JP5999095B2 - 高分子化合物及び電子素子 - Google Patents

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Description

本発明は、特定の構造を有する高分子化合物及びそれを用いた電子素子に関する。
近年、地球温暖化防止のため、大気中に放出されるCOの削減が求められている。例えば、家屋の屋根にpn接合型のシリコン系太陽電池などを用いるソーラーシステムの採用が提唱されているが、上記シリコン系太陽電池に用いられる単結晶、多結晶及びアモルファスシリコンは、その製造工程において高温及び高真空条件が必要であるという問題がある。
一方、有機光電変換素子の一態様である有機薄膜太陽電池は、シリコン系太陽電池の製造プロセスに用いられる高温及び高真空プロセスが省略でき、塗布プロセスのみで安価に製造できる可能性があり、近年注目されている。有機薄膜太陽電池に用いる高分子化合物としては、繰り返し単位(A)及び繰り返し単位(B)からなる高分子化合物が提案されている(WO2011/052709)。
Figure 0005999095
しかしながら、前記高分子化合物を含む有機層を有する有機光電変換素子は、光電変換効率が必ずしも十分ではない。
本発明は、有機光電変換素子に含まれる有機層に用いた場合に、光電変換効率が大きくなる高分子化合物を提供する。
即ち、本発明は、式(1)で表される構成単位と式(2)で表される構成単位とを含む高分子化合物を提供する。
Figure 0005999095
〔式中、Rは水素原子又は置換基を表す。Yは酸素原子、硫黄原子又は−N(R)−を表す。Rは水素原子又は置換基を表す。環Z及び環Zは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭素環又は置換基を有していてもよい複素環を表す。〕
Figure 0005999095
〔式中、Rは、Rとは異なり、水素原子又は置換基を表す。Yは、酸素原子、硫黄原子又は−N(R)−を表す。Rは水素原子又は置換基を表す。環Z及び環Zは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭素環又は置換基を有していてもよい複素環を表す。〕
また、本発明は、さらに式(3)で表される構成単位を含む前記高分子化合物を提供する。
Figure 0005999095
〔式中、Arは、式(1)で表される構成単位及び式(2)で表される構成単位とは異なり、置換基を有していてもよいアリーレン基又は置換基を有していてもよい2価の複素環基を表す。〕
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子化合物は式(1)で表される構成単位と式(2)で表される構成単位とを含むことを特徴とする。
Figure 0005999095
式(1)中、Rは、水素原子又は置換基を表す。Rで表される置換基としては、例えば、ハロゲン原子、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアルキルチオ基、置換されていてもよいアリール基、置換されていてもよいアリールオキシ基、置換されていてもよいアリールチオ基、置換されていてもよいアリールアルキル基、置換されていてもよいアリールアルコキシ基、置換されていてもよいアリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、イミノ基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、置換されていてもよいアリールアルケニル基、置換されていてもよいアリールアルキニル基、置換されていてもよいカルボキシ基、ニトロ基及びシアノ基が挙げられる。
で表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子が挙げられる。
で表されるアルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよく、環状であってもよい。アルキル基の炭素数は、通常1〜30である。アルキル基は置換基を有していてもよく、置換基としては、ハロゲン原子が挙げられる。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル墓、ペンチル基、イソペンチル基、2−メチルブチル基、1−メチルブチル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、3−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基、イソオクチル基、2−エチルヘキシル基、3,7−ジメチルオクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル墓、オクタデシル基及びエイコシル基等の鎖状アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基及びアダマンチル基等のシクロアルキル基が挙げられる。
で表されるアルコキシ基のアルキル部分は、直鎖状でも分岐状でもよく、環状であってもよい。アルコキシ基は、置換基を有していてもよい。アルコキシ基の炭素数は、通常1〜20であり、置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基、イソブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基、ラウリルオキシ基、トリフルオロメトキシ基、ペンタフルオロエトキシ基、パーフルオロブトキシ基、パーフルオロヘキシルオキシ基、パーフルオロオクチルオキシ基、メトキシメチルオキシ基及び2−メトキシエチルオキシ基が挙げられる。
で表されるアルキルチオ基のアルキル部分は、直鎖状でも分岐状でもよく、環状であってもよい。アルキルチオ基は、置換基を有していてもよい。アルキルチオ基の炭素数は、通常1〜20であり、置換基としては、ハロゲン原子が挙げられる。置換基を有していてもよいアルキルチオ基の具体例としては、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、イソプロピルチオ基、ブチルチオ基、イソブチルチオ基、tert−ブチルチオ基、ペンチルチオ基、ヘキシルチオ基、シクロヘキシルチオ基、ヘプチルチオ基、オクチルチオ基、2−エチルヘキシルチオ基、ノニルチオ基、デシルチオ基、3,7−ジメチルオクチルチオ基、ラウリルチオ基及びトリフルオロメチルチオ基が挙げられる。
で表されるアリール基は、芳香族炭化水素から芳香環上の水素原子1個を除いた基を意味し、その炭素数は通常6〜60である。アリール基は、置換基を有していてもよく、置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリール基の具体例としては、フェニル基、C1〜C12アルコキシフェニル基(C1〜C12アルコキシは、炭素数1〜12のアルコキシであることを示す。C1〜C12アルコキシは、好ましくはC1〜C8アルコキシであり、より好ましくはC1〜C6アルコキシである。C1〜C8アルコキシは、炭素数1〜8のアルコキシであることを示し、C1〜C6アルコキシは、炭素数1〜6のアルコキシであることを示す。C1〜C12アルコキシ、C1〜C8アルコキシ及びC1〜C6アルコキシの具体例としては、上記アルコキシ基で説明し例示したものが挙げられる。以下も同様である。)、C1〜C12アルキルフェニル基(C1〜C12アルキルは、炭素数1〜12のアルキルであることを示す。C1〜C12アルキルは、好ましくはC1〜C8アルキルであり、より好ましくはC1〜C6アルキルである。C1〜C8アルキルは、炭素数1〜8のアルキルであることを示し、C1〜C6アルキルは、炭素数1〜6のアルキルであることを示す。C1〜C12アルキル、C1〜C8アルキル及びC1〜C6アルキルの具体例としては、上記アルキル基で説明し例示したものが挙げられる。以下も同様である。)、1−ナフチル基、2−ナフチル基及びペンタフルオロフェニル基が挙げられる。
で表されるアリールオキシ基は、その炭素数が通常6〜60であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリールオキシ基の具体例としては、フェノキシ基、C1〜C12アルコキシフェノキシ基、C1〜C12アルキルフェノキシ基、1−ナフチルオキシ基、2−ナフチルオキシ基及びペンタフルオロフェニルオキシ基が挙げられる。
で表されるアリールチオ基は、その炭素数が通常6〜60であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリールチオ基の具体例としては、フェニルチオ基、C1〜C12アルコキシフェニルチオ基、C1〜C12アルキルフェニルチオ基、1−ナフチルチオ基、2−ナフチルチオ基及びペンタフルオロフェニルチオ基が挙げられる。
で表されるアリールアルキル基は、その炭素数が通常7〜60であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリールアルキル基の具体例としては、フェニル−C1〜C12アルキル基、C1〜C12アルコキシフェニル−C1〜C12アルキル基、C1〜C12アルキルフェニル−C1〜C12アルキル基、1−ナフチル−C1〜C12アルキル基及び2−ナフチル−C1〜C12アルキル基が挙げられる。
で表されるアリールアルコキシ基は、その炭素数が通常7〜60であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリールアルコキシ基の具体例としては、フェニル−C1〜C12アルコキシ基、C1〜C12アルコキシフェニル−C1〜C12アルコキシ基、C1〜C12アルキルフェニル−C1〜C12アルコキシ基、1−ナフチル−C1〜C12アルコキシ基及び2−ナフチル−C1〜C12アルコキシ基が挙げられる。
で表されるアリールアルキルチオ基は、その炭素数が通常7〜60であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。置換基を有していてもよいアリールアルキルチオ基の具体例としては、フェニル−C1〜C12アルキルチオ基、C1〜C12アルコキシフェニル−C1〜C12アルキルチオ基、C1〜C12アルキルフェニル−C1〜C12アルキルチオ基、1−ナフチル−C1〜C12アルキルチオ基及び2−ナフチル−C1〜C12アルキルチオ基が挙げられる。
で表されるアシル基は、カルボン酸中の水酸基を除いた基を意味し、その炭素数が通常2〜20である。アシル基の具体例としては、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ピバロイル基、トリフルオロアセチル基等の炭素数2〜20のハロゲンで置換されていてもよいアルキルカルボニル基、ベンゾイル基、ペンタフルオロベンゾイル基等のハロゲンで置換されていてもよいフェニルカルボニル基が挙げられる。
で表されるアシルオキシ基は、カルボン酸中の水素原子を除いた基を意味し、その炭素数が通常2〜20である。アシルオキシ基の具体例としては、アセトキシ基、プロピオニルオキシ基、ブチリルオキシ基、イソブチリルオキシ基、ピバロイルオキシ基、ベンゾイルオキシ基、トリフルオロアセチルオキシ基及びペンタフルオロベンゾイルオキシ基が挙げられる。
で表されるアミド基は、アミド(−CONH)から窒素原子に結合した水素原子1個を除いた基を意味し、その炭素数が通常1〜20である。アミド基の具体例としては、ホルムアミド基、アセトアミド基、プロピオアミド基、ブチロアミド基、ベンズアミド基、トリフルオロアセトアミド基、ペンタフルオロベンズアミド基、ジホルムアミド基、ジアセトアミド基、ジプロピオアミド基、ジブチロアミド基、ジベンズアミド基、ジトリフルオロアセトアミド基及びジペンタフルオロベンズアミド基が挙げられる。
で表されるイミド基とは、イミド(−CO−NH−CO−)から窒素原子に結合した水素原子1個を除いた基を意味し、具体例としては、スクシンイミド基、フタルイミド基が挙げられる。
で表される置換アミノ基とは、アミノ基の水素原子の1個又は2個が置換されたものであり、置換基は、例えば、置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基である。置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基の具体例は、Rで表される置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基の具体例と同じである。置換アミノ基の炭素数が通常1〜40である。置換アミノ基の具体例としては、メチルアミノ基、ジメチルアミノ基、エチルアミノ基、ジエチルアミノ基、プロピルアミノ基、ジプロピルアミノ基、イソプロピルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基、ブチルアミノ基、イソブチルアミノ基、tert−ブチルアミノ基、ペンチルアミノ基、ヘキシルアミノ基、シクロヘキシルアミノ基、ヘプチルアミノ基、オクチルアミノ基、2−エチルヘキシルアミノ基、ノニルアミノ基、デシルアミノ基、3,7−ジメチルオクチルアミノ基、ラウリルアミノ基、シクロペンチルアミノ基、ジシクロペンチルアミノ基、シクロヘキシルアミノ基、ジシクロヘキシルアミノ基、ピロリジル基、ピペリジル基、ジトリフルオロメチルアミノ基、フェニルアミノ基、ジフェニルアミノ基、C1〜C12アルコキルオキシフェニルアミノ基、ジ(C1〜C12アルコキシフェニル)アミノ基、ジ(C1〜C12アルキルフェニル)アミノ基、1−ナフチルアミノ基、2−ナフチルアミノ基、ペンタフルオロフェニルアミノ基、ピリジルアミノ基、ピリダジニルアミノ基、ピリミジルアミノ基、ピラジルアミノ基、トリアジルアミノ基、フェニル−C1〜C12アルキルアミノ基、C1〜C12アルコキシフェニル−C1〜C12アルキルアミノ基、C1〜C12アルキルフェニル−C1〜C12アルキルアミノ基、ジ(C1〜C12アルコキシフェニル−C1〜C12アルキル)アミノ基、ジ(C1〜C12アルキルフェニル−C1〜C12アルキル)アミノ基、1−ナフチル−C1〜C12アルキルアミノ基及び2−ナフチル−C1〜C12アルキルアミノ基が挙げられる。
