JP6406256B2 - 高分子化合物およびそれを用いた有機半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子化合物およびそれを用いた有機半導体素子に関する。
近年、地球温暖化を防止するべく、大気中に放出されるCOの削減が求められている。そこで、電子素子の一態様であるpn接合型のシリコン系太陽電池を用いたソーラーシステムが提唱されている。しかしながら、シリコン系太陽電池は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよびアモルファスシリコンから選ばれる材料を原料として製造するため、その製造には、高温プロセスおよび高真空プロセスが必要である。
一方、高分子化合物を活性層に用いた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プロセスおよ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られる高分子化合物としては、下記で表される構造単位(A)および構造単位(B)からなる高分子化合物が提案されている(非特許文献1)。
Figure 0006406256
J.Am.Chem.Soc.,2010,132,11437−11439
しかしながら、上記の高分子化合物を活性層に用いた有機薄膜太陽電池は、ff(フィルファクター(曲線因子))が必ずしも十分ではない。
本発明は、ff(フィルファクター(曲線因子))に優れる有機薄膜太陽電池の製造に有用な高分子化合物を提供することを目的とする。
本発明は、以下の通りである。
[1] 式(1)で表される構造単位を含む高分子化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
環Aおよび環Bは、それぞれ独立に、複素環を表し、該複素環は置換基を有していてもよい。
環Cは、2個以上のベンゼン環が縮合した芳香族炭化水素環を表し、該芳香族炭化水素環はアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基を少なくとも1つ有し、これらの基は置換基を有していてもよい。
およびZは、それぞれ独立に、式(Z−1)で表される基、式(Z−2)で表される基、式(Z−3)で表される基、式(Z−4)で表される基または式(Z−5)で表される基を表す。〕
Figure 0006406256
〔式中、
Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。Rが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
[2] 前記式(1)で表される構造単位が、式(2a)で表される構造単位である、[1]に記載の高分子化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
環A、環B、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。
、R、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。但し、R、R、RおよびRからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基である。〕
[3] 前記式(2a)で表される構造単位が、式(3a)で表される構造単位である、[2]に記載の高分子化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
、R、R、R、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。
およびXは、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。
およびYは、それぞれ独立に、窒素原子または−CR=で表される基を表す。
は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
[4] 前記式(1)で表される構造単位が、式(2b)で表される構造単位または式(2c)で表される構造単位である、[1]に記載の高分子化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
環A、環B、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。
1a、R2a、R3aおよびR4aは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。但し、式(2b)におけるR1a、R2a、R3aおよびR4aからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基であり、式(2c)におけるR1a、R2a、R3aおよびR4aからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基である。〕
[5] 前記Xおよび前記Xが、硫黄原子である、[3]に記載の高分子化合物。
[6] 前記Yおよび前記Yが、−CH=で表される基である、[3]または[5]に記載の高分子化合物。
[7] 前記Zおよび前記Zが、前記式(Z−1)で表される基である、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の高分子化合物。
[8] 式(4)で表される構造単位(但し、前記式(1)で表される構造単位とは異なる。)をさらに含む、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の高分子化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
Arは、アリーレン基または2価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
[9] 前記式(1)で表される構造単位と、前記式(4)で表される構造単位との交互共重合体である、[8]に記載の高分子化合物。
[10] 式(5a)で表される化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
環Aおよび環Bは、それぞれ独立に、複素環を表し、該複素環は置換基を有していてもよい。
およびZは、それぞれ独立に、式(Z−1)で表される基、式(Z−2)で表される基、式(Z−3)で表される基、式(Z−4)で表される基または式(Z−5)で表される基を表す。
、R、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。但し、R、R、RおよびRからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基である。〕
Figure 0006406256
〔式中、
Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。Rが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。〕
[11] 前記式(5a)で表される化合物が、式(6a)で表される化合物である、[10]に記載の化合物。
Figure 0006406256
〔式中、
、R、R、R、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。
およびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
およびXは、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。
およびYは、それぞれ独立に、窒素原子または−CR=で表される基を表す。
は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
[12] [1]〜[9]のいずれか一項に記載の高分子化合物を含有する、有機半導体材料。
[13] 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[1]〜[9]のいずれか一項に記載の高分子化合物を含有する、有機半導体素子。
[14] 有機トランジスタ、光電変換素子、有機エレクトロルミネッセンス素子、有機電界効果型トランジスタセンサおよび有機電導度変調型センサのいずれかである、[13]に記載の有機半導体素子。
[15] 光電変換素子である、[14]に記載の有機半導体素子。
[16] 式(S16):
Figure 0006406256
[式中、環Aおよび環Bは、それぞれ独立に、複素環を表し、該複素環は置換基を有していてもよい。
、R、R、Rは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。Rが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
は、アルキル基、シリル基またはアセチル基を表す。Rが複数存在する場合は、同一でも異なっていてもよい。]
で表される化合物と酸とを接触させる工程を含む、式(S7):
Figure 0006406256
[式中、環A、環B、R、R、R、RおよびRは、前記と同じ意味を表す。]
で表される化合物の製造方法。
図1は本発明の光電変換素子の一例を示す模式断面図である。
以下、必要に応じて図面を参照することにより、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
<高分子化合物>
(第1構造単位)
本発明の高分子化合物は、式(1)で表される構造単位(以下、「第1構造単位」ということがある。)を含む高分子化合物である。第1構造単位は、高分子化合物中に一種のみ含まれていても二種以上含まれていてもよい。本発明の高分子化合物は、共役高分子化合物であることが好ましい。
Figure 0006406256
式(1)中、環Aおよび環Bは、それぞれ独立に、複素環を表し、該複素環は置換基を有していてもよい。複素環の炭素原子数は、好ましくは2〜30であり、より好ましくは2〜14であり、さらに好ましくは3〜8である。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。複素環としては芳香族複素環が好ましい。
複素環としては、例えば、フラン環、チオフェン環、セレノフェン環、ピロール環、オキサゾール環、チアゾール環、イミダゾール環、ピリジン環、ベンゾフラン環、ベンゾチオフェン環、チエノチオフェン環、2,1,3−ベンゾチアジアゾール環が挙げられる。
複素環が有していてもよい置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基が挙げられる。
アルキル基は、直鎖アルキル基、分岐アルキル基のいずれでもよく、シクロアルキル基であってもよい。アルキル基が有する炭素原子数は、通常1〜30(分岐アルキル基およびシクロアルキル基の場合、通常3〜30)であり、1〜20(分岐アルキル基およびシクロアルキル基の場合、3〜20)であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ドデシル基、n−ヘキサデシル基等の直鎖アルキル基、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、2−エチルヘキシル基、3,7−ジメチルオクチル基等の分岐アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基が挙げられる。
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、例えば、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子が挙げられる。置換基を有しているアルキル基としては、例えば、メトキシエチル基、ベンジル基、トリフルオロメチル基、パーフルオロヘキシル基が挙げられる。
アルコキシ基は、直鎖アルコキシ基、分岐アルコキシ基のいずれでもよく、シクロアルコキシ基であってもよい。アルコキシ基が有する炭素原子数は、通常1〜30(分岐アルコキシ基およびシクロアルコキシ基の場合、通常3〜30)であり、1〜20(分岐アルコキシ基およびシクロアルコキシ基の場合、3〜20)であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、n−オクチルオキシ基、n−ドデシルオキシ基、n−ヘキサデシルオキシ基等の直鎖アルコキシ基;イソプロピルオキシ基、イソブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基等の分岐アルコキシ基;シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等のシクロアルコキシ基が挙げられる。
アルコキシ基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子が挙げられる。
アルキルチオ基は、直鎖アルキルチオ基、分岐アルキルチオ基のいずれでもよく、シクロアルキルチオ基であってもよい。アルキルチオ基が有する炭素原子数は、通常1〜30(分岐アルキルチオ基およびシクロアルキルチオ基の場合、通常3〜30)であり、1〜20(分岐アルキルチオ基およびシクロアルキルチオ基の場合、3〜20)であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アルキルチオ基としては、例えば、メチルチオ基、エチルチオ基、n−プロピルチオ基、n−ブチルチオ基、n−ヘキシルチオ基、n−オクチルチオ基、n−ドデシルチオ基、n−ヘキサデシルチオ基等の直鎖アルキルチオ基;イソプロピルチオ基、イソブチルチオ基、sec−ブチルチオ基、tert−ブチルチオ基、2−エチルヘキシルチオ基、3,7−ジメチルオクチルチオ基等の分岐アルキルチオ基;シクロペンチルチオ基、シクロヘキシルチオ基等のシクロアルキルチオ基が挙げられる。
アルキルチオ基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子が挙げられる。
