JP6848858B2 - 光起電力素子 - Google Patents

光起電力素子 Download PDF

Info

Publication number
JP6848858B2
JP6848858B2 JP2017514717A JP2017514717A JP6848858B2 JP 6848858 B2 JP6848858 B2 JP 6848858B2 JP 2017514717 A JP2017514717 A JP 2017514717A JP 2017514717 A JP2017514717 A JP 2017514717A JP 6848858 B2 JP6848858 B2 JP 6848858B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photoelectric conversion
layer
extraction layer
electron
manufactured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017514717A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017159609A1 (ja
Inventor
圭亮 浅香
圭亮 浅香
山本 修平
修平 山本
北澤 大輔
大輔 北澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Publication of JPWO2017159609A1 publication Critical patent/JPWO2017159609A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6848858B2 publication Critical patent/JP6848858B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211Fullerenes, e.g. C60
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F12/00Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F12/02Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F12/04Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F12/14Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring substituted by hetero atoms or groups containing heteroatoms
    • C08F12/30Sulfur
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/02Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes
    • C08G61/04Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes only aliphatic carbon atoms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/122Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides
    • C08G61/123Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds
    • C08G61/126Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds with a five-membered ring containing one sulfur atom in the ring
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/045Fullerenes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00Use of organic ingredients
    • C08K5/04Oxygen-containing compounds
    • C08K5/06Ethers; Acetals; Ketals; Ortho-esters
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L25/00Compositions of, homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L25/02Homopolymers or copolymers of hydrocarbons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L25/00Compositions of, homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L25/18Homopolymers or copolymers of aromatic monomers containing elements other than carbon and hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L65/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L71/00Compositions of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L71/02Polyalkylene oxides
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80Constructional details
    • H10K30/81Electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00Organic light-emitting devices
    • H10K50/10OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/14Carrier transporting layers
    • H10K50/15Hole transporting layers
    • H10K50/155Hole transporting layers comprising dopants
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14Side-groups
    • C08G2261/145Side-chains containing sulfur
    • C08G2261/1452Side-chains containing sulfur containing sulfonyl or sulfonate-groups
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/324Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed
    • C08G2261/3242Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed containing one or more oxygen atoms as the only heteroatom, e.g. benzofuran
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/324Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed
    • C08G2261/3243Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed containing one or more sulfur atoms as the only heteroatom, e.g. benzothiophene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/50Physical properties
    • C08G2261/51Charge transport
    • C08G2261/512Hole transport
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/90Applications
    • C08G2261/91Photovoltaic applications
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50Photovoltaic [PV] devices
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