で表される置換シリル基とは、シリル基の水素原子の1個、2個又は3個が置換されたもの、一般に、シリル基の3水素原子全てが置換されたものであり、置換基は、例えば、置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基である。置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基の具体例は、Rで表される置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアリール基の具体例と同じである。置換シリル基の具体例としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリプロピルシリル基、トリイソプロピルシリル基、tert−ブチルジメチルシリル基、トリフェニルシリル基、トリ−p−キシリルシリル基、トリベンジルシリル基、ジフェニルメチルシリル基、tert−ブチルジフェニルシリル基及びジメチルフェニルシリル基が挙げられる。
で表される置換シリルオキシ基とは、上記の置換シリル基に酸素原子が結合した基である。置換シリルオキシ基の具体例としては、トリメチルシリルオキシ基、トリエチルシリルオキシ基、トリプロピルシリルオキシ基、トリイソプロピルシリルオキシ基、tert−ブチルジメチルシリルオキシ基、トリフェニルシリルオキシ基、トリ−p−キシリルシリルオキシ基、トリベンジルシリルオキシ基、ジフェニルメチルシリルオキシ基、tert−ブチルジフェニルシリルオキシ基及びジメチルフェニルシリルオキシ基が挙げられる。
で表される置換シリルチオ基とは、上記の置換シリル基に硫黄原子が結合した基である。置換シリルチオ基の具体例としては、トリメチルシリルチオ基、トリエチルシリルチオ基、トリプロピルシリルチオ基、トリイソプロピルシリルチオ基、tert−ブチルジメチルシリルチオ基、トリフェニルシリルチオ基、トリ−p−キシリルシリルチオ基、トリベンジルシリルチオ基、ジフェニルメチルシリルチオ基、tert−ブチルジフェニルシリルチオ基及びジメチルフェニルシリルチオ基が挙げられる。
で表される置換シリルアミノ基とは、アミノ基の水素原子の1個又は2個が置換シリル基で置換されたものであり、該置換シリル基は上記の通りである。置換シリルアミノ基の具体例としては、トリメチルシリルアミノ基、トリエチルシリルアミノ基、トリプロピルシリルアミノ基、トリイソプロピルシリルアミノ基、tert−ブチルジメチルシリルアミノ基、トリフェニルシリルアミノ基、トリ−p−キシリルシリルアミノ基、トリベンジルシリルアミノ基、ジフェニルメチルシリルアミノ基、tert−ブチルジフェニルシリルアミノ基、ジメチルフェニルシリルアミノ基、ジ(トリメチルシリル)アミノ基、ジ(トリエチルシリル)アミノ基、ジ(トリプロピルシリル)アミノ基、ジ(トリイソプロピルシリル)アミノ基、ジ(tert−ブチルジメチルシリル)アミノ基、ジ(トリフェニルシリル)アミノ基、ジ(トリ−p−キシリルシリル)アミノ基、ジ(トリベンジルシリル)アミノ基、ジ(ジフェニルメチルシリル)アミノ基、ジ(tert−ブチルジフェニルシリル)アミノ基及びジ(ジメチルフェニルシリル)アミノ基が挙げられる。
で表される複素環基は、置換基を有していてもよいフラン、チオフェン、ピロール、ピロリン、ピロリジン、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、ピラゾリン、プラゾリジン、フラザン、トリアゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、テトラゾール、ピラン、ピリジン、ピペリジン、チオピラン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、ピペラジン、モルホリン、トリアジン、ベンゾフラン、イソベンゾフラン、ベンゾチオフェン、インドール、イソインドール、インドリジン、インドリン、イソインドリン、クロメン、クロマン、イソクロマン、ベンゾピラン、キノリン、イソキノリン、キノリジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾチアゾール、インダゾール、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、キナゾリジン、シンノリン、フタラジン、プリン、プテリジン、カルバゾール、キサンテン、フェナントリジン、アクリジン、β−カルボリン、ペリミジン、フェナントロリン、チアントレン、フェノキサチイン、フェノキサジン、フェノチアジン、フェナジン等の複素環式化合物から水素原子を1個除いた基を意味する。複素環基としては、芳香族複素環基が好ましい。
で表される複素環オキシ基としては、上記の複素環基に酸素原子が結合した式(4)で表される基が挙げられる。
で表される複素環チオ基としては、上記の複素環基に硫黄原子が結合した式(5)で表される基が挙げられる。
Figure 0005999095
〔式(4)及び式(5)中、Arは複素環基を表す。〕
複素環オキシ基は、その炭素数が通常2〜60である。複素環オキシ基の具体例としては、チエニルオキシ基、C1〜C12アルキルチエニルオキシ基、ピロリルオキシ基、フリルオキシ基、ピリジルオキシ基、C1〜C12アルキルピリジルオキシ基、イミダゾリルオキシ基、ピラゾリルオキシ基、トリアゾリルオキシ基、オキサゾリルオキシ基、チアゾールオキシ基及びチアジアゾールオキシ基が挙げられる。
複素環チオ基は、その炭素数が通常2〜60である。複素環チオ基の具体例としては、チエニルメルカプト基、C1〜C12アルキルチエニルメルカプト基、ピロリルメルカプト基、フリルメルカプト基、ピリジルメルカプト基、C1〜C12アルキルピリジルメルカプト基、イミダゾリルメルカプト基、ピラゾリルメルカプト基、トリアゾリルメルカプト基、オキサゾリルメルカプト基、チアゾールメルカプト基及びチアジアゾールメルカプト基が挙げられる。
で表されるアリールアルケニル基は、通常、その炭素数8〜20であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。アリールアルケニル基の具体例としては、スチリル基が挙げられる。
で表されるアリールアルキニル基は、通常、その炭素数8〜20であり、アリール部分が置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。アリールアルキニル基の具体例としては、フェニルアセチレニル基が挙げられる。
で表されるカルボキシ基は、カルボキシ基中の水素原子が置換基で置換されていてもよい。該置換基としては、例えば、炭素数1〜20のアルキル基が挙げられる。置換されているカルボキシ基としては、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基及びプロポキシカルボニル基が挙げられる。
式(2)中、Rは、Rとは異なり、水素原子又は置換基を表す。Rで表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
式(1)中、Yは酸素原子、硫黄原子又は−N(R)−を表す。Rは水素原子又は置換基を表す。Rで表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
式(2)中、Yは酸素原子、硫黄原子又は−N(R)−を表す。
式(1)中、環Z及び環Zは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭素環又は置換基を有していてもよい複素環を表す。
環Z及び環Zで表される芳香族炭素環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、ピレン環、ペリレン環、テトラセン環及びペンタセン環が挙げられる。芳香族炭素環は、ベンゼン環及びナフタレン環が好ましく、ベンゼン環がより好ましい。
環Z及び環Zで表される複素環としては、例えば、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ピラジン環、キノリン環、イソキノリン環、キノキサリン環、キナゾリン環、アクリジン環、フェナントロリン環、チオフェン環、ベンゾチオフェン環、ジベンゾチオフェン環、フラン環、ベンゾフラン環、ジベンゾフラン環、ピロール環、インドール環、ジベンゾピロール環、シロール環、ベンゾシロール環、ジベンゾシロール環、ボロール環、ベンゾボロール環及びジベンゾボロール環が挙げられる。チオフェン環、ベンゾチオフェン環及びジベンゾチオフェン環中の硫黄原子は、オキソ基が置換し、環状のスルホキシド又は環状のスルホンを形成してもよい。環Z及び環Zで表される複素環は、芳香族複素環が好ましい。芳香族複素環は、チオフェン環、フラン環及びピロール環が好ましく、チオフェン環及びフラン環がより好ましく、チオフェン環がさらに好ましい。
環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環が有していてもよい置換基の具体例は、Rで表される置換基の具体例が挙げられる。
式(2)中、環Z及び環Zは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭素環又は置換基を有していてもよい複素環を表す。環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環の具体例は、環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環の具体例と同じである。環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環が有していてもよい置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
本発明の高分子化合物の有機溶媒に対する溶解性を高める観点から、環Z、環Z、環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環は、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアリールオキシ基及び置換されていてもよいアリール基からなる群から選ばれる1種以上の置換基を有することが好ましい。
式(1)で表される構成単位としては、式(301)〜式(375)で表される構成単位、及び、これらの構造単位中に含まれる芳香族炭素環又は芳香族複素環上に置換基を有する構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
式(301)〜式(375)中、Rは前述と同じ意味を表す。Rは、水素原子又は置換基を表す。Rで表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
式(2)で表される構成単位としては、式(401)〜式(475)で表される構成単位、及び、これらの構造単位中に含まれる芳香族炭素環又は芳香族複素環上に置換基を有する構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
式(401)〜式(475)中、R及びRは、前述と同じ意味を表す。
及びRは、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールアルキル基及びアリールアルコキシ基が好ましく、アルキル基、アリール基及びアリールアルキル基がより好ましく、アルキル基がさらに好ましい。
本発明の高分子化合物を含む有機光電変換素子の光電変換効率を向上させる観点から、Rは分岐状のアルキル基が好ましく、Rは直鎖状のアルキル基が好ましい。
が分岐状のアルキル基である式(1)で表される構成単位としては、例えば、式(1−1)〜式(1−12)で表される構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
の炭素数は、5〜20が好ましく、8〜16がより好ましく、10〜15が特に好ましい。式(1−1)〜式(1−12)で表される構成単位の中でも、式(1−2)〜式(1−10)で表される構成単位が好ましい。