アリール基は、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素から、環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子1個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立したベンゼン環および縮合環からなる群から選ばれる2個以上が直接結合した基を含む。アリール基が有する炭素原子数は、通常6〜30であり、6〜20であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アリール基としては、例えば、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、1−アントラセニル基、2−アントラセニル基、9−アントラセニル基、1−ピレニル基、2−ピレニル基、4−ピレニル基、2−フルオレニル基、3−フルオレニル基、4−フルオレニル基、4−フェニルフェニル基が挙げられる。
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、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、1価の複素環基、ハロゲン原子が挙げられる。置換基を有しているアリール基としては、例えば、4−ヘキサデシルフェニル基、3,5−ジメトキシフェニル基、ペンタフルオロフェニル基が挙げられる。アリール基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
1価の複素環基は、置換基を有していてもよい複素環式化合物から、環を構成する炭素原子またはヘテロ原子に直接結合する水素原子1個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立した複素環および縮合環からなる群から選ばれる2個以上が直接結合した基を含む。1価の複素環基が有する炭素原子数は、通常2〜30であり、3〜20であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。1価の複素環基は1価の芳香族複素環基であることが好ましい。
1価の複素環基としては、例えば、2−フリル基、3−フリル基、2−チエニル基、3−チエニル基、2−ピロリル基、3−ピロリル基、2−オキサゾリル基、2−チアゾリル基、2−イミダゾリル基、2−ピリジル基、3−ピリジル基、4−ピリジル基、2−ベンゾフリル基、2−ベンゾチエニル基、2−チエノチエニル基、4−(2,1,3−ベンゾチアジアゾリル)基が挙げられる。
1価の複素環基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ハロゲン原子が挙げられる。置換基を有している1価の複素環基としては、例えば、5−オクチル−2−チエニル基、5−フェニル−2−フリル基が挙げられる。1価の複素環基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
シリル基は、置換基を有していてもよい。シリル基が有していてもよい置換基としては、例えば、アルキル基、アリール基が挙げられる。置換基を有しているシリル基としては、例えば、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリイソプロピルシリル基、tert−ブチルジメチルシリル基、フェニルシリル基、トリフェニルシリル基が挙げられる。
シリル基の炭素原子数は通常0〜90であり、好ましくは3〜90である。
アミノ基は、置換基を有していてもよい。アミノ基が有していてもよい置換基としては、例えば、アルキル基、アリール基が挙げられる。置換基を有しているアミノ基としては、例えば、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基、ジフェニルアミノ基が挙げられる。アミノ基の炭素原子数は通常0〜90であり、好ましくは3〜90である。
アルケニル基は、直鎖アルケニル基、分岐アルケニル基のいずれでもよく、シクロアルケニル基であってもよい。アルケニル基が有する炭素原子数は、通常2〜30(分岐アルケニル基およびシクロアルケニル基の場合、通常3〜30)であり、2〜20(分岐アルケニル基およびシクロアルケニル基の場合、3〜20)であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アルケニル基としては、例えば、ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、1−ヘキセニル基、1−ドデセニル基、1−ヘキサデセニル基、1−シクロヘキセニル基が挙げられる。
アルケニル基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アリール基、ハロゲン原子、シリル基が挙げられる。
アルキニル基は、直鎖アルキニル基、分岐アルキニル基のいずれでもよい。アルキニル基が有する炭素原子数は、通常2〜30(分岐アルキニル基の場合、通常4〜30)であり、2〜20(分岐アルキニル基の場合、4〜20)であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アルキニル基としては、例えば、エチニル基、1−プロピニル基、1−ヘキシニル基、1−ドデシニル基、1−ヘキサデシニル基が挙げられる。
アルキニル基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アリール基、ハロゲン原子、シリル基が挙げられる。
アルキルカルボニル基としては、例えば、上記のアルキル基とカルボニル基とが結合した基が挙げられる。
アルキルカルボニル基としては、例えば、アセチル基、n−プロパノイル基、n−ブタイル基、n−ヘキサノイル基、n−オクタノイル基、n−ドデカノイル基、n−ヘキサデカノイル基等の直鎖アルキルカルボニル基、イソブタノイル基、sec−ブタノイル基、tert−ブタノイル基、2−エチルヘキサノイル基等の分岐アルキルカルボニル基、シクロペンチルカルボニル基、シクロヘキシルカルボニル基等のシクロアルキルカルボニル基が挙げられる。
アルキルカルボニル基の炭素原子数は通常2〜30である。
アルコキシカルボニル基としては、例えば、上記のアルコキシ基とカルボニル基とが結合した基が挙げられる。
アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n−プロピルオキシカルボニル基、n−ブトキシカルボニル基、n−ヘキシルオキシカルボニル基、n−オクチルオキシカルボニル基、n−ドデシルオキシカルボニル基、n−ヘキサデシルオキシカルボニル基等の直鎖アルコキシカルボニル基、イソプロピルオキシカルボニル基、イソブチルオキシカルボニル基、sec−ブチルオキシカルボニル基、tert−ブチルオキシカルボニル基、2−エチルヘキシルオキシカルボニル基等の分岐アルコキシカルボニル基、シクロペンチルオキシカルボニル基、シクロヘキシルオキシカルボニル基等のシクロアルコキシカルボニル基が挙げられる。
アルコキシカルボニル基の炭素原子数は通常2〜30である。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、環Aおよび環Bは、同一の複素環であることが好ましい。
本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるため、環Aおよび環Bは、5員環および/または6員環の複素環から構成されていることが好ましく、5員環の複素環のみから構成されていることがより好ましい。
式(1)中、環Cは、2個以上のベンゼン環が縮合した芳香族炭化水素環を表し、該芳香族炭化水素環は置換基を有していてもよい。
芳香族炭化水素環の炭素原子数は、好ましくは10〜30であり、より好ましくは10〜24であり、さらに好ましくは10〜18である。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
芳香族炭化水素環としては、例えば、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環、フルオレン環が挙げられる。
芳香族炭化水素環が有していてもよい置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基が挙げられ、これらの置換基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例と同様である。
環Cは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基を有することが好ましく、アルキル基またはアルコキシ基を有することがより好ましく、アルコキシ基を有することがさらに好ましい。
環Cは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基を、1〜4個有することが好ましく、1〜2個有することがより好ましい。
式(1)中、ZおよびZは、それぞれ独立に、式(Z−1)で表される基、式(Z−2)で表される基、式(Z−3)で表される基、式(Z−4)で表される基または式(Z−5)で表される基を表す。
Figure 0006406256
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、ZおよびZは、同一の基を表すことが好ましい。
本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるため、ZおよびZは、式(Z−1)、式(Z−2)または式(Z−3)で表される基であることが好ましく、式(Z−1)または式(Z−2)で表される基であることがより好ましく、式(Z−1)で表される基であることがさらに好ましい。
式(Z−1)〜(Z−5)中、Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基の定義および具体例と同様である。
本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるので、Rは、アルキル基またはアリール基であることが好ましい。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、Rは、アルキル基またはアリール基であることが好ましく、アルキル基であることがより好ましく、直鎖アルキル基であることがさらに好ましい。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、式(1)で表される構造単位は、式(2a)で表される構造単位であることが好ましい。
Figure 0006406256
式(2a)中、R、R、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。但し、R、R、RおよびRからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基である。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例と同様である。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、式(2a)で表される構造単位は、式(3a)で表される構造単位であることが好ましい。
Figure 0006406256
式(3a)中、XおよびXは、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。YおよびYは、それぞれ独立に、窒素原子または−CR=で表される基を表す。Rは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表す。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子の定義および具体例と同様である。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、式(1)で表される構造単位は、式(2b)で表される構造単位または式(2c)で表される構造単位であることも好ましい。
Figure 0006406256
式(2b)および(2c)中、R1a、R2a、R3aおよびR4aは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。但し、式(2b)におけるR1a、R2a、R3aおよびR4aからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基であり、式(2c)におけるR1a、R2a、R3aおよびR4aからなる群から選ばれる少なくとも1つは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基またはヒドロキシル基である。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例と同様である。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、XおよびXは、酸素原子または硫黄原子であることが好ましく、硫黄原子であることがより好ましい。
本発明の高分子化合物の合成が容易となるため、YおよびYは、
−CR=であることが好ましく、−CH=であることがより好ましい。
式(1)で表される構造単位(式(2a)〜式(2c)で表される構造単位であっても、式(3a)で表される構造単位であってもよい)としては、例えば、式(1−1)〜式(1−38)で表される構造単位が挙げられる。
本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるので、式(1)で表される構造単位は、式(1−1)〜式(1−5)、式(1−7)〜式(1−10)、式(1−29)、式(1−32)、式(1−33)、式(1−35)〜式(1−38)で表される構造単位であることが好ましく、式(1−2)〜式(1−5)、式(1−7)〜式(1−9)、式(1−29)、式(1−33)、式(1−35)〜式(1−38)で表される構造単位であることがより好ましく、式(1−4)〜式(1−5)、式(1−8)、式(1−9)、式(1−33)式(1−36)、式(1−37)で表される構造単位であることがさらに好ましい。
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
(第2構造単位)
本発明の高分子化合物は、式(1)で表される構造単位のほかに、式(4)で表される構造単位(但し、前記式(1)で表される構造単位とは異なる。)(以下、「第2構造単位」ということがある。)をさらに含んでいることが好ましい。
Figure 0006406256
式(4)中、Arは、アリーレン基または2価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