本発明は光起電力素子に関する。
太陽電池は、現在深刻さを増すエネルギー問題に対して有力な環境に優しいエネルギー源として注目されている。現在、太陽電池の光起電力素子の半導体材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体などの無機物が使用されている。しかし、無機半導体を用いて製造される太陽電池は、火力発電などの発電方式と比べてコストが高いために、一般家庭に広く普及するには至っていない。コスト高の要因は主として、真空かつ高温下で半導体薄膜を形成するプロセスにある。そこで、製造プロセスの簡略化が期待される半導体材料として、共役系重合体や有機結晶などの有機半導体や有機色素を用いた有機太陽電池が検討されている。このような有機太陽電池においては、半導体材料を塗布法で作製することが可能なため、製造プロセスを大幅に簡略化することができる。
しかし、共役系重合体などを用いた有機太陽電池は、従来の無機半導体を用いた太陽電池と比べて光電変換効率および熱安定性が低いために、まだ実用化には至っていない。有機太陽電池の実用化のためには、高い光電変換効率とともに、それを長時間持続できる熱安定性、すなわち高耐久性の実現が必須である。
有機太陽電池の光電変換効率および耐久性を向上させる方法の一つとして、正孔取出し層を発電層と陽極の間に設置する方法が挙げられる。正孔取出し層の材料としてはPEDOT:PSSのような導電性高分子が知られている。
例えば特許文献1にはPEDOT:PSSとアセチレングリコール系化合物を含有する正孔取出し層塗布液をスピンコート法で成膜することにより正孔取出し層を形成することが記載されている。
特開2014−27174号公報
しかし、本発明者らの検討によると、特許文献1の方法を用いて正孔取出し層の塗布液を光電変換層上に塗布する場合、優れた光電変換効率を得ることができなかった。本発明は、光電変換効率に優れた光起電力素子を提供することを目的とするものである。
本発明者らが検討を重ねた結果、優れた光電変換効率を得ることができなかったのは有機半導体からなる光電変換層と正孔取出し層との親和性の低さに由来する成膜性の悪さが原因であると推察した。本発明者らは、光電変換層を形成する電子供与性有機材料が側鎖に疎水性のアルキル基を有することに着目し、同じく疎水性のアルキル基を有する界面活性剤を正孔取出し層に含有することにより、光電変換層と正孔取出し層との親和性を高め、平滑な正孔取出し層を形成することができると考えた。そして、界面活性剤として機能し得る種々の化合物を正孔取出し層材料と混合したところ、正孔取出し層に下記一般式(1)または(2)で表される化合物を含有することで、平滑な正孔取出し層を光電変換層上に形成し、光電変換効率に優れた光起電力素子を提供可能であることを見出した。
Figure 0006848858
(式(1)中、Rは炭素数が8〜14のアルキル基または炭素数が8〜14のアルカノイル基を表し、nは1〜9の自然数を表す。式(2)中、Rはアルケニル基を表し、mは自然数を表す。)
すなわち、本発明は、少なくとも陰極、光電変換層、正孔取出し層、および陽極をこの順に有する光起電力素子であって、前記正孔取出し層が正孔輸送性材料、および上記一般式(1)または(2)で表される化合物を含有する光起電力素子である。
本発明によれば、正孔取出し層の成膜性が良好であり、光電変換効率に優れた光起電力素子を提供することができる。
本発明の光起電力素子の一態様を示す断面図
本発明の光起電力素子は、少なくとも陰極、光電変換層、正孔取出し層、および陽極をこの順に有する光起電力素子であって、前記正孔取出し層が正孔輸送性材料、および下記一般式(1)または(2)で表される化合物を含有する。
Figure 0006848858
式(1)中、Rは炭素数が8〜14のアルキル基または炭素数が8〜14のアルカノイル基を表し、nは1〜9の自然数を表す。式(2)中、Rはアルケニル基を表し、mは自然数を表す。
以下、本発明の光起電力素子について説明する。図1は本発明の光起電力素子の一態様を示す断面図である。図1の光起電力素子は、基板1の上に、陰極2、光電変換層3、正孔取出し層4および陽極5をこの順に有している。なお、「この順に有している」とは、各層がこの順に存在する限り、例えば後述の電荷再結合層を有する態様のように、各層の間に別の層を有していてもよいことを意味するものとする。
基板は、光電変換材料の種類や用途に応じて、電極材料や有機半導体層が積層できる基板であり、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス、アルミニウム、鉄、銅、およびステンレスなどの合金等の無機材料、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレンポリメチルメタクリレート、エポキシ樹脂やフッ素系樹脂等の有機材料から任意の方法によって作製されたフィルムや板が使用可能である。また基板側から光を入射して用いる場合は、上記に示した各基板に光透過性を持たせておくことが好ましい。
電極(陰極および陽極)の素材としては、金、白金、銀、銅、鉄、亜鉛、錫、アルミニウム、インジウム、クロム、ニッケル、コバルト、スカンジウム、バナジウム、イットリウム、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、モリブデン、タングステン、チタンなどの金属のほか、金属酸化物、複合金属酸化物(インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、アルミニウム亜鉛酸化物(AZO)、ガリウム亜鉛酸化物(GZO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)など)、アルカリ金属やアルカリ土類金属(リチウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム)なども好ましく用いられる。さらに、上記の金属からなる合金や上記の金属の積層体からなる電極も好ましく用いられる。また、グラファイト、グラファイト層間化合物、カーボンナノチューブ、グラフェン、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を含む電極も好ましく用いられる。また、上記の電極材料は2種以上の材料から成る混合層であってもよい。また、電極は異なる材料からなる2層以上の層が積層された積層構造を持つものであってもよい。
陰極に用いられる導電性素材は、光電変換層とオーミック接合するものであることが好ましい。さらに、後述する電子取出し層を用いた場合においては、陰極に用いられる導電性素材は電子取出し層とオーミック接合するものであることが好ましい。また、陽極に用いられる導電性素材は、正孔取出し層とオーミック接合するものであることが好ましい。
光起電力素子の陰極または陽極は光透過性を有することが好ましい。少なくともいずれか一方が光透過性を有すればよいが、両方が光透過性を有してもよい。ここで光透過性を有するとは、光電変換層に入射光が到達して起電力が発生する程度に光を透過することを意味する。すなわち、光透過率として0%を超える値を有する場合、光透過性を有するという。この光透過性を有する電極は、400nm以上900nm以下の全ての波長領域において60−100%の光透過率を有することが好ましい。また、光透過性を有する電極の厚さは十分な導電性が得られればよく、材料によって異なるが、20nm〜300nmが好ましい。なお、光透過性を有しない電極は、導電性があれば十分であり、厚さも特に限定されない。
本発明の光起電力素子には、光電変換層と陰極の間に電子取出し層が設けられていてもよい。電子取出し層により、キャリアを取り出すのに適した界面状態を形成できるとともに、電極間の短絡を防止する効果がある。電子取出し層を形成する材料としては、例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド、オキサゾール誘導体(2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール等)、トリアゾール誘導体(3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾール等)、フェナントロリン誘導体、フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)などの電子輸送性を有する有機半導体が挙げられる。また、TiOなどの酸化チタン(TiO)、ZnOなどの酸化亜鉛(ZnO)、SiOなどの酸化ケイ素(SiO)、SnOなどの酸化錫(SnO)、Inなどの酸化インジウム(InO)、MoOなどの酸化モリブデン(MoO)、WOなどの酸化タングステン(WO)、Taなどの酸化タンタル(TaO)、BaTiOなどのチタン酸バリウム(BaTi)、BaZrOなどのジルコン酸バリウム(BaZr)、ZrOなどの酸化ジルコニウム(ZrO)、HfOなどの酸化ハフニウム(HfO)、Alなどの酸化アルミニウム(AlO)、Yなどの酸化イットリウム(YO)、ZrSiOなどのケイ酸ジルコニウム(ZrSi)のような金属酸化物、Siなどの窒化ケイ素(SiN)のような窒化物、CdSなどの硫化カドミウム(CdS)、ZnSeなどのセレン化亜鉛(ZnSe)、ZnSなどの硫化亜鉛(ZnS)、CdTeなどのテルル化カドミウム(CdTe)のような半導体などの無機材料も電子取出し層材料として好ましく用いることができる。これらの中でも無機酸化物であることが好ましく、電子取出し効率や電子移動の観点からn型半導体であることがより好ましい。さらに、n型半導体性の観点からは、前記無機酸化物が少なくとも亜鉛、チタン、すず、インジウムのいずれかを含むことが好ましく、少なくとも亜鉛、チタンを含むことがさらに好ましい。また、電子取出し層は、電子取出しや電子移動を阻害しない範囲において、上記無機化合物以外のものを含んでいてもよい。したがって、無機化合物層を形成する際に、金属塩や金属アルコキシドなどの前駆体溶液を塗布・加熱して形成する方法や、ナノ粒子分散液を基板に塗布して層を形成する方法を用いた場合において、加熱温度や時間、及びナノ粒子の合成条件により、完全には反応が進行しておらず、部分的に加水分解したり、部分的に縮合したりすることで、中間生成物となったり、前駆体と中間性生物、最終生成物などの混合物となったりしても良い。電子取出し層は、電子取出しに十分な厚さがあればよいが、厚くし過ぎると電子取出し効率が低下することがある。所望する光起電力素子の光電変換効率に応じて適宜最適な膜厚に設定すればよいため一概に言えるものではないが、一般的には0.1nm〜1000nmの厚さが好ましく、より好ましくは0.5nm〜100nm、さらに好ましくは5nm〜50nmである。
次に、光電変換層について説明する。光電変換層は、陰極と、正孔取出し層との間に存在し、少なくとも後述する電子供与性有機半導体および電子受容性有機半導体を含むことが好ましい。光電変換層の例としては、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体の混合物からなる層、電子供与性有機半導体からなる層と電子受容性有機半導体からなる層を積層した構造、電子供与性有機半導体からなる層と電子受容性有機半導体からなる層の間に、これらの混合物からなる層を積層した構造などが挙げられる。光電変換層は、電子供与性有機半導体または電子受容性有機半導体を2種以上含有していてもよい。また、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体は、混合層を形成していることが好ましい。
光電変換層における電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体の含有比率は特に限定されないが、電子供与性有機半導体:電子受容性有機半導体の重量分率が、1〜99:99〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは10〜90:90〜10の範囲であり、さらに好ましくは20〜60:80〜40の範囲である。
光電変換層の厚さは、電子供与性有機半導体および電子受容性有機半導体が光吸収によって光起電力を生じるのに十分であればよい。好ましい厚さは材料によって異なるが、一般的には10nm〜1000nmが好ましく、より好ましくは50nm〜500nmである。また、光電変換層は界面活性剤やバインダー樹脂、フィラー等の他の成分を含むものであってもよい。
電子供与性有機半導体は、p型半導体特性を示す有機化合物であれば特に限定されない。例えば、ポリチオフェン系重合体、2,1,3−ベンゾチアジアゾール−チオフェン系共重合体、キノキサリン−チオフェン系共重合体、チオフェンーベンゾジチオフェン系共重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体などの共役系重合体、Hフタロシアニン(HPc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(NPD)等のトリアリールアミン誘導体、4,4’−ジ(カルバゾール−9−イル)ビフェニル(CBP)等のカルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物などが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。