が直鎖状のアルキル基である式(2)で表される構成単位としては、例えば、式(2−1)〜式(2−8)で表される構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
Figure 0005999095
の炭素数は、6〜20が好ましく、8〜16がより好ましく、10〜15が特に好ましい。式(2−1)〜式(2−8)で表される構成単位の中でも、式(2−3)〜式(2−5)で表される構成単位が好ましい。
本発明の高分子化合物は式(1)で表される構成単位及び式(2)で表される構成単位以外の構成単位を有していてもよい。該構成単位としては、例えば、式(3)で表される構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
式(3)中、Arは、式(1)で表される構成単位及び式(2)で表される構成単位とは異なり、置換基を有していてもよいアリーレン基又は2価の複素環基を表す。
Arで表されるアリーレン基は、芳香族炭化水素から芳香環上の水素原子2個を除いた基を意味し、その炭素数は通常6〜60である。アリーレン基は、置換基を有していてもよい。該置換基としては、例えば、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。
置換基を有していてもよいアリーレン基としては、置換基を有していてもよいフェニレン基(例えば、下記の式1〜3)、置換基を有していてもよいナフタレンジイル基(下記の式4〜13)、置換基を有していてもよいアントラセンジイル基(下記の式14〜19)、置換基を有していてもよいビフェニル−ジイル基(下記の式20〜25)、置換基を有していてもよいターフェニル−ジイル基(下記の式26〜28)、置換基を有していてもよい縮合環構造を有する基(下記の式29〜38)などが例示される。縮合環構造を有する基には、フルオレン−ジイル基(下記の式36〜38)が含まれる。
Arで表される2価の複素環基は、置換基を有していてもよいフラン、チオフェン、ピロール、ピロリン、ピロリジン、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、ピラゾリン、プラゾリジン、フラザン、トリアゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、テトラゾール、ピラン、ピリジン、ピペリジン、チオピラン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、ピペラジン、モルホリン、トリアジン、ベンゾフラン、イソベンゾフラン、ベンゾチオフェン、インドール、イソインドール、インドリジン、インドリン、イソインドリン、クロメン、クロマン、イソクロマン、ベンゾピラン、キノリン、イソキノリン、キノリジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾチアゾール、インダゾール、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、キナゾリジン、シンノリン、フタラジン、プリン、プテリジン、カルバゾール、キサンテン、フェナントリジン、アクリジン、β−カルボリン、ペリミジン、フェナントロリン、チアントレン、フェノキサチイン、フェノキサジン、フェノチアジン、フェナジン等の複素環式化合物から水素原子を2個除いた基を意味する。2価の複素環基は、置換基を有していてもよい。該置換基としては、例えば、ハロゲン原子及びアルコキシ基(例えば、炭素数1〜20)が挙げられる。
2価の複素環基としては、例えば以下の基が挙げられる。
ヘテロ原子として、窒素を含む2価の複素環基:置換基を有していてもよいピリジン−ジイル基(下記の式39〜44)。
置換基を有していてもよいジアザフェニレン基(下記の式45〜48)。
置換基を有していてもよいキノリンジイル基(下記の式49〜63)。
置換基を有していてもよいキノキサリンジイル基(下記の式64〜68)。
置換基を有していてもよいアクリジンジイル基(下記の式69〜72)。
置換基を有していてもよいビピリジルジイル基(下記の式73〜75)。
置換基を有していてもよいフェナントロリンジイル基(下記の式76〜78)。
ヘテロ原子としてけい素、窒素、硫黄、セレンなどを含みフルオレン構造を有する基(下記の式79〜93)。
ヘテロ原子としてけい素、窒素、硫黄、セレンなどを含む5員環複素環基(下記の式94〜98)。
ヘテロ原子としてけい素、窒素、硫黄、セレンなどを含む5員環縮合複素基(下記の式99〜110)。
ヘテロ原子としてけい素、窒素、硫黄、セレンなどを含む5員環複素環基でそのヘテロ原子のα位で結合し2量体やオリゴマーになっている基(下記の式111〜112)。
ヘテロ原子としてけい素、窒素、硫黄、セレンなどを含む5員環複素環基でそのヘテロ原子のα位でフェニル基に結合している基(下記の式113〜119)。
ベンゼン環とチオフェン環が縮合した基(下記の式120〜122)。
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
Figure 0005999095
式1〜式122中、Rは、前述と同じ意味を表す。
本発明の高分子化合物を含む有機光電変換素子の短絡連流密度を高める観点から、Arは、式(3−1)〜式(3−8)で表される構成単位が好ましい。
Figure 0005999095
〔式(3−1)〜式(3−8)中、R21〜R38は、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。X21〜X29は、それぞれ独立に、硫黄原子、酸素原子又はセレン原子を表す。〕
21〜R38で表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
21、R22及びR35は、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアルコキシ基及び置換されていてもよいアルキルチオ基が好ましく、置換されていてもよいアルキル基及び置換されていてもよいアルコキシ基がより好ましく、置換されていてもよいアルキル基が特に好ましい。本発明の高分子化合物の溶解性を高める観点から、アルキル基は、分岐状のアルキル基が好ましい。
23、R24、R27、R28、R31、R32、R33、R34、R37及びR38は、ハロゲン原子及び水素原子が好ましく、フッ素原子及び水素原子がより好ましい。
25、R26、R29及びR30は、水素原子、ハロゲン原子、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基及び置換されていてもよいアリールアルキル基が好ましく、水素原子及び置換されていてもよいアリールアルキル基がより好ましい。
36は、水素原子、ハロゲン原子、アシル基及びアシルオキシ基が好ましく、アシル基及びアシルオキシ基がより好ましい。
式(3−1)〜式(3−8)中、X21〜X29は、それぞれ独立に、硫黄原子、酸素原子又はセレン原子を表す。X21〜X29は硫黄原子及び酸素原子が好ましく、硫黄原子がより好ましい。
Arは、式(3−1)〜式(3−6)で表される構成単位がより好ましく、式(3−2)で表される構成単位が特に好ましい。式(3−2)で表される構成単位の具体例としては、式(3−2−1)〜式(3−2−9)で表される構成単位が挙げられる。
Figure 0005999095
(式中、R’は置換基を表す。)
R’で表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
本発明の高分子化合物が、式(1)で表される構成単位及び式(2)で表される構成単位からなる場合、本発明の高分子化合物が有する構成単位の合計数を100とすると、式(1)で表される構成単位の数は、20〜80が好ましく、式(2)で表される構成単位の数は、20〜80が好ましい。
本発明の高分子化合物が、式(1)で表される構成単位、式(2)で表される構成単位及び式(3)で表される構成単位からなる場合、本発明の高分子化合物が有する構成単位の合計数を100とすると、式(1)で表される構成単位の数は、20〜50が好ましく、本発明の高分子化合物が有する構成単位の合計数を100とした時に式(2)で表される構成単位の数は、20〜50が好ましく、本発明の高分子化合物が有する構成単位の合計数を100とした時に式(3)で表される構成単位の数は、30〜60が好ましい。
前述したように、本発明の高分子化合物には式(1)で表される構成単位及び式(2)で表される構成単位の他に任意の構成単位を有していてもよく、当該任意の構成単位としては、2価の有機基が挙げられる。2価の有機基の中でも下記の式(1000)で表される基が好適な例として挙げられる。
Figure 0005999095
式(1000)中、Rは水素原子又は置換基を表す。RはR、Rとは異なる基である。Rで表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
は、酸素原子、硫黄原子又は−N(R)−を表す。Rは水素原子又は置換基を表す。Rで表される置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
環Z及び環Zは、それぞれ独立に、置換基を有していてもよい芳香族炭素環又は置換基を有していてもよい複素環を表す。環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環の具体例は、環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環の具体例と同じである。環Z及び環Zで表される芳香族炭素環及び複素環が有していてもよい置換基の定義及び具体例は、Rで表される置換基の定義及び具体例と同じである。
としては、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアリール基、置換されていてもよいアリールオキシ基が好ましく置換されていてもよいアリール基、置換されていてもよいアリールオキシ基がさらに好ましく置換されていても良いアリール基がさらに好ましい。
このような2価の有機基としては例えば、下記の式(1001)〜式(1020)で表される構造が例示される。
Figure 0005999095
式(1001)〜式(1020)の中でも好ましくは式(1001)、式(1003)、式(1004)、式(1005)、式(1008)であり、さらに好ましくは式(1001)、式(1003)、式(1008)であり、特に好ましくは式(1008)である。
本発明の高分子化合物が式(1000)で表される構成単位を有する場合、式(1)で表される構成単位、式(2)で表される構成単位及び式(1000)で表される構成単位の合計数を100とすると、式(1000)で表される構成単位は20〜80が好ましく、式(1)で表される構成単位は10〜40が好ましく、式(2)で表される構成単位は10〜40が好ましい。
本発明の高分子化合物は、一般に、重量平均分子量が1000以上の化合物である。本発明における高分子化合物の重量平均分子量は、3000〜10000000が好ましく、8000〜5000000がより好ましく、10000〜1000000が特に好ましい。重量平均分子量が3000より低いと素子作製時の膜形成に欠陥が生じることがあり、10000000より大きいと溶媒への溶解性や素子作製時の塗布性が低下することがある。
本発明における重量平均分子量とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)を用い、ポリスチレンの標準試料を用いて算出したポリスチレン換算の重量平均分子量を意味する。
本発明の高分子化合物は、素子に用いられる場合、素子作製の容易性から、溶媒への溶解度が高いことが望ましい。具体的には、本発明の高分子化合物が、該高分子化合物を0.01重量%以上含む溶液を作製し得る溶解性を有することが好ましく、0.1重量%以上含む溶液を作製し得る溶解性を有することがより好ましく、0.4重量%以上含む溶液を作製し得る溶解性を有することがさらに好ましい。
式(1)で表される構成単位、式(2)で表される構成単位及び式(3)で表される構成単位からなる高分子化合物、並びに、式(1)で表される構成単位、式(2)で表される構成単位、式(3)で表される構成単位及び式(1000)で表される構成単位からなる高分子化合物の製造方法としては、特に制限されるものではないが、高分子化合物の合成の容易さからは、Suzukiカップリング反応やStilleカップリング反応を用いる方法が好ましい。
Suzukiカップリング反応を用いる方法としては、例えば、式(100):
100−E−Q200 (100)
〔式中、Eは、式(3)で表される構成単位を表す。Q100及びQ200は、それぞれ独立に、ジヒドロキシボリル基[−B(OH)]又はホウ酸エステル残基を表す。〕
で表される1種類以上の化合物と、式(200):
−E−T (200)
〔式中、Eは、式(1)で表される構成単位、式(2)で表される構成単位又は式(3)で表される構成単位を表す。T及びTは、それぞれ独立に、ハロゲン原子又はスルホン酸残基を表す。〕
で表される2種類以上の化合物とを、パラジウム触媒及び塩基の存在下で反応させる工程を有する製造方法が挙げられる。Eは、式(3−1)〜式(3−8)で表される構成単位が好ましい。