本発明の高分子化合物が第2構造単位を含む場合、式(1)で表される構造単位(式(2a)〜式(2c)で表される構造単位であっても、式(3a)で表される構造単位であってもよい)と、式(4)で表される構造単位とが、共役を形成していることが好ましい。
本明細書において、共役とは、不飽和結合−単結合−不飽和結合の順に連鎖し、π軌道の2個のπ結合が隣り合い、それぞれのπ電子が平行に配置し、不飽和結合上にπ電子が局在するのではなく、隣の単結合上にπ電子が広がってπ電子が非局在化している状態のことを指す。ここで不飽和結合とは、二重結合や三重結合を指す。
アリーレン基は、置換基を有していてもよい芳香族炭化水素から、環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子2個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立したベンゼン環および縮合環からなる群から選ばれる2個以上が直接結合した基、独立したベンゼン環および縮合環からなる群から選ばれる2個以上がビニレン等を介して結合した基を含む。アリーレン基が有する炭素原子数は通常6〜60であり、6〜20であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。
アリーレン基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、1価の複素環基、ハロゲン原子が挙げられる。これらの置換基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、1価の複素環基、ハロゲン原子の定義および具体例と同様である。
アリーレン基としては、例えば、下記式1〜12で表されるアリーレン基が挙げられる。
Figure 0006406256
Figure 0006406256
式1〜12中、R”は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表す。複数存在するR”は、同一でも異なっていてもよい。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子の定義および具体例と同様である。
2価の複素環基は、置換基を有していてもよい複素環式化合物から、環を構成する炭素原子またはヘテロ原子に直接結合する水素原子2個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立した複素環および縮合環からなる群から選ばれる2個以上が直接結合した基を含む。2価の複素環基が有する炭素原子数は、通常2〜30であり、3〜20であることが好ましい。なお、上記の炭素原子数には、置換基の炭素原子数は含まれない。2価の複素環基は、2価の芳香族複素環基であることが好ましい。
2価の複素環基は置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ハロゲン原子が挙げられる。これらの置換基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ハロゲン原子の定義および具体例と同様である。
2価の複素環基としては、例えば、下記式13〜64で表される2価の複素環基が挙げられる。
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
式13〜64中、R”は、前記と同じ意味を表す。aおよびbは、それぞれ独立に、繰り返しの数を表し、通常0〜5の整数であり、好ましくは0〜3の整数であり、より好ましくは0〜1の整数である。
本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるので、第2構造単位は、2価の複素環基であることが好ましく、式49〜式53、式59〜62、式64で表される2価の複素環基であることがより好ましく、式51、式64で表される2価の複素環基であることがさらに好ましい。
本発明の高分子化合物のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下、「GPC」と言う。)で測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)は、通常、1×10〜1×10である。良好な薄膜を形成する観点から、数平均分子量は3×10以上が好ましい。溶媒への溶解性を高め、薄膜形成を容易にする観点から、数平均分子量は1×10以下であることが好ましい。
本発明の高分子化合物は、溶媒(好ましくは、有機溶媒)への溶解性が高いものであるが、具体的には、本発明の高分子化合物を0.1重量%(以下、「wt%」ということがある。)以上含む溶液を調製し得る溶解性を有することが好ましく、0.4wt%以上含む溶液を調製し得る溶解性を有することがより好ましい。
本発明の高分子化合物において、式(1)で表される構造単位の含有量は、高分子化合物中に少なくとも1つ含まれていればよいが、高分子化合物中に3つ以上含まれていることが好ましく、高分子化合物中に5つ以上含まれていることがより好ましい。
本発明の高分子化合物は、単独重合体でも共重合体でもよい。
本発明の高分子化合物は、いかなる種類の共重合体であってもよく、例えば、ブロック共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体のいずれであってもよい。本発明の高分子化化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるので、本発明の高分子化合物は、式(1)で表される構造単位と、式(4)で表される構造単位との共重合体であることが好ましく、式(1)で表される構造単位と、式(4)で表される構造単位との交互共重合体であることがより好ましい。
本発明の高分子化合物は、分子鎖末端に重合反応に活性である基が残っていると、該高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))が低下する可能性がある。そのため、該分子鎖末端は、アリール基、1価の芳香族複素環基等の安定な基であることが好ましい。
<高分子化合物の製造方法>
本発明の高分子化合物の製造方法を説明する。
本発明の高分子化合物は、いかなる方法で製造してもよいが、例えば、式:X11−A11−X12で表される化合物と、式:X13−A12−X14で表される化合物とを、必要に応じて有機溶媒に溶解し、必要に応じて塩基を加え、適切な触媒を用いた公知のアリールカップリング等の重合方法により合成することができる。
11は、式(1)で表される構造単位を表し、A12は式(4)で表される構造単位を表す。X11、X12、X13およびX14は、それぞれ独立に、重合反応性基を表す。
重合反応性基としては、例えば、ハロゲン原子、ホウ酸エステル残基、3つのアルキル基で置換された有機スズ残基が挙げられる。ここで、ホウ酸残基とは、−B(OH)で表される基を意味する。
重合反応性基であるハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
重合性官能基であるホウ酸エステル残基は、ボロン酸(HB(OH))のエステルからホウ素に結合した水素原子を除いた原子団を意味する。
ホウ酸エステル残基の炭素原子数は、通常2〜40である。ホウ酸エステル残基としては、例えば、下記式で示される基が挙げられる。
Figure 0006406256
(式中、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表す。)
重合反応性基である3つのアルキル基で置換された有機スズ残基としては、例えば、3つのメチル基で置換された有機スズ残基、3つのブチル基で置換された有機スズ残基が挙げられる。有機スズ残基の炭素原子数は通常3〜60である。
上記のアリールカップリング等の重合方法としては、例えば、Suzukiカップリング反応により重合する方法(Chemical Review、1995年、第95巻、2457−2483項)、Stilleカップリング反応により重合する方法(European Polymer Journal、2005年、第41巻、2923−2933項)が挙げられる。
重合反応性基は、Suzukiカップリング反応等のニッケル触媒またはパラジウム触媒を用いる場合には、ハロゲン原子、ホウ酸エステル残基またはホウ酸残基であることが好ましく、重合反応が簡便となるため、臭素原子、ヨウ素原子またはホウ酸エステル残基であることが好ましい。
本発明の高分子化合物をSuzukiカップリング反応により重合する場合は、上記の重合反応性基である臭素原子およびヨウ素原子の合計モル数(A)と、上記の重合反応性基であるホウ酸エステル残基の合計モル数(B)との比率(A/B)が、0.7〜1.3とすることが好ましく、0.8〜1.2とすることがより好ましい。
重合反応性基は、Stilleカップリング反応等のパラジウム触媒を用いる場合には、ハロゲン原子、または、3つのアルキル基で置換された有機スズ残基であることが好ましく、重合反応が簡便となるため、臭素原子、ヨウ素原子、または、3つのアルキル基で置換された有機スズ残基であることが好ましい。
本発明の高分子化合物をStilleカップリング反応により重合する場合は、上記の重合反応性基である臭素原子およびヨウ素原子の合計モル数(C)と、上記の重合反応性基である3つのアルキル基で置換された有機スズ残基の合計モル数(D)との比率(C/D)が、0.7〜1.3であることが好ましく、0.8〜1.2とであることがより好ましい。
重合に用いられる有機溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、テトラヒドロフラン、ジオキサンが挙げられる。これらの有機溶媒は、一種単独で用いても二種以上を併用してもよい。
重合に用いられる塩基としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム、フッ化カリウム、フッ化セシウム、リン酸三カリウム等の無機塩基、フッ化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラブチルアンモニウム、臭化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム等の有機塩基が挙げられる。
重合に用いられる触媒としては、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、パラジウムアセテート、ジクロロビストリフェニルホスフィンパラジウム等のパラジウム錯体等の遷移金属錯体と、必要に応じて、トリフェニルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン等の配位子とからなる触媒であることが好ましい。これらの触媒は、予め合成したものを用いてもよいし、反応系中で調製したものをそのまま用いてもよい。また、これらの触媒は、一種単独で用いても二種以上を併用してもよい。
重合の反応温度は、好ましくは0〜200℃であり、より好ましくは0〜150℃であり、更に好ましくは0〜120℃である。
重合の反応時間は、通常1時間以上であり、好ましくは2〜500時間である。
重合の後処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、メタノール等の低級アルコールに上記重合で得られた反応液を加えて析出させた沈殿をろ過、乾燥させる方法が挙げられる。
本発明の高分子化合物の純度が低い場合には、再結晶、ソックスレー抽出器による連続抽出、カラムクロマトグラフィー等の方法にて精製することが好ましい。
<化合物>
本発明の化合物は、式(5a)で表される化合物であり、本発明の高分子化合物の原料として、上記の高分子化合物の製造方法において好適に使用することができる。
Figure 0006406256
式(5a)中、R、R、R、R、環A、環B、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。
環Aおよび環Bで表される複素環が有していてもよい置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基があげられ、これらの基は置換基を有していてもよい。
本発明の化合物の合成が容易であるため、式(5a)で表される化合物は、式(6a)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 0006406256
式(6a)中、R、R、R、R、X、X、Y、Y、ZおよびZは、前記と同じ意味を表す。RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例は、上記の複素環が有していてもよい置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基の定義および具体例と同様である。また、ホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基の定義および具体例は、上記の重合反応基であるホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基の定義および具体例と同様である。
本発明の化合物を用いて、前述した本発明の高分子化合物を製造した場合、該高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池のff(フィルファクター(曲線因子))がより優れるため、式(5a)で表される化合物は、式(5a−1)〜式(5a−33)で表される化合物が好ましく、ZおよびZが式(Z−1)で表される基である、式(5a−1)〜式(5a−22)で表される化合物より好ましく、式(5a−1)〜式(5a−14)で表される化合物がさらに好ましい。
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
Figure 0006406256
<化合物の製造方法>
次に、本発明の化合物の製造方法を説明する。
式(5a)で表される化合物は、いかなる方法で製造してもよいが、例えば、以下に説明するように、臭素化反応、Suzukiカップリング反応、Wolff−Kishner還元反応、Buchwald−Hartwigアミノ化反応、酸化的環化反応により製造することができる。
式(S5)で表される化合物(式(5a)において ZおよびZが、式(Z−5)で表される基である化合物)は、例えば、
式(S1)で表される化合物と、式(S2)で表される化合物と、式(S3)で表される化合物とをSuzukiカップリング反応により反応させる第一工程と、
第一工程で得られた式(S4)で表される化合物を分子内環化させる第二工程と