ポリチオフェン系重合体とは、チオフェン骨格を主鎖に有する共役系重合体を指し、側鎖を有するものも含む。具体的には、ポリ−3−メチルチオフェン、ポリ−3−ブチルチオフェン、ポリ−3−ヘキシルチオフェン、ポリ−3−オクチルチオフェン、ポリ−3−デシルチオフェンなどのポリ−3−アルキルチオフェン、ポリ−3−メトキシチオフェン、ポリ−3−エトキシチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシチオフェンなどのポリ−3−アルコキシチオフェン、ポリ−3−メトキシ−4−メチルチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシ−4−メチルチオフェンなどのポリ−3−アルコキシ−4−アルキルチオフェンなどが挙げられる。
2,1,3−ベンゾチアジアゾール−チオフェン系共重合体とは、チオフェン骨格と2,1,3−ベンゾチアジアゾール骨格を主鎖に有する共役系共重合体を指す。2,1,3−ベンゾチアジアゾール−チオフェン系共重合体として、具体的には下記のような構造が挙げられる。下記式において、nは1〜1000の整数を示す。
Figure 0006848858
キノキサリン−チオフェン系共重合体とは、チオフェン骨格とキノキサリン骨格を主鎖に有する共役系共重合体を指す。キノキサリン−チオフェン系共重合体として、具体的には下記のような構造が挙げられる。下記式において、nは1〜1000の整数を示す。
Figure 0006848858
チオフェン−ベンゾジチオフェン系重合体とは、チオフェン骨格とベンゾジチオフェン骨格を主鎖に有する共役系共重合体を指す。チオフェン−ベンゾジチオフェン系共重合体として、具体的には下記のような構造が挙げられる。下記式において、nは1〜1000の整数を示す。
Figure 0006848858
ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体とは、p−フェニレンビニレン骨格を主鎖に有する共役系重合体を指し、側鎖を有するものも含む。具体的には、ポリ[2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン]、ポリ[2−メトキシ−5−(3’,7’−ジメチルオクチルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン]などが挙げられる。
上記のように例示した電子供与性有機半導体の中でも、下記一般式(3)〜(5)のいずれかで表される骨格を有する共役系重合体は、1,8−ジヨードオクタンを添加剤に用いた際に、光起電力特性が向上することが多数報告されており(例えば、特許第05829734号明細書、「アドヴァンスト マテリアルズ(Advanced Materials)」、2010年、22巻、E135−E138頁、「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミストリー(Journal of the American Chemistry)、2010年、132巻、7595−7597頁、」、「マクロモルキュールズ(Macromolecules)、2012年、45巻、6923−6929頁、」、「アドヴァンスト マテリアルズ(Advanced Materials)」、2011年、23巻、3315−3319頁など)、本発明における組成物の電子供与性有機半導体として含まれていると好ましい。
Figure 0006848858
(上記一般式(3)中、Rはそれぞれ同じでも異なっていても良く、アルキル基、アルコキシ基、置換されていてもよいヘテロアリール基、置換されていてもよいアリール基またはチオアルコキシ基を示す。Xはそれぞれ同じでも異なっていてもよく、硫黄、セレンまたは酸素原子を表す。)
(上記一般式(4)中、Rはアルコキシカルボニル基またはアルカノイル基を表す。Yは水素原子またはハロゲンを表す。)
(上記一般式(5)中、Rはアルキル基、置換されていてもよいヘテロアリール基または置換されていてもよいアリール基を示す。)
上記の骨格構造を有する共役系重合体の中でも、広い光吸収波長領域と深いHOMO準位を有することから高い光起電力特性が得られる下記一般式(6)で表される共役系重合体が本発明の組成物の電子供与性有機半導体としてより好ましい。
Figure 0006848858
(上記一般式(6)中、R、R、X、Yは、上記一般式(3)および(4)と同様である。)
電子受容性有機半導体は、n型半導体特性を示す有機化合物であれば特に限定されない。例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド、オキサゾール誘導体(2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール等)、トリアゾール誘導体(3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾール等)、フェナントロリン誘導体、フラーレン、フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)などが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。安定でキャリア移動度の高いn型半導体であることから、フラーレンまたはフラーレン誘導体が好ましく用いられる。すなわち、本発明の光起電力素子において、前記光電変換層が、電子供与性有機半導体と、フラーレンまたはフラーレン誘導体とを含有することが好ましい。
フラーレンまたはフラーレン誘導体の具体例として、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものと、[6,6]−フェニルC61 ブチリックアシッドメチルエステル([6,6]−C61−PCBM、または[60]PCBM)、[5,6]−フェニルC61 ブチリックアシッドメチルエステル、[6,6]−フェニルC61 ブチリックアシッドヘキシルエステル、[6,6]−フェニルC61 ブチリックアシッドドデシルエステル、フェニルC71 ブチリックアシッドメチルエステル([70]PCBM)を始めとする置換誘導体などが挙げられる。なかでも[70]PCBMがより好ましい。
次に、正孔取出し層について説明する。本発明における正孔取出し層は、下記一般式(1)または(2)で表される化合物と、正孔輸送性材料とを含む。
Figure 0006848858
式(1)中、Rは炭素数が8〜14のアルキル基または炭素数が8〜14のアルカノイル基を表し、nは1〜9の自然数を表す。式(2)中、Rはアルケニル基を表し、mは自然数を表す。ここでのアルキル基、アルカノイル基、アルケニル基の主鎖構造は直鎖、分岐、環状、いずれでもよく、特に限定されないが、直鎖状であることが好ましい。
上記一般式(1)または(2)で表される化合物を用いることで、光電変換層上に正孔取出し層を形成する際に、光電変換層と正孔取出し層との親和性を高め、平滑な正孔取出し層を形成することができる。
一般的な塗布溶媒への親和性及び溶解性などの点から、本発明の光起電力素子は、前記一般式(1)で表される化合物を含有し、前記一般式(1)中のRが炭素数10〜13のアルキル基または炭素数10〜13のアルカノイル基であることが好ましい。Rは、炭素数が12のアルキル基または炭素数12のアルカノイル基であることがより好ましく、Rがドデシル基であることがさらに好ましい。また、一般的な塗布溶媒への親和性及び溶解性などの点から、本発明の光起電力素子は、前記一般式(1)で表される化合物を含有し、前記一般式(1)中のnが3〜6の自然数であることが好ましい。これらのRとnはいずれを組み合わせてもよいが、中でも、前記一般式(1)において、Rが炭素数12のアルキル基または炭素数12のアルカノイル基であり、nが1〜9の自然数であることが好ましく、Rがドデシル基であり、nが1〜9の自然数であることがより好ましく、Rがドデシル基であり、nが3〜6の自然数であることが特に好ましい。
具体的にはポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルやポリオキシエチレン(5)トリデシルエーテルなどのポリオキシエチレンアルキルエーテル類(nは1〜9)、ポリエチレングリコールモノラウラート類(nは1〜9)が挙げられる。なかでもポリオキシエチレンラウリルエーテル類やポリエチレングリコールモノラウラート類など、疎水基(上記一般式(1)においてRで示される基)の炭素数が12である化合物が好ましい。特に好ましくは疎水基(上記一般式(1)においてRで示される基)がドデシル基である。中でも、nが3〜6であるポリオキシエチレン(3)ラウリルエーテル、ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテル、ポリオキシエチレン(5)ラウリルエーテル、ポリオキシエチレン(6)ラウリルエーテルが好ましい。なお、本発明において、ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルなどの記載における括弧内の数字は、オキシエチレン単位の繰り返し数を表す。
上記一般式(2)において一般的な塗布溶媒への親和性及び溶解性などの点から、Rで示される基の炭素数は16〜20であることが好ましく、18であることがより好ましい。さらに、Rで示される基がオレイル基であることが特に好ましい。また、一般式(2)において、mが5〜20の自然数であることが好ましく、7〜13の自然数であることが特に好ましい。これらのRとmはいずれを組み合わせてもよいが、本発明の光起電力素子は、前記一般式(2)で表される化合物を含有し、前記一般式(2)中のRがオレイル基であり、mが5〜20の自然数であることが好ましく、Rがオレイル基であり、mが7〜13の自然数であることがより好ましい。
一般式(2)で表される化合物として、具体的には、ポリオキシエチレン(4)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(5)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(7)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(10)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(13)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(20)オレイルエーテルが好ましく、中でもポリオキシエチレン(10)オレイルエーテル、ポリオキシエチレン(13)オレイルエーテルが特に好ましい。これらの一般式(1)または(2)で表される化合物は単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
正孔取出し層中における上記一般式(1)または(2)で表される化合物の濃度は正孔取出し層の機能を損なわない限り特に限定されないが、0.01〜50重量%の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.1〜40重量%の範囲である。正孔取出し層の厚さは5nmから600nmが好ましく、より好ましくは10nmから200nmである。
本発明において、正孔取出し層は、正孔輸送性材料を含む。正孔輸送性材料としては、ポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール重合体、ポリアニリン重合体、ポリフラン重合体、ポリピリジン重合体、ポリカルバゾール重合体などの導電性高分子や、フタロシアニン誘導体(HPc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体、アセン系化合物(テトラセン、ペンタセンなど)などのp型半導体特性を示す低分子有機化合物、カーボンナノチューブやグラフェン、酸化グラフェンなどの炭素化合物、MoOなどの酸化モリブデン(MoO)、WOなどの酸化タングステン(WO)、NiOなどの酸化ニッケル(NiO)、Vなどの酸化バナジウム(VO)、ZrOなどの酸化ジルコニウム(ZrO)、CuOなどの酸化銅(CuO)、ヨウ化銅、RuO4などの酸化ルテニウム(RuOx)、Re27などの酸化ルテニウム(ReO)などの無機化合物が用いられる。その中でも導電性や安定性などの点から、本発明の光起電力素子においては、前記正孔輸送性材料が導電性高分子を含むことが好ましい。また、上記の点から、本発明の光起電力素子は、前記導電性高分子として、ポリスチレンスルフォネート(PSS)が添加されたポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS)を含むことがより好ましい。正孔輸送性材料は単独の化合物を用いてもよいし、2種以上の化合物を混合してもよい。また、正孔輸送層は異なる正孔輸送性材料からなる2層以上の層を積層した積層構造を有するものであってもよい。
