２０及び再結合層２４０の第３機能層２４２を実施形態３に該当するＰＥＩ（polyethyleneimine）を用いて製造した。
前記インバーテッド積層型有機太陽電池の製造過程は、次の通りである。まず、第１電極にＩＴＯがコーティングされたガラス基板を洗浄し、DI-water、acetone、及びＩＰＡ（isopropyl alcohol）で超音波処理して洗浄した後、１００で乾燥した。次に、ＩＴＯの表面の残余汚染物を除去し、表面の親水性改質のためにＵＶ／オゾン処理を行った。次に、前記ＩＴＯの表面にＰＥＩをスピンコーティングして機能層薄膜を形成し（実施形態３）、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、Ｐ３ＨＴ：ＰＣ７０ＢＭ溶液をスピンコーティングして前記機能層薄膜の上部に光活性層として形成し、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液を前記光活性層の上部にスピンコーティングして薄膜形成し、溶媒を揮発させた。前述した過程をもう１回繰り返した後、最後に、真空チャンバーでＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の上部に第２電極にＡｇを蒸着して積層型有機太陽電池サンプルを製造した。上記のように製造されたインバーテッド積層型有機太陽電池サンプルは、下からGlass／ＩＴＯ／ＰＥＩ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣ７０ＢＭ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＰＥＩ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣ７０ＢＭ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇの構造を有する。
図６は、図２の積層型有機太陽電池における実施形態のＩ−Ｖグラフである。
図６を参照すると、ＰＥＩを適用したインバーテッド積層型有機太陽電池は開放電圧（Ｖｏｃ、Ｖ）１．２Ｖ、短絡電流（Ｊｓｃ、ｍＡ／ｃｍ２）５．４ｍＡ／ｃｍ２、Fill Factor０．５４、効率（％）３．５に一般的な積層型有機太陽電池の効率である１〜２％より効率が向上することを確認した。
［有機発光ダイオードへの適用結果］
図３ａ及び図３ｂに図示された有機発光ダイオードを製造した。ノーマル型有機発光ダイオードでは、第２機能層３４０ａを実施形態３に該当するＰＥＩ（polyethyleneimine）を用いて製造し、これを第２機能層３４０ａがない場合（比較例２）と発光効率を比較した（図３ａ参照）。
前記ノーマル型有機発光ダイオードの製造過程は、次の通りである。まず、第１電極にＩＴＯがコーティングされたガラス基板を洗浄し、DI-water、acetone、及びＩＰＡ（isopropyl alcohol）で超音波処理して洗浄した後、１００で乾燥した。次に、ＩＴＯの表面の残余汚染物を除去し、表面の親水性改質のためにＵＶ／オゾン処理を行った。次に、前記ＩＴＯの表面にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液をスピンコーティングし、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、発光層溶液でpoly（9,9-dioctylfluorene）ＰＦＯブルー物質（以下、ＰＦＯ）をＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の上部面にスピンコーティングし、ホットプレートで溶媒を揮発させた。次に、前記発光層の上部面にＰＥＩ物質をスピンコーティングして機能層を形成し、溶媒を揮発させた。最後に、真空チャンバーから第２電極にＡｌを蒸着して有機発光ダイオードサンプルを製作した。この際、前記発光層の上部に直ぐＡｌを蒸着して比較例２のサンプルも別途に製作した。上記のように製造されたノーマル型有機発光ダイオードは、各々下からGlass／ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＰＦＯ／ＰＥＩ／Ａｌの構造（実施形態３）、そしてGlass／ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＰＦＯ／Ａｌの構造（比較例２）を有する。
図７は、図３ａの有機発光ダイオードにおける比較例及び実施形態の発光効率グラフである。
図７を参照すると、ＰＥＩ物質を機能層に形成した場合（実施形態３）には最大輝度が７７５３ｃｄ／ｍ２（１０Ｖ）に測定され、そうでない場合（比較例２）には最大輝度が３６．７ｃｄ／ｍ２（１３Ｖ）に測定された。したがって、ノーマル型有機発光ダイオードでアミン基を有する非共役高分子を機能層に使用した場合、有機発光ダイオードの効率が格段に向上することを確認した。