この場合、反応に用いる式(200)で表わされる2種類以上の化合物のモル数の合計が、式(100)で表わされる1種類以上の化合物のモル数の合計に対して、過剰であることが好ましい。反応に用いる式(200)で表わされる2種類以上の化合物のモル数の合計を1モルとすると、式(100)で表わされる1種類以上の化合物のモル数の合計が0.6〜0.99モルであることが好ましく、0.7〜0.95モルであることがさらに好ましい。
ホウ酸エステル残基とは、ホウ酸ジエステルから水酸基を除去した基を意味し、ジアルキルエステル残基、ジアリールエステル残基、ジ(アリールアルキル)エステル残基などが挙げられる。ホウ酸エステル残基の具体例としては、下記式:
Figure 0005999095
(式中、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表す。)
で表される基等が例示される。
式(200)における、T及びTで表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子が挙げられる。高分子化合物の合成の容易さからは、臭素原子及びヨウ素原子が好ましく、臭素原子がより好ましい。
式(200)における、T及びTで表されるスルホン酸残基とは、スルホン酸(−SOH)から酸性水素を除いた原子団を意味し、具体例としては、アルキルスルホネート基(例えば、メタンスルホネート基、エタンスルホネート基)、アリールスルホネート基(例えば、ベンゼンスルホネート基、p−トルエンスルホネート基)、アリールアルキルスルホネート基(例えば、ベンジルスルホネート基)及びトリフルオロメタンスルホネート基が挙げられる。
具体的には、Suzukiカップリング反応を行う方法としては、任意の溶媒中において、触媒としてパラジウム触媒を用い、塩基の存在下で反応させる方法等が挙げられる。
Suzukiカップリング反応に使用するパラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒が挙げられ、具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、パラジウムアセテート類、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウムが挙げられ、反応(重合)操作の容易さ、反応(重合)速度の観点からは、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムが好ましい。
パラジウム触媒の添加量は、特に限定されず、触媒としての有効量であればよいが、式(100)で表される化合物1モルに対して、通常、0.0001モル〜0.5モル、好ましくは0.0003モル〜0.1モルである。
Suzukiカップリング反応に使用するパラジウム触媒としてパラジウムアセテート類を用いる場合は、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(o−メトキシフェニル)ホスフィン等のリン化合物を配位子として添加することができる。この場合、配位子の添加量は、パラジウム触媒1モルに対して、通常、0.5モル〜100モルであり、好ましくは0.9モル〜20モル、さらに好ましくは1モル〜10モルである。
Suzukiカップリング反応に使用する塩基としては、無機塩基、有機塩基及び無機塩が挙げられる。無機塩基としては、例えば、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化バリウムが挙げられる。有機塩基としては、例えば、トリエチルアミン、トリブチルアミンが挙げられる。無機塩としては、例えば、フッ化セシウムが挙げられる。
塩基の添加量は、式(100)で表される化合物1モルに対して、通常、0.5モル〜100モル、好ましくは0.9モル〜20モル、さらに好ましくは1モル〜10モルである。
Suzukiカップリング反応は、通常、溶媒中で行われる。溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、トルエン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフランが例示される。本発明に用いられる高分子化合物の溶解性の観点からは、トルエン、テトラヒドロフランが好ましい。また、塩基は、水溶液として加え、2相系で反応させてもよい。塩基として無機塩を用いる場合は、無機塩の溶解性の観点から、通常、水溶液として加えて反応させる。
なお、塩基を水溶液として加え、2相系で反応させる場合は、必要に応じて、第4級アンモニウム塩などの相間移動触媒を加えてもよい。
Suzukiカップリング反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常、50〜160℃程度であり、高分子化合物の高分子量化の観点からは、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。反応時間は、目的の重合度に達したときを終点としてもよいが、通常、0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
Suzukiカップリング反応は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気下、Pd(0)触媒が失活しない反応系で行う。例えば、アルゴンガスや窒素ガス等で、十分脱気された系で行う。具体的には、重合容器(反応系)内を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、この重合容器に、式(100)で表される化合物、式(200)で表される化合物、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)を仕込み、さらに、重合容器を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより、脱気した溶媒、例えば、トルエンを加えた後、この溶液に、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより脱気した塩基、例えば、炭酸ナトリウム水溶液を滴下した後、加熱、昇温し、例えば、還流温度で8時間、不活性雰囲気を保持しながら重合する。
Stilleカップリング反応を用いる方法としては、例えば、式(300):
300−E−Q400 (300)
〔式中、Eは、式(3)で表される構成単位を表す。Q300及びQ400は、それぞれ独立に、置換スタンニル基を表す。〕
で表される1種類以上の化合物と、前記式(200)で表される2種類以上の化合物とを、パラジウム触媒の存在下で反応させる工程を有する製造方法が挙げられる。Eは、式(3−1)〜式(3−8)で表される構成単位が好ましい。
置換スタンニル基としては、−SnR100 で表される基等が挙げられる。ここでR100は1価の有機基を表す。1価の有機基としては、アルキル基、アリール基などが挙げられる。
該アルキル基の炭素数は通常1〜30であり、具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル墓、ペンチル基、イソペンチル基、2−メチルブチル基、1−メチルブチル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、3−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基、イソオクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル墓、オクタデシル基、エイコシル基等の鎖状アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基等のシクロアルキル基が挙げられる。アリール基としてはフェニル基、ナフチル基などが挙げられる。置換スタンニル基として好ましくは−SnMe、−SnEt、−SnBu、−SnPhであり、さらに好ましくは−SnMe、−SnEt、−SnBuである。上記好ましい例において、Meはメチル基を、Etはエチル基を、Buは
ブチル基を、Phはフェニル基を表す。
式(200)における、T及びTで表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子が挙げられる。高分子化合物の合成の容易さからは、臭素原子及びヨウ素原子が好ましい。
式(200)における、T及びTで表されるアルキルスルホネート基としては、メタンスルホネート基、エタンスルホネート基、トリフルオロメタンスルホネート基が例示される。アリールスルホネート基としては、ベンゼンスルホネート基、p−トルエンスルホネート基が例示される。アリールスルホネート基としては、ベンジルスルホネート基が例示される。
具体的には、触媒として、例えば、パラジウム触媒下で任意の溶媒中で反応する方法が挙げられる。
Stilleカップリング反応に使用するパラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒が挙げられる。具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、パラジウムアセテート類、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウムが挙げられ、反応(重合)操作の容易さ、反応(重合)速度の観点からは、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムが好ましい。
Stilleカップリング反応に使用するパラジウム触媒の添加量は、特に限定されず、触媒としての有効量であればよいが、式(100)で表される化合物1モルに対して、通常、0.0001モル〜0.5モル、好ましくは0.0003モル〜0.2モルである。
Stilleカップリング反応において、必要に応じて配位子や助触媒を用いることもできる。配位子としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(o−メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2−フリル)ホスフィン等のリン化合物やトリフェニルアルシン、トリフェノキシアルシン等の砒素化合物が挙げられる。助触媒としてはヨウ化銅、臭化銅、塩化銅、2−テノイル酸銅(I)などが挙げられる。
配位子又は助触媒を用いる場合、配位子又は助触媒の添加量は、パラジウム触媒1モルに対して、通常、0.5モル〜100モルであり、好ましくは0.9モル〜20モル、さらに好ましくは1モル〜10モルである。
Stilleカップリング反応は、通常、溶媒中で行われる。溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N、N−ジメチルアセトアミド、トルエン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。本発明に用いられる高分子化合物の溶解性の観点からは、トルエン及びテトラヒドロフランが好ましい。
Stilleカップリング反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常、50〜160℃程度であり、高分子化合物の高分子量化の観点から、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。
前記反応を行う時間(反応時間)は、目的の重合度に達したときを終点としてもよいが、通常、0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
Stilleカップリング反応は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気下、Pd触媒が失活しない反応系で行う。例えば、アルゴンガスや窒素ガス等で、十分脱気された系で行う。具体的には、重合容器(反応系)内を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、この重合容器に、式(300)で表される化合物、式(200)で表される化合物、パラジウム触媒を仕込み、さらに、重合容器を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより、脱気した溶媒、例えば、トルエンを加えた後、必要に応じて配位子や助触媒を加え、その後、加熱、昇温し、例えば、還流温度で8時間、不活性雰囲気を保持しながら重合する。
本発明の高分子化合物のポリスチレン換算の数平均分子量は、好ましくは1×10〜1×10である。ポリスチレン換算の数平均分子量が1×10以上である場合には、強靭な薄膜が得られやすくなる。一方、10以下である場合には、溶解性が高く、薄膜の作製が容易である。
本発明の高分子化合物のポリスチレン換算の数平均分子量は、3000以上が好ましい。
本発明の高分子化合物の末端基は、重合活性基がそのまま残っていると、素子の作製に用いたときに得られる素子の特性や寿命が低下する可能性があるので、安定な基で保護されていてもよい。主鎖の共役構造と連続した共役結合を有しているものが好ましく、また、例えば、ビニレン基を介してアリール基又は複素環基と結合している構造であってもよい。