本発明の光起電力素子は、1つ以上の電荷再結合層を介して2層以上の光電変換層を積層(タンデム化)して直列接合を形成してもよい。例えば、基板/陰極/第1の光電変換層/第1の正孔取出し層/電荷再結合層/第2の光電変換層/第2の正孔取出し層/陽極という積層構成を挙げることができる。この場合、電荷再結合層は隣接する光電変換層の陰極および陽極を兼ねていると考えることができる。このように積層することにより、開放電圧を向上させることができる。なお、陰極と第1の光電変換層の間、および電荷再結合層と第2の光電変換層の間に上述の電子取出し層を設けてもよい。
ここで用いられる電荷再結合層は、複数の光電変換層が光吸収できるようにするため、光透過性を有する必要がある。また、電荷再結合層は、十分に正孔と電子が再結合するように設計されていればよいので、必ずしも膜である必要は無く、例えば光電変換層上に一様に形成された金属クラスターであってもかまわない。従って、電荷再結合層には、上述の金、白金、クロム、ニッケル、リチウム、マグネシウム、カルシウム、錫、銀、アルミニウムなどから成る数オングストロームから数十オングストローム程度の光透過性を有する非常に薄い金属膜や金属クラスター(合金を含む)、ITO、IZO、AZO、GZO、FTO、酸化チタンや酸化モリブデンなどの光透過性の高い金属酸化物膜およびクラスター、PSSが添加されたPEDOTなどの導電性有機材料膜、またはこれらの複合体等が用いられる。例えば、銀を、真空蒸着法を用いて水晶振動子膜厚モニター上で数オングストローム〜1nmとなるように蒸着すれば、一様な銀クラスターが形成できる。その他にも、酸化チタン膜を形成するならば、アドヴァンスト マテリアルズ(Advanced Materials)、2006年、18巻、572−576頁に記載のゾルゲル法を用いればよい。ITO、IZOなどの複合金属酸化物であるならば、スパッタリング法を用いて成膜すればよい。これら電荷再結合層形成法や種類は、電荷再結合層形成時の光電変換層への非破壊性や、次に積層される光電変換層の形成法等を考慮して適当に選択すればよい。
次に本発明の光起電力素子を製造する方法の一例について説明する。基板上に電極(陰極)をスパッタリング法などにより形成する。陰極と光電変換層の間に電子輸送層を設ける場合には、金属塩や金属アルコキシドなどの前駆体溶液を塗布・加熱して形成する方法や、ナノ粒子分散液を基板に塗布して層を形成する方法、電子輸送性有機半導体溶液を塗布・乾燥して形成する方法を用いて所望の電子取出し層を形成すればよい。塗布法には、スピンコート塗布、ブレードコート塗布、スリットダイコート塗布、スクリーン印刷塗布、バーコーター塗布、鋳型塗布、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法、スプレー法など何れの方法を用いることができ、塗膜厚さ制御や配向制御など、得ようとする塗膜特性に応じて塗布方法を選択すればよい。
次に、電子供与性有機半導体材料、および電子受容性有機材料を含む光起電力素子用材料を溶媒に溶解させて溶液を作り、陰極、もしくは電子輸送層上に塗布し光電変換層を形成する。このとき用いられる溶媒は、有機半導体が溶媒中に適当に溶解または分散できるものであれば特に限定されないが、有機溶媒が好ましく、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、デカン、シクロヘキサン、デカリン、ビシクロヘキシルなどの脂肪族炭化水素類、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、イソホロンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、γ−ブチロラクトン、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジメチルカーボネートなどのエステル類、エチルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、テトラヒドロピラン、3,4−ジヒドロ−2H−ピラン、イソクロマン、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジグリムなどのエーテル類、アンモニア、エタノールアミンなどのアミン類、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド類、スルホランなどのスルホン類、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類、二硫化炭素、1,8−オクタンジチオールなどのチオール類、アセトニトリル、アクリロニトリルなどのニトリル類、酢酸、乳酸などの脂肪酸類、フラン、チオフェン、ピロール、ピリジンなどの複素環式化合物類、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、クメン、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン、スチレン、メシチレン、1,2,4−トリメチルベンゼン、p−シメン、シクロヘキシルベンゼン、ジエチルベンゼン、ペンチルベンゼン、ジペンチルベンゼン、ドデシルベンゼン、エチニルベンゼン、テトラリン、アニソール、フェネトール、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、ベラトロール、1,3−ジメトキシベンゼン、1,2,4−トリメトキシベンゼン、2−メトキシトルエン、2,5−ジメチルアニソール、o−クロロフェノール、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、1−クロロナフタレン、1−ブロモナフタレン、1−メチルナフタレン、o−ジヨードベンゼン、アセトフェノン、2,3−ベンゾフラン、2,3−ジヒドロベンゾフラン、1,4−ベンゾジオキサン、酢酸フェニル、安息香酸メチル、クレゾール、アニリン、ニトロベンゼンなどの芳香族炭化水素類、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、トリクロロエタン、1,3−ジクロロプロパン、1,1,1,2―テトラクロロエタン、1,1,1,3−テトラクロロプロパン、1,2,2,3−テトラクロロプロパン、1,1,2,3−テトラクロロプロパン、ペンタクロロプロパン、ヘキサクロロプロパン、ヘプタクロロプロパン、1−ブロモプロパン、1,2−ジブロモプロパン、2,2−ジブロモプロパン、1,3−ジブロモプロパン、1,2,3−トリブロモプロパン、1,4−ジブロモブタン、1,5−ジブロモペンタン、1,6−ジブロモヘキサン、1,7−ジブロモヘプタン、1,8−ジブロモオクタン、1−ヨードプロパン、1,3−ジヨードプロパン、1,4−ジヨードブタン、1,5−ジヨードペンタン、1,6−ジヨードヘキサン、1,7−ジヨードヘプタン、1,8−ジヨードオクタンなどのハロゲン炭化水素類などが挙げられる。中でも好ましくは、トルエン、キシレン、メシチレン、1,2,4−トリメチルベンゼン、テトラリン、アニソール、フェネトールベラトロール、1,3−ジメトキシベンゼン、1,2,4−トリメトキシベンゼン、2−メトキシトルエン、2,5−ジメチルアニソール、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、1−クロロナフタレンなどの芳香族炭化水素類や、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジブロモプロパン、1,3−ジブロモプロパン、1,2,3−トリブロモプロパン、1,4−ジブロモブタン、1,6−ジブロモヘキサン、1,8−ジブロモオクタン、1,3−ジヨードプロパン、1,4−ジヨードブタン、1,5−ジヨードペンタン、1,6−ジヨードヘキサン、1,7−ジヨードヘプタン、1,8−ジヨードオクタンなどのハロゲン炭化水素類などが挙げられる。なお、これらを2種以上混合して用いてもよい。
電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を混合して光電変換層を形成する場合は、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料を所望の比率で溶媒に添加し、加熱、攪拌、超音波照射などの方法を用いて溶解させ溶液を作り、陰極、もしくは電子取出し層上に塗布する。また、電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を積層して光電変換層を形成する場合は、例えば電子供与性有機材料の溶液を塗布して電子供与性有機材料を有する層を形成した後に、電子受容性有機材料の溶液を塗布して層を形成する。電子供与性有機材料および電子受容性有機材料が、分子量が1000以下程度の低分子量体である場合には、蒸着法を用いて層を形成することも可能である。
光電変換層の形成には前述の電子取出し層と同様の塗布法を用いることができ、膜厚制御や配向制御など、得ようとする光電変換層特性に応じて形成方法を選択すればよい。例えばスピンコート塗布を行う場合には、電子供与性有機材料、および電子受容性有機材料が1〜20g/lの濃度(電子供与性有機材料と電子受容性有機材料と溶媒を含む溶液の体積に対する、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の重量)であることが好ましく、この濃度にすることで厚さ5〜200nmの均質な光電変換層を得ることができる。形成した光電変換層に対して、溶媒を除去するために、減圧下または不活性雰囲気下(窒素やアルゴン雰囲気下)などでアニーリング処理を行ってもよい。アニーリング処理の好ましい温度は40℃〜300℃、より好ましくは50℃〜200℃である。このアニーリング処理は、正孔取出し層陽極の形成後に行ってもよい。
次に、各種成膜法によって光電変換層上に正孔取出し層を形成する。所望の正孔輸送性材料(PEDOT:PSSなど)と前述の一般式(1)で表される化合物の混合溶液である塗布液を調製し、光電変換層上に塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて溶媒を除去することで形成できる。塗布法には、前述の電子取出し層の形成の場合と同様の塗布法を用いることができる。また、金属酸化物などの前駆体と一般式(1)で表される化合物の混合溶液を光電変換層上に塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて反応を進行させることでも形成できる。
陽極は、正孔取出し層の上にAgなどの金属電極を真空蒸着法やスパッタ法により形成することができる。正孔取出し層を真空蒸着した場合は、引き続き、真空を保持したまま金属電極を続けて形成することが好ましい。
なお、以上は最初に基板上に陰極を形成し、陰極側から順に層を形成して光起電力素子を作成する方法について説明したが、基板上に電極(陽極)をスパッタリング法などにより形成し、当該電極の上に、一般式(1)で表される化合物を含む正孔取出し層、光電変換層、電子取出し層、および電極(陰極)をこの順に形成する光起電力素子を製造する方法も挙げられる。この場合、光起電力素子の積層構造が逆になり、正孔取出し層は光電変換層の下に形成されることになるが、その他は前記同様である。
本発明の光起電力素子は、光電変換機能、光整流機能などを利用した種々の光電変換デバイスへの応用が可能である。例えば光電池(太陽電池など)、電子素子(光センサ、光スイッチ、フォトトランジスタなど)、光記録材(光メモリなど)、撮像素子などに有用である。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。また実施例等で用いた化合物のうち、略語を使用しているものについて、以下に示す。
Isc:短絡電流密度
Voc:開放電圧
FF:フィルファクター
η:光電変換効率
ITO:インジウム錫酸化物
A−1:下記式で表される化合物
Figure 0006848858
[70]PCBM:フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル
CF:クロロホルム
各実施例・比較例における光電変換効率は、次式により求めた。
η(%)=Isc(mA/cm)×Voc(V)×FF/照射光強度(mW/cm)×100
FF=JVmax/(Isc(mA/cm)×Voc(V))
JVmax(mW/cm)は、印加電圧が0Vから開放電圧までの間で電流密度と印加電圧の積が最大となる点における電流密度と印加電圧の積の値である。
合成例1
化合物A−1を式1に示す方法で合成した。なお、化合物(1−i)はジャーナルオブザアメリカンケミカルソサエティ(Journal of the American Chemical Society)、2009年、131巻、7792−7799頁に記載されている方法を参考に、化合物(1−p)はアンゲバンテケミ インターナショナルエディション(Angewandte Chem Internatioal Edition)、2011年、50巻、9697−9702頁に記載されている方法を参考にして合成した。