を含む方法により製造することができる。
Figure 0006406256
式(S1)〜(S5)中、R、R、R、R、環Aおよび環Bは、前記と同じ意味を表す。MおよびMは、それぞれ独立に、ホウ酸エステル残基またはホウ酸残基(−B(OH)で表される基)を表す。Halは、ヨウ素原子、臭素原子または塩素原子を表す。式(S2)のHalと式(S3)のHalは、同一でも異なっていてもよい。
式(S7)で表される化合物(式(5a)においてZおよびZが、式(Z−1)で表される基である化合物)は、例えば、
上記の式(S5)で表される化合物をWolff−Kishner還元反応により反応させる第一工程と、
第一工程で得られた式(S6)で表される化合物と、ナトリウムアルコキシド等の塩基と、アルキルハライドとを反応させる第二工程と
を含む方法により製造することができる。
Figure 0006406256
式(S5)〜(S7)中、R、R、R、R、R、環A、環BおよびHalは、前記と同じ意味を表す。
式(S7)で表される化合物(式(5a)においてZおよびZが、式(Z−1)で表される基である化合物)は、他にも、
式(S1)で表される化合物と、式(S8)で表される化合物と、式(S9)で表される化合物とをSuzukiカップリング反応により反応させる第一工程と、
第一工程で得られた式(S10)で表される化合物と、ブチルリチウムとを反応させてリチオ化し、さらに、ケトンと反応させる第二工程と、
第二工程で得られた式(S11)で表される化合物と、トリフルオロホウ酸や硫酸等の酸とを反応させて環化させる第三工程と
を含む方法 により製造することができる。
Figure 0006406256
式(S1)および(S7)〜(S11)中、R、R、R、R、R、M、M、環A、環BおよびHalは、前記と同じ意味を表す。式(S8)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよく、式(S9)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよく、式(S8)のHalと式(S9)のHalは、同一でも異なっていてもよい。
式(S13)で表される化合物(式(5a)においてZおよびZが、式(Z−2)または式(Z−3)で表される基である化合物)は、例えば、
上記の式(S10)で表される化合物と、N−ブロモスクシンイミド等のハロゲン化剤とを反応させる第一工程と、
第一工程で得られた式(S12)で表される化合物と、ブチルリチウムとを反応させてリチオ化し、さらに、式:REClで表される化合物等と反応させる第二工程と
を含む方法により製造することができる。
Figure 0006406256
式(S10)、(S12)および(S13)中、R、R、R、R、R、環A、環BおよびHalは、前記と同じ意味を表す。Eは、ケイ素原子またはゲルマニウム原子を表す。式(S10)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよく、(S12)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよい。
式(S15)で表される化合物(式(5a)においてZおよびZが式(Z−4)で表される基である化合物)は、例えば、
上記の式(S12)で表される化合物と、式(S14)で表される化合物とをBuchwald−Hartwigアミノ化反応により反応させることにより製造することができる。である。
Figure 0006406256
式(S12)、(S14)および(S15)中、R、R、R、R、R、環A、環BおよびHalは、前記と同じ意味を表す。式(S12)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよい。
式(S7)で表される化合物(式(5a)においてZおよびZが、式(Z−1)で表される基である化合物)は、式(S16)で表される化合物を分子内環化させることにより製造することができる。好ましくは、式(S7)で表される化合物は、式(S16)で表される化合物を酸と接触させる工程を含む方法により製造することができる。
式(S16)で表される化合物は、式(S19)で表される化合物と、式(S23)で表される化合物と、式(S24)で表される化合物とをSuzukiカップリング反応により反応させることにより製造することができる。
また、 式(S7)で表される化合物は、
式(S19)で表される化合物と、式(S23)で表される化合物と、式(S24)で表される化合物とをSuzukiカップリング反応により反応させる第一工程と、
第一工程で得られた式(S16)で表される化合物を分子内環化させる第二工程と
を含む方法により製造することができる。第二工程において式(S7)で表される化合物は、好ましくは、式(S16)で表される化合物と酸と接触させる方法により製造することができる。
Figure 0006406256
式(S7)、(S16)、(S19)、(S23)および(S24)中、R、R、R、R、R、環A、環BおよびHalは、前記と同じ意味を表す。MおよびMは、それぞれ独立に、ホウ酸エステル残基またはホウ酸残基(−B(OH)で表される基)を表す。Rは、アルキル基、シリル基またはアセチル基を表す。式(S24)に複数存在するHalは、同一でも異なっていてもよい。(S19)のRと式(S23)のRは、同一でも異なっていてもよい。
式(S19)および(S23)における、MおよびMで表されるホウ酸エステル残基は、ボロン酸(HB(OH))のエステルからホウ素に結合した水素原子を除いた原子団を意味する。
ホウ酸エステル残基の炭素原子数は、通常2〜40である。
ホウ酸エステル残基としては、下記式:
Figure 0006406256
(式中、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表す。)
で表される基等が挙げられる。
式(S24)における、Halで表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子が挙げられる。本発明の化合物の合成の容易さの観点からは、臭素原子またはヨウ素原子であることが好ましく、臭素原子であることがより好ましい。
式(S19)で表される化合物と、式(S23)で表される化合物と、式(S24)で表される化合物とをSuzukiカップリング反応により反応させて(S16)で表される化合物を得る工程につき以下説明する。
Suzukiカップリング反応は、触媒および塩基の存在下、通常溶媒中で行われる。 触媒としては、通常パラジウム触媒が用いられる。パラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒等が挙げられる。パラジウム触媒として具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、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)パラジウム等が挙げられ、反応操作の容易さ、反応速度の観点からは、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触媒としての有効量であればよいが、式(S24)で表される化合物1モルに対して通常0.001〜10モルであり、好ましくは0.01〜1モルである。
パラジウム触媒を用いる場合、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(t−ブチル)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、パラジウム触媒のモル数の合計1モルに対して、通常0.001〜10モルであり、好ましくは0.01〜1モルである。
塩基としては、無機塩基、有機塩基、無機塩等が挙げられる。無機塩基としては、例えば、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化バリウム等が挙げられる。有機塩基としては、例えば、トリエチルアミン、トリブチルアミン等が挙げられる。無機塩としては、例えば、フッ化セシウム等が挙げられる。
塩基の添加量は、式(S24)で表される1種類以上の化合物のモル数の合計に対して、通常0.5〜100モル%であり、好ましくは0.9〜20モル%であり、より好ましくは1〜10モル%である。
反応に溶媒を用いる場合、溶媒としては、例えば、トルエン等の芳香族炭化水素溶媒;N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)等のアミド溶媒;テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン、1,4−ジオキサン等のエーテル溶媒;水等が挙げられ、THF、1,4−ジオキサンがより好ましい。
これらの溶媒は1種類で使用しても良いし、2種類以上混合して使用することも可能である。
塩基を水溶液として加えることで、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。塩基を水溶液として加えることで、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。
溶媒の使用量は、式(S24)で示される化合物1重量部に対して、例えば、0.5〜500重量部の範囲であり、好ましくは1〜300重量部の範囲である。
(S19)で表される化合物の使用量は、式(S24)で表される化合物1モルに対して通常1〜100モルである。(S23)で表される化合物の使用量は、式(S24)で表される化合物1モルに対して通常1〜100モルである。
反応を行う温度は、溶媒にもよるが、通常50〜160℃程度であり、60〜120℃が好ましい。また、反応は、溶媒の沸点近くまで昇温し、溶媒を還流させる条件で行ってもよい。反応は、通常 液体クロマトグラフィやガスクロマトグラフィなどの分析手段で、反応混合物中の式(S24)で示される化合物、式(S19)で表される化合物又は式(S23)で表される化合物が低減されないか、得られる式(S16)で表される化合物が増加しなくなるまで行われる。反応の時間は、具体的には、1分〜48時間の範囲である。
反応は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気下において、触媒が失活しない反応系で行うことが好ましい。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ことが好ましい。
式(S16)で表される化合物は、生成物を有機溶媒で抽出し、溶媒を留去するなどの通常の後処理を行うことによって得ることができる。さらに再結晶、各種クロマトグラフィー等の通常の精製手段により、式(S16)で表される化合物を単離、精製することができる。
次に、式(S16)で表される化合物を分子内環化させて(S17)で表される化合物を製造する工程について説明する。
この工程において、酸を用いる場合、反応は、酸のみの存在下で行ってもよいし、酸と溶媒の存在下で行ってもよい。
酸としては、Lewis酸およびBronsted酸があげられる。酸としては、例えば、Friedel−Crafts反応に用いられる公知の酸を使用することができる。酸の具体例としては、塩酸、臭化水素酸、フッ化水素酸、硫酸、硝酸、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、安息香酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸、三臭化ホウ素、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、塩化スズ(IV)、塩化ケイ素(IV)、塩化鉄(III)、四塩化チタン、塩化亜鉛、塩化ベリリウム、塩化カドミウム、塩化ガリウム、塩化アンチモン、およびこれらの混合物等が挙げられる。
酸の中ではLewis酸が好ましく、三臭化ホウ素、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体、塩化アルミニウムがより好ましい。
これらの酸は1種類で使用しても良いし、2種類以上混合して使用することも可能である。
酸の使用量は、式(S16)で表される化合物1モルに対して、通常2〜100モルである。
溶媒を使用する場合、溶媒としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサンなどの飽和炭化水素溶媒;ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレンなどの不飽和炭化水素溶媒;四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、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などのハロゲン化飽和炭化水素溶媒;クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンなどのハロゲン化不飽和炭化水素溶媒などが挙げられる。中でも、ハロゲン化飽和炭化水素溶媒が好ましく、ジクロロメタンがより好ましい。
これらの溶媒は1種類で使用しても良いし、2種類以上混合して使用することも可能である。
溶媒を使用する場合、溶媒の使用量としては、式(S16)で示される化合物1重量部に対して、例えば、0.5〜500重量部の範囲等が挙げられ、好ましくは1〜300重量部の範囲等が挙げられる。
溶媒を使用する場合、式(S16)で表される化合物と酸とは、それぞれ溶媒に任意の順序で混合される。式(S16)で表される化合物を溶媒に混合した混合物に、酸を混合することが好ましい。
反応温度は通常−80〜300℃の範囲、好ましくは−50〜200℃の範囲、より好ましくは−50℃〜100の範囲である。反応時間は制限されないが、反応は、通常、液体クロマトグラフィやガスクロマトグラフィなどの分析手段で、混合物中の式(S16)で示される化合物が低減されないか、得られる式(S7)で表される化合物が増加しなくなるまで行われる。具体的には、反応時間は、1分〜120時間の範囲である。
式(S7)で表される化合物は、生成物を有機溶媒で抽出し、溶媒を留去するなどの通常の後処理を行うことによって得ることができる。さらに再結晶、各種クロマトグラフィー等の通常の精製手段により、式(S7)で表される化合物を単離、精製することができる。
<有機半導体材料>