本発明の高分子化合物の原料となるモノマーは、例えば、WO2011/052709の記載に従って合成することが可能である。
本発明の化合物を含む有機光電変換素子の光電変換効率を高める観点からは、本発明の化合物は、その光吸収末端波長が700nm以上の化合物が好ましく、800nm以上の化合物がより好ましく、900nm以上の化合物が特に好ましい。
本発明における光吸収末端波長とは以下の方法で求められた値のことを意味する。
測定には、紫外、可視、近赤外の波長領域で動作する分光光度計(例えば、日本分光製、紫外可視近赤外分光光度計JASCO−V670)を用いる。JASCO−V670を用いる場合、測定可能な波長範囲が200〜1500nmであるため、該波長範囲で測定を行う。まず、測定に用いる基板の吸収スペクトルを測定する。基板としては、石英基板、ガラス基板等を用いる。次いで、その基板の上に本発明の化合物を含む溶液若しくは本発明の化合物を含む溶融体から本発明の化合物を含む薄膜を形成する。溶液からの製膜では、製膜後乾燥を行う。その後、薄膜と基板との積層体の吸収スペクトルを得る。薄膜と基板との積層体の吸収スペクトルと基板の吸収スペクトルとの差を、薄膜の吸収スペクトルとして得る。
該薄膜の吸収スペクトルは、縦軸が本発明の化合物の吸光度を、横軸が波長を示す。最も大きい吸収ピークの吸光度が0.5〜2程度になるよう、薄膜の膜厚を調整することが望ましい。吸収ピークの中で一番長波長の吸収ピークの吸光度を100%とし、その50%の吸光度を含む横軸(波長軸)に平行な直線と該吸収ピークとの交点であって、該吸収ピークのピーク波長よりも長波長である交点を第1の点とする。その25%の吸光度を含む波長軸に平行な直線と該吸収ピークとの交点であって、該吸収ピークのピーク波長よりも長波長である交点を第2の点とする。第1の点と第2の点とを結ぶ直線と基準線の交点を光吸収末端波長と定義する。ここで、基準線とは、最も長波長の吸収ピークにおいて、該吸収ピークの吸光度を100%とし、その10%の吸光度を含む波長軸に平行な直線と該吸収ピークの交点であって、該吸収ピークのピーク波長よりも長波長である交点の波長を基準として、基準となる波長より100nm長波長である吸収スペクトル上の第3の点と、基準となる波長より150nm長波長である吸収スペクトル上と第4の点を結んだ直線をいう。
本発明の化合物は、高い電子及び/又はホール輸送性を発揮し得ることから、該化合物を含む有機薄膜を素子に用いた場合、電極から注入された電子やホール、或いは、光吸収によって発生した電荷を輸送することができる。これらの特性を活かして有機光電変換素子、有機薄膜トランジスタ、有機エレクトロルミネッセンス素子等の種々の電子素子に好適に用いることができる。以下、これらの素子について個々に説明する。
本発明の高分子化合物を有する光電変換素子は、一対の電極間に、本発明の高分子化合物を含む1層以上の活性層を有する。
本発明の高分子化合物を有する光電変換素子の好ましい形態としては、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の電極と、p型の有機半導体とn型の有機半導体との有機組成物から形成される活性層を有する。本発明の高分子化合物は、p型の有機半導体として用いることが好ましい。
本発明の高分子化合物を用いて製造される光電変換素子は、通常、基板上に形成される。この基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に化学的に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、高分子フィルム、シリコンが挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極(即ち、基板から遠い方の電極)が透明又は半透明であることが好ましい。
本発明の高分子化合物を有する光電変換素子の他の態様は、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の電極間に、本発明の化合物を含む第1の活性層と、該第1の活性層に隣接して、フラーレン誘導体等の電子受容性化合物を含む第2の活性層を含む光電変換素子である。
透明又は半透明の電極としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性材料を用いて作製された膜、NESA、金、白金、銀、銅等の膜が用いられ、ITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズの膜が好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等が挙げられる。
電極材料として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機の透明導電膜を用いてもよい。
一方の電極は透明でなくてもよく、該電極の電極材料としては、金属、導電性高分子等を用いることができる。電極材料の具体例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム等の金属、これらの金属のうち2つ以上の金属の合金、これらの金属のうち1種以上の金属と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン及び錫からなる群から選ばれる1種以上の金属との合金、グラファイト、グラファイト層間化合物、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体が挙げられる。合金としては、例えば、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金及びカルシウム−アルミニウム合金が挙げられる。
光電変換効率を向上させるための手段として活性層以外の付加的な中間層を使用してもよい。中間層として用いられる材料としては、例えば、フッ化リチウム等のアルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化チタン等の酸化物、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)などが挙げられる。
活性層は、本発明の化合物を一種単独で含んでいても二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。活性層のホール輸送性を高めるため、電子供与性化合物及び/又は電子受容性化合物として、本発明の高分子化合物以外の化合物を活性層中に混合して用いることもできる。なお、電子供与性化合物及び電子受容性化合物は、これらの化合物のエネルギー準位のエネルギーレベルから相対的に決定される。
電子供与性化合物としては、本発明の化合物のほか、例えば、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェン及びその誘導体、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミン残基を有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体が挙げられる。
電子受容性化合物としては、本発明の高分子化合物のほか、例えば、炭素材料、酸化チタン等の金属酸化物、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ベンゾキノン及びその誘導体、ナフトキノン及びその誘導体、アントラキノン及びその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタン及びその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレン及びその誘導体、ジフェノキノン誘導体、8−ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、ポリキノリン及びその誘導体、ポリキノキサリン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン(バソクプロイン)等のフェナントロリン誘導体、フラーレン、フラーレン誘導体が挙げられ、好ましくは、酸化チタン、カーボンナノチューブ、フラーレン、フラーレン誘導体であり、特に好ましくはフラーレン、フラーレン誘導体である。
フラーレン、フラーレン誘導体としてはC60、C70、C76、C78、C84及びその誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレンの少なくとも一部が修飾された化合物を表す。
フラーレン誘導体としては、例えば、式(6)で表される化合物、式(7)で表される化合物、式(8)で表される化合物及び式(9)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0005999095
(式(6)〜(9)中、Rは、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基、複素環基又はエステル構造を有する基である。複数個あるRは、同一であっても相異なってもよい。Rは置換されていてもよいアルキル基又は置換されていてもよいアリール基を表す。複数個あるRは、同一であっても相異なってもよい。)
及びRで表される置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基及び複素環基の定義及び具体例は、Rで表される置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基及び複素環基の定義及び具体例と同じである。
で表されるエステル構造を有する基は、例えば、式(10)で表される基が挙げられる。
Figure 0005999095
(式中、u1は、1〜6の整数を表す、u2は、0〜6の整数を表す、Rは、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基又は複素環基を表す。)
で表される置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基及び複素環基の定義、具体例は、Rで表される置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基及び複素環基の定義及び具体例と同じである。
60フラーレンの誘導体の具体例としては、以下の化合物が挙げられる。
Figure 0005999095
70フラーレンの誘導体の具体例としては、以下の化合物が挙げられる。
Figure 0005999095
また、フラーレン誘導体の例としては、[6,6]フェニル−C61酪酸メチルエステル(C60PCBM、[6,6]−Phenyl C61 butyric acid methyl ester)、[6,6]フェニル−C71酪酸メチルエステル(C70PCBM、[6,6]−Phenyl C71 butyric acid methyl ester)、[6,6]フェニル−C85酪酸メチルエステル(C84PCBM、[6,6]−Phenyl C85 butyric acid methyl ester)、[6,6]チエニル−C61酪酸メチルエステル([6,6]−Thienyl C61 butyric acid methyl ester)が挙げられる。
本発明の有機光電変換素子の活性層は、本発明の化合物と電子受容性化合物とを含む組成物を含有することが好ましい。電子受容性化合物は、フラーレン誘導体が好ましい。
活性層中に本発明の高分子化合物とフラーレン誘導体とを含む場合、フラーレン誘導体の割合が、本発明の化合物100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、20〜500重量部であることがより好ましい。
活性層は、好ましくは、本発明の高分子化合物からなる薄膜、及び、本発明の高分子化合物と電子受容性化合物からなる薄膜である。
活性層の厚さは、通常、1nm〜100μmが好ましく、より好ましくは2nm〜1000nmであり、さらに好ましくは5nm〜500nmであり、より好ましくは20nm〜200nmである。
前記活性層の製造方法は、如何なる方法で製造してもよく、例えば、高分子化合物を含む溶液からの成膜や、真空蒸着法による成膜方法が挙げられる。
有機光電変換素子の好ましい製造方法は、第1の電極と第2の電極とを有し、該第1の電極と該第2の電極との間に活性層を有する素子の製造方法であって、該第1の電極上に本発明の化合物と溶媒とを含む溶液(インク)を塗布法により塗布して活性層を形成する工程、該活性層上に第2の電極を形成する工程を有する素子の製造方法である。本発明の高分子化合物と溶媒とを含む溶液にかえて、本発明の高分子化合物と電子受容性化合物と溶媒とを含む溶液を用いて活性層を形成してもよい。
溶液からの成膜に用いる溶媒は、本発明の化合物を溶解させるものであればよい。該溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン等の炭化水素溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル溶媒が挙げられる。本発明の高分子化合物は、通常、前記溶媒に0.1重量%以上溶解させることができる。