Figure 0006848858
メチル−2−チオフェンカルボキシレート(東京化成工業(株)製)38g(0.27mol)およびクロロメチルメチルエーテル(東京化成工業(株)製)108g(1.34mol)を0℃で撹拌しているところに、四塩化スズ(和光純薬工業(株)製)125g(0.48mol)を1時間かけて加え、その後室温で8時間撹拌した。撹拌終了後、水100mlを0℃でゆっくり加え、クロロホルムで3回抽出した。有機層を飽和食塩水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで溶媒を乾燥後、溶媒を減圧除去した。得られた茶褐色固体をメタノールから再結晶することにより化合物(1−b)を薄黄色固体(24.8g、収率39%)として得た。化合物(1−b)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.71(s,1H),4.79(s,1H),4.59(s,1H),3.88(s,3H)ppm。
上記化合物(1−b)24.8g(0.10mmol)をメタノール(佐々木化学工業(株)製)1.2Lに溶解させ、60℃で撹拌しているところに硫化ナトリウム(アルドリッチ社製)8.9g(0.11mol)のメタノール溶液100mlを1時間かけて滴下し、さらに60℃で4時間撹拌した。反応終了後、溶媒を減圧除去し、クロロホルム200mlと水200mlを加え、不溶物をろ別した。有機層を水で2回、飽和食塩水で1回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧除去した。粗精製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、クロロホルム)で精製することにより化合物(1−c)を白色固体(9.8g、収率48%)として得た。化合物(1−c)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.48(s,1H),4.19(t,J=3.0Hz,2H),4.05(t,J=3.0Hz,2H),3.87(s,3H)ppm。
上記化合物(1−c)9.8g(49mmol)に水100mlついで3M水酸化ナトリウム水溶液30mlを加え、80℃で4時間加熱撹拌した。反応終了後、濃塩酸15mlを0℃で加え、析出した固体をろ取し、水で数回洗浄した。得られた固体を乾燥し、化合物(1−d)を白色固体(8.9g、収率98%)として得た。
H−NMR(270MHz,DMSO−d):7.46(s,1H),4.18(t,J=3.2Hz,2H),4.01(t,J=3.2Hz,2H)ppm。
上記化合物(1−d)1.46g(7.8mmol)を脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)60mlに溶解し、−78℃で撹拌しているところに、ノルマルブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M、和光純薬工業(株)製)10.7ml(17.2mmol)を滴下し、−78℃で1時間攪拌した。次いでN−フルオロベンゼンスルホンイミド(東京化成工業(株)製)4.91g(15.6mmol)の乾燥テトラヒドロフラン溶液20mlを−78℃で10分間かけて滴下し、室温で12時間攪拌した。反応終了後、水50mlをゆっくり加えた。3M塩酸を加えて水層を酸性にした後、クロロホルムで3回抽出した。有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、酢酸エチル)で副生成物を除去した後に酢酸エチルから再結晶することで化合物(1−e)を薄黄色粉末(980mg、収率61%)として得た。化合物(1−e)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,DMSO−d):13.31(brs,1H),4.20(t,J=3.0Hz,2H),4.03(t,J=3.0Hz,2H)ppm。
上記化合物(1−e)800mg(3.9mmol)の脱水ジクロロメタン(和光純薬工業(株)製)溶液10mlに、オキサリルクロリド(東京化成工業(株)製)1ml、次いでジメチルホルムアミド(和光純薬工業(株)製)1滴を加え、室温で3時間攪拌した。溶媒と過剰の塩化オキサリルを減圧除去することで、化合物(1−f)を黄色オイルとして得た。化合物(1−f)はそのまま次の反応に用いた。
上記化合物(1−f、粗精製物)のジクロロメタン溶液10mlを1−オクタノール(和光純薬工業(株)製)1.3g(10mmol)およびトリエチルアミン(和光純薬工業(株)製)800mg(8mmol)のジクロロメタン溶液15mlに室温で加え、6時間室温で撹拌した。反応溶液を1M塩酸で2回、水で1回、飽和食塩水で1回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、クロロホルム)で精製することにより化合物(1−g)を薄黄色固体(1.12g、収率90%)として得た。化合物(1−g)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):4.27(t,J=6.7Hz,2H),4.16(t,J=3.0Hz,2H),4.01(t,J=3.0Hz,2H),1.72(m,2H),1.5−1.3(m,12H),0.88(t,J=7.0Hz,3H)ppm。
上記化合物(1−g)1.1g(3.5mmol)の酢酸エチル溶液40mlに、メタクロロ安息香酸(ナカライテスク(株)製)630mg(3.6mmol)の酢酸エチル溶液10mlを0℃で滴下し、室温で5時間攪拌した。溶媒を減圧除去した後に無水酢酸30mlを加え、3時間加熱還流した。溶媒を再び減圧除去した後にシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、ジクロロメタン:ヘキサン=1:1)で精製することにより化合物(1−h)を薄黄色オイル(1.03g、収率94%)として得た。化合物(1−h)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.65(d,J=2.7Hz,1H),7.28(dd,J=2.7Hz and 5.4Hz,1H),4.31(t,J=6.8Hz,2H),1.75(m,2H),1.42−1.29(m,12H),0.89(t,J=6.8Hz,3H)ppm。
上記化合物(1−h)1.0g(3.2mmol)のジメチルホルムアミド溶液20mlに、N−ブロモスクシンイミド(和光純薬工業(株)製)1.25g(7.0mmol)を室温で加え、3時間室温で撹拌した。反応終了後、5%チオ硫酸ナトリウム水溶液10mlを加え、5分間攪拌した。酢酸エチル80mlを加え、有機層を水で5回、飽和食塩水で1回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、クロロホルム:ヘキサン=1:3)で精製することにより化合物(1−i)を薄黄色固体(1.2g、収率79%)として得た。化合物(1−i)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):4.32(t,J=6.5Hz,2H),1.75(m,2H),1.42−1.29(m,12H),0.89(t,J=6.8Hz,3H)ppm。
ジエチルアミン(和光純薬工業(株)製)110g(1.5mol)のジクロロメタン溶液300mlに、3−チオフェンカルボニルクロリド(和光純薬工業(株)製)100g(0.68mol)を0℃で1時間かけて加え、室温で3時間攪拌した。撹拌終了後、水200mlを加え、有機層を水で3回、飽和食塩水で1回洗浄した。無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。残渣を減圧蒸留することにより、化合物(1−k)を淡橙色液体(102g、収率82%)として得た。化合物(1−k)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.47(dd,J=3.2Hz and 1.0Hz,1H),7.32(dd,J=5.0Hz and 3.2Hz,1H),7.19(dd,J=5.0Hz and 1.0Hz,1H),3.43(brs,4H),1.20(t,J=6.5Hz,6H)ppm。
上記化合物(1−k)73.3g(0.40mol)の脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)溶液400mlに、ノルマルブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M、和光純薬工業(株)製)250ml(0.40mol)を0℃で30分間かけて滴下した。滴下終了後、室温で4時間攪拌した。撹拌終了後、水100mlをゆっくり加えしばらく撹拌した後、反応混合物を水800mlに注いだ。析出した固体をろ取し、水、メタノール、ついでヘキサンの順で洗浄することにより化合物(1−l)を黄色固体(23.8g、収率27%)として得た。化合物(1−l)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.69(d,J=4.9Hz,2H),7.64(d,J=4.9Hz,2H)ppm。
チオフェン42g(0.50mol)の脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)溶液400mlに、ノルマルブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M、和光純薬工業(株)製)250ml(0.40mol)を−78℃で30分間かけて滴下した。反応混合物を−78℃で1時間攪拌した後、2−エチルヘキシルブロミド(和光純薬工業(株)製)76.4g(0.40mol)を−78℃で15分間かけて滴下した。反応溶液を室温で30分間撹拌した後、60℃で6時間加熱撹拌した。撹拌終了後、反応溶液を室温まで冷却し、水200mlおよびジエチルエーテル200mlを加えた。有機層を水で2回、飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。残渣を減圧蒸留することで化合物(1−n)を無色液体(28.3g、36%)として得た。化合物(1−n)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.11(d,4.9Hz,1H),6.92(dd,4.9Hz and 3.2Hz,1H),6.76(d,J=3.2Hz,1H),2.76(d,J=6.8Hz,2H),1.62(m,1H),1.4−1.3(m,8H),0.88(m,6H)ppm。
上記化合物(1−n)17.5g(89mmol)の脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)溶液400mlに、ノルマルブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M、和光純薬工業(株)製)57ml(89mmol)を0℃で30分間かけて滴下した。反応溶液を50℃で1時間撹拌した後、上記化合物(1−l)4.9g(22mmol)を50℃で加え、そのまま1時間撹拌した。撹拌終了後、反応溶液を0℃に冷却し、塩化すず二水和物(和光純薬工業(株)製)39.2g(175mmol)を10%塩酸80mlに溶かした溶液を加え、室温で1時間撹拌した。撹拌終了後、水200ml、ジエチルエーテル200mlを加え、有機層を水で2回、次いで飽和食塩水で洗浄した。無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離液、ヘキサン)で精製することにより化合物(1−o)を黄色オイル(7.7g、収率59%)として得た。化合物(1−o)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.63(d,J=5.7Hz,1H),7.45(d,J=5.7Hz,1H),7.29(d,J=3.6Hz,1H),6.88(d,J=3.6Hz,1H),2.86(d,J=7.0Hz,2H),1.70−1.61(m,1H),1.56−1.41(m,8H),0.97−0.89(m,6H)ppm。
上記化合物(1−o)870mg(1.5mmol)の脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)溶液25mlに、ノルマルブチルリチウムヘキサン溶液(1.6M、和光純薬工業(株)製)2.0ml(3.3mmol)を−78℃でシリンジを用いて加え、−78℃で30分間、室温で30分間攪拌した。反応混合物を−78℃まで冷却した後、トリメチルスズクロリド(和光純薬工業(株)製)800mg(4.0mmol)を−78℃で一度に加え、室温で4時間撹拌した。撹拌終了後、ジエチルエーテル50mlおよび水50mlを加え5分間室温で撹拌した後、有機層を水で2回、次いで飽和食塩水で洗浄した。無水硫酸ナトリウムで溶媒を乾燥後、溶媒を減圧留去した。得られた橙色オイルをエタノールより再結晶することで、化合物(1−p)を薄黄色固体(710mg、収率52%)として得た。化合物(1−p)のH−NMRの測定結果を以下に示す。