本発明の有機半導体材料は、本発明の高分子化合物を1種類単独で含むものであってもよく、2種類以上を含むものであってもよい。本発明の有機半導体材料は、本発明の高分子化合物に加え、キャリア輸送性を有する化合物(低分子化合物であっても、高分子化合物であってもよい。)を更に含んでいてもよい。本発明の有機半導体材料が、本発明の高分子化合物以外の成分を含む場合は、本発明の高分子化合物を30重量%以上含むことが好ましく、50重量%以上含むことがより好ましく、70重量%以上含むことがさらに好ましい。
キャリア輸送性を有する化合物としては、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、オキサジアゾール誘導体、フラーレン類およびその誘導体等の低分子化合物;ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体等の高分子化合物が挙げられる。
有機半導体材料は、その特性を向上させるため、本発明の高分子化合物とは異なる高分子化合物材料を高分子バインダーとして含有していてもよい。高分子バインダーとしては、キャリア輸送性を過度に低下させないものが好ましい。
高分子バインダーの例としては、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)およびその誘導体、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)およびその誘導体、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリシロキサンが挙げられる。
<有機半導体素子>
本発明の有機半導体素子は、第1の電極と第2の電極とを有し、第1の電極と第2の電極との間に活性層を有し、該活性層に本発明の高分子化合物を含有する有機半導体素子である。
本発明の有機半導体素子は、第1の電極及び第2の電極以外にさらに電極を含んでいてもよい。
本発明の高分子化合物は、高い移動度を有することから、本発明の高分子化合物を含む有機薄膜を有機半導体素子に用いた場合、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、本発明の高分子化合物は、光電変換素子、有機トランジスタ、有機エレクトロルミネッセンス素子、有機電界効果型トランジスタセンサ、有機電導度変調型センサ等の種々の有機半導体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。
(光電変換素子)
本発明の高分子化合物を含む光電変換素子は、少なくとも一方が透明または半透明である一対の電極間に、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含む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また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。この形態の光電変換素子の動作機構を説明する。透明または半透明の電極から入射した光エネルギーがフラーレン誘導体等の電子受容性化合物(n型の有機半導体)および/または本発明の高分子化合物等の電子供与性化合物(p型の有機半導体)で吸収され、電子とホールが結合した励起子を生成する。生成した励起子が移動して、電子受容性化合物と電子供与性化合物が隣接しているヘテロ接合界面に達すると、界面でのそれぞれのHOMOエネルギーおよびLUMOエネルギーの違いにより電子とホールが分離し、独立に動くことができる電荷(電子とホール)が発生する。発生した電荷は、それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー(電流)として取り出すことができる。
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)が透明また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または半透明である一対の電極間に、本発明の高分子化合物を含む第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。
上記の透明または半透明の電極材料としては、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、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(以下、「ITO」ということがある。)、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や、金、白金、銀、銅等が用いられ、ITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。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、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよ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、およびそれらのうち2つ以上の合金、または、1種以上の前記金属と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステンおよ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、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体が挙げられる。合金としては、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、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。
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、フッ化リチウム等のアルカリ金属、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、本発明の高分子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。活性層中に電子供与性化合物および/また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混合して用いることもできる。なお、電子供与性化合物、電子受容性化合物は、これらの化合物のエネルギー準位から相対的に決定される。
上記の電子供与性化合物としては、本発明の高分子化合物のほか、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、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖また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、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体が挙げられる。
上記の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およびその誘導体、ベンゾキノンおよびその誘導体、ナフトキノンおよびその誘導体、アントラキノンおよびその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタンおよびその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレンおよびその誘導体、ジフェノキノン誘導体、8−ヒドロキシキノリンおよびその誘導体の金属錯体、ポリキノリンおよびその誘導体、ポリキノキサリンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体、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)等のフェナントレン誘導体、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およびその誘導体が挙げられる。フラーレンの誘導体の具体的構造としては、以下のようなものが挙げられる。
Figure 0006406256
Figure 0006406256
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−C70酪酸メチルエステル(C70PCBM、[6,6]−Phenyl C70 butyric acid methyl ester)、[6,6]フェニル−C84酪酸メチルエステル(C84PCBM、[6,6]−Phenyl C84 butyric acid methyl ester)、[6,6]チェニル−C60酪酸メチルエステル([6,6]−Thienyl C60 butyric acid methyl ester)等が挙げられる。
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、本発明の高分子化合物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。
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、本発明の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。
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光電変換素子の製造方法であって、該第1の電極上に本発明の高分子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。
溶液からの成膜に用いる溶媒は、本発明の高分子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、n−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不飽和炭化水素系溶媒、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等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、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不飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル系溶媒が挙げられる。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、ワイヤーバーコート法、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、インクジェット印刷法、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、インクジェット印刷法、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。
(有機薄膜太陽電池)
本発明の高分子化合物を用いた光電変換素子は、透明また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。
電極間に電圧を印加した状態、あるいは無印加の状態で、透明また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、有機光センサとして動作させることができる。有機光センサを複数集積することにより有機イメージセンサとして用いることもできる。
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。本発明の高分子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および環境により、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、片側また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また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また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、 また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、内部の密封およ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。セルそのものや支持基板、充填材料およ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。フレキシブル支持体を用いた太陽電池は、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。
図1は、本発明の光電変換素子の模式断面図である。光電変換素子300は、基板1と、基板1上に形成された第1の電極7aと、第1の電極7a上に形成された活性層2と、活性層2上に形成された第2の電極7bとを備えるものである。
(有機エレクトロルミネッセンス素子)
本発明の高分子化合物は、有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、「有機EL素子」ということがある。)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また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高分子化合物が含まれる。発光層中には、本発明の高分子化合物の他にも、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。
(有機トランジスタ)
有機トランジスタとしては、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該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る。このような構成を有する有機トランジスタとしては、電界効果型有機トランジスタ、静電誘導型有機トランジスタ等が挙げられる。
電界効果型有機トランジスタは、通常、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極と、活性層とゲート電極との間に配置される絶縁層とを有する有機トランジスタである。特に、ソース電極およびドレイン電極が、活性層に接して設けられており、さらに活性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有機トランジスタが好ましい。