溶液を用いて成膜する場合、スリットコート法、ナイフコート法、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットコート法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を用いることができ、スリットコート法、キャピラリーコート法、グラビアコート法、マイクログラビアコート法、バーコート法、ナイフコート法、ノズルコート法、インクジェットコート法、スピンコート法が好ましい。
成膜性の観点からは、25℃における溶媒の表面張力が15mN/mより大きいことが好ましく、15mN/mより大きく100mN/mよりも小さいことがより好ましく、25mN/mより大きく60mN/mよりも小さいことがさらに好ましい。
本発明の化合物は、有機薄膜トランジスタにも用いることができる。有機薄膜トランジスタとしては、ソース電極及びドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となる有機半導体層(活性層)と、この電流経路を通る電流量を制御するゲート電極とを備えた構成を有するものが挙げられ、有機半導体層が上述した有機薄膜によって構成されるものである。このような有機薄膜トランジスタとしては、電界効果型、静電誘導型等が挙げられる。
電界効果型有機薄膜トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極、これらの間の電流経路となる有機半導体層(活性層)、この電流経路を通る電流量を制御するゲート電極、並びに、有機半導体層とゲート電極との間に配置される絶縁層を備えることが好ましい。特に、ソース電極及びドレイン電極が、有機半導体層(活性層)に接して設けられており、さらに有機半導体層に接した絶縁層を挟んでゲート電極が設けられていることが好ましい。電界効果型有機薄膜トランジスタにおいては、有機半導体層が、本発明の高分子化合物を含む有機薄膜によって構成される。
静電誘導型有機薄膜トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極、これらの間の電流経路となる有機半導体層(活性層)、並びに電流経路を通る電流量を制御するゲート電極を有し、このゲート電極が有機半導体層中に設けられていることが好ましい。特に、ソース電極、ドレイン電極及び有機半導体層中に設けられたゲート電極が、有機半導体層に接して設けられていることが好ましい。ここで、ゲート電極の構造としては、ソース電極からドレイン電極へ流れる電流経路が形成され、且つゲート電極に印加した電圧で電流経路を流れる電流量が制御できる構造であればよく、例えば、くし形電極が挙げられる。静電誘導型有機薄膜トランジスタにおいても、有機半導体層が、本発明の化合物を含む有機薄膜によって構成される。
本発明の化合物は、有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)に用いることもできる。有機EL素子は、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の電極間に発光層を有する。有機EL素子は、発光層の他にも、正孔輸送層、電子輸送層を含んでいてもよい。該発光層、正孔輸送層、電子輸送層のいずれかの層中に本発明の化合物が含まれる。発光層中には、本発明の化合物の他にも、電荷輸送材料(電子輸送材料と正孔輸送材料の総称を意味する)を含んでいてもよい。有機EL素子としては、陽極と発光層と陰極とを有する素子、さらに陰極と発光層の間に、該発光層に隣接して電子輸送材料を含有する電子輸送層を有する陽極と発光層と電子輸送層と陰極とを有する素子、さらに陽極と発光層の間に、該発光層に隣接して正孔輸送材料を含む正孔輸送層を有する陽極と正孔輸送層と発光層と陰極とを有する素子、陽極と正孔輸送層と発光層と電子輸送層と陰極とを有する素子等が挙げられる。
本発明の化合物を用いた有機光電変換素子は、透明又は半透明の電極から太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。
また、電極間に電圧を印加した状態、あるいは無印加の状態で、透明又は半透明の電極から光を照射することにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。
上述の有機薄膜トランジスタは、例えば電気泳動ディスプレイ、液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ等の画素の制御や、画面輝度の均一性や画面書き換え速度を制御のために用いられる画素駆動素子等として用いることができる。
有機薄膜太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうる。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池などで用いられる基板一体型モジュール構造等が知られている。本発明の化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池も使用目的や使用場所及び環境により、適宜これらのモジュール構造を選択できる。
代表的なスーパーストレートタイプあるいはサブストレートタイプのモジュールは、片側又は両側が透明で反射防止処理を施された支持基板の間に一定間隔にセルが配置され、隣り合うセル同士が金属リード又はフレキシブル配線等によって接続され、外縁部に集電電極が配置されており、発生した電力を外部に取り出される構造となっている。基板とセルの間には、セルの保護や集電効率向上のため、目的に応じエチレンビニルアセテート(EVA)等様々な種類のプラスチック材料をフィルム又は充填樹脂の形で用いてもよい。また、外部からの衝撃が少ないところなど表面を硬い素材で覆う必要のない場所において使用する場合には、表面保護層を透明プラスチックフィルムで構成し、又は上記充填樹脂を硬化させることによって保護機能を付与し、片側の支持基板をなくすことが可能である。支持基板の周囲は、内部の密封及びモジュールの剛性を確保するため金属製のフレームでサンドイッチ状に固定し、支持基板とフレームの間は封止材料で密封シールする。また、セルそのものや支持基板、充填材料及び封止材料に可撓性の素材を用いれば、曲面の上に太陽電池を構成することもできる。ポリマーフィルム等のフレキシブル支持体を用いた太陽電池の場合、ロール状の支持体を送り出しながら順次セルを形成し、所望のサイズに切断した後、周縁部をフレキシブルで防湿性のある素材でシールすることにより電池本体を作製できる。また、Solar Energy Materials and Solar Cells,48,p383−391記載の「SCAF」とよばれるモジュール構造とすることもできる。更に、フレキシブル支持体を用いた太陽電池は曲面ガラス等に接着固定して使用することもできる。
以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
参考例1 (化合物2の合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物1を2.00g(3.77mmol)、脱水テトラヒドロフランを100mL入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に1.6Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液5.89mL(9.42mmol)を10分かけて滴下した。滴下終了後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、フラスコを−78℃に冷却し、反応液にトリブチルスズクロリドを3.37g(10.4mmol)加えた。添加後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で3時間攪拌した。その後、反応液に水200mlを加えて反応を停止し、酢酸エチルを加えて反応生成物を抽出した。有機層を硫酸ナトリウムで乾燥し、エバポレーターで溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を展開溶媒がヘキサンであるシリカゲルカラムで精製し、化合物2を3.55g(3.20mmol)得た。シリカゲルカラムのシリカゲルには、あらかじめ10重量%のトリエチルアミンを含むヘキサンに5分間浸し、その後、ヘキサンで濯いだシリカゲルを用いた。
実施例1 (高分子化合物Aの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した300mLフラスコに、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物3を800mg(0.760mmol)、化合物2を840mg(0.757mmol)、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物4を471mg(1.43mmol)、トルエンを107ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした後、トルエン溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを19.6mg(0.0214mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを39.1mg(0.128mmol)加え、100℃で6時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルブロミドを660mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール2000mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン53mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム1.21gと水12mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水200mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液200mLで2回洗浄し、次いで、水200mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン62mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体802mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Aと呼称する。
実施例2 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
スパッタ法によりITO膜を150nmの厚みで付けたガラス基板に、UVオゾン洗浄装置を用いて紫外線を照射することで、表面処理を行った。次に、高分子化合物A及びフラーレンC60PCBM(フェニルC61−酪酸メチルエステル、フロンティアカーボン社製)を、高分子化合物Aに対するC60PCBMの重量比が3となるよう、オルトジクロロベンゼンに溶解させ、インク1を製造した。インク1中、高分子化合物Aの重量とC60PCBMの重量との合計は、インク1の重量に対して2.0重量%であった。該インク1を用い、スピンコートによりガラス基板上に塗布して、高分子化合物Aを含む有機膜を作製した。該有機膜の膜厚は、約100nmであった。有機膜の光吸収末端波長を測定したところ、890nmであった。その後、有機膜上に、真空蒸着機によりフッ化リチウムを厚さ2nmで蒸着し、次いでAlを厚さ100nmで蒸着し、有機薄膜太陽電池を作製した。得られた有機薄膜太陽電池の形状は、2mm×2mmの正方形であった。得られた有機薄膜太陽電池にソーラシミュレーター(分光計器製、商品名OTENTO−SUNII:AM1.5Gフィルター、放射照度100mW/cm)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定して光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。Jsc(短絡電流密度)は14.5mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.71Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.66であり、光電変換効率(η)は6.76%であった。
実施例3 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、フラーレンC60PCBMの代わりにフラーレンC70PCBM([6,6]フェニル−C71酪酸メチルエステル、フロンティアカーボン社製)を用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は18.1mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.69Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.67であり、光電変換効率(η)は8.31%であった。