H−NMR(270MHz,CDCl):7.68(s,2H),7.31(d,J=3.2Hz,2H),6.90(d,J=3.2Hz,2H),2.87(d,J=6.2Hz,4H),1.69(m,2H),1.40−1.30(m,16H),1.0−0.9(m,12H),0.39(s,18H)ppm。
化合物(1−i)71mg(0.15mmol)および化合物(1−p)136mg(0.15mmol)をトルエン(和光純薬工業(株)製)4mlおよびジメチルホルムアミド(和光純薬工業(株)製)1mlに溶解させたところに、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(東京化成工業(株)製)5mgを加え、窒素雰囲気下、100℃で15時間撹拌した。次いで、ブロモベンゼン(東京化成工業(株)製)15mgを加え、100℃にて1時間撹拌した。次いで、トリブチル(2−チエニル)すず(東京化成工業(株)製)40mgを加え、100℃にてさらに1時間撹拌した。撹拌終了後、反応混合物を室温まで冷却し、メタノール100mlに注いだ。析出した固体をろ取し、メタノール、水、アセトンの順に洗浄した。次いでソックスレー抽出器を用いてアセトン、ヘキサンの順で洗浄した。次に、得られた固体をクロロホルムに溶解させ、セライト(ナカライテスク(株)製)、次いでシリカゲルカラム(遊離液、クロロホルム)に通した後、溶媒を減圧留去した。得られた固体を再度クロロホルムに溶解させた後、メタノールに再沈殿し、化合物A−1(85mg)を得た。重量平均分子量は25,000、数平均分子量は16,000であった。
[実施例1]
水5μLとエタノール溶媒(和光純薬工業(株) 製)0.5mLを、酢酸亜鉛2水和物(和光純薬工業(株) 製)10mgの入ったサンプル瓶の中に加え、熱溶解して溶液Aを得た。溶液Aに3−アミノプロピルトリエトキシシラン(アルドリッチ社製)を1体積%の割合で加えて溶液Bを得た。3,4,5−トリメトキシトルエン(東京化成工業(株)製)を2体積%の割合で混合したクロロホルム溶媒0.2mLを、A−1 0.9mg、[70]PCBM(ソレーヌ社製)1.1mgの入ったサンプル瓶の中に加え、超音波洗浄機(井内盛栄堂(株)製US−2、出力120W)中で30分間超音波照射することにより溶液Cを得た。PEDOT:PSS水溶液(CLEVIOS P VP AI4083)と水と2−プロパノール(和光純薬工業(株) 製)とを30:50:20の体積%で混合し、溶液Dを得た。溶液Dにポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテル(アルドリッチ社製)を0.2重量%となるように加えて正孔取出し層塗布液を調製した。
スパッタリング法により陰極となるITO透明導電層を125nm堆積させたガラス基板を38mm×46mmに切断した後、ITOをフォトリソグラフィー法により38mm×13mmの長方形状にパターニングした。得られた基板の光透過率を日立分光光度計U−3010で測定した結果、400nm〜900nmの全ての波長領域において85%以上であった。この基板をアルカリ洗浄液(フルウチ化学(株)製、“セミコクリーン”EL56)で10分間超音波洗浄した後、超純水で洗浄した。この基板を30分間UV/オゾン処理した後に、上記の溶液Aをガラス基板上に滴下し、スピンコートした後、ホットプレート上で150℃,30分間加熱することで約30nm厚の電子取出し層を成膜した。溶液Cを電子取出し層上に滴下し、スピンコートした後、ホットプレート上で80℃,5分間加熱乾燥することで膜厚130nmの光電変換層を形成した。上記のように調製した正孔取出し層塗布液を光電変換層上に滴下し、スピンコートした後、ホットプレート上で80℃,5分間加熱することで正孔輸送層を形成した。目視により、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれることなく、良好に成膜されていることを確認した。その後、基板と陽極用マスクを真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度を1×10−3Pa以下になるまで排気し、抵抗加熱法によって陽極となる銀層を100nmの厚さに蒸着した。作製した素子の上下の電極から引き出し電極を取り出し、帯状のITO層と銀層が重なり合う部分の面積が5mm×5mmである光起電力素子を作製した。
このようにして作製された光起電力素子の上下の電極をヒューレット・パッカード社製ピコアンメーター/ボルテージソース4140Bに接続して、大気下でITO層側から白色光(AM1.5;100mW/cm)を照射し続け、印加電圧を−1Vから+2Vまで変化させたときの電流値を測定した。得られた電流値より光電変換効率(η)を算出した結果、光電変換効率は7.80%であった。
[実施例2]
正孔取出し層塗布液を作製する際に、PEDOT:PSS水溶液と2−プロパノールを20:80体積%で混合した溶液にポリオキシエチレン(3)ラウリルエーテル(花王株式会社製エマルゲン103)を0.2重量%となるように加えて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例3]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(5)ラウリルエーテル(花王株式会社製エマルゲン106)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例4]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(6)ラウリルエーテル(花王株式会社製エマルゲン108)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例5]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(9)ラウリルエーテル(花王株式会社製エマルゲン109P)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例6]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(5)トリデシルエーテル(竹本油脂株式会社製ニューカルゲンD−1205)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例7]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(8)トリデシルエーテル(竹本油脂株式会社製ニューカルゲンD−1208)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例8]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(7)オレイルエーテル(東京化成工業(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は、実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例9]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(10)オレイルエーテル(東京化成工業(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は、実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[実施例10]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(13)オレイルエーテル(東京化成工業(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は、実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[比較例1]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルを加えずに正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層を成膜することができなかった。
[比較例2]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてアセチレングリコール系界面活性剤オルフィンEXP.4200(日信化学社製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[比較例3]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(Triton X−100(MPBIOMEDICALS社製))を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製して、測定を行った。
[比較例4]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(10)ラウリルエーテル(竹本油脂株式会社製パイオニンD−1110)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例5]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(23)ラウリルエーテル(和光純薬工業(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例6]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(2)セチルエーテル(アルドリッチ社製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例7]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(5)セチルエーテル(竹本油脂株式会社製パイオニンD−1305−Z)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例8]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(8)セチルエーテル(日油株式会社製ノニオンP−208)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例9]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(10)セチルエーテル(アルドリッチ社製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例10]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(20)セチルエーテル(和光純薬工業(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例11]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(4)ステアリルエーテル(ワコーケミカル(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例12]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(10)ステアリルエーテル(アルドリッチ社製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
[比較例13]
ポリオキシエチレン(4)ラウリルエーテルに代えてポリオキシエチレン(20)ステアリルエーテル(ワコーケミカル(株)製)を用いて正孔取出し層塗布液を調製した他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製しようとしたが、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜できなかった。
各実施例、比較例で作製した光起電力素子の正孔取出し層に含有される界面活性剤等の化合物の種類と、その成膜性、作製した光起電力素子の光電変換効率等の結果を表1、表2にまとめた。正孔取出し層の成膜性については、目視により、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれることなく、良好に成膜されている場合を「良」、目視により、光電変換層上で正孔取出し層塗布液が弾かれ、正孔取出し層が成膜されていないことを確認した場合を「不良」とした。実施例1〜10と比較例1〜13の対比から、本発明により正孔取出し層の成膜性が向上し、光電変換効率に優れた光起電力素子を提供できることが分かる。
Figure 0006848858
Figure 0006848858
1 基板
2 陰極
3 光電変換層
4 正孔取出し層
5 陽極