静電誘導型有機トランジスタは、通常、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極とを有し、該ゲート電極が活性層中に設けられている有機トランジスタである。特に、ソース電極、ドレイン電極および前記ゲート電極が、前記活性層に接して設けられている有機トランジスタが好ましい。
ゲート電極は、ソース電極からドレイン電極へ流れる電流経路が形成でき、かつ、ゲート電極に印加した電圧で該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、くし型電極である。
本発明の高分子化合物は有機電界効果型トランジスタ(OFET)センサの材料として用いることができる。本発明のOFETセンサは入力信号を電気信号として出力する際の信号変換素子として有機電界効果型トランジスタを用いたものであり、金属−絶縁膜−半導体構造中のいずれかに感応性あるいは選択性を付与したものである。本発明のOFETセンサとしてはバイオセンサ、ガスセンサ、イオンセンサ、湿度センサ、圧力センサなどがあげられる。
バイオセンサは、基板と該基板上に設けられた有機トランジスタとを備え、前記有機トランジスタは、有機半導体層と、前記有機半導体に接触して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記有機半導体層内に設けられ、かつ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルとなるチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加可能なゲート電極と、前記チャネル領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有し、前記チャネル領域及び/又は前記ゲート絶縁膜に標的物質と特異的に相互作用するプローブとしての感応性領域を設け、感応性領域で標的物質濃度変化した際に特性変化を生じることでバイオセンサ素子として機能する。
被検試料中の標的物質を検出する手法として、核酸、タンパク質等の生体分子や人工的に合成した官能基をプローブとして固相担体表面に固定したバイオセンサを用いる方法が広く用いられている。
この方法では、相補核酸鎖の相互作用、抗原−抗体反応、酵素−基質反応、受容体−リガンド相互作用など、生体分子の特異的な親和性を利用して標的物質を固相担体表面に捕捉するので、標的物質に特異的な親和性を有する物質がプローブとして選択される。
プローブは、プローブや固相担体の種類に適した方法によって固相担体表面に固定される。あるいは、固相担体表面でプローブを合成(例えば、核酸伸長反応など)することもでき、いずれの場合もプローブが固定された固相担体表面を被検試料と接触させ、適当な条件下で培養することにより、固相担体表面でプローブ−標的物質複合体が形成される。前記チャネル領域及び/又は前記ゲート絶縁膜自体がプローブとして機能しても良い。
ガスセンサは、基板と該基板上に設けられた有機トランジスタとを備え、前記有機トランジスタは、有機半導体層と、前記有機半導体に接触して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記有機半導体層内に設けられ、かつ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルとなるチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加可能なゲート電極と、前記チャネル領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有してなり、前記チャネル領域及び/又は前記ゲート絶縁膜をガス感応部とし、ガスがチャネル領域及び/または前記ゲート絶縁膜に吸着脱離した際に導電率や誘電率等の特性変化を生じることでガスセンサ素子として機能する。
検知するガスとしては、電子受容性ガス、電子供与性ガスがあげられる。
電子受容性ガスの例としては、F,Clなどのハロゲン;窒素酸化物;硫黄酸化物;酢酸などの有機酸があげられる。
電子供与性ガスの例としては、アンモニア;アニリン等のアミン類;一酸化炭素;水素等があげられる。
本発明の高分子化合物は、圧力センサに用いることができる。圧力センサは、基板と該基板上に設けられた有機トランジスタとを備え、前記有機トランジスタは、有機半導体層と、前記有機半導体に接触して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記有機半導体層内に設けられ、かつ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルとなるチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加可能なゲート電極と、前記チャネル領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有してなり、前記チャネル領域及び/又は前記ゲート絶縁膜を感圧部とし、感圧部で感圧した際に特性変化を生じることで感圧素子として機能する。
ゲート絶縁膜を感圧部とする場合、一般的に有機材料は無機材料よりも柔軟で伸縮性が高いため、圧力センサの感圧部としては有機材料が好ましい。
前記チャネル領域を感圧部とする場合、有機半導体の結晶性を高めるため、配向層を有していてもよい。配向層としてはゲート絶縁膜上にヘキサメチルジシラザン等のシランカップリング剤で作成した単分子膜等が挙げられる。
本発明の高分子化合物は、電導度変調型センサとして用いることができる。本発明の電導度変調型センサは入力信号を電気信号として出力する際の信号変換素子として、電導度計測素子を用いたものであり、前記高分子化合物もしくは、前記高分子化合物の少なくとも一部に被覆された被覆膜のいずれかにセンサ対象入力に対する感応性あるいは選択性を付与したものであり、センサ対象の入力を、前記高分子化合物の電導度の変化として検出するものであり、センサとしてはバイオセンサ、ガスセンサ、イオンセンサ、湿度センサなどがあげられる。
本発明の高分子化合物は、別個に形成されたバイオセンサ、ガスセンサ、イオンセンサ、湿度センサ、圧力センサ、など各種センサからの出力信号を増幅するための有機電界効果型トランジスタ(OFET)を含む増幅回路に用いることが出来る。
本発明の高分子化合物は、前記バイオセンサ、ガスセンサ、イオンセンサ、湿度センサ、圧力センサなど各種センサを複数含むセンサアレイとして用いることが出来る。
本発明の高分子化合物は、別個に形成されたバイオセンサ、ガスセンサ、イオンセンサ、湿度センサ、圧力センサなど各種センサを複数含み、各センサからの出力信号を個別に増幅するための有機電界効果型トランジスタ(OFET)を増幅回路として含む、増幅回路付きセンサアレイとしても用いることが出来る。
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。
(NMR分析)
NMR測定は、NMR装置(Varian社製、INOVA300)を用いて行った。測定対象化合物を重クロロホルムに溶解させて、測定用溶液を調整した。
(分子量分析)
高分子化合物の数平均分子量および重量平均分子量は、ゲル透過クロマトグラフィ(GPC、Waters社製、商品名:Alliance GPC 2000)を用いて求めた。測定する高分子化合物は、オルトジクロロベンゼンに溶解させ、GPCに注入した。
GPCの移動相にはオルトジクロロベンゼンを用いた。カラムは、TSKgelGMHHR−H(S)HT(2本連結、東ソー製)を用いた。検出器にはUV検出器を用いた。
合成例1
(化合物2の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物1(16.0g、98.1mmol)および脱水ジエチルエーテル(280mL)を加え、均一な溶液とした。得られた溶液を−68℃に保ちながら、1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(65.4mL、0.108mol)を10分間かけて滴下した。その後、−68℃で5時間攪拌した。その後、そこへ、16−ヘントリアコンタノン(48.7g、0.108mol)を加え、−78℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で5時間攪拌した。その後、そこへ、水(200mL)を加えて反応を停止させ、10wt%の酢酸水溶液を加え、反応溶液を酸性にした。その後、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去することで、化合物2を70g得た。収率は100%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.879(t、6H)、1.253(m、52H)、1.746(m、4H)、6.960(d、1H)、7.266(d、1H).
合成例2
(化合物3の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物2(53g、98mmol)および脱水エタノール(500mL)を加え、懸濁液とした。得られた懸濁液に96wt%の濃硫酸(3.0mL、56mmol)を加えた後、室温で3時間攪拌した。その後、そこへ、水(200mL)を加えて反応を停止させ、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物3を20.7g得た。
収率は37%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、6H)、1.13(t、3H)、1.24(m、52H)、1.77(m、4H)、3.15(q、2H)、7.05(m、2H)、7.24(d、1H).
合成例3
(化合物4の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物3(2.0g、3.6mmol)および脱水ジエチルエーテル(35mL)を加え、均一な溶液とした。得られた溶液を−68℃に保ちながら、1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(2.3mL、3.7mol)を10分間かけて滴下した。その後、−68℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で1.5時間攪拌した。その後、得られた溶液を−68℃に保ちながら、2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン(0.69g、3.7mmol)を加えた。その後、−68℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、そこへ、水(100mL)を加えて反応を停止させ、ジエチルエーテルを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去することで、化合物4を2.45g得た。収率は100%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=1.335(s、12H)、1.989(m、4H)、3.224(q、2H)、7.264(d、1H)、7.422(d、1H).
合成例4
(化合物5の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、2,6−ジメトキシナフタレン(4.00g、32.2mmol)および脱水THF(200mL)を加え、均一な溶液とした。その後、そこへ、1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(52mL、85mmol)を30分間かけて滴下し、室温で78時間攪拌した。その後、そこへ、1,2−ジブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエタン(22g、85mmol)を加え、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、そこへ、水(200mL)を加えて反応を停止させ、クロロホルムを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をクロロホルムおよびメタノールの混合溶媒を用いて再結晶することで、化合物5を5.43g得た。収率は73%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=7.02(s、2H)、7.94(s、2H).
合成例5
(化合物6の合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物5(4.20g、12.1mmol)および乾燥THF(360mL)を加え、アルゴンバブリングによって30分間脱気した。その後、そこへ、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(556mg、0.607mmol)、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(739mg、2.43mmol)および3Mのリン酸カリウム水溶液(60mL、0.180mol)を加え、80℃に加熱した。その後、そこへ、アルゴンバブリングによって30分間脱気した化合物4(33.45g、48.6mmol)の乾燥THF(30mL)溶液を80℃で5分間かけて滴下し、同温で4.5時間攪拌した。
その後、ヘキサン(200mL)を用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を飽和食塩水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンおよびクロロホルムの混合溶媒を移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物6を7.3g得た。収率は46%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、12H)、0.98(t、6H)、1.24(m、104H)、1.56(m、8H)、3.22(q、4H)、3.78(s、6H)、7.15(d、2H)、7.28(d、2H)、7.36(d、2H)、7.85(d、2H).