参考例2 (化合物6の合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物5を5.00g(8.13mmol)、脱水テトラヒドロフランを150mL入れて均一な溶液とした。−78℃に保った該溶液に、1.6Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液12.7mL(20.3mmol)を10分かけて滴下した。滴下終了後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、フラスコを−78℃に冷却し、反応液にトリブチルスズクロリドを7.28g(22.3mmol)加えた。添加後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で3時間攪拌した。その後、反応液に水300mlを加えて反応を停止し、酢酸エチルを加えて反応生成物を抽出した。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、エバポレーターで溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を展開溶媒がヘキサンであるシリカゲルカラムで精製し、化合物6を9.42g(7.90mmol)得た。シリカゲルカラムのシリカゲルには、予め10重量%のトリエチルアミンを含むヘキサンに5分間浸し、その後、ヘキサンで濯いだシリカゲルを用いた。
実施例4 (高分子化合物Bの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物3を205.8mg(0.195mmol)、化合物6を233.1mg(0.195mmol)、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物4を123mg(0.373mmol)、トルエンを29ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを5.12mg(0.0056mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを10.2mg(0.034mmol)加え、100℃で6時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルブロミドを133mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール500mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを、円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン15mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.31gと水3mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液50mLで2回洗浄し、次いで、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン17mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体188mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Bと呼称する。
実施例5 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Bを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は11.9mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.70Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.70であり、光電変換効率(η)は5.83%であった。
参考例3 (高分子化合物Cの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した100mLフラスコに、化合物2を320mg(0.289mmol)、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物4を100mg(0.303mmol)、トルエンを22ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを4.16mg(0.0045mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを8.30mg(0.027mmol)加え、100℃で6時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルトリメチルスズを88.6mg加え、5時間攪拌した後、反応液にフェニルブロミドを500mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール500mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを、円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン15mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.31gと水3mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液50mLで2回洗浄し、次いで、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン20mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体174mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Cと呼称する。
比較例1 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Cを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は10.5mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.69Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.65であり、光電変換効率(η)は4.72%であった。
参考例4 (高分子化合物Dの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した100mLフラスコに、上記参考例2で合成した化合物6を344mg(0.288mmol)、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物4を100mg(0.303mmol)、トルエンを23ml入れて均一溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを4.16mg(0.0045mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを8.30mg(0.027mmol)加え、100℃で6時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルトリメチルスズを90.0mg加え、さらに5時間攪拌した後、反応液にフェニルブロミドを500mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール500mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを、円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン15mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.3gと水3mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液50mLで2回洗浄し、次いで、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン23mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体208mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Dと呼称する。
比較例2 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Dを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は7.23mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.59Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.64であり、光電変換効率(η)は2.74%であった。
参考例5 (高分子化合物Eの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物3を500mg(0.475mmol)、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物4を141mg(0.427mmol)、トルエンを32ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを6.52mg(0.007mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを13.0mg加え、100℃で6時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルブロミドを500mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール300mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを、円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、トルエン100mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム2gと水40mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液50mLで2回、水50mLで2回、さらに、5重量%フッ化カリウム水溶液50mLで2回洗浄し、最後に、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン50mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体185mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Eと呼称する。
比較例3 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Eを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は12.2mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.71Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.64であり、光電変換効率(η)は5.54%であった。
実施例6 (高分子化合物Fの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した300mLフラスコに、化合物3を936mg(0.889mmol)、化合物2を656.8mg(0.592mmol)、化合物4を515.0mg(1.56mmol)、トルエンを106ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液をアルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを21.44mg(0.0234mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを42.76mg(0.141mmol)加え、100℃で5時間攪拌した。反応液にフェニルブロミドを2824mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール2000mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン53mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム1.32gと水13mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水200mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液200mLで2回、水200mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン60mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体919mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Fと呼称する。