Claims (9)

  1. 少なくとも陰極、光電変換層、正孔取出し層、および陽極をこの順に有する光起電力素子であって、前記光電変換層を形成する材料が側鎖にアルキル基を有し、前記正孔取出し層が正孔輸送性材料、および下記一般式(1)または(2)で表される化合物を含有する光起電力素子。
    Figure 0006848858
    (式(1)中、Rは炭素数が8〜14のアルキル基または炭素数が8〜14のアルカノイル基を表し、nは1〜9の自然数を表す。式(2)中、Rはアルケニル基を表し、mは自然数を表す。)
  2. 前記一般式(1)で表される化合物を含有し、前記一般式(1)中のRが炭素数10〜13のアルキル基または炭素数10〜13のアルカノイル基である請求項1に記載の光起電力素子。
  3. 前記一般式(1)で表される化合物を含有し、前記一般式(1)中のnが3〜6の自然数である請求項1または2のいずれかに記載の光起電力素子。
  4. 前記一般式(2)で表される化合物を含有し、前記一般式(2)中のRがオレイル基であり、mが5〜20の自然数である請求項1に記載の光起電力素子。
  5. 前記一般式(2)で表される化合物を含有し、前記一般式(2)中のmが7〜13の自然数である請求項1または4に記載の光起電力素子。
  6. 前記正孔輸送性材料が導電性高分子を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の光起電力素子。
  7. 前記導電性高分子として、ポリスチレンスルフォネートが添加されたポリエチレンジオキシチオフェンを含む、請求項1〜6のいずれかに記載の光起電力素子。
  8. 側鎖にアルキル基を有する材料が電子供与性有機材料である、請求項1〜7のいずれかに記載の光起電力素子。
  9. 前記光電変換層が、電子供与性有機半導体と、フラーレンまたはフラーレン誘導体とを含有する、請求項1〜のいずれかに記載の光起電力素子。
JP2017514717A 2016-03-18 2017-03-13 光起電力素子 Active JP6848858B2 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016055187 2016-03-18
JP2016055187 2016-03-18
JP2016055186 2016-03-18
JP2016055186 2016-03-18
PCT/JP2017/009950 WO2017159609A1 (ja) 2016-03-18 2017-03-13 光起電力素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017159609A1 JPWO2017159609A1 (ja) 2019-01-17
JP6848858B2 true JP6848858B2 (ja) 2021-03-24