実施例1
(化合物7の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物6(4.73g、3.61mmol)および乾燥塩化メチレン(120mL)を加えた。その後、そこへ、1Mの三臭化ホウ素の塩化メチレン溶液(14.4mL、14.4mmol)を−50℃で加え、−50℃で4時間攪拌した。その後、そこへ、水を−50℃で加え、室温まで昇温した後、クロロホルムを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物7を2.33g得た。収率は53%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、12H)、1.24(m、104H)、2.26(m、8H)、4.10(s、6H)、7.03(d、2H)、7.35(d、2H).
実施例2
(化合物8の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物7(2.66g、2.18mmol)および乾燥THF(220mL)を加えた。その後、そこへ、N−ブロモこはく酸イミド(0.855g、4.80mmol)を室温で加え、3時間室温で攪拌した。その後、そこへ、飽和チオ硫酸ナトリウム水溶液(2mL)および水(100mL)を加え、5分間攪拌した後、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製し、ヘキサンおよびメタノールの混合溶媒を用いて再結晶することで、化合物8を0.67g得た。収率は22%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.85(t、12H)、1.24(m、104H)、2.16(m、8H)、4.08(s、6H)、7.04(s、2H)、7.25(s、2H).
実施例3
(高分子化合物Aの合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物8(137.6mg、0.1mmol)および乾燥THF(3.5mL)を加え、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した。その後、そこへ、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(4.58mg、5μmol)、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(5.80mg、20μmol)、および、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した3Mリン酸カリウム水溶液(0.5mL、1.5mmol)を加えた。得られた反応溶液を80℃まで昇温した後、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した化合物9(38.8mg、1mmol)の乾燥THF溶液(2.5mL)を滴下した後、80℃で3時間攪拌した。その後、そこへ、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気したフェニルホウ酸(10mg、0.082mmol)のo−クロロベンゼン溶液(8mL)を加え、80℃で1.5時間攪拌した。その後、そこへ、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.8g)および水(7.5g)を加え、80℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液から有機層を分液した後、得られた有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。得られた有機層をアセトン(104mL)に滴下することで、析出物が得られた。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製した後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぐことで、固体が得られた。得られた固体をろ過し、アセトンを溶媒として用いてソックスレー洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Aを34.0mg得た。
得られた高分子化合物Aのポリスチレン換算の数平均分子量は1.7×10、重量平均分子量は5.0×10であった。
実施例4
(高分子化合物Bの合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物8(137.6mg、0.1mmol)および乾燥THF(10mL)を加え、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した。その後、そこへ、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(4.58mg、5μmol)、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(5.80mg、20μmol)、および、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した3Mリン酸カリウム水溶液(0.5mL、1.5mmol)を加えた。得られた反応溶液を80℃まで昇温した後、化合物10(49.6mg、1.0mmol)を加え、80℃で3時間攪拌した。その後、そこへ、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気したフェニルホウ酸(10mg、0.082mmol)のo−クロロベンゼン溶液(8mL)を加え、80℃で1.5時間攪拌した。その後、そこへ、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.8g)および水(7.5g)を加え、80℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液から有機層を分液した後、得られた有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。得られた有機層をアセトン(104mL)に滴下することで、析出物が得られた。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製した後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぐことで、固体が得られた。得られた固体をろ過し、アセトンを溶媒として用いてソックスレー洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Bを50.8mg得た。
得られた高分子化合物Bのポリスチレン換算の数平均分子量は1.1×10、重量平均分子量は2.2×10であった。
比較例1
(高分子化合物Cの合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物10(0.300g、0.227mmol)、「J.Am.Chem.Soc.,2010,132,11437−11439」に記載の方法に従って合成した化合物9(0.0881g、0.227mmol)、テトラヒドロフラン(30mL)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(4.2mg)およびトリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボレート(5.3mg)を加え、撹拌した。その後、そこへ、2mol/Lの炭酸カリウム水溶液(1.13mL)を滴下し、5時間還流した。その後、そこへ、フェニルボロン酸(10.0mg)を加え、1時間還流させた。その後、そこへ、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.1g)を加え、3時間還流させた。得られた反応液を水に注ぎ、トルエンを加え、トルエン層を抽出した。得られたトルエン溶液を酢酸水溶液および水で洗浄した後、シリカゲルカラムを用いて精製した。得られたトルエン溶液をアセトンに滴下したところ、析出物が得られた。得られた析出物を、アセトンを溶媒として用いてソックスレー洗浄し、高分子化合物Cを得た。得量は270mgであり、ポリスチレン換算の数平均分子量は3.0×10であり、重量平均分子量は1.1×10であった。
実施例5
(有機薄膜太陽電池1の作製と評価)
高分子化合物Aおよび電子受容性化合物であるフラーレンC60PCBM(フェニルC61−酪酸メチルエステル)(Phenyl C61−butyric acid methyl ester、フロンティアカーボン社製)を、高分子化合物A/C60PCBM=2/1の重量比にて、オルトジクロロベンゼンに溶解させ、得られた溶液を、孔径0.45μmのテフロン(登録商標)フィルターでろ過することで、インク1(重量%で、高分子化合物AおよびC60PCBMの合計は2.25重量%)を調製した。
スパッタ法により成膜された約150nmの膜厚のITOがパターニングされたガラス基板を、有機溶媒、アルカリ洗剤および超純水で洗浄し、乾燥させた。その後、紫外線オゾン(UV−O)装置を用いて、該ガラス基板に紫外線オゾン(UV−O)処理を施した。
次に、PEDOT:PSS溶液(ヘレウス社製CleviosP VP AI4083)を孔径0.45μmのフィルターでろ過した。ろ過後のPEDOT:PSS溶液を、上記の基板のITO側にスピンコートして50nmの厚みで成膜した。その後、大気中において、ホットプレート上で120℃、10分間加熱することにより、正孔輸送層として機能する有機層を形成した。
次に、上記のインク1を、上記の基板の有機層にスピンコートして100nmの厚みで活性層を成膜した。
次に、真空蒸着機によりカルシウムを膜厚4nmで蒸着し、次いで、アルミニウムを膜厚100nmで蒸着することにより、光電変換素子である有機薄膜太陽電池1を作製した。なお、金属蒸着の際の真空度は、1.0×10−3〜9×10−3Paであった。得られた有機薄膜太陽電池1の形状は、2mm×2mmの正方形であった。
上記で得られた有機太陽電池1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、開放電圧およびフィルファクターを求めた。Jsc(短絡電流密度)は6.16mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.848Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.677であり、光電変換効率(η)は3.53%であった。結果を表1に表す。
実施例6
(有機薄膜太陽電池2の作製と評価)
高分子化合物Aにかえて高分子化合物Bを用いた以外は、実施例6と同様の方法でインク2を調製し、有機薄膜太陽電池2を作製し、評価した。Jsc(短絡電流密度)は6.97mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.757Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.680であり、光電変換効率(η)は3.60%であった。結果を表1に表す。
比較例2
(有機薄膜太陽電池3の作製と評価)
高分子化合物Aにかえて高分子化合物Cを用いた以外は、実施例6と同様の方法でインク3を調製し、有機薄膜太陽電池3を作製し、評価した。Jsc(短絡電流密度)は3.23mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.790Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.559であり、光電変換効率(η)は1.42%であった。結果を表1に表す。
合成例6
(化合物12の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物11(32g、0.20mol)および脱水ジエチルエーテル(470mL)を加え、均一な溶液とした。得られた溶液を−68℃に保ちながら、1.60Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(135mL、0.22mol)を30分間かけて滴下した。その後、−68℃で2時間攪拌した。その後、そこへ、18−ペントリアコンタノン(69.7g、0.14mol)を加え、−78℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で5時間攪拌した。その後、そこへ、水(200mL)を加えて反応を停止させ、10wt%の酢酸水溶液を加え、反応溶液を酸性にした。その後、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去することで、化合物12を125g得た。収率は100%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、6H)、1.25(m、60H)、1.75(m、4H)、6.96(d、1H)、7.27(d、1H).
合成例7
(化合物13の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物12(232g、0.39mol)および脱水エタノール(880mL)とヘキサン(350mL)を加え、懸濁液とした。得られた懸濁液に96wt%の濃硫酸(31mL、0.59mol)を加えた後、室温で6時間攪拌した。その後、そこへ、水(200mL)を加えて反応を停止させ、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物13を104g得た。収率は43%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、6H)、1.13(t、3H)、1.24(m、60H)、1.77(m、4H)、3.15(q、2H)、7.05(m、2H)、7.24(d、1H).
合成例8
(化合物14の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物13(104g、0.17mol)および脱水ジエチルエーテル(1020mL)を加え、均一な溶液とした。得られた溶液を−68℃に保ちながら、1.60Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(136mL、0.22mol)を10分間かけて滴下した。その後、−68℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で1.5時間攪拌した。その後、得られた溶液を−68℃に保ちながら、2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン(62.5g、0.34mmol)を加えた。その後、−68℃で10分間攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、そこへ、水(100mL)を加えて反応を停止させ、ジエチルエーテルを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去することで、化合物14を117g得た。収率は93%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=1.34(s、12H)、1.99(m、4H)、3.22(q、2H)、7.26(d、1H)、7.42(d、1H).