実施例7 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Fを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は13.2mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.71Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.63であり、光電変換効率(η)は5.89%であった。
実施例8 (高分子化合物Gの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した300mLフラスコに、化合物3を624mg(0.593mmol)、化合物2を985.2mg(0.888mmol)、化合物4を515.0mg(1.56mmol)、トルエンを107ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液をアルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを21.44mg(0.0234mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを42.8mg(0.141mmol)加え、100℃で5時間攪拌した。反応液にフェニルブロミドを2824mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール2000mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン53mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム1.32gと水13mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水200mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液200mLで2回、水200mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン60mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体941mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Gと呼称する。
実施例9 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Gを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は13.5mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.71Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.66であり、光電変換効率(η)は6.27%であった。
参考例6 (化合物8の合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の空気を窒素で置換した300mL四つ口フラスコ内に、WO2011/052709の記載に従って合成した化合物7を3.12g(15.0mmol)、脱水THFを150mL入れ、均一溶液とし、ドライアイスアセトンバスで−25℃に冷却した。そこにp−トリフルオロメチルフェニルマグネシウムブロミドのテトラヒドロフラン溶液15mL(50mmol)を滴下し、−25℃で10分間攪拌した。次いで、30分かけて室温まで昇温させ、室温で2時間攪拌した。その後、フラスコを0℃に冷却し、水100mLをゆっくり加えて反応を停止させた。酢酸を用いて水層を酸性にした後、生成物を酢酸エチルで抽出し、有機層を水50mLで3回洗浄した。得られた有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧下で溶媒を留去し褐色の液体として化合物8を7.21g得た。
参考例7 (化合物9の合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の空気を窒素で置換した300mL四つ口フラスコ内に、前記参考例6で合成した化合物8を7.21g(14.4mmol)、p−トルエンスルホン酸を0.49g(2.60mmol)、脱水トルエンを100mL入れ、均一溶液とした。得られた溶液を120℃のオイルバスに浸して3時間加熱還流下で攪拌した。その後、フラスコを冷却し、有機層をトルエンで抽出し、有機層を水50mLで3回洗浄した。得られた有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られたオイル状の粗生物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒ヘキサン:クロロホルム=10:1(vol:vol)で精製し、化合物9を5.60g(11.1mmol)得た。
参考例8 (化合物10の合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の空気を窒素で置換した300mLフラスコ内に、上記参考例7で合成した化合物9を2.41g(5.00mmol)、脱水THFを90mL入れ、均一溶液とした。得られた溶液をドライアイスアセトンバスで−78℃まで冷却し、そこにn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(1.6M)を7.19mL(11.5mmol)滴下した。滴下後約30分間−78℃で攪拌した後に、室温まで昇温させ2時間30分攪拌した。その後再び−78℃まで冷却し、トリブチルスズクロリド(BuSnCl)を4.07g(12.5mmol)加えた。−78℃で1時間攪拌した後に、室温まで昇温させ、さらに2時間攪拌した。その後、水50mLを加えて反応を停止し、酢酸エチルで抽出し、有機層を水50mLで3回洗浄した。得られた有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られたオイル状の粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン)で精製した。シリカゲルカラムのシリカゲルには、あらかじめ10wt%のトリエチルアミンを含むヘキサンに5分間浸し、その後、ヘキサンで洗ったシリカゲルを用いた。次いで、逆相シリカゲルカラムクマトグラフィー(メタノール:アセトン=1:1)で精製して化合物10を4.70g(4.40mmol)得た。
実施例10 (高分子化合物Hの合成)
Figure 0005999095
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した300mLフラスコに、化合物3を288mg(0.274mmol)、化合物2を303.8mg(0.274mmol)、上記参考例8で合成した化合物10を64mg(0.060mmol)、化合物4を210mg(636mmol)、トルエンを41ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液をアルゴンで30分バブリングした後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを8.74mg(0.0095mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを17.4mg(0.057mmol)加え、100℃で5時間攪拌した。次いで、反応液にフェニルブロミドを472mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール1000mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン21mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.54gと水5mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水200mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液200mLで2回、水200mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。濾過、乾燥により得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン47mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、濾過、乾燥により、精製された重合体345mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物Hと呼称する。
実施例11 (有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
実施例2において、高分子化合物Aの代わりに高分子化合物Hを用いた以外は同様にして有機薄膜太陽電池を作製し、光電変換効率、短絡電流密度、開放端電圧及びフィルファクターを求めた。有機膜の光吸収末端波長は890nmであった。Jsc(短絡電流密度)は14.3mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.73Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.60であり、光電変換効率(η)は6.29%であった。
Figure 0005999095
本発明の化合物を含む有機層を有する有機光電変換素子は、光電変換効率が大きいため、本発明は極めて有用である。

Claims (13)

  1. 式(1)で表される構成単位と式(2)で表される構成単位と、式(3−1)〜式(3−8)で表される構成単位からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の構成単位とを含む高分子化合物。
    Figure 0005999095
    〔式中、Rは、炭素数が10〜15の分岐状のアルキル基を表す。Yは、酸素原子を表す。環及び環Zは、それぞれ独立に、チオフェン環を表す。〕
    Figure 0005999095
    〔式中、Rは、炭素数が10〜15の直鎖状のアルキル基を表す。Yは、酸素原子を表す。環及び環Zは、それぞれ独立に、チオフェン環を表す。〕
    Figure 0005999095
    〔式(3−1)〜式(3−8)中、R 21 〜R 38 は、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。X 21 〜X 29 は、それぞれ独立に、硫黄原子、酸素原子又はセレン原子を表す。〕
  2. 光吸収末端波長が700nm以上である請求項1に記載の高分子化合物。
  3. ポリスチレン換算の数平均分子量が3000以上である請求項1に記載の高分子化合物。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の高分子化合物を含む薄膜。
  5. 請求項1〜のいずれか一項に記載の高分子化合物と電子受容性化合物とを含む組成物。
  6. 電子受容性化合物が、フラーレン誘導体である請求項に記載の組成物。
  7. 請求項に記載の組成物を含む薄膜。
  8. 請求項に記載の組成物と溶媒とを含むインク。
  9. 請求項1〜のいずれか一項に記載の高分子化合物を含む電子素子。
  10. 第1の電極と第2の電極とを有し、該第1の電極と該第2の電極との間に活性層を有し、該活性層に請求項1〜のいずれか一項に記載の高分子化合物を含有する有機光電変換素子。
  11. 請求項10に記載の有機光電変換素子を含む太陽電池モジュール。
  12. 請求項10に記載の有機光電変換素子を含むイメージセンサー。
  13. ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、活性層とを有し、該活性層に請求項1〜のいずれか一項に記載の高分子化合物を含有する有機薄膜トランジスタ。
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