Family

ID=59851508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017514717A Active JP6848858B2 (ja) 2016-03-18 2017-03-13 光起電力素子

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20190088880A1 (ja)
EP (1) EP3432377A4 (ja)
JP (1) JP6848858B2 (ja)
KR (1) KR102215210B1 (ja)
CN (1) CN108701770A (ja)
TW (1) TW201806207A (ja)
WO (1) WO2017159609A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018207420A1 (ja) * 2017-05-08 2018-11-15 ソニー株式会社 有機光電変換素子
US20210079160A1 (en) * 2018-01-22 2021-03-18 Idemitsu Kosan Co.,Ltd. Composition, and redox material using the same
JP7037149B2 (ja) * 2018-03-15 2022-03-16 株式会社リコー 有機材料および光電変換素子
DE112019004430T5 (de) * 2018-09-04 2021-06-02 Sony Corporation Bildgebungselement, gestapeltes bildgebungselement und festkörper-bildgebungsvorrichtung
WO2021034715A1 (en) * 2019-08-16 2021-02-25 Ubiquitous Energy, Inc. Para-phenylenes as buffer and color tuning layersfor solar cells
WO2024203157A1 (ja) * 2023-03-31 2024-10-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 フラーレン誘導体溶液、塗布膜の製造方法、および撮像装置の製造方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7550915B2 (en) * 2004-05-11 2009-06-23 Osram Opto Semiconductors Gmbh Organic electronic device with hole injection
US7466376B2 (en) * 2005-03-22 2008-12-16 Konarka Technologies, Inc. Photovoltaic cell
JP2009238593A (ja) * 2008-03-27 2009-10-15 Casio Comput Co Ltd 発光素子及びその製造方法
TWI422525B (zh) * 2010-09-10 2014-01-11 Univ Nat Chiao Tung 可交聯之富勒烯衍生物及其反式結構有機太陽能電池
JP5920341B2 (ja) * 2011-05-12 2016-05-18 コニカミノルタ株式会社 有機光電変換素子、その製造方法及び太陽電池
JP5991799B2 (ja) * 2011-09-01 2016-09-14 株式会社イデアルスター ホールブロック層の製造方法、およびそのホールブロック層を備える光電変換素子の製造方法
TWI635111B (zh) * 2012-03-16 2018-09-11 馬克專利公司 共軛聚合物
US10037831B2 (en) * 2012-04-12 2018-07-31 Sol Voltaics Ab Methods of nanowire functionalization, dispersion and attachment
JP2014027174A (ja) 2012-07-27 2014-02-06 Mitsubishi Chemicals Corp 光電変換素子、太陽電池モジュール、及び光電変換素子の製造方法
JP6180294B2 (ja) * 2013-11-21 2017-08-16 花王株式会社 シート用液状化粧料組成物及びシート状化粧料
JP2015124316A (ja) * 2013-12-26 2015-07-06 東ソー株式会社 ペースト加工用塩化ビニル系樹脂及びそれを用いたペースト加工用塩化ビニル系樹脂組成物
JP2015165491A (ja) * 2014-02-06 2015-09-17 三菱化学株式会社 有機電界発光素子及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180125968A (ko) 2018-11-26
TW201806207A (zh) 2018-02-16
KR102215210B1 (ko) 2021-02-15
JPWO2017159609A1 (ja) 2019-01-17
WO2017159609A1 (ja) 2017-09-21
EP3432377A4 (en) 2019-11-20
US20190088880A1 (en) 2019-03-21
EP3432377A1 (en) 2019-01-23
CN108701770A (zh) 2018-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6848858B2 (ja) 光起電力素子
JP5482973B1 (ja) 共役系重合体、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子
JP6544235B2 (ja) 光起電力素子の製造方法
JP6662042B2 (ja) 有機半導体組成物、光起電力素子、光電変換デバイスおよび光起電力素子の製造方法
WO2014042091A1 (ja) 共役系重合体、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子
JP2019068056A (ja) 光電変換素子
JP2021057579A (ja) 有機半導体組成物、光起電力素子、光電変換デバイスおよび光起電力素子の製造方法
JP2012039097A (ja) 光起電力素子
JP2017175109A (ja) 光起電力素子
JP2020017611A (ja) 光電変換素子
JP2021100094A (ja) 有機半導体組成物、光起電力素子、光電変換デバイスおよび光起電力素子の製造方法
JP2020053678A (ja) 光起電力素子
JP2013191794A (ja) 光起電力素子
JP2021163911A (ja) タンデム型光起電力素子および光電変換デバイス
JP2023009018A (ja) 光起電力素子の製造方法および光起電力素子
WO2014002664A1 (ja) 光起電力素子
JP2016111036A (ja) 光起電力素子
JP2016103570A (ja) 光起電力素子
JP2020136666A (ja) 光起電力素子の製造方法
JP2019065267A (ja) 共役系化合物、光電変換素子および光電変換素子用材料

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190909

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200915

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201012

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210202

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210215

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6848858

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151