合成例9
(化合物15の合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物5(17.6g、50.84mmol)および乾燥THF(388mL)を加え、アルゴンバブリングによって30分間脱気した。その後、そこへ、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(470mg、0.51mmol)、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(700mg、2.03mmol)および3Mのリン酸カリウム水溶液(187mL、0.560mol)を加え、80℃に加熱した。その後、そこへ、アルゴンバブリングによって30分間脱気した化合物14(96.6g、127mmol)の乾燥THF(13mL)溶液を80℃で5分間かけて滴下し、同温で4.5時間攪拌した。
その後、ヘキサン(200mL)を用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を飽和食塩水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンおよびクロロホルムの混合溶媒を移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物15を27g得た。収率は37%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、12H)、0.98(t、6H)、1.24(m、120H)、1.56(m、8H)、3.22(q、4H)、3.78(s、6H)、7.15(d、2H)、7.28(d、2H)、7.36(d、2H)、7.85(d、2H).
実施例7
(化合物16の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物15(24.8g、17.4mmol)および乾燥塩化メチレン(420mL)を加えた。その後、そこへ、1Mの三臭化ホウ素の塩化メチレン溶液(69.8mL、69.7mmol)を−10℃で加え、室温まで昇温した後、室温で1時間攪拌した。その後、そこへ、水を加え、クロロホルムを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物16を17.8g得た。収率は77%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、12H)、1.24(m、120H)、2.26(m、8H)、4.10(s、6H)、7.03(d、2H)、7.35(d、2H).
実施例8
(化合物17の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、化合物16(17.9g、14.7mmol)および乾燥THF(700mL)を加えた。その後、そこへ、N−ブロモこはく酸イミド(5.41g、32.2mmol)を室温で加え、3時間室温で攪拌した。その後、そこへ、飽和チオ硫酸ナトリウム水溶液(10mL)および水(200mL)を加え、5分間攪拌した後、ヘキサンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製し、ヘキサンを用いて再結晶することで、化合物17を18.1g得た。収率は90%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.85(t、12H)、1.24(m、120H)、2.16(m、8H)、4.08(s、6H)、7.04(s、2H)、7.25(s、2H).
実施例9
(化合物18の合成)
Figure 0006406256
反応容器内を窒素ガス雰囲気とした後、脱水THF(147mL、93.9mmol)を加え、−65度に冷却した。その後、そこへ、1Mのsec−ブチルリチウムのヘキサン溶液(8.06mL、8.06mmol)を加え、−65℃で0.5時間攪拌した後、化合物17(2.0g、1.34mmol)を加え、−50℃で1間攪拌した。そこへ、塩化トリブチルスズ(2.62g、8.06mmol)を加え、室温に昇温した。2時間撹拌後、水(20mL)を加えて反応を停止させ、トルエンを用いて反応生成物を抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。得られたろ液をエバポレーターで濃縮した後、溶媒を留去した。得られた残渣をTHF−アセトニトリル混合溶媒を移動層とするODSカラムクロマトグラフィを用いて精製することで、化合物16を2.4g得た。収率は95%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=7.31(s,2H)、7.06(s、2H)、4.09(s、6H)、2.20(m、8H)、1.20(m、156H)、0.88(m、30H)
実施例10
(高分子化合物Dの合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物18(194.4mg、0.10mmol)、非特許文献Jornal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,Vol 49,3852−3862(2011)に記載の方法で合成した化合物19(98.1mg、0.10mmol)及び乾燥トルエン(10mL)を加え、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気した.トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)を加え、110℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(160mg)のトルエン溶液(4.2mL)を加え、110℃で1時間攪拌し、N、N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.8g)と水(7.6g)を加え、110℃で1時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(43mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、トルエンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたトルエン溶液をメタノール(84mL)に注ぎ、固体を析出させ、得られた固体を濾過した。ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、化合物14を194mg得た。得られた高分子化合物Dのポリスチレン換算の数平均分子量は3.0×10、重量平均分子量は5.4×10であった。
実施例11
(高分子化合物Eの合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物12(194.4mg、0.10mmol)、特許文献
WO2012/169605A1に記載の方法で合成した化合物13(33.0mg、0.10mmol)及び乾燥トルエン(10mL)を加え、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気した.トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)を加え、110℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(160mg)のトルエン溶液(4.2mL)を加え、110℃で1時間攪拌し、N、N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.8g)と水(7.6g)を加え、110℃で1時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(43mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、トルエンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたトルエン溶液をメタノール(84mL)に注ぎ、固体を析出させ、得られた固体を濾過した。ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Eを162mg得た。得られた高分子化合物Eのポリスチレン換算の数平均分子量は1.3×10、重量平均分子量は2.9×10であった。
実施例12
(高分子化合物Fの合成)
Figure 0006406256
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物12(194.4mg、0.10mmol)、化合物13(98.1mg、0.10mmol)及び乾燥トルエン(10mL)を加え、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気した.トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)を加え、110℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.7mg)及びトリス(o−トルイル)ホスフィン(5.0mg)、アルゴンガスで30分間バブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(160mg)のトルエン溶液(4.2mL)を加え、110℃で1時間攪拌し、N、N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.8g)と水(7.6g)を加え、110℃で1時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(43mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、トルエンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたトルエン溶液をメタノール(84mL)に注ぎ、固体を析出させ、得られた固体を濾過した。ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Fを194mg得た。得られた高分子化合物Fのポリスチレン換算の数平均分子量は3.0×10、重量平均分子量は5.4×10であった。
実施例13
(有機薄膜太陽電池4の作製と評価)
高分子化合物Aにかえて高分子化合物Dを用いた以外は、実施例6と同様の方法でインク4を調製し、有機薄膜太陽電池4を作製し、評価した。Jsc(短絡電流密度)は2.73mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.736Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.643であり、光電変換効率(η)は1.29%であった。結果を表1に表す。
実施例14
(有機薄膜太陽電池5の作製と評価)
高分子化合物Aにかえて高分子化合物Eを用いた以外は、実施例6と同様の方法でインク5を調製し、有機薄膜太陽電池5を作製し、評価した。Jsc(短絡電流密度)は7.45mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.860Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.573であり、光電変換効率(η)は3.67%であった。結果を表1に表す。
実施例15
(有機薄膜太陽電池6の作製と評価)
高分子化合物Aにかえて高分子化合物Fを用いた以外は、実施例6と同様の方法でインク6を調製し、有機薄膜太陽電池6を作製し、評価した。Jsc(短絡電流密度)は3.05mA/cmであり、Voc(開放端電圧)は0.621Vであり、ff(フィルファクター(曲線因子))は0.726であり、光電変換効率(η)は1.38%であった。結果を表1に表す。
Figure 0006406256
本発明によれば、ff(フィルファクター(曲線因子))に優れる有機薄膜太陽電池の製造に有用な高分子化合物を提供することができる。
1…基板、
2…活性層、
7a…第1の電極
7b…第1の電極
300…光電変換素子

Claims (9)

  1. 式(3a)で表される構造単位を含む高分子化合物。
    Figure 0006406256

    〔式中、
    およびX は、硫黄原子を表す。
    およびY は、−CH=で表される基を表す。
    およびZ は、式(Z−1)で表される基を表す。
    とR は水素原子を表す。
    およびR は、同一であり、アルキル基またはアルコキシ基を表す。〕
    Figure 0006406256
    〔式中、Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。複数存在するRは、同一でも異なっていてもよい。〕
  2. 式(4)で表される構造単位(但し、前記式(3a)で表される構造単位とは異なる。)をさらに含む、請求項1に記載の高分子化合物。
    Figure 0006406256
    〔式中、
    Arは、アリーレン基または2価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
  3. 前記式(3a)で表される構造単位と、前記式(4)で表される構造単位との交互共重合体である、請求項に記載の高分子化合物。
  4. 式(6a)で表される化合物。
    Figure 0006406256
    〔式中、
    およびX は、硫黄原子を表す。
    およびY は、−CH=で表される基を表す。
    およびZ は、式(Z−1)で表される基を表す。
    とR は水素原子を表す。
    およびR は、同一であり、アルキル基またはアルコキシ基を表す。
    およびR は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、ホウ酸エステル残基、ホウ酸残基または有機スズ残基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
    Figure 0006406256
    〔式中、Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。複数存在するRは、同一でも異なっていてもよい。〕
  5. 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、有機半導体材料。
  6. 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、有機半導体素子。
  7. 有機トランジスタ、光電変換素子、有機エレクトロルミネッセンス素子、有機電界効果型トランジスタセンサおよび有機電導度変調型センサのいずれかである、請求項に記載の有機半導体素子。
  8. 光電変換素子である、請求項に記載の有機半導体素子。
  9. 式(S16):
    Figure 0006406256
    [式中、環A、環Bは、それぞれ独立に、複素環を表し、該複素環は置換基を有していてもよい。
    、R、R、Rは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子、シリル基、アミノ基、アルケニル基、アルキニル基、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、アルキルカルボニル基またはアルコキシカルボニル基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。
    Rは、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基または1価の複素環基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。Rが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
    は、アルキル基、シリル基またはアセチル基を表す。Rが複数存在する場合は、同一でも異なっていてもよい。]
    で表される化合物と酸とを接触させる工程を含む、式(S7):
    Figure 0006406256
    [式中、環A、環B、R、R、R、RおよびRは、前記と同じ意味を表す。]
    で表される化合物の製造方法。
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