一方、インバーテッド型有機発光ダイオードでは第１機能層３２０ｂを実施形態３に該当するＰＥＩ（polyethyleneimine）を用いて製造し、第１機能層３２０ｂをＴｉＯｘで製造した場合（比較例３）と発光効率を比較した（図３ｂ参照）。
前記インバーテッド型有機発光ダイオードの製造過程は、次の通りである。まず、第１電極にＩＴＯがコーティングされたガラス基板を洗浄し、DI-water、acetone及びＩＰＡ（isopropyl alcohol）で超音波処理して洗浄した後、１００で乾燥した。次に、ＩＴＯの表面の残余汚染物を除去し、表面の親水性改質のためにＵＶ／オゾン処理を行った。次に、ＩＴＯの上部にＰＥＩ物質をスピンコーティングして機能層を形成し、溶媒を揮発させた。次に、前記機能層の上部面に発光層溶液でPoly［（9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl）-alt-（benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl）］（Ｆ８ＢＴ）グリーン物質（以下、Ｆ８ＢＴ）をスピンコーティングし、ホットプレートで溶媒を揮発させた。この際、前記ＩＴＯの上部に直ぐ発光層を形成して比較例３のサンプルも別途に製作した。次に、前記発光層の表面にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液をスピンコーティングし、ホットプレートで溶媒を揮発させた。最後に、真空チャンバーで第２電極にＡｇを蒸着して有機発光ダイオードサンプルを製作した。上記のように製造されたインバーテッド型有機発光ダイオードは、各々下からGlass／ＩＴＯ／ＰＥＩ／Ｆ８ＢＴ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇの構造（実施形態３）、そしてGlass／ＩＴＯ／Ｆ８ＢＴ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇの構造（比較例３）を有する。
図８は、図３ｂの有機発光ダイオードにおける比較例及び実施形態の発光効率グラフである。
図８を参照すると、ＰＥＩ物質を機能層に形成した場合（実施形態３）には最大輝度が１７５９ｃｄ／ｍ２（１３Ｖ）に測定され、そうでない場合（比較例３）には最大輝度が１９．３ｃｄ／ｍ２（３２Ｖ）に測定された。したがって、インバーテッド型有機発光ダイオードでも同様にアミン基を有する非共役高分子を機能層として使用した時、有機発光ダイオードの効率が格段に向上することを確認した。
以上、本発明の一実施形態に対して説明したが、該当技術分野で通常の知識を有する者であれば、特許請求範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を多様に修正及び変更させることができ、これもまた本発明の権利範囲内に含まれる。
１００ インバーテッド有機太陽電池
１１０ 基板
１２０ 第１電極
１３０ 第１機能層
１４０ 光電変換層
１５０ 第２機能層
１６０ 第２電極
２００ インバーテッド積層型有機太陽電池
２１０ 第１電極
２２０ 第１機能層
２３０ 第１光活性層
２４０ 再結合層
２４１ 第２機能層
２４２ 第３機能層
２５０ 第２光活性層
２６０ 第４機能層
２７０ 第２電極
３００ａ ノーマル型有機発光ダイオード
３１０ａ 基板及び第１電極
３２０ａ 第１機能層
３３０ａ 発光層
３４０ａ 第２機能層
３５０ａ 第２電極
３００ｂ インバーテッド型有機発光ダイオード
３１０ｂ 基板及び第１電極
３２０ｂ 第１機能層
３３０ｂ 発光層
３４０ｂ 第２機能層
３５０ｂ 第２電極

Claims (4)

  1. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極と第２電極との間に配置される１層以上の有機物層を含む有機電気素子であって、
    前記有機物層は電子輸送層を含み、前記電子輸送層はポリアリルアミンまたはポリリジンを含有することを特徴とする、有機電子素子。
  2. 前記有機電子素子は、有機発光素子、有機燐光素子、有機太陽電池、及び有機トランジスタからなる群から選択されるものであることを特徴とする、請求項１に記載の有機電子素子。
  3. 前記有機太陽電池は、ノーマル型構造を有する有機太陽電池、ノーマル型構造を有する直列積層型有機太陽電池、ノーマル型構造を有する並列積層型有機太陽電池、インバーテッド構造を有する有機太陽電池、インバーテッド構造を有する直列積層型有機太陽電池、またはインバーテッド構造を有する並列積層型有機太陽電池であることを特徴とする、請求項２に記載の有機電子素子。
  4. 前記有機発光素子は、ノーマル型構造を有する有機発光素子、ノーマル型構造を有する直列積層型有機発光素子、ノーマル型構造を有する並列積層型有機発光素子、インバーテッド構造を有する直列積層型有機発光素子、またはインバーテッド構造を有する並列積層型有機発光素子であることを特徴とする、請求項２に記載の有機電子素子。
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